微生物的代谢-第二章微生物的纯培养和显微技术.ppt

第五章微生物的代谢,微生物产能代谢耗能代谢微生物代谢的调节微生物次级代谢与次级代谢产物,代谢,代谢：是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢和合成代谢两个过程组成。,分解代谢,分解代谢：是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。,分解代谢一般可分为三个阶段：,第一阶段：是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质。,分解代谢一般可分为三个阶段：,第二阶段：是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2。,分解代谢,第三阶段：是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。,第二和第三阶段产生的NADH和FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。,分解代谢,合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。,合成代谢（anabolism）,代谢,在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能。这些能量用于：合成代谢；微生物的运动和运输；热和光无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,第一节微生物产能代谢,异养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化能量转换,生物氧化,分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。,生物氧化的功能：,产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物,生物氧化特点,在活体细胞中进行，需酶参加;温和条件;复杂的氧化还原过程；能量逐步释放，以ATP形式储存和转运。,一、异养微生物的生物氧化,根据氧化还原反应中电子受体的不同可分为发酵和呼吸两种类型。呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸。,发酵：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同代谢产物。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出小部分的能量。,发酵,糖酵解,糖酵解：生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程。主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。,EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnaspathway）,是以一分子葡萄糖为底物，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。在其总反应中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（2NADH+H+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。,EMP途径,活化,移位,氧化,磷酸化,己糖异构酶,果糖二磷酸醛缩酶,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,甘油酸变位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,磷酸果糖激酶,葡萄糖激活的方式,葡萄糖,6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,ATP,ADP,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟基丙酮,1,3-二磷酸甘油酸,ATP,ADP,丙酮酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,烯醇式丙酮酸,ATP,ADP,ATP,ADP,EMP途径,HM途径：单磷酸已糖途径,这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADH+H+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。中间产物包括：5-磷酸核糖用于核酸及辅酶的合成；4-磷酸赤藓糖用于芳香族AA（苯丙AA、色AA等）的合成。,HM途径,ED途径：,ED途径：2-酮-3脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分子NADH。只有少数细菌利用此途径，且产能较少，效率低。,ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸激酶（与EMP途径连接）氧化酶(与HM途径连接)EMP途径3-磷酸-甘油醛脱水酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸丙酮酸醛缩酶有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵,ED途径,磷酸解酮酶途径,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌在进行异型乳酸发酵过程中分解已糖和戊糖的途径。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸解酮酶途径有两种：磷酸戊糖解酮酶途径（PK）途径磷酸己糖解酮酶途径（HK）途径没有EMP、HMP和ED途径的细菌通过PK、HK途径分解葡萄糖。,葡萄糖6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸5-P-核酮糖5-P-木酮糖,3-P-甘油醛丙酮酸,乙酰磷酸乙酰CoA乙醛,ATP,ADP,NAD+,NADH+H+,CO2,乳酸,乙醇,异构化作用,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖解酮酶,CoA,Pi,2ADP+Pi,2ATP,-2H,-2H,-2H,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖解酮酶途径,磷酸己糖解酮酶途径,2葡萄糖2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖,4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸,2木酮糖-5-磷酸,2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸,2乳酸,2乙酸,乙酸,磷酸己糖解酮酶,磷酸戊糖解酮酶,逆HMP途径,同EMP,乙酸激酶,发酵类型,在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵及乙酸发酵等。,酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵,丙酮酸的发酵产物,C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OH（乙醇）,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,酵母菌的乙醇发酵：,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,酵母菌的甘油发酵：,细菌的乙醇发酵,葡萄糖,2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸,3-磷酸甘油醛丙酮酸,丙酮酸,乙醇乙醛,2乙醇,2CO2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED,细菌的乙醇发酵,同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵,乳酸发酵,乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HM途径）双歧杆菌发酵:（经HK途径磷酸己糖解酮酶途径）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2(1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD+2NADH,4ATP,4ADP,2ATP2ADP,Lactococcuslactis乳酸乳球菌Lactobacillusplantarum胚芽乳杆菌、植物乳杆菌,异型乳酸发酵,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+NADH,NAD+NADH,ATPADP,乙醇乙醛乙酰CoA,2ADP2ATP,-2H,-CO2,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,混合酸发酵,概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。发酵途径：,葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2乙酸,丙酮酸甲酸裂解酶,乳酸脱氢酶,甲酸-氢裂解酶,磷酸转乙酰酶,乙酸激酶,PEP羧化酶,乙醛脱氢酶,+2H,pH6.2,2,3-丁二醇发酵,葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰乳酸二乙酰碱性条件3-羟基丁酮2,3-丁二醇,CO2H2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脱羧酶,2,3-丁二醇脱氢酶,概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。发酵途径：,EMP,鉴别肠道细菌的V.P.试验乙酰甲基甲醇试验,鉴别原理缩合脱羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇碱性条件2,3-丁二醇二乙酰（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物,-CO2,鉴别肠道细菌的产酸产气和甲基红（M.R）试验,产酸产气试验：Escherichia（大肠杆菌属）与Shigella（志贺氏菌属）在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。,大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌：pH4.5,吲哚试验,有些细菌含有色氨酸酶，能分解蛋白胨中的色氨酸生成吲哚(靛基质)。吲哚本身没有颜色，不能直接看见，但当加入对二甲基氨基苯甲醛试剂时，该试剂与吲哚作用，形成红色的玫瑰吲哚。,IMViC试验：,=吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。,呼吸作用,生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化反应，最终生成HO2、CO2或其他产物，并且释放出能量的总过程。,有氧呼吸无氧呼吸,以氧分子作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸。,有氧呼吸,C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O,除糖酵解过程外，还包括三羧循还和电子传递链两部分反应,发酵面食的制作即利用了微生物的有氧呼吸,三羧酸循环,丙酮酸,乙酰CoA,加入2C,定义：在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被氧化分解成CO2和H2O,并以ATP形式贮备大量能量的代谢系统,电子传递链：由烟酰胺脱氢酶类，黄素蛋白类，铁硫蛋白，辅酶Q和细胞色素等五大载体组成。,电子传递链,复合物,复合物,复合物,复合物,NADH经电子传递链产生3个ATP，FADH2产生2个ATP,电子传递链,无氧呼吸,是指在厌氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物以外源无机氧化物（硝酸根、亚硝酸根、硫酸根、二氧化碳和三价铁离子等）或有机氧化物（延胡索酸，但罕见）作为末端氢受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。,无氧呼吸的类型,根据呼吸链末端的最终氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型。硝酸盐呼吸：碳酸盐呼吸延胡索酸呼吸,硝酸盐呼吸,也称反硝化作用，是指硝酸根被某些微生物还原成亚硝酸根，再逐步还原成为NO、N2O和N2的过程。,硝酸盐呼吸（反硝化作用）,硫酸盐呼吸（反硫化作用）,有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2或有机物，大部分不能利用G)使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。SO428H4H2OS2,碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）,甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。,二、自养微生物的生物氧化,氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化,氨的氧化,硫的氧化（硫细菌的能量代谢）,铁的氧化,从亚铁到高铁状态的铁的氧化，如氧化亚铁硫杆菌。,氢的氧化（氢细菌的能量代谢）,用途：用于生产单细胞蛋白,四、能量转换,底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化,底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation),物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。,氧化磷酸化与质子梯度差,光合磷酸化：环式光合磷酸,光合细菌还原力来自硫化氢，方式可能是逆向电子传递，消耗光反应产生的ATP。,环式光合磷酸化特点,有一个光反应系统，有光反应和暗反应不放氧,光合磷酸化：非环式光合磷酸,光合磷酸化：非环式光合磷酸,非环式光合磷酸化,还原力来自于水的光解,非环式光合磷酸化特点,电子传递属非循环式的在有氧条件下进行两个光反应系统产还原剂NADH2，产ATP和O2,环式光合磷酸化与非环式光合磷酸化的比较,第二节耗能代谢,细胞物质的合成其它耗能反应,一、细胞物质的合成,CO2的固定生物固氮糖类的合成氨基酸的合成肽聚糖的生物合成,卡尔文循环可分为三个阶段：羧化反应（CO2的固定）被固定的CO2的还原CO2受体的再生,CO2的固定,Calvin循环,CO2的固定：还原性TCA循环途径,生物固氮（biologicalnitrogenfixation）,固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成固氮的生化机制好氧菌固氮酶避氧害机,生物固氮（biologicalnitrogenfixation）,1定义：N2+6H2NH3,固氮生物,Mg2+ATP,固氮微生物(nitrogenfixingorganisms,diazotrophs）,自生固氮：能独立进行固氮的微生物。共生固氮菌：与它种生物共生时才能固氮的微生物。联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能固氮的微生物。从固氮生物在分类上高度分散来推断，固氮作用应是原始生物的基本代谢之一,固氮微生物,自生固氮,共生固氮菌,自生固氮,好氧自生固氮菌：固氮菌属兼性厌氧自生固氮菌厌氧自生固氮菌：巴氏芽孢梭菌,根瘤：豆科植物植物：地衣；满江红与鱼腥藻,根际、叶面、动物肠道等处的固氮微生物,根瘤菌形态根瘤菌特点根瘤的形成,根瘤菌和根瘤的形成,感染性专一性有效性,根瘤菌和根瘤,地衣,满江红鱼腥藻,固氮的生化机制,生物固氮必要条件,ATP的供应还原力及其传递载体固氮酶还原底物N2镁离子严格的厌氧微环境,固二氮酶（dinitrogenase）（组份）,固二氮酶还原酶（dinitrogenasereductase）（组份）,固氮酶,固氮的生化途径,氧障,组份,组份,氨基酸的合成,氨基化作用转氨基作用前体转化,指酮酸与氨反应形成相应的氨基酸。是微生物同化氨的主要途径。,氨基化作用,转氨基作用,是指在转氨酶催化下，使一种氨基酸的氨基转移给酮酸，形成新的氨基酸的过程。是氨基酸合成代谢和分解代谢中极为重要的反应。,前体转化,指20种氨基酸除了可以通过上述途径合成氨基酸以外，还可以通过糖代谢的中间产物，如甘油醛-3-磷酸、草酰乙酸等，经一系列的生化反应而合成。,氨基酸的合成,肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。,微生物结构大分子肽聚糖的合成,肽聚糖的合成,合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移。合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。,肽聚糖的合成过程,依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖,肽聚糖的合成,第一阶段：,在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；,由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,“Park”核苷酸的合成,第二阶段：,在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体双糖肽亚单位。这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂质载体参与，这是一种由11个类异戊烯单位组成的C35类异戊烯醇，它通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与N-乙酰葡萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5,形成双糖亚单位。这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。,肽聚糖单体的合成,UDPUDP-G,UDPUDP-M,杆菌肽（抑制焦磷酸酶的作用）,万古霉素,5甘氨酰-tRNA5tRNA,插入至膜外肽聚糖合成处,肽聚糖单体的合成细菌萜醇,细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“Park”核苷酸进入细胞膜，连接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处。结构式：CH3CH3CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，真菌的几丁质和甘露聚糖等。,第三阶段：,已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。,肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制,一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。,杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。,肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制,其它耗能反应,运动运输发光,原核微生物：以滑动的方式在固体表面运动（细菌）、以气囊来调节其在水中的位置（水生细菌）、大多数可运动的原核生物是利用鞭毛运动的。真核微生物：大多数利用鞭毛或纤毛运动，其鞭毛和纤毛具有ATP酶，水解ATP产生自由能，成为运动所需的动力。,运动,营养物质跨膜运输有四种机制：扩散、促进扩散、主动运输和膜泡运输。其中主动运输和膜泡运输需要消耗能量。,运输,发光包含着能量转移，先形成一种分子的激活态，当这种激活态返回到基态时即发出光来。细菌发光涉及到两种特殊成分：荧光色素酶和一种长链脂肪族醛。NADPH是主要的电子供体。发光细菌的电子流途径：,生物发光,第四节微生物代谢的调节,微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的，因为任何代谢途径都是一系列酶促反应构成的。,微生物细胞的代谢调节主要有两种类型,酶活性调节：调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的。酶合成的调节：调节的是酶分子的合成量，这是在遗传学水平上发生的。在细胞内这两种方式协调进行。,一、酶活性调节,酶活性调节：是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。这种调节方式可以使微生物细胞对环境变化作出迅速反应。影响因素：底物的性质和浓度、环境因子以及其他酶的存在都有可能激活或抑制酶的活性。,酶活性调节的方式主要有两种：,变构调节修饰调节,二、分支合成途径调节,同工酶反馈抑制协同反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制,同工酶反馈抑制,同工酶是指能催化同一种