复旦大学微生物学课件8- 微生物代谢VIP

1、第五章 微生物的新陈代谢微生物学1葡萄糖作为底物，代谢过程中脱氢的4条途径是什么？ EMP，HMP，ED，TCA葡萄糖彻底氧化产生ATP多少？ （38？36？Or others）根据氢受体的不同，生物氧化分为哪三类？ 有氧呼吸，无氧呼吸，发酵微生物的特殊代谢途径是什么？2第一节 微生物能量代谢第四节 微生物代谢的调节与发酵生产第二节 分解代谢和合成代谢的关系第三节 微生物独特合成代谢举例了解重点掌握微生物的各种产能途径（方式）的基本特点（ATP和还原力产生的特点） 微生物在代谢上的多样性1、生物固氮；2、肽聚糖的生物合成；3、初级代谢、次级代谢的概念及二者间的关系自学3本章学习要求概念的理解各

2、种类型代谢的特点以及对应微生物类型对复杂代谢过程细节不做要求4微生物新陈代谢的特点 与其他生物具有高度的同一性，但同时又有着明显的特殊性，即为：特别旺盛类型极为多样5新陈代谢(Metabolism)新陈代谢：简称“代谢”，是生命活动的基本过程。维持生物体的生长、繁殖、运动等生命活 动的基础。反应总和：生命体与内、外界所进行的一切化学反 应的总和。两大类型：包括两大类型，即分解代谢与合成代谢。6分解代谢 (Catabolism)又称“异化作用”分解：生物体将体内或吸收入体内的物质分解。释放：在分解过程中向体内、外释放能量及小分子中间代谢物。排泄：将生命活动过程中的代谢产物排泄出体外。7合成代谢

3、(Anabolism)又称“同化作用”或“组成代谢”吸收：生物体从外界不断摄取各种营养物及能量等。合成：经合成代谢吸收各种营养物及中间代谢物与 能量转化成自身的组成物等。释放：将有些合成代谢物不断地释放到体外。8复杂分子（有机物）分解代谢酶系合成代谢酶系简单小分子ATPH分解与合成代谢的关系分解代谢与合成代谢两者密不可分。其各自的方向与速度受生命体内、外各种因素的调节以适应不断变化着的内、外环境。(异化，产能)(同化，耗能) (有机或无机物)9分解代谢合成代谢10物质代谢： 物质在体内转化的过程。 能量代谢： 伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。能量代谢： 是新陈代谢的核心问题。中心任务：

4、是生物体如何把外界环境中多种 形式的最初能源转换成生物体的 通用能源 ATP。第一节 微生物能量代谢11生物反应产生的能量多以高能化合物的形式储存，特别是ATP。第一节 微生物能量代谢12氧化-还原反应通过与酶结合，作为氧化-还原反应电子传递体的NAD+/NADH增加了细胞内氧化-还原反应的多样性，可以使化学上不相似的物质以最初电子供体和最终电子受体的形式发挥其作用。NAD+/NADH循环使用，反应中并不被消耗，细胞中只有少量NAD+/NADH的存在。13还原电势：还原电势E0代表了物质的电子供体/受体潜力。如图所示：电子塔最上面的具有最高负电势的偶极对，其还原性物质具有提供电子的倾向；电子塔

5、最下面的具有最高正电势的偶极对，其氧化性物质具有接受电子的倾向。若氧化-还原偶联，自由能：14微生物为生物界中 能源谱最广 的一类生物。微生物的最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）微生物的三类最初能源物15化能营养：生物氧化光能营养：光合作用一、生物氧化二、化能异养微生物的生物氧化三、化能自养微生物的生物氧化四、光合微生物的光合磷酸化本节内容：化能营养光能营养第一节 微生物能量代谢16 一. 生物氧化生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称生物氧化与非生物氧化（燃烧）的比较第一节 微生物能量代谢171.1 生物氧化的形式：某物

6、质与氧结合、脱氢和脱电子三种 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，这个过程就是生物氧化，是一个产能代谢过程。18机体通过氧化还原反应从底物中获取能量1.2 生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热、代谢废物等形式被释放到环境中19生物氧化过程中的能量转换化能营养型底物水平磷酸化氧化磷酸化第一节 微生物能量代谢201、底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）物质在生物氧化过程中，常生成

7、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。ATP 合成酶催化高能磷酸转到ADP无机磷和底物形成高能磷酸键21第一节 微生物产能代谢2、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH 可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成。2 又电子传递链磷酸化自由能转移而形成高能ATP22通过电子在电子传递链上的传递造成氢离子的外排，建立能化膜，形成ATP的产生（氧化磷酸化）。 （见p115分子马达化学渗透学说）O2作为最终电子受体为例23生物氧化1.

8、1 形式：为底物与氧结合、脱氢和失电子三种。1.2 功能：产能、产还原力和产小分子中间物三种 。2.1 阶段：分脱氢、递氢和受氢（电子）三阶段。2.2 类型：呼吸、无氧呼吸、发酵三类（氢受体性质不同）。二、异养微生物的生物氧化化能自养微生物通过氧化无机底物获得ATP和【H】。242.1 阶段：分脱氢、递氢和受氢（电子）三阶段。二、异养微生物的生物氧化化能有机异养25（一）底物脱氢的4条途径EMP途径, 糖酵解途径,绝大多数生物所共有的一条 主流代谢途径 p 108 图5-3HMP途径，与EMP途径并存，提供更多微生物发酵产物p109ED途径，缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物

9、所特有，可与EMP、HMP、TCA途径相连p110；TCA循环，广泛存在于各种生物体，各种好氧微生物以葡萄糖作为底物，4条途径完成其脱氢反应，并伴随还原力H和能量的产生。结合生化复习，比较产能差别！26（二）递氢和受氢 贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的4条途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体（hydrogen acceptor或receptor）相结合而释放出其中的能量。二、异养微生物的生物氧化272.2 类型：根据递氢特点,尤其是氢受体性质的不同分为 （有氧）呼吸、无氧呼吸、发酵三类：无氧呼吸：以氧化型化合物为最终电子受体有氧

10、呼吸：以分子氧作为最终电子受体#发酵：以底物的中间产物作为最终电子受体28底物脱氢、递氢与受氢图简解RC 有氧呼吸无氧呼吸发酵高效产能方式产能效率较低29呼吸作用与发酵作用的根本区别：发酵作用：电子载体将电子直接传递给底物降解的中间产物；呼吸作用：电子载体将电子交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。301、有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸有氧三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。二、异养微生物的生物氧化31二、异养微生物的生物氧化 有氧呼吸： 电子传递链； 氧分子； (最终电子受体)32332、无氧呼吸（anaerobic respiration）某些厌氧和兼性厌氧微

11、生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。（不彻底氧化）二、异养微生物的生物氧化34低氧化还原势的化合物高氧化还原势化合物例如：分子氧或其他无机、有机氧化物通过与磷酸化反应相偶联跨膜质子动势推动了ATP的合成氢或电子逐级传递在电子传递链上高能水平低能水平2、无氧呼吸352、无氧呼吸电子从顶端

12、供给，被不同水平的受体捕捉以H2为电子供体为例，不同H受体，产能不同36产能：有氧呼吸 厌氧呼吸 发酵微生物在无氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物 代谢类型的多样性。37根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分为下列几种类型：382、无氧呼吸392、无氧呼吸硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体，也称为 硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；402、无氧呼吸能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌，主要生活在土壤和水

13、环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。硝酸盐还原细菌：兼性厌氧无氧时，进行厌氧呼吸（环境中存在硝酸盐时）；有氧时，细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，进行有氧呼吸。无氧有氧412、无氧呼吸硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体，也称为 硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用：422、无氧呼吸反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境 土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的

14、肥力。松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。反硝化作用在氮素循环中的重要作用 硝酸盐易溶解于水，通过水从土壤流入水域中。如没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。432、无氧呼吸其它厌氧呼吸：硫酸盐呼吸硫呼吸碳酸盐呼吸产甲烷菌产生甲烷乙酸细菌将碳酸盐还原成乙酸442、无氧呼吸其它厌氧呼吸：452、无氧呼吸有关“鬼火”的生物学解释 在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。 若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农

15、村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。46生物氧化反应呼吸1、有氧呼吸2、厌氧呼吸3. 发酵(fermentation)（参见P117）发酵二、异养微生物的生物氧化47二、异养微生物的生物氧化3. 发酵(fermentation)何为“发酵”？工业发酵罐大规模培养微生物48What Is Fermentations?1、食品的变质和腐烂2、生产乙醇饮料和发酵乳制品的过程3、大规模的微生物工业化生产4、厌氧条件下的能量释放过程5、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

16、，同时释放能量并产生各种代谢产物的过程(becoming more scientific).5 是 从微生物代谢角度来定义的发酵！科学的 493. 发酵(fermentation) 有机物氧化释放的电子直接交给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的代谢产物。有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。 （P117）二、异养微生物的生物氧化503. 发酵(fermentation)发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物

17、发酵葡萄糖最为重要。与EMP途径、HMP途径、ED途径、由氨基酸发酵产能Stickland反应相关的四种发酵类型简介：1、由EMP途径中丙酮酸出发的发酵：二、异养微生物的生物氧化51日本人肠内酵母感染导致醉酒(1)EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）葡萄糖经过糖酵解（glycolysis）被降解成丙酮酸糖酵解是发酵的基础2013年9月 美国 “啤酒男子”52 乙醇发酵(酵母和某些细菌) 同型乳酸发酵 丙酸发酵 混合酸发酵 丁二醇发酵 丁酸型发酵（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵533. 发酵(fermentation)丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮

18、NADHNAD+磷酸甘油甘油Saccharomyces cerevisiae 的厌氧发酵酵母菌的一型和二型发酵I型:弱酸性pH3.54.5II型：pH7.6左右，生产甘油EMP途径乙醇发酵54一战期间德国主要用这种方法生产甘油，产量：1000吨/月目前甘油生产使用的微生物是Dunaliella aslina（一种嗜盐藻类）生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境，胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡55二、异养微生物的生物氧化3. 发酵(fermentation)微生物学与第一次世界大战英国：有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加：丙酮：用于生产人造橡胶；丁醇：用于生产无烟火药；当时的常规生产方

19、法：对木材进行干热分解大约80到100吨桦树、山毛榉、或枫木生产1吨丙酮 丙酮丁醇发酵，严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵563. 发酵(fermentation)微生物学与第一次世界大战丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（1915），每100吨谷物可以生产出12吨丙酮和24吨的丁醇。第一次世界大战（19141918）爆发后，一名英籍犹太人查姆魏兹曼（Chaim Weizmann）助英国成功研制新型炸药无烟炸药，使在当时处于劣势的英国反败为胜。二、异养微生物的生物氧化57为答谢魏兹曼的功劳，当时的英国政府答应协助犹太人在巴勒斯坦复国，在1917年11月发表了贝尔福宣言（Balfour Decl

20、aration）：英国政府赞成在巴勒斯坦为犹太人设立民族乡土，为达成这一目的，将尽最妥善的努力。 以色列的首任总统1948年与杜鲁门的会谈对美国最终决定支持以色列建国发挥了关键作用地皮菜成分可抑制人大脑中的乙酰胆碱酯酶活性，对老年痴呆有效583. 发酵(fermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气（参见“微生物学实验”P221）志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气溴麝香草酚蓝为酸碱指示剂：碱性，蓝色；酸性黄色半固体糖发

21、酵培养基：琼脂有破裂产气二、异养微生物的生物氧化59不同细菌具有不同酶系统，利用的底物能力不同A，对照B，表皮葡萄球菌，不能利用乳糖，C，金黄色葡萄球菌，利用乳糖，+，产酸，不产气D，埃希氏大肠，、利用乳糖，+，产酸，产气603. 发酵(fermentation)（2）HMP途径（无需EMP和TCA，彻底氧化葡萄糖为CO2 ） 乳酸发酵 工业上生产乳酸，在农业上青贮饲料的发酵，食品加工业。乳酸发酵是由乳酸菌在严格厌氧的条件下进行的。乳酸菌是耐氧型的厌氧菌，G+，无芽孢，有杆菌、球菌等。乳酸菌生长需要多种生长因子，可分解葡萄糖产生大量的乳酸。A.同型乳酸发酵：葡萄糖发酵后只产生2分子乳酸，EMP

22、途径B.异型乳酸发酵：葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物，HMP途径61葡萄糖2丙酮酸EMP途径乳酸脱氢酶2乳酸NAD+NADH2NAD+A.同型乳酸发酵：62葡萄糖HMP途径乙醛乳酸脱氢酶乳酸NADH2NAD+3P甘油醛NAD+丙酮酸乙醇乙酸CO2B.异型乳酸发酵：1）明串珠菌（Leuconostoc）的经典途径：2）异型乳酸发酵的双歧杆菌HMP途径（新）：特点：2分子葡萄糖3分子乙酸2分子乳酸5分子ATP乙酰磷酸63二、异养微生物的生物氧化3. 发酵(fermentation)（3）ED途径细菌酒精发酵： 经ED发酵成乙醇的方法结果：葡萄糖经过4步变成丙酮酸（EMP 1

23、0步），缺少EMP途径的微生物的替代途径，微生物特有。特点：又 2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径；特征性反应：KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；特征性酶：KDPG醛缩酶1952年在嗜糖假单胞菌中发现。对于微好氧菌运动假单胞菌来说，可以丙酮脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原成乙醇。有氧时与TCA循环连接，无氧时进行细菌酒精发酵。643. 发酵(fermentation)（4）Stickland途径 p122少数厌氧梭菌能利用氨基酸兼做碳源、氮源和能源生长产能机制是：部分氨基酸的氧化（即氢供体），与一些氨基酸的还原(作氢受体)相偶联的独特发酵产能方式。1丙氨酸 + 2甘氨酸=

24、3乙酸+3NH3+ATP二、异养微生物的生物氧化65学习回顾：微生物的能量来源化能营养：生物氧化光能营养：光合作用异养微生物的生物氧化类型：呼吸、无氧呼吸、发酵三类（氢受体性质不同）自养微生物的生物氧化？有氧呼吸和无氧呼吸的产能机制：氧化磷酸化发酵的产能机制：底物水平磷酸化，产能效率极低。66三、自养微生物的生物氧化本质相同：产能代谢。最初能源有差异。 三个阶段：即经脱氢、递氢和受氢三个阶段及期间 的氧化磷酸化产能-ATP。产能类型多：生物氧化产能类型多、途径复杂。重要反应：其最重要的反应为 将CO2还原成碳水化合物(CH2O)水平的简单有机物。6768第一节 微生物产能代谢三自养微生物的生物

25、氧化化能无机营养型：从无机物的氧化获得能量这些微生物一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质自养微生物 从对无机物的生物氧化过程中获得生长所需要能量的微生物一般都是：化能无机自养型微生物69复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATPH自养微生物的合成代谢：将CO2先还原成CH2O水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分化能异养微生物：ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化化能自养微生物：ATP来自通过氧化磷酸化过程的无机物氧化还原力：1）顺呼吸链产生：如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低；2）逆呼吸链：但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗ATP为代价获得还

26、原力。异养微生物的合成代谢：直接利用氧化还原水平适中的有机碳70化能自养菌一般都是好氧菌；它们还原CO2所需要的ATP和H是通过氧化无机底物并借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应而获得顺呼吸链：获得能量逆呼吸链：获得还原力71无机底物脱氢或电子进入呼吸链的部位 H2 NH4+ S2- SO32- S2O3- Fe2+ NO2- NAD FP Q Cyt.cc1 Cyt.a1.aa3 O2(NO3-) Cyt.b ATP ATP ATP * 无机底物脱氢后依其OR电位的高低，其电子进入RC相应部位 (正向传递可产生ATP,而逆向传递则要消耗ATP而产生还原力H)。72化能自养微生物产能效率、生长速率

27、和生长得率都很低： 产能机制效率低，固定CO2又要大量耗能， 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即无机底物脱下的氢或电子，可直接进入呼吸链传递。 呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链。 产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。化能自养微生物的能量代谢的3个特点（见p125图5-24）731、 氨的氧化 NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源19世纪以前，硝酸盐被看作是化学作用的产物，即空气中的氧和氨经土壤催化形成。1862年L.巴斯德首先指出硝酸盐的形成可能是微生物作用的结果。1877年，德国化学家T.施勒辛和A.明茨用消毒土壤的办法

28、，证实了氨被氧化为硝酸的确是生物学过程。1891年， Sergei Winogradsky用无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养，最终证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行的。 三自养微生物的生物氧化741、 氨的氧化 NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源氨氧化细菌：亚硝酸氧化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。三自养微生物的生物氧化75从氨完全氧化为硝酸盐需要氨氧化细菌

29、和亚硝酸氧化细菌的协同作用，其还原力NADH可以通过反向电子流获得。76硝化细菌的能量代谢与(H)产生NO2-电位高：能源物为亚硝酸（NO2- ），其氧化还原电位较高，故只能从与其相当的Cyt.a1部位进入RC。受体氧：产能中电子受体则来自水分子中的氧。产1ATP：2H+2e顺呼吸链传递至O2，仅产生1ATP，产生还原力：则通过逆呼吸链传氢或电子，其消耗大量ATP才能形成少量H 。旺盛而生长缓慢：故土壤中硝化作用旺盛而硝化细菌量少。77NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类

30、细菌生长缓慢，平均代时在10h以上。1、 氨的氧化 三自养微生物的生物氧化78氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量。能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行生长的细菌被称为氢细菌： 氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和用于细胞合成代谢所需要的还原力。氢细菌：革兰氏阴性的兼性化能自养菌。 能利用分子氢 ，也能利用其它有机物获取能量进行生长。1、 氢的氧化 三自养微生物的生物氧化79对氢的氧化可同时产生ATP和NADH（还原力）80氢细菌从对氢的氧化获得ATP和还原力81产甲烷菌（Methanogenesis）和产乙

31、酸菌（Acetogenesis）能以CO2或碳酸盐为电子受体（无氧呼吸）和碳源进行生长。这类细菌是严格厌氧菌又见p2681、 氢的氧化 三自养微生物的生物氧化82硫细菌的能量代谢与H的产生相 似 性：与硝化细菌相似，顺呼吸链产生能量与逆呼吸 链产生H。因底物而异：随底物的不同，在产能过程中底物脱氢（电子）后进入呼吸链的部位因种而异。还原力 H： 也是通过逆呼吸链传递氢（电子）与耗能后形成，但合成一个还原力H所消耗的ATP比硝化细菌要少。2、 硫的氧化83硫细菌对还原态硫化合物的氧化84 化能自养微生物以无机物作为能源；与产能效率高、生长快的化能异养微生物之间并不存在生存竞争。O2为电子受体，不

32、同电子供体，细胞生长比较85第一节 微生物产能代谢四光合微生物的光合磷酸化化能营养型光能营养型底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化能量转换通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中86光能转变为化学能的过程： 当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致其释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生ATP第一节 微生物产能代谢四光合微生物的光合磷酸化（photophosphorylation）87大部分光养微生物也是自养微生物，能利用光能将CO2还原成有机化合物。也有一些

33、光养微生物利用有机碳作为碳源，称光能异养。88第四章 微生物的营养微生物的营养类型1光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、H2O、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合 作用，合成细胞物质。红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。CO2+ 2H2S光能光合色素 CH2O + 2S+ H2O89第四章 微生物的营养微生物的营养类型2光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能

34、将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源的生长因子；例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2 还原成细胞物质，同时积累丙酮。CHOH + CO2H3CH3C2光能光合色素2 CH3COCH3 + CH2O + H2O90光合磷酸化（photophosphorylation）光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类及其它绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌（厌氧菌）古生菌：嗜盐菌根据光能自养微生物从环境中获得还原力的电子供体不同，分为产氧和不产氧光合作用。91光合磷酸化（photophosphorylation）细菌菌绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，二者的

35、区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。92光合磷酸化（photophosphorylation）不产氧光合作用的反应中心为P870一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成93（1）环式光合磷酸化：电子传递途径属循环方式光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP不是利用H2O，而是利用还原态的H2 、 H2S等作为还原CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。通过电子的逆向传递产生还原力；94 循环光合磷酸化的特点：电子传递途径属循环方式，即在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环

36、，又回到菌绿素，其间产生了ATP。产ATP与产还原力H分别进行。还原力来自H2S等的无机氢供体。不产生氧的光合作用。代表菌：属于原核生物真细菌中的光合细菌，均是厌氧菌，分类上在红螺菌目(Rhodospirillales)利用还原态无机物（H2S、H2）或有机物作还原CO2的氢供体，而不是H2O。95一类典型的水生细菌，广泛分布于缺氧的深层淡水或海水红螺菌目的光合细菌细胞内所含的菌绿素和类胡萝卜素的量和比例不同，可使菌体呈现出红、橙、蓝绿、紫红、紫或褐等不同颜色。 可利用有毒的H2S或污水中的有机物 （脂肪酸、醇类等）作还原CO2时的氢供体，用于污水净化，产生的菌体可作饵料、饲料或食品添加剂等。

37、96非环式光合磷酸化的反应式：2NADP+2ADP2Pi2H2O2NADPH2H+2ATPO2（2）非环式光合磷酸化产氧型光合作用（绿色植物、藻类、蓝细菌）电子的传递途径属非循环式的。在有氧条件下进行。光合系统PS（含叶绿素a）可以利用红光，PS（含叶绿素b）可利用蓝光。反应中同时有ATP、 O2 （产自PS）、还原力H（产自PS）还原力NADPH2中的H是来自H2O分子光解后的 H+和e-。9798（3）嗜盐菌紫膜的光合作用一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。嗜盐菌细胞膜红色部分（红膜）有氧时紫色部分（紫膜）无氧时主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载

38、体在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。实验发现，在波长为550-600 nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。（参见p128）99（3）嗜盐菌紫膜的光合作用紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应细菌视紫红质具有质子泵功能，在光量子驱动下将膜内产生的H+排至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度，当膜外H+ 通过膜上的ATP 合成酶进入膜内时合成ATP。 100紫膜（ purple membrane）是盐生盐杆菌和红皮盐杆菌等嗜盐性细菌在厌氧条件下和明亮处生长时于细胞膜上

39、形成的斑状紫色膜。紫膜在嗜盐菌原生质膜上以碎片形式存在，每个碎片含有10万个细菌视紫红素，且此蛋白是紫膜中唯一的蛋白成分。紫膜功能有专一性，若通过pH=2的条件去除二价金属离子使之变为蓝膜，则会丧失光循环和质子泵功能。101（3）嗜盐菌紫膜的光合作用只有嗜盐菌才有，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。 专性好氧的盐杆菌属（Halobacterium）的古生菌，却生活在含氧极少的饱和盐水中，它们细胞中气泡显著，其作用被认为是使菌体浮于盐水表面，以保证细胞更接近空气。 盐生盐杆菌和红皮盐杆菌（参见p128）102咸鱼上的红紫斑块就是嗜盐菌的细胞堆盐湖上的嗜盐菌103第二节 分解代谢和合成代谢

40、的关系自学104初级代谢、次级代谢的概念及二者间的关系第三节 微生物独特合成代谢举例自养微生物的CO2固定生物固氮细胞壁肽聚糖的合成微生物次生代谢物的合成自学105一、生物固氮重要生化：仅次于光合作用的第二个重要生物化学反应。独立固氮：原核微生物是唯一能固定分子氮的生物，为生物界主要氮源的来源途径。固氮原理：N2 NH3反应条件：与人工固氮相比，反应条件十分温和。指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物和古生菌类才具有固氮能力固氮酶106（一）固氮微生物的种类荷兰学者M Beijerinck分别于1886和1901年分离到共生的根瘤菌属和自生的固氮菌属。种类

41、多，现分属于：固氮菌科、根瘤菌科、甲基球菌科、红螺菌目、蓝细菌以及芽孢杆菌属和梭菌属的部分细菌。107固氮微生物的种类种类多：约有50多个属和100多个种，分为：自身固氮菌：能独立进行固氮；共身固氮菌：必须与它种生物共生才固氮； 联合固氮菌：必须生活在它种生物的根际、叶面及肠道等处才能营固氮。种类 异养(有机) 自生 好氧（微好氧） 光能 固氮菌 能力 共生 与氧 兼性 营养 自养 (无机) 联合 厌氧 化能 异养(有机) 1081、自生固氮菌的种类 -能独立进行固氮 固氮菌属，蓝菌属，绿假单胞菌属等等2、共生固氮菌的种类 -必须与它种生物共生才固氮 细菌-根瘤菌属，放线菌-弗兰克氏菌属3、联

42、合固氮菌的种类 -必须生活在植物根际、叶面及动物肠道等处才能营固氮 Bacillus，Enterobacter 肠杆菌属， Klebsiella等1091、固氮的条件与反应总式固氮反应的必要条件： 大量的ATP、H：呼吸、发酵、光合磷酸化 有效的固氮酶 底物(N2) 有利的介质环境: Mg 离子和严格的厌氧微环境。固氮的生化总反应式：N2+6e+6H+12ATP 2NH3+12ADP+12Pi（二）固氮的生化机制110固氮酶共性与组分共性：固氮酶 结构相同，一种复合蛋白，含两个成分，对氧都高度敏感：组分I：固二氮酶，含钼和铁的蛋白，对氧较敏感。是还原N2的活性中心；组分II：固二氮酶还原酶，只

43、含铁的蛋白. 是电子活化中心。111固氮酶两个组分的比较项目 组分I 组分II (dinitrogenase) (dinitrogenase reductase) 蛋白亚基数 4(2大/2小) 2(相同)分子量 220000 60000Fe原子数 30(2432) 4非稳定S原子数 28(2032) 4Mo原子数 2 0Cys的SH基数 3234 12活性中心 铁钼辅因子(“FeMoCo”) 电子活化中心(Fe4S4)功能 络合,活化和还原N2 传递电子到组分I上对O2敏感性 较敏 极敏1122、固氮的过程-生化途径N2 + 6 e + 6 H+ + 12 ATP 2 NH3 + 12 ADP

44、 + 12 Pi胞内底物脱氢或电子提供ATP和H。Fd供电子传递给组分II，使其还原还原性组分II与ATP-Mg2+结合而改变构象改变构象的II与络合氮组分 I 结合而传递电子在组分I上连续接受到6个电子而还原为NH3113生物体内氨的主要去路 NH+4 Glu Gln 2Glu -酮戊二酸 NAD(P)H2 NAD(P) -酮酸 氨基酸Glu: 谷氨酸Gln: 谷氨酰胺1143、固氮酶的产氢反应固氮酶：除能催化 N2 NH3外， 还具有催化2H+ H2的氢酶活性。缺氮：其将全部的H还原为H2。有氮：固氮酶用3/4的H去还原N2，而1/4的H则形成H2。目前生物固氮总反应：N2 +8 H +

45、1624 ATP 2 NH3 + H2+ 1624 ADP + 1624 Pi115（三）固氮酶的抗氧类型菌好氧：固氮菌以好氧为主，以有氧呼吸和非循环光 和磷酸化产能累积生物量。酶厌氧：固氮菌中固氮酶在漫长演化中形成各种 阻氧保护机制。阻氧类型：呼吸驱氧；构象保护；异形胞及 非异形胞的间隔性固氮和束状群体固氮及 类菌体等。1161、好氧性自生固氮菌抗氧机制1）呼吸驱氧：固氮菌科菌种能以极强的呼吸作用迅速将环境中的氧消耗掉，形成阻碍O2的黏液层。 2）构象保护：固氮酶两组分与耐氧的Fe-S蛋白II及Mg2+存在下形成一种耐氧复合大分子保护。（eg:褐球固氮菌）117棕色固氮菌 细胞 因氧形成的黏

46、液层：高O2时，黏液层加厚1182、蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制1、蓝细菌是产氧性光合生物2、分化出还原性异形胞，固氮作用只限于此种进行。 异 型 胞 ： 胞大、壁厚、少产氧光合系统、脱氢酶、氢化酶的活性高，SOD活性高解除氧毒害。（eg: 鱼腥蓝细菌属Anabaena) 3、非异形蓝细菌固氮酶的保护： 还有 时间分隔（白天光合，夜晚固氮）； 束状群体（中央处于厌氧的细胞失去能产氧的光合系统II）； 提高SOD活性去除有毒过氧化合物等。119还原力来自临近的营养细胞，固定的N用于合成Gln，运输到临近的营养细胞1203、豆科植物的共生根瘤菌类菌体：与豆科植物共生固氮的根瘤菌，在植物皮层细胞内形成

47、只生长而不分裂、但有很强固氮活性的类菌体(bacteroids)。很多类菌体被包在一层类菌体周膜中。豆血红蛋白：周膜内外存在独特豆血红蛋白，为类菌体固氮提供厌氧场所。双方基因编码：豆血红蛋白由植物与根瘤菌 协同诱发双方基因编码合成。植物基因编码球蛋白，根瘤菌基因编码血红素。亲合氧：豆血红蛋白有极强的亲合氧能力。121固氮基因的转移及调节质粒性：固氮基因可能定位在质粒上, 转移性：经细胞间的接触可将固氮基因从一个 细胞转移至另一种细菌而获得固氮基因。 厌氧性：因固氮作用是一个严格厌氧过程， 故需考虑转移后的固氮场所的厌氧状态。可调性：许多细菌只有在缺氮源时合成固氮酶与 固氮作用。故铵离子有阻遏固

48、氮酶合成的调节功能。122二、微生物结构大分子肽聚糖微生物所特有的结构大分子的种类多肽聚糖：原核类 磷壁酸、脂多糖糖被等。 甘露聚糖、葡聚糖真核类 纤维素和几丁质等。大多数细菌细胞壁特有；选择毒力的基础1231、肽聚糖的合成步骤多：约近20步。场所异：细胞质中、细胞膜上、细胞膜外 分别合成与组装。123451241）细胞质中合成“Park”核苷酸N-乙酰葡糖胺的合成 :经6步，由葡萄糖起步，需ATP、GLn合成酶、 乙酰CoA、 UTP 等。N-乙酰胞壁酸的合成：由N-乙酰葡糖胺起，经1步完成。“Park”核苷酸的合成:经4步，由N-乙酰胞壁酸起，需ATP、L-ALa、D-Glu、 L-lys

49、、D-ALa等。UDP：尿苷二磷酸，糖的载体1251、肽聚糖的合成12341261262）在细胞膜上合成肽聚糖单体膜上合成：由“park”核苷酸等在细胞膜上合成肽聚糖的单体。细菌萜醇：作为类脂载体，接纳胞质中的 “park”核苷酸上的N-乙酰胞壁酸的五肽与N-乙酰葡糖胺至膜上形成双糖单位的 五肽物（单体的前体） （载体萜类，异戊二烯醇， 2个磷酸基团与N-乙酰胞壁酸分子相接，疏水性运输跨膜，还参与磷壁酸、脂多糖、纤维素、几丁质、甘露聚糖等合成）单体合成：双糖单位的 五肽物与五个甘氨酰-tRNA 合成类脂载体-肽聚糖单体。127细菌细胞膜上合成肽聚糖单体128（3）细胞膜外 肽聚糖单体的装配线运

50、卸：由膜上类脂载体的肽聚糖单体运转到 新壁合成区域，且卸下肽聚糖单体。引物存在：合成新壁需引物为不少于（自溶素解开肽聚糖网套） 6-8双糖单体作基础物质条件。糖链延伸：在引物与肽聚糖单体间发生（横向） 转糖基作用延伸肽聚糖链。转肽作用：由转肽酶的转肽作用 （纵向） 使肽聚糖链间形成肽桥。129主糖链延伸后的胶链(网络)方式细菌萜醇单体转运及主糖链延伸130主糖链延伸壁上肽聚糖引物 - G - M - + - G - M - +. 壁上肽聚 糖引物- G - M -(-1,4)- G - M - 延伸肽聚糖链增加一个单体131转肽酶又见p144 G+菌转肽作用132原理: 青霉素是肽聚糖单体五肽

51、尾末端的D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，即它们两者可互相竞争转肽酶的活力中心。抑制肽桥的形成，使肽聚糖的网状无法形成，而壁的机械强度下降。青霉素作用机制及原生质体的制备对象：青霉素仅作用于生长旺盛的细菌， 对休止期的细菌细胞无效。133肽聚糖合成中酶的抑制作用位点环丝氨酸：抑制胞壁酸五肽侧链合成，因为 环丝氨酸（恶唑霉素）抑制L-丙氨酸消旋酶 与D-丙氨酰- D -丙氨酸合成酶。万古霉素：抑制肽聚糖单体从载体上脱下杆菌肽: 抑制载体活化- 二磷酸细菌萜醇 磷酸细菌萜醇。青霉素：抑制转肽作用，影响肽桥的形成。(细胞质中 )(细胞膜上 )(细胞壁上 )(细胞膜上 )见p142-143134四

52、、 微生物次级代谢与次级代谢产物重点:初级代谢、次级代谢的概念及二者间的关系135生物生存直接相关，涉及产能代谢和耗能代谢普遍存在于一切生物中。初级代谢： 微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。四 、 微生物次级代谢与次级代谢产物136 某些微生物、植物的一种适应生存的方式 次级代谢：1，由次级代谢合成，多是结构复杂的化合物。2，有时将超出生理需求的过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物。3，根据其作用，可分为：抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。次级代谢产物：为避免中间产物积累所造成的不利作用一类有利于生存的代谢类型

53、相对于初级代谢而言，指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。137初级代谢与次级代谢的关系：初级代谢：普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型1、存在范围及产物类型不同象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的能力。次级代谢：只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中； 代谢途径和代谢产物因生物和培养条件不同而不同；138例如某些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定的条件下可以分别合成青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。不同的微生物可产生不同的次级代谢产物相同的微

54、生物在不同条件下产生不同的次级代谢产物用于青霉菌的二种培养基：Raulin培养基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸铵0.27%、磷酸氢二铵0.04%、硫酸镁0.027%硫酸铵0.017%、硫酸锌0.005%、硫酸亚铁0.005%CzapekDox培养基：葡萄糖5%、硝酸纳0.2%、磷酸氢二钾0.1%、氯化钾0.05%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.001%灰黄青霉在CzapekDox培养基上可以合成灰黄霉素，在Raulin培养基上则合成褐菌素（fulvic acid）；产黄青霉在Raulin中可以合成青霉酸。但在CzapekDox中则不产青霉酸荨麻青霉在含有0.510-8M的锌离子的Cza

55、pekDox培养基里合成的主要次级代谢产物是6-氨基水杨酸，但在含0.510-6M的锌离子的CzapekDox培养基里不合成6-氨基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。139每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。不同的微生物可产生不同的次级代谢产物次级代谢产物少数初级代谢过程的关键中间产物（前体）骨架碳原子的数量和排列上的微小变化（如氧、氮、氯、硫等元素的加入）或产物氧化水平上的微小变化各种各样的次级代谢产物例：已知的新霉素有4种； 杆菌肽、多粘菌素分别有10多种； 放线菌素有20多种；140初级代谢与次级代谢的关系：1、存在范围及产物类型不同2、

56、对产生者自身的重要性不同初级代谢产物：机体生存必不可少的物质次级代谢产物：不是机体生存所必需的物质，一般对产生者自身的生命活动无明确功能在次级代谢的某个环节上发生障碍，不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响由次级代谢合成，大多是分子结构比较复杂的化合物。有人把超出生理需求的过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物根据其作用，可分为：抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。141初级代谢与次级代谢的关系：1、存

57、在范围及产物类型不同2、对产生者自身的重要性不同3、同微生物生长过程的关系明显不同初级代谢：自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长 过程呈平行关系；次级代谢：在机体生长的一定时期内，（通常是微生物的对数生 长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系， 可明显地表现机体生长期和次级代谢产物形成期142初级代谢与次级代谢的关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者自身的重要性不同3、同微生物生长过程的关系明显不同4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同初级代谢产物：敏感性小（即遗传稳定性大）；次级代谢产物：敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而变 化或停止。143初级代谢

58、与次级代谢的关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者自身的重要性不同3、同微生物生长过程的关系明显不同4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同5、相关酶的专一性不同初级代谢：酶专一性强；次级代谢：酶专一性不强； 加入不同的前体物，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。144145初级代谢与次级代谢的关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者自身的重要性不同3、同微生物生长过程的关系明显不同4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同5、相关酶的专一性不同6、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型 初级代谢是次级代谢的基础，可为后者提供前体物和能量； 二者具有相同

59、的重要中间体物质； 次级代谢是初级代谢在特定条件下的继续与发展，可避免初级代谢过程中某种中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。146147第四节微生物的代谢调控微生物代谢过程中的自我调节（掌握）酶活性的调节（了解）酶合成的调节 （掌握）代谢调节在发酵工业中的应用（了解）148 微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。解决途径：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。一 、微生物代谢过程中的自我调节149微生物调节代谢的方式1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞2.通过酶的定位控制酶与底物的接触3.控制代谢物流向1501.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统