第六章微生物的代

第一节微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源有哪些？

研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源—ATP的过程。当前1页，总共63页。最初能源有机物日光还原态无机物通用能源ATP化能异养型光能营养型化能自养型ATP的结构引自沈萍，2003当前2页，总共63页。一、化能异养微生物的

生物氧化和产能1.生物氧化的定义发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。燃烧生物体外的氧化引自周德庆，2003当前3页，总共63页。

2.生物氧化的形式：加氧、脱氢或失去电子；

3.生物氧化的过程：脱氢、递氢、受氢

4.生物氧化的结果:

产ATP、还原力[H]和小分子代谢产物（一）底物脱氢的四条途径当前4页，总共63页。底物脱氢的四条途径当前5页，总共63页。1.EMP途径(糖酵解途径或己糖二磷酸途径)

C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸己糖激酶（1）磷酸己糖异构酶（2）磷酸果糖激酶（3）醛缩酶（4）磷酸丙糖异构酶（5）3-磷酸甘油醛脱氢酶（6）磷酸甘油酸激酶（7）磷酸甘油变位酶（8）稀醇化酶（9）丙酮酸激酶（10）引自周德庆，2003当前6页，总共63页。1）是大多数生物所共有的基本代谢途径;2）有氧和无氧条件下都能进行;有氧条件下，该途径与TCA途径连接;无氧条件下，丙酮酸被还原，形成乳酸等发酵产物;3）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点(如磷酸二羟丙酮可还原成甘油，进入脂类代谢；特点当前7页，总共63页。2.HMP途径(己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径)6C6H12O66CO235ATP5葡糖-6-磷酸引自周德庆，2003当前8页，总共63页。1）是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而彻底氧化产能、产还原力[H]和许多中间代谢产物的途径；2）进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗一分子的葡萄糖；3）能产生大量的还原力[H]（12个NADPH2）；是合成脂肪酸、固醇等物质所需；也可通过呼吸链产生大量能量；4）反应中有C3-C7各种糖，使微生物可利用的碳源范围广；5）能产生多种重要的中间代谢产物（如核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等）。特点当前9页，总共63页。3.ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径)2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸NADPH2引自周德庆，2003当前10页，总共63页。少数细菌（如假单胞菌、根瘤菌和土壤杆菌等）因缺少某些完整EMP途径的一种替代途径，为微生物所特有；反应步骤简单，通过四步反应可快速获得2分子的丙酮酸；产能效率低，1分子的葡萄糖仅产1个ATP；可与EMP、HMP和TCA循环等各种代谢途径相连接，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；反应中有一个特征性酶—KDPG醛缩酶；

特点当前11页，总共63页。4.TCA循环(三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环)1.丙酮酸脱氢酶复合体2.柠檬酸合成酶3.顺乌头酸酶4.顺乌头酸酶5.异柠檬酸脱氢酶6.-酮戊二酸脱氢酶7.琥珀酰COA8.琥珀酸脱氢酶9.延胡索酸酶10.苹果酸脱氢酶1丙酮酸3CO215ATP引自周德庆，2003当前12页，总共63页。TCA循环由10步酶促反应组成；产能效率极高，是细胞产生ATP的主要场所；在微生物代谢中占有枢纽的地位；提供生物合成所用碳架的重要来源；与微生物大量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；

特点当前13页，总共63页。TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位引自周德庆，2003当前14页，总共63页。四种脱氢途径的比较EMP途径：许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡萄糖经10步反应产生2分子丙酮酸、2分子[H]和2个ATP；该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；HMP途径：可与EMP途径或ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的主要作用是用于生物合成。ED途径：少数细菌以该途径代替EMP途径。1分子葡萄糖经4步反应产生2分子丙酮酸、2分子[H]和1个ATP；TCA循环：有氧条件下，丙酮酸经TCA循环进一步代谢产能或用于合成。当前15页，总共63页。（二）递氢—电子传递链电子传递链是指位于膜（原核生物在细胞质内膜，真核微生物在线粒体内膜）上，由一系列氧化还原势呈梯度差的，链状排列的电子传递体组成；一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；原核生物和真核生物的电子传递链组成不同，但二者的功能相似；电子传递链的主要组分及传递顺序：NAD(P)→FP→Fe•S→COQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3当前16页，总共63页。（三）受氢经多种途径脱氢和递氢后，最终与氢受体结合并释放其中的能量。根据受氢体性质的不同，可把生物氧化分为呼吸、无氧呼吸和发酵；1.呼吸（有氧呼吸）是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，释放能量；递氢和受氢必须在有氧条件下进行，是一种高效产能方式；当前17页，总共63页。

高能水平（低氧化还原势）

低能水平（高氧化还原势）典型的呼吸链引自周德庆，2003当前18页，总共63页。现在普遍接受的观点是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P.Mitchell于1961年提出的化学渗透学说(P110);该学说认为生物的通用能源-ATP是由跨膜的质子梯度差（质子动势）而产生的；产生ATP的机制？引自周德庆，2003当前19页，总共63页。头部颈部基部ATP酶和ATP的合成引自周德庆，2003当前20页，总共63页。是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；2.无氧呼吸（厌氧呼吸）比较各类无机盐呼吸的特点根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型无机盐呼吸硝酸盐呼吸硫酸盐呼吸硫呼吸铁呼吸碳酸盐呼吸有机物呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸当前21页，总共63页。3.发酵指在无氧的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]，不经过呼吸链传递，而直接交给某一内源性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；能进行发酵的微生物是专性厌氧菌或兼性厌氧菌;其产能都是通过底物水平磷酸化反应，产能效率低;能形成高能磷酸键的产物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA当前22页，总共63页。发酵类型1.通过EMP途径进行的发酵同型酒精、乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵;2.通过HMP途径进行的发酵异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵;3.通过ED途径进行的发酵细菌酒精发酵(P106)4.由氨基酸发酵产能—Stickland反应少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个ATP；当前23页，总共63页。Stickland反应机制引自周德庆，2003当前24页，总共63页。氧化磷酸化—在呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生ATP；底物水平的磷酸化—

通过形成含高能磷酸键的底物产能；光合磷酸化—通过光能产生ATP的磷酸化反应；ATP的产生途径当前25页，总共63页。二、化能自养微生物的

生物氧化和产能特点：生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；是通过氧化某些还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+

等）获得能量；绝大多数是好氧菌；无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；呼吸链的组分多样化；产能效率低；当前26页，总共63页。

NAD←→FP←→COQ←→Cyt.c.c1←→Cyt.a1.aa3→O2Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPATPATPNH4+S2-SO32-无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位当前27页，总共63页。生物氧化过程—硝化细菌为例

NO2-

NO3-NADH2FPCyt.bCyt.cCyt.a1Cyt.aa3

-ATP-ATP-ATP+ATP

1/2O2H2O

2H++2e-

2H++2e-NH3+O2

H2O•NO2-为什么化能自养微生物的产能效率、生长速率和细胞产率都很低？当前28页，总共63页。硝化细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌反硝化细菌化能自养微生物化能异养微生物好氧微生物兼性厌氧微生物有氧条件下利用氨或亚硝酸盐作主要生存能源，形成亚硝酸或硝酸无氧条件下利用硝酸盐作氢受体，将其还原成NON2在自然界的物质合成过程中起重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用当前29页，总共63页。无机物呼吸反应及其产能当前30页，总共63页。三、光能营养型生物的生物氧化和产能通过光能进行营养的生物光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌—循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌—紫膜光合作用非循环光合磷酸化当前31页，总共63页。存在于光合细菌中的原始光合作用机制；在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式的电子传递途径产生ATP；在厌氧条件下进行，不产氧；产ATP和还原力[H]分别进行；还原力[H]来自H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；具体反应途径：P122循环光合磷酸化

当前32页，总共63页。循环光合磷酸化的途径引自周德庆，2003当前33页，总共63页。ATP循环光合磷酸化途径引自周德庆，2003当前34页，总共63页。非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；电子的传递途径是非循环式的；在有氧条件下进行，能产生氧气；有两个光合系统；PSI：含叶绿素a，吸收光波为P700，有利于红光吸收；PSⅡ：含叶绿素b，吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；反应中可同时产ATP、还原力[H]和氧气；产生具体反应途径：P124当前35页，总共63页。蓝细菌的产氧光合作用引自周德庆，2003当前36页，总共63页。比较项目非循环光合磷酸化循环光合磷酸化生物体植物、藻类、蓝细菌光合细菌叶绿素类型叶绿素a等细菌叶绿素a等PSI有有PSII有无氧的产生有无还原力[H]来自水的光解来自H2S等无机氢供体两种光合作用比较当前37页，总共63页。嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌特有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用；嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出红色和紫色两个组分；红膜：在有氧条件下可进行氧化磷酸化产能；主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；紫膜：在缺氧条件下，能利用光能的介导获得能量；主要成分为细菌视紫红质和类脂；细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；当前38页，总共63页。第二节分解代谢和合成代谢间的联系能量代谢分解代谢合成代谢消耗能量简单小分子复杂分子物质代谢复杂大分子简单小分子释放能量当前39页，总共63页。分解代谢和合成代谢的关系引自周德庆，2003当前40页，总共63页。分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分；在长期的进化中，生物体通过两用代谢途径和代谢回补顺序使生物体有条不紊地正常运转；联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物有12种（P126）；一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径；但合成途径并非分解途径的完全逆转；分解代谢和合成代谢一般在不同的区域内分别进行；分解代谢和合成代谢的特点当前41页，总共63页。指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应；不同的微生物或同种微生物在不同的碳源下有不同的代谢回补顺序；与EMP和TCA循环有关的代谢回补顺序约有10条，都围绕着PEP和OA这两种关键性的中间代谢产物来进行；微生物特有的代谢回补顺序—乙醛酸循环

它是TCA循环的一条回补途径；此循环中有两个关键酶：异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧微生物；醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、酵母属、青霉属和黑曲霉等；二、代谢回补顺序当前42页，总共63页。乙醛酸异柠檬酸裂合酶苹果酸合成酶乙醛酸循环示意图引自周德庆，2003当前43页，总共63页。第三节微生物独特合成代谢途径一、自氧微生物的CO2固定（一）Calvin循环是自养型生物固定CO2的主要途径；本途径含有两种特有的酶：核酮糖二磷酸羧化酶；磷酸核酮糖激酶；当前44页，总共63页。（二）厌氧乙酰-CoA途径这种非循环式的CO2固定机制主要存在于一些化能自养菌中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；整个反应的关键酶是CO脱氢酶；（三）逆向TCA循环一些绿色硫细菌固定CO2的方式特殊酶为柠檬酸裂合酶（四）羟基丙酸途径少数绿色硫细菌以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种CO2的固定机制；其关键步骤是羟基丙酸的产生；此类细菌无Calvin循环和逆向TCA循环途径；当前45页，总共63页。指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化还原成氨的过程；生物界中只有原核生物的部分菌才具有固氮能力；生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；荷兰学者Beijerinck最早分离出共生固氮微生物Rhizobium(根瘤菌属)；（一）固氮微生物的种类自生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)共生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)联合固氮菌(associativenitrogen-fixer)二、生物固氮

(Biologicalnitrogenfixation)当前46页，总共63页。（二）固氮的生化机制1.生物固氮反应的六大要素ATP的供应；还原力[H]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；当前47页，总共63页。微量凯氏定氮法、同位素法、乙炔还原法

2.固氮酶活力的测定3.固氮的生化途径（P136）形成相应的氨基酸呼吸无氧呼吸发酵光合作用NAD(P)H2ATP

Fd(Fld)HN二NHN三NH2N-NH2

2NH3

固二氮酶还原酶组分II固二氮酶组分

IADP+PiMg2+氧障当前48页，总共63页。固氮酶对氧极端敏感；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s失活；组分I（钼铁蛋白）：半衰期10min；但大多数固氮菌都是好氧菌；如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？思考?当前49页，总共63页。（三）好氧菌固氮酶避氧害机制1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护、构象保护2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制分化出特殊的还原性异形胞;非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行时间上的分隔3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制存在豆血红蛋白当前50页，总共63页。三、肽聚糖的合成整个肽聚糖的合成过程约有20步(Staphylococcusaureus)（一）在细胞质中的合成（二）在细胞膜中的合成（三）在细胞膜外的合成当前51页，总共63页。1.由葡萄糖合成

N-乙酰葡萄糖胺和

N-乙酰胞壁酸

（一）在细胞质中的合成葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ATPADP果糖-6-磷酸GlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰葡糖胺-1-磷酸UDPGUTPPP

PEPPi缩合反应NADPHNADP+还原反应UDPM当前52页，总共63页。UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽即“Park”核苷酸ATPADP+PiD-GluUDPMATPADP+PiL-LysUDPMATPADP+PiL-AlaUDPMUDPMUDPMATPADP+PiD-AlaD-Ala2.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸当前53页，总共63页。G（二）在细胞膜中的合成—肽聚糖单体的合成引自周德庆，2003当前54页，总共63页。转糖基化作用转肽作用（三）在细胞膜外的合成作业:1.肽聚糖是如何合成？哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位点？3.青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对于生长停滞状态的休止细胞有无作用？当前55页，总共63页。四、微生物次生代谢物的合成初生代谢产物某些微生物生长到一定阶段形成的结构简单、产量较大的代谢产物；次生代谢产物某些微生物生长到稳定期前后，以初生代谢产物为前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的产量较低、结构复杂的代谢产物；微生物次生代谢物的合成途径糖代谢延伸途径莽草酸延伸途径氨基酸延伸途径乙酸延伸途径当前56页，总共63页。抗生素青霉素、链霉素、金霉素等生长刺激剂赤霉素、吲哚乙酸、奈乙酸等维生素

硫胺素、核黄素、B12、吡哆醛等色素花青素类、红曲