微生物课件第二章.ppt

1、合成代谢anabolism 在合成酶系的催化下，由简单的小分子、能量（ATP）和还原力（H）一起合成复杂的生物的大分子的过程。,分解代谢catabolism 指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(ATP)、和还原力（H）的过程。,第二节 分解代谢和合成代谢的联系,分解代谢的三个阶段,将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。 进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的中间产物。 将第二阶段的产物完全降解生成CO2 ， 并将前面形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧化、 同时形成大量的ATP。,1、能量由ATP供给 ，ATP产生有三种方式：

2、底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化。 2、还原力产生：还原力主要指NADH2 和NADPH2 。 3、小分子前体物：通常指糖代谢过程中产生的中间代谢物 。,生物合成三要素 能量 、还原力、 小分子前体物,分解代谢途径和合成代谢的功能及其相互联系,一、两用代谢途径 1、概念：凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称两用代谢途径。 2、特点： 在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即催化两个方向中的同一反应并不是总是用同一种酶来进行的。 在分解与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。 在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在不同的分隔区域中进行，即合

3、成代谢一般在细胞质中进行，而分解代谢则多在线粒体、微粒体和溶酶体中进行，这就有利于两者可同时有条不紊地运转。,二、代谢物回补顺序 又称补偿途径或添补途径，是指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。 意义：当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料时，仍可保证能量代谢的正常进行。,1、合成草酰乙酸（OA）的回补顺序 (1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成OA： 当微生物生长在葡萄糖或其他3碳化合物如丙酮酸、乳酸或甘油等碳源上时，可以利用以下两条途径来补充OA： 由PEP羧化酶催化PEP为OA：,由丙酮酸羧化酶催化丙酮酸为OA,(2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成O

4、A乙醛酸循环,关键酶及关键反应：,总反应,产物去向：可进入TCA循环，也可沿EMP途径逆行，合成葡萄糖。 生理意义 a.使TCA循环具有高效产能功能； b.为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物。 生理类群： 细菌中的醋杆菌属、 固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌和红螺菌属等，真菌中的酵母属、黑曲霉和青霉属等。,2、合成PEP的回补顺序 (1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成PEP 丙酮酸通过磷酸烯醇丙酮酸合酶产生磷酸烯醇丙酮酸,丙酮酸通过丙酮酸磷酸双激酶产生磷酸烯醇丙酮酸,(2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成PEP 草酰乙酸由PEP羧激酶催化产生磷酸烯醇式丙酮酸,草酰乙酸由PEP羧

5、转磷酸酶催化产生磷酸烯醇丙酮酸,第三节 微生物的独特合成代谢举例 一、自养微生物的CO2固定 1、 Calvin循环 Calvin循环又称核酮糖二磷酸途径、还原性戊糖途径、3碳循环，是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的主要途径。 (1)Calvin循环的过程,特征酶为磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。 分为三个阶段： CO2固定羧化反应,固定CO2的还原,CO2受体的再生,(2)Calvin循环的产物去向,(3)Calvin循环的意义 Calvin循环是自养微生物单糖的主要来源，是其它糖类和糖衍生物合成的起点，还是其它有机物合成的基础。,2、厌氧乙酰-辅酶途径 这种CO2的固定机制主要存在

6、于乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中。,二、生物固氮 概念：生物固氮是指分子氮通过微生物固氮酶系的催化形成氨的过程。 研究生物固氮的意义 (1)可在常温常压下进行固氮反应； (2)生物固氮量高，不流失、不污染、利用率高； (3)化学模拟生物固氮，争取常温常压下合成氨，可为农业生产开辟肥源； (4)加深对生命起源和生物共生作用的认识。,1、固氮微生物 具有利用分子氮作为唯一氮源的能力即将分子氮还原成氨,进一步把氨同化成氨基酸和蛋白质的一类微生物，叫固氮微生物。 (1)特点： 种类多； 皆为原核生物和古生菌类； 生理类型多； 分布广； 分类高度分散； 其共同特征是都含有固氮酶，都具有固

7、氮活性，固氮过程厌氧。,(2)类型： 自生固氮菌： 能独立进行固氮的微生物就叫自生固氮菌。,共生固氮菌： 必须与它种生物共生在一起时才能固氮的微生物叫共生固氮菌。与豆科共生为根瘤菌，与非豆科共生是放线菌。,1) 根瘤菌 a. 各种根瘤菌与各种豆科植物之间存在着特异的共生关系； b. 一般为革兰氏阴性菌，严格好氧，化能异养，土壤中自生，植物中共生； c. 由根毛细胞进入植物根部，感染、刺激根毛细胞分裂，形成根瘤； 根瘤菌菌体膨大，变形成类囊体，固氮作用即发生在类囊体中。 2) 与非豆科植物共生固氮菌 又称弗兰克氏菌，好氧或兼性好氧，寄生于木本植物，共生结瘤情况与豆科植物结瘤相似，固氮场所是弗兰克

8、氏菌丝变成片段后膨大成的棒状、囊泡状结构。,联合固氮菌：根际、叶面微生物。 必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物称为联合固氮菌。 1) 特点 与植物有一定的专一性；与植物根系有松散的共生关系，能生活在某些植物的根际或植物根的鞘内，或皮层细胞之间；不形成类似根瘤的特殊共生结构，彼此之间的依赖程度低。 2) 种类,2、固氮反应的条件 (1)ATP的供应： 固氮过程需要消耗大量的能量 固氮酶对ATP具有高度专一性 ATP由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化产生 (2) 还原力H及其载体 Fd：是一种铁硫蛋白，含等摩尔铁和不稳态硫，参与固氮、光合作用以及释放和利用氢气的反应。 Fl

9、d：是一种黄素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金属或不稳态硫，在许多反应中有取代Fd的功能。,(3)固氮酶 结构 固氮酶含有两种成分组分和组分。 1)固二氮酶（钼铁蛋白） 钼铁蛋白由二个大亚基和二个小亚基组成，分子量为220-250KD，每分子钼铁蛋白含2个钼原子，24-32个铁原子及相应数目的不稳态硫原子，它们组成3个中心：P中心，由4个4Fe4S（4铁4硫原子簇）组成，（它通过半胱氨酸SH与蛋白质连接）是传递电子的通路；M中心，由铁钼辅因子（FeMoCo）组成，是固氮酶活性中心；此外，还有一个S中心。 2) 固二氮酶还原酶（铁蛋白）：由两个大小相同的亚基构成，分子量为60KD左右，

10、每分子含1个4Fe4S原子簇，不含钼原子，4Fe4S原子簇即为铁蛋白的活性中心电子活化中心。,固氮酶的特性 1)固氮酶是一种复合酶系统：钼铁蛋白：铁蛋白=1：2，单独存在时均不表现出固氮活性。 2)不同来源固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白可以交叉组合，但亲缘关系和生理类型近的互补组合能力强，反之，则不易组合或组合后不具催化性。 3) 对氧敏感：固氮酶两组分蛋白很不稳定，对氧敏感，且铁蛋白还易受冷失活。,不同来源固氮酶对氧的稳定性,4)底物多样性：,N2的还原固氮的生化途径 (a) 固氮过程：,(b) 产物去向： 分子氮经固氮酶催化后还原成NH3，与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸，再进一步可合成蛋白质和

11、其它有关化合物。,自生固氮菌很快同化。 共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。,b.乙炔的还原:C2H2C2H4 可用气相色谱检测，可作为固氮系统存在的有效指标。 c. H+的还原 在缺乏N2的条件下：2H+ H2 即将H+全部还原成H2。 在有N2的条件下： 依赖ATP的放氢作用 固氮反应的一个重要特征 N2+8H+8e-+16Mg-ATP 2NH3+H2+16Mg-ATP+16Pi (4)还原性底物N2； (5)镁离子：用来形成Mg2+-ATP复合物。 (6)严格的厌氧微环境。,3、好氧固氮菌固氮酶的抗氧机制： 解决呼吸产能需氧，而固氮厌氧的矛盾 (1) 呼吸保护： 呼吸保护是指固氮菌以

12、较强的呼吸作用迅速地将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，以此来保护固氮酶不受氧的损伤。 (2)构象保护： 当固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。 这两种机制存在于好氧性自生固氮菌中，呼吸保护与构象保护两者相互协调，组成一个“双保险”式的保护机制。,(3)结构保护： 结构保护是指好氧固氮菌以特殊的细胞结构提供一个局部厌氧或氧分压低的小环境，以保证固氮反应进行。 如：蓝细菌固氮酶可分化出特殊的还原性异形胞： a.异形胞的体积较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的片层式的较厚外膜，它具有阻止氧气扩散入细胞内的物理屏障作用；

13、 b.异形胞内缺乏产氧光合系统II，加上脱氢酶和氢化酶的活性高，使异形胞能维持很强的还原态； c.其中的超氧化物歧化酶的活性很高，有解除氧毒害的功能； d.异形胞还有比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸度，借此可消耗过多的氧和产生对固氮所必要的ATP。,(4)氧的缓冲剂作用豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制 根瘤菌固氮的条件： 1）微好氧条件：在纯培养时，只有控制在微好氧条件下才固氮。 2）形成类菌体：类菌体是根瘤菌与植物的一种共生结构。 抗氧保护机制 根瘤菌与豆科植物共生时，共同合成豆血红蛋白，豆血红蛋白位于类菌体的细胞膜外，可结合外来的氧，控制氧进入类菌体，即可保证向类菌体不断供给浓度低而流速大

14、的氧流，以保证类菌体能进行氧化磷酸化合成ATP，又不会使氧达到抑制固氮酶的浓度，从而解决了类菌体氧化磷酸化需氧，而固氮系统厌氧的矛盾。,4、目前生物固氮的研究方向： (1)禾本科植物的共生固氮试验； (2)固氮酶的结构与功能以及化学模拟生物固氮的研究； (3)开展固氮基因的分析和转移的研究，改造原有的固氮微生物种，培育固氮效率高的突变种和构建高固氮效率的工程菌。,三、微生物结构大分子肽聚糖的合成 1、肽聚糖的结构：,2、肽聚糖的合成： 约20步，分3阶段，需1个多糖引物。,(1) 在细胞质中的合成合成“Park”核苷酸 单糖组分在细胞质中合成(UDP是第一个载体) 1)由葡萄糖合成N-乙酰葡萄

15、糖胺和N-乙酰胞壁酸：,2)由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸： 逐步加上AA生成UDP-NAM-五肽（Park 核苷酸），顺序为L- Ala, D-Glu, L- Lys（DAP）, D-Ala ( 不需tRNA参与)。其中，2D-Ala - D-丙酰-L-Ala与青霉素类似。,(2)在细胞膜中合成由“P”核苷酸合成肽聚糖亚单位 UDP-NAM-五肽转至膜上，与一脂质载体（细菌萜醇 -C55类异戊二烯醇）结合，释放出NAM-五肽焦磷脂，在膜内侧与UDP-NAG结合，构成肽聚糖亚单位。细菌萜醇是第二个载体。 亚单位转移至细胞壁的生长点上，万古霉素、杆菌肽抑制。,(3)在细胞膜外的合成 肽聚

16、糖亚单位交联 被运送到细胞膜外的肽聚糖亚单位在必须有细胞壁残余（至少68个肽聚糖亚单位）作引物的条件下，肽聚糖亚单位与引物分子间先发生转糖基作用使多糖横向延伸一个双糖单位，然后，再通过转肽作用使两条多糖链间形成甘氨酸五肽而发生纵向交联反应。 1)转糖基化作用：,2)转肽作用：,(4) 青霉素的抑菌机制： 青霉素是肽聚糖亚单位五肽末端的D-丙氨酰胺-D-丙氨酸的类似物，两者竞争转肽酶的活性中心，从而竞争性抑制了肽聚糖的转肽作用，使得肽聚糖分子不能发生纵向交联反应,肽聚糖不能形成细胞壁层（网状结构也连不起来，形成“软壁 ”，极易破裂死亡）。可见，青霉素的抑菌作用，只能是对处于活跃生长的细菌，对静息细胞无作用。,四、微生物