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第六章 微生物的新陳代謝,復(fù)雜有機(jī)分子,簡單有機(jī)分子 + ATP + 還原力H,新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。 新陳代謝 = 分解代謝 + 合成代謝 分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。 合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。,講授內(nèi)容,第一節(jié) 微生物的能量代謝 一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能 二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力 第二節(jié) 分解代謝和合成代謝的聯(lián)系 一、兩用代謝途徑 二、代謝物回補(bǔ)順序 第三節(jié) 微生物獨(dú)特的合成代謝 一、自養(yǎng)微生物的CO2固定 二、生物固氮 三、肽聚糖的生物合成,第一節(jié) 微生物的能量代謝,有 機(jī) 物,日 光（光能）,還原態(tài)無機(jī)物,最 初 能 源,一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化,生物氧化功能：ATP、H、小分子代謝物 生物氧化形式： 加氧、脫氫、失電子 生物氧化過程：脫氫、遞氫、受氫 生物氧化類型：有氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵,微生物氧化的形式,生物氧化作用：細(xì)胞內(nèi)代謝物以氧化作用釋放（產(chǎn)生）能量的化學(xué)反應(yīng)。氧化過程中能產(chǎn)生大量的能量，分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內(nèi)，供需時(shí)使用。,生物氧化的方式： 和氧的直接化合： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O,失去電子： Fe2+ Fe3+ + e -,化合物脫氫或氫的傳遞: CH3-CH2-OH CH3-CHO,生物氧化的過程,一般包括三個(gè)環(huán)節(jié)： 底物脫氫（或脫電子）（該底物稱作電子供體或供氫體） 氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等） 氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）,底物脫氫的途徑 1、EMP途徑 2、HMP 3、ED 4、TCA,一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化,（一）底物脫氫的4條途徑 EMP途徑：糖酵解途徑 HMP 途徑：戊糖磷酸途徑 ED途徑：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸KDPG途徑 TCA循環(huán) ：三羧酸循環(huán)途徑,（一）底物脫氫的4條途徑,1. EMP途徑：糖酵解途徑（10步反應(yīng)）,2ATP,EMP途徑是絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑，因而也是酵母菌、真菌和多數(shù)細(xì)菌所具有的代謝途徑。在有氧條件下，EMP途徑與TCA途徑連接，并通過后者把丙酮酸徹底氧化成CO2和H20。在無氧條件下，丙酮酸或其進(jìn)一步代謝后所產(chǎn)生的乙醛等產(chǎn)物被還原，從而形成乳酸或乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物。,HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸途徑、戊糖磷酸途徑、Warburg-Dickens途徑或磷酸葡萄糖酸途徑。這是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPHH+形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。,2 . HMP途徑-6-磷酸葡萄糖酸途徑,HMP途徑可概括成三個(gè)階段： 葡萄糖分子通過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2； 核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化（epimerization）而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸； 上述各種戊糖磷酸在沒有氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通過以下兩種方式進(jìn)一步代謝：其一為通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸再進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)行徹底氧化，另一為通過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為己糖磷酸。,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,HMP途徑的總反應(yīng),HMP途徑的重要意義,為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。 與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。 途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。 途徑中存在37碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛。 通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。,3 . ED途徑(KDPG途徑)-4步反應(yīng),ED途徑（Entner-Doudoroffpathway） 又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。此途徑最早（1952）由Entner和Doudoroff兩人在嗜糖假單胞菌Pseudomonas saccharophila中發(fā)現(xiàn)，接著許多學(xué)者證明它在細(xì)菌中廣泛存在。ED途徑是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑，在其他生物中還沒有發(fā)現(xiàn)。其特點(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)過4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步才能獲得的丙酮酸。,ED途徑是少數(shù)EMP途徑不完整的細(xì)菌例如Pseudomonas Zymomonas等所特有的利用葡萄糖的替代途徑，其特點(diǎn)是利用葡萄糖的反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低（1分子葡萄糖僅產(chǎn)1分子ATP，為EMP途徑之半），反應(yīng)中有一個(gè)6碳的關(guān)鍵中間代謝物KDPG。,ED途徑的特點(diǎn),葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為KDPG 后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。 關(guān)鍵中間代謝物KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。特征酶是KDPG醛縮酶. 反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低. 此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵.,由表可見，在微生物細(xì)胞中，有的同時(shí)存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經(jīng)何種途徑代謝，對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。,4 .TCA循環(huán)-分解代謝和合成代謝的樞紐,又稱三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。這是一種循環(huán)方式的反應(yīng)順序，絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化性（呼吸）代謝中起著關(guān)鍵性的作用。在真核微生物中，TCA循環(huán)的反應(yīng)在線粒體內(nèi)進(jìn)行，其中的大多數(shù)酶定位在線粒體的基質(zhì)中；在原核生物例如細(xì)菌中，大多數(shù)酶都存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細(xì)菌中都是結(jié)合在膜上的。,丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。 循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。,TCA循環(huán)的重要特點(diǎn),1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原； 3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。 4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體； 5、生物體提供能量的主要形式； 6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如 檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。,一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化,（二）遞氫與受氫,經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過呼吸鏈等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能 根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類.,發(fā)酵作用：沒有任何外援的最終電子受體的生物氧化模式 呼吸作用：有外援的最終電子受體的生物氧化模式； 呼吸作用又可分為兩類： 有氧呼吸最終電子受體是分子氧O2; 無氧呼吸最終電子受體是無機(jī)氧化物，如NO3-、SO42-,1 . 呼吸-完全電子呼吸鏈,呼吸（respiration是最普遍和最重要的生物氧化方式，特點(diǎn)是底物脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進(jìn)行，因此又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。 呼吸鏈?zhǔn)侵肝挥谠松锛?xì)胞膜上或真核生物線粒體膜上的由一系列氧化還原勢(shì)不同的氫傳遞體（或電子傳遞體）組成的一組鏈狀傳遞順序，它能把氫或電子從低氧化還原勢(shì)的化合物處傳遞給高氧化還原勢(shì)無機(jī)、有機(jī)氧化物，并使它們還原。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。,電子傳遞與氧化呼吸鏈,定義：由一系列氧化還原勢(shì)不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。 部位：原核生物發(fā)生在細(xì)胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上 成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN 、CoQ、細(xì)胞色素b 、c 1、c、 a 、a和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢(shì)大小排列，電子傳遞次序如下：,MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O (+0.26) (+0.28) (+0.82v) 呼吸鏈中NAD+/NADH的E0值最小，而O2/H2O的E0值最大，所以，電子的傳遞方向是：NADH O2 上式表明還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對(duì)，都具有高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能，它推動(dòng)電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉(zhuǎn)移到分子氧。 電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。,呼吸鏈的功能： 一是傳遞電子；二是將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP這就是電子產(chǎn)能磷酸化作用（或稱氧化磷酸化作用）。,ATP的結(jié)構(gòu)和生成,能源物質(zhì)：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等 ATP又叫三磷酸腺苷，其結(jié)構(gòu)式是：APPP 它是一種含有高能磷酸鍵的有機(jī)化合物，它的大量化學(xué)能就儲(chǔ)存在高能磷酸鍵中。 ATP是生命活動(dòng)能量的直接來源，但本身在體內(nèi)含量并不高。人體預(yù)存的ATP能量只能維持15秒，跑完100m后就全部用完，不足的繼續(xù)通過呼吸作用等合成ATP。,光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應(yīng). 光合磷酸化作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,以用于從二氧化碳合成細(xì)胞物質(zhì).主要是光合微生物。 光合微生物:藻類、藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌（包括紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌和嗜鹽菌等）。 細(xì)菌的光合作用與高等植物不同的是，除藍(lán)細(xì)菌具有葉綠素、能進(jìn)行水的裂解進(jìn)行產(chǎn)氧的光合作用外，其他細(xì)菌沒有葉綠素，只有菌綠素或其他光合色素，只能裂解無機(jī)物（如H2、H2S等）或簡單有機(jī)物，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用。,氧化磷酸化：利用化合物氧化過程中釋放的能量生成ATP的反應(yīng)。 氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種： 底物水平磷酸化不需氧 電子傳遞磷酸化需氧 底物水平磷酸化： 底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個(gè)化合物通過相應(yīng)的酶作用把高能鍵磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，使其生成ATP。 這種類型的氧化磷酸化方式在生物代謝過程中較為普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi),底物水平磷酸化舉例：,由于脫掉一個(gè)水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯鍵轉(zhuǎn)變?yōu)?一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇鍵。這種高能連接的磷酸可以轉(zhuǎn)給ADP，產(chǎn)生ATP分子。在微生物代謝活動(dòng)中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物質(zhì)外，還有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。,在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來，形成ATP。,電子傳遞磷酸化,其機(jī)制很多，目前仍在繼續(xù)研究中。至今能獲得多數(shù)學(xué)者接受的是1978年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者英國學(xué)者PMitchell在1961年所提出的化學(xué)滲透學(xué)說（chemiosmotichypothesis）。,主要觀點(diǎn)：在氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)，從而造成了質(zhì)子在膜兩側(cè)分布的不均衡，即形成了質(zhì)子梯度差（又稱質(zhì)子動(dòng)勢(shì)、pH梯度等）。這個(gè)梯度差就是產(chǎn)生ATP的能量來源，因?yàn)樗赏ㄟ^ATP酶的逆反應(yīng)，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再輸回到內(nèi)側(cè)，結(jié)果一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時(shí)就合成了ATP。,2. 無氧呼吸-部分電子呼吸鏈,ADP +Pi ATP,硝酸鹽呼吸（反硝化）、硫酸鹽呼吸、鐵呼吸、碳酸鹽呼吸等,又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點(diǎn)是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物（個(gè)別是有機(jī)物延胡索酸）受氫。,無氧呼吸的幾個(gè)類型（受體）,硝酸鹽還原細(xì)菌在厭氧條件下以NO3-作電子受體 C6H12O66H2O 6CO224H(脫H酶） 24H+4NO3 2N2 +12H2O（硝酸還原酶）,E,硫酸鹽細(xì)菌以SO42-為受體 2CH3CHOHCOOH+H2SO4 2CH3COOH+2CO2+2H2O+H2S+能量,嚴(yán)格厭氧的大多數(shù)產(chǎn)甲烷細(xì)菌以CO2為受體 4H2+CO2 CH4+2H2O+能量,3. 發(fā)酵-無氧條件下 含意較多： 在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。 在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式,發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。 發(fā)酵類型：在上述途徑中均有還原型氫供體NADH + H+ 和NADPH+H+產(chǎn)生，但產(chǎn)生的量并不多，如不及時(shí)氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會(huì)中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來接受NADH + H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等,發(fā)酵作用,酵母型酒精發(fā)酵 同型乳酸發(fā)酵 丙酸發(fā)酵 混合酸發(fā)酵 2,3丁二醇發(fā)酵 丁酸發(fā)酵,丙酮酸發(fā)酵,C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脫氫酶,酵母菌的乙醇發(fā)酵：,該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。,細(xì)菌的乙醇發(fā)酵,葡萄糖,2-酮-3-脫氧-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,菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等 途徑：ED,脫羧,NADH2還原,P106 與酵母發(fā)酵的不同,乳酸發(fā)酵,乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。 由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。 同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑） 異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑） 雙歧桿菌發(fā)酵: （經(jīng)HK途徑磷酸己糖解酮酶途徑）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羥丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸發(fā)酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis Lactobacillus plantarum,異型乳酸發(fā)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,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,雙歧發(fā)酵：,6-磷酸果糖,5-磷酸核糖,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,2乳酸,2乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,2ATP 2ADP,2乙酸,4ADP 4ATP,-2H,-CO2,ADP ATP,乙酰磷酸,乙酸,ADP ATP,雙歧桿菌Bifidobacteria通過HMP發(fā)酵葡萄糖的途徑：2分子葡萄糖產(chǎn)生3分子乙酸、2分子乳酸,二 、自養(yǎng)微生物的生物氧化,（一）化能自養(yǎng)微生物的生物氧化 （二）光能微生物的生物氧化,（一）化能自養(yǎng)微生物的生物氧化,一些微生物可以從氧化無機(jī)物獲得能量，同化合成細(xì)胞物質(zhì)，這類細(xì)菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們?cè)跓o機(jī)能源氧化過程中通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。,CO2 -作為能量順呼吸鏈-ATP- -部分作為無機(jī)供氫體逆呼吸鏈-H- CH2O,NH4+ NO2- H2S S H2 Fe2+,H2 HS- NH4 、S2-、 SO32-S2O3- 、S0 、Fe2+ NO2- NAD FP Q Cyt.cc1 Cyt.a.aa3 O2 ATP ATP ATP,無機(jī)底物脫氫后，氫或電子進(jìn)入呼吸鏈的部位，正向產(chǎn) 生ATP，逆向消耗ATP產(chǎn)生還原力H,化能自養(yǎng)菌一般都是好氧菌 由于化能自養(yǎng)微生物產(chǎn)能效率低，以及固定CO2要消耗大量ATP，因此他們的產(chǎn)能效率、生長速度、生長得率都很低。 例如 硝化細(xì)菌 包括 亞硝化細(xì)菌或氨氧化細(xì)菌：NH3-NO2- 硝化細(xì)菌或亞硝酸細(xì)菌：NO2-N03- 都是氧化作用 NH3 + O2 + 2H+ + 2e-NH2OH + H2O NH2OH + H2O -HNO2 + 4H+ + 4e- NO2- + H2O-亞硝酸氧化酶-NO3-+2H+2e- 以上H都來自于水,在NO2-氧化為NO3-的過程中，氧來自水分子而非空氣。當(dāng)NO2-+H2OH2ONO2-NO3-+2H+2e時(shí)，由于NO2-的氧化還原電位很高，故H+和e只能從與其相當(dāng)?shù)腃yta1部位進(jìn)入呼吸鏈。2H+2e如果順著呼吸鏈傳遞至O2，僅能產(chǎn)生1個(gè)ATP。而對(duì)CO2還原所需要的大量還原力H則是通過H+ +e的逆呼吸鏈傳遞并消耗大量ATP后才能形成。因此硝化細(xì)菌的能量效率、生長速度和細(xì)胞產(chǎn)率很低，在硝化作用旺盛的土壤中，只能找到很少量的硝化細(xì)菌菌體。,（二）光能營養(yǎng)微生物產(chǎn)能和H,光合磷酸化(photophosphorylation),利用光能合成ATP的反應(yīng). 光合磷酸化作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,以用于從二氧化碳合成細(xì)胞物質(zhì)，主要是光合微生物：藻類、藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌（紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌和嗜鹽菌等）。,光合色素：葉綠素chl、細(xì)菌葉綠素（菌綠素）Bchl、類胡蘿卜素、藻膽素,光合磷酸化的實(shí)質(zhì)就是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，具體過程為當(dāng)一個(gè)葉綠素（菌綠素）分子吸收光量子后，被激活，釋放一個(gè)電子（氧化），釋放的電子進(jìn)入電子傳遞系統(tǒng)，在電子傳遞過程中釋放能量，產(chǎn)生ATP。,（1）環(huán)式光合磷酸化Cyclic photophosphorylation,光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP，這類細(xì)菌主要包括紫色硫細(xì)菌、綠色硫細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌。在光合細(xì)菌中，吸收光量子而被激活的細(xì)菌葉綠素釋放出高能電子，于是這個(gè)細(xì)菌葉綠素分子即帶有正電荷。所釋放出來的高能電子順序通過鐵氧還蛋白、輔酶Q、細(xì)胞色素b和f，再返回到帶正電荷的細(xì)菌葉綠素分子。在輔酶Q將電子傳遞給細(xì)胞色素f的過程中，造成了質(zhì)子的跨膜移動(dòng)，為ATP的合成提供了能量。在這個(gè)電子循環(huán)傳遞過程中，光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，故稱環(huán)式光合磷酸化。環(huán)式光合磷酸化可在厭氧條件下進(jìn)行，產(chǎn)物只有ATP，無NADP(H)，也不產(chǎn)生分子氧。,（2）非環(huán)式光合磷酸化,高等植物和藍(lán)細(xì)菌與光合細(xì)菌不同，它們可以裂解水，以提供細(xì)胞合成的還原能力。它們含有兩種類型的反應(yīng)中心，連同天線色素、初級(jí)電子受體和供體一起構(gòu)成了光合系統(tǒng)和光合系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)偶聯(lián)，進(jìn)行非環(huán)式光合磷酸化。在光合系統(tǒng)中，葉綠素分子P700吸收光于后被激活，釋放出一個(gè)高能電子。這個(gè)高能電子傳遞給鐵氧還蛋白(Fd)，并使之被還原。還原的鐵氧還蛋白在Fd：NADP+還原酶的作用下，將NADP+還原為NADPH。在光合系統(tǒng)中，葉綠素分子P680吸收光子后，釋放出一個(gè)高能電子。先傳遞給輔酶Q，再經(jīng)過一系列電子傳遞體，最后傳遞給系統(tǒng)，使P700還原。失去電子的P680，靠水的光解產(chǎn)生的電子來補(bǔ)充。高能電子從輔酶Q到光合系統(tǒng)的過程巾，可推動(dòng)ATP的合成。,（3）嗜鹽菌紫膜的光合作用,這是近年來才揭示的只有嗜鹽菌才有的無葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特光合作用。 嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.55.0molL NaCl）環(huán)境中才能生長的古細(xì)菌（archaebacteria）。它們廣泛分布在鹽湖、曬鹽場(chǎng)或鹽腌海產(chǎn)品上，常見的咸魚上的紫紅斑塊就是嗜鹽菌的細(xì)胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（鹽生鹽桿菌）和H.cutirubrum（紅皮鹽桿菌）等。,嗜鹽菌因細(xì)胞內(nèi)含類胡蘿卜素而使細(xì)胞呈紅色、桔黃色或黃色。它們的細(xì)胞膜可分成紅色與紫色兩部分，前者主要含細(xì)胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體，后者則十分特殊，在膜上呈斑片狀（直徑約0.5m）獨(dú)立分布，其總面積約占細(xì)胞膜面積的一半，這就是能進(jìn)行獨(dú)特光合作用的紫膜。含量占紫膜75的是一種稱作細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin）的蛋白質(zhì)，它與人眼視網(wǎng)膜上柱狀細(xì)胞中所含的一種蛋白質(zhì)視紫紅質(zhì)（rhodopsin）十分相似，兩者都以紫色的視黃醛（retinal）作輔基。,近年來，人們對(duì)視紫紅質(zhì)的功能作了研究并獲得了重大的發(fā)現(xiàn)。嗜鹽菌可以生長在光照和氧都具備的條件下，但不能生長在兩者都不存在的情況下。這就說明，嗜鹽菌至少可通過兩條途徑獲取能量，一條是有氧存在下的氧化磷酸化途徑，另一條是有光存在下的某種光合磷酸化途徑。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在波長為550600nm的光照下，其ATP合成速率最高，而這一波長范圍恰與細(xì)菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。,目前認(rèn)為，細(xì)菌視紫紅質(zhì)與葉綠素相象，在光量子的驅(qū)動(dòng)下，具有質(zhì)子泵的作用，這時(shí)它將產(chǎn)生的H+推出細(xì)胞膜外，使紫膜內(nèi)外造成一個(gè)質(zhì)子梯度差。根據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說，這一質(zhì)子動(dòng)勢(shì)在驅(qū)使H+ 通過ATP合成酶進(jìn)入膜內(nèi)而得到平衡時(shí)，就可合成細(xì)胞的通用能源ATP。,主要特點(diǎn)：不經(jīng)過電子傳遞，直接產(chǎn)生ATP,意義： 嗜鹽菌紫膜光合磷酸化功能的發(fā)現(xiàn)，使在經(jīng)典的葉綠素和菌綠素所進(jìn)行光合磷酸化之外又增添了一種新的光合作用類型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最簡單的光合磷酸化反應(yīng)，這是研究化學(xué)滲透作用的一個(gè)極好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)它的研究正在大力開展。對(duì)其機(jī)制的揭示，將是生物學(xué)基本理論中的又一項(xiàng)重大突破，并無疑會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)實(shí)踐例如太陽能的利用和海水的淡化等帶來巨大的推動(dòng)力。,第二節(jié) 分解代謝和合成代謝的關(guān)系,分解代謝與合成代謝兩者聯(lián)系緊密，互不可分。,一、兩用代謝途徑,凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的途徑，稱為兩用代謝途徑。EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等都是重要的兩用代謝途徑。,二、代謝回補(bǔ)順序 又稱代謝補(bǔ)償途徑或填補(bǔ)途徑。 指能補(bǔ)充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝產(chǎn)物的那些反應(yīng)。（生物合成中所消耗的中間產(chǎn)物若得不到補(bǔ)充，循環(huán)就會(huì)中斷。） 通過這種機(jī)制，一旦重要產(chǎn)能途徑中的某種關(guān)鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成原料而抽走時(shí)，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)行。 不同種類的微生物或同種微生物在不同的碳源條件下，有不同的代謝回補(bǔ)順序。,主要圍繞EMP途徑中的PEP和TCA循環(huán)中的OA這兩種關(guān)鍵性中間代謝物來進(jìn)行的。,回補(bǔ)途徑,與EMP途徑和TCA循環(huán)有關(guān)的回補(bǔ)順序約有10條。,某些微生物所特有的代謝回補(bǔ)順序。是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑。 能夠利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA。然后乙酰CoA在異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶的作用下進(jìn)入乙醛酸循環(huán)。 乙醛酸循環(huán)的主要反應(yīng)： 異檸檬酸 琥珀酸 +乙醛酸 乙醛酸 + 乙酸 蘋果酸 琥珀酸 + 乙酸 異檸檬酸 凈反應(yīng)：2乙酸 蘋果酸,乙醛酸循環(huán)（乙醛酸支路）,乙醛酸循環(huán),具有乙醛酸循環(huán)的微生物 普遍是好氧菌。如以乙酸 為唯一碳源的一些細(xì)菌： 醋桿菌屬、固氮菌屬、產(chǎn) 氣腸桿菌、脫氮副球菌、 熒光假單胞菌、和紅螺 菌屬等；真菌中的酵母菌 屬、青霉屬和黑曲霉等。,第三節(jié) 微生物獨(dú)特合成代謝途徑舉例,一、自養(yǎng)微生物的CO2固定 二、生物固氮 三、微生物結(jié)構(gòu)大分子肽聚糖的生物合成 四、微生物次生代謝物的合成,一、自養(yǎng)微生物的CO2固定,各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途徑有4條。,兩類自養(yǎng)生物固定CO2的條件和途徑,二、生物固氮,生物固氮作用：將大氣中分子態(tài)氮通過微生物固氮酶的催化而還原成氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上僅次于光合作用的生物化學(xué)反應(yīng)。 （一）固氮微生物 80余屬，全部為原核生物（包括古生菌），主要包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌。 根據(jù)固氮微生物與高等植物及其他生物的關(guān)系，可將它們分為以下3類： 1、自生固氮微生物 2、共生固氮微生物 3、聯(lián)合固氮微生物,1、自生固氮菌,獨(dú)立生活狀況下能夠固氮的微生物。 生活在土壤或水域中，能獨(dú)立地進(jìn)行固氮，但并不將氨釋放到環(huán)境中，而是合成氨基酸，組成自身蛋白質(zhì)。自生固氮微生物的固氮效率較低，每消耗1克葡萄糖大約只能固定1020毫克氮。,2、共生固氮菌,與其它生物形成共生體，在共生體內(nèi)進(jìn)行固氮的微生物。 只有在與其他生物緊密地生活在一起的情況下，才能固氮或才能有效地固氮；并將固氮產(chǎn)物氨，通過根瘤細(xì)胞酶系 統(tǒng)的作用，及時(shí)運(yùn)送給植物體各部，直接為共生體提供氮源。共生體系的固氮效率比自生固氮體系高得多，每消耗 1克葡萄糖大約能固定280毫克氮。,3、聯(lián)合固氮菌,聯(lián)合固氮作用是固氮微生物與植物之間存在的一種簡單共生現(xiàn)象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。這些固氮微生物僅存在于相應(yīng)植物的根際，不形成根瘤，但有較強(qiáng)的專一性，固氮效率比在自生條件下高。 通常在水域環(huán)境中，共生性固氮系統(tǒng)不常見。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧區(qū)主要是藍(lán)細(xì)菌的作用，在無氧區(qū)主要是梭菌的作用。,1、生物固氮反應(yīng)的6要素,固氮酶,ATP的供應(yīng),還原力及其傳遞載體,還原底物 N2,鎂離子,嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境,（二）固氮的生化機(jī)制,2NH3+H2+1824ADP+1824Pi,N2+8H+1824ATP,生物固氮總反應(yīng)：,固二氮酶還原酶（dinitrogenase reductase）（組份）：是一種只含鐵的蛋白。,2、固氮的生化途徑,氧障,呼 吸 無氧呼吸 發(fā) 酵 光合作用,NAD(P)H+H+,1）Fd向氧化型的固二氮酶還原酶的Fe提供1個(gè)e，變?yōu)檫€原型 2）還原型的固二氮酶還原酶與ATP-Mg結(jié)合，改變構(gòu)象 3）固二氮酶在Mo上與分子氮結(jié)合，并與固二氮酶還原酶-ATP-Mg結(jié)合，形成完整的固氮酶 4）電子轉(zhuǎn)移，形成氧化型固二氮酶還原酶，同時(shí)形成ADP 5）連續(xù)6次，固二氮酶放出2個(gè)NH3,N2分子經(jīng)固氮酶的催化而還原成NH3后，就可與相應(yīng)的酮酸結(jié)合，形成各種氨基酸。,（三）好氧菌固氮酶避害機(jī)制,固氮酶的兩個(gè)蛋白組分對(duì)氧極其敏感，一旦遇氧就很快導(dǎo)致不可逆的失活。固氮生化反應(yīng)都必須受活細(xì)胞中各種“氧障”的嚴(yán)密保護(hù)。 大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長期進(jìn)化過程中，已進(jìn)化出適合在不同條件下保護(hù)固氮酶免受氧害的機(jī)制。 1、好氧性自生固氮菌的抗氧保護(hù)機(jī)制 （1）呼吸保護(hù) 固氮菌科的菌種能以極強(qiáng)的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細(xì)胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，保護(hù)固氮酶。 （2）構(gòu)象保護(hù) 在高氧分壓條件下，Azotobacter vinelandii（維涅蘭德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一個(gè)無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象。,2、藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制,藍(lán)細(xì)菌光照下會(huì)因光合作用放出的氧而使細(xì)胞內(nèi)氧濃度急劇增高 分化出特殊的還原性異形胞：缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)，脫氫酶和氫 化酶的活性高，維持很強(qiáng)的還原態(tài)；SOD活性高，解除氧的毒害； 呼吸強(qiáng)度高，可消耗過多的氧。 非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù): 能通過將固氮作用與光合作用進(jìn)行時(shí)間上的分隔來達(dá)到； 通過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下的細(xì)胞失去能產(chǎn)氧的光合系統(tǒng) II，以便于進(jìn)行固氮反應(yīng)； 通過提高過氧化物酶和SOD的活性來除去有毒過氧化合物。 3、豆科植物根瘤菌的抗氧保護(hù)機(jī)制 只有當(dāng)嚴(yán)格控制在微好氧條件下時(shí)，才能固氮； 根瘤菌還能在根毛皮層細(xì)胞內(nèi)迅速分裂繁殖，隨后分化為膨大而形狀各異、不能繁殖、但有很強(qiáng)固氮活性的類菌體。許多類菌體被包在一層類菌體周膜中，膜的內(nèi)外有能與O2結(jié)合的豆血紅蛋白。,三、肽聚糖的合成,合成特點(diǎn)： 合成機(jī)制復(fù)雜，步驟多（20步），且合成部位幾經(jīng)轉(zhuǎn)移 合成過程中須要有能夠轉(zhuǎn)運(yùn)與控制肽聚糖結(jié)構(gòu)元件的載體（UDP和細(xì)菌萜醇）參與。 合成過程：依發(fā)生部位分成三個(gè)階段： 細(xì)胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸 細(xì)胞膜階段：合成肽聚糖單體 細(xì)胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖,結(jié)構(gòu),第一階段：細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成Park核苷酸,注：UDP，尿嘧啶二磷酸，糖的載體,第二階段：肽聚糖單體的合成,UDP UDP- G ,UDP UDP - M,桿菌肽, 萬古霉素,5 甘氨酰-tRNA 5 tRNA,插入至膜外肽 聚糖合成處,第三階段：交聯(lián)作用,肽聚糖的生物合成與某些抗生素的作用機(jī)制,一些抗生素能抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，但是它們的作用位點(diǎn)和作用機(jī)制是不同的。 -內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）： 是D-丙氨酰-D-丙氨酸的結(jié)構(gòu)類似物，兩者相互競(jìng)爭轉(zhuǎn)肽酶的活性中心。當(dāng)轉(zhuǎn)肽酶與青霉素結(jié)合后，雙糖肽間的肽橋無法交聯(lián)，這樣的肽聚糖就缺乏應(yīng)有的強(qiáng)度，結(jié)果形成細(xì)胞壁缺損的細(xì)胞，在不利的滲透壓環(huán)境中極易破裂而死亡。 桿菌肽： 能與十一異戊烯焦磷酸絡(luò)合，因此抑制焦磷酸酶的作用，這樣也就阻止了十一異戊烯磷酸糖基載體的再生，從而使細(xì)胞壁（肽聚糖）的合成受阻。,（一）次生代謝物 某些微生物生長到穩(wěn)定期前后，以結(jié)構(gòu)簡單、代謝途徑明確、產(chǎn)量較大的初生代謝物前體，通過復(fù)雜的次生代謝途徑所合成的各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物。多與人類的醫(yī)藥生產(chǎn)和保健密切相關(guān)。,四、微生物次生代謝物的合成,1、次生代謝物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、代謝途徑獨(dú)特、在生長后期合成、產(chǎn)量較低、生理功能不很明確（尤其是抗生素）、其合成一般受質(zhì)?？刂?； 2、形態(tài)構(gòu)造和生活史越復(fù)雜的微生物（如放線菌和絲狀真菌），其次生代謝物的種類也就越多； 3、次生代謝物的種類極多，如抗生素，色素，毒素，生物堿，信息素，動(dòng)、植物生長促進(jìn)劑以及生物藥物素等； 4、次生代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分屬多種類型如內(nèi)酯、大環(huán)內(nèi)酯、多烯類、多炔類、多肽類、四環(huán)類和氨基糖類等； 5、合成途徑復(fù)雜，以各種初生代謝途徑，如糖代謝、TCA循環(huán)、脂肪代謝、氨基酸代謝以及萜烯、甾體化合物代謝等為次生代謝途徑的基礎(chǔ)。,（二）次生代謝的特點(diǎn),次生代謝途徑于初生代謝途徑的聯(lián)系,（三）微生物次生代謝物合成途徑,1、糖代謝延伸途徑 由糖類轉(zhuǎn)化、聚合產(chǎn)生的多糖類、糖苷類和核酸類化合物，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化而形成核苷類、糖苷類和糖衍生物類抗生素； 2、莽草酸延伸途徑 由莽草酸分支途徑產(chǎn)生氯霉素等； 3、氨基酸延伸途徑 由各種氨基酸衍生、聚合形成多種含氨基酸的抗生素，如多肽類抗生素、-內(nèi)酰胺類抗生素、D-環(huán)絲氨酸和殺腺癌菌素等； 4、乙酸延伸途徑 分2條支路： （1）乙酸經(jīng)縮合后形成聚酮酐，進(jìn)而合成大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類、灰黃霉素類抗生素和黃曲霉毒素； （2）經(jīng)甲羥戊酸合成異戊二烯類，進(jìn)一步合成重要的植物生長刺激素赤霉素或真菌毒素隱杯傘素等。,第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn),本節(jié)提要： 微生物代謝過程中的自我調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié) 代謝調(diào)控理論的應(yīng)用,微生物代謝過程中的自我調(diào)節(jié),微生物代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：精確、可塑性強(qiáng)，細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)能力超過高等生物。 成因：細(xì)胞體積小，所處環(huán)境多變。 舉例：大腸桿菌細(xì)胞中存在2500種蛋白質(zhì)，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的體積只能容納10萬個(gè)蛋白質(zhì)分子，所以每種酶平均分配不到100個(gè)分子。如何解決合成與使用效率的經(jīng)濟(jì)關(guān)系？ 解決方式：組成酶（constitutive enzyme）經(jīng)常以高濃度存在，其它酶都是誘導(dǎo)酶（inducible enzyme），在底物或其類似物存在時(shí)才合成，誘導(dǎo)酶的總量占細(xì)胞總蛋白含量的10%。,酶活性的調(diào)節(jié),通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。 （一）調(diào)節(jié)方式：包括兩個(gè)方面： 1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。 如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn) 2、酶活性的抑制：包括：競(jìng)爭性抑制和反饋抑制。 概念：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。 凡使反應(yīng)速度加快的稱正反饋； 凡使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反饋（反饋抑制）； 反饋抑制主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。 特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除,1.直線式代謝途徑中的反饋抑制