大學(xué)課程微生物第五章-微生物的代謝課件

1、1Microbiology第五章 微生物的新陳代謝 2第五章 微生物的新陳代謝 新陳代謝簡稱代謝，是推動生物一切生命活動的動力源，通常泛指發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝和合成代謝的總和。 3第一節(jié) 微生物的能量代謝 4一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能 生物氧化就是發(fā)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。(一) 底物脫氫的四種途徑61. EMP途徑 糖酵解途徑是指細胞在細胞質(zhì)中分解葡萄糖生成丙酮酸的過程，此過程中伴有少量ATP的生成。 這一過程是在細胞質(zhì)中進行，不需要氧氣，每一反應(yīng)步驟基本都由特異的酶催化。 有氧條件下丙酮酸可進一步氧化分解生成乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。糖

2、酵解總共包括10個連續(xù)步驟，均由對應(yīng)的酶催化。 總反應(yīng)為：葡萄糖+2ATP + 2Pi+2NAD+ 2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H+2H2O78910（1）葡萄糖磷酸化 葡萄糖氧化是放能反應(yīng)，但葡萄糖是較穩(wěn)定的化合物，要使之放能就必須給與活化能來推動此反應(yīng)，即必須先使葡萄糖從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛钴S狀態(tài)，活化一個葡萄糖需要消耗1個ATP，一個ATP放出一個高能磷酸鍵，大約放出30.5kj自由能，大部分變?yōu)闊崃慷⑹?，小部分使磷酸與葡萄糖結(jié)合生成葡萄糖-6-磷酸。己糖激酶。 （2）葡萄糖-6-磷酸重排生成果糖-6-磷酸。葡萄糖磷酸異構(gòu)酶。11（3）生成果糖-1、6-二磷酸。磷酸果糖激酶。（ 4）果

3、糖-1、6-二磷酸斷裂成3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮，醛縮酶。 （5）磷酸二羥丙酮很快轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油醛。丙糖磷酸異構(gòu)酶。（6）3-磷酸甘油醛氧化生成1、3-二磷酸甘油酸，釋放出兩個電子和一個H+, 傳遞給電子受體NAD+,生成NADH+ H+,并且將能量轉(zhuǎn)移到高能磷酸鍵中。3-磷酸甘油脫氫酶。12（7）不穩(wěn)定的1、3-二磷酸甘油酸失去高能磷酸鍵，生成3-磷酸甘油酸，能量轉(zhuǎn)移到ATP中，一個1、3-二磷酸甘油酸生成一個ATP。磷酸甘油酸激酶。底物水平磷酸化 。（8）3-磷酸甘油酸重排生成2-磷酸甘油酸。磷酸甘油酸變位酶。 （9）2-磷酸甘油酸脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸PEP。烯醇化酶。 （10

4、）PEP將磷酸基團轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP,同時形成丙酮酸。丙酮酸激酶。底物水平磷酸化。132. HMP途徑 又稱己糖一磷酸途徑、己糖一磷酸支路、戊糖磷酸途徑。磷酸葡萄糖酸途徑或WD途徑。 其特點是葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H形式的還原力以及多種重要中間代謝產(chǎn)物?？偡磻?yīng)式為：6葡糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H+ 14HMP途徑簡圖C6為已糖或已糖磷酸，C5為核酮糖-5-磷酸，打方框者為本途徑中的直接產(chǎn)物；NADPH+H+必須先由轉(zhuǎn)氫酶將其上的氫轉(zhuǎn)移到NAD+上并變成NADH+H+后，才能進入呼吸鏈產(chǎn)AT

5、P。15(1) 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(2) 核酮糖-5-磷酸發(fā)生結(jié)構(gòu)變化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸(3) 通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸而進入TCA循環(huán)進行徹底氧化HMP途徑可概括為3個階段16HMP途徑在微生物生命活動中意義重大，主要有：. 供應(yīng)合成原料 為核酸、核苷酸、NAD（P）+、FAD（FMN）和CoA等生物合成提供戊糖-磷酸； 途徑中的赤蘚糖-4-磷酸是合成芳香族、雜環(huán)族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸）的原料。. 產(chǎn)還原力 產(chǎn)生大量NADPH形式的還原力，不僅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，還可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量。17. 作為固

6、定CO2的中介是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的重要中介（HMP途徑中的核酮糖-5-磷酸在羧化酶的催化下可固定CO2并形成核酮糖-1，5-二磷酸。）. 擴大碳源利用范圍為微生物利用C3C7多種碳源提供了必要的途徑。. 連接EMP途徑通過與EMP途徑的連接（在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處）可為生物合成提供更多的戊糖。3. ED途徑 ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。 1952年在嗜糖假單孢菌Pseudomonas saccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。 ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨

7、存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。ED途徑過程：葡萄糖 KDPG KDPG醛縮酶甘油醛-3-磷酸丙酮酸EMP丙酮酸ED途徑結(jié)果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成: 2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1NADHED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣 ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在 ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟。20ED途徑簡圖21 ED途徑的反應(yīng)細節(jié)6-PG脫水酶: 6-磷酸葡萄糖酸脫水酶ED途徑的特點：關(guān)鍵反應(yīng)：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸葡萄糖酸脫水酶，KDPG醛縮酶相關(guān)的發(fā)酵生產(chǎn)：細菌酒精發(fā)酵優(yōu)點：代謝

8、速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5，較易染菌；細菌對乙醇耐受力低。23 具有一特征性反應(yīng)KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛； 存在一特征性酶KDPG醛縮酶； 其終產(chǎn)物2分子丙酮酸的來歷不同，其一由KDPG直接裂解形成，另一則由3-磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來； 產(chǎn)能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。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)以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵。ED途徑的特點：244. TCA循環(huán) 即三羧酸循環(huán)。是指由丙酮酸經(jīng)過一系列循環(huán)

9、式反應(yīng)而徹底氧化、脫羧，形成CO2、H2O和NADH2的過程。TCA循環(huán)的總反應(yīng)式：丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+GTP 25TCA循環(huán)的產(chǎn)物 丙酮酸在進入三羧酸循環(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。27TCA循環(huán)的特點有： 氧雖不直接參與其中反應(yīng)，但必須在有氧條件下 運轉(zhuǎn)（因NAD+和FAD再生時需氧）； 每分子丙酮酸可產(chǎn)4個NADH+H+、1個FADH2和一個

10、GTP，總共相當(dāng)于15個ATP，因此產(chǎn)能效率極高； TCA位于一個分解代謝和合成代謝的樞紐地位，不僅可為微生物的生物合成提供各種碳架原料，而且還與人類的發(fā)酵生產(chǎn)（如檸檬酸、蘋果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等）緊密相關(guān)。 28TCA循環(huán)在微生物分解代謝和合成代謝中的樞紐地位29(二) 遞氫與受氫 貯存在生物體內(nèi)的葡萄糖等有機物中的化學(xué)能，經(jīng)上述4條途徑脫氫后，通過呼吸鏈（或電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終可與氧、無機或有機氧化物等氫受體相結(jié)合而釋放出其中的能量。 301. 呼吸 又稱好氧呼吸，是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式，其特點是底物按常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫（常以還原力H形式存在）經(jīng)完

11、整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈（ETC）傳遞，最終被外源分子氧接受，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的生物氧化作用，是一種高效產(chǎn)能方式。31呼吸鏈?zhǔn)侵肝挥谠松锛毎ど匣蛘婧松锞€粒體膜內(nèi)的、由一系列氧化還原勢呈梯度差的、鏈狀排列的氫（或電子）傳遞體，把氫或電子從低氧化還原勢的化合物處逐級傳遞到高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物，并使他們還原。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)，造成一個跨膜質(zhì)子動勢，進而推動了ATP的合成。32不論在真核生物或是原核生物中，呼吸鏈的主要組分都是類似的，氫或電子的傳遞順序一般為：NAD(P)FPFeS

12、CoQ(Q)Cyt bCyt cCyt aCyt a3 黃素蛋白 鐵硫蛋白 輔酶氧化磷酸化又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫（或電子）和受氫過程與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。 33典型的呼吸鏈 粗線表示氫或電子通路；注意在琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸為反丁烯二酸的過程中，由于該酶的輔基是FAD，故可直接越過FP進入呼吸鏈氧化342. 無氧呼吸 又稱厭氧呼吸，指一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化。 特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。35無機鹽呼吸 無氧呼吸 硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-

13、，NO，N2O，N2 硫酸鹽呼吸：SO42-SO32-、S3O62-，S3O32-，H2S 硫呼吸：S0HS-，S2- 鐵呼吸：Fe3+Fe2+ 碳酸鹽呼吸：產(chǎn)乙酸菌CO2，HCOO-CH3COOH 產(chǎn)甲烷菌CO2，HCOO-CH4 延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸 甘氨酸呼吸：甘氨酸乙酸 氧化三甲胺呼吸：氧化三甲胺三甲胺 有機物呼吸 根據(jù)呼吸鏈末端受氫體的不同，可把無氧呼吸分成以下多種類型。3637(1) 硝酸鹽呼吸 又稱反硝化作用。硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能 。 在有氧或無氧條件下所進行的利用硝酸鹽作為氮源營養(yǎng)物，稱為同化性硝酸鹽還原作用； 在無氧條件下，某些兼性厭氧微生物利用硝酸鹽

14、作為呼吸鏈的最終氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N2O直至N2的過程，稱為異化性硝酸鹽還原作用，又稱硝酸鹽呼吸或反硝化作用。 38(2) 硫酸鹽呼吸 是一類稱作硫酸鹽還原細菌（或反硫化細菌）的嚴(yán)格厭氧菌在無氧條件下獲取能量的方式，其特點是底物脫氫后，經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP。硫酸鹽呼吸的最終產(chǎn)物是H2S。 39(3) 硫呼吸 以無機硫作為呼吸鏈的最終氫受體并產(chǎn)生H2S的生物氧化作用。 (4) 鐵呼吸 在某些專性厭氧菌和兼性厭氧菌中發(fā)現(xiàn)，其呼吸鏈末端的氫受體是Fe3+。40(5) 碳酸鹽呼吸 是一類以CO2或重碳酸鹽作為呼吸鏈末端氫

15、受體的無氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物不同而分為兩類： 其一是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸， 其二是產(chǎn)乙酸細菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。 (6) 延胡索酸呼吸 在延胡索酸呼吸中，琥珀酸是末端氫受體延胡索酸的還原產(chǎn)物。413. 發(fā)酵 廣義的發(fā)酵，最早是從會不斷冒泡并產(chǎn)生有益產(chǎn)品的一些自然現(xiàn)象開始的；目前泛指任何利用好氧性或厭氧性微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物或食品、飲料的一類生產(chǎn)方式。 狹義發(fā)酵，它指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H未經(jīng)呼吸鏈而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)。42(1) 由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵 丙酮酸是EMP途徑的關(guān)鍵產(chǎn)物，

16、由它出發(fā)，在不同微生物中可進入不同的發(fā)酵途徑，如同型酒精發(fā)酵、同型乳酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、2，3-丁二醇發(fā)酵、丁酸型發(fā)酵等。43由丙酮酸出發(fā)的6條發(fā)酵途徑及其相應(yīng)代謝產(chǎn)物 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生酵母菌的乙醇發(fā)酵： 當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。 原因為：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+

17、NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此時也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成 -磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO246(2) 通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵 凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸外，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵，稱異型乳酸發(fā)酵 異型乳酸發(fā)酵的“經(jīng)典”途徑 異型乳酸發(fā)酵的雙歧桿菌途徑 47L.mesenteroides的“經(jīng)典”異型乳酸發(fā)酵途徑49(3) 通過ED途徑進行的發(fā)酵 指細菌酒精發(fā)酵50(4) 由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能Stickland反應(yīng) 1934年L.H.Stickland發(fā)現(xiàn)少數(shù)厭氧

18、梭菌能利用一些氨基酸兼作碳源、氮源和能源，經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)能機制是通過部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化與一些氨基酸（如甘氨酸等）的還原相偶聯(lián)的獨特發(fā)酵方式。這種以一種氨基酸作為底物脫氫（即氫供體），而以另一種氨基酸作為氫受體而實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型，稱為Stickland反應(yīng)。此反應(yīng)的產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP。 51Stickland反應(yīng)的機制52 在Stickland反應(yīng)中， 作為氫供體者有丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、組氨酸和色氨酸等， 作為氫受體者主要有甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、鳥氨酸、精氨酸和色氨酸等。 53(5) 發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng) 底物水

19、平磷酸化可形成多種含高能磷酸鍵的產(chǎn)物。54二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力 自養(yǎng)微生物按其最初能源的不同，可分為兩大類：化能無機自養(yǎng)型微生物光能自養(yǎng)型微生物55兩類自養(yǎng)微生物固定CO2的條件和途徑56(一) 化能自養(yǎng)微生物 化能自養(yǎng)微生物還原CO2所需要的ATP和H是通過氧化無機底物而獲得的。其產(chǎn)能的途徑主要也是借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)，因此，化能自養(yǎng)菌一般都是好氧菌。 這是一類在無氧條件下進行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。 57 與異養(yǎng)微生物相比，化能自養(yǎng)微生物的能量代謝主要有3個特點： 無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系，即由脫氫酶或氧化還原酶催化的無機底物脫氫或脫電子后，可直接進入

20、呼吸鏈傳遞，這與異養(yǎng)微生物對葡萄糖等有機底物的氧化要經(jīng)過多條途徑逐級脫氫明顯不同； 呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可以從任一組分直接進入呼吸鏈； 產(chǎn)能效率（即P/O比）一般要低于化能異養(yǎng)微生物。 585960硝化細菌 硝化細菌是廣泛分布于土壤和水體中的化能自養(yǎng)微生物，從生理類型來看，分為兩類：亞硝化細菌或氨氧化細菌，可把NH3氧化成NO2-；硝化細菌或亞硝酸氧化細菌，可把NO2-氧化成NO3-61亞硝化細菌在氧化氨時的質(zhì)子、電子流向和ATP合成62光能營養(yǎng)型生物真核生物：藻類及其它綠色植物原核生物：藍細菌（僅原核生物有）：光合細菌產(chǎn)氧不產(chǎn)氧(二) 光能營養(yǎng)微生物 641. 循環(huán)光合磷酸化 一

21、種存在于光合細菌中的原始光合作用機制，可在光能驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)，其特點是： 電子傳遞途徑屬循環(huán)方式，即在光能驅(qū)動下，電子從菌綠素分子上逐出，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP； 產(chǎn)能（ATP）與產(chǎn)還原力H分別進行； 還原力來自H2S等無機氫供體； 不產(chǎn)生氧。65循環(huán)光合磷酸化途徑66 菌綠素受日光照射后形成激發(fā)態(tài)，由它逐出電子通過類似呼吸鏈的傳遞即經(jīng)脫鎂菌綠素、輔酶Q、細胞色素bc1、鐵硫蛋白和細胞色素c2的循環(huán)式傳遞，重新被菌綠素接受，其間建立了質(zhì)子動勢和產(chǎn)生了一個ATP。此循環(huán)還有另一個功能，即在供應(yīng)ATP條件下，能使外源氫供體（H2S、H2

22、、有機物）逆電子流產(chǎn)還原力，并由此使光合磷酸化與固定CO2的Calvin循環(huán)相聯(lián)接。 具有循環(huán)光合磷酸化的生物，都是屬于原核生物真細菌中的光合細菌。都是厭氧菌，分類在紅螺菌目，特點是進行不產(chǎn)氧光合作用，即不能利用H2O作為還原CO2時的氫供體，而能利用還原態(tài)無機物（H2S、H2）或有機物作還原CO2的氫供體。672. 非循環(huán)光合磷酸化 這是各種綠色植物、藻類和藍細菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。特點為： 電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的； 在有氧條件下進行； 有PS和PS2個光合系統(tǒng)，PS含葉綠素a,反應(yīng)中心的吸收光波為“P700”，有利于紅光吸收，PS含葉綠素b，反應(yīng)中心的吸收光波為“P

23、680”，有利于藍光吸收； 反應(yīng)中可同時產(chǎn)ATP（產(chǎn)自PS）、還原力H （產(chǎn)自PS）和O2（產(chǎn)自PS）； 還原力NADPH2中的H來自H2O分子的光解產(chǎn)物H+和電子。68非循環(huán)光合磷酸化途徑693. 嗜鹽菌紫膜的光介導(dǎo)ATP合成 嗜鹽菌在無氧條件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)象的變化，可使質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，從而在膜兩側(cè)建立一個質(zhì)子動勢，再由它來推動ATP酶合成ATP，此即光介導(dǎo)ATP合成。 嗜鹽菌是一類必須在高鹽環(huán)境中才能正常生長的古生菌，廣泛分布在鹽湖、曬鹽場或鹽腌海產(chǎn)品上。 紅色類胡蘿卜素、細胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化反應(yīng)的呼吸鏈載體成分，一般稱“紅膜”。紫膜由稱作細菌視

24、紫紅質(zhì)的蛋白質(zhì)（占75%）和類脂（占25%）組成，前者與人眼視網(wǎng)膜上柱狀細胞中所含的一種功能相似的蛋白視紫紅質(zhì)十分相似，兩者都以紫色的視黃醛作輔基。70嗜鹽菌的紫膜及其光合磷酸化示意圖四能量轉(zhuǎn)換化能營養(yǎng)型光能營養(yǎng)型底物水平磷酸化氧化磷酸化通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存于ATP中1、底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation） 物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。2、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）3、光合磷酸化（photophosphorylation）四種生理

25、類型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成 實驗發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600 nm的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率最高，而這一波長范圍恰好與細菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。76第二節(jié) 分解代謝和合成代謝的聯(lián)系 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代謝途徑，稱為兩用代謝途徑。EMP、HMP和TCA循環(huán)等都是重要的兩用代謝途徑。 77二、代謝物回補順序 所謂代謝物回補順序，又稱代謝物補償途徑或添補途徑，是指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的那些反應(yīng)。原因：微生物在正常情況下，為進行生長、繁殖的需要，必須從各分解代謝途徑中抽取大量中間代謝物以滿足其合成細胞基本物質(zhì)糖類、

26、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和維生素等的需要。這樣一來，勢必造成了分解代謝不能正常運轉(zhuǎn)并進而影響產(chǎn)能的嚴(yán)重后果，例如，在TCA循環(huán)中，若因合成谷氨酸的需要而抽走了-酮戊二酸，就會使TCA循環(huán)中斷。 78二、代謝物回補順序以EMP和TCA循環(huán)為中心的若干重要中間代謝物的回補順序79微生物所特有的乙醛酸循環(huán)，又稱乙醛酸支路。有兩個關(guān)鍵酶異檸檬酸裂合酶（ICL）和蘋果酸合酶（MS）。 乙醛酸循環(huán)的總反應(yīng)為：2丙酮酸琥珀酸+2CO2 80乙醛酸循環(huán)簡圖81第三節(jié) 微生物獨特合成代謝途徑舉例 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

27、固定。其途徑有四條：Calvin循環(huán)厭氧乙酰-CoA途徑逆向TCA循環(huán)途徑羥基丙酸途徑。 82(一) Calvin循環(huán) 核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是本途徑的兩種特有的酶。利用Calvin循環(huán)進行CO2固定的生物包括: 綠色植物、藍細菌、多種光合細菌、 硫細菌、鐵細菌和硝化細菌。 83本循環(huán)分3個階段：(1) 羧化反應(yīng)(2) 還原反應(yīng)(3) CO2受體的再生以產(chǎn)生1個葡萄糖分子來計算，則Calvin循環(huán)的總式為：6CO2+12NAD(P)H2+18ATP C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi 84Calvin循環(huán)8586(二) 厭氧乙酰-CoA途徑 非循環(huán)式的CO2固定

28、;利用厭氧乙酰-CoA途徑進行CO2固定的生物包括: 乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌。總反應(yīng)為：4H2+2CO2 CH3COOH+2H2O反應(yīng)中的關(guān)鍵酶是CO脫氫酶 87CO2的固定：厭氧乙酰-CoA途徑甲基四氫葉酸88(三) 逆向TCA循環(huán) 綠色硫細菌特殊酶：依賴于ATP的檸檬酸裂合酶 89CO2的固定：逆向TCA循環(huán) 90(四) 羥基丙酸途徑 少數(shù)綠色硫細菌在以H2或H2S作電子供體進行自養(yǎng)生活時所特有的一種CO2固定機制。總反應(yīng)是：2CO2+4H+3ATP 草酰乙酸 關(guān)鍵步驟是羥基丙酸的產(chǎn)生。 91CO2的固定：羥基丙酸途徑 92二 、生物固氮 生物固氮是指大氣中的分子氮通過微生物固氮酶

29、的催化而還原成氨的過程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。固氮微生物類型： 自生固氮菌 共生固氮菌 聯(lián)合固氮菌 93(一) 固氮微生物 1. 自生固氮菌 化能異養(yǎng)：Azotobacter(固氮菌屬) Berjerinckia(拜葉林克氏菌屬)等 化能自養(yǎng)：Thioacillus ferrooxidans(氧化亞鐵硫桿菌) Alcaligenes(產(chǎn)堿菌屬)等 光能自養(yǎng)：多種藍細菌，如Nostoc(念珠藍細菌屬) Anabaena(魚腥藍細菌屬)等 化能異養(yǎng)：Klebsiella(克雷伯氏菌屬) Bacillus polymyxa(多粘芽胞桿菌)等 光能異養(yǎng)：Rhodosperillum(紅螺

30、菌屬) Rhodopseudomonas(紅假單胞菌屬)等 化能異養(yǎng)：Clostridium pasteurianum(巴氏梭菌) Methaanosarcina(甲烷八疊球菌屬)等 光能自養(yǎng)：Chromatium(著色菌屬) Chloropseudomonas(綠假單胞菌屬)等 好氧 兼性厭氧 厭氧 942. 共生固氮菌根瘤植物 豆科植物：Rhizobium（根瘤菌屬） Azorhizobium（固氮根瘤菌屬） Bradyrhizobium（慢性根瘤菌屬） Sinorhizobium（中華根瘤菌屬）等 非豆科植物：Frankia（弗蘭克氏菌屬）等 地衣（真菌-藍細菌共生） ： Nostoc(

31、念珠藍細菌屬) Anabaena（魚腥藍細菌屬）等 滿江紅（蕨-藻共生） ： Anabaenaa azzollae(滿江紅魚腥藍細菌) 豆科植物根瘤963. 聯(lián)合固氮菌 根際 熱帶：Azospirillum lipoferum(生脂固氮螺菌) beijerinckia等 溫帶：Bacillus,Klebsiella等葉面 Beijerinkia, Klebsiella, Azotobacter等 動物腸道 Enteerobacter（腸桿菌屬），Klebsiella等97(二) 固氮的生化機制 1. 生物固氮反應(yīng)的6要素(1) ATP的供應(yīng)N2還原成2NH3時消耗大量ATP（N2：ATP=1：

32、18-24）(2) 還原力H及其傳遞載體以NAD（P）H+H+的形式提供。電子載體鐵氧還蛋白（Fd）黃素氧還蛋白（Fld）(3) 固氮酶復(fù)合蛋白,由固二氮酶和固二氮還原酶兩種蛋白構(gòu)成。(4) 還原底物N2(5) 鎂離子(6) 嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境（詳后） 98固氮酶兩個組分的比較比較項目 固二氮酶（組分） 固二氮酶還原酶（組分） 蛋白亞基數(shù) 4（2大2小） 2（相同） 相對分子質(zhì)量 22萬左右 6萬左右 Fe原子數(shù) 30（24-32） 4 不穩(wěn)態(tài)S原子數(shù) 28（20-32） 4 Mo原子數(shù) 2 0 Cys的SH基 32-34 12 活性中心 鐵鉬輔因子 電子活化中心（Fe4S4） 功能 絡(luò)合、活化

33、和還原N2 傳遞電子到組分上 對O2敏感性 較敏感 極敏感 992. 測定固氮酶活力的乙炔還原法催化N2 NH32H+2e- H2C2H2（乙炔） C2H4（乙烯）這兩種氣體量的微小變化也能用氣相色譜儀檢測出來。乙炔還原法靈敏度高，設(shè)備較簡單、成本低廉，操作方便。 1003. 固氮的生化途徑總反應(yīng)：N2+8H+1824ATP2NH3+H2+1824ADP+1824Pi整個固氮過程環(huán)節(jié)： 由Fd或Fld向氧化型固二氮酶還原酶的鐵原子提供一個電子，使其還原； 還原型的固二氮酶還原酶與ATP-Mg結(jié)合，改變了構(gòu)象；101 固二氮酶在“FeMoCo”的Mo位點上與分子氮結(jié)合，并與固二氮酶還原酶-Mg-

34、ATP復(fù)合物反應(yīng)，形成1：1復(fù)合物，即完整的固氮酶； 在固氮酶分子上，有1個電子從固二氮酶還原酶-Mg-ATP復(fù)合物轉(zhuǎn)移到固二氮酶的鐵原子上，這時固二氮酶還原酶重新轉(zhuǎn)變成氧化態(tài)，同時ATP也就水解成ADP+Pi； 通過上述過程連續(xù)六次的運轉(zhuǎn)，才可使固二氮酶釋放出2個NH3分子； 還原1個N2分子，理論上僅需6個電子，而實際測定卻需8個電子，其中2個消耗在產(chǎn)H2上。102自生固氮菌的固氮生化途徑（上）及其細節(jié)（下）103(三) 好氧菌固氮酶避氧害機制 固氮酶的兩個蛋白組分對氧是極其敏感的，一旦遇氧就很快導(dǎo)致不可逆的失活。1. 好氧性自生固氮菌的抗氧保護機制(1) 呼吸保護：指固氮菌科的菌種以極強

35、的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，借此保護固氮酶。(2) 構(gòu)象保護：在高氧分壓條件下，褐球固氮菌等的固氮酶能形成一個無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象，稱為構(gòu)象保護。 1042. 藍細菌固氮酶的抗氧保護機制：(1)分化出特殊的還原性異形胞固氮作用只局限在異形胞中進行，體積較一般營養(yǎng)細胞大，細胞外有一層由糖脂組成的片層式的較厚外膜，具有阻止氧氣進入細胞的屏障作用；異形胞內(nèi)缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)，加上脫氫酶和氧化酶活性高，使異形胞能維持很強的還原態(tài)；超氧化物歧化酶活性很高，有解除氧毒害的功能；還有比鄰近營養(yǎng)細胞高出2倍的呼吸強度，可消耗過多的氧并產(chǎn)生對固氮必需的ATP。

36、105(2) 非異形胞藍細菌固氮酶的保護Plectomena（織線藍細菌屬）將固氮作用與光合作用進行時間上的分隔（白天光照下進行光合作用，夜晚黑暗中固氮）來達到；richodesmium(束毛藍細菌屬)通過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下的細胞失去能產(chǎn)氧的光合系統(tǒng)，以便進行固氮反應(yīng)；Gloeocapsa(粘球藍細菌屬)通過提高過氧化物酶和SOD的活性來除去有毒過氧化合物。 1063.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護機制嚴(yán)格控制在微好氧條件下時，才能固氮。根瘤菌也在皮層細胞內(nèi)迅速分裂繁殖，隨后分化為膨大而形狀各異、不能繁殖、但有很強固氮活性的類菌體。類菌體周膜的內(nèi)外都存在豆血紅蛋白-紅色的含鐵蛋白，在根

37、瘤菌和豆科植物兩者共生時，由雙方誘導(dǎo)合成。豆血紅蛋白通過氧化態(tài)（Fe3+）和還原態(tài)（Fe2+）間的變化可發(fā)揮“緩沖劑”作用，借以使游離O2維持在低而恒定的水平上。 107三、微生物結(jié)構(gòu)大分子肽聚糖的生物合成 108肽聚糖合成肽聚糖生物合成的3階段及其主要中間代謝物G ：葡萄糖， G ：N-乙酰葡糖胺，M ：N-乙酰胞壁酸，“Park”核苷酸 ：UDP-N-乙酰胞壁酸五肽UDP ：尿苷二磷酸110(一) 在細胞質(zhì)中的合成1. 由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸1112. 由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸112(二) 在細胞膜中的合成由“Park”核苷酸合成肽聚糖單體 113在細胞膜上進行的由“Park”核苷酸合成肽聚糖單體“類脂”即類脂載體細菌萜醇；反應(yīng)與可分別被萬古霉素和桿菌肽所抑制。114(三) 在細胞膜外的合成 自溶素解開細胞壁上的肽聚糖網(wǎng)套，肽聚糖單體先發(fā)生轉(zhuǎn)糖基作用，然后轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用