微生物的新陳代謝.ppt

1、第五章 微生物的代謝和發(fā)酵,新陳代謝（metabolism） 簡(jiǎn)稱代謝，是指發(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 分解代謝 是指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當(dāng)量，一般用H來表示）的作用； 合成代謝又稱同化作用,與分解代謝相反,是指在合成酶的催化下,由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和 H形式的還原力共同合成復(fù)雜的生物大分子的過程。,新陳代謝=分解代謝+合成代謝,微生物的能量代謝,新陳代謝中的核心問題就是能量代謝,化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能,生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧

2、結(jié)合、脫氫或失去電子三種 生物氧化的過程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個(gè)階段 生物氧化的功能則有產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H和產(chǎn)小分子中間代謝物三種,化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能,底物脫氫的四條主要途徑,每條途徑既有脫氫、產(chǎn)能的功能，又有產(chǎn)多種形式小分子中間代謝物以供合成反應(yīng)作原料的功能,HMP,EMP途徑（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）,EMP途徑又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑（hexosediphosphate pathway） 可概括成兩個(gè)階段（耗能和產(chǎn)能）、三種產(chǎn)物（NADHH+、丙酮酸和ATP）和10個(gè)反應(yīng)

3、步驟,己糖激酶,磷酸己糖異構(gòu)酶,磷酸果糖激酶,果糖二磷酸醛縮酶,丙糖磷酸異構(gòu)酶,甘油醛-3-磷酸脫氫酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸變位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,磷酸二羥丙酮,EMP途徑,2NADHH+在有氧條件下可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生6ATP，在無氧條件下，則可還原丙酮酸產(chǎn)生乳酸或還原丙酮酸的脫羧產(chǎn)物乙醛而產(chǎn)生乙醇,EMP途徑,以1分子葡萄糖為底物 約經(jīng)過10步反應(yīng) 產(chǎn)生2分子丙酮酸和2分子ATP的過程 在其總反應(yīng)中，可概括成 兩個(gè)階段（耗能和產(chǎn)能） 三種產(chǎn)物（NADHH+、丙酮酸和ATP） 10個(gè)反應(yīng)步驟,生理功能,供應(yīng)ATP 形式的能量和NADH2形式的還原力 連接其他幾個(gè)重要代謝途

4、徑的橋梁 為生物合成提供多種中間代謝物 通過逆向反應(yīng)可進(jìn)行多糖合成 整個(gè)EMP途徑的產(chǎn)能效率是很低的，即每一個(gè)葡萄糖分子僅凈產(chǎn)2個(gè)ATP，但其產(chǎn)生的多種中間代謝物不僅可為合成反應(yīng)提供原材料，而且起著連接許多有關(guān)代謝途徑的作用,HMP途徑(hexosemonophosphate pathway),已糖一磷酸途徑，有時(shí)也稱戊糖磷酸途徑. (碳架重排途徑) 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。,無氧參與,HMP途徑,其凈效應(yīng)為： 總式為：,產(chǎn)生的戊糖磷酸與還原力（NADPHH+）的比率為12,6,HMP途徑的重

5、要意義,為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸 產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原劑 通過EMP途徑與本途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處的連接來加以調(diào)劑對(duì)戊糖的需要 作為自養(yǎng)微生物固定CO2的中介（Calvin循環(huán)） 由于在反應(yīng)中存在著C3C7的各種糖，使具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣 通過本途徑而產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多，例如核苷酸、若干氨基酸,ED途徑（Entner-Doudoroff pathway）,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) 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,在

6、ED途徑中的關(guān)鍵反應(yīng)是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解,ED途徑利用葡萄糖的反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，產(chǎn)能效率低（1分子葡萄糖僅產(chǎn)1分子ATP，僅為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 （ 2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸），兩分子丙酮酸來源不同。 所產(chǎn)生的丙酮酸對(duì)微好氧菌可脫羧成乙醛，乙醛進(jìn)一步被NADH2還原為乙醇，稱作細(xì)菌酒精發(fā)酵,ED途徑,三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacid cycle）,又稱TCA循環(huán) 它在絕大多數(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 在原核生物例如細(xì)菌中，大多數(shù)TCA循環(huán)酶都存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。,（二）遞氫和受氫,生物氧化可分

7、為呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵3種類型,1、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(diǎn)是底物按 常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫經(jīng)完整呼吸鏈（電子傳遞鏈）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。 呼吸鏈：是指位于原核生物細(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)呈梯度差的、鏈狀排列的氫（或電子）傳遞 體。 功能：（1）把氫或電子從低氧化還原勢(shì)的化合物處傳遞到高氧 化還原勢(shì)的分子氧或其他 無機(jī)、有機(jī)氧化物，并使它們還原。 （2）通過與氧化磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。 氧化磷酸化（電子傳遞磷酸化）：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

8、聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。,化學(xué)滲透假說要點(diǎn)：a 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)，從而造成質(zhì)子在膜的 兩側(cè)分布的不均衡，亦即形成 了質(zhì)子梯度差，這梯度差是產(chǎn)生ATP 能量的來源。 b 通過ATP酶的作用，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再運(yùn)到膜的內(nèi)側(cè)時(shí)，一方 面消除了質(zhì)子梯度差，同時(shí)合成了ATP。,2、無氧呼吸：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。 特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，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。,（1）硝酸鹽呼吸 在有氧或無氧條件下微生物利用硝酸鹽作為氮源營(yíng)養(yǎng)

9、物，稱為同 化性硝酸鹽還原作用。 在無氧條件下，某些厭氧微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈末端氫受 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，也稱硝酸式鹽呼吸。,3、發(fā)酵：在生物氧化或能量代謝中，指在無氧條件下，底物脫氫 后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過呼吸鏈的傳遞而直接交給某一內(nèi)源性 中間代謝產(chǎn)物的一類低能反應(yīng)。（1）EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā) 酵：酵母菌的酒精發(fā)酵、同型乳酸發(fā)酵 （2）通過HMP途徑的發(fā)酵：異型乳酸發(fā)酵 （3）通過ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵：細(xì)菌的酒精發(fā)酵 （4）氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能Stickland反應(yīng) 少數(shù)厭氧梭菌如生孢梭 菌能利用一些氨基酸同時(shí)當(dāng)作碳源、氮源和

10、能源，經(jīng)深入研究后， 發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)能機(jī)制是通過部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化與另一些 氨基酸（如甘氨酸等）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵方式。這種以一種氨基 酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體而實(shí)現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā) 酵類型，稱為Stickland反應(yīng)。,（5）發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)：產(chǎn)能機(jī)制是底物水平磷酸化，產(chǎn)能水平低 底物水平磷酸化：指直接由一個(gè)代謝中間產(chǎn)物（例如磷酸烯醇式 丙酮酸）上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分子上形成ATP。,二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力,（一）化能自養(yǎng)微生物,化能自養(yǎng)微生物的能量代謝特點(diǎn)：教材P120,（二）光能營(yíng)養(yǎng)微生物,1、循環(huán)光合磷酸化：一種存在于厭氧光合細(xì)菌中的利用日光能產(chǎn) 生A

11、TP的磷酸化反應(yīng)，由于它是一種在光驅(qū)動(dòng)下通過電子的循環(huán)式 傳遞而完成的磷酸化，故稱光合磷酸化。 特點(diǎn)：（1）在光能的趨動(dòng)下，電子從菌綠素分子逐出后，通過類 似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP； （2）產(chǎn)ATP與產(chǎn)還原力H分別進(jìn)行； （3）還原力來自H2S等的無機(jī)氫供體； （4）不產(chǎn)生氧。,2、非循環(huán)光合磷酸化 是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利 用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。 特點(diǎn)：（1）電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的； （2）在有氧條件下進(jìn)行； （3）有兩個(gè)光合系統(tǒng) （4）反應(yīng)中同時(shí)有ATP（產(chǎn)自系統(tǒng)1）還原力和氧氣產(chǎn)生 （5）還原力NADPH2 中的H是來自H2O分子光解后的H

12、+和e-。 每個(gè)光合系統(tǒng)即為一個(gè)光合單位，兩個(gè)光合系統(tǒng)中光合色素的成分 和比例不同，一個(gè)光合單位由一個(gè)光捕獲復(fù)合體和一個(gè)反應(yīng)中心復(fù) 合體組成。光捕獲復(fù)合體含有菌綠素和類胡蘿卜素，它們吸收一個(gè) 光子后，引起波長(zhǎng)最長(zhǎng)的菌綠素（P870）激活，從而傳遞給反應(yīng)中 心，激發(fā)態(tài)的P870可釋放出一個(gè)高能電子。,在光合系統(tǒng)1中，葉綠素 分子P700吸收光子后被 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）， 并使之還原。還原的鐵 氧還蛋白將NADP+還原 為NADPH，用以還原 P700的電子來源于光合 系統(tǒng)2。在光合系統(tǒng)2中， 葉綠素分子P680吸收光 子后，釋放出一個(gè)高能 電子，后

13、者先傳遞給輔 酶Q，再傳遞給光合系 統(tǒng)1，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。,3、嗜鹽菌紫膜的光介導(dǎo)ATP合成 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(gè)質(zhì)子動(dòng)勢(shì) ，再由它來推動(dòng)ATP酶合成ATP， 此即光介導(dǎo)ATP合成。,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。,二、代謝物回補(bǔ)順序 指補(bǔ)充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間產(chǎn)物的那些反應(yīng)。在EMP途徑 和TCA循環(huán)進(jìn)行代謝物回補(bǔ)時(shí)，圍繞著回補(bǔ)EMP途徑中的磷酸烯醇式丙

14、酮酸 （PEP）和TCA循環(huán)中的草酰乙酸（OA）這兩種關(guān)鍵性的中間代謝物來進(jìn)行的。,乙醛酸循環(huán)的意義：是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑，可使TCA循環(huán) 具有高效產(chǎn)能功能，還可為許多重要生物合成提供有關(guān)中間代謝 物的功能 ，同時(shí)對(duì)某些生長(zhǎng)在以乙酸為唯一碳源的微生物來說， 具有至關(guān)重要的作用。,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 微生物中固定CO2的途徑有4條：Calvin循環(huán)、厭氧乙酰-CoA途徑、逆向TCA循環(huán) 和羥基丙酸途徑。 （一） Calvin循環(huán) 是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物固定CO2的主要途徑。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酶。本循環(huán)分三

15、個(gè)階段： 羧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、 CO2受體的再生,（二）厭氧乙酰- CoA途徑 非循環(huán)式，主要存在于一些化能自養(yǎng)細(xì)菌中，如產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲 烷菌等。,（三）逆向TCA循環(huán) 又稱還原性TCA循環(huán)，通過逆向TCA循環(huán)固定CO2 ，存在于綠色 硫細(xì)菌中。,（四）羥基丙酸途徑 少數(shù)綠色硫細(xì)菌在以H2或H2S作電子供體進(jìn)行自養(yǎng)生活時(shí)所特有 的一種固定CO2的機(jī)制。,二、生物固氮 定義教材P133 （一）固氮微生物 包括三大類群：自生固氮菌（固氮菌屬）、共生固氮菌（根瘤菌 屬）、聯(lián)合固氮菌（腸桿菌屬） （二）固氮的生化機(jī)制 1、生物固氮反應(yīng)的6要素 ATP、還原力H及其傳遞載體、固氮酶、還原底物氮?dú)狻?鎂離

16、子、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境 固氮酶：含有兩種成分，固二氮酶（組分）和固二氮酶還原酶 （組分），組分是真正的固氮酶，稱鉬鐵蛋白，功能是絡(luò)合、 活化和還原N2，組分又稱鐵蛋白，實(shí)質(zhì)是固二氮酶還原酶，功 能是傳遞電子到組分上 2、測(cè)定固氮酶活力采用乙炔還原法，基于固氮酶能催化乙炔還 原成乙烯的反應(yīng)： C2H2-C2H4,3、固氮的生化途徑,（三）好氧菌固氮酶避氧害機(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)的呼吸作用將周圍環(huán)境 中的氧消耗。 （2）構(gòu)象保護(hù)：高氧分壓下，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 （1）分化出特殊的

17、還原性異形胞 異形胞：壁厚、缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)2、超氧化物歧化酶活性很 高，有解除氧毒害的功能、呼吸強(qiáng)度高。 （2）非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù) 時(shí)間上分隔、失去產(chǎn)氧的光合系統(tǒng)2、提高超氧化物歧化酶活 性等。 3、豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制 根瘤菌固氮時(shí)，分化為固氮活性很強(qiáng)的類菌體，類菌體被包在類 菌體周膜中，此膜的內(nèi)外都存在著一種獨(dú)特的豆血紅蛋白質(zhì)，豆 血紅蛋白通過氧化態(tài)和還原態(tài)間的變化可發(fā)揮緩沖劑的作用，借 以使O2維持在低而恒定的水平上。,三、微生物結(jié)構(gòu)大分子肽聚糖的生物合成,2、由N- 乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,（二）在細(xì)胞膜中合成肽聚糖單體 類脂載體：是一種含11個(gè)異戊二

18、烯單位的C55類異戊二烯醇，通 過2個(gè)磷酸基與N- 乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中間產(chǎn)物呈現(xiàn)很 強(qiáng)的疏水性，從而使它能順利通過疏水性很強(qiáng)的細(xì)胞膜而轉(zhuǎn)移到 膜外。,（三）在細(xì)胞膜外的合成,青霉素的抑菌機(jī)制,四、微生物次生代謝物的合成 次生代謝物是指某些微生物生長(zhǎng)到穩(wěn)定期后，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、代謝 途徑明確、產(chǎn)量較大的初生代謝物作前體，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。,二、代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 （一）應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株解除正常的反饋調(diào)節(jié) 1、賴氨酸發(fā)酵,第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn) 一、微生物的代謝調(diào)節(jié) 組成酶、誘導(dǎo)酶,（二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié),（三）控制細(xì)胞膜透性 1、通過生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜滲透性 生物素與細(xì)胞膜磷脂的成分脂肪酸合成有關(guān)，控制生物素的含 量就可改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜的透性、谷氨酸的分泌和 反饋調(diào)節(jié)。 而添加適量的青霉素能提高谷氨酸產(chǎn)量。 2、通過細(xì)胞膜缺損突變而控制其滲透性 利用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型菌株可以提高谷氨酸產(chǎn)量,NAD和NADP,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD） 和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP） 某些脫氫酶含有NAD+或NADP+形式的輔酶，能從還原性底物上移出1個(gè)氫離子（質(zhì)子）和2個(gè)電子，而變成還原態(tài)的NAD（P）H+H+,FAD和FMN,FAD和FMN是一類稱為黃素蛋白（FP，flavop