1、1,第四章 微生物的生理,第一节 微生物的酶 第二节 微生物的营养 第三节 微生物的产能代谢 第四节 微生物的合成代谢,2,新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。,代谢概论,3,按物质转化方式分： 分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。 合成代谢：是指细
2、胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子过程。在这个过程中要消耗能量。 物质代谢：物质在体内转化的过程。 能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。,4,按代谢产物在机体中作用不同分： 初级代谢： 提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的 代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等。 次级代谢： 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型； 产物：抗生素、色素、激素、生物碱等。,5,代谢意义,一、代谢是生命的基本特征,二、代谢通过代谢途径完成,三、代谢途径是不平衡的稳态体系,四、代谢途径的形式多样,五、代谢途径有明确的细胞定位,六、代谢途径相互沟通,七、代谢途径间有能量关联,八、关键酶限制
3、代谢途径的流量,6,第三节 微生物的产能代谢,一、产能代谢与呼吸作用的关系,微生物呼吸作用的本质是氧化与还原的同意过程，这过程中有能量的产生和能量的转移。 微生物的呼吸类型有三类：发酵好氧呼吸无氧呼吸,化学反应中的一种物质失去电子被氧化，另一种物质得到电子被还原。微生物的产能代谢是通过上述三种氧化还原反应来实现的，微生物从中获得生命活动所需要的能量。,7,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光,通用能源 （ATP）,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。,能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATP。
4、这就是产能代谢。,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,8,在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。,这些能量用于：1 、合成代谢； 2、微生物的运动和运输； 3、热和光。,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。,某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。,9,二、产能代谢与呼吸类型,1. 发酵(fermentation),有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同
5、的代谢产物。,有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。,发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。,10,发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。,生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）糖酵解是发酵的基础。,11,底物脱氢的四种途径：EMP、HMP、ED、磷酸解酮酶途径,12,a,a：预备性反应,b,b：氧化还原反应,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,EMP途径 （Embden-Meyerhof pathway）,EMP途径意义
6、： 为细胞生命活动提供ATP 和 NADH,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6- 二磷酸,磷酸二羟丙酮,甘油醛-3-磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,13,14,EMP途径关键步骤,1. 葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(耗能) 2. 1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛 3. 3-磷酸甘油醛丙酮酸 总反应式： 葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸+2NADH2+2ATPCoA 丙酮酸脱氢酶乙酰CoA,TCA,15,16,HMP途径,从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的 故称为单磷酸已糖途径。,HMP途
7、径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， 磷酸戊糖支路。,HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。,17,HMP途径的总反应：,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），称完全HMP途径。,18,HMP途径的重要意义,产
8、生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。,19,途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。 途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,20,ED途径,ED途径又称2-酮-3-
9、脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,21,ED途径,ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。,ED途径过程：,葡萄糖 KDPG,KDPG 醛缩酶,甘油醛-3-磷酸 丙酮酸,EMP,丙酮酸,ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1NADH。,ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广ED途径可不依赖于EMP与
10、HMP而单独存在ED途径不如EMP途径经济。,22,ED途径的特点,葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。 ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶。 反应步骤简单，产能效率低。此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。
11、,23,磷酸酮解途径,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。 磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（PK）途径磷酸己糖酮解途径（HK）途径,24,磷酸戊糖酮解途径的特点:,分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半; 几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2。,磷酸己糖酮解途径的特点：,有两个磷酸酮解酶参加反应； 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相
12、偶联； 每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP； 许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。,25,概念：在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。 发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。 发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢
13、（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。,发酵作用,26,C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,酵母菌的乙醇发酵：,27,酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵脱羧酶 脱氢酶丙酮酸 乙醛 乙醇通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵通过ED途径产
14、生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP 细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP 同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵 异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵。,28,乳酸发酵,乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆
15、菌发酵: （经HK途径磷酸己糖解酮酶途径）,29,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,同型乳酸发酵,30,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,异型乳酸发酵：,31,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,Lactobacillus brevis,2,ATP,1,乳酸,1,乙酸,1,CO2,HMP,异型,Leuc
16、onostoc,mesenteroides,1,ATP,1,乳酸,1,乙醇,1,CO,2,HMP,异型,Lactobacillus debruckii,2,ATP,2,乳酸,EMP,同型,菌种代表,产,能,/,葡萄糖,产物,途径,类型,32,2. 呼吸作用,有氧呼吸（aerobic respiration）：,以分子氧作为最终电子受体,无氧呼吸（anaerobic respiration）：,以氧化型化合物作为最终电子受体,33,电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。,呼吸作用与发酵作用的根本区别：,34,概念：是以分子氧作为
17、最终电子（或氢）受体的氧化。 过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。 途径：EMP，TCA循环。 特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD，FAD，辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,（1）有氧呼吸,35,有氧呼吸,糖酵解作用,有氧,无氧,葡萄糖,丙酮酸,发酵,三羧酸循环,各种发酵产物,被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,36,三羧酸循环,TCA循环Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养,微生物的呼吸代谢中起关键作
18、用。其中大多数酶在真核生,物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只,有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。,主要产物：,C,3,CH,3,COCoA,NADH+4H,FADH,GTP,3CO,2,呼吸链,呼吸链,（底物水平）,12ATP,2ATP,ATP,在物质代谢中的地位：枢纽位置,工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸,37,丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成 乙酰CoA，乙酰CoA和 草酰乙酸缩合成柠檬 酸再进入三羧酸循环。 循环的结果是乙酰CoA 被彻底氧化成CO2和H2O， 每氧化1分子的乙酰CoA 可产生12分子的ATP，草 酰乙酸参与反应而本身 并
19、不消耗。,38,TCA循环的重要特点,1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式； 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。,39,递氢、受氢和ATP的产生,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合
20、，以释放其化学潜能。 根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。,发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模； 呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸最终电子受体是分子氧O2; 无氧呼吸最终电子受体是O2以外的 无机氧化物，如NO3-、SO42-等。,40,定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。 部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。 成员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的
21、电子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素b 、c 1、 c、a 、a和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：,电子传递与氧化呼吸链,41,MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O(+0.26) (+0.28) (+0.82v)呼吸链中NAD+/NADH的E0值最小，而O2/H2O的E0值最大，所以，电子的传递方向是：NADH O2上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动
22、电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。,42,NAD：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态NDAH+H+。 FAD和FMN：黄素蛋白的辅基。 铁硫蛋白（Fe-S）：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“2Fe+2S”中心每次仅能传递一个电子。 泛醌（辅酶Q）：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某
23、些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。 细胞色素系统：位于呼吸链后端，功能是传递电子。,微生物中重要的呼吸链组分,43,（2）无氧呼吸,概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。 无机氧化物：如NO3-、 NO2-、 SO42- 、S2O32-等。在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生的能量多。如：以硝酸钾为电子
24、受体进行无氧呼吸时，可释放出1796.14KJ自由能。,44,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；,无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。,无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。,由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。,45,能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。,硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环
25、境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。,46,土壤及水环境,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,松土，排除过多的水分，保 证土壤中有良好的通气条件。,硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。,反硝化作用的生态学作用：,好氧性机体的呼吸作用,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,土壤中植物能利用的氮 （硝酸盐NO3-）还原成 氮气而消失，从而降低 了土壤的肥力。,47,其它厌氧呼吸：,延胡索酸呼吸：兼性厌氧，将延胡索酸还原成琥珀
26、酸，以往都是把琥珀酸的形式作为微生物的一般发酵产物来考虑。实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。,48,第四节 微生物的合成代谢,一、产甲烷菌的合成代谢,从产能代谢中知道，产甲烷菌利用C1和C2有机物产生CO2和CH4，利用其中间代谢产物和能量物质ATP合成蛋白质，多糖，脂肪和核酸等物质，用以构成自身的细胞,ATP在产甲烷菌中的作用： 为合成细胞物质提供能量 启动和催化甲烷产生反应 阻止质子泄漏 通过水解创造一个高能量的膜状态 起嘌呤化和磷酸化酶及辅因子的作用。,49,二、化能自养型微生物的合成代谢,1、亚硝化细菌（氨氧化细菌）合成代谢,50,2、硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）合成代谢,3、硫氧化细菌合成代谢,4、铁氧化细菌合成代谢 氧化亚铁硫杆菌及锈铁嘉翁菌通过卡尔文循环固定CO2,5、氢氧化细菌合成代谢 革兰氏阴性菌的噬一氧化碳假单胞菌、敏捷假胞菌,51,三、光合作用,（一）藻类的光合作用和呼吸作用,（二）细菌的光合作用,（1）绿硫细菌属（Chlorobium）的细菌进行如下反应,（2）红硫细菌科（Thiorhodaceae）,（3）氢单胞菌属（Hrdrogenmonas）,52,三、有机光合细菌的光合作用,光能异养的厌氧光合细菌叫有机光合细菌。他们以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合成有机物。有机酸和醇是他们的供氢体和碳源。,53,
