当前位置:首页 > 高等教育 > 理学 > 复旦微生物学课件8- 微生物代谢
第五章微生物的新陈代谢微生物学1•葡萄糖作为底物,代谢过程中脱氢的4条途径是什么?EMP,HMP,ED,TCA•葡萄糖彻底氧化产生ATP多少?(38?36?Orothers)•根据氢受体的不同,生物氧化分为哪三类?有氧呼吸,无氧呼吸,发酵•微生物的特殊代谢途径是什么?2第一节微生物能量代谢第四节微生物代谢的调节与发酵生产第二节分解代谢和合成代谢的关系第三节微生物独特合成代谢举例了解√√重点掌握微生物的各种产能途径(方式)的基本特点(ATP和还原力产生的特点)微生物在代谢上的多样性1、生物固氮;2、肽聚糖的生物合成;3、初级代谢、次级代谢的概念及二者间的关系自学3本章学习要求概念的理解各种类型代谢的特点以及对应微生物类型对复杂代谢过程细节不做要求4微生物新陈代谢的特点与其他生物具有高度的同一性,但同时又有着明显的特殊性,即为:特别旺盛类型极为多样5新陈代谢(Metabolism)新陈代谢:简称“代谢”,是生命活动的基本过程。维持生物体的生长、繁殖、运动等生命活动的基础。反应总和:生命体与内、外界所进行的一切化学反应的总和。两大类型:包括两大类型,即分解代谢与合成代谢。6分解代谢(Catabolism)又称“异化作用”分解:生物体将体内或吸收入体内的物质分解。释放:在分解过程中向体内、外释放能量及小分子中间代谢物。排泄:将生命活动过程中的代谢产物排泄出体外。7合成代谢(Anabolism)又称“同化作用”或“组成代谢”吸收:生物体从外界不断摄取各种营养物及能量等。合成:经合成代谢吸收各种营养物及中间代谢物与能量转化成自身的组成物等。释放:将有些合成代谢物不断地释放到体外。8复杂分子(有机物)分解代谢酶系合成代谢酶系简单小分子ATP[H]分解与合成代谢的关系分解代谢与合成代谢两者密不可分。其各自的方向与速度受生命体内、外各种因素的调节以适应不断变化着的内、外环境。(异化,产能)(同化,耗能)(有机或无机物)9分解代谢合成代谢10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。能量代谢:是新陈代谢的核心问题。中心任务:是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成生物体的通用能源—ATP。第一节微生物能量代谢11生物反应产生的能量多以高能化合物的形式储存,特别是ATP。第一节微生物能量代谢12氧化-还原反应通过与酶结合,作为氧化-还原反应电子传递体的NAD+/NADH增加了细胞内氧化-还原反应的多样性,可以使化学上不相似的物质以最初电子供体和最终电子受体的形式发挥其作用。NAD+/NADH循环使用,反应中并不被消耗,细胞中只有少量NAD+/NADH的存在。13还原电势:还原电势E0’代表了物质的电子供体/受体潜力。如图所示:电子塔最上面的具有最高负电势的偶极对,其还原性物质具有提供电子的倾向;电子塔最下面的具有最高正电势的偶极对,其氧化性物质具有接受电子的倾向。若氧化-还原偶联,自由能:14微生物为生物界中能源谱最广的一类生物。微生物的最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源(ATP)微生物的三类最初能源物15化能营养:生物氧化光能营养:光合作用一、生物氧化二、化能异养微生物的生物氧化三、化能自养微生物的生物氧化四、光合微生物的光合磷酸化本节内容:化能营养光能营养第一节微生物能量代谢16一.生物氧化生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称比较项目燃烧生物氧化反应步骤一步式快速反应顺序严格的系列反应条件激烈由酶催化,条件温和产能形式热、光大部分为ATP能量利用率低高生物氧化与非生物氧化(燃烧)的比较第一节微生物能量代谢171.1生物氧化的形式:某物质与氧结合、脱氢和脱电子三种分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程,这个过程就是生物氧化,是一个产能代谢过程。18机体通过氧化还原反应从底物中获取能量1.2生物氧化的功能为:产能(ATP)、产还原力[H]和产小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物(如ATP)中以热、代谢废物等形式被释放到环境中19生物氧化过程中的能量转换化能营养型底物水平磷酸化氧化磷酸化第一节微生物能量代谢201、底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)物质在生物氧化过程中,常生成一些含有高能键的化合物,而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。ATP合成酶催化高能磷酸转到ADP无机磷和底物形成高能磷酸键21第一节微生物产能代谢2、氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质,在这个过程中偶联着ATP的合成。2又电子传递链磷酸化自由能转移而形成高能ATP22通过电子在电子传递链上的传递造成氢离子的外排,建立能化膜,形成ATP的产生(氧化磷酸化)。(见p115分子马达—化学渗透学说)O2作为最终电子受体为例23生物氧化•1.1形式:为底物与氧结合、脱氢和失电子三种。•1.2功能:产能、产还原力和产小分子中间物三种。•2.1阶段:分脱氢、递氢和受氢(电子)三阶段。•2.2类型:呼吸、无氧呼吸、发酵三类(氢受体性质不同)。二、异养微生物的生物氧化化能自养微生物通过氧化无机底物获得ATP和【H】。242.1阶段:分脱氢、递氢和受氢(电子)三阶段。二、异养微生物的生物氧化化能有机异养25(一)底物脱氢的4条途径EMP途径,糖酵解途径,绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径p108图5-3HMP途径,与EMP途径并存,提供更多微生物发酵产物p109ED途径,缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径,为微生物所特有,可与EMP、HMP、TCA途径相连p110;TCA循环,广泛存在于各种生物体,各种好氧微生物以葡萄糖作为底物,4条途径完成其脱氢反应,并伴随还原力[H]和能量的产生。结合生化复习,比较产能差别!26(二)递氢和受氢贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能,经上述的4条途径脱氢后,经过呼吸链(或称电子传递链)等方式传递,最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体(hydrogenacceptor或receptor)相结合而释放出其中的能量。二、异养微生物的生物氧化272.2类型:根据递氢特点,尤其是氢受体性质的不同分为(有氧)呼吸、无氧呼吸、发酵三类:无氧呼吸:以氧化型化合物为最终电子受体有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体#发酵:以底物的中间产物作为最终电子受体28底物脱氢、递氢与受氢图简解RC有氧呼吸无氧呼吸发酵高效产能方式产能效率较低29呼吸作用与发酵作用的根本区别:发酵作用:电子载体将电子直接传递给底物降解的中间产物;呼吸作用:电子载体将电子交给电子传递系统,逐步释放出能量后再交给最终电子受体。301、有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸有氧三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水,释放大量能量。二、异养微生物的生物氧化31二、异养微生物的生物氧化有氧呼吸:电子传递链;氧分子;(最终电子受体)32332、无氧呼吸(anaerobicrespiration)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。(不彻底氧化)二、异养微生物的生物氧化342、无氧呼吸电子从顶端供给,被不同水平的受体捕捉以H2为电子供体为例,不同H受体,产能不同36•产能:有氧呼吸厌氧呼吸发酵•微生物在无氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP,因此对很多微生物是非常重要的。•除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体,充分体现了微生物代谢类型的多样性。37根据呼吸链末端氢受体的不同,可把无氧呼吸分为下列几种类型:382、无氧呼吸392、无氧呼吸硝酸盐呼吸:以硝酸盐作为最终电子受体,也称为硝酸盐的异化作用(Dissimilative)。只能接收2个电子,产能效率低;NO2-对细胞有毒;402、无氧呼吸能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌,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:兼性厌氧无氧时,进行厌氧呼吸(环境中存在硝酸盐时);有氧时,细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制,进行有氧呼吸。无氧有氧412、无氧呼吸硝酸盐呼吸:以硝酸盐作为最终电子受体,也称为硝酸盐的异化作用(Dissimilative)。只能接收2个电子,产能效率低;NO2-对细胞有毒;有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2,这个过程称为反硝化作用:422、无氧呼吸反硝化作用的生态学作用:硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境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。松土,排除过多的水分,保证土壤中有良好的通气条件。反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐易溶解于水,通过水从土壤流入水域中。如没有反硝化作用,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。432、无氧呼吸其它厌氧呼吸:硫酸盐呼吸硫呼吸碳酸盐呼吸产甲烷菌产生甲烷乙酸细菌将碳酸盐还原成乙酸442、无氧呼吸有关“鬼火”的生物学解释在无氧条件下,某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时,可以磷酸盐代替,其结果是生成磷化氢(PH3),一种易燃气体。当有机物腐败变质时,经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时,这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上,埋葬着大量尸体。在夜晚,气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象,将其称之为“鬼火”。46生物氧化反应呼吸1、有氧呼吸2、厌氧呼吸3.发酵(fermentation)(参见P117)发酵二、异养微生物的生物氧化47二、异养微生物的生物氧化3.发酵(fermentation)何为“发酵”?工业发酵罐大规模培养微生物48WhatIsFermentations?1、食品的变质和腐烂2、生产乙醇饮料和发酵乳制品的过程3、大规模的微生物工业化生产4、厌氧条件下的能量释放过程5、是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物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代谢产物的过程(becomingmorescientific).5是从微生物代谢角度来定义的发酵!科学的493.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。(P117)二、异养微生物的生物氧化503.发酵(fermentation)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。与EMP途径、HMP途径、ED途径、由氨基酸发酵产能—Stickland反应相关的四种发酵类型简介:1、由EMP途径中丙酮酸出发的发酵:二、异养微生物的生物氧化51日本人肠内酵母感染导致醉酒(1)EMP途径(Embden-Meyerhofpathway)葡萄糖经过糖酵解(glycolysis)被降解成丙酮酸糖酵解是发酵的基础2013年9月美国“啤酒男子”52①乙醇发酵(酵母和某些细菌)②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤丁二醇发酵⑥丁酸型发酵(1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵533.发酵(fermentation)丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸
本文标题:复旦微生物学课件8- 微生物代谢
链接地址:https://www.777doc.com/doc-10676744 .html