第六章-微生物的代谢

第六章微生物的代谢本章提要第一节代谢概论第二节微生物的产能代谢第三节微生物耗能代谢第四节微生物代谢的调节第五章微生物次级代谢与次级代谢产物第一节代谢概论新陈代谢(metabolism)1、按活细胞内进行的化学反应分：分解代谢(catabolism)大分子小分子（能量，细胞组分的前体）合成代谢(anabolism)小分子大分子（酶，结构组分等）分解代谢的三个阶段：▲蛋白质氨基酸多糖单糖脂类脂肪酸▲降解成丙酮酸、乙酰辅酶A等，产ATP▲降解成CO2（通过三羧酸循环），产生ATPIIIIII分解代谢的三个阶段2、按物质转化方式分：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。3、按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢提供能量、前体、结构物质等的代谢类型;产物对机体有生理活性。次级代谢在一定生长阶段出现的代谢类型；其产物——抗生素、色素、激素、生物碱等。第二节微生物的产能代谢一光能二化学能光能能源有机物氧化化学能无机物氧化最初能源有机物日光还原态的无机物通用能源ATPF1-F0ATP酶（腺苷三磷酸合成酶）合成ATP机制F1-F0ATP酶：分子马达。能量转化的核心酶。▲膜内侧的F1和膜中的F0结构域。▲“类车轮”结构——由9个亚基组成。▲可以象“车轮”一样旋转。▲旋转动力来自质子跨膜运输（膜外到膜内）。▲旋转过程中结合ADP和Pi合成ATP。F1-F0ATP酶（分子马达）与ATP合成关系示意图α3β3γδε膜内膜外电子传递过程中能量(ATP)产生机制米切尔的化学渗透偶联假说（1961，P.Mitchell）1978Nobel奖F0F1ATP膜膜内膜外2H+ADP+PiATP+H2O建立膜内外质子浓度差（H+)。借助质子势的推动将能量蕴藏在质子势中。一光能（一）光合微生物的种类（二）微生物的光合磷酸化作用（三）进行光合磷酸化微生物的特点通过光合磷酸化将光能转变成化学能。（一）光合微生物的种类1、自养型：蓝细菌、红硫菌、绿硫菌等；2、异养或兼性：红螺菌、嗜盐菌等。有光、无氧时-光合磷酸化嗜盐菌获能途径有氧时-氧化磷酸化（二）微生物的光合磷酸化作用（photophosphorylation）生物类型方式条件色素反应中心产物还原力(NADPH)中H的来源光合细菌环式无O2菌绿素类胡萝卜素等1个不产氧ATP质子泵绿色植物藻类兰细菌非环式有O2叶绿素藻色素等2个产氧ATPH2O光解嗜盐菌紫膜低O2细菌视紫红质紫膜不产氧ATP来自H2S等无机物氢供体指光能转化为化学能的过程。有3种。（三）进行光合磷酸化微生物的特点1细菌内含光合色素2具光合单位3光合磷酸化1、细菌内含光合色素光合生物特有，是光合作用关键物质。叶绿素（chl）或细菌叶绿素（Bchl）类胡萝卜素藻胆素嗜盐菌具有菌视紫质、菌绿质。叶绿素几种类胡萝卜素的辅助色素（AccessoryPigment）褐藻素β-胡萝卜素藻兰素类胡萝卜素不直接参与光合反应。其作用：把捕获的光能高效传给细菌叶绿素，进行光合磷酸化作用。做为叶绿素所催化的光氧化反应的淬灭剂。在细胞能量代谢上起辅助作用。2、具光合单位有光合色素和电子传递系统的存在位点。光合色素分布于光合系统Ⅰ光合系统Ⅱ每个光合系统即是1个光合单位。如：蓝细菌—类囊体红螺菌、红硫菌—在细胞膜内壁形成单位膜组成的光合单位。光合细菌中，光照越强，光合单位越多。光捕获复合体（含菌绿素、类胡萝卜素）反应中心复合体1个光合单位3光合磷酸化◆环式光合磷酸化◆非环式光合磷酸化◆嗜盐菌紫膜的光合作用当1个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子时，叶绿素被激活，导致叶绿素释放1个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐步释放能量。将光能转化为化学能。代表微生物光合作用部位光合作用特点原核生物的红螺菌属、绿菌属、红假单胞菌属。厌氧菌。菌绿素光反应和暗反应组成,只有一个光反应系统，不放氧。环式光合磷酸化是一种原始产能机制。电子循环式传递，形成回路。铁氧环蛋白泛醌Cyt.bCyt.CADP+PiATPe-e-e-e-e-菌绿素+菌绿素环式光合磷酸化的光反应hv环式光合磷酸化的暗反应光能转变的化学能CO2有机物ATPNADH2只有一个光合系统（光合单位），有光反应和暗反应环式光合磷酸化特点不放氧气。不产还原剂NADH2，固定CO2所需NADH2来自电子传递非环式光合磷酸化代表微生物光合作用部位光合作用特点蓝细菌叶绿素光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ偶联。产氧气。电子传递途径不形成环式回路非环式光合磷酸化FdFpe-e-e-Cyt.be-PQ(质体醌)e-Fe.SADP+PiATPe-叶绿素a叶绿素a+e-Ⅰ叶绿素b叶绿素b+ⅡH201/2022H+e-ADP+PiATPCyt.CNADPH+H+非环式光合磷酸化特点两个光合系统，即光合单位（叶绿素a、叶绿素b）放氧气。产还原剂NADH2，产ATP。嗜盐菌紫膜的光合作用ATP酶紫膜H+H+H+-++++---H+ADP+PiATP紫膜具有质子泵作用。光量子驱动又叫紫膜光合磷酸化最简单的光合磷酸化生物类型方式条件色素反应中心产物还原力(NADPH)中H的来源光合细菌环式无O2菌绿素类胡萝卜素等1个不产氧ATP质子泵绿色植物藻类兰细菌非环式有O2叶绿素藻色素等2个产氧ATPH2O光解嗜盐菌紫膜低O2细菌视紫红质紫膜不产氧ATP来自H2S等无机物氢供体微生物的光合磷酸化二化学能(一)化能异养型微生物产能代谢(二)化能自养型微生物产能代谢生物氧化：物质在生物体内进行的一系列连续的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程,基质脱下的氢和电子经载体传递最终交给受体的生物学过程。(一)化能异养型微生物产能代谢根据最终电子受体的不同分类发酵呼吸作用有氧呼吸无氧呼吸方式电子受体产物获能(千卡)微生物类型条件发酵有机物各种中间代谢产物54好氧菌厌氧菌兼性厌氧菌无O2或有O2有氧呼吸O2CO2688好氧菌兼性厌氧菌有O2无氧呼吸无机物CO2429厌氧菌兼性厌氧菌无O2异养微生物的产能代谢的方式1.发酵(fermentation)（1）发酵概念（2）工业发酵概念（3）发酵产能途径（4）重要的发酵类型（1）发酵:在细胞内发生的一种氧化还原反应。有机物放出的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间代谢产物（有机物），同时放出能量和产生各种不同的中间代谢产物。无外源电子受体。（P102）（2）工业发酵:利用好氧或厌氧微生物，通过物质的分解与合成两个代谢过程将某些物质转变成某些有用代谢产物的一类生产方式。（3）发酵产能途径◆EMP途径（Embdem-Meyerhofpathway）（glycolyticpathway）◆HM途径（hexosemonophosphatepathway）（pentosephosphatepathway）◆ED途径（Entner-Doudoroffpathway）◆磷酸解酮酶途径发酵的种类很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等。微生物发酵葡萄糖最为重要。1)EMP:（Embden-Meyerhofpathway）又称糖酵解途径（glycolysis)或己糖二磷酸途径(hexosediphosphatepathway)Microbes：好氧、厌氧、兼性微生物。特征酶：1，6—二磷酸果糖醛缩酶产能：2个ATP,2个NADH。第一阶段：葡萄糖2分子甘油醛-3-磷酸未发生氧化还原反应。预备性反应。2分子ATP用于糖的磷酸化。第二阶段：甘油醛-3-磷酸丙酮酸发生氧化还原反应。产生4分子ATP。总净产生2分子ATP。作用▲提供ATP和NADH；▲提供碳骨架；▲逆转合成多糖。大多数微生物共有的基本代谢途径，与发酵主要生产有密切关系。EMP途径22222)HM:(hexosemonophosphatepathway)单磷酸己糖途径,又称Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径）。是一条不经EMP途径、TCA循环而将葡萄糖彻底氧化的途径。（从葡萄糖-6-磷酸开始）Microbes：好氧、厌氧、兼性微生物。特征酶：转羟乙醛酶和转二羟丙酮酶（P104)产能：6个NADPH(还原力)1个NADH。1分子葡萄糖-6-磷酸1分子甘油醛-3-磷酸3分子CO26分子NADPH不是产能途径磷酸葡萄糖酸转酮酶转醛酶3)ED:（Entner-Doudoroffpathpay）又称2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸（KDPG）途径,是少数EM（10步）途径不完整的细菌（如一些假单胞菌等）特有的利用G的替代途径，其特点是步骤简单（4步）、产能效率低，开发工业——细菌酒精发酵。Microbes：好氧、微好氧微生物。特征酶：2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸醛缩酶产能：1个ATP,1个NADPH，1个NADH。革兰氏阴性菌中广泛存在。固氮菌存在较多。2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸NADH参与发酵过程中的再次氧化EMP、HM、ED途径比较*以上3个途径均为：葡萄糖丙酮酸区别：1）微生物；2）特征酶；3）产能；4）磷酸解酮酶途径具特征性磷酸解酮酶磷酸戊糖解酮酶——PK途径磷酸己糖解酮酶——HK途径是明串珠菌在进行异型乳糖发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。（4）重要的发酵类型（葡萄糖发酵）1）特点：多样性2）意义：发酵可得到多种产物；鉴定菌种。3）类型：乙醇发酵乳酸发酵丁酸发酵混合酸发酵A重要的发酵类型之一——乙醇发酵a)酵母菌的乙醇发酵（2ATP）厌氧EMP丙酮酸乙醛乙醇b)异型乙醇发酵:(如肠膜明串珠菌)HM丙酮酸乙醇+乳酸+CO2+ATPc)同型乙醇发酵:（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇ED(厌氧)丙酮酸乙醇+CO2+ATP区别：微生物不同；途径不同；产能不同。酵母菌乙醇发酵葡萄糖3－磷酸甘油醛1，3－二磷酸甘油酸2NAD2NADH2丙酮酸脱羧酶乙醛乙醇ATPCO2产能量少（2个ATP)，大部分储存在乙醇中。电子受体：乙醛（代谢的中间产物）在乙醇发酵中的巴斯德效应:概念：有氧条件下，乙醇发酵和糖酵解受抑制的现象。分子氧对葡萄糖分解代谢产生抑制。意义：微生物机体内的自我调节机制（通气、pH，培养基、亚硫酸氢钠）。微生物合理利用能源。获得大量菌体,要通气;获得大量乙醇,要厌氧。（啤酒、酒精生产）B重要的发酵类型之二——乳酸发酵厌氧条件下，乳酸菌进行。同一微生物,利用不同底物,可进行不同形式的乳酸发酵。不同微生物,可进行不同形式的乳酸发酵。乳酸菌有：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串珠菌、双歧杆菌等。a）同型乳酸发酵：EMP，产物仅乳酸，2个ATP。b）异型乳酸发酵：HM、ED，产物除乳酸还有乙醇或乙酸、CO2，1或2个ATP。葡萄糖3－磷酸甘油醛2NAD2NADH21，3－二磷酸甘油酸ATPCO2丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶产能量少（2个ATP)，大部分储存在乳酸中。最终电子受体：丙酮酸微生物：乳链球菌、植物乳杆菌同型乳酸发酵（EMP）异型乳酸发酵（HM）不同微生物利用不同物质,其产物、产能不同。如：葡萄糖——乳酸、乙醇、CO2核糖——乳酸、乙酸果糖——乳酸、乙酸、CO2C重要的发酵类型之三——丁酸发酵专性厌氧菌。不同菌，通过EMP途径，产物不同，可分为：a）丁酸发酵：丁酸梭菌丁酸b）丙酮-丁醇发酵：丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌丙酮、丁醇c）丁醇-异丙醇发酵：丁酸梭菌丙酮还原为异丙醇D重要的发酵类型之四——混合酸发酵肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵。EMP丙酮酸乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸、乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、丙酮、CO2、H2等。a）甲酸形成与肠杆菌(E.coli)乙酰辅酶A丙酮酸甲酸(甲酸解氢酶)CO2+H2※大肠杆菌有甲酸解氢酶，发酵葡萄糖产酸产气；※肠道病原菌（伤寒、痢疾）无甲酸解氢酶，所以发酵葡萄糖只产酸不产气。糖发酵实验葡萄糖b）2,3—丁二醇发酵产气肠杆菌可将丙酮酸经缩合、脱羧生成乙酰甲基甲醇，然后进一步还原成2,3—丁二醇。缩合、脱羧还原丙酮酸乙酰甲基甲醇2,3—丁二醇应用在实验上：V-P试验（Voges-Proskanertest)（检测2,3—丁二醇发酵