微生物考研微生物代谢.

第六章：微生物的代谢（4学时）通过本章的学习，要求掌握：1、微生物代谢类型的特点及多样性。2、合成代谢所需小分子化合物及能量、还原力的产生。3、微生物细胞中特有的合成代谢。重点：1、微生物的产能方式。2、微生物细胞中特殊的合成代谢——分子N固定及肽聚糖合成。难点：微生物所具有的特殊合成代谢：1、分子态N的固定过程及固N酶的特性。2、肽聚糖的合成过程。第一节、代谢概论第二节、微生物产能代谢一、生物氧化二、异养微生物的生物氧化1.发酵；2.呼吸作用：(1)有氧呼吸；（2）无氧呼吸三．自养微生物的生物氧化1.氨的氧化2.硫的氧化3.铁的氧化4.氢的氧化四．能量转换1．底物水平磷酸化2．氧化磷酸化3．光合磷酸化1）环式光合磷酸化2）非环式光合磷酸化3）嗜盐菌紫膜的光合作用第三节微生物分解代谢第四节微生物合成代谢第五节微生物次级代谢与次级代谢产物√微生物的各种产能途径（方式）的基本特点（特别是其它生命所不具备的产能方式）（微生物在代谢上的多样性）掌握基本概念，次级代谢与初级代谢各自的特点第一节代谢概论代谢（metabolism）活细胞内发生的各种化学反应的总称物质代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]分解代谢与产能代谢紧密相连；合成代谢与耗能代谢紧密相连。微生物的代谢离不开酶，无论是分解代谢还是合成代谢都必须在酶的催化作用下才能进行。能量代谢产能代谢耗能代谢第二节微生物产能代谢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。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）微生物氧化的形式生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。生物氧化的方式：①和氧的直接化合：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物生物氧化的过程一般包括三个环节：①底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径1、EMP途径2、HMP3、ED4、TCA•生命活动需要能量，生活机体主要通过生物氧化反应获得能量.•已知异养型微生物都是以有机物为能源，它们从有机物的氧化反应中获得能量，自养型微生物从光或无机物的氧化反应中得到能量。•在以有机物为基础的生物氧化反应中，以O2作为最终电子受体的称为有氧呼吸，以无机氧化物中的氧作为最终电子受体的称为无氧呼吸。以有机物作为电子受体的称为发酵。•有氧呼吸，无氧呼吸和发酵过程中都能产生能量。第二节微生物产能代谢一．生物氧化生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：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）中以热的形式被释放到环境中ATP产生的主要方式1.氧化磷酸化1）底物水平磷酸化不需氧，不经过呼吸链。甘油醛-3-磷酸→磷酸化→1,3二磷酸甘油酸＋ATP2）电子传递磷酸化需氧气，经过呼吸链。物质氧化放出的电子在呼吸链中传递时，放出能量，生成ATP•生物氧化或光合作用过程中，将能量通过磷酸化转移至ATP。•NAD、NADP和呼吸链在代谢中的作用①NAD和NADP是生物氧化过程中脱氢和氢化作用的载体。•烟酰胺腺嘌呤二核苷：NAD++2H→NADH+H+•烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸：NADP++2H→NADPH+H+②呼吸链也是电子传递链。电子传递体按一定顺序排列，构成电子传递链，链上各个氧化反应与ADP-ATP反应偶联。•真核生物呼吸链在线粒体上，原核生物在质膜上。2.光合磷酸化•光合微生物捕捉光能，转给ATP①藻类、蓝细菌：有光合系统Ⅰ、Ⅱ，进行环式和非环式光合作用。CO2+H2O→-(CH2O)n-+O2↑②绿细菌：只有光合系统Ⅰ，进行环式光合磷酸化CO2+2H2S→-(CH2O)n-+H2O+2S③H+-ATP酶体系•除ATP外，能推动生物合成的其它高能化合物有：•高能化合物能活化的生物合成作用•GTP（三磷酸鸟嘌呤核苷－P～P～P）蛋白质•UTP（三磷酸尿嘧啶核苷－P～P～P）肽聚糖•CTP（三磷酸胞嘧啶核苷－P～P～P）磷脂•dTPP(三磷酸胸腺嘧啶脱氧核苷－P～P～P)细胞壁脂多糖•AC－SCOA(酰基硫COA)脂肪酸•AC－COA(酰基COA)脂肪酸能量转换化能营养型光能营养型底物水平磷酸化呼吸链光合磷酸化三种产能方式的基本概念，异同点，几种光合磷酸化的异同点，产生ATP和还原力的方式与特点氧化磷酸化无氧气有氧气•用于微生物合成代谢，合成细胞组成物质•用于微生物生命活动，主动运输、鞭毛运动•生物发光•产生热量能量的利用第二节微生物产能代谢二．自养微生物的生物氧化（二）无机物氧化产能（一）光合磷酸化产能光能营养微生物产氧不产氧真核生物：藻类及绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌古细菌：嗜盐菌（一）光合磷酸化产能1.环式光合磷酸化④不产生氧③还原力来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行特点：①电子传递途径属循环方式光合细菌依赖细菌叶绿素的光合作用环式光合磷酸化产生ATP2.非环式光合磷酸化④还原力来自H2O的光解③同时产生还原力、ATP和O2②有PSⅠ和PSⅡ2个光合系统特点：①有氧条件下进行•依赖叶绿素的光合作用3.嗜盐菌紫膜的光合作用一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。嗜盐菌细胞膜红色部分（红膜）紫色部分（紫膜）主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。在波长为550-600nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应依赖细菌视紫红质的光合作用借质子动力产生ATP。（二）无机物氧化产能•好气性的化能自养菌以无机物作氧化基质，利用氧化无机物释放出来的能量进行生长。无机物氧化释放出的电子靠电子传递磷酸化或者是基质水平磷酸化产生能量ATP。•氢细菌H2＋1／2O2→H2O＋56.7千卡•铁细菌2Fe2+＋1/4O2＋2H+→2Fe3+＋1/2H2O＋10.6千卡•硝化细菌•亚硝化细菌在氧化NH4+→NO2时获得能量供细胞生长NH4+＋1／2O2→NO2-＋H2O＋2H+＋64.7千卡•硝化细菌在氧化NO2-→NO3-时获得能量供细胞生长NO2-＋1／2O2→NO3-＋18.5千卡•硫化细菌•硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。S＋3／2O2＋H2O→SO42-＋2H+＋139.8千卡S2-＋2O2→SO42-＋189.9千卡化能自养菌的ETC组成及各种无机底物脱氢后电子进入ETC的部位二．自养微生物的生物氧化硫的氧化硫细菌（sulfurbacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：化能无机自养型微生物的发现：氧化无机物获得能量；没有光和叶绿素的条件下也能同化CO2为细胞物质（能以CO2为唯一或主要碳源）第二节微生物产能代谢三、异养微生物的生物氧化生物氧化反应发酵有氧呼吸厌氧呼吸呼吸化能异养微生物的生物氧化和产能底物脱氢的4条途径及其与递氢、受氢的联系有氧呼吸、无氧呼吸和发酵过程示意图二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)不需要分子态氧(O2)作为电子受体的氧化作用。①产能方式：底物水平磷酸化产生ATP。②电子受体：底物形成的中间产物又作为受氢体接受氢形成新产物，不需氧气参加。③底物去向：底物氧化不彻底，只释放部分能量。发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应•乙醇发酵•不同的微生物进行乙醇发酵的途径和产物不同，主要有酵母菌的乙醇发酵和细菌的乙醇发酵。•酵母菌的乙醇发酵：C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP•接合单胞菌的乙醇发酵：C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+ATP•乙醇发酵都产生ATP，但酵母菌产能多，细菌产能少。ATP的产生靠基质水平磷酸化生成的。•乳酸发酵•同型乳酸发酵：指发酵产物只有单一的乳酸•德氏乳杆菌：C6H12O6――——→2乳酸+2ATP•异型乳酸发酵：指发酵产物除乳酸外，还有其它的化合物。•肠膜状明串珠菌：葡萄糖———→1乳酸+1乙醇+1CO2+1ATP•双岐杆菌：•2×葡萄糖————→2乳酸+3乙酸+5ATP（P.K为磷酸戊糖解酮酶，H.K为磷酸已糖解酮酶）异型（P.K）异型（H.K）•丁酸发酵与丙酮丁醇发酵•丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）可以发酵葡萄糖得到丁酸4C6H12O6——→2乙酸＋3丁酸＋8CO2＋8H2＋10ATP•每mol葡萄糖在发酵中大约产2.5个ATP。•丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）在发酵葡萄糖经丙酮酸到丁酸中，当丁酸和乙酸大量积累时会使pH下降至4.0，这时导致丁酸进一步还原为丁醇，微生物利用还原丁酸为丁醇的酶还原乙酸为乙醇。并还产生丙酮。葡萄糖—→丁醇＋丙酮＋乙酸＋乙醇＋H2＋CO2＋ATP四、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气（参见“微生物学实验”P119-123）志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气四、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用呼吸的基本特点，包括呼吸与发酵的区别，有氧呼吸与无氧呼吸的区别，其中有氧呼吸的具体过程可简略，以避免和生化内容重复。无氧呼吸以硝酸盐呼吸为例，介绍反硝化作用的概念及生态学意义1、有氧呼吸•又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式•特点：底物常规方式脱氢后，脱下的氢经完整的呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。•2.无氧呼吸•生活在缺氧环境中的厌氧和兼性厌氧微生物，在产能的生物氧化过程中以无机化合物（NO3-、NO2-、SO42-、CO2等无机物或个别为延胡索酸等有机物作为最终电子受体。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。硝酸还原作用硝酸还原细菌在分解有机物时利用基质脱下的H将硝酸盐还原，通过电子传递链产生2个ATP。硫酸还原作用2乳酸＋H2SO4---→2乙酸＋2CO2＋2H2O＋H2S＋ATP碳酸盐还原（甲烷生成）产甲烷菌在利用甲酸、甲醇、甲胺、乙酸、H2、CO2生成甲烷时，通过：①跨膜质子运动；②电子转移磷酸化和③底物水平磷酸化合成ATP。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2.呼吸作用能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还原细菌，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