第四章微生物的生理ppt课件.ppt

第四章 微生物营养与代谢,第二节 微生物的营养,第三节 微生物营养物质的吸收机制,第四节 微生物代谢,第一节 酶,第二节 微生物的营养,一、概念： 微生物营养： 微生物吸收必要的物质以获得能量并合成细胞物质的过程。 营养物质：那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。 营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。 微生物代谢： 微生物体内化学反应的总和。分为异化作用和同化作用。 异化作用：物质分解反应将营养物质和细胞物质分解放出能量的过程。 同化作用：将营养物质转变为机体组分的过程，吸收能量。,二、微生物的化学组成 水：70%90% 干物质：10% 30% 。 有机物：90% 97% 包括蛋白质、核酸、糖类、脂类。 无机物：3% 10% 包括P、S、K、Na等基本元素和Cu、Co、Mn、Zn 等微量元素。 微生物的化学组成通常随菌龄、培养条件、环境及生理特性改变而改变。,不同微生物细胞的化学组成,三、营养物质 营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。,六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,1、碳源 (碳素化合物)：凡可构成微生物细胞和代谢中碳元素来源的营养物质称为碳源。 微生物细胞含碳量：细胞干重的50%。 微生物细胞中碳的功能： （1）构成微生物体有机分子的骨架； （2）大多数微生物的能源物质。,微生物可以利用的碳源种类：,其中糖是应用最广泛的碳源。,甲烷氧化菌（甲基营养型） ：甲烷、甲醇,根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？,不同的微生物利用碳素的情况：,洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物,纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素,2、氮源（氮素化合物）：凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。,微生物可利用的氮素化合物：,氮素化合物的功能：,构成细胞物质，少数微生物的能源物质。,3、矿质元素(无机盐) 为机体提供了必要的金属元素等,P、S、Fe、Mg、K、Ca (大量元素)Mn、Cu、Zn、Mo、Co （微量元素）,矿质元素主要功能： 1）、构成细胞组分。如P、S、Mg（核酸、蛋白、酶、辅酶） 2）、构成酶的组分和维持酶的活性。如（Mg、K、 Ca）是组分和激活剂，Fe、P、Co 、Zn是组分。 3）、调节渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等。 如P、Fe、Ca、K 4）、供给自养微生物能源。如Fe、P、S。 5）、影响细胞分裂。 Fe 大肠杆菌在分裂时缺铁，只核物质增长、延长而不分裂，细胞呈丝状生长。 微量元素之间有协同作用，也有拮抗作用。如Fe、Zn、Mn可促进铜的作用，Mn却抵消Zn的促进作用。 再如Co和Ni与镁的拮抗作用。（当镁的浓度低而Ni的浓度0.2Mg/L时，完全抑制产气杆菌的生长。当镁的浓度为20Mg/L时，Ni的抑制作用极小）,生长因子功能：构成酶的辅基或辅酶,生长因子分类：氨基酸 核 苷 维生素,生长因子是指微生物生长必需的但不能利用普通的碳源 和氮源合成，需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。,4、生长因子,有关生长因子的注意点：,（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同,克氏杆菌 生物素、对氨基苯甲酸肠膜明串珠菌 十七种氨基酸,（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化,鲁毛霉：厌氧：需维生素B与生物素 好氧：无需生长因子,（3）生长因子未知微生物的培养,加入天然成分：,酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液,5、水分,微生物水分含量：营养细胞90%，孢子40%。水分在微生物生长代谢中的功能： 机体内生理生化反应的基础，维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；b. 溶剂与运输介质；c. 细胞内温度的缓冲剂作用，热的良好导体。,微生物最适水的活度值,水的活度（Aw） ：一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件(T、P)下纯水蒸汽压力之比。,四、微生物的营养类型,生长所需要的营养物质,自养型生物,异养型生物,生物生长过程中能量的来源,化能营养型,光能营养型,微生物的营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型） 能够利用光能并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。,念珠蓝细菌,基本特点：,B、供氢体：还原性无机物，还原CO2,A、光合色素（叶绿素、细菌叶绿素）,光叶绿素,H2OCO2 (CH2O)+O2（蓝细菌）,实例：,红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+ 2H2S,光合色素,光能, CH2O + 2S+ H2O,2、光能异养型 (光能有机营养型） 利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类厌氧微生物，又称有机光合细菌。在生长时大多数需要外源的生长因子。,紫色非硫细菌,基本特点：,b.供氢体：有机物，还原CO2或有机物形成细胞物质,a.光合色素，光合作用,光能异养型微生物在C源利用上的特殊性： 以有机质作为主要C源， 能利用CO2 ，但它不是唯一碳源。,典型实例：,3、化能自养型(化能无机营养型） 利用无机化合物氧化时（S、H2S、H2、NH3、Fe)释放的能量作为能源，利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,产甲烷细菌,典型实例： 硫化细菌、硝化细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)、产甲烷菌、铁细菌 H2S、 NO2 H2、 Fe2+,基本特点： a. 能源：无机物氧化； b. 供氢体：无机物，还原CO2； c. CO2为唯一碳源。,硝化细菌: 亚硝化细菌 2NH4+ +3O22NO2- +2H2O + 4H+132Kcal 硝化细菌 NO2- +1/2O2 NO3- +18.1 Kcal硫化细菌:通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、 S2O32- 、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属） H2S + 1/2 O2 S +H2O + 50.1 Kcal S + 1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO2 2Fe2+1/2O2+2H+ 2Fe3+H2O+21.2 Kcal氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2 H2+ 1/2 O2 H2O + 56.7 Kcal,硝化细菌,铁细菌,4、化能异养型（化能有机营养型） 以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生物。它包括绝大多数的细菌、放线菌及全部的真菌。,苏云金杆菌,基本特点： a. 能源：有机物氧化 b. 碳源：有机物,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物。,化能异养型微生物的分类：（生活场所、获取养料方式）,兼性寄生/兼性腐生菌：既营寄生又营腐生生活的。,寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。,腐生菌：利用无生命的有机物作为营养物质。,结核杆菌,大肠杆菌,小 结 1、微生物营养型划分的依据是什么？,2、微生物营养划分的相对性 同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化。,微生物 提供的环境条件 能源利用情况 营养型氢单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量， 自养生活 将CO2还原成细胞物质 提供有机物 利用有机物获得能量 异养生活红螺菌： 光 照 利用光能作能源 光能异养 暗处理 利用有机物氧化产能 化能异养,五、培养基: 是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。,培养基的作用： 为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。,（一）、配制培养基的基本原则,1、适合不同微生物的营养特点 (1)从营养型的角度看,(2)从类群的角度看,自养微生物 合成能力强 简单的无机物异养微生物 合成能力弱 至少提供一种有机物,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度 浓度过高微生物的生长起抑制作用， 浓度过小不能满足微生物生长的需要。 a、碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；,不同的微生物，所需营养物C/N不同。 细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1 ,土壤中微生物群体要求碳氮比25:1 （？）,同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。 短棒杆菌的谷氨酸发酵C/N=4:1，菌体繁殖； C/N=3:1，谷氨酸形成,碳氮磷比： 水、碳源、氮源、无机盐及生长因子为微生物共同需要的物质。由于不同微生物细胞的组成不同，对各营养元素的比例要求也不同。 这里主要是指碳氮比 培养基中所含的C源中C原子的摩尔数/ N源中N原子的摩尔数。,C/N比值=,碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数,b、其它营养的比例（矿质元素、氨基酸） 大量元素 10-3-10-4 mol/L 微量元素 10-6-10-8 mol/L,废水处理中的碳氮磷比：满足活性污泥的营养要求！ 工业废水:如酒精废水缺氮；洗涤废水磷过剩、缺氮。 缺氮用粪便污水或尿素补充。缺磷用磷酸二氢钾补充。 污水好氧处理：C：N：P100：5：1； 厌氧法： C：N：P200：5：1。,3、控制物理化学条件,HO2CO2渗透压,微生物生长繁殖,培养条件,影响,影响,微生物培养体系,(1) 培养基的pH值的控制。,a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。 霉菌、酵母菌适于酸性， (pH4.5-6.0左右) 细菌、放线菌喜中性或偏碱性 (pH7.0-7.5左右),b.使用pH值缓冲剂 磷酸盐、碳酸盐、蛋白胨、氨基酸(配制培养时加入) 磷酸盐缓冲作用的反应式为： H+(强酸)+HPO 4 = (弱碱) H2PO 4 - (弱酸) OH-(强碱)+H2PO4 -(弱酸) HPO 4 = (弱碱)+H2O 碳酸钙（配制培养基时加入） 酸或碱（培养过程中加入）,由微生物与氧气的关系形成了三类微生物： 专性好氧性微生物 专性厌氧性微生物 兼性厌氧的微生物,实践对策： 专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。 专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂 （胱氨酸、巯基乙酸钠、Na2S和抗坏血酸）,(2) O2浓度的调节,（3）CO2的调节 对自养微生物来说，空气中只占容积的0.03%的CO2量意味着什么？,增加CO2供应的途径：培养基中加入NaHCO3,（4）渗透压和aw,等渗溶液适宜微生物生长高渗溶液细胞发生质壁分离低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂,大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.86.2/L NaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物。,水的活度aw 有时也常用相对湿度（RH) 的概念（ w 100= RH ）,（5）氧化还原电势,是度量某氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标。各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求： 好氧微生物：+0.3+0.4V,(在0.1V以上的环境中均能生长)； 厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长； 兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵。对微生物影响最大的是： 分子氧和分子氢的浓度。培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。,配制培养基时，应尽量考虑利用价廉并且易于获得的原料作为培养基的成分，特别是在工业发酵中，培养基用量很大，更应该考虑到这一点，以便降低产品成本。 1.以粗代精 2.以野代家 3.以废代好 4.以简代繁 5.以氮代朊 6.以纤代糖 7.以烃代粮 8.以国代进,4.经济节约,按培养基成分分按培养基的用途分按物理性状分,（三）、培养基的类型,培养基类型,合成培养基天然培养基,基本培养基加富培养基选择培养基鉴别培养基,固体培养基液体培养基半固体培养基,（二）、培养基的配制,1、配制溶液；按配方。 加入顺序：1缓冲剂 2无机化合物 3微量元素化合物 4维生素及生长素 根据需要加入螯合剂EDTA (加入浓度0.01%)或NTA(氮川三乙酸)避免产生金属盐沉淀。2、调节pH值；可用10%HCl或10%NaOH进行调节。3、过滤；用滤纸、纱布或棉花趁热将已配好的培养基过滤。 4、分装；试管或锥形瓶。5、加棉塞 ；分装完毕后，需要用棉塞堵住管口或瓶口。堵棉塞的主要目的是过滤空气，避免污染。6、灭菌； 高压蒸气灭菌。 一般培养基: 1.05 Kg/cm2, 121.3, 15-30 min 含糖培养基: 0.56 Kg/cm2, 112.6 , 15-30 min,常见的培养四大类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号）淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,1、按照培养基成分分： a. 合成培养基 化学成分和浓度完全清楚的物质配制的培养基。,b. 天然培养基 以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。（牛肉膏蛋白胨）,2、按照培养用途：,b、加富培养基：加富培养基是指在普通培养基里加某些特殊的营养物，如血、血清、动物（或植物）组织液或其他营养物质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基，用以培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物。,a、基本培养：将多种微生物都需要的营养物质配而成培养基。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基,D、鉴别培养基 根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生物的培养基。（伊红-甲基蓝培养基）鉴别大肠杆菌(菌落小,绿色光泽)和产气肠杆菌(菌落大,灰棕色),C、选择培养基 利用微生物对各种化学物质敏感程度的差异，在培养基中加入染料、胆汁酸盐、抗生素等，用以抑制非目的微生物的生长并使所要分离的微生物生长繁殖的培养基。如缺氮培养基可分离到固氮微生物 。,G+菌受抑制,G-菌,能发酵乳糖产酸,不发酵乳糖不产酸，菌落无色透明,产酸力强，菌落呈紫绿色金属光泽,产酸力弱，菌落棕色,EnterbacterKlebsiellaHafniaSarrdia,ProteusSalmonellaShigella,E.coli,试样,EMB在鉴别各种肠道杆菌中的作用：,某化工厂的污水池中，含有一种有害的、难于降解的有机化合物A，研究人员用化合物A、磷酸盐、镁盐以及微量元素配制的培养基，成功地筛选到能高效降解化合物A的细菌（目的菌）。 实验的主要步骤如图所示。请分析回答问题：,培养基中加入化合物A的目的是筛选，这种培养基属于培养基。“目的菌”生长所需的氮源和碳源是来自培养基中的。实验需要振荡培养，由此推测“目的菌”的代谢类型是 。培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量的培养液，接入新的培养液中连续培养，使“目的菌”的数量。,目的菌,选择,化合物A,异氧需氧,降低,增加,加入胆汁酸盐（麦康盖培养基） G+被抑制，G-生长；加入几滴10%酚 细菌、霉菌被抑制，放线菌可生长；加入青霉素、四环素、链霉素 细菌、放线菌被抑制，酵母菌和霉菌可被分离。,3、按照培养基的物理性状,b、液体培养基 未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。,c、半固体培养基 在液体培养基中加入少量琼脂。琼脂含量一般为0.2%-0.7%。,a、固体培养基 在液体培养基中加入凝固剂使呈固体状态，称为固体培养基。(琼脂1.5-2%),第三节 微生物营养物质的吸收机制,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,1、第一因素：细胞膜 细胞膜选择性透膜 细胞荚膜、粘液层以及细胞壁,2、第二因素：微生物细胞生活的环境 pH值、温度,3、第三因素：被吸收物质的特性。 分子量、溶解度,(影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性),二、微生物对营养物质的吸收方式,是否消耗能量 是否需要载体 是否发生被吸收物的化学变化 。,单纯扩散促进扩散主动运输基团转位,根据微生物对物质的吸收过程：,1、单纯扩散（称被动扩散） 被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,单纯扩散的特点：,C、运输动力,A、非特异性的,B、吸收过程不发生化学变化,营养物质单纯扩散能力的影响因素：,A、吸收营养物质的分子大小,B、溶解性(脂溶性或水溶性),C、极性大小(小 高）,D、膜外pH,E、温度。,2、促进扩散 以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。（真核微生物）,与单纯扩散的相同点：,c.无需代谢能。,a.被动的扩散。,b.无化学变化。,促进扩散独有的特点：,载体使营养物质的扩散加快，它会影响该营养物质在膜内外建立浓度的动态平衡状态吗？,A、载体的专一性,B、运输速率提高,3、主动运输 以代谢能为动力，在载体参与下，将物质从胞外向胞内转运。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S T,S T,主动运输同促进扩散的共同点：,A、 载体,B、载体构型的变化。,主动运输与促进扩散的不同点：,A、动力,B、载体构型变化原理,4、基团转位： 被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）,大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输,大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输,磷酸化的葡萄糖被限制在细胞内，因为磷酸化的糖含有带负电荷的磷酰基，可防止糖分子再次通过质膜。这是细胞的一种保糖机制。在糖代谢的整个过程中，直至净合成能量之前，中间代谢物都是磷酸化的。,营养物质的吸收方式的区别,三、几种主要营养物质的吸收,1、糖： 促进扩散、基团转位、主动运输。,2、肽与氨基酸： 主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）,3、离子： 主动运输,微生物代谢：微生物细胞所进行的化学反应的总和。微生物合成代谢：小分子合成复杂大分子的过程。微生物分解代谢：细胞物质或营养物质降解形成简单产物的过程。,微生物的代谢,物质代谢,能量代谢,产能代谢,耗能代谢,分解代谢,合成代谢,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,（一）微生物产能代谢与呼吸作用的关系,微生物呼吸作用是生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。 微生物呼吸作用的本质是氧化与还原的统一过程，在这一过程中有能量的产生和转移。 有三种类型：发酵 、好氧呼吸、无氧呼吸，所谓的产能代谢就是通过三种呼吸来实现的。,生物氧化基本过程,（二）ATP的产生方式,基质（底物）水平磷酸化：厌氧微生物 或 兼性厌氧微生物 在基质氧化过程中，产生 一种含高自由能的中间体，如 发酵产生 1，3二磷酸甘油酸。这一中间体将高能键交给 ADP，生成 ATP。 氧化磷酸化：好氧微生物在呼吸时，通过电子传递体系产生 ATP的过程。,光和磷酸化：光引起叶绿素、菌紫素或菌绿素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。 非环式（产氧光合生物）：叶绿素 -叶绿素 环式 （不产氧光合细菌 ）：叶绿素 -NADP H2S，琥珀酸 -叶绿素 生物能量的 转移中心是 -ATP,高能键化合物的共性： 高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型,光能,光能营养型微生物化能营养型微生物,化学能,耗能代谢,合成代谢 和 分解代谢,ATP,ADP,（三）微生物的主要产能方式,发 酵好氧呼吸无氧呼吸,产能方式（呼吸类型）,共同点：氧化还原反应区别点：电子最终受体 氧化基质,1、发酵（代谢发酵）,发酵的特点：,工业发酵：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。,微生物或细胞在不需要氧的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生ATP的一种方式。 不存在外在的电子受体，底物进行部分氧化，用氧化产物作为最终电子受体。这个过程，能量有少量释放，多数仍保留在产物中。,以葡萄糖为例，讲解发酵。葡萄糖被分解的过程称为糖酵解过程，也叫EMP过程。糖酵解是微生物所共有的代谢途径。,*糖酵解包括10步酶催化反应 Step 1、己糖激酶催化葡萄糖磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，消耗一分子ATP。,糖酵解分为两大步骤：1.预备反应，不发生氧化还原反应。产物是3磷酸甘油醛。2.氧化还原反应，产生ATP，产物为丙酮酸，进一步发酵可产生乙醇和CO2。,Step 2、葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷 酸 葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸，这是一个醛糖酮糖同分异构化反应，反应是可逆的。,Step 3、磷酸果糖激酶-I催化果糖-6-磷酸磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸，消耗了第二个ATP分子。 磷酸果糖激酶-I 催化ATP中的磷酸基团转移到果糖-6-磷酸的C-1的羟基上，生成果糖-1,6-二磷酸。,Step 4、醛缩酶催化果糖-1,6-二磷酸裂解，生成甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮 果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶的作用下使 C-3和C-4之间键断裂，生成甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮。甘油醛-3-磷酸进一步进行酵解反应，而磷酸二羟丙酮可以作为-甘油磷酸合成的前体，或者是转换成甘油醛-3-磷酸进行酵解。 平衡有利于逆反应方向，但在生理条件下，甘油醛-3-磷酸不断地转化成丙酮酸，大大地降低了甘油醛-3-磷酸的浓度，从而驱动反应向裂解方向进行。,Step 5、丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换,磷酸二羟丙酮需要在丙糖磷酸异构酶的的催化下转化为甘油醛-3-磷酸，反应进行到这一步实际上等于一分子的果糖-1,6-二磷酸裂解生成了能进一步酵解的两分子的甘油醛-3-磷酸。,Step 6、甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1,3-二磷酸甘油酸,甘油醛-3-磷酸在有NAD和H3PO4存在下，由甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）催化生成1,3-二磷酸甘油酸，这是酵解中唯一的一步氧化反应。 反应中一分子NAD被还原成NADH，同时在1,3-二磷酸甘油酸中形成一个高能酸酐键。在下一步酵解反应中，保存在酸酐化合物中的能量可以使得ADP变成ATP。,Step 7、磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，同时生成ATP 1,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的作用下，将高能磷酰基从富含能量的酸酐1,3-二磷酸甘油酸转给ADP形成ATP 和3-磷酸甘油酸。 这步反应是酵解中第一次产生ATP的反应，反应可逆。,Step 8、磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转换为2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸之间的相互转换。变位酶是一种催化一个基团从底物分子的一个部分转移到同分子的另一部分的异构酶。,Step 9、 烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸形成磷酸烯醇式丙酮酸 在烯醇化酶（需要Mg2）催化下，从2-磷酸甘油酸中的，位脱去水形成磷酸烯醇式丙酮酸，反应是可逆的。,Step 10 、丙酮酸激酶催化磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移给ADP，生成丙酮酸和ATP 这是酵解中第二个底物水平磷酸化反应，反应是由丙酮酸激酶催化的。当磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移到ADP的-磷酸基团上时，形成ATP和烯醇式丙酮酸，反应是不可逆的。 与酶结合的烯醇式丙酮酸异构化形成更稳定的丙酮酸，丙酮酸是酵解中第一个不再被磷酸化的化合物。,糖酵解途径,丙酮酸的去路（向）：(1)在无氧或相对缺氧时 酒精发酵(2)在无氧或相对缺氧时 乳酸发酵 许多微生物常进行这种过程。此外，高等动物在氧不充足时，也可进行这条途径，如肌肉强烈运动时即产生大量乳酸。(3)在有氧条件下 丙酮酸有氧氧化 这一过程在线粒体中进行。通过此过程可以使葡萄糖彻底降解、氧化成CO2。被彻底氧化成CO2。,酵解进行到这一步，除了净生成二分子ATP外，还使得二分子的NAD还原为NADH。 葡萄糖2ADP2 NAD2Pi 2丙酮酸2ATP2NADH2H2H2O,酵母菌乙醇发酵,（1）氧化基质：葡萄糖（2）最终的受氢体：乙醛（3）丙酮酸脱羧酶,发酵特点,正型乳酸发酵,C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+2ATP,混合酸发酵等-混合酸发酵是多数大肠杆菌的特征。,人们利用V.P试验进行大肠埃希氏杆菌和产气杆菌的区分。 大肠埃希氏杆菌的发酵产物为甲酸、乙酸、乳酸、CO2等，呈阴性。产气杆菌也能进行混合酸发酵，丙酮酸经过缩合、脱羧后形成乙酰甲基甲醇，可在碱性条件下被迅速氧化为二乙酰，二乙酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反应形成红色化合物。称为阳性反应。 另外，还可以用甲基红试验进行区别。 产气杆菌在混合酸发酵时会产生中性的乙酰甲基醇，但大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵产生多种有机酸，使培养液呈酸性，pH下降至4.2，甚至更低。 当用甲基红滴入时 ，大肠埃希氏杆菌培养液为红色，称之为阳性反应；产气杆菌培养液为橙黄色，为甲基红反应阴性。,大肠杆菌：+产气杆菌：-,在无氧或相对缺氧时,酒精发酵中：作为 乙醛 乙醇 的供氢体,乳酸发酵中：作为 丙酮酸 乳酸 的供氢体,NADH的去路：在有氧条件下,原核生物中：1分子的NADH通过呼吸链可产生3个ATP。,真核生物中：在植物细胞或动物的肌细胞中，1分子的NADH通过呼吸链可产生2个ATP。,2、呼吸-微生物以O2或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。 (1) 特点：,B、 电子载体传递电子伴随ATP大量形成。（氧化磷酸化、电子传递水平磷酸化),A、电子载体 -传递电子。,电子传递链： 一系列电子载体按照氧化还原电位升高的顺序排列而成的链。,(2)呼吸类型 （据电子最终受体分）,a.有氧呼吸：当存在外在的最终电子受体O2时，底物可全部氧化成CO2和H2O，并产生ATP。这种有外在的最终电子受体O2存在时对能源的氧化称为好氧呼吸。 最终电子受体：分子氧；底物：有机物。,好氧呼吸：外源性呼吸微生物利用外界供给的能源进行呼吸；内源性呼吸利用自身内部贮存的能源物质（如多糖、脂肪、PHB等）进行呼吸，呼吸速度取决于细胞的原有营养水平。 好氧呼吸能否进行取决于氧的体积分数是否达到0.2%，低于此不能进行。,丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA的反应是在真核细胞的线粒体基质中进行的，这是一个连接酵解和三羧酸循环的中心环节。 这个反应由丙酮酸脱氢酶复合体催化。丙酮酸脱氢酶复合体包括3个不同的酶和5种不同的辅酶，包括焦磷酸硫胺素（TPP），硫辛酸，FAD，NAD+和CoA。,丙酮酸到乙酰辅酶A,Lys残基,硫辛酰胺,硫辛酸,乙酰硫辛酰胺,还原型,二氢硫辛酰胺的氧化,三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)，又叫做TCA循环，是由于该循环的第一个产物是柠檬酸，它含有三个羧基，故此得名。,该循环的提出的主要贡献者是英国生化学家Krebs，所以又称Krebs循环。,该循环还叫做柠檬酸循环。,a、TCA循环化学反应过程,氧化磷酸化,三羧酸循环,ADP+Pi,CoA,葡萄糖,甘油 脂肪酸,氨基酸,2H,CO2,ATP,O2,H2O,呼吸链,step1. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸的合成,乙酰辅酶A（acetyl CoA）与草酰乙酸（oxaloacetate）缩合成柠檬酸（citrate）； 反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。,step2. 柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸,此反应是由顺乌头酸酶催化的异构化反应；由两步反应构成，(1)：脱水反应；(2)：水合反应。,step3. 异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸羧,异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase）作用下，氧化脱羧而转变成 -酮戊二酸（ - Ketoglutarate）。,step4. -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA,在-酮戊二酸脱氢酶复合体催化下-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA(succinyl-CoA)；该脱氢酶复合体的组成及催化机理与丙酮酸脱氢酶复合体类似。,step5. 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应,在琥珀酰CoA合成酶催化下，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解与GDP磷酸化偶联，生成琥珀酸、GTP和辅酶A。这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。,step6. 琥珀酸脱氢生成延胡索酸,此步反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是FAD，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶。,step7. 延胡索酸加水生成苹果酸,苹果酸酶催化此步反应。,step8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是NAD+。,由TCA循环产生的NADH和FADH2必须经呼吸链将电子交给O2，才能回复成氧化态，再去接受TCA循环脱下的氢。,b、产物NADH和FADH2的去路:,所以，TCA循环需要在有氧的条件下进行。否则NADH和FADH2携带的H无法交给氧，即呼吸链氧化磷酸化无法进行，NAD+及FAD不能被再生，使TCA循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进行。,在好氧呼吸过程中，电子并不是直接传递给O2，而是先转移给NAD，成为NADH2，然后NADH2被氧化后，电子传递给电子传递体系，最后由电子传递体系转给O2。得到电子的O2与H结合形成H2O。,电子传递链,ADP+Pi,ATP,1/2 O2,H2O,呼吸链,e-,HH+e-,O2,C、能量的化学计量,葡萄糖彻底氧化经由的途径：EMP途径、丙酮酸氧化脱羧、TCA循环、呼吸链氧化磷酸化。,对于原核生物：,由于在EMP途径中生成的NADH在线粒体外，其磷氧比为2，所以1分子葡萄糖彻底氧化只能合成 36 ATP。,对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）:,P/O ：表示当一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP分子数，即表示呼吸链氧化磷酸化效率。,磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链： P/O 3,实测得FADH2呼吸链： P/O 2,2e-,2e-,B、 无氧呼吸：在电子传递体系中，氧化NADH2时的最终电子受体不是氧气，而是氧以外的无机化合物。 最终电子受体：氧以外的无机物；底物：有机物。 NO3 SO4 CO3 硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原,无氧呼吸： 无氧呼吸不能以分子氧作为氢及电子受体，而是以某些无机氧化物SO42，NO3，CO2等作为H及电子受体。例如：（1）反硝化菌在无氧存在时，以NO3为H受体 （2）硫酸还原菌在无氧存在时，以SO42为H受体,（3）产甲烷菌以CO2为H受体生成CH4,不同产能方式特征的比较,HMP途径降解葡萄糖的三个阶段：,HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。 1）、葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2 2）、核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸 3）、上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸,4、其它代谢途径,HMP途径（磷酸己糖裂解途径） -大多数好氧菌和兼性厌氧菌通过这条途径代谢,6-葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O5-葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,HMP途径的总反应：,ED途径（好氧G-细菌中具有）：,也称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径，在醛缩酶的作用下，裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经EMP途径的后半部反应转化为丙酮酸。,葡萄糖 +ATP 6-磷酸葡萄糖 -2H 6-磷酸葡萄糖酸 -H2O 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸 3-磷酸甘油醛-丙酮酸？ 总反应式为：C6H12O6ADP+Pi+NADP+NAD2 CH3COCOOH +ATP+ NADPH2+ NADH2,PK途径（少数细菌进行异型乳酸发酵时采用此途径）,也称磷酸解酮酶途径。在微生物降解已糖的过程中，除了EMP、HMP和E.D途径外，还有一条途径即磷酸解酮酶途径（Phosphoketolase Pathway） 该途径为少数细菌所独有。磷酸解酮酶有两种，一种是戊糖磷酸解酮酶，一种是己糖磷酸解酮酶；有些异型乳酸发酵的微生物， 肠膜明串球菌（Leuconostoc mesenteulides）， 短乳酸杆菌（Lactobacillus brevie）， 甘露乳酸杆菌（Lactobacillus manitopoeum）等，是通过戊糖磷酸解酮酶途径进行异型乳酸发酵的，反应途径如下：,5、微生物的发光现象。 发光细菌含有两种特殊成分：虫荧光素酶和长链脂肪族醛（如月桂醛） 发光过程包括电子的传递和能量的转移。电子供体为NADH2，电子传给FMN和虫荧光素酶，使虫荧光素酶激活。被激活的虫荧光素酶在长链脂肪族醛存在下，通入氧气就会引起一阵明亮的闪光，随即返回基态。 发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含量很微时也可发光，因此可用于测定溶液中的微量氧。发光细菌对一些毒物SO2、麻醉剂、氰化物等很敏感生物探测器。,钩鞭藻发出的“发光海浪”,明亮发光杆菌,微生物的合成代谢主要指与细胞结构、生长和生命活动有关的生物大分子物质的合成，这些物质包括蛋白质、核酸、多糖及脂类等化合物。 在微生物的合成代谢中有许多过程与其他生物是基本相同的，如蛋白质和核酸等物质的合成。,（一）微生物合成代谢的类型：,二、微生物的合成代谢,细胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。,小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2,（二）微生物合成代谢的原料：,直接自外界环境中吸取,从分解代谢中获得,（1）还原力-主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即NADPH2或NADH2，这两种物质在转氢酶作用下可以互换。,化能异养微生物：,化能自养型细菌,通过发酵或呼吸过程形成,氢酶催化H2形成NAD(P)H2 （氢细菌等）,电子逆转，在消耗ATP的前提下，电子通过在电子传递链上的逆转过程(由高电位向低电位流动)产生NAD(P)H2,次级代谢（次生代谢产物） 避免初级代谢过程中某种中间产物积累造成的毒害的而产生的一类有利于生存的代谢类型。,初级代谢（初级代谢产物） 与微生物的产能代谢和耗能代谢的有关的代谢类型。,（2）小分子前体碳架物质-这类物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成分的前体物(氨基酸、核苷酸及单糖等)。,（3） 能量 -微生物合成代谢所需能量来自发酵、呼吸和光合磷酸化过程形成的ATP和其他高能化合物。,（三）微生物合成代谢的生化过程,异养菌合成代谢分三层次进行： 第一层次：降解反应。（碳的骨架、能量） 多糖单糖小分子碳的化合物（C1-C7）（酶促） 第二层次：小分子合成反应（大分子合成的前提） 碳化合物小分子（氨基酸、氨基已糖、核苷酸）（酶促） 第三层次：小分子合成大分子 蛋白质、核酸、多糖。,自养菌的合成代谢： 产甲烷菌的合成代谢-利用C1和C2有机物产生CO2、CH4。 化能自养型微生物的合成代谢如硫细菌可以通过对无机硫、硫化氢及硫代硫酸盐的氧化而得到能量。 光合作用-藻类的光合作用；细菌的光合作用。,