《微生物M代谢》PPT课件.ppt

第五章 微生物的新陈代谢,代谢概论 第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物特有的合成代谢途径 第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 第四节 微生物代谢与生产实践,代谢概论,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、关键酶限制代谢途径的流量,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过程。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。,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：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。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。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,一、概述,第一节 微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。,有机物最初能源日光通用能源还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,1、化能异养微生物的生物氧化和产能过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）功能：产能（ATP）、还原力H、小分子中间代谢产物等。,葡萄糖降解代谢途径生物氧化：发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）,生物氧化的形式：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,2、化能自养微生物的生物氧化与产能 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。代谢特点 1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置 直接进入呼吸链 2）存在多种呼吸链 3）产能效率低；4）生长缓慢，产细胞率低。,3、光能自养或异氧微生物的产能代谢 指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物。前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H+和电子形成还原力(NADPH+H+),二、葡萄糖降解代谢途径（EMP、HMP、ED、PK途径等。）1）EMP途径（糖酵解途径、己糖二磷酸途径）葡萄糖 2丙酮酸 有氧：EMP途径与TCA途径连接；无氧：还原一些代谢产物，(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。产能：（底物磷酸化）产能：（1）1，3 P-甘油醛 3 P-甘油酸+ATP；（2）PEP 丙酮酸+ATP,10 步反应,葡萄糖的 酵解作用(又称：Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称：EMP途径),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+2ADP+2Pi 2丙酮酸+2NADH+2H+2ATP CoA 丙酮酸脱氢酶 乙酰CoA，进入TCA,磷酸果糖激酶,EMP途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着存在EMP途径需要ATP和Mg+在活细胞内催化的反应是不可逆的反应,分为两个阶段：1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。,2）HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）,6-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。甘油醛-3-磷酸出路：a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA 途径 b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。总反应式：6 6-磷酸葡萄糖+12NADP+6H2O 5 6-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H+Pi 特点：a、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成；b、产大量的NADPH+H+还原力；c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖）；d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存；e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。,HMP途径的生理学意义,供应合成原料：磷酸戊糖、4-磷酸-赤藓糖 为原料。产还原力。作为固定CO2的中介。扩大碳源利用范围。连接EMP途径。提供发酵产物：核苷酸、氨基酸、辅酶,3）ED途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff：嗜糖假单胞菌 过程：（4步反应）1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脱水酶,3-磷酸-甘油醛+丙酮酸,KDPG醛缩酶,特点:a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG特征酶：KDPG醛缩酶 细菌：铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、运动发酵单胞菌等。,4）PK途径（磷酸酮解酶途径）,a、磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌）G 5-磷酸-木酮糖,乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛,特征性酶 木酮糖酮解酶,乙醇,丙酮酸,乳酸,1 G 乳酸+乙醇+1 ATP+NADPH+H+,G 6-磷酸-果糖,b、磷酸己糖酮解酶途径又称HK途径（两歧双歧杆菌）,4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸,特征性酶 磷酸己糖酮解酶,3-磷酸甘油醛+乙酰磷酸,5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖,乙酸,戊糖酮解酶,6-磷酸-果糖,乳酸,乙酸,1 G 乳酸+1.5乙酸+2.5 ATP,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。,1、定义 广义：利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢 产物作为最终氢（电子）受体的产能过程 特点：1）通过底物水平磷酸化产ATP；2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于 发酵产物中；3）产能率低；4）产多种发酵产物。,三、发酵（fermentantion）,发酵的定义（1）狭义“发酵”的定义 在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。,（2）广义“发酵”的定义 工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,发酵的类型 根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将发酵分成若干类型：1，按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型。2，按发酵产物来区分：如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。3，按发酵形式来区分：固态发酵和深层液体发酵。4，按发酵工艺流程区分：分批发酵、连续发酵和流加发酵。5，按发酵过程中对氧的不同需求来区分：厌氧发酵和通风发酵两大类型。,淀粉的分解,淀粉：直链、支链1、液化型淀粉酶（淀粉酶）枯草杆菌2、糖化型淀粉酶：三种淀粉1，4麦芽糖苷酶（淀粉酶）特点：从非还原性末端开始，按双糖为单位，生成麦芽糖，不作用于1，6，产物是麦芽糖和极限糊精。,3、淀粉1，4葡萄糖糖苷酶（糖化酶）特点：以葡萄糖为单位，能越过1，6，根霉和曲霉。4、淀粉1，6葡萄糖苷酶（异淀粉酶）1，6糖苷键。,2、发酵类型1）乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛+CO2 2 乙醇+2 ATP 条件：pH 3.54.5,厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）i、加入NaHSO3 NaHSO3+乙醛 磺化羟乙醛（难溶）ii、弱碱性（pH 7.5）2 乙醛 1 乙酸+1 乙醇（歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油甘油发酵,（EMP）,-亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）,概念菌种途径特点发生条件,当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,巴斯德效应(The Pasteur effect),现象：,通风对酵母代谢的影响,概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源机理：,巴斯德效应（续）,葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-果糖 1,6-二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 乙酰CoA,草酰乙酸,柠檬酸,6-磷酸-葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸,-ADP,AMP,-ATP、柠檬酸,-ADP,AMP,1,6-二-磷酸-果糖,己糖激酶,磷酸果糖激酶(PFK),丙酮酸激酶,b、细菌型乙醇发酵(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)同型酒精发酵 1 G 2 丙酮酸 代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.,（ED）,乙醇+1ATP,异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）1 G 2 丙酮酸,（丙酮酸甲酸解酶）,乙醛 乙醇,甲酸+乙酰-CoA,无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶,利用Z.mobilis等细菌生产酒精,优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少;代谢副产物少；发酵温度高；,缺点：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低,2）乳酸发酵 同型乳酸发酵（德氏乳杆菌、植物乳杆菌等）EMP途径（丙酮酸 乳酸）异型乳酸发酵（PK途径）肠膜明串株菌（PK）产能：1ATP 双歧双歧杆菌（PK、HK）产能：2G 5 ATP即 1G 2.5ATP,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,同型乳酸发酵,2NAD+2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis（乳酸乳球菌）Lactobacillus plantarum（植物乳酸菌）,概念菌种途径特点,异型乳酸发酵：,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,概念菌种途径特点,-CO2,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）双歧杆菌发酵:（经HK途径磷酸己糖解酮酶途径）,3)混合酸、丁二醇发酵a 混合酸发酵：肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）,1 G,丙酮酸,乳酸,乳酸脱氢酶,磷酸转乙酰基酶,乙醛脱氢酶,乙酸激酶,乙醇脱氢酶,乙酸,乙醇,E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验：E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2+H2（甲酸氢解酶、H+）志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。,CO2+H2,鉴别肠道细菌的V.P.试验,鉴别原理 缩合 脱羧2丙酮酸 乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇 碱性条件 2,3-丁二醇 二乙酰（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物,-CO2,鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（M.R）试验,产酸产气试验：Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。,大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌：pH4.5,IMViC试验：,=吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。,b 丁二醇发酵（2，3-丁二醇发酵）肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等,丙酮酸,乙酰乳酸,3-羟基丁酮,乙二酰,红色物质,（乙酰乳酸脱氢酶）,（OH-、O2）,中性,丁二醇,精氨酸胍基,其中两个重要的鉴定反应：1、VP实验 2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）,V.P.试验的原理：,4）丙酮-丁醇发酵 严格厌氧菌进行的 唯一能大规模生产的发酵产品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum),2丙酮酸,2乙酰-CoA,乙酰-乙酰 CoA,丙酮+CO2,（CoA转移酶）,丁醇,缩合,5）氨基酸的发酵产能（stickland反应）发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）氢供体（氧化）氨基酸：Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氢受体（还原）氨基酸：Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。,氧化 丙氨酸,丙酮酸,-NH3,乙酰-CoA,乙酸+ATP,甘氨酸,-NH3,还原,柠檬酸发酵,一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。三、工艺流程：发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；pH23时，发酵产物主要是柠檬酸；pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。,谷氨酸发酵,一、谷氨酸发酵菌种：Corynebacterium pekinense北京棒状杆菌Corynebacterium glutamicum谷氨酸棒状杆菌Brevibacterium flavum黄色短杆菌二、发酵机理：谷氨酸以-酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛酸循环等；谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脱氢酶的活力要很高；生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。,一、谷氨酸发酵的菌种扩大培养斜面菌种一级种子培养二级种子培养发酵罐1，斜面菌种的培养 菌种的斜面培养必须有利于菌种生长而不产酸，并要求斜面菌种绝对纯，不得混有任何杂菌和噬菌体，培养条件应有利于菌种繁殖，培养基以多含有机氮而不含或少含糖为原则。(1)斜面培养基组成葡萄糖 0.1%，蛋白胨 1.0%，牛肉膏 1.0%，氯化钠 0.5%，琼脂 2.02.5%，pH 7.07.2（传代和保藏斜面不加葡萄糖）。(2)培养条件3334，培养1824h。,2，一级种子培养 一级种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌体，培养基组成应以少含糖分，多含有机氮为主，培养条件从有利于长菌考虑。(1)培养基组成葡萄糖 2.5%，尿素 0.5%，硫酸镁 0.04%，磷酸氢二钾 0.1%，玉米浆 2.53.5%(按质增减)，硫酸亚铁、硫酸锰各2ppm，pH7.0。(2)培养条件 用1000mL三角瓶装入培养基200mI，灭菌后置于冲程7.6cm、频率96次/min的往复式摇床上振荡培养12h，培养温度3334。,(3)一级种子质量要求种龄：12h，pH值：6.40.1光密度：净增OD值0.5以上残糖：0.5以下 无菌检查：(-)噬菌体检查：(-)镜检：菌体生长均匀、粗壮，排列整齐革兰氏阳性反应。,3，二级种子培养为了获得发酵所需要的足够数量的菌体，在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。(1)培养基组成,(2)培养条件接种量：0.81.0培养温度：3234培养时间：78h通风量：50L种子罐1:0.5搅拌转速340rmin；250L种子罐1:0.3搅拌转速300r min500L种子罐1:0.25搅拌转速230r min,(3)二级种子的质量要求种龄：78hpH：7.2左右OD值净增0.5左右无菌检查(-)噬菌体检查(-),四、呼吸（respiration）从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸（aerobic respiration）无氧呼吸（anaerobic respiration）1 有氧呼吸 原核微生物：细胞膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：Kreb 循环、电子传递。,TCA循环的生理意义：（1）为细胞提供能量。（2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。（3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。,（1）TCA循环、柠檬酸循环或Krebs循环,TCA 的补充途径 I 乙醛酸循环（TCA 循环支路）,（异柠檬酸裂合酶）,（乙酰-CoA合成酶）,（苹果酸合成酶）,乙酰-CoA,异柠檬酸,琥珀酸+乙醛酸,乙酸,苹果酸,Ii 丙酮酸、PEP等化合物固定CO2的方法Iii 厌氧、兼性厌氧微生物获得TCA 中间产物方式,（2）电子传递链1）电子传递链载体:NADH脱氢酶黄素蛋白辅酶Q（CoQ）铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。,2）原核微生物电子传递链特点：最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等；电子供体：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等；含各种类型细胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyt a1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变存在分支呼吸链：细菌的电子传递链更短并PO比更低，在电子传递链的几个位置进入链和通过几个位置的末端氧化酶而离开链。E.coli（缺氧）CoQ cyt.b556 cyt.o cyt.b558 cyt.d（抗氰化物）细胞色素0分支对氧亲和性低，是一种质子泵，在氧供应充足的条件下工作；细胞色素d分支对氧有很高的亲和性，因此在氧供应不足的情况下起作用。电子传递多样：CoQ cyt.也可不经过此途径。,3）氧化磷酸化产能机制 化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说化学渗透学说-英国生物化学家PeterMitchell于1961年提出的。该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，电子向内传递。质子传递可能是由于载体环或特定的质子泵的作用，驱动泵的能量来自电子传递。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子动势Proton motiveforce,PMF)是ATP合成的原动力。当质子动势驱动被转移至膜间空键的质子返回线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。质子推动力（p）取决于跨膜的质子浓度（pH）和内膜两侧的电位差（）。,特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点：a 有其完整的呼吸系统；b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A、亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。,2 无氧呼吸（厌氧呼吸）,硝酸盐作用,同化性硝酸盐作用：NO3-NH3-N R-NH2 异化性硝酸盐作用：无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体 NO3-NO2 NO N2O N2 反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。,亚硝酸还原酶,氧化氮还原酶,氧化亚氮还原酶,硝酸盐还原酶,硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）厌氧时，SO42-、SO32-、S2O32-等为末端电 子受体的呼吸过程。特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌 c、极大多专性化能异氧型，少数混合型；d、最终产物为H2S；SO42-SO32-SO2 S H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体；f、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）,硫呼吸（硫还原）,以元素S作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）以CO2、HCO3-为末端电子受体 产甲烷菌 利用H2作电子供体（能源）、CO2为 受体，产物CH4；产乙酸细菌 H2/CO2 进行无氧呼吸，产物为乙酸。,其他类型无氧呼吸 以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末 端电子受体的无氧呼吸。延胡索酸 琥珀酸+1 ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。,利用Desulfotomaculum auripigmentum还原AsO43-生产三硫化二砷（雌黄）作用：生物矿化和微生物清污,第二节 微生物特有的合成代谢途径一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌光能营养型生物 不产氧（仅原核生物有）：光合细菌1、光合细菌类群1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。(H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用)。,2）不产氧光合细菌a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 b。紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大。S沉积胞内。氢供体：H2S、H2 或 有机物。H2S S SO42-；少数暗环境以S2O32-作为电子供体。,氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+氧化产生Fe(OH)3沉淀,紫色非硫细菌（红螺菌科）：旧认为不能利用硫化物作为电子供体；现知大多数亦能利用硫化物，但浓度不能高。b、绿色细菌（绿硫细菌）含较多的菌绿素c、d 或 e，少量 a。电子供体：硫化物 或 元素硫，S沉积胞外（类似紫色非硫细菌）；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物。,2、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。a：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。b：最大吸收波长8401030。3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素：藻胆素：蓝细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620 640 nm）藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。,3、细菌光合作用1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素P870，P870吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素P870，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。特点：a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素；b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物；c、不产氧（O2）。,光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.,紫色细菌循环光合磷酸化过程,外源电子供体 H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，但电子传递不形成环式回路。,绿硫细菌和绿色细菌,2）非循环光合磷酸化 特点：a、电子传递非循环式；b、在有氧的条件下进行；c、存在两个光合系统 d、ATP、还原力、O2同时产生 当光反应中心I的叶绿素P700吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP）生成NADH（NADPH）+H(还原力)，而不是返回氧化型P700。光合系统II将电子提供给氧化型P700，并产生ATP。光合系统II天线色素吸收光能并激发P680放出电子，然后还原脱镁叶绿素a(脱镁叶绿素a是2个氢原子取代中心镁原子的叶绿素a)，经过由质体醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和质体蓝素(plastocyanin，PC)组成的电子传递链到氧化型 P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680从水氧化成02过程中得到电子。在光系统中，电子由PQ经Cyt.b传递给Cyt.f时与ADP磷酸化偶联产生ATP。,蓝细菌等的产氧光合作用非循环光合磷酸化过程,3）依靠菌视紫红质的光合作用无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。极端嗜盐古细菌 菌视紫红质：以“视黄醛”（紫色）为辅基。与叶绿素相似，具质子泵作用。与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡 萝卜素）内。,ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。,二、细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌：通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2)。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。最重要反应：CO2 还原成CH20水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。,化能自养细菌的能量代谢特点：无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。产能效率，即氧化磷酸化效率(P0值)通常要比化能异养细菌的低。生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱下的氢(电子)直接进入呼吸链。,1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。,a、亚硝化细菌 NH3+O2+2H+NH2OH+H2O,根据它们氧化无机化合物的不同,也称氨氧化细菌(产生1分子ATP),2 氢细菌（氧化氢细菌）能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogen oxidizing bacteria)。兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。产能：2H2+O2 2 H2O 合成代谢反应：2H2+CO2 CH2O+H2O。,氢细菌的自氧作用 第一步：产能反应，氧化4分子H。产生1分子ATP；第二步：合成代谢反应，用所产生的ATP还原C02构成细胞物质CH2O和生长。,在Ralstonia eutropha中存在两种氢酶，一种膜结合氢酶涉及质子动势而细胞质中的氢酶为Calvin cycle 提供还原力NADH。,3 硫细菌（硫氧化细菌）,利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌 大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经cyt.c部位进入呼吸链；而脱氮硫杆菌从FP或 cyt.b水平进入。嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2)氧化成铁离子(Fe3)。,产能途径第一阶段，H2S、S0和S2O32等硫化物被氧化为SO32第二阶段，形成的SO32进一步氧化为SO42和产能。1、由细胞色素亚硫酸氧化酶将SO32直接氧化成为SO42，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子APS，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32产生15分子ATP。,4 铁细菌和细菌沥滤(1)铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。）定义：能氧化Fe2成为Fe3并产能的细菌被称为铁细菌(iron bacteria)或铁氧化细菌(iron oxidizing bacteria)。包括亚铁杆菌属(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌属(Gallionella)、纤发菌属(Leptothrix)、泉发菌属(Crenothrix)和球衣菌属(Sphaerotilus)的成员。有些氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus frrooxidans)和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2)氧化成铁离子(Fe3)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。大多数铁细菌还是嗜酸性的。铁细菌的细胞产率也相当低,铁氧化细菌呼吸链的氧化磷酸化的产能途径,(2)细菌沥滤 利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。原理：a、浸矿剂的生成 2S+3O2+2H2O 2H2SO4 4FeSO4+2H2SO4+O2 2Fe2（SO4）3+2 H2Ob、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出 CuS+2 Fe2（SO4）3+2H2O+O2 CuSO4+4FeSO4+2H2SO4 c、铁屑置换CuSO4中的铜 CuSO4+Fe FeSO4+Cu 适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出 率达70%80%。,1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属。,三、固氮作用,2、固氮机制,1）固氮反应的条件 a ATP的供应：1 mol N2 10 15 ATP b 还原力H及其载体 氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧 还蛋白（Fld）。c 固氮酶 组分 I：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋 白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd）,组分II：,固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮 铁氧还蛋白（AzoFd）特性：对氧极为敏感；需有Mg2+的存在；专一性：除N2外，可还原其他一些化合物 C2H2 C2H4；2H+H2；N2O N2；HCN CH4+NH3（乙炔反应：可用来测知酶活）d 还原低物N2：NH3存在时会抑制固氮作用。,N2+2e+6H+（18 24）ATP 2NH3+H2+（18 24）ADP+18 24 Pi a、固氮酶的形成 e 组分II 组分II（e）MgATP 组分I+N2 IN2 b、固氮阶段 N2*2NH3+H2 即 75%还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费,2）固氮生化过程,Fd，Fld,+,固氮酶（1：1复合物）,固氮生化途径,3、好氧性固氮菌的防氧机制,固N酶遇氧不可逆失活（组分I，半衰期10；组分II，45”丧失一半活性）（1）自身固N菌 a 呼吸保护 固N菌科的固N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。b 构象保护 高氧分压环境，固氮酶能形成一无固N活性但能防止氧损伤的特殊构象。构象保护的蛋白质 Fe-s蛋白II 氧压增高，固氮酶与Fes蛋白II结合，构象变化，丧失固N能力；氧浓度降低，蛋白自酶上解离,(2)蓝细菌保护固N酶机制 a 分化出特殊的还原性异形胞（适宜固氮作用的细胞）I、厚壁，物理屏障；II、缺乏氧光合系统II，脱氧酶、氢酶活性高；III、SOD活性很高；IV、呼吸强度高 b 非异形胞蓝细菌固N酶的保护 缺乏独特的防止氧对固N酶的损伤机制。I、固N、光合作用在时间上分隔开 织线蓝菌属（黑暗：固N；光照：光合作用）II、形成束状群体（束毛蓝菌属），利于固N酶在微氧环境下固N III、提高胞内过氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）,I、豆科植物的共 生菌 以类菌体形式存在于根瘤中 类菌体周膜：豆血红蛋白，可与氧可逆结合（高时结合，低时释放）豆血红蛋白：蛋白部分由植物基因编码；血 红素有根瘤菌基因编码。II、非豆科植物共生菌 含植物血红蛋白（功能相似豆血红蛋白）Frankin放线菌：营养菌丝末端膨大的泡囊类似异形胞。,c 根瘤菌保护固N酶机制,四、肽聚糖的合成,1 在细胞质中的合成UDP-胞壁酸5肽 a G G-UDP，M-UDP G 6-P-果糖 6-P-葡糖胺 N-乙酸葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDP N-乙酰胞壁酸-UDP b M合成“Park”核苷酸（UDP-M-5肽）UDP作为糖载体 D-Val-D-Val为环丝氨酸（恶唑霉素）阻断；,N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,亲水性化合物,肽聚糖单体亚单位的合成 载体：细菌萜醇（类脂载体）C55类异戊二烯醇（含11个异戊二烯单位）穿膜的同时与G结合，接上肽桥，此外，类脂载体还参与胞外多糖、脂多糖的合 成（磷壁酸、纤维素、几丁质、甘露聚糖等）万古霉素，杆菌肽所抑制这些反应,2 细胞膜中的合成,“Park”核苷酸合成肽聚糖单体,细胞膜上,细胞质,双糖肽位于细胞膜外细胞壁生长点处,3 膜外的合成,a、多糖链的伸长（横向连接）：肽糖单体+引物（68肽糖单位）多 糖链横向延伸1双糖单位。b、相邻多糖链相联（纵向连接）：2D-Val M-4肽+D-Val 甲肽尾五甘氨酸肽的游离NH与乙肽尾 D-Val（第4个氨基酸）游离COOH转肽作用：青霉素所抑制。青霉素为D-Val-D-Val结构类 似物，竞争转肽酶,转糖基（形成-1，4糖苷键）,转糖基作用和转肽作用,第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 一、次级代谢与次级代谢产物 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代