环境工程微生物学第六章.ppt

第六章 微生物的代谢,6.1 代谢概述6.2 微生物的酶及酶促反应6.3 微生物的分解代谢6.4 微生物的合成代谢（了解）6.5 微生物的代谢调控（自学）,6.1 代谢概述,广义的代谢：指生物活体与外界不断进行物质交换。合成代谢：指生物体不断地从外界摄取营养物质合成为自身细胞物质的过程，因此又称同化作用。需要吸收能量，消耗还原力；分解代谢：是生物将自身的或外来的各种复杂有机物分解为简单化合物的过程，故又称之为异化作用，伴随着能量的释放并产生还原力H。分解过程产生的中间产物、还原力 H及能量又可用于合成细胞所需复杂有机物。,合成代谢消耗能量,分解代谢产生能量,基质,产物,生物合成,质子驱动力,6.1 代谢概述（续）,单体,大分子和其他细胞组分,质子驱动力（PMF）,在细胞膜上镶嵌有许多进行电子传递的蛋白质;在传递电子的同时，也一起或分开传递质子;电子在电子传递链上传递的时候，质子被泵出细胞膜外;导致细胞膜外形成微酸环境;用于还原最终电子受体O2为水的质子，来自于细胞原生质;这些质子来自于水的分解，留下OH-于细胞内;最终造成跨膜的电化学梯度.,质子驱动力的产生,质子驱动力产生的关键步骤是：载体接受氢原子，仅传递一个电子；好氧呼吸的最终氧化作用是还原氧气为水；,原生质,环境,质子驱动力和ATP的形成,将PMF转化为ATP，需要大量的膜嵌酶；ATP合成酶由三部分组成，又称F1F0-ATP合酶；F1头部：位于原生质中F0基部：位于膜上，传递质子柄部：连接F1和F0的部位，有控制质子流的作用ATP合成酶催化的反应是可逆的；F1F0-ATP合酶是已知的最小的生物马达；ATP合酶催化ATP的合成反应，就是氧化磷酸化过程；每一个ATP的产生需要传递3-4个质子；,五种亚基33九种多肽及亚基上有ATP结合部位，亚基是催化亚基；可能有闸门的作用，控制质子通过；亚基是F1与膜相连通的质子通道；亚基是酶的调节亚基；abc三类亚基，abc12结合组成,ATP合成动画,原生质,环境,6.2 微生物的酶及酶促反应,酶是一种由生物细胞产生的，可以独立存在并具有催化活性的生物催化剂。生物的代谢是在酶的催化作用下进行的一系列不同的化学反应所组成。没有酶，就没有新陈代谢，也就没有生命。,6.2.1 酶的组成,(1)酶分子的组成单成分酶：酶的分子全部是蛋白质例如蛋白酶、淀粉酶全酶：其分子组成除了蛋白质外，还含有对热稳定的非蛋白质类小分子物质。全酶中的蛋白质部分叫酶蛋白全酶中非蛋白质小分子叫辅(助)因子。,(1)酶分子的组成,酶的分子组成如下：单成分酶=酶蛋白(如淀粉酶)全 酶=酶蛋白+有机物 全 酶=酶蛋白+有机物+金属离子 全 酶=酶蛋白+金属离子 酶蛋白 辅因子,(1)酶分子的组成（续）,酶的辅因子有些是小分子有机物，有些是金属离子，有时两者都有。辅酶：与酶蛋白结合较松弛、用透析法可以除去的小分子有机物的酶的辅因子；辅基：与酶蛋白结合比较紧的、用透析法不易除去的小分子物质(包括金属离子)称为辅基。辅基一般都以共价键或配位键与酶蛋白相结合，需经特殊化学处理才能与酶蛋白分开。,(2)酶的化学组成,元素组成C、H、O、N、S有微量元素P、Fe、Zn、Cu、Mn、I等其中氮的含量在各种蛋白质中都比较稳定，平均约16%。氨基酸是蛋白质的基本组成单位，组成蛋白质的氨基酸有20种。,6.2.2 酶的结构与功能,酶蛋白决定着酶的催化特性。酶蛋白是由L-a-氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或几条多肽链按各自的特殊方式组合成具有生物活性的大分子。蛋白质的结构分为一级结构二级结构三级结构四级结构,6.2.2.5 酶的活性中心及作用,酶的活性中心(活性部位)是指酶分子中直接和底物结合并与酶的催化作用直接有关的部位。单成分酶的活性中心是由一些氨基酸残基的侧链基团组成(有时也包括某些肽键基团)对于全酶、辅酶或辅基上的某一部分往往也是活性中心的组成部分。活性中心的基团分为：结合基团：参与和底物结合的基团催化基团：直接参与催化反应的基团,酶催化作用实例,6.2.2.6 重要辅酶的结构与功能,(1)烟酰胺核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，又叫辅酶I(CoI)；还原态CoI常写成NADH+H+方式，也可用NADH2表示 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，又叫辅酶(CoII)都含有烟酰胺(维生素B5)基。,辅酶CoI的氧化还原态结构Nicotinamide Adenine Dinucleotide(NAD+),NADH脱氢酶 接受来自NADH的氢原子（细胞内反应产生的），并传递氢原子给黄素蛋白（flavoproteins），其功能团是烟酰胺基的吡啶环。,腺嘌呤,核糖,烟酰胺,核糖,被氧化,被还原,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),（2）黄素核苷酸：黄素蛋白（Flavoproteins）的辅酶,核黄素(维生素B2)是其重要成分是黄素蛋白中能被氧化和还原的辅酶；黄素蛋白接受氢原子，提供电子；有两类，均呈黄色：黄素单核苷酸 Flavin mononucleotide(FMN)黄素腺瞟呤二核苷酸 Flavin adenine dinucleotide(FAD),异咯嗪环,核糖醇,1,10,呈黄色,被氧化,被还原,Flavin mononucleotideFMN黄素单核苷酸,核黄素-5-磷酸,Flavin adenine dinucleotideFAD黄素腺嘌呤二核苷酸核黄素-5-腺苷二磷酸,核黄素,adenine,腺嘌呤,FMN,（3）细胞色素（Cytochromes）,是含铁普菲林环（原血红素）蛋白的辅酶；通过细胞色素中心的铁得、失一个电子来进行氧化还原反应；(铁在 Fe2+和Fe3+之间转换)已知有几种细胞色素，分别具有不同的氧化还原电位；能与其它的细胞色素或铁-硫蛋白组成牢固的复合物；,细胞色素的结构,（4）铁-硫蛋白Iron-sulfur proteins,其中铁没有绑定原血红素；铁与硫有不同的组合形式；Fe2S2和Fe4S4较普遍；铁通过半胱氨酸残基绑定到蛋白质上；不同的铁-硫蛋白具有很大差异的氧化还原电位，使得它们在电子传递链上不同位置发挥作用；仅仅传递电子；,Fe4S4,R-半胱氨酸,R-半胱氨酸,R-半胱氨酸,R-半胱氨酸,半胱氨酸,R,半胱氨酸,半胱氨酸,半胱氨酸,Fe2S2,（5）泛醌（辅酶Q，Quinones）,高疏水性分子；非蛋白质；甲萘醌与维生素K有关；接受氢原子，提供电子；其自身可组成一氧化还原体系，起着传递电子的作用：,被氧化,被还原,(6)辅酶A CoA,coenzyme,CoA或HSCoA 含有维生素B族的泛酸、腺嘌呤核苷酸和巯基乙胺等组分。酰基转移酶的辅酶，其中巯基“HS-”是重要功能团。,乙酰基团,泛酸,磷酸,2-巯基乙胺或硫代乙醇胺,CoA,一条电子传递链e.g.线粒体和特定细菌（脱氮副球菌Paracoccus denitrificans）中典型的电子传递链；大肠杆菌（E.coli）的细胞色素c和 aa3缺失，电子通过细胞色素 b、o或 d进行传递,电子传递链与电子塔的比较,CO2/葡萄糖(-0.43)24e-,2H+/H2(-0.42)2e-,CO2/甲醇(-0.38)6e-,CO2/醋酸盐(-0.28)8e-,丙酮酸/乳酸(-0.19)2e-,富马酸/琥珀酸(+0.03)2e-,细胞色素box/red(+0.035)1e-,Fe3+/Fe2+(+0.2)1e-(pH 7),泛醌ox/red(+0.11)2e-,细胞色素cox/red(+0.25)1e-,细胞色素aox/red(+0.39)1e-,NO3-/NO2-(+0.42)2e-,S0/H2S(-0.28)2e-,SO42-/H2S(-0.22)8e-,S4O62-/S2O32-(+0.024)2e-,NAD+/NADH(-0.32)2e-,氧化还原对,H2作为电子供体的反应实例,H2+富马酸琥珀酸,623 酶促反应的特点,酶积极参与生物化学反应，提高反应速率，降低活化能；缩短反应到达平衡的时间，但不改变反应的平衡点。酶在参与反应的前后，其功能和数量不变，但活性可能会降低。,假设的放能反应过程：A+BC+D,没有酶的活化态,GAct,有酶的活化态,G有酶参与的活化能,基质(A+B),G0 reaction,产物(C+D),反应过程,自由能,623 酶促反应的特点（续）,酶的催化作用具有专一性。一种酶只作用于一种物质或一类物质，或催化一种或一类化学反应，产生一定的产物。绝对专一性：只能催化一种物质发生反应，对其他物质不起作用相对专一性：指一种酶能催化一类具有相同化学键或基团的物质进行某种类型的反应立体异构专一性：是指某种酶只能对含不对称碳原子的某一种异构体起催化作用，而不能催化它的另一种异构体。如L-乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢而对D-乳酸不起作用,623 酶促反应的特点（续）,酶的催化作用条件温和。酶只需在常温、常压和近中性的水溶液中就可使催化反应进行。酶对环境条件极为敏感。高温、强酸、强碱都能使酶丧失活性；等重金属离子能使酶钝化，失去活性。,623 酶促反应的特点（续）,酶的高率性，比无机催化剂的催化效率高几千倍至百亿倍。2H2O2 2H2O+O2 1molFe每秒催化10-5mol的H2O2分解1mol的H2O2酶每秒能催化105mol的H2O2分解,6.2.4 酶的种类,(1)按照酶所催化的化学反应类型水解酶类：催化大分子有机物水解成小分子的酶。水解反应的通式如下：,A-B+HOH AOH+BH,6.2.4 酶的种类,氧化还原酶类 催化氧化还原反应的酶称为氧化还原酶。其反应通式为：,AH2+B A+BH2,AH2是供氢体，根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶,6.2.4 酶的种类（续）,转移酶类：催化底物的基团转移到另一有机物上的酶。其反应通式为：A-R+B A+B-R R如氨基、醛基、酮基、磷酸基,6.2.4 酶的种类（续）,异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列。其反应通式为：A A,6.2.4 酶的种类（续）,裂解酶类：催化有机物裂解为小分子有机物。其反应通式为：AB A+B,6.2.4 酶的种类（续）,合成酶类：催化底物的合成反应。需要消耗ATP以获取能量。反应通式为 A+B+ATP AB+ADP+H3PO4,6.2.4 酶的种类（续）,(2)按酶在细胞的存在部位，分为胞外酶胞内酶表面酶(3)按酶作用底物的不同，分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。以上三种分类和命名方法可有机地联系和统一起来。习惯上较多采用“底物+反应性质”的分类及命名方法。,6.2.5 酶促反应动力学,酶催化反应速度：指单位时间内底物的减少量或产物生成的量表示。,6.2.5.1 中间产物学说,在酶(E)浓度一定以及其他条件保持不变的情况下，底物浓度与酶促反应速率之间有特殊的关系。,6.2.5.2 酶促反应动力学,酶催化反应式酶促反应的速度方程式(米氏公式),利用基质浓度表示反应速率；首先建立速率方程；在平衡状态下:,酶促动力学的数学模型,米氏方程：是表示底物浓度和酶促反应速率之间相互关系的方程；Vmax=最大基质利用速率Km=酶促反应速率达到最大速率的一半时的底物浓度；即Km=S 当 v=1/2 Vmax,单个酶的饱和行为,高 S:SKm v=Vmax低 S:SKm v=VmaxS/Km,根据米氏方程动力学，基质浓度S对酶促反应速率（V）的影响当S=Km,v=1/2 Vmax,微生物的生长动力学、Monod方程,微生物的生长速度：f(s,p,T,pH,),在一定条件下(基质限制)：f(S),细菌生长动力学（Monod方程）,Monod方程是米氏方程的延伸，是基于分批培养下，基质浓度和细胞浓度随时间的变化。细胞生长动力学遵循经验关系；基质利用速率：S=基质浓度；X=细胞浓度；k=最大的比基质利用率，类似于Vmax；(S/Xtime)Ks=半速度常数（S/体积)：是基质可降解性和酶系数（生化途径）的方程,细菌生长动力学（Monod方程）,Monod动力学方程类似于单一基质下的酶动力学；细胞产量：直接与基质利用相关,细胞生长的速度：,dX,r,dt,=,dX,dt,=,X,细胞生长的比速：,(g.L-1.s-1),(h-1、s-1),单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念,XS（底物）X（菌体）P（产物）,细菌生长动力学（Monod方程）,细菌生长率，经验上类似于米氏方程,基质浓度与生长速度的关系Monod方程(1949),米氏方程:,：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数max:最大比生长速度,单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。,Monod方程的参数求解(双倒数法)：,将Monod方程取倒数可得：,或：,这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。,例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：,S(mg/l)6 33 64 153 221(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70,求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?,解：将数据整理：,S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,max，1.11(h-1);Ks97.6 mg/L,tdln2/max0.64 h,典型微生物的生长速度,6.2.5.3 影响酶促反应速率的因素,(1)、酶当底物浓度足够时，酶促反应速率在一定范围内与酶的浓度成正比，当酶浓度很高时，速度曲线逐渐折向平缓.,(2)底物浓度,当酶的浓度一定而其他条件不变时，酶促反应速率与低底物浓度成正比关系；随着底物浓度的增加，酶促反应速率逐渐趋向一个极限值(vmax)。,(2)底物浓度（续）,当酶浓度足够高，随着底物浓度的升高，酶促反应速率受抑制。高浓度的底物降低了水的有效浓度，降低了分子扩散性，从而降低了酶促反应速率；过量的底物会与激活剂结合，降低了激活剂有效浓度，也会降低酶促反应速率；过量的底物聚集在酶分子上，生成无活性的中间产物，不能释放出酶分子，从而也会降低反应速率。,(3)温度对酶促反应速率的影响,各种生物酶的最适温度不同；过高或过低的温度会使酶的催化效率降低；最适温度范围内，反应速度最快；最适温度内，温度每升高10度，速度可相应提高1-2倍。温度系数(Q10)：温度每升高10，酶促反应速率随之相应提高的因数。在1.42.0之间，小于无机催化反应和一般化学反应的Q10。,(3)温度对酶促反应速率的影响(续),(4)pH值,pH,反应速度,pH对酶反应速度的影响,最适pH,(4)pH值（续）,1、引起底物分子和酶分子的带电状态的改变，从而影响酶和底物的结合2、过高、过低pH会影响酶的稳定性，进而遭到不可逆性的破坏,缓冲剂种类及pH值对酶促反应速率的影响 a-乙酸盐；b-柠檬酸盐；c-磷酸盐,分类,时间,细胞或酶的浓度,持续的,可诱导的,细胞,酶,时间,时间,添加基质,添加化合物如氨基酸,可抑制的,(5)、激活剂,激活剂：引起酶的催化活性或强化催化活性的物质激活作用：酶促反应只有当某一种适当的物质存在时，才表现出酶的催化活性或强化其催化活性，该性质叫对酶的激活作用。1、无机阳离子2、无机阴离子3、有机化合物,(6)、抑制剂,酶的抑制作用：使酶活性降低或丧失的作用。不可逆抑制是与酶蛋白结合后很难自发分解、不能用透析法除去的抑制剂，必须用其他化学反应才能将抑制剂从酶分子上移去。可逆抑制是指与酶的结合是可逆的、用透析法可除去抑制剂，并使酶活力得以恢复的抑制。,(6)、抑制剂,可逆抑制竞争性抑制：抑制剂与底物机构类似，争先与酶的活性中心结合，从而降低酶促反应速度；非竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心以外的位点结合，并不妨碍酶与底物的结合；反竞争性抑制：抑制剂只能与中间产物(ES)结合为酶-抑制剂-底物的复合物(IES)，而不能与E结合为酶-抑制剂(IE)的抑制作用;,6.3 微生物的分解代谢,6.3.1 生物氧化概述6.3.1.1 生物氧化的形式及特点生物氧化的本质是电子的转移。在生物体内电子转移主要有以下几种形式。(1)直接进行电子转移；(2)氢原子的转移，因为氢原子可分解为H+和电子，转移H就相当于转移电子；(3)有机还原剂直接加氧，伴随氧接受H+和e而被还原成水，发生电子转移。,氧化还原反应的能量守恒,供电子的半反应,接收电子的半反应,生成水,电子供体,电子受体,净反应,氧化还原反应,醋酸作为电子供体：CH3COO-+3H2OCO2+HCO3-+8H+8e-糖类(纤维素、淀粉、蔗糖)作为电子供体：CH2O+H2OCO2+4H+4e-电子受体：2NO3-+12H+10e-N2+6H2O2SO42-+19H+16e-H2S+HS-+8H2OCO2+8H+8e-CH4+2H2O,质子驱动力的产生proton motive force,6.3.1.2 高能化合物及ATP,生物氧化过程释放的能量被同时发生的吸能反应利用散失为热大部分贮存在高能化合物中高能化合物是指分解时放出的自由能大于30kJmol的化合物。磷酸化合物：如ATP、UTP等硫脂型、甲硫型化合物,6.3.1.2 高能化合物及ATP,ATP是能量的释放、贮存和利用的中心。ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂，通过水解(或缩水)，释放(或吸收)能量。ATP+H2O ADP+Pi,放能,吸能,高能键,磷酸烯醇式丙酮酸,乙酰磷酸,高能酸酐键,低能酯键,低能酯键,高能酸酐键,三磷酸腺苷,葡萄糖6-磷酸,6.3.1.2 高能化合物及ATP（续）,ATP的生理机能,6.3.2 糖的分解代谢,糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源；糖类代谢的中间产物可以为合成代谢提供碳骨架原料和还原力H。糖的分解代谢指大分子糖类经酶促水解生成小分子单糖后，再进一步彻底分解成二氧化碳和水，并释放出能量的变化过程。淀粉是由多个D-葡萄糖缩水而形成的同多糖，水解过程由多步完成，最后生成单糖。,6.3.2.1 糖酵解Glycolysis,(1)糖酵解的过程（无氧氧化）葡萄糖(或糖原)的分解主要有两个大的阶段葡萄糖经过酵解生成丙酮酸(EMP途径)第一阶段：生成中间代谢产物3-磷酸-甘油醛；第二阶段：发生氧化还原反应，放能合成ATP，同时形成丙酮酸。丙酮酸氧化为CO2和H2O(TCA途径)糖酵解：由葡萄糖形成丙酮酸的一系列反应称为糖酵解，又称EMP途径(embden-meyerhof-parnas pathway)或E-M途径,(1)糖酵解的过程,EMP途径几乎是所有细胞生物共有的主要代谢途径糖酵解化学反应过程可概括为三个阶段约l0步反应第一阶段：己糖的磷酸化（3）第二阶段：六碳糖裂解为三碳糖（1）第三阶段：脱氢氧化还原反应(氧化产能阶段)（6）糖酵解有氧化还原反应但不用氧，仍可产生能量，整个过程是糖的无氧分解，即无氧氧化。,阶段1：准备反应,生成产物：甘油醛-3-磷酸,葡萄糖,己糖激酶,葡萄糖-6-,己糖同分异构酶,果糖-6-,果糖磷酸激酶,果糖-1,6-,醛缩酶,阶段二：氧化,产生ATP，丙酮酸,甘油醛-3-,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,甘油酸1，3-二磷酸,甘油酸磷酸激酶,甘油酸-3-磷酸,甘油酸磷酸变位酶,甘油酸-2-磷酸,烯醇化酶,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,阶段三：还原,产生发酵产物,丙酮酸,H2+CO2,乳酸脱氢酶,丙酮酸脱羧酶,乙醛,CO2,乙醇,甲酸氢解离酶,醋酸+甲酸,乳酸,乙醇脱氢酶,丙酮酸甲酸裂解酶,(2)糖酵解的能量及产物,2个NADH+H+2个丙酮酸净生成2ATP(-1-1+21+21=2)贮存着能量，还原态的NADH+H+必须将一对氢传递出去，才能有氧化态NAD+接受来自新底物的氢，使反应持续不断地进行下去在有氧和无氧两种不同的情况下，NADH+H+的氢的传递方式不同，产物不同,(2)糖酵解的能量及产物（续）,补：不同的发酵类型及其有关微生物,6.3.2.2 三羧酸循环(TCA),TCA：氧气充足的情况下，糖酵解的产物丙酮酸进一步完全氧化成CO2和H2O，并产生大量的能量ATP的生物化学反应。因反应过程中有许多三羧基酸参与，故叫三羧酸循(tricarboxylic acid cycle)，简写为TCA，又称krebs cycle。因起始反应产物是柠檬酸，也叫柠檬酸循环(citric acid cycleCAC)。TAC过程分两个阶段：第一阶段：丙酮酸氧化脱羧(丙酮酸乙酰CoA)；第二阶段：三羧酸循环(乙酰CoA进入TCA循环彻底氧化成CO2和H2O)。,丙酮酸（三碳化合物）,乙酰辅酶A,柠檬酸,-酮戊二酸,琥珀酸辅酶,顺乌头酸,异柠檬酸,丁二酸,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,第一阶段：丙酮酸脱羧脱氢(氧化),第二阶段：三羧酸循环，乙酰CoA的乙酰基被彻底氧化为CO2和H2O,(1)丙酮酸氧化反应,葡萄糖的有氧分解是一个完整的过程 葡萄糖有O2时分解的总反应式,6,(2)丙酮酸氧化分解的能量,从丙酮酸到乙酰CoA及至三羧酸循环，共有5步脱氢得4个NADH+H+和1个FADH2。NADH+H+的一对氢经呼吸链传递给O2得3个ATPFADH2的一对氢传给O2得2个ATP；TCA中还直接得到一个ATP；一个丙酮酸经TCA彻底氧化后产生43+12+1=15(ATP)。一个葡萄糖(产2个丙酮酸)经EMP、TCA彻底氧化产生的能量是8(EMP)+152(TCA)=38(ATP),(3)电子传递体系(呼吸链)与氧化磷酸化,分解代谢中，传递氢或电子的酶和辅酶辅基称为电子传递体系，也叫呼吸链；按照氧化还原电位和电子的传递顺序，电子传递体系中依次有NAD+或NADP+，FAD或FMN，辅酶Q，细胞色素b，细胞色素c1和c，细胞色素a和a3等辅酶或辅基。,(3)电子传递体系(呼吸链)与氧化磷酸化（续）,通过呼吸链将氧化释放的能量传给ADP形成ATP的过程叫氧化磷酸化；传递H或电子是氧化过程；磷酸化是将电子传递时释放的能量通过ATP合成酶使ADP磷酸化生成ATP。,(4)底物水平磷酸化,在糖酵解及三羧酸循环中，由于脱氢或脱水引起底物分子内部能量重新分布而形成高能键，高能化合物的能量传给ADP(GDP)而生成ATP(GTP)的反应称底物水平磷酸化。,5-鸟苷三磷酸,(5)三羧酸循环的生理意义,三羧酸循环产生的能量多，是糖、脂肪、蛋白质三大物质末端氧化的共同途径，也是三大物质相互转化的枢纽。三羧酸循环产生重要的中间产物，为其他有机物的合成提供碳骨架，也提供能量。,CoA,脂肪,碳水化合物,蛋白质,脂肪酸甘油,葡萄糖和其他糖类,氨基酸,CoA e-,乙酰辅酶,CAC循环,CO2,e-,阶段I水解,阶段II乙酰化,阶段 III乙酰辅酶氧化,6.3.3 微生物的呼吸类型,根据氢受体(或电子受体)性质的不同（1）有氧呼吸：氢受体(电子受体)是氧气（2）无氧呼吸(厌氧呼吸)：氧化态的无机物或有机物 有机氢受体有延胡索酸、甘氨酸等小分子有机物 无机氢受体有NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2等（3）发酵(厌氧发酵)：分解不彻底的有机物，如丙酮酸、乙醛等,硝酸盐呼吸,又称反硝化作用、脱氮作用；反应简式：在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物反硝化细菌利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把NO3-还原成NO2-、NO、N2O直至N2的过程，叫异化性硝酸盐还原作用。而硝酸盐作为微生物生长的氮源之一，被同化到细胞中形成有机物，而不是转化成无机气体，这被称为同化性硝酸盐还原作用。为兼性厌氧微生物，例如脱氮副球菌、脱氮硫杆菌和铜绿假单胞菌等。反硝化作用会造成氮肥的损失。,硫酸盐呼吸,又称反硫化作用；反应简式：是严格厌氧的反硫化细菌在无氧条件下获取能量的方式；严格厌氧菌有脱硫弧菌和致黑脱硫肠状菌等。在浸水或通气不良的土壤中，厌氧微生物的硫酸盐呼吸不利于植物根系的生长。,硫呼吸,反应简式：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。兼性或专性厌氧菌，如氧化乙酸脱硫单胞菌。,铁呼吸,反应简式：某些专性厌氧菌和兼性厌氧菌(包括化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌)的呼吸链末端的氢受体是Fe3+,碳酸盐呼吸,反应简式：CO2、CO、HCO3-CH4或CH3COOH根据其产物不同可分为两类：产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸；产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。专性厌氧菌。,有氧呼吸、无氧呼吸及发酵的比较,6.3.4 脂肪的分解代谢(略),脂类分解代谢产生能量有两个过程脂类经酶促水解生成甘油和脂酸。甘油沿糖代谢途径进行代谢，脂(肪)酸则进行-氧化，或其他形式的氧化。,6.3.4.1 甘油的氧化,消耗1个ATP生成-磷酸甘油,6.3.4.1 甘油的氧化(续),脂酸的-氧化,在脂酸的-碳原子上进行的氧化，叫-氧化；脂酸消耗一个ATP而激活，使CoA与脂酸作用生成脂酰CoA；脂酰CoA经一系列的氧化、加水、再氧化和硫解，加-SCoA基产生一个乙酰CoA及比原脂酸少两个碳原子的新的脂酰CoA；真核生物脂酸在线粒体内进行；原核微生物在细胞膜上；,脂酸的-氧化（续）,脂酰CoA,TCA,(n+4)个碳,的脂肪酸,辅酶激发,双键形成,加羟基作用,氧化成酮基,裂解产生乙酰辅酶,(n+2)个碳的活性脂肪酸，准备进入下一步氧化,蛋白质的分解,(1)蛋白质的酶促水解成各种氨基酸，氨基酸可经脱氨、脱羧等途径进一步降解。(2)脱氨作用有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨，称为氨化作用。脱氨的方式有：氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨及减饱和脱氨,氧化脱氨,在有氧条件下好氧微生物进行加氧脱氨。,丙酮酸,还原脱氨,在厌氧条件下专性厌氧菌和兼性厌氧菌进行加氢脱氨。,水解脱氨,氨基酸水解脱氨后生成羟酸,减饱和脱氨,氨基酸在、位碳原子间形成烯键，产生不饱和酸。,(3)脱羧作用,氨基酸经脱羧后生成胺。二元胺对人有毒，故含蛋白质食品腐败后毒性大，不可食用。,自养微生物的产能代谢,化能自养微生物的能量来源氧化无机物产生ATP(1)硝化细菌亚硝酸细菌硝酸细菌,(2)硫细菌,通过对H2S、S、Na2S2O3的氧化得到能量。无色(素)硫细菌，不含色素，与红硫细菌、绿硫细菌等含色素的光合细菌相区别。贝日阿托菌是典型的无色硫细菌。H2S先被氧化成S，再氧化成SO32-；最后氧化为SO42-；硫代硫酸盐先被转化为S和SO32-，然后氧化为SO42-。,(3)铁细菌,将亚铁氧化为高价铁的细菌。,(4)氢细菌,光能营养微生物能量的产生,(1)产氧型非循环式光合磷酸化 绿色植物、蓝细菌、藻类所共有的光能合成作用，具光合系统和光合系统，都含有叶绿素和一系列复杂的电子传递体。光合系统：含叶绿素b，有利于吸收蓝光，波长680nm(P680)。光的能量使水发生裂解反应，称水的光解。水分子中O2-给出电子，放出O2，电子由叶绿素b接受。,(1)产氧型非循环式光合磷酸化,光解放出的高能电子使叶绿素b变为激发态，即P680+eP680*，P680*中的电子经光合系统中所特有的电子传递体系传递产生能量，即光合磷酸化，形成ATP，电子到达光合系统I的反应中心(P700)。,(1)产氧型非循环式光合磷酸化(续),含叶绿素a，有利于吸收红光，波长700nm(P700)。光合系统的起点也是系统的终点，光的能量使叶绿素a(P700)接受电子，变为激发态(P700*)，电子沿系统I传递至铁氧化还原蛋白。来自系统的电子和H+还原NADP形成NADPH2，供固定CO2等合成代谢使用，系统I不产ATP。最初的还原剂是H2O。,(1)产氧型非循环式光合磷酸化(续),和,P680*和P700*两种叶绿素的激发态；Ph褐藻素；Q醌；Pc质体蓝素；Fe-S非血红素铁硫蛋白；Fd铁氧还蛋白电子流的起点是H2O，终点是铁氧还蛋白、NADP，没有形成循环,，终点是铁氧还蛋白、NADP，没有形成循环,(2)不产氧环式光合磷酸化光合系统,其光合系统由细菌菌绿素及一系列电子传递体组成。光的作用使菌绿素(Bchl)得到电子，变为激发态Bchl*，通过电子传递又回到菌绿素Bchl，其间产生ATP，叫循环光合磷酸化，此过程不产生还原力NAD(P)H2。(氧化态)Bchl Bchl*(还原态),+e,-e,(2)不产氧环式光合磷酸化光合系统(续),P870*表示激发态菌绿素，虚线表示外源氢或电子通过耗能的逆电子传递产生还原力H；其他：脱镁菌绿素Bph，辅酶Q，细胞色素bc1，细胞色素c2。光合系统中电子流的起点即终点，形成循环,6.4 微生物的合成代谢,自养微生物的生物合成(1)Calvin循环固定CO2羧化反应 核酮糖-1，5-二磷酸+CO2甘油酸-3-磷酸,(1)Calvin循环固定CO2,还原反应甘油酸-3-磷酸甘油醛-3-磷酸2个甘油醛-3-磷酸可合成一个果糖-6-磷酸(六碳糖)；,逆EMP途径,(1)Calvin循环固定CO2（续）,CO2受体的再生核酮糖-5-磷酸核酮糖-1，5-二磷酸,(1)Calvin循环固定CO2（续）,固定CO2生成葡萄糖的三个主要阶段：,(2)逆向TCA循环固定,又称还原性TCA循环(reductive TCA cycle)如绿菌属(Chlorobium)的一些绿色硫细菌,异养微生物的生物合成,利用有机物作碳源和能源；在酶的催化作用下，将大分子有机物分解为小分子中间产物，利用部分中间代谢产物(如有机酸、氨基酸、氨、二氧化碳、硝酸盐、硫酸盐及金属离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cu 2+等)及分解代谢中产生的ATP和还原力H合成细胞的各种组分，如糖类、脂类、蛋白质、核酸及其他复杂有机物等；其中有些有机物的合成途径是分解途径的逆反应。,