微生物的代谢专业知识讲解培训课件

微生物的代谢专业知识讲解6.1 微生物的能量代谢微生物的能量代谢n微生物的生命活动需要消耗能量。微生物能把外界环境中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。n微生物可以利用的最初能源有：有机物、日光和还原态无机物三大类。n研究能量代谢的机制实质上就是追踪这三类最初能源如何一步步地转化并释放出ATP的过程。2微生物的代谢专业知识讲解6.1.1 化能异养微生物的生物氧化化能异养微生物的生物氧化n生物氧化：物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程。n生物氧化的过程可分为：脱氢（电子）、递氢（电子）和受氢（电子）三阶段。n生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间产物。3微生物的代谢专业知识讲解6.1.1.1 底物脱氢的四条主要途径底物脱氢的四条主要途径n1.EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas pathway）或糖酵解途径（Glycolysis Pathway）n是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。n1分子葡萄糖，经10步反应，产生2分子丙酮酸、2分子NADH2（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和2分子ATP。nEMP途径的总反应式为：C6H12O6+2NAD+2ADP+2PI 2CH3COCOOH+2NADH+n2H+2ATP+2H2On 4微生物的代谢专业知识讲解EMP途径的生理功能：（1）供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力。（2）连接其他几个重要代谢途径（TCA，HMP，ED）的桥梁。（3）为生物合成提供多种中间代谢物。（4）通过逆向反应合成单糖和多糖。5微生物的代谢专业知识讲解n2.HMP途径（Hexose monophosphate pathway）n又称戊糖磷酸途径，其特点是葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH2（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）形式的还原力及许多种重要的中间代谢产物。HMP的总反映式为：n6 6-磷酸葡萄糖+12NADP+6H2O 5 6-磷酸葡萄糖+12NADPH2+6CO2+Pi6微生物的代谢专业知识讲解HMP途径在微生物生命活动中的意义：（1）供应合成核酸、核苷酸、芳香族及杂环组氨基酸的原料。（2）产生大量NADPH2形式的还原力，一方面可通过呼吸链产生大量的能量，另一方面可供有机物合成。（3）是光能自养型和化能自养型微生物固定二氧化碳的中介（5-磷酸核酮糖在羧化酶的作用下可固定二氧化碳形成1，5-二磷酸核酮糖。（4）扩大碳源利用范围（为微生物利用三碳糖-七碳糖提供必要的代谢途径)。（5）通过与EMP途径的连接（在1，6-二磷酸果糖和3-磷酸甘油醛处），可为微生物提供更多的戊糖。7微生物的代谢专业知识讲解n 又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解途径，是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种代谢途径，为微生物所特有，其特点是葡萄糖只经过4步反应即可获得由EMP途径须经10步反应才能形成的丙酮酸。其总反应式为：nC6H12O6+ADP+Pi+NADP+NAD 2CH3COCOOH+ATP+NADPH2+NADH23.ED途径（Entner-Doudoroff pathway）8微生物的代谢专业知识讲解ED途径在微生物生命活动中的意义：(1)为EMP途径不完整的微生物提供能源。(2)可与EMP途径、HMP途径、TCA循环等代谢途径相连接，相互协调，满足微生物对能量、还原力和中间代谢产物的需要。(3)工业生产中可利用这一途径生产酒精。利用ED途径生产乙醇的方法称为细菌酒精发酵。9微生物的代谢专业知识讲解n4.三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）即TCA循环，是由德国学者Krebs提出的。是指丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。TCA循环是广泛存在于各种生物体中的重要的生化反应，在真核生物中（包括微生物），TCA循环在线粒体中进行，在原核微生物中，TCA循环在细胞质和细胞膜中进行。10微生物的代谢专业知识讲解TCA循环在微生物生命活动中的意义：（1）彻底氧化，为微生物生长提供大量的能量。（2）位于一切分解代谢与合成代谢的中枢地位，为有机物的合成提供大量的原料。（3）工业生产中可利用这一途径生产柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、谷氨酸等工业原料。11微生物的代谢专业知识讲解6.1.1.2 递氢和受氢递氢和受氢n在生物体中，贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的多种途径脱氢后，经过呼吸链等方式递氢，最终与受氢体（氧、无机物或有机物）结合，以释放其化学潜能。n根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化分为：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。12微生物的代谢专业知识讲解1.有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration）n有氧呼吸是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链（respiratory chain or electron transport chain）递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。13微生物的代谢专业知识讲解 呼吸链呼吸链，又称电子传递链，是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的，由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢（或电子）传递体，其功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应相偶联，推动贮能物质ATP的合成。氧化磷酸化，氧化磷酸化，又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。14微生物的代谢专业知识讲解2.无氧呼吸（无氧呼吸（anaerobic respiration）n 无氧呼吸无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机化合物或有机化合物的生物氧化。其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物（如延胡索酸等）受氢，并完成氧化 磷酸化产能反应。这是一类在无氧条件下进行的产能效率低的特殊呼吸。n 根据呼吸链末端的最终氢受体的不同，可把无氧呼吸分成无机盐呼吸和有机物呼吸两大类。15微生物的代谢专业知识讲解n硝酸盐呼吸（nitrate respiration）即反硝化作用（denitrification）:NO3-NO2-，NO,N2O,N2。代表：Bacillus licheniformis（地衣芽孢杆菌）等。n硫酸盐呼吸（sulfate respiration）:SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S。代表：硫酸盐还原细菌Desulfovibrio desulfuricans（脱硫脱硫弧菌）,D.gigas（巨大脱硫弧菌）n硫呼吸（sulphur respiration）:S H2S。代表：Desulfuromonas acetoxidans（氧化乙酸脱硫单胞菌）16微生物的代谢专业知识讲解n 铁呼吸（iron respiration):Fe 3+Fe 2+某些专性或兼性厌氧菌。n碳酸盐呼吸（carbonate respiration）:CO2 or HCO3-CH4 or CH3COOH。代表：产甲烷菌、产乙酸菌n延胡索酸呼吸（fumarate respiration）:延胡索酸琥珀酸。代表：Escherichia（埃希氏菌）,Vibrio succinogenes（产琥珀弧菌）17微生物的代谢专业知识讲解3.发酵（发酵（fermentation）n在发酵工业上，发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式；在生物氧化或能量代谢中，发酵仅指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力H不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物，以实现底物水平磷酸化产能的一类低效产能反应。18微生物的代谢专业知识讲解n1.由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 丙酮酸EMP途径的关键产物，由丙酮酸出发，在不同微生物中可进入不同的发酵途径，如：同型酒精发酵、同型乳酸发酵、丙酸发酵、混合酸发酵、丁酸发酵等。n2.通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵（heterolactic fermentation）凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（乙酸）和CO2等多种产物的发酵即异型乳酸发酵；相对的如只产生2分子乳酸的发酵则称同型乳酸发酵（homolactic fermentation）发酵的类型发酵的类型19微生物的代谢专业知识讲解Homolactic fermentation20微生物的代谢专业知识讲解21微生物的代谢专业知识讲解n3.通过ED途径进行的发酵n细菌的“同型酒精发酵”：由Zymomonas mobilis（运动发酵单胞菌）等通过ED途径进行。n4.氨基酸发酵产能Stickland 反应即以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型（如丙氨酸、甘氨酸）。22微生物的代谢专业知识讲解6.1.2 自养微生物的生物氧化、产能和自养微生物的生物氧化、产能和CO2固定固定n自养型与异养型的根本区别在于：自养型的生物合成是对二养自养型与异养型的根本区别在于：自养型的生物合成是对二养化碳的还原，而异养型则是对有机碳直接进行还原。化碳的还原，而异养型则是对有机碳直接进行还原。n6.1.2.1 生物氧化和产能生物氧化和产能n1.化能自养型化能自养型n化能自养型微生物还原二氧化碳所需要的化能自养型微生物还原二氧化碳所需要的ATP和和H 是通过氧是通过氧化无机底物，例如：化无机底物，例如：NH4+、NO2-，H2S，S0，H2 和和Fe 2+获获得的。其产能的途径也要通过呼吸链的氧化磷酸化进行。得的。其产能的途径也要通过呼吸链的氧化磷酸化进行。n硝化细菌的能量代谢：硝化细菌的能量代谢：Nitrobacter（硝化杆菌属）n硫细菌的能量代谢：硫细菌的能量代谢：Thiobacillus23微生物的代谢专业知识讲解硝化细菌的能量代谢硝化细菌的能量代谢 24微生物的代谢专业知识讲解25微生物的代谢专业知识讲解n2.光能自养型光能自养型n循环光合磷酸化（循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）n一种存在于光合细菌（红螺菌目）中的原始光合作用机一种存在于光合细菌（红螺菌目）中的原始光合作用机制。其特点有：制。其特点有：n （1）电子传递途径属循环方式，在光能驱动下，电子从菌绿素）电子传递途径属循环方式，在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过呼吸链的循环传递，又回到菌绿素，期间产生分子上逐出，通过呼吸链的循环传递，又回到菌绿素，期间产生了了ATP。n（2）产能（）产能（ATP）和产还原力）和产还原力H分别进行。分别进行。n（3）还原力来自）还原力来自H2S等无机氢供体。等无机氢供体。n（4）不产生氧。）不产生氧。26微生物的代谢专业知识讲解n嗜盐菌紫膜（嗜盐菌紫膜（purple membrane）的光合作用）的光合作用n 嗜盐菌是一类必须在高盐环境中才能正常生长的古n生菌。嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜n蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断转移到n细胞膜外，从而在细胞膜两侧建立一个质子动势，由n它来推动ATP 酶合成ATP，又叫光介导ATP合成。28微生物的代谢专业知识讲解6.2 分解代谢与合成代谢的联系分解代谢与合成代谢的联系 分解代谢和合成代谢联系紧密，互不可分。连接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有12种。微生物采用两用代谢途径和代谢物回补来维持分解代谢和合成代谢的平衡。两用代谢途径：两用代谢途径：在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。EMP、HMP、TCA循环都是重要的两用代谢途径。例如：葡萄糖通过EMP途径可分解为2个丙酮酸，反之，2个丙酮酸也可通过EMP途径的逆转合成1个葡萄糖；TCA循环产生的中间代谢物-酮戊二酸是合成谷氨酸的原料。29微生物的代谢专业知识讲解代谢物回补顺序代谢物回补顺序，又称代谢物补偿途径，指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。不同的微生物有不同的代谢物回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补途径有10条，它们都可回补EMP途径中的磷酸烯醇式丙酮酸和TCA循环中的草酰乙酸这两种关键中间代谢物。30微生物的代谢专业知识讲解n6.3.1 自养微生物自养微生物CO2固定固定自养微生物CO2固定的途径有4条：Calvin循环、厌氧乙酰-辅酶A途径、逆向TCA循环途径和羟基丙酸途径。n1.Calvin循环（Calvin cycle）又称核酮糖二磷酸途径或还原性磷酸戊糖途径。这一反应是光能自养生物（绿色植物、蓝细菌、光合细菌）和化能自养生物（硫细菌、铁细菌、硝化细菌）固定CO2的主要途径。Calvin循环可分为3个阶段：羧化反应、还原反应、CO2受体的再生。6.3 微生物独特合成代谢途径微生物独特合成代谢途径31微生物的代谢专业知识讲解n2.厌氧乙酰-辅酶A途径（anaerobic acetyl-CoA pathway）又称活性乙酸途径（activated acetic acid pathway）存在于产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中。n3.还原性TCA循环途径（reductive tricarboxylic acid cycle）：存在于绿色硫细菌中，CO2固定是通过逆向TCA循环进行的。n4 羟基丙酸途径：少数绿色硫细菌在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种CO2固定机制。32微生物的代谢专业知识讲解6.3.2 生物固氮生物固氮n生物固氮是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而生物固氮是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，自然界中只有原核生物才具有固氮能力。还原成氨的过程，自然界中只有原核生物才具有固氮能力。n6.3.2.1 固氮微生物的种类固氮微生物的种类n目前所知的固氮微生物都属原核生物和古生菌类，在分类目前所知的固氮微生物都属原核生物和古生菌类，在分类地位上主要隶属于固氮菌科、根瘤菌科、红螺菌目、甲基地位上主要隶属于固氮菌科、根瘤菌科、红螺菌目、甲基球菌科、蓝细菌及芽孢杆菌属和梭菌属的部分菌种。球菌科、蓝细菌及芽孢杆菌属和梭菌属的部分菌种。n1.自生固氮菌：自生固氮菌：能独立进行固氮的微生物。n2.共生固氮菌：共生固氮菌：必须与其它生物共生时才能固氮的微生物。n3.联合固氮菌：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进行固氮的微生物。33微生物的代谢专业知识讲解n6.3.2.2 固氮的生化机制固氮的生化机制n1.固氮反应的必要条件固氮反应的必要条件nATP的供应n还原力及其载体(铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白）n固氮酶（nitrogenase）固二氮酶（钼铁蛋白MoFe protein）、固二氮酶还原酶（铁蛋白Fe Protein）n还原底物N2n镁离子n严格的厌氧环境34微生物的代谢专业知识讲解n2.固氮酶活力的测定固氮酶活力的测定乙炔还原法乙炔还原法 固氮酶除了能催化固氮酶除了能催化N2 NH3反应外，还可催化反应：反应外，还可催化反应：C2H2 C2H4。在这一反应中，反应物和产物的微小变。在这一反应中，反应物和产物的微小变化能用气相色谱仪测定出来，从而反映固氮酶活力的化能用气相色谱仪测定出来，从而反映固氮酶活力的大小。大小。n3.固氮的生化途径固氮的生化途径N2+8e+8H+（18-24）ATP2NH3+H2+（18-24）ADP+（18-24）Pi35微生物的代谢专业知识讲解36微生物的代谢专业知识讲解n6.3.2.3 好氧性固氮菌固氮酶的抗氧机制好氧性固氮菌固氮酶的抗氧机制n1.好氧性固氮菌的保护机制n呼吸保护 构象保护n2.蓝细菌固氮酶的保护n分化出特殊的还原性异型胞 非异型胞蓝细菌固氮酶的保护n3.根瘤菌固氮酶的抗氧保护n豆科植物共生根瘤菌：豆血红蛋白（leghaemoglobin）n非豆科植物共生根瘤菌：植物血红蛋白37微生物的代谢专业知识讲解6.3.3 微生物结构大分子微生物结构大分子肽聚糖的合成肽聚糖的合成Bacterial Peptidoglycan Biosynthesis n肽聚糖是绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分，在细菌的生命活动中有着重要的功能，尤其是许多重要抗生素例如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸和杆菌肽等呈现其选择毒力（selective toxicity）的物质基础。n6.2.2.1 在细胞质中的合成n1.由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸n2.由N-乙酰胞壁酸合成“park”核苷酸38微生物的代谢专业知识讲解n6.2.2.2 在细胞膜中的合成n由“park”核苷酸合成肽聚糖单体n6.2.2.3 在细胞膜外的合成n从焦磷酸类脂载体上脱下来的肽聚糖单体被运送到细胞膜外正在活跃合成肽聚糖的部位，在那里，必须有现成的细胞壁残余（至少含有68个肽聚糖单体）作为引物，然后，肽聚糖单体与引物分子间先后发生转糖基作用（transglycosylation），使多糖链横向延伸一个双糖单位，再通过转肽酶（transpeptidase）的转肽作用（transpeptidation），再使前后两条多糖链间通过形成甘氨酸五肽“桥”而发生纵向交联。39微生物的代谢专业知识讲解6.4 微生物的代谢调控与发酵生产微生物的代谢调控与发酵生产n微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以确保上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。n6.4.1 微生物的代谢调节微生物的代谢调节 （1）通过“组成酶”和“诱导酶”来调节；（2）调节细胞膜对营养物的透性；（3）通过酶的诱导和阻遏机制。40微生物的代谢专业知识讲解6.3.3 代谢调控在发酵工业中的应用代谢调控在发酵工业中的应用n在发酵工业中，控制微生物生理状态以达到高产的环境条件很多，如营养物类型和浓度，氧的供应，pH的调节和表面活性剂的存在等。本节主要讨论如何控制微生物的正常代谢调节机制，使其累积更多为人们所需要的有用代谢产物。n1.应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节。n2.应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节。n3.控制细胞膜的渗透性。n通过生理学手段控制细胞膜的渗透性n通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性41微生物的代谢专业知识讲解