微生物的代谢与发酵课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章微生物的代谢与发酵,第七章微生物的代谢与发酵,1,新陈代谢,新陈代谢（或代谢）（metabolism）,：指发生在,活细胞,中的各种,分解代谢,和,合成代谢,的总和。,新陈代谢=分解代谢+合成代谢,新陈代谢新陈代谢（或代谢）（metabolism）：指发生在,分解代谢（catabolism）,：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,（或称还原当量，一般用H来表示）的作用。,分解代谢（catabolism）：指复杂的有机物分子通过分解,合成代谢（anabolism）,：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H形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。,复杂分子 简单分子+ATP+H,（有机物）,分解代谢酶系,合成代谢酶系,合成代谢（anabolism）：指在合成代谢酶系的催化下，由,微生物的能量代谢,中心任务：生物体如何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,。,有机物,最初能源 日 光 通用能源（ATP）,还原态无机物,化能异养菌,光能营养菌,化能自养菌,微生物的能量代谢中心任务：生物体如何把外界环境中多种形式的最,生物氧化与燃烧,生物氧化：发生在,活细胞,内的一系列,产能性,氧化反应的总称。,比较项目,燃 烧,生物氧化,反应方程式,C,6,H,12,O,6,6H,2,O,步 骤,一步式快速反应,多步式阶梯反应,条 件,激 烈,温 和,催化剂,无,酶,产能形式,热、光,大部分为ATP,能量利用率,低,高,6CO,2,3O,2,3O,2,C,6,H,12,O,6,6H,2,O,6CO,2,3O,2,3O,2,碳流,电子流,生物氧化与燃烧生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应,化能异养微生物的生物氧化,生物氧化的过程,脱氢（或电子）,递氢（或电子）,受氢（或电子）,功能,产能（）,产还原力,产小分子中间代谢物,化能异养微生物的生物氧化生物氧化的过程,底物脱氢途径与递氢、受氢的关系,底物脱氢途径与递氢、受氢的关系,底物脱氢的途径,EMP途径（糖酵解途径或己糖二磷酸途径）,HMP途径（己糖一磷酸途径或戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径）,ED途径（-酮-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径）,三羧酸循环（TCA循环）,底物脱氢的途径EMP途径（糖酵解途径或己糖二磷酸途径）,微生物的代谢与发酵课件,微生物的代谢与发酵课件,微生物的代谢与发酵课件,微生物的代谢与发酵课件,递氢和受氢,在生物体内，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（或电子传递链）,等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。,递氢和受氢在生物体内，贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经上述,根据递氢特别是受氢过程中,氢受体性质,的不同，可以把生物氧化区分成三种类型：,呼吸（有氧呼吸）,无氧呼吸,发酵,根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分,呼吸、无氧呼吸与发酵,呼吸、无氧呼吸与发酵,呼吸（Respiration）,呼吸（有氧呼吸）,：一种,最普遍和最重要,的生物氧化方式。其特点是底物按常规方式脱氢后，经,完整,的呼吸链（或电子传递链）递氢，最终由,分子氧,接受氢并产生水和释放能量（ATP）。,呼吸（Respiration）呼吸（有氧呼吸）：一种最普遍和,呼吸链：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,氧化还原电势不同,的氢传递体（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势化合物处传递给高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使他们还原。在氢或电子传递过程中，通过与,氧化磷酸化反应,发生偶联，就可产生,ATP,形式的能量。,呼吸链：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,呼吸链,呼吸链,真核生物与原核生物呼吸链的比较,比较项目,真核生物,原核生物,所在部位,线粒体膜,细胞膜,组分可取代性,弱,强,组分的类型,少而稳定,多而变化,受环境影响,小,大,有无分支链,一般无,较普遍,P/O比,较高（3）,较低（3）,P/O比：,表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。,真核生物与原核生物呼吸链的比较比较项目真核生物原核生物所在部,无氧呼吸,（Anaerobic respiration）,无氧呼吸（厌氧呼吸）,：一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的 生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的,产能效率较低,的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经,部分,呼吸链递氢，最终由,氧化态的无机物,（个别是,有机物延胡索酸,）受氢。,无氧呼吸（Anaerobic respiration）无氧呼,无氧呼吸的类型,根据呼吸链末端的,最终氢受体,的不同，无氧呼吸可分为：,NO,2,-,，NO，N,2,O，N,2,NO,3,-,SO,3,2-,，S,3,O,6,2-,，S,2,O,3,2-,，H,2,S,SO,4,2-,S,2-,S,0,CH,3,COOH,CO,2,，HCO,3,-,CH,4,CO,2,，HCO,3,-,琥珀酸,延胡索酸,硝酸盐呼吸,硫酸盐呼吸,硫呼吸,产乙酸细菌,产甲烷菌,碳酸盐呼吸,延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌）,无机盐呼吸,无氧呼吸,无氧呼吸的类型根据呼吸链末端的最终氢受体的不同，无氧呼吸可分,硝酸盐呼吸(Nitrate respiration),硝酸盐呼吸（或,反硝化作用,）,最终氢受体：硝酸盐,异化性,的硝酸盐还原作用,同化性,硝酸盐还原作用：在有氧或无氧条件下，微生物利用,硝酸盐,作为其,氮源,营养物的作用。,硝酸盐呼吸(Nitrate respiration)硝酸盐呼,能进行硝酸盐呼吸的都是一些,兼性厌氧微生物,（即,反硝化细菌,），如地衣芽孢杆菌等。,反硝化细菌具有,完整的呼吸链,，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和亚硝酸还原酶。,能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物（即反硝化细菌），如,硫酸盐呼吸(Sulfate respiration),硫酸盐还原细菌（或称,反硫化细菌,）：一些严格依赖于无氧环境的,专性厌氧细菌,，如脱硫弧菌。,最终氢受体：,硫酸盐,异化性,的硫酸盐还原作用,最终产物：H,2,S,硫酸盐呼吸(Sulfate respiration)硫酸盐还,硫呼吸(Sulphur respiration),最终氢受体：,无机硫,还原产物：H,2,S,能进行硫呼吸的微生物,只有,氧化乙酸脱硫单胞菌。,硫呼吸(Sulphur respiration)最终氢受体：,碳酸盐呼吸(Carbonate respiration),最终氢受体：,CO,2,或,重碳酸盐,根据还原产物不同，可分为两种类型：,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,碳酸盐呼吸(Carbonate respiration)最终,延胡索酸呼吸(Fumarate respiration),最终氢受体：,延胡索酸,还原产物：琥珀酸,许多,兼性厌氧细菌,，如埃希氏杆菌属。,延胡索酸呼吸(Fumarate respiration)最终,发酵（Fermentation）,在,发酵工业,上，发酵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,的一类,低效产能,反应。,底物 H,2,底物+少量能量,无O,2,条件下,中间代谢物,中间代谢物-H,2,（发酵产物）,发酵（Fermentation）在发酵工业上，发酵指任何利用,发酵类型,1.由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,酵母型酒精发酵,同型,乳酸发酵,丙酸发酵,混合酸发酵,丁酸型发酵,丙酮丁醇发酵,发酵类型1.由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,2.通过HMP途径的发酵,异型,乳酸发酵,葡萄糖 乳酸+乙醇+CO,2,+H,2,O,核糖 乳酸+乙酸+2H,2,O,ADP+Pi,ATP,2ADP+Pi,2ATP,ADP+Pi,ATP,2.通过HMP途径的发酵 异型乳酸发酵ADP+PiAT,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,类型,途径,产物,产能/1葡萄糖,菌种代表,同型,EMP,2乳酸,2ATP,德氏乳杆菌,粪链球菌,异型,HMP,1乳酸,1乙醇,1CO,2,1ATP,肠膜明串珠菌,1乳酸,1乙酸,1CO,2,2ATP,短乳杆菌,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较类型途径产物产能/1葡萄糖菌,3.通过ED途径进行的发酵 细菌的酒精发酵,4.,氨基酸发酵产能 Stickland反应,：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。,产能效率很低，,每分子氨基酸仅产生1个ATP。,3.通过ED途径进行的发酵 细菌的酒精发酵,酒精发酵的三个类型,酵母的“同型酒精发酵”,：由酿酒酵母等通过,EMP途径,进行。,葡萄糖+2ADP+2Pi 2乙醇+2CO,2,+2ATP,细菌的“同型酒精发酵”,：由运动发酵单胞菌等通过,ED途径,进行。,葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO,2,+ATP,细菌的“异型酒精发酵”,：由,Leuconostoc mesenteroides,等通过,HMP途径,进行。,葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO,2,+ATP,酒精发酵的三个类型,自养微生物同化CO,2,的条件和途径,CO,2,CH,2,O,化能自养微生物的生物氧化,细胞物质,光能自养微生物的光合磷酸化,ATP,H,Calvin循环,乙酰-CoA途径,4C途径,还原性TCA途径,自养微生物同化CO2的条件和途径CO2CH2O化能自养微生物,自养微生物的生物氧化和产能,化能自养菌,化能自养菌为还原CO,2,而需要的ATP和还原力H是通过,氧化无机底物,（NH,4,+,、NO,2,-,、H,2,S、S,0,、H,2,和Fe,2+,等）来实现。其产能途径主要是借助于经过呼吸链的,氧化磷酸化,反应，因此，,绝大多数化能自养菌是好氧菌,。,自养微生物的生物氧化和产能化能自养菌,光能自养菌,产能途径,循环光合磷酸化,非循环光合磷酸化,嗜盐菌紫膜的光合作用,光能自养微生物,产氧,不产氧（仅原核生物有）：光合细菌,真核生物：藻类及其他绿色植物,原核生物：蓝细菌,光能自养菌光能自养微生物产氧不产氧（仅原核生物有）：光合细菌,自养微生物的CO,2,固定,Calvin循环：光能自养生物和化能自养生物固定CO,2,的,主要途径,。,厌氧乙酰-CoA途径：一些,能利用氢的严格厌氧菌,包括产甲烷菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌中发现的新的自养CO,2,还原途径。,还原性TCA循环途径：少数光合细菌如嗜硫代硫酸盐绿菌固定CO,2,的途径。,自养微生物的CO2固定Calvin循环：光能自养生物和化能自,