第六章微生物的代優(yōu)秀課件

第六章微生物的代第一節(jié)微生物的能量代謝微生物可利用的最初能源有哪些？

研究能量代謝的實(shí)質(zhì)就是追蹤微生物可利用的最初能源是如何轉(zhuǎn)化并釋放出一切生命活動(dòng)的通用能源—ATP的過(guò)程。最初能源有機(jī)物日光還原態(tài)無(wú)機(jī)物通用能源ATP化能異養(yǎng)型光能營(yíng)養(yǎng)型化能自養(yǎng)型ATP的結(jié)構(gòu)引自沈萍，2003一、化能異養(yǎng)微生物的

生物氧化和產(chǎn)能1.生物氧化的定義發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。燃燒生物體外的氧化引自周德慶，2003

2.生物氧化的形式：加氧、脫氫或失去電子；

3.生物氧化的過(guò)程：脫氫、遞氫、受氫

4.生物氧化的結(jié)果:

產(chǎn)ATP、還原力[H]和小分子代謝產(chǎn)物（一）底物脫氫的四條途徑底物脫氫的四條途徑1.EMP途徑(糖酵解途徑或己糖二磷酸途徑)

C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸己糖激酶（1）磷酸己糖異構(gòu)酶（2）磷酸果糖激酶（3）醛縮酶（4）磷酸丙糖異構(gòu)酶（5）3-磷酸甘油醛脫氫酶（6）磷酸甘油酸激酶（7）磷酸甘油變位酶（8）稀醇化酶（9）丙酮酸激酶（10）引自周德慶，20031）是大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑;2）有氧和無(wú)氧條件下都能進(jìn)行;有氧條件下，該途徑與TCA途徑連接;無(wú)氧條件下，丙酮酸被還原，形成乳酸等發(fā)酵產(chǎn)物;3）該途徑是糖代謝和脂類代謝的連接點(diǎn)(如磷酸二羥丙酮可還原成甘油，進(jìn)入脂類代謝；特點(diǎn)2.HMP途徑(己糖一磷酸途徑、戊糖磷酸途徑)6C6H12O66CO235ATP5葡糖-6-磷酸引自周德慶，20031）是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而徹底氧化產(chǎn)能、產(chǎn)還原力[H]和許多中間代謝產(chǎn)物的途徑；2）進(jìn)行一次周轉(zhuǎn)需要六分子的葡萄糖同時(shí)參與，但實(shí)際只消耗一分子的葡萄糖；3）能產(chǎn)生大量的還原力[H]（12個(gè)NADPH2）；是合成脂肪酸、固醇等物質(zhì)所需；也可通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生大量能量；4）反應(yīng)中有C3-C7各種糖，使微生物可利用的碳源范圍廣；5）能產(chǎn)生多種重要的中間代謝產(chǎn)物（如核苷酸、多種氨基酸、輔酶和乳酸等）。特點(diǎn)3.ED途徑(2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑)2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸NADPH2引自周德慶，2003少數(shù)細(xì)菌（如假單胞菌、根瘤菌和土壤桿菌等）因缺少某些完整EMP途徑的一種替代途徑，為微生物所特有；反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，通過(guò)四步反應(yīng)可快速獲得2分子的丙酮酸；產(chǎn)能效率低，1分子的葡萄糖僅產(chǎn)1個(gè)ATP；可與EMP、HMP和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，以滿足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝產(chǎn)物的需要；反應(yīng)中有一個(gè)特征性酶—KDPG醛縮酶；

特點(diǎn)4.TCA循環(huán)(三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán))1.丙酮酸脫氫酶復(fù)合體2.檸檬酸合成酶3.順烏頭酸酶4.順烏頭酸酶5.異檸檬酸脫氫酶6.-酮戊二酸脫氫酶7.琥珀酰COA8.琥珀酸脫氫酶9.延胡索酸酶10.蘋果酸脫氫酶1丙酮酸3CO215ATP引自周德慶，2003TCA循環(huán)由10步酶促反應(yīng)組成；產(chǎn)能效率極高，是細(xì)胞產(chǎn)生ATP的主要場(chǎng)所；在微生物代謝中占有樞紐的地位；提供生物合成所用碳架的重要來(lái)源；與微生物大量發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)密切相關(guān)（如檸檬酸、蘋果酸、谷氨酸等）；

特點(diǎn)TCA循環(huán)在微生物分解代謝和合成代謝中的樞紐地位引自周德慶，2003四種脫氫途徑的比較EMP途徑：許多微生物都利用該途徑對(duì)糖類進(jìn)行分解代謝。1分子葡萄糖經(jīng)10步反應(yīng)產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子[H]和2個(gè)ATP；該途徑定位在微生物細(xì)胞質(zhì)中，有氧和無(wú)氧都能進(jìn)行；HMP途徑：可與EMP途徑或ED途徑同時(shí)存在，也能在有氧和無(wú)氧條件下發(fā)生。許多微生物通過(guò)該途徑產(chǎn)能，但它的主要作用是用于生物合成。ED途徑：少數(shù)細(xì)菌以該途徑代替EMP途徑。1分子葡萄糖經(jīng)4步反應(yīng)產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子[H]和1個(gè)ATP；TCA循環(huán)：有氧條件下，丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)進(jìn)一步代謝產(chǎn)能或用于合成。（二）遞氫—電子傳遞鏈電子傳遞鏈?zhǔn)侵肝挥谀ぃㄔ松镌诩?xì)胞質(zhì)內(nèi)膜，真核微生物在線粒體內(nèi)膜）上，由一系列氧化還原勢(shì)呈梯度差的，鏈狀排列的電子傳遞體組成；一個(gè)化合物的氧化還原勢(shì)是其對(duì)電子親和力的量度；原核生物和真核生物的電子傳遞鏈組成不同，但二者的功能相似；電子傳遞鏈的主要組分及傳遞順序：NAD(P)→FP→Fe?S→COQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3（三）受氫經(jīng)多種途徑脫氫和遞氫后，最終與氫受體結(jié)合并釋放其中的能量。根據(jù)受氫體性質(zhì)的不同，可把生物氧化分為呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵；1.呼吸（有氧呼吸）是一種最普遍和最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式；其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，釋放能量；遞氫和受氫必須在有氧條件下進(jìn)行，是一種高效產(chǎn)能方式；

高能水平（低氧化還原勢(shì)）

低能水平（高氧化還原勢(shì)）典型的呼吸鏈引自周德慶，2003現(xiàn)在普遍接受的觀點(diǎn)是1978年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者英國(guó)學(xué)者P.Mitchell于1961年提出的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)(P110);該學(xué)說(shuō)認(rèn)為生物的通用能源-ATP是由跨膜的質(zhì)子梯度差（質(zhì)子動(dòng)勢(shì)）而產(chǎn)生的；產(chǎn)生ATP的機(jī)制？引自周德慶，2003頭部頸部基部ATP酶和ATP的合成引自周德慶，2003是一類在無(wú)氧條件下進(jìn)行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸；其特點(diǎn)是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無(wú)機(jī)物（少數(shù)為有機(jī)氧化物）受氫，并完成產(chǎn)能反應(yīng)；2.無(wú)氧呼吸（厭氧呼吸）比較各類無(wú)機(jī)鹽呼吸的特點(diǎn)根據(jù)呼吸鏈末端氫受體的不同，可把無(wú)氧呼吸分成多種類型無(wú)機(jī)鹽呼吸硝酸鹽呼吸硫酸鹽呼吸硫呼吸鐵呼吸碳酸鹽呼吸有機(jī)物呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸3.發(fā)酵指在無(wú)氧的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]，不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞，而直接交給某一內(nèi)源性中間代謝產(chǎn)物接受，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)；能進(jìn)行發(fā)酵的微生物是專性厭氧菌或兼性厭氧菌;其產(chǎn)能都是通過(guò)底物水平磷酸化反應(yīng)，產(chǎn)能效率低;能形成高能磷酸鍵的產(chǎn)物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA發(fā)酵類型1.通過(guò)EMP途徑進(jìn)行的發(fā)酵同型酒精、乳酸發(fā)酵凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后只產(chǎn)生一種代謝產(chǎn)物的發(fā)酵;2.通過(guò)HMP途徑進(jìn)行的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生兩種以上代謝產(chǎn)物的發(fā)酵;3.通過(guò)ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵細(xì)菌酒精發(fā)酵(P106)4.由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能—Stickland反應(yīng)少數(shù)厭氧梭菌以一種氨基酸作氫供體，而以另一種氨基酸作氫受體而實(shí)現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)酵類型。此反應(yīng)的產(chǎn)能效率極低，每分子氨基酸僅產(chǎn)一個(gè)ATP；Stickland反應(yīng)機(jī)制引自周德慶，2003氧化磷酸化—在呼吸鏈的遞氫和受氫過(guò)程中與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)產(chǎn)生ATP；底物水平的磷酸化—

通過(guò)形成含高能磷酸鍵的底物產(chǎn)能；光合磷酸化—通過(guò)光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)；ATP的產(chǎn)生途徑二、化能自養(yǎng)微生物的

生物氧化和產(chǎn)能特點(diǎn)：生物氧化也包括脫氫、遞氫和受氫三個(gè)階段；是通過(guò)氧化某些還原性的無(wú)機(jī)底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+

等）獲得能量；絕大多數(shù)是好氧菌；無(wú)機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系；呼吸鏈的組分多樣化；產(chǎn)能效率低；

NAD←→FP←→COQ←→Cyt.c.c1←→Cyt.a1.aa3→O2Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPATPATPNH4+S2-SO32-無(wú)機(jī)底物脫氫后電子進(jìn)入呼吸鏈的部位生物氧化過(guò)程—硝化細(xì)菌為例

NO2-

NO3-NADH2FPCyt.bCyt.cCyt.a1Cyt.aa3

-ATP-ATP-ATP+ATP

1/2O2H2O

2H++2e-

2H++2e-NH3+O2

H2O?NO2-為什么化能自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能效率、生長(zhǎng)速率和細(xì)胞產(chǎn)率都很低？硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的比較硝化細(xì)菌反硝化細(xì)菌化能自養(yǎng)微生物化能異養(yǎng)微生物好氧微生物兼性厭氧微生物有氧條件下利用氨或亞硝酸鹽作主要生存能源，形成亞硝酸或硝酸無(wú)氧條件下利用硝酸鹽作氫受體，將其還原成NON2在自然界的物質(zhì)合成過(guò)程中起重要作用在自然界的氮素循環(huán)中發(fā)揮作用無(wú)機(jī)物呼吸反應(yīng)及其產(chǎn)能三、光能營(yíng)養(yǎng)型生物的生物氧化和產(chǎn)能通過(guò)光能進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)的生物光能營(yíng)養(yǎng)型生物產(chǎn)氧不產(chǎn)氧真核生物：藻類、綠色植物原核生物：藍(lán)細(xì)菌真細(xì)菌：光合細(xì)菌—循環(huán)光合磷酸化古生菌：嗜鹽菌—紫膜光合作用非循環(huán)光合磷酸化存在于光合細(xì)菌中的原始光合作用機(jī)制；在光能驅(qū)動(dòng)下，電子從菌綠素分子逐出，通過(guò)循環(huán)式的電子傳遞途徑產(chǎn)生ATP；在厭氧條件下進(jìn)行，不產(chǎn)氧；產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進(jìn)行；還原力[H]來(lái)自H2S等無(wú)機(jī)氫供體，在逆電子流、耗能的情況下產(chǎn)生；具體反應(yīng)途徑：P122循環(huán)光合磷酸化

循環(huán)光合磷酸化的途徑引自周德慶，2003ATP循環(huán)光合磷酸化途徑引自周德慶，2003非循環(huán)光合磷酸化是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的產(chǎn)能方式；電子的傳遞途徑是非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行，能產(chǎn)生氧氣；有兩個(gè)光合系統(tǒng)；PSI：含葉綠素a，吸收光波為P700，有利于紅光吸收；PSⅡ：含葉綠素b，吸收光波為P680，有利于藍(lán)光吸收；反應(yīng)中可同時(shí)產(chǎn)ATP、還原力[H]和氧氣；產(chǎn)生具體反應(yīng)途徑：P124藍(lán)細(xì)菌的產(chǎn)氧光合作用引自周德慶，2003比較項(xiàng)目非循環(huán)光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化生物體植物、藻類、藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)菌葉綠素類型葉綠素a等細(xì)菌葉綠素a等PSI有有PSII有無(wú)氧的產(chǎn)生有無(wú)還原力[H]來(lái)自水的光解來(lái)自H2S等無(wú)機(jī)氫供體兩種光合作用比較嗜鹽菌紫膜的光合作用嗜鹽菌特有的無(wú)葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特光合作用；嗜鹽菌的細(xì)胞膜制備物可分離出紅色和紫色兩個(gè)組分；紅膜：在有氧條件下可進(jìn)行氧化磷酸化產(chǎn)能；主要成分為類胡蘿卜素、細(xì)胞色素和黃素蛋白等；紫膜：在缺氧條件下，能利用光能的介導(dǎo)獲得能量；主要成分為細(xì)菌視紫紅質(zhì)和類脂；細(xì)菌視紫紅質(zhì)的功能與葉綠素相似，能吸收光能，并在光量子的驅(qū)動(dòng)下起著質(zhì)子泵的作用；第二節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系能量代謝分解代謝合成代謝消耗能量簡(jiǎn)單小分子復(fù)雜分子物質(zhì)代謝復(fù)雜大分子簡(jiǎn)單小分子釋放能量分解代謝和合成代謝的關(guān)系引自周德慶，2003分解代謝與合成代謝的聯(lián)系緊密，互不可分；在長(zhǎng)期的進(jìn)化中，生物體通過(guò)兩用代謝途徑和代謝回補(bǔ)順序使生物體有條不紊地正常運(yùn)轉(zhuǎn)；聯(lián)結(jié)分解代謝和合成代謝的重要中間代謝產(chǎn)物有12種（P126）；一、兩用代謝途徑凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的代謝途徑；但合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)；分解代謝和合成代謝一般在不同的區(qū)域內(nèi)分別進(jìn)行；分解代謝和合成代謝的特點(diǎn)指能補(bǔ)充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的那些反應(yīng)；不同的微生物或同種微生物在不同的碳源下有不同的代謝回補(bǔ)順序；與EMP和TCA循環(huán)有關(guān)的代謝回補(bǔ)順序約有10條，都圍繞著PEP和OA這兩種關(guān)鍵性的中間代謝產(chǎn)物來(lái)進(jìn)行；微生物特有的代謝回補(bǔ)順序—乙醛酸循環(huán)

它是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑；此循環(huán)中有兩個(gè)關(guān)鍵酶：異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶具有乙醛酸循環(huán)的微生物普遍是好氧微生物；醋桿菌屬、固氮菌屬、產(chǎn)氣腸桿菌、酵母屬、青霉屬和黑曲霉等；二、代謝回補(bǔ)順序乙醛酸異檸檬酸裂合酶蘋果酸合成酶乙醛酸循環(huán)示意圖引自周德慶，2003第三節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑一、自氧微生物的CO2固定（一）Calvin循環(huán)是自養(yǎng)型生物固定CO2的主要途徑；本途徑含有兩種特有的酶：核酮糖二磷酸羧化酶；磷酸核酮糖激酶；（二）厭氧乙酰-CoA途徑這種非循環(huán)式的CO2固定機(jī)制主要存在于一些化能自養(yǎng)菌中，如產(chǎn)乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等；整個(gè)反應(yīng)的關(guān)鍵酶是CO脫氫酶；（三）逆向TCA循環(huán)一些綠色硫細(xì)菌固定CO2的方式特殊酶為檸檬酸裂合酶（四）羥基丙酸途徑少數(shù)綠色硫細(xì)菌以H2或H2S作電子供體進(jìn)行自養(yǎng)生活時(shí)所特有的一種CO2的固定機(jī)制；其關(guān)鍵步驟是羥基丙酸的產(chǎn)生；此類細(xì)菌無(wú)Calvin循環(huán)和逆向TCA循環(huán)途徑；指大氣中的分子氮通過(guò)微生物固氮酶的催化還原成氨的過(guò)程；生物界中只有原核生物的部分菌才具有固氮能力；生物固氮是地球上僅次于光合作用的生物化學(xué)反應(yīng)；荷蘭學(xué)者Beijerinck最早分離出共生固氮微生物Rhizobium(根瘤菌屬)；（一）固氮微生物的種類自生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)共生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)聯(lián)合固氮菌(associativenitrogen-fixer)二、生物固氮

(Biologicalnitrogenfixation)（二）固氮的生化機(jī)制1.生物固氮反應(yīng)的六大要素ATP的供應(yīng)；還原力[H]及其傳遞載體；固氮酶；還原底物—N2；鎂離子；嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境；微量凱氏定氮法、同位素法、乙炔還原法

2.固氮酶活力的測(cè)定3.固氮的生化途徑（P136）形成相應(yīng)的氨基酸呼吸無(wú)氧呼吸發(fā)酵光合作用NAD(P)H2ATP

Fd(Fld)HN二NHN三NH2N-NH2

2NH3

固二氮酶還原酶組分II固二氮酶組分

IADP+PiMg2+氧障固氮酶對(duì)氧極端敏感；組分II（鐵蛋白）：在空氣中暴露45s失活；組分I（鉬鐵蛋白）：半衰期10min；但大多數(shù)固氮菌都是好氧菌；如何解決微生物既需要氧又須防止氧對(duì)固氮酶損傷的矛盾？思考?（三）好氧菌固氮酶避氧害機(jī)制1.好氧性自生固氮菌的抗氧保護(hù)機(jī)制呼吸保護(hù)、構(gòu)象保護(hù)2.藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制分化出特殊的還原性異形胞;非異形胞的藍(lán)細(xì)菌采用固氮作用和光合作用進(jìn)行時(shí)間上的分隔3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制存在豆血紅蛋白三、肽聚糖的合成整個(gè)肽聚糖的合成過(guò)程約有20步(Staphylococcusaureus)（一）在細(xì)胞質(zhì)中的合成（二）在細(xì)胞膜中的合成（三）在細(xì)胞膜外的合成1.由葡萄糖合成

N-乙酰葡萄糖胺和

N-乙酰胞壁酸

（一）在細(xì)胞質(zhì)中的合成葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ATPADP果糖-6-磷酸GlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰葡糖胺-1-磷酸UDPGUTPPP

PEPPi縮合反應(yīng)NADPHNADP+還原反應(yīng)UDPMUDP-N-乙酰胞壁酸-五肽即“Park”核苷酸ATPADP+PiD-GluUDPMATPADP+PiL-LysUDPMATPADP+PiL-AlaUDPMUDPMUDPMATPADP+PiD-AlaD-Ala2.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸G（二）在細(xì)胞膜中的合成—肽聚糖單體的合成引自周德慶，2003轉(zhuǎn)糖基化作用轉(zhuǎn)肽作用（三）在細(xì)胞膜外的合成作業(yè):1.肽聚糖是如何合成？哪些化學(xué)因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位點(diǎn)？3.青霉素的抑菌機(jī)制？它對(duì)處于生長(zhǎng)繁殖旺盛階段的細(xì)菌具有明顯的抑制作用，對(duì)于生長(zhǎng)停滯狀態(tài)的休止細(xì)胞有無(wú)作用？四、微生物次生代謝物的合成初生代謝產(chǎn)物某些微生物生長(zhǎng)到一定階段形成的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)量較大的代謝產(chǎn)物；次生代謝產(chǎn)物某些微生物生長(zhǎng)到穩(wěn)定期前后，以初生代謝產(chǎn)物為前體，通過(guò)復(fù)雜的次生代謝途徑所合成的產(chǎn)量較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的代謝產(chǎn)物；微生物次生代謝物的合成途徑糖代謝延伸途徑莽草酸延伸途徑氨基酸延伸途徑乙酸延伸途徑抗生素青霉素、鏈霉素、金霉素等生長(zhǎng)刺激劑赤霉素、吲哚乙酸、奈乙酸等維生素

硫胺素、核黃素、B12、吡哆醛等