第四章微生物的生理3

第四章微生物的生理第三节微生物的产能代谢生理微生物的酶（组成，结构，分类，催化特征，影响酶活的因素）营养（微生物的化学组成，营养物及营养类型，营养物进入微生物的方式）产能代谢（呼吸类型，产能代谢与呼吸作用的关系，发光现象）环境工程微生物学代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢和合成代谢两个过程组成。分解代谢是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。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。环境工程微生物学一、微生物的生物氧化和产能1.微生物的代谢物质代谢能量代谢产能代谢耗能代谢分解代谢合成代谢核心问题环境工程微生物学环境工程微生物学2.呼吸呼吸本质：化能营养型——分解产能光能营养型——光合产能呼吸（生物氧化）：生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。产能代谢的总称。呼吸作用的本质:氧化与还原反应的统一过程。3.微生物产能的方式和种类：电能（电子移动产生）化学能（氧化有机物和无机物的化学反应中释放的能量）机械能（运动产生的）光能（发光细菌产生的）微生物能量的转化(1)变为热，散失；(2)供合成反应和生命的其他活动；(3)贮存在ATP（三磷酸腺苷）中。环境工程微生物学能量转移中心环境工程微生物学4.能量的转移中心——ATP太阳光有机物还原态无机物化能异养菌化能自养菌通用能源最初能源ATP能量代谢的主要内容：研究微生物如何利用这三类最初能源，转化并释放出ATP的。氧化分解底物合成细胞组织和生命活动产能耗能ATPATP(adenosine-triphosphate)，其中A表示腺苷，T表示其数量为三个，P表示磷酸基，即一个腺苷上连接三个磷酸基。其结构简式是：A—P～P～P，其相邻的两个磷酸基之间的化学键非常活跃，水解时可释放约30.5kJ/mol的能量，因此称为高能磷酸键，用“~”表示,大量化学能就储存在高能磷酸键中。ATP——三磷酸腺苷环境工程微生物学ATP是生命活动能量的直接来源，但本身在体内含量并不高。人体预存的ATP能量只能维持15秒,跑完一百公尺后就全部用完，不足的继续通过呼吸作用等合成ATP。纯净的ATP呈白色粉末状，能溶于水。作为药品可以提供能量并改善患者新陈代谢。ATP片剂可以口服，注射液可供肌肉注射或静脉注射。功能：各种生命活动能量的直接来源.环境工程微生物学5.产生ATP的三种形式环境工程微生物学（1）氧化磷酸化好氧微生物呼吸时，通过电子传递体系产生ATP的过程。氧化磷酸化的过程表示为：NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2NAD++4H2O+3ATP1个NADH产生3个ATP电子传递体系电子传递体系由NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）或FMN（黄素单核苷酸）、辅酶Q、细胞色素b、细胞色素c1等组成。电子传递体系的功能a.接受电子；b.合成ATP，把电子传递过程释放的能量贮存。环境工程微生物学电子传递体系在细胞中的部位原核微生物——细胞质膜真核微生物——线粒体电子传递体系产能情况NADH3ATPFADH2ATP环境工程微生物学环境工程微生物学（2）底物水平磷酸化厌氧微生物和兼性厌氧微生物在底物氧化过程中，产生一种含高自由能的中间体，这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。底物水平磷酸化作用与氧化磷酸化作用的区别☆底物水平磷酸化作用是指ATP的形成直接与一个中间代谢物上的磷酸基团转移相偶联。☆氧化磷酸化作用是指ATP的生成基于电子传递相偶联的磷酸作用。1个ADP生成1个ATP产生ATP的三种形式p136环境工程微生物学（3）光合磷酸化光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。ADP+H3PO4ATPAMP+2H3PO4ATPATP生成的反应式产生ATP的三种形式环境工程微生物学二.生物氧化（呼吸）类型与产能代谢A—H2A辅酶辅酶－H2受氢体受氢体－H2脱氢酶氧化酶生物氧化（呼吸）类型：脱氢（电子）传递氢（电子）受氢（电子）根据电子最终受体，可将微生物的呼吸类型分为：发酵好氧呼吸无氧呼吸供氢体环境工程微生物学1.发酵廉价的原料有用的代谢产物有O2、无O2有益微生物工业中的发酵有机物氧化的基质有机物氧化有机物最终受氢体发酵-呼吸产生ATP★广义:利用微生物代谢生产有用代谢物等的一类生产方式。狭义定义:无氧等外源受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力［H］未经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。底物－H底物ADP+PiATP中间代谢物中间代谢物－H（发酵产物）环境工程微生物学发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解。主要分为四种途径：EMP途径HMP途径ED途径PK途径环境工程微生物学环境工程微生物学两大步骤第一步：不涉及氧化还原反应的预备性反应，生成2分子中间产物3－磷酸甘油醛；第二步：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。EMP途径环境工程微生物学葡萄糖ATPADPHCOHCOHHOCHCH2OHHCOHHCOH6-磷酸葡萄糖HCOHCOHHOCHHCOHHCOHHCOHCOHHOCHCH2OPO3H2HCOHHCOH6-磷酸果糖COHOCHHCOHHCOHCH2OPO3H2HCOHHCOHCH2OHCH2OHATPADP1，6-二磷酸果糖COHOCHHCOHHCOHCH2OPO3H2HCOHHCOHCH2OPO3H23-磷酸甘油醛HCOHCOHCH2OPO3H2磷酸二羟丙酮COCH2OPO3H2CH2OH2NAD+NADH2ADPATPCH2OHCH2OHHCOPO3H2COOH2-磷酸甘油酸HCOHCH2OPO3H2OCOPO3H21,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸HCOHCH2OPO3H2COOHH2OCOPO3H2COOHCH2磷酸烯醇丙酮酸ADPATP产生第二个ATP丙酮酸COOHCOCH3底物水平磷酸化丙酮酸是葡萄糖酵解的产物，在各种微生物的作用下，发酵生成各种最终产物。无机磷酸结合PiNAD+NADH2产生第一个ATP底物水平磷酸化丙酮酸是葡萄糖酵解的产物，在各种微生物的作用下，发酵生成各种最终产物。不同发酵的类型丙酮酸丁酸丁醇发酵丙酸发酵混合酸发酵丁二醇发酵正型乳酸发酵乙醇发酵乳酸异型发酵丁酸发酵环境工程微生物学通过这些发酵，微生物可获得生命活动需要的能量，人类则可获得代谢产物。环境工程微生物学作为发酵底物必须具备两点：1）不能过分氧化也不能过分还原，过分还原不能作为电子受体，因为电子受体还要进一步还原，过分氧化不能产生足以维持生长的能量。2）必须转变为可参与底物水平磷酸化的中间产物。环境工程微生物学氧化1mol葡萄糖分子合成4molATP-磷酸化葡萄糖消耗了2molATP=反应得到2molATP关于能量C6H12O6＋2NAD＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP231.4KJ100%26%238.3KJ1mol葡萄糖2molATPP139V.P试验、甲基红试验——大肠埃希氏杆菌和产气杆菌的区分产气杆菌在混合酸发酵时会产生中性的乙酰甲基醇，但大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵产生多种有机酸，使培养液呈酸性，pH在4.2左右甚至更低。当用甲基红滴入时，大肠埃希氏杆菌培养液为红色，称之为阳性反应；产气杆菌培养液为橙黄色，为甲基红反应阴性。大肠埃希氏杆菌的发酵产物为甲酸、乙酸、乳酸、CO2等。产气杆菌也能进行混合酸发酵，丙酮酸经过缩合、脱羧后形成乙酰甲基甲醇，可在碱性条件下被迅速氧化为二乙酰，二乙酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反应形成红色化合物，称为阳性反应。环境工程微生物学环境工程微生物学大肠杆菌大肠埃希氏菌(E.coli)通常称为大肠杆菌，是Escherich在1885年发现的，在相当长的一段时间内，一直被当作正常肠道菌群的组成部分，认为是非致病菌。直到20世纪中叶，才认识到一些特殊血清型的大肠杆菌对人和动物有病原性，尤其对婴儿和幼畜（禽），常引起严重腹泻和败血症，它是一种普通的原核生物，是人类和大多数温血动物肠道中的正常菌群。但也有某些血清型的大肠杆菌可引起不同症状的腹泻。大肠杆菌O157：H7血清型属肠出血性大肠杆菌，自1982年在美国首先发现以来，包括我国等许多国家都有报道，且日见增加。大肠杆菌O157：H7引起肠出血性腹泻，约2％～7％的病人会发展成溶血性尿毒综合征，儿童与老人最容易出现后一种情况。致病性大肠杆菌通过污染饮水、食品、娱乐水体引起疾病暴发流行，病情严重者，可危急生命。环境工程微生物学2.好氧呼吸当存在外在的电子受体——O2，底物可全部氧化成CO2和H2O，产生ATP。这种有外在电子受体O2时对能源的氧化称为好氧呼吸。底物NAD(P)+FAD或FMN电子传递体系释放的电子eO2→H2OATP以葡萄糖为例子，讲解好氧呼吸过程。葡萄糖的好氧呼吸分为两个阶段：1.糖酵解阶段，形成丙酮酸，即EMP途径酵解阶段；2.丙酮酸有氧分解阶段，即三羧酸循环（TCA循环）阶段。好氧呼吸产能的代表途径；指由丙酮酸经过一系列循环反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。是广泛存在于各种生物体中的重要化学反应，在好氧微生物中普遍存在，也称为三羧酸循环；由诺贝尔奖获得者（1953）、德国学者H.A.Kerbs于1937年提出。TCA循环环境工程微生物学环境工程微生物学好氧呼吸第一阶段：EMP途径形成丙酮酸环境工程微生物学2NAD+2NADH22ADP2ATPC6H12O6CH3COCOOHCH3CO~SCoA乙酰辅酶ATCA循环CO2底物水平磷酸化ATPCoA~SHCO2CO2CH2-COOHCH-COOHO=C-COOH1mol丙酮酸经三羧酸循环后氧化产生molCO2，生成molNADH2，molFADH2。341环境工程微生物学1mol丙酮酸经三羧酸循环后氧化产生3molCO2，生成4molNADH2，1molFADH2。关于能量EMP阶段1mol葡萄糖酵解成2mol丙酮酸共生成2molATP酵解中产生的2molNADH2产生6molATPTCA阶段4molNADH2生成：4×3＝12molATP1molFADH2生成2molATP底物磷酸化生成1molATP×2=30mol8molC6H12O6+6O2+38ADP+38H3PO46CO2+6H2O+38ATP环境工程微生物学发酵lmol葡萄糖分子的能量利用率只有26％。可见，进行发酵的厌氧微生物为了满足能量的需要，消耗的营养物要比好氧微生物多。1mol葡萄糖完全氧化得到38molATP；有1193KJ能量转化为ATP，而其产生的总能量为2876KJ，好氧呼吸中利用能量的效率是42％。环境工程微生物学由辅酶NAD，NADP，辅酶FAD和FMN，辅酶Q，细胞色素b，细胞色素c1，c，细胞色素a和a3组成。电子传递体系O2→H2OATP环境工程微生物学3.乙醛酸循环TCA循环的一个支路.P141原核微生物体内的细胞膜真核微生物存在于线粒体中存在的位置•接受电子，电子从一个组分传到另一个组分，最后由细胞色素氧化酶的催化反应，将电子传递给最终电子受体—O2；•合成ATP。基本功能TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位环境工程微生物学利用外界供给的能源称为外源性呼吸。利用自身内部贮存的能源物质，称为内源性呼吸。好氧呼吸环境工程微生物学好氧呼吸的条件：取决于O2的体积分数，微生物环境中O2达到0.2％（大气中氧的体积分数的1％）或0.2％以上，可以进行好氧呼吸;达不到，则无法进行好氧呼吸。P145环境工程微生物学3.无氧呼吸以有机物为底物，经呼吸链传递氢，最终由氧气以外的无机化合物，如NO3-、NO2-、S