第5章-微生物的代谢讲解

第五章微生物的代谢（Microbialmetabolism）什么是代谢？细胞内发生的各种化学反应的总称，包括物质代谢和能量代谢；两者的关系：复杂分子简单分子+ATP+[H]分解代谢酶系合成代谢酶系能量代谢是代谢中的核心问题生物体的通用能源—ATP第一节微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源？能量代谢的实质：追踪微生物利用的最初能源转换成通用能源—ATP的过程；光能：日光化学能：有机物和无机物微生物的营养类型化能自养微生物化能异养微生物光能自养微生物光能异养微生物1.生物氧化的含义2.生物氧化的过程脱氢、递氢、受氢3.生物氧化的结果产ATP、还原力[H]和小分子代谢产物一、化能异养微生物的生物氧化和产能1.生物氧化的含义生物氧化是指发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。燃烧：生物体外的氧化有机物生物氧化与燃烧的比较比较项目燃烧生物氧化反应终产物二氧化碳、水二氧化碳、水步骤一步式快速反应多步式梯级反应反应过程激烈温和催化剂无酶产能方式突然释放（热、光）逐步释放（ATP）能量利用率低高生物氧化的过程（一）脱氢（二）递氢（三）受氢（一）脱氢葡萄糖的四条脱氢途径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、戊糖磷酸途径)ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径)TCA循环(三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环)1.EMP途径C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸1）是大多数生物所共有的基本代谢途径；2）有氧和无氧条件下都能进行；有氧条件下，该途径与TCA途径连接；无氧条件下，丙酮酸被还原形成乳酸等发酵产物；3）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点；如磷酸二羟丙酮可还原成甘油进入脂类代谢特点2.HMP途径1）是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而彻底氧化产能、产还原力[H]和许多中间代谢产物的途径；2）进行一次周转需要6分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗1分子的葡萄糖；3）1分子的葡萄糖能产生12分子的NADPH2（参与许多物质的合成）；4）反应中有C3-C7各种糖，用于合成核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等。3.ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径)由Enter和Doudoroff在嗜糖假单胞菌中发现；途径：葡萄糖→6磷酸葡萄糖→6磷酸葡萄糖酸→KDPG→3磷酸甘油醛+丙酮酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸NADPH2ED途径特点是少数缺乏完整EMP途径微生物所具有的一种替代途径，如假单胞菌、运动发酵单胞菌等；该途径反应步骤简单，通过四步反应即可获得2分子的丙酮酸；产能效率低，1分子的葡萄糖仅产1个ATP；反应中有一个特征性酶—KDPG醛缩酶；可与EMP、HMP和TCA循环等代谢途径相连接；具有ED途径的微生物Pseudomonassaccharophila（嗜糖假单胞菌）Ps.Aeruginosa（铜绿假单胞菌）Ps.Fluorescens（荧光假单胞菌）Ps.Lindneri（林氏假单胞菌）ZymomonasMobilis（运动发酵单胞菌）Alcalligenes.eutrophus（真养产碱菌）细菌酒精发酵和酵母菌酒精发酵比较细菌酒精优点代谢速率高产物转化率高代谢副产物少发酵温度较高不必定期供氧细菌酒精缺点pH为5，容易染杂菌，而酵母菌为3；对乙醇的耐受力7%，酵母菌为8-10%EMP、HMP与ED途径在微生物中分布菌名EMPHMPED大肠杆菌7228枯草杆菌7426真养产碱菌100运动发酵单胞菌100嗜糖假单胞菌100铜绿假单胞菌2971酿酒酵母8812产朊假丝酵母66~8119~34灰色链霉菌973产黄青霉77234.TCA循环TCA循环由10步酶促反应组成；产能效率极高，是产生ATP的主要场所；在微生物代谢中占有枢纽的地位；提供生物合成所用碳架的重要来源；与微生物大量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；2×1分子FADH22×3分子NADH22×1个GTP20ATPTCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位四种脱氢途径的比较EMP途径：许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡萄糖经10步反应产生2分子丙酮酸、2分子NADH2和2个ATP。有氧和无氧条件下都能进行；HMP途径：可与EMP途径或ED途径同时存在，有氧和无氧条件下均可进行。该途径的主要作用是生物合成；四种脱氢途径的比较ED途径：少数微生物（某些细菌）以该途径替代EMP途径。1分子葡萄糖经4步反应产生2分子丙酮酸、2分子NADH2和1个ATP；TCA循环：有氧条件下，丙酮酸经该途径进一步代谢产能或用于合成。（二）递氢呼吸链（电子传递链）是指位于膜上（原核生物在细胞膜内膜，真核微生物在线粒体内膜），由一系列氧化还原势呈梯度差（按照电子亲和力递增顺序排列）的电子传递体组成（递氢体和电子传递体）；原核和真核生物的电子传递链组成不同，但功能相似；典型的电子传递链的主要组分及排列顺序：NAD(P)H2[FADH2]→复合体I[复合体II]→COQ→复合体Ⅲ→Cyt.c→复合体Ⅳ→O2复合体I复合体IICytc复合体III复合体Ⅳ复合物Ⅰ催化两个电子从NADH转移到CoQ，电子在传递时，伴随着4个质子从膜内移至膜间隙；复合物Ⅱ只催化电子从琥珀酸转移到CoQ，不涉及质子的转移；复合物Ⅲ催化电子从CoQ传递到Cytc，每次循环只转移一个电子，同时协调1个质子跨膜转运；复合物Ⅳ催化电子从Cytc转移到O2，使O2还原成H2O，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。现在普遍接受的观点——化学渗透学说该学说是英国学者P.Mitchell于1961年提出；1978年获得诺贝尔奖ATP产生的机制化学渗透假说电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度差，在H+浓度梯度的驱动下，通过ATP酶“孔道”返回到膜内时，驱动ATP合成。头部F1：由5种多肽α3β3γδε组成水溶性球蛋白，每个β亚基具有一个ATP合成的催化位点；基部F0：由3种多肽a1b2cn组成疏水蛋白复合体嵌入内膜，形成跨膜质子通道；ATP合酶的结构三个β亚基的不同构象O开放型；L疏松型；T紧密结合型当质子从FO流至膜的F1时，γ和ε亚基在质子流的推动下旋转，调节β亚基的构象发生变化，释放ATP。（三）受氢经多种途径脱氢和递氢后，最终与氢受体结合并释放其中的能量；根据氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼吸（有氧呼吸）无氧呼吸发酵1.呼吸（有氧呼吸）是一种最重要的生物氧化或产能方式；递氢和受氢在有氧条件下进行，是一种高效产能方式；其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链传递，最终被外源的分子氧接受并释放能量；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（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；2.无氧呼吸（厌氧呼吸）无氧呼吸的类型指在无氧的条件下，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性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；能进行发酵的微生物是专性厌氧菌或兼性厌氧菌;其产能都是通过底物水平磷酸化反应，产能效率低；3.发酵能形成高能磷酸键的产物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA发酵类型1.通过EMP途径进行的发酵同型发酵（酒精、乳酸）•凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵;2.通过HMP途径进行的发酵异型发酵（乳酸）•凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵;发酵类型3.通过ED途径进行的发酵细菌酒精发酵4.由氨基酸发酵产能—Stickland反应少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。呼吸、无氧呼吸和发酵的示意图二、化能自养微生物的生物氧化和产能包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；氢供体是还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+等）；绝大多数化能自养微生物是好氧菌—如硝化杆菌属；无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；呼吸链的组分多样化；产能效率低；硝化细菌产ATP和还原力[H]NO2-NO3-NADH2FPCyt.bCyt.cCyt.a1Cyt.aa3-ATP-ATP+ATP1/2O2H2O2H++2e-2H++2e-NH3+O2H2O•NO2-为什么化能自养微生物的产能效率、生长速率和细胞产率都很低？硝化细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌反硝化细菌化能自养微生物化能异养微生物好氧微生物兼性厌氧微生物有氧条件下利用氨或亚硝酸盐作氢供体，形成亚硝酸或硝酸无氧条件下利用硝酸盐作氢受体，将其还原成NON2在自然界的物质合成过程中起重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用三、光能营养型生物的生物氧化光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌紫膜光合作用非循环光合磷酸化存在于光合细菌中的原始光合作用机制；在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式的电子传递途径产生ATP；在厌氧条件下进行，不产氧；产ATP和还原力[H]分别进行；能以有毒的H2S作为氢供体—污水净化；具体反应途径：P122循环光合磷酸化非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；电子的传递途径是非循环式的；在有氧条件下进行，能产生氧气；有两个光合系统；PSI：含叶绿素a，吸收光波P700，有利于红光吸收PSⅡ：含叶绿素b，吸收光波P680，有利于蓝光吸收反应中可同时产ATP、还原力[H]和氧气；具体反应途径：P124比较项目非循环光合磷酸化循环光合磷酸化生物体植物、藻类、蓝细菌光合细菌叶绿素类型叶绿素菌绿素PSI有有PSII有无与氧的关系好氧厌氧氧的产生有无还原力[H]来自水的光解来自H2S等无机氢供体两种光合作用比较嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌是一类在高盐环境中生长的古生菌；无叶绿素或菌绿素参与；在无氧条件下，利用光能通过紫膜上视黄醛辅基构象的改变，逐出质子，形成质子动势；细胞膜上有红色和紫色两个组分（各占50%）；红膜：在有氧条件下进行氧化磷酸化产能；•主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等紫膜：环境中氧气浓度很低时，利用紫膜的光能介导合成能量；•主要成分为细菌视紫红质和类脂；•细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；是最简单的光合磷酸化反应。第三节微生物独特合成代谢途径自氧微生物的CO2固定途径Calvin循环厌氧乙酰-CoA途径逆向TCA循环羟基丙酸途径Calvin循环：化能自养生物和光能自养生物固定CO2的主要途径；厌氧乙酰-CoA途径：主要存在于一些化能自养菌中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；逆向TCA循环：绿色硫细菌固定CO2的方式；羟基丙酸途径：少数绿色硫细菌以H2或H2S作电子供体时所特有的一种CO2的固定机制；指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化还原成氨的过程；生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；只有原核生物的部分菌才具有固氮能力；荷兰学者Beijerinck最早分离出共生固氮微生物Rhizobium(根瘤菌属)；二、生物固氮(Biologicalnitrogenfixation)固氮微生物的种类（P134）自生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)共生固氮菌(symbioticnitrogen-fixer)联合固氮菌(associativenitrogen-fixer)（二）固氮的生化机制1.生物固氮反应的六大要素ATP的供应；还原力[H]及其传递载体；固氮酶—钼铁蛋白和铁蛋白；还原底物—N2；镁离子；严格的厌氧微环境；微量凯氏定氮法、同位素法、乙炔还原法2.固氮酶活