《微生物代謝》PPT課件.pptVIP

第七章 微生物的代謝,新陳代謝：微生物與其他生物一樣，為了自身的生長發(fā)育及繁殖后代，需要不斷地從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，在體內(nèi)經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成能量和構(gòu)成細(xì)胞的物質(zhì)，并向體外排出不需要的產(chǎn)物。這一系列的生化過程稱為新陳代謝。 新陳代謝包括：組成代謝（合成代謝）和分解代謝兩個部分。,1、合成代謝：由簡單的小分子化合物合成復(fù)雜的細(xì)胞物質(zhì)的過程稱為合成代謝。 2、分解代謝：由復(fù)雜的營養(yǎng)物質(zhì)或細(xì)胞大分子物質(zhì)降解成簡單的產(chǎn)物并產(chǎn)生能量的過程稱為分解代謝。 二者有明顯的區(qū)別，但又緊密相連，分解代謝為合成代謝提供能量及“原材料”；合成代謝又是分解代謝的基礎(chǔ)，它們在細(xì)胞內(nèi)偶聯(lián)地進行。 微生物的代謝是微生物生理學(xué)的核心，微生物種類繁多，代謝過程和方式也是多種多樣。然而，微生物與其它主要生物的代謝活動的基本規(guī)律是一致的。,第一節(jié) 微生物酶,任何生物進行生命活動都離不開酶，微生物也不例外。大分子的營養(yǎng)物質(zhì)要通過微生物產(chǎn)生的胞外酶分解成小分子的物質(zhì)，才能被M吸收利用。進入細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)也要通過酶的作用將其分解并釋放出能量。M合成其新的細(xì)胞物質(zhì)時，也是在各種酶的催化作用下進行的。因此可以說，沒有酶，細(xì)胞內(nèi)的一切生化反應(yīng)將不能進行，生命也就停止了。,一、酶：酶是由生活細(xì)胞產(chǎn)生的具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的有機催化劑 酶的特性： 酶具有蛋白質(zhì)的一切性質(zhì)。凡是能破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)變性的因素都可以使酶失去活性。 酶具有高效的催化作用和專一性。正是由于這種高度的專一性，才能使M體內(nèi)進行著數(shù)目眾多的、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)有條不紊地進行。,二、影響酶反應(yīng)速度的因素 環(huán)境條件影響酶的反應(yīng)速度。 （一）酶反應(yīng)速度：即酶活力，通常是以單位的時間內(nèi)底物的減少或產(chǎn)物的增加來表示。 離體酶的反應(yīng)速度在一定的時間內(nèi)能保持恒定。但隨著時間的延長，反應(yīng)速度會逐漸下降，出現(xiàn)反應(yīng)速度下降的原因很多。為了準(zhǔn)確的表示酶的活力，應(yīng)以反應(yīng)的初速度為標(biāo)準(zhǔn)。,（二）影響酶反應(yīng)速度的主要因素：酶的濃度、產(chǎn)物濃度、PH質(zhì)、溫度、酶抑制劑、酶激活劑等。一般的酶在60時就將失活。人工制成的干燥酶制劑可以耐較高的溫度。 酶抑制劑：由于改變了酶蛋白上的必需基團或活性基的化學(xué)性質(zhì)而引起酶活力降低或喪失稱為抑制作用。引起這種抑制作用的物質(zhì)稱為酶抑制劑 。 酶激活劑：某些物質(zhì)的存在可以提高酶的活性，這些物質(zhì)稱為酶激活劑。,三、酶在微生物細(xì)胞中的分布： 根據(jù)酶在微生物細(xì)胞中的活動部位，通常將酶分為兩大類：即胞外酶和胞內(nèi)酶。 胞外酶：是由細(xì)胞產(chǎn)生后分泌到細(xì)胞外面進行活動的酶。 主要是指單成分的水解酶類。 1、水解多糖的淀粉E、纖維素E等； 2、水解寡糖的蔗糖E、麥芽糖E、乳糖E等； 3、蛋白酶E、脂肪E等； 胞外水解酶類大多是在細(xì)胞質(zhì)膜上合成，然后釋放到細(xì)胞外。,（二）胞內(nèi)酶：是在細(xì)胞內(nèi)部起作用的酶。酶在細(xì)胞內(nèi)不是雜亂無章、而是有一定的活動區(qū)域。不同性質(zhì)的酶類有不同的活動部位。 1、細(xì)胞質(zhì)膜是滲透酶的活動場所； 2、有關(guān)發(fā)酵的酶類則溶于細(xì)胞質(zhì)中； 3、有關(guān)呼吸酶類和電子遞體大多固定在特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)上，在原核M中是細(xì)胞內(nèi)膜的中體上；在真核微生物中則是在線粒體上。,4、有關(guān)蛋白質(zhì)合成的酶類主要是在核糖核蛋白體上活動； 5、有關(guān)光合作用的酶類則集中在葉綠體的片層結(jié)構(gòu)的膜上或染色體的膜上。 雖然M體內(nèi)有許多種酶，但由于各種酶類在細(xì)胞中有嚴(yán)格的活動區(qū)域，從而使M的生理活動在時間上和空間上都能有序地、高度有效地進行。,第二節(jié) 微生物的能量代謝,所謂能量就是指做功的本領(lǐng)，所有生物進行生命活動都需要能量。因此，M所需能量的來源，外界的能源物質(zhì)如何變成M可利用的形式，以及如何被M利用等，都是M能量代謝的基本問題。,一、ATP與氧化磷酸化 （一）ATP：就目前所知，在M體內(nèi)起主要作用的是ATP、?；o酶A，二者是體內(nèi)的偶聯(lián)者，可相互轉(zhuǎn)化。因此，ATP被認(rèn)為是M能量轉(zhuǎn)移的中心站，ATP的生成和利用則是M能量代謝的中心。 ATP是腺嘌呤核苷三磷酸（簡稱：三磷酸腺苷）的縮寫，是生物體中最重要的高能磷酸化合物。,（二）氧化磷酸化作用：生物利用化合物氧化過程中所釋放的能量，進行磷酸化生成ATP的作用。 生物氧化方式： 1、呼吸作用：以分子態(tài)氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用?；蛴醒鹾粑饔?； 2、無氧呼吸作用：以無機氧化物（如NO3-、NO2-、SO4-2，SO3-2等）中的氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用稱為無氧呼吸作用。 3、發(fā)酵作用：發(fā)酶作用是指電子（氫）供體和電子（氫）受體都是有機化合物的氧化作用。,4、呼吸鏈：電子自其供體向受體的轉(zhuǎn)移過程中，要經(jīng)過一系列的中間電子遞體，這些電子遞體按一定的順序排列成鏈，稱為電子傳遞鏈。如以氧為最終電子受體的，則稱為呼吸鏈。 二、ATP的利用（能量的消耗） ATP主要用于供給合成細(xì)胞物質(zhì)（包括貯藏物質(zhì)）所需的能量。組成細(xì)胞的物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)、核酸、類脂和多糖。合成這些物質(zhì)都需要ATP供給能量；此外，細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，鞭毛菌的運動，發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光等所消耗的能量也要由ATP供給。,三、微生物的呼吸類型： 根據(jù)M與分子態(tài)度的關(guān)系，即微生物在生活中是否需要O2，可以將M分為以下幾個類型： 1、好氧性M：凡是生活中需要O2的M； 大多數(shù)細(xì)菌，所有的放線菌和霉菌都屬此類型。它們以有氧呼吸進行生物氧化，以分子態(tài)氧作為最終電子（和氫）的受體，產(chǎn)生較多的能量。在自然界中，好氧性M的種類和數(shù)量都是最多的。,2、厭氧性M：凡是生活中不需要O2的M； 某些細(xì)菌，如某些梭狀芽胞桿菌，它們以發(fā)酵作用為唯一的生物氧化方式。例如：丁酸梭菌 3、兼性厭氧性M：凡是在有氧或無氧的條件下都能生活的M。 它們在有O2或無O2情況下以不同方式產(chǎn)生能量，有以下兩種類型：, 一種類型：在有氧的條件下進行有氧呼吸作用，在無氧的條件下進行發(fā)酵作用。例如：酵母菌，有氧時進行有氧呼吸，以O(shè)2作為最終電子受體，基質(zhì)被徹底氧化，釋放能量較多，酵母菌進行生長繁殖；而在無氧條件下則進行發(fā)酵作用，產(chǎn)生酒精和CO2，即酒精發(fā)酵。 另一種類型：兼厭氧性M ，在有氧的條件下進行有氧呼吸，在無氧的條件下進行無氧呼吸。例如：反硝化細(xì)菌，在有O2時，以O(shè)2作為最終電子（和氫）的受體進行有氧呼吸，在無O2時以無機物NO3-中的氧作為電子受體進行無氧呼吸。,4、微好氧性M：只需要微量O2的條件下生活的M 。如固氮螺菌，乳酸菌等。 另外，對于“發(fā)酵”這一名詞在微生物學(xué)中是指電子（和氫）的供體和受體都是有機化合物的一種生物氧化作用，是M在嫌氧條件下分解有機物質(zhì)的過程。 但在應(yīng)用M學(xué)中，習(xí)慣于把利用M生產(chǎn)人類所需要的代謝產(chǎn)物的過程稱為發(fā)酵。例如：酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵、青霉素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等，是指利用M生產(chǎn)酒類、食醋、青霉素和味精的過程。不管這種過程是在厭氧條件下，還是在好氧條件下發(fā)生的統(tǒng)稱為發(fā)酵。而其中真正在生物氧化意義上的發(fā)酵只有酒精發(fā)酵。這雖然與生物氧化中發(fā)酵的概念很不相同，可是由于在生產(chǎn)中被廣泛使用，也經(jīng)常在有關(guān)的資料中看到。但是要注意在不同情況下的“發(fā)酵”的含義。,第三節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)的分解,在生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝包括分解代謝和合成代謝。分解代謝是復(fù)雜的營養(yǎng)物質(zhì)分解成簡單化合物并釋放出能量的過程。合成作用所需要的能量和大多數(shù)原料物質(zhì)都來自分解作用。只有M體內(nèi)進行旺盛的分解作用，才能更多地合成M的細(xì)胞物質(zhì)并迅速生長繁殖?？梢姡纸庾饔迷贛代謝作用中的重要性。 從外界進入微生物體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)的種類很多。,一、碳水化合物的分解 碳水化合物是異養(yǎng)M的主要碳素來源和能量來源，包括各種多糖、雙糖和單糖。多糖必須在胞外由相應(yīng)的胞外酶水解，才能被吸收利用；雙糖和單糖被M吸收后，立即進入分解途徑，被降解成簡單的含碳化合物，同時分級釋放能量，供應(yīng)細(xì)胞合成所需要的碳源和能源。 基本過程： 多糖（胞外E作用下）單糖、雙糖丙酮酸（進入三羧循環(huán)）H2O、CO2,二、蛋白質(zhì)和氨基酸的分解 蛋白質(zhì)是大分子化合物，不能直接進入M細(xì)胞，必須在細(xì)胞外被分解成氨基酸之后才能被M利用。由蛋白質(zhì)分解成氨基酸是由蛋白酶和肽酶聯(lián)合催化的。 基本過程： 蛋白質(zhì)（蛋白酶作用下）肽類（肽酶作用下）氨基酸 氨基酸被M降解有脫氨基和脫羧基兩種基本方式。分別為脫氨酶類和脫羧酶類所催化。當(dāng)培養(yǎng)基的pH值偏堿時，進行脫氨作用；偏酸時進行脫羧作用。,三、脂肪和脂肪酸的分解 脂肪和脂肪酸可以作為許多微生物的碳源和能源，但一般利用較為緩慢。細(xì)菌中的熒光假單胞菌、分枝桿菌、放線菌等；真菌中的青霉、曲霉、鐮刀菌等都可以分解脂肪或高級脂肪酸。脂肪酸被徹底氧化后可以產(chǎn)生大量的能量，例如：1分子16C的飽各脂肪酸被徹底氧化時可獲得130個ATP。,第四節(jié) 微生物細(xì)胞物質(zhì)的合成,微生物的細(xì)胞物質(zhì)主要是由蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物和類脂等組成。合成這些大分子有機化合物需要大量能量和原料。能量來自營養(yǎng)物質(zhì)的分解，重于原料，可以是M從外界吸收的小分子化合物，但更多的是從營養(yǎng)物質(zhì)的分解中獲得。從這里可以看出：分解作用與合成作用之間相互依賴的密切關(guān)系，由于它們之間的相互依賴偶聯(lián)進行，M才能具有旺盛的生命活動和正常的生長繁殖。因而在自然界中得以生存和發(fā)展。,微生物的種類很多，其合成途徑也比較復(fù)雜和多種多樣。其主要的細(xì)胞物質(zhì)的合成途徑有如下幾種。 一、二氧化碳的固定 少數(shù)M能利用CO2，它們將空氣中的CO2同化成細(xì)胞物質(zhì)的過程稱為CO2的固定作用，或CO2的同化。CO2固定的方式有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種。,二、氮的同化 所有的生物都需要氮，氮的最終來源是無機氮。大氣中約有3/4是N2，但所有的高等生物和絕大多數(shù)的M都不能利用，只有固氮M可以同化固定N2，每年能固定氮素約1億多噸，遠比目前用化學(xué)方法合成的氮肥的量要多。能固氮的M很多，約有50多個屬，都是原核生物。凡能與植物共生固氮的M稱為共生固氮M，例如；與豆科植物根部細(xì)胞其生的根瘤菌；與非豆科植物根部共生的放線菌；與蕨類植物共生的蘭細(xì)菌。 凡能單獨生活固氮的M，稱為自生固氮M。,三、氨的同化與氨基酸的合成 M通過固氮作用，或硝酸還原作用所生成的氨NH3（氨），或直接從外界吸收的NH3，以及含氨化合物分解時所放出的NH3，都可以用來使酮酸氨基化而形成相應(yīng)的氨基酸。 （其余個體內(nèi)容自己看）,四、蛋白質(zhì)的合成 蛋白質(zhì)生物合成機制的闡明是現(xiàn)代生物科學(xué)的巨大成就，我國1965年首次人工合成了胰鳥素，為蛋白質(zhì)合成的研究作出了貢獻。 蛋白質(zhì)的生物合成是一個高度復(fù)雜而又巧妙的過程，除需要有各種氨基酸和有關(guān)酶的參與外，還需要核酸和核蛋白體的參與作用。一個生物能合成哪些蛋白質(zhì)，是由它的DNA決定的。 基本過程：先以DNA為模板合成mRNA（此過程稱為轉(zhuǎn)錄）再以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)（此過程稱為翻譯）。翻譯過程是在核蛋白體上進行的，因此常稱核蛋白體是合成蛋白質(zhì)的工廠。,蛋白質(zhì)生物合成的過程是： 1、氨基酸活化； 2、氨基酰tRNA的生成； 3、以mRNA為模板，完成蛋白質(zhì)的最后合成。 五、類脂的合成： 內(nèi)容包括： 脂肪酸的合成； 脂肪和磷脂的合成； 羥基丁酸的合成；,六、次生代謝產(chǎn)物的合成 在合成代謝中，M除了合成組建本身的物質(zhì)外，還可以通過支路代謝合成大量的次生物質(zhì)。次生物質(zhì)的種類很多，例如：抗生素、色素、毒素等。次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生受遺傳性的控制，即各種次生代謝產(chǎn)物只有在一定種類的微生物中才能生成。,第五節(jié) 微生物代謝的調(diào)節(jié),一、酶生成的調(diào)節(jié) 1、酶的誘導(dǎo)生成：微生物細(xì)胞內(nèi)的酶分為兩大類，即組成酶和誘導(dǎo)酶，組成酶是本來存在的；而誘導(dǎo)酶則必須是在環(huán)境中有底物存在時才能生成。例如：某些細(xì)菌只有生長在含有淀粉的培養(yǎng)基中才能產(chǎn)生淀粉酶；大腸桿菌在有半乳糖存在時產(chǎn)生半乳糖苷酶等。 2、酶生成的阻抑：阻止酶生成的現(xiàn)象稱為酶生成的阻抑。包括終產(chǎn)物阻抑和分解代謝產(chǎn)物阻抑。,二、酶功能的調(diào)節(jié) 為了避免“原料”的浪費和產(chǎn)物的過多積累，微生物體內(nèi)存在著一套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們可以調(diào)節(jié)酶的活動，使不需要的酶隨時停止活動，需要時又可以隨時復(fù)活，這種調(diào)節(jié)功能稱為反饋抑制，又可稱為末端產(chǎn)物抑制。微生物依靠這個系統(tǒng)，實現(xiàn)高度精確而有效的控制其代謝活動。,三、微生物代謝調(diào)節(jié)的意義 微生物在正常的生理條件下，依靠自身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，較嚴(yán)密地控制其代謝活動，從而使