微生物學(xué)-第四章 營(yíng)養(yǎng)與代謝.ppt

第四章微生物營(yíng)養(yǎng)和代謝多樣性MicrobialNutritionandMetabolismDiversity第一節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng) 營(yíng)養(yǎng)類型和培養(yǎng)基第二節(jié)微生物的代謝第三節(jié)微生物合成細(xì)胞物質(zhì)第四節(jié)微生物的次級(jí)代謝第五節(jié)微生物代謝的調(diào)控 第一節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng) 營(yíng)養(yǎng)類型和培養(yǎng)基 微生物營(yíng)養(yǎng)的功能 營(yíng)養(yǎng)或營(yíng)養(yǎng)作用 nutrition 是指生物體從外部環(huán)境吸收生命活動(dòng)所必需的物質(zhì)和能量 以滿足其生長(zhǎng)和繁殖需要的一種生理功能 營(yíng)養(yǎng)是一個(gè)過程 參與營(yíng)養(yǎng)過程并具有營(yíng)養(yǎng)功能的物質(zhì)稱為營(yíng)養(yǎng)物 nutrient 功能 參與微生物細(xì)胞的組成提供微生物機(jī)體進(jìn)行各種生理活動(dòng)所需的能量形成微生物代謝產(chǎn)物的來源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物新陳代謝和一切生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ) 失去這個(gè)基礎(chǔ) 生命也就停止 微生物細(xì)胞的化學(xué)組成 元素大量元素 碳 氫 氧 氮 磷 硫其他元素 鉀 鈉 鈣 鎂 鐵 錳 銅 鈷 鋅 鉬等存在方式有機(jī)物 蛋白質(zhì) 糖 脂 核酸 維生素 降解產(chǎn)物 代謝中間產(chǎn)物無(wú)機(jī)鹽灰分水 細(xì)胞干重的70 90 微生物細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 1 碳源 Carbonsource 2 氮源 Nitrogensource 3 能源 Energysource 4 生長(zhǎng)因子 Growthfactor 5 無(wú)機(jī)鹽 Inorganicsalt 6 水 Water 微生物的碳源 被微生物利用來構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中碳架來源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 工業(yè)生產(chǎn)常用的碳源 微生物培養(yǎng)基配制常用碳源 微生物可利用的碳源1 糖類 葡萄糖 果糖 麥芽糖 蔗糖 淀粉 半乳糖 乳糖 甘露糖 纖維二糖 纖維素 半纖維素 甲殼素 木質(zhì)素 等有機(jī)酸 乳酸 檸檬酸 延胡索酸 低級(jí)脂肪酸 高級(jí)脂肪酸 氨基酸 等醇類 乙醇脂類 脂肪 磷脂 微生物可利用的碳源2 烴類天然氣 石油 石油餾分 石蠟油CO2CO2碳酸鹽NaHCO3 CaCO3 白堊 等其他芳香族化合物 氰化物 蛋白質(zhì) 肽 核酸 等 微生物的能源 化能異養(yǎng)微生物 有機(jī)物 同碳源 化學(xué)物質(zhì)化能自養(yǎng)微生物 還原態(tài)無(wú)機(jī)物能源譜 不同碳源 NH4 NO2 S H2S H2 Fe2 等光能 光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物 能為微生物的生命活動(dòng)提供最初能量來源的物質(zhì)稱為能源 energysource 微生物的氮源 構(gòu)成微生物細(xì)胞組成或代謝中氮素來源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 無(wú)機(jī)氮源 銨鹽 硝酸鹽 亞硝酸鹽等氣態(tài)氮源 大氣N2有機(jī)氮源 蛋白胨 酵母膏 玉米漿 魚粉 黃豆餅 花生餅等 微生物的生長(zhǎng)因子 為某些微生物生長(zhǎng)所必需 其自身又不能合成 需要外源提供但需要量又很小的有機(jī)物質(zhì)通稱為生長(zhǎng)因子 growthfactor 狹義 維生素廣義 維生素 氨基酸 堿基 脂肪酸等1 生長(zhǎng)因子自養(yǎng)型微生物 auxoautotrophs 2 生長(zhǎng)因子異養(yǎng)型微生物 auxoheterotrophs 3 生長(zhǎng)因子過量合成型微生物4 營(yíng)養(yǎng)缺陷型微生物 nutritionaldeficiency 1 生長(zhǎng)因子自養(yǎng)型微生物 auxoautotrophs 多數(shù)真菌 放線菌和不少細(xì)菌 如大腸桿菌 E coli 等 都是不需要外界提供的生長(zhǎng)因子自養(yǎng)型微生物 2 生長(zhǎng)因子異養(yǎng)型微生物 auxoheterotrophs 它們需要多種生長(zhǎng)因子 例如一般的乳酸菌都需要多種維生素 根瘤菌生長(zhǎng)需要生物素 每mL培養(yǎng)液中只需要0 006mg 就有顯著的促進(jìn)生長(zhǎng)作用 3 生長(zhǎng)因子過量合成型微生物有些微生物在其代謝活動(dòng)中 會(huì)分泌出大量的維生素等生長(zhǎng)因子 因而可以作為維生素等的生產(chǎn)菌 例如生產(chǎn)維生素B2的阿舒假囊酵母 Eremotheciumashbya 或棉阿舒囊霉 Ashbyagossypii 產(chǎn)維生素B12的謝氏丙酸桿菌 Propionibacteriumshermanii 及某些鏈霉菌 Streptomycesspp 等 4 營(yíng)養(yǎng)缺陷型微生物 nutritionaldeficiency 某些微生物的正常生長(zhǎng)需要適量的一種或幾種氨基酸 維生素 堿基 嘌呤或嘧啶 凡是不能合成上述各類物質(zhì)中任何一種 而需外源供給才能正常生長(zhǎng)的 稱為營(yíng)養(yǎng)缺陷型微生物 某些微生物生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)因子 微生物的無(wú)機(jī)鹽 微量元素與微生物生理功能 無(wú)機(jī)鹽及其生理功能 水 水在微生物機(jī)體中具有重要的功能 是維持微生物生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì) 水是微生物細(xì)胞的重要組成成分 它占微生物體濕重的70 90 水還供給微生物氧和氫兩種元素 水使原生質(zhì)保持溶膠狀態(tài) 保證了代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行 當(dāng)含水量減少時(shí) 原生質(zhì)由溶膠變?yōu)槟z 生命活動(dòng)大大減緩 如同細(xì)菌芽孢 如原生質(zhì)失水過多 引起原生質(zhì)膠體破壞 可導(dǎo)致菌體死亡 水是物質(zhì)代謝的原料 如一些加水反應(yīng)過程 沒有水將不能進(jìn)行 水作為一種溶劑 能起到胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸介質(zhì)的作用 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)只有呈溶解狀態(tài)才能被微生物吸收 利用 代謝產(chǎn)物的分泌也需要水的參與 水又是熱的良好導(dǎo)體 因?yàn)樗谋葻岣?故能有效地吸收代謝過程中放出的熱并將其迅速散發(fā) 以免胞內(nèi)溫度驟然升高 故而水能有效地控制胞內(nèi)溫度的變化 水的可利用性 用水活度表示水活度 w wateractivity P PoP 溶液的蒸汽壓Po 純水的蒸汽壓在常溫常壓下 純水的aw為1 00微生物生長(zhǎng)所要求的aw值 一般在0 66 0 99之間 每一種微生物的生長(zhǎng)都有一適應(yīng)范圍及最適的aw值 并且這個(gè)aw值是相對(duì)恒定的 幾種微生物生長(zhǎng)的最適aw值 如果微生物生長(zhǎng)環(huán)境的aw值大于菌體生長(zhǎng)的最適aw值 細(xì)胞就會(huì)吸水膨脹 甚至引起細(xì)胞破裂 反之 如果環(huán)境aw值小于菌體生長(zhǎng)的最適aw值 則細(xì)胞內(nèi)的水分就會(huì)外滲 造成質(zhì)壁分離 使細(xì)胞代謝活動(dòng)受到抑制甚至引起死亡 人們?yōu)榱艘种朴泻ξ⑸锷L(zhǎng) 往往加人高濃度食鹽或蔗糖 降低環(huán)境中的aw值 使菌體不能正常生長(zhǎng) 而達(dá)到長(zhǎng)久保存食品的目的 二 微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)制 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 Simplediffusion 促進(jìn)擴(kuò)散 Facilitateddiffusion 主動(dòng)吸收 Activetransport 基團(tuán)轉(zhuǎn)位 Grouptranslocation 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 simplediffusion 是一種最為簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收進(jìn)入細(xì)胞的方式 在簡(jiǎn)單擴(kuò)散中 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在擴(kuò)散通過細(xì)胞膜的過程中不消耗能量 也不發(fā)生化學(xué)變化 物質(zhì)擴(kuò)散的動(dòng)力 膜內(nèi)外的濃度差特點(diǎn) 不消耗能量不發(fā)生化學(xué)變化非特異性 僅依膜上小孔的大小和形狀對(duì)被擴(kuò)散的物質(zhì)分子的大小和形狀具有選擇性被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)是小分子量和脂溶性物 水 氣體 甘油和某些離子 促進(jìn)擴(kuò)散 促進(jìn)擴(kuò)散 facilitateddiffusion 中 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的運(yùn)輸過程中 需要借助位于膜上的一種載體蛋白的參與 并且每種載體蛋白只運(yùn)輸相應(yīng)的物質(zhì) 借助膜上的載體蛋白 具有高度的立體專一性 載體蛋白能促進(jìn)物質(zhì)運(yùn)輸 但不能進(jìn)行逆濃度梯度運(yùn)輸 常見于真核微生物 如厭氧生活的酵母菌中 特點(diǎn) 需要特異性的載體蛋白不消耗能量可加快運(yùn)輸速度 但不能逆濃度運(yùn)輸 物質(zhì)運(yùn)輸促進(jìn)擴(kuò)散示意圖 主動(dòng)吸收 主動(dòng)運(yùn)輸 activetransport 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸過程需要消耗能量 并且可以逆濃度梯度運(yùn)輸 與促進(jìn)擴(kuò)散的重要區(qū)別是在促進(jìn)擴(kuò)散中載體蛋白分子構(gòu)型改變不需要能量 它在被運(yùn)輸物質(zhì)與載體分子之間通過相互作用使其構(gòu)型變化 從而完成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 但在主動(dòng)運(yùn)輸中 載體分子構(gòu)型變化以消耗能量為前提 因此主動(dòng)運(yùn)輸是一個(gè)耗能過程 特點(diǎn) 有特異性的載體蛋白參與需要消耗能量可以逆濃度梯度運(yùn)輸微生物的主要物質(zhì)運(yùn)輸方式 微生物主動(dòng)運(yùn)輸示意圖 基團(tuán)轉(zhuǎn)位 基團(tuán)轉(zhuǎn)位 grouptransport 是一種既需要載體蛋白又需要消耗能量的物質(zhì)運(yùn)輸方式 其與主動(dòng)運(yùn)輸方式不同的是它有一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)輸酶系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運(yùn)輸 同時(shí)底物在運(yùn)輸過程中發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)變化 一種主動(dòng)運(yùn)輸類型需復(fù)雜的運(yùn)輸酶系參與底物在運(yùn)輸過程發(fā)生化學(xué)變化主要存在于厭氧和兼性厭氧細(xì)菌中主要用于糖及脂肪酸 核苷 堿基等物質(zhì)的運(yùn)輸 如葡萄糖 見圖 葡萄糖通過基團(tuán)轉(zhuǎn)位運(yùn)輸過程的化學(xué)反應(yīng) 1 PEP HPr酶I磷酸 HPr 丙酮酸2 磷酸 HPr 葡萄糖酶II6 磷酸葡萄糖 HPr 基團(tuán)轉(zhuǎn)位運(yùn)輸葡萄糖示意圖 微生物4種吸收營(yíng)養(yǎng)機(jī)制的比較項(xiàng)目簡(jiǎn)單擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)輸基團(tuán)轉(zhuǎn)位特異載體蛋白無(wú)有有有運(yùn)輸速度慢快快快物質(zhì)運(yùn)送方向由濃至稀由濃至稀由稀至濃由稀至濃平衡時(shí)內(nèi)外濃度相等相等內(nèi)部濃度高內(nèi)部濃度高運(yùn)送分子無(wú)特異性特異性特異性特異性能量消耗不需要不需要需要需要運(yùn)送前后物質(zhì)分子不變不變不變不變載體飽和效應(yīng)無(wú)有有有與物質(zhì)類似物無(wú)競(jìng)爭(zhēng)性有競(jìng)爭(zhēng)性有競(jìng)爭(zhēng)性有競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)送物資舉例水 二氧化碳 硫酸根 磷酸根氨基酸 糖類 葡萄糖 果糖 氧 乙醇 鹽類糖 真核生物 鈉鈣等離子嘌呤 核苷 少數(shù)氨基酸脂肪酸等 三 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型 碳源 自養(yǎng)型 autotroph 二氧化碳異養(yǎng)型 heterotroph 有機(jī)物能量 化能營(yíng)養(yǎng)型 chemotroph 光能營(yíng)養(yǎng)型 phototroph 供氫體 有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型 organotroph 無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型 lithotroph 綜合而言 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型可分為 1 化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 化能異養(yǎng)型 2 化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 化能自養(yǎng)型 3 光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 光能自養(yǎng)型 4 光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 光能異養(yǎng)型 化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 以適宜的有機(jī)碳化合物為基本碳源 以有機(jī)物氧化過程中釋放的化學(xué)能為能源 以有機(jī)物為供氫體進(jìn)行生長(zhǎng)的微生物通稱為化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型 又稱為化能異養(yǎng)型 可分為 寄生型微生物 寄生于活的生物體腐生型微生物 以死亡的生物有機(jī)體為營(yíng)養(yǎng)原料自然界中絕大部分的微生物為化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型又稱化能自養(yǎng)型 這是一類能氧化某種還原態(tài)的無(wú)機(jī)物質(zhì) 利用所釋放的化學(xué)能還原CO2 合成有機(jī)物質(zhì) 進(jìn)行生長(zhǎng) 繁殖的微生物 該類微生物的特點(diǎn)是能以CO2作為生長(zhǎng)的主要碳源或唯一碳源 不需要有機(jī)養(yǎng)料 其所能利用的能源物質(zhì)與供氫體均是無(wú)機(jī)性質(zhì)的 例如硝酸細(xì)菌 氫細(xì)菌 硫化細(xì)菌 硫化細(xì)菌 鐵細(xì)菌等均屬于化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 例 2NH3 2O22HNO2 4H 能量CO2 4H CH2O H2O 光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型又稱為光能自養(yǎng)型 這是一類含有光合色素 能以CO2作為唯一或主要碳源并利用光能進(jìn)行生長(zhǎng)的微生物 它們能以無(wú)機(jī)物如硫化氫 硫代硫酸鈉或其他無(wú)機(jī)硫化物 以及水作為供氫體 使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì) 藻類 藍(lán)細(xì)菌 綠硫細(xì)菌和紫硫細(xì)菌就屬于這類微生物 碳源 CO2為唯一或主要碳源能源 光能供氫體 H2S Na2S2SO3和其他無(wú)機(jī)硫化物 水 光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物 光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型又可稱為光能異養(yǎng)型 有少數(shù)含有光合色素的微生物種類 能利用光能為能源 還原CO2合成細(xì)胞物質(zhì) 同時(shí)又必須以某種有機(jī)物質(zhì)作為光合作用中的供氫體 因而被稱為光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型 例如紅螺菌屬 Rhodospirillum 中的一些細(xì)菌 它們能利用異丙醇作為供氫體 使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì) 同時(shí)積累丙酮 光能異養(yǎng)型細(xì)菌在生長(zhǎng)時(shí)大多數(shù)需要外源的生長(zhǎng)因 碳源 CO2能源 光供氫體 必須以某種有機(jī)物作光合作用的供氫體例 RhodospirillumCO2 2CH3CHOHCH3 CH2O 2CH3COCH3 H2O 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型1 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型2 四 培養(yǎng)基 培養(yǎng)基Medium 是人工配制的適合于不同微生物生長(zhǎng)繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)培養(yǎng)基約有數(shù)千種 依據(jù) 微生物種類不同 所需營(yíng)養(yǎng)不同使用目的不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源不同培養(yǎng)基的物理狀態(tài)不同 培養(yǎng)基的培制原則 一 配制培養(yǎng)基的原則1 選擇適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適 C N 3 控制pH條件4 控制氧化還原電位 redoxpotential 5 原料來源的選擇6 滅菌處理 適宜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的選擇 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適 C N 碳氮比 C N 培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質(zhì)的量比值 有時(shí)也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比 如谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn) C N 4時(shí)菌體大量繁殖 Glu積累少 C N 3時(shí)菌體繁殖受抑 Glu大量積累 控制pH條件 細(xì)菌 ph7 0 8 0放線菌 pH7 8 5酵母菌 ph3 8 6 0霉菌 pH4 0 6 0 維持培養(yǎng)基pH的方法 使用磷酸緩沖劑 K2HPO4 Na2HPO4 KH2PO4 NaH2PO4采用 備用堿 CaCO3 CaHCO3采用弱酸鹽 檸檬酸鹽 乳酸鹽等采用液氨或鹽酸 控制氧化還原電位 redoxpotential 好氧微生物 0 1V 一般 0 3 0 4V厭氧微生物 0 1以下兼性微生物 0 1以上好氧呼吸 0 1以下進(jìn)行發(fā)酵 原料來源的選擇 經(jīng)濟(jì)節(jié)約原則原料來源要廣泛原料要易處理 處理成本要低原料處理后 廢物 廢液 廢氣要少 滅菌處理 高壓蒸汽滅菌 1 05kg cm2 121 5 15 30min 注意 高溫滅菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的破壞及pH變化 不耐熱物質(zhì)的滅菌 115 15 30min 間歇滅菌 二 培養(yǎng)基的類型及應(yīng)用 根據(jù)組成分劃分根據(jù)物理狀態(tài)劃分根據(jù)使用用途劃分 按成分不同劃分培養(yǎng)基 天然培養(yǎng)基 Complexmedium undefinedmedium 指用化學(xué)成分并不十分清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物質(zhì)配制而成培養(yǎng)基 半合成培養(yǎng)基 Semi definedmedium 指一類主要用已知化學(xué)成分的試劑配制 同時(shí)又添加某些未知成分的天然物質(zhì)制備而成的培養(yǎng)基 合成培養(yǎng)基 Syntheticmedium definedmedium 由化學(xué)成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基 根據(jù)物理狀態(tài)劃分培養(yǎng)基 固體培養(yǎng)基 含瓊脂1 5 2 半固體培養(yǎng)基 含瓊脂0 2 0 7 這種培養(yǎng)基常分裝于試管中滅菌后用于穿刺接種觀察被培養(yǎng)微生物的運(yùn)動(dòng)性 趨化性研究 厭氧菌培養(yǎng) 菌種保藏等 液體培養(yǎng)基 呈液體狀態(tài)的培養(yǎng)基 無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室還是生產(chǎn)實(shí)踐中 液體培養(yǎng)基被廣泛應(yīng)用 培養(yǎng)基固化物瓊脂與明膠的比較 按使用用途劃分培養(yǎng)基 基礎(chǔ)培養(yǎng)基 Minimummedium 含有一般微生物生長(zhǎng)繁殖所需基本營(yíng)養(yǎng)成分的培養(yǎng)基稱為基礎(chǔ)培養(yǎng)基 加富培養(yǎng)基 Enrichmentmedium 指在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊需要的營(yíng)養(yǎng)成分配制而成的營(yíng)養(yǎng)更為豐富的培養(yǎng)基 加富培養(yǎng)基一般用于培養(yǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求比較苛刻的微生物 鑒別培養(yǎng)基 Differentialmedium 用于鑒別不同微生物類型微生物的培養(yǎng)基稱為鑒別培養(yǎng)基 鑒別培養(yǎng)基主要用于微生物的分類鑒定和分離或篩選產(chǎn)生某種或某些代謝產(chǎn)物的微生物菌株 選擇培養(yǎng)基 Selectivemedium 用于從混雜的微生物群落中選擇性地分離某種或某類微生物而配制的培養(yǎng)基稱為選擇性培養(yǎng)基 一些鑒別培養(yǎng)基 第二節(jié)微生物的代謝Microbialmetabolism 微生物的代謝 一 能量代謝中的貯能與遞能分子二 微生物的主要產(chǎn)能方式三 化能異養(yǎng)代謝中糖的降解四 微生物合成細(xì)胞物質(zhì)五 次級(jí)代謝產(chǎn)物 產(chǎn)能代謝與分解代謝 產(chǎn)能代謝與分解代謝密不可分 任何生物體的生命活動(dòng)都必須有能量驅(qū)動(dòng) 產(chǎn)能代謝是生命活動(dòng)的能量保障 微生物細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)能與能量?jī)?chǔ)存 轉(zhuǎn)換和利用主要依賴于氧化還原反應(yīng) 化學(xué)上 物質(zhì)加氧 脫氫 失去電子被定義為氧化 而反之則稱為還原 發(fā)生在生物細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)通常被稱為生物氧化 微生物的產(chǎn)能代謝 微生物的產(chǎn)能代謝即是細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)經(jīng)過一系列的氧化還原反應(yīng)而逐步分解 同時(shí)釋放能量的生物氧化過程 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解代謝釋放的能量 一部分通過合成ATP等高能化合物而被捕獲 另一部分能量以電子與質(zhì)子的形式轉(zhuǎn)移給一些遞能分子如NAD NADP FMN FAD等形成還原力NADH NADPH FMNH和FADH 參與生物合成中需要還原力的反應(yīng) 還有一部分以熱的方式釋放 另有一部分微生物能捕獲光能并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以提供生命活動(dòng)所需的能量 種類繁多的微生物所能利用的能量有兩類 一是蘊(yùn)含在化學(xué)物質(zhì) 營(yíng)養(yǎng)物 中的化學(xué)能 二是光能 微生物產(chǎn)能途徑與方式 微生物產(chǎn)能代謝具有豐富的多樣性 但可歸納為兩類途徑和三種方式 即發(fā)酵 呼吸 含有氧呼吸和無(wú)氧呼吸 兩類通過營(yíng)養(yǎng)物分解代謝產(chǎn)生和獲得能量的途徑 通過底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 氧化磷酸化 oxidationphosphorylation 也稱電子轉(zhuǎn)移磷酸化 electrontransferphosphorylation 和光合磷酸化 photo phosphorylation 三種化能與光能轉(zhuǎn)換為生物通用能源物質(zhì) ATP 的轉(zhuǎn)換方式 一 能量代謝中的貯能與遞能分子 在與分解代謝相伴隨的產(chǎn)能代謝中 起捕獲 貯存和運(yùn)載能量作用的重要分子是腺嘌呤核苷三磷酸 簡(jiǎn)稱腺苷三磷酸 adenosinetriphosphate 即ATP ATP是由ADP 腺苷二磷酸 和無(wú)機(jī)磷酸合成的 ATP ADP和無(wú)機(jī)磷酸廣泛存在于細(xì)胞內(nèi) 起著儲(chǔ)存和傳遞能量的作用 因此 也稱為能量傳遞系統(tǒng) energy transmittingsystem ATP ATP結(jié)構(gòu) ATP在細(xì)胞中的功能 提供生物合成所需的能量 在生物合成過程中 ATP將其所攜帶的能量提供給大分子的結(jié)構(gòu)元件 例如氨基酸 使這些元件活化 處于較高能態(tài) 為進(jìn)一步裝配成生物大分子蛋白質(zhì)等作好準(zhǔn)備 是為細(xì)胞各種運(yùn)動(dòng) 如鞭毛運(yùn)動(dòng)等 提供能量來源 為細(xì)胞提供逆濃度梯度跨膜運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物所需的自由能 在DNA RNA 蛋白質(zhì)等生物合成中 保證基因信息的正確傳遞 ATP也以特殊方式起著遞能作用等等 在細(xì)胞進(jìn)行某些特異性生物過程如固定氮素時(shí)提供能量 煙酰胺輔酶NAD與NADP 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 nicotinamideadeninedinucleotide NAD 輔酶I 和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 nicotinamideadeninedinucleotidephosphate NADP 輔酶 為物質(zhì)與能量代謝中起重要作用的脫氫酶的輔酶作為電子載體 在能量代謝的各種酶促氧化 還原反應(yīng)中發(fā)揮著能量的暫儲(chǔ) 運(yùn)載與釋放等重要功能 其氧化形式分別為NAD 和NADP 在能量代謝氧化途徑中作電子受體 還原形式為NADH和NADPH 在能量代謝還原途徑中作電子供體 煙酰胺輔酶的結(jié)構(gòu)和氧化 還原狀態(tài) 黃素輔酶FMN與FAD 黃素單核苷酸 flavinmononucleotide FMN 和黃素腺嘌呤二核苷酸 flavinadeninedinucleotide FAD 是核黃素 riboflavin 即維生素B2 在生物體內(nèi)的存在形式 是細(xì)胞內(nèi)一類稱為黃素蛋白的氧化還原酶的輔基 因此也稱為黃素輔酶 核黃素是核醇與7 8 二甲基異咯嗪縮合物 由于在異咯嗪的1位和5位N原子上具有兩個(gè)活潑的雙鍵 故易發(fā)生氧化還原反應(yīng) 因此 它有氧化型和還原型兩種形式 FMN和FAD的分子結(jié)構(gòu) FAD和FMN的氧化還原構(gòu)型 黃素輔酶的生理功能 黃素輔酶與許多不同的電子受體和供體一起 通過3種不同的氧化還原狀態(tài)參與電子轉(zhuǎn)移反應(yīng) 在細(xì)胞的物質(zhì)與能量代謝的氧化還原過程中發(fā)揮傳遞電子與氫的功能 促進(jìn)糖 脂肪和蛋白質(zhì)的代謝 分解代謝和合成代謝的關(guān)系 酶的組成與分類單聚體蛋白酶蛋白寡聚體蛋白 谷酰胺合成酶多聚體蛋白 丙酮酸脫氫酶酶輔基 血紅素輔因子輔酶 NAD FAD 生物素等激活劑 金屬離子胞內(nèi)酶酶胞外酶 二 微生物主要產(chǎn)能途徑與方式 一 發(fā)酵 Fermentation 二 呼吸 Respiration 三 光能轉(zhuǎn)換 Photo conversion 一 發(fā)酵 廣義的發(fā)酵 指微生物在有氧或無(wú)氧條件下利用營(yíng)養(yǎng)物生長(zhǎng)繁殖并生產(chǎn)人類有用產(chǎn)品的過程 狹義的發(fā)酵 僅僅是指微生物生理學(xué)意義上的 它一般是指微生物在無(wú)氧條件下利用底物代謝時(shí) 將有機(jī)物生物氧化過程中釋放的電子直接轉(zhuǎn)移給底物本身未徹底氧化的中間產(chǎn)物 生成代謝產(chǎn)物并釋放能量的過程 化能異養(yǎng)代謝中糖的降解 一 葡萄糖降解 形成丙酮酸的途徑1 EMP途徑 Embden meyerhof parnaspathway 2 HMP途徑 Hexosemonophospatepathway 3 ED途徑 Entner doudoroff 4 WD途徑 EMP途徑 二磷酸己糖途徑 EMP途徑是絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑 因而也是酵母菌 真菌和多數(shù)細(xì)菌所具有的代謝途徑 在有氧條件下 EMP途徑與TCA途徑連接 并通過后者把丙酮酸徹底氧化成02和H2O 在無(wú)氧條件下 丙酮酸進(jìn)一步代謝后產(chǎn)生乳酸或乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物 EMP途徑以1分子葡萄糖為起始底物 歷經(jīng)10步反應(yīng) 產(chǎn)生4分子ATP 由于在反應(yīng)的第一階段消耗2分子ATP 故凈得2分子ATP 同時(shí)生成2分子NADH2和為分子丙酮酸 EMP途徑即可為微生物提供能量 也可為微生物合成代謝提供碳架 并在一定條件下可逆合成多糖 HMP途徑 單磷酸己糖途徑 磷酸戊糖途徑 PPP途徑 是從6 磷酸葡萄糖為起始底物 即在單磷酸己糖基礎(chǔ)上開始降解 故稱為單磷酸己糖途徑 簡(jiǎn)稱為HMP途徑 HMP途徑與EMP途徑密切相關(guān) 因?yàn)镠MP途徑中的3 磷酸甘油醛可以進(jìn)入EMP 因此該途徑又可稱為磷酸戊糖支路 HMP途徑的一個(gè)循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡糖 6 磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛 3 磷酸 三分子CO2和六分子NADPH 大多數(shù)好氧和兼性厭氧微生物都有HMP途徑 而且 在同一種微生物中往往同時(shí)存在EMP和HMP途徑 單獨(dú)具有EMP或HMP途徑的微生物較少 HMP途徑的生理功能主要有 為生物合成提供多種碳骨架 5 磷酸核糖可以合成嘌呤 嘧啶核苷酸 進(jìn)一步合成核酸 5 磷酸核糖也是合成輔酶 NAD P FAD FMN 和CoA 的原料 4 磷酸赤癬糖是合成芳香族氨基酸的前體 HMP途徑中的5 磷酸核酮糖可以轉(zhuǎn)化為1 5 二磷酸核酮糖 在羧化酶催化下固定二氧化碳 這對(duì)于光能自養(yǎng)菌和化能自養(yǎng)菌具有重要意義 為生物合成提供還原力 NADPH2 ED途徑 2 酮 3 脫氧 6 磷酸葡萄糖裂解途徑 在這一途徑中 6 磷酸葡萄糖先脫氫產(chǎn)生6 磷酸葡萄糖酸 后在脫水酶和醛縮酶的作用下 生成1分子3 磷酸甘油醛和1分子丙酮酸 3 磷酸甘油醛隨后進(jìn)人EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸 1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后產(chǎn)生2分子丙酮酸 以及凈得各1分子的ATP NADPH2和NADH2 由于ED途徑可與EMP途徑 HMP途徑和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接 因此可以相互協(xié)調(diào) 以滿足微生物對(duì)能量 還原力和不同中間代謝物的需要 ED途徑可不依賴于EMP途徑 HMP途徑而獨(dú)立存在 在G 菌中分布廣泛 特別是假單胞菌和固氮菌中的一些 ED途徑的特點(diǎn)是 2 酮 3 脫氧 6 磷酸葡萄糖酸 KDPG 裂解為丙酮酸和3 磷酸甘油醛是有別于其它途徑的特征性反應(yīng) 2 酮 3 脫氧 6 磷酸葡萄糖酸醛縮酶是ED途徑特有的酶 ED途徑中最終產(chǎn)物 即2分子丙酮酸 其來歷不同 1分子是由2 酮 3 脫氧 6 磷酸葡萄糖酸直接裂解產(chǎn)生 另1分子是由磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑獲得 這2個(gè)丙酮酸的羧基分別來自葡萄糖分子的第一與第四位碳原子 1mol葡萄糖經(jīng)ED途徑只產(chǎn)生1molATP 從產(chǎn)能效率言 ED途徑不如EMP途徑 磷酸解酮糖途經(jīng) WD途徑 包括PK途徑和HK途徑 WD途徑是由沃勃 Warburg 狄更斯 Dickens 霍克 Horecker 等人發(fā)現(xiàn)的 故稱WD途徑 由于WD途徑中的特征性酶是磷酸解酮酶 Phosphoketolase 所以又稱磷酸解酮酶途徑 根據(jù)磷酸解酮酶的不同 把具有磷酸戊糖解酮酶的叫PK途徑 把具有磷酸已糖解酮酶的叫HK途徑 WD途徑是由沃勃 Warburg 狄更斯 Dickens 霍克 Horecker 等人發(fā)現(xiàn)的 故稱WD途徑 由于WD途徑中的特征性酶是磷酸解酮酶 Phosphoketolase 所以又稱磷酸解酮酶途徑 根據(jù)磷酸解酮酶的不同 把具有磷酸戊糖解酮酶的叫PK途徑 把具有磷酸已糖解酮酶的叫HK途徑 腸膜狀明串珠菌 Leuconostocmesenteroides 就是經(jīng)PK途徑利用葡萄糖進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵生成乳酸 乙醇和CO2 兩歧雙歧桿菌 Bifidobacteriumbifidum 則是經(jīng)HK途徑利用磷酸已糖解酮酶途徑分解葡萄糖產(chǎn)生乙酸和乳酸的 EMP HMP ED途徑的比較 丙酮酸的厭氧去路 在葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸后 厭氧微生物和無(wú)氧條件下的兼性厭氧微生物可以不同的途徑將丙酮酸轉(zhuǎn)化為多種發(fā)酵產(chǎn)物 乳酸細(xì)菌可以將丙酮酸還原為乳酸 酵母菌將丙酮酸脫羧形成乙醛 再由乙醛還原形成乙醇 丁酸弧菌屬 Butyrivibrio 真桿菌屬 Eubacterium 和羧狀芽孢桿菌屬 Clostridium 的一些種如丁酸羧菌 C butyricum 克氏羧菌 C kluyveri 等 通過將丙酮酸脫羧并輔酶A化形成乙酰 CoA 然后2個(gè)乙酰 CoA縮合為乙酰乙酰CoA 在經(jīng)過多個(gè)步驟形成丁酸 也可由多種腸道細(xì)菌將丙酮酸發(fā)酵為包括甲酸 乙酸 乳酸 琥珀酸 乙醇 丙三醇 2 3 丁二醇 3 羥丁酮等多種有機(jī)酸和醇的混合酸 乳酸細(xì)菌的正型乳酸發(fā)酵 C6H12O6 2ADP 2Pi2CH3CHOHCOOH 2ATP 2H2O 酵母發(fā)酵代謝的多樣性 型發(fā)酵 酵母菌將葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解生成2分子終端產(chǎn)物丙酮酸 后丙酮酸脫羧生成乙醛 乙醛作為氫受體使NADH2氧化生成NAD 同時(shí)乙醛被還原生成乙醇 這種發(fā)酵類型稱為酵母的 型發(fā)酵 型發(fā)酵 當(dāng)環(huán)境中存在亞硫酸氫鈉時(shí) 亞硫酸氫鈉可與乙醛反應(yīng) 生成難溶的磺化羥基乙醛 該化合物失去了作為受氫體使NADH2脫氫氧化的性能 而不能形成乙醇 轉(zhuǎn)而使磷酸二羥丙酮替代乙醛作為受氫體 生成 磷酸甘油 磷酸甘油進(jìn)一步水解脫磷酸生成甘油 型發(fā)酵 葡萄糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸 后脫羧生成乙醛 如處于弱堿性環(huán)境條件下 pH7 6 乙醛因得不到足夠的氫而積累 2個(gè)乙醛分子間發(fā)生歧化反應(yīng) 1分子乙醛作為氧化劑被還原成乙醇 另1個(gè)則作為還原劑被氧化為乙酸 而磷酸二羥丙酮作為NADH2的氫受體 使NAD 再生 產(chǎn)物為乙醇 乙酸和甘油 二 Stickland反應(yīng)某些微生物利用氨基酸作為碳源 能源 和氮源 以一種氨基酸作為供氫體而氧化 另一種氨基酸作為電子受體被還原的生物氧化常能方式 產(chǎn)能效率低 每分子氨基酸產(chǎn)生1個(gè)ATP 1934年 Stickland發(fā)現(xiàn)的一些厭氧梭菌進(jìn)行的發(fā)酵類型 微生物發(fā)酵代謝的多樣性 在無(wú)氧條件下發(fā)酵時(shí) 不同微生物在以糖類為底物的重要代謝途徑中 其終端產(chǎn)物或中間產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)能代謝的途徑呈現(xiàn)出豐富的多樣性 即使同一微生物利用同一底物發(fā)酵時(shí)也可能形成不同的末端產(chǎn)物 發(fā)酵過程中底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指ATP的形成直接由一個(gè)代謝中間產(chǎn)物上的高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分之上的作用 二 呼吸產(chǎn)能代謝 有氧呼吸 以分子氧作為質(zhì)子和電子的最終受體的呼吸作用C6H12O6 6O26CO2 6H2O 36ATP無(wú)氧呼吸 又稱無(wú)氧呼吸 作為最終的電子受體物質(zhì)不是分子氧 而是NO3 SO42 或CO2等無(wú)機(jī)物 或延胡索酸等有機(jī)物 作為呼吸基質(zhì)的物質(zhì)一般是有機(jī)物 通過無(wú)氧呼吸基質(zhì)可被徹底氧化成CO2 并伴隨有ATP的生成 呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于 呼吸作用中 電子載體不是將電子直接傳遞給被部分降解的中間產(chǎn)物 而是與呼吸鏈的電子傳遞系統(tǒng)相偶聯(lián) 使電子沿呼吸鏈傳遞 并達(dá)到電子傳遞系統(tǒng)末端交給最終電子受體 在電子傳遞的過程中逐步釋放出能量并合成ATP 微生物通過呼吸作用能分解的有機(jī)物種類繁多 包括碳水化合物 脂肪酸 氨基酸和許多醇類等等 微生物好氧呼吸中的電子傳遞 典型的好氧性電子傳遞鏈 ATP酶和ATP的合成 電子傳遞鏈上氧化磷酸化合成ATP的機(jī)制 電子在呼吸鏈傳遞產(chǎn)生的自由能 在特定的部位被稱為質(zhì)子泵 protonpump 驅(qū)動(dòng)H 從基質(zhì)跨過內(nèi)膜到達(dá)膜間隙的一邊 從而形成內(nèi)膜兩邊電化學(xué)電勢(shì)差 使基質(zhì)的H 濃度低于膜間隙 因而基質(zhì)形成負(fù)電勢(shì) 而膜間隙形成正電勢(shì) 這樣就形成了電化學(xué)梯度即電動(dòng)勢(shì) electromotiveforce EMF 此可稱為質(zhì)子動(dòng)勢(shì)或質(zhì)子動(dòng)力 protonmotiveforce PMF 這種質(zhì)子動(dòng)勢(shì)蘊(yùn)含的自由能作為動(dòng)力 驅(qū)動(dòng)位于內(nèi)膜中的ATP合成酶 復(fù)合體V 將H 從膜間隙一邊經(jīng)質(zhì)子通道泵回至基質(zhì)一邊 在這一過程中將能量轉(zhuǎn)移給ADP與Pi合成ATP 同時(shí)降低內(nèi)膜兩邊的電化學(xué)電勢(shì)差 并實(shí)現(xiàn)H 的跨膜循環(huán) 微生物中呼吸鏈的多樣性 尤其是異養(yǎng)與自養(yǎng)這兩大類微生物的呼吸鏈組成與結(jié)構(gòu)在某些種屬間有較明顯的不同 真核微生物酵母菌具有組成與結(jié)構(gòu)完整的呼吸鏈 而一些營(yíng)有氧或無(wú)氧呼吸獲得能量的自養(yǎng)微生物中的某些代謝類型 其呼吸鏈較短 有的甚至只有1 2類氧化還原酶系組成 它們把簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物作為電子供體 這些電子供體直接與位于細(xì)胞質(zhì)膜中的呼吸鏈組分偶聯(lián)傳遞電子 進(jìn)行氧化磷酸化生成ATP 其呼吸鏈組分不全 長(zhǎng)度較短 結(jié)果是氧化磷酸化生成ATP的偶聯(lián)位少 因此 電子流經(jīng)呼吸鏈時(shí)產(chǎn)能少 根本原因是它們所能利用的無(wú)機(jī)電子供體所載有的能量大多數(shù)較少 這是導(dǎo)致自養(yǎng)型微生物生長(zhǎng)比較緩慢的重要原因 有氧呼吸產(chǎn)能途徑 有氧呼吸也稱好氧呼吸 它是自然界最為普遍的生物氧化產(chǎn)能方式 微生物能量代謝中的有氧呼吸可根據(jù)呼吸基質(zhì)即能源物質(zhì)的性質(zhì)分為兩種類型 一是主要以有機(jī)能源物質(zhì)為呼吸基質(zhì)的化能異養(yǎng)型微生物中存在的有氧呼吸 二是以無(wú)機(jī)能源物質(zhì)為呼吸基質(zhì)的化能自養(yǎng)型微生物的有氧呼吸 這兩種類型的呼吸作用的共同特點(diǎn)是它們的最終電子受體均為氧 以有機(jī)物為呼吸基質(zhì)的有氧呼吸 常見的異養(yǎng)微生物最易利用的能源和碳源有葡萄糖等 葡萄糖經(jīng)EMP途徑酵解形成的丙酮酸 在無(wú)氧的條件下經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)變成不同的發(fā)酵產(chǎn)物 如乳酸 乙醇和CO2等 并產(chǎn)生少量能量 在環(huán)境有氧的條件下 細(xì)胞行有氧呼吸 丙酮酸先轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA acetyl coenzymeA acetyl CoA 隨即進(jìn)入三羧酸循環(huán) tricarboxylicacidcycle 簡(jiǎn)稱TCA循環(huán) 被徹底氧化生成CO2和水 同時(shí)釋放大量能量 TCA循環(huán) 以無(wú)機(jī)物為呼吸基質(zhì)的有氧呼吸 以無(wú)機(jī)物作為氧化基質(zhì) 并利用該物質(zhì)氧化過程中釋放的能量進(jìn)行生長(zhǎng) 這類微生物主要是好氧型的化能自養(yǎng)型微生物它們能以無(wú)機(jī)物如NH4 NO2 H2S So H2和Fe2 等為呼吸基質(zhì) 把它們作為電子供體 氧為最終電子受體 電子供體被氧化后釋放的電子 經(jīng)過呼吸鏈和氧化磷酸化合成ATP 為還原同化CO2提供能量 這類好氧型的化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型微生物主要屬于氫細(xì)菌 硫化細(xì)菌 硝化細(xì)菌和鐵細(xì)菌等 它們廣泛分布在土壤和水域中 并對(duì)自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化起著重要的作用 無(wú)機(jī)物呼吸反應(yīng)及其產(chǎn)能 無(wú)氧呼吸 無(wú)氧呼吸亦稱厭氧呼吸 某些厭氧和兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下能進(jìn)行無(wú)氧呼吸 在無(wú)氧呼吸中 作為最終電子受體的物質(zhì)不是分子氧 而是NO3 NO2 SO42 S2O32 CO2等這類外源含氧無(wú)機(jī)化合物 與發(fā)酵不同 無(wú)氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體 并在能量分級(jí)釋放過程中伴隨有氧化磷酸化作用而生成ATP 也能產(chǎn)生較多的能量 但由于部分能量在沒有充分釋放之前就隨電子傳遞給了最終電子受體 故產(chǎn)生的能量比有氧呼吸少 無(wú)氧呼吸類型 硝酸鹽還原硫酸鹽還原產(chǎn)甲烷以延胡索酸為電子受體的無(wú)氧呼吸 硝酸鹽還原 硝酸鹽還原細(xì)菌在厭氧條件下 可把NO3 作為電子的最終受體 即 絕大多數(shù)硝酸鹽還原細(xì)菌以有機(jī)物作為電子供體 也有少數(shù)硝酸鹽還原細(xì)菌能利用元素硫或分子氫或硫代硫酸作為電子供體還原硝酸鹽 如兼性厭氧的脫氮硫桿菌 Thiobacillusdenitrificans 在NO3 存在時(shí) 可經(jīng)無(wú)氧呼吸 利用元素硫作為電子供體和NO3 為最終電子受體而還原硝酸鹽獲得能量 5S 6NO3 8H2O5H2SO4 6OH 3N2 能量 硫酸鹽還原作用 在厭氧條件下 硫酸鹽還原細(xì)菌可以SO42 作為最終電子受體 即 2CH3CHOHCOOH H2SO42CH3COOH 2CO2 2H2O十H2S 能量脫硫弧菌屬 Desulfavibrio 等少數(shù)幾種菌能以有機(jī)物 乳酸 丙酮酸等 或分子氫作為硫酸鹽還原的供氫體 二氧化碳還原作用 嚴(yán)格厭氧的大多數(shù)產(chǎn)甲烷細(xì)菌可以CO2作為最終電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸 即 4H2 CO2CH4 2H2O 能量 延胡索酸還原作用 以延胡索酸作為電子受體的無(wú)氧呼吸 如雷氏變形菌 Proteusrettgeri 和甲酸乙酸梭菌 Clostridiumformicoacetium 能以延胡索酸作為受氫體還原生成琥珀酸 HCOOCCH CHCOOH H2COOCCH2CH2COOH 能量 發(fā)酵 無(wú)氧呼吸 有氧呼吸的比較 項(xiàng)目發(fā)酵無(wú)氧呼吸有氧呼吸氧氣無(wú)氧無(wú)氧有氧末端氫受體內(nèi)源氧化性外源無(wú)機(jī)氧化物氧中間代謝產(chǎn)物 個(gè)別為有機(jī)氧化物 呼吸鏈不經(jīng)過呼吸鏈經(jīng)過部分呼吸鏈經(jīng)過完整呼吸鏈產(chǎn)能效率低較低高產(chǎn)能方式唯一底物主要氧化磷酸化主要氧化磷酸化水平磷酸化參與酶系少較少多 三 光合作用和光能轉(zhuǎn)換1原核微生物與植物光合作用比較 兩種光合作用比較 1 紫硫細(xì)菌的光能轉(zhuǎn)換 紫硫細(xì)菌光能轉(zhuǎn)化的特點(diǎn) 能利用長(zhǎng)光波 Bchl吸收光的峰值在870nm處以環(huán)式電子傳遞方式進(jìn)行在異養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)一般不能直接還原NAD 為NADH 紫色光能營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌的光合磷酸化途徑與機(jī)制 綠硫細(xì)菌的光能轉(zhuǎn)化 綠硫細(xì)菌光能轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)綠硫細(xì)菌的Bchl吸收光的峰值在840nm處綠硫細(xì)菌是以環(huán)式電子傳遞方式進(jìn)行綠硫細(xì)菌通過Fe S蛋白能直接還原NAD P 為NAD P H 2 藍(lán)細(xì)菌的光能轉(zhuǎn)化 藍(lán)細(xì)菌光能轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)電子轉(zhuǎn)移一般不成閉合途徑電子由外源電子供體提供PSII具有光水解放氧作用 并經(jīng)電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATP PSI把電子還原Fe S經(jīng)Fd和FP使NADP 還原為NADPH 3 紫膜光合磷酸化 1970年才發(fā)現(xiàn)的 只在嗜鹽菌中才有的 無(wú)葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特光合作用 紫膜是嗜鹽菌細(xì)胞膜的一部分 總面積約占細(xì)胞膜的50 由細(xì)菌視紫紅質(zhì) 紫膜質(zhì) 蛋白質(zhì) 占75 和類脂 占25 組成 視紫紅質(zhì)的功能與葉綠素相似 能吸收光能 并在光量子驅(qū)動(dòng)下起著質(zhì)子泵的作用 將質(zhì)子泵出紫膜外 從而形成紫膜內(nèi)外的質(zhì)子梯度差 驅(qū)使ATP形成 嗜鹽菌在無(wú)氧條件下 或低氧時(shí)無(wú)法利用氧化磷酸化獲得能量 這時(shí)若光照適宜就能合成紫膜 形成ATP 第三節(jié)微生物合成細(xì)胞物質(zhì) 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解與細(xì)胞物質(zhì)的合成是微生物生命活動(dòng)的兩個(gè)主要方面 微生物或從物質(zhì)氧化或從光能轉(zhuǎn)換過程中獲得能量 主要用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收 細(xì)胞物質(zhì)的合成與代謝產(chǎn)物的合成和分泌 機(jī)體的運(yùn)動(dòng) 生命的維持 還有一部分能量用于發(fā)光與產(chǎn)生熱 能量 還原力與小分子前體碳架物質(zhì)是細(xì)胞物質(zhì)合成的三要素 微生物細(xì)胞物質(zhì)合成中的還原力主要是指NADH2和NADPH2 微生物在發(fā)酵與呼吸過程中都可產(chǎn)生這兩種物質(zhì) 小分子前體碳架物質(zhì)通常指糖代謝過程中產(chǎn)生的中間體碳架物質(zhì) 指不同個(gè)數(shù)碳原子的磷酸糖 如磷酸丙糖 磷酸四碳糖 磷酸五碳糖 磷酸六碳糖等 有機(jī)酸 如a 酮戊二酸 草酰乙酸 琥珀酸等 和乙酰CoA等 這些小分子前體碳架物質(zhì)主要是通過EMP HMP和TCA循環(huán)等途徑產(chǎn)生 然后又在酶的作用下通過一系列反應(yīng)合成氨基酸 核苷酸 蛋白質(zhì) 核酸 多糖等細(xì)胞物質(zhì) 使細(xì)胞得以生長(zhǎng)與繁殖 一 多糖的生物合成 二 細(xì)胞類脂成分的合成1 脂肪酸的合成2 磷脂的合成3 聚 羥基丁酸的合成 三 氨基酸和其它含氮有機(jī)物的合成 四 核酸的合成 五 多肽 蛋白質(zhì)的合成 多糖的生物合成 肽聚糖 原核微生物細(xì)胞壁的重要組分是肽聚糖 它是一種異型多糖 肽聚糖的單體是在細(xì)胞內(nèi)合成的 然后通過膜 在膜外合成肽聚糖 聚合作用所需的酶位于細(xì)胞膜上 肽聚糖的合成 比同型多糖的合成要復(fù)雜得多 各類細(xì)菌合成肽聚糖的過程基本相同 一般可以分為下面幾個(gè)步驟 1 UDP N 乙酰葡萄糖胺和UDP N 乙酰胞壁酸肽聚糖的合成2 肽聚糖亞單位 二肽合成3 肽聚糖亞單位轉(zhuǎn)接到細(xì)胞壁的生長(zhǎng)點(diǎn)上4 通過轉(zhuǎn)肽反應(yīng)形成完整的肽聚糖分子 UDP N 乙酰葡萄糖胺和UDP N 乙酰胞壁酸肽的合成 UDP N 乙酰胞壁酸肽合成后 肽聚糖的合成反應(yīng)由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)到細(xì)胞膜上的載體脂磷酸上 生成UDP N 乙酰胞壁酸肽載體脂焦磷酸 同時(shí)放出UMP 然后UDP N 乙酰葡萄糖轉(zhuǎn)到胞壁酸上 生成雙糖肽載體脂焦磷酸 肽聚糖亞單位 二肽的合成 3 肽聚糖亞單位轉(zhuǎn)接到細(xì)胞壁的生長(zhǎng)點(diǎn)上 通過載體脂幫助 雙糖肽由細(xì)胞膜內(nèi)表面轉(zhuǎn)到膜的外表面 進(jìn)一步輸送到細(xì)胞壁生長(zhǎng)點(diǎn)上 放出載體脂焦磷酸 載體脂焦磷酸脫去一個(gè)磷酸 變成一個(gè)有生物活性的載體脂磷酸參與下一步合成雙糖肽的反應(yīng) 此反應(yīng)可被桿菌肽抑制 4 通過轉(zhuǎn)肽反應(yīng)形成完整的肽聚糖分子 多個(gè)肽聚糖亞單位連到細(xì)胞壁后 通過轉(zhuǎn)肽鏈之間相互連接起來形成一個(gè)完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 并放出一個(gè)D 丙氨酸 這步反應(yīng)可被青霉素抑制 由于青霉素對(duì)轉(zhuǎn)肽作用能產(chǎn)生抑制作用 因而對(duì)正處于生長(zhǎng)階段的細(xì)菌來說會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁的滲透性裂解 使細(xì)胞死亡 但青霉素對(duì)于處于靜息的細(xì)胞無(wú)抑制和殺滅作用 大腸桿菌肽聚糖合成圖 二 細(xì)胞類脂成分的合成 1 脂肪酸的合成2 磷脂的合成3 聚 羥基丁酸的合成 脂肪酸的合成途徑 磷脂的合成途徑 聚 羥基丁酸的合成 三 氨基酸和其它含氮有機(jī)物的合成 1 氨的同化和氨基酸的合成2 硝酸和N2的同化3 核苷酸的合成 氨的同化和氨基酸的合成 氨同化作用的可能途徑 先合成谷氨酸 或谷氨酸胺 丙氨酸和天冬氨酸 然后由這幾種氨基酸作為氨基供體 合成其它氨基酸 DNA由4種脫氧核糖核苷酸A T G C為基本單位通過3 5 磷酸二酯鍵連接起來的大分子物RNA是由4種核糖核酸A G U C為基本單位通過3 5 磷酸二酯鍵連接起來的大分子物 四 核酸的合成 五 多肽 蛋白質(zhì)的合成 1 mRNA和 三連體 遺傳密碼2 t RNA的作用3 r RNA的作用 mRNA和 三連體 遺傳密碼 tRNA的作用 第四節(jié)微生物的次級(jí)代謝 次級(jí)代謝 Secondarymetabolism 是某些生物 植物和某些微生物 的特殊代謝類型 這些生物通過次級(jí)代謝可以合成各種各樣的次級(jí)代謝產(chǎn)物 secondarymetabolites 次級(jí)代謝產(chǎn)物同人類的生活有著密切的關(guān)系 初級(jí)代謝與次級(jí)代謝1 Primaryandsecondarymetabolism 1 初級(jí)代謝普遍存在于一切生物中 是與生物生存有關(guān)的 涉及到產(chǎn)能和耗能的代謝類型 次級(jí)代謝是某些生物為避免在初級(jí)代謝過程中某些中間產(chǎn)物積累所造成不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型 2 代謝產(chǎn)物不同 次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)于產(chǎn)生者本身不是機(jī)體生存所必需的物質(zhì) 初級(jí)代謝產(chǎn)物通常都是機(jī)體生存必不可少的物質(zhì) 只要這些物質(zhì)合成過程的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙 輕則表現(xiàn)為生長(zhǎng)緩慢 重則導(dǎo)致生長(zhǎng)停止 機(jī)體發(fā)生突變甚至死亡等 初級(jí)代謝和次級(jí)代謝2 3 代謝過程與機(jī)體生長(zhǎng)過程的關(guān)系不同 次級(jí)代謝通常是在微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末期或穩(wěn)定期才出現(xiàn) 它與機(jī)體的生長(zhǎng)不呈現(xiàn)平行關(guān)系 而是明顯地分為機(jī)體的生長(zhǎng)期和次級(jí)代謝產(chǎn)物形成期兩個(gè)不同時(shí)期 初級(jí)代謝則自始至終存在于一切生活的機(jī)體之中 它同機(jī)體的生長(zhǎng)過程基本呈平行關(guān)系 4 產(chǎn)物的性質(zhì)與類型不同 次級(jí)代謝產(chǎn)物雖然也是從少數(shù)幾種初級(jí)代謝過程中產(chǎn)生的中間體或代謝產(chǎn)物衍生而來 但它的骨架碳原子的數(shù)量與排列上的微小變化 或氧 氮 氯 硫等元素的加入 或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導(dǎo)致產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物各種各樣 并且每種類型的次級(jí)代謝產(chǎn)物往往是一群化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似而成分不同的混合物 而初級(jí)代謝產(chǎn)物的性質(zhì)與類型在各類生物里相同或基本相同 5 對(duì)環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性不同 次級(jí)代謝對(duì)環(huán)境條件變化很敏感 其產(chǎn)物的合成往往會(huì)因環(huán)境條件變化而受到明顯影響 而初級(jí)代謝對(duì)環(huán)境條件變化的相對(duì)敏感性小 相對(duì)較為穩(wěn)定 6 催化代謝合成的酶的專一性不同 催化次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性較弱 因此在某種次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基里加進(jìn)不同的前體物時(shí) 往往可以導(dǎo)致機(jī)體合成不同種類的次級(jí)代謝產(chǎn)物 這或許是某些次級(jí)代謝產(chǎn)物為什么是由許多混合物組成的原因之一 另外催化次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的酶往往都是一些誘導(dǎo)酶 它們是在產(chǎn)生菌對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末期或穩(wěn)定生長(zhǎng)期中 由于某種中間產(chǎn)物積累而誘導(dǎo)機(jī)體合成一種能催化次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的酶 這些酶通常因環(huán)境條件變化而不能合成 相對(duì)而言催化初級(jí)代謝產(chǎn)物合成的酶專一性和穩(wěn)定性較強(qiáng) 次級(jí)代謝產(chǎn)物的類型1 1 抗生素 青霉素 鏈霉素 金霉素等2 生長(zhǎng)刺激劑 赤霉素 吲哚乙酸 奈乙酸等3 維生素 硫胺素 核黃素 B12 吡哆醛等 次級(jí)代謝產(chǎn)物的類型2 4 色素 花青素類 紅曲素等各種色素5 毒素 白喉毒素 破傷風(fēng)毒素 肉毒毒素 黃曲霉毒素等6 生物堿 麥角生物堿 第五節(jié)微生物代謝的調(diào)控 正常機(jī)體或細(xì)胞所進(jìn)行的分解代謝與合成代謝是相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一的 并具有相對(duì)的穩(wěn)定性 無(wú)論是分解代謝還是合成代謝 均能做到既不過量 也不缺少 正常機(jī)體或細(xì)胞具有一整套極為靈敏 可塑性強(qiáng)和精確性高的自我代謝調(diào)節(jié) regulationofmetabolism 或調(diào)控系統(tǒng) 從而保證細(xì)胞內(nèi)數(shù)以千計(jì)的極其復(fù)雜的生化反應(yīng)能準(zhǔn)確無(wú)誤 有條不紊地進(jìn)行 微生物的代謝調(diào)控發(fā)生在DNA的復(fù)制 基因的轉(zhuǎn)錄 翻譯與表達(dá) 酶的激活或活性抑制等多個(gè)水平上 也有在細(xì)胞 細(xì)胞壁與細(xì)胞膜 水平上的調(diào)節(jié) 調(diào)控的進(jìn)行還常表現(xiàn)為多水平的協(xié)同作用 如E coli利用乳糖是多層次協(xié)同代謝調(diào)控的代表之一 微生物學(xué)對(duì)代謝調(diào)控的研究如初級(jí)代謝中的酶合成與酶活性的調(diào)節(jié) 通過改變細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的通透性的調(diào)節(jié) 以及次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)與碳 氮 磷等營(yíng)養(yǎng)的調(diào)節(jié)等等 一 初級(jí)代謝的調(diào)控機(jī)制和調(diào)控解除 酶量的有無(wú)與多少 酶活的高低是一個(gè)反應(yīng)能否進(jìn)行與反應(yīng)速率高低的決定因素 對(duì)催化某個(gè)具體反應(yīng)的酶的合成與活性的調(diào)節(jié) 即可調(diào)控該步生化反應(yīng) 酶量的有無(wú)與多少的調(diào)節(jié)主要是指發(fā)生在基因表達(dá)水平上的以反饋?zhàn)瓒襞c阻遏解除為主的調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié)主要是指發(fā)生在酶分子結(jié)構(gòu)水平上的調(diào)節(jié) 包括酶的激活和抑制兩個(gè)方面 在代謝調(diào)節(jié)中 酶活性的激活是指在分解代謝途徑中 后步的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進(jìn) 稱為前體激活 酶活性的抑制主要是反饋抑制 feedbackinhibition 主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物 即終產(chǎn)物 過量時(shí) 這個(gè)產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性 促使整個(gè)反應(yīng)減慢或停止 從而避免末端產(chǎn)物的過多累積 反饋抑制具有作用直接 快速以及當(dāng)末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可自行解除等特點(diǎn) 反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的特點(diǎn)比較 調(diào)控項(xiàng)目反饋?zhàn)瓒舴答佉种普{(diào)控的水平DNA mRNA 酶 轉(zhuǎn)錄水平酶分子的變構(gòu)反饋調(diào)控信號(hào)終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度調(diào)控方式終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和力終產(chǎn)物與變構(gòu)部位親和力調(diào)控作用機(jī)制阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合 通過變構(gòu)效應(yīng) 調(diào)節(jié)酶活性阻止轉(zhuǎn)錄控制的方式開 關(guān)控制酶活性有無(wú)與大小控制調(diào)控反應(yīng)速度緩慢 滯后 較粗放的控制迅速與較精確的控制 一 氨基酸合成的反饋抑制調(diào)節(jié)1 1 單一終端產(chǎn)物途徑的反饋抑制2 多個(gè)終端產(chǎn)物對(duì)共同途徑同一步反應(yīng)的協(xié)同反饋抑制 一 氨基酸合成的反饋抑制調(diào)節(jié)2 3 不同分支產(chǎn)物對(duì)多個(gè)同工酶的特殊抑制4 連續(xù)反饋控制 二 酶生成量的改變對(duì)氨基酸生物合成的調(diào)節(jié) 在某些氨基酸的生物合成中 如某一氨基酸合成的量超過需要量時(shí) 則該氨基酸合成的關(guān)鍵酶的編碼基因轉(zhuǎn)錄受阻遏 從而酶的合成也被抑制 而當(dāng)合成的氨基酸產(chǎn)物濃度下降時(shí) 則這一氨基酸合成有關(guān)酶的基因轉(zhuǎn)錄阻遏被解除 關(guān)鍵酶的合成又開始 隨后氨基酸的生物合成也隨之重新開始 可見這種調(diào)控主要是通過對(duì)有關(guān)酶的編碼基因的活性調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的 它是發(fā)生在基因表達(dá)水平上的調(diào)節(jié) 而不是通過酶分子的變構(gòu)來調(diào)節(jié) 在生物細(xì)胞內(nèi) 20種氨基酸在蛋白質(zhì)生物合成中的需要量都以準(zhǔn)確的比例提供 因此生物機(jī)體不僅有個(gè)別氨基酸合成的調(diào)控機(jī)制