5微生物的代謝重點

1、第五章第五章 微生物的微生物的新陳新陳代謝代謝代謝概論代謝概論代謝（代謝（metabolism）：）：推動一切生命活動的動力源，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種推動一切生命活動的動力源，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱?；瘜W(xué)反應(yīng)的總稱。代謝代謝分解代謝分解代謝(catabolism) 異化作用異化作用合成代謝合成代謝(anabolism) 同化作用同化作用復(fù)雜分子復(fù)雜分子（有機(jī)物）（有機(jī)物）分解代謝分解代謝合成代謝合成代謝簡單小分子簡單小分子atph新陳代謝的本質(zhì)既存在高度的新陳代謝的本質(zhì)既存在高度的統(tǒng)一性統(tǒng)一性，又存在明顯的，又存在明顯的多樣性多樣性。微生微生物產(chǎn)物產(chǎn)生和生和利用利用能量能量及其及其與代與代謝

2、的謝的關(guān)系關(guān)系圖圖 葡萄糖降解代謝途徑生物氧化： 發(fā)酵作用 產(chǎn)能過程 呼吸作用（有氧或無氧呼吸）1、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能第一節(jié)第一節(jié) 微生物的產(chǎn)能代謝微生物的產(chǎn)能代謝 將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的atp過程生物氧化的生物氧化的形式形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化的生物氧化的功能功能為：為：產(chǎn)能（產(chǎn)能（atp）、產(chǎn)還原力）、產(chǎn)還原力hh和產(chǎn)小分子中間代謝物和產(chǎn)小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用自養(yǎng)微生物利用無機(jī)物無機(jī)物異養(yǎng)微生物利用異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物有機(jī)物生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用儲存在高能化合物（如儲存在高能化合物（如

3、atp）中）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中以熱的形式被釋放到環(huán)境中生物氧化的生物氧化的過程過程：脫氫、遞氫和受氫三種：脫氫、遞氫和受氫三種2、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能 通常是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，一般是好氧菌。利用固定c02作為它們的碳源。其產(chǎn)能的途徑主要也是借助于無機(jī)電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機(jī)物脫下的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生atp。代謝特點 1）無機(jī)底物脫下的氫（電子）從相應(yīng)位置 直接進(jìn)入呼吸鏈 2）存在多種呼吸鏈 3）產(chǎn)能效率低； 4）生長緩慢，產(chǎn)細(xì)胞率低。3、光能自養(yǎng)或異氧微生物的產(chǎn)能代謝 指具有捕捉光能并將它用于合成atp和產(chǎn)生nadh或nadph的微生物。分為不

4、產(chǎn)氧光合微生物和產(chǎn)氧光合微生物 。前者利用還原態(tài)無機(jī)物h2s，h2或有機(jī)物作還原c02的氫供體以生成nadh和nadph。后者由h2o分子光解產(chǎn)物h和電子形成還原力(nadph+h) （還原型煙酰胺腺嘌呤二還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸核苷酸磷酸）10 步反應(yīng)乙醛乙醇：無氧與tca連接，將丙酮酸徹底氧化成二氧化碳和水分為兩個階段：1、3個分子6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個分子nadph+hnadph+h+ +，3個分子coco2 2和3個分子5-磷酸核酮糖2、5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下使部分碳鏈進(jìn)行相

5、互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛（中間產(chǎn)物：核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸）。2）hmp 途徑（戊糖戊糖磷酸途徑磷酸途徑、己糖一磷酸途徑、己糖一磷酸途徑）6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12nadp+6h2o 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12nadph+12h+6co2+pi6c6atp12nadph+h+6c56co2經(jīng)呼吸鏈經(jīng)呼吸鏈36atp5c635atp重新合成己糖重新合成己糖 3）ed（kdpg）途徑 2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑 1952年 entner-doudoroff ：嗜糖假單胞嗜糖假單胞菌菌 過程

6、： （4步反應(yīng)） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 kdpg6-磷酸-葡萄糖-脫氫酶3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸kdpg醛縮酶醛縮酶特點: a、步驟簡單 b、產(chǎn)能效率低：1 atp c、關(guān)鍵中間產(chǎn)物 kdpg，特征酶：kdpg醛縮酶 細(xì)菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。atp 有氧時經(jīng)呼吸鏈6atp 無氧時 進(jìn)行發(fā)酵 2乙醇2atpnadh+h+nadph+h+2丙酮酸 atp c6h12o6 kdpgc6h12o6+adp+ pi +nadp+ +nad+2ch3cocooh+atp+nadph+h+nadh+h+三、發(fā)酵（fermentanti

7、on）2、發(fā)酵類型1） 乙醇發(fā)酵 a、酵母型乙醇發(fā)酵 1 g 2丙酮酸 2 乙醛 + co2 2 乙醇 + 2 atp 條件：ph 3.54.5 , 厭氧菌種：釀酒酵母、少數(shù)細(xì)菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等） i、加入nahso4 nahso4 + 乙醛 磺化羥乙醛（難溶） 甘油甘油 ii、弱堿性（ph 7.5） 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 （歧化反應(yīng)）磷酸二羥丙酮作為氫受體，經(jīng)水解去磷酸生成甘油甘油發(fā)酵（emp）異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細(xì)菌） ：hmp途徑g+adp+pi 乳酸+乙醇+co2+atp 2）乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵 同型乳酸發(fā)酵 （德氏乳桿菌、植物乳桿菌等） em

8、p途徑（丙酮酸 乳酸） g+2adp+2pi 2乳酸+2atp 異型乳酸發(fā)酵:除乳酸外還有乙醇、乙酸、co2 腸膜明串株菌 產(chǎn)能 ：1atp 雙歧桿菌（hmp） 產(chǎn)能：2g 5 atp即 1g 2.5atp 3)混合酸、丁二醇發(fā)酵a 混合酸發(fā)酵： 腸道菌（e.coli、沙氏菌、志賀氏菌等）1 g丙酮酸乳酸乳酸乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶 乙酰-coa +甲酸甲酸丙酮酸甲酸解酶丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸丙酸pep羧化酶羧化酶磷酸轉(zhuǎn)乙?；噶姿徂D(zhuǎn)乙酰基酶乙醛脫氫酶乙醛脫氫酶乙酸激酶乙酸激酶乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶乙酸乙酸 乙醇乙醇e.coli與志賀氏菌的區(qū)別：葡萄糖發(fā)酵試驗： e.coli、產(chǎn)氣腸桿菌 甲酸

9、co2 + h2 （甲酸氫解酶甲酸氫解酶、h+） 志賀氏菌無此酶，故發(fā)酵g 不產(chǎn)氣。co2 + h2 b b 丁二醇發(fā)酵（丁二醇發(fā)酵（2 2，3-3-丁二醇發(fā)酵）丁二醇發(fā)酵） 腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羥基丁酮乙二酰紅色物質(zhì)（乙酰乳酸脫氫酶）（乙酰乳酸脫氫酶）（ohoh- -、o o2 2）中性丁二醇丁二醇精氨酸胍基其中兩個重要的鑒定反應(yīng)： 1 、vp實驗 2、甲基紅（m.r）反應(yīng)產(chǎn)氣腸桿菌： v.p.試驗（+），甲基紅（-） e.coli： v.p.試驗（-），甲基紅（+）v.p.試驗的原理： 4）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應(yīng)）stickland反應(yīng)：以一種氨

10、基酸作底物脫氫，而以另一種氨基酸作氫受體而實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型。發(fā)酵菌體：生孢梭菌生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙 酶梭菌等。 特點：氨基酸的氧化與另一些氨基酸還原相偶聯(lián)； 產(chǎn)能效率低（1atp） 氧化 丙氨酸丙酮酸-nh3nadnad+ +nadhnadh乙酰-coanadnad+ +nadhnadh乙酸乙酸 + + atpatp甘氨酸乙酸乙酸甘氨酸-nh3還原ch3chnh2cooh+ 2ch2nh2ch2nh2adp+pi atp3ch3cooh+3nh3+co2(丙氨酸丙氨酸)供體供體(甘氨酸甘氨酸)受體受體(乙酸乙酸)四、呼吸（respiration） 從葡萄糖或其他有機(jī)物

11、質(zhì)脫下的電子或氫 經(jīng)過系列載體最終傳遞給外源o2或其他氧 化型化合物并產(chǎn)生較多atp的生物氧化過程。 有氧呼吸（aerobic respiration） 無氧呼吸（anaerobic respiration） 1 有氧呼吸 原核微生物：胞質(zhì)中，僅琥珀酸脫氫酶在膜上 真核微生物：線粒體內(nèi)膜上 2 個產(chǎn)能的環(huán)節(jié)：tca 循環(huán)、電子傳遞。tca循環(huán)的生理意義：（1）為細(xì)胞提供能量。（2）三羧酸循環(huán)是微生物細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化的共同代謝途徑。 （3)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐。 （2）電子傳遞鏈1）電子傳遞鏈載體: nad(p)h脫氫酶 黃素蛋白(fp) 鐵-硫蛋白 輔酶q（coq） 細(xì)胞色素類

12、蛋白 在線粒體內(nèi)膜中以5個載體復(fù)合物的形式從低氧化還原勢的化合物到高氧化還原勢的分子氧或其他無機(jī)、有機(jī)氧化物逐級排列。 2） 氧化磷酸化產(chǎn)能機(jī)制 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透學(xué)說-英國生物化學(xué)家petermitchell于1961年提出的。 在氧化磷酸化過程中,通過呼吸鏈有關(guān)酶系的作用,可將底物分子上的質(zhì)子從膜內(nèi)側(cè)傳遞到膜的外側(cè),從而造成了膜兩側(cè)質(zhì)子分布不均勻,此即質(zhì)子動勢的由來,也是合成atp的能量來源.通過atp酶的逆反應(yīng)可把質(zhì)子從膜的外側(cè)重新回到膜的內(nèi)側(cè),于是在消除質(zhì)子動勢的同時合成了atp. 質(zhì)子推動力（p）取決于跨膜的質(zhì)子濃度（ph）和內(nèi)膜兩側(cè)的電位差（）。 特點： a常規(guī)途徑脫下的氫，經(jīng)部

13、分呼吸鏈傳遞； b氫受體：氧化態(tài)無機(jī)物（個別：延胡索酸） c產(chǎn)能效率低。 硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用 特點： a 有其完整的呼吸系統(tǒng)； b 只有在無氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作 用所需的硝酸鹽還原酶a、亞硝酸還原酶等 c 兼性厭氧 細(xì)菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。2 無氧呼吸（厭氧呼吸） 亞硝酸還原酶亞硝酸還原酶氧化氮還原酶氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶氧化亞氮還原酶硝酸鹽還原酶硝酸鹽還原酶 硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原） 厭氧時，so42- 、so32-、s2o32- 等為末端電 子受體的呼吸過程。 特點： a、嚴(yán)格厭氧； b、大多為古細(xì)菌 c、極大多數(shù)為專性化能異氧型，少數(shù)為混合型；

14、 d、最終產(chǎn)物為h2s； so42- so32- so2 s h2s e、利用有機(jī)質(zhì)（有機(jī)酸、脂肪酸、醇類）作 為氫供體或電子供體； f、環(huán)境： 富含so42-的厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水等） 利用微生物還原利用微生物還原aso43-生產(chǎn)三硫化二砷（雌黃）生產(chǎn)三硫化二砷（雌黃）作用：生物礦化和微生物清污作用：生物礦化和微生物清污第二節(jié) 微生物特有的合成代謝途徑一、細(xì)菌的光合作用 真核生物：藻類及其他綠色植物 產(chǎn)氧 原核生物：藍(lán)細(xì)菌光能營養(yǎng)型生物 不產(chǎn)氧 （僅原核生物有）：光合細(xì)菌1、光合細(xì)菌類群1）產(chǎn)氧光合細(xì)菌好氧菌 各種綠色植物、藻類 藍(lán)細(xì)菌：專性光能自養(yǎng)。 (h2s環(huán)境中，只利用光合系統(tǒng)進(jìn)

15、行不產(chǎn)氧作用)。 2）不產(chǎn)氧光合細(xì)菌a、紫色細(xì)菌 只含菌綠素a 或 b。紫硫細(xì)菌（著色菌科）（紫硫細(xì)菌（著色菌科）（舊稱紅硫菌科）含紫色類胡蘿卜素，菌體較大，沉積胞內(nèi)。氫供體：h2s、h2 或 有機(jī)物。 h2s s so42- ； 少數(shù)暗環(huán)境以s2o32-作為電子供體。氧化鐵紫硫細(xì)菌（氧化鐵紫硫細(xì)菌（chromatium屬）利用fes,或fe2+ 2+ 氧化產(chǎn)生fe(oh)3沉淀2、細(xì)菌光合色素 1）葉綠素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌綠素 a、b、c、d、e、g。 a ：與葉綠素 a 基本相似；850nm處。 b：最大吸收波長8401030。 3）輔助色素：提高光利用

16、率 類胡蘿卜素： 藻膽素：藍(lán)細(xì)菌獨有 藻紅素（550nm）、藻藍(lán)素（620 640 nm） 藻膽蛋白：與蛋白質(zhì)共價結(jié)合的藻膽素。 3、細(xì)菌光合作用1）循環(huán)光合磷酸化 細(xì)菌葉綠素將捕獲的光能傳輸給其反應(yīng)中心葉綠素，吸收光能并被激發(fā)，使它的還原電勢變得很負(fù)，被逐出的電子經(jīng)過由脫鎂菌綠素(bacteriopheophytin，bph)、coq、細(xì)胞色素b和c組成的電子傳遞鏈傳遞返回到細(xì)菌葉綠素，同時造成了質(zhì)子的跨膜移動，提供能量用于合成atp。特點： a、光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素； b、產(chǎn)atp和還原力h分別進(jìn)行，還原力來自h2s等無機(jī)物； c、不產(chǎn)氧（o2

17、）。 二、細(xì)菌化能自養(yǎng)作用細(xì)菌化能自養(yǎng)作用 化能無機(jī)營養(yǎng)型細(xì)菌：通常是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，一般是好氧菌。 產(chǎn)能的途徑主要是借助于無機(jī)電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機(jī)物脫下-的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生atp。最普通的電子供體是氫、還原型氮化合物、還原型硫化合物和亞鐵離子(fe2)。 固定c02作為它們的碳源。最重要反應(yīng)： co2 還原成ch20水平的簡單有機(jī)物，進(jìn)一步合成復(fù)雜細(xì)胞成分 大量耗能、耗還原力的過程。氨單加氧酶羥氨氧化酶hno2 +4h+ +4e- b、硝化細(xì)菌no2- + h2o 亞硝酸氧化酶no3-+ 2h+ +2e-根據(jù)它們氧化無機(jī)化合物的不同也稱氨氧化細(xì)菌(產(chǎn)生

18、1分子atp) 產(chǎn)能途徑第一階段，h2s、s0和s2o32等硫化物被氧化為so32第二階段，形成的so32進(jìn)一步氧化為so42和產(chǎn)能。1、由細(xì)胞色素亞硫酸氧化酶將so32直接氧化成為so42，并通過電子傳遞磷酸化產(chǎn)能，普遍存在于硫桿菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，aps)途徑。在這條途徑中，亞硫酸與腺苷單磷酸反應(yīng)放出2個電子生成一種高能分子，放出的電子經(jīng)細(xì)胞電子傳遞鏈的氧化磷酸化產(chǎn)生atp。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子so32產(chǎn)生1.5分子atp。 (2) 細(xì)菌瀝濾 利用嗜酸性氧化鐵和硫細(xì)菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉(zhuǎn)化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過程。又稱細(xì)菌浸出或細(xì)菌冶金。原理：a、浸礦劑的生成 2s + 3o2 + 2h2o 2h2so4 4feso4 + 2h2so4 + o2 2fe2（so4）3 + 2 h2ob、低品位銅礦中銅以cuso4形式浸出 cus + 2 fe2（so4）3 + 2h2o + o2 cuso4 + 4feso4 +2h2so4 c、鐵屑置換cuso4中的銅 cuso4 + fe feso4 + cu 適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出 率達(dá)70% 80%。 1、固氮微生物的