微生物課件第二章

合成代謝anabolism

在合成酶系的催化下，由簡單的小分子、能量（ATP）和還原力（[H]）一起合成復(fù)雜的生物的大分子的過程。分解代謝catabolism

指復(fù)雜的有機(jī)分子通過分解代謝酶系的催化產(chǎn)生簡單分子、能量(ATP)、和還原力（[H]）的過程。復(fù)雜分子(有機(jī)物)分解代謝酶系合成代謝酶系簡單分子+ATP+[H]第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系分解代謝的三個階段將大分子的營養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪酸等小分子物質(zhì)。進(jìn)一步降解成為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸、及能進(jìn)入TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物。將第二階段的產(chǎn)物完全降解生成CO2，并將前面形成的還原力（NADH2）通過呼吸吸鏈氧化、同時形成大量的ATP。1、能量由ATP供給，ATP產(chǎn)生有三種方式：底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化。2、還原力產(chǎn)生：還原力主要指NADH2

和NADPH2。3、小分子前體物：通常指糖代謝過程中產(chǎn)生的中間代謝物。生物合成三要素能量、還原力、小分子前體物分解代謝途徑和合成代謝的功能及其相互聯(lián)系中間代謝產(chǎn)物分解代謝起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途徑HMP途徑HMP途徑EMP途徑EMP途徑ED途徑EMP途徑三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧脂肪氧化核苷糖類戊糖多糖貯藏物核苷酸脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖異生CO2固定胞壁酸合成糖的運(yùn)輸丙氨酸纈氨酸亮氨酸CO2固定絲氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸賴氨酸天冬氨酸賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸脂肪酸類異戊二烯甾醇一、兩用代謝途徑1、概念：凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兩用代謝途徑。2、特點：①在兼用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)，即催化兩個方向中的同一反應(yīng)并不是總是用同一種酶來進(jìn)行的。②在分解與合成代謝途徑的相應(yīng)代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物。③在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在不同的分隔區(qū)域中進(jìn)行，即合成代謝一般在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，而分解代謝則多在線粒體、微粒體和溶酶體中進(jìn)行，這就有利于兩者可同時有條不紊地運(yùn)轉(zhuǎn)。二、代謝物回補(bǔ)順序又稱補(bǔ)償途徑或添補(bǔ)途徑，是指能補(bǔ)充兼用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的反應(yīng)。意義：當(dāng)重要產(chǎn)能途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成的原料時，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)行。1、合成草酰乙酸（OA）的回補(bǔ)順序(1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成OA：當(dāng)微生物生長在葡萄糖或其他3碳化合物如丙酮酸、乳酸或甘油等碳源上時，可以利用以下兩條途徑來補(bǔ)充OA：①由PEP羧化酶催化PEP為OA：②由丙酮酸羧化酶催化丙酮酸為OA(2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA—乙醛酸循環(huán)①關(guān)鍵酶及關(guān)鍵反應(yīng)：②總反應(yīng)③產(chǎn)物去向：可進(jìn)入TCA循環(huán)，也可沿EMP途徑逆行，合成葡萄糖。④生理意義a.使TCA循環(huán)具有高效產(chǎn)能功能；b.為許多重要生物合成反應(yīng)提供有關(guān)中間代謝物。⑤生理類群：細(xì)菌中的醋桿菌屬、固氮菌屬、產(chǎn)氣腸桿菌、脫氮副球菌、熒光假單胞菌和紅螺菌屬等，真菌中的酵母屬、黑曲霉和青霉屬等。2、合成PEP的回補(bǔ)順序(1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成PEP①丙酮酸通過磷酸烯醇丙酮酸合酶產(chǎn)生磷酸烯醇丙酮酸②丙酮酸通過丙酮酸磷酸雙激酶產(chǎn)生磷酸烯醇丙酮酸(2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成PEP①草酰乙酸由PEP羧激酶催化產(chǎn)生磷酸烯醇式丙酮酸②草酰乙酸由PEP羧轉(zhuǎn)磷酸酶催化產(chǎn)生磷酸烯醇丙酮酸

第三節(jié)微生物的獨特合成代謝舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定1、Calvin循環(huán)Calvin循環(huán)又稱核酮糖二磷酸途徑、還原性戊糖途徑、3碳循環(huán)，是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的主要途徑。(1)Calvin循環(huán)的過程特征酶為磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。分為三個階段：①CO2固定——羧化反應(yīng)②固定CO2的還原

③CO2受體的再生(2)Calvin循環(huán)的產(chǎn)物去向(3)Calvin循環(huán)的意義

Calvin循環(huán)是自養(yǎng)微生物單糖的主要來源，是其它糖類和糖衍生物合成的起點，還是其它有機(jī)物合成的基礎(chǔ)。2、厭氧乙酰-輔酶途徑這種CO2的固定機(jī)制主要存在于乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等化能自養(yǎng)細(xì)菌中。二、生物固氮?概念：生物固氮是指分子氮通過微生物固氮酶系的催化形成氨的過程。?研究生物固氮的意義(1)可在常溫常壓下進(jìn)行固氮反應(yīng)；(2)生物固氮量高，不流失、不污染、利用率高；(3)化學(xué)模擬生物固氮，爭取常溫常壓下合成氨，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開辟肥源；(4)加深對生命起源和生物共生作用的認(rèn)識。1、固氮微生物具有利用分子氮作為唯一氮源的能力即將分子氮還原成氨,進(jìn)一步把氨同化成氨基酸和蛋白質(zhì)的一類微生物，叫固氮微生物。(1)特點：①種類多；②皆為原核生物和古生菌類；③生理類型多；④分布廣；⑤分類高度分散；⑥其共同特征是都含有固氮酶，都具有固氮活性，固氮過程厭氧。(2)類型：①自生固氮菌：能獨立進(jìn)行固氮的微生物就叫自生固氮菌。②共生固氮菌：必須與它種生物共生在一起時才能固氮的微生物叫共生固氮菌。與豆科共生為根瘤菌，與非豆科共生是放線菌。1)根瘤菌a.各種根瘤菌與各種豆科植物之間存在著特異的共生關(guān)系；b.一般為革蘭氏陰性菌，嚴(yán)格好氧，化能異養(yǎng)，土壤中自生，植物中共生；c.由根毛細(xì)胞進(jìn)入植物根部，感染、刺激根毛細(xì)胞分裂，形成根瘤；根瘤菌菌體膨大，變形成類囊體，固氮作用即發(fā)生在類囊體中。2)與非豆科植物共生固氮菌又稱弗蘭克氏菌，好氧或兼性好氧，寄生于木本植物，共生結(jié)瘤情況與豆科植物結(jié)瘤相似，固氮場所是弗蘭克氏菌絲變成片段后膨大成的棒狀、囊泡狀結(jié)構(gòu)。③聯(lián)合固氮菌：根際、葉面微生物。必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能進(jìn)行固氮的微生物稱為聯(lián)合固氮菌。1)特點與植物有一定的專一性；與植物根系有松散的共生關(guān)系，能生活在某些植物的根際或植物根的鞘內(nèi)，或皮層細(xì)胞之間；不形成類似根瘤的特殊共生結(jié)構(gòu)，彼此之間的依賴程度低。2)種類2、固氮反應(yīng)的條件(1)ATP的供應(yīng)：①固氮過程需要消耗大量的能量②固氮酶對ATP具有高度專一性③ATP由呼吸、厭氧呼吸、發(fā)酵或光合磷酸化產(chǎn)生(2)還原力[H]及其載體①Fd：是一種鐵硫蛋白，含等摩爾鐵和不穩(wěn)態(tài)硫，參與固氮、光合作用以及釋放和利用氫氣的反應(yīng)。②Fld：是一種黃素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金屬或不穩(wěn)態(tài)硫，在許多反應(yīng)中有取代Fd的功能。(3)固氮酶①結(jié)構(gòu)固氮酶含有兩種成分—組分Ⅰ和組分Ⅱ。1)固二氮酶（鉬鐵蛋白）鉬鐵蛋白由二個α大亞基和二個β小亞基組成，分子量為220-250KD，每分子鉬鐵蛋白含2個鉬原子，24-32個鐵原子及相應(yīng)數(shù)目的不穩(wěn)態(tài)硫原子，它們組成3個中心：P中心，由4個[4Fe4S]（4鐵4硫原子簇）組成，（它通過半胱氨酸—SH與蛋白質(zhì)連接）是傳遞電子的通路；M中心，由鐵鉬輔因子（FeMoCo）組成，是固氮酶活性中心；此外，還有一個S中心。2)固二氮酶還原酶（鐵蛋白）：由兩個大小相同的亞基構(gòu)成，分子量為60KD左右，每分子含1個[4Fe4S]原子簇，不含鉬原子，[4Fe4S]原子簇即為鐵蛋白的活性中心——電子活化中心。

②固氮酶的特性1)固氮酶是一種復(fù)合酶系統(tǒng)：鉬鐵蛋白：鐵蛋白=1：2，單獨存在時均不表現(xiàn)出固氮活性。2)不同來源固氮酶的鐵蛋白和鉬鐵蛋白可以交叉組合，但親緣關(guān)系和生理類型近的互補(bǔ)組合能力強(qiáng)，反之，則不易組合或組合后不具催化性。3)對氧敏感：固氮酶兩組分蛋白很不穩(wěn)定，對氧敏感，且鐵蛋白還易受冷失活。不同來源固氮酶對氧的穩(wěn)定性固氮酶的來源在20℃空氣中攪動時間(min)固氮酶失活程度圓褐固氮酶60活力無影響克氏桿菌1020%多粘桿菌1070%巴氏桿菌1075%4)底物多樣性：N2的還原——固氮的生化途徑(a)固氮過程：(b)產(chǎn)物去向：分子氮經(jīng)固氮酶催化后還原成NH3，與相應(yīng)的酮酸結(jié)合而形成各種氨基酸，再進(jìn)一步可合成蛋白質(zhì)和其它有關(guān)化合物。自生固氮菌很快同化。共生固氮菌分泌至根瘤細(xì)胞中為植物所利用。b.乙炔的還原:C2H2→C2H4

可用氣相色譜檢測，可作為固氮系統(tǒng)存在的有效指標(biāo)。c.H+的還原在缺乏N2的條件下：2H+→H2

即將H+全部還原成H2。在有N2的條件下：依賴ATP的放氫作用——固氮反應(yīng)的一個重要特征N2+8H++8e-+16Mg-ATP2NH3+H2+16Mg-ATP+16Pi(4)還原性底物N2；(5)鎂離子：用來形成Mg2+-ATP復(fù)合物。(6)嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境。3、好氧固氮菌固氮酶的抗氧機(jī)制：——解決呼吸產(chǎn)能需氧，而固氮厭氧的矛盾(1)呼吸保護(hù)：呼吸保護(hù)是指固氮菌以較強(qiáng)的呼吸作用迅速地將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細(xì)胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，以此來保護(hù)固氮酶不受氧的損傷。(2)構(gòu)象保護(hù)：當(dāng)固氮菌處于高氧分壓環(huán)境下時，其固氮酶能形成一個無固氮活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象，稱為構(gòu)象保護(hù)。這兩種機(jī)制存在于好氧性自生固氮菌中，呼吸保護(hù)與構(gòu)象保護(hù)兩者相互協(xié)調(diào)，組成一個“雙保險”式的保護(hù)機(jī)制。(3)結(jié)構(gòu)保護(hù)：結(jié)構(gòu)保護(hù)是指好氧固氮菌以特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)提供一個局部厭氧或氧分壓低的小環(huán)境，以保證固氮反應(yīng)進(jìn)行。如：藍(lán)細(xì)菌固氮酶可分化出特殊的還原性異形胞：a.異形胞的體積較營養(yǎng)細(xì)胞大，細(xì)胞外有一層由糖脂組成的片層式的較厚外膜，它具有阻止氧氣擴(kuò)散入細(xì)胞內(nèi)的物理屏障作用；b.異形胞內(nèi)缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)II，加上脫氫酶和氫化酶的活性高，使異形胞能維持很強(qiáng)的還原態(tài)；c.其中的超氧化物歧化酶的活性很高，有解除氧毒害的功能；d.異形胞還有比鄰近營養(yǎng)細(xì)胞高出約2倍的呼吸度，借此可消耗過多的氧和產(chǎn)生對固氮所必要的ATP。(4)氧的緩沖劑作用——豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制根瘤菌固氮的條件：1）微好氧條件：在純培養(yǎng)時，只有控制在微好氧條件下才固氮。2）形成類菌體：類菌體是根瘤菌與植物的一種共生結(jié)構(gòu)?？寡醣Ｗo(hù)機(jī)制根瘤菌與豆科植物共生時，共同合成豆血紅蛋白，豆血紅蛋白位于類菌體的細(xì)胞膜外