6微生物的代謝省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

Chaoter6微生物代謝重點和難點：微生物產能方式和微生物特有合成代謝（生物固氮、肽聚糖合成、次生代謝產物）第1頁6.1代謝概論代謝(metabolism)是細胞內發(fā)生各種化學反應總稱。分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)6第2頁6.1.1分解代謝（catabolism）分解代謝指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量(ATP)

。分解代謝三個階段2第3頁6.1.2合成代謝（anabolism）合成代謝指細胞利用小分子物質合成復雜大分子過程，并在這個過程中消耗能量。合成代謝所利用小分子物質起源于分解代謝過程中產生中間產物或環(huán)境中小分子營養(yǎng)物質。第4頁在代謝過程中，微生物經過分解作用（光合作用）產生化學能。這些能量用于：1合成代謝2微生物運動和運輸3熱和光新陳代謝2第5頁6.2微生物產能代謝—生物氧化6.2.1異養(yǎng)微生物生物氧化6.2.2自養(yǎng)微生物生物氧化6.2.3生物氧化過程中能量轉化57第6頁6.2.1異養(yǎng)微生物生物氧化1.發(fā)酵2.呼吸作用①什么是發(fā)酵②發(fā)酵過程中底物脫氫路徑③發(fā)酵與人類生產生活6第7頁

發(fā)酵是指微生物細胞將有機物氧化釋放電子直接交給底物本身未完全氧化某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不一樣代謝產物。1.發(fā)酵（fermentation）①什么是發(fā)酵7第8頁②底物脫氫四種路徑i.EMP路徑2i.HMP路徑3i.ED路徑4i.PK路徑7第9頁

i.EMP路徑（Embden-Meyerhofpathway）(糖酵解路徑)葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:預備性反應bb:氧化還原反應底物水平磷酸化底物水平磷酸化947第10頁5-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤蘚糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-

木酮糖3-磷酸-

甘油醛2i.HMP路徑（磷酸戊糖路徑，單磷酸己糖路徑）

第11頁從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎上開始降解故稱為單磷酸已糖路徑。HMP路徑與EMP路徑有著親密關系，HMP路徑中3-磷酸-甘油醛能夠進入EMP路徑----磷酸戊糖支路。HMP路徑一個循環(huán)最終止果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個CO2、6個NADPH。普通認為HMP路徑不是產能路徑，而是為生物合成提供大量還原力（NADPH）和中間代謝產物。9第12頁3i.ED路徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸裂解路徑）ED路徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)覺。ED路徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣；ED路徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在；ED路徑不如EMP路徑經濟。C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+

2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+ED路徑總反應式：9第13頁4i.磷酸解酮酶路徑PKHK磷酸解酮酶路徑是明串珠菌在進行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖路徑。該路徑特征性酶是磷酸解酮酶，依據解酮酶不一樣，把含有磷酸戊糖解酮酶稱為PK路徑，把含有磷酸己糖解酮酶叫HK路徑。路徑第14頁5i.丙酮酸代謝多樣性9第15頁③發(fā)酵與人類生產生活工業(yè)概念在工業(yè)生產中常把好氧或兼性厭氧微生物在通氣或厭氣條件下產品生產過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。第16頁

微生物能以各種有機物作為發(fā)酵基質，但它以大都能轉化成葡萄糖或葡萄糖中間代謝產物而被微生物利用。依據代謝產物和代謝路徑不一樣，有各種不一樣發(fā)酵類型，以下幾個發(fā)酵是最主要且研究得最清楚發(fā)酵類型：i.乙醇發(fā)酵2i.乳酸發(fā)酵3i.混合酸發(fā)酵4i.丙酮丁醇發(fā)酵7第17頁參加微生物：酵母菌由EMP路徑中丙酮酸出發(fā)發(fā)酵丙酮酸脫羧酶2丙酮酸2乙醛2乙醇EMPGi.乙醇發(fā)酵C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋2ATP第18頁酵母菌乙醇發(fā)酵過程中氫由供體給受體方式3-p-甘油醛-H21，3-2P甘油酸脫氫酶2NAD2NADH2乙醇乙醛(受氫體)第19頁乙醇發(fā)酵特點：發(fā)酵基質氧化不徹底，發(fā)酵結果仍積累有機物

酶體系不完全，只有脫氫E，沒有氧化酶。產生能量少，酵母乙醇發(fā)酵凈產2ATP，細菌1ATP。也就是丙酮酸直接接收糖酵解過程中脫下H使之還原成乙醇過程。第20頁酵母菌乙醇發(fā)酵應嚴格控制三個條件：

厭氧

不含NaHSO3PH小于7.6第21頁經過ED路徑進行乙醇發(fā)酵發(fā)酵路徑：ED路徑

反應式：2C2H5OH+2CO2+ATPC6H12O6（細菌乙醇發(fā)酵）17運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonasmobilis)厭氧發(fā)酵單胞菌(Zymomonasanaerobia)胃八疊球菌(arcinaventriculi)腸桿菌(Enterobacteriaceae)

發(fā)酵路徑：利用EMP路徑進行乙醇發(fā)酵第22頁2i.乳酸發(fā)酵：

兩種類型：同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵進行乳酸發(fā)酵都是細菌：如短乳桿菌，乳鏈球菌等乳酸菌將G分解產生丙酮酸逐步還原成乳酸過程。細菌積累乳酸過程是經典乳酸發(fā)酵。牛奶變酸，生產酸奶漬酸菜，泡菜青貯飼料第23頁同型乳酸發(fā)酵：在糖發(fā)酵中，產物只有乳酸發(fā)酵稱為同型乳酸發(fā)酵，青貯飼料中乳鏈球菌發(fā)酵即為這類型。過

程：EMPC3H6O3G關鍵酶：乳酸脫氫酶第24頁乳酸發(fā)酵過程中H由供體給受體方式2乳酸2丙酮酸+2ATP3-P-甘油醛-H21,3-2P甘油酸2NAD2NADH2第25頁異型乳酸發(fā)酵（經過HMP路徑）乳酸發(fā)酵細菌不破壞植物細胞，只利用植物分泌物生長繁殖。發(fā)酵產物除乳酸外還有乙醇與CO2青貯飼料中短乳桿菌發(fā)酵即為異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵結果：1分子G生成乳酸、乙醇、CO2各1分子北方漬酸菜，南方泡菜是常見乳酸發(fā)酵。第26頁要加些鹽，3-5%NaCl濃度為好，缸要刷凈，并不要帶進油污。漬酸菜應做好以下幾點必須控制不被雜菌感染要創(chuàng)造適合乳酸發(fā)酸厭氧環(huán)境條件PH值3—4為宜17第27頁3i.混合酸發(fā)酵一些細菌經過發(fā)酵將G變成琥珀酸、乳酸、甲酸、H2和CO2等各種代謝產物。因為代謝產物中含各種有機酸，所以將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。大多數(shù)腸桿菌如大腸桿菌等均能進行混合酸發(fā)酵。第28頁反應過程中產生紅色化合物甲基紅反應：產酸使指示劑變色混合酸發(fā)酵——用于細菌分類判定E.aerogenesE.coliV.P反應甲基紅反應++--3-羥基丁酮二乙酰紅色化合物GV.P試驗（Vogos-Prouskauertest）

：17第29頁4i.丙酮丁醇發(fā)酵丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)在EMP路徑基礎上進行丙酮--丁醇發(fā)酵發(fā)酵小結：c.基質是被氧化基質，同時又是電子受體。a.糖酵解作用是各種發(fā)酵基礎，而發(fā)酵則是糖酵解過程發(fā)展。b.發(fā)酵結果仍積累一些有機物，說明基質氧化過程不徹底。

17第30頁2.呼吸作用依據反應中氫受體不一樣分為兩種類型：

微生物在降解底物過程中，將釋放出電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產物并釋放出能量過程，稱為呼吸作用。①有氧呼吸②無氧呼吸呼吸作用與發(fā)酵作用根本區(qū)分在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解中間產物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。能經過呼吸作用分解有機物包含一些碳氫化合物、脂肪酸和許多醇類。7第31頁在呼吸作用中，以分子氧為最終受體生物氧化稱為有氧呼吸(aerobicrespiration)。

C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O①有氧呼吸（aerobicrespiration）發(fā)酵面食制作就是利用了微生物有氧呼吸。除糖酵解過程外，還包含:TCA循還電子傳遞鏈第32頁電子傳遞基質-H2基質脫氫酶遞氫體遞氫體-H2還原態(tài)細胞色素-H2細胞色素bca1a3氧化態(tài)細胞色素1/2O2H2O2H+氧化酶NADFADQ第33頁電子傳遞過程中能量(ATP)產生機制化學滲透學說（1961，P.Mitchell）

1978Nobel獎ADP+Pi膜內膜膜外2H+F0F1ATPATP+H2O第34頁cH+H+ADPcaH+H+H2O膜外膜內bH+H+ADP+PiATPATP氧化磷酸化1997Nobel獎構象改變偶聯(lián)假說（1997，P.Boyer）電子傳遞過程中能量(ATP)產生機制第35頁基質氧化徹底生成CO2和H2O，（少數(shù)氧化不徹底，生成小分子量有機物，如醋酸發(fā)酵）。

E系完全，分脫氫E和氧化E兩種E系。產能量多，一分子G凈產38個ATP有氧呼吸特點：31第36頁②無氧呼吸（anaerobicrespiration）在呼吸作用中，以氧化型化合物作為最終電子受體生物氧化過程稱為無氧呼吸(anaerobicrespiration)。i.硝酸鹽呼吸2i.硫酸鹽呼吸3i.碳酸鹽呼吸31第37頁i.硝酸鹽呼吸（反硝化作用）37NO3-硝酸鹽還原細菌一系列酶NO2-NON2亞硝酸還原細菌基質-H2

基質輔酶輔酶-H2脫氫酶一系列酶5S+6NO3-+8H2O5H2SO4+6OH-+3N2+能量

兼性厭氧脫氮硫桿菌

兼性厭氧脫氮副球菌

5H2+2NO3-

N2+2OH-+4H2O+能量

第38頁

有些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌，以有機物為氧化基質（H2或有機物，大部分不能利用G)使硫酸鹽還原成H2S。2i.硫酸鹽呼吸（反硫化作用）SO42－＋8H4H2O＋S2－乳酸常被脫硫弧菌氧化成乙酸，并脫下8個H，使硫酸鹽還原為H2S。37第39頁

甲烷細菌能在氫等物質氧化過程中，把CO2還原成甲烷，這就是碳酸鹽呼吸又稱甲烷生成作用。

CO2+4H2CH4+2H2O+ATP3i.碳酸鹽呼吸（甲烷生成作用）37第40頁6.2.2自養(yǎng)微生物生物氧化1.氨氧化2.硫氧化4.氫氧化3.鐵氧化6第41頁1.硝化細菌能量代謝（氨氧化）NH3NO2—亞硝酸菌NH3+1.5O2NO2—

+H2O+H++65.1NO2—

NO3—硝酸菌NO2-+0.5O2NO3—

+18.1NO2-+H2ONO3-+2H2e-細胞色素a1細胞色素a3H2O0.5O2+2H+41第42頁2.硫細菌能量代謝（硫氧化）H2S+0.5O2S+H2O+能量S+1.5O2+

H2OSO32-+2H++能量41第43頁3.鐵氧化亞鐵氧化僅在嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)中進行了較為詳細研究。41第44頁4.氫細菌能量代謝（氫氧化）H2+0.5O2H2O+能量用途:用于生產單細胞蛋白41第45頁6.2.3生物氧化過程中能量轉化1.底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)2.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)3.光合磷酸化(photophosphorylation)6第46頁1.底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)物質在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP合成。這種產生ATP等高能分子方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸過程。例：在EMP路徑中10第47頁草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋果酸丙酮酸乙酰輔酶AGTPGDP+PiTCA循環(huán)底物水平磷酸化發(fā)生在呼吸作用過程中46第48頁2.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)

經過呼吸鏈產生ATP過程稱為電子傳遞水平磷酸化或氧化磷酸化。這種磷酸化特點是當由物質氧化產生質子和電子向最終電子受體轉移時需經過一系列氫和電子傳遞體，每個傳遞體都是一個氧化還原系統(tǒng)。這一系列氫和電子傳遞體在不一樣生物中大同小異，組成一條鏈，稱其為呼吸鏈。流動電子經過呼吸鏈時逐步釋放出能量，該能量可使ADP生成ATP。第49頁46第50頁(1)環(huán)式光合磷酸化(2)非環(huán)式光合磷酸化(3)嗜鹽菌紫膜光合作用3.光合磷酸化(photophosphorylation)光合磷酸化是將光能轉變?yōu)榛瘜W能過程。

在這種轉化過程中光合色素起著主要作用。微生物中藍細菌、光合細菌以及嗜鹽細菌光合色素光合磷酸化特點都有所不一樣。46光合色素:葉綠素類胡蘿卜素藻膽素光合單位:

第51頁(1)環(huán)式光合磷酸化（cyclicphotophosphorylation）代表微生物光合作用部位光合作用特點紅螺菌科紅硫菌科綠硫菌科菌綠素光反應和暗反應組成,只有一個光反應系統(tǒng)不放氧。第52頁Cyt.bc1e-e-e-e-環(huán)式光合磷酸化光反應QABphCyt.c2QBQ庫e-P870*P870e-外源電子供體H2S等ADP+PiATPNAD(P)NAD(P)H2外源H2逆電子傳遞脫美菌綠素51第53頁(2)非環(huán)式光合磷酸化（non-cyclicphotophosphorylation）P700P680葉綠素a葉綠素b51第54頁3i.紫膜光合磷酸化（photophosphorylationbypurplemembrance）ATP酶紫膜H+H+H+-++++---細胞壁紅膜H+ADP+PiATP第55頁51第56頁6.3耗能代謝6.3.1細胞物質合成6.3.2其它耗能反應第57頁6.4.1細胞物質合成1.CO2同化（固定）自養(yǎng)微生物對CO2固定第58頁異養(yǎng)微生物對CO2固定第59頁2.生物固氮（biologicalnitrogenfixation）

i.固氮微生物

好氧自生固氮菌（固氮菌屬）自生固氮菌兼性厭氧自生固氮菌厭氧自生固氮菌(巴氏芽孢梭菌)

根瘤豆科植物共生固氮菌植物地衣滿江紅魚腥藻聯(lián)合固氮根際、葉面、動物腸道等處固氮微生物第60頁2i.根瘤菌和根瘤形成根瘤菌形態(tài)根瘤菌特點：感染性、專一性、有效性第61頁根瘤形成

根毛彎曲松馳變軟根瘤菌侵入根毛根瘤形成分泌微生物植物色氨酸吲哚乙酸第62頁

地衣滿江紅魚星藻第63頁3i.固氮生化機制生物固氮反應6要素：ATP供給、還原力及其傳遞載體、固氮酶、還原底物—N2、鎂離子、嚴格厭氧微環(huán)境。固氮生化路徑：固二氮酶（dinitrogenase）（組份Ⅰ）固二氮酶還原酶（dinitrogenasereductase）（組份Ⅱ）

第64頁氮分子還原過程第65頁4i.固氮生化路徑（自生固氮菌）N2+8H+18-24ATP-----2NH3+H2+18-24ADP+18-24Pi電子起源丙酮酸ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-

Fd.2e-Fd(Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo2NH3N2氧障第66頁3.大分子前體物質合成

i.碳水化合物合成2i.氨基酸合成

第67頁3i.核苷酸生物合成

第68頁4i.細胞結組成份大分子物質合成肽聚糖合成和細胞壁增加

第69頁4.微生物合成次生代謝產物依據次生代謝產物作用不一樣,主要能夠分為：①毒素

②抗生素

③生長刺激素

④色素

第70頁6.3.2其它耗能反應1.細胞中高能化合物2.ATP結構第71頁3.其它耗能反應第72頁葉綠素葉綠素a普遍存在于光合生物中葉綠素a、b共同存在于高等植物、綠藻和藍綠細菌中葉綠素c存在于褐藻和硅藻中葉綠素d存在于紅藻中葉綠素e存在于金黃藻中褐藻和紅藻也含有葉綠素a51第73頁類胡蘿卜素全部光合生物都有類胡蘿卜素捕捉光能作用能把吸收光能高效地傳給細菌葉綠素(或葉綠素)而且這種光能同葉綠素(或細菌葉綠素)直接捕捉到光能一樣被用來進行光合磷酸化作用作為葉綠素所催化光氧化反應淬滅劑，以保護光合機構不受光氧化損傷

可能在細胞能量代謝方面起輔助作用

51第74頁51藻膽素因含有類似膽汁顏色而得名化學結構與葉綠素相同都含有四個毗咯環(huán)但藻