微生物学第7章 微生物的代谢PPT课件

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1、 1 第七章微生物的代谢 2 新陈代谢 metabolism 简称代谢 泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程 新陈代谢的共同特点 1 在温和条件下进行 由酶催化 2 反应步骤繁多 但相互配合 有条不紊 彼此协调 且逐步进行 表征了新陈代谢具有严格的顺序性 3 对内外环境具有高度的调节功能和适应功能 3 主要内容 微生物代谢概论微生物的分解代谢和能量的产生微生物分解代谢产物与鉴定反应微生物的合成代谢微生物的代谢调控 4 微生物代谢的类型 物质代谢 分解代谢合成代谢能量代谢 耗能代谢产能代谢根据代谢产物的用途可分为 初级代谢次级代谢 5 物质代谢 1蛋白质 核酸 糖 脂类等物质的变化 合

2、成与分解 2分解代谢 微生物将各种复杂的营养物质通过分解代谢酶系的催化 产生简单分子 同时将产生的能量储存起来的过程 3合成代谢 微生物在合成代谢酶系的催化下 通过消耗能量 将简单化合物合成复杂细胞物质的过程 6 分解代谢 catabolism 分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质 并在这个过程中产生能量 一般可将分解代谢分为三个阶段 蛋白质多糖脂类氨基酸单糖甘油 脂肪酸丙酮酸 乙酰辅酶ACO2 H20 能量 三羧酸循环 7 合成代谢 anabolism 合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程 并在这个过程中消耗能量 合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物

3、或环境中的小分子营养物质 8 在代谢过程中 微生物通过分解作用 光合作用 产生化学能 这些能量用于 1合成代谢2微生物的运动和运输热和光 9 初级代谢 微生物通过一些相同的代谢途径 合成细胞生长和繁殖所必需的化合物的过程 产物 氨基酸 核苷酸等 次级代谢 合成次级代谢产物的过程 次级代谢产物 微生物在代谢过程中产生的 对微生物自身生长 繁殖无显著功能的化合物 eg抗生素 生长激素 毒素 色素等 10 次级代谢往往是某些生物为了避免在初级代谢过程中某种中间产物积累所造成不利作用或外环境因素胁迫而产生的一类有利于生存的代谢类型 可以认为次级代谢是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式

4、 11 次级代谢与初级代谢是一个相对的概念 二种代谢既有区别又有联系 它们的区别主要表现为 1 次级代谢只存在于某些生物当中 而初级代谢是一类普遍存在于各类生物中的基本代谢类型 2 次级代谢产物对于产生者本身不是机体生存所必需的物质 而初级代谢产物通常都是机体生存必不少的物质 3 次级代谢通常是在微生物的对数生长期末期或稳定期才出现 初级代谢则自始至终存在于一切生活的机体之中 4 次级代谢对环境条件变化很敏感 其产物的合成往往会因环境条件变化而受到明显影响 而初级代谢对环境条件变化的相对敏感性小 相对较为稳定 12 5 催化次级代谢产物合成的某些酶专一性较弱 往往都是一些诱导酶 这些酶通常因环

5、境条件变化而不能合成 相对而言催化初级代谢产物合成的酶专一性和稳定性较强 6 次级代谢产物各种各样 并且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似而成分不同的混合物 例如目前已知新霉素有4种 杆菌肽有10种 多粘菌素有10种 放线菌素有20多种等 而初级代谢产物的性质与类型在各类生物里相同或基本相同 13 次级代谢以初级代谢为基础 因为初级代谢可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量 而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续和发展 避免初级代谢过程中某种 或某些 中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用 14 能量代谢 化学能 光能等能量在微生物细胞内的相互转化和代谢变化称为能量代

6、谢 15 有机物 化能异养菌 无机物 化能自养菌 等 光能 光能营养菌 化能异养微生物以有机物作为能源 最常利用的碳源是葡萄糖 在葡萄糖分解氧化过程中 微生物首先将葡萄糖转变为丙酮酸 同时产生少量的ATP和还原力NADH2或NADPH2 根据这两者中氢或电子去向的不同 可以将能量产生方式分别命名为呼吸和发酵 若是通过电子传递链将氢或电子转移给氧 同时产生大量的能量 这一过程称为有氧呼吸 若是将氢或电子转移给无机物 则为无氧呼吸 还可直接用来还原有机物 积累代谢产物产生少量能量 称为发酵 能量来源 16 微生物代谢和酶 酶在微生物细胞中的分布 胞外酶 以水解酶为主 胞内酶微生物细胞中酶的种类 氧

7、化还原酶 转移酶 水解酶 裂解酶 异构酶和合成酶 诱导酶和组成酶 17 分解代谢和能量的产生葡萄糖分解途径 EMP HMP ED PK 直接氧化 18 EMP Embdem Meyerhof ParnasPathway 糖酵解 己糖二磷酸途径 绝大多数生物共有的基本途径C6H12O6 2NAD 2H3PO4 2ADP 2CH3COCOOH 2NADH2 2ATP原核微生物 1分子G彻底氧化产生38个ATP 膜上呼吸链 真核微生物 1分子G产生36个ATP NADH2进入线粒体膜上的呼吸链 传递产生FADH2消耗2分子ATP 19 EMP途径 Embden Meyerhofpathway 葡萄糖

8、 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 EMP途径意义 为细胞生命活动提供ATP和NADH 底物水平磷酸化 底物水平磷酸化 21 22 HMP途径 hexosemonophosphatepathway 又称己糖单磷酸途径 戊糖磷酸途径 与EMP途径共存于细胞中 不同微生物 两种代谢途径所占比例不同 经HMP途径 G可达到氧化并产生大量NADPH和多种代谢产物 可提供不同碳原子骨架的磷酸糖 G经HMP途径后如彻底氧化 净产35个ATP 23 24 完全HMP途径6葡萄糖 6 磷酸 12NADP 6H2

9、O5葡萄糖 6 磷酸 12NADPH 12H 12CO2 Pi HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖 6 磷酸转变成一分子甘油醛 3 磷酸 3个CO2 6个NADPH 25 HMP途径从6 磷酸 葡萄糖开始 即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径 26 HMP途径的重要意义 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖 磷酸 产生大量NADPH2 一方面为脂肪酸 固醇等物质的合成提供还原力 另方面可通过呼吸链产生大量的能量 与EMP途径在果糖 1 6 二磷酸和甘油醛 3 磷酸处连接 可以调剂戊糖供需关系 途径中的赤藓糖 景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成 碱基合成 及多糖合成 途径中存

10、在3 7碳的糖 使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物 如核苷酸 若干氨基酸 辅酶和乳酸 异型乳酸发酵 等 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例 且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关 27 ED途径 Enter Doudoroffpathway 2 酮 3 脱氧 6 磷酸葡萄糖 KDPG 裂解途径 eg 假单胞菌 铜绿假单胞菌 ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径 高等动 植物体未发现该种产能代谢途径 G经4步反应即可快速获得由EMP途径10步才能得到的丙酮酸 G经ED途径可产生1个ATP 产生的丙酮酸有氧条件下进

11、入TCA进一步彻底氧化 共产生7ATP 无氧条件下脱羧生成乙醛 再被还原成乙醇 细菌乙醇发酵机制 28 29 C6H12O6 ADP Pi NADP NAD 2CH3COCOOH ATP NADPH2 NADH2ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶 可将2 酮 3 脱氧 6 磷酸葡萄糖酸 KDPG 裂解为丙酮酸和3 磷酸甘油醛 ED途径结果 一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸 1分子ATP 1分子NADPH 1分子NADH ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在ED途径不如EMP途径经济 30 ED途径的细菌酒精发酵优点 代谢速率高 产物转化率高 菌体生

12、成少 代谢副产物少 发酵温度较高 不必定期供氧 缺点 pH5 较易染菌 细菌对乙醇耐受力低 31 32 PK途径 phosphoketolasepathway 磷酸酮解途径存在于肠膜状明串珠菌属和双歧杆菌属中的一些种进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶 所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖 33 磷酸已糖解酮酶HK途径 磷酸已糖酮解途径 34 有两个磷酸酮解酶参加反应 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下 2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3 磷酸 甘油醛 3 磷酸 甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸 乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联 每分子葡萄糖产生2 5分子的ATP 35

13、 磷酸戊糖酮解途径 36 C6H12O6 ADP Pi CH3CHOHCOOH CH3CH2OH CO2 ATP分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP 相当于EMP途径的一半 几乎产生等量的乳酸 乙醇和CO2许多微生物的异型乳酸发酵即采取此方式 37 直接氧化途径葡萄糖氧化酶 常见于假单胞菌 气杆菌等 38 微生物氧化的方式 生物氧化是细胞内代谢物以氧化作用释放 产生 能量的化学反应 氧化过程产生大量的能量 分段释放 并以高能键形式贮藏在ATP分子内 供需时使用 呼吸作用有氧呼吸 以分子氧作为最终电子 和氢 受体的氧化作用无氧呼吸 以无机氧化物作为最终电子 和氢 受体的氧化作用发酵作用以有机物为基

14、质 电子 或氢 供体和受体都是有机化合物 39 呼吸作用 有机物被完全氧化 放出的电子经电子传递链传递给电子受体 产生大量能量 1有氧呼吸 1 以氧作为最终电子受体的生物氧化过程 产物为CO2和H2O 2 G EMP 丙酮酸 TCA 呼吸链 6CO2 H2O 38ATP 40 2无氧呼吸 1 兼性厌氧微生物或厌氧微生物 2 电子受体有 NO3 SO42 CO2等 及延胡索酸等有机物电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体 并伴随有磷酸化作用 底物可被彻底氧化 可产生较多能量 但不如有氧呼吸产生的能量多 41 硝酸盐呼吸 42 3不同呼吸类型的微生物 1 好氧性微生物 aerobic 细菌

15、 放线菌 真菌 2 厌氧性微生物 anaerobic 不具有超氧化物歧化酶 superoxidedismutase SOD 和过氧化氢酶 不能解除O2 和过氧化氢的强细胞毒作用 3 兼性厌氧微生物 facultativeanaerobic 在有氧或无氧的环境都能生长 以不同的氧化方式获得能量 43 发酵作用 发酵是厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下产生能量的一种重要方式 以有机物为基质 以其降解产物的中间产物为最终电子或氢受体的氧化过程 最终导致有机物积累和产生少量能量 1 酵母菌的发酵 P160图7 10 第一型发酵 乙醇发酵 G EMP 2NAD 2NADH2 2丙酮酸 2CO2 2乙

16、醛2乙醛 2NADH2 2NAD 2CH3CH2OHC6H12O6 2ADP 2H3PO4 2CH3CH2OH 2CO2 2ATP此过程要求厌氧 pH3 5 4 5 较低盐浓度 第二型发酵 甘油发酵 乙醛 亚硫酸氢钠 磺化羟基乙醛磷酸二羟丙酮 磷酸甘油 甘油C6H12O6 NaHSO3 甘油 CH3CHOH SO3Na CO2此过程不产生ATP 第三型发酵 甘油发酵 2葡萄糖 2甘油 乙醇 乙酸 2CO2弱碱性条件 不能产生能量 44 概念 有氧条件下 发酵作用受抑制的现象 或氧对发酵的抑制现象 意义 合理利用能源 通风对酵母代谢的影响 巴斯德效应 ThePasteureffect 现象 45 2 乳酸发酵乳酸菌 兼性厌氧菌 eg乳杆菌属 lactobacillus 双歧杆菌 Bifidobacteriumbifidum 等 在严格的厌氧条件下发酵产生乳酸 同型乳酸发酵 G EMP 2乳酸 2ATP异型乳酸发酵 G pK 乳酸 乙醇 ATP此外 还有丁酸发酵 丙酮 丁醇发酵 混合酸发酵 丁二醇发酵等 46 酵母型酒精发酵 同型乳酸发酵 丙酸发酵 混合酸发酵 2 3 丁二醇发酵 丁酸发酵