北工大微生物学 第6章课件

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1、第六章 微生物的代谢,第六章 微生物的代谢,微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的生化反应，转变成能量和构成细胞的物质，并排出不需要的产物。这一系列的生化过程称为新陈代谢。 微生物的代谢(metabolism)是指发生在微生物细胞中的分解代谢(catabolism)与合成代谢(anabolism)的总和。,分解代谢（catabolism）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。 合成代谢（anabolism）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。,在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能，光合微生物

2、还可将光能转化成化学能，这些能量 用于：1.合成代谢；2.微生物的运动和运输； 3.热和光。,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相关的酶促反应，使生命活动得以正常进行。,某些微生物在代谢过程中，除了产生其生命活动所必需的初级代谢产物和能量外，还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存，还与人类生产生活密切相关。,代谢（metabolism）：,细胞内发生的各种化学反应的总称,复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,第一节 酶的基本知识 第二节 能量代谢 第三节 大分子物质的降

3、解 第四节 微生物的发酵 第五节 微生物代谢的调节和控制,第六章 微生物的代谢,第一节 酶的基本知识,微生物的代谢活动: 酶类受多因素的调节和控制组合成有规律.有组织的酶系,完成复杂的代谢活动. 酶是生物的催化剂-没有酶,微生物就没有生命,生命是不能离开酶而存在.,酶的性质 酶是生物催化剂 2.酶具有高度催化效果 3.酶具有高度专一性 (1).绝对专一性 (2).相对专一性 (3).立体异构专一性,4.酶的化学本质是蛋白质,5.酶作用受到温度.PH.酶浓度激活剂.抑制剂等因素的影响 二.酶的分类 1.氧化还原酶类:-氧化酶.脱氢酶 2.转移酶类:-催化化合物中某些基团的转移,即将一种分子上的某

4、一基团转移到另一种分子上去的反应.,3. 水解酶类,将有机大分子水解为简单的小分子化合物 4.裂合酶类:催化一个化合物分解为几个化合物,逆反应也可 5.异构酶类:催化同分异构化合物之间的相互转化,即分子内部基团的重新排列 6.合成酶类 催化两个化合物的结合,形成新的物质,第二节 能量代谢,分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。 在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换贮存在高能化合物(如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。 不同类型微生物进行生物氧化所

5、利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。,第二节 能量代谢,一.生物氧化的过程 1.底物脱氢作用 2.氢和电子的传递 3.最后受氢体接受氢和电子,生物氧化作用是在微生物细胞内酶的催化下，完成营养物质氧化的过程，也是生物体新陈代谢的重要基本反应。,第二节 能量代谢,能量代谢的中心任务是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源 ATP 。对微生物来说，它们可利用的最初能源有三大类即：有机物、日光和还原态无机物。,二.生物氧化的类型,1.好氧呼吸 以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程. 彻底氧化，放能最多。

6、 2.厌氧呼吸 以无机氧化物作为最终电子受体有机化合物.不需要氧气，放能多。 3.发酵. 电子供体是有机化合物,而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程 不彻底氧化，放能最少。,有关“鬼火”的生物学解释,在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。 若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。,三.呼吸链,微生物从呼吸底物脱下的氢和电

7、子向最终电子受体的传递过程中,要经过一系列的中间传递体,并有顺序的进行,他们相互”连接”如同链条一样-呼吸链.也称为生物氧化链。,四. ATP的生成,ATP是微生物生命活动的能量来源. ATP的产生是电子从起始的电子供体经过呼吸链传至最终受体的结果.,ATP是生物体内能量的主要传递者 ATP的生成需要能量，这些能量来自光能及化学能。 ATP和酶产生偶联作用即可利用,又可储存 由光能生成ATP的过程称为光和磷酸化； 以化学能生成ATP的过程称为氧化磷酸化。,光合磷酸化:利用光能合成ATP的反应。 光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。 光合微生物:藻类

8、、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。 细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如H2、H2S等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。,氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生成ATP的反应。 氧化磷酸化生成ATP的方式有两种： 底物水平磷酸化不需氧 电子传递磷酸化需氧。 底物水平磷酸化： 底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。 这种类型的氧化磷酸化方式在生物代

9、谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。,在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。 呼吸链中的电子传递体主要由各种辅基和辅酶组成，最重要的电子传递体是泛琨（即辅酶Q）和细胞色素系统。在不同种类的微生物中细胞色素的成员是不同的。 通过呼吸链生成的ATP数量主要是根据呼吸链成员的多少而不同，而呼吸链的组成因微生物种类而异，如酵母菌可生成3个ATP，而细菌大约只生成1个ATP,磷酸化作用是在电子自供体向最终受体的传递过程中发生的。,电子传递磷酸化,ATP的生成,ATP的生成方式:,微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高

10、能分子）形式的化学能. ATP是生物体内能量的载体或流通形式.当微生物获得能量后,都是先将获得的能量转换成ATP.当需要能量时,ATP分子上的高能键水解,重新释放出能量。,光合磷酸化 氧化磷酸化,底物水平磷酸化 电子传递磷酸化,大分子物质的降解,淀粉、脂肪、蛋白质、果胶质等,胞外酶的作用,葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等,第三节. 大分子物质的降解,第三节. 大分子物质的降解,一. 多糖的分解 (一). 淀粉的分解 淀粉微生物碳源的原料 淀粉-是葡萄糖的多聚物. 淀粉-直链淀粉(20%).支链淀粉(80%) 微生物对淀粉的分解是由微生物 分泌的淀粉酶催化进行. 淀粉酶是水解淀粉糖苷键酶的总称.,（一）

11、淀粉的分解 淀粉是葡萄糖通过糖苷键连接而成的一种大分子物质。淀粉有两类，一类是由-1,4-糖苷键将葡萄糖连接而成的直链淀粉；另一类是在直链淀粉基础上，又产生由-1,6-糖苷键连接起来产生了分支的支链淀粉。一般在自然淀粉中，直链淀粉约占10%20%，支链淀粉约占80%90%。在以淀粉作为生长碳源与能源的微生物中，它们能利用本身合成并分泌到胞外的淀粉酶，将淀粉水解生成双糖与单糖后，被微生物吸收，然后再被分解与利用。分解淀粉的酶种类较多，而且作用方式各异，目前按作用方式与特点可将淀粉酶分为几种类型。,1.液化型淀粉酶（又称-淀粉酶） 此酶作用的结果是产生麦芽糖、含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有支链的寡

12、糖。由于它作用的结果使原来淀粉溶液的黏度下降，并且产物的构型是-构型，故称为液化型淀粉酶或称-淀粉酶。在微生物中，许多细菌、放线菌和霉菌均能产生液化型淀粉酶，而且还可以通过工业发酵的方式来生产淀粉酶，枯草杆菌通常用作-淀粉酶的生产菌株。,2.糖化型淀粉酶 这是一类酶的总称。它们的一个共同特点是可以将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖，故名糖化型淀粉酶。目前已知这类酶至少包括下述三种：淀粉-1,4-麦芽糖苷酶（又称-淀粉酶）。故此酶作用于淀粉后的产物是麦芽糖与极限糊精；淀粉-1,4-葡萄糖苷酶。此酶作用于直链淀粉后的产物几乎全是葡萄糖，作用于支链淀粉后的产物有葡萄糖与带有-1,6-糖苷键的寡糖。根霉与曲霉

13、普遍都能合成与分泌此酶；淀粉-1,6-糖苷酶（又称异淀粉酶）。此酶专门作用于淀粉分子中的-1,6-糖苷键，生成葡萄糖。,（二）纤维素的分解 纤维素是一种由葡萄糖通过糖苷键连接而成的大分子化合物。它的相对分子质量更大，更不溶于水，均不能直接被人和动物消化，但它可以被许多真菌包括木霉、青霉、曲霉、根霉以及放线菌与细菌中的一些酶分解与利用。细菌中常见的纤维素分解菌有黏细菌、梭状芽孢杆菌、瘤胃细菌、产琥珀酸拟杆菌、丁酸弧菌等。 是葡萄糖由糖苷键组成的的大分子化合物,广泛存在于自然界中,是植物细胞壁的主要成分. 纤维素酶纤维素水解酶的总称.,（三）果胶质的分解,果胶是植物细胞的间隙物质,使临近细胞壁相连

14、. 在浆果中,果胶的含量最丰富. 果胶酶分解果胶的酶的总称. 果胶酶-广泛存在于植物.霉菌.细菌和酵母菌中.,二.蛋白质.氨基酸的分解,(一).蛋白质的分解 蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大结构复杂的化合物. 蛋白酶 蛋白质 多肽或氨基酸,微生物对蛋白质的分解作用与人类的关系极为密切。土壤中含有的蛋白质物质，主要靠蛋白质分解菌分解，生成简单的含氮化合物，再供植物与微生物利用. 在食品工业中，传统的酱制品，如酱油，豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物对蛋白质的分解作用。 另一方面，微生物对蛋白质作用也对人类产生有害的作用，如食物的腐败、伤口的感染、化脓等。 目前已能利用枯草杆菌、栖土曲霉、放线菌等微

15、生物来生产蛋白酶，用它来进行皮革脱毛、蚕丝脱胶等，满足皮革、纺织等领域工业的需要。,蛋白酶的分类:,水解蛋白质的方式-内肽酶.端肽酶. 蛋白酶的来源-动物.植物.微生物蛋白酶 蛋白酶在体内在的位置-胃.胰.木瓜.菠萝蛋白酶等. 蛋白酶作用的最适的PH-酸性.中性.硷性. 蛋白酶的活性中心和最适作用PH,丝氨酸.巯基.金属.酸性蛋白酶等 2.蛋白酶的生产菌种 细菌.霉菌.放线菌等.,1.脱氨作用 脱氨基主要有氧化脱氨基（大肠杆菌等参与）、水解脱氨基（酵母菌等参与）和还原脱氨基（大肠杆菌等参与）等几种方式。 1.氧化脱氨基 CH3CHNH2COOH+1/2O2CH3COCOOH+NH3 2.水解脱

16、氨基 RCHNH2COOH+H2ORCH2OH+CO2+NH3 3.还原脱氨基 HOOCCH2CHNH2COOHHOOCCH=CHCOOH+NH3,(二).氨基酸的分解,主要是脱氨作用.脱羧基作用.,2. 脱羧基作用 许多微生物细胞体内通常都具有氨基酸脱羧酶，它可以催化氨基酸脱羧生成有机胺，有机胺在胺氧化酶的作用下，放出氨生成相应的醛，醛再氧化成有机酸，最后按脂肪酸-氧化的方式分解，为机体生长提供必要的能量与小分子化合物。 微生物分解氨基酸的方式及产物的不同,常用来作为鉴定菌种的一个生理生化指标.,第四节.微生物的发酵,发酵（fermentation),广义的“发酵”是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式； 狭义的“发酵”是指在无外源电子受体的条件下，微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同代谢产物的过程。 在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被