食品微生物第六章微生物的代谢.ppt

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1、第六章 微生物的代谢,知识回顾,1.微生物细胞的化学组成与高等生物相同，包括碳、氢、氧、氮和各种矿质元素,2.微生物的营养要素碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,3.根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为4种营养类型：光能无机自养型、光能有机异养型、化能无机自养型、化能有机异养型。,4.根据物质运输过程的特点，可将运输方式分为:自由扩散、协助扩散、主动运输和基团转移,5.培养基：人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素。,6.选用和设计培养基的原则和方法原则：目的明确、营养协调、理化适宜、经济节约。方法：生态模拟、

2、查阅文献、精心设计、试验比较。,7.培养基的种类按培养基的成分（天然培养基、合成培养基、半合成培养基）,按培养基的物理状态（固体培养基、液体培养基、半固体培养基）,根据培养基的功能（基础培养基、加富培养基、选择培养基、鉴别培养基）,根据培养基的用途（种子培养基、发酵培养基、测定培养基、菌种保藏培养基）,基本内容：微生物代谢类型及其特点，合成代谢所需小分子化合物、能量和还原力产生来源，微生物细胞中特有的合成代谢，微生物次级代谢产物的合成。重点和难点：微生物的代谢类型，微生物细胞中特殊的合成代谢，次级代谢。,第六章 微生物的代谢,新陈代谢（metabolism）简称代谢，是细胞内发生的各种生物化学

3、反应的总称。,物质代谢,能量代谢,第一节 微生物产能代谢,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。,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。这就是产能代谢。,一生物氧化,生物氧化的形式：物质与氧结合、脱氢或脱电子三种,生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物,（一）化能自养微生物的生物氧化,好气型的化能自养菌以无机物作氧化基质，利用氧化无机物释放出来的能量进行生长。,硝化细菌 硝化细菌在氧化NO2-NO3-时获得能量供细胞生长 NO2-12O2 NO3-18.5千卡 硫化细菌

4、 硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。S32O2H2OSO4=2H+139.8千卡 S=2O2 SO4=189.9千卡,生物氧化反应,（二）化能异养微生物的生物氧化,微生物主要的产能方式,1、呼吸作用（respiration）,呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子 交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再 经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成 水或其他还原型产物并释放出能量的过程。,（1）有氧呼吸（aerobic respiration）,又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是化合物氧化脱下的氢和电子经完整的呼吸链（电子传

5、递链）传递，最终被外源分子氧接受，产生水并释放出ATP形式的能量。,能进行有氧呼吸的微生物都是好氧菌和兼性厌氧菌。,（2）无氧呼吸(anaerobic respiration),某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；,无氧呼吸也叫厌氧呼吸，最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有机物。,无氧呼吸需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程伴随有磷酸化作用，可产生较多的能量用于生命活动。,由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸多。,硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体，也称为硝酸盐的异化作用（D

6、issimilative）。,有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用,2、发酵(fermentation),发酵：是指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的代谢产物。,呼吸与发酵的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体（氧或无机氧化物）。,光合磷酸化,ATP的产生,二、能量的转换,1、底物水平磷酸化,物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物

7、水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程，也存在于呼吸作用过程。,例如，在EMP途径中，1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸;磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子ATP的形成.,2、电子传递水平磷酸化,物质在生物氧化过程中形成的NADH和NADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式又称为呼吸水平磷酸化。,NADH电子传递链,（1）环式光合磷酸化,不产生氧,还原力来自H2S等无机物,产能与产还原力分别进行,电子传递途径属循环方式,3、光合磷酸化（光能营养型微生物产能）,（2）非

8、环式光合磷酸化,还原力来自H2O的光解,同时产生还原力、ATP和O2,有PS和PS 2个光合系统,有氧条件下进行,（3）嗜盐菌紫膜的光合磷酸化,一种嗜盐菌特有，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。,嗜盐菌细胞膜,主要含细胞色素和黄素蛋白等用于电子传递磷酸化的呼吸链载体,在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。,紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应：细菌视紫红质（紫色）具有质子泵功能，在光量子驱动下将膜内产生的H+排至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度差；膜外质子通过膜上的ATP合成酶进入膜内，平衡膜内外质子梯度差时合

9、成ATP。,第二节 微生物的分解代谢,自然界中的微生物绝大多数是化能异养型微生物，这些微生物从外界吸收营养物质以后，通过细胞中的酶进行分解代谢产生能量ATP、小分子有机物和还原力。,一、大分子有机物的降解,碳水化合物的降解：淀粉的降解：淀粉 葡萄糖 纤维素的降解：纤维素葡萄糖半纤维素的降解：半纤维素 单糖+糖醛酸 果胶质的降解：果胶 半乳糖醛酸+甲醇 木质素的降解 木质素的化学结构较复杂，它是由许多芳香族亚基缩合而成的聚合物。木质素 乙酸+琥珀酸,含N有机物的降解：蛋白质的降解 蛋白质多肽AA CO2+NH4 几丁质的降解 几丁质寡聚糖N-乙酰葡萄糖胺乙酸+葡萄糖胺葡萄糖+NH3 尿素的降解

10、尿素+2H2O（NH4）2 CO3 2NH3+CO2 H2O,含磷有机物的降解：卵磷脂 甘油 P-甘油 EMP 脂肪酸乙酰COATCA 胆碱NH3+CO2+有机酸 磷酸 核酸核苷酸磷酸+核苷嘌呤+嘧啶,卵磷脂酶,核酸酶,核苷酸酶,含S有机物的降解：胱氨酸+3H2O+1/2O2 2 乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解：油脂脂肪酸 乙酰COATCA 甘油Pi P甘油 EMP 烃类物质的降解：甲烷是最简单的烃类物质，能被甲基营养菌作C源利用。,脂肪酶,二、已糖的降解（自学）,多糖类大分子降解最终产生单糖，其中以葡萄糖为主。微生物降解葡萄糖除为微生物提供生长所需要的能量外，还为合成代谢提供小

11、分子化合物作C架和还原力NADH2或 NADPH2。,己糖降解到丙酮酸的途径EMP途径（EmbdenMyerhof Pathway）,PP途径Pentose phosphate pathway,旧称HMP途径(Hexose monophasphate pathway），此途径存在于大多数生物体内。,ED 途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径,这一途径主要局限于接合单胞菌属的一些细菌。葡萄糖+NAD+NADP+Pi+ADP 2丙酮酸NADH+NADPH+2H+ATPED 途径为该类细菌的合成代谢提供：能量：ATP 还原力：NADH2+NADPH2 小分子 C 架：6-P 葡萄糖 3-P

12、 甘油酸 P-烯醇式丙酮酸 丙酮酸,丙酮酸的代谢的多样性 EMP途径，不完全的HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸：进入TCA（Tricarboxylic acid cycle）循环进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架。发酵作用Fermatatiom,TCA循环：,第三节 微生物的合成代谢,合成代谢就是微生物将简单的无机物或有机物用体内的各种酶促反应合成大分子物质的过程。微生物的合成代谢可以概括为三个阶段：,产生三要素：能量、还原力、小分子化合物,合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸,一、三要素的产生(合成代谢第一阶段）,ATP、

13、NADH2（或NADPH2）的产生 化能自养菌 化能自养菌产NADPH2是在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生。光能自养菌 非环式光合磷酸化可产NADPH2。进行环式光合磷酸化时，可以在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生NADPH2。,化能异养菌 葡萄糖 2 NADH2+2ATP+2丙酮酸 葡萄糖 NADH2+NADPH2+ATP+2丙酮酸 葡萄糖 2NADPH2+5-P 核酮糖+CO2 3葡萄糖 6NADPH2+NADH2+丙酮酸+3CO2 丙酮酸 NADPH2+3NADH2+FADH2+GTP+3CO2,EMP,ED,HMP,不完全HMP,TCA,一、三要素的产生(合成代谢第一阶段

14、）,小分子碳架化合物的产生,一、三要素的产生(合成代谢第一阶段）,二、前体物的合成（第二阶段）,合成大分子有机物首先要有前体物，前体物由微生物利用分解代谢中所获得的小分子C架、ATP 和NADPH2合成。前体物主要有：单糖氨基酸氨基糖 核苷酸脂肪酸,三、微生物独特的合成代谢途径,（一）生物固氮（自学）,微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮,具有固氮作用的微生物近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌,根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类,自生固氮菌,共生固氮菌,联合固氮菌,1.自生固氮菌,一类不依赖于它种生物共生而能独立进行固氮的微生物,自生固氮菌,好氧：固氮菌属、氧化

15、亚铁硫杆菌属、蓝细菌等,兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等,厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、假单脃菌属等,2.共生固氮菌,必须与它种生物共生才能进行固氮的微生物,共生固氮菌,非豆科：弗兰克氏菌属等,满江红：满江红与鱼腥蓝细菌等共生,根瘤,植物,地衣-鱼腥蓝细菌,满江红-鱼腥蓝细菌,3.联合固氮菌,必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物,联合固氮菌,根际：生脂固氮螺菌芽胞杆菌属等,叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等,动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等,4.固氮反应的条件：6要素,ATP,还原力H及其载体,固氮酶,镁离子,厌氧微环境,底物N2,(1)ATP的供应固氮过程需要消耗大量的能量

16、：由于N2分子中存在3个共价键，其结构极端稳固，要打开就得花费巨大能量。固氮酶对ATP具有高度专一性：其它高能磷酸化合物不能参与固氮反应。ATP由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化产生；ATP来源于底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化；自生固氮菌能源少，因此固氮量低；共生固氮菌靠宿主供能，固氮量高。,(2)还原力H及其载体Fd：是一种铁硫蛋白，含等摩尔铁和不稳态硫，参与固氮、光合作用以及释放和利用氢气的反应。Fld：是一种黄素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金属或不稳态硫，在许多反应中有取代Fd的功能。,(3)固氮酶 结构即钼铁蛋白，由二个大亚基和二个小亚基组成，分子量为220250K

17、D，每分子钼铁蛋白含2个钼原子，2432个铁原子及相应数目的不稳态硫原子，它们组成3个中心：P中心，由4个4Fe4S（4铁4硫原子簇）组成，（它通过半胱氨酸SH巯基与蛋白质连接）是传递电子的通路；M中心，由铁钼辅因子（FeMoCo）组成，是固氮酶活性中心；此外，还有一个S中心。,固氮酶的特性1)固氮酶是一种复合酶系统：钼铁蛋白铁蛋白=12，单独存在时均不表现出固氮活性。2)不同来源固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白可以交叉组合。亲缘关系和生理类型近的互补组合能力强，反之，则不易组合或组合后不具催化性。,固氮酶的特性3)对氧敏感：固氮酶两组分蛋白很不稳定，对氧敏感，且铁蛋白还易受冷失活。（氧不可逆破坏固氮

18、酶组分的结构，铁蛋白比钼铁蛋白敏感，厌氧菌比好氧菌敏感；铁蛋白在04下易失活。）4)底物多样性：固氮酶是多功能的氧化还原酶，可还原N2和分子末端具有NN、CN或CC的三键的多样类型的底物，如叠氮化合物、氧化亚氮、氰和氰化物、烷烯腈、乙炔、丙二烯等。,(4)还原性底物N2_是固氮酶唯一具有生理意义的底物(5)镁离子 用来形成Mg+-ATP复合物。Mg+-ATP与Fe（固二氮酶还原酶中的Fe原子）结合，使Fe构型改变，降低氧化还原电位，形成Mg+-ATPMoFe（固二氮酶）复合体后,Mg+-ATP才能水解，推动电子从Fe传至MoFe。Mg+-ATP的结合与水解是协同的，并调控着单向电子流。(6)严

19、格的厌氧微环境,5.固氮过程,严格的厌氧微环境,2NH3+H2+1824ADP+1824Pi,N2+8H+1824ATP,生物固氮总反应：,产物去向：分子氮经固氮酶催化后还原成NH3，并与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸，再进一步可合成蛋白质和其它有关化合物。自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。,6.好氧固氮菌固氮酶的抗氧机制,固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长期进化过程中，已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。,（1）好氧性

20、自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护 固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮酶。构象保护 在高氧分压条件下，Azotobacter vinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。,（2）蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制,1）分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。2)非异形胞蓝细菌固氮酶的保护:能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到(黑暗下固氮，光

21、照下进行光合作用)。,蓝细菌光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高,（3）豆科植物根瘤菌的抗氧保护机制 1）纯培养时，只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；2）根瘤菌还能在根毛皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形状各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，膜的内外有能与O2结合的豆血红蛋白。,根据发生部位可将合成过程分成三个阶段：细胞质阶段，合成派克（Park）核苷酸；细胞膜阶段，合成肽聚糖单体；细胞膜外阶段，交联作用形成肽聚糖。,（二）肽聚糖合成,第一阶段：在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）,a、由葡萄糖经一系列反应

22、合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸,b、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,第二阶段：在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺 合成肽聚糖单体双糖肽亚单位。合成中需要一种称为细菌萜醇(bactoprenol)的类脂作载体。,第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点 中，并交联形成肽聚糖,1、多糖链的伸长,2、相邻多糖链的交联,肽聚糖单体在细胞膜上合成后经类脂载体运至膜外，在细胞壁残余（至少68个肽聚糖亚单位）作引物的条件下，肽聚糖亚单位与引物分子间先发生转糖基作用（transglycosylation）-横向连接。,通过转肽作用（transpeptidation）将亚单

23、位末端的D-丙氨酰-D-丙氨酸拆开，第四个氨基酸与另一亚单位的L-Lys之间交联，另一D-Ala释放，使两条多糖链间形成甘氨酸五肽而发生纵向交联反应。,肽聚糖生物合成：,第四节 微生物次级代谢物的合成,1.概念,次级（生）代谢物：某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的与其本身的生命活动没有明确功能的物质。,2.种类,毒 素,维生素,色 素,抗生素,生长素,初级代谢与次级代谢,小 结,微生物的代谢类型（物质代谢和能量代谢及其包含的内容）；合成代谢所需小分子化合物及能量、还原力产生来源微生物细胞中特有的合成代谢（固氮作用和肽

24、聚糖合成）微生物的次级代谢产物,复习题,1.名词解释代谢 呼吸作用 有氧呼吸 无氧呼吸 发酵 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化 合成代谢2.简答题(1)微生物代谢包含的基本内容及其相互关系。(2)简单图示微生物的产能代谢途径。(3)化能异样型微生物生物氧化所包含的内容。(4)试举例说明无氧呼吸过程。(5)呼吸作用与发酵的根本区别。(6)微生物能量转换包含哪些内容。(7)光合磷酸化的形式及其特征。(8)常见大分子有机物的降解产物。(9)己糖的讲解形式一般有哪几种？其最终产物分别是什么？(10)微生物合成代谢的三个阶段及不同营养类型微生物ATP和还原力的来源方式。(11)简述微生物的固氮过程。(12)详述微生物合成细胞壁成分-肽聚糖的过程。,