微生物学-六章.ppt
内容回顾,六类营养元素 微生物的营养类型 培养基的类型和配制原则 营养物质的吸收方式,微生物的代谢,微生物的分解代谢与合成代谢,1、ATP生成及利用； 2、微生物氧化产生化学能的方式,1、己糖的分解；2、丙酮酸代谢的多样性,抗生素、生长刺激素、毒素、色素,重点： 糖的代谢途径 细菌中特有的ED途径 ATP生成方式及利用途径 有氧呼吸、厌氧呼吸及发酵的区别 微生物次生代谢产物的种类及用途,微生物的代谢,代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。,第一节 微生物的代谢概述,5,微生物学,分解代谢的三个阶段： 第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质； 第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；,6,微生物学,分解代谢的三个阶段： 第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。 第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。,合成代谢 是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。 合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。,第二节 微生物的产能代谢,光能自养和光能异养微生物 的能源,光能营养型,化能营养型,最初能源,非环式光合磷酸化 环式光合磷酸化 嗜盐菌紫膜的光合作用,底物水平磷酸化 呼吸链 光合磷酸化,ATP的生成,1、ATP的产生及利用,底物水平磷酸化产生ATP,含有高能磷酸键的化合物能过酶的作用将其高能磷酸根转移给ADP生成ATP的过程。（不需氧，不经电子传递链）,XPADPXATP,通过呼吸链产生ATP,呼吸链（电子传递链）与质子浓度差推动的ATP的形成。,化能异养菌产生ATP的方式 化能自养菌产生ATP的方式,通过呼吸链产生ATP,化能异养菌产生ATP的方式,Energy generation in Nitrosomonas. Only two enzymes, ammonia monooxygenase (AMO) and hydroxylamine oxidoreductase (HAO) are involved in the oxidation of ammonia to nitrite.,化能自养细菌产生ATP,某些微生物从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。 它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。 氨的氧化，NH3，HNO2，HNO3 硫的氧化，H2S，S，SO32-，SO42- 铁的氧化，Fe2+，Fe3+ 氢的氧化，H2，H,厌氧的红螺菌目,光能驱动的ATP的形成,(1),光能驱动的ATP的形成,(2),P：细菌视紫红质,光能驱动的ATP的形成,(3),最初能源,小结：,形成的能量ATP用于什么地方呢？,运动,Photobacterium,能量贮存,微生物氧化化学物质，释放其中的化学能的过程，称生物氧化。,2、微生物氧化产生化学能的方式,呼吸、无氧呼吸及发酵作用的比较,（1）呼吸作用,定义：以分子氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。,特点是：有氧存在 氧化彻底 产能量大,微生物种类： 需氧菌和兼性厌氧菌；既有化能异养菌，又有化能自养菌。,（2）无氧呼吸作用,定义：以外源无机氧化物如NO3¯ 、 NO2¯ 、 SO4¯ 、 S2O3¯、和CO2等作为最终电子（或氢）受体的氧化作用。,特点是： 无氧存在 以外源无机氧化物为电子受体 产能量较低,（2）无氧呼吸作用,硝酸盐呼吸 (又称反硝化作用或异化性硝酸盐还原作用),是反硝化细菌在缺氧条件下，将硝酸盐还原亚硝酸盐、NO、N2O直至N2的过程。,（2）无氧呼吸作用,反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤中氮素营养的含量，对农业生产不利。,硝酸盐呼吸 (又称反硝化作用或异化性硝酸盐还原作用),松土(保持土壤的疏松状态) 排水(保证土壤中有良好的通气),如何克服呢？,硫酸盐呼吸(又称反硫化作用),是硫酸盐还原细菌(或反硫化细菌)在无氧条件下，以硫酸盐为最终电子受体，产生H2S及能量的过程。,浸水或通气不良的土壤中，造成植物烂根。,“鬼火”,无氧条件下，某些微生物以磷酸盐为最终电子受体，生成磷化氢，后者是一种易燃气体。,尸体腐败变质时，容易发生这种情况。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光，即“鬼火”。,实验室：,白磷+浓氢氧化钾溶液,磷化氢,加热,(3) 发酵,狭义定义：在无氧条件下，电子（或氢）供体及受体都是有机化合物的氧化作用。有时最终电子（或氢）的受体就是电子供体的分解产物。产能效率极低。,脱羧,厌氧和酸性,微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给来自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。,33,微生物学,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，称为呼吸作用。 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于： 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。,第三节 微生物的分解代谢,一、己糖的分解 EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径 二、丙酮酸代谢的多样性 厌氧发酵,一、己糖的分解 1、 EMP途径(Embden-Meyerhof pathway) 又称为糖酵解途径。（P169）,10步反应 两个阶段,2、HMP途径(磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径),磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。一个HMP途径循环的结果为：,HMP途径的生理功能 碳骨架 还原力,3、ED途径(The Entner-Doudorff Pathway),2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶,关键酶,The Entner-Doudorff Pathway,产能低：只得1 ATP、1 NADH和1NADPH。,4、磷酸解酮酶途径： 磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。 特征性酶是磷酸解酮酶。 具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径。 具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。 P175,1 酒精发酵,二、厌氧发酵与丙酮酸代谢的多样性,2. 乳酸发酵,3丁酸发酵,厌氧发酵是指在无氧条件下，一些微生物将丙酮酸转化为各种发酵产物的过程。由于该过程中的有机物没完全降解，且只有底物水平的磷酸化，因而产能水平低。,4丙酸发酵,5. 混合酸发酵,丙酮酸,1酒精发酵之I型发酵,丙酮酸,无氧,酒精,酿酒酵母,脱羧酶,乙醇脱氢酶,C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CH2OH+2CO2+2ATP,乙醇发酵的三种类型,亚硫酸氢钠，乙醛不作为NADH受氢体，磷酸二羟丙酮作为受氢体，生成a-磷酸甘油，再生成甘油，称为酵母的二型发酵； pH 7.6，两分子乙醛，歧化反应生成乙醇和乙酸，受氢体为磷酸二羟丙酮，终产物为甘油、乙醇和乙酸，称为酵母的三型发酵。不能产生能量，只在非生长时进行。,2. 乳酸发酵,还原,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,还原,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,CO2,乳酸+ATP,乙醇,异型乳酸发酵：发酵后产生多种产物，包括乳酸、乙醇、CO2等。如肠膜明串珠菌、短乳杆菌、发酵乳杆菌。,C6H12O6,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乙酰磷酸,丙酮酸,还原,HMP,戊糖磷酸酮糖酶(关键酶),磷酸,双歧发酵,两歧双歧杆菌(bifidobacterium bifidum)发酵葡萄糖产生乳酸。,青贮饲料,49,什么是青贮饲料，其发酵机理是什么？,3丁酸发酵,葡萄糖,EMP,丙酮酸,专性厌氧梭菌(如丁酸梭菌),丁酸,乙酸,乙酰CoA,CO2,4、丙酸发酵,厌氧菌，丙酸发酵。 葡萄糖，EMP途径，丙酮酸，丙酸。 少数丙酸细菌还能将乳酸(或利用葡萄糖分解而产生的乳酸) 。,CH3COCOOH,CH3CH2COOH,5、混合酸发酵,肠杆菌，葡萄糖，混合酸发酵。 葡萄糖，EMP途径，丙酮酸，不同的酶系转化成不同的产物： 乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氢气，磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸； 乙酰乳酸，乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇。 甲酸、乳酸、乙醇等。,第四节 微生物的次生代谢产物,初生代谢是维持微生物自身生长和繁殖所必需的代谢。 初生代谢过程中微生物从外界吸收各种营养物质，通过合成代谢和分解代谢，产生出维持生命活动的物质和能量的过程。,初生代谢 次生代谢,第四节 合成代谢与次生代谢产物,微生物在一定的生长时期(一般是稳定生长期)，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢产物为前体，通过复杂的独特代谢途径合成一些分子结构复杂、非生长所必需的物质的过程称为次生代谢；这一过程的产物即为次生代谢产物。,初生代谢 次生代谢,生物合成(耗能代谢) 一、细胞物质合成 生物固氮 CO2的同化 糖类的合成- 肽聚糖 氨基酸的合成 二、次生代谢,生物固氮(biological nitrogen fixation) 定义(P333) 固氮微生物 自生固氮菌 共生固氮菌 联合固氮菌 根际、叶面、动物肠道等处的固氮微生物,好氧自生固氮菌 兼性厌氧自生固氮菌 厌氧自生固氮菌,根瘤 豆科植物 植物 地衣 满江红鱼腥藻,生物固氮总反应 N2+8H+1824ATP 2NH3+H2+1824ADP+1824Pi,满江红鱼星藻,次生代谢产物的多样性及与初生代谢的联系,二、次生代谢,次生代谢产物种类的多样性： 抗生素(青霉素、链霉素、红霉素等) 激 素(赤霉素等) 毒 素(破伤风毒素、黄曲霉毒素等) 色 素(如粘质赛氏杆菌产生灵菌红素) 生物碱(如麦角菌产生的麦角碱) 维生素(如丙酸细菌产生VB12),TSA Plate Culture of the Chromogenic Bacterium Serratia marcescens. Note red, water insoluble pigment.,严重烧伤早期肠道细菌可移位于痂下水肿液，可在胃肠道中导入产灵菌红素的粘质沙雷氏菌作为示踪菌 ，以检测肠道细菌的移位。,天蓝色链霉菌产生的水溶性色素,麦角菌(Claviceps purpurea),寄生在黑麦、大麦等禾本科植物的子房里。曾在中世纪的欧洲使大批孕妇流产，夺去数以万计的人的生命。当人们吃了含有麦角的面粉后，便会中毒发病，开始四肢和肌肉抽筋，接着手足、乳房、牙齿感到麻木，然后这些部位的肌肉逐渐溃烂剥落，直至死亡，其状惨不忍睹。,麦角中含有一种生物碱，有促进血管收缩、肌肉痉挛、麻痹神经的作用，可以制成有效的止血剂和强烈的流产剂，成为妇产科疗效很好的药剂。这一来，麦角菌这个真菌家族中的“不肖子孙”，也改恶从善，变成人类有用之物。,赤霉素是一类属于双萜类化合物的植物激素。1926年日本病理学家黑泽在水稻恶苗病的研究中发现水稻植株发生徒长是由赤霉菌的分泌物所引起的。1935年日本薮田从水稻赤霉菌中分离出一种活性制品，并得到结晶，定名为赤霉素（GA）。赤霉素中生理活性最强、研究最多的是赤霉酸 GA3，它能显著地促进植物茎、叶生长，特别是对遗传型和生理型的矮生植物有明显的促进作用；能代替某些种子萌发所需要的光照和低温条件，从而促进发芽；可使长日照植物在短日照条件下开花，缩短生活周期；能诱导开花，增加瓜类的雄花数，诱导单性结实，提高坐果率，促进果实生长，延缓果实衰老。除此之外，GA3还可用于防止果皮腐烂；在棉花盛花期喷洒能减少蕾铃脱落；马铃薯浸种可打破休眠；大麦浸种可提高麦芽糖产量等等。,由赤霉菌（Gibberella fujikuroi）引起的水稻疯长,Rice plants; the large, yellow one exhibits the “Bakanae disease“ caused by G. fujikuroi.,Clostridium botulinum,肉毒梭菌可向外施放极毒的肉毒毒素。这种外毒素的纯制品只要有一小粒芝麻那么重，就能杀死两千万只小白鼠，人们认为肉毒毒素是目前最毒的毒药。 肉毒梭菌在有氧的环境下不能存活，常常出现在未经妥善消毒的肉食罐头或放置时间过长的肉制品、海味品中。吃了这类食品，便会出肉毒棱菌现恶心、呕吐，接着出现疲乏、头痛、头晕，视力模糊，复视；喉粘膜发干，感到喉部紧缩，继而吞咽和说话困难；全身肌肉虚弱无力，直至危及生命。因此，不合卫生标准或过期的肉食罐头和肉制品、海味品绝不能再吃，以免中毒。肉毒梭菌的芽胞在中性条件下需要加热煮沸8个小时才能被杀死，可见其生命力极强，人们对它应引起高度警惕。,The fungus Aspergillus flavus, which produces aflatoxin.,黄曲霉毒素广泛存在于发霉的谷物中，目前已分离出的黄曲霉毒素有10多种，它们包括黄曲霉毒素B1、黄曲霉毒素B2、黄曲霉毒素G1、黄曲霉毒素G2等。其中以黄曲霉毒素B1的毒性最强，且有强烈的致癌作用。短期食用黄曲霉毒素严重污染的食品后，可出现发热、腹痛、呕吐、食欲减退等急性中毒现象，严重者在23周出现肝脾肿大、肝区疼痛、皮肤黏膜黄染、腹水、下肢浮肿及肝功能异常等中毒性肝病的表现，亦可引起心脏扩大、肺水肿甚至痉挛、昏迷等病症。,总结：,微生物的分解代谢与合成代谢,1、ATP生成及利用； 2、微生物氧化产生化学能的方式,1、己糖的分解；2、丙酮酸代谢的多样性,抗生素、生长刺激素、毒素、色素,重点： 细菌特有的糖代谢途径：ED途径 ATP生成方式及利用途径 有氧呼吸、厌氧呼吸及发酵的区别 无氧条件下丙酮酸的分解（厌氧发酵） 微生物次生代谢产物的种类及用途,什么叫生物氧化？ 比较三种生物氧化类型（呼吸、无氧呼吸、发酵）的不同。,微生物产生ATP的方式有哪些？代表微生物种类有哪些？,本章思考题：,什么是ED途径？比较通过ED和EMP途径产生酒精的异同。,什么是酒精发酵、同（异）型乳酸发酵和丁酸发酵？,什么是次生代谢？微生物的次生代谢产物种类有哪些？,
