不确定原理

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銮壹昂
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1 Chapter 6 microbial metabolism It is in the fueling reactions that bacteria display their extraordinary metabolic diversity and versatility.

2 代谢概论摘要是生命的重要特征之一 (metabolism) 简称代谢, 是指细胞内发生的一切化学反应的总称代谢由两方面构成 : 分解代谢 (catabolism) 和合成代谢 (anabolism) 分解代谢将大分子营养物质分解为小分子, 释放能量 ; 合成代谢则利用前者释放的能量, 将小分子物质合成生物大分子因此, 前者称为异化作用, 后者称为同化作用或生物合成 (biosynthesis) 分解代谢为细胞的一切生命活动提供能量和前体, 合成代谢则利用分解代谢的能量合成自身必需的营养物质 ( 初级代谢产物 ), 还合成一些次级代谢产物与此相关的代谢称为初级代谢 (primary metabolism) 和次级代谢 (secondary metabolism) 无论是分解代谢还是合成代谢, 代谢途径的反应都是由酶 (enzyme) 来催化完成的, 前一步反应的产物是后一步反应的底物细胞通过调节酶促反应来协调代谢途径

4 主要内容 (metaboliem) 1. 能量酶和调控 ; 2. 分解代谢 : 能量的释放和保存 ; 3. 合成代谢 : 能量的利用和生物合成

5 微生物 : 微观精秒的化学反应器

6 1. 能量酶和调控微生物是设计精妙调控精密经济高效的化学反应器 : 每时每刻发生着成千上百个生化反应, 反应过程是释放能量偶联吸收能量的过程 ; 反应释放的能量主要用于自身的建设 :DNA\RNA 的合成蛋白质的合成脂类的合成以及物质的转运和其他生命活动 ; 生化反应由酶来催化完成 ; 绝大部分酶是具有催化能力的蛋白质 ; 酶催反应受到精细而有序的调控 ;

7 能量货币 :ATP ATP 是一切生命通用的能量货币 ; 微生物很少利用其他形式的能量, 主要利用 ATP 形式的能量 ; 氧化还原反应释放的能量贮存在 ATP, 称为 ATP 的生产 ; ATP 水解释放的能量用于合成代谢和其他生命活动

8 酶和两类脱氢酶辅酶催化生化发应的酶绝大多数是蛋白质酶一般由两部分构成 : 蛋白质部分 (apoenzyme)+ 辅因子 (cofactor) = 全酶 (holozenzyme) 如果辅因子共价键结合于酶, 称为辅基 (prosthetic group); 如果松散结合, 则成为辅酶 (coenzyme), 金属离子经常以辅因子的形式结合在酶上大多维生素是辅酶的前体, 常见的辅酶 NAD + 和 NADP + FAD 如右图 :

9 维生素 : 辅酶因子前体类型辅因子功能维生素 B1( 硫胺素 ) TPP 醛基转移和 α- 酮酸脱酸维生素 B2( 核黄素 ) FMN 氧化还原反应维生素 PP( 烟酸和烟酰胺 ) NAD\NADP 氧化还原反应泛酸 CoA 酰基转移维生素 B6( 吡哆醛醇胺 ) 磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺转氨基脱羧生物素生物胞素传递 CO2 叶酸四氢叶酸传递一碳单位维生素 B12( 钴胺素 ) 脱氧腺苷钴胺素甲基钴胺素氢原子的重排和甲基化硫辛酸硫辛酸赖氨酸酰基转移, 氧化还原反应维生素 C 羟基化反应辅助因子

10 酶的动力学曲线及参数 Km: 米氏常数 : 数值上指达到 Vmax 一半时的底物浓度反映的是酶与底物的亲和力 :Km 越低, 酶与底物的结合力越强 ; 否则相反 Kcat: 转化常数 : 指酶被底物饱和时, 每秒每个酶分子将底物转化为产物的能力 Kcat 越高, 酶活越高, 否则相反 ; Kcat/Km: 酶的效率 : 比值越高, 酶效率越高

11 1. ph 温度对酶活的影响

12 2. 常见生物酶的六大类型酶的类型酶催反应举例氧化还原酶氧化还原反应乳酸脱氢酶 : 丙酮酸 +NADH+H= 乳酸 +NAD + 转移酶基团转移天冬氨酸酰胺转移酶 : 天冬氨酸 + 酰氨磷酸 = 酰胺天冬氨酸 + 磷酸水解酶分子水解葡萄糖 -6- 磷酸水解 : 葡萄糖 -6- 磷酸 + 水 = 葡萄糖 + 磷酸裂解酶形成双键或双键加成反应苹果酸脱水 :L- 苹果酸 = 延胡索酸 + 水异构酶异构化丙氨酸异构 :L- 丙氨酸 =D- 丙氨酸连接酶利用 ATP 连接两个分子谷氨酰胺合成 : 谷氨酸 + 氨 +ATP= 谷氨酰胺 +ADP+ 磷酸

13 3. 酶的调节 : 竞争性抑制

14 3. 酶的调节 : 别构调节代谢途径中的大部分酶是别构酶 (allosteric enzyme): 催化中心和别构中心, 催化中心负责底物的结合和催化 ; 别构中心结合调节物 ; 在大肠杆菌 (E.coli) 天冬氨酸酰氨基转移酶 (Aspartate Carbamoyltransferase, ACTase) 反应中,ATCase 有两个催化亚基和三个调节中心 ; ATP 结合改善酶构象有利于底物的结合, 提高酶活 ; 而 CTP 的结合改变构象不利于底物的结合, 属于典型的别构调节 ; 别构酶的动力曲线是 S 形, 而非别构酶为双曲线形

15 3. 酶的调节 : 别构调节

16 3. 酶的调节 : 反馈抑制反馈抑制指由代谢途径中的终产物结合到限速酶 (pacemaker enzyme) 的调节中心进行负向调控, 精细地调控酶催反应, 避免反应产物的过量和底物地浪费天冬氨酸酰胺转移酶 ACTase 受到 CTP 的抑制就是反馈抑制

17 3. 酶的调节 : 共价修饰通常对酶进行共价性的修饰也是酶活调节的常见方式, 如磷酸化甲基化腺苷酸化等的共价修饰来开关酶活

18 3. 酶的调节 : 酶量调节酶量的调节指在蛋白质合成的水平调节酶的合成速率, 调节速度慢和粗放, 如色氨酸合成酶操纵子 :

19 2. 分解代谢 (catabolism) 生命是开放的系统, 与外界进行着物质能量和信息的交流 ; 能量是一切生命活动的动力 ; 分解代谢的过程是生产能量的过程 ; 分解代谢的能量来源于贮存了太阳能的有机物和自然界还原态的无机物 ; 化能有机营养型氧化碳源生产能量 : 有氧呼吸微生物将电子传递给电子受体 O2, 碳原子则形成 CO2 和其他的小分子, 无氧呼吸微生物则将电子交给非氧的受体, 而碳源的归宿与前者相同化能无机营养型氧化还原性无机物并释放电子, 与上述的情况类似

20 2. 能量的释放和保存在化能有机异养型微生物有氧呼吸中, 三大类物质的分解代谢分为三个阶段, 最后汇聚于 TCA 循环在三个阶段中可产生一系列中间产物, 而产生的电子通过电子传递链交给 O2, 质子则推动 ATP 酶复合体产生大量的 ATP CO2

21 2. 能量的释放和保存化能有机异养型微生物的氧化

22 1.1 EMP(Enbden-Meyerhof-Parnas) 途径, 又称糖酵解 (glucoylsis) 途径, 是绝大多数微生物共有的代谢途径 1. 底物脱氢的四条途径本途径以 1 分子的葡萄糖为底物, 经过 10 步反应生成 2 分子的丙酮酸 2NADP+H + 和 2ATP 的过程特点 : 供应 ATP 和还原力 2NADH+H +, 但产能效率低 ; 连接几个代谢途径的桥梁 ; 提供多中间代谢产物 ; 逆反应可合成多糖

23 EMP 途径的归宿在糖酵解途径, 最终生成的产物为还原力和丙酮酸及 ATP 如果在有氧的情况下, 还原力将电子交给呼吸链, 最终交给电子受体如 O2, 而质子泵出细胞, 产生 ATP, 丙酮酸则进入 TCA 循环 ; 在没有电子受体的情况下, 糖酵解的终产物则进入发酵, 生产一系列的代谢产物, 如乙醇乳酸乙酸和丙酸等

24 1.2 HMP 途径即 Hexose monophosphate 途径, 又称为己糖 1 磷酸途径戊糖磷酸途径或磷酸葡萄糖酸途径 WD 途径 HMP 分为 3 个阶段 : 1. 葡萄糖经过几步反应产生 CO2 和核酮糖 ; 2. 核酮糖经过分子重排形成核糖 -5-P 和木酮糖 -5-P, 随后产生产生 7 碳糖 : 景天庚酮糖 ; 3. 几种戊糖磷酸发生碳排列产生己糖磷酸和磷酸 C3 单位 ; 己糖磷酸可生产葡萄糖, 磷酸 C3 单位可进入 TCA 循环

25 HMP 途径的特点葡萄糖不经过 EMP 或 TCA 途径便能彻底氧化, 并产生大量的还原力 NADPH+H + ; 产生大量的中间产物, 如右图所示 HMP 途径的生物学意义 : 供应合成原材料 ; 提供大量的还原力 ; 作为固定 CO2 的中介 ; 扩大碳源利用范围 ; 连接 EMP 途径多数好氧菌和兼性厌氧菌中都有 HMP 途径通过 HMP 途径可提供许多重要的发酵产物, 如核苷酸氨基酸辅酶和乳酸等

26 1.3 ED 途径及其特点 ED 途径又称 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡糖酸 (KDPG) 途径最初由 N.Entern 和 M.Doudoroff 在嗜糖假单胞菌中发现, 故名 KDPG 裂解为丙酮酸和 3-p- 甘油醛 ; 含有特定酶 KDPG 醛缩酶 2 分子丙酮酸 : 一分子源于 KDPG, 一分子源于 3-p- 甘油醛 ; 产能效率低

27 ED 途径的应用及其细菌 ED 途径是少数细菌没有完整的 EMP 途径所进化产生的葡萄糖利用的替代途径丙酮酸脱羧后形成乙醛, 乙醛接受还原力 NADPH+H + 后还原为乙醇, 是为细菌酒精发酵 ; 优点 : 代谢率高 ; 转化率高 ; 代谢副产物少 ; 发酵温度高, 以及不必定期供氧 ; 缺点 : 生长 ph 较高 ; 易染杂菌 ; 对酒精的耐受性较酵母低具有 ED 途径的细菌有 : 嗜糖假单胞菌 (Pseudomonas saccharophila); 铜绿假单胞菌 (P.aeruginosa); 荧光假单胞菌 (P. fluorescens); 林氏假单胞菌 (P.linderi); 真养产碱菌 (Alcaligenes eutrophus)

28 1.4 TCA 循环 TCA 循环即三羧酸循环或柠檬酸循环, 由诺贝尔奖获得者 H.A.Krebs 提出, 是指丙酮酸经过一系列循环式的反应被彻底氧化脱羧, 形成 CO2 H2O 和 NADH+H + 的过程广泛存在于各种生物体内的重要化学反应, 在各种好养微生物中普遍存在在真核生物中,TCA 存在于线粒体中 ; 在原核生物中,TCA 在胞质中进行

29 1.4 TCA 循环

30 TCA 循环的特点 : 氧虽然不参加反应, 但必须在有氧的条件下才能运转 ; 每分子丙酮酸可产生 4 个 NADH+H + 和 1 个 FADH2 和 1 个 GTP, 产生大量能量 ; TCA 处于分解代谢和合成代谢的中枢, 为合成代谢提供各种中间产物和原料, 为人类生产提供各种发酵产物

31 三大类物质的分解代谢

32 2. 六碳糖递氢和受氢

33 2. 能量的释放和保存 ; 重要概念呼吸 : 有氧呼吸 (aerobic respiration ) 的简称指底物脱氢后, 脱下的氢经完整的呼吸链传递, 被氧分子接受, 最终产生水并释放出 ATP 能量的过程完整过程包括脱氢递氢和受氢, 必须在有氧条件下来完成的生物氧化作用呼吸链 (respiratory chain): 也称电子传递链 (electron transport chain) 指位于原核细胞膜上或真核线粒体膜上的, 由一系列氧化还原电动势呈梯度差的呈链状排列的一组氢传递体, 功能 : 把电子从低氧化还原电势低的化合物传递给高电势的分子氧或其他无机有机化合物, 同时把质子泵出胞外, 产生质子动力势, 偶联氧化磷酸化, 推动合成 ATP 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation): 电子由呼吸链传递氢和受氢偶联磷酸化反应产生 ATP 的过程

34 2. 能量的释放和保存 ; 呼吸链和氧化磷酸化

35 有氧呼吸电子传递链 The aerobic transport chain resembles a mitochondrial electron transport chain and uses oxygen as its acceptor. Methanol and methylamine can contribute electrons at the cytochrome c level.

36 无氧呼吸电子传递链 Paracoccus denitrificans Electron Transport Chains

37 2. 能量的释放和保存 ; 无氧呼吸特点及其类型崇尚科学, 破除迷信! 无氧呼吸 (anaerobic respiration): 又称厌氧呼吸指一类呼吸末端的氢受体为外源无机化合物或有机化合物的生物氧化类型特点 : 化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递, 最终交给氧化态的化和物 NO 3- NO 2- SO 4 2- CO 2, 或有机化合物如延胡索酸甲酸等 ; 无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体, 在能量的分级释放中常伴随磷酸化作用, 也能产生较多的能量 ( 少于有氧呼吸 ) 电子受体是什么, 则称为什么类型什么呼吸, 如硝酸盐呼吸, 铁呼吸等 ; 鬼火的产生 :

38 2. 能量的释放和保存 ; 常见无氧呼吸的类型联系上一张图片

39 2. 能量的释放和保存 ; 重点概念硝酸盐呼吸 (nitrate respiration): 又称反硝化作用 (denitrification) 指在无氧条件下, 某些兼性厌氧菌利用硝酸盐呼吸, 将硝酸根还原为亚硝酸 NO N2O N2 等的过程消耗氮源, 造成土壤肥力的下降也称异化性硝酸盐还原作用 (dissimilative nitrate reduction); 如地衣芽孢杆菌 (Bacillus licheniformis), 脱氮副球菌 (Paracoccus denitrification), 铜绿假单胞菌 (P. aeruginosa) 等同化性硝酸盐还原作用 (assimilative nitrate reduction): 指在无氧或有氧的条件下, 硝酸盐被还原为氨态氮源而被利用, 无硝酸盐呼吸的产能形式硝化作用 (nitrification): 指 NH4 + 形式的氮源经硝化细菌 (nitrifying bacteria) 的作用变为硝酸态氮的过程需要早通气良好 ph 接近中性的环境经过两步 : NH4 + NO2 - NO3 -

40 无氧呼吸电子传递链反硝化副球菌的呼吸链 (Paracoccus denitrificans ) Electron Transport Chains

41 2. 能量的释放和保存 ; 重要概念硫酸盐呼吸 (sulfate respiration): 是一类严格厌氧细菌在无氧条件下获得能量的方式, 其最终的还原产物是 H2S 铁呼吸 (iron respiration): 专性厌氧或兼性厌氧菌, 如假单孢菌属 (Pseudomonas) 和芽孢杆菌属 (Bacillus); 延胡索酸呼吸 (furmarate respiration): 一些兼性厌氧菌在无氧环境下进行的产能形式如埃希氏菌属 (Escherichia), 变形杆菌属 (Proteus), 沙门氏菌属 (Salmenella), 克氏杆菌属 (Klebsiella) 等肠杆菌碳酸盐呼吸 (carbonate respiration): 专性厌氧菌进行的产能形式

42 在沉积层不同深度的呼吸类型 Often one sees a succession of microorganisms in an environment when several electron acceptors are present. For example, if O2, nitrate, manganese ion, ferric ion, sulfate, and CO2 are available in a particular environment, a predictable sequence of electron acceptor use takes place when an oxidizable substrate is available to the microbial population

43 2. 能量的释放和保存 ; 发酵发酵 (fermentation) 概念的泛化 : 如新闻报道中 : 小保方晴子论文造假门事件的进一步发酵起源 : 源于水果汁冒泡并产生有益产品的自然现象广义的发酵 : 利用任何好养或厌氧的微生物来生产人类所需的产品, 都可叫发酵专业的定义 : 指无氧等外源氢受体或电子受体的条件下, 底物脱氢后产生的还原力未经呼吸链传递而直接交给某一内源性的中间代谢物, 实现底物水平磷酸化的生物氧化方式

44 2. 能量的释放和保存 ; 发酵的特点发酵的特点, 从葡萄糖到丙酮酸是糖酵解的阶段, 而丙酮酸成为发酵的起点首先, 发酵途径都必须解决还原力的生成利用及再生还原力的循环运转, 成为发酵赖以持续的条件 ; 其次, 氢受体或电子受体是丙酮酸或其衍生物, 而非氧或其他电子受体 ; 产生少量的 ATP 在厌氧条件下, 向高速发酵的酵母培养基中通入氧气, 则葡萄糖消耗减少这种抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应

45 2. 能量的释放和保存 ; 重要的几条发酵途径 EMP 途径的发酵 : 1. 乳酸细菌 ; 2. 酵母, 单胞菌属 ; 3. 丙酸菌 ; 4. 肠道菌属, 沙雷类氏杆菌属, 芽孢杆菌属 ; 5. 肠道菌 ; 6. 丙酮丁醇梭菌

46 酵母菌的三型发酵酵母的 I 型发酵葡萄糖经 EMP 途径降解为两分子丙酮酸, 丙酮酸脱羧生成乙醛, 乙醛作为氢受体使 NAD + 再生, 发酵终产物为乙醇 ; 酵母的 Ⅱ 型发酵当 ph=7.0 且存在亚硫酸氢钠, 与乙醛生成难溶的磺化羟基乙醛. 磷酸二羟丙酮代替乙醛作为 NADH+H + 的氢受体, 最终形成甘油 ; 酵母的 III 型发酵弱碱条件下 (ph=7.6), 乙醛因得不到足够的氢而积累, 两个乙醛分子间发生歧化反应, 一分子还原为乙醇, 一分子氧化为乙酸氢受体为磷酸二羟丙酮, 终产物为甘油乙醇和乙酸, 不产生能量厌氧控制 NaHSO 3 含量 ph 小于 7.6 酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件

生产甘油左 1 为 Carl Neuberg Chaim Azriel Weizmann 1874-1952 犹太复国主义者,

47 微生物与第一次世界大战酵母的二型发酵 : 德国人科学家 Carl Neuberg 利用 Saccharomyces cerevisiae 生产甘油, 产量 :1000 吨 / 月 ; 现在采用嗜盐微生物 Dunaliella salina 生产甘油左 1 为 Carl Neuberg Chaim Azriel Weizmann 犹太复国主义者, 以色列第一任总统犹太生化学家 Chaim Azriel Weizmann 利用丙酮丁醇梭菌梭菌来生产丙酮和丁醇,1950s 后利用石油生产见下页.

48 丙酮丁醇梭菌的发酵

49 2. 能量的释放和保存 ; 摘要 HMP 途径的发酵 : 异型乳酸发酵 (heterolactic fermentation): 指葡萄糖发酵后, 除了产生乳酸外, 还有乙醇乙酸和 CO2 等产物同型乳酸发酵 (homolactic fermentation): EMP 途径中发酵产物只有乳酸的发酵异型乳酸发酵的经典途径 : 异型乳酸发酵的双岐杆菌途径 :

50 2. 能量的释放和保存 ; 异型乳酸发酵异型乳酸发酵的经典途径 : 利用葡萄糖时, 发酵产物为乳酸乙醇和 CO2; 利用核糖时为乳酸乙酸和 2H2O 和 ATP; 利用果糖时为乳酸乙酸和 CO2 和甘露醇异型乳酸发酵异型乳酸发酵的双歧杆菌途径 : 上世纪 60 年代在双歧杆菌中发现, 通过 HMP 途径发酵葡萄糖 2 分子的葡萄糖可产生 3 分子乙酸,2 分子乳酸和 5 分子 ATP

51 2. 能量的释放和保存 ; 发酵途径 ED 途径发酵 : 细菌酒精发酵回忆四条途径内容氨基酸发酵产能 : Stickland 反应指此类氨基酸的氧化或脱氢与彼类氨基酸的还原或受氢相偶联的产能形式, 如氧化丙氨酸, 还原甘氨酸 ( 甘氨酸呼吸 ) 供氢氨基酸 : 丙氨酸亮氨酸异亮氨酸缬氨酸苯丙氨酸丝氨酸组氨酸和色氨酸 ; 受氢氨基酸 : 甘氨酸脯氨酸羟脯氨酸鸟氨酸精氨酸和色氨酸产能效率低, 可产生乙酸, 丙酮酸产生菌 :Clostridium sporogenes, C.botulinum, C.sticklandii

52 2. 能量的释放和保存 ; Stickland 反应 1 分子的丙氨酸作为氢供体,2 分子的甘氨酸为氢受体, 产生 3 分子的乙酸, 产生 1 分子 ATP

53 2. 能量的释放和保存 ; 呼吸无氧呼吸和发酵的比较比较项目呼吸无氧呼吸发酵递氢体呼吸链呼吸链无氢受体 O2 无机或有机氧化物代谢中间产物终产物 H2O 还原态的氢受体还原后的中间产物产能机制氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化产能效率高较高低

54 外源单糖的代谢

55 外源二糖的代谢

56 外源脂肪的代谢

57 外源蛋白质的分解代谢之转氨作用

58 2. 能量的释放和保存 ; 摘要

59 2. 能量的释放和保存 ; 自养微生物的生物氧化通常以 CO2 为唯一或主要碳源的微生物为自养型微生物化能无机自养微生物 (Chemolithoautotroph) 光能自养型微生物 (Photoautotroph) 化能无机自养型微生物 : 从无机物的氧化过程中获得能量的微生物以无机物为电子供体,H2 作为能源较为常见, 还有 NH4 +,NO2 -,Fe2 +,S,H2S 为能源 ; 从无机物的氧化获得能量, 还原态无机物氧化态无机物 + 能量或还原力通常以 O2 为电子受体,CO 或 NO3 - 也可为电子受体 ; 氧化磷酸化产生的 ATP 进行生物合成

60 2. 能量的释放和保存 ; 摘要

61 2. 能量的释放和保存 ; 以硝化细菌为例

62 2. 能量的释放和保存 ; 化能无机自养型细菌的特点 : 生长缓慢, 一般需氧 ; 常见于特定的生境, 如硫矿铁矿还原态的无机环境 ; 亚硝化细菌和硝化细菌有助于土壤固定肥力 ; 在生物圈的元素循环中有特殊意义

63 2. 能量的释放和保存 ; 光能自养型微生物 (Photoautotroph) 能够进行光合作用, 固定 CO2, 将光能转为化学能, 产生 O2 或不产 O2 的微生物类型

64 2. 能量的释放和保存 ; 循环光合磷酸化 (cyclic photophosphatorylatiion) 特点 : 电子传递途径属于循环方式 ; 产能与还原力分别进行 ; 还原力来自无机物如 H2S,H2 等 ; 不产生氧气注意 : 几乎所有的不产氧光合自养细菌都是严格厌氧的类型

65 2. 能量的释放和保存 ; 非循环光合磷酸化 (non-cyclic photophosphatorylatiion) 特点 : 电子的传递途径属于非循环式 ; 在有氧条件下进行 ; 包括 PSI 和 PSII 俩个光合系统 ; 同时产生 ATP 还原力和氧气绿色植物藻类和蓝细菌所共有的光合磷酸化途径

66 2. 能量的释放和保存 ; 嗜盐菌紫膜介导的光合磷酸化特点 : 视黄醛作为质子供体 ; 无需电子传递链 ; 泵出质子, 质子回流, 驱动合成 ATP 最为简洁高效的光合磷酸化机制, 革新了人们对光合磷酸化的传统认识, 对人类利用光能提供了新的可能

67 紫膜光合磷酸化 + H + H+ H ADP +Pi H + ATP ATP 酶紫膜细胞壁红膜

68 2. 能量的释放和保存与能量的利用 ;

69 2. 能量的释放和保存 ;

70 2. 能量的释放和保存 ;

71 2. 能量的释放和保存 ;

72 3. 能量的利用和生物合成自养微生物 :CO2 的固定已经发现 6 种固定 CO2 的途径 : 第 1 种是还原磷酸戊糖途径 ( 又称卡尔文循环 ), 见右图 ; 第 2 种是逆向 TCA 即还原柠檬酸循环 ; 第 3 种是厌氧乙酰辅酶 A 途径 ; 第 4 种是近年才发现的 3- 羟基丙酸循环途径 ; 第 5 种是 3- 羟基丙酸 /4- 羟基丁酸循环 ; 第 6 种羧酸 /4- 羟基丁酸循环

73 3. 能量的利用和生物合成厌氧乙酰辅酶 A 途径

74 3. 能量的利用和生物合成逆向 TCA 即还原柠檬酸循环

75 3. 能量的利用和生物合成 3- 羟基丙酸循环途径 ; 1993 年 Strauss 和 Fuchs 等在光合细菌 Chloroflexus aurantiacus 中确定了一种新型 CO2 固定方式的存在, 命名为 3- 羟基丙酸循环这个循环的羧化反应是利用乙酰辅酶 A 和丙酰辅酶 A 分别作为第一二个 CO2 受体分子, 并最终固定两分子的 CO2, 在产生乙醛酸的同时, 再生乙酰辅酶 A

76 3. 能量的利用和生物合成

77 拓展阅读

78 3. 能量的利用和生物合成生重物要固的氮合成代谢途径 : 微

79 3. 能量的利用和生物合成自生固氮菌共生固氮菌好氧自生固氮菌 : 固氮菌属兼性厌氧自生固氮菌厌氧自生固氮菌 : 巴士梭菌根瘤 : 豆科植物植物 : 地衣和鱼腥藻联合固氮菌 : 根际叶面动物肠道等处的固氮菌

80 3. 能量的利用和生物合成生物固氮的 6 要素固氮酶还原底物 N 2 ATP 的供应还原力及其传递载体镁离子严格的厌氧微环境

81 3. 能量的利用和生物合成根毛弯曲松弛变软根瘤菌侵入根毛根瘤形成植物分泌色氨酸微生物吲哚乙酸根瘤 (Nodle) 的形成路线图

82 合成代谢举例 : 细胞壁的生物合成

83 合成代谢举例 : 细胞壁胞壁酸的生物合成革兰氏阳性菌的细胞壁磷壁酸的合成途径简图

84 3. 能量的利用和生物合成 : 次级代谢及其产物 : 植物和微生物中常见的合成代谢方式 ; 微生物次级代谢指微生物培养达到稳定期前后, 利用初级代谢产物 - 中间产物 ATP 和还原力 - 来合成一些自身非必需的天然产物的合成代谢微生物次级代谢产物 : 经由基因簇编码的次级代谢所形成的众多酶参与的合成途径独特结构复杂功能多样的天然产物可分为 : 毒素色素抗生素生物碱等类型微生物次级代谢特点 : 代谢途径并非必需, 代谢产物产量较低, 代谢产物活性多样, 生理功能不明 ; 微生物的次级代谢产物是重要的药物来源放线菌是绝大多数抗生素的资源菌, 而其中链霉菌占据半壁江山!

85 3. 能量的利用和生物合成

86 3. 能量的利用和生物合成次级代谢产物的研究历史之路

87 3. 能量的利用和生物合成上个世纪 80 年代, 首先由 Sir David Hopwood 等发现抗生素 Actinorhodin 生物合成的基因及其功能并完成开创性的工作 ; 90 年代,Peter Leadlay`s 和 Leonard Katz 团队共同阐明红霉素基因簇 : 这些基因以基因簇的形式组织在一起! 这些开创性的研究打通了一条通往了微生物天然产物生物合成的分子遗传学之路 acti actiii ORF1 ORF2 ORF3 actvii actvi Actinorhodin 生物合成的基因簇

88 3. 能量的利用和生物合成当前的研究热点是 : 比较基因组学结合基因组 mining 天然产物的高通量筛选 HTS 天然产物的合成生物学

89 3. 能量的利用和生物合成 PKS 途径生物合成的基本原理

90 3. 能量的利用和生物合成内酯经过 PKS 途径的生物合成红霉素大环内酯骨架 6- 脱氧红霉

91 3. 能量的利用和生物合成分子结构的过程酯的起始单元和延伸单元依次引入经典的 I 型 PKS 途径中 6- 脱氧红霉内

92 当前的研究热点是 : 基因组 mining 天然产物的高通量筛选 HTS 天然产物的合成生物学青蒿素 (artemisinin) 吗啡 (morphine) Science, 4 september 2015 Complete biosynthesis of opioids in yeast

93 拓展阅读

94 拓展阅读

95 小结

96 微生物学 Thanks for your attention!

没有幻灯片标题

没有幻灯片标题第六章微生物的代谢山东大学生命科学学院吴志红第一节微生物产能代谢一生物氧化二异养微生物的生物氧化 1. 发酵 ; 2. 呼吸作用 : (1) 有氧呼吸 ;(2) 无氧呼吸三. 自养微生物的生物氧化 1. 氨的氧化 2. 硫的氧化 3. 铁的氧化 4. 氢的氧化四. 能量转换 1. 底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化 3. 光合磷酸化 1) 环式光合磷酸化 2) 非环式光合磷酸化 3) 嗜盐菌紫膜的光合作用第三节微生物特有的耗能代谢第四节微生物代谢的调节