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河南大学微生物生理学总结.doc
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1、第二章 微生物的结构和功能微生物生理学:是微生物学的分支学科,是从生理生化的角度研究微生物细胞的形态学结构和功能、新陈代谢、生长繁殖等微生物生命活动规律的学科。细胞结构革兰氏阳性菌细胞壁:由肽聚糖和磷壁酸组成革兰氏阴性菌细胞壁外壁层:位于肽聚糖层的外部。 类脂A 脂多糖: 核心多糖 o-特异侧链 包括: 脂蛋白 蛋白质层: 基质蛋白 外壁蛋白 磷脂.内壁层:紧贴胞膜,仅由1-2层肽聚糖分子构成,占细胞壁干重5 10%,无磷壁酸。细胞壁的基本骨架肽聚糖 肽聚糖:是由 N乙酰胞壁酸(NAM)和N乙酰葡糖胺(NAG)以及少数氨基酸短肽链组成的亚单位聚合而成的大分子复合体。肽聚糖单体:是由NAG 、
2、NAM 、肽尾、肽桥构成。青霉素(D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物,两者互相竞争转肽酶的活性中心):作用于肽聚糖肽桥的联结,即抑制肽聚糖的合成,故仅对生长着的菌有效,主要是G+菌。革兰氏染色原理:G+ 菌:细胞壁厚,肽聚糖含量高,交联度大,当乙醇脱色时,肽聚糖因脱水而孔径缩小,故结晶紫-碘复合物被阻留在细胞内,细胞不能被酒精脱色,仍呈紫色。G菌:肽聚糖层薄,交联松散,乙醇脱色不能使其结构收缩,因其含脂量高,乙醇将脂溶解,缝隙加大,结晶紫-碘复合物溶出细胞壁,酒精将细胞脱色,细胞无色,沙黄复染后呈红色。古细菌细胞壁没有肽聚糖、胞壁酸和D-氨基酸,含有假太聚糖骨架是以-1,3糖苷键交替连接而成,
3、缺壁细菌原生质体:用青霉素等抗生素或者溶菌酶处理G+菌而得到的去壁完整的球形体。原生质球:用青霉素等抗生素或溶菌酶处理G-细菌而得到的去壁不完全的近球形体。L型细菌:某些细菌在特定环境条件下因基因突变而产生的无壁类型。在一定条件下L型细菌能发生回复突变而恢复为有壁的正常细菌。 支原体:在进化过程中天生无壁的原核微生物。细胞质膜;:要由磷脂双分子层和蛋白质构成。细菌细胞与真核细胞的质膜很相似,但不含胆固醇等甾醇细胞质及其内含物细胞质:是在细胞膜内除核区以外的一切半透明、胶体状、颗粒状物质的总称。内含物v 贮藏物:1、 异染粒:是普遍存在的贮藏物,主要成分是多聚偏磷酸盐。功能:贮存磷元素和能量,降
4、低渗透压。多聚偏磷酸盐对某些染料有特殊反应,产生与所用染料不同的颜色,因此得名异染颗粒.例:异染粒遇甲基胺蓝变紫红色. 含异染粒的细菌种类:棒状杆菌和某些芽孢杆菌等. 2、 聚羟丁酸颗粒是许多细菌细胞质内常含有的碳源类储藏物.PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如苏丹黑)着色。功能:贮存碳源、能源和降低渗透压。多好氧菌和光合厌氧菌都含有聚羟丁酸颗粒3、硫粒:是硫元素的贮藏体形成:取决于环境硫化物含量,当环境中S含量高时,在体内积累;当缺S时,氧化成硫酸被菌利用。功能:a.好氧硫细菌的能源 b.厌氧硫细菌的电子供体4、 藻青素:通常存在于蓝细菌中,是一种内源性氮源储藏物,同时兼有储存能源的作用。v
5、载色体:是光合细菌进行光合作用的部位,相当于绿色植物的叶绿体。主要化学成分是蛋白质和脂类。v 核糖体:是细胞中的一种核糖蛋白质的颗粒状结构,有65%的核糖酸和35%的蛋白质组成。v 质粒:是一种独立于染色体之外的能进行自主复制的细胞质遗传因子。v 磁小体:在水生螺旋菌属和嗜胆球菌属的细菌中含有磁小体,它含有磁铁矿形式的铁,被细菌用于在地球磁场中定位。 v 羧酶体:自养细菌所特有的内膜结构。羧酶体中含有自养生物所特有的5-磷酸核酮糖激酶和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶,这两种酶是卡尔文循环中固定CO2的关键性酶类,通过卡尔文循环,使自养菌与异养菌一样含有了磷酸己糖。一些光合细菌,如蓝细菌以及化能自养
6、菌如硝化杆菌科细胞中均具有羧酶体。v 气泡:由蛋白质膜构成的充满气体的泡状物。有些细菌细胞质中含有几个或多个气泡v 芽孢:具有很强的抗热、抗干燥、抗辐射、抗化学药物能力,含水量低、壁厚而致密、通透性差、不易着色,新陈代谢几乎停止,处于休眠体状态,芽胞是休眠体,不是繁殖体。 芽胞抗热机制:渗透调节皮层膨胀学说;耐热性物质DAP-Ca的存在细胞壁以外构造糖被:包被于某些细节细胞壁以外的一层厚度不定的胶状物质。 分类:荚膜、微荚膜、粘液层、菌胶团鞭毛:由螺旋丝、钩型鞘、基体构成。菌毛:菌毛又称纤毛、伞毛、线毛或须毛,是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋 白质类附属物,具有使菌体附着于物
7、体表面上的功能。性菌毛: 构造和成分与菌毛相同,但比菌毛长,且每个细胞只有一至数根。一般多见于G细菌的 供体菌中,具有向受体菌传递遗传物质的作用。真核微生物第三章 微生物的营养与物质运输营养:微生物获得和利用营养物质的过程六大养要素;碳源氮源、能源、生长因子、无机盐和水1,物质的跨膜运输分为单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转移2膜泡运输第四章 异养微生物的生物氧化 .自由能:在热力学中,系统减少的能量能转化成对外做的功,能用于做工的能量称为自由能。EMP途径特点:1. 葡萄糖分解是从1,6-二磷酸果糖开始的2. 整个途径中步反应是不可逆的3. EMP途径的特征酶是1,6-二磷酸果糖醛缩酶,首
8、先脱羧部位C3,C4。4.整个途径不消耗分子氧5. EMP途径的有关酶位于细胞质中6. 总反应式:C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATPEMP途径的意义:供应ATP和NADH连接其他几个代谢途径的桥梁为生物合成提供多种中间代谢物通过逆向反应可以进行多糖的合成途径意义:、为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 、产生大量NADPH,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。 3、 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。 4、 途径中
9、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。 5、途径中存在3-7碳的糖,扩大碳源利用范围。 6、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。途径: 碳架结构的变化特征酶:KDPG醛缩酶(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶) 分布:主要存在于G-菌中,如一些假单胞菌和固氮菌WD途径 碳架结构变化:a. PK途径, b. HK途径。 特点:特征酶为磷酸解酮酶 生理意义:a. 仅分布在少数细菌中, b. PK途径为戊糖分解的重要途径, c. HK途径为己糖分解的重要途径。代表菌株:PK-肠膜明串珠菌HK-双歧杆菌葡萄糖直接
10、氧化途径 特征酶:葡萄糖氧化酶特点: a. 不需要激酶,但需要葡萄糖氧化酶;b. 需要氧气,c. 终产物为酮基葡萄糖酸。分布菌群: 假单胞菌、醋杆菌属、气杆菌属及许多真菌 生物氧化中的发酵:是指无氧条件下,底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。工业上的发酵::是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。酵母乙醇发酵:一型发酵(乙醇发酵):EMP途径产生2个丙酮酸,在丙酮酸脱羧酶作用下生成乙醛。在醇脱氢酶和NADH作用下,乙醛被还原成乙醇。(pH4.5-3.5)二型发酵(甘油发酵): 在3%的NaHSO3时,产物为甘油和乙
11、醇 三型发酵(甘油发酵):在pH7.6时,产物为乙醇、乙酸和甘油高渗发酵细菌的同型乙醇发酵(发酵单胞菌、厌氧发酵单胞菌):ED途径分解葡萄糖为丙酮酸,丙酮酸脱羧生成乙醛,乙醛被还原成乙醇。细菌的异型乙醇发酵(八叠球菌和兼性厌氧肠杆菌):通过EMP途径产生乙醇、乳酸等乳酸发酵:指乳酸菌将葡萄糖分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程1. 同型乳酸发酵:菌群:大多数乳酸杆菌属、链球菌属途径:葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸,在乳酸脱氢酶作用下被NADH还原成乳酸。C6H12O6+2ADP + 2Pi 2CH3CHOHCOOH + 2ATP2. 异型乳酸发酵:菌群:肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌途径:通过P
12、K途径进行,发酵产物除了乳酸外还有一部分乙醇和CO2。C6H12O6+ADP + Pi CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2 + ATP3. 双歧乳酸发酵:菌群:双歧杆菌途径:通过HK途径进行,反应中两种酶参加,6-磷酸果糖解酮酶和5-磷酸木酮糖解酮酶。2C6H12O6+5ADP + 5Pi 2CH3CHOHCOOH + 5ATP +3CH3CHOOH丙酸发酵 菌群:丙酸杆菌途径:经EMP生成2分子丙酮酸,一分子氧化生成乙酸和CO2,另一分子经羧化生成草酰乙酸、转化为琥珀酸,经甲基丙二酰CoA,最后经脱羧和转辅酶A反应生成丙酸呼吸作用:是指生物(包括动物、植物和微生物)分解
13、体内复杂的有机物,并同时释放能量的过程。有氧呼吸1. 葡萄糖有氧分解途径糖酵解 丙酮酸脱羧生成乙酰CoA TCA循环在电子传递链中,NADH和FADH2被氧化产生能量,合成大量ATP一次TCA循环可以产生15分子ATP,微生物完全氧化葡萄糖过程中可得到38分子ATP,氧不直接参加反应,但没有氧不能运转。三个关键酶,柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶。呼吸:底物脱下的氢经完整的呼吸链传递,最终交给分子氧而产生水并释放出ATP的生物氧化。呼吸的过程除脱氢过程外,还包括电子传递链部分反应,递氢和受氢过程都要氧气的参与。呼吸链:位于原核生物的细胞膜上或真核生物线粒体膜上的氧化还原势呈梯度差
14、的链状排列的氢(或电子)传递顺序。无氧呼吸定义:一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物(个别为有机氧化物)的生物氧化,是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。特点:底物脱下的氢只经过部分的呼吸链传递给氧化态的无机物或有机物。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水平磷酸化。特点:既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。是微生物发酵产生ATP的重要方式(厌氧条件)。氧化过程中脱下的氢和电子不经过传递链,通过酶促反应直接交给基质本身氧化产物。氧化磷酸化定义:指呼吸链递氢和受氢过程与磷
15、酸化偶联并产生ATP的作用 动力:质子动势,即H+的浓度差 氧化磷酸化合成ATP的机制-化学渗透学说。通过呼吸链上有关的酶系的作用,可将底物分子上的质子从膜内泵到膜外,从而造成膜内外质子浓度差即质子动势,为ATP的合成提供能量.ATP酶的逆反应可以把质子从膜的外侧泵到膜的内侧,于是在消除质子动势的同时合成了ATP。氧化磷酸化的解偶联和抑制:电子传递抑制剂:阻断呼吸链中某部位电子传递。如阿密妥解偶联剂:只抑制ADP磷酸化生成ATP。如2,4-二硝基苯酚氧化磷酸化抑制剂:不直接抑制呼吸链载体,但能阻止能量转移到ADP上。如寡霉素离子载体抑制剂:能与某些阳离子结合并作为其载体使其穿过细胞膜,迫使线粒
16、体消耗能量。如缬氨霉素、短杆菌肽生物大分子的降解1. 多糖的分解淀粉的分解果胶的分解是有半乳糖醛酸以-1,4糖苷键形成的直链状高分子化合物,大部分羧基被甲基化形成甲酯。原果胶酶、果胶甲酯水解酶、聚半乳糖醛酸酶。纤维素的分解是由葡萄糖通过糖苷键连接的大分子物质,基本结构是纤维二糖,通过-1,4糖苷键连接。C1、Cx、-葡萄糖苷酶几丁质的分解由N-乙酰葡萄糖通过-1,4糖苷键聚合而成的不易分解的含氮多糖类物质蔗糖+H2O 氨基酸的分解1. 脱羧作用:氨基酸在氨基酸脱羧酶催化下脱去羧基生成胺,胺在胺氧化酶作用下放出氨生成相应的醛,醛氧化成有机酸,再按有机酸分解。R CH COOH R CH2 NH2
17、 + CO2 NH2 脱羧酶:磷酸吡哆醛,反应一般不可逆2. 脱氨基作用定义:氨基酸失去氨基生成相应的-酮酸和氨的过程。氧化脱氨RCH(NH2)COOH+O2 氨基酸氧化酶 RC=NHCOOH +H2O2RC=NHCOOH+H2O 非酶促反应 RCOCOOH+NH3RCH(NH2)COOH 氨基酸脱氢酶NAD(P)RC=NHCOOH +H2O 非酶促反应 RCOCOOH+NH3非氧化脱氨a.还原脱氨RCH(NH2)COOH+NADH+H+ 脱氢酶 RCH2COOH+NH3+NAD+b.水解脱氨:氨基酸被水解生成丙酮酸。 菌株:大肠杆菌、枯草芽孢杆菌 菌种鉴定实验:吲哚和硫化氢实验c.直接分解脱
18、氨:生成不饱和脂肪酸和氨d.斯提克兰反应专性厌氧菌生孢梭菌,能够进行某些氨基酸之间的氧化-还原偶联脱氨反应。即一种氨基酸作为供氢体氧化脱氨,另一种作为受氢体进行还原脱氨,生成相应的有机酸、-酮酸和氨,并产能。脱羧基和脱氨基转氨基作用:一种氨基酸把氨基转移到-酮酸上,生成新的氨基酸和原氨基酸相应的-酮酸。脂类物质分解第五章 自养微生物的生物氧化一生物氧化自养微生物:是指能够在无机环境中生长的微生物,它们氧化无机物或利用光能获得能量,以为CO2碳源进行生长。化能自养微生物的能量代谢要点1. 以还原态无机物为最初能源2. 能源物质的电子或氢顺呼吸链产ATP,逆呼吸链产H.3. 一般均为好氧微生物,以
19、分子氧为最终氢和电子受体.4. 化能自养微生物对底物的要求具有严格的专一性.化能自养微生物能量代谢的特点1. 无机底物的氧化直接与呼吸链产能偶联2. 呼吸链的组分更为多样化,氢和电子可以从任一位置进入呼吸链3. 产能效率及磷氧比一般要低于化能异养微生物1.氨的氧化光不产氧真核生物:藻类及其他绿色植物2 含S化合物 的微生物氧化S的生物氧化 (from H2S to SO42-) 类型: 长途类型:铁细菌氧化产能,以氧化硫杆菌 (Thiobacillus thiooxidans)为代表,在S的生物氧化过程中有多种多硫酸中间产物。短途类型,以排硫杆菌(Th.thioparus)为代表,仅有SO32
20、-为中间产物。3.铁细菌氧化产能4. 氢的氧化1、氢细菌的概貌: G,兼性化能自养 2、H2的生物氧化机制:能量产生:通过氧化磷酸化,氧化4H2 产生1分子ATP二、光合微生物光合作用: 通过光合磷酸化将光能转变成化学能,用于从CO2合成细胞物质。 根据光合色素不同分为: 1.绿色细菌 :即绿硫细菌,专性厌氧、光能自养菌,无光时不能生长,有光和H2S时进行光合作用,胞内不积累硫颗粒,存在于富含H2S水域。 2.紫细菌:着色细菌:专性厌氧光合菌,以H2S还原CO2的电子供体,氧化H2S为S或硫酸,在细胞内积累硫颗粒,存在于富含H2S水域。 红螺细菌:又称红色非硫细菌,主要利用有机物作为还原CO2
21、的电子供体,属于兼性光合菌,在无光有氧时进行异氧生活。在光照下可厌氧氧化H2S进行光合作用,胞内不积累硫。存在于含有机物、低浓度的硫化物水域中,生长需要生长因子。 3.蓝细菌 类胡萝卜素作用:可作为叶绿素催化的光氧化反应的猝灭剂,以保护光合机构不受光氧化损伤;可能在细胞能量代谢方面起辅助作用。 三、光合磷酸化:利用贮存在跨膜的质子梯度的光能 把ADP和无机磷合成为ATP的过程,称为光合磷酸化。 1.循环光合磷酸化: 在光能的驱动下,通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能的 反应。代表微生物:光合细菌(红螺菌目) 光合色素:菌绿素 光合细菌的特点:分类上都属于红螺菌目;都是水生厌氧菌;不能利用水为
22、无机氢供体,故光合作用不产氧.;根据体内的菌绿素与胡萝卜素的比例的不同, 菌体呈现出不同的颜色 循环光合磷酸化的特点: 子传递途径为循环式 产能(ATP)与产还原力H分别进行 还原力来自H2S等无机氢供体 不产生氧2.非循环光合磷酸化:植物.藻类,蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应代表微生物: 蓝细菌 光合色素: 叶绿素 非循环式光合磷酸化的特点: 子传递途径为非循环式 有PS和PS两个光合色素系统 在有氧的条件下进行 产能(ATP)与产还原力H和O2同时进行 还原力NAD(P)H中的H来源于水光解产物H+和e嗜盐紫膜菌的光能转换 代表微生物: 盐生盐杆菌主要特点:无氧气,无叶绿素或
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