微生物的新陈代谢

这是一篇关于微生物的新陈代谢的思维导图，新陈代谢是生物体与外界环境之间的物质和能量交 换以及生物体内物质和能量的过程，是生物体生命活动的基本特征之一，由物质代谢和能量代谢组成。

微生物的新陈代谢

• 能量代谢
  • 新陈代谢
    • 生物体与外界环境之间的物质和能量交 换以及生物体内物质和能量的过程。
    • 是生物体生命活动的基本特征之一
    • 由物质代谢和能量代谢组成
    • 特点
      • 在温和条件下进行(由酶催化)
      • 反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协 调，且逐步进行，具有严格的顺序性
      • 微生物的代谢的特点是代谢旺盛，代谢类型多样 ，从而使微生物在自然界物质循环和生态系统中 起着十分重要的作用。
  • 化能异养微生物的生物氧化和产能
    • 生物氧化的形式：包括底物与氧结合、脱氢 及失去电子3种;
    • 生物氧化的过程：脱氢(或电子)、递氢(或电 子)和受氢(或电子)3种
    • 生物氧化的类型：包括有氧呼吸、无氧呼吸 和发酵
    • 生物氧化的功能：产能(ATP)、形成还原力NAD(P)H2和合成小分子中间代谢产物
  • 底物脱氢的途径
    • EMP途径
      • EMP途径的生理功能
        • 供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力
        • 为生物合成提供多种中间代谢物，如6-磷酸葡 萄糖，磷酸三碳糖，磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸
        • 连接其他几个重要代谢途径（TCA，HMP，ED）的桥梁
        • 通过逆向反应合成单糖和多糖。
    • HMP途径又称戊糖磷酸途径 在微生物生命活动中的意义
      • 供应合成核酸、核苷酸、某些辅酶、芳香族及杂环组氨基 酸的原料
      • HMP产生大量的NADPH2，为细胞的各种物质合成反应 提供主要的还原力（主要目的不是供能），合成脂肪酸、固醇 、四氢叶酸等
      • 是光能自养型和化能自养型微生物固定二氧化碳的中介
      • 扩大碳源利用范围（为微生物利用三碳糖-七碳糖提供必 要的代谢途径)
      • 通过与EMP途径的连接（在1，6-二磷酸果糖和3-磷酸甘 油醛处），可为微生物提供更多的戊糖
    • ED途径
      • 特点和意义
        • 2分子丙酮酸来历不同
        • ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶。 ED途径 的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸 葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油 醛
        • 反应步骤简单，产能效率低
        • 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环 相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原 力和不同中间代谢物的需要
      • ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有 的一种替代途径。其特点是葡萄糖只经过4步反应 即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙 酮酸
    • TCA循环
      • 在原核微生物中，TCA循环在细胞质中进行 ；在真核微生物中，在线粒体基质中进行；只有 琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都 是结合在膜上的
      • 重要特点
        • 需要在有氧的条件下进行
        • 整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+ 还原为NADH2，另一步为FAD还原
        • 1分子的丙酮酸产生相当于15个ATP的能量，是生物体提 供能量的主要形式
        • 为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽；循环中的某 些中间产物是一些重要物质生物合成的前体
  • 有氧呼吸
    • 概念:底物脱下的氢经完整的呼吸链（或称电 子传递链）的传递，被分子氧接收，并产生 水释放出ATP形式能量的过程
    • 它是最普遍、最重要的生物氧化方式
    • 呼吸链（电子传递链）
      • 定义：是一系列氧化还原势呈梯度差的、 链状排列的氢传递体
      • 功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合 物处逐级传递到高氧化还原势的分子氧或 其它无机、有机氧化物，并使它们还原
      • 位置：原核生物发生在细胞膜上或真核生 物发生在线粒体内膜上。
    • 氧化磷酸化
      • 在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷 酸化反应发生偶联，造成了一个跨膜质子 梯度，推动ATP的合成
      • 氧化磷酸化:呼吸链的递氢和受氢过程与ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP
      • 化学渗透学说：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作 用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧 ，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形 成了质子梯度差（又称质子动力、pH梯度等）。 这个梯度差就是产生ATP的能量来源，因为它可 通过ATP合成酶的逆反应，把质子从膜的外侧再 输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同 时就合成了ATP
    • ATP合成酶 —— 分子马达
      • 由基部、头部和颈部 组成，头部是合成酶的催化 中心，有3个催化亚 基，存在3种构象改 变
      • 构象/旋转催化假说
  • 无氧呼吸
    • 又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受 体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物） 的生物氧化
    • 类型：根据呼吸链末端的最终氢受体的不 同，可把无氧呼吸分成无机盐呼吸和有机 物呼吸两大类
    • 硝酸盐呼吸或反硝化作用
      • 特点
        • 有完整的呼吸链，有氧的时候，进行有氧呼吸
        • 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需的还 原酶等
      • 反硝化作用意义
        • 使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降 低土壤的肥力
        • 反硝化作用在氮素循环中起重要作用
• 发酵
  • 特点
    • 通过底物水平磷酸化产ATP
    • 葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发 酵产物中
    • 产能率低
    • 产生多种发酵产物
  • 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。
  • 通过HMP途径的发酵
    • 异型乳酸发酵
      • 特点:分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当 于EMP途径的一半；几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2
  • 氨基酸的发酵产能
    • 这种以一种氨基酸作底物脱氢，而以另一种氨基酸作氢受体 而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为stickland反应
    • 特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效 率低（1 ATP）
  • 自养微生物的生物氧化
  • 化能自养微生物
    • 化能自养型微生物还原二氧化碳所需要的ATP和[H] 是通过 氧化无机底物，其产能的途径也要通过呼吸链的氧化磷酸化进行， 所以化能自养菌一般都是好氧菌
    • 无机底物脱氢后，氢或电子进入呼吸链的部位， 正向产生ATP，逆向消耗ATP产生还原力[H]
    • 与异养微生物相比，具有3个特点
      • 无机底物的氧化直接与呼吸链 发生联系
      • 呼吸链的组分更为多样性，氢或电子在任 一组分直接进入呼吸链
      • 产能效率低。
  • 硝化细菌
    • NH3和亚硝酸（NO2-）可以做能源的最普通的无机氮化合 物，能被硝化细菌氧化
    • 硝化细菌可分为2个亚群：亚硝化细菌和硝酸化细菌
    • 氨氧化为硝酸的过程分为2个阶段，先由亚硝化细菌将氨 氧化为亚硝酸，再由硝酸化细菌将亚硝酸氧化为硝酸
    • 硝化细菌都是一些专性好氧无机营养型的革兰氏阴性细菌 ，杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有 极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢，在细胞质中有非常发 达的内膜复合体。以分子氧为最终电子受体
  • 光能营养微生物
    • 光合色素
      • 光合生物所特有的
      • 在光合作用中参与吸收、传递光能或引起原初光化 学反应的色素；
      • 光能转化为化学能的关键物质
    • 光合磷酸化
      • 光合作用中，磷酸化和电子传递是偶联的，在 光反应的电子传递过程中能产生ATP，即叶绿素 在光作用下把无机磷和ADP转化成ATP，形成 高能磷酸键，此称为光合磷酸化。
      • 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：藻类、蓝细菌、光合细菌 （紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）
      • 光合磷酸化的过程：当一个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子后，被 激活，释放一个电子（氧化），释放的电子进入 电子传递系统，在电子传递过程中释放能量，产 生ATP
      • 种类
        • 环式光合磷酸化
        • 非环式光合磷酸化
        • 嗜盐菌紫膜的光合作用
• 微生物独特合成代谢途径
  • 自养微生物的CO2固定
    • 三个阶段
      • 羧化反应
      • 还原反应
      • 二氧化碳受体的再生
  • 生物固氮
    • 生物固氮作用：将大气中分子态氮通过微 生物固氮酶的催化而还原成氨的过程
    • 大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物 固定成氮化物的，生物固氮是地球上仅次于 光合作用的生物化学反应
    • 固氮微生物
      • 自生固氮微生物
        • 独立地进行固氮，但并 不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身 蛋白质，自生固氮微生物的固氮效率较低
      • 共生固氮微生物
        • 只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才 能固氮或才能有效地固氮
      • 联合固氮微生物
        • 联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简 单共生现象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不 同于自生固氮作用
      • 固氮反应六要素
        • 还原底物氮气
        • ATP的供应
        • 还原力及其传递载体
        • 固氮酶
        • 镁离子
        • 严格的厌氧微环境
      • 好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制
        • 呼吸保护
        • 构象保护
  • 肽聚糖的合成
    • 合成特点
      • 合成机制复杂，步骤多（20步），且合成部 位几经转移
      • 合成过程中须有能够转运与控制肽聚糖结构 元件的载体的参与：尿嘧啶二磷酸（UDP）和 聚戊二烯磷酸酯（细菌萜醇）
    • 合成过程
      • 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
    • 细胞质内单糖的合成
    • 细胞膜上进行肽聚糖单体的合成