1、自養(yǎng)微生物的生物氧化,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)氧化分解，最終生成CO2 和 H2O，并釋放能量的過程稱生物氧化。,生物氧化的概念,生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn),生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。,是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中由酶催化進(jìn)行的，能量是逐步釋放的，并儲(chǔ)存于ATP中。 代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。,生物氧化與體外氧化的不同點(diǎn),生物氧化,體外氧化,能量是突然釋放的。 CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。,自養(yǎng)和異養(yǎng)生成ATP的氧化體系The O

2、xidation System of ATP Producing,代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。 組成 遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）,呼吸鏈,一異養(yǎng)微生物的生物氧化,呼吸作用 呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別： 電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。 根據(jù)反應(yīng)中電子受體不同分為兩種類型： 有氧呼吸 無氧呼吸,呼吸作用,）有氧呼

3、吸 以分子氧為最終受體的生物氧化 除糖酵解過程外，還包括三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈兩部分反應(yīng) C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O 發(fā)酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸,）無氧呼吸 以無機(jī)物為最終電子受體的生物氧化過程 化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，最終交給無機(jī)氧化物NO3、NO2、SO4或CO2的過程。 無氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體,在能量的分級(jí)釋放中常伴隨磷酸化作用,也能產(chǎn)生較多的能量(少于有氧呼吸) 鬼火的產(chǎn)生: 磷酸鹽 磷化氫（PH3）,二、自養(yǎng)微生物的生物氧化,1、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化 2、光合微生物 3、自養(yǎng)微生物能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換 4、自養(yǎng)微生物的能量釋放即耗

4、能代謝,1、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化 CO2為主要或唯一碳源，以還原態(tài)無機(jī)化合物（NH4+、NO2-、H2S、S、H和Fe2+等）的生物氧化獲得能量和還原力H的微生物稱為化能自養(yǎng)微生物。 硝化細(xì)菌 硫細(xì)菌 鐵細(xì)菌 氫細(xì)菌,化能自養(yǎng)微生物的生物氧化,1、 氨的氧化 NH3、亞硝酸（NO2-）等無機(jī)氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細(xì)菌用作能源。 亞硝化細(xì)菌：將氨氧化為亞硝酸并獲得能量 硝化細(xì)菌：將亞硝氧化為硝酸并獲得能量 這兩類細(xì)菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。 這類細(xì)菌在自然界的氮素循環(huán)中也起者重要的作用，在自然界中分布非常廣泛。,NH3、NO2-

5、的氧化還原電勢(shì)均比較高，以氧為電子受體進(jìn)行氧化時(shí)產(chǎn)生的能量較少，而且進(jìn)行合成代謝所需要的還原力需消耗ATP進(jìn)行電子的逆呼吸鏈傳遞來產(chǎn)生，因此這類細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，平均代時(shí)在10h以上。,2、 硫的氧化 硫細(xì)菌（sulfur bacteria）能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作能源。,硫細(xì)菌在進(jìn)行還原態(tài)硫物質(zhì)的氧化時(shí)會(huì)產(chǎn)酸（主要是硫酸），因此它們的生長(zhǎng)會(huì)顯著地導(dǎo)致環(huán)境的pH下降，有些硫細(xì)菌可以在很酸的環(huán)境，例如在pH低于1的環(huán)境中生長(zhǎng)。,3、鐵的氧化 從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵氧化，對(duì)于少數(shù)細(xì)菌來說也是一種產(chǎn)能反應(yīng)，但從這種氧化中只有少量

6、的能量可以被利用。因此該菌的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致形成大量的Fe3+ （Fe(OH)3）。 以嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌為例：,亞鐵（Fe2+）只有在酸性條件（pH低于3.0）下才能保持可溶解性和化學(xué)穩(wěn)定； 當(dāng)pH大于4-5，亞鐵（Fe2+）很容易被氧氣氧化成為高價(jià)鐵（Fe3+）； 這就很好的解釋了氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）為什么要在酸性環(huán)境下生活？,3、鐵的氧化,氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans） 在富含F(xiàn)eS2的煤礦中繁殖，產(chǎn)生大量的硫酸 和Fe(OH)3，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。,它的生長(zhǎng)只需要FeS2及空氣中的O2和CO2，因

7、此 要防止其破壞性大量繁殖的唯一可行的方法是封 閉礦山，使環(huán)境恢復(fù)到原來的無氧狀態(tài)。,4、 氫的氧化 很多細(xì)菌能通過對(duì)氫的氧化獲得生長(zhǎng)所需要的能量。 能以氫為電子供體，以O(shè)2為電子受體，以CO2為唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)的細(xì)菌被稱為氫細(xì)菌 氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。它們能利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量同化CO2 .,化能自養(yǎng)微生物以無機(jī)物作為能源，產(chǎn)能效率低，生長(zhǎng)慢。但從生態(tài)學(xué)角度看，它們所利用的能源物質(zhì)是一般異養(yǎng)生物所不能利用的，因此它們與產(chǎn)能效率高、生長(zhǎng)快的異養(yǎng)微生物之間并不存在生存競(jìng)爭(zhēng)。,二自養(yǎng)微生物的生物氧化,化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型：,從無機(jī)物的氧化獲得能量,以無機(jī)物為電子供體,這些微生物

8、一般也能以CO2為唯一或主要碳源合成細(xì)胞物質(zhì),自養(yǎng)微生物,從對(duì)無機(jī)物的生物氧化過程中獲得生長(zhǎng)所 需要能量的微生物一般都是： 化能無機(jī)自養(yǎng)型微生物,復(fù)雜分子 （有機(jī)物）,分解代謝,合成代謝,簡(jiǎn)單小分子,ATP,H,自養(yǎng)微生物的合成代謝： 將CO2先還原成CH2O水平的簡(jiǎn)單有機(jī)物，然后再合成復(fù)雜的細(xì)胞成分,化能異養(yǎng)微生物：,ATP和還原力均來自對(duì)有機(jī)物的生物氧化,化能自養(yǎng)微生物：,無機(jī)物氧化過程中通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP,如果作為電子供體的無機(jī)物的氧化還原電位足夠低，也在 氧化磷酸化的過程中產(chǎn)生還原力，但大多數(shù)情況下都需要 通過電子的逆向傳遞，以消耗ATP為代價(jià)獲得還原力。,2、光合微生物 光合細(xì)

9、菌類群 細(xì)菌光合色素 細(xì)菌光合作用,光合作用實(shí)質(zhì)是通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，以用于從二氧化碳合成細(xì)胞物質(zhì)。,產(chǎn)氧光合細(xì)菌 藍(lán)細(xì)菌 紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌 不產(chǎn)氧光合細(xì)菌 原綠植物綱,細(xì)菌光合色素 1.葉綠素或細(xì)菌葉綠素 2.類胡蘿卜素 3.藻膽素,細(xì)菌光合作用 依靠菌綠素的光合作用 依靠葉綠素的光合作用 依靠菌視紫紅質(zhì)的光合作用,光合磷酸化,光合磷酸化是指光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程。,3、自養(yǎng)微生物的能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換,化能營(yíng)養(yǎng)型,光能營(yíng)養(yǎng)型,底物水平磷酸化,氧化磷酸化,通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)?化學(xué)能儲(chǔ)存于ATP中,氧化磷酸化,體內(nèi)ATP生成的方式： 氧化磷酸化 (oxidative phos

10、phorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。,（二） 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制,1. 化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。,1、底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）,物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物， 而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。,底物水平磷酸化 (substrate level pho

11、s-phorylation) 是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。,草酰乙酸,檸檬酸,異檸檬酸,草酰琥珀酸,- 酮戊二酸,琥珀酰輔酶A,琥珀酸,延胡索酸,蘋果酸,丙酮酸,乙酰輔酶A,GTP,GDP+Pi,三羧酸 循 環(huán),底物水平磷酸 化發(fā)生在呼吸 作用過程中,ATP的生成和利用,光合磷酸化 光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程：當(dāng)葉綠素分子吸收光量子時(shí)，葉綠素性質(zhì)上即被激活，導(dǎo)致其釋放一個(gè)電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動(dòng)力。 光合磷酸化和氧化磷酸化一樣都是通過電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生ATP,光能營(yíng)養(yǎng)型 生物,產(chǎn)氧,不產(chǎn)氧

12、,真核生物：藻類及其它綠色植物,原核生物：藍(lán)細(xì)菌,（僅原核生物有）：光合細(xì)菌,3、光合磷酸化（photophosphorylation）,細(xì)菌葉綠素具有和高等植物中的葉綠素相類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，二者的 區(qū)別在于側(cè)鏈基團(tuán)的不同，以及由此而導(dǎo)致的光吸收特性的差異。,這兩幅圖是葉綠素a和細(xì)菌葉綠素a的結(jié)構(gòu)，兩者均是鎂-膽色烷。兩分子除了綠色和黃色標(biāo)記部分外均相同。中間的鎂原子以藍(lán)色標(biāo)記展出。,（a）綠色萊茵衣藻細(xì)胞的吸收譜。在680和430nm的峰取決于葉綠素a，在480nm的峰取決于類胡蘿卜素。 (b)葉綠素紫色細(xì)菌紅假單胞菌細(xì)胞的吸收譜。在870,800,590,360nm的峰取決于細(xì)菌葉綠素a，在

13、525,475nm的峰取決于類胡蘿卜素。,光合磷酸化,光合磷酸化分為環(huán)式光合磷酸化、非環(huán)式光合磷酸化、紫膜光合磷酸化,3、光合磷酸化,（1）環(huán)式光合磷酸化 光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP 在光能的驅(qū)動(dòng)下，電子從菌綠素分子上逐出后，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP； 不是利用H2O，而是利用還原態(tài)的H2 、 H2S等作為氫供體，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用 電子傳遞的過程中造成了質(zhì)子的跨膜移動(dòng)，為ATP的合成提供了能量。,細(xì)菌葉綠素吸收光量子而被激活釋放出高能電子，此時(shí)細(xì)菌葉綠素分子即帶有正電荷。釋放出的高能電子依次通過醌鐵蛋白，輔酶Q，細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素c組成的電子

14、傳遞鏈，再返回到帶正電的細(xì)菌葉綠素分子，使葉綠素分子回復(fù)到原來的狀態(tài)。,（2）非環(huán)式光合磷酸化 這是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng),非環(huán)式光合磷酸化的反應(yīng)式： 2NADP+2ADP2Pi2H2O2NADPH2H+2ATPO2,非環(huán)式光合磷酸化特點(diǎn) 電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的； 在有氧條件下進(jìn)行； 有兩個(gè)光合系統(tǒng)，其中的色素系統(tǒng)（含葉綠素a）可以利用紅光，色素系統(tǒng)（含葉綠素b）可利用藍(lán)光； 反應(yīng)中同時(shí)有ATP、還原力H（產(chǎn)自系統(tǒng)）和O2產(chǎn)生；,非環(huán)式光合磷酸化過程：在光合系統(tǒng)中葉綠素分子P700吸收光子后被激活，釋放一個(gè)高能電子并傳遞給鐵氧還蛋白。鐵氧還蛋白在還

15、原酶作用下將NADP+還原為NADPH。在光合系統(tǒng)中葉綠素分組P680吸收光子后釋放出高能電子。然后傳遞給輔酶Q，再傳遞給光合系統(tǒng)，使P700還原。而P680失去的電子靠水的光解產(chǎn)生電子來補(bǔ)充。高能電子從輔酶Q到光合系統(tǒng)的過程中，可推動(dòng)ATP的合成。,（）紫膜光合磷酸化 一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或細(xì)菌葉綠素參與的獨(dú)特的光合作用。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng) 紫膜中的菌視紫素在光量子的驅(qū)動(dòng)下，具有質(zhì)子泵的作用，這時(shí)它將產(chǎn)生的H+推出細(xì)胞膜外，使紫膜內(nèi)外造成一個(gè)質(zhì)子梯度差,3、光合磷酸化（photophosphorylation）,嗜鹽菌紫膜的光合作用,嗜鹽菌 細(xì)胞膜

16、,紅色部分（紅膜）,紫色部分（紫膜）,主要含細(xì)胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體,在膜上呈斑片狀（直徑約0.5 mm）獨(dú)立分布，其總面積約占 細(xì)胞膜的一半，主要由細(xì)菌視紫紅質(zhì)組成。,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)為550-600 nm的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率 最高，而這一波長(zhǎng)范圍恰好與細(xì)菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。,四種生理類型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成,4、自養(yǎng)微生物的能量釋放即耗能代謝,（）的固定 （）生物固氮,的固定,的固定：將空氣中的同化成細(xì)胞物質(zhì)的過程。,自養(yǎng)微生物對(duì)CO2的固定 卡爾文循環(huán)（Calvin cycle） 還原性三羧酸循環(huán)途徑 厭氧乙酰-CoA途徑 羥基丙

17、酸途徑,卡爾文循環(huán)（Calvin cycle）的三個(gè)階段 羧化反應(yīng) 3個(gè)核酮糖-1,5-二磷酸通過核酮糖二磷酸羧化酶將3個(gè)CO2固定,并轉(zhuǎn)變成6個(gè)3-磷酸甘油酸分子。 還原反應(yīng) 3-磷酸甘油酸還原成3-磷酸甘油醛（通過逆向EMP途徑產(chǎn)生）。 CO2受體的再生 1個(gè)3-磷酸甘油醛通過EMP途徑的逆轉(zhuǎn)形成葡萄糖，其余5個(gè)分子經(jīng)復(fù)雜的反應(yīng)再生出3個(gè)核酮糖-1,5-二磷酸分子。,還原性三羧酸循環(huán)途徑,4C,厭氧乙酰-CoA途徑,羥基丙酸途徑,生物固氮,1、固氮微生物 最早發(fā)現(xiàn)的固氮微生物是共生的根瘤菌屬和自生的固氮菌屬，它們分別于1886年和1901年由荷蘭學(xué)者M(jìn).Beijerinck所分離。目前已知

18、所有固氮微生物即固氮菌都屬于原核生物和古生菌類，在分類上隸屬于固氮菌科、根瘤菌科、紅螺菌目、甲基球菌科、藍(lán)細(xì)菌以及芽孢桿菌屬和梭菌屬中的部分菌種。自1886年首次分離共生固氮的根瘤菌起，至今已發(fā)現(xiàn)的固氮微生物多達(dá)80余屬（1992年）。從其生態(tài)類型分，固氮菌可分3類：,1、自生固氮菌 指一類不依賴與它種生物共生而能獨(dú)立進(jìn)行固氮的微生物。 2、共生固氮菌 指必須與它種生物共生在一起時(shí)才能進(jìn)行固氮的微生物。 3、聯(lián)合固氮菌 指必須生活在植物根際、葉面或動(dòng)物腸道等處才能進(jìn)行固氮的微生物。,固氮微生物,、生物固氮 生命所需氮的最終來源是無機(jī)氮。而目前僅發(fā)現(xiàn)一些特殊類群的原核生物能將分子氮轉(zhuǎn)化為氨。微生

19、物將氮還原為氨的過程稱為生物固氮。 某些細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌； 尚未發(fā)現(xiàn)真核生物具有固氮作用；,固氮的生化機(jī)制,生物固氮是一個(gè)具有重大理論意義和實(shí)用價(jià)值的生化反應(yīng)過程。1960年，J.E.Carnahan等人從巴氏梭菌中提取到具有固氮活性的無細(xì)胞抽提液，并實(shí)現(xiàn)了分子氮還原為氨，使生物固氮的研究有了突破性進(jìn)展。 1、生物固氮反應(yīng)的6要素 （1）ATP的供應(yīng),（2）還原力H及其傳遞載體 H由低電位勢(shì)的電子載體鐵氧還蛋白或黃素氧還蛋白傳遞至固氮酶上。 （3）固氮酶 固氮酶是一種復(fù)合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶還原酶兩種相互分離的蛋白構(gòu)成。固二氮酶是一種含鐵和鉬的蛋白，鐵和鉬組成一個(gè)稱為“FeMoCo”的輔因子，它是還原N2的活性中心。而固二氮酶還原酶則是一種只含鐵的蛋白。某些固氮菌處于不同生長(zhǎng)條件下時(shí)，還可合成其它不含鉬的固氮酶，稱作“替補(bǔ)固氮酶”，具有適應(yīng)在極度缺鉬環(huán)境下還能正常進(jìn)行生物固氮的功能。 （4）還原底物N2 （5）鎂離子 （6）嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境,固氮的生化過程,固氮的過程是一個(gè)非常消耗能量的過程，固定1分子的N2需消耗12-16分子的ATP和6-8個(gè)電子。這種能量和電子變化主要原因是是否考慮固氮酶