微生物生理学幻灯片(第六章)

氢细菌中两种氢酶的作用方式
氢细菌是一类兼性化能自养菌，在有O2无H2， 可利用糖或有机酸或氨基酸而生长。有的还 可利用嘌呤和嘧啶进行生长。 当氢细菌以无机化能营养方式生长时，H2的 存在能阻抑菌体对有机物（如对果糖）的利 用，这种现象称为氢效应。 原因： ①分子氢阻遏ED途径中相关酶的诱导合成； ②当有O2和H2时，氢化酶催化生成NAD（P） H2大量合成，造成NAD（P）+的不足，从而 影响了果糖ED途径的脱氢作用。 ——使还原力和能量产生过程简单化。
氧化亚铁硫杆菌电子传递的生物化学研究显 示嗜酸铁氧化细菌可以利用环境中已存在质 子梯度来产生能量。 建立的条件——包括嗜酸性生物在内的任何 生物的细胞质必须保持中性，氧化亚铁硫杆 菌的内部pH大约为6。可是它周围环境的pH 值比这还低（接近2），细胞质膜两侧的pH 值差异蕴含了可用于合成ATP的天然质子动 力势。
-587.1 -274.7 -75.8 -31
-209.4
-195.7 -137.4 -75.8 -62
1/2O2+2H+ →H2O
+0.815
合成1个ATP的电势差至少为Δ E=0.158V（传递2个电子）——30.5kJ/mol
1、硝化细菌
是自然界氮素循环的重要成员，也是化能自 养菌中的主要生理类群。分为亚硝化细菌和 硝化细菌两个亚群，同属于一科——硝化杆 菌科（Nitrobacteraceae）。 硝化作用的机制：硝化作用是由两个连续而 又不相同的阶段组成，在第一阶段中，氨被 亚硝酸细菌氧化为亚硝酸；第二阶段中，亚 硝酸被硝化细菌氧化为硝酸。
（b）亚硫酸盐也能 氧化并转变成APS。 这条途径产生的电子 用于电子传递以及同 APS一起以底物水平 磷酸化方式产生ATP。 （c）腺苷酰硫酸 （APS）的结构
硫化物被氧化成硫酸盐和产生ATP的过程
3、氢细菌
氢细菌是一群将H2氧化为水，并从中获得能量， 用于同化CO2，合成细胞物质进行化能自养生物 的微生物。 氢细菌的种类很多，是一类革兰氏阴性的兼性化 能自养菌，包括假单菌属、副球菌属 （Paracoccus）、黄杆菌属 （Flavobacterium）、产碱杆菌属 （Alcaligenes）、诺卡氏菌属（Nocardia）等。 H2+1/2O2→H2O氧化还原电位（氢化酶）为0.42V，高于NAD（P）H2/ NAD（P）+的0.32V。
硝 化 时细 的菌 和 质把 子亚 、硝 合 电酸 成 子还 流原 向成 硝 酸
ATP
硝化细菌电子传递中的电子流
硝化细菌进行正常的电子传递产生质子动势供ATP合成用（示意图的右边分支）。
一些质子动势也被用来将电子从亚硝酸逆着还原电势梯度流向NAD+（左边分支）。
细胞色素c和4种复合物与此过程有关：（1）NADH-泛醌氧化还原酶；（2）泛醌醇-细胞 色素c氧化还原酶；（3）亚硝酸盐氧化酶；（4）细胞色素a、a3氧化酶。
中性pH下的铁氧化——在中性pH条件下， 亚铁离子在有氧存在时不稳定，很快被氧化 为铁离子（不溶性的）； 亚铁离子存在的唯一中性环境是缺氧； 相关铁细菌也就存在于缺氧和有氧的界面。
㈡、光能无机营养菌
这类细菌具有光合色素、即叶绿素、类胡萝 卜素、藻胆蛋白，它们可以象绿色植物那样 进行光合作用而生活。 根据光合细菌所具的光合色素，大致可以将 它们分为绿色细菌、紫色细菌（着色细菌和 红螺细菌）和蓝细菌三类。
HS-+H++1/2O2→S0+H2O
S0+3/2O2+H2O→SO42-+H+ NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2O NO2-+1/2O2→NO3Fe2++H++1/4O2→Fe3++1/2H2O
硫细菌
硫细菌 硝化细菌 硝化细菌 铁细菌
-0.27
-0.25 0 +0.43 +0.77
-209.4
NH2OH/NH3的氧化还原电位为+0.89V （1/2O2+2H+→H2O ，+0.815V），太高，不可 能使氨加水脱氢经呼吸链氧化成羟胺，可能 是通过加氧反应形成羟胺——氨在单加氧酶 （羟化酶）和细胞色素P460催化下生成羟胺。 P460是一种专性的细胞色素b，这一步骤伴 随着有氧的消耗，在无氧条件下，氨不能氧 化成羟胺。 羟胺在羟胺-细胞色素c还原酶和末端细胞色 素系统催化，生成亚硝酸。
硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还 原态硫化物（包括硫化物、元素硫、硫代硫 酸盐、多硫酸盐、亚硫酸盐）作为能源以同 化CO2。 它们可以通过氧化磷酸化和涉及腺苷酰硫酸 （APS）的底物水平磷酸化方式产生ATP。 APS是由亚硫酸与腺苷单磷酸形成的一种高 能分子。
硫氧化产生能量
（a）亚硫酸盐能直 接氧化硫酸盐，并为 电子传递和氧化磷酸 化提供电子。
4、铁细菌（氧化亚铁硫杆菌）
自然界中有些细菌，例如氧化亚铁硫杆菌、 硫杆菌属、嘉利翁氏菌属、纤发菌属和球衣 菌属中的许多菌种。 能够将亚铁离子氧化为高铁离子，并利用这 个过程所产生的能量和还原力同化CO2进行 自养生长，统称为铁细菌。
因为Fe3+／Fe2+（在pH3时E0’=+0.77V）具 有正的氧化还原电位。 因为Fe3+／Fe2+的氧化还原电位很高，因而 到氧（1/202／H20，E0’=+0.82V）的电子传 递途径很短。Fe2+氧化产生的电子不足以还 原NAD+、FAD和许多其他的电子传递链成分。 不足以产生ATP（ΔE=0.158V）。 这种菌的呼吸链包括细胞色素c、a1及一种 含铜的铁硫菌蓝蛋白（褐铜蛋白） 。
从Fe2+到Fe3+的氧化反应是一个消耗质子的 反应（Fe2++1/202+2H+→Fe3++H20）。 实验证据表明1/2O2+2H+→H20的反应发生在 细胞质膜的内侧，而Fe2+→Fe3+的反应发生 在细胞质膜的近外侧——这样就涉及了电子 传递过程。 Fe2+→Fe3+ 1/2Baidu Nhomakorabea2+2H+→H20 + + Fe2++1/202+2H+→Fe3++H20
2、硫化细菌
对元素硫和还原态无机硫化物进行氧化的自 养细菌有光能自养硫细菌和化能自养硫细菌 两类。 化能自养硫细菌通常称为硫化细菌，主要包 括硫杆菌属（Thiobacillus）、硫化叶菌属 （Sulfotobus）、硫小杆菌属 （Thiobacterium）等6个属。多数硫化细菌 为专性化能自养菌，少数为兼性化能自养菌， 其中研究得最多的是硫杆菌属，它们分布广， 与人类关系密切。
质子通过转运质子的ATP酶进入细胞（在这 个过程中，驱动ADP的磷酸化——合成 ATP）。——如何使此过程长期性、连续性 的保持？ 为了保持细胞内中性pH值，涉及2个问题： ——电子的获得，并和质子结合形成水（在 细胞内完成）； ——相应物质的氧化及电子传递。 所以，必须考虑到Fe2+的氧化在这里非常重 要。
从氨到亚硝酸的全部氧化仅消耗3/2O2，大约 只产生一个ATP； 其中大量的能量用于驱使电子的逆转，以产 生还原力NADH2，用于CO2的固定和还原， 所以这种微生物的摩尔生长量极低。
氨 氧 化 细 菌 的 氨 氧 化 和 电 子 传 递
周质空间中的 细胞色素c与 膜中的细胞色 素 c不同。
AMO：氨单加 氧酶； HAO：羟胺氧 化还原酶；
Q：泛醌
亚硝酸氧化成硝酸
水和NO2-结合形成一个水化亚硝酸分子 （H2O· 2-），H2O· 2-脱下来的电子（或 NO NO 氢）经细胞色素电子传递系统，传递到O2， 最后生成水。电子传递过程中，偶联氧化磷 酸化作用，每一分子的亚硝酸氧化为硝酸可 产生一分子ATP。 由严格好氧菌硝化细菌（Nitrobacter）进行 完成的。
细菌类型 主要碳源 能源 电子受体 与氧的 关系 有机物利用
硝化细菌
氨氧化细菌
亚硝酸盐氧化细菌
CO2
CO2
NH4+
NO2-
O2
O2
好氧
好氧
非常有限
非常有限
硫氧化细菌
专性无机营养和自养型 CO2 H2S、S、S2O32O2 好氧 非常有限
兼性自养型
CO2或有机物 CO2或有机物 CO2
H2S、S、S2O32有机物
氨的氧化——NH4+→羟胺（NH2OH）→亚硝酸 氨氧化过程中，氮原子由-3价变为+3价，共 失去6个电子。如果每步移去2个电子，那么 至少要经过两个中间代谢物——羟胺、硝酰 （NOH）。 ——经无细胞提取液实验，只有40-70%亚硝 酸的生成量证明——反应一定时间后，测定 氨的减少量及亚硝酸的生成量 。——证明不 是一步完成的，还有中间代谢物存在。
光合细菌的类群和特性
光合作用和细胞增殖 对 生 长 因 子 的 要 求 + 光 合 作 用 时 氧 的 释 放 +
从Fe2+传出的电子在周质空间被铁硫菌蓝蛋 白（褐铜蛋白）接收。作为对于周质的适应， 铁硫菌蓝蛋白是对酸稳定的，而在pH=2时具 有最适合的活力——特殊性。 铁硫菌蓝蛋白的电子被传给一种不寻常的高 电势的膜结合细胞色素c（Cytc，不同与以 往所涉及的？），由它接着将电子传递给终 端氧化酶——细胞色素a1（Cyta1）。 细胞色素a1（Cyta1）将电子供给1/202，加 上从细胞质中来的两个质子形成水。 经ATP酶进入的质子流量弥补了质子供给 （生成H2O），只要Fe2+是可利用的，氧化 亚铁硫杆菌质膜内外存在的自然质子动力势 就能持续地驱动ATP的合成。
第六章 自养微生物的营养及代谢
按照获得能量和合成细胞物质的方式（碳源 利用），可以把微生物界分为两大类群—— 自养微生物和异养微生物。 所谓自养微生物（Autotrophs）是指一群能 够在完全无机环境中生长的微生物（能量和 碳架来源？）。 利用光能或从氧化简单无机物获得能量，利 用二氧化碳作为细胞的碳源进行生长，因此 这是一群具有特殊生物合成能力的微生物。
关于无机硫的氧化途径基本上分为两种类型： 第一种类型以氧化硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）为代表，在硫化物氧化过程中 是经过一系列的多硫酸盐中间体（主要是四硫 酸盐积累），然后再转变为硫酸盐。 4S2-→2S2O32-→S4O62-→SO32-+S3O62→4SO32-→4SO42 第二种类型以排硫杆菌（Thiobacillus thioparus）为代表，在硫的氧化过程中没有 多硫酸盐的中间体。氧化的第一个产物是亚硫 酸盐，再进一步氧化为硫酸盐。 S→SO32-→SO42-
Fe2+ H2
O2 O2 O2
好氧 好氧 好氧
有限 多数可以利用 可以利用
铁细菌
氢细菌
一些无机电子供体氧化时放出的能量
反应 化能无机营养 生物种类 氢细菌 氧化还原电位 E’0（V） -0.42 Δ G0’ （kJ/反应） -237.2 Δ G0’ （kJ/2e-） -237.2
H2+1/2O2→H2O
㈠、化能无机营养菌 ㈡、光能无机营养菌
㈠、化能无机营养菌
又称化能自养菌，多数为革兰氏阳性好氧细 菌，能在黑暗条件下，以CO2为碳源，从无 机物的氧化作用中获得能量（ATP）和还原 力（NADH2或NADPH2） 1、硝化细菌 2、硫化细菌 3、氢细菌 4、铁细菌
化能无机营养菌的生理类群
在多数氢细菌中，有两种氢化酶，其结构和 功能各不相同： ①颗粒状氢化酶——结合在细胞膜上，直接 与呼吸链偶联，不经过依赖于NAD+脱氢酶作 中间体，催化氢的氧化，并把电子直接传递 给呼吸链产生ATP，主要产生能量。 ②可溶性氢化酶——存在于细胞质中，催化 氢的还原，能直接还原NAD+，还能还原 Cytb、Cytc等，主要功能是为菌体生长提供 固定CO2的还原力。
自养微生物的种类很多，但如果从生理学角 度考虑，根据自养微生物所利用的能量，可 以将它们分为化能无机营养菌和光能无机营 养菌，然后根据它们所利用的特殊能源和其 它生理特性，再将它们分为几个不同的生理 亚群。 化能自养菌 光能自养菌 甲基营养菌——和自养菌有许多相似之处。
一、自养微生物的主要类群及其 生理特性