微生物的新陳代謝課件

1、微生物的新陳代謝第五章 微生物的代謝和發(fā)酵新陳代謝新陳代謝（Metabolism） 一般泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的過程。 生物小分子合成生物大分子 合成代謝 （同化） 耗能新陳代謝新陳代謝 能量代謝 物質(zhì)物質(zhì) 代代 謝謝 產(chǎn)能 分解代謝 （異化） 生物大分子分解為生物小分子 新陳代謝新陳代謝的共同特點(diǎn)：（1）在溫和條件下進(jìn)行(由酶催化)；（2）反應(yīng)步驟繁多，但相互配合、有條不紊、彼此協(xié)調(diào)，且逐步進(jìn)行，表征了新陳代謝具有嚴(yán)格的順序性；（3）對(duì)內(nèi)外環(huán)境具有高度的調(diào)節(jié)功能和適應(yīng)功能。微生物的新陳代謝第一節(jié) 化能異養(yǎng)微生物的能量代謝 有機(jī)物（化能異養(yǎng)菌）最初能源 日 光（光能自養(yǎng)菌）

2、通用能源 無機(jī)物（化能自養(yǎng)菌） 微生物的新陳代謝一、底物脫氫的四條主要途徑vEMP途徑，又稱糖酵解途徑vHMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑vED途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑vTCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)微生物的新陳代謝二、葡萄糖的二、葡萄糖的 酵解作用酵解作用 ( 又稱：Embden -Meyerhof -Parnas途徑， 簡(jiǎn)稱：EMP途徑途徑)活化活化移位移位 氧化氧化磷酸化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛縮酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶磷酸甘油酸激酶甘油酸變位酶烯醇酶丙酮酸激酶微生物的新陳代謝葡萄糖激活的方式好氧微生物：通過需要Mg+和ATP的己糖激酶厭

3、氧微生物通過磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，在葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞時(shí)即完成了磷酸化微生物的新陳代謝磷酸果糖激酶EMP途徑的關(guān)鍵酶，在生物中有此酶就意味著存在EMP途徑需要ATP和Mg+在活細(xì)胞內(nèi)催化的反應(yīng)是不可逆的反應(yīng)微生物的新陳代謝（丙酮酸的去路）微生物的新陳代謝2、微生物的新陳代謝3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脫氫酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸變位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(丙酮酸激酶)4、脫氫氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝HMP途徑降解葡萄糖的三個(gè)階段HMP

4、是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑1. 葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO22. 核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸微生物的新陳代謝HMP途徑v葡萄糖 ATP ADP 6-磷酸葡萄糖 NAD(P)+ NAD(P)H+H+ 6-磷酸-葡萄糖酸 NAD(P)+ NAD(P)H+H+CO2 5-磷酸-核酮糖v5-磷酸-木酮糖 5-磷酸-核酮糖 5-磷酸-核糖 v5-磷酸-木酮

5、糖+ 5-磷酸-核糖 TK 6-磷酸-景天庚酮糖+3-磷酸-甘油醛 TA 6-磷酸-果糖+4-磷酸-赤蘚糖 4-磷酸-赤蘚糖+ 5-磷酸-木酮糖 TK 6-磷酸-果糖+3-磷酸-甘油醛注：TK為轉(zhuǎn)羥乙醛酶 TA為轉(zhuǎn)二羥丙酮基酶微生物的新陳代謝HMP途徑的總反應(yīng) 耗能階段C6 2C3 產(chǎn)能階段 4 ATP 2ATP2C3 2 丙酮酸 2NADH2C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2H+2ATP+2H2O 微生物的新陳代謝HMP途徑的總反應(yīng)6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi微生物

6、的新陳代謝HMP途徑的生理意義v為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸v產(chǎn)生大量的NADPH2，一方面參與脂肪酸、固醇等細(xì)胞物質(zhì)的合成，另一方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量v四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成v在反應(yīng)中存在3-7碳糖，使具有該途徑的微生物的碳源譜更廣泛v通過該途徑可產(chǎn)生許多發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等微生物的新陳代謝WD途徑WD途徑又稱磷酸解酮酶途徑，它們催化的反應(yīng)分別為： 5-磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸） 磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶） 乙酰磷酸 磷酸甘油醛（磷酸-4-赤蘚糖） 乙酸 丙酮酸 與HMP途徑相連 乳酸許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取

7、此方式微生物的新陳代謝ED途徑 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （與EMP途徑連接） 氧化酶 (與HMP途徑連接) EMP途徑 3-磷酸-甘油醛 脫水酶 2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途徑 丙酮酸 醛縮酶 有氧時(shí)與TCA環(huán)連接 無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵 微生物的新陳代謝ED途徑的總反應(yīng) ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6ATP 2乙醇 (有氧時(shí)經(jīng)過呼吸鏈) （無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）微生物的新陳代謝ED途徑的特點(diǎn)ED途徑的特征反應(yīng)是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（

8、KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛ED途徑的特征酶是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛縮酶ED途徑中的兩分子丙酮酸來歷不同，一分子由2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解產(chǎn)生，另一分子由磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來1摩爾葡萄糖經(jīng)ED途徑僅產(chǎn)生1摩爾ATP此途徑主要存在與Pseudomonas,好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝 順烏頭酸酶的反應(yīng)特征：催化脫水，然后又加水，從而改變了分子內(nèi)OH和H的位置，生成異檸檬酸。 該酶結(jié)構(gòu)組成：含鐵的非鐵卟啉蛋白，有4個(gè)鐵原子、4個(gè)無機(jī)硫原子及4個(gè)半胱氨酸硫原子

9、結(jié)合的鐵硫中心簇鐵硫中心簇，參與底物的去水和加水的反應(yīng)。微生物的新陳代謝 反應(yīng)特點(diǎn)：這是TCA中第一次氧化作用，被異檸檬酸脫氫酶催化。該酶是TCA中第二個(gè)調(diào)節(jié)酶，當(dāng)細(xì)胞在高能狀態(tài)時(shí)（即ATP/ADP，NADH/NAD比值高），酶活性被抑制；在低能狀態(tài)時(shí)被激活。微生物的新陳代謝這是TCA循環(huán)中第二個(gè)氧化脫羧反應(yīng)，由酮戊二酸脫氫酶系所催化。該酶與丙酮酸脫氫酶系的結(jié)構(gòu)組成相似。酶的催化活性受其產(chǎn)物NADH、琥珀酰CoA和Ca2+抑制；細(xì)胞高能荷時(shí)，ATP、GTP也可反饋抑制酶的活性。微生物的新陳代謝 琥珀酰CoA合成酶催化琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，使GDP磷酸化為GTP，（GTP的作用：1在二磷酸核

10、苷激酶作用下，推動(dòng)ADP生成ATP；2用于蛋白質(zhì)的合成。） 該步反應(yīng)是TCA中唯一底物水平磷酸化產(chǎn)能的反應(yīng)。微生物的新陳代謝琥珀酸脫氫酶是第三個(gè)氧化還原反應(yīng)。該酶構(gòu)成：分子量100000（二亞基），酶的輔酶是FAD；酶直接與呼吸鏈聯(lián)系，將FADH2交給酶的鐵硫中心進(jìn)入呼吸鏈。微生物的新陳代謝該步反應(yīng)是第四次氧化還原反應(yīng)，由L-蘋果酸脫氫酶催化，NAD是氫的受體。在生理情況下，該反應(yīng)是向右進(jìn)行的。微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝 TCA的生物學(xué)意義的生物學(xué)意義1、是生物體代謝糖的主要方式，具有 普遍性。2、生物體提供能量的主要形式，其產(chǎn) 能效率達(dá)到42。3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)的轉(zhuǎn)化 樞紐。

11、4、TCA可作為多種化合物的碳骨架， 以供細(xì)胞合成之用。5、TCA循環(huán)為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn) 所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如 檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。微生物的新陳代謝TCA循環(huán)在微生物代謝中的樞紐地位 糖類 乙醇 乳酸 葡萄糖 丙酮 甘油 EMP 丁醇脂肪 丙酮酸 丁二醇 B-氧化 脂肪酸 乙酰-CoA 氨基酸 蛋白質(zhì) ATP，各種 有機(jī) 酸 ，天冬氨酸，檸檬酸，谷氨酸微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生根據(jù)葡萄糖脫氫后，遞氫過程，尤其是受氫體的不同，生物氧化可分為下列三種類型：v （有氧）呼吸v 無氧呼吸v 發(fā)酵微生物的新陳代謝 電子傳遞與氧化呼吸鏈電子傳遞1、部位

12、：電子傳遞鏈在真核細(xì)胞發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，在原核細(xì)胞發(fā)生在質(zhì)膜上。2、成員 ：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN 、CoQ、細(xì)胞色素b 、c 1 c a a和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢(shì)大小排列，電子傳遞次序如下：微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v)C1 C a a3 O2 H2O (+0.26) (+0.28) (+0.82v) 呼吸鏈中NAD+/NADH的E0值最小，而O2/H2O的E0值最大，所以，電子的傳遞方向是從NADH 。微生物的新陳代謝 上述反應(yīng)式表明

13、還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對(duì)，都具有高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能，它推動(dòng)電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉(zhuǎn)移到分子氧。 電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程又稱為氧化呼吸鏈。微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝細(xì)胞色素類 細(xì)胞色素類是含F(xiàn)e電子傳遞體。鐵原子處于卟啉的結(jié)構(gòu)中心，構(gòu)成血紅素。細(xì)胞色素以血紅素作為輔基。 線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細(xì)胞色素，稱為細(xì)胞色素b ，c c a a3 。細(xì)胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。 細(xì)胞色素a a3以復(fù)合物形式存在，稱為細(xì)胞色素氧化酶。細(xì)胞色素a a3含有兩個(gè)必需的銅

14、原子。由還原型a3將電子直接傳遞給分子氧。 電子從CQ傳到b c c1 ，F(xiàn)e-S旦白, a a3 。微生物的新陳代謝原核生物呼吸鏈的特點(diǎn)存在于細(xì)胞膜上呼吸鏈中的氧還載體取代性強(qiáng)，如CoQ可被MK取代呼吸鏈中的氧還載體的數(shù)量在不同的種間，不同的環(huán)境條件下可增可減有分支呼吸鏈的存在，表現(xiàn)在來自不同的底物的還原力進(jìn)入呼吸鏈時(shí)有不同的分支，不同的微生物細(xì)胞色素系統(tǒng)有別，如E.Coli在缺氧時(shí)，呼吸鏈分為兩支，即Cyt.b556 Cyt.o; Cyt.b558 Cyt.d微生物的新陳代謝無氧呼吸（anaerobic respiration）v概念：一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化

15、物）的生物氧化，是一種無氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。v無氧呼吸的類型 硝酸鹽呼吸：NO3- NO2-, NO, N2 無機(jī)鹽呼吸 硫酸鹽呼吸：SO42- SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S 硫 呼 吸： S0 S-2 碳酸鹽呼吸 CO2,HCO3- CH3COOH CO2, HCO3- CH4 延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸微生物的新陳代謝發(fā)酵v概念：在生物氧化中，發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。v常見的發(fā)酵種類

16、： 由EMP途徑中的丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵 乙醇發(fā)酵，同型乳酸發(fā)酵，丙酸發(fā)酵， 2,3-丁二醇發(fā)酵， 混合酸發(fā)酵，丁酸型發(fā)酵 通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵通過ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵細(xì)菌的酒精發(fā)酵（異型酒精發(fā)酵）微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝酒精（乙醇）發(fā)酵v酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵 脫羧酶 脫氫酶 丙酮酸 乙醛 乙醇v細(xì)菌(Zymomonas mobilis)的乙醇發(fā)酵 通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATPv細(xì)菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇發(fā)酵 通過WD途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP

17、+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP同型酒精發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機(jī)物分子的酒精發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機(jī)物分子的發(fā)酵微生物的新陳代謝微生物的新陳代謝乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：通過EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：通過HMP(PK)途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機(jī)化合物的發(fā)酵微生物的新陳代謝異型乳酸發(fā)酵途徑2葡萄糖 2ATP 2ADP果糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 轉(zhuǎn)醛酶 磷酸解酮酶 轉(zhuǎn)酮酶 赤蘚糖-4-磷酸 乙酰磷酸 ADP 木酮糖-5-磷酸 ATP 乙酸 微生物的新陳代謝異型乳酸(乙醇)發(fā)酵途徑5-磷酸-木酮糖 磷酸(戊糖)解酮酶 乙酰磷酸 3-磷酸甘油醛 ADP

18、 Pi+2ADP 2ATP 乙酰CoA 磷酸激酶 NADH2 ATP 乙醛 乙酸 NADH2 NADH2 乙醇 乳酸微生物的新陳代謝同型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵的比較類型途徑產(chǎn)物產(chǎn)能/葡萄糖菌種代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillus debruckii異型 HMP(WD)1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostoc mesenteroides異型 HMP(WD)1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillus brevis微生物的新陳代謝混合酸發(fā)酵v概念：通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。v發(fā)酵途徑：磷酸烯醇式丙酮酸