【教學(xué)】第五章 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（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(guò)程。

生物小分子合成生物大分子合成代謝（同化）耗能新陳代謝能量代謝物質(zhì)代謝產(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。整理ppt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）通用能源

無(wú)機(jī)物（化能自養(yǎng)菌）整理ppt一、底物脫氫的四條主要途徑EMP途徑，又稱糖酵解途徑HMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑ED途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑TCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)整理ppt二、葡萄糖的酵解作用(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡(jiǎn)稱：EMP途徑)活化移位氧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整理ppt葡萄糖激活的方式好氧微生物：通過(guò)需要Mg++和ATP的己糖激酶厭氧微生物通過(guò)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)即完成了磷酸化整理ppt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)整理ppt（丙酮酸的去路）整理ppt2、整理ppt3-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整理ppt整理pptHMP途徑降解葡萄糖的三個(gè)階段HMP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(guò)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(wú)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整理pptHMP途徑葡萄糖ATP

ADP6-磷酸葡萄糖NAD(P)+NAD(P)H+H+

6-磷酸-葡萄糖酸NAD(P)+NAD(P)H+H++CO25-磷酸-核酮糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核酮糖5-磷酸-核糖5-磷酸-木酮糖+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)二羥丙酮基酶整理pptHMP途徑的總反應(yīng)

耗能階段C62C3

產(chǎn)能階段4ATP2ATP2C32丙酮酸

2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O

整理pptHMP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整理pptHMP途徑的生理意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸產(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(guò)呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成在反應(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通過(guò)該途徑可產(chǎn)生許多發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等整理pptWD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)酵即采取此方式整理pptED途徑

ATPADPNADP+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(wú)氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵整理pptED途徑的總反應(yīng)

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧時(shí)經(jīng)過(guò)呼吸鏈)（無(wú)氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）整理pptED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（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(lái)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(lái)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)酵整理ppt整理ppt整理ppt整理ppt

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(wú)機(jī)硫原子及4個(gè)半胱氨酸硫原子結(jié)合的鐵硫中心簇，參與底物的去水和加水的反應(yīng)。整理ppt

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。整理ppt

這是TCA循環(huán)中第二個(gè)氧化脫羧反應(yīng)，由α－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。整理ppt

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)。整理ppt

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。整理ppt

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。整理ppt整理ppt

TCA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。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。整理pptTCA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，谷氨酸整理ppt整理ppt

二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生根據(jù)葡萄糖脫氫后，遞氫過(guò)程，尤其是受氫體的不同，生物氧化可分為下列三種類型：

（有氧）呼吸無(wú)氧呼吸發(fā)酵整理ppt

電子傳遞與氧化呼吸鏈電子傳遞1、部位：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、c1caa３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：整理ppt整理pptMH2NADFMNC0Qb(-0.32v)(0.0v)C1Caa3O2H2O(+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NADHＯ２。整理ppt上述反應(yīng)式表明還原型輔酶的氧化，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(guò)程又稱為氧化呼吸鏈。整理ppt整理ppt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

c１aa3。細(xì)胞色素bcc1aa3整合在一起存在。細(xì)胞色素aa3以復(fù)合物形式存在，稱為細(xì)胞色素氧化酶。細(xì)胞色素aa3含有兩個(gè)必需的銅原子。由還原型a3將電子直接傳遞給分子氧。電子從CｏQ傳到bcc1，F(xiàn)e-S旦白,aa3。整理ppt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(lái)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.b556Cyt.o;Cyt.b558Cyt.d整理ppt無(wú)氧呼吸（anaerobicrespiration）概念：一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無(wú)機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化，是一種無(wú)氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。無(wú)氧呼吸的類型硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-,NO,N2

無(wú)機(jī)鹽呼吸

硫酸鹽呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S

硫呼吸：S0S-2

碳酸鹽呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-

CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸整理ppt發(fā)酵概念：在生物氧化中，發(fā)酵是指無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過(guò)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(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。常見(jiàn)的發(fā)酵種類：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(guò)HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵通過(guò)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）整理ppt整理ppt酒精（乙醇）發(fā)酵酵母菌（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細(xì)菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇發(fā)酵通過(guò)ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP細(xì)菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過(guò)WD途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+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)酵整理ppt整理ppt乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：通過(guò)EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：通過(guò)HMP(PK)途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機(jī)化合物的發(fā)酵整理ppt異型乳酸發(fā)酵途徑2×葡萄糖

2ATP2ADP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乙酸整理ppt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

ADPPi+2ADP2ATP乙酰CoA磷酸激酶

NADH2

ATP乙醛乙酸

NADH2

NADH2乙醇乳酸整理ppt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2ATPLactobacillusdebruckii異型HMP(WD)1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides異型HMP(WD)1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillusbrevis整理ppt混合酸發(fā)酵概念：通過(guò)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。發(fā)酵途徑：磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸

2丙酮酸乳酸~甲酸裂解酶乙酰CoA甲酸

甲酸氫解酶

乙酰-PCO2+H2

乙酸+ATP整理ppt鑒別腸道細(xì)菌的產(chǎn)酸產(chǎn)氣、甲基紅（M.R）試驗(yàn)

產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗(yàn)：Escherichia與Shigella在

利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，前者具有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸的同時(shí)產(chǎn)氣，后者則因無(wú)此酶，不具有產(chǎn)氣的能力。甲基紅試驗(yàn)：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生