第五章微生物的代谢(沈萍版)

教师：李懿1代谢(metabolism)：生物体内进行的全部生化反应的总称。由分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）2个过程组成。分解代谢：细胞将大分子降解成小分子物质并产生能量的过程。合成代谢：细胞利用简单小分子物质合成复杂大分子，此过程要消耗能量。2无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的，前一反应的产物是后续反应的底物。某些微生物在代谢过程中，除了产生生命活动所必需的初级代谢产物和能量外，还会产生一些次生代谢产物，次生代谢产物与微生物的生存相关。3微生物产能代谢：指物质在生物体内经一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程。（又称生物氧化）不同类型微生物生物氧化利用的物质不同，异养微生物利用有机物，自养微生物利用无机物。生物氧化过程的三阶段：脱氢（电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）45产能（ATP）生物氧化的功能：产还原力[H]产小分子中间代谢物呼吸生物氧化的类型：无氧呼吸发酵61.将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。2.进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的中间产物。3.将第二阶段的产物完全降解生成CO2，并将前面形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧化、同时形成大量的ATP。微生物代谢的特点：多样性、适应性、可控性78重要的能量来源（葡萄糖）降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的其它中间产物的代谢途径主要有3种:1.糖酵解途径（EMP,TheGlycolyticPathway）2.磷酸戊糖途径（HM,pentosephosphateorhexosemonophosphatepathway）3.ED途径（TheEntner-DoudoroffPathway）4.磷酸解酮酶途径91分子葡萄糖生成2分子丙酮酸有氧：EMP途径与TCA途径连接；无氧：还原一些代谢产物，(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。产能（底物磷酸化产能：（1）1，3—2P--甘油酸3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP10醛缩酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸底物水平磷酸化11自由扩散型•NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)和NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),氢原子的载体•电极对的还原电势相同，功能不同NAD+/NADH直接参与产能反应NADP+/NADPH主要参与合成反应与细胞膜紧密结合型•电子传递系统或电子传递链•组成：多酶体系，一系列能够进行氧化和还原的载体•分布：不对称排列在膜上，定向有序传递12生物借助于磷酸化反应•ADP形成ATP，实现能量存储生物氧化过程中生成的含有高能键的化合物在酶的作用下，直接将能量转给ADP（GDP）生成ATP（GTP）存在于呼吸和发酵过程中发酵过程中唯一能量获取方式13高能化合物的底物水平磷酸化反应偶联形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸ATP琥珀酰辅酶A→琥珀酸GTP乙酰磷酸→乙酸ATP丙酰磷酸→丙酸ATP丁酰磷酸→丁酸ATP甲酰四氢叶酸→甲酸ATP1415EMP途径的特点:（1）葡萄糖分解是从1，6-二磷酸果糖开始（2）整个途径仅在3步反应是不可逆的（3）EMP途径的特征性酶是1，6-二磷酸果糖醛缩酶（4）整个途径不消耗氧（5）有关酶系位于细胞质中16EMP途径的生理功能:（1）提供ATP和NADH；（2）是连接其他几个重要代谢途径的桥梁（3）为生物合成提供多种中间代谢物（4）通过逆向反应可进行多糖合成17分为两个阶段：1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。18酮基转移酶酮基转移酶醛基转移酶7磷酸景天庚酮糖4磷酸赤藓糖1920216-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。甘油醛-3-磷酸出路：a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA途径b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。总反应式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi22特点：a、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成，b、产大量的NADPH+H+还原力；c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖）d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。f、HMP酶系定位于细胞质中2324HMP途径的生理功能：1.供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(p)+CoA等合成提供戊糖-磷酸；为芳香族及杂环氨基酸合成提供赤藓糖-4-磷酸。2.为生物合成提供还原力3.该途径中的5-磷酸核酮糖可转化为1，5-二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，对光能自养型和化能自养型微生物具有重要意义4.扩大碳源利用范围5.连接EMP途径252627ED途径的特点1.特征反应为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2.特征性酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶3.2分子的丙酮酸来源不同4.无氧时，1mol葡萄糖经途径只产生1molATP28微生物EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母8812－产朊假丝酵母66～8119～34－灰色链霉菌973－产黄青霉7723－大肠杆菌7228－铜绿假单胞菌－2971嗜糖假单胞菌－－100枯草芽孢杆菌7426－氧化葡糖杆菌－100－真养产碱菌－－100运动发酵单胞菌－－100藤黄八叠球菌7030－29磷酸解酮酶途径是明串珠菌进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶不同可以分为磷酸戊糖解酮酶途径（PK）和磷酸己糖解酮酶途径（HK）。30G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（两歧双歧杆菌）4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖解酮酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖解酮酶6-磷酸-果糖乳酸乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP31a、磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌）G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖解酮酶乙醇丙酮酸乳酸32根据氧化还原反应电子受体的不同，可以分为发酵和呼吸。呼吸可以分为有氧呼吸和无氧呼吸2种。发酵有氧呼吸无氧呼吸33发酵：在无氧气等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应工业发酵:是泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。34糖氧化后产生的中间代谢产物，在无氧条件下会以各种中间代谢产物为氢受体，再次氧化NADH为NAD+,并产生各种发酵代谢产物。35酵母菌乙醇发酵[EMP途径]C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O细菌的乙醇发酵(运动发酵单胞菌)[ED途径]C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O36酵母酒精发酵37类型条件受氢体ATP主要产物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ亚硫酸氢钠磷酸二羟丙酮0甘油Ⅲ碱性磷酸二羟丙酮0甘油、乙醇、乙酸38•同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的发酵称同型乳酸发酵菌种：德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、酪乳杆菌C6H12O6+2ADP→2乳酸+2ATP39•异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外还有乙醇和CO2的发酵菌种：短乳杆菌、甘露乳杆菌、巴氏乳杆菌C6H12O6→乳酸+乙醇+CO24041423.混合酸发酵微生物将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氢气、二氧化碳等多种产物的生物学过程。甲基红试验（M.R.反应）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，置37℃培养48小时，然后沿管壁加入甲基红指示剂,呈红色者为阳性,不呈红色者为阴性。MR反应的结果：大肠杆菌为阳性，产气杆菌为阴性434.丁二醇发酵微生物发酵葡萄糖得到大量的丁二醇与少量的乳酸、乙酸、二氧化碳、氢气等产物的代谢过程。Voges-Proskauer试验（V.P反应）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，于37℃培养24小时，加入与培养基等量的VP试剂，置37℃保温30分钟，呈红色者为阳性，不呈红色者为阴性。VP反应结果产气杆菌为阳性，大肠杆菌的为阴性4445丙酮酸→乙酰辅酶A→丁酰辅酶A乙酸乙酰辅酶A→丁酰辅酶A→丁酸466.丙酮丁醇发酵丙酮丁醇梭状芽孢杆菌丙酮酸→乙酰辅酶A→乙酰乙酰辅酶A→乙酰乙酸→丙酮丙酮酸→→丁酸→丁醛→丁醇477.多元醇发酵(高渗酵母)葡萄糖6-磷酸葡萄糖EMPHMP磷酸丙糖5-磷酸核酮糖乙醇+CO2甘油D-阿拉伯糖醇48由EMP途径中丙酮酸出发的发酵49发酵作用没有外源电子受体，底物具有的能量只释放出一小部分，合成少量ATP。主要原因有2个：1，底物的碳原子只被部分氧化；2，初始电子供体和最终电子受体的还原电势相差不大。50从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源O2并产生较多ATP的生物氧化过程。原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上真核微生物：线粒体内膜上2个产能的环节：Krebs循环、电子传递。51柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酰COA琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸52TCA循环简图53TCA循环特点（1）氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（2）每分子丙酮酸可产4个NADH+H+，1个FADH2和1个GTP总共相当于15个ATP（3）TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可为生物合成提供各种碳架原料，还可生产苹果酸，柠檬酸等酸类。545556线粒体外NADH的氧化磷酸化胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜，须经某种转运机制才能进入线粒体，然后再经呼吸链进行氧化磷酸化，这种机制主要有以下两种。(一)α-磷酸甘油穿梭此机制NADH+H+的氢最终以FADH２的形式进入琥珀酸氧化呼吸链，生成2分子ATP。故糖酵解中3-磷酸甘油醛脱H产生的NADH+H+经过此机制进入线粒体，则1分子葡萄糖彻底氧化生成36分子ATP。(二)苹果酸-天冬氨酸穿梭NADH+H+的氢经此机制进入NADH氧化呼吸链，生成3分子ATP。故糖酵解过程中3-磷酸甘油醛脱氢生成的NADH+H+以此方式进入线粒体中，则1分子葡萄糖彻底氧化生成38分子ATP。57TCA循环的生理意义：（1）为细胞提供能量。（2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。（3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。58糖酵解和TCA等代谢过程产生的NADH和FADH2通过电子传递系统被彻底氧化，最终形成ATP为微生物的生命活动提供能量。电子传递系统：一系列氢和电子的传递体组成的多酶氧化还原体系。其组成酶是定向有序的，又是不对称的质膜内外。5960原核微生物电子传递链特点：最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、SO42-、S2-、CO32-等；电子供体：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等；含各种类型细胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyta1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变存在分支呼吸链：细菌的电子传递链更短，在电子传递链的几个位置进入链和通过几个位置的末端氧化酶而离开链。616263氧化磷酸化产能机制——化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说化学渗透学说---英国生物化学家Peter．Mitchell于1961年提出的。该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，电子向内传递。质子传递可能是由于载体或特定的质子泵的作用，驱动泵的能