第五章 微生物的新陈代谢

目的：掌握不同微生物能量代谢的特点；了解微生物代谢的调节。重点：产能代谢，生物固氮和肽聚糖的合成。难点：生物固氮机制。第五章微生物的新陈代谢关于新陈代谢的几个概念•新陈代谢（Metabolism）发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。•合成代谢(Anabolism)(同化作用)在合成酶系催化作用下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂大分子的过程。•分解代谢(Catabolism)(异化作用)复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单小分子、ATP形式的能量和还原力的过程。主要内容第一节微生物的能量代谢第二节微生物独特合成代谢途径第三节微生物的代谢调节和发酵生产主要内容：一化能异养微生物的产能代谢二化能自养微生物的产能代谢三光合自养微生物的产能代谢第一节微生物的能量代谢能量代谢的目的：生物体把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源（ATP）。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物ATP一化能异养微生物的生物氧化生物氧化（biologicaloxidation）在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。氧化的形式包括：得氧、脱氢和失去电子。过程包括脱氢(电子)、递氢(电子)和受氢(电子)3个阶段。功能：产ATP，[H]，小分子中间代谢产物。类型：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。底物脱电子的四种方式以葡萄糖为例EMP途径（占大多数,又称糖酵解途径）葡萄糖经10步反应后生成2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP。（即相当于8个ATP）HMP途径（戊糖磷酸途径）葡萄糖通过该途径被彻底氧化，产生ADPH+H+及多种中间代谢产物。ED途径是存在于某些缺乏EMP途径的微生物中的一种替代途径，葡萄糖经4步反应后，生成丙酮酸、ATP、NADPH2、NADH2。TCA循环丙酮酸经10步反应彻底氧化、脱羧后，生成ATP,GTP,NADH2和CO2EMP途径(Embden-MyerhpfPathway)总式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP+2H2OC6→→→2C3→→→→→2NADH+H+丙酮酸4ATP→2ATP→耗能阶段产能阶段2ATPEMP途径的意义EMP途径的生理学功能①为合成代谢供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力②为合成代谢提供多种中间代谢产物③连接三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径的桥梁④通过逆向反应可进行多糖合成EMP途径与人类的关系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的发酵HMP途径：Pentosephosphatepathway，旧称HMP途径(Hexosemonophasphatepathway)，此途径存在于大多数生物体内。C7C4C5C5C5C6C3C6C36C6→→→6C5→→→→5C6→经一系列复杂反应后→重新合成己糖12NADPH6CO2→→→经呼吸链36ATP1ATP→35ATP总反应式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+PiHMP途径的意义微生物生命活动：1.供应合成原料戊糖磷酸：核酸、NADP、FAD、CoA等赤藓糖-4-磷酸：芳香族氨基酸2.产还原力：NADPH23.作为固定CO2的中介：核酮糖-5-磷酸4.扩大碳源利用范围：C3~C75.连接EMP途径：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸生产实践—重要发酵产物核苷酸氨基酸辅酶乳酸ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径与EMP途径相连与EMP途径相连有O2时与TCA相连无O2时进行酒精发酵特点：特征性反应:特征性酶：KDPG酶终产物2分子丙酮酸的来历不同产能效率底：1molATP/1molGlucose反应式：葡萄糖+NAD++NADP+Pi+ADP→2丙酮酸+NADH+H++NADPH+H++ATP具有ED途径的微生物Pseudomonassaccharophila(嗜糖假单胞杆菌)Ps.aeruginosa(铜绿假单胞杆菌)Ps.fluorescens(荧光假单胞杆菌)Ps.lindneri(林氏假单胞菌)Z.mobilis(运动发酵单胞菌)Alcaligenseutrophus(真氧产碱菌)丙酮酸的代谢的多样性EMP途径，不完全的HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸：进入TCA循环1.进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架2.发酵作用FermatationTCA循环C2C6C6C6C5C4C4C4C4C4丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。C3→→→CH3CO~CoA→FADH24NADH+H+1GTP3CO2呼吸链12ATP呼吸链2ATP1ATP底物水平从丙酮酸进入循环：丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP从乙酰-CoA进入循环：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP（1）循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2，并重新生成1分子草酰乙酸；（2）整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；（3）为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。（4）循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；（5）生物体提供能量的主要形式；（6）为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵。TCA循环的重要特点产能形式EMPHMPEDEMP+TCAATPGTP2122(2ATP)NADH+H+2(=6ATP)1(=3ATP)2+8*(=30ATP)NADPH+H+12(=36ATP)1(=3ATP)FADH22(=4ATP)净产ATP835**736~38***葡萄糖经不同途径后的产能效率*在TCA循环的异柠檬酸至-酮戊二酸反应中，有的微生物产生的是NADPH+H+**在葡萄糖转变为葡糖-6-磷酸过程中消耗1ATP***真核生物的呼吸链组分在线粒体膜上，NADH+H+进入线粒体要消耗2ATP。经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。递氢和受氢ATP的产生生物氧化的三种类型根据受氢体性质的不同，生物氧化可分为三种类型：有氧呼吸无氧呼吸发酵广义发酵任何利用微生物来生产大量菌体或有用代谢产物或食品饮料的一类生产方式狭义发酵在无氧等外源受氢体（外源最终电子受体）条件下，底物脱氢以后产生的还原力[H]未经过呼吸链传递而直接交给某一内源中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的生物氧化反应。C6H12O6→2CO2+2C2H5OH（一）发酵(fermentation)发酵的特点微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量；氢供体与氢受体(内源性中间代谢产物)均为有机物还原力[H]不经过呼吸链传递；产能方式：底物水平磷酸化反应。底物磷酸化：指在发酵过程中往往伴随着高能化合物生成，如EMP途径中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇氏丙酮酸，其可直接偶联ATP和GTP的产生。发酵产能是厌氧和兼性好氧菌获取能量的主要方式。多糖转化为单糖才能用于发酵。微生物直接发酵的碳源物质主要是葡萄糖和其它单糖，以微生物发酵葡萄糖最为重要。和底物脱氢的途径有关的和称为Stickland反应的四类重要发酵由EMP途径中丙酮酸出发的发酵通过HMP途径的发酵通过ED途径进行的发酵Stickland反应由EMP途径中丙酮酸出发的发酵由葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸，进一步降解形成各种发酵产物•（同型）酒精发酵（酿酒酵母）•同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）•丙酸发酵（丙酸杆菌）•混合酸发酵（大肠杆菌）•2,3-丁二醇发酵（产气肠杆菌）•丁酸发酵（丁酸梭菌）由丙酮酸出发的6条发酵途径①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵方框内为发酵产物由EMP途径中丙酮酸出发的发酵的意义工业发酵:大规模生产这些代谢产物；菌种鉴定:发酵中的某些独特代谢产物是鉴定相应菌种的重要生化指标。V.P.实验（Vogos-Prouskauertest）产气肠杆菌(E.aerogenes)产生乙酰甲基甲醇，碱性条件下氧化成双乙酰，与含有胍基的精氨酸反应，产生特征性的红色反应（呈V.P.阳性），而E.coli(与产气肠杆菌近缘)呈V.P.阴性，故极易区别两菌。通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵（Heterolacticfermentation）凡是葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵进行异型乳酸发酵的微生物•异型乳酸发酵的经典途径L.mesenteroides(肠膜明串珠菌)、L.cremoris(乳脂明串珠菌)、L.brevis(短乳杆菌)、L.fermentum(发酵乳杆菌)等•异型乳酸发酵的双歧杆菌途径Bifidobacteriumbifidum异型乳酸发酵的经典途径异型乳酸发酵的双歧途径2分子葡萄糖产生2分子乳酸，3分子乙酸，5分子ATP氨基酸发酵产能—Stickland反应什么是Stickland反应？以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型。氢供体氨基酸丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、组氨酸、色氨酸、丝氨酸等氢受体氨基酸甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、鸟氨酸以丙氨酸和甘氨酸为例：丙氨酸+甘氨酸+ADP+Pi→3乙酸+3NH3+CO2进行Stickland反应的微生物C.sporogenes（生胞梭菌）C.botulinum（肉毒梭菌）C.sticklandii（斯氏梭菌）该反应效率很低，一个分子的Aa只产生1个ATP。注：stickland反应对生长在厌氧和蛋白质丰富环境中的微生物非常重要，使其可以利用氨基酸作为碳源、能源和氮源，如生孢梭菌。和发酵产物有关的重要的发酵类型降解产物为乙醇（乙醇发酵）酵母菌和细菌可进行乙醇发酵。葡萄糖2丙酮酸2乙醛2乙醇脱羧酶酵母菌，八叠球菌的乙醇发酵：EMP运动发酵单孢菌和厌氧发酵单孢菌乙醇发酵：ED应用：酿酒乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、混合酸发酵、丁酸发酵等乙醇脱氢酶注：酵母菌乙醇发酵中，发酵条件对发酵过程与产物影响很大。如发酵过程中的通气状况、培养基组成及pH控制均对发酵终产物产生影响。乙醇发酵是一种厌氧发酵,如将厌氧条件改为好氧条件，葡萄糖分解速度降低，乙醇生成停止，这种有氧呼吸抑制发酵的现象称为巴斯德效应。当重新返回厌氧条件时，葡萄糖分解加速，伴随大量乙醇产生。酵母菌利用葡萄糖进行发酵的三种类型Ⅰ型发酵：即正常的乙醇发酵，在弱酸性条件下进行，1分子葡萄糖经发酵产生2分子乙醇和2CO2;Ⅱ型发酵：乙醇发酵中，在发酵培养基中加入适量NaHSO3,发酵转变为甘油发酵，形成大量甘油和少量乙醇。Ⅲ型发酵：乙醇发酵中，将发酵液pH改成弱碱性(pH7.6),发酵主产物为甘油,伴随产生少量乙醇、乙酸和CO2。糖化(糖化菌作用将淀粉---葡萄糖)发酵(酵母菌作用将葡萄糖---乙醇)蒸馏(得到乙醇,此外有杂醇油和酒糟)储藏勾兑白酒的制作勾兑：将各种蒸出的酒，经品尝后，分析各自的优缺点，按照一定比例进行混合，使得成品酒具有独特的风格的操作,实际上是勾兑基础酒和调味2个操作的总称。储藏：原因：储藏前的白酒具有刺激气味和辛辣味，不柔和，要储存半年以上才可饮用，储存的过程称为老熟。过程反应丙烯酸、硫化氢和硫醇等杂味物质的挥发，使得酒液品质变好，体积变小。发生一系列氧化、还原、酯化和缩