第五章微生物的新陈代谢

1第五章微生物的新陈代谢本章重点:新陈代谢的概念、特点；新陈代谢的基本内容。本章难点：物质代谢、能量代谢的基本内容、联系及特点；分解代谢、合成代谢的基本内容、联系及特点。建议学时：8学时新陈代谢：简称代谢，广义的代谢——生命体进行的一切化学反应。是指发生在活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。其中，分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸(ATP)形式的能量或还原力(或称还原当量，以[H]表示)的作用；合成代谢则与分解代谢相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量与[H]形式的还原力一起合成大分子的过程。代谢的类型：1、能量代谢和物质代谢2、分解代谢和合成代谢分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）。二者关系：合成代谢与分解代谢在生物体中偶联进行，它们之间既有明显差别，但又紧密相关。分解代谢为合成代谢提供所需要的能量和原料，而合成代谢则是分解代谢的基础。3、初级代谢和次级代谢初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。次级代谢：某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。第一节微生物的能量代谢微生物对能量利用：一、化能异养微生物的生物氧化和产能（一）生物氧化1、概念：生物氧化是指发生在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。2、生物氧化与燃烧的比较2（1）相同点：它们的总效应都是通过有机物的氧化反应而释放出其中的化学潜能。（2)不同点：生物氧化需要酶的参与，反应条件温和，为多步式梯级反应，产生的能量大部分为ATP，且能量利用率高；而燃烧则不需要酶的参与，反应条件激烈，为一步式快速反应，其产能形式为发光、发热，且能量利用率低。3、生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或失去电子4、生物氧化的过程：分为脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三阶段。5、生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力[H]（使许多还原型辅酶Ⅰ得到了再生）和产小分子中间还原产物。6、生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵其划分依据是根据递氢的特点特别是氢受体性质的不同。（二）底物脱氢的四条途径1、EMP途径总反应途径为：总反应式为：C6H12O6＋2NAD+＋2(ADP+Pi)→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2＋2H2OEMP途径的关键酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶，它开始时消耗ATP，后来又产生ATP，总计起来，每分子葡萄糖通过EMP途径净合成2分子ATP，产能水平较低。EMP途径的意义：31）生理意义：在无氧条件下，整个HMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。2）实践意义：用于多种发酵产品的生产。2、HMP途径：完全HMP途径的总反应途径为：HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖—5—磷酸和CO2；②核酮糖—5—磷酸异构化或表异构化而分别产生核糖—5—磷酸和木酮糖—5—磷酸；③上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TcA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。HMP途径的意义：1)生理意义2)实践意义4通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸等。3、ED途径总反应途径：总反应式：C6H12O6＋ADP+Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH+ATP+NADPH＋H+＋NADH＋H+ED途径的意义：1)生理意义：是少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径；可与EMP途径、HMp途径和TcA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，2)实践意义：细菌酒精发酵。细菌酒精发酵的特点；4、三羧酸循环总反应途径：TCA环的总反应式为：5CH3COSCoA+2O2+12(ADP+Pi)→2CO2+H2O+12ATP+CoATCA环产生能量的水平是很高的，每氧化一分子乙酰CoA，可产生12分子ATP。葡萄糖经EMP途径和TCA环彻底氧化成CO2和H2O的全部过程为：TCA循环的意义：（1）生理意义：在一切分解代谢和合成代谢中占有枢纽地位，在动植物和微生物细胞中普遍存在，不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要生理意义（2）实践意义：与微生物大量发酵产物如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关。柠檬酸是葡萄糖经TCA循环形成的最有代表性的发酵产物。葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率6（三）递氢和受氢1、呼吸呼吸是指底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量(ATP)的生物氧化方式。呼吸必须在有氧条件下进行，因此又叫有氧呼吸。（1）什么是呼吸链？呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢传递体(或电子传递体)，其功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，造成一个跨膜电子动势从而推动了ATP的合成。（2）呼吸链重要组分及功能：NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类和铁硫蛋白外，都是一些含有辅酶或辅基的酶。7（3）与真核生物比较原核生物细胞膜上呼吸链的特点：1)氧还载体的取代性强；2)氧还载体的数目可增可减；3)有分支呼吸链的存在。（4）氧化磷酸化1)什么是氧化磷酸化？又称电子传递磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。2)氧化磷酸化形成ATP的机制：a.化学渗透学说在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至膜的外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布不均衡，亦即形成了质子梯度差（或质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果，一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。因此，可把质子梯度差理解为一个高水位的水源，而把ATP酶比喻为一台水轮发电机，由此产生的电流立即贮存于蓄电池中，这种充足电的蓄电池就是ATP。8b.ATP合成酶合成ATP的构象假说上述比喻在近年已经得到分子水平上的证明。在1970年代，学者们已发现ATP合成酶由基部（埋于线粒体内膜）、头部（伸向膜内）和颈部（头部和基部相连处）3部分组成。头部为ATP合成酶的催化中心，它有3个催化亚基（β亚基）。3个β亚基存在3种构象变化：一种有利于ADP与Pi结合，另一种使结合的ADP与Pi合成ATP，第三种则可使ATP释放。这3种β亚基在跨膜质子梯度即H+流的推动卜，通过转动、构象交替变化，不断合成ATP。因此ATP合成酶就是一架精巧的分子水轮机，其3个亚基即为3个水轮叶片。（5）P/O比：P/O比指当一对电子通过呼吸链、传至氧所产生的ATP分子数，它表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。2、无氧呼吸（1）概念：无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。无氧呼吸在无氧条件下进行，产能效率较低。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸等）受氢。（2）种类93、发酵（分子内呼吸）（1）发酵的生物学定义：无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链而直接传递给某一中间代谢物的低效产能反应。在此过程中，有机物是氧化基质，又是最终氢受体，且是未彻底氧化产物，结果仍积累有机物，产能少。（2）类型：1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵：a.同型酒精发酵酵母无氧条件：G→丙酮酸→乙醛→乙醇此属正常形式，称Ⅰ型发酵，亦称同型酒精发b.同型乳酸发酵发酵产物中只有乳酸，经EMP途径，称为同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）。G+2ADP+2Pi→2乳酸+2ATPc.丙酸发酵由丙酸细菌Propionibacterium，与乳酸细菌相似，发酵产物有丙酸、乙酸、CO2。丙酸→丙酸钙（防腐剂）d.混合酸发酵肠杆菌特征，产物有甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸，还有CO2、H2、少量2，3-丁二醇、乙酰甲基甲醇、甘油等。其中两个重要的鉴定反应：(a)V．P．实验（Vagex-Proskauer）产气气杆菌产2，3-丁二醇比较多，碱性条件下可氧化为二乙酰，再与肌酸或胍类衍生物缩合成红色物质，若加入α-萘酚、肌酸可促进反应，此称VP反应。大肠杆菌不产生或少产生2，3-丁二醇，VP反应阴性。(b)甲基红（M.R）反应肠杆菌产酸多，使pH降至4.2,甲基红由黄变红，反应阳性。产气气杆菌产2，3-丁二醇，产酸少（pH5.3），甲基红反应阴性。10(c)另外，甲酸只在碱性环境下积累（pH7.3）,而pH6.2以下，不产甲酸，HCOOH→CO2+H2。甲酸脱氢酶与氢化酶联合作用。伤寒杆菌无甲酸脱氢酶，只产酸不产气。e.丁酸型发酵Clostridium所进行，特点是产物中都有丁酸。不同种类因酶系统不同，最终产物除丁酸外，还有其他产物。重要的有丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、丁醇异丙醇发酵。f.醋酸发酵好氧性的醋酸细菌进行的是好氧性的醋酸发酵，在有氧条件下，能将乙醇直接氧化为醋酸，是醋酸细菌的好氧性呼吸，其氧化过程是一个脱氢加水的过程。厌氧性的醋酸细菌进行的是厌氧性的醋酸发酵，其中热醋酸梭菌能通过EMP途径发酵葡萄糖，产生3Ｍ醋酸。研究证明该菌只有丙酮酸脱羧酶和COM，能利用CO2作为受氢体生成乙酸。总反应式：C6H12O6+4(ADP+Pi)→3CH3COOH+4ATP2）通过HMP途径的发酵a.异型乳酸发酵a）概念：凡葡萄糖发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵。经HMP途径。如肠膜状明串珠菌Leuconostocmesenteroides总反应式：异型：G+ADP+Pi→1乳酸+乙醇+CO2+ATP真菌：丙酮酸→2分子乙醇→琥珀酸→延胡索酸→苹果酸→乳酸b）类型：经典途径：111分子葡萄糖发酵产生1分子乳酸，1分子乙醇和1分子CO2，并且只产生1分子ATP。总反应式如下：C6H12O6＋ADP+Pi→CH3CHOHCOOH＋CH3CH2OH＋CO2+ATP双歧杆菌途径：将2分子葡萄糖发酵为2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP，总反应式为：2C6H12O6＋5ADP+5Pi→2CH3CHOHCOOH＋3CH3COOH＋5ATP12b.细菌异型酒精发酵，通过HMP途径进行，产生1分子乙醇和1分子乳酸。3)通过ED途径进行的发酵—细菌的同型酒精发酵细菌同型酒精发酵，ED途径进行，产生2分子乙醇。4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为stickland反应。stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。氨基酸为氢受体而产能的独特的发酵类型，其产能效率低，每分子氨基酸仅产1分子ATP。③发酵中的产能反应——底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指在生物氧化过程中产生一些含有高能磷酸键的化合物如TCA循环中的GTP，EMP途径中的1，3—二磷酸甘油酸、PEP等，并且这些高能磷酸化合物的高能磷酸键键能可以直接偶联ATP合成。二、自养微生物的生物氧化和产能13（一）化能自养微生物的生物氧化和产能1、产能机制：氧化磷酸