10,11,12-微生物的代谢

第五章微生物新陈代谢第五章微生物的代谢第一节微生物的能量代谢第二节分解代谢和合成代谢的联系第三节微生物特有的合成代谢途径第四节微生物次级代谢与次级代谢产物第五节微生物代谢与生产实践代谢概论代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]一、化能异养微生物的生物氧化与产能过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）功能：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。第一节微生物的产能代谢——将最初能源转换成通用的ATP过程生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中（一）底物脱氢的途径（一）EMP途径EMP途径特点：葡萄糖分子经转化成1，6—二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。反应步骤：10步反应简式：耗能阶段产能阶段2NADH+H+C62C32丙酮酸2ATP4ATP2ATP总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。1.EMP途径2、HMP途径HMP途径的重要意义•为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。•产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。•与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。•途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。•途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。•通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。•HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在Pseudomonassaccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。3、ED途径ED途径ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸~~激酶（与EMP途径连接）~~氧化酶(与HMP途径连接)EMP途径3-磷酸-甘油醛~~脱水酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途径丙酮酸~~醛缩酶有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵（五）TCA循环4、三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。主要产物：4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底物水平）ATP3CO2在物质代谢中的地位：枢纽位置工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸C3CH3CO~CoA呼吸链呼吸链TCA循环的重要特点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；Glu发酵等。二、递氢、受氢和ATP的产生★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD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。★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：没有任何外援的最终氢受体的生物氧化；呼吸作用：有外援的最终氢受体的生物氧化模式；★呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2;无氧呼吸——最终电子受体是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等.呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6[H]A[H][H]B[H]CA、B或CAH2，BH2或CH2[H]（发酵产物：乙醇、CO2乳酸等）脱氢递氢受氢经呼吸链①呼吸②无氧呼吸③发酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH41、呼吸（respiration）——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或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸（aerobicrespiration）无氧呼吸（anaerobicrespiration）自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化还原势氧化态还原态还原态氧化态氧化态还原态还原态醌氧化态氧化态还原态脱氢酶NADFADH2H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平高氧化还原势FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3氧化酶特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用特点：a有其完整的呼吸系统；b只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需的硝酸盐还原酶c兼性厌氧细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2无氧呼吸（厌氧呼吸）硝酸盐作用同化性硝酸盐作用：NO3-NH3R-NH2异化性硝酸盐作用：无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体NO3-NO2NON2ON2反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）——厌氧时，SO42-、SO32-、S2O32-等为末端电子受体的呼吸过程。特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌c、最终产物为H2S；SO42-SO32-SO2SH2Sd、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作为氢供体或电子供体；e、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）硫呼吸（硫还原）——以元素S作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）——以CO2、HCO3-为末端电子受体其他类型无氧呼吸——以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末端电子受体的无氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。定义广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢（电子）受体的产能过程特点：1）通过底物水平磷酸化产ATP；2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；3）产能率低；4）产多种发酵产物。3、发酵（fermentantion）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丁酸发酵丙酮酸的发酵产物1）乙醇发酵a、酵母型乙醇发酵1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP（EMP）b、细菌型乙醇发酵(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)同型酒精发酵1G2丙酮酸代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.（EDorEMP）2乙醇+1ATP异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸+乙酰--CoA2）乳酸发酵同型乳酸发酵（德氏乳杆菌、植物乳杆菌等）——EMP途径（丙酮酸乳酸）异型乳酸发酵第二节分解代谢与合成代谢的联系•12种中间代谢物•葡萄糖-1-P葡萄糖-6-P二羟丙酮-P3-P-甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸由EMP途径产生第二节分解代谢与合成代谢的联系•核糖-5-P赤藓糖-4-P由HMP途径产生乙酰-COA草酰乙酸α-酮戊二酸琥珀酰-COA由TCA循环产生一.两用代谢途径••合成细胞物质分解产能EMP途径TCA循环二.代谢物回补途径回补（10条途径）磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸乙醛酸循环---回补途径之一•••乙醛酸柠檬酸草酰乙酸苹果酸琥珀酸异柠檬酸乙酰COA乙酰COA第三节微生物独特代谢•一.自养微生物CO2的固定•1、Calvin循环•2、厌氧乙酰-COA途径•3、逆向TCA循环•4、羟基丙酸途径•卡尔文循环（Calvincycle）的三个阶段羧化反应3个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2固定,并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。还原反应3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛（通过逆向EMP途径产生）。CO2受体的再生1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄糖，其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖-1,5-二磷酸分子。Calvincycle还原性三羧酸循环途径4C厌氧乙酰-CoA途径羟基丙酸途径Amphibolicpathway两用代谢途径EMP、HMP和TCA循环Anapleroticsequence代谢物回补顺序指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应Glyoxylatecycle乙醛酸循环Glyoxylatecycle乙醛酸循环1、固氮微生物的种类一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能固氮的微生物。根际—芽孢杆菌属；叶面—固氮菌属。二、固氮作用2、固氮机制1）固氮反应的条件aATP的供应：1molN2—10~15ATPb还原力[H]及其载体氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧还蛋白（Fld）。c固氮酶组分I：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd）组分II：固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮铁氧还蛋白（AzoFd）特性：对氧极为敏感；需有Mg2+的存在；专一性：除N2外，可还原其他一些化合物C2H2—C2H4；2H+—H2；N2O—N2；HCN—CH4+NH3（乙炔反应：可用来测知酶活）d还原低物N2：NH3存在时会抑制固氮作用。N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pia、固氮酶的形成e—组分II—组分II（e）—Mg—ATP组分I+N2—I—N2b、固氮阶段N2*—2NH3+H2即75%还原力用来还原N2，25%的还原力以H2形式浪费2）固氮生化过程Fd，Fld+固氮酶（1：1复合物）固氮生化途径3、好氧性固氮菌的防氧机制固N酶遇氧不可逆失活（组分I，半衰期10’；组分II，45”丧失一半活性）（1）自身固N菌a呼吸保护固N菌科的固N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。b构象保护高氧分压环境，固氮酶能形成一无固N活性但能防止氧损伤的特殊构象。构象保护的蛋白质——Fe-s蛋白II氧压增高，固氮酶与Fe—s蛋白II结合，构象变化，丧失固N能力；氧浓度降低，蛋白自酶上解离(2)蓝细菌保护固N酶机制a分化出特殊的还原性异形胞（——适宜固氮作用的细