第五章微生物的代谢p.ppt

第五章 微生物的新陈代谢新陈代谢（metabolism） 简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和分解代谢 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）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用H来表示）的作用；合成代谢第一节 微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢的核心问题最初能源有机物化能异养菌日 光光能营养菌无机物化能自养菌通用能源（ATP）一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物三种 （有氧)呼吸生物氧化的类型： 无氧呼吸 发酵（一）、底物脱氢的四条主要途径 每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能 HMP1.EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway） EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphate pathway） 可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADHH+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤 己糖激酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶丙糖磷酸异构酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶磷酸二羟丙酮EMP途径 2NADHH+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物乙醛而产生乙醇 底物水平磷酸化是指底物在氧化过程中产生某些比ATP水解时放出更多自由能的高能化合物中间体，这种高能化合物可以将键能交给ADP使之磷酸化，产生ATP。

EMP途径：1，3-二磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸生理功能与特点F 供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力；F 连接其他几个重要代谢途径的桥梁；F 为生物合成提供多种中间代谢物；F 通过逆向反应可进行多糖合成；F 整个EMP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 2、HMP途径(hexosemonophosphate pathway) 已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径.(碳架重排途径) 这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPHH+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径 无氧参与HMP途径总式6 ATP 12NADPH+H+ 呼吸链 36ATP 35ATP6C6 6C5 5C6 6CO2HMP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； 产生大量的NADPH2形式的还原剂； 通过EMP途径与本途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂对戊糖的需要； 作为自养微生物固定CO2的中介（Calvin循环）； 由于在反应中存在着C3C7的各种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广； 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。

3、ED途径（Entner-Doudoroff pathway） 又称为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径 ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现 特点是：葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸 在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 ED途径利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物KDPG （ 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸），两分子丙酮酸来源不同 所产生的丙酮酸对微好氧菌可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇，称作细菌酒精发酵 ED途径细菌酒精发酵优点：l代谢速率高；l产物转化率高；l菌体生成量少；l代谢副产物少；l发酵温度高；l不定期供氧缺点：l生长pH较高，易污染杂菌；l对乙醇的耐受力较低意义： ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径； 通过与EMP途径、HMP途径和TCA循环等代谢途径相连，相互协调满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。

4、三羧酸循环（tricarboxylicacid cycle） 又称TCA循环 它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用 在原核生物例如细菌中，大多数TCA循环酶都存在于细胞质内 TCA循环的特点l 必须在有氧条件下进行；l 产能效率极高（15ATP）；l 位于分解代谢和合成代谢的枢纽地位二）、递氢和受氢 根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成呼吸（有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类型 1、呼吸（respiration） 最普遍和最重要的生物氧化方式 其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链（又称电子传递链）递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量 呼吸链定义： 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（或电子）传递体功能：l 把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递到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l 在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应相偶联，就可产生ATP形式的能量氧化磷酸化 又称电子传递磷酸化：呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶连并产生ATP的作用。

氧化磷酸化产生ATP的机制 化学渗透学说化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis）形成质子梯度差 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外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布的不均衡，这种梯度差是产生ATP能量的来源；ATP能量的产生 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呼吸链的组成 组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，都是一些含有辅酶或辅基的酶 每种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定呼吸链的组分及其所处的状态呼吸链的主要组分都是类似的，一般为NAD（P） FP FeS CoQ Cyt b Cyt c Cyt a Cyt a3 NAD和NADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP） 某些脱氢酶含有NAD+或NADP+形式的辅酶，能从还原性底物上移出1个氢离子（质子）和2个电子，而变成还原态的NAD（P）H+H+ FAD和FMN 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）黄素单核苷酸（FMN）FAD和FMN是一类称为黄素蛋白（FPflavoprotein）的脱氢酶的辅基 FAD（ FMN ）+2H = FADH2（ FMNH2）Fe-S 铁硫蛋白（Fe-S） 这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫的中心部分； 铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，参与膜上的电子传递； 在呼吸链中的“2Fe+2S”中心每次仅能传递一个电子。

泛醌（辅酶Q） 一类脂溶性的氢载体； 广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上； 在呼吸链中的功能是传递氢； 在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多1015倍； 其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢（还原力H）的作用，然后再将它们传递给细胞色素系统细胞色素系统 细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是传递电子而不是传递氢； 它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质子推到线粒体膜（真核生物）或细胞膜（原核生物）外的溶液中； 细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成多种类型，如cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等； 它们都有血红素作为辅基，而血红素则通过其分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子； 细胞色素a3即细胞色素氧化酶，它是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，从而把氧分子激活P/O比（ATPmol / Omol） 表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低例：以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由2H产生3ATP， P/O比为3；以琥珀酸为底物时，其脱氢酶辅基是FP，2H只产生2ATP， P/O比为2ATP synthase原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主要特点（1）氧还载体的取代性强：如Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等；（2）氧还载体的数量可增可减，如E.coli的细胞色素就有9种以上；（3）有分支呼吸链的存在：呼吸链后端细胞色素系统中就有许多分支类型。

2、无氧呼吸（anaerobic respiration）又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化特点是底物经常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应硝酸盐呼吸（nitraterespiration） NO3-+2H+2e- NO2-+H2O N2 又称反硝化作用（denitrification） 能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物 硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能 ：l一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用；l二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O、直至N2的过程，称为异化性硝酸盐还原作用，也称硝酸式盐呼吸 硫酸盐呼吸（sulfaterespiration） 把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体的一种厌氧呼吸 这是一种异化性的硫酸盐还原作用 硫酸盐还原的最终产物是H2S，自然界中的大多数H2S是由这一反应产生的例：脱硫弧菌 2乳酸+ H2SO4 2乙酸+2CO2+2H2O+ H2S 硫酸盐还原细菌往往是一些专性厌氧菌硫呼吸（sulphurrespiration） 一种无氧呼吸类型。

其过程为：无机硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还原成H2S 碳酸盐呼吸（carbonate respiration） 以CO2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸； l 一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸l 另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸延胡索酸呼吸（fumarate respiration） 延胡索酸作为无氧呼吸链的末端氢受体，琥珀酸是延胡索酸的还原产物3、发酵（fermentation） 在发酵工业上 发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式 在生物氧化或能量代谢中 发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力H不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 由酿酒酵母进行的酵母型酒精发酵 由德氏乳杆菌等进行的同型乳酸发酵 谢氏丙酸杆菌进行的丙酸发酵 Ecoli等进行的混合酸发酵 产气肠杆菌等进行的2，3-丁二醇发酵 各种厌氧梭菌所进行的丁酸型发酵 大肠杆菌：产气气杆菌：V.P.试验阳性甲基红试验阴性V.P.试验阴性甲基红试验阳性通过HMP途径的发酵 异型乳酸发酵（heterolactic fermentation） 凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵； 一些异型发酵乳酸杆菌因缺乏EMP途径中的若干重要酶醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。

Leuconostoc mesenteroids（肠膜明串珠菌）的发酵途径经典途径：l 葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和CO2 ；l 核糖的发酵产物为乳酸和乙酸；l 果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、CO2和甘露醇 核糖双歧杆菌途径（Bifidobacterium bifidum）双歧杆菌可把葡萄糖发酵为乳酸和乙酸（2葡萄糖2乳酸+3乙酸+ 5ATP）乳酸发酵 同型乳酸发酵反应式为： C6H12O62ADP2CH3CHOHCOOH2。