第五章微生物代谢教学课件

微生物的代谢微生物的代谢代谢概论代谢概论代谢代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称细胞内发生的各种化学反应的总称代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)复杂分子复杂分子(有机物有机物)分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPH第一节第一节 微生物的代能量谢微生物的代能量谢一切生命活动都是耗能反应一切生命活动都是耗能反应,因此因此,能量代能量代谢是一切生物代谢的核心问题。谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务能量代谢的中心任务,是生物体如何把外界是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一环境中的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切生命活动都能使用的通用能源-ATP.最初最初能源能源有机物有机物还原态无机物还原态无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通用能源通用能源（ATP）一一 生物氧化生物氧化 生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称性氧化反应的总称.生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种氢或脱电子三种.生物氧化的功能为：产能（生物氧化的功能为：产能（ATP）、）、产还产还原力原力H和产小分子中间代谢物和产小分子中间代谢物.（一）、底物脱氢的四条主要途径（一）、底物脱氢的四条主要途径vEMP途径，又称糖酵解途径途径，又称糖酵解途径vHMP途径，又称己糖途径，又称己糖-磷酸途径磷酸途径vED途径，又称途径，又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂磷酸葡萄糖酸裂解途径解途径vTCA循环，即三羧酸循环循环，即三羧酸循环1、葡萄糖的、葡萄糖的 酵解作用酵解作用 (又称：Embden -Meyerhof -Parnas途径，简称：EMP途径途径)活化活化移位移位 氧化氧化磷酸化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶磷酸果糖激酶 EMP途径的关键酶，在生物中有此酶就途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着存在意味着存在EMP途径途径 需要需要ATP和和Mg+在活细胞内催化的反应是不可逆的反应在活细胞内催化的反应是不可逆的反应3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脱氢酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸变位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(丙酮酸激酶)4、脱氢氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化2、HMP途径v 葡萄糖葡萄糖 ATP ADP 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 NAD(P)+NAD(P)H+H+6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 NAD(P)+NAD(P)H+H+CO2 5-磷酸磷酸-核酮糖核酮糖v 5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖 5-磷酸磷酸-核酮糖核酮糖 5-磷酸磷酸-核糖核糖 v 5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖+5-磷酸磷酸-核糖核糖 TK 6-磷酸磷酸-景天庚酮糖景天庚酮糖+3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 TA 6-磷酸磷酸-果糖果糖+4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖 4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖+5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖 TK 6-磷酸磷酸-果糖果糖+3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛注：注：TK为转羟为转羟乙醛酶乙醛酶 TA为转二羟丙酮基酶为转二羟丙酮基酶HMP途径降解葡萄糖的三个阶段 HMP是是一条葡萄糖不经一条葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径物的代谢途径 1.葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸磷酸和和CO2 2.核酮糖核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-磷酸磷酸 3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMP途径的总反应 耗能阶段耗能阶段 C6 2C3 产能阶段产能阶段 4 4 ATP 2ATP 2C3 2 丙酮酸丙酮酸 2NADH2C C6 6H H1212O O6 6+2NAD+2NAD+2ADP+2Pi 2CH+2ADP+2Pi 2CH3 3COCOOH+2NADHCOCOOH+2NADH2 2+2H+2H+2ATP+2H+2ATP+2H2 2O O HMP途径的总反应6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+PiHMP途径的生理意义v为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸v产生大量的NADPH2，一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量v四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成v在反应中存在3-7碳糖，使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛v通过该途径可产生许多发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等3、Pk途径 Pk途径又称磷酸解酮酶途径，它们催化的反应分别为：途径又称磷酸解酮酶途径，它们催化的反应分别为：5-磷酸木酮糖（果糖磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸）磷酸）磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶）磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶）乙酰磷酸乙酰磷酸 磷酸甘油醛（磷酸磷酸甘油醛（磷酸-4-赤藓糖）赤藓糖）乙酸乙酸 丙酮酸丙酮酸 与与HMP途径相连途径相连 乳酸乳酸 许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式方式4、ED途径 ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 激酶激酶 （与（与EMP途径连接）途径连接）氧化酶氧化酶 (与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 有氧时与有氧时与TCA环连接环连接 无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵 ED途径的总反应 ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸丙酮酸 6ATP 2乙醇乙醇 (有氧时经过呼吸链有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）无氧时进行细菌乙醇发酵）ED途径的特点 ED途径的特征反应是途径的特征反应是2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 ED途径的特征酶是途径的特征酶是2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛缩酶醛缩酶 ED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经甘油醛经EMP途径转化而来途径转化而来 1摩尔葡萄糖经摩尔葡萄糖经ED途径仅产生途径仅产生1摩尔摩尔ATP 此途径主要存在与此途径主要存在与Pseudomonas,好氧时与好氧时与TCA循环相循环相连，厌氧时进行乙醇发酵连，厌氧时进行乙醇发酵二、递氢、受氢和ATP的产生根据葡萄糖脱氢后，递氢过程，尤其是受氢体的不同，根据葡萄糖脱氢后，递氢过程，尤其是受氢体的不同，生物氧化可分为下列三种类型：生物氧化可分为下列三种类型：生物氧化反应生物氧化反应发酵发酵呼吸呼吸有氧呼吸有氧呼吸厌氧呼吸厌氧呼吸1.呼吸作用呼吸作用呼吸作用与发酵作用的根本区别：呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降电子载体不是将电子直接传递给底物降 解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐 步释放出能量后再交给最终电子受体。步释放出能量后再交给最终电子受体。(1)有氧呼吸有氧呼吸葡萄糖葡萄糖糖酵解作用糖酵解作用丙酮酸丙酮酸发酵发酵有氧有氧无氧无氧各种发酵产物各种发酵产物三羧酸循环三羧酸循环被彻底氧化生成被彻底氧化生成CO2和水和水,释放大量能量释放大量能量.二、异养微生物的生物氧化 有氧呼吸：有氧呼吸：电子传递链电子传递链 氧分子氧分子最终电子受体最终电子受体（2 2）无氧呼吸）无氧呼吸v概念概念：一类呼吸链末端的氢受体为外源：一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。较低的特殊呼吸。无氧呼吸的最终电子受体不是氧无氧呼吸的最终电子受体不是氧,而是而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物等无机物,或延或延胡索酸胡索酸（fumarate）等有机物等有机物.由于部分能量随电子转移传给最终电子受由于部分能量随电子转移传给最终电子受体体,所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多.无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体,并并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用,也能产生较多的能量用于生命活动。也能产生较多的能量用于生命活动。无氧呼吸（anaerobic respiration）v无氧呼吸的类型 硝酸盐呼吸：NO3-NO2-,NO,N2 无机盐呼吸 硫酸盐呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S 硫 呼 吸：S0 S-2 碳酸盐呼吸 CO2,HCO3-CH3COOH CO2,HCO3-CH4 延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸3.发酵发酵(fermentation)有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物氧化的某种中间产物,同时释放能量并产生各同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。种不同的代谢产物。有机化合物只是部分地被氧化有机化合物只是部分地被氧化,因此因此,只释只释放出一小部分的能量。放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在在一起的一起的.被还原的有机物来自于初始发酵被还原的有机物来自于初始发酵的的分解代谢分解代谢,即不需要外界提供电子受体。即不需要外界提供电子受体。v常见的发酵种类：由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵 乙醇发酵，同型乳酸发酵，丙酸发酵，2,3-丁二醇发酵，混合酸发酵，丁酸型发酵 通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵通过ED途径进行的发酵细菌的酒精发酵（异型酒精发酵）酒精（乙醇）发酵v 酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 脱羧酶 脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇v 细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATPv 细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵 通过WD途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP 同型酒精发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵 异型乳酸发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵乳酸发酵同型乳酸发酵同型乳酸发酵：通过通过EMP途径仅产生乳酸的发酵途径仅产生乳酸的发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵：通过：通过HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、乙途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵酸等有机化合物的发酵异型乳酸发酵途径2葡萄糖葡萄糖 2ATP 2ADP果糖果糖-6-磷酸磷酸 果糖果糖-6-磷酸磷酸 转醛酶转醛酶 磷酸解酮酶磷酸解酮酶 转酮酶转酮酶 赤藓糖赤藓糖-4-磷酸磷酸 乙酰磷酸乙酰磷酸 ADP 木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸 ATP 乙酸乙酸 异型乳酸(乙醇)发酵途径5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖 磷酸磷酸(戊糖戊糖)解酮酶解酮酶 乙酰磷酸乙酰磷酸 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 ADP Pi+2ADP 2ATP 乙酰乙酰CoA 磷酸激酶磷酸激酶 NADH2 ATP 乙醛乙醛 乙酸乙酸 NADH2 NADH2 乙醇乙醇 乳酸乳酸混合酸发酵v 概念：通过概念：通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和和CO2等多种代谢产物，由于等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。v 发酵途径：发酵途径：磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 草酰乙酸草酰乙酸 2丙酮酸丙酮酸 乳酸乳酸甲酸裂解酶甲酸裂解酶 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸 甲酸氢解酶甲酸氢解酶 乙酰乙酰-P CO2+H2 乙酸乙酸+ATP 4、电子传递与氧化呼吸链电子传递1、部位：电子传递链在真核细胞发生在线粒体部位：电子传递链在真核细胞发生在线粒体内膜上，在原核细胞发生在质膜上。内膜上，在原核细胞发生在质膜上。2、成员成员：电子传递是从：电子传递是从NAD到到O2，电子传递链电子传递链中的电子传递体主要包括中的电子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞细胞色素色素b、c 1 c a a和一些铁硫旦白。这和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如化还原电势大小排列，电子传递次序如下：下：MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v)(0.0v)C1 C a a3 O2 H2O (+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中呼吸链中NAD+/NADH的的E0值最小，而值最小，而O2/H2O的的E0值最大，所以，电子的传递方值最大，所以，电子的传递方向是从向是从NADH 。上述反应式表明还原型辅酶的氧化，氧的上述反应式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。消耗，水的生成。NADH+H+和和FADH2的氧化，的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。酶顺坡而下，直至转移到分子氧。电子传递伴随电子传递伴随ADP磷酸化成磷酸化成ATP全过程又全过程又称为氧化呼吸链。称为氧化呼吸链。细胞色素类细胞色素类 细胞色素类是含细胞色素类是含Fe电子传递体。铁原子处于卟电子传递体。铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。细胞色素以血红素作啉的结构中心，构成血红素。细胞色素以血红素作为辅基。为辅基。线粒体的电子传递链至少含有线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色种不同的细胞色素，称为细胞色素素，称为细胞色素b，c c a a3。细胞色素细胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。整合在一起存在。细胞色素细胞色素a a3以复合物形式存在，称为细胞色素氧以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。细胞色素化酶。细胞色素a a3含有两个必需的铜原子。由还含有两个必需的铜原子。由还原型原型a3将电子直接传递给分子氧。将电子直接传递给分子氧。电子从电子从CQ传到传到b c c1，Fe-S旦白旦白,a a3。三能量转换三能量转换1、光合磷酸化（、光合磷酸化（photophosphorylation）光能转变为化学能的过程：光能转变为化学能的过程：当一个叶绿素分子吸收光量子时当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶绿叶绿素性质上即被激活素性质上即被激活,导致其释放一个电子导致其释放一个电子而被氧化而被氧化,释放出的电子在电子传递系统释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量中的传递过程中逐步释放能量,这就是光这就是光合磷酸化的基本动力。合磷酸化的基本动力。光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生子传递系统产生ATP（1）环式光合磷酸化）环式光合磷酸化光合细菌主要通过环式光合磷酸化光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生作用产生ATP不是利用不是利用H2O,而是利用还原态的而是利用还原态的H2、H2SH2S等作为还原等作为还原CO2的氢供体的氢供体,进行不进行不产氧的光合作用产氧的光合作用非环式光合磷酸化的反应式：非环式光合磷酸化的反应式：2NADP+2ADP2Pi2H2O 2NADPH2H+2ATPO2（2）非环式光合磷酸化）非环式光合磷酸化产氧型光合作用产氧型光合作用(绿色植物、蓝细菌绿色植物、蓝细菌)总结总结化能营养型化能营养型光能营养型光能营养型底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化通过光合磷酸化将光能转通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于变为化学能储存于ATP中中第二节第二节 微生物初级代谢与次级代谢微生物初级代谢与次级代谢初级代谢：初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质微生物从外界吸收各种营养物质,通过分解通过分解代谢和合成代谢代谢和合成代谢,生成维持生命活动所必需生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程的物质和能量的过程,称为初级代谢。称为初级代谢。次级代谢：次级代谢：某些生物为了避免在初级代谢过程某种中某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的一间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型类有利于生存的代谢类型.可以认为是某些可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式应生存的方式.通过次级代谢合成的物通常通过次级代谢合成的物通常称为次级代谢产物称为次级代谢产物,大多是分子结构比较复大多是分子结构比较复杂的化合物杂的化合物.根据其作用根据其作用,可将其分为抗生素可将其分为抗生素激素、生物碱、毒素及维生素等类型。激素、生物碱、毒素及维生素等类型。次级代谢产物一般对产生者自身的生命活次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能动无明确功能,不是机体生长与繁殖所必需不是机体生长与繁殖所必需的物质的物质,也有人把超出生理需求的过量初级也有人把超出生理需求的过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物。代谢产物也看作是次级代谢产物。次级代谢产物通常都分泌到胞外次级代谢产物通常都分泌到胞外,有些与机有些与机体的分化有一定的关系体的分化有一定的关系,并在同其它生物的并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用生存竞争中起着重要的作用.许多次级代谢许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。影响。初级代谢与初级代谢的关系：初级代谢与初级代谢的关系：1 1、存在范围及产物类型不同、存在范围及产物类型不同2 2、对产生者自身的重要性不同、对产生者自身的重要性不同初级代谢产物初级代谢产物,如单糖或单糖衍生物、核苷如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物大分子聚合物,蛋白质、核酸、多糖、脂类蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质等通常都是机体生存必不可少的物质,只要只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍障碍,轻则引起生长停止、重则导致机体发轻则引起生长停止、重则导致机体发生突变或死亡生突变或死亡.次级代谢产物次级代谢产物对于产生者本身来说对于产生者本身来说,不是机不是机体生存所必需的物质体生存所必需的物质,即使在次级代谢的某即使在次级代谢的某个环节上发生障碍个环节上发生障碍.不会导致机体生长的停不会导致机体生长的停止或死亡止或死亡,至多只是影响机体合成某种次级至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力代谢产物的能力.