第五章 微生物代谢

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节,微生物的能量代谢,二个问题：,一、,ATP,的合成途径,二、微生物的分解代谢,物质代谢：侧重于物质转换过程。,能量代谢：研究微生物如何一步一步把自然界三大最初能源转化为,通用能源和还原力,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,通用能源,（,ATP,）,生物氧化还原、特点及其与,ATP,产生的关系,生物氧化还原：发生在生物体内的一系列氧化还原反应的总称。,生物氧化和燃烧的异同点：,电子载体：,NAD,（,P,）、,FMN,、,FAD,、,CoQ,、,Cyt,电子供体,电子受体,烟酰胺辅酶,NAD,与,NADP,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（,nicotinamideadenine,dinucleotide,NAD,，,辅酶,I,）,和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（,nicotinamide,adenine,dinucleotidephosphate,NADP,，,辅酶,）为物质与能量代谢中起重要作用的,脱氢酶的辅酶,作为电子载体，在能量代谢的各种酶促氧化,-,还原反应中发挥着能量的暂储、运载与释放等重要功能。,其氧化形式分别为,NAD,和,NADP,，,在能量代谢氧化途径中作电子受体。还原形式为,NADH,和,NADPH,，,在能量代谢还原途径中作电子供体。,烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态,黄素辅酶,FMN,与,FAD,黄素单核苷酸（,flavin mononucleotide,FMN,）,和黄素腺嘌呤二核苷酸（,flavin,adenine dinucleotide,，,FAD,）,是核黄素,(riboflavin,，,即维生素,B,2,),在生物体内的存在形式，是细胞内一类称为黄素蛋白的氧化还原酶的辅基，因此也称为黄素辅酶。,核黄素是核醇与,7,8-,二甲基异咯嗪缩合物。,由于在异咯嗪的,1,位和,5,位,N,原子上具有两个活泼的双键，故易发生氧化还原反应。因此，它有氧化型和还原型两种形式,，,FMN,和,FAD,的分子结构,FAD,和,FMN,的氧化还原构型,黄素辅酶的生理功能,黄素辅酶与许多不同的电子受体和供体一起，通过,3,种不同的氧化还原状态参与电子转移反应，在细胞的物质与能量代谢的氧化还原过程中发挥传递电子与氢的功能，促进糖、脂肪和蛋白质的代谢。,高能化合物（如,ATP,）的合成途径,1,、高能化合物：磷酸键水解时释放的自由能大于,-29.3kJ/mol,的化合物，,称为高能化合物,化合物,自由能（,kJ/mol,）,磷酸烯醇式丙酮酸,-61.9,氨甲酰磷酸乙酰,-51.4,二磷酸甘油酸,-49.3,肌酸磷酸,-43.1,乙酰磷酸,-42.2,辅酶,A,-33.4,腺苷三磷酸（,ATP,）,-30.5,1-,磷酸葡萄糖,-21.0,6-,磷酸果糖,-16.0,6-,磷酸葡萄糖,-13.9,1-,磷酸甘油,-9.2,ATP,结构,ATP,的合成途径,底物水平磷酸化,氧化磷酸化,光合磷酸化,ATP,的合成途径,第二节 微生物的能量代谢,（,1,）底物水平磷酸化,底物水平磷酸化：底物氧化过程中生成高能磷酸化合物，通过相应的酶将此高能磷酸根转给,ADP,生成,ATP,（,2,）氧化磷酸化：通过呼吸链生成,ATP,的过程,第二节 微生物的能量代谢,（,3,）光合磷酸化：在光合过程中生成,ATP,的过程,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,ATP,光能营养型生物,产氧,不产氧（仅原核生物有）,真核生物：藻类及其它绿色植物,原核生物：蓝细菌,光合细菌,嗜盐细菌,第二节 微生物的能量代谢,A,非环式光合磷酸化,(,产氧气的光合磷酸化,),第二节 微生物的能量代谢,B,环式光合磷酸化（不产氧气的光合磷酸化）,第二节 微生物的能量代谢,C,嗜盐细菌紫膜的光合作用,嗜盐菌有一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的,光合作用。,嗜盐菌,细胞膜,红色部分（红膜）,紫色部分（紫膜）,主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体,在膜上呈斑片状独立分布，其总面积约占,细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。,第二节 微生物的能量代谢,嗜盐细菌,紫膜的光合磷酸化是,迄今为止所发现的最,简单的光合磷酸化反应,二、生物氧化的类型有三种：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵,典型的好氧性电子传递链,1,、有氧呼吸,有氧呼吸：微生物氧化底物时，以分子氧作为最终电子受体的氧化作用。,2,、无氧呼吸,无氧呼吸：化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链，最终交给无机氧化物的过程称为无氧呼吸。,种类：,硝酸盐还原,硝酸盐还原细菌在厌氧条件下，可把,NO,3,-,作为电子的最终受体，即,:,硫酸盐还原作用,在厌氧条件下，硫酸盐还原细菌可以,SO,4,2,-,作为最终电子受体，即：,2CH,3,CHOHCOOH,H,2,SO,4,2CH,3,COOH,2CO,2,2H,2,O,十,H,2,S,能量,脱硫弧菌属（,Desulfavibrio,）,等少数几种菌能以有机物（乳酸、丙酮酸等）或分子氢作为硫酸盐还原的供氢体。,严格厌氧的大多数产甲烷细菌可以,CO,2,作为最终电子受体进行无氧呼吸，即：,4H,2,CO,2,CH,4,2H,2,O,能量,二氧化碳还原作用,延胡索酸还原作用,以延胡索酸作为电子受体的无氧呼吸，如雷氏变形菌（,Proteus,rettgeri,）,和甲酸乙酸梭菌（,Clostridium,formicoacetium,）,能以延胡索酸作为受氢体还原生成琥珀酸：,HCOOCCH,CHCOOH,H,2,COOCCH,2,CH,2,COOH,能量,在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用,的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢,（,PH,3,），,一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发,生这种情况。,若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村,的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃,烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现,象，将其称之为“鬼火”。,3,、发酵,广义的发酵：利用微生物来生产有用代谢产物、食品、饮料或微生物菌体本身的一类生产方式。,狭义的发酵：在没有氧气或其它外源电子受体存在的情况下，底物脱氢后所产生的还原力,H,未经电子呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。,糖酵解产生的还原力,NADH,有没有经电子呼吸链，最终电子受体是不是氧气。,4,、微生物的分解代谢,1.EMP,途径（,Embden-meyerhof-parnas,pathway),2.HMP,途径（,Hexose,monophospate,pathway),3.ED,途径,(Enter-,doudoroff,),己糖降解，形成丙酮酸的途径,EMP,途 径,EMP,途径的特点,:,（,1,）葡萄糖分解是从,1,，,6-,二磷酸果糖开始,（,2,）整个途径仅在第,1,，,3,，,10,步反应是不可逆的,（,3,）,EMP,途径的特征性酶是,1,，,6-,二磷酸果糖醛缩酶,（,4,）整个途径不消耗氧,（,5,）有关酶系位于细胞质中,EMP,途径的生理功能,:,(1),提供,ATP,和,NADH,；,(2,）中间产物可生物合成提供碳骨架,EMP,途径,HMP,途径,途径从,6-,磷酸葡萄糖酸开始分解,分,2,个阶段：,（,1,）氧化阶段,脱氢、水解、氧化脱羧,G6P Ru5P+CO,2,（,2,）,非氧化阶段,基团转移、缩合,Ru5P 6-,磷酸己糖,HMP,途径的特点,:,是从,6-,磷酸葡萄糖酸脱羧开始,特征性酶是转酮酶（,TK,）,和转醛酶（,TA,）,该途径一般只产生,NADPH,而不产生,NADH,HMP,酶系定位于细胞质中,1.,提供还原力,NADPH2;,2.,提供,C5,和,C4,碳架,;,3.,扩大碳源利用范围。,葡萄糖,ED,途径,葡萄糖,-6-P,葡萄糖酸,-6-P,KDPG,3-P,甘油醛,丙酮酸,EMP,HMP,ED,途径的特点：,特征性酶是,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡萄糖酸醛缩酶,2,分子的丙酮酸来源不同,1mol,葡萄糖经途径只产生,1molATP,EMP,、,HMP,、,ED,途径的比较,途 径,EMP,HMP,ED,特征性酶,FAD,（,1,，,6-,二磷酸果糖醛缩酶）,TK,（,转酮酶）,TA,（,转醛酶）,KDPGA,(KDPG,醛缩酶）,首先脱羧部位,C,3,C,4,C,1,C,1,C,4,产生,ATP,数,(G,Pyr,),2,1,1,还原辅酶,NADH,NADPH,NADPH,(NADH),EMP,、,HMP,、,ED,等糖代谢途径在微生物中的分布,微生物,EMP,HMP,ED,啤酒酵母,88,12,产脱假丝酵母,66-81,19-34,灰色链霉菌,97,3,产黄青霉,77,23,大肠杆菌,72,28,铜绿假单胞菌,29,71,氧化醋单胞菌,100,运动发酵单胞菌,100,嗜糖假单胞菌,100,戊糖降解：,WD,途径：,Warburg,Dickens,等人发现,丙酮酸,柠檬酸,草酰乙酸酸,苹果酸,-,丙酮戊二酸,延胡索酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,琥珀酰辅酶,A,已酰辅酶,A,琥珀酸,CO,2,CO2,NAD(P)H+H,+,NAD(P),+,GTP,CoASH,CoASH,NAD,+,NADH+H,+,GTP+Pi,FADH2,FAD,NADH+H,+,NAD,+,NADH+H,+,NAD,+,CO2,CoASH,丙酮酸的去路：好氧条件下：,TCA,循环,厌氧条件下：丙酮酸代谢的多样性,一、酒精发酵,酵母的同型酒精发酵：,EMP pathway,细菌的同型酒精发酵：运动发酵单孢菌,ED pathway,细菌的异型酒精发酵：肠膜明串珠菌,HMP pathway,G +2ADP +2Pi =2,乙醇,+2 CO2 +2ATP,G +ADP +Pi =2,乙醇,+2 CO2 +ATP,G +ADP +Pi =,乙醇,+,乳酸,+CO2+ATP,酵母发酵代谢的多样性,型发酵：,酵母菌将葡萄糖经,EMP,途径降解生成,2,分子终端产物丙酮酸，后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使,NADH,2,氧化生成,NAD,+,，,同时乙醛被还原生成乙醇，这种发酵类型称为酵母的,型发酵。,型发酵：,当环境中存在亚硫酸氢钠时，亚硫酸氢钠可与乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，该化合物失去了作为受氢体使,NADH,2,脱氢氧化的性能，而不能形成乙醇，转而使磷酸二羟丙酮替代乙醛作为受氢体，生成,-,磷酸甘油，,-,磷酸甘油进一步水解脱磷酸生成甘油。,型发酵：,葡萄糖经,EMP,途径生成丙酮酸，后脱羧生成乙醛，如处于弱碱性环境条件下,(pH 7.6),，,乙醛因得不到足够的氢而积累，,2,个乙醛分子间发生歧化反应，,1,分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另,1,个则作为还原剂被氧化为乙酸。而磷酸二羟丙酮作为,NADH,2,的氢受体，使,NAD,+,再生，产物为乙醇、乙酸和甘油。,乳酸菌的同型乳酸发酵：,EMP pathway,肠道细菌的异型乳酸发酵,:HMP pathway,G +ADP +Pi =,乳酸,+,乙醇,+ATP+CO2,G +2ADP +2Pi =2,乳酸,+2ATP,二、乳酸发酵,三、丁酸发酵：梭状芽孢杆菌,葡萄糖,丁酸,+,乙酸,+CO2+H2+ATP,丙酮,+,丁醇,+,乙醇,+ATP,1.,试比较发酵、呼吸和无氧呼吸的异同点。,2.,嗜盐菌光合磷酸化的原理。,3.ED,途径。,4.,酵母的酒精发酵和细菌的酒精发酵有何不同。,