微生物代谢学时

,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7章 微生物的代谢,微生物的代谢类型，及其能量代谢，分解代谢和合成代谢;主要发酵代谢途径，微生物代谢的主要调节机制，及其代谢调控在发酵工业中的应用。,第一节微生物的能量代谢,第二节微生物的分解代谢与合成代谢,第三节 微生物发酵的途径,新陈代谢（Metabolism）,一般泛指生物与周围环境进行,物质交换和能量交换,的过程。,生物小分子合成生物大分子,合成代谢,（同化）耗能,新陈代谢,能量代谢,物质,代 谢,产能,分解代谢,（异化）生物大分子分解为生物小分子,新陈代谢的共同特点：,（1）在温和条件下进行(由酶催化)；,（2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性；,(3）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。,第一节 微生物的能量代谢,有机物（化能异养菌）,能源 日 光（光能自养菌）通用能源,无机物（化能自养菌）,一、化能异养的微生物氧化和产能,(一）发酵,1 在发酵工业上，指利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类方式。,2 在生物氧化或能量代谢中:,是指无氧条件下将有机物氧化释放，同时释放能量，并产生各种不同代谢产物。底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。,生物体内葡萄糖被降解,主要分四种途径：EMP HMP ED PK和HK：,EMP途径，又称糖酵解途径,HMP途径，又称己糖-磷酸途径,ED途径，又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径,PK 磷酸戊糖解酮酶，HK磷酸已糖解酮酶,1、葡萄糖的 酵解作用（,简称：,EMP,途径,）,又称：Embden-Meyerhof-Parnas,途径：,六碳的葡萄糖分子经过十多步酶催化的反应，分裂为两分子三碳的丙酮酸，同时使两分子腺苷二磷酸(ADP)与无机磷酸(Pi)结合生成两分子,腺苷三磷酸,(ATP)。,反应式,：,C6H12O6+2 NAD+2 ADP+2 H3PO4,2 NADH+2,C3H4O3,（丙酮酸）+2 ATP+2 H2O+2 H,+,糖酵解（小结）,反应物质：,葡萄糖,-,葡萄糖-6-磷酸,-,果糖-6-磷酸,-,果糖-1,6-二磷酸,-,二羟丙酮磷酸,-,甘油醛-3-磷酸,-,1,3-二磷酸甘油酸,-,3-磷酸甘油酸,-,2-磷酸甘油酸,-,磷酸烯醇丙酮酸,-,丙酮酸,-,乙酰辅酶A,参与的酶：,六碳糖激酶,-,磷酸葡萄糖异构酶,-,磷酸果糖激酶,-,醛縮酶,-,丙糖磷酸,异构,酶,-,甘油醛-3-磷酸去氢酶,-,磷酸甘油酸激酶,-,磷酸甘油酸变位酶,-,烯醇化酶,-,丙酮酸激酶,-,丙酮酸去氢酶,过程：糖酵解可分为两个阶段：,准备阶段，即葡萄糖或糖原等经磷酸化及异构化等过程，生成-1，6-二磷酸果糖。,产能阶段。1,6-二磷酸果糖分解成两分子磷酸丙糖。后者以辅酶进行氧化，并陆续释出磷酸形成ATP,同时产生丙酮酸。,通常丙酮酸接受辅酶传递的氢还原为乳酸等。（此阶段可以不需耗氧）,无氧参与时，丙酮酸接受辅酶传递的氢还原为乳酸等（,通常称为发酵）形成：乙醇、乳酸、混合酸等。,如：,酵母菌（在时）的乙醇发酵,脱羧酶 脱氢酶,丙酮酸 乙醛 乙醇,混合酸发酵,通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H,2,和CO,2,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。,发酵途径：磷酸烯醇式丙酮酸,调节：,有三个基本上不可逆的步骤：,（1）己糖激酶,（2）6-磷酸果糖激酶,（3）丙酮酸激酶催化,其中以6-磷酸果糖激酶最重要，它催化的反应是许多细胞中糖酵解的限速步骤，缺氧或各种激素主要通过影响该酶的活性而实现其对糖酵解的调节。,生理意义：,释放的自由能转移到ATP中。也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途径。,2 HMP途径,降解葡萄糖的三个阶段,(1).葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2,(2).核酮糖-5-磷酸发生同分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,HMP途径关键步骤：,1.,葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸,2.,6-,磷酸葡萄糖酸,5-,磷酸核酮糖,5-,磷酸木酮糖,5-,磷酸核糖参与核酸生成,3.,5-,磷酸核酮糖,6-,磷酸果糖,+3-,磷酸甘油醛,(,进入,EMP,耗能阶段,C,6,2C,3,产能阶段,4,ATP,2ATP,2C,3,2,丙酮酸,2,NADH,2,C,6,H,12,O,6,+2NAD,+,+2ADP+2Pi 2CH,3,COCOOH+2NADH,2,+2H,+,+2ATP+2H,2,O,HMP途径的总反应,6 葡萄糖-6-磷酸,+12NADP,+,+6H,2,O,5 葡萄糖-6-磷酸,+12NADPH+12H,+,+12CO,2,+Pi,HMP途径的总反应,HMP途径的生理意义,1为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸,2产生大量的NADPH,2,，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,3四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成,4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。,5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。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。,目前仅在微,生物中发现。,葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经,EMP途径,转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。,3 ED途径,ED途径,ATP ADP NADP,+,NADPH,2,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,ED途径,ED途径,ED途径的特点,ED,途径的特征反应是,关键中间代谢物,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡萄糖酸（,KDPG,）,裂解为丙酮酸和,3-,磷酸甘油醛。,ED,途径的特征酶是,KDPG,醛缩酶,.,反应步骤简单，产能效率低,.,此途径,可与,EMP,途径、,HMP,途径和,TCA,循环相连接，可互相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。,好氧时与,TCA,循环相连，厌氧时进行乙醇发酵,.,ATP,C6H,12,O,6,ADP,KDPG,ATP 2ATP NADH,2,NADPH,2,2,丙酮酸,6,ATP 2,乙醇,(,有氧时经过呼吸链,),（无氧时进行细菌乙醇发酵）,ED途径的总反应,4 WD途径,（分为PK和HK),WD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-6-磷酸）,磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶）,乙酰磷酸 磷酸甘油醛（磷酸-4-赤藓糖）,乙酸 丙酮酸 与HMP途径相连,PK,乳酸,HK,磷酸戊糖解酮酶 磷酸已糖解酮酶,许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式,(二）呼吸,葡萄糖酵解后如果有氧或其他外源电子受体存在，底物分子可以完全氧化为二氧化碳，并释放大量的能量（ATP).,1 有氧呼吸,将电子传递给氧生成水。一个葡萄糖好氧呼吸后产生38个ATP.,（1）丙酮酸 三羧酸循环（TCA),（2）电子 电子传递链,三羧酸循环（TCA),TCA循环就是三羧酸循环，也叫柠檬酸循环,（1）三羧酸循环准备阶段：,底物为丙酮酸，合成乙酰CoA,（2）三羧酸循环：,乙酰CoA与草酰乙酸的反应开始，乙酰CoA每循环一次放出的能量可以合成10分子ATP。,总反应式：,C,6,H,12,O,6,6O,2,+38(ADP+Pi)6CO,2,+6H,2,O+38ATP,TCA,的生物学意义,1、是生物体代谢糖的主要方式，具有普遍性。,2、生物体提供能量的主要形式，其产能效率达到42。,3、为糖、脂、蛋白质三大物质的转化,枢纽,。,4、TCA,可作为多种化合物的碳骨架，以供细胞合成之用。,5、TCA循环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。,（,2）电子传递与氧化呼吸链,1）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。,2）成员：电子传递是从NAD到O,2,，,电子传递链中的电子传递体主要包括：FMN 、CoQ、细胞色素b、c,1,c a a,和一些铁硫旦白。,在电子传递链中，各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，在传递过程中释放的能。,2无氧呼吸（anaerobic respiration）,概念：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）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。,无氧呼吸的类型,硝酸盐呼吸：,NO,3,-,NO,2,-,NO,N,2,无机盐呼吸,硫酸盐呼吸：,SO,4,2-,SO,3,2-,S,3,O,6,2-,S,2,O,3,2-,H,2,S,硫 呼 吸：,S,0,S,-2,碳酸盐呼吸,CO,2,HCO,3,-,CH,3,COOH,CO,2,HCO,3,-,CH,4,延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸,无氧呼吸,如：,(1)硫酸盐还原细菌：,SO,4,2-,+8e,-,+8H,+,S,2-,+4H,2,O,(2)产甲烷细菌能在氢、乙酸和甲醇等物质的氧化过程中，以CO2作为最终的电子受体，变成甲烷,4H,2,+CO,2,CH,4,+2H,2,O,二 自养微生物的生物氧化和产能代谢,自氧微生物和异养微生物在生物氧化的本质是相同的。即都包括脱氢、递氢和受氢三阶段。其间经过磷酸化反应相偶联，产生ATP.,一些微生物可以从氧化无机物获得能量，这类微生物就是好氧型的自养型微生物。它们属于氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细菌等。,光能自养细菌：光合作用通过环式关和磷酸化作用产生ATP。这类细菌主要,是,第二节 微生物的分解代谢与合成代谢,一、分解代谢：大分子物质的降解,（一）淀粉的分解：,1 液化型淀粉酶,（又称-淀粉酶）,任意分解淀粉的-1,4糖苷键，不能分解-1,6糖苷键。,淀粉经该酶作用以后，粘度很快下降。最终产物为：糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。,2 糖化型淀粉酶,可细分为好几种，其共同特点将淀粉水解为,麦芽糖或葡萄糖,（1）-淀粉酶（淀粉1,4-麦芽糖苷酶）不能作用于也不能越过-1,6糖苷键，终产物为麦芽糖和极限糊精,（2）糖化酶（淀粉1,4、1,6-葡萄糖苷酶）：,此酶对-1,4-糖苷键能作用，对-1,6-糖苷键也能分解，所以最终产物几乎全是葡萄糖。,（3）异淀粉酶（淀粉1,6-糊精酶）：,此酶可以分解淀粉中的-1,6-糖苷键，生成较短的直链淀粉。异淀粉酶用于水解由-淀粉酶和-淀粉酶产生的极限糊精。,（二）、纤维素的分解,纤维素的葡萄糖由-1,4糖苷键组成的大分子化合物。它广泛存在于自然界，是植物细胞壁的主要组成成分。人和动物均不能消化纤维素。,生产纤维素酶的菌种常有绿色木霉、康氏木霉、某些放线菌和细菌。,纤维素的分解：,作用的酶类有：C、Cx(Cx1、Cx2)、纤维二糖酶（,-葡萄糖苷酶）,总反应：,C1酶 Cx1Cx2酶,天然纤维素水合纤维素分子,纤维二糖酶,葡萄糖+纤维二糖葡萄糖,（三）、果胶质的分解,果胶,是植物细胞的间隙物质，使邻近的细胞壁相连，是,半乳糖醛酸以-1,4糖苷键结合成直链状分子化合物,。其羧基大部分形成甲基酯，而不含甲基酯的称为果胶酸。,天然不溶的果胶称为原果胶。,果胶酶含有不同的酶系，主要有,果胶酯酶,和,半乳糖醛酸酶,两种。果胶酶广泛存在于植物、霉菌、细菌和酵母中。主要以霉菌生产的果胶酶。,反应式如下：,原果胶酶,原果胶 可溶性果胶,果胶酯酶聚半乳糖醛酸酶,果胶甲醇+