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第六章微生物的代谢第一节微生物的能量代谢第二节微生物特有的合成代谢途径第三节微生物次级代谢与次级代谢产物第四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、概述葡萄糖降解代谢途径生物氧化:发酵作用产能过程呼吸作用(有氧或无氧呼吸)(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。第一节微生物能量代谢——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1、葡萄糖降解代谢途径(EMP、HMP、ED、PK途径等。)1)EMP途径(糖酵解途径、三磷酸己糖途径)葡萄糖丙酮酸有氧:EMP途径与TCA途径连接;无氧:还原一些代谢产物,(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。产能(底物磷酸化产能:(1)1,3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP;(2)PEP丙酮酸+ATP是多种微生物所具有的代谢途径,其产能低,但生理功能重要。10步反应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。EMP途径的特点: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。EMP途径关键步骤:1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸总反应式:葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATPCoA↓丙酮酸脱氢酶乙酰CoA,进入TCAEMP途径的特点:1.供应ATP形式的能量和NADH2。2.是连接其它几个重要代谢途径的桥梁,包括TCA、HMP、ED等3.为生物合成提供多种中间代谢产物;4.通过逆向反应可进行多糖合成。若从EMP与人类生产实践关系来看,则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁酸等的关系密切。2)HMP途径(磷酸戊糖途径、旁路途径)葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化,并能产生大量NADPH2形式的还原力及多种中间代谢产物。分为两个阶段:1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+,3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换,经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等,最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。HMP途径(磷酸戊糖途径、旁路途径)6-磷酸果糖出路:可被转变重新形成6-磷酸葡糖,回到磷酸戊糖途径。甘油醛-3-磷酸出路:a、经EMP途径,转化成丙酮酸,进入TCA途径b、变成己糖磷酸,回到磷酸戊糖途径。总反应式:66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi特点:a、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化,无ATP生成,b、产大量的NADPH+H+还原力;c、产各种不同长度的重要的中间物(5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖)d、单独HMP途径较少,一般与EMP途径同存e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。从人类生产实际来说,通过HMP途径可提供许多重要重要中间产物。3)ED途径:1952,Entner和Doudoroff两人在Pseudomonassaccharophila(嗜糖假单胞菌)中发现,接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物,如Pseudomonasspp.(一些假单胞菌)和Zymomonasspp.(一些发酵单胞菌)所特有的利用葡萄糖的替代途径,在其它生物中还没有发现。ED途径:——2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径1952年Entner-Doudoroff:嗜糖假单胞过程:(4步反应)1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛缩酶特点:a、步骤简单b、产能效率低:1ATPc、关键中间产物KDPG,特征酶:KDPG醛缩酶d、可与EMP、HMP、和TCA循环等代谢途径相联。细菌:铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。细菌酒精发酵:在ED途径中所产生的丙酮酸对Zymomonasmobilis(运动发酵单胞菌)这类微好氧菌来说,可脱羧成乙醛,乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。这种经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同,称为细菌酒精发酵。即:丙酮酸脱羧乙醛还原乙醇比起传统的酵母酒精发酵的优点:(近年来正在开发的工业)(1)代谢速率高;(2)产物转化率高;(3)菌体生成少;(4)代谢副产物少;(5)发酵温度较高;(6)不必定期供氧相比的缺点:(1)生长PH为5,较易染菌(而酵母菌为PH3);(2)细菌耐乙醇力较酵母低(前者为7.0%,后者为8~10%)4)TCA循环三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle,TCA),又称柠檬酸循环,Krebs循环,1937年提出,为此1953年Krebs获得诺贝尔奖,并被称为ATP循环之父:大多数动物、植物和微生物,有氧条件下将糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA,乙酰CoA经一系列氧化、脱羧,最终生成CO2和H2O并产生能量的过程。绝大多数异氧微生物的氧化性(呼吸)代谢中起关键作用。TCA发生部位:◆真核微生物中,线粒体中(大多数酶定位在线粒体基质中)。◆原核生物(细菌)中,大多数酶定位在细胞质中。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、延胡索酸发酵等。(二)微生物氧化的方式(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,可把生物氧化区分成呼吸作用、发酵作用和厌氧呼吸作用。1、发酵作用(fermentation,发酵)2、呼吸作用(respiration,呼吸,有氧呼吸)3、厌氧呼吸(anaerobicrespiration,无氧呼吸)1、定义广义:利用好氧或厌氧微生物生产有用代谢产品或食品、饮料的一种生产方式。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。发酵(fermentantion):2、发酵类型1)乙醇发酵a、酵母型乙醇发酵1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP条件:pH3.5~4.5,厌氧菌种:酿酒酵母、少数细菌(胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等)i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羟乙醛(难溶)ii、弱碱性(pH7.5)2乙醛1乙酸+1乙醇(歧化反应)磷酸二羟丙酮作为氢受体,经水解去磷酸生成甘——甘油发酵(EMP)---亚硫酸氢钠必须控制亚适量(3%)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.(ED)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--CoA无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶2)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(PK途径)肠膜明串株菌(PK)产能:1ATP双歧双歧杆菌(PK、HK)产能:2G5ATP即1G2.5ATP3)混合酸、丁二醇发酵a混合酸发酵:——肠道菌(E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等)1G丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙酸乙醇E.coli与志贺氏菌的区别:葡萄糖发酵试验:E.coli、产气肠杆菌甲酸CO2+H2(甲酸氢解酶、H+)志贺氏菌无此酶,故发酵G不产气。CO2+H2b丁二醇发酵(2,3--丁二醇发酵)——肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质(乙酰乳酸脱氢酶)(OH-、O2)中性丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应:1、V.P.实验2、甲基红(M.R)反应产气肠杆菌:V.P.试验(+),甲基红(-)E.coli:V.P.试验(-),甲基红(+)V.P.试验的原理:4)丙酮-丁醇发酵——严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产品。(丙酮、丁醇、乙醇混合物,其比例3:6:1)——丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰CoA丙酮+CO2(CoA转移酶)丁醇缩合5)氨基酸的发酵产能(stickland反应)以一种氨基酸作底物脱氢,而另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型,成为Stickland反应。此反应的产能效率低,每分子氨基酸产1ATP。发酵菌体:生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双酶梭菌等。特点:氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联;产能效率低(1ATP)氢供体(氧化)氨基酸:Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氢受体(还原)氨基酸:Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。氧化丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3还原呼吸(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(呼吸链、电子传递链)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)1有氧呼吸原核微生物:胞质中,仅琥珀酸脱氢酶在膜上真核微生物:线粒体内膜上2个产能的环节:Kreb循环、电子传递。电子传递链电子传递链载体:NADH脱氢酶黄素蛋白辅酶Q(CoQ)铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。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(个别:延胡索酸)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A亚硝酸还原酶等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)(1)硝酸盐作用,反硝化作用同化性硝酸盐作用:NO3-NH3-NR-NH2异化性硝酸盐作用:无氧条件下,利用NO3-为最终氢受体NO3-NO2NON2ON2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
本文标题:第六章-微生物的代谢-2
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