微生物学-代谢new

第五章微生物的新陈代谢新陈代谢简称代谢(metabolism)，是活细胞内发生的各种化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。复杂分子简单分子+ATP+［H］分解代谢酶系复杂分子简单分子+ATP+［H］（有机物)合成代谢酶系微生物代谢特点：1、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。在代谢过程中，微生物通过分解作用（或光合作用）产生ATP形式的化学能。这些能量用于：1、合成代谢；2、微生物的运动和运输；3、热和光无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。•广义的代谢--生命体进行的一切化学反应。•代谢分为能量代谢和物质代谢，分解代谢和合成代谢。•分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。•合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）•二者关系初级和次级代谢•依据代谢产物在微生物中作用不同，又有初级代谢和次级代谢。•初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。初级与次级代谢•次级代谢：某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。•二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。第一节微生物的能量代谢化能异养微生物的生物氧化和产能自养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子。生物氧化的过程：脱氢（或e-）、递氢（或e-）、受氢（或e-）。生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力［H］、产小分子中间代谢物。生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。（一）底物脱氢的四条途径以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，在生物氧化的脱氢阶段中，可通过四条途径完成其脱氢反应，并伴随还原力［H］和能量的产生。1EMP途径（Embden-Meyerhofpathway，糖酵解途径，己糖二磷酸途径）葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:耗能反应bb:氧化还原反应EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP和NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化（1）EMP途径的主要反应EMP途径的简图C6为葡萄糖，C3为甘油醛-3-磷酸EMP途径的总反应:C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H20（2）EMP终产物的去向：1）有氧条件：2NADH+H+经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP；2）无氧条件：发酵①丙酮酸还原成乳酸；②酵母菌（酿酒酵母）的酒精发酵：丙酮酸脱羧为乙醛，乙醛还原为乙醇。（3）EMP途径在微生物生命活动中的重要意义1）供应ATP形式的能量和还原力（NADH2）；2）是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED途径）3）为生物合成提供多种中间代谢物；4）通过逆向反应可进行多糖合成。（4）生产实践意义与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵生产关系密切。HMP途径(戊糖磷酸途径)（HexoseMonophophatePathway）HMP途径：葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，①磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。称为不完全HMP途径。②由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2和水），称完全HMP途径。HMP途径降解葡萄糖的三个阶段•HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环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物的代谢途径•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•C62C3产能阶段4ATP2ATP•2C32丙酮酸2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2OHMP途径的总反应6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途径的总反应HMP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NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。•与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。•途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。•途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。•通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。•HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在Pseudomonassaccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。（三）ED途径ED途径ATPADPNADP+NADPH2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ED途径的特点•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。•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.ED途径的总反应•ATPC6H12O6•ADP•KDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸••6ATP2乙醇•(有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）ED途径的总反应关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低ATP有氧时经呼吸链6ATP无氧时进行发酵2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸ATPC6H12O6KDPGED途径的总反应（续）葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布菌名EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母8812—产朊假丝酵母66~8119~34—灰色链霉菌973—产黄青霉7723—大肠杆菌7228—铜绿假单胞菌—2971嗜糖假单胞菌——100枯草杆菌7426—氧化葡萄糖杆菌—100—真养产碱菌——100运动发酵单胞菌——100藤黄八叠球菌7030—4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。（1）TCA循环的主要反应C3GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给ADP生成ATP。总反应式为：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。（2）TCA循环的特点1）氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件下进行（NAD+和FAD再生时需氧）；2）每分子丙酮酸可产4NADH2、1FADH2、1GTP，共相当于15ATP，产能效率极高。3）位于一切分解代谢和合成代谢的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。（3）生产实践意义与发酵生产紧密相关（柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸、琥珀酸等）。5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率（二）递氢和受氢葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受体结合并释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6-[H]A-[H][H]B-[H]CA、B或CAH2，BH2或CH2-[H]（发酵产物：乙醇、乳酸等）CO2脱氢递氢受氢经呼吸链①呼吸②无氧呼吸③发酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH41、呼吸（好氧呼吸）递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。（1）特点1）底物脱下的氢（［H］）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出ATP形式的能量。产能量多，一分子G净产38个ATP.4)基质彻底氧化生成CO2和H2O。（2）呼吸链1）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的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。典型的呼吸链不论是真核生物还是原核生物，呼吸链的主要组分都是类似的。呼吸链氧化磷酸化的效率每消耗1mol氧原子所产生的ATPmol数。用P/O作定量表示。从NAD（P）H2进入呼吸链[2H]产生3ATP，从FADH2进入呼吸链[2H]产生2ATP。原核生物呼吸链的P/O一般比真核细胞线粒体的低。原核生物呼吸链的特点•存在于细胞膜上•呼吸链中的氧还载体取代性强，如CoQ可被MK取代•呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减•有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别，如E.Coli在缺氧时，呼吸链分为两支，即Cyt.b556Cyt.o;Cyt.b558Cyt.d外源性呼吸和内源性呼吸•正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸----外源呼吸•在外界没有能源供给的情况下，微生物利有自身的储存能源进行呼吸----内源呼吸2、无氧呼吸（厌氧呼吸）某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的、呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。产能效率较低（不如有氧呼吸产生的多）。（1）特点1）底