微生物的新陈代谢

第六章微生物的新陈代谢复杂有机分子分解代谢酶系合成代谢酶系简单有机分子+ATP+还原力[H]新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。新陈代谢=分解代谢+合成代谢分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。讲授内容•第一节微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能二、自养微生物产ATP和产还原力•第二节分解代谢和合成代谢的联系一、两用代谢途径二、代谢物回补顺序•第三节微生物独特的合成代谢一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖的生物合成第一节微生物的能量代谢有机物化能异养菌光能营养菌化能自养菌ATP日光（光能）还原态无机物最初能源一、化能异养微生物的生物氧化生物氧化功能：ATP、[H]、小分子代谢物生物氧化形式：加氧、脱氢、失电子生物氧化过程：脱氢、递氢、受氢生物氧化类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵微生物氧化的形式生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。生物氧化的方式：①和氧的直接化合：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的过程一般包括三个环节：①底物脱氢（或脱电子）（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）③氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径1、EMP途径2、HMP3、ED4、TCA一、化能异养微生物的生物氧化（一）底物脱氢的4条途径EMP途径：糖酵解途径HMP途径：戊糖磷酸途径ED途径：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸KDPG途径TCA循环：三羧酸循环途径（一）底物脱氢的4条途径1.EMP途径：糖酵解途径（10步反应）2ATP2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATP耗能阶段产能阶段C6为葡萄糖，C3为3-磷酸-甘油醛C6C3EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。HMP途径（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸途径、戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA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重要中间代谢物的代谢途径。2.HMP途径---6-磷酸葡萄糖酸途径HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通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（epimerization）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没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。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。3.ED途径(KDPG途径)-----4步反应ED途径（Entner-Doudoroffpathway）又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在嗜糖假单胞菌Pseudomonassaccharophila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途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如PseudomonasZymomonas等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物——KDPG。ED途径的特点•葡萄糖经转化为KDPG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。•关键中间代谢物KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。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.由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。4.TCA循环-----分解代谢和合成代谢的枢纽又称三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环。这是一种循环方式的反应顺序，绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用。在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；在原核生物例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。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。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发酵等。一、化能异养微生物的生物氧化（二）递氢与受氢★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；★呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2;无氧呼吸——最终电子受体是无机氧化物，如NO3-、SO42-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、CO2乳酸等）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-------完全电子呼吸链呼吸（respiration是最普遍和最重要的生物氧化方式，特点是底物脱氢后，经完整的呼吸链又称电子传递链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。由于呼吸必须在有氧条件下进行，因此又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸链是指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不同的氢传递体（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。电子传递与氧化呼吸链•定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。•部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上•成员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的电子传递体主要包括FMN、CoQ、细胞色素b、c1、c、a、a３和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：MH2→→→NADFMNC0Qb(-0.32v)(0.0v)C1Caa3O2H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，电子的传递方向是：NADHO2上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，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酶顺坡而下，直至转移到分子氧。电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。呼吸链的功能：一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP——这就是电子产能磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。ATP的结构和生成能源物质：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等ATP又叫三磷酸腺苷，其结构式是：A—P～P～P它是一种含有高能磷酸键的有机化合物，它的大量化学能就储存在高能磷酸键中。ATP是生命活动能量的直接来源，但本身在体内含量并不高。人体预存的ATP能量只能维持15秒，跑完100m后就全部用完，不足的继续通过呼吸作用等合成ATP。ATP的生成方式:光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化｛｛光合磷酸化:利用光能合成ATP的反应.光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。光合微生物:藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如H2、H2S等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生成ATP的反应。氧化磷酸化生成ATP的方式有两种：底物水平磷酸化——不需氧电子传递磷酸化——需氧底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内底物水平磷酸化举例：由于脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。这种高能连接的磷酸可以转给ADP，产生ATP分子。在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。电子传递磷酸化其机制很多，目前仍在继续研究中。至今能获得多数学者接受的是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P．Mitchell在1961年所提出