3微生物的代谢.

第三章微生物的营养与代谢西昌学院新陈代谢：简称代谢，是能推动生物一切生命活动的动力源和各种生命物质的“加工厂”，是活细胞中一切有序化学反应的总和。按物质转化方式分：分解代谢：又称异化作用，是指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量和还原力的作用。合成代谢：又称同化作用，是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，共同合成复杂的生物大分子的过程。代谢的类型复杂的生物大分子(有机物)简单分子+ATP+[H]分解代谢酶系合成代谢酶系按代谢产物在机体中作用不同分：•初级代谢：提供能量、前体物、结构物质等生命活动所必须的代谢物的一类代谢类型；（其产物：氨基酸、核苷酸等）•次级代谢：只在一定生理阶段出现的、非生命活动所必需的一类代谢类型；（其产物：抗生素、色素、激素、生物碱等）按代谢过程考察的角度不同分：*物质代谢：物质在生物体内转化的过程.能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式的相互转化代谢的类型第一节微生物的能量代谢能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源--ATP。微生物在生命活动中需要能量，它主要是通过生物氧化而获得能量。有机物（化能异养菌）最初能源日光辐射能（光能自养菌）通用能源无机物（化能自养菌）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-CHONADNADH21.化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的过程一般包括三个阶段：(1)底物脱氢(或脱电子)作用（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）EMP途径HMPEDTCA1.1底物脱氢的4条途径在无氧条件下酶将葡萄糖降解成丙酮酸，并释放能量的过程，称为糖酵解（glycolysis）。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。(1)EMP途径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→丙酮酸反应步骤：10步耗能阶段产能阶段2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATPC62C32ATP总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O反应简式：EMP途径关键步骤：(2)HMP途径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HMP途径降解葡萄糖的三个阶段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。反应简式：6C6ATP35ATP36ATP12NADPH+H+6CO25C66C5经呼吸链经一系列复杂反应后重新合成己糖总反应式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸木酮↓5-磷酸核糖→参与核酸生成5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(进入EMP)HMP途径关键步骤为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸，途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成；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；HMP途径的重要意义又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。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。(3)ED途径(Enener-Doudoroffpathway)6-磷酸-葡萄酸与EMP途径连接(与HMP途径连接)~~激酶~~氧化酶~脱水酶醛缩酶ATPADPEMP途径NADP+NADPH22-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸丙酮酸3-磷酸-甘油醛EMP途径葡萄糖6-磷酸-葡萄糖有氧时与TCA环连接；无氧时进行细菌发酵。总反应式：C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+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ATPC6H12O6KDPG反应简式：ED途径的特征反应是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2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛缩酶ED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP途径转化而来1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP此途径主要存在于Pseudomonas,好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵ED途径的特点(4)TCA循环又称三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。丙酮酸在进入三羧酸循环之前要脱羧生成乙酰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。主要产物：C3CH3CO~CoA4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底物水平）ATP3CO2呼吸链呼吸链在物质代谢中的地位：枢纽位置工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸TCA循环的重要特点a、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；b、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；c、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。d、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；e、生物体提供能量的主要形式；f、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。★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O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等.1.2递氢和受氢方式电子受体产物获能(千卡)微生物类型条件发酵有机物各种中间代谢产物54好氧菌，厌氧菌,兼性厌氧菌无O2或有O2有氧呼吸O2CO2688好氧菌,兼性厌氧菌有O2无氧呼吸无机物CO2429厌氧菌,兼性厌氧菌无O2发酵与呼吸的比较1.3微生物发酵的代谢途径（1）乙醇发酵典型酒精发酵的微生物是酵母菌，特别是啤酒酵母菌。C6H12O6→CH3COCOOH→CH3CHO→2C2H5OH+2CO2总反应式：C6H12O6＋4ADP＋4Pi→2C2H5OH+2CO2＋4ATPC6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶pH4左右1）酵母菌的乙醇发酵（走EMP途径）：乙醇发酵C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CH2OH+2CO2+2ATP现象：产气，有酒味。代表菌：酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae)——酵母菌的第一型发酵丙酮酸脱羧酶系如果：当发酵液处在弱碱性条件（pH7.6）下，酵母菌的乙醇发酵会变成甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛得不到足够的氢而不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸.CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+这样，导致NADH2积累，不能得到再生。此时,由途径中的代谢中间物磷酸二羟丙酮接受NADH2，还原生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化脱磷酸，最后生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2+0ATP——酵母菌的第三型发酵注意：该乙醇发酵过程只在pH3.5-4.5以及厌氧的条件下才能进行。丙酮酸CO2乙醛NADH2NAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADH2NAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（或pH7）葡萄糖甘油+磺化羟乙醛+CO2+0ATP酵母菌的第二型发酵：在加有NaHSO3时由于与乙醛发生亲核加成反应，同样造成了NADH2的积累，则导致了甘油的生成。见下：磺化羟基乙醛（难溶）工业上就是利用第二型反应的原理进行甘油生产的。但要控制的加入浓度和加入时间。早期菌体生长需要能量，先不加，使其进行酒精发酵，产生的能量可用于菌体生长繁殖，到后期再加并控制用量以大量生产甘油。酵母发酵的类型类型条件受氢体ATP主要产物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ亚硫酸氢钠磷酸二羟丙酮0甘油Ⅲ碱性磷酸二羟丙酮0甘油、乙醇、乙酸（2）乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆菌发酵:（经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸1）同型乳酸发酵2NAD+2NADH24ATP4ADP2ATP2ADP代表菌：LactobacillusdelbruckiiL.bulgaricus乳酸脱氢酶C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CHOHCOOH+ATP因为在无氧条件下不走TCA环，因此是其在厌氧条件下产生能量的唯一方式。2）异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADH2NAD+NADH2ATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H+-CO2磷酸戊糖酮解途径(PK途径，可视为HMP的变异途径)C6H12O6+2ADP+2PiCH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+2ATP代表菌：L.brevis短乳杆菌Leuconostocmesenteroides肠膜状明串珠菌磷酸己糖解酮途径（HK途径）2葡萄糖2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸果糖4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖转酮酶逆HMP途径同EMP乙酸激酶3)双歧杆菌的异型乳酸发酵又称第三型乳酸发酵(3)混合酸发酵混合酸发酵是肠道杆菌科大多