第一节 微生物的能量代谢

新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]新陈代谢合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）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、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生物分子的过程。第五章微生物的代谢与调控概述：代谢物质代谢能量代谢ATP热能代谢初级代谢:次级代谢:指某些微生物进行的非细胞结构物质和维持微生物正常生命活动的非必需物质的代谢。如一些微生物积累发酵产物的代谢过程（包括抗生素、毒素、色素、维生素、激素等）。使营养物质转换成细胞结构物质、维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢。初级代谢的产物叫初级代谢产物。如氨基酸、核苷酸等第一节微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务：有机物最初能源日光还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌通用能源（ATP）把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源——ATP。一、生物氧化生物氧化作用：细胞内代谢物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。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生物氧化的概念生物氧化就是发生在生物体内的一切产能性氧化还原反应的总称生物氧化的方式：生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物生物氧化的过程一般包括三个环节：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（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、FMN（黄素单核苷酸）等③最后氢受体接受氢（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、磷酸解酮途径二异养微生物的生物氧化（一）底物脱氢的4条途径葡萄糖在厌氧条件下分解产能的途径主要有4种途径：己糖双磷酸降解或糖酵解途径（EMP途径）己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环途径（HMP途径）2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径（ED途径）磷酸解酮酶途径戊糖为底物:PK途径己糖为底物:HK途径研究嗜糖假单胞菌发现研究明珠串菌发现（一）底物脱氢的4条途径葡萄糖的酵解作用(又称：Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称：EMP途径)活化移位氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶（一）EMP途径葡萄糖的降解途径EMP途径大分为两个阶段：第一阶段：认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。第二阶段：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。EMP途径意义：反应步骤：10步反应简式：耗能阶段产能阶段2NADH+H+C62C32丙酮酸2ATP4ATP2ATP总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。1.EMP途径一个HMP途径循环的结果为：（二）HMP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径）HMP途径可分为：氧化阶段和非氧化阶段一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢产物。6NADPH3CO32磷酸甘油醛葡萄糖PiHMP途径意义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（三）ED途径：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径一分子葡萄糖经ED途径后，生成两分了丙酮酸、一分子ATP、一分子NADH和NADH。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.意义：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）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—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。（四）磷酸解酮途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（PK）途径磷酸己糖酮解途径（HK）途径葡萄糖6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸5-P-核酮糖5-P-木酮糖3-P-甘油醛丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇异构化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖解酮（PK）途径磷酸戊糖解酮（PK）途径的特点:①分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;②几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2磷酸己糖解酮（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解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶磷酸己糖酮解途径的特点：①有两个磷酸酮解酶参加反应；②在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；③每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；④许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。丙酮酸的分解：（五）三羧酸循环（五）三羧酸循环又称TCA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。主要产物：4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底物水平）ATP3CO2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C3CH3CO~CoA呼吸链呼吸链经过EMP、HMP、ED途径生成的丙酮酸可以被进一步代谢。有氧条件下：丙酮酸进入三羧酸循环(简称TCA循环)，被彻底氧化生成CO2和水，同时释放大量能量。无氧条件下：不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。TCA循环发生部位：真核在线粒体中，原核在细胞质中。①氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（因NAD＋和FAD再生时需氧）；②每个丙酮酸分子可产生4个NADH＋H＋、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率较高；③TCA位于一切分解代谢和合成代谢的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产密切相关。TCA循环的特点：★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：没有任何外源的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用：有外源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.（二）递氢、受氢和ATP的产生异养微生物的产能代谢异养微生物氧化有机物质发酵呼吸有氧呼吸无氧呼吸可被氧化的底物有很多，如糖类、有机酸、氨基酸等。以微生物降解葡萄糖为例化能异养微生物的生物氧化及产能，最常用的生物氧化基质是葡萄糖，可在有氧或无氧条件下产能，据氧化还原反应中电子受体的不同基本发酵途径可分为发酵和呼吸发酵（Fermentation）•广义：指工业上用微生物生产有用代谢产物的过程。•狭义：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子（脱氢）直接交换给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物•其产能效率低，是在胞质中通过底物水平磷酸化合成ATP，葡萄糖氧化不彻底，伴有多种发酵产物形成，大部分能量依然留在发酵产物中，产能效率低。①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵丙酮酸的发酵产物无氧条件下：不同的微生物分解丙酮酸后积累不同的代谢产物。C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶概念菌种途径特点发生条件※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。（一）乙醇发酵☆酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵~脱羧酶~脱氢酶丙酮酸乙醛乙醇通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP菌种：酵母菌、啤酒酵母①酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的Ⅰ型发酵★当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛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+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2②细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等通过ED途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP（二）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：终产物只有乳酸一种（经EMP途径）异型乳酸发酵：发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。（经HMP途径）双歧杆菌发酵:是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径（经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径）•渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵。（三）混合酸发酵概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2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：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH﹤6.2（四）2,3-丁二醇发酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰乳酸二乙酰3-羟基丁酮2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二