基础微生物学课件26

第六章微生物的代谢新陈代谢：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。•=totalactivityofcell;hastwocomponents1.Anabolism--usedtomakenewmolecules•assimilative•biosynthetic•endergonic•G0;energyconsuming1.Catabolism--usedtoobtainenergy•degradative•dissimulative•exergonic•G0;energyproducingMetabolismCHAPTEROVERVIEWThischapterpresentsanoverviewofmetabolismbeginningwithcarbohydratedegradationandtheaerobicgenerationofATPthroughelectrontransport.Fermentationandanaerobicrespirationareexamined,followedbythecatabolismoflipids,proteins,andaminoacids.Thechapterconcludeswithdiscussionsofthefunctionofinorganicmoleculesaselectronacceptorsandthetrappingofenergybyphotosynthesis.第一节代谢概论一、代谢是生命的基本特征：二、代谢通过代谢途径完成：三、代谢途径是不平衡的稳态体系■四、代谢途径的形式多样五、代谢途径有明确的细胞定位六、代谢途径相互沟通七、代谢途径间有能量关联八、关键酶限制代谢途径的流量Figure1.Therelationshipbetweencatabolismandanabolisminacell中间代谢产物分解代谢起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤藓糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰辅酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途径HMP途径HMP途径EMP途径EMP途径ED途径EMP途径三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧脂肪氧化核苷糖类戊糖多糖贮藏物核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖异生CO2固定胞壁酸合成糖的运输丙氨酸缬氨酸亮氨酸CO2固定丝氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸赖氨酸天冬氨酸赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸脂肪酸类异戊二烯甾醇物质代谢：物质在体内转化的过程.•能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化.按代谢产物在机体中作用不同分：•初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等.•次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；产物：抗生素、色素、激素、生物碱等按物质转化方式分：分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。第二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：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。有机物最初能源日光通用能源还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌•Cellsrequireenergy,eitheraslight(phototrophs),inorganicchemicals(chemolithotrophs),ororganicchemicals(chemoorganotrophs).•Measuredincalories(heatunit)orjoules(workunit).1calorie=4.1840joules.•Physicists&chemistsusejoules;biologiststypicallyusecalories.Somebiochemistryandmicrobiologytextsusekilocalories,othershaveconvertedtokilojoules.Iwillusekcal.Tocomparelecturevalues(kcal)withtextvalues(kJ),multiplyby4.184.•Example:40kjoules=40/4.184=9.56kcalEnergy=capacitytodowork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•Redution-Oxidation(Redox)reactionsareoftenassociatedwithEnergytransferincells•oxygenrarelyinvolved•oxidationreactionalwayscoupledwithareductionreaction.•Definition:lossofelectron=Oxidation.;gainofelectrons=Reduction•Examplesofoxidationreactions:1.Fe++---Fe++++e---occursincytochromes2.succinicacid----fumaricacid+[2H]•Note:thisisoxidation,alsodehydrogenationreaction,since2H=2H++2e-.•Oxidationreactionsarealwaysaccompaniedbyreductionreactions:•Exampleofareductionreaction:NAD+(red)+2H++2e-----NADH(ox)+H+BiologicalOxidations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、FAD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、TCA•electronsfromenergysource-------redoxcarriers--------terminalelectronacceptors:•somefreeenergyreleasedistrappedinchemicallyusableforms•terminalacceptorcanbeexternalmolecule(oxygen,nitrate,etc.),usemembrane-localizedelectrontransfersystem(ETS)inrespiration(energyyieldshigh)•orterminalacceptorcanbeorganicmoleculederivedfromenergysourceduringmetabolism(pyruvate,etc.)-------fermentation(energyyieldslow)一、化能异养微的生物氧化（一）底物脱氢的途径（一）EMP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EMP途径特点：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。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TCA葡萄糖激活的方式•好氧微生物：通过需要Mg++和ATP的己糖激酶•厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化磷酸果糖激酶•EMP途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着存在EMP途径•需要ATP和Mg++•在活细胞内催化的反应是不可逆的反应