第8章微生物的能量代谢2014

第八章微生物能量代谢产物有机物（化能异养菌）最初能源日光（光能自养菌）通用能源无机物（化能自养菌）中心任务：一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。多糖类化合物寡糖、单糖类果糖、葡萄糖丙酮酸发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸EMP途径糖酵解过程HMP途径ED途径糖酵解的主要途径底物脱氢作用氢的传递最后氢受体接受氢微生物的生物氧化的三个阶段微生物能量的来源主要依靠其对糖类、脂类等有机物质的氧化作用，一切代谢物在细胞内进行的氧化作用称为生物氧化1.底物脱氢的四条主要途径多糖类化合物寡糖、单糖类果糖、葡萄糖丙酮酸发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸EMP途径糖酵解过程HMP途径ED途径糖酵解的主要途径1）EMP途径EMP途径：己糖二磷酸途径。是以1分子葡萄糖为底物，经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。2NADH、2ATP2丙酮酸EMP途径可提供：EMP过程：第一阶段生成丙糖：包括5个反应步骤，磷酸化、异构化、再磷酸化、裂解及异构化。第二阶段生成丙酮酸：包括5个反应步骤第一阶段第二阶段底物水平磷酸化：ATP的生成直接与底物上磷酸基团相偶联的ADP磷酸化作用第二次水平磷酸化1.葡萄糖磷酸→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：EMP途径的意义：是多种微生物所共有的基本代谢途径，产能效率低；是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括TCA循环、HMP途径、ED途径等；提供多种中间代谢产物作为合成代谢原料，有氧时与TCA循环相连接，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，如乙醇、乳酸、甘油等。，与发酵工业有密切关系多糖类化合物寡糖、单糖类果糖、葡萄糖丙酮酸发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸EMP途径糖酵解过程HMP途径ED途径糖酵解的主要途径2）HMP途径(HexoseMonophophatePathway)己糖单磷酸途径。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五碳糖核酮糖-5-磷酸和CO2；2.核酮糖-5-磷酸发生异构化分别产生核糖-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途径降解葡萄糖的三个阶段反应简式：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为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸；HMP途径的重要意义产生大量NADPH2，为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，并可通过呼吸链产生大量的能量；途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物所能利用的碳源谱更为广泛；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、辅酶和乳酸等。多糖类化合物寡糖、单糖类果糖、葡萄糖丙酮酸发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸EMP途径糖酵解过程HMP途径ED途径糖酵解的主要途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在嗜糖假单孢菌中发现，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。3)ED途径(Enener-Doudoroffpathway)葡萄糖只经过4步反应即可快速获得EMP途径经10步才能获得的丙酮酸。产能效率低，反应步骤简单，有一关键中间代谢产物——KDPG。总反应式：C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+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：葡萄糖转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）后，经KDPG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途径的主要特点是少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。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。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。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+12ATPFADH22ATPGTPATP3CO2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循环的重要作用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。2.递氢和受氢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；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）呼吸作用一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化过程。是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。无氧呼吸（anaerobicrespiration）特点：底物常规脱氢后，经部分呼吸链的递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。硝酸盐呼吸（反硝化作用）碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）硫酸盐呼吸2）发酵（fermentation）在生物氧化中发酵是指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。工业生产上定义的发酵——“工业发酵”工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。工业发酵覆盖生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵EMP、HMP、ED途径中均有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+产生，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的发酵类型，以下几种发酵最重要研究得最清楚：乙醇发酵乳酸发酵混合酸发酵丙酮丁醇发酵（1）酒精发酵酒精发酵是酿酒工业的基础，它与酿造白酒、果酒、啤酒以及酒精的生产等有密切关系。进行酒精发酵的微生物主要是酵母菌，如啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等，此外还有少数细菌如发酵单胞菌(Zymononasmobilis)，嗜糖假单胞菌（PseudomonasSaccharophila)，解淀粉欧文氏菌(Eruiniaamylovora)等也能进行酒精发酵。①酵母菌的乙醇发酵②细菌的乙醇发酵③细菌的乙醇发酵——异型酒精发酵细菌酒精发酵与酵母菌酒精发酵的比较优点：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。缺点：pH5（酵母菌为3），较易染菌；细菌对乙醇耐受力低（细菌约耐7%，酵母菌为8%-10%）。指乳酸菌将葡萄糖分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程。（2）乳酸发酵细菌积累乳酸的过程是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸生产酸奶、渍酸菜、泡菜、青贮饲料都是乳酸发酵。两种类型：同型乳酸发酵和异型乳酸发酵同型乳酸发酵异型乳酸发酵埃希氏菌、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，故称混合酸发酵。（3）混合酸发酵