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1、第五章 微生物代谢与调控,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。,1、代谢概论,复杂分子（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,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、
2、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。,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。,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。这就是产能代谢。,最初能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生
3、物,光能营养微生物,通用能源（ATP）,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： 和氧的直接化合： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O,失去电子： Fe2+ Fe3+ + e -,化合物脱氢或氢的传递: CH3-CH2-OH CH3-CHO,NAD,生物氧化的概念,2、微生物的能量代谢,生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称,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：底物脱氢（或脱电子
4、）作用（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）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)、HMP (3)、ED (4)、TCA,2.1化能异养微生物的生物氧化,2.1.1底物脱氢的途径,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,葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱
5、氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖经转酮转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。称为不完全HMP途径。由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），称完全HMP途径。,HMP途径 (戊糖磷酸途径)（Hexose Monophophate Pathway）,耗能阶段C6 2C3 产能阶段 4 ATP 2ATP2C3 2 丙酮酸 2NADH2C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2
6、H+2ATP+2H2O,HMP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37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。HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要
7、量相关。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。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。,ED途径,ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （与EMP途径连接） 氧化酶 (与HMP途径连接) EMP途径 3-磷酸-甘油醛 脱水酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途径 丙酮酸 醛缩酶 有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵,ED途径的特点,葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后
8、，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。ED途径的特征反应是关键中间代谢物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.,ED途径的总反应,ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6AT
9、P 2乙醇 (有氧时经过呼吸链) （无氧时进行细菌乙醇发酵）,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醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：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，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,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。,TCA循环,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
10、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。,2.1.2递氢、受氢和ATP的产生,经上述脱氢途径生成的NAD
11、H、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.,概念：在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何
12、利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，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。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。,2.1.2.1发酵作用,酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3
13、丁二醇发酵丁酸发酵,丙酮酸的发酵产物,C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,酵母菌的乙醇发酵：,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,A、乙醇发酵,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
14、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+2CO2,丙酮酸,CO2,乙醛,NADH,NAD+,乙醇,磷酸二羟基丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亚硫酸氢钠（或pH7）,Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵,酵母菌的一型和二型发酵原理,（磺化羟基乙醛）,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,2CO2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED,利用Z.mobilis等细菌生产酒精,优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成
15、少 代谢副产物少；发酵温度高；,缺点：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低,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+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵 通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子
16、的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵,B、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,同型乳酸发酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactisLactobacillus pl
17、antarum,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+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,磷酸戊糖酮解途径PK,磷酸己糖解酮途径HK,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,双歧发酵,C、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
18、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 CO2 H2 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,+2H,pH6.2,产气 产酸,D、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,CO2 H2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脱羧酶,2,3-丁二醇脱氢酶,概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和
19、欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。发酵途径：,EMP,概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：EMP,TCA循环特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,2.1.2.2 有氧呼吸, 由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,A、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
20、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 、c 1、 c、 a 、a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 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v)C1C a a3 O2H2O (+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：NADH O2上式表明还原型辅酶的氧
21、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。,典型的呼吸链,NAD：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态NDAH+H+。FAD和FMN：黄素蛋白的辅基，铁硫蛋白（Fe-S）：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“2Fe+2S”中
22、心每次仅能传递一个电子。泛醌（辅酶Q）：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。细胞色素系统：位于呼吸链后端，功能是传递电子。,微生物中重要的呼吸链组分,细胞色素系统,功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中。分类：线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为cyt.a， cyt.a3， cyt.b， cyt.c和cyt.o等。
23、细胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。Cyta a3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。细胞色素a a3含有两个必需的铜原子。由还原型a3将电子直接传递给分子氧。 电子从CoQ传到b c c1 ，Fe-S旦白, a a3 。结构组成：以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。 cyt.a3即细胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，激活分子氧。,概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸.无机氧化物：如NO3-、 NO2-、SO42-、S2O32-等。在无氧呼吸过程中，
24、电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生的能量多。如：以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出1796.14KJ自由能。,2.1.3 无氧呼吸,硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程， 也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。,只能接收2个电子，产能效率低；,NO2-对细胞有毒；,有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用：,反硝化作用的生态学作用：,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,土壤及水环境,好氧性机体的呼吸作用,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。,松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。,
