微生物代謝教學課件

微生物代謝教學課件第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日代謝概論代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子(有機物)分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)微生物的代能量謝一切生命活動都是耗能反應,因此,能量代謝是一切生物代謝的核心問題。能量代謝的中心任務,是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP.最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日一．生物氧化生物氧化就是發(fā)生在或細胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應的總稱.生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種.生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物.第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日（一）、底物脫氫的四條主要途徑EMP途徑，又稱糖酵解途徑HMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑ED途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑TCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日1、葡萄糖的酵解作用

(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱：EMP途徑)活化移位氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖異構酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛縮酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶磷酸甘油酸激酶甘油酸變位酶烯醇酶丙酮酸激酶第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日磷酸果糖激酶EMP途徑的關鍵酶，在生物中有此酶就意味著存在EMP途徑需要ATP和Mg++在活細胞內(nèi)催化的反應是不可逆的反應第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脫氫酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸變位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(丙酮酸激酶)4、脫氫氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日2、HMP途徑葡萄糖ATPADP6-磷酸葡萄糖NAD(P)+NAD(P)H+H+

6-磷酸-葡萄糖酸NAD(P)+NAD(P)H+H++CO25-磷酸-核酮糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核酮糖5-磷酸-核糖5-磷酸-木酮糖+5-磷酸-核糖

TK

6-磷酸-景天庚酮糖+3-磷酸-甘油醛TA

6-磷酸-果糖+4-磷酸-赤蘚糖

4-磷酸-赤蘚糖+5-磷酸-木酮糖TK

6-磷酸-果糖+3-磷酸-甘油醛注：TK為轉(zhuǎn)羥乙醛酶TA為轉(zhuǎn)二羥丙酮基酶第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日HMP途徑降解葡萄糖的三個階段HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑1.葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO22.核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構化或表異構化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日HMP途徑的總反應

耗能階段C62C3

產(chǎn)能階段4ATP2ATP2C32丙酮酸

2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O

第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日HMP途徑的總反應6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+Pi第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日HMP途徑的生理意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸產(chǎn)生大量的NADPH2，一方面參與脂肪酸、固醇等細胞物質(zhì)的合成，另一方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成在反應中存在3-7碳糖，使具有該途徑的微生物的碳源譜更廣泛通過該途徑可產(chǎn)生許多發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日3、Pk途徑Pk途徑又稱磷酸解酮酶途徑，它們催化的反應分別為：

5-磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸）

磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶）乙酰磷酸磷酸甘油醛（磷酸-4-赤蘚糖）乙酸丙酮酸與HMP途徑相連乳酸許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日4、ED途徑

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄糖酸

~~激酶（與EMP途徑連接）~~氧化酶

(與HMP途徑連接)EMP途徑3-磷酸-甘油醛~~脫水酶

2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途徑丙酮酸~~醛縮酶有氧時與TCA環(huán)連接無氧時進行細菌發(fā)酵

第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日ED途徑的總反應

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧時經(jīng)過呼吸鏈)（無氧時進行細菌乙醇發(fā)酵）第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日ED途徑的特點ED途徑的特征反應是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛ED途徑的特征酶是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛縮酶ED途徑中的兩分子丙酮酸來歷不同，一分子由2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解產(chǎn)生，另一分子由磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來1摩爾葡萄糖經(jīng)ED途徑僅產(chǎn)生1摩爾ATP此途徑主要存在與Pseudomonas,好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日

二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生根據(jù)葡萄糖脫氫后，遞氫過程，尤其是受氫體的不同，生物氧化可分為下列三種類型：生物氧化反應發(fā)酵呼吸有氧呼吸厭氧呼吸第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.呼吸作用呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：

電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日(1)有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸發(fā)酵有氧無氧各種發(fā)酵產(chǎn)物三羧酸循環(huán)被徹底氧化生成CO2和水,釋放大量能量.第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、異養(yǎng)微生物的生物氧化

有氧呼吸：電子傳遞鏈

氧分子最終電子受體第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日（2）無氧呼吸概念：一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化，是一種無氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧,而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機物,或延胡索酸（fumarate）等有機物.第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體,所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多.無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體,并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用,也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日無氧呼吸（anaerobicrespiration）無氧呼吸的類型硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-,NO,N2

無機鹽呼吸

硫酸鹽呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S

硫呼吸：S0S-2

碳酸鹽呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.發(fā)酵(fermentation)有機物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物,同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。有機化合物只是部分地被氧化,因此,只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機物的還原偶聯(lián)在一起的.被還原的有機物來自于初始發(fā)酵的分解代謝,即不需要外界提供電子受體。第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日常見的發(fā)酵種類：由EMP途徑中的丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵

乙醇發(fā)酵，同型乳酸發(fā)酵，丙酸發(fā)酵，

2,3-丁二醇發(fā)酵，混合酸發(fā)酵，丁酸型發(fā)酵通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵通過ED途徑進行的發(fā)酵細菌的酒精發(fā)酵（異型酒精發(fā)酵）第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日酒精（乙醇）發(fā)酵酵母菌（在時）的乙醇發(fā)酵

~脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇細菌(Zymomonasmobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP細菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過WD途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型酒精發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機物分子的酒精發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機物分子的發(fā)酵第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：通過EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：通過HMP(PK)途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機化合物的發(fā)酵第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日異型乳酸發(fā)酵途徑2×葡萄糖

2ATP2ADP果糖-6-磷酸果糖-6-磷酸

轉(zhuǎn)醛酶磷酸解酮酶轉(zhuǎn)酮酶赤蘚糖-4-磷酸乙酰磷酸

ADP

木酮糖-5-磷酸ATP

乙酸第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日異型乳酸(乙醇)發(fā)酵途徑5-磷酸-木酮糖

磷酸(戊糖)解酮酶

乙酰磷酸3-磷酸甘油醛

ADPPi+2ADP2ATP

乙酰CoA磷酸激酶

NADH2

ATP

乙醛乙酸

NADH2

NADH2

乙醇乳酸第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日混合酸發(fā)酵概念：通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸

2丙酮酸乳酸~甲酸裂解酶乙酰CoA甲酸

甲酸氫解酶乙酰-PCO2+H2

乙酸+ATP第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日

4、電子傳遞與氧化呼吸鏈電子傳遞1、部位：電子傳遞鏈在真核細胞發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，在原核細胞發(fā)生在質(zhì)膜上。2、成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN、CoQ、細胞色素b、c1

c

a

a３和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢大小排列，電子傳遞次序如下：第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日MH2NADFMNC0Qb(-0.32v)(0.0v)C1Caa3O2H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)

呼吸鏈中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，電子的傳遞方向是從NADHＯ２。第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日

上述反應式表明還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對，都具有高的轉(zhuǎn)移勢能，它推動電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉(zhuǎn)移到分子氧。電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程又稱為氧化呼吸鏈。第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日細胞色素類細胞色素類是含