微生物的細胞代謝

關于微生物的細胞代謝第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第二章微生物的細胞代謝微生物的代謝體系1微生物產能代謝2微生物耗能代謝3第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四一、微生物的代謝體系代謝（Metabolism）是細胞內發(fā)生的各種化學反應的總稱，它主要由分解代謝（Catabolism）和合成代（Anabolism）兩個過程組成基本概念第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四分解、合成代謝一、微生物的代謝體系第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四分解代謝一、微生物的代謝體系第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四合成代謝一、微生物的代謝體系第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四Ⅰ:分解代謝體系Ⅱ:結構單位物質合成體系Ⅲ:復雜生物大分子物質的合成體系代謝體系組成一、微生物的代謝體系第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四體系Ⅰ產生的ATP供給體系Ⅱ和Ⅲ使用，但體系Ⅰ中ATP如何合成并不嚴重影響體系Ⅱ、Ⅲ對ATP的使用。從這個意義上講可以認為體系Ⅰ與整個合成體系（包括體系Ⅱ和Ⅲ）之間的聯(lián)系較為松散體系Ⅰ合成的小分子化合物可用作體系Ⅱ中結構單位的碳架，其質和量強烈地影響體系Ⅱ的運行，因此體系Ⅰ和Ⅱ的聯(lián)系是緊密的，而體系Ⅰ與Ⅲ之間幾乎只通過ATP相聯(lián)系。因此它們之間的聯(lián)系是松散的。結構單位（如氨基酸）在細胞內常以游離狀態(tài)存在，由此推測體系Ⅱ和Ⅲ也只是保持松散關系代謝體系組成一、微生物的代謝體系第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝體系組成體系Ⅰ和Ⅱ分別與體系Ⅲ只發(fā)生松散聯(lián)系，體系Ⅰ具有相對獨立的運轉能力，同時體系Ⅰ和Ⅱ可作為一個整體，具有相對獨立的運轉能力由于細胞的分泌機制，體系Ⅰ的相對獨立運轉使細胞有可能分泌如乙醇等代謝副產物；體系Ⅰ和Ⅱ一起相對運轉，使細胞可以分泌氨基酸等生物大分子的前體三個體系協(xié)調運轉，不但使微生物細胞生長迅速，而且有可能分泌酶、多糖等生物大分子一、微生物的代謝體系第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝體系組成在代謝過程中，微生物通過分解代謝產生化學能，光合微生物還可將光能轉換成化學能，這些能量除用于合成代謝外，還可用于微生物的運動和運輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環(huán)境中去某些微生物在代謝過程中除了產生其生命活動所必需的代謝產物和能量外，還會產生一些次級代謝產物。這些次級代謝產物除了有利于這些微生物的生存外，還與人類的生產與生活密切相關一、微生物的代謝體系第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝要素酶－－代謝途徑紐帶一、微生物的代謝體系第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ATP－－能量載體代謝要素一、微生物的代謝體系第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ATP循環(huán)代謝要素一、微生物的代謝體系第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝要素一、微生物的代謝體系輔酶－－遞能分子輔酶（coenzyme）：作為酶的輔助因子的有機分子，本身無催化作用，但一般在酶促反應中有傳遞電子、原子或某些功能基團(如參與氧化還原或運載酰基的基團)的作用有許多維他命及其衍生物，如核黃素、硫胺素和葉酸，都屬于輔酶。不同的輔酶能夠攜帶的化學基團也不同：輔酶Ⅰ（NAD）或輔酶Ⅱ（NADP）攜帶氫離子，輔酶A攜帶乙?；~酸攜帶甲?；琒-腺苷基蛋氨酸也可攜帶甲?；?。由于輔酶在酶催化反應中其化學組分發(fā)生了變化，因此可以認為輔酶是一種特殊的底物或者稱為“第二底物”。這種所謂的第二底物可以被許多酶所利用在細胞內，反應后的輔酶可以被再生，以維持其胞內濃度在一個穩(wěn)定的水平上，輔酶的再生對于維持酶反應體系的穩(wěn)定是非常必要的第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氧化還原電位代謝要素一、微生物的代謝體系NAD－－電子受體第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四NADPH－－提供還原力代謝要素一、微生物的代謝體系第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四FMN

FAD

代謝要素一、微生物的代謝體系FMN、FAD－－電子傳遞第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝要素一、微生物的代謝體系泛酸、輔酶A－－促乙?；?8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝要素一、微生物的代謝體系硫胺素（VB1）－－脫羧生物素（VH）－－羧化、CO2固定吡哆醛（VB6）－－轉氨、脫羧、消旋葉酸－－轉移一碳基團第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物產能代謝生物氧化工業(yè)微生物絕大多數(shù)屬于化能異養(yǎng)型，它們是以有機物作為主要的能源和碳源，最主要的碳源是葡萄糖和果糖，通過其降解途徑獲得能源，和提供中間代謝物，進而合成細胞的大分子化合物，使微生物生長、繁殖葡萄糖氨基酸核苷糖原肽聚糖脂肪磷脂細胞色素次級代謝產物第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物產能代謝生物氧化生物氧化：發(fā)生在活細胞內的一系列產能性氧化反應的總稱產能代謝：細胞內化學物質經過一系列的氧化還原反應而逐步分解，同時釋放能量的生物氧化過程第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四生物氧化異養(yǎng)微生物氧化有機物的方式，根據(jù)氧化還原反應中電子受體的不同可分為發(fā)酵和呼吸有氧呼吸（又稱好氧呼吸）：以分子氧作為最終電子受體的氧化作用無氧呼吸（又稱厭氧呼吸）：以無機氧化物如NO3、NO2-、SO42-等中的氧作為最終電子（氫）受體的氧化作用發(fā)酵作用：電子供體和電子受體都是有機化合物的氧化作用二、微生物產能代謝第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四底物脫氫以葡萄糖作為生物氧化的典型底物，它在脫氫階段主要可通過以下途徑完成其脫氫反應，并伴隨還原力[H]和能量的產生（1）EMP途徑（2）HMP途徑（3）ED途徑（4）磷酸解酮途徑（5）TCA循環(huán)二、微生物產能代謝第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四EMP途徑二、微生物產能代謝第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四EMP途徑二、微生物產能代謝C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四EMP途徑EMP途徑主要生理功能是：提供ATP和NADH是連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁，包括三羧酸循環(huán)（TCA）、HMP途徑和ED途徑等產生中間產物又可提供微生物合成代謝的碳骨架可逆轉合成多糖從微生物發(fā)酵生產的角度來看，EMP途徑與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產關系密切二、微生物產能代謝第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四葡萄糖丙酮酸乙醛乙醇乙酰輔酶A乙酸甲酸乳酸CO2丙酸丙酮丁醇、丁酸丙酮酸代謝多樣性

TCA循環(huán)二、微生物產能代謝第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四HMP途徑二、微生物產能代謝氧化階段非氧化階段第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四6葡萄糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O→5葡萄糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋6CO2＋PiHMP途徑二、微生物產能代謝第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四HMP途徑HMP途徑主要生理功能是：供應合成原料：為核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途徑中的赤蘚糖-4-磷酸是合成芳香族、雜環(huán)族氨基酸的原料；產還原力：產生大量的NADPH形式的還原力，不僅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，還可供通過呼吸鏈產生大量能量之需作為固定的CO2中介：是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的重要中介擴大碳源利用范圍：微生物利用C3～C7多種碳源提供了必要的代謝途徑連接EMP途徑：通過與EMP途徑的連接，微生物合成提供更多的戊糖從微生物發(fā)酵生產的角度來看，通過HMP途徑可提供許多重要的發(fā)酵產物，例如核苷酸、氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等二、微生物產能代謝第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ED途徑二、微生物產能代謝KDPG：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸

第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ED途徑C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H+ED途徑特點是葡萄糖只經過4步反應即可快速獲得由EMP途徑須經10步才能獲得的丙酮酸二、微生物產能代謝第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物產能代謝第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四磷酸戊糖解酮酶（PK）途徑磷酸已糖解酮酶HK途徑

磷酸解酮酶途徑二、微生物產能代謝第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四TCA循環(huán)二、微生物產能代謝第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四TCA循環(huán)二、微生物產能代謝C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H+第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四TCA循環(huán)二、微生物產能代謝TCA途徑的特點和主要生理功能是：氧雖不直接參與其中反應，但必須在有氧條件下運轉（NAD+和FAD再生時需氧）每分子丙酮酸可產4個NADH、1個FADH2和GTP，總共相當于15個ATP，因此產能效率極高TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，可為微生物的生物合成提供各種碳架原料，還與人類的發(fā)酵生產緊密相關第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四TCA循環(huán)TCA循環(huán)是糖，脂肪和蛋白質的共同代謝途徑，和互變的聯(lián)結機構

二、微生物產能代謝第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四遞氫和受氫貯存在生物體內葡萄糖等有機物中的化學能，經上述的途徑脫氫后，經過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終與氧、無機或有機氧化物等氫受體相結合而釋放出其中的能量根據(jù)遞氫特點尤其是氫受體性質的不同，可把生物氧化區(qū)分成3種類型（好氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵）二、微生物產能代謝第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四微生物在降解底物過程中，將釋放出電子傳給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產物并釋放出能量的過程稱為呼吸作用以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸；以氧化型化合物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-）作為最終電子受體的稱為無氧呼吸二、微生物產能代謝呼吸作用第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四有氧呼吸有氧呼吸：是一種最普遍又最重要的生物氧化或產能方式，其特點是底物脫下的氫經完整的呼吸鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產生水并釋放出ATP形式的能量。這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的生物氧化作用，是一種高效產能方式二、微生物產能代謝第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四無氧呼吸無氧呼吸：是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產能反應。這是一類在無氧條件下進行的、產能效率較低的特殊呼吸二、微生物產能代謝第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵作用發(fā)酵（狹義）：指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產生的還原力[H]未經呼吸鏈傳遞而直接交某一內源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產能的一類生物氧化反應二、微生物產能代謝第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產物，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二、微生物產能代謝發(fā)酵呼吸第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四能量轉換二、微生物產能代謝能量轉換底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四底物水平磷酸化物質在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產生ATP等高能分子的方式稱底物水平磷酸化底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程的某些步驟中富能中間產物：1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、琥珀酰CoA二、微生物產能代謝第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氧化磷酸化物質在生物氧化過程中，形成NADH和FADH2可通過位于線粒體內膜和細胞質膜上的電子傳遞系統(tǒng)將電子傳遞給氧或其它氧化型物質。在這個過程中偶聯(lián)著ATP的合成，這種產生ATP的方式稱為氧化磷酸化呼吸鏈：電子從NADH或FADH2到O2的傳遞所經過的途徑，由一系列氧化還原勢呈梯度差的、鏈狀排列的氫（或電子）傳遞體組成。呼吸鏈與氧化磷酸化緊密偶聯(lián)，在產能代謝中起著不可替代的重要作用二、微生物產能代謝第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

NADH：P/O=3FADH2

：P/O=2

氧化磷酸化二、微生物產能代謝TCA循環(huán)：4×NADH1×FADH2

1×GTP4×3+1×2+1=15ATP

第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物產能代謝第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四三、微生物耗能代謝耗能代謝細胞物質的合成（合成代謝）CO2的固定生物固氮二碳化合物的同化糖類合成氨基酸合成核苷酸合成其它耗能反應運動營養(yǎng)物質運輸生物發(fā)光第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四細胞物質的合成微生物利用能量代謝產生的能量、中間產物以及從外界吸收的小分子合成復雜的細胞物質的過程稱為合成代謝。合成代謝所需的能量由ATP和質子動力提供。糖類、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等主要細胞成分的合成反應的生化途徑中，合成代謝和分解代謝盡管存在共同的中間代謝物。例如由分解代謝產生的丙酮酸、乙酰CoA、草酰乙酸、3-P甘油醛等化合物亦可作為合成反應的起始物三、微生物耗能代謝第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四細胞物質的合成三、微生物耗能代謝第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四細胞物質的合成生物合成途徑中一個分子的生物合成化學途徑與它的分解代謝途徑通常是不同的，其中可能有相同的步驟，但導向一個分子合成的途徑與從該分子開始的降解途徑間至少有一個酶促反應步驟是不同的需能的生物合成途徑與產能的ATP分解反應相偶聯(lián)，因而生物合成方向是不可逆的調節(jié)生物合成的反應與相應的分解代謝途徑的調節(jié)機制無關，因為控制分解代謝途徑速率的調節(jié)酶，并不參與生物合成途徑。生物合成途徑主要是被它們的末端產物濃度所調節(jié)三、微生物耗能代謝第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四CO2固定CO2的固定：將空氣的CO2同化成細胞物質過程CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源，異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為輔助的碳源微生物有兩種同化CO2的方式：自養(yǎng)式和異養(yǎng)式。在自養(yǎng)式中，CO2加在一個特殊的受體上，經過循環(huán)反應，使之合成糖并重新生成該受體。在異養(yǎng)式中CO2被固定在某種有機酸上。因此異養(yǎng)微生物即使能同化CO2，最終卻必須靠吸收有機碳化合物生存三、微生物耗能代謝第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四異養(yǎng)型微生物同化CO2異養(yǎng)型微生物的CO2固定主要是合成TCA環(huán)中間產物。從理論上講，利用1分子草酸乙酰就可以不斷地推動TCA環(huán)的運行（因為草酸乙?？赏ㄟ^TCA環(huán)再生）。假如TCA環(huán)中的中間產物被用作它用，那么就須加以補充，才能維持TCA的正常運行。異養(yǎng)型微生物固定CO2生產二羧補充TCA環(huán)的中間產物主要有以下反應三、微生物耗能代謝第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四異養(yǎng)型微生物同化CO2①磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶PEP+CO2

草酰乙酸+H3PO4②磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶PEP+CO2+ADP草酰乙酸+ATP

③

磷酸烯醇式丙酮酸羧基轉磷酸化酶PEP+CO2+二碳酸+pi草酰乙酸+PP-④

丙酮酸羧化酶丙酮酸

+CO2+ATP草酸乙酰

+ADP+pi⑤蘋果酸酶⑥異檸檬酸脫氫酶丙酮酸+CO2+NAD(P)H2

蘋果酸+NAD(P)α-酮戊二酸+CO2+NAD(P)H2

異檸檬酸+NAD(P)三、微生物耗能代謝第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四異養(yǎng)型微生物同化CO2脂肪酸合成中的固定CO2反應生物素CH3-CO-SCoA+CO2+ATPHOOC-CH2-CS-CoA+ADP+Pi乙酰CoA羧化酶核苷酸合成中的固定CO2反應5氨基咪唑核糖-5-P5氨基-4羥基咪唑核糖-5-PCO2CO2+NH3

氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸合成酶ATPUMP鳥氨酸三、微生物耗能代謝第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四生物固氮所有生物都需要氮，氮的最終來源是無機氮。盡管大氣中氮氣的比例占79%，但所有的動植物以及大多數(shù)微生物都不能利用分子態(tài)氮作氮源。目前僅發(fā)現(xiàn)一些特殊類群的原核生物能將分子態(tài)N2還原NH3，然后再由氨轉化為多種細胞物質。微生物將氮還原成氨的過程稱生物固氮三、微生物耗能代謝第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四生物固氮微生物之所以能夠在常溫壓條件下固氮，關鍵靠固氮酶的催化作用。固氮酶的結構比較復雜，由鐵蛋白和鉬鐵蛋白連兩個組分組成。固氮作用是一個耗能反應，固氮反應必須在有固氮酶和ATP參與下才能進行。每固定1mol氮大約需要21molATP，這些能量來自氧化磷酸化或光合磷酸化。在體內進行固氮時還需要特殊的電子傳遞體，主要是鐵氧還蛋白和含有FMN作為輔基的黃素氧還原白。鐵氧還原蛋白和黃素氧還原蛋白的電子供體來自NADPH，受體是固氮酶三、微生物耗能代謝第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四化合物同化TCA環(huán)是產能反應和生物合成的重要代謝環(huán)節(jié)，其中的有機酸可被微生物利用，作為電子的供體和碳源。四碳、五碳、六碳酸均可在有氧條件下被微生物利用，通過氧化磷酸化產生能量。TCA環(huán)只有在受體分子草酰乙酸在每次循環(huán)后都能得到再生的情況下才能順利進行。若將TCA中的有機酸分子移作他用（生物合成）將會影響TCA環(huán)的運轉。微生物可利用回補途徑（Replenishmentpathway）來解決這個矛盾回補途徑:是指補充兼用（可）代謝途徑（如TCA環(huán)）中因合成代謝而消耗的中間代謝產物的反應三、微生物耗能代謝第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四化合物同化（1）CO2的固定反應（2）乙醛酸循環(huán)（3）甘油酸途徑三、微生物耗能代謝第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)的總反應式：2丙酮酸→琥珀酸＋2CO2

丙酮酸丙酮酸CO2CO2琥珀酸三、微生物耗能代謝第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四草酸

甘氨酸

乙醇酸

NADPH

2乙醛酸

縮合酶

CO2羥基丙酸半醛

甘油酸

3--甘油酸

EMP途徑

TCA循環(huán)

還原酶，NADPH

P甘油酸途徑當微生物以甘氨酸、乙醇酸和草酸作為底物時，則通過甘油酸途徑補充TCA環(huán)中的中間產物三、微生物耗能代謝第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四糖類合成葡萄糖葡萄糖-6-P葡萄糖-1-PUDP-葡萄糖細胞壁多糖核酮糖-5-P核糖-5-P核糖核酸脫氧核糖核酸RNADNAATPUTP能量代謝磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸TCA循環(huán)糖酵解糖異生生物合成戊糖途徑三、微生物耗能代謝第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氨基酸合成各氨基酸骨架的合成：來自糖代謝產生的中間產物氨基的合成直接從外界環(huán)境中獲得分解含氮化合物通過固氮作用合成由硝酸還原作用合成三、微生物耗能代謝第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氨基酸合成氨基化作用α-酮酸（α-酮戊二酸和丙酮酸）與氨反應形成相應的氨基酸轉氨基作用在轉氨酶催化下，使一種氨基酸的氨基轉移給酮酸，形成另一種氨基酸前體轉化糖代謝中間產物通過一系列生化反應合成三、微生物耗能代謝第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氨