微生物代謝教學(xué)

關(guān)于微生物代謝教學(xué)代謝概論代謝（metabolism）：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子(有機(jī)物)分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)微生物的代能量謝一切生命活動(dòng)都是耗能反應(yīng),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(wù),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(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源------ATP.最初能源有機(jī)物還原態(tài)無機(jī)物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營(yíng)養(yǎng)微生物通用能源（ATP）第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天一．生物氧化生物氧化就是發(fā)生在或細(xì)胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應(yīng)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4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（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5頁,共46頁，2024年2月25日，星期天1、葡萄糖的酵解作用

(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡(jiǎn)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(gòu)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6頁,共46頁，2024年2月25日，星期天磷酸果糖激酶EMP途徑的關(guān)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(xì)胞內(nèi)催化的反應(yīng)是不可逆的反應(yīng)第7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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9頁,共46頁，2024年2月25日，星期天HMP途徑降解葡萄糖的三個(gè)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(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO22.核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)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10頁,共46頁，2024年2月25日，星期天HMP途徑的總反應(yīng)

耗能階段C62C3

產(chǎn)能階段4ATP2ATP2C32丙酮酸

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

第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天HMP途徑的總反應(yīng)6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+Pi第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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(xì)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(yīng)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13頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3、Pk途徑Pk途徑又稱磷酸解酮酶途徑，它們催化的反應(yīng)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14頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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(shí)與TCA環(huán)連接無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵

第15頁,共46頁，2024年2月25日，星期天ED途徑的總反應(yīng)

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧時(shí)經(jīng)過呼吸鏈)（無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）第16頁,共46頁，2024年2月25日，星期天ED途徑的特點(diǎn)ED途徑的特征反應(yīng)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(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵第17頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

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(yīng)發(fā)酵呼吸有氧呼吸厭氧呼吸第18頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天(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20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天二、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21頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（2）無氧呼吸概念：一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化，是一種無氧條件下進(jìn)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(jī)物,或延胡索酸（fumarate）等有機(jī)物.第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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(xì)胞色素等電子傳遞體,并在能量分級(jí)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(dòng)。第23頁,共46頁，2024年2月25日，星期天無氧呼吸（anaerobicrespiration）無氧呼吸的類型硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-,NO,N2

無機(jī)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24頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3.發(fā)酵(fermentation)有機(jī)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(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。有機(jī)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(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的.被還原的有機(jī)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25頁,共46頁，2024年2月25日，星期天常見的發(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(jìn)行的發(fā)酵細(xì)菌的酒精發(fā)酵（異型酒精發(fā)酵）第26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天酒精（乙醇）發(fā)酵酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵

~脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇細(xì)菌(Zymomonasmobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP細(xì)菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過WD途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)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(jī)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(jī)物分子的發(fā)酵第27頁,共46頁，2024年2月25日，星期天乳酸發(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(jī)化合物的發(fā)酵第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天異型乳酸發(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29頁,共46頁，2024年2月25日，星期天異型乳酸(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30頁,共46頁，2024年2月25日，星期天混合酸發(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(jī)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31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

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(xì)胞發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，在原核細(xì)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(xì)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(shì)大小排列，電子傳遞次序如下：第32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共46頁，2024年2月25日，星期天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34頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

上述反應(yīng)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(duì)，都具有高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能，它推動(dòng)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35頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類是含F(xiàn)e電子傳遞體。鐵原子處于卟啉的結(jié)構(gòu)中心，構(gòu)成血紅素。細(xì)胞色素以血紅素作為輔基。線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細(xì)胞色素，稱為細(xì)胞色素b，c

c１

aa3

。細(xì)胞色素bcc1aa3整合在一起存在。細(xì)胞色素aa3以復(fù)合物形式存在，稱為細(xì)胞色素氧化酶。細(xì)胞色素aa3含有兩個(gè)必需的銅原子。由還原型a3將電子直接傳遞給分子氧。電子從CｏQ傳到bcc1

，F(xiàn)e-S旦白,aa3

。第37頁,共46頁，2024年2月25日，星期天三．能量轉(zhuǎn)換1、光合磷酸化（photophosphorylation）光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程：

當(dāng)一個(gè)葉綠素分子吸收光量子時(shí),葉綠素性質(zhì)上即被激活,導(dǎo)致其釋放一個(gè)電子而被氧化,釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過程中逐步釋放能量,這就是光合磷酸化的基本動(dòng)力。光合磷酸化和氧化磷酸化一樣都是通過電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生ATP第38頁,共46頁，2024年2月25日，星期天（1）環(huán)式光合磷酸化光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP不是利用H2O,而是利用還原態(tài)的H2

、H2S等作為還原CO2的氫供體,進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用第39頁,共46頁，2024年2月25日，星期天非環(huán)式光合磷酸化的反應(yīng)式：2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→