微生物的新陈代谢课件

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1、目的：掌握不同微生物能量代谢的特点；了解微生物代谢的调节。 重点：产能代谢，生物固氮和肽聚糖的合成。 难点：生物固氮机制。,第五章 微生物的新陈代谢,关于新陈代谢的几个概念,新陈代谢（Metabolism） 发生在 活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。,合成代谢(Anabolism) (同化作用) 在合成酶系催化作用下，由简单小分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂大分子的过程。 分解代谢(Catabolism) (异化作用) 复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单小分子、ATP形式的能量和还原力的过程。,主要内容 第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物独特合成代谢

2、途径 第三节 微生物的代谢调节和发酵生产,主要内容： 一 化能异养微生物的产能代谢 二 化能自养微生物的产能代谢 三 光合自养微生物的产能代谢,第一节 微生物的能量代谢,能量代谢的目的： 生物体把外界环境中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）。,一 化能异养微生物的生物氧化,生物氧化（biological oxidation） 在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。 氧化的形式包括：得氧、脱氢和失去电子。 过程包括脱氢(电子)、递氢(电子)和受氢(电子)3个阶段。 功能：产ATP，H，小分子中间代谢产物。 类型：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。,底物脱电子的四种方式

3、以葡萄糖为例 EMP途径（占大多数,又称糖酵解途径） 葡萄糖经10步反应后生成2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP。（即相当于8个ATP） HMP途径（戊糖磷酸途径） 葡萄糖通过该途径被彻底氧化，产生ADPH+H+及多种中间代谢产物。,ED途径 是存在于某些缺乏EMP途径的微生物中的一种替代途径，葡萄糖经4步反应后，生成丙酮酸、ATP、NADPH2、NADH2。 TCA循环 丙酮酸经10步反应彻底氧化、脱羧后，生成ATP,GTP,NADH2和CO2,EMP途径(Embden-Myerhpf Pathway),总式： 葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP2丙酮酸+2NADH+2H+2A

4、TP+2H2O,2ATP,EMP 途 径 的 意 义,EMP途径的生理学功能 为合成代谢供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力 为合成代谢提供多种中间代谢产物 连接三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径的桥梁 通过逆向反应可进行多糖合成 EMP途径与人类的关系 乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的发酵,HMP途径： Pentose phosphate pathway，旧称HMP途径(Hexose monophasphate pathway)，此途径存在于大多数生物体内。,C7,C4,C5,C5,C5,C6,C3,C6,C3,6C6 6C5 ,5C6,经一系列复杂反应后,重新合成己糖,12N

5、ADPH,6CO2,经呼吸链,36ATP,1ATP,35ATP,总反应式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi,HMP途径的意义,微生物生命活动： 1.供应合成原料 提供戊糖磷酸：参与核酸、NAD+、NADP+、FAD、 CoA等合成； 赤藓糖-4-磷酸：合成芳香族氨基酸 2.产还原力：NADPH2 3.作为固定CO2的中介：核酮糖-5-磷酸 4.扩大碳源利用范围：C3C7 5.连接EMP途径：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸,生产实践可提供重要发酵产物 核苷酸 氨基酸 辅酶 乳酸,多数好氧菌和兼性厌氧菌都存在HMP途径，

6、而且通常与EMP途径同时存在。只有HMP而无EMP途径的微生物较少，如弱氧化醋杆菌等。,ED途径（N.Entner and M. Doudorroff) 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径 微生物特有,与EMP途径相连,与EMP途径相连,有O2时与TCA相连,无O2时进行酒精发酵,特点： 特征性反应: KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛 特征性酶：KDPG酶 终产物2分子丙酮酸的来历不同：KDPG直接裂解和3-磷酸甘油醛经EMP途径转化而来。 产能效率底：1mol ATP/1mol Glucose,反应式：葡萄糖+NAD+NADP+Pi+ADP 2丙酮酸+NADH+H+ +NADPH

7、+H+ATP,具有ED途径的微生物 （EMP途径不完整的细菌所特有）,Pseudomonas saccharophila(嗜糖假单胞杆菌) Ps.aeruginosa(铜绿假单胞杆菌) Ps.fluorescens(荧光假单胞杆菌) Ps.lindneri(林氏假单胞菌) Z.mobilis(运动发酵单胞菌) Alcaligens eutrophus (真氧产碱菌),丙酮酸的代谢的多样性,EMP途径，不完全的HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸： 进入TCA循环 进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架 发酵作用Fermatation：细菌酒精发

8、酵 林氏发酵单胞菌、嗜糖假单胞菌、运动发酵单胞菌等（微生物好氧菌），经ED途径，发酵葡萄糖生成丙酮酸，脱羧成乙醛，进一步被NADH2还原为乙醇的代谢。,TCA循环（Krebs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。,从丙酮酸进入循环： 丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O 3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP 15个ATP 从乙酰-CoA进入循环： 乙酰-CoA+3NAD+

9、FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP 12个ATP,（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。,TCA循环的重要特点,葡萄糖经不同途径后的产能效率,*在TCA循环的异柠檬酸至-酮戊二酸反应

10、中，有的微生物产生的是NADPH+H+ *在葡萄糖转变为葡糖-6-磷酸过程中消耗1ATP *真核生物的呼吸链组分在线粒体膜上，NADH+H+进入线粒体要消耗2ATP。,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH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。,递氢和受氢ATP的产生,生物氧化的三种类型,根据受氢体性质的不同，生物氧化可分为三种类型： 呼吸 无氧呼吸 发酵,广义发酵 任何利用微生物来生产大量菌体或有用代谢产物或食品饮料的一类生产方式 狭义发酵 在无氧等外源受氢体（外源最终电子受体）条件下，底物脱氢以后产生的还原力H未经过呼

11、吸链传递而直接交给某一内源中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的生物氧化反应。 C6H12O6 2CO2+2C2H5OH,（一） 发酵(fermentation),发酵的特点,微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量； 氢供体与氢受体(内源性中间代谢产物)均为有机物 还原力H不经过呼吸链传递； 产能方式：底物水平磷酸化反应。 底物磷酸化：指在发酵过程中往往伴随着高能化合物生成，如EMP途径中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇氏丙酮酸，其可直接偶联ATP和GTP的产生。,发酵产能是厌氧和兼性好氧菌获取能量的主要方式。 多糖转化为单糖才能用于发酵。 微生物直接发酵的碳源物质主要是葡萄糖和

12、其它单糖，以微生物发酵葡萄糖最为重要。,和底物脱氢的途径有关的和称为Stickland反应的四类重要发酵,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 通过HMP途径的发酵 通过ED途径进行的发酵 Stickland反应,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,由葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸，进一步降解形成各种发酵产物 （同型）酒精发酵（酿酒酵母） 同型乳酸发酵（德氏乳杆菌） 丙酸发酵（丙酸杆菌） 混合酸发酵（大肠杆菌） 2,3-丁二醇发酵（产气肠杆菌） 丁酸发酵（丁酸梭菌）,由丙酮酸出发的6条发酵途径,酵母型酒精发酵 同型乳酸发酵 丙酸发酵 混合酸发酵 2,3丁二醇发酵 丁酸发酵,方框内为发酵产物,由EMP途径中

13、丙酮酸出发的发酵的意义,工业发酵:大规模生产这些代谢产物； 菌种鉴定:发酵中的某些独特代谢产物是鉴定相应菌种的重要生化指标。 V.P.实验（Vogos-Prouskauer test） 产气肠杆菌(E.aerogenes)产生乙酰甲基甲醇，碱性条件下氧化成双乙酰，与含有胍基的精氨酸反应，产生特征性的红色反应（呈V.P.阳性），而E.coli (与产气肠杆菌近缘)呈V.P.阴性，故极易区别两菌。,通过HMP途径的发酵,异型乳酸发酵（ Heterolactic fermentation ） 凡是葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵 进行异型乳酸发酵的微生物 异

14、型乳酸发酵的经典途径 L.mesenteroides(肠膜明串珠菌)、L.cremoris(乳脂明串珠菌)、L.brevis(短乳杆菌)、L.fermentum(发酵乳杆菌)等 异型乳酸发酵的双歧杆菌途径 Bifidobacterium bifidum,异型乳酸发酵的经典途径,凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵。,异型 乳酸 发酵 的双 歧 途 径,特点： 2分子葡萄糖产生2分子乳酸，3分子乙酸，5分子ATP,同型乳酸发酵和异型乳酸发酵的比较,ED途径的发酵细菌酒精发酵 林氏发酵单胞菌、嗜糖假单胞菌、运动发酵单胞菌等（微生物好氧菌），经ED途径，发酵葡

15、萄糖生成丙酮酸，脱羧成乙醛，进一步被NADH2还原为乙醇的代谢。,氨基酸发酵产能Stickland反应,什么是Stickland反应？ 以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型。 氢供体氨基酸 丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、组氨酸、色氨酸、丝氨酸等 氢受体氨基酸 甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、鸟氨酸,以丙氨酸和甘氨酸为例： 丙氨酸+甘氨酸+ADP+Pi3乙酸+3NH3+CO2,进行Stickland反应的微生物 C.sporogenes（生胞梭菌） C.botulinum（肉毒梭菌） C.sticklandii（斯氏梭菌）,该反应效率很低，一个分子的Aa只产

16、生1个ATP。 注：stickland反应对生长在厌氧和蛋白质丰富环境中的微生物非常重要，使其可以利用氨基酸作为碳源、能源和氮源，如生孢梭菌。,和发酵产物有关的重要的发酵类型,降解产物为乙醇（乙醇发酵） 酵母菌和细菌可进行乙醇发酵。,葡萄糖,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇,酵母菌，八叠球菌的乙醇发酵：EMP 运动发酵单孢菌和厌氧发酵单孢菌乙醇发酵：ED,应用：酿酒,乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、混合酸发酵、丁酸发酵等,注： 酵母菌乙醇发酵中，发酵条件对发酵过程与产物影响很大。如发酵过程中的通气状况、培养基组成及pH控制均对发酵终产物产生影响。 乙醇发酵是一种厌氧发酵,如将厌氧条件改为好氧条件，葡萄糖分解速度降低，乙醇生成停止，这种有氧呼吸抑制发酵的现象称为巴斯德效应。 当重新返回厌氧条件时，葡萄糖分解加速， 伴随大量乙醇产生。,酵母菌利用葡萄糖进行发酵的三种类型 型发酵：即正常的乙醇发酵，在弱酸性条件下进行，1分