微生物学第五章微生物的代谢2章节

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1、第五章 微生物的代谢与调节,新陈代谢： 生物体进行的所有化学反应和物理反应的总和。 微生物的代谢作用包括: 合成代谢和分解代谢，或称同化作用和异化作用。,合成代谢 在合成酶系的催化下，由简单的小分子、ATP和还原力H一起合成复杂的生物的大分子的过程。,分解代谢 指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(ATP)、和还原力H的过程。,分解代谢的三个阶段,将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。 进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的中间产物。 将第二阶段的产物完全降解生成CO2 ， 并将前面形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧化、 同时

2、形成大量的ATP。,合成代谢和分解代谢的关系,复杂分子 简单分子+ATP+H (有机物),分解代谢酶系,合成代谢酶系,初级代谢和次级代谢,初级代谢： 能使营养物质转变成机体的结构物质、或对机体具有生理活性作用的物质或为生长提供能量的一类代谢类型。 初级代谢产物,次级代谢： 存在于某些生物中,并在它们一定生长时期内出现的代谢类型。 次级代谢产物： 抗生素、生长刺激素、生物碱、色素等,第一节 微生物的能量代谢,新陈代谢中的核心问题： 能量代谢 能量代谢的中心任务： 是生物体如何把环境中多种形式的最初能源转换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。 生物体能量代谢的实质： 是ATP和酰基辅酶A、酰基磷

3、酸等的生成和利用问题。即ATP的生成和利用的问题。,能源的转化,一.化能异养微生物的生物氧化和产能,大分子物质的分解代谢 1、多糖的分解 淀粉 l 由各种胞外淀粉酶分解成葡萄糖（麦芽糖）后被吸收利用 n a-淀粉酶：枯草杆菌，米曲霉 n b-淀粉酶 ：巨大芽孢杆菌 n 葡萄糖淀粉酶 ：黑曲霉 n 异淀粉酶 纤维素 l 由复合的纤维素酶催化产生葡萄糖后被微生物吸收利用,2、油脂的分解 通过脂酶将油脂分解成甘油和脂肪酸 甘油的利用 l 直接吸收后经磷酸化并转变为磷酸二羟丙酮 脂肪酸的利用 l 经 -氧化途径产生乙酰CoA后被利用,三、蛋白质的分解 通过蛋白酶将蛋白质分解成肽，并可继续分解成氨基酸

4、1、氨基酸的直接利用 2、氨基酸的脱氨分解利用 3、氨基酸的脱羧分解,生物氧化与普通氧化反应的区别,一.化能异养微生物的生物氧化和产能,微生物生物氧化的产能模式,生物氧化的过程： 脱氢（或电子） 递氢（或电子） 受氢（或电子） 生物氧化的方式： 按照是否有最终外源电子受体可分为呼吸和发酵。,发酵 没有任何外源的最终电子受体的生物氧化模式。 呼吸 有外源的最终电子受体的生物氧化模式。 呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸。,（一）底物脱氢的四条途径葡萄糖糖（单糖）的降解,葡萄糖 丙酮酸 途径-EMP、HMP、ED、PK 丙酮酸 ？产物 进行各种发酵，一般以产物来命名。 如：丙酮酸 二氧化碳,无氧条件下

5、,三羧酸循环,有氧条件下,底物脱氢的四种途径,EMP途径,HMP途径,ED途径,磷酸解酮酶途径,EMP途径 （Embden-Meyerhof pathway）,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6- 二磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,EMP途径意义： 为细胞生命活动提供ATP 和 NADH；桥梁；中间代谢产物；逆向合成多糖；与发酵产物有关。,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,HMP 途 径,无氧,进入EMP或形成己糖磷酸,HMP（WD）途径,从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。,HMP途

6、径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的 3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， 磷酸戊糖支路。,HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸 转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供 大量还原力（NADPH）和中间代谢产物；为自养微生物固定CO2的中介；扩大碳源利用范围；生产中可提供核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸等发酵产物。,HMP途径不经EMP和TCA途径，将葡萄糖彻底氧化。,多数微生物、动物、植物存在HMP，常与EMP 同存。,ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸途径，KDPG）,ED途径,ED途径是在研

7、究嗜糖假单孢菌时发现的，还有荧光、 铜绿、林氏、真氧产碱菌，ED途径在革兰氏阴性菌中分布 较广，几种真菌有。是 EMP途径不完全的替代途径。,ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。,ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在，丙酮酸 有氧进TCA，无氧脱羧为乙醛，进一步还原为乙醇 ED途径不如EMP途径经济，产能少。,4、磷酸解酮酶途径 （1）磷酸戊糖解酮酶途径-PK （2）磷酸己糖解酮酶途径-HK 如：肠膜明串珠菌利用HK 途径将葡萄糖分解为乳酸和乙酸，利用PK途径将戊糖分解为乳酸和乙醇。 5、TCA循环,糖酵解途径的产物中葡

8、萄糖碳原子的分布,（二）递氢和受氢,贮存在生物体内的葡萄糖等有机物中的化学潜能，经上述4条途径脱氢后，通过呼吸链（或电子传递链）等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。 根据递氢特点及氢受体性质，把生物氧化区分为：呼吸和发酵两种类型。 109图5-11,1、呼吸作用,根据反应中氢受体不同分为两种类型,有氧呼吸 无氧呼吸,1、呼吸作用 （1）有氧呼吸 aerobic respiration,以分子氧作为最终电子（和氢）受体的生物氧化作用，称为有氧呼吸。 除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应 需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行有氧呼吸。 化能异

9、氧菌： 化能自养菌：,有氧呼吸中还存在两种形式： 一种是彻底氧化；如发酵面食的制作即利用了微生物的有氧呼吸 另一种是非典型的，底物被直接氧化。 有氧呼吸特点： 基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。 E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。 产能量多，一分子G净产38个ATP,氧化磷酸化,电子传递,NAD FAD Q,细胞色素bca1a3,呼吸链respiratory chain 电子传递连 electron transport chain,呼吸链： 由一系列氧化还原电势从低到高呈梯度差的链状排列的氢（或电子）传递体组成，其功能是把氢或电子传递。

10、呼吸链的位置 呼吸链传递电子的结果,化学渗透学说 （chemiosmotic hypothesis),P.Mitchell 1961年提出 认为在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，即形成质子动势。通过ATP酶的逆反应可把质子从膜外侧重新输回到膜内侧，同时合成ATP。,电子传递过程中能量(ATP)产生机制,化学渗透学说（1961，P.Mitchell）,1978 Nobel 奖,膜内,膜外,电子传递过程中能量(ATP)产生机制,构象变化偶联假说（1997，P.Boyer）,1997 Nobel 奖,氧 化 磷

11、酸化,青霉,氧化酶,（2）无氧呼吸anaerobic respiration,指以无机氧化物（如NO3-，NO2-，SO4-，S2O3-或CO2等）代替分子氧作为最终电子受体的生物氧化作用。,一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下有无氧呼吸 无氧呼吸产生的ATP比有氧呼吸少。,硝酸盐呼吸（反硝化作用）,硫酸盐呼吸（sulfate respiration） 反硫化作用 有些硫酸盐还原菌（反硫化细菌）如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2或有机物，大部分不能利用G)将底物脱下的氢经呼吸链传递给硫酸盐，使硫酸盐还原成H2S，并在递氢中与氧化磷酸化作用偶联而得ATP。反硫化细菌以次获得能量。 反硫化

12、细菌为严格厌氧菌，如脱硫脱硫弧菌。 乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。 SO428H 4H2OS2,碳酸盐呼吸（甲烷生成作用） 能在氢等物质的氧化过程中，以CO2、 、重碳酸盐为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。据还原产物不同分为，产甲烷菌将CO2、 、重碳酸盐还原成甲烷，产乙酸菌将CO2、 、重碳酸盐还原成乙酸。 专性厌氧菌。,甲烷细菌特点： 产甲烷细菌细胞壁不含肽聚糖 产甲烷DNA分子量比一般细菌少23倍 产甲烷细菌tRNA分子中的JC的T被U取代。 产甲烷细菌起始tRNA所携带的AA为甲硫氨 酸， 一般细菌为甲基甲硫氨酸。 无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。,硫呼吸（

13、sulphur respiration）：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。兼性或专性厌氧菌。 铁呼吸（iron respiration ）：兼性或专性厌氧菌（异养、自养、某些真菌） 最终电子受体为有机物：延胡索酸呼吸 延胡索酸+2H 琥珀酸 兼性厌氧菌。如埃希氏菌属、沙门氏菌属。 还有类似的以有机氧化物作无氧环境下呼吸链的末端氢受体的例子，如甘氨酸（还原为乙酸）、二甲基亚砜（DMSO，还原为二甲基硫化物）、氧化三甲基胺（三甲基胺）。,无机物氧化： 细菌：氢细菌、铁细菌、硫化细菌、硝酸盐细菌 能源物质:氢气、 铁、硫或硫化物,氨或亚硝酸盐 例：硫化细菌,2、发酵作用（f

14、ermentation),（狭义的）在没有外源最终电子受体时，底物脱氢后所产生的H不经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物的一类生物氧化作用叫发酵作用。 电子供体和电子受体： 都是有机化合物的生物氧化作用。 通过底物水平磷酸化并提供ATP。 发酵过程释放的能量：,各种微生物都能进行发酵模式的生物氧化，除进行无氧呼吸的厌氧微生物外，发酵作用是许多厌氧微生物取得能量的唯一方式。 需氧微生物在进行有氧呼吸的过程中也要经过发酵阶段，但在这种情况下，糖的利用速度要比无氧时慢。,呼吸作用与发酵作用的比较,相同点： 氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合，形成NADH和FADH。 不同点： NAD

15、H和FADH上的电子和氢的去路不同。 消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。 发酵类型很多，这里只介绍与EMP、HMP、ED途径有关的几类重要发酵类型,（1）由EMP途径的丙酮酸出发的发酵,酵母酒精发酵,正型乳酸发酵,谢氏丙酸杆菌的丙酸发酵,大肠杆菌进行的混合酸发酵，pH6.2产酸不产气,丙酮酸甲酸裂解酶,丙酮酸脱羧酶,乳酸脱氢酶,两分子丙酮酸缩合,产气肠杆菌的2，3-丁二醇发酵,碱，氧化为二乙酰 与胍基成红色，V.P试验,丁酸、丁醇、丙酮丁醇羧菌的丁酸型发酵（厌氧菌）,硫解酶,丙酮酸脱氢酶,乙酰甲基甲酸,大肠杆菌：VP阴性，M-R 阳性（产酸pH4，甲基红黄变红） 产气肠杆菌： VP阳性，M-R阴性pH5.3,乙醇发酵,酵母菌乙醇发酵:,极酸条件下的严格厌养菌如胃八叠球菌和肠杆菌也可通过EMP进行乙醇发酵（丙酮酸甲酸裂解酶而不是丙酮酸脱羧酶）。,酵母酒精发酵,酵母乙醇发酵的类型,条件 受氢体 ATP 主要产物 正常（脱羧） 乙醛 2 乙醇（同型酒精发酵，酵母一型发酵） 加亚硫酸氢钠 磷酸二羟丙酮 甘油（酵母二型发酵） pH7.6碱性条件 磷酸二羟丙酮 甘油、 乙醇 、乙酸（酵母三型发酵） 注意： 代谢的途径、条件、受氢体和产物的不同。,乳酸发酵 有三种类型： 同型、异型乳酸发酵，双歧发酵（途径不同） 一些能利用葡萄糖产酸的细