《微生物的新陈代谢》PPT课件.ppt

第七章 微生物的新陈代谢 新陈代谢 简称代谢(metabolism)，是活细胞内发生的各种 化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。 复杂分子 简单分子 + ATP + H 分解代谢酶系 复杂分子 简单分子 + ATP + H （有机物) 合成代谢酶系 微生物代谢特点： 1、代谢旺盛（强度高转化能力强） 2、代谢类型多。 在代谢过程中，微生物通过分解作用（或光合作 用）产生ATP形式的化学能。 这些能量用于：1、 合成代谢 ；2、微生物的运 动和运输； 3 、热和光 无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由 一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物 是后续反应的底物。 细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常 进行。 某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物 质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密 切相关。 第七章 微生物的新陈代谢 第一节 微生物的能量代谢 第二节 分解代谢和合成代谢的联系 第三节 微生物独特合成代谢途径举例 第四节 微生物的代谢调控与发酵生产 第一节 微生物的能量代谢 化能异养微生物的生物氧化和产能 自养微生物的生物氧化和产能 一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化的形式： 某物质与氧结合、脱氢、失去电子。 生物氧化的过程： 脱氢（或e-）、递氢（或e-）、受氢（或e- ）。 生物氧化的功能： 产能（ATP）、产还原力H、产小分子中间 代谢物。 生物氧化的类型： 呼吸、无氧呼吸、发酵。 （一）底物脱氢的四条途径 以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，在生物氧化的脱 氢阶段中，可通过四条途径完成其脱氢反应，并伴随 还原力H和能量的产生。 1 EMP途径 （Embden-Meyerhof pathway， 糖酵解途径，己糖二磷酸途径） 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 磷酸二羟丙酮甘油醛-3-磷酸 ATP ADP ATP ADP ADP ATP ADP ATP NAD+ NADH+H+ a a :耗能反应b b :氧化还原反应 EMP途径意义： 为细胞生命活动提 供ATP 和 NADH 底物水平磷酸化 底物水平磷酸化 （1）EMP途径的主要反应 EMP途径的简图 C6为葡萄糖， C3为甘油醛-3-磷酸 EMP途径的总反应: C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH+ 2NADH +2H+ + 2ATP + 2H20 （2）EMP终产物的去向： 1）有氧条件：2NADH + H+经呼吸链的氧化磷酸化反应 产生6ATP； 2）无氧条件：发酵 丙酮酸还原成乳酸； 酵母菌（酿酒酵母）的酒精发酵：丙酮酸脱羧为乙 醛，乙醛还原为乙醇。 （3）EMP途径在微生物生命活动中的重要意义 1）供应ATP形式的能量和还原力（NADH2）； 2）是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED 途径） 3）为生物合成提供多种中间代谢物； 4）通过逆向反应可进行多糖合成。 （4）生产实践意义 与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵生产关系密 切。 2、HMP途径（戊糖磷酸途径、 磷酸葡萄糖酸途径等） 葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化 ，并产生大量NADPH+H+形式的还原力及多种重 要中间代谢产物。 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NADPH2。 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（NADPH2）和中间代谢产物。 HMP途径 （1）HMP途径的主要反应 HMP途径的简图 C6为葡萄糖， C5为核酮糖-5-磷酸 （2）HMP途径的三个阶段 1）葡萄糖分子经过三步反应产生核酮糖-5-磷酸 和CO2； o OH OH CH2OH OH HO o OH CH2OP OH HO COOH C=O H-C-OH H-C-OH D CH2OP CH2OH o OH OH CH2OP OH HO ATP ADP NAD(P)+ NADH+H+ NAD(P)+ NADH+H+ 葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖 2）核酮糖-5-磷酸同分异构化或表异构化为核糖- 5-磷酸和木糖-5-磷酸； 3）无氧参与条件下，几种戊糖发生碳架重排， 产生己糖磷酸和丙糖磷酸。 C=O H-C-OH H-C-OH H-C-OP H CH2OH H-C-OH H- C=O H-C-OH H-C-OH CH2OP 5-磷酸-核酮糖 C=O HO-C-H H-C-OH H-C-OP H CH2OH 5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖 6-磷酸-葡萄糖 5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖 5-磷酸-木酮糖 6-磷酸-景天庚酮糖 6-磷酸-果糖 6-磷酸-葡萄糖 3-磷酸-甘油醛 4-磷酸-赤藓糖 6-磷酸-果糖 3-磷酸-甘油醛 丙糖磷酸可通过EMP途径转化为丙酮酸进入TCA循环 ，也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的 作用转化为己糖磷酸。 （3）HMP途径在微生物生命活动中的重要意义 供应合成原料：提供戊糖-P、赤藓糖-P； 产还原力：产生12NADPH2； 作为固定CO2的中介：自养微生物CO2的中介（核酮 糖-5-P在羧化酶的催化下固定CO2并形成核酮糖-15- 二磷酸）； 扩大碳源利用范围：为微生物利用C3C7多种碳源 提供了必要的代谢途径； 连接EMP途径：为生物合成提供更多的戊糖。 （4）生产实践意义 可提供许多重要的发酵产物（核苷酸、氨基酸 、辅酶、乳酸等）。 在多数好氧菌和兼性厌氧菌中普遍存在HMP途 径，且常与EMP途径同在。只有少数微生物如 弱氧化醋杆菌、氧化葡糖杆菌、氧化醋单胞菌 只有HMP途径，而无EMP途径。 3、ED途径（2 -酮-3 -脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径） 存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径 ，为微生物所特有，在革兰氏阴性菌中分布较广。 葡萄糖只经过四步反应即可形成丙酮酸。ED途径可不依赖 于EMP与HMP而单独存在。 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NADPH2、1分NADH。 （1） ED 途 径 的 主 要 反 应 （2）ED途径特点 1）KDPG（2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸）裂解为 丙酮酸和3-磷酸甘油醛； 2）存在KDPG醛缩酶； 3）两分子丙酮酸来历不同； 4）产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。 5）可与EMP、HMP、TCA循环等代谢途径 相连，可相互协调、满足微生物对能量、还原 力和不同中间代谢产物的需要。 （3）细菌的酒精发酵（好氧菌运动发酵单胞菌） 丙酮酸脱羧为乙醛，被NADH还原为乙醇。 具有ED途径的细菌有嗜糖假单胞菌、铜绿假单胞菌、 荧光假单胞菌、林氏假单胞菌、真养产碱菌等。 4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环） 丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、 H2O和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核 微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质 中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合 在膜上。 （1）TCA循环的主要反应 C3 GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给ADP生成ATP。 总反应式为： 乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP 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。 （2）TCA循环的特点 1）氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件 下进行（NAD+和FAD再生时需氧）； 2）每分子丙酮酸可产4 NADH2、1 FADH2、1 GTP，共相当于15 ATP，产能效率极高。 3）位于一切分解代谢和合成代谢的枢纽地位， 可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。 （3）生产实践意义 与发酵生产紧密相关（柠檬酸、苹果酸、谷氨 酸、延胡索酸、琥珀酸等）。 5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率 （二）递氢和受氢 葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链 ）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受 体结合并释放出其中的能量。 根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化 分为：呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。 呼吸、无氧呼吸和发酵示意图 C6H12O6 -H A -H H B -H CA、B或CAH2，BH2或CH 2 -H （发酵产物：乙醇、乳酸等） CO2 脱氢递氢受氢 经呼吸链呼吸 无氧 呼吸 发酵 1/2O2 H2O NO3-，SO42-，CO2 NO2-，SO32-， CH 4 1、呼吸（好氧呼吸） 递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产 能生物氧化作用。 （1）特点 1）底物脱下的氢（H）经完整的呼吸链传递； 2）外源分子氧受氢； 3）产生水并释放出ATP形式的能量。产能量多，一分 子G净产38个ATP. 4)基质彻底氧化生成CO2和H2O。 （2）呼吸链 1）位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由 一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电 子的传递体。 2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级 传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物 ，并使它们还原。 典型的呼吸链 不论是真核生物 还是原核生物， 呼吸链的主要组 分都是类似的。 3）氧化磷酸化 呼吸链的递氢（电子）和受氢（电子）与磷酸化 反应相偶联并产生ATP的作用。 4）氧化磷酸化的机制化学渗透学说 呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化 磷酸化作用的偶联，产生生物的通用能源 ATP。 目前获得多数学者接受的是化学渗透学说。 2、无氧呼吸（厌氧呼吸） 某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的、 呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有 机氧化物）的生物氧化。产能效率较低（不如有氧 呼吸产生的多）。 （1）特点 1）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递； 2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢（NO3-、 NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸 等有机物）； 3）氧化磷酸化产能。 （2）无氧呼吸的类型 根据呼吸链末端 氢受体的不同， 把无氧呼吸分成 以下类型： 1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用） 无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作 为呼吸链的最终受体，并把它还原为NO2-、NO、 N2O直至N2的过程。 反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。 如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等 。 造成土壤氮肥损失、NO和N2O会污染环境。 2）硫酸盐呼吸 严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌 ）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后 ，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受 氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP ，最终的还原产物是H2S。 硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧 菌、致黑脱硫肠状菌等。 硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。 3）硫呼吸 兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）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。 4）铁呼吸 某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化 能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢 受体是Fe3+的无氧呼吸。 5）碳酸盐呼吸 以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无 氧呼吸。 根据其还原产物不同分成两类： 产甲烷菌产生产生甲烷； 产乙酸细菌产生乙酸。 CO2+4H2CH4+2H2O+ATP 6）延胡索酸呼吸 一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终 氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌 属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、 丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。 此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲 基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧 呼吸。 广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微 生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产 方式。 狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下， 底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传 递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现 底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。 3、发酵（fermentation） 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸 过程中。 物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的 化合物而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成 。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷 酸化。 发酵类型很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸 、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。 （1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 （2）通过HMP途径的发酵 （3）通过ED进行的发酵细菌酒精发酵 （4）由氨基酸发酵产能Stickland反应 G EMP 2丙酮酸 2乙醛 2乙醇 丙酮酸 脱羧酶 C6H12O6 2C2H5OH2CO2 2ATP （1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 1）酵母菌的同型乙醇发酵 参与微生物：酿酒酵母 2）乳酸发酵 同型乳酸发酵 指乳酸菌将G分解产生的 丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程 进行乳酸发酵的都是细菌。如德氏乳杆菌、嗜酸乳 菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。 乳酸发酵的两种类型： 同型乳酸发酵、异型乳酸发酵 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。如：牛奶 变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料等。 同型乳酸发酵 在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸 发酵。 G PEPC3H6O3 过 程： 进行同型乳酸发酵的细菌：德氏乳杆菌、 嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。 H 反应式：C6H12O6+2ADP+Pi 2C3H6O3+2ATP 3）丙酸发酵 谢氏丙酸杆菌将G分解产生的丙酮酸逐渐 转化为丙酸的过程。 丙酮酸 某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸，乳酸、甲酸、H2 和CO2等多种代谢产物。 由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵 称为混合酸发酵。 大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。 4）混合酸发酵 混合酸发酵 用于细菌分类鉴定 甲基红反应 ：检验E.coli 经EMP途径的混合酸发 酵。甲基红指示剂pH4.2红色, pH6.3橙黄色。 产酸使指示剂变色。 5）2，3-丁二醇发酵 产气肠杆菌将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为2 ，3-丁二醇的过程。 V.P反应 细菌的鉴定： （3羟基丁酮） 6）丁酸型发酵 由多种厌氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮 丁醇梭菌所进行的将G分解产生的丙酮酸逐渐转 化为丁醇、丙酮的过程。 （2）通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵 凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇 、乙酸和CO2等多种产物的发酵。 肠膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌和两歧双 歧杆菌进行异型乳酸发酵。 1） 异 型 乳 酸 发 酵 的 经 典 途 径 2） 异 型 乳 酸 发 酵 的 双 歧 杆 菌 途 径 3）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较 （3）通过ED途径进行的乙醇发酵 细菌的乙醇发酵 参与微生物 ：运动发酵单孢菌 发酵途径：ED途径 反应式：C6H12O62C2H5OH+2CO2+ATP G ED 2丙酮酸 2乙醛 2乙醇 丙酮酸 脱羧酶 H 糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵 解过程的发展 发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧 化过程不彻底 基质是被氧化的基质同时又是电子受体。 （4）由氨基酸发酵产能Stickland反应 少数厌氧梭菌以一种氨基酸作为底物脱氢（氢供体），以 另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方 式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1 ATP。 氢供体：丙AA、亮AA、异亮AA、缬AA、苯丙AA、 丝 AA、组AA、色AA等。 氢受体：甘AA、脯AA、羟脯AA、鸟AA、精AA、 色AA等。 氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌 。 （5）发酵中的产能反应 发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物 氧化形式。其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧 化磷酸化相比,产能效率极低。 底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物,如: EMP途径中：1.3-二磷酸甘油酸、PEP； 异型乳酸发酵中：乙酰磷酸 TCA循环中：琥珀酰-CoA等含高能磷酸键的产物。 在厌氧菌的发酵过程中有很多反应可形成乙酰磷酸，乙酰 磷酸经乙酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能。 第二节 分解代谢和合成代谢的关系 分解代谢与合成代谢两者联系紧密，互不可分。 一、两用代谢途径 二、代谢回补顺序 又称代谢补偿途径或填补途径。 指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间 代谢产物的那些反应。（生物合成中所消耗的中间产物 若得不到补充，循环就会中断。） 通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中 间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可 保证能量代谢的正常进行。 不同种类的微生物或同种微生物在不同的碳源条件 下，有不同的代谢回补顺序。 凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的途径，称为 两用代谢途径。EMP途径、HMP途径和TCA循环等 都是重要的两用代谢途径。 主要围绕EMP途径中的PEP和TCA循环中的OA这两 种关键性中间代谢物来进行的。 回补途径 与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。 以EMP和TCA循环为中心的若干 重要中间代谢物的回补顺序 某些微生物所特有的代谢回补顺序。是TCA循环 的一条回补途径。 能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙 酸转变为乙酰CoA。然后乙酰CoA在异柠檬酸裂合酶 和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。 乙醛酸循环的主要反应： 异柠檬酸 琥珀酸 +乙醛酸 乙醛酸 + 乙酸 苹果酸 琥珀酸 + 乙酸 异柠檬酸 净反应：2乙酸 苹果酸 乙醛酸循环（乙醛酸支路） 乙醛酸循环 具有乙醛酸循环的微生物 普遍是好氧菌。如以乙酸 为唯一碳源的一些细菌： 醋杆菌属、固氮菌属、产 气肠杆菌、脱氮副球菌、 荧光假单胞菌、和红螺 菌属等；真菌中的酵母菌 属、青霉属和黑曲霉等。 三、微生物结构大分子肽聚糖的生物合成 肽聚糖的合成过程约有20步，根据它们反应部位的不同，可分成 在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段。 （一）在细胞质中的合成 1、由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸 2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸 “Park”核苷酸即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，合成过程如下： （二）在细胞膜中的合成 由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体是在细胞膜上进行的。 （三）在细胞膜外的合成 从焦磷酸类脂 载体上卸下来 的肽聚糖单体， 会被运送到 细胞膜外正在 活跃合成肽聚 糖的部位。 原有肽聚糖分 子成了新合成 分子的引物。 在细胞膜外合成 肽聚糖时的转糖基 作用和转肽作用 青霉素的抑菌机制 转肽作用可被青霉素所抑制。作用机制是： 1、青霉素是肽聚糖单