糖代谢的中心途径

糖代谢的中心途径The center pathways of the carbohydrate metabolism,东南大学医学院生物工程学系徐旭东 x_,代谢(metabolism)：细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢包括物质代谢和能量代谢，前者分分解代谢和合成代谢；后者分产能代谢和耗能代谢。,分解代谢,合成代谢,第一节 微生物代谢概论,物质代谢,能量代谢,产能代谢,耗能代谢,初级代谢,次级代谢,代谢,一、物质代谢,物质代谢,分解代谢（catabolism）,合成代谢（anabolism）,复杂分子（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,细胞中蛋白质、核酸、糖、脂等物质的变化过程称为物质代谢。可分为分解代谢和合成代谢。,+,+,分解代谢和合成代谢的关系分解代谢往往伴随能量的产生；合成代谢往往伴随能量的消耗。,糖的分解代谢,脂肪 碳水化合物 蛋白质,二、能量代谢,微生物细胞中能量的产生、消耗、转移的过程称为能量代谢。,用于生物合成,用于运动、物质转运等,三、 初级代谢和次级代谢,初级代谢(primary metabolism)：微生物通过代谢合成细胞生长和繁殖所必需的化合物的的过程。初级代谢的产物称初级代谢产物，如氨基酸、核苷酸、维生素等。次级代谢(secondary metabolism)：微生物通过代谢合成对细胞生长和繁殖作用不明显、或没有作用的化合物的的过程。次级代谢的产物称次级代谢产物，如抗生素、生物碱、毒素、色素等。,四、代谢和酶,1. 酶是由生物细胞所产生的、具有催化性质的蛋白质；2. 微生物的生命活动离不开酶；3. 酶的活动受微生物调控机制制约；4.了解微生物代谢及调控机制是利用微生物的基础。,微生物的分解代谢分为三个阶段：将蛋白质、多糖以及脂类等大分子物质降解为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质(往往在细胞外进行)；将上述小分子进一步降解为丙酮酸、乙酰辅酶A等小分子中间体（细胞内进行）；将这些小分子中间体分解为二氧化碳。第、第阶段伴随着ATP、NAD(P)H+及FADH2的产生。分解代谢产生的NAD(P)H+及FADH2的H和电子通过电子传递链被氧化，产生ATP。,蛋白质,多糖,脂类,氨基酸,单糖,甘油脂肪酸,丙酮酸,糖酵解,CoA,柠檬酸,酮戊二酸,草酰乙酸,阶段1,阶段2,阶段3,CoQ,细胞色素,ATP,NADH2,+FADH2,ATP+NADH2,NADH,2,乙酰,三羧酸循环,ATP,NADH2,FADH2,O2,CO2,NADH,2,第二节 微生物的分解代谢及能量产生,CO2,一、萄萄糖分解途径,（一）EMP途径(Embden-Meyerhof pathway),Embden-Meyerhof-pathway,很多微生物采用基团转位的方式得到6-磷酸葡萄糖,藕联基团转位,Enol：烯醇,EMP途径的总反应式：Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 pyruvate + 2 NADHH+ + 2 ATP + 2 H2O,EMP途径的生理意义：1. 提供合成代谢必需的ATP和还原力NADHH+；2. 连接其它代谢途径的桥梁：TCA，HMP，ED等；3. 通过一些代谢中间产物；4. 逆向反应进行糖异生；5. 与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇发酵有关。EMP途径的关键酶：磷酸果糖激酶PFK、丙酮酸激酶PK,（一）EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,（二）HMP途径(Hexose Monophosphate Pathway),HMP途径即己糖单磷酸途径，其过程包括两个阶段：,一是氧化阶段：6-磷酸-葡萄糖氧化成5-磷酸-核酮糖；,二是分子重排阶段：五碳糖重排成为三碳糖和六碳糖。,降解发生在6-磷酸-葡萄糖酸，所以命名为己糖单磷酸途径(HMP)。,5-磷酸-戊糖水平发生分子重排，所以又可以命名为磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway, PPP),很多微生物可以不通过TCA循环将葡萄糖彻底降解为CO2。,1. HMP途径的关键酶： 6磷酸葡萄糖脱氢酶 （glucose-6-phospoate dehydrogenase） 6磷酸葡萄糖酸脱氢酶 （6-phospogluconate dehydrogenase）,2. HMP途径的特征酶： 转酮酶（transketolase, TK） 转醛酶（transaldolase, TA）,小分子前体,5-磷酸-核酮糖、核糖、木糖,4-磷酸-赤藓糖,3-磷酸-甘油醛,7-磷酸-景天庚酮糖,还原力,NADPH2,HMP途径可以为微生物生长提供能量、小分子前体和还原力。也扩大了碳源利用的范围乳酸杆菌(Lactobacterium)中无HMP，在其培养过程中，必须添加嘌呤、嘧啶等物质。,3. HMP途径的生理意义：,用于核苷酸、核酸及NAD(P)、FAD、FMN、CoA等合成,用于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸等芳香族氨基酸的合成,连接脂肪酸代谢途径，用于甘油、脂肪的合成,HMP途径的总反应式,不完全的HMP：,完全的HMP：,Glucose-6-phosphate + 6 NADP+ 3CO2 + 6NADPH2 + GAP,Glucose-6-phosphate + 12 NADP+ 6CO2 + 12NADPH2 + Pi,（三）ED途径(Entner-Doudoroff Pathway),ED途径由Entner和Doudoroff(Russia)2人研究嗜糖假单孢菌(Pseudomonas saccharophila)中发现，故名。 另外在下列细菌中也存在ED途径：Pseudomonas aeruginosa、Pseudomonas fluorescens、Pseudomonas lindneri、Zymomonas mobilis； ED途径的降解在2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸(2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnic acid, KDPG)上发生。 ED途径是细菌进行乙醇、乳酸发酵的重要方式。,philharmonic,Michael Doudoroff(1911 - 1975) was an Americanmicrobiologistwho discovered withNathan Entner microbial pathway for glucose degradation in some bacteria. Nowadays it is known asEntner-Doudoroof pathway. He was born in St. Petersburg, Russia but moved toSan Franciscowhen he was 12 years old. He enteredStanford University(1929) where he completed his PhD under the supervision ofCornelius Van Niel at theHopkins Marine Station.,Glucose,Glucose-6-phosphate,6-phosphogluconic acid,2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnic acid,Pyruvate,GAP,Pyruvate,ATP,ADP,NAD,NADH2,H2O,KDPG aldolase,ED途径,glucotate-6-phosphate dehydratase,glucose-6-phospoate dehydrogenase,类似EMP,2ATPNADH2,类似HMP,特征性反应,1. ED途径的关键酶： 6磷酸葡萄糖酸脱水酶 （glucose-6-phosphate dehydratase） KDPG 醛缩酶（特征酶） （2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconic acid aldolase）,2. ED途径的总反应式：,Glucose + NAD+ + NADP+ +ADP + 2 Pi 2 pyruvate + NADH2 + NADPH2 + ATP,来源不同！,3. 如何区别ED途径和EMP途径？,CHO,C,C,C,C,CH2OPi,OH,HO,OH,OH,H,H,H,H,COOH,C,C,C,C,CH2OPi,=O,H,OH,OH,H,H,H,Glucose,KDPG,C,CH3,=O,C,CH3,=O,ED途径呼吸的CO2来自C1和C4，EMP途径呼吸的CO2来自C3和C4,pyruvate,COOH,COOH,ED,C,C,C,C,CH2OPi,OH,HO,OH,OH,H,H,H,H,CH2OPi,C,C,C,C,CH2OPi,=O,HO,OH,OH,H,H,H,Glucose,DPF,CH3,C,COOH,=O,COOH,C,CH3,=O,pyruvate,CHO,EMP,ED途径呼吸的CO2来自C1和C4，EMP途径呼吸的CO2来自C3和C4,酿酒酵母,产朊假丝酵母,产黄青霉,大肠杆菌,氧化葡萄糖杆菌,运动发酵单孢菌,EMP,HMP,ED,88%,12%,0,66-81%,19-34%,0,77%,23%,0,72%,28%,0,0,100%,0,0,0,100%,铜绿假单孢菌,0,29,71%,三种代谢途径在微生物中的分布,（四）PK途径（phosphoketolase pathway）,即磷酸酮解途径。根据降解分子的不同，又可分为磷酸戊糖酮解途径(phosphopentoseketolase pathway, PPK)和磷酸己糖酮解途径(phosphohexoseketolase pathway, PHK)即双歧途径。,PK途径由Warberg、Dickens、Horeker等发现，故称WD途径。PPK途径是乳杆菌(Lactobacterium)进行乳酸发酵的重要方式；PHK途径实际上包括PPK和PHK，存在于双歧杆菌(Bifidobacterium)中。,glucose,glucose-6-phosphate,6-phosphogluconic acid,ribulose-5-phosphate,xylulose-5-phosphate,GAP,acetyl-CoA,pyruvate,Phosphopentoseketolase(关键酶),Glucose + NAD+ +ADP + Pi pyruvate + CO2 + Acetyl-CoA 2 + 3 NADH2 + ATP,PPK途径的总反应式,ATP,ADP,NAD+,NADH2,NAD+,NADH2,阿拉伯糖木糖核糖,PPK途径,类似EMP,类似HMP,CO2,NADH22ATP,2Glucose,2glucose-6-phosphate,ribulose-5-phosphate,xylulose-5-phosphate,2GAP,2acetyl-CoA,2Pyruvate,Phosphopentoseketolase(关键酶),xylulose-5-phosphate,ribose-5-phosphate,GAP,S7P,E4P,F6P,F6P,acetyl-CoA,Phosphohexoseketolase(关键酶),PHK途径,2Glucose + 2NAD+ +3ADP +3Pi 2pyruvate +3acete + 2NADH2 + 5ATP,PHK途径的总反应式,2NADH24ATP,2ATP,Acetate,ATP,ADP,2ADP,Acetate2ATP,（五）直接氧化途径,有些细菌，如Pseudomanas、Aerobacter等没有己糖激酶（hexokinase），无法进行葡萄糖的磷酸化，但是可以通过加氧酶的直接氧化作用，将葡萄糖降解。,某些真菌则通过葡萄糖氧化酶完成类似的过程。,加氧酶和葡萄糖氧化酶的辅基均为FAD。,Glucose,Gluconic acid,6-phosphogluconic acid,ribulose-5-phosphate,FAD,FADH2,NAD+,NADH2,H2O2,ATP,ADP,O2,H2O+O2,catalase,CO2,KDPG,H2O,HMP途径,ED途径,加氧酶,Pseudomanas、Aerobacter,Pseudomanas,直接氧化途径,NADHH+或NADPHH+,有氧呼吸：电子或H交给O2。,厌氧呼吸：电子或H交给无机物。,发酵：电子或H交给糖降解产物，如丙酮酸。,来自EMP、HMP、ED等途径,二、围绕中心途径的发酵(fermentation),巴斯德的“发酵”定义：酵母菌在厌氧条件下进行的代谢过程。 发酵的“生理学定义”是：将电子或氢交给糖降解产物的过程。 现代“发酵”的概念，已经远远超出其生理学定义：凡是利用微生物进行的产品生产过程，均称之为“发酵”。 根据产物的不同，可以分为多种形式。,围绕中心途径的发酵,（一）乙醇和甘油发酵,1. 酵母菌的第一型发酵(乙醇发酵),条件：pH3.54.5，厌氧；关键酶：丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶；特点：H的完全平衡。总反应式：Glucose + 2 ADP + Pi 2 Eth-OH + 2 CO2 + 2 H2O,Acetobacter、Zymomonas mobilis、Sarcina ventriculi、Erwinia amylovora也可进行乙醇发酵，但是以ED途径进行。,Carl Neuberg,2. 酵母菌的第二型发酵(甘油发酵),条件：pH 中性或微酸性，添加3亚硫酸氢钠；关键酶：-磷酸-甘油脱氢酶、-磷酸-甘油酯酶；特点：每个葡萄糖只产生一分子甘油，不产ATP，故亚硫酸氢钠必须是亚适量，以保证基础代谢的能量供应。总反应式：Glucose + NaHSO3 Glycerol + CO2 + 磺化乙醛,丙酮酸,CO2,乙醛,NADH,NAD+,乙醇,磷酸二羟基丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亚硫酸氢钠（pH7）,酵母菌的一型发酵,（磺化羟基乙醛）,酵母菌的乙醇和甘油发酵比较,酵母菌的二型发酵,葡萄糖,EMP,丙酮酸脱羧酶,乙醇脱氢酶,3. 酵母菌的第三型发酵(甘油发酵),条件：pH7.5，厌氧；此时乙醛成为不正常的H受体，2分子乙醛之间发生氧化还原反应(歧化反应)，一个得到H成为乙醇，一个失去H成为乙酸。特点：不产 ATP 。总反应式：2Glucose 2Glycerol Eth-OH + Acetate + 2 CO2,思考：第三型发酵时培养基中添加CaCO3的重要作用？,2 葡萄糖,2 丙酮酸,2 乙醛,乙醇,乙酸,EMP,丙酮酸脱羧酶,2CO2,NADH2,2 GAP + 2 DHAP,4 ATP,4 ADP,4 ATP + 2NADH2,2 -磷酸-甘油,2 甘油,酵母菌的第三型发酵,第一次世界打战期间德国主要用这种方法生产甘油产量：1000吨/月,目前甘油发酵使用的微生物Dunaliella salina(一种嗜盐藻类),胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡,生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境,葡萄糖,1,6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,甘油,丙酮酸,乙醛,乙醇乙酸,乙醇,磺化羟基乙醛,NADH2,CO2,总结：酵母菌的发酵过程,（二）乳酸发酵,1. 同型乳酸发酵,关键酶：乳酸脱氢酶；特点：H 的完全平衡；不产CO2。总反应式：Glucose + 2 ADP + 2Pi 2 Lactate + 2 ATP,制作酸奶、泡菜、青贮饲料，都是乳酸发酵的过程。,2. 异型乳酸发酵,肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroids)、葡聚糖明串珠菌(Leuconostoc dextranicum)等以PPK的方式进行乳酸发酵。产物包括乳酸和乙酸。,3. 双歧途径,两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)等以PHK的方式进行乳酸发酵。产物包括乳酸和乙酸。,梭菌(Clostridium)、丁酸弧菌(Butyriolbrio)、梭杆菌(Fusobacterium)利用最常见。丙酮酸首先在铁氧还蛋白还原酶作用下转变为乙酰CoA，再逐步形成丁酸。,（三）丁酸发酵和丙酮-丁醇发酵,1. 丁酸发酵,总反应式：Glucose3ADP Butyrate2CO22H23ATP,CH3 C COOH,Glucose,EMP,O,CH3CCoA,O,2XCO2,Fd,FdH2,CoA,2,2,CH3CCH2C CoA,O,O,CH3CHCH2C CoA,OH,O,CH3CHCHC CoA,O,CH3CH2CH2C CoA,O,CH3CH2CH2C OH,O,NADH2,NAD+,H2O,NADH2,NAD+,乙酸,乙酰CoA,2ATP+2NADH2,Pyr-Fd氧化还原酶,乙酰CoA乙酰转移酶,羟丁酰CoA脱氢酶,羟丁酰脱水酶,丁酰CoA脱氢酶,CoA转移酶,丁酸发酵,ATP,ADP,英国：Chaim Weizmann 阐明机理并实现发酵生产。,2. 丙酮-丁醇发酵,总反应式：2Glucose5ADP ButanolAcetone5CO24H2,丙酮丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)进行发酵时，先合成丁酸，当pH降至4.5时，产生丙酮和丁醇。估计与CoA转移酶活化有关。,CH3 C COOH,O,4,CH3CH2CH2C CoA,O,CH3CH2CH2CHO,CH3CH2CH2CH2OH,NADH2,NAD+,CoA,丁醛脱氢酶,丁醇脱氢酶,NADH2,NAD+,CH3CCH2C CoA,O,O,CH3CCH2COOH,O,CH3CCH3,O,CoA转移酶,脱羧酶,CO2,乙酸,乙酰CoA,丙酮-丁醇发酵发酵,4Glucose,EMP,类似丁酸发酵,丙酮：用于生产人造橡胶丁醇：用于生产无烟火药,英国在第一次世界大战期间，有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加。 当时的常规生产方法：对木材进行干热分解，大约80到100吨桦树、山毛榉、或枫木生产1吨丙酮。 1915年Weizmann发明发酵法生产丙酮-丁醇：每100吨谷物可以生产出12吨丙酮和24吨的丁醇。,魏茨曼是现代工业发酵之父,Chaim Weizmann (1874-1952) and Einstein/wiki/Chaim_Weizmann,Early life and career Weizmann was born in the small village of Motol(Motyli, now Motal) near Pinsk in the Russian Empire(today in Belarus). He graduated the University of Fribourg in Switzerland in 1899 with a degree in chemistry. He lectured in chemistry at the University of Geneva between 1901 and 1903) and later taught at the University of Manchester.He became a British subject in 1910, and in World War I he was director of the British Admiralty laboratories from 1916 until 1919. While a lecturer at Manchester he became famous for discovering how to use bacterial fermentation to produce large quantities of desired substances. He is considered to be the father of industrial fermentation. He used the bacterium Clostridium acetobutylicum (the Weizmann organism) to produce acetone. Acetone was used in the manufacture of cordite explosive propellants critical to the Allied war effort (see Royal Navy Cordite Factory, Holton Heath). Weizmann transferred the rights to the manufacture of acetone to the Commercial Solvents Corporation in exchange for royalties.,（四）混和酸发酵和丁二醇发酵,1. 混和酸发酵,埃希氏菌属(Escherichia)、志贺氏菌属(Shigella)及沙门氏菌属(Salmonella)有2个作用于pyr的多酶复合体： Pyr脱氢酶复合体 Pyr-甲酸裂解酶(厌氧条件时诱导合成，有氧时失活)。,Glucose,PEP,Pyr,AceCoA,HCOOH,CO2,H2,AcePi,Acetate,OAA,Succ,Lactate,Pyr甲酸裂解酶,甲酸-H2裂解酶,大肠埃希氏菌：产酸产气志贺氏菌及沙门氏菌：产酸不产气,Methyl red test：产酸，加甲基红，变红色,混和酸发酵,2. 丁二醇发酵,肠杆菌属(Enterobacter)、沙雷氏菌属(Serratia)及欧文氏菌属(Erwinia)具有作用于pyr的第三个酶：-乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthase, AS )。 该途径中间产物3-羟基丁酮在碱性条件下，形成二乙酰，二乙酰和胍基化合物形成红色的反应。此即VP反应 (Voges-Proskauer test)的原理。,丁二醇发酵,Glucose,Pyr,-乙酰乳酸,HCOOH,CO2,H2,Lactate,-乙酰乳酸合成酶,甲酸-H2裂解酶,Voges-Proskauer test：Enterobacter：红色Escherichia：不变色,AceCoA,3-羟基丁酮,2, 3-丁二醇,CO2,CO2,NAD+,NADH2,二乙酰,红色化合物,OH,Pyr甲酸裂解酶,含胍基的化合物,TCA,（五）丙酸发酵,丙酸细菌（Propionibacterium）可以进行该过程。,1、succ-prop途径,Glucose,Pyr,EMP,OAA,Mal,Fum,NADH2,NAD,H2O,Succ,NADH2,NAD,SuccCoA,甲基丙二酰CoA,丙酰CoA,CO2-Bio,Biotin,丙酸,甲基丙二酰CoA异构酶(VB12为辅基),2、Propenoic acid途径,Glucose,Pyr,EMP,D-lactate,L-lactate,2H,2羟-丙酰CoA,丙烯酰CoA,丙酰CoA,丙酸,CoA,H2O,机制不明,三、呼吸作用(respiration),NADHH+或NADPHH+,有氧呼吸：电子或H交给O2。,厌氧呼吸：电子或H交给无机物。,发酵：电子或H交给糖降解产物，如丙酮酸。,来自EMP、HMP、ED等途径,（一）有氧呼吸(Aerobic respiration),糖酵解(glycolysis),三羧酸循环(citric acid cycle),氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),分三步走,IRREVERSIBLE,by pyruvate dehydrogenase complex = 3 enzymes：E1: pyruvate dehydrogenase, thiamine pyrophosphate (TPP)E2: dihydrolipoyl transacetylase, lipoic acid, coenzyme A-SH E3: dihydrolipoyl dehydrogenase, NAD+, FAD,1. 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA),（1）丙酮酸氧化成乙酰辅酶A及CO2,Swinging arm function of lipoic acid,所有丙酮酸氧化脱羧的中间产物均紧密地结合在复合体上，活性中间产物可以通过转乙酰基酶上赖氨酸和硫辛酸形成的摆动长臂(Swinging arm)从酶的一个活性位置转移到另一个活性位置。,E. coli pyruvate dehydrogenase complex,丙酮酸脱氢酶(E1)、二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3) ，6种辅因子(TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+),4C,1. Condensation,6C,2C,2. Oxidative decarboxylation to 5C,5C,3. Oxidative decarboxylation to 4C,4C,5. Regeneration of oxaloacetate from succinate,Tricarboxylic acid (TCA) cycle,4. Substrate-level phosphorylation,（2）TCA循环,citrate synthase,aconitase,isocitratedehydrogenase,Citric acid cycle,a-ketoglutaratedehydrogenase,succinyl CoAsynthase,succinatedehydrogenase,fumarase,malatedehydrogenase,Glucose 2 Pyruvate2 Acetyl CoA,2NADH,2NADH,2NADH,2 “ATP”,2FADH2,2NADH,Net reaction of 1 turn of the citric acid cycle,Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O,2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + 2 H + + CoA,思考：1.细菌将1分子葡萄糖完全降解为CO2产生多少ATP? 2.真核微生物(酵母菌)和原核微生物(细菌)相比较，将1分子葡萄糖完全降解为CO2产生的ATP数量上少2个，为什么？,TCA循环的作用,a. 提供大量能量；b. 提供大量小分子前体；c. 是糖、蛋白、脂代谢的枢纽。,TCA循环的关键酶,a. 柠檬酸合成酶(citrate synthetase, CS)b. 异柠檬酸脱氢酶( isocitrate dehydrogenase, ID)c. -酮戊二酸脱氢酶(a-ketoglutarate dehydrogenase, a-KGD),Acetyl CoA,oxaloacetate,a-ketoglutarate,Fatty acid,Amino acid,（3）回补途径(anaplerotic pathway),回补途径是微生物为补充代谢过程中消耗的中间产物而采取的一些将CO2、乙酸等物质转化为消耗的中间产物，尤其是TCA循环中间物的过程。, C1回补方式,a. PEP羧化酶(PEP carboxylase),COOH,COp,CH2,+,CO2,+,H2O,PEP carboxylase,COOH,C=O,CH2,COOH,b. 丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase),COOH,C=O,CH3,+,CO2,pyruvate carboxylase,COOH,C=O,CH2,COOH,c. 苹果酸酶(malate synthetase ),COOH,C=O,CH3,+,CO2,COOH,CHOH,CH2,COOH,+,ATP,+,H2O,NADPH2,+,malate synthetase, C2 回补方式乙醛酸循环,很多微生物可以以乙酸、乙醇等作为唯一碳源和能源，合成草酰乙酸，完成这个过程的反应即乙醛酸循环(glyoxylate cycle)。,乙醛酸循环需要3个关键酶：a . 异柠檬酸裂解酶(Isocitrate lyase)b . 苹果酸合成酶(malate synthetase)c. 乙酰辅酶A合成酶(Acetyl CoA synthetase),乙醛酸循环,总反应式：2acetate Malate, 回补途径与苹果酸合成,理论产率=134/180=74.5%,理论产率=3*134/2*180=111.6%,马来酸即顺丁烯二酸,富马酸即反丁烯二酸,苹果酸，又名2-羟基丁二酸,苹果酸是人体内部循环的重要中间产物，易被人体吸收，因此作为性能优异的食品添加剂和功能性食品广泛应用于食品、化妆品、医疗和保健品等领域。苹果酸主要生产国有美国、加拿大、日本等， 产量每年约4万吨，2013年世界总需求约为10万吨，市场潜在需求量达到每年6万吨，可见市场发展空间之大。,（4）TCA相关的发酵柠檬酸发酵,柠檬酸(Citricacid)分子式为C6H807。外观为白色颗粒状或白色结晶粉末，是一种重要的有机酸，又名枸橼酸。无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。柠檬酸广泛存在于各种水果和蔬菜中，在动物的骨骼、血液、肌肉中也有分布。柠檬酸在工业，食品，化妆等行业具有广泛的用途。,TCA相关的发酵包括Asp族和Glu族氨基酸发酵，合并在后面讲。,NADH脱氢酶,FMN,CoQ,cytb,cytc,cytaa3,cytc1,NADH2,ATP,ATP,ATP,真核微生物的电子传递链,FADH2,2. 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),化学渗透学说(Chemiosmosis),原核微生物电子传递链的特点：,电子供体多样化。除大多数有机物外，一些无机元素如H、S、Fe2、NH4均可作为电子供体；细胞色素多样化。不同细菌中计有a、a1、a2、b、b1、c、c1、c4、c6、d、o等；具有分支呼吸链；呼吸链组分随环境条件改变；氧化磷酸化效率低下。,NAD,NADH2,NADH2脱氢酶,flavoprotein,Fes-protein,menaquinone,Cytochrome b556,Cytochrome b558,Cytochrome o,Cytochrome d,1/2O2,H2O,1/2O2,H2O,E.coli中的分支电子传递链在有氧和缺氧时，可以选择不同的途径。,高氧环境,低氧环境,NAD,NADH2,NADH2脱氢酶,flavoprotein,Fes-protein,Cytochrome b,Cytochrome c,X,Cytochrome aa3,1/2O2,H2O,1/2O2,H2O,分支链呼吸的P/O值仅为正常呼吸链的1/3。在柠檬酸发酵时有调控作用。,Aspergillus niger 中的分支电子传递链,厌氧呼吸是以无机物为最终电子受体的氧化作用。进行厌氧呼吸的方式一般有：硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、延胡索酸呼吸、二氧化碳呼吸等。 厌氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。 由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。,（二）厌氧呼吸(Anaerobic respiration),1. 硝酸盐呼吸(nitrate respiration),硝酸盐在微生物的代谢过程中，有两种方式： 一是将硝态氮(如NO3-)还原，转化为氨态氮(NH4)，并进一步将它转化为有机氨(R-NH3)构成蛋白质等生物大分子，称为同化型硝酸盐呼吸； 二是将硝酸盐逐级还原成NO2-、N2O和N2等气态产物而逸去的异化脱氮过程，称之为异化型硝酸盐呼吸。,2NO3,2NO2,2H2O,4H,HON=NOH,2H2O,4H,N2O,N2,2NH2OH,2NH3,4H,4H,2H,羟氨,同化型硝酸盐呼吸,异化型硝酸盐呼吸,硝酸盐还原酶(受O2阻遏),硝酸盐呼吸,AA,进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌，进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧细菌，典型的如地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)等，主要生活在土壤和水环境中。硝酸盐还原细菌在无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。,2. 硫酸盐呼吸(sulfate respiration),硫酸盐呼吸是微生物利用硫酸盐(SO42-)作为有机基质厌氧氧化时末端电子受体的一类特殊呼吸。它是硫酸盐异化型还原形成H2S的过程。 硫酸盐在微生物的代谢过程中，也有两种方式： 一是将硫酸盐还原转化为H2S ，并进一步将它转化为有机硫构成蛋白质等生物大分子，称为同化型硫酸盐呼吸； 二是将硫酸盐还原成S或H2S气态产物而逸去的异化脱硫过程，称之为异化型硫酸盐呼吸。,同化型硫酸盐呼吸,SO42,APS,PAPS,SO32,H2S,ATP,ATP,Cys、Met,Ser、Hom,SO32,A,O,CH2,P,OH,OH,硫酸腺苷酰转移酶,APS激酶,PAPS还原酶,SO32-还原酶,APS硫酸腺苷磷酸,SO32,A,O,CH2,P,OH,PAPS磷酸硫酸腺苷磷酸,P,异化型硫酸盐呼吸,H2,2H,Hase,cytC3,MK,cytb,FdIIFrd,SO42,APS,SO32,H2S,ATP,ATP硫酸化酶,APS还原酶,SO32-还原酶,H2,Hase,cytC3,FdIIFrd,6H,细胞膜,细胞质,周质空间,脱硫脱硫弧菌(D. desulfuricans)中的异化型硫酸盐呼吸,PAPS,同化型硫酸盐呼吸,微生物的不同呼吸类型,根据微生物种类不同对氧的反应不同，可将微生物分为三种不同呼吸类型：好氧性微生物；厌氧微生物；兼性厌氧微生物。,为什么氧对厌氧微生物有有害作用？缺少以下两种酶：,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD),过氧化氢酶(catalase),四、自养微生物的能量转化,1. 自养微生物(autotrophs)的定义,1887年Vinogradsky发现自养微生物，1891年硅胶平板的使用，使更多的自养微生物得以发现。 Vinogradsky标准：无机物氧化是唯一的能量来源； CO2是唯一碳源；不利用有机物或有机物抑制其生长。 20世纪50-60年代标准：除去第三条。 现代标准：具有Rubisco及RuP激酶的微生物；如：甲基营养菌。,2. 自养微生物的种类,化能无机营养菌,光能无机营养菌,甲基营养菌,自养微生物,硝化细菌硫化细菌氢细菌铁细菌绿色细菌紫色细菌蓝细菌嗜盐细菌,专性甲基营养菌兼性甲基营养菌,（一）自养微生物的能量转化方式,1. 化能无机自养菌(chemolithoautotroph, CLA),化能自养微生物从无机物的氧化中获得能量，并能以CO2作为主要碳源或唯一碳源进行生长。 化能自养微生物都是好氧性细菌，根据它们生长时提供能源的无机物类型不同，可以将它们分成硝化细菌、硫化细菌、铁细菌和氢细菌4种类型。,真正属于专性化能自养菌的种类并不多，不少种类属于兼性自养或混合营养型。专性化能自养菌并非绝对不吸收有机物，而是能不同程度地同化有机物，进而将其转化为细胞物质。但化能自养菌吸收的有机物不是作为能源，且数量有限，也不能代替CO2作为主要碳源。,化能自养菌通过氧化无机物获得能量供其生长。其产生ATP的途径仍为电子传递磷酸化和底物水平磷酸化两种。,亚硝化细菌的能量获得方式,膜氨单加氧酶(AMO) /羟胺氧化还原酶(HAO)/氨氧化细菌(AOB),硝化细菌的能量获得方式,NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌生长缓慢，平均代时在10h以上。,还原力的获得方式电子传递逆转,硫细菌的能量获得方式,H2S S0 SO32 SO42,硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。,S2-,S2O32-,硫化物氧化酶,氰化酶,2H,S,O2,4ATP,H2O,4H,3H2O,硫氧化酶,SO32-,1/2O2,2ATP,H2O,2H,AMP + 2H+,APS还原酶,SO32-,亚硫酸盐-细胞色素C还原酶,SO42-,APS2-,SO42-,Pi,ADP硫化酶,ADP,1/2ATP,1/2AMP,Pi,腺苷酸激酶,硫化菌氧化硫化物形成SO42-和产生ATP的基本过程,H2O,2H,1/2O2,2ATP,H2O,2Fe2+,2Fe3+,RC,CytC,Cyta1,1/2O2+ 2H+,H2O,周质空间,PH4.5,pH6.5,pH2,细胞膜,细胞质,2H+,CytC,ADP+pi,ATP,氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+的过程中的电子传递,氢细菌的能量获得方式,颗粒状氢化酶,可溶性氢化酶,氢细菌含有两种与H2氧化有关的酶： 一种为不需NAD+的颗粒状氢化酶，它是含6个铁原子和不稳定硫的铁硫蛋白，分子量90000。它结合在细胞质膜或壁膜间隙中。其作用是合成ATP。 另一种是需要NAD+的可溶性氢化酶，它是一种寡聚铁硫黄素蛋白，分子量约200000，含有几个2Fe-2S、4Fe-4S中心和FMN，酶呈自由态溶于细胞质中。其作用是催化H2氧化形成NADH2，用于还原CO2。,应用：1.硫杆菌产生的降解煤与石油中的无机及有机硫化物，以减轻酸雨的污染；2.硫杆菌产生的H2SO4可以使不溶性的CaCO3转换成溶解度较大的CaSO4；3.利用硫杆菌产生的H2SO4溶解磷矿粉，增加磷矿粉的肥效；4.利用硫杆菌产生的H2SO4抑制非耐酸微生物的污染；5.最重要的应用是硫氧化细菌可以与铁细菌一起特别是氧化亚铁硫杆菌可以被用于细菌浸矿。,2. 光能无机自养菌(photolithoautotroph, PLA),光合微生物主要分为3大类群：绿色细菌、紫色细菌(分着色细菌和红螺细菌)和蓝细菌。,细菌的光合色素主要为细菌叶绿素(Bacteriochlorophyll, B-Chl)，它的分子结构与高等植物相近。,环式光合磷酸化(cyclic phosphorylation),非环式光合磷酸化(noncyclic photosphorylation),3.嗜盐菌(Halobacterium),嗜盐细菌属于极端微生物，它不含叶绿素或细菌叶绿素，依靠其特有的菌视红质(Bacteriorhodopsins)进行光合作用。盐生盐杆菌(Halobacterium halobium)在低氧浓度下形成的菌视红质是由7个螺旋构成的穿膜结构，在560nm具有强烈的光吸收，而后驱动质子泵将质子抽到细胞膜外，造成内外质子的浓度差，从而形成ATP。,嗜盐细菌的能量获得方式,在海洋和淡水水体中，有一些细菌能发光。在一定条件下，发光细菌能将细胞内贮存的化学能转化为光能。如海洋细菌中的费氏发光杆菌(Photobacterium fischeri)就具有发光能力。发光机理：在特定条件下，发光细菌可在细胞内累积的某种物质的诱导 下产生荧光素酶，该酶在有氧和长链脂肪醛(C1214)存在的条件下，催化黄素单核苷酸(FMNH2)氧化，伴随产生发光反应。发光后的产物为氧化型黄素单核苷酸(FMN)、长链脂肪酸和水。荧光素酶是细菌发光反应的关键酶，,生物发光,淀粉、纤维素、果胶、蛋白质、核酸等大分子化合物，必须