微生物的细胞代谢

关于微生物的细胞代谢第二章微生物的细胞代谢微生物的代谢体系1微生物产能代谢2微生物耗能代谢3第2页,共76页，2024年2月25日，星期天一、微生物的代谢体系代谢（Metabolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢（Catabolism）和合成代（Anabolism）两个过程组成基本概念第3页,共76页，2024年2月25日，星期天分解、合成代谢一、微生物的代谢体系第4页,共76页，2024年2月25日，星期天分解代谢一、微生物的代谢体系第5页,共76页，2024年2月25日，星期天合成代谢一、微生物的代谢体系第6页,共76页，2024年2月25日，星期天Ⅰ:分解代谢体系Ⅱ:结构单位物质合成体系Ⅲ:复杂生物大分子物质的合成体系代谢体系组成一、微生物的代谢体系第7页,共76页，2024年2月25日，星期天体系Ⅰ产生的ATP供给体系Ⅱ和Ⅲ使用，但体系Ⅰ中ATP如何合成并不严重影响体系Ⅱ、Ⅲ对ATP的使用。从这个意义上讲可以认为体系Ⅰ与整个合成体系（包括体系Ⅱ和Ⅲ）之间的联系较为松散体系Ⅰ合成的小分子化合物可用作体系Ⅱ中结构单位的碳架，其质和量强烈地影响体系Ⅱ的运行，因此体系Ⅰ和Ⅱ的联系是紧密的，而体系Ⅰ与Ⅲ之间几乎只通过ATP相联系。因此它们之间的联系是松散的。结构单位（如氨基酸）在细胞内常以游离状态存在，由此推测体系Ⅱ和Ⅲ也只是保持松散关系代谢体系组成一、微生物的代谢体系第8页,共76页，2024年2月25日，星期天代谢体系组成体系Ⅰ和Ⅱ分别与体系Ⅲ只发生松散联系，体系Ⅰ具有相对独立的运转能力，同时体系Ⅰ和Ⅱ可作为一个整体，具有相对独立的运转能力由于细胞的分泌机制，体系Ⅰ的相对独立运转使细胞有可能分泌如乙醇等代谢副产物；体系Ⅰ和Ⅱ一起相对运转，使细胞可以分泌氨基酸等生物大分子的前体三个体系协调运转，不但使微生物细胞生长迅速，而且有可能分泌酶、多糖等生物大分子一、微生物的代谢体系第9页,共76页，2024年2月25日，星期天代谢体系组成在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去某些微生物在代谢过程中除了产生其生命活动所必需的代谢产物和能量外，还会产生一些次级代谢产物。这些次级代谢产物除了有利于这些微生物的生存外，还与人类的生产与生活密切相关一、微生物的代谢体系第10页,共76页，2024年2月25日，星期天代谢要素酶－－代谢途径纽带一、微生物的代谢体系第11页,共76页，2024年2月25日，星期天ATP－－能量载体代谢要素一、微生物的代谢体系第12页,共76页，2024年2月25日，星期天ATP循环代谢要素一、微生物的代谢体系第13页,共76页，2024年2月25日，星期天代谢要素一、微生物的代谢体系辅酶－－递能分子辅酶（coenzyme）：作为酶的辅助因子的有机分子，本身无催化作用，但一般在酶促反应中有传递电子、原子或某些功能基团(如参与氧化还原或运载酰基的基团)的作用有许多维他命及其衍生物，如核黄素、硫胺素和叶酸，都属于辅酶。不同的辅酶能够携带的化学基团也不同：辅酶Ⅰ（NAD）或辅酶Ⅱ（NADP）携带氢离子，辅酶A携带乙酰基，叶酸携带甲酰基，S-腺苷基蛋氨酸也可携带甲酰基。由于辅酶在酶催化反应中其化学组分发生了变化，因此可以认为辅酶是一种特殊的底物或者称为“第二底物”。这种所谓的第二底物可以被许多酶所利用在细胞内，反应后的辅酶可以被再生，以维持其胞内浓度在一个稳定的水平上，辅酶的再生对于维持酶反应体系的稳定是非常必要的第14页,共76页，2024年2月25日，星期天氧化还原电位代谢要素一、微生物的代谢体系NAD－－电子受体第15页,共76页，2024年2月25日，星期天NADPH－－提供还原力代谢要素一、微生物的代谢体系第16页,共76页，2024年2月25日，星期天FMN

FAD

代谢要素一、微生物的代谢体系FMN、FAD－－电子传递第17页,共76页，2024年2月25日，星期天代谢要素一、微生物的代谢体系泛酸、辅酶A－－促乙酰化第18页,共76页，2024年2月25日，星期天代谢要素一、微生物的代谢体系硫胺素（VB1）－－脱羧生物素（VH）－－羧化、CO2固定吡哆醛（VB6）－－转氨、脱羧、消旋叶酸－－转移一碳基团第19页,共76页，2024年2月25日，星期天二、微生物产能代谢生物氧化工业微生物绝大多数属于化能异养型，它们是以有机物作为主要的能源和碳源，最主要的碳源是葡萄糖和果糖，通过其降解途径获得能源，和提供中间代谢物，进而合成细胞的大分子化合物，使微生物生长、繁殖葡萄糖氨基酸核苷糖原肽聚糖脂肪磷脂细胞色素次级代谢产物第20页,共76页，2024年2月25日，星期天二、微生物产能代谢生物氧化生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称产能代谢：细胞内化学物质经过一系列的氧化还原反应而逐步分解，同时释放能量的生物氧化过程第21页,共76页，2024年2月25日，星期天生物氧化异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分为发酵和呼吸有氧呼吸（又称好氧呼吸）：以分子氧作为最终电子受体的氧化作用无氧呼吸（又称厌氧呼吸）：以无机氧化物如NO3、NO2-、SO42-等中的氧作为最终电子（氢）受体的氧化作用发酵作用：电子供体和电子受体都是有机化合物的氧化作用二、微生物产能代谢第22页,共76页，2024年2月25日，星期天底物脱氢以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在脱氢阶段主要可通过以下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（2）HMP途径（3）ED途径（4）磷酸解酮途径（5）TCA循环二、微生物产能代谢第23页,共76页，2024年2月25日，星期天EMP途径二、微生物产能代谢第24页,共76页，2024年2月25日，星期天EMP途径二、微生物产能代谢C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O第25页,共76页，2024年2月25日，星期天EMP途径EMP途径主要生理功能是：提供ATP和NADH是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径等产生中间产物又可提供微生物合成代谢的碳骨架可逆转合成多糖从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切二、微生物产能代谢第26页,共76页，2024年2月25日，星期天葡萄糖丙酮酸乙醛乙醇乙酰辅酶A乙酸甲酸乳酸CO2丙酸丙酮丁醇、丁酸丙酮酸代谢多样性

TCA循环二、微生物产能代谢第27页,共76页，2024年2月25日，星期天HMP途径二、微生物产能代谢氧化阶段非氧化阶段第28页,共76页，2024年2月25日，星期天6葡萄糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O→5葡萄糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋6CO2＋PiHMP途径二、微生物产能代谢第29页,共76页，2024年2月25日，星期天HMP途径HMP途径主要生理功能是：供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸的原料；产还原力：产生大量的NADPH形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需作为固定的CO2中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的重要中介扩大碳源利用范围：微生物利用C3～C7多种碳源提供了必要的代谢途径连接EMP途径：通过与EMP途径的连接，微生物合成提供更多的戊糖从微生物发酵生产的角度来看，通过HMP途径可提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等二、微生物产能代谢第30页,共76页，2024年2月25日，星期天ED途径二、微生物产能代谢KDPG：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸

第31页,共76页，2024年2月25日，星期天ED途径C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H+ED途径特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸二、微生物产能代谢第32页,共76页，2024年2月25日，星期天二、微生物产能代谢第33页,共76页，2024年2月25日，星期天磷酸戊糖解酮酶（PK）途径磷酸已糖解酮酶HK途径

磷酸解酮酶途径二、微生物产能代谢第34页,共76页，2024年2月25日，星期天TCA循环二、微生物产能代谢第35页,共76页，2024年2月25日，星期天TCA循环二、微生物产能代谢C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H+第36页,共76页，2024年2月25日，星期天TCA循环二、微生物产能代谢TCA途径的特点和主要生理功能是：氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（NAD+和FAD再生时需氧）每分子丙酮酸可产4个NADH、1个FADH2和GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类的发酵生产紧密相关第37页,共76页，2024年2月25日，星期天TCA循环TCA循环是糖，脂肪和蛋白质的共同代谢途径，和互变的联结机构

二、微生物产能代谢第38页,共76页，2024年2月25日，星期天递氢和受氢贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式传递，最终与氧、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尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化区分成3种类型（好氧呼吸、无氧呼吸和发酵）二、微生物产能代谢第39页,共76页，2024年2月25日，星期天微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程称为呼吸作用以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸；以氧化型化合物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-）作为最终电子受体的称为无氧呼吸二、微生物产能代谢呼吸作用第40页,共76页，2024年2月25日，星期天有氧呼吸有氧呼吸：是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物脱下的氢经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，产生水并释放出ATP形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式二、微生物产能代谢第41页,共76页，2024年2月25日，星期天无氧呼吸无氧呼吸：是一类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。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸二、微生物产能代谢第42页,共76页，2024年2月25日，星期天发酵作用发酵（狭义）：指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二、微生物产能代谢第43页,共76页，2024年2月25日，星期天呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后，再交给最终电子受体二、微生物产能代谢发酵呼吸第44页,共76页，2024年2月25日，星期天能量转换二、微生物产能代谢能量转换底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化第45页,共76页，2024年2月25日，星期天底物水平磷酸化物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，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底物水平磷酸化底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程的某些步骤中富能中间产物：1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、琥珀酰CoA二、微生物产能代谢第46页,共76页，2024年2月25日，星期天氧化磷酸化物质在生物氧化过程中，形成NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细胞质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其它氧化型物质。在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化呼吸链：电子从NADH或FADH2到O2的传递所经过的途径，由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢（或电子）传递体组成。呼吸链与氧化磷酸化紧密偶联，在产能代谢中起着不可替代的重要作用二、微生物产能代谢第47页,共76页，2024年2月25日，星期天

NADH：P/O=3FADH2

：P/O=2

氧化磷酸化二、微生物产能代谢TCA循环：4×NADH1×FADH2

1×GTP4×3+1×2+1=15ATP

第48页,共76页，2024年2月25日，星期天二、微生物产能代谢第49页,共76页，2024年2月25日，星期天三、微生物耗能代谢耗能代谢细胞物质的合成（合成代谢）CO2的固定生物固氮二碳化合物的同化糖类合成氨基酸合成核苷酸合成其它耗能反应运动营养物质运输生物发光第50页,共76页，2024年2月25日，星期天细胞物质的合成微生物利用能量代谢产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子合成复杂的细胞物质的过程称为合成代谢。合成代谢所需的能量由ATP和质子动力提供。糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等主要细胞成分的合成反应的生化途径中，合成代谢和分解代谢尽管存在共同的中间代谢物。例如由分解代谢产生的丙酮酸、乙酰CoA、草酰乙酸、3-P甘油醛等化合物亦可作为合成反应的起始物三、微生物耗能代谢第51页,共76页，2024年2月25日，星期天细胞物质的合成三、微生物耗能代谢第52页,共76页，2024年2月25日，星期天细胞物质的合成生物合成途径中一个分子的生物合成化学途径与它的分解代谢途径通常是不同的，其中可能有相同的步骤，但导向一个分子合成的途径与从该分子开始的降解途径间至少有一个酶促反应步骤是不同的需能的生物合成途径与产能的ATP分解反应相偶联，因而生物合成方向是不可逆的调节生物合成的反应与相应的分解代谢途径的调节机制无关，因为控制分解代谢途径速率的调节酶，并不参与生物合成途径。生物合成途径主要是被它们的末端产物浓度所调节三、微生物耗能代谢第53页,共76页，2024年2月25日，星期天CO2固定CO2的固定：将空气的CO2同化成细胞物质过程CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用CO2作为辅助的碳源微生物有两种同化CO2的方式：自养式和异养式。在自养式中，CO2加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体。在异养式中CO2被固定在某种有机酸上。因此异养微生物即使能同化CO2，最终却必须靠吸收有机碳化合物生存三、微生物耗能代谢第54页,共76页，2024年2月25日，星期天异养型微生物同化CO2异养型微生物的CO2固定主要是合成TCA环中间产物。从理论上讲，利用1分子草酸乙酰就可以不断地推动TCA环的运行（因为草酸乙酰可通过TCA环再生）。假如TCA环中的中间产物被用作它用，那么就须加以补充，才能维持TCA的正常运行。异养型微生物固定CO2生产二羧补充TCA环的中间产物主要有以下反应三、微生物耗能代谢第55页,共76页，2024年2月25日，星期天异养型微生物同化CO2①磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶PEP+CO2

草酰乙酸+H3PO4②磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶PEP+CO2+ADP草酰乙酸+ATP

③

磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸化酶PEP+CO2+二碳酸+pi草酰乙酸+PP-④

丙酮酸羧化酶丙酮酸

+CO2+ATP草酸乙酰

+ADP+pi⑤苹果酸酶⑥异柠檬酸脱氢酶丙酮酸+CO2+NAD(P)H2

苹果酸+NAD(P)α-酮戊二酸+CO2+NAD(P)H2

异柠檬酸+NAD(P)三、微生物耗能代谢第56页,共76页，2024年2月25日，星期天异养型微生物同化CO2脂肪酸合成中的固定CO2反应生物素CH3-CO-SCoA+CO2+ATPHOOC-CH2-CS-CoA+ADP+Pi乙酰CoA羧化酶核苷酸合成中的固定CO2反应5氨基咪唑核糖-5-P5氨基-4羟基咪唑核糖-5-PCO2CO2+NH3

氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸合成酶ATPUMP鸟氨酸三、微生物耗能代谢第57页,共76页，2024年2月25日，星期天生物固氮所有生物都需要氮，氮的最终来源是无机氮。尽管大气中氮气的比例占79%，但所有的动植物以及大多数微生物都不能利用分子态氮作氮源。目前仅发现一些特殊类群的原核生物能将分子态N2还原NH3，然后再由氨转化为多种细胞物质。微生物将氮还原成氨的过程称生物固氮三、微生物耗能代谢第58页,共76页，2024年2月25日，星期天生物固氮微生物之所以能够在常温压条件下固氮，关键靠固氮酶的催化作用。固氮酶的结构比较复杂，由铁蛋白和钼铁蛋白连两个组分组成。固氮作用是一个耗能反应，固氮反应必须在有固氮酶和ATP参与下才能进行。每固定1mol氮大约需要21molATP，这些能量来自氧化磷酸化或光合磷酸化。在体内进行固氮时还需要特殊的电子传递体，主要是铁氧还蛋白和含有FMN作为辅基的黄素氧还原白。铁氧还原蛋白和黄素氧还原蛋白的电子供体来自NADPH，受体是固氮酶三、微生物耗能代谢第59页,共76页，2024年2月25日，星期天化合物同化TCA环是产能反应和生物合成的重要代谢环节，其中的有机酸可被微生物利用，作为电子的供体和碳源。四碳、五碳、六碳酸均可在有氧条件下被微生物利用，通过氧化磷酸化产生能量。TCA环只有在受体分子草酰乙酸在每次循环后都能得到再生的情况下才能顺利进行。若将TCA中的有机酸分子移作他用（生物合成）将会影响TCA环的运转。微生物可利用回补途径（Replenishmentpathway）来解决这个矛盾回补途径:是指补充兼用（可）代谢途径（如TCA环）中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应三、微生物耗能代谢第60页,共76页，2024年2月25日，星期天化合物同化（1）CO2的固定反应（2）乙醛酸循环（3）甘油酸途径三、微生物耗能代谢第61页,共76页，2024年2月25日，星期天乙醛酸循环乙醛酸循环的总反应式：2丙酮酸→琥珀酸＋2CO2

丙酮酸丙酮酸CO2CO2琥珀酸三、微生物耗能代谢第62页,共76页，2024年2月25日，星期天草酸

甘氨酸

乙醇酸

NADPH

2乙醛酸

缩合酶

CO2羟基丙酸半醛

甘油酸

3--甘油酸

EMP途径

TCA循环

还原酶，NADPH

P甘油酸途径当微生物以甘氨酸、乙醇酸和草酸作为底物时，则通过甘油酸途径补充TCA环中的中间产物三、微生物耗能代谢第63页,共76页，2024年2月25日，星期天糖类合成葡萄糖葡萄糖-6-P葡萄糖-1-PUDP-葡萄糖细胞壁多糖核酮糖-5-P核糖-5-P核糖核酸脱氧核糖核酸RNADNAATPUTP能量代谢磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸TCA循环糖酵解糖异生生物合成戊糖途径三、微生物耗能代谢第64页,共76页，2024年2月25日，星期天氨基酸合成各氨基酸骨架的合成：来自糖代谢产生的中间产物氨基的合成直接从外界环境中获得分解含氮化合物通过固氮作用合成由硝酸还原作用合成三、微生物耗能代谢第65页,共76页，2024年2月25日，星期天氨基酸合成氨基化作用α-酮酸（α-酮戊二酸和丙酮酸）与氨反应形成相应的氨基酸转氨基作用在转氨酶催化下，使一种氨基酸的氨基转移给酮酸，形成另一种氨基酸前体转化糖代谢中间产物通过一系列生化反应合成三、微生物耗能代谢第66页,共76页，2024年2月25日，星期天氨基酸合成α-酮戊二酸谷氨酸脯氨酸谷氨酰胺鸟氨酸