《微生物代謝》PPT課件.ppt

新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。 新陳代謝 = 分解代謝 + 合成代謝 分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。 合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。,1、代謝概論,復(fù)雜分子 （有機(jī)物）,分解代謝,合成代謝,簡單小分子,ATP,H,物質(zhì)代謝：物質(zhì)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化的過程. 能量代謝：伴隨物質(zhì)轉(zhuǎn)化而發(fā)生的能量形式相互轉(zhuǎn)化. 按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分： 初級(jí)代謝： 提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動(dòng)所 必須的代謝物的代謝類型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等. 次級(jí)代謝： 在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動(dòng)所必需的代謝類型； 產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等,按物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式分： 分解代謝：指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在 這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。 合成代謝：是指細(xì)胞利用簡單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過程。在這個(gè)過程中要消耗能量。,一切生命活動(dòng)都是耗能反應(yīng)，因此，能量代謝是一切生物代謝 的核心問題。,能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的 最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源-ATP。 這就是產(chǎn)能代謝。,最初 能源,有機(jī)物,還原態(tài)無機(jī)物,日光,化能異養(yǎng)微生物,化能自養(yǎng)微生物,光能營養(yǎng)微生物,通用能源 （ATP）,生物氧化作用：細(xì)胞內(nèi)代謝物以氧化作用釋放（產(chǎn)生）能量的化學(xué)反應(yīng)。氧化過程中能產(chǎn)生大量的能量，分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內(nèi)，供需時(shí)使用。,生物氧化的方式： 和氧的直接化合： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O,失去電子： Fe2+ Fe3+ + e -,化合物脫氫或氫的傳遞: CH3-CH2-OH CH3-CHO,NAD,生物氧化的概念,2、微生物的能量代謝,生物氧化就是發(fā)生在或細(xì)胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱,生物氧化的功能：,產(chǎn)能(ATP) 產(chǎn)還原力【H】 小分子中間代謝物,生物氧化的過程,一般包括三個(gè)環(huán)節(jié)： 底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱作電子供體或供氫體） 氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等） 最后氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）,底物脫氫的途徑 (1)、EMP途徑 (2)、HMP (3)、ED (4)、TCA,2.1化能異養(yǎng)微的生物氧化,2.1.1底物脫氫的途徑,葡萄糖的酵解作用 ( 又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱：EMP途徑),活化,移位,氧化,磷酸化,葡萄糖激活的方式,己糖異構(gòu)酶,磷酸果糖激酶,果糖二磷酸醛縮酶,甘油醛-3-磷酸脫氫酶,磷酸甘油酸激酶,甘油酸變位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖進(jìn)一步代謝有兩種結(jié)局， 磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸。稱為不完全HMP途徑。 由六個(gè)葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個(gè)葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2 和水），稱完全HMP途徑。,HMP途徑 (戊糖磷酸途徑)（Hexose Monophophate Pathway）,耗能階段 C6 2C3 產(chǎn)能階段 4 ATP 2ATP 2C3 2 丙酮酸 2NADH2 C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2H+2ATP+2H2O,HMP途徑的總反應(yīng),HMP途徑的重要意義,為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。 與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。 途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。 途徑中存在37碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛。 通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。 HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細(xì)胞代謝活動(dòng)對(duì)其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。,又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。 存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。 ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。,ED途徑,ATP ADP NADP+ NADPH2 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （與EMP途徑連接） 氧化酶 (與HMP途徑連接) EMP途徑 3-磷酸-甘油醛 脫水酶 2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途徑 丙酮酸 醛縮酶 有氧時(shí)與TCA環(huán)連接 無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵,ED途徑的特點(diǎn),葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。 ED途徑的特征反應(yīng)是關(guān)鍵中間代謝物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途徑的特征酶是KDPG醛縮酶. 反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低. 此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵.,ED途徑的總反應(yīng),ATP C6H12O6 ADP KDPG ATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6ATP 2乙醇 (有氧時(shí)經(jīng)過呼吸鏈) （無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）,關(guān)鍵反應(yīng)：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 催化的酶：6-磷酸脫水酶，KDPG醛縮酶 相關(guān)的發(fā)酵生產(chǎn)：細(xì)菌酒精發(fā)酵 優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。 缺點(diǎn)：pH5，較易染菌；細(xì)菌對(duì)乙醇耐受力低,由表可見，在微生物細(xì)胞中，有的同時(shí)存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經(jīng)何種途徑代謝，對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。,TCA循環(huán),丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。 循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。,TCA循環(huán)的重要特點(diǎn),（1）循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； （2）整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原； （3）為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。 （4）循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體； （5）生物體提供能量的主要形式； （6）為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。,2.1.2遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生,經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過呼吸鏈等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。 根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類.,發(fā)酵作用：沒有任何外援的最終電子受體的生物氧化模； 呼吸作用：有外援的最終電子受體的生物氧化模式； 呼吸作用又可分為兩類： 有氧呼吸最終電子受體是分子氧O2; 無氧呼吸最終電子受體是O2以外的 無機(jī)氧化物，如NO3-、SO42-等.,概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。 發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。 發(fā)酵類型：在上述途徑中均有還原型氫供體NADH+H+和NADPH+H+產(chǎn)生，但產(chǎn)生的量并不多，如不及時(shí)使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會(huì)中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。 根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。,2.1.2.1發(fā)酵作用,酵母型酒精發(fā)酵 同型乳酸發(fā)酵 丙酸發(fā)酵 混合酸發(fā)酵 2,3丁二醇發(fā)酵 丁酸發(fā)酵,丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物,C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脫氫酶,酵母菌的乙醇發(fā)酵：,該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。,A、乙醇發(fā)酵,當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會(huì)改為甘油發(fā)酵。 原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+ CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此時(shí)也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成 -磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,丙酮酸,CO2,乙醛,NADH,NAD+,乙醇,磷酸二羥基丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亞硫酸氫鈉（或pH7）,Saccharomyces cerevisiae厭氧發(fā)酵,酵母菌的一型和二型發(fā)酵原理,（磺化羥基乙醛）,概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。 意義：合理利用能源,通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響,巴斯德效應(yīng)(The Pasteur effect ),現(xiàn)象：,巴斯德效應(yīng)（Pasteur effect）機(jī)理,巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)：厭氧條件下酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧條件下，酵母菌進(jìn)行呼吸作用，糖的消耗速度較低，酒精產(chǎn)量也降低。,呼吸抑制發(fā)酵作用的的現(xiàn)象,巴斯德效應(yīng)的本質(zhì)是能荷調(diào)節(jié)。,三磷酸腺苷(ATP)是為許多反應(yīng)提供能量的高能磷酸化物 ,細(xì)胞中的ATP、ADP和AMP含量處于相對(duì)平衡的狀態(tài)細(xì)胞中的能量狀態(tài),能荷（Energy charge）,能荷（Energy charge）來表示細(xì)胞中的能量狀態(tài)。能荷（EC）可用下式來表示：,系統(tǒng)中只有ATP時(shí)，EC值為1；只有AMP時(shí)，EC值等于0。,能荷不僅能調(diào)節(jié)分解代謝形成ATP的酶活性，也能調(diào)節(jié)合成代謝利用ATP的酶活性。,細(xì)胞能荷可調(diào)節(jié)酶活性,高能荷的抑制高能荷的抑制異檸檬酸脫氫酶和磷酸果糖激酶等,檸檬酸和ATP都是磷酸果糖激酶活性的抑制劑，從而限制了葡萄糖的利用速度。,有氧條件下，大量合成ATP，細(xì)胞能荷增加,異檸檬酸脫氫酶受到ATP抑制，導(dǎo)致檸檬酸的積累,在厭氧條件下，酵母菌無法通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP，細(xì)胞能荷較低。,ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生產(chǎn)酒精的速度加快。,細(xì)菌的乙醇發(fā)酵,葡萄糖,2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸,3-磷酸甘油醛 丙酮酸,丙酮酸,乙醇 乙醛,2乙醇,2CO2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等 途徑：ED,利用Z.mobilis等細(xì)菌生產(chǎn)酒精,優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少 代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；,缺點(diǎn)：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低,酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵 脫羧酶 脫氫酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 細(xì)菌(Zymomonas mobilis)的乙醇發(fā)酵 通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP 細(xì)菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇發(fā)酵 通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP 同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機(jī)物分子的酒精發(fā)酵 異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機(jī)物分子的發(fā)酵,B、乳酸發(fā)酵,乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。 由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。 同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑） 異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑） 雙歧桿菌發(fā)酵: （經(jīng)HK途徑磷酸己糖解酮酶途徑）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羥丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸發(fā)酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis Lactobacillus plantarum,異型乳酸發(fā)酵：,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,