微生物的代謝

微生物的代謝微生物的代謝第1頁第一節(jié)化能異養(yǎng)菌產(chǎn)能代謝6.1.1代謝和代謝路徑6.1.2糖分解代謝路徑6.1.3發(fā)酵6.1.4三羧酸循環(huán)6.1.5呼吸微生物的代謝第2頁代謝（metabolism）是對(duì)細(xì)胞所進(jìn)行各種生化反應(yīng)總稱，代謝是全部生理活動(dòng)化學(xué)基礎(chǔ)；營養(yǎng)是代謝物質(zhì)和能量源泉；細(xì)胞內(nèi)各種生化反應(yīng)相互聯(lián)絡(luò)，各種代謝物經(jīng)過生化反應(yīng)相互轉(zhuǎn)換，組成了細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)；代謝路徑（pathway）：生理功效相關(guān)若干個(gè)次序排列生化反應(yīng)組成一條代謝路徑；代謝路徑反應(yīng)速率（代謝通量）受到嚴(yán)格調(diào)控；6.1.1代謝和代謝路徑微生物的代謝第3頁依據(jù)代謝路徑反應(yīng)特點(diǎn)和生理功效特點(diǎn)，細(xì)胞內(nèi)眾多代謝路徑可概括劃分為：分解代謝（catabolism）：以氧化分解反應(yīng)為特征，將大分子或復(fù)雜分子氧化分解為簡單小分子，同時(shí)釋放能量，為合成代謝提供前體物和能量；合成代謝（anabolism）：以還原合成反應(yīng)為特征，利用小分子前體物，消耗能量，合成大分子或復(fù)雜分子；代謝路徑類型微生物的代謝第4頁細(xì)胞經(jīng)過分解代謝，將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子“碳架”、氨基供體、巰基供體、磷酸等前體物；同時(shí)產(chǎn)生能量（ATP）和還原力（NADPH）；也產(chǎn)生代謝廢物；細(xì)胞經(jīng)過合成代謝，利用分解代謝提供各種前體物，消耗ATP和NADPH，合成各種細(xì)胞組分（大分子、復(fù)雜分子和小分子），以及進(jìn)行各種其它生理活動(dòng)所需代謝產(chǎn)物；代謝結(jié)果表現(xiàn)為細(xì)胞營養(yǎng)、生長、發(fā)育、繁殖、衰老、凋亡等生命活動(dòng)特征；代謝基礎(chǔ)生理功效微生物的代謝第5頁生化反應(yīng)類型和特點(diǎn)細(xì)胞有多少個(gè)酶，就有多少個(gè)生化反應(yīng)，但酶類型，及所催化生化反應(yīng)類型是有限；細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)幾乎都是生化反應(yīng)，反應(yīng)由專一性酶催化，即酶促化學(xué)反應(yīng)；酶催化能夠降低反應(yīng)活化能，反應(yīng)條件溫和；酶與底物相結(jié)合催化反應(yīng)，含有催化專一性；微生物的代謝第6頁氧化還原反應(yīng)是一類最主要生化反應(yīng)，反應(yīng)包括電子得失和能量轉(zhuǎn)化；失去電子為氧化，得到為電子還原；代謝物氧化還原普通與電子載體氧化還原偶聯(lián)；氧化還原反應(yīng)與細(xì)胞氧化還原反應(yīng)偶聯(lián)電子載體有：NAD+/NADHNADP+/NADPHFAD+/FADH2微生物的代謝第7頁碳分解代謝（carboncatabolism）：異養(yǎng)菌個(gè)別或徹底氧化分解有機(jī)碳源，產(chǎn)生ATP、NAD(P)H、小分子碳架或CO2分解代謝路徑；主要由以下代謝路徑組成，它們組成異養(yǎng)菌中心碳代謝（centralcarbonmetabolism）：糖吸收糖分解代謝路徑（糖酵解路徑）三羧酸循環(huán)溢流代謝路徑（發(fā)酵）呼吸6.1.2糖分解代謝路徑微生物的代謝第8頁各種有機(jī)碳源都有各自運(yùn)輸系統(tǒng)，但最終都進(jìn)入中心碳代謝路徑進(jìn)行氧化分解；碳分解代謝簡并性微生物能夠利用何種碳源，取決于是否有對(duì)應(yīng)運(yùn)輸系統(tǒng)和進(jìn)入中心碳代謝分支代謝路徑；微生物的代謝第9頁糖分解代謝路徑：指氧化分解葡萄糖代謝路徑：糖酵解路徑：產(chǎn)能磷酸戊糖路徑：不產(chǎn)能糖酵解（glycolysis）路徑：將葡萄糖個(gè)別氧化分解為丙酮酸，同時(shí)底物水平磷酸化產(chǎn)能代謝路徑；廣泛存在糖酵解路徑是EMP，還有存在于少個(gè)別微生物中ED路徑、磷酸解酮酶路徑等；因?yàn)镋MP路徑首先發(fā)覺，所以糖酵解路徑又特指EMP；糖分解代謝路徑微生物的代謝第10頁糖酵解路徑（EMP）熟悉生化物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)熟悉生化反應(yīng)類型掌握代謝路徑了解生理功效微生物的代謝第11頁分解葡萄糖：葡萄糖+ATP→1-磷酸葡萄糖+ADP（葡萄糖激酶）1-磷酸葡萄糖→6-磷酸葡萄糖（變位酶）6-磷酸葡萄糖→6-磷酸果糖（異構(gòu)酶）6-磷酸果糖+ATP→1,6-二磷酸果糖+ADP（激酶）1,6-二磷酸果糖→3-磷酸甘油醛＋磷酸二羥丙酮（醛縮酶）磷酸二羥丙酮→3-磷酸甘油醛（異構(gòu)酶）EMP生化反應(yīng)及生理目標(biāo)（一）微生物的代謝第12頁氧化、釋放能量、產(chǎn)ATP：3-磷酸甘油醛+2Pi→1,3-二磷酸甘油酸+2e+2H＋NAD＋＋2e＋2H＋→NADH＋H＋（磷酸甘油脫氫酶）1,3-2p甘油酸+ADP+Pi→3-磷酸甘油酸+ATP（激酶）3-磷酸甘油酸→2-磷酸甘油酸（變位酶）2-磷酸甘油酸→磷酸烯醇式丙酮酸（烯醇化酶）PEP+ADP+Pi→

丙酮酸+ATP（丙酮酸激酶）EMP生化反應(yīng)及生理目標(biāo)（二）微生物的代謝第13頁氧化反應(yīng)是主要生化反應(yīng)，化合物在氧化過程中，釋放高能電子和能量；釋放高能電子還原氧化型電子載體，產(chǎn)生還原態(tài)電子載體；釋放能量儲(chǔ)存在高能化學(xué)鍵（磷酸鍵）中，形成高能化合物中間體；3-磷酸甘油醛+2Pi→1,3-二磷酸甘油酸+4e+4H＋2NAD＋＋4e＋4H＋→2NADH＋2H＋氧化反應(yīng)微生物的代謝第14頁化合物在氧化分解過程中，形成高能化合物中間體高能鍵水解，偶聯(lián)ADP磷酸化形成ATP，這種產(chǎn)生ATP方式叫做底物水平磷酸化；1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸＋～Pi磷酸稀醇式丙酮酸→

丙酮酸＋～Pi

ADP＋～Pi→ATP底物水平磷酸化微生物的代謝第15頁一分子葡萄糖經(jīng)EMP個(gè)別氧化分解，產(chǎn)生兩分子丙酮酸，兩分子NADH，凈產(chǎn)生兩分子ATP；Glc+2ADP+2Pi+2NAD+→2Pyr+2ATP+2NADH+2H+EMP氧化分解葡萄糖，底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP，為細(xì)胞提供能量；產(chǎn)生各種“C3”小分子碳架，提供合成代謝前體物；產(chǎn)生NADH，可深入經(jīng)過呼吸產(chǎn)生ATP；也能夠轉(zhuǎn)化為還原力-NADPH；EMP生理功效微生物的代謝第16頁存在于一些發(fā)酵單胞菌、假單胞菌、固氮菌等G-菌，以及極少數(shù)G+菌中糖酵解路徑；在代謝路徑上，ED路徑與EMP區(qū)分在于：先葡萄糖進(jìn)行氧化脫水，然后再分解氧化產(chǎn)生丙酮酸；在生理功效上，ED路徑與EMP區(qū)分在于：一分子葡萄糖經(jīng)ED路徑氧化分解，產(chǎn)兩分子丙酮酸、一分子H2O、一分子NADPH和一分子NADH，凈產(chǎn)一分子ATP；ED路徑兼有產(chǎn)NADPH（還原力）生理功效；ED路徑微生物的代謝第17頁ED

路徑glc+ADP+Pi+2NAD(P)+→2×pyr+ATP+NADH+NADPH+H2O（KDPG特征性中間代謝物）微生物的代謝第18頁6-磷酸葡萄糖+NADP+→6-P葡萄糖酸+NADPH＋H＋

（6-磷酸葡萄糖脫氫酶）6-P葡萄糖酸→2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸＋H2O

（6-磷酸葡萄糖酸脫水酶）2-酮-3-脫氧-6-P葡萄糖酸→3-P甘油醛+丙酮酸

（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶）3-磷酸甘油醛→→→→→丙酮酸+ATP+NADH

ED路徑生化反應(yīng)和生理功效特點(diǎn)微生物的代謝第19頁存在于一些嚴(yán)格厭氧或耐氧乳酸細(xì)菌中一個(gè)糖酵解路徑；葡萄糖分解方式與EMP不一樣；磷酸解酮酶路徑可區(qū)分為兩種路徑：己糖磷酸解酮酶路徑（HK）：產(chǎn)生小分子碳架、ATP、NADH戊糖磷酸解酮酶路徑（PK）：產(chǎn)生小分子碳架、ATP、NADH、NADPHHK路徑先分解、重排、再分解氧化；PK路徑先個(gè)別氧化、異構(gòu)、再分解氧化；磷酸解酮酶路徑微生物的代謝第20頁HK路徑6-磷酸果糖4-磷酸赤蘚糖乙酰磷酸6-磷酸果糖2×5-磷酸木酮糖2×3-磷酸甘油醛2×乙酰磷酸碳架重排和異構(gòu)2×丙酮酸+2NADH+4ATP磷酸解酮酶磷酸解酮酶乙酸+ATP2×乙酸+2ATP轉(zhuǎn)酮酶、轉(zhuǎn)醛酶2果糖→2丙酮酸＋3乙酸+5ATP+2NADH微生物的代謝第21頁P(yáng)K路徑6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乙酰磷酸丙酮酸+ATP+NADH磷酸解酮酶乙酸+ATP葡萄糖→丙酮酸＋乙酸+2ATP+NADPH+NADH+CO2CO2+2NADPH葡萄糖脫氫酶葡萄糖酸脫氫酶微生物的代謝第22頁分解：（磷酸解酮酶）6-磷酸果糖+Pi→4-磷酸赤蘚糖＋乙酰磷酸（HK）5-磷酸木酮糖+Pi→3-P甘油醛＋乙酰-P氧化：（葡萄糖脫氫酶；葡萄糖酸脫氫酶）（PK）6-磷酸葡萄糖+NADP+→6-P葡萄糖酸＋NADPH＋H＋6-P葡萄糖酸+NADP+→5-P核酮糖+NADPH+H＋+CO2底物水平磷酸化：（乙酸激酶）乙酰磷酸+ADP+Pi→乙酸＋ATPHK和PK路徑反應(yīng)特點(diǎn)微生物的代謝第23頁采取磷酸解酮酶催化分解酮糖方式氧化分解葡萄糖，能夠提升產(chǎn)能效率：HK路徑分解一分子葡萄糖凈產(chǎn)生2.5個(gè)ATP，但只形成一分子NADH；PK路徑先氧化，后酮解一分子葡萄糖凈產(chǎn)生2個(gè)ATP，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)NADPH和NADH，產(chǎn)生一個(gè)CO2；HK和PK路徑存在只有底物水平磷酸化一個(gè)方式產(chǎn)能專性厭氧或耐氧菌中，盡可能提升產(chǎn)能效率；HK和PK路徑生理特點(diǎn)微生物的代謝第24頁碳架重排反應(yīng)：丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖之間相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)，經(jīng)過相互間轉(zhuǎn)移二羥丙酮基（轉(zhuǎn)酮）或羥乙醛基（轉(zhuǎn)醛），實(shí)現(xiàn)分子重排；轉(zhuǎn)酮反應(yīng)：由轉(zhuǎn)二羥丙酮基酶（轉(zhuǎn)酮酶）催化：4-P赤蘚糖＋6-P果糖→7-P景天庚酮糖＋3-P甘油醛轉(zhuǎn)醛反應(yīng)：由轉(zhuǎn)羥乙醛基酶（轉(zhuǎn)醛酶）催化：7-P景天庚酮糖＋3-P甘油醛→5-P核糖＋5-P木酮糖

HK路徑碳架重排反應(yīng)微生物的代謝第25頁碳架重排－轉(zhuǎn)醛和轉(zhuǎn)酮反應(yīng)轉(zhuǎn)酮酶轉(zhuǎn)醛酶微生物的代謝第26頁磷酸戊糖路徑（HMPorPP）：普遍存在葡萄糖氧化分解路徑，主要生理功效為產(chǎn)生NADPH和C3~C7小分子碳架，沒有底物水平磷酸化產(chǎn)ATP功效；氧化反應(yīng)，將6-磷酸葡萄糖氧化分解為CO2和5-磷酸核酮糖，并產(chǎn)生2個(gè)NADPH；非氧化還原循環(huán)反應(yīng)，將6個(gè)5-磷酸核酮糖重排為5個(gè)6-磷酸果糖；總反應(yīng)：Glc+12NADP++6H2O→6CO2+12NADPH＋12H+磷酸戊糖路徑微生物的代謝第27頁磷酸戊糖路徑氧化反應(yīng)個(gè)別與PK路徑上半部反應(yīng)完全相同，目標(biāo)是產(chǎn)生NADPH；Glc-6-Pi+2NADP++H2O→CO2+2NADPH＋2H+＋Ru-Pi6-磷酸葡萄糖脫氫酶6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶

微生物的代謝第28頁磷酸戊糖路徑循環(huán)反應(yīng)個(gè)別轉(zhuǎn)酮酶轉(zhuǎn)醛酶轉(zhuǎn)醛酶6×5-P核酮糖→5×6-P果糖→5×6-P葡萄糖代謝中間物為合成代謝提供C3~C7前體物微生物的代謝第29頁發(fā)酵（fermentation）：碳分解代謝不完全氧化產(chǎn)物（丙酮酸、NADH）轉(zhuǎn)化為末端發(fā)酵產(chǎn)物，并排出細(xì)胞代謝路徑；也叫溢流代謝（overflowmetabolism）；發(fā)酵是中心碳代謝一個(gè)組成個(gè)別，是在無氧條件下（不需要氧）對(duì)糖酵解延續(xù)代謝，所以稱為發(fā)酵，普通存在于厭氧菌和兼性厭氧菌中；不一樣微生物發(fā)酵代謝路徑不一樣，產(chǎn)生末端發(fā)酵產(chǎn)物也不一樣，由此組成了各種發(fā)酵類型；6.1.3發(fā)酵微生物的代謝第30頁發(fā)酵生理功效細(xì)胞經(jīng)過發(fā)酵，使糖酵解路徑產(chǎn)物-丙酮酸和NADH轉(zhuǎn)化為末端發(fā)酵產(chǎn)物，并排出細(xì)胞：防止丙酮酸在胞內(nèi)過量積累而產(chǎn)生毒害作用；使NAD+再生，維持胞內(nèi)NAD+/NADH平衡；發(fā)酵與糖酵解路徑共同組成了完整葡萄糖個(gè)別氧化分解代謝，在這一過程中，實(shí)現(xiàn)了底物水平磷酸化產(chǎn)能（發(fā)酵產(chǎn)能）、產(chǎn)生碳架生理功效；這一代謝不需要氧參加，為厭氧菌和兼性厭氧菌采?。晃⑸锏拇x第31頁乙醇發(fā)酵乙酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵丁醇發(fā)酵全部發(fā)酵生理功效完全相同，但代謝路徑和代謝產(chǎn)物各不相同，通常以主要末端發(fā)酵產(chǎn)物命名發(fā)酵類型；發(fā)酵反應(yīng)必定包含還原反應(yīng)，由NADH提供電子；發(fā)酵類型微生物的代謝第32頁乙醇發(fā)酵：從丙酮酸到乙醇，兩步反應(yīng)；丙酮酸脫羧生成乙醛和CO2，消耗NADH還原乙醛生成乙醇和NAD+再生，乙醇排出細(xì)胞；乙醇發(fā)酵總反應(yīng)式：葡萄糖→2×乙醇＋2CO2＋2ATP丙酮酸乙醛＋CO2丙酮酸脫羧酶乙醛＋NADH乙醇＋NAD＋乙醇脫氫酶微生物的代謝第33頁釀酒酵母在無氧條件下，經(jīng)過EMP分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸、NADH和ATP；然后經(jīng)乙醇發(fā)酵將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醛和CO2，排出細(xì)胞外；同時(shí)再生NAD+；利用上述代謝，使釀酒酵母在不需要氧條件下，完成份解葡萄糖，產(chǎn)生碳架和ATP生理功效；同時(shí)防止了不完全氧化代謝中間物在胞內(nèi)積累，以及胞內(nèi)NAD+/NADH不平衡；釀酒酵母乙醇發(fā)酵微生物的代謝第34頁運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌（Zymomonasmobilis）為微好氧菌，在較低氧分壓下生長；經(jīng)ED途經(jīng)分解葡萄糖為丙酮酸、NADPH、NADH和ATP；因?yàn)槿毖酰瑐€(gè)別丙酮酸不能徹底氧化，只能進(jìn)入乙醇發(fā)酵路徑：經(jīng)脫羧反應(yīng)和還原反應(yīng)，消耗NADH，產(chǎn)生乙醇和CO2；總反應(yīng)式：葡萄糖→2×乙醇＋2CO2＋NADPH＋ATP運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌乙醇發(fā)酵微生物的代謝第35頁工業(yè)上利用釀酒酵母EMP和乙醇發(fā)酵，或者利用運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌ED路徑和乙醇發(fā)酵，以葡萄糖為主要原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇：工業(yè)乙醇、醫(yī)用酒精、食用酒精、各種酒類、燃料乙醇（fuelethanol）；發(fā)展方向：以來自農(nóng)產(chǎn)品廢棄物纖維素和半纖維素為發(fā)酵原料，進(jìn)行糖化和發(fā)酵過程相耦合己糖和戊糖共代謝發(fā)酵；以降低乙醇發(fā)酵成本，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用；乙醇發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展方向微生物的代謝第36頁許多細(xì)菌含有乳酸發(fā)酵，尤其是沒有徹底氧化有機(jī)物代謝路徑耐氧菌，多采取乳酸發(fā)酵；葡萄糖經(jīng)糖酵解路徑分解產(chǎn)生丙酮酸、NADH和ATP；丙酮酸直接被NADH還原為乳酸，排出細(xì)胞；依據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物種類，乳酸發(fā)酵可分為同型和異型乳酸發(fā)酵；乳酸發(fā)酵丙酮酸＋NADH乳酸＋NAD+乳酸脫氫酶微生物的代謝第37頁乳桿菌屬（Lactobacillus）時(shí)經(jīng)典進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵菌屬；經(jīng)EMP分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸、NADH和ATP；丙酮酸經(jīng)乳酸發(fā)酵被轉(zhuǎn)化為乳酸排出細(xì)胞，同時(shí)NAD+再生；總反應(yīng)：葡萄糖→2×乳酸＋2ATP這種乳酸發(fā)酵因?yàn)槟┒税l(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸一個(gè)產(chǎn)物，稱為同型乳酸發(fā)酵（homofermentation）；同型乳酸發(fā)酵微生物的代謝第38頁兩歧雙歧桿菌（Bifidobacteriumbifidum）是嚴(yán)格厭氧菌，沒有徹底氧化有機(jī)物代謝路徑；經(jīng)HK路徑分解葡萄糖，產(chǎn)生丙酮酸、乙酸（乙醇）、NADH和ATP；乙酸或乙醇被直接排出細(xì)胞；丙酮酸經(jīng)乳酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乳酸排出細(xì)胞；因?yàn)槟┒税l(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙酸或乙醇，被稱為異型乳酸發(fā)酵（heterofermentation）；總反應(yīng)：2×葡萄糖→2×乳酸＋3×乙酸＋5ATP兩歧雙歧桿菌異型乳酸發(fā)酵微生物的代謝第39頁腸膜狀明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）是兼性厭氧菌，在無氧條件下經(jīng)PK路徑分解葡萄糖，產(chǎn)生丙酮酸、乙酸（乙醇）、CO2、NADPH、NADH和ATP；乙酸（乙醇）和CO2直接排出細(xì)胞；丙酮酸經(jīng)乳酸發(fā)酵，消耗NADH，被還原為乳酸排出細(xì)胞；因?yàn)槟┒税l(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外，還有CO2、乙酸或乙醇，也為異型乳酸發(fā)酵；總反應(yīng)：葡萄糖→乳酸+乙酸+2ATP+NADPH+CO2腸膜狀明串珠菌異型乳酸發(fā)酵微生物的代謝第40頁乙酰磷酸代謝路徑當(dāng)細(xì)胞需ATP時(shí)，乙酰磷酸水解產(chǎn)生ATP和乙酸；當(dāng)細(xì)胞需要NAD＋時(shí)，在磷酸轉(zhuǎn)乙酰基酶催化下（phosphotransacetylase），乙酰磷酸變成乙酰輔酶A，然后消耗兩個(gè)NADH被還原為乙醇，同時(shí)NAD＋再生；乙酸CoA

＋NADH→乙醛＋HCoA＋NAD＋乙酸磷酸＋HCoA→乙酰CoA＋Pi乙醛＋NADH→乙醇＋NAD＋微生物的代謝第41頁進(jìn)行乳酸發(fā)酵大多是G＋菌，主要分布在厚壁菌門芽孢桿菌綱：芽孢乳桿菌屬（Sporolactobacillus）、乳桿菌屬（Lactobacillus）、片球菌屬（Pediococcus）、產(chǎn)乳酸球菌屬（Lactosphaera）、明串珠菌屬（Leuconostoc）、乳球菌屬（Lactococcus）；以及屬于放線菌門雙歧桿菌目（Bifidobacteriales）雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）；乳酸發(fā)酵真核微生物：米根霉（Rhizopus

oruzae）；乳酸發(fā)酵主要微生物屬微生物的代謝第42頁能分解乳糖進(jìn)行乳酸發(fā)酵厭氧菌、兼性厭氧菌或耐氧菌細(xì)菌都稱為乳酸細(xì)菌；乳酸細(xì)菌應(yīng)用于乳品行業(yè)，主要以牛乳為原料發(fā)酵生產(chǎn)酸奶、干酪、酸性奶油、酸性酪乳；乳酸發(fā)酵微生物用于乳酸工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)，分為L-乳酸發(fā)酵和D-乳酸發(fā)酵；L-乳酸用于合成可降解高分子材料聚乳酸，以及生產(chǎn)有機(jī)容積乳酸乙酯；D-乳酸是醫(yī)藥中間體；乳酸細(xì)菌及應(yīng)用微生物的代謝第43頁腸桿菌科（Enterobacteriaceae）一類兼性厭氧G－桿菌，多數(shù)種中心碳代謝包含EMP和甲酸或產(chǎn)氣發(fā)酵；甲酸發(fā)酵：丙酮酸裂解產(chǎn)生甲酸和乙酰輔酶A，甲酸為主要末端發(fā)酵產(chǎn)物，還有少許乙酸和乙醇；如甲酸深入分解則產(chǎn)生CO2和H2，為產(chǎn)氣發(fā)酵；甲酸裂解酶丙酮酸＋HCoA乙酰CoA＋甲酸CO2＋H2甲酸氫解酶甲酸甲酸發(fā)酵和產(chǎn)氣發(fā)酵微生物的代謝第44頁E.coli是腸桿菌科埃希氏菌屬（Escherichia）模式種，是經(jīng)典兼性厭氧G－桿菌；在無氧條件下，E.coli中心碳代謝由EMP和混合酸發(fā)酵組成，既產(chǎn)酸又產(chǎn)氣，屬異型發(fā)酵；混合酸發(fā)酵產(chǎn)物包含：乳酸、琥珀酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和H2；大腸桿菌混合酸發(fā)酵微生物的代謝第45頁甲酸

→

CO2＋H2（偏酸性環(huán)境）大腸桿菌混合酸發(fā)酵——反應(yīng)和酶乙酰CoA→乙酰磷酸→乙酸＋ATP草酰乙酸＋3NADH→蘋果酸→延胡索酸→琥珀酸＋3NAD＋

乙酰CoA＋2NADH

→乙醛→乙醇＋2NAD＋乳酸脫氫酶丙酮酸＋NADH乳酸＋NAD＋甲酸裂解酶乙酰CoA＋甲酸丙酮酸＋HCoA丙酮酸羧化酶草酰乙酸丙酮酸＋CO2微生物的代謝第46頁腸桿菌科腸桿菌屬（Enterobacter）經(jīng)典種：產(chǎn)氣腸桿菌（Enterobacteraerogenes），EMP糖酵解；丁二醇發(fā)酵在無氧條件下進(jìn)行丁二醇發(fā)酵，末端發(fā)酵產(chǎn)物除有少許乳酸、乙醇、CO2和H2外，主要發(fā)酵產(chǎn)物為2,3-丁二醇；微生物的代謝第47頁乙酰乳酸合成酶（acetolactatesynthase）催化兩分子丙酮酸縮合脫羧，生成乙酰乳酸；乙酰乳酸脫羧酶（acetolactatedecarboxylase）催化脫羧，生成3-羥基丁酮（acetoin）；羥基丁酮還原酶（acetoinreductase）催化，消耗NADH還原3-羥基丁酮為2,3-丁二醇；腸桿菌屬細(xì)菌丁二醇發(fā)酵反應(yīng)微生物的代謝第48頁V.P.反應(yīng)是判定丁二醇發(fā)酵試驗(yàn)，出現(xiàn)紅色為陽性反應(yīng)，表示存在丁二醇發(fā)酵；原理：乙酰甲基甲醇在堿性條件下被氧化為二乙酰，二乙酰與精氨酸胍反應(yīng)產(chǎn)生紅色化合物；V.P.反應(yīng)微生物的代謝第49頁枯草芽孢桿菌異型丁二醇發(fā)酵枯草芽孢桿菌異型丁二醇發(fā)酵，產(chǎn)物包含：乳酸、乙酸、2,3-丁二醇和痕量乙醇；用枯草芽孢桿菌代替釀酒酵母進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)是發(fā)展趨勢(shì)之一；微生物的代謝第50頁丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌（Clostridium

acetobutylicum）是厚壁菌門梭菌科（Clostridaceae

）梭菌屬經(jīng)典種，為低GC％G＋專性厭氧產(chǎn)芽孢菌；丙丁梭菌中心碳代謝只有ED路徑和丙酮丁醇發(fā)酵路徑，缺乏三羧酸循環(huán)和呼吸；丙酮丁醇發(fā)酵：末端發(fā)酵產(chǎn)物主要為丙酮和丁醇，同時(shí)還有甲酸、乙酸、乙醇、丁酸、CO2和H2；丙酮丁醇發(fā)酵微生物的代謝第51頁丙丁梭菌丙酮丁醇發(fā)酵路徑微生物的代謝第52頁丙酮酸→甲酸＋CO2（丙酮酸甲酸裂解酶）丙酮酸→乙醛＋CO2（丙酮酸脫羧酶）乙醛→乙醇（乙醇脫氫酶）丙酮酸→乙酰CoA＋CO2（丙酮酸脫氫酶）乙酰CoA→乙酰磷酸（磷酸轉(zhuǎn)乙?；福┮阴Ａ姿帷宜幔ㄒ宜峒っ福┮阴oA→乙醛（乙醛脫氫酶）乙醛→乙醇（乙醇脫氫酶）丙酮丁醇發(fā)酵反應(yīng)、酶和代謝產(chǎn)物（一）微生物的代謝第53頁2×乙酰CoA→乙酰乙酰CoA（乙酰乙酰CoA合酶）乙酰乙酰CoA→乙酰乙酸（乙酰乙酰CoA輔酶A轉(zhuǎn)移酶）乙酰乙酸→丙酮＋CO2（乙酰乙酸脫羧酶）乙酰乙酰CoA→b-羥丁酰CoA（b-羥丁酰CoA脫氫酶）b-羥丁酰CoA→巴豆酰CoA（b-羥丁酰CoA脫水酶）巴豆酰CoA→丁酰CoA（巴豆酰CoA脫氫酶）丁酰CoA→丁酰-P→丁酸（丁酰磷酸轉(zhuǎn)乙?；负图っ福┒□oA→丁醛→丁醇（丁醛脫氫酶和丁醇脫氫酶）丙酮丁醇發(fā)酵反應(yīng)、酶和代謝產(chǎn)物（二）微生物的代謝第54頁用淀粉糖為原料，丙丁梭菌工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇在我國連續(xù)30年，形成總?cè)軇┥a(chǎn)行業(yè)；衰退近20年后，前年開始復(fù)蘇，去年又衰退；發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇發(fā)展前景：用纖維素降解糖，或半纖維素降解戊糖代替淀粉水解糖為發(fā)酵原料，發(fā)揮原料優(yōu)勢(shì)；能夠提升發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇百分比，生產(chǎn)燃料丁醇替換當(dāng)前使用燃料乙醇；丙酮丁醇發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景微生物的代謝第55頁6.1.4三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)（tricarboxylic

acidcycle，TCA循環(huán)）是異養(yǎng)微生物徹底氧化分解有機(jī)物，產(chǎn)生CO2、NAD(P)H和FADH2代謝路徑；是糖酵解路徑延續(xù)，將不完全氧化有機(jī)物（丙酮酸），徹底氧化為CO2而釋放；中間代謝物為合成代謝提供小分子碳架前體物；有機(jī)物徹底氧化所釋放高能電子，還原電子載體，產(chǎn)生NAD(P)H和FADH2，為氧化磷酸化產(chǎn)生ATP提供前體物；微生物的代謝第56頁受體再生氧化受體結(jié)合氧化底物水平磷酸化異構(gòu)TCA循環(huán)代謝路徑丙酮酸脫氫酶檸檬酸合成酶順烏頭酸酶異檸檬酸脫氫酶a-酮戊二酸脫氫酶琥珀酰輔酶A合成酶琥珀酸脫氫酶延胡索酸酶蘋果酸脫氫酶氧化氧化水合微生物的代謝第57頁TCA循環(huán)反應(yīng)特點(diǎn)丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA，然后進(jìn)入TCA循環(huán)；乙酰CoA與受體草酰乙酸結(jié)合，生成檸檬酸；檸檬酸異構(gòu)為異檸檬酸后，經(jīng)兩步氧化反應(yīng)，脫掉兩個(gè)CO2，生成琥珀酰CoA和兩個(gè)NAD(P)H；高能化合物琥珀酰CoA經(jīng)底物水平磷酸化，產(chǎn)生GTP和琥珀酸；琥珀酸經(jīng)兩步氧化，一步水合反應(yīng)，再生為TCA受體草酰乙酸，同時(shí)產(chǎn)生NAD(P)H

和FADH2；微生物的代謝第58頁TCA循環(huán)酶檸檬酸合成酶順烏頭酸酶異檸檬酸脫氫酶a-酮戊二酸脫氫酶琥珀酸輔酶A合成酶琥珀酸脫氫酶延胡索酸酶蘋果酸脫氫酶微生物的代謝第59頁糖酵解路徑與TCA循環(huán)總反應(yīng)EMP：葡萄糖→2丙酮酸+2NADH+2ATP2丙酮酸→2乙酰CoA+2CO2+2NADHTCA循環(huán)：2乙酰CoA→4CO2+6NAD(P)H+2FADH2總反應(yīng)式：

Glc＋10NA(P)D+＋2FAD＋＋4ADP＋4Pi→6CO2＋10NAD(P)H＋2FADH2＋4ATP微生物的代謝第60頁呼吸（respiration）：氧化NAD(P)H和FADH2，將高能電子能量轉(zhuǎn)化為ATP產(chǎn)能代謝路徑；氧化NAD(P)H和FADH2，再生NAD(P)+和FAD2+；高能電子沿呼吸鏈傳遞，還原最終電子受體，形成呼吸產(chǎn)物；高能電子在傳遞過程中，其能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（PMF）；質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP合成酶，氧化磷酸化合成ATP；6.1.5呼吸微生物的代謝第61頁呼吸鏈（電子傳遞鏈）：是細(xì)胞進(jìn)行呼吸酶系統(tǒng)，由一系列含有氧化還原功效電子載體蛋白，次序排列在生物膜上組成；呼吸鏈普通組成：NADH脫氫酶復(fù)合物→輔酶Q→細(xì)胞色素bc1復(fù)合物→→細(xì)胞色素c→細(xì)胞色素aa3（末端氧化酶復(fù)合物）原核細(xì)胞呼吸鏈位于細(xì)胞膜上，真核微生物呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上；呼吸鏈微生物的代謝第62頁電子載體蛋白按照還原電位由高到低次序排列；NADH脫氫酶復(fù)合物電子載體為FMN、FeS；輔酶Q是具類異戊二烯尾苯醌衍生物；cytbc1電子載體有血紅素（heme）和FeS；其它c(diǎn)yt電子載體都是血紅素；電子載體蛋白及電子載體微生物的代謝第63頁

NAD(P)H脫氫酶復(fù)合物催化氧化反應(yīng)；NAD(P)H+H++FMN+→NAD(P)++FMNH2

FMNH2(FADH2)+2Fe3+S→FMN+(FAD2+)+2Fe2+S+2H+

呼吸反應(yīng)過程——NAD(P)H和FADH2氧化實(shí)現(xiàn)NAD(P)和FAD2+再生微生物的代謝第64頁呼吸反應(yīng)過程——電子傳遞NAD(P)H和FADH2氧化釋放高能電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給最終（末端）電子受體：NAD(P)H脫氫酶復(fù)合物催化輔酶Q還原：2Fe2+S+CoQ+2H+

→2Fe3+S+CoQH2cytb催化輔酶Q氧化，本身被還原；cytc1催化cytb氧化，本身被還原；cytc催化cytc1氧化，本身被還原；cytaa3催化cytc氧化和末端電子受體還原，并形成呼吸產(chǎn)物；微生物的代謝第65頁FeS只接收電子被還原，2H+則被排到膜外；輔酶Q被FeS還原時(shí)，再從基質(zhì)中吸收2H+；cytb只接收電子，2H+被排到膜外；cytc1在從基質(zhì)中吸收2H+，還原cytc時(shí)，2H+再被排出；呼吸反應(yīng)過程——質(zhì)子外排微生物的代謝第66頁

高能電子沿呼吸鏈傳遞過程中，在三個(gè)位點(diǎn)有三對(duì)H+被排到膜外，形成膜內(nèi)外H+濃度差這種電勢(shì)能，即質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（PMF）；高能電子在經(jīng)呼吸鏈傳遞過程中，電子能量逐步降低并轉(zhuǎn)化為質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)；呼吸反應(yīng)過程——質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)建立微生物的代謝第67頁氧化磷酸化（電子傳遞水平磷酸化）：由質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)推進(jìn)膜上ATP合成酶，使ADP磷酸化形成ATP；經(jīng)過呼吸（電子傳遞），高能電子能量轉(zhuǎn)化為PMF；經(jīng)過氧化磷酸化，PMF勢(shì)能轉(zhuǎn)化為ATP化學(xué)鍵能；2H+跨膜運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)F1-F0ATP酶形成一個(gè)ATP；氧化磷酸化微生物的代謝第68頁F1-F0ATP合成酶氧化磷酸化由F1-F0ATP合成酶催化；F1-F0ATP合成酶由多個(gè)蛋白亞基組成，其中F0位于膜上，F(xiàn)1位于膜內(nèi)；中間有質(zhì)子通道；當(dāng)質(zhì)子流穿過質(zhì)子通道時(shí)，引發(fā)ATP酶構(gòu)象改變，使ADP磷酸化形成ATP；微生物的代謝第69頁有氧呼吸：分子氧作為呼吸最終電子受體（terminalelectronacceptor），在細(xì)胞色素aa3催化下，接收電子被還原，形成呼吸產(chǎn)物水呼吸過程；NAD(P)H（FADH2）→NAD(P)+（FAD2+）+2H++2e

?O2

＋2H+

＋2e

→H2O呼吸末端反應(yīng)——有氧呼吸進(jìn)行有氧呼吸微生物為好氧微生物；微生物的代謝第70頁無氧呼吸：用除O2以外其它氧化態(tài)無機(jī)或有機(jī)物作為呼吸最終電子受體，在末端氧化酶催化下被還原，形成呼吸產(chǎn)物呼吸過程；無氧呼吸存在于一些兼性厭氧或?qū)Ｐ詤捬跷⑸镏?，依?jù)呼吸末端反應(yīng)不一樣，可分為許多類型：硝酸鹽呼吸、亞硝酸鹽呼吸；硫酸鹽呼吸、硫呼吸；二氧化碳呼吸、延胡索酸呼吸；鐵呼吸、錳呼吸；呼吸末端反應(yīng)——無氧呼吸微生物的代謝第71頁葡萄糖經(jīng)糖酵解路徑和TCA循環(huán)被徹底氧化為CO2，并釋放出大量高能電子而形成NAD(P)H或FADH2；經(jīng)過呼吸將NAD(P)H或FADH2重新氧化，使NAD(P)+和FAD2+再生，維持胞內(nèi)NAD(P)+/NAD(P)H和FAD2+/FADH2平衡；并經(jīng)過氧化磷酸化，高效率產(chǎn)生ATP：因?yàn)榇罅縉AD(P)H或FADH2來自于TCA循環(huán)，所以呼吸和TCA循環(huán)不可分割；當(dāng)無最終電子受體時(shí)，呼吸停頓，TCA也停頓，降低NADH生成；然后開通溢流代謝，實(shí)現(xiàn)NAD+再生，同時(shí)降低產(chǎn)能效率；呼吸與中心碳分解代謝關(guān)系微生物的代謝第72頁一對(duì)電子從NADH沿呼吸鏈傳遞到O2，共排出3×2H+，能夠形成三個(gè)ATP，即消耗一個(gè)氧原子，形成三個(gè)高能磷酸鍵（P/O＝3）；一對(duì)電子從FADH2傳遞到O2，排出2×2H+，能夠形成兩個(gè)ATP（P/O＝2）；有氧呼吸產(chǎn)能效率——P/O微生物的代謝第73頁氧化磷酸化：EMP：2×NADH＝6ATP2×丙酮酸→2×乙酰CoA：2×NADH＝6ATPTCA循環(huán)：6×NADH＝18ATP2×FADH2＝4ATP底物水平磷酸化;EMP：2ATP；TCA循環(huán)：2ATP總計(jì)：1分子葡萄糖＝34ATP＋4ATP＝38ATP葡萄糖有氧呼吸產(chǎn)能效率微生物的代謝第74頁E.coli硝酸鹽呼吸E.coli是兼性厭氧菌，有氧時(shí)，有氧呼吸；無氧而有硝酸鹽時(shí)，硝酸鹽呼吸；末端氧化酶為硝