第五章微生物的代謝與調控課件

第五章微生物代謝與調控新陳代謝：發(fā)生在活細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：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產生簡單分子、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雜的大分子的過程。1、代謝概論復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]物質代謝：物質在體內轉化的過程.能量代謝：伴隨物質轉化而發(fā)生的能量形式相互轉化.按代謝產物在機體中作用不同分：初級代謝：提供能量、前體、結構物質等生命活動所必須的代謝物的代謝類型；產物：氨基酸、核苷酸等.次級代謝：在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需的代謝類型；產物：抗生素、色素、激素、生物堿等按物質轉化方式分：分解代謝：指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量。合成代謝：是指細胞利用簡單的小分子物質合成復雜大分子的過程。在這個過程中要消耗能量。一切生命活動都是耗能反應，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，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP。這就是產能代謝。最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(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：細胞內代謝物以氧化作用釋放（產生）能量的化學反應。氧化過程中能產生大量的能量，分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內，供需時使用。

生物氧化的方式：①和氧的直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去電子：Fe2+→Fe3++e-③化合物脫氫或氫的傳遞:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的概念2、微生物的能量代謝生物氧化就是發(fā)生在或細胞內的一切產能性氧化反應的總稱生物氧化的功能：產能(ATP)產還原力【H】小分子中間代謝物生物氧化的過程一般包括三個環(huán)節(jié)：①底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱作電子供體或供氫體）②氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）③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)、TCA2.1化能異養(yǎng)微生物的生物氧化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轉化成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。磷酸戊糖進一步代謝有兩種結局，①磷酸戊糖經轉酮—轉醛酶系催化，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，進一步轉化為丙酮酸。稱為不完全HMP途徑。②由六個葡萄糖分子參加反應，經一系列反應，最后回收五個葡萄糖分子，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

MonophophatePathway）

耗能階段C62C3

產能階段4ATP2ATP2C32丙酮酸

2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O

HMP途徑的總反應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。產生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產生大量的能量。與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調劑戊糖供需關系。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3~7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。通過該途徑可產生許多種重要的發(fā)酵產物。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，且與細胞代謝活動對其中間產物的需要量相關。又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數缺乏完整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

ATPADPNADP+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~~醛縮酶有氧時與TCA環(huán)連接無氧時進行細菌發(fā)酵ED途徑的特點葡萄糖經轉化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經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EMP途徑轉化成為丙酮酸。結果是1分子葡萄糖產生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途徑的特征反應是關鍵中間代謝物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.反應步驟簡單，產能效率低.

此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵.ED途徑的總反應

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧時經過呼吸鏈)（無氧時進行細菌乙醇發(fā)酵）關鍵反應：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醛縮酶相關的發(fā)酵生產：細菌酒精發(fā)酵優(yōu)點：代謝速率高，產物轉化率高，菌體生成少，代謝副產物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5，較易染菌；細菌對乙醇耐受力低由表可見，在微生物細胞中，有的同時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何種途徑代謝，對發(fā)酵產物影響很大。TCA循環(huán)丙酮酸在進入三羧酸循環(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入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應而本身并不消耗。TCA循環(huán)的重要特點（1）循環(huán)一次的結果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；（2）整個循環(huán)有四步氧化還原反應，其中三步反應中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；（3）為糖、脂、蛋白質三大物質轉化中心樞紐。（4）循環(huán)中的某些中間產物是一些重要物質生物合成的前體；（5）生物體提供能量的主要形式；（6）為人類利用生物發(fā)酵生產所需產品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。中間代謝產物分解代謝起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途徑HMP途徑HMP途徑EMP途徑EMP途徑ED途徑EMP途徑三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧脂肪氧化核苷糖類戊糖多糖貯藏物核苷酸脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖異生CO2固定胞壁酸合成糖的運輸丙氨酸纈氨酸亮氨酸CO2固定絲氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸賴氨酸天冬氨酸賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸脂肪酸類異戊二烯甾醇2.1.2遞氫、受氫和ATP的產生★經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行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結合，以釋放其化學潛能。★根據遞氫特別是受氫過程中氫受體性質的不同,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式；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，底物脫氫后所產生的還原力不經過呼吸鏈傳遞而直接交給一內源氧化性中間代謝產物的一類低效產能反應。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有用代謝產物的一類生產方式?！畎l(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產能途徑主要有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+產生，但產生的量并不多，如不及時使它們氧化再生，糖的分解產能將會中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產物為氫（電子）受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產生了各種各樣的發(fā)酵產物。根據發(fā)酵產物的種類有乙醇發(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①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵丙酮酸的發(fā)酵產物

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌的乙醇發(fā)酵：※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。A、乙醇發(fā)酵★當發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產生的乙醛不能作為正常受氫體，結果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經-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NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+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）②細菌的乙醇發(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2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運動發(fā)酵單胞菌等途徑：ED利用Z.mobilis等細菌生產酒精優(yōu)點：代謝速率高；產物轉化率高；菌體生成少代謝副產物少；發(fā)酵溫度高；缺點：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低☆酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵

~脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產生乙醇，總反應式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

☆細菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產生乙醇，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP☆細菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產生乙醇、乳酸等，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇發(fā)酵：產物中僅有乙醇一種有機物分子的酒精發(fā)酵異型乙醇發(fā)酵：除主產物乙醇外，還存在有其它有機物分子的發(fā)酵B、乳酸發(fā)酵乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應的可發(fā)酵的糖產生乳酸，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EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經HMP途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經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①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP

2ADPLactococcus

lactisLactobacillusplantarum②異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2磷酸戊糖酮解途徑PK磷酸己糖解酮途徑HK

2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途徑同EMP乙酸激酶③雙歧發(fā)酵C、混合酸發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產物，由于代謝產物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA

甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.2產氣產酸D、2,3-丁二醇發(fā)酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA

甲酸乙醇乙酰乳酸二乙酰3-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：EMP概念:是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化過程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途徑：EMP,TCA循環(huán)特點：必須指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不與氧的還原作用直接偶聯(lián)，而是底物在氧化過程中釋放的電子先通過電子傳遞鏈（由各種電子傳遞體，如NAD,FAD,輔酶Q和各種細胞色素組成）最后才傳遞到氧。2.1.2.2有氧呼吸★★★由此可見，TCA循環(huán)與電子傳遞是有氧呼吸中兩個主要的產能環(huán)節(jié)。A、電子傳遞與氧化呼吸鏈定義：由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應發(fā)生偶聯(lián)，就可產生ATP形式的能量。部位：原核生物發(fā)生在細胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內膜上成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN、CoQ、細胞色素b、c1、

c、a、a３和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢大小排列，電子傳遞次序如下：MH2→→

→

NAD FMN C0Q b(-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸鏈中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，電子的傳遞方向是：NADH O2上式表明還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對，都具有高的轉移勢能，它推動電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉移到分子氧。電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。典型的呼吸鏈NAD：含有它的酶能從底物上移出一個質子和兩個電子，成為還原態(tài)NDAH+H+。FAD和FMN：黃素蛋白的輔基，鐵硫蛋白（Fe-S）：傳遞電子的氧化還原載體輔基為分子中的含鐵硫的中心部分。存在于呼吸鏈中幾種酶復合體中，參與膜上的電子傳遞。在固氮、亞硫酸還原、亞硝酸還原、光合作用、分子氫的激活和釋放以及鏈烷的氧化作用中也有作用。在呼吸鏈的“2Fe+2S”中心每次僅能傳遞一個電子。泛醌（輔酶Q）：脂溶性氫載體。廣泛存在于真核生物線粒體內膜和革蘭氏陰性細菌的細胞膜上；革蘭