微生物代謝教學(xué)

1、關(guān)于微生物代謝教學(xué)第1頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三代謝概論代謝（metabolism）：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子(有機(jī)物)分解代謝合成代謝簡單小分子ATPH第2頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三第一節(jié) 微生物的代能量謝一切生命活動都是耗能反應(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)換成對一切生命活動都能使用的通用能源-ATP.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

2、生物通用能源（ATP）第3頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三一 生物氧化 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.生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種.生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H和產(chǎn)小分子中間代謝物.第4頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三（一）、底物脫氫的四條主要途徑EMP途徑，又稱糖酵解途徑HMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑ED途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑TCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)第5頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三1、葡萄糖的 酵解作用 ( 又稱：Emb

3、den -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第6頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三磷酸果糖激酶EMP途徑的關(guān)鍵酶，在生物中有此酶就意味著存在EMP途徑需要ATP和Mg+在活細(xì)胞內(nèi)催化的反應(yīng)是不可逆的反應(yīng)第7頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脫氫酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸變位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮

4、酸(PEP)(丙酮酸激酶)4、脫氫氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化第8頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三2、HMP途徑葡萄糖 ATP ADP 6-磷酸葡萄糖 NAD(P)+ NAD(P)H+H+ 6-磷酸-葡萄糖酸 NAD(P)+ NAD(P)H+H+CO2 5-磷酸-核酮糖5-磷酸-木酮糖 5-磷酸-核酮糖 5-磷酸-核糖 5-磷酸-木酮糖+ 5-磷酸-核糖 TK 6-磷酸-景天庚酮糖+3-磷酸-甘油醛 TA 6-磷酸-果糖+4-磷酸-赤蘚糖 4-磷酸-赤蘚糖+ 5-磷酸-木酮糖 TK 6-磷酸-果糖+3-磷酸-甘油醛注：TK為轉(zhuǎn)羥乙醛酶 TA為轉(zhuǎn)二羥丙酮基酶第

5、9頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三HMP途徑降解葡萄糖的三個階段HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑1. 葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO22. 核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸第10頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三HMP途徑的總反應(yīng) 耗能階段C6 2C3 產(chǎn)能階段 4 ATP 2ATP2C3 2 丙酮酸 2N

6、ADH2C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2H+2ATP+2H2O 第11頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三HMP途徑的總反應(yīng)6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi第12頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三HMP途徑的生理意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸產(chǎn)生大量的NADPH2，一方面參與脂肪酸、固醇等細(xì)胞物質(zhì)的合成，另一方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成在反應(yīng)中存在3-7碳糖，使具有該途徑

7、的微生物的碳源譜更廣泛通過該途徑可產(chǎn)生許多發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等第13頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三3、Pk途徑Pk途徑又稱磷酸解酮酶途徑，它們催化的反應(yīng)分別為： 5-磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸） 磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶） 乙酰磷酸 磷酸甘油醛（磷酸-4-赤蘚糖） 乙酸 丙酮酸 與HMP途徑相連 乳酸許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式第14頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三4、ED途徑 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖酸 激酶 （與EMP途徑連接） 氧

8、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(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵 第15頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三ED途徑的總反應(yīng) ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6ATP 2乙醇 (有氧時經(jīng)過呼吸鏈) （無氧時進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）第16頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三ED途徑的特點(diǎn)ED途徑的特征反應(yīng)是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

9、征酶是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛縮酶ED途徑中的兩分子丙酮酸來歷不同，一分子由2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解產(chǎn)生，另一分子由磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來1摩爾葡萄糖經(jīng)ED途徑僅產(chǎn)生1摩爾ATP此途徑主要存在與Pseudomonas,好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進(jìn)行乙醇發(fā)酵第17頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生根據(jù)葡萄糖脫氫后，遞氫過程，尤其是受氫體的不同，生物氧化可分為下列三種類型：生物氧化反應(yīng)發(fā)酵呼吸有氧呼吸厭氧呼吸第18頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三1. 呼吸作用呼吸作用

10、與發(fā)酵作用的根本區(qū)別： 電子載體不是將電子直接傳遞給底物降 解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐 步釋放出能量后再交給最終電子受體。第19頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三(1) 有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸發(fā)酵有氧無氧各種發(fā)酵產(chǎn)物三羧酸循環(huán)被徹底氧化生成CO2和水,釋放大量能量.第20頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三二、異養(yǎng)微生物的生物氧化 有氧呼吸： 電子傳遞鏈 氧分子最終電子受體第21頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三（2）無氧呼吸概念：一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個別為有機(jī)氧化物）的生物氧化，是一

11、種無氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧,而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機(jī)物,或延胡索酸（fumarate）等有機(jī)物.第22頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體,所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多.無氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體,并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用,也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。第23頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三無氧呼吸（anaerobic respiration）無氧呼吸的類型 硝酸鹽呼吸：NO3- NO2-, NO,

12、 N2 無機(jī)鹽呼吸 硫酸鹽呼吸：SO42- SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S 硫 呼 吸： S0 S-2 碳酸鹽呼吸 CO2,HCO3- CH3COOH CO2, HCO3- CH4 延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸第24頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三3. 發(fā)酵(fermentation) 有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物,同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。 有機(jī)化合物只是部分地被氧化,因此,只釋放出一小部分的能量。 發(fā)酵過程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的.被還原的有機(jī)物來自于初始發(fā)酵的分解代謝,即不需要外界提供電子受體。

13、第25頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三常見的發(fā)酵種類： 由EMP途徑中的丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵 乙醇發(fā)酵，同型乳酸發(fā)酵，丙酸發(fā)酵， 2,3-丁二醇發(fā)酵， 混合酸發(fā)酵，丁酸型發(fā)酵 通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵通過ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵細(xì)菌的酒精發(fā)酵（異型酒精發(fā)酵）第26頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三酒精（乙醇）發(fā)酵酵母菌（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(Leuconost

14、oc mesenteroides)的乙醇發(fā)酵 通過WD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同型酒精發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機(jī)物分子的酒精發(fā)酵異型乳酸發(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)酵第27頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：通過EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：通過HMP(PK)途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機(jī)化合物的發(fā)酵第28頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三異型乳酸發(fā)酵途徑2葡萄糖 2ATP 2ADP果糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 轉(zhuǎn)醛酶 磷酸解酮酶 轉(zhuǎn)

15、酮酶 赤蘚糖-4-磷酸 乙酰磷酸 ADP 木酮糖-5-磷酸 ATP 乙酸 第29頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三異型乳酸(乙醇)發(fā)酵途徑5-磷酸-木酮糖 磷酸(戊糖)解酮酶 乙酰磷酸 3-磷酸甘油醛 ADP Pi+2ADP 2ATP 乙酰CoA 磷酸激酶 NADH2 ATP 乙醛 乙酸 NADH2 NADH2 乙醇 乳酸第30頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三混合酸發(fā)酵概念：通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：磷酸烯醇式丙酮酸 草酰

16、乙酸 2丙酮酸 乳酸甲酸裂解酶 乙酰CoA 甲酸 甲酸氫解酶 乙酰-P CO2+H2 乙酸+ATP第31頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三 4、電子傳遞與氧化呼吸鏈電子傳遞1、部位：電子傳遞鏈在真核細(xì)胞發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，在原核細(xì)胞發(fā)生在質(zhì)膜上。2、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(xì)胞色素b 、c 1 c a a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：第32頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三第33頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)

17、20分，星期三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，電子的傳遞方向是從NADH 。第34頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三 上述反應(yīng)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(zhuǎn)移勢能，它推動電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉(zhuǎn)移到分子氧。 電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程又稱為氧化呼吸鏈。第35頁，

18、共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三第36頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三細(xì)胞色素類 細(xì)胞色素類是含F(xiàn)e電子傳遞體。鐵原子處于卟啉的結(jié)構(gòu)中心，構(gòu)成血紅素。細(xì)胞色素以血紅素作為輔基。 線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細(xì)胞色素，稱為細(xì)胞色素b ，c c a a3 。細(xì)胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。 細(xì)胞色素a a3以復(fù)合物形式存在，稱為細(xì)胞色素氧化酶。細(xì)胞色素a a3含有兩個必需的銅原子。由還原型a3將電子直接傳遞給分子氧。 電子從CQ傳到b c c1 ，F(xiàn)e-S旦白, a a3 。第37頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20

19、分，星期三三能量轉(zhuǎn)換1、光合磷酸化（photophosphorylation）光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程： 當(dāng)一個葉綠素分子吸收光量子時,葉綠素性質(zhì)上即被激活,導(dǎo)致其釋放一個電子而被氧化,釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過程中逐步釋放能量,這就是光合磷酸化的基本動力。光合磷酸化和氧化磷酸化一樣都是通過電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生ATP第38頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三（1）環(huán)式光合磷酸化光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP不是利用H2O,而是利用還原態(tài)的H2 、 H2S等作為還原CO2的氫供體,進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用第39頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分

20、，星期三非環(huán)式光合磷酸化的反應(yīng)式：2NADP+2ADP2Pi2H2O 2NADPH2H+2ATPO2（2）非環(huán)式光合磷酸化產(chǎn)氧型光合作用(綠色植物、藍(lán)細(xì)菌)第40頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三總結(jié)化能營養(yǎng)型光能營養(yǎng)型底物水平磷酸化氧化磷酸化通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存于ATP中第41頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三第二節(jié) 微生物初級代謝與次級代謝初級代謝： 微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì),通過分解代謝和合成代謝,生成維持生命活動所必需的物質(zhì)和能量的過程,稱為初級代謝。第42頁，共46頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)20分，星期三次級代謝： 某些生物為了避