細(xì)菌新陳代謝

關(guān)于細(xì)菌新陳代謝第四章細(xì)菌的新陳代謝新陳代謝（代謝，metabolism）：是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的一切化學(xué)反應(yīng)的總稱。根據(jù)不同的分類依據(jù)，代謝分為：能量代謝

物質(zhì)代謝；合成代謝（anabolism）

分解代謝（catabolism）；初級代謝（primarymetabolism）

次級代謝（secondarymetabolism）酶（enzyme）：是一種具有催化活性的蛋白質(zhì)，它具有高度的專一性，即一種酶只能催化一種或一類反應(yīng)。絕大多數(shù)的代謝都是酶催化的化學(xué)反應(yīng)。第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換為一切生命活動(dòng)的通用能源------ATP第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝最初能源有機(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)微生物氧化型還原型氧化型還原型葉綠素、菌綠素、視紫紅質(zhì)捕獲通用能源（ATP）功（化學(xué)功、運(yùn)輸功、機(jī)械功）第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝生物氧化：發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）底物水平磷酸化：是指物質(zhì)在脫氫或脫水過程中，產(chǎn)生高能代謝物并直接將高能代謝物中能量轉(zhuǎn)移到ADP(GDP)生成ATP(GTP)的過程氧化磷酸化：在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ATP的生成，95%的ATP來自這種方式有機(jī)物的生物氧化能量微生物直接利用儲(chǔ)存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中異養(yǎng)型微生物以有機(jī)物的生物氧化獲得能量，根據(jù)最終電子受體性質(zhì)的不同，細(xì)菌的產(chǎn)能方式分為發(fā)酵、有氧呼吸和無氧呼吸。細(xì)菌合成ATP的途徑主要為底物水平磷酸化和氧化磷酸化。第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、葡萄糖的分解代謝第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝1.EMP途徑，又稱糖酵解途徑（Embden-Mdyerhof）2.HMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑（Hexosemonophosphatepathway）3.ED途徑（Entner-Doudoroff）4.TCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)（Tricarboxylicacidcycle）第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

1.EMP途徑（糖酵解途徑）葡萄糖經(jīng)九步反應(yīng)生成丙酮酸的過程。

有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；無氧：還原代謝產(chǎn)物，厭氧菌唯一的產(chǎn)能途徑產(chǎn)能反應(yīng)（底物水平磷酸化）：

1，3二磷酸甘油酸3-P-甘油酸+ATP

磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）

丙酮酸+ATP絕大多數(shù)細(xì)菌存在EMP途徑，其產(chǎn)能低，但生理功能重要總反應(yīng)式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH+2ATP

第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

EMP途徑（糖酵解途徑）的生理功能

1.供應(yīng)ATP形式的能量和NADH。2.連接其它幾個(gè)重要代謝途徑的橋梁，包括TCA、HMP、ED等3.為生物合成提供多種中間代謝產(chǎn)物；4.通過逆向反應(yīng)可進(jìn)行多糖合成。第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

2.HMP途徑（磷酸戊糖途徑）葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH形式的還原力及多種中間代謝產(chǎn)物，但不產(chǎn)生ATP?？偡磻?yīng)式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi分為兩個(gè)階段：6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下生成NADPH，CO2和5-磷酸核酮糖5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下，部分碳鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，進(jìn)入EMP途徑第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

HMP途徑（磷酸戊糖途徑）的生理功能：為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸產(chǎn)生大量的NADPH，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)生大量的能量產(chǎn)生多種重要的中間物，其中四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成，5-磷酸核糖用于核苷酸和組氨酸的合成。HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑，具有該途徑的微生物的碳源譜更廣泛

第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

3.ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。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途徑的細(xì)菌的一種替代途徑。特點(diǎn)：特征反應(yīng)是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛縮酶催化的KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛；ED途徑中的兩分子丙酮酸：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。第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

4.TCA（三羧酸循環(huán)）

又稱檸檬酸循環(huán)，Krebs循環(huán)，有氧條件下將糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA,乙酰CoA經(jīng)一系列氧化、脫羧，最終生成CO2和H2O并產(chǎn)生能量的過程。特點(diǎn)：1）氧雖不直接參與反應(yīng)，但必須在有氧條件下進(jìn)行（NAD和FAD再生時(shí)需氧）；2）每分子丙酮酸可產(chǎn)4分子NADH、1分子FADH2、1分子GTP，共相當(dāng)于15分子ATP，產(chǎn)能效率極高。檸檬酸異檸檬酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸蘋果酸延胡索酸草酰乙酸丙酮酸乙酰CoA第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝

TCA（三羧酸循環(huán)）的生理功能：為糖、脂類、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化的中心樞紐；循環(huán)中的中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；生物體提供能量的主要代謝途徑。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天5.電子傳遞鏈（氧化呼吸鏈——氧化水平磷酸化）電子從供體NADH和FADH轉(zhuǎn)移到電子受體O2第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝電子傳遞鏈載體：NADH脫氫酶、黃素蛋白、輔酶Q（CoQ）、鐵-硫蛋白及細(xì)胞色素類蛋白；在細(xì)胞膜上以4個(gè)載體復(fù)合物的形式從低氧化還原勢的化合物到高氧化還原勢的分子氧或其他無機(jī)、有機(jī)氧化物逐級排列。NADH脫氫酶復(fù)合體琥珀酸脫氫酶復(fù)合體細(xì)胞色素還原酶復(fù)合體細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體ATP合成酶復(fù)合體第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝無氧呼吸：產(chǎn)生2分子ATP有氧呼吸：共產(chǎn)生38分子ATP？糖酵解：底物水平磷酸化——2ATP

產(chǎn)生2NADH經(jīng)氧化磷酸化——6ATPTCA循環(huán)：底物水平磷酸化——2ATP

產(chǎn)生8NADH經(jīng)氧化磷酸化——24ATP

產(chǎn)生2FADH2經(jīng)氧化磷酸化——4ATPcorrigendumNADH和FADH2的P/O值更接近于2.5和1.5，因此有氧呼吸1分子葡萄糖產(chǎn)生的ATP約為30個(gè)第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)：由異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶催化的反應(yīng)，繞過了TCA循環(huán)從異檸檬酸到蘋果酸之間的5步反應(yīng)。乙醛酸循環(huán)的生理功能：以乙酰CoA為起始物合成三羧酸循環(huán)中的二羧酸與三羧酸，作為三羧酸循環(huán)上化合物的補(bǔ)充；脂肪轉(zhuǎn)變?yōu)樘鞘峭ㄟ^乙醛酸循環(huán)途徑進(jìn)行的。2分子乙酰輔酶A合成1分子蘋果酸，氧化變成草酰乙酸后，脫羧生成丙酮酸經(jīng)糖異生途徑可合成糖。第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝其它糖類代謝半乳糖1-磷酸半乳糖UDP-半乳糖UDP-葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原或淀粉6-磷酸葡萄糖糖酵解蔗糖葡萄糖果糖6-磷酸果糖半乳糖1-磷酸半乳糖UDP-半乳糖UDP-葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原或淀粉6-磷酸葡萄糖果糖6-磷酸果糖多糖經(jīng)多糖水解酶（淀粉酶等）水解為單糖或二糖后被細(xì)菌吸收利用第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天脂肪烴類的分解二、脂肪酸的分解1.脂肪酸的活化：脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)橹oA第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝2.β-氧化途徑：生成乙酰CoA并產(chǎn)生大量能量（1分子脂酰CoA經(jīng)β-氧化產(chǎn)生17分子ATP）第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天脂肪烴類的分解第一節(jié)細(xì)菌的能量代謝三、蛋白質(zhì)的分解細(xì)菌分解蛋白質(zhì)的酶有兩類，一類為蛋白酶（胞外酶），另一類為肽酶（胞內(nèi)酶），前者將蛋白質(zhì)分解為多肽和二肽。肽類可進(jìn)入胞內(nèi)，肽酶將其水解為游離的氨基酸，供菌體利用。微生物對氨基酸主要為脫氨作用和脫羧作用，微生物分解氨基酸的能力因菌種而異。第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)微生物的合成代謝微生物合成代謝需要能量（如ATP）、還原力（NADH、NADPH）和外界吸收的小分子物質(zhì)或分解代謝的中間代謝產(chǎn)物的參與，最終合成生物大分子。合成代謝是耗能的過程，細(xì)胞內(nèi)絕大多數(shù)的ATP都用于蛋白質(zhì)、脂類、核酸等大分子的合成。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)微生物的合成代謝合成代謝的三要素：能量、還原力和小分子碳架化合物第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、脂肪酸的合成飽和脂肪酸的合成分兩個(gè)階段：第二節(jié)微生物的合成代謝脂肪酸合成的初始階段需要以短的脂酰CoA作為引物，合成丙二酰-CoA。生物素作為乙酰-CoA的輔基，參與脂肪酸的合成1.丙二酰-CoA的合成第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)微生物的合成代謝2.多酶復(fù)合體參與的脂肪酸合成?；d體蛋白（acylcarrierprotein，ACP）：一種攜帶脂?；牡鞍踪|(zhì)，將脂?；虚g體固定在酶上。多酶復(fù)合體：圍繞在ACP周圍，包括ACP?；D(zhuǎn)移酶、β-酮脂酰-ACP合成酶、丙二酰-ACP-轉(zhuǎn)移酶等丙二酰-ACP乙酰乙酰-ACP巴豆酰-ACPβ-羥丁酰-ACP第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

氨基酸（aminoacid）：含有氨基和羧基的一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，是生物功能大分子蛋白質(zhì)的基本組成單位，是維持基本生命活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。第二節(jié)微生物的合成代謝二、氨基酸的生物合成第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天氨基酸的生理功能人體構(gòu)成基本物質(zhì)之一：蛋白質(zhì)的基本組成單位生命代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)：缺乏必需氨基酸，導(dǎo)致生理功能異常，影響機(jī)體代謝的正常進(jìn)行，某些非必需氨基酸缺乏，會(huì)產(chǎn)生機(jī)體代謝障礙；生成其它重要代謝物，參與機(jī)體生命活動(dòng)：

①合成組織蛋白質(zhì)；

②生成酸、激素、抗體、肌酸等含氨物質(zhì)；

③生成碳水化合物和脂肪；

④氧化成二氧化碳和水及尿素，產(chǎn)生能量。第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)氨基酸對人體健康和營養(yǎng)的作用，將氨基酸分為必需氨基酸、功能性氨基酸和二肽三類：必需氨基酸：營養(yǎng)健康所必需的，人體自身不能合成或合成速度不能滿足人體需要；功能氨基酸：能夠促進(jìn)人體生理功能；二肽：一些不穩(wěn)定或溶解度較低的氨基酸的結(jié)構(gòu)替代物MitsuhashiS.Currenttopicsinthebiotechnologicalproductionofessentialaminoacids,functionalaminoacids,anddipeptides.CurrentOpinioninBiotechnology,2014,26C(6Suppl):38-44.第二節(jié)微生物的合成代謝第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成1.氨基酸分子中各基團(tuán)的來源：①氨的來源：a.外界環(huán)境吸收，b.胞內(nèi)含氮化合物，c.生物固氮，d.由NO3-還原②硫的來源：

a.外界環(huán)境吸收，b.胞內(nèi)含硫化合物，c.胞內(nèi)同化型還原SO42-③碳架結(jié)構(gòu)的來源：來源于糖代謝的中間產(chǎn)物

第二節(jié)微生物的合成代謝第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)微生物的合成代謝氨基酸的碳骨架來源第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成第二節(jié)微生物的合成代謝根據(jù)氨基供體來源不同，氨基酸的合成途徑主要分為：氨基化作用：α-酮酸與氨反應(yīng)生成氨基酸（初生氨基酸），如谷氨酸、天冬氨酸的合成轉(zhuǎn)氨基作用：在轉(zhuǎn)氨酶的催化作用下，一種氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移給酮酸，生成新的氨基酸，轉(zhuǎn)氨酶的輔酶是磷酸吡哆醛，如支鏈氨基酸、芳香族氨基酸、天冬氨酸族氨基酸及組氨酸的合成由初生氨基酸合成次生氨基酸：由初生氨基酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用或以初生氨基酸為前體合成的氨基酸，如脯氨酸、瓜氨酸和精氨酸是由谷氨酸合成的次生氨基酸第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成天冬氨酸族氨基酸的生物合成途徑第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成芳香族氨基酸的生物合成途徑代謝途徑長，由DAHP經(jīng)12步合成色氨酸，分支途徑多色氨酸操縱子受到嚴(yán)格的反饋抑制和反饋?zhàn)瓒粽{(diào)節(jié)合成所需的前體物參與細(xì)胞重要的生長代謝過程：PEP、E4P、Gln、Ser和PRPP高ATP消耗：色氨酸為合成消耗ATP最高的氨基酸（1:13）色氨酸酪氨酸苯丙氨酸第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成支鏈氨基酸的生物合成途徑代謝途徑交錯(cuò)偶聯(lián)：異亮氨酸與纈氨酸有四個(gè)共用酶，亮氨酸從纈氨酸合成中間物分支分支途徑多：Lys，Met，Thr等副產(chǎn)物難控制調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜：關(guān)鍵酶受多種氨基酸的反饋抑制調(diào)節(jié)高NADPH消耗：合成1分子異亮氨酸需3分子NADPH纈氨酸異亮氨酸亮氨酸第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成組氨酸的生物合成途徑經(jīng)戊糖磷酸途徑（HMP）合成前體PRPP代謝途徑長，由PRPP經(jīng)10步反應(yīng)與核苷酸合成途徑競爭前體物質(zhì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜：關(guān)鍵酶受嚴(yán)格的反饋調(diào)節(jié)高能耗的合成過程ATP參與分子骨架合成組氨酸第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天本章重點(diǎn)葡萄糖代謝的主要途徑及其能量合成氧化呼吸鏈的組成和電子傳遞途徑脂肪酸的合成過程氨基酸的合成的碳骨架來源和氨基化過程第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸鏈上各組分的晶體結(jié)構(gòu)ATP是生物體進(jìn)行新陳代謝所必需的，是一切生命活動(dòng)所需能量的直接來源，是細(xì)胞內(nèi)能量傳遞的“分子貨幣”。而由電子傳遞鏈介導(dǎo)的氧化磷酸化是生物體內(nèi)生成ATP的主要途徑。因此，深入研究呼吸鏈上的電子傳遞機(jī)制對理解生物體的生命活動(dòng)至關(guān)重要。這使得對呼吸鏈上各組分晶體結(jié)構(gòu)的解析顯得異常重要。第34頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸鏈上各組分的晶體結(jié)構(gòu)20102012199819981999呼吸鏈上的五大復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)解析均發(fā)在了高水平文章上。第35頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸鏈上各組分的晶體結(jié)構(gòu)呼吸鏈上各組分的晶體結(jié)構(gòu)解析仍然是研究熱點(diǎn)，例如，一篇解析鐵硫蛋白復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的文章于今年6月發(fā)表在了《nature》上。該晶體結(jié)構(gòu)第一次詳細(xì)揭示了金屬蛋白中金屬絡(luò)合物的價(jià)電子分布，提供了電子在呼吸鏈上傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為關(guān)于金屬蛋白的理論研究和實(shí)驗(yàn)工作提供了幫助。Hirano,Y.,Takeda,K.&Miki,K.Charge-densityanalysisofaniron-sulfurproteinatanultra-highresolutionof0.48A.Nature534,281-284,doi:10.1038/nature18001(2016).第36頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Furtherreadings1.Hendrickson,W.A.Stereochemicallyrestrainedrefinementofmacromolecularstructures.MethodsEnzymol.115,252–270(1985).2.Wlodawer,A.,Minor,W.,Dauter,Z.&Jaskolski,M.Proteincrystallographyforaspiringcrystallographersorhowtoavoidpitfallsandtrapsinmacromolecularstructuredetermination.FEBSJ.280,5705–5736(2013).3.Rokob,T.A.,Srnec,M.&Rulí?ek,L.Theoreticalcalculationsofphysicochemicalandspectroscopicpropertiesofbioinorganicsystems:currentlimitsandperspectives.DaltonTrans.41,5754–5768(2012).4.Nogi,T.,Fathir,I.,Kobayashi,M.,Nozawa,T.&Mik