Transcript 第6章微生物的新陈代谢
第六章 微生物的代谢 新陈代谢：是指发生在活细胞中的各种分 解代谢和合成代谢的总和。 分解代谢：在分解代谢酶系的催化下，将复 杂的有机分子分解为简单小分子、能量(ATP) 及还原力[H]的过程。 合成代谢: 在合成酶系的催化下，由简单的 小分子、ATP和还原力[H]一起合成复杂的 生物的大分子的过程。 复杂分子 (有机物) 分解代谢酶系 合成代谢酶系 简单分子+ATP+[H] 第一节 微生物的能量代谢 能量代谢是新陈代谢的核心内容 是生物体如何把环境中多种形式的最初能源转换成为 对一切生命活动都能使用的通用能源(ATP)。 知识结构 脱氢：EMP、HMP、ED、TCA 化能异养 微生物 有氧呼吸：氧化磷酸化、 递氢 能 量 代 谢 受氢 化能自养 微生物 光能营养 微生物 底物水平磷酸化 无氧呼吸 发酵：同型、异型 循环式光合磷酸化 非循环式光合磷酸化 一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化(biological oxidation)：发生在活细胞 内的一系列产能性氧化反应的总称。 （一）底物脱氢的4条途径 1. EMP途径（糖酵解途径） 多数生物的主流代谢途径。 以1分子葡萄糖为底物，经过10 步反应产生2 分子丙酮酸、2分子NADH+H+和2分子ATP。 2阶段、3种产物、10 步反应 EMP途径 反应步骤 葡萄糖 葡糖-6-磷酸 EMP途径 ATP ADP 果糖-6-磷酸 a ATP ADP 果糖-1，6- 二磷酸 磷酸二羟丙酮 a :耗能阶段 b :产能阶段 甘油醛-3-磷酸 NAD+ NADH+H+ 1，3-二磷酸甘油酸 ADP 底物水平磷酸化 ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 ADP 底物水平磷酸化 ATP 丙酮酸 b EMP途径的重要意义 ①提供能量和还原力； ②连接其它代谢途径的桥梁； ③提供生物合成的中间产物； ④逆向合成多糖。 2. HMP途径（戊糖磷酸酸途径） 葡萄糖不经过EMP-TCA而被彻底氧化 产生大量NADP+H+及多种重要中间代谢物。 HMP途径的简图和总反应式 CO2 葡萄糖 途 径 分 3 阶 段 5-磷酸-木酮糖 5-磷酸-核酮糖 5-磷酸-核酮糖 5-磷酸-核糖 TCA 丙糖磷酸 己糖磷酸 己糖磷酸 6CO2 HMP途径从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已 糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。 HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中 的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， —磷酸戊糖支路。 HMP途径不经EMP和TCA途径，将葡萄糖彻底氧化 HMP途径的一个循环的最终结果是1分子葡萄糖-6-磷酸 转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH2。 一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供 大量还原力（NADPH）和中间代谢产物；为自养微生物固 定CO2的中介；扩大碳源利用范围；生产中可提供核苷酸、 氨基酸、辅酶和乳酸等发酵产物。 多数微生物、动物、植物存在HMP，常与EMP 同存。 HMP途径的生物学意义 ①供应合成原料 ②产还原力 ③固定二氧化碳的中介 ④扩大碳源利用范围 ⑤连接EMP途径 不是产能途径 3. ED途径 （2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）途径） 微生物所特有 某些缺乏完整EMP途径的微生物的替代途径 葡萄糖只经过4步反应即可快速获得丙酮酸。 ED途径结果： 1分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子 ATP，1分子NADPH2、1分NADH2。 ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在，丙酮酸 有氧进TCA，无氧脱羧为乙醛，进一步还原为乙醇。 ED途径不如EMP途径经济，产能少。 ED途径的特点 特征性反应——KDPG裂解为丙酮酸、3-磷酸甘油醛 特征性酶——KDPG醛缩酶 2分子丙酮酸：由KDPG裂解和3-磷酸甘油醛转化 产能效率低（1 mol ATP/1mol 葡萄糖） ED途径的生物意义 细菌酒精发酵：微好氧菌如运动发酵单胞菌，将ED 途径产生的丙酮酸脱羧成乙醛，乙醛进一步被 NADH2还原为乙醇。通过这种方法产生乙醇即为~。 不同于酵母菌通过EMP途径形成乙醇的机制。 优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代 谢副产物少，发酵温度高，不必定期供氧等。 缺点：生长pH高（细菌pH5，酵母菌pH3），易染菌 对乙醇耐受力低（细菌7％，酵母菌8％～10％） 4. TCA循环 又称Krebs循环、柠檬酸循环。德国学者提出 场所：线粒体基质（真核微生物） 细胞质基质（原核生物） 琥珀酸脱氢酶结合在线粒体膜或细胞膜上 GTP：三磷酸鸟苷 TCA循环的特点 有氧条件下运转：NAD+、FAD再生 产能效率高：1分子丙酮酸产生4NADH2、 1FADH2、1GTP——15ATP 新陈代谢的枢纽地位：为微生物合成提供碳架 原料、应用于发酵生产 应用——味精生产 谷氨酸钠是重要的调味品——味精 葡萄糖为原料，用微生物发酵法大量生产。 谷氨酸由α-酮戍 二酸通过转氨基形成，α-酮戍二 酸是TCA循环的中间体。当TCA循环在α-酮戍二 酸合成后 的下一步反应处受阻时，α-酮戍二酸就 在细胞内大量累积，进而通过转氨作用合成大量 谷氨酸，分泌到细胞外部的发酵液中。 目前谷氨酸发酵生产的菌种为谷氨酸棒杆菌 (Corynebacteriam glatamicum)。 （二)递氢和受氢 葡萄糖等有机物经过4条途径脱氢后，通过呼 吸链（电子传递链）传递，最终可与氧、无机 物、有机物等氢受体相结合而释放出其能量。 生物氧化的3种类型：根据递氢特点及氢受体 性质，分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种。 1. 有氧呼吸（respiration） 有氧呼吸：底物按常规方式脱氢后，经完整的 呼吸链（又称电子传递链）递氢，最终由分子 氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）的过程。 由于呼吸必须在有氧的条件下进行，因此又称 有氧呼吸（aerobic respiration）。 呼吸链：指位于原核生物细胞膜上或真核生物线 粒体上的由一系列氧化还原势不同的氢传递体 （或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它 能把氢和电子从低氧化还原势的化合物处传递给 高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物， 并使它们还原。 在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反 应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。 (P) 呼吸链中电子或氢的传递顺序 NAD(P) →FAD → Fe-S →CoQ →Cyt.b →Cyt.c →Cyt.a →Cyt.a3 微生物中最重要的呼吸链组分 ① NAD：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸， （CoⅠ，辅酶Ⅰ ） NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸， （CoⅡ，辅酶Ⅱ ） ② FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸 FMN：黄素单核苷酸 FAD和FMN是黄素蛋白FP的辅基 ③ 铁硫蛋白（Fe-S） ④ 泛醌（辅酶Q）： ⑤ 细胞色素系统（cyt） 氧化磷酸化：又称电子传递链磷酸化，是指呼吸 链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相 偶联并产生ATP的作用。递氢、受氢即氧化过程 造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子 动势再推动ATP酶合成ATP。 典型的呼吸链呼吸链中有三处能提供合成ATP所 需的足够能量；P/O比的高低表示呼吸链氧化磷 酸化效率的高低。 底物水平磷酸化：物质在生物氧化过程中，常生 成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直 接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能 分子的方式称为底物水平磷酸化 P.Mitchell 的化学渗透学说 氧化磷酸化形成ATP的机制 电子传递链像一个质子泵，电子传递过程中所释 放的能量，可促使质子由线粒体基质移位到线粒 体内膜外膜间空间形成质子电化学梯度，即线粒 体外侧的H+浓度大于内侧并蕴藏了能量。当电子 传递被泵出的质子，在H +浓度梯度的驱动下，通 过ATP合成酶中的特异的H +通道或“孔道”流动 返回线粒体基质时，则由于H +流动返回所释放的 自由能提供ATP合成酶催化ADP与Pi偶联生成ATP。 2. 无氧呼吸（anaerobic respiration） （1）无氧呼吸 又称厌氧呼吸，是指一类呼吸链末端的氢受体 为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生 物氧化，无氧条件下进行的、产能效率较低 （2）特点 底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最 终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化 磷酸化产能反应。 （3）无氧呼吸类型 各种类型无氧呼吸的特点和代表菌种 ① 硝酸盐呼吸（nitrate respiration）又称反硝 化作用（denitrification） ② 硫酸盐呼吸（sulfate respiration） ③ 硫呼吸（sulphur respiration） ④ 铁呼吸（iron respiration） ⑤ 碳酸盐呼吸（carbonate respiration） ⑥ 延胡索酸呼吸（fumarate respiration） 3. 发酵（fementation） 发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱 氢后所产生的还原力[H]未经过呼吸链传递而 直接交给某一内源氧化性中间代谢物的一类低 效产能反应。 工业上的发酵：是指任何利用好氧或厌氧微生 物来生产有用代谢物的一类生产方式。 呼吸作用与发酵作用的比较 相同点： 氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同 的载体结合，形成NADH和FADH。 不同点： NADH和FADH上的电子和氢的去路不同。 消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。 (1)丙酮酸代谢的多样性（丙酮酸的去路） 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 a.同型酒精发酵 酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵的三类型（P177） Ⅰ酒精发酵、Ⅱ酒精发酵、Ⅲ酒精发酵 b. 同型乳酸发酵 c. 丙酸发酵 d. 混合酸发酵 e. 2,3-丁二醇发酵 f. 丁酸型发酵 V.P.实验 ①酵母型酒精发酵 ②同型乳酸发酵 ③丙酸发酵 ④混合酸发酵 ⑤2,3—丁二醇发酵 ⑥丁酸发酵 (2)通过HMP途径的发酵—异型乳酸发酵 ①异型乳酸发酵的“经典”途径 肠膜明串珠菌： 葡萄糖——乳酸、乙醇、CO2、1H2O、1ATP 核糖——乳酸、乙酸、2H2O、2ATP ②异型乳酸发酵的双歧杆菌途径 2葡萄糖——3乙酸、2乳酸、5ATP 同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较 类型 途径 同型 EMP 产物 2乳酸 1乳酸 异型 HMP 1乙醇 1CO2 1乳酸 异型 HMP 1乙酸 1CO2 产能/葡萄糖 菌种代表 2ATP Lactobacillus debruckii 1ATP Leuconostoc mesenteroides 2ATP Lactobacillus brevis （3）通过ED途径进行的发酵 酒精发酵三个类型 ①酵母的“同型酒精发酵”： 酿酒酵母——EMP途径 葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP ②细菌的“异型酒精发酵”： HMP途径 葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP ③细菌的“同型酒精发酵”： 运动发酵单胞菌——ED途径 葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP （4）由氨基酸发酵产能—Stickland反应 1934年，L. H. Stickland 研究厌氧梭菌 氨基酸——碳源、氮源、能源 产能机制：通过部分氨基酸的氧化与另一些氨基 酸的还原相偶联的发酵方式。 Stickland反应:以一种氨基酸作氢供体和以另一 种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型. Stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅 产1个ATP。 （5）发酵中的产能反应 产能效率低：发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌 在无氧条件下的生物氧化，产能机制是氧化磷 酸化。 底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸键的产 物。 二、自养微生物产ATP和产还原力 (一）化能自养微生物（chemoautotrophs） 化能自养微生物还原CO2所需要的ATP和[H]是 通过氧化无机底物(例如，NH4+、NO2-、H2S、 S0、H2和Fe2+等)而获得的。 产能途径——经过呼吸链的氧化磷酸化反应， 化能自养菌一般都是好氧菌 NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和Fe 2+中，除H2的 氧化还原电位低于NAD+/NADH外。 各种无机底物氧化时，必须按其氧化还原势的 位置进入呼吸链。（低→高） 产能效率、生长速率和生长得率均很低 化能自养微生物的能量代谢的特点 ① 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即 由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或 脱电子后，可直接进入呼吸链传递； ② 呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从 任一组分直接进入呼吸链； ③ 产能效率即P/O一般低于化能异养微生物。 硝化细菌（nitrifying bacteria） 广布于各种土壤和水体中的化能自养微生物，在 自然界的氮素循环中起着重要的作用。 亚硝化细菌（氨氧化细菌）：将NH4+氧化为 NO2-并获得能量。Nitrosomonas（亚硝化单胞 菌属） 硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）：将NO2-氧化为 NO3-并获得能量。 Nitrobacter（硝化杆菌属） 氨单加氧酶 羟胺氧化还原酶 亚硝酸氧化酶 这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共 同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝 酸积累所产生的毒害作用。 (二）光能营养微生物（phototrophs） 1.循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation） 光合细菌（photosynthetic bacteria）在光能驱动下通 过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。 特 点： ①电子传递途径属循环方式：在光能的驱动下，电子 从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回 到菌绿素，其间产生了ATP； ②产ATP与产还原力[H]分别进行； ③还原力来自H2S等的无机氢供体； ④不产生氧气。 光合细菌，均是水生的厌氧菌，广布于缺氧的深 层淡水或海水中，分类上为红螺菌目 （Rhodospirillales）。 光合细菌细胞内所含的菌绿素和类胡萝卜素的量 和比例不同，可使菌体呈现出红、橙、蓝绿、紫 红、紫或褐等不同颜色。 可利用有毒的H2S或污水中的有机物（脂肪酸、醇 类等）作还原CO2时的氢供体，用于污水净化； 产生的菌体可作饵料、饲料或食品添加剂等。 2.非循环光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation） 各种绿色植物、藻类和蓝细菌 特 点： ①电子的传递途径属非循环式的； ②在有氧条件下进行； ③有两个光合系统，其中的PSⅠ（含叶绿素a）可以利 用红光， PSⅡ（含叶绿素b）可利用蓝光； ④反应中同时有ATP（产自PSⅡ）、还原力[H]（产自 PSⅠ）和O2（产自PSⅡ）产生； ⑤还原力NADPH2中的[H]是来自H2O分子光解后的H+ 和e- 。