【教学课件】第5章微生物的代谢.ppt
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1、第五章第五章 微生物的代谢微生物的代谢新陈代谢一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。分解代谢合成代谢分解代谢(catabolism)分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质,并在这个过程中产生能量。一般可将分解代谢分为三个阶段:寺地蛋白质多糖脂类氨基酸单糖甘油,脂肪酸丙酮酸/乙酰辅酶ACO2,H20,能量(三羧酸循环)合成代谢(anabolism)指在合成代谢酶系的催化下,由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。寺地生物小
2、分子合成生物大分子 合成代谢 (同化)耗能 物质新陈代谢 能量代谢 代谢 产能 分解代谢 (异化)生物大分子分解为生物小分子 代谢旺盛代谢旺盛代谢多样化代谢多样化代谢需严格调节代谢需严格调节,且具有灵活性且具有灵活性复杂分子复杂分子(有机物)(有机物)分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPH微生物新陈代谢的特点微生物新陈代谢的特点:第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务:把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。有机物(化能异养菌)最初能源 日 光(光能自养菌)通用能源 无机物(化能自养菌)生物氧化作
3、用:细胞内代谢物以氧化作用释放(产生)能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量,分段释放,并以高能键形式贮藏在ATP分子内,供需时使用。生物氧化的方式:和氧的直接化合:C6H12O6+6O26CO2+6H2O失去电子:Fe2+Fe3+e化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2自养微生物利用自养微生物利用无机物无机物异养微生物利用异养微生物利用有机物有机物生物生物氧化氧化能能量量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物(如储存在高能化合物(如ATP)中)中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中能量的去处生物氧化的功能:生物氧化的功能:产能产能(AT
4、P)产还原力【产还原力【H】小分子中间代谢物小分子中间代谢物生物氧化的过程生物氧化的过程一般包括三个环节:底物脱氢脱氢(或脱电子)作用(该底物称作电子供体或供氢体)氢氢(或电子)的传递递(需中间传递体,如NAD、FAD等)最后氢受体接受氢受氢(或电子)(最终电子受体或最终氢受体)生物氧化的形式:生物氧化的形式:某物质与氧结合、脱氢和失去电子某物质与氧结合、脱氢和失去电子3 3种。种。生物氧化的过程:生物氧化的过程:脱氢脱氢(或电子)(或电子)、递氢、递氢(或电子)(或电子)和受氢和受氢(或电子)(或电子)生物氧化的功能:生物氧化的功能:产能(产能(ATPATP)、产还原力、产小分子中间代谢物)
5、、产还原力、产小分子中间代谢物生物氧化的类型:生物氧化的类型:发酵、呼吸(有氧呼吸和无氧呼吸)发酵、呼吸(有氧呼吸和无氧呼吸)总总 结结底物脱氢的途径1、EMP(己糖双磷酸降解或糖酵解)途径2、HMP(己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环)途径3、ED(2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸)途径4、TCA(三羧酸循环)(1)EMP途径EMP途径关键步骤途径关键步骤1.葡萄糖磷酸化葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖二磷酸果糖(耗能耗能)2.1.6二磷酸果糖二磷酸果糖2分子分子3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸总反应式总反应式:葡萄糖葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸丙酮酸+2NAD
6、H2+2ATP CoA 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 乙酰乙酰CoA,进入进入TCA磷酸果糖激酶EMP途径的关键酶,在生物中有此酶就意味着存途径的关键酶,在生物中有此酶就意味着存在在EMP途径途径需要需要ATP和和Mg+在活细胞内催化的反应是不可逆的反应在活细胞内催化的反应是不可逆的反应(2)HMP途径(戊糖磷酸途径)(HexoseMonophophatePathway)6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi总反应式:HMPHMP途径:途径:葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸后,磷酸葡萄糖酸后,在
7、在6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸脱氢酶脱氢酶的催化下,的催化下,裂解成裂解成5-5-磷酸戊糖磷酸戊糖和和COCO2 2。由六个葡萄糖分子由六个葡萄糖分子参加反应,经一系参加反应,经一系列反应,最后回收列反应,最后回收五个葡萄糖分子,五个葡萄糖分子,消耗了消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖(彻底氧化成(彻底氧化成COCO2 2 和和水水6-P-G脱氢酶脱氢酶内脂酶内脂酶6-P-G酸脱氢酶酸脱氢酶HMP途径的重要意义p为核苷酸和核酸的生物合成提供为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖戊糖-磷酸磷酸。p产产生生大大量量NADPH2,一一方方面面为为脂脂肪肪酸酸、固固醇醇等等物物质质的的合合成成提提供供还原
8、力,另方面可通过呼吸链产生大量的能量。还原力,另方面可通过呼吸链产生大量的能量。p与与EMP途途径径在在果果糖糖-1,6-二二磷磷酸酸和和甘甘油油醛醛-3-磷磷酸酸处处连连接接,可可以以调剂戊糖供需关系。调剂戊糖供需关系。p途途径径中中的的赤赤藓藓糖糖、景景天天庚庚酮酮糖糖等等可可用用于于芳芳香香族族氨氨基基酸酸合合成成、碱碱基合成及多糖合成。基合成及多糖合成。p途途径径中中存存在在37碳碳的的糖糖,使使具具有有该该途途径径微微生生物物的的所所能能利利用用利利用用的的碳源谱更为更为广泛。碳源谱更为更为广泛。p通通过过该该途途径径可可产产生生许许多多种种重重要要的的发发酵酵产产物物。如如核核苷苷
9、酸酸、若若干干氨氨基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)等。基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)等。又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸(磷酸葡糖酸(KDPG)裂解途径。裂解途径。1952年在嗜糖假单孢菌年在嗜糖假单孢菌中发现,后来证明存在于一些中发现,后来证明存在于一些细菌中(革兰氏阴性菌中分布较广)。细菌中(革兰氏阴性菌中分布较广)。ED途径,是少数缺乏完整途径,是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种途径的微生物的一种替代途径,存在替代途径,存在ED途径得微生物很少见途径得微生物很少见.主要是一些主要是一些假单胞菌假单胞菌(3)ED途径关键反应:关键反应:2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡
10、萄糖酸的裂解磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶:催化的酶:6-磷酸脱水酶,磷酸脱水酶,KDPG醛缩酶醛缩酶相关的发酵生产:细菌酒精发酵相关的发酵生产:细菌酒精发酵优点:代谢速率高,产物转化率高,菌体生成少,优点:代谢速率高,产物转化率高,菌体生成少,代谢副产物少,发酵温度较高,不必定期供氧。代谢副产物少,发酵温度较高,不必定期供氧。缺点:缺点:pH5,较易染菌;细菌对乙醇耐受力低,较易染菌;细菌对乙醇耐受力低ATP有氧时经呼吸链有氧时经呼吸链 6ATP 无氧时进行发酵无氧时进行发酵2乙醇乙醇1ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸丙酮酸 ATPC6H12O6KDPGED途径的总反应途径的总反应由
11、表可见,在微生物细胞中,有的同时存在多条途径来降解葡萄糖,有的只有一种。在某一具体条件下,拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢,对发酵产物影响很大。一、化能异养微生物的生物氧化发酵呼吸根据氧化还原反应中的电子传递体的不同分为:有氧呼吸无氧呼吸 呼吸作用和发酵作用的区别:电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物,而是交给电子传递系统,逐步释放出能量再交给最终电子受体。呼吸作用微生物在降解底物的过程中,将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体,再经电子传递系统传给外源电子受体,从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程。根据反应中氢受体不同分为两种类型:有氧呼吸:以
12、分子氧作为最终电子受体无氧呼吸:以氧化型化合物作为最终电子受体以分子氧为最终受体的生物氧化C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O1、有氧呼吸(aerobicrespiration)发酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸三羧循环和电子传递链是主要的产能环节电子传递递氢体递氢体-H2还原态细胞色素-H2氧化态细胞色素1/2O2H2O脱氢酶氧化酶2H+NADFADQ细胞色素bca1a3基质-H2基质有氧呼吸特点基质氧化彻底生成CO2和H2O,(少数氧化不彻底,生成小分子量的有机物,如醋酸发酵)。E系完全,分脱氢E和氧化E两种E系。产能量多,一分子G净产38个ATP2、无氧呼吸一类呼吸链末端的氢
13、受体为外源无机氧化物(个别为有机氧化物)的生物氧化,是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。无氧呼吸的类型:无氧呼吸的类型:硝酸盐呼吸:硝酸盐呼吸:NO3-NO2-,NO,N2 硫酸盐呼吸:硫酸盐呼吸:SO42-SO32-,S3O62-,S2O32无机盐呼吸无机盐呼吸 H2S 硫呼吸:硫呼吸:S0 S-2 碳酸盐呼吸:碳酸盐呼吸:CO2,HCO3-CH3COOH CO2,HCO3-CH4 延胡索酸呼吸:延胡索酸延胡索酸呼吸:延胡索酸 琥珀酸琥珀酸硝酸盐呼吸(反硝化作用)NON2亚硝酸还原细菌2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH3基质-H2基质辅酶辅酶-H2脱氢酶NO2
14、-NO3-硝酸盐还原细菌一系列酶硫酸盐呼吸(反硫化作用)有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌,以有机物为氧化基质(H2或有机物,大部分不能利用G)使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸,并脱下8个H,使硫酸盐还原为H2S。SO428H4H2OS2碳酸盐呼吸(甲烷生成作用)甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中,把CO2还原成甲烷,这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。CO2+4H2CH4+2H2O+ATP在生物氧化中发酵是指无氧条件下,底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。3、发酵、发酵在发酵工业上,发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产
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