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第五章 微生物的新陈代谢 教学要求(8学时) 1、了解微生物物质代谢与能量代谢、合成代谢与分解代 谢、初生代谢与次生代谢之间的相互区别和联系。 2、掌握微生物能量代谢的基本内容、特点、意义。 3、了解微生物分解代谢的基本内容。 4、掌握分解代谢与合成代谢的联系。 5、了解微生物独特的合成代谢途径。 6、掌握微生物的代谢调节及其在发酵工业中的应用。 Date 1li 第五章 微生物的新陈代谢 新陈代谢:广义是指生物体与外界环境之间物质和能量的交换以及生物 体内物质和能量的转换。它是由合成代谢和分解代谢两个同时进行的过程组 成,无论是合成代谢还是分解代谢都包括物质代谢和能量代谢两个方面的内 容。狭义是指发生在活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。 一、合成代谢和分解代谢 合成代谢:在合成代谢酶系的催化下,由简单小分子物质、ATP形式的 能量、[H]形式的还原力合成自己新的有机物(糖类、脂类、蛋白质、核酸等 ),并贮存能量的过程。(耗能、贮能)。 分解代谢:生物体内的有机物(原有的有机物)通过分解代谢酶系的催 化,分解成水、二氧化碳等简单小分子物质,同时释放能量ATP和还原力[H] 。(耗能、产能)。 Date 2li 第五章 微生物的新陈代谢 合成代谢与分解代谢的关系:合成代谢与分解代谢在生物体中偶联进 行,它们之间既有明显差别,但又紧密相关。分解代谢为合成代谢提供所需 要的能量和原料,而合成代谢则是分解代谢的基础。 二、物质代谢和能量代谢 物质代谢:生物体与内外环境间进行的物质转变与交换。 (合成、分解) 能量代谢:生物体与内外环境间进行的能量转换。 (耗能、贮能、产能) 物质代谢与能量代谢的关系:在物质代谢的过程中伴随着能量代谢的进 行,在物质的分解过程中,伴随着能量的释放,这些能量一部分以热的形式 散失,一部分以高能磷酸键的形式贮存在三磷酸腺苷(ATP)中,用于维持 微生物的生理活动或供合成代谢需要。 Date 3li 第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物的分解代谢 第三节 微生物的合成代谢 第四节 微生物的代谢调节与发酵生产 第五章 微生物的新陈代谢 Date 4li 第五章 微生物的新陈代谢 第一节 微生物的能量代谢 一、化能异养微生物产ATP和还原力 二、自养微生物产ATP和还原力 (注:研究微生物的能量代谢,其实质就是追踪最初能源是如何一步一步的 转化并释放出通用能源ATP的生化反应过程。) Date 5li 能量代谢分解代谢合成代谢 第一节 微生物的能量代谢 一、化能异养微生物产ATP和还原力 二、自养微生物产ATP和还原力 (一)生物氧化 1、概念 是指发生在活细胞中的一系列 产能性氧化还原反应(即参与反应的 物质之间的电子转移和氢的转递过程 )的总称。(实质:产能) 第五章 微生物的新陈代谢 (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 代谢调节 Date 6li 2、生物氧化与燃烧的比较 相同点:都是通过底物的氧化反应而释放出其中的化学潜能。 不同点:生物氧化在活细胞内进行,需要酶的参与,反应条件温和(常温、PH 值中性),为多步式梯级反应,产生的能量大部分为ATP,且能量利用率高;而燃 烧则不需要酶的参与,反应条件激烈,为一步式快速反应,其产能形式为发光、发 热,能量利用率低。 Date 7li 3、形式 某物质与氧结合、脱氢或失 去电子。 4、过程 分为脱氢(或电子)、递 氢(或电子)、受氢(或电子 )三阶段。 5、功能 产能(ATP)、产还原力 [H]、产小分子中间代谢物。 6、类型 有氧呼吸(呼吸)、无氧 呼吸、发酵。 (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 Date 8li (二)底物脱氢的四条 途径(以葡萄糖为例讲述H 如何脱出) 1、EMP途径(糖酵解途径 、己糖二磷酸途径) (1) 过程(两个阶段) ① 1分子葡萄糖转化成1分子 1.6-二磷酸果糖后,在果糖二磷 酸醛缩酶作用下,裂解为2 分子 3-磷酸甘油醛。 (耗2分子 ATP) ② 2 分子3-磷酸甘油醛再转 化为2分子丙酮酸。 (产4分子 ATP) (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 Date 9li (2)总反应途径、特点 两个阶段(耗能、产能) 10步反应 三种产物 净产8个ATP Date 10li (3)总反应式(细胞质基质中进行) C6H12O6 + 2NAD + 2(ADP+Pi) 2CH3COCOOH + 2ATP + 2NADH2 + 2H2O (4)特征酶和特征反应 1,6-二磷酸果糖 醛缩酶 2分子 3-磷酸甘油醛 (5)产物及去向 ① ATP(2个) 第二阶段(第七、第十步反应) 共产生4个ATP,但第一阶段(第一、 第三步反应)用掉2个,净剩2个用 于细胞生长。 Date 11li ② NADH+H+ (2个) a、无氧时:其受氢体是丙酮酸,被还原成乳酸: NADH2 NAD+ 丙酮酸 乳酸 或把丙酮酸的脱羧产物乙醛还原成乙醇: CO2 NADH2 NAD+ 丙酮酸 乙醛 乙醇 b、有氧时:经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6个ATP。 ③ 丙酮酸(2分子) 有氧时进入TCA循环彻底氧化成CO2和H2O,并产生大量能量;无氧 时,进行发酵,生成不同的产物,如乳酸 、乙醇。 Date 12li (6)EMP途径的意义 ① 生理意义 a、供应ATP形式的能量 和NADH2形式的还原力 。 b、是连接其它几个重 要代谢途径的桥梁,包括 TCA、HMP和ED途径等。 c、为生物合成提供多 种中间代谢物。 d、通过逆向反应可进 行多糖合成。 ② 实践意义 用于多种发酵产品的生 产,如乙醇、乳酸等。 Date 13li 2、HMP途径(己糖一磷酸途径 、戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径) (1)过程(三个阶段) ① 1分子葡萄糖经磷酸化生成6-磷 酸葡萄糖,在脱氢酶作用下脱氢生成6- 磷酸葡萄糖酸,在6-磷酸葡萄糖酸脱氢 酶作用下,再次脱氢降解为1分子CO2 和1分子5-磷酸核酮糖。 ② 5-磷酸核酮糖发生结构变化形 成5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖。 ③ 5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖在 转醛酶和转酮酶的作用下,经一系列 复杂反应又生成磷酸己糖和磷酸丙糖 ( 3-磷酸甘油醛 ),磷酸丙糖再经 EMP途径的第二阶段反应转为丙酮酸 ,也可通过糖酵解逆行转化为磷酸己 糖。 (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 糖 Date 14li (2)总反应途径、特点 三个阶段,底物彻底氧化成 CO2、产大量还原力、多种重 要中间代谢产物。 净产35个ATP Date 15li (3)总反应式 6×6-磷酸-葡萄糖 + 12NADP+ + 6H2O 5×6-磷酸葡萄糖 + 12NADPH +12H+ + 6CO2 + Pi (4)特征酶和特征反应 转醛酶 5-磷酸木酮糖 + 5-磷酸核糖 7-磷酸景天庚酮糖 + 3-磷酸甘油醛 转酮酶 7-磷酸景天庚酮糖 + 3-磷酸甘油醛 4-磷酸赤藓糖 + 6-磷酸果糖 转醛酶 4-磷酸赤藓糖 + 5-磷酸木酮糖 6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛 Date 16li (5)产物去向 ① NADPH+H+ (12个) 经呼吸链氧化磷酸化产 生36分子ATP,但葡萄糖磷 酸化用去1个ATP ,净剩35 个ATP用于细胞生长。 ② 3-磷酸甘油醛(2个) 可通过EMP途径转化成 丙酮酸进入TCA循环进行彻 底氧化,也能通过果糖二磷 酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的 作用转化为己糖磷酸。 Date 17li (6)HMP途径的意义 ① 生理意义 a、供应合成原料:为核 苷酸、核酸等的生物合成提 供戊糖-磷酸。反应中的4-磷 酸赤藓糖可用于合成芳香族 氨基酸、杂环族氨基酸,如 苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸 和组氨酸。 b、扩大碳源利用范围:由 于在反应中存在着C3~C7的各 种糖,使具有HMP途径的微生 物的碳源利用范围更广。 Date 18li c、产还原力:产生大量的NADPH2形式的还原力。 d、作为固定CO2的中介:途径中的5-磷酸核酮糖在酶的作用 下可转变成1,5—二磷酸核酮糖,1,5—二磷酸核酮糖在羧华酶 的催化下可固定CO2。 Date 19li e、连接EMP途径:如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正常供应量时 ,可通过与EMP途径的连接(在1,6—二磷酸果糖和3—磷酸甘油醛处), 为生物合成提供更多的戊糖。 糖 Date 20li ② 实践意义 通过本途径而产生的重要发酵产物很多,例如核苷酸、若 干氨基酸、辅酶、乳酸、乙酸、乙醇等。 Date 21li 3、ED途径(2-酮-3-脱 氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂 解途径) 是少数EMP途径不完整 的细菌所特有的利用葡萄糖的 替代途径。 (1)过程(三个阶段) ① 1分子葡萄糖经过一系 列的酶的催化转化为1分子2- 酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸 (KDPG) 。 ② 1分子 KDPG在 KDPG醛缩酶的作用下裂解为 1分子3—磷酸甘油醛和1分子 丙酮酸。 (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 Date 22li ③ 3—磷酸甘油醛进入EMP途径。 Date 23li (2)总反应途径、特点 四步反应形成2分子丙酮酸、产1个NADH+H+、 1个NADPH+H+、净产1 个ATP;具有一特征性反应;存在一特征性酶;终产物2分子丙酮酸的来历不 同。 (3)总反应式 C6H12O6 +ADP + Pi+NADP++NAD+ 2CH3COCOOH + ATP + NADPH + H++NADH+H+ 净产7个ATP Date 24li (4)特征酶和特征反应 ① 特征酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩 酶(KDPG醛缩酶) ② 特征反应 Date 25li (5)产物及去向 ① 丙酮酸(2个) 在有氧条件下,进入TCA循环;无氧时,脱羧成乙醛,乙 醛进一步被NADH2还原成乙醇,这种经ED途径发酵生产乙醇 的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同,称作细 菌酒精发酵。 CO2 NADH2 NAD+ 丙酮酸 乙醛 乙醇 ② NADH+H+和NADPH+H+ (各1个) 在有氧时经呼吸链氧化产生6ATP;无氧时,还原丙酮酸 进行细菌酒精发酵。 ③ ATP(1个) 一分子葡萄糖经ED途径仅产1分子ATP,仅为EMP途径的 一半,产能效率低。 Date 26li (6)ED途径的意义 ① 生理意义 a、是少数EMP途径不 完整的细菌所特有的利用葡 萄糖的替代途径。 b、可与EMP途径、 HMP途径和TCA循环等各种 代谢途径相连接,因此可以 相互协调,以满足微生物对 能量、还原力和不同中间代 谢物的需要, Date 27li ② 实践意义 细菌酒精发酵。 (7)细菌酒精发酵的优缺点 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;细菌为原核生物, 易于用基因工程改造菌种;厌氧发酵,设备简单。 缺点:生长pH较高(细菌约pH 5,酵母菌为pH 3),较 易染菌;细菌对乙醇的耐受力较酵母菌为低(细菌约耐7%乙 醇,酵母菌耐8-10%乙醇);底物范围窄(葡萄糖、果糖)。 Date 28li 4、 TCA(三羧 酸循环、柠檬酸循环 ) (1)过程 指丙酮酸经过一 系列循环式反应而彻 底氧化、脱羧,形成 CO2、H2O、NADH2的过 程。真核微生物在线 粒体基质中、原核微 生物在细胞质中进行 。 (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 Date 29li (2)特点:氧虽不直接参与其中反应,但必须在有氧条件下运转;产能效率极 高;TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位。 (3)总反应途径:1分子葡萄糖经糖酵解产生2分子丙酮酸, 2分子丙酮酸进入 TCA循环,共产生8个NADH2 、2个FADH2、2个GTP、6分子CO2 。 (4)总反应式 净产36或38个ATP Date 30li (5)产物去向 ① NADH2 (8个) 、FADH2 (2个) :1个NADH2分子,经过电子传递链 后,可生成3个ATP;1个FADH2分子,经过电子传递链后,可生成2个ATP。 ② GTP (2个) :GTP将高能磷酸键转入ADP而产生ATP。 (6)TCA循环的意义 ① 生理意义:在一切分解代谢和合成代谢中占有枢纽地位,产能效率极 高,在各种好氧微生物中普遍存在,不仅是糖分解代谢的主要途径,也是脂肪 、蛋白质分解代谢的最终途径。(P108) ②实践意义:与微生物大量发酵产物如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和谷氨 酸等的生产密切相关。 净产36或38个ATP Date 31li 葡萄糖经不同途径脱氢后的产能效率 Date 32li 上节课重点知识回顾 一、化能异养微生物产ATP和还原力 (一)生物氧化 概念、形式、过程、功能、类型 Date 33li (二)底物脱氢的四种途径(产ATP:底物水平磷酸化) 1、EMP途径 (1)两个阶段(耗能、产能)、 10步反应、三种产物。 (2)特征酶:果糖二磷酸醛缩酶 (3)意义:生理意义、实践意义(酵母菌酒精发酵) Date 34li 2、HMP途径 (1)三个阶段,底物彻底氧化成CO2、产大量还原力、多种重要中间代谢产物。 (2)特征酶:转醛酶、转酮酶 (3)意义:生理意义、实践意义(产生多种重要的发酵产物) 3、ED途径(产ATP:底物水平磷酸化) (1)四步反应形成丙酮酸、产1个NADH+H+、 1NADPH+H+、净产1个ATP。 Date 35li (2)特征酶:2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶(KDPG醛缩酶) (3)意义:生理意义、实践意义(细菌酒精发酵) 4、TCA循环(产ATP:底物水平磷酸化) (1)特点 (2)总反应途径: (3)反应场所:真核微生物在线粒体中、原核微生物在细胞质中进行。 (4)意义:生理意义、实践意义(产生多种重要的发酵产物) Date 36li Date 37li (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 (三)递氢和受氢 储存在生物体内有机物( 葡萄糖等)中的化学潜能,通 过4条途径脱氢后,氧化释放的 能量一部分储存在ATP中,一 部分储存在产生的NADH2 、 NADPH2 、 FADH2中,它们通 过呼吸链等方式传递,最终与 氢受体相结合而释放出其中的 能量。 根据递氢特点尤其是受氢体 性质的不同,可以把生物氧化 分成3种类型:呼吸(有氧呼吸) 、无氧呼吸、发酵。 Date 38li 1、呼吸(有氧呼吸) (1)呼吸的概念 是指底物按常规方式脱氢 后,经完整的呼吸链递氢, 最终由外源性O2 接受氢并产 生水和释放能量(ATP)的生物 氧化方式。 呼吸必须在有氧条件下 进行,产能效率高 。 (好氧菌、兼性好氧菌) (2)呼吸链 ① 概念 是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的、一系列氧化还原势 呈梯度差的、链状排列的氢传递体或电子传递体。 (一)生物氧化 (二)底物脱氢的 四条途径 (三)递氢和受氢 Date 39li ② 功能 是把氢或电子从低 氧化还原势的化合物, 即初级电子受体( NADH2、 NADPH2、 FADH2)处传递给高氧 化还原势的外源性的分 子氧、无机氧化物(少 数为有机氧化物)以及 内源性中间有机氧化物 ,并使它们还原。 ③ 呼吸链重要组分 NAD(P) FP Fe.S CoQ Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3 Date 40li NAD: 烟酰胺腺嘌呤二 核苷酸 NADP:烟酰胺腺嘌呤二 核苷酸磷酸 以氧化态的形式(NAD+ 或NADP+)作为某些脱氢酶的 辅酶,它们接受从还原性底物 上移出的氢和电子,从而变成 还原态的NAD(P)H2。 FAD:黄素腺嘌呤二核 苷酸 FMN:黄素单核苷酸 FAD和FMN都是脱氢酶 黄素蛋白(FP)的辅基,它 们接受从还原性底物上移出的 二个氢原子而变成还原态的 FMNH2和FADH2。 Date 41li Fe-S:铁硫蛋白 是传递电子的氧化还原载体,其辅基为铁硫中心,存在于 呼吸链的几种酶复合体中,参与膜上电子传递。 CoQ:泛醌 是一种脂溶性的氢载体, 其作用是收集来自呼吸链辅 基和辅酶所输出的氢,并将 其传递给细胞色素系统。 细胞色素系统: 细胞色素系统位于呼吸链 后端,包括Cytb,Cytc,Cyta, Cyta3等,其功能是传递电子 而不是传递氢,即它们只从泛 醌中接受电子,同时将同等数 目的质子推到线粒体膜(真核 生物)或细胞膜(原核生物) 外的溶液中。 Date 42li (3)氧化磷酸化(电子传递磷酸化) ① 概念 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质子动势,从而推动了ATP酶合成ATP 。 ② 形成ATP的机制 a、化学渗透学说 :在氧 化磷酸化过程中,通过呼吸链 酶系的作用,将底物分子上的 质子从膜的内侧传递至膜的外 侧,从而造成了质子在膜的两 侧分布不均衡,亦即形成了质 子梯度差(或质子动势、pH梯 度等)。这个梯度差就是产生 ATP的能量来源,因为它可通 过ATP酶的逆反应,把质子从 膜的外侧再输回到内侧,结果 ,一方面消除了质子梯度差, 同时也合成了ATP。 Date 43li b、ATP合成酶合成ATP 的构象假说 ATP合成酶由基部、头 部、颈部3部分组成。头部 为ATP合成酶的催化中心, 它有3个催化亚基。3个亚 基存在3种构象变化:一种 有利于ADP与Pi结合,另一 种使结合的ADP与Pi合成 ATP,第三种使ATP释放。 这3种亚基在跨膜质子梯度 即H+流的推动下,通过转动 、构象交替变化,不断合 成ATP。 因此ATP合成酶就是一 架精巧的分子水轮机,其3 个亚基即为3个水轮叶片。 Date 44li ③ P/O比 表示呼吸链 氧化磷酸化效率 的高低。指当一 对电子通过呼吸 链、传至氧所产 生的ATP分子数 (或指消耗1摩尔 氧原子所产生的 ATP摩尔数) 。 底物不同,其 P/O比不同。 Date 45li 2、无氧呼吸(厌氧呼吸) (1)概念 是一类呼吸链末端的氢受 体为外源性氧化态无机物(少 数是有机物)的生物氧化。 无氧呼吸在无氧条件下进 行,产能效率较低。 (厌氧菌、兼性厌氧菌) (2)特点 底物按常规途径脱氢后, 经部分呼吸链递氢,最终由外 源性氧化态无机物(少数是有 机物)受氢,并完成氧化磷酸 化产能反应。 (三)递氢和受氢 (二)底物脱氢的 四条途径 (一)生物氧化 Date 46li (3)种类 Date 47li 3、发酵 (1)定义 广义:泛指任何利用好氧 性或厌氧性微生物来生产有用 代谢产物、食品、饮料的一类 生产方式。 狭义:无氧条件下,底物 脱氢后产生的还原力[H]不经呼 吸链而直接传递给某一内源中 间代谢物,以实现底物水平磷 酸化低效产能的一类生物氧化 反应。 在此过程中,氧化底物是 有机物,最终氢受体也是有机 物,产能少。 (三)递氢和受氢 (二)底物脱氢的 四条途径 (一)生物氧化 Date 48li (2)类型 ① 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 丙酮酸是EMP途径的关键产物,由它出发,在不同微生物中可进入不 同发酵途径: a、酵母菌同型酒精发酵 由酵母菌引起,发酵产物只有乙醇。无氧条件下 EMP途径 CO2 NADH2 NAD+ G 丙酮酸 乙醛 乙醇 b、同型乳酸发酵 由各种乳杆菌引起,发酵产物只有2分子乳酸。 EMP途径 NADH2 NAD+ G 丙酮酸 乳酸 c、丙酸发酵 由丙酸杆菌引起,发酵产物有丙酸、乙酸、CO2。 Date 49li d、混合酸发酵 由大肠杆菌引起,产物有甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸。 甲基红(M.R)反应:大肠杆菌产酸多,使pH降至4.2,可使甲基红指 示剂由黄变红,反应阳性。产气肠杆菌的产物2,3-丁二醇是中性化合物,甲 基红反应阴性。 e、 2,3-丁二醇发酵 由产气肠杆菌等引起,产物为2,3-丁二醇。 V.P 实验 :产气肠杆菌的发酵中间产物3-羟基丁酮(可还原为终产物2 ,3-丁二醇),碱性条件下可被空气中的氧氧化为乙二酰,乙二酰可与胍类 衍生物缩合生成特征性的红色化合物,即V.P 阳性。若加入α-萘酚、肌酸 可促进反应,此称VP反应。大肠杆菌不产3-羟基丁酮,VP反应阴性。 f、丁酸型发酵 由丁酸梭菌所引起,特点是产物中都有丁酸。不同种类因酶系统不同, 最终产物除丁酸外,还有其他产物。 Date 50li 由EMP途径中丙酮酸出发的6条发酵途径 ①同型酒精发酵 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丁酸型发酵 意义:微生物可 获取其生命活动所需 能量;通过工业发酵 手段大规模生产相应 的代谢产物;发酵中 的某些独特代谢产物 可作为鉴定相应菌种 的重要指标。 Date 51li ② 通过HMP途径进行的发酵——异型乳酸发酵、异型酒精发酵 a、异型乳酸发酵 凡葡萄糖发酵后除主要产生乳酸外,还产生乙醇、乙酸、CO2等多种产 物的发酵,称异型乳酸发酵。 根据途径和产物的不同,可细分为为两条发酵途径: 同型乳酸发酵、异型乳酸发酵的比较 Date 52li (a) 异型乳酸发酵的经典途径 利用葡萄糖时,产生1分子乳酸、1分 子乙醇、1分子CO2、1分子ATP、1分子H2O。 Date 53li (b)异型乳酸发酵的双歧杆菌途径 2分子葡萄糖可产生3分子乙酸,2分子乳酸分子和5分子ATP。 Date 54li b、细菌异型酒精发酵 经HMP途径进行,产生1分子乙醇、1分子乳酸、1分子CO2、1分子ATP。 Date 55li ③ 通过ED途径进行的发酵 ——细菌同型酒精发酵 经ED途径进行,产生2分子乙醇、2分子CO2、 1分子ATP Date 56li 三种酒精发酵的比较 类类型微生物途径产产物产产能/1葡萄糖菌种代表 同型酵母EMP 2乙醇 2CO2 2ATP酿酿酒酵母 同型细细菌ED 2乙醇 2CO2 1ATP 运动发动发 酵单孢单孢 菌 异型细细菌HMP 1乙醇 1乳酸 1CO2 1ATP肠肠膜明串球菌 Date 57li ④ 通过氨基酸进行的发酵——Stickland反应 以一种氨基酸作氢供体,另一种氨基酸作受氢体而实现生物氧化产能的独 特发酵类型,称为stickland反应。stickland反应的产能效率很低,每分子氨 基酸仅产1个ATP。 (3)发酵中的产能机 制 —— 底物水平磷酸化 底物水平磷酸化是指 在生物氧化过程中产生一 些含有高能磷酸键的化合 物(如,1 ,3- 二磷酸甘 油酸、磷酸烯醇丙酮酸、 乙酰磷酸、乙酰-CoA 、琥 珀酰-CoA等),它们的高 能磷酸键可以转入ADP而 产生ATP,即底物与底物 之间高能磷酸键的转移。 Date 58li 化能异养微生物的代谢产能方式 产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵 环境条件有氧无氧无氧 最终氢 受体 来源环境,外源性环境,外源性胞内,内源性 性质分子氧 化合物(通常为 无机物) 代谢中间产物 能进行该代谢产能 方式的微生物 专性好氧微生物 兼性好氧微生物 微好氧微生物 专性厌氧微生物 兼性好厌氧微生物 专性厌氧微生物 兼性厌氧微生物 耐氧厌氧微生物 产能机制 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 Date 59li 化能异养微生物的能量代谢(有机物 ATP) 一、脱氢(四条途径:EMP、HMP、ED、TCA) 1、产ATP(底物水平磷酸化) 2、产NADH2 、 NADPH2 、 FADH2形式的还原力 3、小分子代谢物 二、递氢、受氢 1、有氧呼吸(氧化磷酸化、产大量ATP) (1)概念:[H] 完整呼吸链 O2 (2)氧化磷酸化(概念、产能机制——化学渗透学说) 2、无氧呼吸(氧化磷酸化、产少量ATP) (1)概念: [H] 部分呼吸链 氧化态的无机物或有机物 (2)特点 Date 60li 3、发酵(底物水平磷酸化、产少量ATP) (1)概念:[H] 不经呼吸链 中间代谢产物 (2)类型 ①通过EMP途径进行的发酵:同型乳酸发酵、同型酒精发酵(酵母菌) ②通过HMP途径进行的发酵:异型乳酸发酵、异型酒精发酵(细菌) ③通过ED途径进行的发酵 —— 同型酒精发酵(细菌) ④通过氨基酸进行的发酵 —— Stickland反应 类类型微生物途径产产物产产能/1葡萄糖菌种代表 同型酵母EMP 2乙醇 2CO2 2ATP酿酿酒酵母 同型细细菌ED 2乙醇 2CO2 1ATP运动发动发 酵单孢单孢 菌 异型细细菌HMP 1乙醇 1乳酸 1CO2 1ATP肠肠膜明串球菌 Date 61li 第五章 微生物的新陈代谢 第一节 微生物的能量代谢 一、化能异养微生物产ATP和还原力 二、自养微生物产ATP和还原力 (注:研究微生物的能量代谢,其实质就是追踪最初能源是如何一步一步的 转化并释放出通用能源ATP的生化反应过程。) Date 62li 能量代谢分解代谢合成代谢 第一节 微生物的能量代谢 一、化能异养微生物产ATP和还原力 二、自养微生物产ATP和还原力 第四章 微生物的新陈代谢 (一)化能自养微生物 (二)光能自养微生物 探讨还原CO2所需的ATP和[H]是如何产生的? 氧化磷酸化反应 代谢调节 Date 63li (一)化能自养微生物(好氧菌) 1、产能、产还原力机制 产ATP:无机底物(最初能源 NH4+、NO2、H2S、S、H2、Fe2+等))的氧化直 接与呼吸链发生联系,即无机底物氧化脱氢或脱电子后,直接顺呼吸链传递( 而不是以NADH2 、 NADPH2 、 FADH2的 形式进入呼吸链), 通过氧化磷酸化反 应产生ATP。 Date 64li 产还原力[H] :无机底物中NH4+、H2S、H2可作为无机供氢体,在提供 ATP 条件下,氧化脱下的氢 或电子可逆呼吸链将无 机氢(H + +e- )转变成 还原力[H],用于CO2 的还原。 注 意!!! 产ATP和产 还原力[H] 分别 进行。 Date 65li 2、特点 (1)无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。 (2)呼吸链的组分更为多样化, H + + e -可从任一组分直接进 入呼吸链。 (3)产能效率(P/O比)一般低于化能异养微生物。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 Date 66li (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 3、生理类群 (1)硝化细菌 ① 亚硝化细菌:将氨氧化成亚硝酸 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O + 4H+ + 4 e - + 能 ② 硝 化 细 菌:将亚硝酸氧化成硝酸 NO2- + H2O → NO3- + 2H+ + 2e - + 能 (2)硫细菌:将硫或硫化物氧化成硫酸,最多是硫杆菌。 2 S + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+ + 4 e - +能 H2S -→S→SO32-→SO42- (3)氢细菌 属兼性自养菌。 2H2 + O2 → 2H2O + 能 (4)铁细菌 将亚铁氧化成高铁。 Fe2+ → Fe3+ + e - + 能 Date 67li 化能自养微生物的生理类群 类群 氧化底物 氧化产物 亚硝化细菌 NH4+ NO2- 硝化细菌 NO2- NO3- 硫细菌 H2S、S、SO32- SO42- 氢细菌 H2 H2O 铁细菌 Fe2+ Fe3+ 最终电子受体均为O2 Date 68li (二)光能自养微生物 1、生理类群 2、产能机制——光合磷酸化(循环、非循环、紫膜) 由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称为光合 磷酸化。 1)循环光合磷酸化(依赖菌绿素,不产氧) (1)概念 是一种存在于厌氧光合细菌中的、在光能驱动下通过电子的循环式传递 而完成ADP的磷酸化。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 单细胞藻类 Date 69li (2)生理类群——光合细菌(厌氧菌) 属于真细菌,厌氧,归于红螺菌目,利用H2S、H2等无 机物或有机物作还原CO2的供氢体。 a、着色菌科(紫硫细菌):专性光能自养, H2S为供 氢体,体内外积累硫。 b、绿菌亚目(绿菌科——绿硫细菌,绿弯菌科——绿色 非硫细菌):专性光能自养,H2S为供氢体,胞外积累硫。 c、红螺菌科(紫色无硫细菌):光能异养,兼性光能 自养,有机物为供氢体。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 Date 70li (3)反应途径 产ATP :菌绿素受日光 照射后形成激发态,由它逐出 的电子通过类似呼吸链的传递 又回到菌绿素,使其恢复到原 状态,其间建立了质子动势, 产生了ATP,但不产生还原力 ,不放出氧气。 产[H]:还原力[H]来自 于H2S、H2等外源无机氢供体 或有机氢供体,当他们氧化脱 氢或电子后,电子逆呼吸链传 递,消耗光反应产生的ATP, 最终交给NAD(P),形成 NAD(P) H2。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 Date 71li (4)特点 a、电子传递途径属循环 方式,即在光能的驱动下, 电子从菌绿素分子上逐出后 ,通过类似呼吸链的循环, 又回到菌绿素,其间产生了 ATP。 b、还原力来自H2S、H2 等无机氢供体或有机氢供体 。 c、产ATP与产还原力[H] 分别进行。 d、不产生氧。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 Date 72li 2、非循环光合磷酸化 (1)生理类群 显微藻类和蓝细菌。 (2)反应途径 产ATP、[H] :H2O光 解产生O2 、H+ 、e - ,电子 沿PSⅡ→PSⅠ,其间产生 ATP ;在PSⅠ系统中,电 子经Fe-s →Fd传递,最终 由NADP+接受,产生了用于 还原CO2的还原力NADPH2 。 (依赖叶绿素,产氧) (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 Date 73li (3)特点 a、电子的传递途径属非循环式; b、在有氧条件下进行; c、有PSⅠ、PSⅡ 两个光合系统,其中PSⅠ(含叶绿素a)可利用红光, PSⅡ (含叶绿素b)可利用蓝光; d、反应中同时产O2 、 ATP、 [H]( PS Ⅱ:产O2 、 ATP;PSⅠ :产 还原力[H])。 e、还原力NADPH2中的[H]是来自H2O分子的光解产物H+和e - 。 3、紫膜光合磷酸化(依赖细菌紫膜的视紫红质,不产氧) (1) 生理类群——嗜盐菌 是一类必须在高盐(3.5—5.0mol/LNaCl)环境中才能生长的古细菌,它 们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 Date 74li (2)机制 嗜盐菌的细胞膜有红膜和紫膜两个组分,紫膜由细菌视紫红质和类脂 组成。细菌视紫红质能吸收光能,并在光量子的驱动下起着质子泵的作用, 即将反应中产生的H+推出细胞膜外,使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据 化学渗透学说,这一质子动势在驱使H+通过ATP合成酶的孔道进入膜内以达 到质子平衡时,就可产生ATP。 (一)化能自养微生物(二)光能自养微生物 (3)特点 无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用,是迄今为止最简单的光合磷 酸化反应。 Date 75li 二、自养微生物的能量代谢 (一)化能自养微生物(好氧菌) 1、无机物底物脱氢或脱电子直接进入呼吸链产ATP与产[H],二者分别进行。 2、产能机制——氧化磷酸化 Date 76li (二)光能自养微生物(产能机制——光合磷酸化) 1、循环光合磷酸化(厌氧菌) (1)光合细菌,不产氧。 (2)ATP:菌绿素受日光照射逐出电子,沿呼吸链循环。 (3)[H]:H2S、H2、有机氢供体。 Date 77li 2、非循环光合磷酸化(好氧菌) (1)显微藻类、蓝细菌、 (2)依赖叶绿素,产氧 (3)产ATP、[H]:H2O光解产 生O2 、H+ 、e - ,电子沿 PSⅡ→PSⅠ 3、紫膜光合磷酸化 (1)嗜盐菌(缺氧时) (2)依赖细菌紫膜的 视紫红质,不产氧 Date 78li 第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物的分解代谢 第三节 微生物的合成代谢 第四节 微生物的代谢调节与发酵生产 第五章 微生物的新陈代谢 Date 79li 第二节 微生物的分解代谢 一、淀粉的分解 五、油脂的分解 二、纤维素的分解 六、烃类化合物的分解 三、果胶质的分解 七、蛋白质的分解 四、几丁质的分解 八、氨基酸的分解 第五章 微生物的新陈代谢 Date 80li 能量代谢分解代谢合成代谢 第五章 微生物的新陈代谢 代谢调节 一、淀粉的分解 淀粉是多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物 ,有直链淀粉(α-1,4-糖苷键)和支链淀粉(支链α-1,4 -糖 苷键、分支点α-1,6-糖苷键)之分。分解淀粉的酶有: 1、液化型淀粉酶(α-淀粉酶) 作用于分子内α-1,4-糖苷键,不作用α-1,6-糖苷键以及 靠近α-1,6-糖苷键的α-1,4-糖苷键。作用的结果是产生麦芽 糖、含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有支链的寡糖,使黏度下 降。 产生α-淀粉酶的微生物很多,细菌、霉菌、放线菌中的 许多种都能产生。枯草杆菌通常用作α-淀粉酶的生产菌。 第二节 微生物的分解代谢 Date 81li 2、糖化型淀粉酶 这是一类酶的总称,这类酶又可细分为好几种,共同特点是可以 将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖,故称为糖化型淀粉酶。 1)淀粉-1,4-麦芽糖苷酶(β-淀粉酶) 从非还原性末端开始,按双糖为单位,逐步作用于α-1,4糖苷 键生成麦芽糖。但不作用于α-1,6糖苷键,遇到α-1,6糖苷键时, 作用停止。作用于淀粉后的产物是麦芽糖与极限糊精。 2)淀粉-1,4-葡萄糖苷酶(糖化酶) 从非还原性末端开始,依次以葡萄糖为单位逐步作用于α-1,4 糖苷键,生成葡萄糖,但能越过α-1,6糖苷键。根霉与曲霉普遍都 能合成与分泌此酶。常用于生产糖化酶的菌种有根霉、曲霉等。 3)淀粉-1,6-葡萄糖苷酶(异淀粉酶) 此酶专门作用于α-1,6-糖苷键。异淀粉酶存在于产气气杆菌、 埃希氏杆菌、链球菌、链霉菌等。 Date 82li 二、纤维素与半纤维素的分
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