第五章、微生物的代谢

1、第五章、微生物的代谢第五章、微生物的代谢本章教学目的、要求：本章教学目的、要求：1 1、掌握掌握发酵、呼吸作用、有氧呼吸、无氧呼吸发酵、呼吸作用、有氧呼吸、无氧呼吸的概念。能量转换的方式。酶活性的调节方式。的概念。能量转换的方式。酶活性的调节方式。2 2、熟悉熟悉糖酵解的途径。次级代谢及次级代谢产糖酵解的途径。次级代谢及次级代谢产物的概念。物的概念。3 3、了解了解自养微生物的生物氧化及耗能代谢的例自养微生物的生物氧化及耗能代谢的例子。光合磷酸化。子。光合磷酸化。新陈代谢新陈代谢 = = 分解代谢分解代谢 + + 合成代谢合成代谢什么是代谢？什么是代谢？ 代谢代谢(metabolism)(me

2、tabolism)是细胞内发生的各是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)(catabolism)和合成代谢和合成代谢(anabolism)(anabolism)两个两个过程组成。过程组成。复杂有机分子复杂有机分子 简单小分子简单小分子 + ATP + H + ATP + H 分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢物质代谢：物质代谢：物质在体内转化的过程。物质在体内转化的过程。 能量代谢：能量代谢：伴随物质转化而发生的能量相互转化。伴随物质转化而发生的能量相互转化。按物质转化方式分：按物质转化方式分：分解代谢：分解代谢：指细胞将大分

3、子物质降指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。产生能量。合成代谢合成代谢：是指细胞利用简单的小：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。在这个过程中要消耗能量。物质代谢物质代谢初级代谢：初级代谢：一般将微生物从外界吸收各种营养物质，一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物生成维持生命活动的物质和能量质和能量的过程。产物：氨基酸、核苷酸等。的过程。产物：氨基酸、核苷酸等。次级代谢：次级代谢：指微生物在一定生长时期，以初

4、级代谢指微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确对微生物的生命活动无明确功能的物质功能的物质的过程。产物：抗生素、色素、激素、的过程。产物：抗生素、色素、激素、生物碱等。生物碱等。按代谢产物在机体中作用不同分：按代谢产物在机体中作用不同分：第一节、微生物的产能代谢第一节、微生物的产能代谢第二节、耗能代谢第二节、耗能代谢第三节、微生物代谢的调节第三节、微生物代谢的调节第四节、微生物次级代谢和次级代谢产物第四节、微生物次级代谢和次级代谢产物第一节、微生物产能代谢第一节、微生物产能代谢 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外能量代谢的中心任务，是

5、生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源活动都能使用的通用能源ATPATP。这就是产能代。这就是产能代谢。谢。一切生命活动都是耗能反应，因此，一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢能量代谢是是一切生物代谢的核心问题。一切生物代谢的核心问题。最最初初能能源源有机物有机物日光日光还原态无机物还原态无机物化能自养菌化能自养菌 光能营养菌光能营养菌化能异养菌化能异养菌通用能源通用能源（ATPATP）一、异养生物的生物氧化一、异养生物的生物氧化电子受体不同电子受体不同发酵发酵呼吸呼吸有氧呼吸有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸定义：定

6、义：微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给交给底物本身未完全氧化的某种中间产物底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。 1.1.发酵（发酵（fermentationfermentation）特点：特点：1 1）通过底物水平磷酸化产）通过底物水平磷酸化产ATPATP；2 2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；于发酵产物中；3 3）产能率低；）产能率低；4 4）产多种发酵产物。）产多种发酵产物。l发酵的底物：糖类、有机酸、氨基酸等。发酵的底物：糖

7、类、有机酸、氨基酸等。糖酵解（糖酵解（glycolysisglycolysis）: :葡萄糖葡萄糖被降解成被降解成丙酮丙酮酸酸的过程。的过程。糖酵解糖酵解EMPEMP途径途径HMPHMP途径途径EDED途径途径PK/HKPK/HK途径途径（1 1）、）、EMPEMP途径途径糖酵解途径、己糖二磷酸途径。糖酵解途径、己糖二磷酸途径。1 1C C6 6H H1212O O6 6+ +2 2NADNAD+ +2 2（ADP+PiADP+Pi）2 2CHCH3 3COCOOH+COCOOH+2 2（NADH+HNADH+H+ +）+ +2 2ATP+ATP+2 2H H2 2O O总反应式：总反应式：两

8、个阶段两个阶段耗能阶段耗能阶段产能阶段产能阶段3 3种产物种产物 丙酮酸丙酮酸2NADH+2H2NADH+2H+ +2ATP2ATP1010个反应个反应EMPEMP葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-果糖果糖1，6-二磷酸二磷酸-果糖果糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛3-磷酸磷酸-甘油酸甘油酸1，3-二磷酸二磷酸-甘油酸甘油酸2-磷酸磷酸-甘油酸甘油酸ATP ADP ATP ADPNAD+NADH+H+ ADP ATP ADP ATPEMPEMP途径途径6 6 6 6- -磷酸磷酸- -葡萄糖葡萄糖+ +1212NADPNADP+ +6 6H H2 2O O5 5 6 6- -磷酸

9、磷酸- -葡萄糖葡萄糖+ +1212（NADPH+HNADPH+H+ + +6 6COCO2 2+ +1 1PiPi）总反应式：总反应式：（2 2）HMPHMP途经途经己糖己糖磷酸途径、磷酸葡糖酸途径、磷磷酸途径、磷酸葡糖酸途径、磷酸戊糖途径。酸戊糖途径。过程：过程： 氧化阶段氧化阶段 葡萄糖葡萄糖-5-P-5-P-核酮糖核酮糖 非氧化阶段非氧化阶段 5C5C糖互变，分子重排糖互变，分子重排 产能：产能：1molG-35molATP1molG-35molATP产物：产物：3C, 4C, 5C3C, 4C, 5C，6C6C，7C7C功能：功能： 1.1.提供能量提供能量 2.2.多种多种C C架

10、架 3.3.提供提供NADPHNADPH还原剂还原剂 4.5C4.5C糖用于核酸合成糖用于核酸合成 （3 3）EDED途径途径EDED途径的总反应式：途径的总反应式：1 1C C6 6H H1212O O6 6 + +1 1（ADP+Pi+ADP+Pi+1 1NADPNADP+ +1 1NADNAD+ +）2 2CHCH3 3COCOOH+COCOOH+1 1ATP+ATP+1 1（NADH+HNADH+H+ +）+ +1 1（NADPH+HNADPH+H+ +）EDED途径是一条缺乏完整途径是一条缺乏完整EMPEMP途径的微生物利途径的微生物利用葡萄糖的一条替代途径。用葡萄糖的一条替代途径。

11、EDED途径为微生物特有，仅存在于少数细菌途径为微生物特有，仅存在于少数细菌（某些假单胞菌、某些发酵单胞菌等）中。（某些假单胞菌、某些发酵单胞菌等）中。EDED途径可不依赖于途径可不依赖于EMPEMP与与HMPHMP而单独存在，但而单独存在，但可与可与EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径、途径、TCATCA循环相联系。循环相联系。EDED途径的概况及与其他途径的联系途径的概况及与其他途径的联系EDED途径途径葡萄糖葡萄糖6 -磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6 -磷酸磷酸-葡糖酸葡糖酸KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛丙丙 酮酮 酸酸EMPEMP途径途径HMP途径途径（某些假单胞

12、菌）（某些假单胞菌）有氧有氧（某些发酵单胞菌）（某些发酵单胞菌）无氧无氧ATPNADPHH2ONADH2 ATP6-PG脱水酶脱水酶TCATCA循环循环乙醇发酵乙醇发酵磷酸甘油醛乳酸磷酸甘油醛乳酸+2H+2H2 2O+2ATPO+2ATP乙酰磷酸乙酸乙酰磷酸乙酸赤藓糖赤藓糖4 4磷酸乳酸磷酸乳酸乙酰磷酸乙酸乙酰磷酸乙酸PKPKHKHK（4 4）PK/HKPK/HK途径途径（磷酸解酮酶途径）（磷酸解酮酶途径）C5C5C6C6异型乳酸发酵异型乳酸发酵PKPK途径途径磷酸戊糖酮解酶途径磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌甘露醇乳杆菌、短杆

13、乳杆菌 ）乙酰磷酸乙酰磷酸 + 3-+ 3-磷酸磷酸- -甘油醛甘油醛特征性酶特征性酶 木酮糖酮解酶木酮糖酮解酶乙醇乙醇丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸 1 G 1 G 乳酸乳酸 + + 乙醇乙醇 + 1 ATP+ CO+ 1 ATP+ CO2 2+H+H2 2O O G G5-5-磷酸磷酸- -木酮糖木酮糖G 6-G 6-磷酸磷酸- -果糖果糖HKHK途径途径4-4-磷酸磷酸- -赤藓糖赤藓糖 + + 乙酰磷酸乙酰磷酸特征性酶特征性酶 磷酸己糖酮解酶磷酸己糖酮解酶 3- 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+ + 乙酰磷酸乙酰磷酸5-5-磷酸磷酸- -木酮糖木酮糖 ，5-5-磷酸磷酸- -核糖核糖乙酸乙酸戊糖酮解酶

14、戊糖酮解酶6-6-磷酸磷酸- -果糖果糖乳酸乳酸 乙酸乙酸1 G 1 G 乳酸乳酸 + 1.5+ 1.5乙酸乙酸 + + 2.5 ATP2.5 ATP 磷酸己糖酮解酶磷酸己糖酮解酶途径（两歧双歧途径（两歧双歧杆菌）杆菌）发酵类型：发酵类型：n乙醇发酵乙醇发酵n乳酸发酵乳酸发酵n丙酸发酵丙酸发酵n混合酸发酵混合酸发酵（1 1）、酵母的乙醇发酵）、酵母的乙醇发酵氢受体氢受体产物产物条件条件一型发酵一型发酵乙醛乙醛乙醇乙醇pH3.5-4.5 pH3.5-4.5 厌氧厌氧二型发酵二型发酵磷酸二羟丙磷酸二羟丙酮酮甘油甘油SOSO3 32-2-三型发酵三型发酵同上同上乙醇、甘油，乙醇、甘油，乙酸乙酸pH7

15、.6pH7.6根据利用葡萄糖形成不同的代谢产物，发酵可分根据利用葡萄糖形成不同的代谢产物，发酵可分为不同的类型：为不同的类型：葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种菌种：运动发酵单胞菌等运动发酵单胞菌等途径：途径：EDED（2 2）乳酸发酵）乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为的糖产生乳酸，称为乳酸发酵乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有

16、所不同，将乳酸发酵又分为有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。l同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）l异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）l双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵: : （经（经HKHK途径途径磷酸己糖解酮磷酸己糖解酮酶途径酶途径）类型类型途径途径产物产物/1G/1G产能产能/1G/1G菌种菌种同型同型EMPEMP2 2乳酸乳酸2ATP2ATP德氏乳杆德氏乳杆菌菌异型异型HMPHMP1 1乳酸乳酸1 1乙醇乙醇1CO1CO2 21ATP1ATP肠膜明串肠膜明串球菌球菌HMPH

17、MP1 1乳酸乳酸1 1乙酸乙酸1CO1CO2 22ATP2ATP短乳杆菌短乳杆菌双岐双岐HKHK1 1乳酸乳酸1.51.5乙酸乙酸2.5ATP2.5ATP两岐双岐两岐双岐杆菌杆菌（3 3）、丙酸发酵）、丙酸发酵（丙酸细菌）（丙酸细菌）葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸 丙酸丙酸EMPEMP（4 4）、混合酸发酵）、混合酸发酵（埃希菌属、沙门志贺菌属）（埃希菌属、沙门志贺菌属）葡萄糖葡萄糖乳酸、乙酸、甲酸乳酸、乙酸、甲酸乙醇乙醇 、COCO2 2 、H H2 2琥珀酸琥珀酸丙酮酸丙酮酸EMPEMP概念概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过些菌通过EMP

18、EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、甲酸、乙醇、乙酸、H H2 2和和COCO2 2等多种代谢产物，等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混混合酸发酵合酸发酵。 葡萄糖葡萄糖琥珀酸琥珀酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶甲酸甲酸-氢裂解酶氢裂解酶磷酸转乙酰酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶乙酸激酶PEP羧化酶羧化酶乙

19、醛脱氢酶乙醛脱氢酶+2HpH6.2发酵途径：发酵途径：电子受体不同电子受体不同发酵发酵呼吸呼吸有氧呼吸有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸2 2、呼吸作用（、呼吸作用（respiration respiration ）呼吸作用（呼吸作用（respirationrespiration） ：微生物在降解底：微生物在降解底物的过程中，将释放的电子交给物的过程中，将释放的电子交给NAD(P)+NAD(P)+、FADFAD或或FMNFMN等电子受体，再经过电子传递系统传给等电子受体，再经过电子传递系统传给外源电子受体，从而生成外源电子受体，从而生成水水或或其他还原型产物其他还原型产物并释放出能量的过程。并释放出能量

20、的过程。有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration aerobic respiration ）：以分子：以分子氧作为最终的电子受体。氧作为最终的电子受体。无氧呼吸（无氧呼吸（anaerobic respiration anaerobic respiration ）：以氧：以氧化型化合物作为最终电子受体。化型化合物作为最终电子受体。根本区别：电子的去向。根本区别：电子的去向。（1 1）、有氧呼吸：）、有氧呼吸：三羧酸循环三羧酸循环4NADH+4H4NADH+4H+ +FADHFADH2 2GTPGTP3CO3CO2 2CHCH3 3CO-CoACO-CoA10ATP10ATP1.

21、5ATP1.5ATPATPATPTCATCA循环的主要产物循环的主要产物C3C3电子传递链电子传递链呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。成。包括：包括：NADH-QNADH-Q还原酶（复合体还原酶（复合体）、琥珀酸）、琥珀酸-Q-Q还还原酶（复合体原酶（复合体IIII）、细胞色素还原酶（复合体）、细胞色素还原酶（复合体IIIIII）、细胞色素氧化酶（复合体）、细胞色素氧化酶（复合体IVIV）。）。 NADHNADHNADH-QNADH-Q还原酶还原酶Q Q细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞细胞色素色素C C细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶O O2 2琥珀酸

22、琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶FADHFADH2 2四种复合体的排列关系四种复合体的排列关系NADHsuccinate FMN（Fe-S） FAD（Fe-S） Cyt b, （Fe-S）CoQ Cyt aa3O2Cyt ccompex Icompex IIcompex IIIcompex IVc1NADHNADHFMN(Fe-s)FMN(Fe-s)Q Qb bc c1 1c caaaa3 3O O2 2琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)FAD(Fe-S)Q Qb bc1c1c caa3aa3O O2 2NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 FeFe3+3+、MnMn2+

23、2+ 、COCO2 2、HCOHCO3 3- - 、SOSO4 42-2- 、SOSO3 32-2-、S S2 2O O3 32- 2- 等等为末端电子受体的呼吸过程。为末端电子受体的呼吸过程。 a a 常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递； b b 氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸） c c 产能效率低。产能效率低。 无氧呼吸（厌氧呼吸）特点：无氧呼吸（厌氧呼吸）特点：(2)(2)、无氧呼吸、无氧呼吸有关有关“鬼火鬼火”的生物学解释的生物学解释在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为在无氧条件下，某些微生物在没有

24、氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（果是生成磷化氢（PHPH3 3），一种易燃气体。当有机物腐），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为无法正确地解释这种现象，将

25、其称之为“鬼火鬼火”。二、自养微生物的生物氧化二、自养微生物的生物氧化氨的氧化氨的氧化硫的氧化硫的氧化铁的氧化铁的氧化氢的氧化氢的氧化硝化硝化细菌细菌亚硝化细菌（亚硝酸细菌、氨氧化细菌）亚硝化细菌（亚硝酸细菌、氨氧化细菌） 硝化细菌（硝酸细菌、亚硝酸氧化细菌）硝化细菌（硝酸细菌、亚硝酸氧化细菌）NHNH3 3NONO2 2- -NONO2 2- -NONO3 3- -如：硝化杆菌如：硝化杆菌如：亚硝化单胞菌如：亚硝化单胞菌硝化作用硝化作用将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。化作用。 1 1、氨的氧化、氨的氧化4.H4.H的氧化的氧化 4H4H2 2+2O+2O2 2

26、 4H 4H2 2O+O+能量能量 2H2H2 2+CO+CO2 2 （CHCH2 2O O）+H+H2 2O O3.Fe3.Fe的氧化的氧化 FeFe2+2+FeFe3+ 3+ + +能量能量2.2.硫的氧化硫的氧化硫化作用硫化作用过程：过程： S S2- 2- S SO S SO3 32- 2- SO SO4 42-2-三、能量转换三、能量转换方式方式底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化光合磷酸化1 1、底物水平磷酸化底物水平磷酸化（substrate level prosphorylationsubstrate level prosphorylation ）概念：物

27、质在生物氧化过程中，常生成一些含有高概念：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能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATPATP或或GTPGTP的合成。的合成。特点：特点：ATPATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联；在有的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联；在有 O O2 2或无或无O O2 2条件下均可发生底物水平的磷酸化。条件下均可发生底物水平的磷酸化。2 2、氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylationoxidative phosphorylation）概念：生物氧化过程中生成的概念：生物氧化过程中生成的NADHN

28、ADH或或FADHFADH2 2，经过电子，经过电子传递系统将电子传递给氧或氧化型物质，在这个过程传递系统将电子传递给氧或氧化型物质，在这个过程中偶联中偶联ATPATP或或GTPGTP的合成。的合成。n这是这是需氧需氧生物合成生物合成ATPATP的主要途径。的主要途径。n真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。假说：假说：化学渗透偶联假说化学渗透偶联假说构象变化偶联假说构象变化偶联假说（1 1）化学渗透偶联假说（）化学渗透偶联假说（19531953年）年）（掌握要点）（掌握要点） c

29、hemiosmoticchemiosmotic-coupling hypothesis -coupling hypothesis 认为电子传递过程中导致建立膜内外质子浓度认为电子传递过程中导致建立膜内外质子浓度差，从而将能量蕴藏在质子势中，质子势推动质子由差，从而将能量蕴藏在质子势中，质子势推动质子由膜外进入胞内，偶联膜外进入胞内，偶联F F1 1-F-F0 0ATPATP酶形成酶形成ATPATP。 19611961年由英国生物化学家年由英国生物化学家Peter MitchellPeter Mitchell最最先提出。先提出。获得获得19781978年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。NADH

30、NADH呼吸链中的三个复合物呼吸链中的三个复合物、起着质子泵的作用，将起着质子泵的作用，将H H+ +从线粒从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。体基质跨过内膜进入膜间隙。H H+ +不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的的F F0 0F F1 1-ATP-ATP合酶返

31、回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATPATP的合成。的合成。化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图 （2 2）构象偶联假说（）构象偶联假说（19641964） conformational coupling hypothesisconformational coupling hypothesis 认为质子势推动质子跨膜运输启动并驱认为质子势推动质子跨膜运输启动并驱使使F F1 1-F-F0 0ATPATP酶构像发生变化，这种构像变酶构像发生变化，这种构像变化导致该酶催化部位对化导致该酶催化部位对ADPADP和和PiPi的亲和力的亲和力

32、发生改变，并促进发生改变，并促进ATPATP的生成和释放。的生成和释放。线粒体内膜的表面有线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为着的球状颗粒，称为F FO OF F1 1-ATP-ATP合酶，也叫合酶，也叫ATPATP合酶复合体或合酶复合体或ATPATP合酶，是合酶，是ATPATP合成的合成的场所。场所。ATPATP的合成机制的合成机制 F FO OF F1 1-ATP-ATP合酶合酶它由它由F FO O、F F1 1两部分两部分组成，其中组成，其中F FO O由由4 4种种6 6条不同的肽链组成，条不同的肽链组成，是复合体的柄（含质是复合体的柄（含质子通道）

33、，镶嵌到内子通道），镶嵌到内膜中。膜中。F F1 1由由5 5种种9 9条肽条肽链组成，呈球状，是链组成，呈球状，是复合体的头，与复合体的头，与F FO O结结合后这个头伸向膜内合后这个头伸向膜内基质。基质。ATPATP的合成机制的合成机制 F FO OF F1 1-ATP-ATP合酶合酶F FO O是膜外质子返是膜外质子返回膜内的通道，回膜内的通道，F F1 1是催化是催化ATPATP合成的合成的部位，当膜外的质部位，当膜外的质子经子经F FO O质子通道到质子通道到达达F F1 1时便推动时便推动ATPATP的合成。的合成。ATPATP的合成机制的合成机制 F FO OF F1 1-ATP

34、-ATP合酶合酶b-ATPb-ADPb-empty构象变化构象变化偶联假说偶联假说（1 1）环式光合磷酸化）环式光合磷酸化（2 2）非环式光合磷酸化）非环式光合磷酸化（3 3）嗜盐菌紫膜的光合作用）嗜盐菌紫膜的光合作用 3 3、光合磷酸化、光合磷酸化（自学）（自学）第二节、耗能代谢（了解）第二节、耗能代谢（了解）细胞物质的合成细胞物质的合成耗能代谢耗能代谢运动、运输、生物发光等运动、运输、生物发光等合成代谢：合成代谢： ATPATP、NADPHNADPH、小分子起始物、小分子起始物分解代谢与合成代谢的区别：分解代谢与合成代谢的区别：可能有相同的步骤，但至少有一酶促反可能有相同的步骤，但至少有一

35、酶促反应不同。应不同。生物合成方向不可逆。生物合成方向不可逆。调节机制末端产物抑制。调节机制末端产物抑制。一、细胞物质的合成一、细胞物质的合成COCO2 2的固定的固定生物固氮生物固氮二碳化合物的同化二碳化合物的同化糖类的合成糖类的合成氨基酸的合成氨基酸的合成核苷酸的合成核苷酸的合成1 1、COCO2 2的固定的固定（1 1）、卡尔文循环）、卡尔文循环（2 2）、还原性）、还原性TCATCA循环固定循环固定CO2CO2（1 1）、卡尔文循环）、卡尔文循环6 6COCO2 2 + +1818ATP+ATP+1212NADPH+NADPH+1212H H+ + + + 1212H H2 2O OC

36、 C6 6H H1212O O6 61818ADP+ADP+1818Pi+Pi+1212NADPNADP+ +区别：区别：TCATCA柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶 还原性还原性TCATCA柠檬酸裂解酶柠檬酸裂解酶特点：特点：固定固定4 4分子分子COCO2 2 1 1分子草酰乙酸分子草酰乙酸消耗消耗3 3分子分子ATPATP、2 2分子分子NADPHNADPH、1 1分子分子FADHFADH第一步第一步CHCH3 3CO-CoA CO-CoA 丙酮酸丙酮酸 COCO2 2（2)2)还原性还原性TCATCA循环固定循环固定COCO2 22 2、生物固氮、生物固氮、工业固氮作用、工业固氮作用 3003

37、00大气压大气压 N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3 300300铁触媒铁触媒、生物固氮作用、生物固氮作用 6NAD(P)H NAD(P )6NAD(P)H NAD(P )+ + N N2 2 NHNH3 3 ATP MgATP Mg2+2+ ADP+PiADP+PiN N2 2 NH NH3 3生物固氮生物固氮：微生物：微生物将大气中分子态氮通过微生物固将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。氮酶的催化而还原成氨的过程。（biological nitrogen fixation）（1 1）固氮微生物）固氮微生物（2 2）固氮的生化机制）固氮的生化机制8080

38、余属，全部为原核生物（包余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。放线菌和蓝细菌。真核微生物还未发现。真核微生物还未发现。（1 1）固氮微生物）固氮微生物固氮微生物的种类固氮微生物的种类自生固氮菌自生固氮菌好氧：好氧：固氮菌属、多种蓝细菌等。固氮菌属、多种蓝细菌等。厌氧：厌氧：着色菌属、巴氏芽孢梭菌等。着色菌属、巴氏芽孢梭菌等。兼性厌氧：兼性厌氧：红螺菌属、克雷伯氏菌属等。红螺菌属、克雷伯氏菌属等。共生固氮菌共生固氮菌：根瘤根瘤（根瘤菌与豆科植物、弗兰克氏菌属与（根瘤菌与豆科植物、弗兰克氏菌属与非豆科植物）非豆科植物）、 地衣地衣（蓝细菌与真菌

39、）（蓝细菌与真菌）、满江红满江红（满江红与满江红鱼腥蓝细菌）（满江红与满江红鱼腥蓝细菌）等。等。联合固氮菌：根际、叶面、动物肠道等处的固氮菌。联合固氮菌：根际、叶面、动物肠道等处的固氮菌。根据固氮微生物与高等植物及其他生根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下物的关系，可将它们分为以下3 3类：类： 1 1、自生固氮微生物、自生固氮微生物 2 2、共生固氮微生物、共生固氮微生物 3 3、联合固氮微生物、联合固氮微生物1 1、自生固氮菌、自生固氮菌 独立生活状况下能够固氮的微生物。独立生活状况下能够固氮的微生物。2 2、共生固氮菌、共生固氮菌与其它生物形成共生体，在共生体内与其

40、它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。进行固氮的微生物。根瘤菌的根瘤根瘤菌的根瘤根瘤菌和根瘤的形成根瘤菌和根瘤的形成根瘤菌侵入根瘤菌侵入根毛并进入根毛并进入皮层细胞皮层细胞根瘤菌繁殖并根瘤菌繁殖并转变为不分裂转变为不分裂的类菌体的类菌体根瘤破裂，根瘤破裂，根瘤菌释放根瘤菌释放（X X、Y Y、T T 型等形状）型等形状）侵入线土壤中的土壤中的 自生根瘤菌自生根瘤菌（G G，杆状，能运，杆状，能运动，不固氮）动，不固氮）根根瘤瘤形形成成根毛根瘤菌根瘤侵入的根瘤菌地地 衣衣灌状地衣灌状地衣壳状地衣壳状地衣叶状地衣叶状地衣满满 江江 红红 满江红又叫红萍满江红又叫红萍,生长在水田或生长在水田

41、或池塘中的小型浮水植物池塘中的小型浮水植物,幼时呈绿色幼时呈绿色,生长迅速生长迅速,常在水面上长成一片。秋常在水面上长成一片。秋冬时节冬时节,叶内含有很多花青素叶内含有很多花青素,群体群体呈现一片红色呈现一片红色,故称满江红。满江红故称满江红。满江红常与鱼腥蓝细菌共生常与鱼腥蓝细菌共生,能固氮。满江能固氮。满江红可以作为水稻的优良绿肥，也是红可以作为水稻的优良绿肥，也是鱼类和家畜的饲料。鱼类和家畜的饲料。满满 江江 红红 鱼鱼 腥腥 蓝蓝 细细 菌菌3 3、联合固氮菌、联合固氮菌这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效

42、率比在自生成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。条件下高。固氮酶固氮酶ATPATP的供应的供应还原力及其传递载体还原力及其传递载体还原底物还原底物 N N2 2镁离子镁离子严格的厌氧微环境严格的厌氧微环境（二）固氮的生化机制（二）固氮的生化机制2NH2NH3 3+H+H2 2+18-24ADP+18-24Pi+18-24ADP+18-24PiN N2 2+8H+18-24ATP+8H+18-24ATP生物固氮总反应：生物固氮总反应：生物固氮反应的生物固氮反应的6 6要素要素固固氮酶的组分氮酶的组分 不同微生物的固氮酶的结构、功能类似。不同微生物的固氮酶的结构、功能类似。用用DEA

43、EDEAE纤维素层析柱；分步收集得到两种组纤维素层析柱；分步收集得到两种组分：分：220KD220KD，2 2种种4 4个小亚基构个小亚基构成；成； 固氮酶的活性中心固氮酶的活性中心（作用）。（作用）。 65KD65KD，1 1种两个亚基，钼种两个亚基，钼铁蛋白的还原酶，电子铁蛋白的还原酶，电子活化中心（作用）。活化中心（作用）。松松钼铁蛋白钼铁蛋白(MoFe(MoFe):):紧紧铁蛋白铁蛋白(Fe) (Fe) ：固氮酶铁蛋白的结构固氮酶铁蛋白的结构（两个亚基似蝴蝶翅膀）（两个亚基似蝴蝶翅膀）Fe-SFe-S簇簇遇氧敏遇氧敏感区域感区域（1 1）乙醛酸循环）乙醛酸循环 底物：底物：乙酸乙酸 酶

44、：酶： 异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶苹果酸合成酶（2 2）甘油酸途径）甘油酸途径3 3、二碳化合物的同化、二碳化合物的同化（4 4）、糖类合成）、糖类合成（5 5）、氨基酸合成）、氨基酸合成（6 6）、核苷酸合成）、核苷酸合成（自学）（自学）二、其他耗能反应二、其他耗能反应（了解、自学）（了解、自学）运动运动物质运输物质运输生物发光生物发光第三节、微生物代谢的调节第三节、微生物代谢的调节代谢调节代谢调节酶活性酶活性酶合成酶合成变构调节变构调节修饰调节修饰调节同工酶同工酶协同反馈抑制协同反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制方式：方式：一、酶活性调节一、酶活性调节

45、通过改变现成的酶分子活性来调节通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。平上的调节，属于精细的调节。变构调节变构调节修饰调节修饰调节变构调节变构调节是指是指某些调节物某些调节物能与酶的能与酶的调节部位结合使酶分子的构象发生改调节部位结合使酶分子的构象发生改变，从而改变酶的活性，称酶的变构变，从而改变酶的活性，称酶的变构调节。调节。 变构酶（变构酶（allostericallosteric enzymes enzymes） 1 1、变构调节、变构调节生理意义：生理意义：1 1、代谢终产物反馈调节反应途中的酶，、代谢终

46、产物反馈调节反应途中的酶，使代谢物不致生成过多；使代谢物不致生成过多；2 2、使能量得以有效利用，不致浪费；、使能量得以有效利用，不致浪费；3 3、不同代谢途径相互调节。、不同代谢途径相互调节。 某些酶蛋白肽链上的侧链基团在某些酶蛋白肽链上的侧链基团在另一酶的催化下可与某种化学基团发另一酶的催化下可与某种化学基团发生共价结合或解离，从而改变酶的活生共价结合或解离，从而改变酶的活性，这一调节酶的活性的方式成为酶性，这一调节酶的活性的方式成为酶的的共价修饰调节共价修饰调节。 2.2.修饰调节修饰调节别构调节与酶的化学修饰的比较：别构调节与酶的化学修饰的比较：二、分支合成途径调节二、分支合成途径调节

47、代谢调节代谢调节酶活性酶活性酶合成酶合成变构调节变构调节修饰调节修饰调节同工酶同工酶协同反馈抑制协同反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制方式：方式：1 1、同功酶调节、同功酶调节 意义：意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。用。某一产物过量仅抑制相应酶活，对其某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。他产物没影响。定义：定义：催化相同的生

48、化反应，而酶分子结构催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。（重点掌握）有差别的一组酶。（重点掌握）举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节节2 2、协同反馈抑制、协同反馈抑制定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。调节方式。举例：谷氨酸棒杆菌举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicumCorynebacterium glutamicum）多粘芽孢杆菌多粘芽孢杆菌（Bacillus pol

49、ymyxaBacillus polymyxa） 天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。3 3、积累反馈抑制、积累反馈抑制定义：每一分支途径末端产物按一定百定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。协同效应，亦无拮抗作用。积累反馈抑制积累反馈抑制E.coliE.coli谷氨酰

50、胺谷氨酰胺合成酶的调节合成酶的调节4 4、顺序反馈抑制、顺序反馈抑制一种终产物的积累一种终产物的积累, ,导致前一中间产物导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节。的调节。代谢调节代谢调节酶活性酶活性酶合成酶合成变构调节变构调节修饰调节修饰调节同工酶同工酶协同反馈抑制协同反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制方式：方式：三、酶合成调节三、酶合成调节酶合成的调节酶合成的调节通过调节酶的合成量进而调节代谢速通过调节酶

51、的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。属于粗放的调节，间接而缓慢。（一）酶合成调节的类型（一）酶合成调节的类型诱导诱导阻遏阻遏1.1.诱导诱导(induction)(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。物或其结构类似物而临时合成的酶类）。 举例：举例：E.col

52、iE.coli在含乳糖的培养基中合成在含乳糖的培养基中合成-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。 诱导物诱导物(inducer)(inducer)：底物或结构类似物，如：底物或结构类似物，如：异丙基异丙基-D-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷（IPTGIPTG，isopropylthiogalactosideisopropylthiogalactoside）。）。l诱导作用的类型诱导作用的类型：同时诱导：同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。途径中。顺序诱导：顺序诱导

53、：先合成能分解底物的酶，再先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。谢途径的分段调节。组成酶（固有酶）组成酶（固有酶）：不依赖底物或底：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：物结构类似物的存在而合成的酶。如：EMPEMP途径的一些酶。途径的一些酶。诱导酶：诱导酶：依赖于底物或底物结构类似依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。2.2.阻遏阻遏是阻碍代谢过程中包括关键酶在内是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻的一系列酶的合成的现象，从而更彻底

54、地控制和减少末端产物的合成。底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型阻遏作用的类型：末端产物阻遏（末端产物阻遏（end-product repressionend-product repression）：由于）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象。遏的现象。例如：过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶例如：过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。的合成。分解代谢物阻遏（分解代谢物阻遏（catabolitecatabolite repression repression）：当微）：当微生物在含有两种能够分解底物的

55、培养基中生长时，利生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。合成的现象。实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。酶合成调节的机制酶合成调节的机制操纵子学说概述：操纵子学说概述：1 1、操纵子（、操纵子（operonoperon）：）：是基因表达和控制的是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。因，操作子和启动子。结构基因结构基因(structural genes)(structural genes)：是决定某：是决定某一多肽的一多肽的DNADNA模