细菌新陈代谢

关于细菌新陈代谢第四章细菌的新陈代谢新陈代谢（代谢，metabolism）：是细胞内发生的一切化学反应的总称。根据不同的分类依据，代谢分为：能量代谢

物质代谢；合成代谢（anabolism）

分解代谢（catabolism）；初级代谢（primarymetabolism）

次级代谢（secondarymetabolism）酶（enzyme）：是一种具有催化活性的蛋白质，它具有高度的专一性，即一种酶只能催化一种或一类反应。绝大多数的代谢都是酶催化的化学反应。第2页,共38页，2024年2月25日，星期天能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换为一切生命活动的通用能源------ATP第一节细菌的能量代谢最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物氧化型还原型氧化型还原型叶绿素、菌绿素、视紫红质捕获通用能源（ATP）功（化学功、运输功、机械功）第3页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢生物氧化：发生在细胞内的一切产能性氧化反应的总称。过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）底物水平磷酸化：是指物质在脱氢或脱水过程中，产生高能代谢物并直接将高能代谢物中能量转移到ADP(GDP)生成ATP(GTP)的过程氧化磷酸化：在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成，95%的ATP来自这种方式有机物的生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中异养型微生物以有机物的生物氧化获得能量，根据最终电子受体性质的不同，细菌的产能方式分为发酵、有氧呼吸和无氧呼吸。细菌合成ATP的途径主要为底物水平磷酸化和氧化磷酸化。第4页,共38页，2024年2月25日，星期天一、葡萄糖的分解代谢第一节细菌的能量代谢1.EMP途径，又称糖酵解途径（Embden-Mdyerhof）2.HMP途径，又称己糖-磷酸途径（Hexosemonophosphatepathway）3.ED途径（Entner-Doudoroff）4.TCA循环，即三羧酸循环（Tricarboxylicacidcycle）第5页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

1.EMP途径（糖酵解途径）葡萄糖经九步反应生成丙酮酸的过程。

有氧：EMP途径与TCA途径连接；无氧：还原代谢产物，厌氧菌唯一的产能途径产能反应（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绝大多数细菌存在EMP途径，其产能低，但生理功能重要总反应式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH+2ATP

第6页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

EMP途径（糖酵解途径）的生理功能

1.供应ATP形式的能量和NADH。2.连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括TCA、HMP、ED等3.为生物合成提供多种中间代谢产物；4.通过逆向反应可进行多糖合成。第7页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

2.HMP途径（磷酸戊糖途径）葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH形式的还原力及多种中间代谢产物，但不产生ATP。总反应式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi分为两个阶段：6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下生成NADPH，CO2和5-磷酸核酮糖5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下，部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，进入EMP途径第8页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

HMP途径（磷酸戊糖途径）的生理功能：为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸产生大量的NADPH，一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量产生多种重要的中间物，其中四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成，5-磷酸核糖用于核苷酸和组氨酸的合成。HMP途径是戊糖代谢的主要途径，具有该途径的微生物的碳源谱更广泛

第9页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

3.ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的细菌的一种替代途径。特点：特征反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛缩酶催化的KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；ED途径中的两分子丙酮酸：一分子由2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP途径转化而来；1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP。第10页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

4.TCA（三羧酸循环）

又称柠檬酸循环，Krebs循环，有氧条件下将糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA,乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2和H2O并产生能量的过程。特点：1）氧虽不直接参与反应，但必须在有氧条件下进行（NAD和FAD再生时需氧）；2）每分子丙酮酸可产4分子NADH、1分子FADH2、1分子GTP，共相当于15分子ATP，产能效率极高。柠檬酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸苹果酸延胡索酸草酰乙酸丙酮酸乙酰CoA第11页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢

TCA（三羧酸循环）的生理功能：为糖、脂类、蛋白质三大物质转化的中心枢纽；循环中的中间产物是一些重要物质生物合成的前体；生物体提供能量的主要代谢途径。第12页,共38页，2024年2月25日，星期天5.电子传递链（氧化呼吸链——氧化水平磷酸化）电子从供体NADH和FADH转移到电子受体O2第一节细菌的能量代谢电子传递链载体：NADH脱氢酶、黄素蛋白、辅酶Q（CoQ）、铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白；在细胞膜上以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。NADH脱氢酶复合体琥珀酸脱氢酶复合体细胞色素还原酶复合体细胞色素氧化酶复合体ATP合成酶复合体第13页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢无氧呼吸：产生2分子ATP有氧呼吸：共产生38分子ATP？糖酵解：底物水平磷酸化——2ATP

产生2NADH经氧化磷酸化——6ATPTCA循环：底物水平磷酸化——2ATP

产生8NADH经氧化磷酸化——24ATP

产生2FADH2经氧化磷酸化——4ATPcorrigendumNADH和FADH2的P/O值更接近于2.5和1.5，因此有氧呼吸1分子葡萄糖产生的ATP约为30个第14页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢乙醛酸循环乙醛酸循环：由异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶催化的反应，绕过了TCA循环从异柠檬酸到苹果酸之间的5步反应。乙醛酸循环的生理功能：以乙酰CoA为起始物合成三羧酸循环中的二羧酸与三羧酸，作为三羧酸循环上化合物的补充；脂肪转变为糖是通过乙醛酸循环途径进行的。2分子乙酰辅酶A合成1分子苹果酸，氧化变成草酰乙酸后，脱羧生成丙酮酸经糖异生途径可合成糖。第15页,共38页，2024年2月25日，星期天第一节细菌的能量代谢其它糖类代谢半乳糖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-磷酸果糖多糖经多糖水解酶（淀粉酶等）水解为单糖或二糖后被细菌吸收利用第16页,共38页，2024年2月25日，星期天脂肪烃类的分解二、脂肪酸的分解1.脂肪酸的活化：脂肪酸转变为脂酰CoA第一节细菌的能量代谢2.β-氧化途径：生成乙酰CoA并产生大量能量（1分子脂酰CoA经β-氧化产生17分子ATP）第17页,共38页，2024年2月25日，星期天脂肪烃类的分解第一节细菌的能量代谢三、蛋白质的分解细菌分解蛋白质的酶有两类，一类为蛋白酶（胞外酶），另一类为肽酶（胞内酶），前者将蛋白质分解为多肽和二肽。肽类可进入胞内，肽酶将其水解为游离的氨基酸，供菌体利用。微生物对氨基酸主要为脱氨作用和脱羧作用，微生物分解氨基酸的能力因菌种而异。第18页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节微生物的合成代谢微生物合成代谢需要能量（如ATP）、还原力（NADH、NADPH）和外界吸收的小分子物质或分解代谢的中间代谢产物的参与，最终合成生物大分子。合成代谢是耗能的过程，细胞内绝大多数的ATP都用于蛋白质、脂类、核酸等大分子的合成。第19页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节微生物的合成代谢合成代谢的三要素：能量、还原力和小分子碳架化合物第20页,共38页，2024年2月25日，星期天一、脂肪酸的合成饱和脂肪酸的合成分两个阶段：第二节微生物的合成代谢脂肪酸合成的初始阶段需要以短的脂酰CoA作为引物，合成丙二酰-CoA。生物素作为乙酰-CoA的辅基，参与脂肪酸的合成1.丙二酰-CoA的合成第21页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节微生物的合成代谢2.多酶复合体参与的脂肪酸合成酰基载体蛋白（acylcarrierprotein，ACP）：一种携带脂酰基的蛋白质，将脂酰基中间体固定在酶上。多酶复合体：围绕在ACP周围，包括ACP酰基转移酶、β-酮脂酰-ACP合成酶、丙二酰-ACP-转移酶等丙二酰-ACP乙酰乙酰-ACP巴豆酰-ACPβ-羟丁酰-ACP第22页,共38页，2024年2月25日，星期天

氨基酸（aminoacid）：含有氨基和羧基的一类有机化合物的统称，是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是维持基本生命活动的重要物质基础。第二节微生物的合成代谢二、氨基酸的生物合成第23页,共38页，2024年2月25日，星期天氨基酸的生理功能人体构成基本物质之一：蛋白质的基本组成单位生命代谢的物质基础：缺乏必需氨基酸，导致生理功能异常，影响机体代谢的正常进行，某些非必需氨基酸缺乏，会产生机体代谢障碍；生成其它重要代谢物，参与机体生命活动：

①合成组织蛋白质；

②生成酸、激素、抗体、肌酸等含氨物质；

③生成碳水化合物和脂肪；

④氧化成二氧化碳和水及尿素，产生能量。第24页,共38页，2024年2月25日，星期天根据氨基酸对人体健康和营养的作用，将氨基酸分为必需氨基酸、功能性氨基酸和二肽三类：必需氨基酸：营养健康所必需的，人体自身不能合成或合成速度不能满足人体需要；功能氨基酸：能够促进人体生理功能；二肽：一些不稳定或溶解度较低的氨基酸的结构替代物MitsuhashiS.Currenttopicsinthebiotechnologicalproductionofessentialaminoacids,functionalaminoacids,anddipeptides.CurrentOpinioninBiotechnology,2014,26C(6Suppl):38-44.第二节微生物的合成代谢第25页,共38页，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成1.氨基酸分子中各基团的来源：①氨的来源：a.外界环境吸收，b.胞内含氮化合物，c.生物固氮，d.由NO3-还原②硫的来源：

a.外界环境吸收，b.胞内含硫化合物，c.胞内同化型还原SO42-③碳架结构的来源：来源于糖代谢的中间产物

第二节微生物的合成代谢第26页,共38页，2024年2月25日，星期天第二节微生物的合成代谢氨基酸的碳骨架来源第27页,共38页，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成第二节微生物的合成代谢根据氨基供体来源不同，氨基酸的合成途径主要分为：氨基化作用：α-酮酸与氨反应生成氨基酸（初生氨基酸），如谷氨酸、天冬氨酸的合成转氨基作用：在转氨酶的催化作用下，一种氨基酸的氨基转移给酮酸，生成新的氨基酸，转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛，如支链氨基酸、芳香族氨基酸、天冬氨酸族氨基酸及组氨酸的合成由初生氨基酸合成次生氨基酸：由初生氨基酸经转氨作用或以初生氨基酸为前体合成的氨基酸，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页,共38页，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径第29页,共38页，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径代谢途径长，由DAHP经12步合成色氨酸，分支途径多色氨酸操纵子受到严格的反馈抑制和反馈阻遏调节合成所需的前体物参与细胞重要的生长代谢过程：PEP、E4P、Gln、Ser和PRPP高ATP消耗：色氨酸为合成消耗ATP最高的氨基酸（1:13）色氨酸酪氨酸苯丙氨酸第30页,共38页，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成支链氨基酸的生物合成途径代谢途径交错偶联：异亮氨酸与缬氨酸有四个共用酶，亮氨酸从缬氨酸合成中间物分支分支途径多：Lys，Met，Thr等副产物难控制调控网络复杂：关键酶受多种氨基酸的反馈抑制调节高NADPH消耗：合成1分子异亮氨酸需3分子NADPH缬氨酸异亮氨酸亮氨酸第31页,共38页，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成组氨酸的生物合成途径经戊糖磷酸途径（HMP）合成前体PRPP代谢途径长，由PRPP经10步反应与核苷酸合成途径竞争前体物质调控网络复杂：关键酶受严格的反馈调节高能耗的合成过程ATP参与分子骨架合成组氨酸第32页,共38页，2024年2月25日，星期天本章重点葡萄糖代谢的主要途径及其能量合成氧化呼吸链的组成和电子传递途径脂肪酸的合成过程氨基酸的合成的碳骨架来源和氨基化过程第33页,共38页，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸链上各组分的晶体结构ATP是生物体进行新陈代谢所必需的，是一切生命活动所需能量的直接来源，是细胞内能量传递的“分子货币”。而由电子传递链介导的氧化磷酸化是生物体内生成ATP的主要途径。因此，深入研究呼吸链上的电子传递机制对理解生物体的生命活动至关重要。这使得对呼吸链上各组分晶体结构的解析显得异常重要。第34页,共38页，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸链上各组分的晶体结构20102012199819981999呼吸链上的五大复合物的晶体结构解析均发在了高水平文章上。第35页,共38页，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸链上各组分的晶体结构呼吸链上各组分的晶体结构解析仍然是研究热点，例如，一篇解析铁硫蛋白复合物晶体结构的文章于今年6月发表在了《nature》上。该晶体结构第一次详细揭示了金属蛋白中金属络合物的价电子分布，提供了电子在呼吸链上传递的结构基础，为关于金属蛋白的理论研究和实验工作提供了帮助。Hirano,Y.,Takeda,K.&Miki,K.Charge-densityanalysisofaniron-sulfurproteinatanultra-highresolutionof0.48A.Nature534,281-284,doi:10.1038/nature18001(2016).第36页,共38页，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.&Rulíšek,L.Theoreticalcalculationsofphysicochemicalandspectroscopicpropertiesofbioinorganicsystems:currentlimitsandperspectives.DaltonTrans.41,5754–5768(2012).4.Nogi,T.,Fathir,I.,Kobayashi,M.,Nozawa,T.&Mik