微生物学第六章微生物产能.ppt

1、第一节 微生物的产能代谢,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 最初能源日光 通用能源 还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,Cells require energy, either as light (phototrophs), inorganic chemicals (chemolithotrophs), or organic chemicals (chemoorganotrophs). Measured in calories (heat unit) or joules (work unit)

2、. 1 calorie = 4.1840 joules. Physicists biologists typically use calories. Some biochemistry and microbiology texts use kilocalories, others have converted to kilojoules. I will use kcal. To compare lecture values (kcal) with text values (kJ), multiply by 4.184. Example: 40 kjoules = 40/4.184 = 9.56

3、 kcal,Energy = capacity to do work,一、 生物氧化 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个本能代谢过程。 在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换存储在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式释放到环境中。 不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物利用无机物，通过生物氧化进行产能代谢。,生物氧化的方式： 和氧的直接化合： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O,失去电子： Fe2+ Fe

4、3+ + e -,化合物脱氢或氢的传递: CH3-CH2-OH CH3-CHO,生物氧化的功能：,产能(ATP) 产还原力【H】 小分子中间代谢物,生物氧化的过程,一般包括三个环节： 底物脱氢（或脱电子）作用 （该底物称作电子供体或供氢体） 氢（或电子）的传递 （需中间传递体，如NAD、FAD等） 最后氢受体接受氢（或电子） （最终电子受体或最终氢受体）,底物脱氢的途径 1、 EMP途径 2、HMP 3、ED 4、TCA,二、 异养微生物的生物氧化 异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中的受体不同可分成发酵和呼吸两种。 1 、发酵（fermentation） 是指微生物细胞将有机物氧化

5、释放的电子直接交给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。 发酵条件下有机化合物是部分地被氧化，释放一小部分能量，合成少量ATP（原因：底物碳原子只被部分氧化，初始电子供体和最终电子供体的还原电势相差不大）。发酵过程的氧化与有机物的还原偶联在一起。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢。不需外界提供电子受体。,发酵种类很多，以微生物发酵葡萄糖最重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glylolysis）。主要分为四个途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、解酮酶途径。 （1）EMP途径（Embden-Meyerhof parthway） 分为两个阶

6、段： 第一阶段：不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛3-磷酸 第二阶段：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子丙酮酸，每氧化一个葡萄糖分子，中间过程耗两个ATP，生成4个ATP，净得两分子ATP。 EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物合成代谢提供骨架，并在一定条件下可逆转合成糖。,葡萄糖的 酵解作用 ( 又称：Embden -Meyerhof -Parnas途径， 简称：EMP途径),活化,移位,氧化,磷酸化,葡萄糖激活的方式,己糖异构酶,磷酸果糖激酶,果糖二磷酸醛缩酶,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,甘

7、油酸变位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,磷酸果糖激酶,EMP途径特点：,葡萄糖分子经转化成1，6二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸， 1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。,EMP途径关键步骤,1. 葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(耗能) 2. 1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛 3. 3-磷酸甘油醛丙酮酸 总反应式： 葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA 丙酮酸脱

8、氢酶 乙酰CoA， 进入TCA,葡萄糖激活的方式,好氧微生物：通过需要Mg2+和ATP的己糖激酶 厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化,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在EMP途径 需要ATP和Mg+ 在活细胞内催化的反应是不可逆的反应,（二） HMP途径 (戊糖磷酸途径) （Hexose Monophophate Pathway）,是从葡萄糖-6-磷酸开始，即在单磷酸己糖基础上开始降解，故称为单磷酸己糖途径。 大多好氧和兼性厌氧微生物中都有HMP途径，而且在同一微生物中往往同时存在EMP和HMP途径，单独具其一者少。,H

9、MP途径： 葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。 磷酸戊糖进一步代谢有两种结局， 磷酸戊糖经转酮转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。 称为不完全HMP途径。 由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），称完全HMP途径。,HMP途径降解葡萄糖的三个阶段,HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径 1. 葡萄糖经

10、过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2 2. 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸 3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸,HMP途径关键步骤：,1. 葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸 2. 6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖 5-磷酸木酮糖 5-磷酸核糖参与核酸生成 3. 5-磷酸核酮糖6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(进入EMP,耗能阶段 C6 2C3 产能阶段 4 ATP 2ATP 2C3 2 丙酮酸 2NADH2 C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2H+2ATP+2H2O,

11、HMP途径的总反应,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,HMP途径的总反应,HMP途径的重要意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。 途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸

12、、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。 1952年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 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途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,（三）ED途径,在G-分布较广，特别是假单胞菌和固氮菌的某些菌株中较多存在。 ED可不依赖于EMP、HMP而单独存在。但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言，E

13、D途径不如EMP经济。,ED途径,ED途径,ED途径,ED途径,ED途径的特点,葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。 ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶. 反应步骤简单，产能效率低. 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相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。好氧时与TCA循环相连，厌氧时

14、进行乙醇发酵.,ED途径的总反应,ATP C6H12O6 ADP KDPG ATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6ATP 2乙醇 (有氧时经过呼吸链) （无氧时进行细菌乙醇发酵）,关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶 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，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。 缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,ATP 有氧时经呼吸链 6ATP 无氧时 进行发酵 2乙醇,2ATP NADH+H+ NADPH+H+ 2丙酮酸,ATP C6H12O6KDPG,

15、ED途径的总反应（续）,由表可见，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。,（四）磷酸解酮酶途径,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中，进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。 进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。 磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径,葡萄糖 6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸 5 -P-核酮糖 5 -P-木酮糖,3 -P-甘油醛 丙酮酸,乙酰磷酸 乙酰CoA 乙醛,AT

16、P,ADP,NAD+,NADH+H+,CO2,乳酸,乙醇,异构化作用,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖酮解酶,CoA,Pi,2ADP+Pi,2ATP,-2H,-2H,-2H,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖酮解途径,磷酸戊糖酮解途径的特点:,分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半; 几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2,磷酸己糖解酮途径,2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸 6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖,4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸,2木酮糖-5-磷酸,2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸,2乳酸,2乙酸,乙酸,磷酸己糖解酮酶,磷酸己糖解酮酶戊,逆HMP途径,同EMP,乙酸激酶,磷酸己糖

17、酮解途径的特点：,有两个磷酸酮解酶参加反应； 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联； 每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP； 许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。,2 呼吸作用 呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递经底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。 在有氧或其他外源电子受体存在时，底物分子可被完全氧化为CO2，且在此过程中合成的ATP量大大多于发酵过程。 微生物在降

18、解底物过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAN或FMN等电子载体，再经过电子传递系统传给外源电子受体。从而生成水或其他还原产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。其中，以分子氧化作为最终电子受体的称为有氧呼吸（aerobic respiration），以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸（anaerobic respiration）。,（1）有氧呼吸 （2）无氧呼吸 厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸，最终电子受体不是氧，而是NO3、NO2、SO4、S2O3、CO2等外源受体。释放能量但不如有氧呼吸多。 异养微生物和自养微生物在最初能源上尽管存在巨大差异，但他们生物氧化

19、本质相同，都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段。,概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。 途径：EMP,TCA循环在发酵过程中，葡萄糖经过糖酵解作用形成丙酮酸在厌氧条件下转变成不同发酵产物，而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环），被彻底氧化成CO2和水，同时释放大量能量。 特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,有氧呼吸, 由

20、此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,（五） TCA循环,丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。 循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,TCA循环的重要特点,1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。 4、循环中的某些中间产物是一些

21、重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式； 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；Glu发酵等。,二、递氢、受氢和ATP的产生,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.,发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模； 呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸作用又可分为两类： 有氧呼吸最终电子受体是分子氧O2; 无氧呼吸最终电子受体是O2以

22、外的 无机氧化物，如NO3-、SO42-等.,呼吸链的功能： 一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP这就是电子产生磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。,原核生物呼吸链的特点,存在于细胞膜上 呼吸链中的氧还载体取代性强，如CoQ可被MK取代 呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减 有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别,NAD：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态NDAH+H+。 FAD和FMN：黄素蛋白的辅基， 铁硫蛋白（Fe-S）：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫

23、的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“2Fe+2S”中心每次仅能传递一个电子。 泛醌（辅酶Q）：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。 细胞色素系统：位于呼吸链后端，功能是传递电子。,微生物中重要的呼吸链组分,细胞色素系统,功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推

24、到线粒体膜或细胞膜外的溶液中。 分类：线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为cyt.a， cyt.a3， cyt.b， cyt.c和cyt.o等。细胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。Cyta a3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。细胞色素a a3含有两个必需的铜原子。由还原型a3将电子直接传递给分子氧。 电子从CoQ传到b c c1 ，Fe-S旦白, a a3 。 结构组成：以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。 cyt.a3即细胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，激活分子氧。,AT

25、P的结构和生成,2. ATP的生成方式:,微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化学能. ATP是生物体内能量的载体或流通形式.当微生物获得能量后,都是先将获得的能量转换成ATP.当需要能量时,ATP分子上的高能键水解,重新释放出能量.,光合磷酸化 氧化磷酸化,底物水平磷酸化 电子传递磷酸化,1. 结构:,三 自养微生物的生物氧化 化能自养微生物在无机能源氧化过程中，通过氧化磷酸化产生ATP 1 、氨的氧化 NH3同NO2是可以用作能源最普通的无机氮化合物，硝化细菌可将其氧化。 亚硝化细菌：氨先氧化为亚硝酸 硝化细菌 硝化细菌：亚硝酸被氧化为硝酸,2 、硫的氧化 硫细菌尤其

26、是硫杆菌可利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。 3 、铁的氧化 亚铁被氧化为高价铁。 4 、氢的氧化 氢细菌均为G，兼性化能自养菌。 氢细菌细胞膜上有泛醌，VK2，细胞色素等呼吸链部分。电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生ATP。 位于壁膜间或结合在细胞质膜上的不需NAD的颗粒状氧化酶促使氢转变为氢离子。可驱动质子的跨膜运输，形成胯膜质子梯度为ATP的合成提供动力。 可溶性氢化酶 使NAD+转变成NADH，所生成的NADH主要用于CO2的还原。,四 、能量转换 在产能过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷

27、酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于ATP等高能分子中，对光合微生物而言，则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中。 1 、底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation） 物质在生物氧化过程中，常产生一些含有高能磷键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。,底物水平磷酸化： 底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。 这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。,底物水平磷酸化举例：,由于脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。这种高能连接的磷酸可以转给ADP，