1、第六章 微生物的代谢和发酵,微生物的代谢和发酵,新陈代谢(metabolism)：微生物细胞内发生的各种化学反应的总称。它主要由分解代谢和合成代谢两个过程组成。分解代谢代谢 合成代谢,分解代谢,分解代谢：复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、ATP形式的能量和还原力H的作用（即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）。,分解代谢（续）,一般可将分解代谢分为三个阶段： 将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质； 将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，会产生一些ATP、NADH及
2、FADH2。 通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。,合成代谢,合成代谢：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H一起合成复杂的大分子的过程（即细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，此过程要消耗能量）。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。复杂分子 简单分子 + ATP +H,分解代谢酶系,合成代谢酶系,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的，前一步反应的产物是后续反应的底物； 细胞通过各种方式有效地调节相关的酶促反应，来保证整个代谢途径的
3、协调性和完整性，从而使细胞的生命活动得以正常进行。,第一节 微生物的产能代谢,能量代谢：是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源（有机物、日光、还原态无机物）转换成对一切生命活动都能使用的通用能源ATP。有机物日光 ATP还原态无机物,化能异养菌,光能营养菌,化能自养菌,生物氧化,生物氧化：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。是一个产能代谢过程。 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 生物氧化来进行产能代谢。,生物氧化,生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应。 生物氧化的形式：某物质与氧结合
4、、脱氢或失去电子三种。 生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段。 生物氧化的功能：产能(ATP)、产还原力H和产小分子中间代谢物三种。,一、异养微生物的生物氧化 （一） 底物脱氢的四条主要途径,EMP途径(Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway)（糖 酵解途径(glycolysis)或己糖二磷酸途径(hexose diphosphate pathway) HMP途径(己糖一磷酸途径或戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径) ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄酸裂解途径M所特有) 三羧酸循环(TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环),1、EMP
5、途径(Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway)（糖酵解途径(glycolysis)或己糖二磷酸途径(hexose diphosphate pathway)：酶将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随着生成ATP的过程。绝大多数生物所共有的基本代谢途径。反应过程：以1分子葡萄糖为底物，经10步反应产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。分两个阶段，三种产物，10个反应步骤（需10种酶）。,EMP途径,10个反应步骤： 葡萄糖磷酸化形成6-磷酸葡萄糖(G-6-P)； G-6-P转化成6-磷酸果糖(F-6-P)； F-6-P磷酸化成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-2P)； F-1,6-2P裂解
6、成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮(DHAP)； 磷酸三碳糖的同分异构化； 前5步为耗能(准备)阶段，葡萄糖通过磷酸化分解成三碳糖，每分解一个己糖分子消耗2分子ATP。,EMP途径, 3-磷酸甘油醛氧化成1,3-二磷酸甘油酸； 1,3-二磷酸甘油酸将磷酰基ADP形成3-磷酸甘油酸ATP； 3-磷酸甘油酸转变成2-磷酸甘油酸； 2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸； 磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP形成ATP和丙酮酸。 后5步为产能阶段，每分子三碳糖产生2分子ATP，共产生4分子ATP。,EMP途径,EMP途径的总反应：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2CH3COCO
7、OH+2NADH+2H+2ATP+2H2O,EMP途径,EMP途径：1分子葡萄糖降解成2分子丙酮酸，消耗2分子ATP，产生4分子ATP，净得2分子ATP。 无氧条件下，酵解共产生2ATP，2NADH将H交给2分子丙酮酸生成2分子乳糖，或还原丙酮酸的脱羧产物乙醛而产生乙醇。 有氧条件下，2NADH+H+经呼吸链氧化成H2O可产生6分子ATP。 分子葡萄糖酵解共产生ATP。,2、 HMP途径,HMP途径(己糖一磷酸途径或戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径)：是一条葡萄糖不经EMP和TCA途径而得以彻底氧化，并产生大量NADPH+H+ 形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。,HMP途径,HMP途径
8、： 葡萄糖分子经脱氧、脱羧产生核酮糖-5-磷酸和CO2； 核酮糖-5-磷酸可同分异构化产生5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖； 戊糖磷酸（无氧时）发生碳架重排生成己糖磷酸(F-6-P)和丙糖磷酸(3-磷酸甘油醛)。,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O5 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
9、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、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
10、现存在于其它生物中。,3、ED途径,ED途径,ATP ADP NADP+ NADPH2 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸激酶 （与EMP途径连接） 氧化酶 (与HMP途径连接) EMP途径 3-磷酸-甘油醛 脱水酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途径 丙酮酸 醛缩酶 有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵,ED途径,4、TCA循环,三羧酸循环(TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环)：在有氧条件下，将酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成CoA，再经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2和H2O并产生能量的过程。,TCA途径：, 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸； 柠檬酸异构化生成异柠
11、檬酸； 异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸； -酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰辅酶A； 琥珀酰辅酶A转化成琥珀酸，并产生GTP； 琥珀酸脱氢生成延胡索酸； 延胡索酸被水化生成苹果酸； 苹果酸脱氢生成草酰乙酸。,（二） 递氢和受氢,生物氧化根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可分为（有氧）呼吸、无氧呼吸和发酵三种。 （有氧）呼吸(respiration)：底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量(ATP)。,1、有氧呼吸,微生物中重要的呼吸链组分：,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和黄素单核苷酸
12、(FMN) 铁硫蛋白(Fe-S) 泛醌(辅酶Q) 细胞色素系统,2、无氧呼吸(anaerobic respiration),是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是延胡索酸）受氢。,无氧呼吸的类型,硝酸盐呼吸(nitrate respiration)反硝化作用(denitrification)： 硫酸盐呼吸(sulfate respiration)： 硫呼吸(sulphur respiration)： 碳酸盐呼吸(carbonate respira
13、tion)： 延胡索酸呼吸(fumarate respiration) ：,硝酸盐呼吸（反硝化作用）,3、发酵(fermentation),在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力H不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵: 酵母型酒精发酵 同型乳酸发酵 丙酸发酵 混合酸发酵 丁酸型发酵 2,3-丁二醇发酵,酒精发酵 （Alcoholic fermentation）,乙醛,同型乳酸发酵,同型乳酸发酵,混合酸发酵（Mixed acid fermentation）,甲酸,Other types of fermentation,通过HMP
14、途径的发酵异型乳酸发酵：葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵异型乳酸发酵。如一些异型发酵乳酸杆菌。 通过ED途径进行的发酵：细菌酒精发酵（如运动发酵单胞菌）。,酒精发酵的三种类型：,酵母的同型酒精发酵：通过EMP途径葡萄糖+2ADP+2Pi2乙醇+2CO2+2ATP细菌的同型酒精发酵：通过ED途径葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP细菌的异型酒精发酵：通过HMP途径葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP,氨基酸发酵产能Stickland 反应：以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型。其产能效率很低，1分子氨基酸仅产1ATP。如少
15、数厌氧梭菌（生孢梭菌、肉毒梭菌等）。 发酵中的产能反应：只通过底物水平的磷酸化，固产能效率很低。,概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。 意义：合理利用能源 机理：,通风对酵母代谢的影响,巴斯德效应(The Pasteur effect ),现象：,葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-果糖1,6-二磷酸果糖 磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,磷酸果糖激酶(PFK),丙酮酸激酶,己糖激酶, -ATP、柠檬酸, -ADP,AMP, 6-磷酸-葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸,1,6-二-磷酸-果糖,巴斯德效应（续）,二、自养微生物的生物氧化、产能和CO2 固定,自养
16、微生物的生物氧化同样分脱氢、递氢、受氢 三个阶段。,借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产能。 能量代谢的特点： 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系； 呼吸链组分更为复杂多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链； 产能效率一般比异养微生物更低。,化能自养型,光能自养型,光能自养型的微生物中，其ATP和H可通过以下几种方式获得： 循环光合磷酸化 非循环光合磷酸化 通过紫膜的光合磷酸化,光合磷酸化：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。 按电子传递的方式，光合磷酸化可分为两种类型：循环式光合磷酸化非循环光合磷酸化,光合作用,非循环式光合磷酸化,循环式光合磷酸化,循环光合磷酸化：一种存
17、在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化。 非循环光合磷酸化：是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。,光合磷酸化,紫膜：嗜盐菌的细胞膜制备物分红色和紫色，紫色部分在膜上呈斑片状独立分布，约占细胞膜面积的一半，即为能进行独特光合作用（无叶绿素或菌绿素参与）的紫膜。细菌视紫红质（其作用与叶绿素相象）占紫膜含量75%。 嗜盐菌只有在环境中O2浓度很低和有光照条件下才合成紫膜。 嗜盐菌可通过两条途径获取能量： 有氧存在下的氧化磷酸化途径； 有光存在下的某种光合磷酸化途径。,嗜盐菌紫膜的光合作用,2. 自养微生物
18、的CO2固定,CO2固定：将空气中CO2同化成细胞物质的过程，称为CO2的固定作用。 自养微生物同化CO2所需的能量来自光能或无机物氧化所得的化学能， CO2固定途径主要有： 卡尔文循环； 厌氧乙酰辅酶A途径； 还原性三羧酸循环途径。,1、Calvin循环(Calvin cycle)(又称Calvin-Bussham 循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环)：是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径。存在于绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细菌以及全部好氧性的化能自氧菌；整个过程分三个阶段：羧化反应、还原反应、CO2受体的再生。,光能自养型,3磷酸甘油酸,3磷酸甘油醛,磷酸戊糖,2、厌氧乙
19、酰-辅酶A途径(又称活性乙酸途径)由乙酰-辅酶A途径担任CO2还原功能；存在于一些能利用氢的严格厌氧菌包括产甲烷菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌中。 3、还原性TCA循环途径CO2通过琥珀酰-CoA的还原性羧化作用而被固定；只在少数光合细菌中存在（如嗜硫代硫酸盐绿菌）。,能量代谢是微生物新陈代谢的核心；是研究有机物、无机物或日光辐射能等最初能源如何一步步转变成生命活动通用能源ATP的。 异养微生物利用有机物做能源，通过生物氧化以及与此相联的氧化磷酸化或底物水平磷酸化反应形成ATP。,小 结,生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个阶段，并按其最终氢受体的性质分为呼吸、无氧呼吸或发酵3种。呼吸的产能效率最高，无氧呼吸次之，发酵则最低。,化能自养微生物利用无机物的氧化取得ATP，不但产能少，且还须通过能耗大的逆呼吸链反应产生固定CO2所需的还原力H，因此生长缓慢，生长得率极低。,光能自养微生物可通过循环光合磷酸化（厌氧光合细菌）、非循环光合磷酸化（产氧的蓝细菌）或紫膜光合磷酸化（嗜盐菌类古生菌）取得ATP。,
