1、上章教学回顾 第四章 微生物的营养和培养基 4-1 微生物的 6类营养要素 4-2 微生物的营养类型 4-3 营养物质进入细胞的方式 4-4 培养基碳源氮源能源无机盐生长因子水光能自养光能异养化能自养化能异养 单纯扩散促进扩散主动运送基团移位选用和设计培养基的原则和方法培养基的种类第 五章 微生物的新陈代谢 一、教学目的与要求 了解和掌握 微生物的能量代谢和合成代谢，理解代谢调节机制 二、 教学内容： 1、微生物的能量代谢 ( ) 2、分解代谢和合成代谢的联系 3、微生物独特合成代谢途径举例 ( ) 4、微生物的代谢调节与发酵生产 ( )第 五章 微生物的新陈代谢新陈代谢（代谢）物质代谢能量代
2、谢分解代谢 （异化作用）合成代谢 （同化作用）产能代谢耗能代谢复杂分子（有机物）分解代谢酶系合成代谢酶系 简单分子 ATP H第一节 微生物的能量代谢 目的：最初能源 通用能源 ？最初能源有机物日 光还原态无机物 化能自养菌光能营养菌化能异养菌通用能源(ATP)生物能量转移的中心一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化： 概念：发生在活细胞内的一系列 产能性氧化反应 的总称。 形式某物质与氧结合、脱氢和失去电子 过程：脱氢 (或电子 )、 递氢 (或电子 )和受氢 (或电子 ) 功能：产 ATP、产还原力 H和产小分子中间代谢物 类型：呼吸、无氧呼吸和发酵 ATP生成的具体方式： 底物（基
3、质）水平磷酸化：厌氧和兼氧微生物在基质氧化过程中，产生一种 高含能的中间体 ，这一 中间体 将高能键交给 ADP，使 ADP磷酸化生成ATP。 电子水平磷酸化 ：在电子传递过程中产生高能传递给 ADP生成 ATP的过程。包括 氧化磷酸化 和 光合磷酸化 。产能性生物氧化反应 ADP是能量的载体； ATP-生物能量转移的中心和能量库，是短期的贮能物质。生物氧化的形式 和氧的直接化合： C6H12O6 + 6O2 6CO 2 + 6H2O 失去电子： Fe2+ Fe 3+ + e - 化合物脱氢 CH3-CH2-OH CH3-CHONAD NADH2TPP（焦磷酸硫胺素） :由 VB1转化 FMN
4、（黄素单核苷酸） :由 VB2转化 FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） :由 VB2转化 NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸） :由 Vpp转化 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸） :由 Vpp转化 一 )底物脱氢的 4条途径 EMP途径、 HMP途径、 ED途径、 TCA循环1、 EMP途径 概念 又称 糖酵解途径 或 已糖二磷酸途径 。是绝大 多数微生物共有的一条 基本代谢途径 。对专性厌氧 (无氧呼吸 )的微生物， EMP途径是 唯一的途径 。 特点 葡萄糖 所含 C原子只有 部分氧化， 产能较少 1分子葡萄糖约经 10步反应 转变成 2分子丙酮酸、 2分子 ATP和 2分子的 NADH+H+，能
5、量利用率 26% ， 74%为热能。底物水平磷酸化底物水平磷酸化ATPATP丙酮酸耗能过程 （C6C 3）关键步骤产能过程（C3C 3）EMP途径的总反应式总反应式：葡萄糖 +2NAD+2ADP+2Pi 2 丙酮酸 +2NADH2+2ATP+2H2OCoA 丙酮酸脱氢酶乙酰 CoA， 进入 TCA生理功能 供应 ATP形式的能量和 NADH2形式的还原力 是连接其他几个重要代谢途径的 桥梁 为生物合成提供多种 中间代谢物 通过 逆向反应 可进行多糖合成 与乙醇、乳酸、甘油和丁醇等的 发酵生产关系密切2、 HMP途径 概念 又称 已糖一磷酸途径 (支路 )、 戊糖磷酸途径 、 磷酸葡萄糖酸途径
6、或 WD 途径 。 特点 6分子葡萄糖以 6-磷酸葡萄糖 的形式参与 不经 EMP途径和 TCA循环途径 而得到 彻底氧化 ，并能产生大量的NADH+H+形式的还原力和多种重要 中间代谢产物 (如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸 (异型乳酸发酵 )等 )。 有 HMP途径的微生物中往往同时存在 EMP途径， 单独具有 HMP途径的微生物少见 。凡 葡萄糖 经发酵后除产生 乳酸 外，还产生乙醇、乙醛和 CO2等 多种产物 的发酵。2、 HMP途径 HMP途径降解葡萄糖的三个阶段 1. 葡萄糖 经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 表型异构
7、化 而分别产生 核糖 -5-磷酸 和 木酮糖 -5-磷酸 3.上述各 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6-磷酸果糖 3-磷酸甘油醛EMP途径HMP途径的总反应式 6 葡萄糖 -6-磷酸 +12NADP+6H2OHMP途径在微生物生命活动中意义重大： 供应合成原料 5 葡萄糖 -6-磷酸 +12NADPH+12H+12CO2+Pi 作为固定 CO2的中介 产大量还原力 扩大碳源利用范围 连接 EMP途径可提供许多重要的 发酵产物 。 概念 又称 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡糖酸 (KDPG)裂解途径 。是存在于某些 缺乏完整 EMP途径 的微生物中的一种
8、替代途径，为微生物所特有。 特点 1分子葡萄糖只经过 4步 即可快速获得由 EMP途径须10步 反应才能形成的 2分子丙酮酸 ，但只产 1分子的ATP。3、 ED途径3、 ED途径ED途径 (关键步骤 )KDPG： 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡糖酸KDPG 醛缩酶特征酶6-PG(6-磷酸葡萄糖酸)3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸6-PG 脱水酶KDPG 1)乙酰 -CoA生成4、 TCA循环1 个NADH+H+2分子 NADH+H+2分子 ATP4、 TCA循环3 个 NADH+H+1个 FADH1个 ADP氧化 2)TCA循环底物水平磷酸化6C2C4C5C4、 TCA循环 3)能量平衡 1mo
9、l丙酮酸 经 TCA产生 4molNADH+H+1molNADH+H+经电子传递氧化成 NAD可产生 3mol ATP，则共产生 12mol ATP。 琥珀酸辅酶 A底物水平磷酸化， GTPGDP 产生1mol ATP。 琥珀酸 至 延胡索酸 1molFADH2氧化生成 2mol ATP. 故 1mol丙酮酸 经 1次 TCA可生成 15mol ATP 1mol葡萄糖经 EMP途径可产生 2mol丙酮酸 ，裂解为丙酮酸的过程中产生 2NADH+H+和 2ATP，共 8ATP， 则 1mol葡萄糖经完 EMP和 TCA共产生 38mol ATP。4、 TCA循环 4）特点 氧 不直接 参与其中反
10、应，但必须在有氧条件下运转； 产能效率极高 ，是生物体提供能量的主要形式； 为糖、脂、蛋白质三大 物质转化中心枢纽 。循环中的 某些中间产物 是一些重要物质生物合成的前体；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 、苹果酸、 Glu、延胡索酸和琥珀酸 发酵等。二）递氢和受氢 经上述脱氢途径生成的 NADH、 NADPH、 FAD等 还原型辅酶 或 辅基 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 递氢特点尤其是受氢过程中 氢受体性质 的不同 ，把生物氧化区分为 呼吸 、 无氧呼吸 和 发酵 3种类型 。生物氧化呼吸：
11、最终电子受体是分子氧 O2无氧呼吸 ：最终电子受体是 O2以外的无机氧化物 ，如 NO3-、 SO42-等发酵： 无 外援的最终电子受体1、呼吸 概念： 又称 好氧呼吸 ，指底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经过完整的 呼吸链 （ RC）或 电子传递链 （ ETC） ,最终传递给 外源分子氧 ，产生了水并释放 ATP的生物氧化过程。是 最普遍 和 最重要 的生物氧化方式和 主要的 产能方式。 途径： EMP,TCA循环 特点： 底物的 氧化作用 不与 氧的 还原作用 直接偶联 ，而是底物氧化释放的电子先通过 电子传递链 最后才传递到氧。呼吸链或电子传递链 定义： 由一系列 氧化还原势 呈 梯度差
12、的 链状排列 的 氢传递体组成的一组链状传递顺序。 功能： 传递电子 ：把氢或电子从 低 氧化还原势 的化合物处逐级传递到 高 氧化还原势 的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。 产生 ATP：在传递过程中，通过与 氧化磷酸化 反应发生偶联，就可产生 ATP形式的能量。呼吸链或电子传递链 部位： 原核生物在 细胞膜 上，真核生物在 线粒体 内膜上 成员： 主要包括 NAD(P)、 FP 、 Fe-S、 CoQ、醌类和细胞色素 b 、 c、 a 、 a 。这些 电子传递体 传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势 由小到大 排列 。 NAD(P)： 脱氢酶 辅酶 ，还原态为： NAD(P)
13、H+H+。NAD（ 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD+， 辅酶 ）NADP（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ NADP+， 辅酶 ）， FAD和和 FMN： 黄素蛋白的 辅基FAD ：黄素 腺苷酸 二核苷酸磷酸 FMN ：黄素单核苷酸 微生物中重要的呼吸链组分 成员： 铁硫蛋白（铁硫蛋白（ Fe-S） ：氧化还原载体 辅基 ，为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。 泛醌（辅酶泛醌（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1
14、015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 。 细胞色素系统细胞色素系统 ： 位于呼吸链后端。功能：从 泛醌 中接受电子，并将同等数目的质子推到 线粒体膜 或 细胞膜 外的溶液中。细胞色素系统分类：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.a3 ， cyt.a， cyt.c, cyt.b和 cyt.o等。细胞色素 b， c ， 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（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。 结构组成：以
15、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。氧化磷酸化产能机制 氧化磷酸化： 又称 电子传递链磷酸化 。指将呼吸链在传递氢过程中释放出的能量与 ADP磷酸化相耦联产生 ATP的过程。 产能机制： 多数学者接受的是 化学渗透学说 ，主要观点：，主要观点：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外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了 质子梯度差 （又称 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 A
16、TP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，另一方面就合成了 ATP。 P/O：每消耗 1mol氧原子所产生的 ATPmol数典型的呼吸链自 EMP2NADH2自乙酰 CoA2NADH2自 TCA6NADH2自 TCA2FADH2高能水平低氧化还原势氧化态还原态氧化态氧化态氧化态还原态还原态醌氧化态氧化态还原态脱氢酶NAD FADH2 H2ONADH FAD 1/2O2+2H+低能水平高氧化还原势FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3 氧化酶ATP ATP ATP2H琥珀酸 反丁烯二酸2H+本次教学回顾及作业 教学回顾 化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化： 概念、 形式 、 过程 、 功能、类型。生物氧化 过程 脱氢 EMP、 HMP、 ED、 TCA 递氢与受氢 呼吸 （呼吸 链、氧化磷酸化） 作业 P148 3， 6， 8
