《代谢控制发酵》PPT课件.ppt

代谢控制发酵,Chapter 2 微生物的代谢,第一节 微生物的代谢体系,一、微生物代谢体系 代谢（Metabolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢（Catabolism）和合成代（Anabolism）两个过程组成。,分解代谢,合成代谢,总之，微生物的代谢体系主要有：（1）分解代谢体系（2）结构单位物质合成体系（3）复杂生物大分子物质的合成体系,二、三种主要代谢体系的联系,1.体系产生的ATP供给体系和使用，但体系中ATP如何合成并不严重影响体系、对ATP的使用。从这个意义上讲可以认为体系与整个合成体系（包括体系和）之间的联系较为松散。2.体系合成的小分子化合物可用作体系中结构单位的碳架，其质和量强烈地影响体系的运行，因此体系和的联系是紧密的，而体系与之间几乎只通过ATP相联系。因此它们之间的联系是松散的。结构单位（如氨基酸）在细胞内常以游离状态存在，由此推测体系和也只是保持松散关系。,3.既然体系和分别与体系只发生松散联系，体系就具有相对独立的运转能力，同时体系和可作为一个整体，具有相对独立的运转能力。4.由于细胞的分泌机制，体系的相对独立运转使细胞有可能分泌如乙醇等代谢副产物；体系和一起相对运转，使细胞有可能分泌氨基酸等生物大分子的前体。三个体系协调运转，不但使微生物细胞生长迅速，而且有可能分泌酶、多糖等生物大分子。,在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。某些微生物在代谢过程中除了产生其生命活动所必需的代谢产物和能量外，还会产生一些次级代谢产物。这些次级代谢产物除了有利于这些微生物的生存外，还与人类的生产与生活密切相关。,三、化能异养型微生物碳架物质的代谢流向,第二节 微生物产能与耗能代谢,一、微生物的产能代谢,（一）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电子受体的不同可分为发酵和呼吸。,1、发酵（Fermentation）,微生物发酵葡萄糖最为重要，有机物只是部分被氧化，如葡萄糖 丙酮酸，称为糖酵解（Glycolysis），主要有四种途径。（1）EMP途径（2）HMP途径（3）ED途径（4）磷酸解酮途径,EMP途径主要生理功能是：1、提供ATP和NADH2、产生中间产物又可提供微生物合成代谢的碳骨架3、可逆转合成多糖,（2）HMP途径,是从葡萄糖-6-P开始，即单磷酸己糖基础上开始降解，故亦称为单磷酸己糖途径，磷酸戊糖支路（HMP途径中3-P-甘油醛可以进入EMP途径）。HMP途径的一个循环最终结果是：,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力NADPH和中间代谢产物，如核酮糖-5-P是合成核酸、某些辅酶及组氨酸的原料；NADPH是合成脂肪酸、类固醇和谷氨酸的供氢体。另外，核酮糖-5-P还可以转化为核酮糖-1,5二磷酸，在羧化酶作用下固定CO2，对于光能自养菌，化能自养菌具有重要意义。虽然这条途径中产生的NADPH可经呼吸链氧化产能，1mol葡萄糖经HMP途径最终可得到35molATP，但这不是代谢的主要方式，不能把HMP途径看作产生ATP的有效机制。,（3）ED途径,ED途径是在研究嗜糖假单胞菌（Pseudomonas Saccharophila）时发现的，在ED途径中，葡萄糖-6-P首先脱氢产生葡萄糖酸-6-P，接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生一分子甘油醛-3-P和一分子丙酮酸，然后甘油醛-3-P进入EMP途径转变成丙酮酸。一分子葡萄糖经ED途径最后生成两分子丙酮酸，一分子ATP，一分子NADPH和NADH。ED途径在G-菌中分布较广泛，特别是假单胞菌和固氮菌的某些菌株较多存在。ED途径可不依赖于EMP,HMP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化类的ATP的厌养菌而言，ED途径不如EMP途径经济。,（4）磷酸解酮途径,磷酸解酮途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶。根据解酮酶不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。,2、呼吸作用,微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD（P）+FAD或FMN等电子载体，在经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程称为呼吸作用。,以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸（Aerobic respiration）。呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给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。,（1）有氧呼吸,许多不能被发酵的有机化合物能够通过呼吸作用被分解，这是因为在进行呼吸作用的生物电子传递系统中发生了NADH的再氧化和ATP的生成。因此，只要生物体内有一种能将电子从该化合物转移给NAD+的酶存在，而且该化合物的氧化水平低于CO2即可。能通过呼吸作用进行分解的有机物包括某些CH化合物、脂肪酸、许多醇类。但对人造化合物，PVC、PP等微生物的呼吸作用具有显著抗性，可在环境中积累，造成有害的生态影响。,根据原核生物与真核生物不同，葡萄糖完全氧化总共可获得36或38个ATP.,在TCA循环中丙酮酸完全氧化为3个CO2同时生成4分子NADH2和一分子FADH2。NADH、FADH2可经电子传递系统全部被氧化。氧化一个NADH生成3分子ATP，氧化FADH2生成2分子ATP，再加上琥珀酰CoA氧化成延胡索酸中，包括底物水平磷酸化作用，由此产生1分子ATP，因此每一次TCA循环可获得43+12+1=15ATP。此外，糖酵解过程中产生2分子NADH，即23=6ATP。葡萄糖转变为两分子丙酮酸还可借底物水平磷酸化生成两分子ATP。因此，葡萄糖完全氧化总共可获得6+2+152=38ATP，假设ATP高能磷酸键有31.8KJ/mol的能量，那么每1mol葡萄糖完全氧化成CO2和H2O时就有31.838=1208KJ的能量转变为ATP中的高能磷酸键的键能，因此完全氧化1mol葡萄糖可获得的总能量大约是2822KJ，因此呼吸作用的效率大约是43%，其余的能量以热的形式散失。,（2）无氧呼吸,以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸（Anaerobic respiration）某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等这类外源受体。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。但由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。,在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢PH3，一种易燃气体。当有机物腐败变化时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易溢出。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。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称为“鬼火”。,（二）自养（以无机物CO2为唯一或主要碳源）微生物的生物氧化,一些微生物可以从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类微生物称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生ATP。,氨的氧化,NH3、NO2-亚硝酸 硝酸,亚硝化细菌,硝化细菌,硫的氧化,H2S S 亚硫酸盐,氧化,硫氧化酶细胞色素系统,产生4ATP,直接氧化,磷酸腺苷硫酸氧化途径,铁的氧化,亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌中进行，在低pH下此菌能利用亚铁氧化放出的能量生长。在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质，它与几种细胞色素C和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链，尽管电子传递过程中的放能部位，和放出有效能的多少有待进一步研究，但已发现在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动ATP的合成。,氢的氧化,氢细菌都是一些呈G-兼性化能自养菌。它们能利用分子H2氧化产生能量同化CO2，也能利用其它有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从H2 电子传递系统，电子在呼吸链传递中产生ATP。在多数氢细菌中，有两种与氢氧化有关的酶。（1）是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD+的颗粒状氧化酶，它可催化 H2 2H+2e-。该酶在氧化氢，并通过电子传递系统传递电子过程中可驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度为合成ATP提供动力。（2）是可溶性氢化酶的氧化，而使NAD+还原的反应。所生成的NADH主要用于CO2的还原。,（三）能量转换,1.底物水平磷酸化（Substrate Level Phosphorylation）物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称底物水平磷酸化。,2.氧化磷酸化（Oxidatire Phosphorylation）物质在生物氧化过程中，形成NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细胞质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其它氧化型物质。在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。,3.光合磷酸化（Photophosphorylation）光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程，以用于从CO2合成细胞物质。当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致叶绿素（或细菌叶绿素）释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。（1）环式光合磷酸化（2）非环式光合磷酸化,二、微生物的耗能代谢,（一）细胞物质的合成,微生物利用能量代谢产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子合成复杂的细胞物质的过程称为合成代谢。合成代谢所需的能量由ATP和质子动力提供。糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等主要细胞成分的合成反应的生化途径中，合成代谢和分解代谢尽管存在共同的中间代谢物。例如由分解代谢产生的丙酮酸、乙酰CoA、草酰乙酸、3-P甘油醛等化合物亦可作为合成反应的起始物。,（1）生物合成途径中一个分子的生物合成化学途径与它的分解代谢途径通常是不同的，其中可能有相同的步骤，但导向一个分子合成的途径与从该分子开始的降解途径间至少有一个酶促反应步骤是不同的。（2）需能的生物合成途径与产能的ATP分解反应相偶联，因而生物合成方向是不可逆的。（3）调节生物合成的反应与相当的分解代谢途径的调节机制无关，因为控制分解代谢途径速率的调节酶，并不参与生物合成途径。生物合成途径主要是被它们的末端产物浓度所调节。,1、CO2固定,CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用CO2作为辅助的碳源。将空气的CO2同化成细胞物质过程，称为CO2的固定作用。微生物有两种同化CO2的方式，（1）是自养式，（2）为异养式。在自养式中，CO2加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体。在异养式中CO2被固定在某种有机酸上。因此异养微生物即使能同化CO2，最终却必须靠吸收有机碳化合物生存。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，固定CO2的途径主要有以下三条：,（1）卡尔文循环（Calvin cycle）化能自养微生物和大部分光合细菌中。,（2）还原性TCA环固定CO2 在光合细菌、绿硫细菌中发现此途径,每循环一次可固定四分子CO2，合成一分子草酸乙酰，消耗3分子ATP，两分子NAD（P）H和一分子FADH2。,（3）还原的单羧酸环,这个体系与还原羧酸环不同，不需ATP，只要有Fd（red）就可运转，Fd（red）由H2或NADH2提供电子生成。光合细菌也可利用此途径体系把CO2转换成乙酸。,异养型微生物同化CO2,异养型微生物的CO2固定主要是合成TCA环中间产物。从理论上讲，利用1分子草酸乙酰就可以不断地推动TCA环的运行（因为草酸乙酰可通过TCA环再生）。假如TCA环中的中间产物被用作它用，那么就须加以补充，才能维持TCA的正常运行。异养型微生物固定CO2生产二羧补充TCA环的中间产物主要有以下反应。,毫无疑问以上六种酶，并不同时存在一个有机体中。例如肠杆菌科中就以磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶为主催化CO2，而黑曲霉柠檬酸产生菌中就以丙酮酸羧化酶为主催化CO2。,2、生物固氮,所有生物都需要氮，氮的最终来源是无机氮。尽管大气中氮气的比例占79%，但所有的动植物以及大多数微生物都不能利用分子态氮作氮源。目前仅发现一些特殊类群的原核生物能将分子态N2还原NH3，然后再由氨转化为多种细胞物质。微生物将氮还原成氨的过程称生物固氮。,微生物之所以能够在常温压条件下固氮，关键靠固氮酶的催化作用。固氮酶的结构比较复杂，由铁蛋白和钼铁蛋白连两个组分组成。固氮作用是一个耗能反应，固氮反应必须在有固氮酶和ATP参与下才能进行。每固定1mol氮大约需要21molATP，这些能量来自氧化磷酸化或光合磷酸化。在体内进行固氮时还需要特殊的电子传递体，主要是铁氧还蛋白和含有FMN作为辅基的黄素氧还原白。铁氧还原蛋白和黄素氧还原蛋白的电子供体来自NADPH，受体是固氮酶。,3、二碳化合物的同化,TCA环是产能反应和生物合成的重要代谢环节，其中的有机酸可被微生物利用，作为电子的供体和碳源。四碳、五碳、六碳酸均可在有氧条件下被微生物利用，通过氧化磷酸化产生能量。TCA环只有在受体分子草酰乙酸在每次循环后都能得到再生的情况下才能顺利进行。若将TCA中的有机酸分子移作他用（生物合成）将会影响TCA环的运转。我们知道微生物可利用回补途径（Replenishment pathway）来解决这个矛盾。什么是回补途径？是指补充兼用（可）代谢途径（如TCA环）中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。,不同微生物以及在不同条件下具有不同的回补途径，总起来主要有：,（1）CO2的固定反应 CO2的固定反应上面已介绍不重复。（2）乙醛酸循环（3）甘油酸途径,乙醛酸途径,甘油酸途径,由乙醛酸生成甘油酸的途径称为甘油酸途径。许多微生物都有这条途径，可以利用乙醇酸、草酸、甘氨酸等二碳化合物为唯一碳源生长。,4、糖类的合成,5、氨基酸的合成,6、核苷酸的合成,（1）嘌呤核苷酸的生物合成（2）嘧啶核苷酸的生物合成（3）嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸的补救合成途径（4）脱氧核苷酸的合成,（1）嘌呤核苷酸的生物合成,（2）嘧啶核苷酸的生物合成,（3）嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸的补救合成途径,（4）脱氧核苷酸的合成,脱氧核苷酸是由核苷酸糖基第2位碳上的-OH还原为H而成的，是一个耗能过程。E.coli核糖核苷二磷酸水平上脱氧 德氏乳酸菌核糖核苷三磷酸水平上脱氧DNA的胸腺嘧啶脱氧核苷酸是在形成尿嘧啶脱氧核糖核苷二磷酸后脱去磷酸，再经甲基化生成的。,（二）其他耗反应,1.运动 鞭毛运动 鞭毛纤毛中均具有ATP酶，水解ATP产生自由能成为运动所需的动力。2.运输 营养物质的跨膜运输有四种机制。扩散、促进扩散、主动运输(需要消耗能量)、膜泡运输(需要消耗能量)。3.发光 许多活的生物体，包括某些细菌、真菌和藻类都能发光。尽管它们的发光机制不同，但在所有例子中，发光都包含能量的转移，是形成一种分子激活态，当这种激活态返回基态时即发出光来。,细菌发光涉及两种特殊成分（1）荧光色素酶（2）一种长链脂肪族醛。另外黄素单核苷酸和氧参与，NADPH是主要电子供体。,