【教学课件】第5章微生物的代谢.ppt
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1、第五章 微生物的代谢,新陈代谢,一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。,分解代谢,合成代谢,分解代谢(catabolism),分解代谢指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。,一般可将分解代谢分为三个阶段:寺地蛋白质 多糖 脂类氨基酸 单糖 甘油,脂肪酸 丙酮酸/乙酰辅酶A CO2,H20,能量(三羧酸循环),合成代谢(anabolism),指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一起合成复杂的大分子的过程。,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
2、质。寺地,生物小分子合成生物大分子 合成代谢(同化)耗能 物质新陈代谢 能量代谢 代谢 产能 分解代谢(异化)生物大分子分解为生物小分子,代谢旺盛代谢多样化代谢需严格调节,且具有灵活性,复杂分子(有机物),分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,微生物新陈代谢的特点:,第一节 微生物的能量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(化能异养菌)最初能源 日 光(光能自养菌)通用能源 无机物(化能自养菌),生物氧化作用:细胞内代谢物以氧化作用释放(产生)能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量,分段释放,并以高
3、能键形式贮藏在ATP分子内,供需时使用。生物氧化的方式:和氧的直接化合:C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O失去电子:Fe2+Fe3+e 化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OH CH3-CHO NAD,自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物,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,能量的去处,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
4、最终氢受体),生物氧化的形式:某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种。生物氧化的过程:脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)生物氧化的功能:产能(ATP)、产还原力、产小分子中间代谢物生物氧化的类型:发酵、呼吸(有氧呼吸和无氧呼吸),总 结,底物脱氢的途径 1、EMP(己糖双磷酸降解或糖酵解)途径 2、HMP(己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环)途径 3、ED(2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸)途径 4、TCA(三羧酸循环),(1)EMP途径,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+2
5、ADP 2丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA 丙酮酸脱氢酶 乙酰CoA,进入TCA,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,(2)HMP途径(戊糖磷酸途径)(Hexose Monophophate Pathway),6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi,总反应式:,HMP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。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
6、了1分子葡萄糖(彻底氧化成CO2 和水,6-P-G脱氢酶,内脂酶,6-P-G酸脱氢酶,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、若干氨基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)等。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸
7、葡糖酸(KDPG)裂解途径。1952年在嗜糖假单孢菌中发现,后来证明存在于一些细菌中(革兰氏阴性菌中分布较广)。ED途径,是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径,存在ED途径得微生物很少见.主要是一些假单胞菌,(3)ED途径,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,1ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸,ATPC6H12
8、O6KDPG,ED途径的总反应,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。,一、化能异养微生物的生物氧化,发酵,呼吸,根据氧化还原反应中的电子传递体的不同分为:,有氧呼吸无氧呼吸,呼吸作用和发酵作用的区别: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,逐步释放出能量再交给最终电子受体。,呼吸作用,微生物在降解底物的过程中,将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体,再经电子传递系统传给外源电子受体,从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程
9、。根据反应中氢受体不同分为两种类型:,有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体无氧呼吸:以氧化型化合物作为最终电子受体,以分子氧为最终受体的生物氧化,C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O,1、有氧呼吸(aerobic respiration),发酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸,三羧循环和电子传递链是主要的产能环节,电子传递,NAD FAD Q,细胞色素bca1a3,有氧呼吸特点 基质氧化彻底生成CO2和H2O,(少数氧化不彻底,生成小分子量的有机物,如 醋酸发酵)。E系完全,分脱氢E和氧化E两种E系。产能量多,一分子G净产38个ATP,2、无氧呼吸 一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化
10、物(个别为有机氧化物)的生物氧化,是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。,无氧呼吸的类型:硝酸盐呼吸:NO3-NO2-,NO,N2 硫酸盐呼吸:SO42-SO32-,S3O62-,S2O32无机盐呼吸 H2S 硫呼吸:S0 S-2 碳酸盐呼吸:CO2,HCO3-CH3COOH CO2,HCO3-CH4 延胡索酸呼吸:延胡索酸 琥珀酸,硝酸盐呼吸(反硝化作用),硫酸盐呼吸(反硫化作用)有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌,以有机物为氧化基质(H2或有机物,大部分不能利用G)使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸,并脱下8个H,使硫酸盐还原为H2S。SO428H 4H2OS2,碳酸盐呼吸(
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