第-六-章---微生物的代谢.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 六,章,微生物代谢,山东教育学院生物科学与技术系,微生物学课程组,1/127,第 六,章,微生物代谢,教学目标与要求：,要求掌握微生物代谢特点、微生物发酵和呼吸概念及其主要类型；,掌握微生物生命活动过程中物质与能量转换机理,进而了解微生物呼吸与发酵实质；重点掌握化能异养微生物产能方式；了解细菌光合作用和化能自养微生物产能方式；,了解微生物对有机物分解代谢、了解生物固氮作用和生物代谢活动在人类生活及生产中应用,了解微生物代谢调整。,微生物生命活动过程中物质与能量转换机理和微生物特有合成代谢路径是本章难点。,2/127,各种类型微生物细胞，经过单纯扩散、促进扩散（易化扩散）、主动运输和基团转位等方式，将各种营养物质由外界环境摄入微生物细胞中。当营养物质进入微生物细胞后，要面临着一系列化学改变。,微生物细胞将要面临这一系列化学改变即为：,微生物代谢。,3/127,代谢,(metabolism),是细胞内发生各种化学反应总称。,分解代谢酶系,复 杂 分 子,（有机物）,简单分子,+ATP,+H,合成代谢酶系,代谢,分解代谢,(catabolism),合成代谢,(anabolism),4/127,第六章 微生物代谢,分解代谢,物质代谢,合成代谢,微生物代谢,产能代谢,能量代谢,耗能代谢,5/127,大分子物质降解,淀粉、脂肪、蛋白质、果胶质等,胞外酶作用,葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等,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。,6/127,合成代谢（,anabolism,）,合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子过程，并在这个过程中消耗能量。,合成代谢所利用小分子物质起源于分解代谢过程中产生中间产物或环境中小分子营养物质。,在代谢过程中，微生物经过分解作用（光合作用）产生化学能。,这些能量用于：,1,合成代谢,2,微生物运动和运输,3,热和光,不论是分解代谢还是合成代谢，代谢路径都是由一系列连续酶反应组成，前一部反应产物是后续反应底物。,7/127,第一节 微生物对有机物分解代谢,有机化合物是异养微生物供氢体。许多有机化合物包含大分子多糖、蛋白质、核酸、类脂以及碳氢化合物、芳香族化合物等，都可被不一样类型异养微生物所分解利用。,但大分子化合物不能透过细胞质膜，它们必须被微生物所产生胞外酶水解成为组成它们小分子单体后，才能被微生物吸收利用。,8/127,一、含碳有机物（多糖）分解代谢,这类有机物包含：淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质、木素和芳香族化合物等。,（一）淀粉分解代谢,植物淀粉包含直链和支链，是葡萄糖多聚物。直链淀粉是由许多葡萄糖单体以,-1.4,葡萄糖苷键所聚合大分子；支链淀粉是由,-1.6,糖苷键形成侧链。（在普通淀粉中，直链淀粉含量约为,80%,，支链淀粉为,20%,）。,淀粉能被各种微生物分解，微生物分解淀粉酶类很多，作用方式各异，作用后产物也不一样。,主要淀粉酶有以下几类：,9/127,1.-,淀粉酶（液化型淀粉酶）：,它能够从直链淀粉内部任意切割,-1.4,糖苷键，最终产物是麦芽糖和少许葡萄糖，二者百分比约为,6,：,1,。,-,淀粉酶不能水解,-1.6,糖苷键，以及靠近,-1.6,糖苷键,-1.4,糖苷键，但可越过此键，在分支点较远位直链内部水解,-1.4,糖苷键，所以淀粉水解产物是麦芽糖、含有,6,个葡萄糖单位寡糖和带有,-1.6,糖苷键小分子糊精（寡糖）。因为,-,淀粉酶可在淀粉内部任意切割，所以使淀粉粘滞度很快降低，表现为液化，故称为液化酶。一些细菌（枯草）、放线菌、霉菌均能产生,-,淀粉酶。另外，发芽种子、动物胰脏、唾液中都含有此酶。,10/127,2,糖化型淀粉酶：这是一类酶总称。其共同特点是能够将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖。这类酶最少有三种：,-,淀粉酶（淀粉,-1.4-,麦芽糖苷酶）：它是从直链淀粉外端（非还原端）开始作用于,-1.4,糖苷键，每次水解出一个麦芽糖分子，可将直链淀粉彻底水解成麦芽糖。因为被,-,淀粉酶所打断键发生改变，结果是形成,-,麦芽糖即麦芽糖还原碳是,-,构型。,-,淀粉酶也不能水解,-1.6,糖苷键，而且也不能越过此键起作用。所以，当碰到支链淀粉分支点上,-1.6,键时，就停顿作用，于是就留下分子较大极限糊精。故,-,淀粉酶水解产物是麦芽糖和大分子极限糊精。,11/127,淀粉,-1.4-,葡萄糖苷酶：,此酶也是从淀粉分子非还原末端开始，依次以葡萄糖为单位逐步作用于淀粉分子中,-1.4,糖苷键，生成葡萄糖，此酶也不能水解,-1.6,糖苷键，但可越过此键，在分支直链内部继续水解,-1.4,糖苷键，所以，此酶作用于直链淀粉后作用产物几乎全部是葡萄糖，作用于支链淀粉水解产物有葡萄糖与带有,-1.6,糖苷键寡糖。此酶也分解麦芽糖。根霉与曲霉普遍能合成与分泌此酶。,12/127,淀粉,-1.6-,葡萄糖苷酶（异淀粉酶又称极限糊精酶）：,此酶专门分解淀粉分子,-1.6,糖苷键，生成葡萄糖，它能水解,-,淀粉酶和,-,淀粉酶作用淀粉后产物极限糊精。黑曲霉和米曲霉能产生和分泌此酶。,淀粉在上述四类酶共同作用下能完全水解为葡萄糖。,微生物淀粉酶可用于酿酒、纺织工业织物脱浆、以及代替酸水解法生产葡萄糖等。各种类型淀粉酶可用工业方法利用微生物来生产。,13/127,（二）纤维素与半纤维素分解代谢,纤维素是植物细胞壁主要成份，是世界上最丰富碳水化合物，它也是由葡萄糖经过糖苷键连接而成大分子化合物，它与淀粉不一样是，葡萄糖经过,-1.4-,糖苷键连接起来，而且分子量更大，更不溶于水，均不能直接被人和动物消化，但它能够被许多真菌如大型真菌和小型真菌中木霉、青霉、曲霉、根霉等以及放线菌与细菌中一些种分解与利用。细菌中常见纤维素分解菌有粘细菌、梭状芽孢杆菌、瘤胃细菌等。,14/127,能利用纤维素生长微生物含有,纤维素酶,。,纤维素酶也是一群作用于纤维素酶总称，又有纤维素酶复合物之称。包含,C,1,酶、,C,X,酶（,C,X1,酶、,C,X2,酶两种）和纤维二糖酶（即,-,葡萄糖苷酶）等类型。,C,1,酶主要是作用于天然纤维素，使之转变成水合非结晶纤维素；,C,X1,酶是一个内断型纤维素酶，它从水合非结晶纤维素分子内部作用于,-1.4-,糖苷键，生成纤维糊精与纤维二糖；,C,X2,酶则是一个外断型纤维素酶，它从水合非结晶纤维素分子非还原性末端作用于,-1.4-,糖苷键，逐步一个个地切断,-1.4-,糖苷键生成葡萄糖；,纤维二糖酶则是作用于纤维二糖，生成葡萄糖,。,15/127,（三）果胶质分解代谢,果胶质是组成高等植物细胞间质主要物质。它主要是由,D-,半乳糖醛酸经过,-1.4,糖苷键连接起来直链高分子化合物，其分子中大部分羧基形成了甲基酯；不含甲基酯果胶质称为果胶酸。,天然果胶质是一个水不溶性物质，通常被称为原果胶。在原果胶酶作用下，被转化成水可溶性果胶；再深入被果胶甲酯水解酶催化去掉甲酯基团，生结果胶酸，最终被果胶酸酶水解，切断,-1.4,糖苷键，生成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸最终进入糖代谢路径被分解放出能量，可见分解果胶酶也是一个多酶复合物。,16/127,（四）几丁质分解代谢,几丁质是一个由,N-,乙酰葡萄糖胺经过,-1.4-,糖苷键连接起来，又不易分解含氮多糖类物质。它是真菌细胞壁和昆虫体壁组成成份，普通生物都不能分解利用，只有一些细菌（如溶几丁质芽孢杆菌）和放线菌（链霉菌属、诺卡氏菌属中种类）能分解利用它，进行生长。这些微生物能合成与分泌几丁质酶，使其水解成几丁二糖，再经过几丁二糖酶深入水解成,N-,乙酰葡萄糖胺。,17/127,二、蛋白质和氨基酸分解代谢,蛋白质及其不一样程度降解产物通常是作为微生物氮源物质或作为生长因子，但在一些条件下，这些物质也可作为一些机体能源物质。,含氮有机物经过微生物分解产生氨过程称为,氨化作用,。氨化作用在提供植物营养上有主要作用。氨基酸脱氨以后，转变成不含氮有机物，然后，深入被氧化放出能量。,18/127,（一）蛋白质分解代谢,蛋白质,肽,肽酶,蛋白酶,氨基酸,对应,AA,酶,氧化脱氨,还原脱氨,水解脱氨,直接脱氨,土壤中含有蛋白质物质，主要靠蛋白质分解菌分解，生成简单含氮化合物，再供植物与微生物利用。在食品工业中，传统酱制品，如酱油、豆豉、腐乳等制作也都是利用了微生物对蛋白质分解作用。,19/127,（二）氨基酸分解代谢,微生物对氨基酸分解主要是脱氨作用和脱羧作用。,1,脱氨作用：,脱氨作用因微生物种类不一样、分解条件不一样以及氨基酸不一样，会有不一样分解方式与产物。通常情况下，脱氨作用可分为氧化脱氨、还原脱氨、直接脱氨、水解脱氨和氧化,-,还原偶联脱氨（,Stickland,史提克兰得反应）等脱氨方式。,20/127,（,1,）氧化脱氨,这种脱氨方式只有在有氧条件下才能进行，专性厌氧菌没有这种脱氨作用。所谓,氧化脱氨，是指在酶催化下，氨基酸在氧化脱氨同时释放游离氨过程,。微生物催化氧化脱氨酶有两类：一是以,FAN,或,FMN,为辅基氨基酸氧化酶；另一类是氨基酸脱氢酶，以,NAD,或,NADP,作为氢载体，转给分子氧。其反应通式：,2RCHNH,2,COOH,O,2,-2RCOCOOH,2NH,3,如：,CH,3,CHNH,2,COOH,1/2O,2,-CH,3,COCOOH,NH,3,丙氨酸脱氢酶,-,酮酸普通不积累，而继续被微生物转化成羟酸或醇,;,所脱下氨含有高度还原势，伴伴随氨基酸脱氨反应，发生电子传递磷酸化，生成,ATP,，可供微生物生长所需能量，另首先也可为微生物生长提供氮源。,21/127,（,2,）还原脱氨,还原脱氨作用是指在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸过程,。能够进行该过程微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。其通式为：,RCHNH,2,COOH,2H,2,-RCH,2,COOH,NH,3,在腐败蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由对应氨基酸生成。如梭状芽孢杆菌可使甘氨酸还原成乙酸；使丙氨酸还原为丙酸；使天冬氨酸还原脱氨为琥珀酸。,COOHCH,2,CHNH,2,COOH,2H,2,-HOOCCH,2,CH,2,COOH,NH,3,22/127,（,3,）直接脱氨,氨基酸直接脱氨，在脱氨同时，其,、,键减饱和，结果生成不饱和脂肪酸，其通式为：,R-CH,2,-CHNH,2,-COOH-R-CH=CH-COOH,NH,3,如天冬氨酸在天冬氨酸裂解酶催化下直接脱氨生成反丁烯二酸（延胡索酸）,COOHCH,2,CHNH,2,COOH-HOOCCH=CHCOOH,23/127,（,4,）水解脱氨,氨基酸经水解脱氨生成羟酸。其通式为：,RCHNH,2,COOH,H,2,O-RCHOHCOOH,NH,3,CH,3,CHNH,2,COOH,（丙氨酸）,H,2,O-CH,3,CHOHCOOH,（乳酸）,NH,3,有氨基酸在水解脱氨同时又脱羧，结果生成少一碳原子醇类。,如：丙氨酸,CH,3,CHNH,2,COOH,H,2,O-CH,3,CH,2,OH,CO,2,NH,3,通式：,RCHNH,2,COOH,H,2,O-RCH,2,OH,CO,2,NH,3,24/127,（,4,）水解脱氨,不一样氨基酸经水解可生成不一样产物，同种水解后也可形成不一样产物。在食品工业中，有许多水解脱氨实例。如粪链球菌使精氨酸水解脱氨生成瓜氨酸；大肠杆菌、变形杆菌、枯草杆菌和酵母菌等水解半胱氨酸生成丙酮酸、,NH,3,和,H,2,S,；大肠杆菌和变形杆菌等水解色氨酸生成吲哚、丙酮酸和,NH,3,，当加入对二甲基氨基苯甲醛试剂时，试剂与吲哚反应生成红色玫瑰吲哚，利用此反应可进行菌种判定。,25/127,（,5,）氧化,-,还原偶联脱氮（,Stickland,反应）,在一些梭菌和酵母菌中存在由两种氨基酸参加脱氨反应，其中一个是进行氧化脱氢，脱下氢去还原另一个氨基酸，使其发生还原脱氨，二者偶联进行氧化还原脱氮。其反应通式以下：,RCHNH,2,COOH,RCHNH,2,COOH,H,2,O-RCOCOOH,RCH,2,COOH,2NH,3,并不是任何两种氨基酸之间都能进行这种反应,有些氨基酸只能作供氢体,另一些氨基酸也只能作受氢体。如,丙氨酸与甘氨酸之间反应。,26/127,1,脱氨作用,氨基酸脱氨后产物是有机酸，因不一样微生物和不一样环境条件进入不一样代谢路径，而生成不一样产物。如丙酮酸在有氧条件下进入,TCA,循环被氧化成,CO,2,和,H,2,O,同时取得能量；在无氧条件下，则进行发酵作用，生成饱和脂肪酸或醇类。酮酸也能够作为氨基受体重新生成氨基酸。,27/127,2,脱羧作用,氨基酸脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中。不一样氨基酸由相对应氨基酸脱羧酶催化脱羧，此种脱羧酶专一性很高，它通常以磷酸吡哆醛作为辅基，且大多数是诱导酶。氨基酸脱羧反应通式：,RCHNH,2,COOH-RCH,2,NH,2,CO,2,氨基酸脱羧酶,28/127,2,脱羧作用,一元氨基酸脱羧，产物是一元胺；二元氨基酸脱羧，产物是二元胺。二元胺类物质也叫尸胺，对人体有毒性。如食品中肉类制品，当其中蛋白质腐败时就生成二元胺类物质。如赖氨酸脱羧后生成尸胺，其反应为：,H,2,N(CH,2,),4,CHNH,2,COOH-H,2,N(CH,2,),4,CH,2,NH,2,氨基酸脱羧作用在大肠杆菌、粪链球菌、腐败梭状芽孢杆菌以及曲霉中都已发觉，但在葡萄球菌和假单胞菌中还未见到。,29/127,第二节 微生物能量代谢,能量代谢是新陈代谢关键问题,最初能源,有机物,化能异养菌,日 光,光能营养菌,无机物,化能自养菌,通用能源（,ATP）,与其它生物一样微生物能量代谢活动中所包括主要是,ATP,形式化学能,.,30/127,微生物代谢显著特点：,（1）代谢旺盛；,（2）代谢极为多样化；,（3）代谢严格调整和灵活性。,光能型,微生物产能：光合磷酸作用产能,植物型（蓝细菌）：放氧性光合作用,光合细菌：非放氧性光合作用,化能异养型,微生物产能：氧化磷酸化作用,发酵型产能：（最终电子受体为有机物）,呼吸型产能：有氧呼吸和无氧呼吸,化能自养,微生物产能：经过氧化无机氧化 物(电子呼吸链产能)。,31/127,微生物代谢所需能量，绝大多数是经过生物氧化作用而取得。,生物氧化形式,包含某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种,所谓生物氧化就是发生在活细胞内一系列产能性氧化反应。,生物氧化过程,有脱氢（或电子）、递氢（或电子）、和受氢（或电子）3个阶段。,产能（,ATP）,生物氧化功效：产还原力,H,产小分子中间代谢物,32/127,有氧呼吸,生物氧化类型：无氧呼吸,发酵,在产能代谢中，微生物能以各种有机和无机氧化物作为生物氧化基质。而其中以,葡萄糖,最为主要。它是异养微生物主要碳源和能源，可直接进入糖代谢路径被降解成小分子物质-,丙酮酸,（降解路径有四条）,.,异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，经过生物氧化来进行产能代谢。,33/127,一、化能异养微生物生物氧化和产能,微生物取得能量基质主要是糖类，经过糖氧化或酵解释放能量，并以高能磷酸键形式（,ADP、ATP）,储存能量。,微生物生物氧化类型分为呼吸与发酵。在生物氧化过程中，微生物营养物（如葡萄糖）经脱氢酶作用所脱下氢，需经过一系列中间递氢体（如辅酶,I、,辅酶,II、,黄素蛋白等）传递转运，最终将氢交给受氢体。以,无机物,为受氢体生物氧化过程，称为,呼吸,，其中以,分子氧,为受氢体称,有氧呼吸,；而以,无机化合物,（如硝酸盐、硫酸盐）为受氢体称,无(厌)氧呼吸,。生物氧化中以各种,有机物,为受氢体称为,发酵,。,34/127,一、化能异养微生物生物氧化和产能,（一）底物脱氢路径,葡萄糖降解成小分子物质有四条路径,1、,EMP,路径,2、,ED,路径,3、HMP,路径,4、,PK,路径,TCA,循环,无,无氧呼吸,发 酵,35/127,一、化能异养微生物生物氧化和产能,底物脱氢路径及其与递氢、受氢联络,36/127,1、,EMP,路径（糖酵解）,葡萄糖降解四种路径,总反应式：,37/127,1：葡萄糖经转化为1，6二磷酸果糖后，在,醛缩酶,催化下，裂解成两个3,C,化合物，由此再转化成2分子丙酮酸。这条路径是生物界所共有。,2:,一、三和十步反应不可逆,;3:,不消耗氧,4:,对专性厌氧（无氧呼吸,）,微生物来说,EMP,途经是产能唯一路径,EMP,路径,特点,5：,两个,ATP,是经过基质（底物）水平磷酸化方式产生(,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,和,磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸,时)，所谓基质水平磷酸化是指基质在氧化过程中产生一些含有比,ATP,水解时，放出更多自由能高能化合物中间体，这种高能物质能够直接将键能交给,ADP,使之磷酸化，生成,ATP。,6：,相关酶系在细胞质中,38/127,EMP,路径,生理功效：,1,、为微生物生理活动提供,ATP,、,NADH,2,、中间产物为菌体合成提供碳架,3,、在一定条件下，可沿,EMP,路径逆转合成多糖,反应中所生成,NADH,2,不能积存，必须被重氧化为,NAD,后，才能继续不停地推进全部反应。,NADH,2,被重氧化方式，因不一样微生物和条件而异。在无氧条件下，,NADH,2,受氢体能够是丙酮酸本身（乳酸菌乳酸发酵）；能够是丙酮酸降解产物，如乙醛（酵母菌酒精发酵）；也能够是无机,NO,3,（,脱氮小球菌无氧呼吸）等。在有氧条件下，,NADH,2,即经呼吸链氧化，同时由电子传递链磷酸化生成,ATP；,丙酮酸则进入三羧酸循环被彻底氧化成,CO,2,和水，并生成大量,ATP。,39/127,2、,HMP,路径-磷酸戊糖路径（旁路）为循环路径,40/127,6-,磷酸,-,葡萄糖,5-,磷酸,-,木酮糖,5-,磷酸,-,核糖,5-,磷酸,-,木酮糖,6-,磷酸,-,景天庚酮糖,6-,磷酸,-,果糖,6-,磷酸,-,葡萄糖,3-,磷酸,-,甘油醛,4-,磷酸,-,赤藓糖,6-,磷酸,-,果糖,3-,磷酸,-,甘油醛,o,OH,OH,CH,2,OH,OH,HO,o,OH,CH,2,O,P,OH,HO,COOH,C=O,H,-,C,-,OH,H,-,C,-,OH,D,CH,2,O,P,CH,2,OH,o,OH,OH,CH,2,O,P,OH,HO,ATP,ADP,NAD(P,),+,NADH,+H,+,NAD(P),+,NADH+H,+,葡萄糖,6-,磷酸,-,葡糖酸,6-,磷酸,-,葡萄糖,5-,磷酸,-,核酮糖,C=O,H,-,C,-,OH,H,-,C,-,OH,H,-,C,-,O,P,H,CH,2,OH,H,-,C,-,OH,H-,C=O,H,-,C,-,OH,H,-,C,-,OH,CH,2,OP,5-,磷酸,-,核酮糖,C=O,HO-C,-,H,H,-,C,-,OH,H,-,C,-,O,P,H,CH,2,OH,5-,磷酸,-,木酮糖,5-,磷酸,-,核糖,HMP,途 径,41/127,从,6-,磷酸,-,葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解故称为单磷酸已糖路径。,HMP,路径与,EMP,路径有着亲密关系，,HMP,路径中,3-,磷酸,-,甘油醛能够进入,EMP,路径，,磷酸戊糖支路。,HMP,路径一个循环最终止果是一分子葡萄糖,-6-,磷酸,转变成一分子甘油醛,-3-,磷酸、,3,个,CO,2,、,6,个,NADPH,。,普通认为,HMP,路径不是产能路径，而是为生物合成提供,大量还原力（,NADPH,）和中间代谢产物。,HMP,路径,42/127,生理功效：,HMP,路径主要是提供生物合成所需要大量还原力（,NADPHH,+,）,和各种不一样长度碳架原料。如5-磷酸核（酮）糖、4-磷酸赤鲜糖等。该路径还与光能和化能自养微生物合成代谢亲密联络，路径中5-磷酸核酮糖能够转化为固定,CO,2,时,CO,2,受体-1,5-二磷酸核酮糖.,特点是：有,HMP,路径微生物细胞中往往同时存在,EMP,路径。单独含有,HMP,路径微生物少见。,43/127,ED,路径,又称,2,酮,3,脱氧,6,磷酸裂解（,KDPG),路径,ED,路径是在研究嗜糖假单孢菌时发觉。,ED,路径结果,：,一分子葡萄糖经,ED,路径最终生成,2,分子丙酮酸,、,1,分子,ATP,，,1,分子,NADPH,、,1,分,NADH,。,ED,路径在革兰氏阴性菌中分布较广,ED,路径可不依赖于,EMP,与,HMP,而单独存在,ED,路径不如,EMP,路径经济。,ED,路径过程：,葡萄糖,KDPG,甘油醛,-3-,磷酸,丙酮酸,丙酮酸,EMP,KDPG,醛缩酶,44/127,45/127,（,1,）仅在细菌中（假单胞菌属）被发觉；,（,2,）葡萄糖经转化成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-,P,甘油醛。后者再经过,EMP,路径后半部分转化成丙酮酸。其结果和,EMP,路径一样，都自每分子葡萄糖产生两分子丙酮酸；但2个丙酮酸来历不一样,（3）特征反应为：,KDPG,裂解为丙酮酸和,3,P,甘油酸,（4）特征酶是：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶,（5）反应步骤简单，产能效率低产生能量水平只有,EMP,途 径 二分之一(1分子,ATP)；,（6）由此产生乙醇发酵为,细菌酒精,ED,路径特点：,46/127,4,磷酸解酮酶路径,这条路径是由,Warburg,、,Dickens,、,Horecher,等人发觉，又称,WD,路径,，又因特征酶是,磷酸解酮酶,，所以又称,磷酸解酮酶途迳,。（有磷酸戊糖酮解酶,PK,路径和磷酸己糖酮解酶,HK,路径之分）,47/127,没有,EMP、ED、HMP,路径细菌经过,PK,路径分解葡萄糖。,PK,路径又有磷酸戊糖酮解酶路径和磷酸己糖酮解酶路径之分。肠膜状明串珠菌利用磷酸戊糖酮解酶路径分解葡萄糖；而双歧杆菌是利用磷酸己糖酮解酶路径分解葡萄糖。,4,磷酸解酮酶路径,磷酸戊糖酮解酶路径关键反应为5-磷酸木酮糖裂解成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，关键酶是磷酸戊糖酮解酶，乙酰磷酸经过深入反应生成乙酸,，3-,磷酸甘油醛经丙酮酸转化为乳酸。,1分子葡萄糖经磷酸戊糖酮解酶路径产生乳酸、乙酸、,ATP、,和,NADH,各1分子。,48/127,PK,路径：,5,P,木酮糖,磷酸戊糖解酮酶,乙酰磷酸,3-磷酸甘油醛,乙酸,乳酸,2葡萄糖,HK,路径：,5,P,木酮糖,乙酰磷酸,4-,磷酸赤鲜糖,49/127,在磷酸己糖酮解酶路径中，由磷酸解酮酶催化反应有两步：,1分子6-磷酸果糖,由,磷酸己糖酮解酶,催化裂解,为,4-磷酸赤鲜糖,和,乙酰磷酸,；,另1分子6-磷酸果糖,则与4-磷酸赤鲜糖反应生成2分子,磷酸戊糖,，而其中1分子,5-磷酸核糖,在,磷酸戊糖酮解酶,催化下分解成,3-磷酸甘油醛,和,乙酰磷酸,。,1,分子葡萄糖经磷酸戊糖酮解酶路径产生乳酸、乙酸、,ATP、,和,NADH,各1分子。,1,分子葡萄糖经磷酸己糖酮解酶路径生成,1,分子乳酸、,1.5,分子乙酸以及,2.5,分子,ATP。,50/127,5、丙酮酸代谢-产能方式,（,1,）有氧呼吸,（2）无氧呼吸,（3）发 酵,51/127,（,1,）,有氧呼吸,A,、,TCA,循环,TCA,循环主要功效不但在于产能，而且还是物质代谢枢纽。它既起着联络糖、蛋白质、与脂肪代谢桥梁作用，又为很多主要物质合成代谢提供各种碳架原料。为人类提供各种有用产物如柠檬酸等。,52/127,5、,TCA,循环,53/127,54/127,葡萄糖经不一样脱氢路径后产能效率特点和差异,55/127,（二）递氢和受氢,56/127,1、有氧呼吸（,respiration,）,又称好氧呼吸，是一个最普遍又最主要生物氧化或产能方式，其特点是底物常规方式脱氢后，脱下氢经完整,呼吸链,又称,电子传递链,传递，最终被外源分子氧接收，产生了水并释放出,ATP,形式能量。,57/127,A、,电子传递链（呼吸链）,电子传递链,存在于微生物细胞质膜或线粒体内膜上由一系列氢和电子传递体组成多酶氧化还原体系。,它是一个定向有序、氧化还原电势按照有低到高次序排列氢和电子传递系统。,58/127,电子传递链,59/127,氧化磷酸化机制：,中心思想：电子传递造成膜内外出现质子浓度差，从而将能量隐藏在质子势中，推进质子由膜外进入膜内，经过,F,1,F,0,ATP,酶偶联，产生,ATP,。,化学渗透假说,60/127,ATP酶,膜外,膜内,ATP,1978,Nobel,奖,61/127,B,、氧化磷酸化,氧化磷酸化,营养物质在生物氧化过程中形成,NAD(P)H,和,FADH,2,，,经过电子传递链将氢和电子传递给氧或其它氧化型物质，同时偶联着,ATP,形成，这种产生,ATP,方式，即,氧化磷酸化。,NAD(P),+,呼吸链氧化磷酸化产能效率比,FAD,+,呼吸链产能效率高；细菌中存在着各种呼吸链，普通好氧菌,呼吸链氧化磷酸化产能效率高于兼性和厌氧菌。,62/127,C、,底物（基质）水平磷酸化,不经过电子传递链，而在营养物质生物氧化过程中将高能磷酸键直接偶联,ATP,或,GTP,合成，这种产生,ATP,等高能分子方式即,底物（基质）水平磷酸化。,63/127,有氧呼吸特点,基质氧化彻底 生成,CO,2,和,H,2,O,，（少数氧化不彻底，生成小分子量有机物，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,64/127,2、无氧呼吸（,anaerobic respiration,）,又称厌氧呼吸，是指在厌氧条件下，厌氧或兼性厌氧菌,以外源无机氧化物（,、,NO,2,、SO,4,、,S,2,O,3,2-,、,CO,2,、Fe,3+,等）或有机物(延胡索酸等，罕见)作为呼吸链末端氢（电子）受体时，发生一类产能效率低特殊生物氧化。,特点,是底物经常规路径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态无机物或,有机物,受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。进行厌氧呼吸微生物极大多数是细菌，据受体种类不一样而有各种类型。,65/127,硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体生物氧化过程。它是指,NO,3,-,被一些微生物还原为,NO,2,-,，,再逐步还原为,NO、N,2,O、N,2,过程。因为硝酸盐是逐层还原成气态产物而逸去异化脱氮过程，也称为异化性硝酸盐还原作用（,Dissimilative）,。,2、无氧呼吸（,anaerobic respiration,）,（1）硝酸盐呼吸：又称反硝化作用或称硝酸盐还原,66/127,反硝化作用生态学作用：,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,土壤及水环境,好氧性机体呼吸作用,氧被消耗而造成局部厌氧环境,土壤中植物能利用氮（硝酸盐,NO,3,-,）还原成氮气而消失，从而降低了土壤肥力。,松土，排除过多水分，确保土壤中有良好通气条件。,反硝化作用在氮素循环中主要作用,硝酸盐是一个轻易溶解于水物质，通常经过水从土壤流入水域中。假如没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会造成水质变坏与地球上氮素循环中止。,67/127,硝酸盐呼吸,特点,：,（1）,由反硝化菌群（兼性）所进行无氧呼吸；,（2）缺氧或厌氧条件下进行反应；,（3）在一系列还原酶催化下（完成）进行,;,（4）由化能异氧菌所进行还原反应；,（5）以硝酸盐为呼吸链末端,H,和电子受体；,（6）从有机物氧化中得到能量；,（7）可产生2分子,ATP；,（8）,还原力,NADH,2,形成是经过有机物生物氧化,不需要消耗能量。,68/127,（2）硫酸盐呼吸又称硫酸盐还原（严格厌氧古细菌）,硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌严格厌氧菌在无氧 条件下获取能量方式，其,特点,是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终氢末端受体是硫酸盐，在递氢过程中与氧化磷酸化相偶联而取得3,ATP。,SO,4,2,8H 4H,2,O,S,2,（3）硫呼吸又称硫还原（高温厌氧古细菌）,硫呼吸：以无机硫作为呼吸链最终氢受体产生,H,2,S,生物氧化作用。,2、无氧呼吸（,anaerobic respiration,）,69/127,（4）碳酸盐呼吸又称碳酸盐还原（专性厌氧-产生甲烷）,碳酸盐呼吸：,甲烷细菌,能在氢等物质氧化过程中，把,CO,2,还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称,甲烷,生成作用。,呼吸链末端氢受体是,CO,2,或重碳酸盐。,CO,2,+4H,2,CH,4,+2H,2,O+ATP,（5）延胡索酸呼吸,延胡索酸呼吸：,兼性厌氧菌，将延胡索酸还原成琥珀酸，,呼吸链末端氢受体是延胡索酸，琥珀酸是还原产物。,2、无氧呼吸,（,anaerobic respiration,）,70/127,3、发酵,（,fermentation,）,发酵：在无氧等外源氢受体条件下，底物脱氢后所产生还原力,H,未经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物接收，以实现底物水平磷酸化产能一类生物氧化反应(氢和电子受体是有机物)。,糖酵解是发酵基础，,主要经过,EMP,路径、,HMP,路径、,ED,路径、磷酸解酮酶路径四种路径。,71/127,在上述葡萄糖降解四条路径中，都有还原型氢供体-,NADHH,和,NADHPHH,产生。反应中所生成还原力不能积存，必须被重氧化后，才能继续不停地推进全部反应。还原力被重氧化方式，因不一样微生物和条件而异。在有氧条件下，还原力即经呼吸链氧化，同时由电子传递链磷酸化生成,ATP；,丙酮酸 则进入三羧酸循环被彻底氧化成,CO,2,和水，并生成大量,ATP。,在无氧条件下，便以葡萄糖分解过程中形成各种中间产物作为氢（电子）受体，来接收,NADHH,和,NADHPHH,氢（电子），于是产生了各种各样发酵产物。,72/127,(1)由,EMP,路径中,丙酮酸,出发发酵,73/127,G,EMP,2,丙酮酸,2,乙醛,2,乙醇,丙酮酸,脱羧酶,C,6,H,12,O,6,2C,2,H,5,OH,2CO,2,2ATP,酵母菌酒精发酵,:,发酵产物为乙醇、,CO,2,产生2分子,ATP,酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件,PH,小于,7.5,（普通控制在,3.54.5,）,厌氧,不含,NaHSO,3,74/127,经过,ED,路径进行乙醇发酵 （细菌乙醇发酵）,参加微生物：运动发酵假单胞菌,发酵路径：,ED,路径,反应式：,C,6,H,12,O,6,2C,2,H,5,OH+2CO,2,+ATP,乙醇发酵特点：,发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍有有机物；,酶体系不完全，只有脱氢,E,，没有氧化酶。,产生能量少，酵母乙醇发酵净产,2ATP,，细菌,1ATP,。也就是丙酮酸直接接收糖酵解过程中脱下,H,使之还原成乙醇过程。,75/127,乳酸发酵,指乳酸菌将,G,分解产生丙酮酸逐步还原成乳酸过程。,两种类型：,同型乳酸发酵,异型乳酸发酵,细菌积累乳酸过程 是经典乳酸发酵。我们熟悉牛奶变酸，生产酸奶，腌渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵。,进行乳酸发酵都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等。,76/127,同型乳酸发酵：,发酵产物只有乳酸,产生2分子,ATP,在糖发酵中,，,产物只有乳酸发酵称为同型乳酸,发酵,，,青贮饲料中乳链球菌发酵即为这类型。,G,PEP,C,3,H,6,O,3,过,程：,反应式：,C,6,H,12,O,6,+2ADP+Pi,2C,3,H,6,O,3,+2ATP,关键酶：乳酸脱氢酶,77/127,（2）,异型乳酸发酵（经过,HMP,路径,或,PK,）,发酵产物除乳酸外还有乙醇与,CO,2,。,青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。,异型乳酸发酵结果,：,1,分子,G,生成乳酸,，,乙醇,，,CO,2,各,1,分子。,北方腌渍酸菜，南方泡菜是常见乳酸发酵。,乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。,腌渍酸菜应做好以下几点,必须控制不被杂菌感染；,要创造适合乳酸发酸厌氧环境条件；,要加适量盐，,35%NaCl,浓度为好；,缸要刷净，并不要带进油污；,PH,值,34,为宜。,78/127,混合酸发酵和丁二醇发酵,埃希氏菌属（大肠杆菌）、沙门氏菌属、志贺氏菌属等肠菌科一些细菌发酵葡萄糖生成乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、,CO,2,和,H,2,等产物。因产物中有各种有机酸，故称混合酸发酵。,肠杆菌属（产气杆菌）在发酵葡萄糖时，只有一小部分按混合酸发酵类型进行外，大部分丙酮酸先经过两个分子缩合成为乙酰乳酸，再脱羧成为3-羟基丁酮，然后再还原为2，3-丁二醇。,79/127,不一样微生物发酵产物不一样，也是细菌分类判定主要依据。,大肠杆菌：,丙酮酸裂解生成乙酰,CoA,与甲酸，甲酸在酸性条件可,深入裂解生成,H,2,和,CO,2,产酸产气,志贺氏菌：,丙酮酸裂解生成乙酰,CoA,与甲酸，但不能使甲酸裂解产生,H,2,和,CO,2,产酸不产气,80/127,因为埃希氏菌大肠杆菌和肠杆菌属产气杆菌在厌氧条件下细胞有甲酸氢解酶，它在酸性条件下催化甲酸裂解成,CO,2,和,H,2,，,所以大肠杆菌和产气杆菌发酵葡萄糖时产酸、产气，而志贺氏菌没有甲酸氢解酶，故发酵葡萄糖时只产酸、不产气。,产酸产气试验:,这么我们经过产酸产气试验即能够将一些不产酸以及即使产酸但不产气细菌（大肠杆菌和产气杆菌与志贺氏菌）区分开来。（,溴百里香酚蓝,PH 6.07.8,显黄-蓝色,德拉姆氏小导管搜集气体）。,81/127,甲基红试验(,M.R):,产气杆菌在发酵葡萄糖时，只有一小部分按,混合酸发酵,类型进行外，大部分丙酮酸先经过两个分子缩合成为乙酰乳酸，再脱羧成为3-羟基丁酮，然后再还原为2，3-丁二醇。丁二醇是中性，而大肠杆菌产物中有各种有机酸，发酵液中,PH,很低（4.5）,甲基红试验(,M.R),结果为大肠杆菌阳性（）,产气杆菌甲基红试验(,M.R),结果为阴性（）。,82/127,V.P,试验:,丁二醇发酵中间产物-3-羟基丁酮是菌种判定,V.P,试验物质基础。3-羟基丁酮在碱性条件下被空气中氧气氧化成（双）乙二酰，它能与培养基成份蛋白胨中精氨酸所含胍基反应生成红色化合物。产气杆菌产生大量3-羟基丁酮，故,V.P,试验阳性（）；而大肠杆菌产生极少或不产生3-羟基丁酮，故,V.P,试验阴性（）。,83/127,大肠杆菌：,产气杆菌：,V.P.,试验阳性,甲基红,(,M.R),试验阴性,V.P.,试验阴性,甲基红,(,M.R),试验阳性,84/127,在饮水、食品卫生学检验中对大肠杆菌和产气杆菌惯用判别指标,：,大肠杆菌 产气杆菌,V.P,试验 （）（）,M.R,试验 （）（）,EMB,培养基,紫黑色干燥,湿润灰棕色,含有金属光泽,大菌落,小菌落,85/127,（3）氨基酸发酵产能-,Stickland,反应,以一个氨基酸作供氢(电子,),体，以另一个氨基酸作为受氢(电子,),体时氧化-还原脱氨基反应.它是微生物在厌氧条件下,而实现产能独特发酵类型。,CH,3,CHNH,2,COOH,CH,2,NH,2,COOH,+2,ADP+Pi,ATP,3,CH,3,COOH+,3,NH,3,+CO,2,86/127,二、化能自养微生物生物氧化与产能,还原,CO,2,所需要,ATP,和,H,是经过氧化无机物 而取得,NH,4,+,、NO,2,-,、H,2,S、S,0,、H,2,、Fe,2+,等,呼吸链氧化磷酸化反应,硝化细菌,、铁细菌、硫细菌、,氢细菌,等属于化能自养类型,87/127,化能自养菌：,以,CO,2,为主要或唯一碳源,从还原无机化合物生物氧化取得能量和还原力,H,微生物称为化能自养微生物。,化能自养菌能量代谢特点：,无机物底物上脱下氢（电子）直接进入呼吸链，经过氧化磷酸化产能；,因为电子能够从多处进入呼吸链，所以有各种多样呼吸链；,产能效率通常要比化能异养细菌低，因为产能效率低，所以化能自养细菌生长迟缓，细胞产率低。,88/127,复杂分子,（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,自养微生物合成代谢：,将,CO,2,先还原成,CH,2,O,水平简单有机物，然后再深入合成复杂细胞成份。,