微生物--1.pptx

第六章 微生物的代谢6.1化能异养菌的产能代谢6.2 化能自养菌的产能代谢6.3 光能微生物的产能代谢6.4 同化与合成代谢6.5 微生物的代谢调控2第一节 化能异养菌的产能代谢6.1.1 代谢和代谢途径6.1.2 糖分解代谢途径6.1.3 发酵6.1.4 三羧酸循环6.1.5 呼吸3l代谢（metabolism）是对细胞所进行的各种生化反应的总称，代谢是所有生理活动的化学基础；营养是代谢的物质和能量源泉；l细胞内各种生化反应相互联系，各种代谢物通过生化反应相互转换，构成了细胞的代谢网络；l代谢途径（pathway）：生理功能相关的若干个顺序排列的生化反应构成一条代谢途径；l代谢途径的反应速率（代谢通量）受到严格调控；6.1.1 代谢和代谢途径4l根据代谢途径的反应特点和生理功能特点，细胞内众多的代谢途径可概括的划分为：分解代谢（catabolism）：以氧化分解反应为特征，将大分子或复杂分子氧化分解为简单小分子，同时释放能量，为合成代谢提供前体物和能量；合成代谢（anabolism）：以还原合成反应为特征，利用小分子前体物，消耗能量，合成大分子或复杂分子；代谢途径的类型5l细胞通过分解代谢，将营养物质转化为小分子“碳架”、氨基供体、巯基供体、磷酸等前体物；同时产生能量（ATP）和还原力（NADPH）；也产生代谢废物；l细胞通过合成代谢，利用分解代谢提供的各种前体物，消耗ATP和NADPH，合成各种细胞组分（大分子、复杂分子和小分子），以及进行各种其它生理活动所需的代谢产物；l代谢的结果表现为细胞营养、生长、发育、繁殖、衰老、凋亡等生命活动特征；代谢的基本生理功能6生化反应的类型和特点l细胞有多少个酶，就有多少个生化反应，但酶的类型，及所催化的生化反应类型是有限的；l细胞内的化学反应几乎都是生化反应，反应由专一性的酶催化，即酶促化学反应；l酶催化可以降低反应活化能，反应条件温和；酶与底物相结合催化反应，具有催化专一性；7l氧化还原反应是一类最重要的生化反应，反应涉及电子得失和能量转化；失去电子为氧化，得到为电子还原；代谢物的氧化还原一般与电子载体的氧化还原偶联；氧化还原反应l与细胞氧化还原反应偶联的电子载体有：NAD+/NADH NADP+/NADPH FAD+/FADH28l碳分解代谢（carbon catabolism）：异养菌部分或彻底氧化分解有机碳源，产生ATP、NAD(P)H、小分子碳架或CO2的分解代谢途径；l主要由以下代谢途径组成，它们构成异养菌的中心碳代谢（central carbon metabolism）：糖的吸收糖分解代谢途径（糖酵解途径）三羧酸循环溢流代谢途径（发酵）呼吸6.1.2 糖分解代谢途径9l各种有机碳源都有各自的运输系统，但最终都进入中心碳代谢途径进行氧化分解；碳分解代谢的简并性l微生物能够利用何种碳源，取决于是否有相应的运输系统和进入中心碳代谢的分支代谢途径；10l糖分解代谢途径：指氧化分解葡萄糖的代谢途径：糖酵解途径：产能磷酸戊糖途径：不产能l糖酵解（glycolysis）途径：将葡萄糖部分氧化分解为丙酮酸，同时底物水平磷酸化产能的代谢途径；l广泛存在的糖酵解途径是EMP，还有存在于少部分微生物中的ED途径、磷酸解酮酶途径等；由于EMP途径首先发现，所以糖酵解途径又特指EMP；糖分解代谢途径11糖酵解途径（EMP）熟悉生化物质的化学结构熟悉生化反应类型掌握代谢途径理解生理功能12l分解葡萄糖：葡萄糖+ATP 1-磷酸葡萄糖+ADP（葡萄糖激酶）1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖（变位酶）6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖（异构酶）6-磷酸果糖+ATP 1,6-二磷酸果糖+ADP（激酶）1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 （醛缩酶）磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛（异构酶）EMP的生化反应及生理目的（一）13l氧化、释放能量、产ATP：3-磷酸甘油醛+2Pi 1,3-二磷酸甘油酸+2e+2H NAD2e2H NADHH（磷酸甘油脱氢酶）1,3-2p甘油酸+ADP+Pi3-磷酸甘油酸+ATP（激酶）3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸（变位酶）2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸（烯醇化酶）PEP+ADP+Pi 丙酮酸+ATP（丙酮酸激酶）EMP的生化反应及生理目的（二）14l氧化反应是重要的生化反应，化合物在氧化过程中，释放高能电子和能量；l释放的高能电子还原氧化型的电子载体，产生还原态的电子载体；l释放的能量储存在高能化学键（磷酸键）中，形成高能化合物中间体；3-磷酸甘油醛+2Pi 1,3-二磷酸甘油酸+4e+4H2NAD4e4H 2NADH2H氧化反应15l化合物在氧化分解过程中，形成的高能化合物中间体的高能键水解，偶联ADP磷酸化形成ATP，这种产生ATP的方式叫做底物水平磷酸化；1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸Pi磷酸稀醇式丙酮酸 丙酮酸Pi ADPPi ATP底物水平磷酸化16l一分子葡萄糖经EMP部分氧化分解，产生两分子丙酮酸，两分子NADH，净产生两分子ATP；Glc+2ADP+2Pi+2NAD+2Pyr+2ATP+2NADH+2H+EMP氧化分解葡萄糖，底物水平磷酸化产生ATP，为细胞提供能量；产生多种“C3”小分子碳架，提供合成代谢前体物；产生NADH，可进一步通过呼吸产生ATP；也可以转化为还原力-NADPH；EMP的生理功能17l存在于某些发酵单胞菌、假单胞菌、固氮菌等G-菌，以及极少数G+菌中的糖酵解途径；l在代谢途径上，ED途径与EMP的区别在于：先葡萄糖进行氧化脱水，然后再分解氧化产生丙酮酸；l在生理功能上，ED途径与EMP区别在于：一分子葡萄糖经ED途径氧化分解，产两分子丙酮酸、一分子H2O、一分子NADPH和一分子NADH，净产一分子ATP；ED途径兼有产NADPH（还原力）的生理功能；ED 途径18ED 途径glc+ADP+Pi+2NAD(P)+2pyr+ATP+NADH+NADPH+H2O（KDPG特征性中间代谢物）l6-磷酸葡萄糖+NADP+6-P葡萄糖酸+NADPHH （6-磷酸葡萄糖脱氢酶）l6-P葡萄糖酸 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸H2O （6-磷酸葡萄糖酸脱水酶）l2-酮-3-脱氧-6-P葡萄糖酸 3-P甘油醛+丙酮酸 （2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶）l3-磷酸甘油醛 丙酮酸+ATP+NADH ED途径的生化反应和生理功能特点20l存在于某些严格厌氧或耐氧的乳酸细菌中的一种糖酵解途径；葡萄糖分解方式与EMP不同；l磷酸解酮酶途径可区分为两种途径：己糖磷酸解酮酶途径（HK）：产生小分子碳架、ATP、NADH戊糖磷酸解酮酶途径（PK）：产生小分子碳架、ATP、NADH、NADPHlHK途径先分解、重排、再分解氧化；PK途径先部分氧化、异构、再分解氧化；磷酸解酮酶途径21HK途径6-磷酸果糖4-磷酸赤藓糖乙酰磷酸6-磷酸果糖25-磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛2乙酰磷酸碳架重排和异构2丙酮酸+2NADH+4ATP磷酸解酮酶磷酸解酮酶乙酸+ATP2乙酸+2ATP转酮酶、转醛酶2果糖 2丙酮酸3乙酸+5ATP+2NADH22PK途径6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乙酰磷酸丙酮酸+ATP+NADH磷酸解酮酶乙酸+ATP葡萄糖丙酮酸乙酸+2ATP+NADPH+NADH+CO2CO2+2NADPH葡萄糖脱氢酶葡萄糖酸脱氢酶23l分解：（磷酸解酮酶）6-磷酸果糖+Pi 4-磷酸赤藓糖乙酰磷酸（HK）5-磷酸木酮糖+Pi 3-P甘油醛乙酰-Pl氧化：（葡萄糖脱氢酶；葡萄糖酸脱氢酶）（PK）6-磷酸葡萄糖+NADP+6-P葡萄糖酸NADPHH6-P葡萄糖酸+NADP+5-P核酮糖+NADPH+H+CO2l底物水平磷酸化：（乙酸激酶）乙酰磷酸+ADP+Pi 乙酸ATPHK和PK途径的反应特点24l采用磷酸解酮酶催化分解酮糖的方式氧化分解葡萄糖，可以提高产能效率：HK途径分解一分子葡萄糖净产生2.5个ATP，但只形成一分子NADH；PK途径先氧化，后酮解一分子葡萄糖净产生2个ATP，同时产生一个NADPH和NADH，产生一个CO2；lHK和PK途径存在只有底物水平磷酸化一种方式产能的专性厌氧或耐氧菌中，尽量提高产能效率；HK和PK途径的生理特点25l碳架重排反应：丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖之间相互转化的反应，通过相互间转移二羟丙酮基（转酮）或羟乙醛基（转醛），实现分子重排；转酮反应：由转二羟丙酮基酶（转酮酶）催化：4-P赤藓糖 6-P果糖 7-P景天庚酮糖3-P甘油醛转醛反应：由转羟乙醛基酶（转醛酶）催化：7-P景天庚酮糖3-P甘油醛 5-P核糖5-P木酮糖 HK途径的碳架重排反应26碳架重排转醛和转酮反应转酮酶转醛酶27l磷酸戊糖途径（HMP or PP）：普遍存在的葡萄糖氧化分解途径，主要生理功能为产生NADPH和C3C7的小分子碳架，没有底物水平磷酸化产ATP功能；氧化反应，将6-磷酸葡萄糖氧化分解为CO2和5-磷酸核酮糖，并产生2个NADPH；非氧化还原的循环反应，将6个 5-磷酸核酮糖重排为5个 6-磷酸果糖；l总反应：Glc+12NADP+6H2O6CO2+12NADPH12H+磷酸戊糖途径28磷酸戊糖途径的氧化反应部分与PK途径的上半部反应完全相同，目的是产生NADPH；Glc-6-Pi+2NADP+H2OCO2+2NADPH2H+Ru-Pi2.6-磷酸葡萄糖脱氢酶3.6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 29磷酸戊糖途径的循环反应部分转酮酶转醛酶转醛酶65-P核酮糖 56-P果糖 56-P葡萄糖代谢中间物为合成代谢提供C3C7前体物30l发酵（fermentation）：碳分解代谢的不完全氧化产物（丙酮酸、NADH）转化为末端发酵产物，并排出细胞的代谢途径；也叫溢流代谢（overflow metabolism）；l发酵是中心碳代谢的一个组成部分，是在无氧条件下（不需要氧）对糖酵解的延续代谢，所以称为发酵，一般存在于厌氧菌和兼性厌氧菌中；l不同微生物的发酵代谢途径不同，产生的末端发酵产物也不同，由此构成了各种发酵类型；6.1.3 发酵31发酵的生理功能l细胞通过发酵，使糖酵解途径的产物-丙酮酸和NADH转化为末端发酵产物，并排出细胞：避免丙酮酸在胞内过量积累而产生毒害作用；使NAD+再生，维持胞内NAD+/NADH平衡；l发酵与糖酵解途径共同构成了完整的葡萄糖部分氧化分解代谢，在这一过程中，实现了底物水平磷酸化产能（发酵产能）、产生碳架的生理功能；l这一代谢不需要氧参与，为厌氧菌和兼性厌氧菌采用；32乙醇发酵乙酸发酵乳酸发酵丙酸发酵丁醇发酵l所有发酵的生理功能完全相同，但代谢途径和代谢产物各不相同，通常以主要末端发酵产物命名发酵类型；l发酵反应必然包括还原反应，由NADH提供电子；发酵的类型33l乙醇发酵：从丙酮酸到乙醇，两步反应；丙酮酸脱羧生成乙醛和CO2，消耗 NADH还原乙醛生成乙醇和NAD+再生，乙醇排出细胞；乙醇发酵总反应式：葡萄糖2乙醇2CO22ATP丙酮酸乙醛 CO2丙酮酸脱羧酶乙醛NADH乙醇NAD乙醇脱氢酶34l酿酒酵母在无氧条件下，通过EMP分解葡萄糖产生丙酮酸、NADH和ATP；l然后经乙醇发酵将丙酮酸转化为乙醛和CO2，排出细胞外；同时再生NAD+；l利用上述代谢，使酿酒酵母在不需要氧的条件下，完成分解葡萄糖，产生碳架和ATP的生理功能；同时避免了不完全氧化的代谢中间物在胞内的积累，以及胞内NAD+/NADH不平衡；酿酒酵母的乙醇发酵35l运动发酵单孢菌（Zymomonas mobilis）为微好氧菌，在较低的氧分压下生长；经ED途经分解葡萄糖为丙酮酸、NADPH、NADH和ATP；l由于缺氧，部分丙酮酸不能彻底氧化，只能进入乙醇发酵途径：经脱羧反应和还原反应，消耗NADH，产生乙醇和CO2；总反应式：葡萄糖 2乙醇2CO2NADPHATP运动发酵单胞菌的乙醇发酵36l工业上利用酿酒酵母的EMP和乙醇发酵，或者利用运动发酵单孢菌的ED途径和乙醇发酵，以葡萄糖为主要原料发酵生产乙醇：工业乙醇、医用酒精、食用酒精、各种酒类、燃料乙醇（fuel ethanol）；l发展方向：以来自农产品废弃物的纤维素和半纤维素为发酵原料，进行糖化和发酵过程相耦合的己糖和戊糖共代谢发酵；以降低乙醇发酵成本，实现资源综合利用；乙醇发酵的工业应用和发展方向37l许多细菌具有乳酸发酵，特别是没有彻底氧化有机物的代谢途径的耐氧菌，多采用乳酸发酵；l葡萄糖经糖酵解途径分解产生丙酮酸、NADH和ATP；丙酮酸直接被NADH还原为乳酸，排出细胞；l根据末端发酵产物的种类，乳酸发酵可分为同型和异型乳酸发酵；乳酸发酵丙酮酸 NADH乳酸NAD+乳酸脱氢酶38l乳杆菌属（Lactobacillus）时典型的进行同型乳酸发酵的菌属；经EMP分解葡萄糖产生丙酮酸、NADH和ATP；丙酮酸经乳酸发酵被转化为乳酸排出细胞，同时NAD+再生；l总反应：葡萄糖2乳酸2ATPl这种乳酸发酵由于末端发酵产物只有乳酸一种产物，称为同型乳酸发酵（homofermentation）；同型乳酸发酵39l两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）是严格厌氧菌，没有彻底氧化有机物的代谢途径；l经HK途径分解葡萄糖，产生丙酮酸、乙酸（乙醇）、NADH和ATP；乙酸或乙醇被直接排出细胞；丙酮酸经乳酸发酵转化为乳酸排出细胞；l由于末端发酵产物除乳酸外还有乙酸或乙醇，被称为异型乳酸发酵（heterofermentation）；l总反应：2葡萄糖2乳酸3乙酸5ATP两歧双歧杆菌的异型乳酸发酵40l肠膜状明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）是兼性厌氧菌，在无氧条件下经PK途径分解葡萄糖，产生丙酮酸、乙酸（乙醇）、CO2、NADPH、NADH和ATP；l乙酸（乙醇）和 CO2直接排出细胞；丙酮酸经乳酸发酵，消耗NADH，被还原为乳酸排出细胞；l由于末端发酵产物除乳酸外，还有CO2、乙酸或乙醇，也为异型乳酸发酵；l总反应：葡萄糖 乳酸+乙酸+2ATP+NADPH+CO2肠膜状明串珠菌的异型乳酸发酵41乙酰磷酸的代谢途径l当细胞需ATP时，乙酰磷酸水解产生ATP和乙酸；l当细胞需要NAD时，在磷酸转乙酰基酶催化下（phosphotransacetylase），乙酰磷酸变成乙酰辅酶A，然后消耗两个NADH被还原为乙醇，同时NAD 再生；乙酸CoA NADH 乙醛 HCoA NAD乙酸磷酸HCoA乙酰CoAPi乙醛NADH 乙醇 NAD42l进行乳酸发酵的大多是G菌，主要分布在厚壁菌门芽孢杆菌纲：芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）、乳杆菌属（Lactobacillus）、片球菌属（Pediococcus）、产乳酸球菌属（Lactosphaera）、明串珠菌属（Leuconostoc）、乳球菌属（Lactococcus）；l以及属于放线菌门的双歧杆菌目（Bifidobacteriales）的双歧杆菌属（Bifidobacterium）；l乳酸发酵的真核微生物：米根霉（Rhizopus oruzae）；乳酸发酵的主要微生物属43l能分解乳糖进行乳酸发酵的厌氧菌、兼性厌氧菌或耐氧菌细菌都称为乳酸细菌；l乳酸细菌应用于乳品行业，主要以牛乳为原料发酵生产酸奶、干酪、酸性奶油、酸性酪乳；l乳酸发酵的微生物用于乳酸的工业发酵生产，分为L-乳酸发酵和D-乳酸发酵；L-乳酸用于合成可降解高分子材料聚乳酸，以及生产有机容积乳酸乙酯；D-乳酸是医药中间体；乳酸细菌及应用44l肠杆菌科（Enterobacteriaceae）一类兼性厌氧的G杆菌，多数种中心碳代谢包括EMP和甲酸或产气发酵；l甲酸发酵：丙酮酸裂解产生甲酸和乙酰辅酶A，甲酸为主要的末端发酵产物，还有少量乙酸和乙醇；l如甲酸进一步分解则产生 CO2 和H2，为产气发酵；甲酸裂解酶丙酮酸HCoA乙酰CoA甲酸CO2 H2甲酸氢解酶甲酸甲酸发酵和产气发酵45lE.coli是肠杆菌科埃希氏菌属（Escherichia）的模式种，是典型的兼性厌氧的G杆菌；l在无氧条件下，E.coli 的中心碳代谢由EMP和混合酸发酵构成，既产酸又产气，属异型发酵；l混合酸发酵产物包括：乳酸、琥珀酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和H2；大肠杆菌的混合酸发酵46甲酸 CO2 H2（偏酸性环境）大肠杆菌混合酸发酵反应和酶乙酰CoA 乙酰磷酸乙酸ATP草酰乙酸3NADH苹果酸延胡索酸琥珀酸3NAD 乙酰CoA 2NADH 乙醛乙醇2NAD乳酸脱氢酶丙酮酸NADH乳酸NAD甲酸裂解酶乙酰CoA甲酸丙酮酸HCoA丙酮酸羧化酶草酰乙酸丙酮酸CO247l肠杆菌科肠杆菌属（Enterobacter）的典型种：产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes），EMP糖酵解；丁二醇发酵l在无氧条件下进行丁二醇发酵，末端发酵产物除有少量乳酸、乙醇、CO2和H2外，主要发酵产物为2,3-丁二醇；48l乙酰乳酸合成酶（acetolactate synthase）催化两分子丙酮酸缩合脱羧，生成乙酰乳酸；l乙酰乳酸脱羧酶（acetolactate decarboxylase）催化脱羧，生成3-羟基丁酮（acetoin）；l羟基丁酮还原酶（acetoin reductase）催化，消耗NADH还原3-羟基丁酮为2,3-丁二醇；肠杆菌属细菌的丁二醇发酵反应49lV.P.反应是鉴定丁二醇发酵的试验，出现红色为阳性反应，表示存在丁二醇发酵；l原理：乙酰甲基甲醇在碱性条件下被氧化为二乙酰，二乙酰与精氨酸的胍反应产生红色化合物；V.P.反应50枯草芽孢杆菌的异型丁二醇发酵l枯草芽孢杆菌异型丁二醇发酵，产物包括：乳酸、乙酸、2,3-丁二醇和痕量的乙醇；l用枯草芽孢杆菌代替酿酒酵母进行燃料乙醇生产是发展趋势之一；51l丙酮丁醇梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylicum）是厚壁菌门梭菌科（Clostridaceae）梭菌属的典型种，为低GC的G专性厌氧产芽孢菌；l丙丁梭菌的中心碳代谢只有ED途径和丙酮丁醇发酵途径，缺乏三羧酸循环和呼吸；l丙酮丁醇发酵：末端发酵产物主要为丙酮和丁醇，同时还有甲酸、乙酸、乙醇、丁酸、CO2和H2；丙酮丁醇发酵52丙丁梭菌的丙酮丁醇发酵途径53l丙酮酸 甲酸CO2（丙酮酸甲酸裂解酶）l丙酮酸 乙醛CO2（丙酮酸脱羧酶）l乙醛 乙醇（乙醇脱氢酶）l丙酮酸 乙酰CoACO2（丙酮酸脱氢酶）l乙酰CoA 乙酰磷酸（磷酸转乙酰基酶）l乙酰磷酸 乙酸（乙酸激酶）l乙酰CoA 乙醛（乙醛脱氢酶）l乙醛 乙醇（乙醇脱氢酶）丙酮丁醇发酵反应、酶和代谢产物（一）54l2乙酰CoA 乙酰乙酰CoA（乙酰乙酰CoA 合酶）l乙酰乙酰CoA乙酰乙酸（乙酰乙酰CoA辅酶A转移酶）l乙酰乙酸丙酮CO2（乙酰乙酸脱羧酶）l乙酰乙酰CoAb-羟丁酰CoA（b-羟丁酰CoA 脱氢酶）lb-羟丁酰CoA 巴豆酰CoA（b-羟丁酰CoA 脱水酶）l巴豆酰CoA 丁酰CoA（巴豆酰CoA 脱氢酶）l丁酰CoA丁酰-P丁酸（丁酰磷酸转乙酰基酶和激酶）l丁酰CoA 丁醛丁醇（丁醛脱氢酶和丁醇脱氢酶）丙酮丁醇发酵反应、酶和代谢产物（二）55l用淀粉糖为原料，丙丁梭菌工业发酵生产丙酮丁醇在我国持续30年，形成总溶剂生产行业；衰退近20年后，前年开始复苏，去年又衰退；l发酵生产丙酮丁醇的发展前景：用纤维素降解糖，或半纤维素降解的戊糖代替淀粉水解糖为发酵原料，发挥原料优势；可以提高发酵产物中丁醇的比例，生产燃料丁醇替代目前使用的燃料乙醇；丙酮丁醇发酵的工业应用和发展前景566.1.4 三羧酸循环l三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA循环）是异养微生物彻底氧化分解有机物，产生CO2、NAD(P)H和FADH2的代谢途径；是糖酵解途径的延续，将不完全氧化的有机物（丙酮酸），彻底氧化为CO2而释放；中间代谢物为合成代谢提供小分子碳架前体物；有机物彻底氧化所释放的高能电子，还原电子载体，产生NAD(P)H和FADH2，为氧化磷酸化产生ATP提供前体物；57受体再生氧化受体结合氧化底物水平磷酸化异构TCA循环的代谢途径丙酮酸脱氢酶 柠檬酸合成酶顺乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶a-酮戊二酸脱氢酶琥珀酰辅酶A合成酶琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶氧化氧化水合58TCA循环的反应特点l丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA，然后进入TCA循环；l乙酰CoA与受体草酰乙酸结合，生成柠檬酸；l柠檬酸异构为异柠檬酸后，经两步氧化反应，脱掉两个CO2，生成琥珀酰CoA和两个NAD(P)H；l高能化合物琥珀酰CoA经底物水平磷酸化，产生GTP和琥珀酸；l琥珀酸经两步氧化，一步水合反应，再生为TCA的受体草酰乙酸，同时产生NAD(P)H 和FADH2；59TCA循环的酶l柠檬酸合成酶l顺乌头酸酶l异柠檬酸脱氢酶la-酮戊二酸脱氢酶l琥珀酸辅酶A合成酶l琥珀酸脱氢酶l延胡索酸酶l苹果酸脱氢酶60糖酵解途径与TCA循环总反应lEMP：葡萄糖2丙酮酸+2NADH+2ATPl2丙酮酸2乙酰CoA+2CO2+2NADHlTCA循环：2乙酰CoA 4CO2+6NAD(P)H+2FADH2l总反应式：Glc10NA(P)D+2FAD 4ADP4Pi 6CO210NAD(P)H2FADH24ATP61l呼吸（respiration）：氧化NAD(P)H和FADH2，将高能电子的能量转化为ATP的产能代谢途径；氧化NAD(P)H和FADH2，再生NAD(P)+和FAD2+；高能电子沿呼吸链传递，还原最终电子受体，形成呼吸产物；高能电子在传递过程中，其能量转化为质子动力势（PMF）；质子动力势驱动ATP合成酶，氧化磷酸化合成ATP；6.1.5 呼吸62l呼吸链（电子传递链）：是细胞进行呼吸的酶系统，由一系列具有氧化还原功能的电子载体蛋白，顺序排列在生物膜上构成；l呼吸链的一般组成：NADH脱氢酶复合物辅酶Q 细胞色素bc1复合物 细胞色素c 细胞色素aa3（末端氧化酶复合物）l原核细胞的呼吸链位于细胞膜上，真核微生物的呼吸链存在于线粒体的内膜上；呼吸链63l电子载体蛋白按照还原电位由高到低顺序排列；lNADH脱氢酶复合物的电子载体为FMN、FeS；辅酶Q是具类异戊二烯尾的苯醌衍生物；cytbc1的电子载体有血红素（heme）和FeS；其它cyt的电子载体都是血红素；电子载体蛋白及电子载体64lNAD(P)H脱氢酶复合物催化氧化反应；NAD(P)H+H+FMN+NAD(P)+FMNH2 FMNH2(FADH2)+2Fe3+S FMN+(FAD2+)+2Fe2+S+2H+呼吸的反应过程NAD(P)H和FADH2的氧化实现NAD(P)和FAD2+再生65呼吸的反应过程电子传递lNAD(P)H和FADH2氧化释放的高能电子经呼吸链传递给最终（末端）电子受体：NAD(P)H脱氢酶复合物催化辅酶Q 还原：2Fe2+S+CoQ+2H+2Fe3+S+CoQH2cytb催化辅酶Q氧化，自身被还原；cytc1催化cytb氧化，自身被还原；cytc催化cytc1 氧化，自身被还原；cytaa3催化cytc氧化和末端电子受体还原，并形成呼吸产物；66lFeS只接受电子被还原，2H+则被排到膜外；辅酶Q被FeS还原时，再从基质中吸收2H+；lcytb只接受电子，2H+被排到膜外；lcytc1在从基质中吸收2H+，还原cytc时，2H+再被排出；呼吸的反应过程质子外排67l高能电子沿呼吸链传递过程中，在三个位点有三对H+被排到膜外，形成膜内外H+浓度差这种电势能，即质子动力势（PMF）；l高能电子在经呼吸链传递过程中，电子能量逐步降低并转化为质子动力势；呼吸的反应过程质子动力势建立68l氧化磷酸化（电子传递水平磷酸化）：由质子动力势推动膜上的ATP合成酶，使ADP磷酸化形成ATP；l通过呼吸（电子传递），高能电子的能量转化为PMF；通过氧化磷酸化，PMF的势能转化为ATP的化学键能；l2H+跨膜运输，驱动F1-F0ATP酶形成一个ATP；氧化磷酸化69F1-F0ATP合成酶l氧化磷酸化由F1-F0ATP合成酶催化；lF1-F0ATP合成酶由多个蛋白亚基构成，其中F0位于膜上，F1位于膜内；中间有质子通道；l当质子流穿过质子通道时，引起ATP酶构象改变，使ADP磷酸化形成ATP；70l有氧呼吸：分子氧作为呼吸的最终电子受体（terminal electron acceptor），在细胞色素aa3的催化下，接受电子被还原，形成呼吸产物水的呼吸过程；NAD(P)H（FADH2）NAD(P)+（FAD2+）+2H+2e O2 2H+2e H2O呼吸的末端反应有氧呼吸l进行有氧呼吸的微生物为好氧微生物；71l无氧呼吸：用除O2以外的其它氧化态无机或有机物作为呼吸的最终电子受体，在末端氧化酶催化下被还原，形成呼吸产物的呼吸过程；l无氧呼吸存在于某些兼性厌氧或专性厌氧微生物中，根据呼吸的末端反应不同，可分为许多类型：硝酸盐呼吸、亚硝酸盐呼吸；硫酸盐呼吸、硫呼吸；二氧化碳呼吸、延胡索酸呼吸；铁呼吸、锰呼吸；呼吸的末端反应无氧呼吸72l葡萄糖经糖酵解途径和TCA循环被彻底氧化为CO2，并释放出大量高能电子而形成NAD(P)H或FADH2；l通过呼吸将NAD(P)H或FADH2重新氧化，使NAD(P)+和FAD2+再生，维持胞内NAD(P)+/NAD(P)H和FAD2+/FADH2平衡；并通过氧化磷酸化，高效率产生ATP：l由于大量NAD(P)H或FADH2来自于TCA循环，所以呼吸和TCA循环不可分割；当无最终电子受体时，呼吸停止，TCA也停止，减少NADH的生成；然后开通溢流代谢，实现NAD+的再生，同时降低产能效率；呼吸与中心碳分解代谢的关系73l一对电子从NADH沿呼吸链传递到O2，共排出32H+，可以形成三个ATP，即消耗一个氧原子，形成三个高能磷酸键（P/O3）；l一对电子从FADH2传递到O2，排出22H+，可以形成两个ATP（P/O2）；有氧呼吸的产能效率P/O74l氧化磷酸化：EMP：2NADH 6 ATP2丙酮酸2乙酰CoA：2NADH 6 ATPTCA循环：6NADH18 ATP 2FADH24 ATPl底物水平磷酸化;EMP：2 ATP；TCA循环：2ATPl总计：1分子葡萄糖34ATP4ATP38ATP葡萄糖有氧呼吸产能的效率75E.coli的硝酸盐呼吸lE.coli是兼性厌氧菌，有氧时，有氧呼吸；l无氧而有硝酸盐时，硝酸盐呼吸；末端氧化酶为硝酸盐还原酶，最终电子受体为硝酸，呼吸产物为亚硝酸；l无氧而无硝酸盐时，只进行混合酸发酵；76lB.subtilis为好氧菌，兼性无氧呼吸，硝酸盐和亚硝酸盐呼吸，呼吸产物为氨，称氨化作用（ammonification）；lB.licheniformis也进行硝酸盐呼吸，呼吸产物为氮；称为脱氮作用（denitrification）；l硝酸盐作为呼吸的电子受体而被还原的反应，也称为异化型硝酸盐还原反应或者反硝化作用：l反硝化作用降低土壤肥力，用于污水处理；Bacillus.sp.的硝酸盐呼吸77l硫酸盐呼吸：以硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等氧化态含硫无机物作为呼吸的最终电子受体，呼吸产物为硫化氢的无氧呼吸，也称为异化型硫酸盐还原反应；l进行硫酸盐呼吸呼吸的细菌，统称为硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB），也属于脱硫菌；l硫酸盐还原菌是造成腐败水体、物品恶臭的原因之一；可用于废水处理，去除水中的硫酸；硫酸盐呼吸：SO42-SO32-；S2O32-；S；H2S；硫呼吸：S H2S硫酸盐呼吸78l多数硫酸盐呼吸菌属于变形菌门-d变形菌纲：脱硫菌属（Desulfurella）脱硫弧菌属（Desulfovibrio）脱硫单胞菌属（Desulfomonas）脱硫杆菌属（Desulfobacter）脱硫球菌属（Desulfococcus）脱硫八叠球菌属（Desulfosarcina）脱硫小杆菌属（Desulfotalea）l厚壁菌门-梭菌目-消化球菌科（Peptococcaceae）：脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum）、脱硫芽孢弯曲菌属（Desulfosporosinus）硫酸盐还原菌的主要属79l进行延胡索酸呼吸的细菌大多生活在牛的瘤胃中，呼吸产物主要为琥珀酸；延胡索酸琥珀酸l在分类系统中属于d变形菌纲的琥珀酸弧菌科（Succinivibrionaceae）琥珀酸弧菌属（Succinivibrio）厌氧螺菌属（Anaerobiospirillum）瘤胃杆菌属（Ruminobacter）琥珀酸单胞菌属（Succinimonas）延胡索酸呼吸的细菌属80l所有产甲烷细菌进行CO2或碳酸盐呼吸，还原产物为甲烷（沼气发酵）或乙酸；CO2CH4l产甲烷细菌都属于古生菌，在分类系统中归为广古生菌门（Euryarchaeota phy.nov.）甲烷杆菌纲（Methanobacteria class.nov.）甲烷球菌纲（Methanococci class.nov.）甲烷嗜高热菌纲（Methanopyri class.nov.）产甲烷菌的CO2呼吸81l铁还原菌以三价铁作为呼吸的最终电子受体，呼吸产物为二价铁；假单胞菌和芽孢杆菌等很多细菌进行兼性铁呼吸菌；l专性铁呼吸菌有铁还原杆菌门（Deferribacteres）以及d变形菌纲的铁还原单胞菌属（Ferrimomas）；l专性铁还原细菌还能以高价锰作为电子受体，如嗜热铁还原杆菌（Deferribacter themzophilus）以可以进行Fe3 Fe2、Mn5 Mn2和硝酸盐呼吸；铁锰还原细菌82l呼吸的产能效率取决于最终电子受体与NADH和FADH2之间的还原电位差值；lO2的P/O最大为3，其余小于3；无氧呼吸产能效率低于有氧呼吸；无氧呼吸的产能效率