13 第十章 微生物的新陈代谢.ppt

第1页：新陈代谢的概念与特点

新陈代谢（Metabolism）

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，包括合成代谢（同化、耗能）与分解代谢（异化、产能）。

新陈代谢的共同特点：

• 在温和条件下进行（由酶催化）
• 反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性
• 对内外环境具有高度的调节功能和适应功能

第2页：化能异养微生物的最初能源

最初能源与通用能源的关系：

• 有机物（化能异养菌）
• 日光（光能自养菌）
• 无机物（化能自养菌）

第3页：底物脱氢的四条主要途径

• EMP 途径，又称糖酵解途径
• HMP 途径，又称己糖-磷酸途径
• ED 途径，又称 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径
• TCA 循环，即三羧酸循环

第4页：EMP途径的反应步骤与酶

EMP途径

又称糖酵解途径，全称 Embden-Meyerhof-Parnas 途径，即葡萄糖的酵解作用。

涉及的主要酶：

• 己糖异构酶
• 磷酸果糖激酶
• 果糖二磷酸醛缩酶
• 甘油醛-3-磷酸脱氢酶
• 磷酸甘油酸激酶
• 甘油酸变位酶
• 烯醇酶
• 丙酮酸激酶

第5页：葡萄糖激活的方式

• 好氧微生物：通过需要 Mg²⁺ 和 ATP 的己糖激酶
• 厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成磷酸化

第6页：磷酸果糖激酶的特点

• 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 Mg²⁺
• 在活细胞内催化的反应是不可逆的

第7页：丙酮酸的去路

本页标题为「丙酮酸的去路」，源文件未提取到展开文字，可对照原图补充丙酮酸在不同微生物与有氧无氧条件下的代谢去向。

第8页：EMP途径的第二阶段

本页为 EMP 途径第二阶段的序号标题页，源文件未提取到展开文字，可对照原图补充该阶段由 3-磷酸甘油醛到丙酮酸的反应流程。

• 经脱氢氧化生成 1,3-二磷酸甘油酸
• 经底物水平磷酸化生成 ATP
• 最终生成丙酮酸

第9页：脱氢氧化与底物水平磷酸化

• 3-磷酸甘油醛 —（3-磷酸甘油醛脱氢酶）→ 1,3-二磷酸甘油酸
• 1,3-二磷酸甘油酸 —（磷酸甘油酸激酶）→ 3-磷酸甘油酸（底物水平磷酸化）
• 3-磷酸甘油酸 —（磷酸甘油酸变位酶）→ 2-磷酸甘油酸
• 2-磷酸甘油酸 → 烯醇式丙酮酸磷酸 → 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
• PEP —（丙酮酸激酶）→ 丙酮酸（底物水平磷酸化）

第10页：（图片页，文字待补充）

本页源文件未提取到文字内容，仅有图片。建议对照原课件图片补充本页要点说明。

第11页：HMP途径降解葡萄糖的三个阶段

HMP 是一条葡萄糖不经 EMP 途径和 TCA 循环而得到彻底氧化，并能产生大量 NADPH＋H⁺ 形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。

• 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和 CO₂
• 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸
• 上述各种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

第12页：HMP途径的反应流程

• 葡萄糖 —（ATP/ADP）→ 6-磷酸葡萄糖 —（NAD(P)⁺）→ 6-磷酸-葡萄糖酸 —（NAD(P)⁺、CO₂）→ 5-磷酸-核酮糖
• 5-磷酸-核酮糖经同分异构化或表异构化产生 5-磷酸-核糖和 5-磷酸-木酮糖
• 5-磷酸-木酮糖 ＋ 5-磷酸-核糖 —（TK）→ 6-磷酸-景天庚酮糖 ＋ 3-磷酸-甘油醛
• 6-磷酸-景天庚酮糖 —（TA）→ 6-磷酸-果糖 ＋ 4-磷酸-赤藓糖
• 4-磷酸-赤藓糖 ＋ 5-磷酸-木酮糖 —（TK）→ 6-磷酸-果糖 ＋ 3-磷酸-甘油醛

注：TK 为转羟乙醛酶，TA 为转二羟丙酮基酶。

第13页：EMP途径的总反应

C₆H₁₂O₆ ＋ 2NAD⁺ ＋ 2ADP ＋ 2Pi → 2CH₃COCOOH ＋ 2NADH₂ ＋ 2H⁺ ＋ 2ATP ＋ 2H₂O

即经耗能阶段由 C₆ 裂解为 2 分子 C₃，再经产能阶段生成 2 分子丙酮酸、2 分子 NADH₂ 并净得 2 分子 ATP。

原文将该反应式标注为「HMP 途径的总反应」，按反应式内容实为 EMP（糖酵解）途径的总反应，此处按反应式内容表述。

第14页：HMP途径的总反应

6 葡萄糖-6-磷酸 ＋ 12NADP⁺ ＋ 6H₂O → 5 葡萄糖-6-磷酸 ＋ 12NADPH ＋ 12H⁺ ＋ 12CO₂ ＋ Pi

第15页：HMP途径的生理意义

• 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸
• 产生大量的 NADPH₂，一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量
• 四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成
• 反应中存在 3~7 碳糖，使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛
• 通过该途径可产生许多发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等

第16页：WD途径的特点

WD 途径（磷酸解酮酶途径）

由磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶）催化，5-磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸）裂解为乙酰磷酸和磷酸甘油醛（磷酸-4-赤藓糖），进一步生成乙酸、丙酮酸与乳酸。

许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。

第17页：ED途径的反应流程

• 葡萄糖 —（ATP/ADP）→ 6-磷酸-葡萄糖 —（NADP⁺）→ 6-磷酸-葡萄酸
• 6-磷酸-葡萄酸 —（脱水酶）→ 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸（KDPG）
• KDPG —（醛缩酶）→ 3-磷酸-甘油醛 ＋ 丙酮酸
• 3-磷酸-甘油醛经 EMP 途径转化为丙酮酸，有氧时与 TCA 环连接，无氧时进行细菌发酵

第18页：ED途径的总反应

C₆H₁₂O₆ 经 ED 途径生成 2 丙酮酸的去向：

• 有氧时：经呼吸链产生 ATP
• 无氧时：进行细菌乙醇发酵，生成 2 乙醇

该途径中生成 1 分子 ATP、1 分子 NADH₂ 和 1 分子 NADPH₂。

第19页：ED途径的特点

• 特征反应是 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和 3-磷酸甘油醛
• 特征酶是 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛缩酶
• 两分子丙酮酸来历不同：一分子由 KDPG 直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经 EMP 途径转化而来
• 1 摩尔葡萄糖经 ED 途径仅产生 1 摩尔 ATP
• 此途径主要存在于假单胞菌属，好氧时与 TCA 循环相连，厌氧时进行乙醇发酵

第20页：（图片页，文字待补充）

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第21页：（图片页，文字待补充）

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第22页：（图片页，文字待补充）

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第23页：顺乌头酸酶的反应特征

• 催化脱水然后又加水，从而改变了分子内 —OH 和 —H 的位置，生成异柠檬酸

该酶结构组成：

• 含铁的非铁卟啉蛋白，有 4 个铁原子、4 个无机硫原子及 4 个半胱氨酸硫原子结合的铁硫中心簇，参与底物的去水和加水的反应

第24页：异柠檬酸脱氢酶催化的氧化

• 这是 TCA 中第一次氧化作用，被异柠檬酸脱氢酶催化
• 该酶是 TCA 中第二个调节酶：当细胞在高能状态时（即 ATP/ADP、NADH/NAD⁺ 比值高），酶活性被抑制；在低能状态时被激活

第25页：α-酮戊二酸脱氢酶系的氧化脱羧

• 这是 TCA 循环中第二个氧化脱羧反应，由 α-酮戊二酸脱氢酶系催化，该酶与丙酮酸脱氢酶系的结构组成相似
• 酶的催化活性受其产物 NADH、琥珀酰 CoA 和 Ca²⁺ 抑制；细胞高能荷时 ATP、GTP 也可反馈抑制酶的活性

第26页：琥珀酰CoA合成酶与底物水平磷酸化

• 琥珀酰 CoA 合成酶催化琥珀酰 CoA 的硫酯键水解，使 GDP 磷酸化为 GTP
• GTP 的作用：① 在二磷酸核苷激酶作用下推动 ADP 生成 ATP；② 用于蛋白质的合成
• 该步反应是 TCA 中唯一底物水平磷酸化产能的反应

第27页：琥珀酸脱氢酶与呼吸链的联系

• 琥珀酸脱氢酶催化的是第三个氧化还原反应
• 分子量 100000（二亚基），辅酶是 FAD
• 酶直接与呼吸链联系，将 FADH₂ 交给酶的铁硫中心进入呼吸链

第28页：苹果酸脱氢酶催化的反应

• 该步反应是第四次氧化还原反应，由 L-苹果酸脱氢酶催化，NAD 是氢的受体
• 在生理情况下该反应是向右进行的

第29页：（图片页，文字待补充）

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第30页：TCA循环的生物学意义

• 是生物体代谢糖的主要方式，具有普遍性
• 是生物体提供能量的主要形式，其产能效率达到 42%
• 为糖、脂、蛋白质三大物质的转化枢纽
• 可作为多种化合物的碳骨架，以供细胞合成之用
• 为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径，如柠檬酸发酵、谷氨酸发酵等

第31页：TCA循环在代谢中的枢纽地位

进入 TCA 的物质：

• 糖类、乙醇、乳酸、葡萄糖、丙酮、甘油经 EMP 途径进入
• 脂肪经 β-氧化、脂肪酸生成乙酰-CoA
• 蛋白质水解为氨基酸后进入

由 TCA 出发的产物：

• 丁醇、丁二醇
• ATP、各种有机酸、天冬氨酸、柠檬酸、谷氨酸

第32页：（图片页，文字待补充）

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第33页：生物氧化的三种类型

根据葡萄糖脱氢后的递氢过程、尤其是受氢体的不同，生物氧化可分为三种类型：

• （有氧）呼吸
• 无氧呼吸
• 发酵

第34页：电子传递与氧化呼吸链

电子传递的部位：

• 真核细胞发生在线粒体内膜上，原核细胞发生在质膜上

成员与顺序：

• 电子传递是从 NAD 到 O₂，电子传递体主要包括 FMN、CoQ、细胞色素 b、c₁、c、a、a₃ 和一些铁硫蛋白
• 这些电子传递体按照氧化还原电势大小排列传递电子

第35页：（图片页，文字待补充）

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第36页：呼吸链的氧化还原电势排列

• MH₂ → NAD → FMN → CoQ → b → C₁ → C → a → a₃ → O₂ → H₂O
• 其中 NAD⁺/NADH 的 E₀' 值最小（−0.32 V），O₂/H₂O 的 E₀' 值最大（+0.82 V）
• 所以电子的传递方向是从 NADH 到 O₂

第37页：氧化呼吸链与ATP的生成

• 还原型辅酶的氧化、氧的消耗与水的生成伴随大量自由能释放
• NADH＋H⁺ 和 FADH₂ 均带电子对、具有高的转移势能，推动电子从还原型辅酶顺坡而下直至转移到分子氧
• 电子传递伴随 ADP 磷酸化成 ATP 的全过程又称为氧化呼吸链

第38页：（图片页，文字待补充）

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第39页：细胞色素类的组成与功能

要点：

• 细胞色素类是含 Fe 的电子传递体，铁原子处于卟啉结构中心构成血红素，细胞色素以血红素作为辅基
• 线粒体的电子传递链至少含有 5 种不同的细胞色素，称为细胞色素 b、c、c₁、a、a₃
• 细胞色素 a、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

第40页：原核生物呼吸链的特点

• 存在于细胞膜上
• 呼吸链中的氧还载体取代性强，如 CoQ 可被 MK 取代
• 氧还载体的数量在不同的种间、不同的环境条件下可增可减
• 有分支呼吸链的存在：来自不同底物的还原力进入呼吸链时有不同分支，如大肠杆菌在缺氧时呼吸链分为 Cyt.b₅₅₆→Cyt.o 与 Cyt.b₅₅₈→Cyt.d 两支

第41页：无氧呼吸的类型

无氧呼吸（anaerobic respiration）

一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。

• 硝酸盐呼吸：NO₃⁻ → NO₂⁻、NO、N₂
• 硫酸盐呼吸：SO₄²⁻ → SO₃²⁻、S₃O₆²⁻、S₂O₃²⁻、H₂S
• 硫呼吸：S⁰ → S²⁻
• 碳酸盐呼吸：CO₂、HCO₃⁻ → CH₃COOH；CO₂、HCO₃⁻ → CH₄
• 延胡索酸呼吸：延胡索酸 → 琥珀酸

第42页：发酵的概念与常见种类

发酵

在生物氧化中指无氧条件下底物脱氢后产生的还原力不经过呼吸链传递，而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应；在发酵工业上指利用厌氧或好氧微生物生产有用代谢产物的一类生产方式。

由 EMP 途径中的丙酮酸出发的发酵：

• 乙醇发酵
• 同型乳酸发酵
• 丙酸发酵
• 2,3-丁二醇发酵
• 混合酸发酵
• 丁酸型发酵

• 通过 HMP 途径的发酵：异型乳酸发酵
• 通过 ED 途径进行的发酵：细菌的酒精发酵（异型酒精发酵）

第43页：（图片页，文字待补充）

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第44页：酒精发酵的三条途径

• 酵母菌（在 pH 3.5~4.5 时）的乙醇发酵：丙酮酸 —（脱羧酶）→ 乙醛 —（脱氢酶）→ 乙醇
• 细菌（Zymomonas mobilis）的乙醇发酵：通过 ED 途径产生乙醇，总反应为 葡萄糖 ＋ ADP ＋ Pi → 2 乙醇 ＋ 2CO₂ ＋ ATP
• 细菌（Leuconostoc mesenteroides）的乙醇发酵：通过 WD 途径产生乙醇、乳酸等，总反应为 葡萄糖 ＋ ADP ＋ Pi → 乳酸 ＋ 乙醇 ＋ CO₂ ＋ ATP

概念区分：

• 同型酒精发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵
• 异型乳酸发酵：除主产物乙醇外还存在其他有机物分子的发酵

第45页：（图片页，文字待补充）

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第46页：乳酸发酵的两种类型

同型乳酸发酵

通过 EMP 途径仅产生乳酸的发酵。

异型乳酸发酵

通过 HMP（PK）途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵。

第47页：异型乳酸发酵的转醛转酮途径

• 2×葡萄糖 —（2ATP/2ADP）→ 2 果糖-6-磷酸
• 经转醛酶、转酮酶作用生成赤藓糖-4-磷酸与木酮糖-5-磷酸
• 木酮糖-5-磷酸经磷酸解酮酶裂解为乙酰磷酸，进而生成乙酸

第48页：异型乳酸乙醇发酵途径

途径：

• 5-磷酸-木酮糖 —（磷酸戊糖解酮酶）→ 乙酰磷酸 ＋ 3-磷酸甘油醛
• 乙酰磷酸 —（ADP/ATP、乙酸激酶）→ 乙酸 → 乙酰-CoA → 乙醛 → 乙醇
• 3-磷酸甘油醛经糖酵解生成丙酮酸，再还原为乳酸

第49页：同型与异型乳酸发酵的比较表

第50页：混合酸发酵的途径

混合酸发酵

通过 EMP 途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H₂ 和 CO₂ 等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故称为混合酸发酵。

发酵途径：

• 磷酸烯醇式丙酮酸 → 草酰乙酸
• 磷酸烯醇式丙酮酸 → 2 丙酮酸 → 乳酸
• 丙酮酸 —（甲酸裂解酶）→ 乙酰-CoA ＋ 甲酸
• 甲酸 —（甲酸氢解酶）→ CO₂ ＋ H₂
• 乙酰-CoA → 乙酰-P → 乙酸 ＋ ATP

第51页：产酸产气试验与甲基红试验

• 产酸产气试验：Escherichia 与 Shigella 在利用葡萄糖发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者因无此酶而不具有产气的能力

甲基红（M.R）试验：

• 甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖发酵时，前者产生大量混合酸，后者产生大量中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时前者呈红色、后者呈黄色

第52页：V.P试验的鉴别原理

• 2 丙酮酸 —（缩合）→ 乙酰乳酸 —（脱羧）→ 乙酰甲基甲醇
• 碱性条件下乙酰甲基甲醇被氧化为二乙酰，与培养基中精氨酸的胍基结合生成红色化合物
• 2,3-丁二醇也可经此途径参与反应

第53页：化能自养微生物的产能代谢

• 最初能源：NH₄⁺、NO₂⁻、H₂S、S 等无机物经顺呼吸链传递产生 ATP
• 无机氢供体：S、H₂、Fe²⁺ 等经逆呼吸链传递消耗 ATP 并产生还原力 NAD(P)H₂
• 由 ATP 与 [H] 共同将 CO₂ 还原为 [CH₂O]

第54页：无机底物脱氢后进入呼吸链的部位

• H₂、NH₄⁺、S²⁻、SO₃²⁻、S₂O₃²⁻、Fe²⁺、NO₂⁻ 等无机底物脱氢后，电子分别经 NAD、FP、Q、Cyt.b、Cyt.c、Cyt.c₁、Cyt.a₁、Cyt.a、a₃ 传递至 O₂（NO₃）
• 正向传递可产生 ATP，而逆向传递消耗 ATP 并产生还原力 [H]