1、Chapter 5Microbial metabolism1I. Catabolic and anabolic reactionslMetabolism : 生物體中所有化學(xué)反應(yīng)之總和生物體中所有化學(xué)反應(yīng)之總和.lCatabolism : degradation (放能放能)lAnabolism : synthesis (吸能吸能)l能量反應(yīng)能量反應(yīng) : ATPFig. 5.123II. EnzymeslEnzymes : biocatalystlActivation energylSubstrate, product. ex : sucrose glucose + fructoselTurn

2、over number(TON)sucraseEnzyme 活性活性 : IU, SA4II - 1. Naming enzymes l字尾字尾 ase.l分六大類分六大類 (Table 5.1)56II - 2. Enzyme componentslApoenzyme + cofactor = holoenzyme cofactor 可為金屬離子可為金屬離子 or coenzymelCoenzymes : 多由多由vitamins 衍生而來衍生而來. ex : NAD+, NADP+, FMN, FAD, CoA(Table 5.2)Fig. 5.27ex : CoQex : FMN , F

3、ADex : NAD+ , NADP+89II - 3. The mechanism of enzymatic action1.受質(zhì)接觸受質(zhì)接觸enzyme表面之表面之a(chǎn)ctive site.2.形成形成enzyme-substrate complex.3.Substrate 因其分子之重新排列因其分子之重新排列, 其分子之降解其分子之降解 or 與其他受質(zhì)之結(jié)合而使受質(zhì)之架構(gòu)改變與其他受質(zhì)之結(jié)合而使受質(zhì)之架構(gòu)改變.4.Substrate product, 由由 E-S complex被釋放被釋放出來出來.5.Enzyme 本身未改變本身未改變, 其可加速化學(xué)反應(yīng)其可加速化學(xué)反應(yīng).Fig. 5

4、.3a & 5.3b“ Lock and key model ”“ Induced - Fit model ”10drug11II - 4. Factors influencing enzymatic activitylTemerature : denaturation lpHlSubstrate conc.lInhibitorslFeedback inhibtion(end-product inhibition)Fig. 5.5Fig. 5.4Fig. 5.6Fig. 5.712Temp pHS雙曲線雙曲線1314NCICI1516II - 5. Ribozymes l如如enzym

5、e般具催化功能般具催化功能, 對對RNA具專一性具專一性.l具較小之受質(zhì)範(fàn)圍具較小之受質(zhì)範(fàn)圍.17III. Energy productionlCatabolic reactionlATP18III - 1. Oxidation-reduction reactionslOxidation : 失去失去 e-, reduction : 得到得到e-.lDehydrogenation Fig. 5.8Fig. 5.9192021III - 2. The generation of ATPl加入加入p : phosphorylationlThree types : 1. Substrate-leve

6、l phosphorylation2. Oxidative phosphorylation : ETC3. Photophosphorylation : 只發(fā)生含葉綠體且只發(fā)生含葉綠體且行光合作用之行光合作用之cell.Fig. 5.1322NAD FAD(FMN) CoQ Cyt O2 H2O23IV. Metabolic pathways of energy productionsABCDEFNAD+NADH + H+ADP + PATPO2CO2H2OEnd-productStartingmaterial12345By-products orwaste products24V. Carb

7、ohydrate catabolismlRespiration & fermentationlGlucose 之之respiration含含 three steps :1.Glycolysis2.Krebs cycle3.ETCFig. 5.102526V - 1. GlycolysislTwo stages :1.Preparatory stage2.Energy-conserving stageFig. 5.112728V - 2. Alternatives to glycolsislThe pentose phosphate pathway(PPP)1.或稱或稱hexose mo

8、nophosphate shunt(HMS)2.形成形成pentose nucleic acid; glucose; amino acid.3.產(chǎn)生產(chǎn)生NADPH.4.利用此利用此pathway之微生物之微生物 : Bacillus subtilis, E.coli, Leuconostoc mesenteroides & Enterococcus faecalis.29lThe Enter-Doudoroff pathway1.G(-) : Rhizobium, Pseudomonas & Agrobacterium. G(+) 則不行則不行pathway.2.實驗室鑑定實驗

9、室鑑定Pseudomonas.30V - 3. Cellular respiration definedlRespiratory : 物質(zhì)經(jīng)氧化作用產(chǎn)生物質(zhì)經(jīng)氧化作用產(chǎn)生ATP之過之過程程, 且其最終之電子接受者為無機物者且其最終之電子接受者為無機物者.lAerobes, anaerobesFig. 5.1031V-3-1 Aerobic respirationlThe Krebs cycle = Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle) = Citric acid cycle lThe electron transport chain (ETC)1.Flavo

10、proteins(Fp)2.Cytochromes3.Ubiquinones(coenzyme Q ; CoQ)Fig. 5.12Fig. 5.13“ Chemiosomtic mechanism ”323334V-3-2 The chemiosmotic mechanism of ATP generationlChemiosmosis1.Proton pump2.Concentration gradient, electrical charge gradient, electrochemical gradient, potential energy “proton motive force”

11、3.ATP synthaseFig. 5.14Fig. 5.15353637V-3-3 A summary of aerobic respirationlNADH : 3 ATP, FADH2 (FMNH2) : 2 ATPl原核原核cell : 38 ATP, 真核真核cell : 36 ATP(Table 5.3)Fig. 5.16383940V-3-4 Anaerobic respirationl最終之電子接受者異於氧氣之無機物質(zhì)最終之電子接受者異於氧氣之無機物質(zhì), ex : Pseudomonas & Bacillus - 利用利用 NO3- (nitrogen cycle),

12、 Desulfovibrio - SO4-2 H2S (sulfur cycle), 細(xì)菌細(xì)菌 - CO3-2 CH441V-3-5 Fermentationl定義定義 :1.由醣類由醣類 & amino acid, organic acids, purines, pyrimidines獲得能量之過程獲得能量之過程.2.不需不需O2參與參與.3.不需不需Krebs cycle & ETC 參與參與.4.以有機物質(zhì)作為最終電子接受者以有機物質(zhì)作為最終電子接受者.5.產(chǎn)生少量產(chǎn)生少量ATP, 主要能量貯存於中間產(chǎn)物如主要能量貯存於中間產(chǎn)物如lactate & ethanol

13、 中中.Fig. 5.1742圖圖 5.17 發(fā)酵作用。小發(fā)酵作用。小插圖顯示發(fā)酵作用與整插圖顯示發(fā)酵作用與整體能量產(chǎn)生之關(guān)係。體能量產(chǎn)生之關(guān)係。(a) 發(fā)酵作用，第一步驟為發(fā)酵作用，第一步驟為糖酵解作用，葡萄糖被糖酵解作用，葡萄糖被分解為丙酮酸。第二步分解為丙酮酸。第二步驟中，由糖酵解作用所驟中，由糖酵解作用所產(chǎn)生之還原態(tài)輔酶及其產(chǎn)生之還原態(tài)輔酶及其相關(guān)物質(zhì)相關(guān)物質(zhì) (如如NADH, NADPH) 提供電子及質(zhì)提供電子及質(zhì)子給丙酮酸以形成發(fā)酵子給丙酮酸以形成發(fā)酵產(chǎn)物。產(chǎn)物。(b)不同發(fā)酵作用不同發(fā)酵作用之終產(chǎn)物。之終產(chǎn)物。於發(fā)酵作用中、於發(fā)酵作用中、ATP只只於糖酵解作用中產(chǎn)生。於糖酵解作用

14、中產(chǎn)生。43V-3-5(1) Lactic acid fermentationl首要路徑為首要路徑為glycolysis.Glucose 2 pyruvate 2 lactatelLactic acid bacteria : Streptococcus & Lcatobacillus 為為 homolactic or homofermentative bacterial可導(dǎo)致食品腐敗可導(dǎo)致食品腐敗, 但可生產(chǎn)但可生產(chǎn) yogurt, sauerkraut & pickles.無氧無氧Fig. 5.18Fig. 5.114445V-3-5(2) Alcohol fermentat

15、ionlGlucose 2 pyruvate 2 aldehyde + 2 CO2l酵母菌酵母菌(Saccharomyces), 為為 heterolactic or heterofermentative bacteria無氧無氧2 ethanolFig. 5.1846474849VI. Lipid catabolismlFat : fatty acids + glycerol l微生物可利用微生物可利用lipase將脂肪分解為將脂肪分解為fatty acids & glycerol TCA cycleFig. 5.205051VII. Protein catabolisml微生物利用

16、微生物利用proteases & peptidases 分解蛋分解蛋白質(zhì)為白質(zhì)為amino acids (A. A.) TCA cyclel Deamination : A. A. 之之-NH2被移除轉(zhuǎn)化成被移除轉(zhuǎn)化成 NH4+l Decarboxylation :l Dehydrogenation :52VIII. Biochemical testslFermentation : media 含蛋白質(zhì)含蛋白質(zhì), 單一醣類單一醣類, pH指示指示劑劑 & Durham tube.l微生物代謝產(chǎn)生之廢棄物微生物代謝產(chǎn)生之廢棄物, 可被另一可被另一 微生物利用為其碳源及能量來源微生

17、物利用為其碳源及能量來源. 如如 Acetobacter : yeast ethanol Propionibacterium : lactate pyruvate TCA cycle 代謝過程中產(chǎn)生代謝過程中產(chǎn)生propionic acid & CO2lSwiss cheese之孔洞即之孔洞即CO2造成造成Fig. 5.19535455IX. Photosynthesis lPhytosynthesis : 將光能將光能 化學(xué)能化學(xué)能 所產(chǎn)生之能所產(chǎn)生之能量將量將CO2 醣類醣類.lPhyto - : 陽光陽光 or 光線光線, synthesis : 合成合成.l利用利用CO2之碳原

18、子合成醣類亦稱之碳原子合成醣類亦稱carbon fixation.lCyanobacteria, algae & green plants可行可行phytosynthesis.lReaction : 6 CO2 + 12 H2O + light energy C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O56lPhytosynthesis 可分可分two stages : 1. Light reactions or light-dependent reactions : light energy將將ADP + Pi ATP, NADPH NADP. 2. Dark reactions o

19、r light-independent reactions : 利用利用ATP之能量及電子將之能量及電子將CO2 醣類醣類.57IX-1. The light reaction :photophosphorylationl為為ATP產(chǎn)生方式之一產(chǎn)生方式之一, only in phytosynthetic cells.l利用利用chlorophyll 並激發(fā)分子中之電子並激發(fā)分子中之電子.lGreen plants, algae & cyanobacteria : chlorophyll a , 位於位於thylakoids 之膜中之膜中.lOther bacteria : bacter

20、iochlorophyllsl被激發(fā)之電子如呼吸作用之被激發(fā)之電子如呼吸作用之ETC, 再藉再藉chemiosmosis自自ADP ATP, 在在cyclic photophosphorylation, 電子再回到電子再回到chlorophyll中中.58lNoncyclic photophosphorylation : 電子並電子並未回到未回到chlorophyll中中, 而是與而是與NADPH binding.lChlorophyll 失去之電子由失去之電子由H2O or H2S獲得獲得.l產(chǎn)物為產(chǎn)物為 ATP, O2 & NADPH.Fig. 5.23b5960XI-2. The

21、 dark reaction : the Calvin- Benson cyclel不需不需light.l包括包括Calvin-Benson cycle pathway.l將將CO2 醣類醣類.Fig. 5.246162X. A summary of energy production mechanismslPhotosynthetic pigmentslAerobic respiration : O2為最終之電子接受為最終之電子接受者者. anaerobic respiration : NO3- or SO42-. fermentation : 有機物質(zhì)有機物質(zhì).Fig. 5.256364X

22、-1. Metabolic diversity among organismslEnergy source : phototrophs & chemotrophs. lCarbon source : autotrophs(CO2, lithotrophs) & heterotrophs(有機物有機物, organotrophs)lEnergy & carbon source : photoautotrophs, photoheterotrophs & chemoautootrophs.l微生物幾乎均為微生物幾乎均為chemoheterotrophs.Fig. 5

23、.266566X-1-1. PhotoautotrophslSource : light, CO2.l光合細(xì)菌如光合細(xì)菌如green sulfur bacteria, purple sulfur bacteria & cyanobacteria, algae, green plants.lReaction 會產(chǎn)生會產(chǎn)生O2, 所以亦稱所以亦稱oxygenic reaction.l除除cyanobacteria外外, 有些原核有些原核cell反應(yīng)不會產(chǎn)生反應(yīng)不會產(chǎn)生O2, 所以又稱所以又稱anoxygenic reaction.67lGreen sulfur bacteria(如如Chl

24、orobium : S, sulfideH2S SO42-. or H2 CO2).lpurple sulfur bacteria(如如Chromatium 亦能亦能利用利用S, sulfide or H2 CO2). 其與其與green sulfur bacteria最大差別最大差別 : chlorophyll 種類種類& 貯存貯存S之位置不同之位置不同. 68l光合細(xì)菌光合細(xì)菌 : bacteriochlorophylls, 吸收較吸收較chlorophyll a 為長之為長之light.lGreen sulfur bacteria之之bacteriochlorophylls 於於

25、 chlorosomes 之小囊中之小囊中. purple sulfur bacteria 之之 bacteriochlorophylls 於於 intracytoplasmic membranes 中中.Table 5.66970X-1-2. PhotoheterotrophslEnergy source : sun, 但無法將但無法將CO2 醣類醣類.l利用有機化合物利用有機化合物, 如醇類如醇類, 脂肪酸脂肪酸, 有機酸有機酸or糖類為糖類為C源源, 不製造不製造O2.l生物如生物如Chloroflexus(green nonsulfur bacteria), Rhodopseudomonas(purple nonsulfur bacteria)71X-1-3. Chemoautotrophsl由還原態(tài)之無機化合物獲得由還原態(tài)之無機化合物獲得energy, 以以CO2為為C源源.lBeggiatoa : H2S ; Thioba