1、Chapter 4 Microbial of metabolism(新陳代謝),4.1 The overview of metabolism （概述） 4.1.1 what is metabolism（定義） Metabolism: is the total of all chemical reactions occurring in the living cells, the flow of energy and the participation of enzymes make metabolism passible.,4.1.2 the overview of metabolism 1.

2、Two parts: (1). Catabolism（分解代謝）: larger and more complex molecules are broken down into smaller, simple molecules with the release of energy and reducing power. (2). Anabolism（合成代謝）: is the synthesis of complex molecules from simple ones with the input of energy.,2.relationship Complex molecules si

3、mple molecules+ATP+H,3.Characteristics Oneness Diversity Particularity 4.Energy is the core problem of metabolism Primary energy sources Radiant energy and chemical substances Universal energy source ATP 因此研究新陳代謝就是研究如何將最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能利用的通用能源。,Biological oxidation（生物氧化） Definite:發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱(chēng)

4、； Styles:與氧結(jié)合，脫氫和失去電子三種； Process:脫氫、遞氫和受氫； Functions:產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力（H）、產(chǎn)小分子中間代謝物 Sorts: 呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵 以葡萄糖作為生物氧化的典型底物。在生物氧化的脫氫階段中，可通過(guò)四條途徑來(lái)完成其脫氫反應(yīng)，并伴隨還原力和能量的產(chǎn)生，下面就分別介紹它的四條脫氫途徑： 4.2.1 EMP pathway（p80, E2）,4.2 Biological oxidation and energy production of heterotrophs,Glucose Hexokinase Glucose 6-phosphate

5、Phosphoglucolsomerase Fructose 6-phosphate Phosphofructokinase Fructose 1,6-bisphosphat Aldolase Glyceraldehyde 3-phosphate dihydroxyacetone phosphate glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase 1,3-bisphosphoglycerate Phosphoglycerate kinase 3-phosphoglycerate phosphoglycerate mutase 2-phosphoglycerat

6、e enolase Phosphoenolpyruvate pyruvate kinase pyruvate,Part 1Six-carbon stage,Part 2Three-carbon stage,甘油醛-3-磷酸,磷酸二羥丙酮,1,3-二磷酸-甘油酸,甘油酸-3-磷酸,甘油酸-2-磷酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1,6-二磷酸,ATP,ADP,ATP,ADP,ADP,ADP,ATP,ATP,NAD+Pi,NADH, 己糖激酶 磷酸葡萄糖異構(gòu)酶 磷酸果糖激酶 醛縮酶 3-磷酸甘油醛脫氫酶 磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸變位酶 烯醇酶 丙酮酸激

7、酶,Part 1Six-carbon stage,Part 2Three-carbon stage,甘油醛-3-磷酸,磷酸二羥丙酮,1,3-二磷酸-甘油醛,甘油酸-3-磷酸,甘油酸-2-磷酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1,6-二磷酸,ATP,ADP,ATP,ADP,ADP,ADP,ATP,ATP,NAD+Pi,NADH,1分子葡萄糖為底物,10步反應(yīng),2分子ATP,2分子丙酮酸,2分子NADH+H+,Total reaction: Glucose+2ADP+2Pi+2NAD+ 2pyruvates+2ATP+2NADH+2H+ EMP途徑的生理功

8、能,4.2.2 PPP pathway,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,5-磷酸-核糖,轉(zhuǎn)酮醇酶,轉(zhuǎn)醛醇酶,甘油醛-3-磷酸,景天庚酮糖-7-磷酸,6-磷酸-果糖,赤蘚糖-4-磷酸,5-磷酸-木酮糖,轉(zhuǎn)酮醇酶,6-磷酸-果糖,甘油醛-3-磷酸,6-磷酸-果糖,1,6-二磷酸-果糖,丙酮酸,Total reaction: 3 glucose-6-phosphate+6NADP+3H2O 3CO2+6NADPH+6H+2fructose-6-phosphate +glyceraldehyde-3-phosphate frucose-6-phosphate

9、pyruvate 意義,4.2.3 ED pathway,Total reaction: Glucose+ADP+Pi+NADP+NAD+ 2pyruvates+ATP+NADPH+H+NADH+H+,甘油醛-3-磷酸,丙酮酸,丙酮酸,2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸, KDPG,6-磷酸-葡萄糖酸,6-磷酸-葡萄糖,4.2.4 the citric acid cycle,4.3 Respiration (keystones) 4.4 Autotrophic reaction 4.5 Biosynthetic pathways,4.3 Respiration aerobic respirat

10、ion anaerobic respiration,Respiration,1. 呼吸作用（respiration）,微生物在降解底物的過(guò)程中，將釋放出的電子交給NAD（P）+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過(guò)程，稱(chēng)為呼吸作用。,以氧化型化合物作為最終電子受體,有氧呼吸（aerobic respiration）：,無(wú)氧呼吸（anaerobic respiration）：,以分子氧作為最終電子受體,是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式，其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫（常以還原力H形式存在）經(jīng)完整的呼吸鏈傳遞，最終被

11、外源分子氧接受，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。,這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的生物氧化作用，是一種高效產(chǎn)能方式。,4.3.1. Aerobic Respiration,(1) to accept electrons from an electron donor and transfer them to an electron acceptor,Where does it exist? (prokaryotes and eukaryotes) Electron transport systems are composed of membrane associated electr

12、on carriers. These systems have two basic functions:,(2) to conserve some of the energy released during electron transfer for synthesis of ATP.,Electron Transport Chain,又稱(chēng)電子傳遞鏈（ electron transport chain，ETC），是指位于原核生物細(xì)胞膜上或真核生物線粒體膜上的、由一系列氧化還原勢(shì)呈梯度差的、鏈狀排列的氫（或電子）傳遞體。,呼吸鏈（respiratory chain，RC）,低氧化還原勢(shì)的化合物,

13、高氧化還原勢(shì)化合物 Eg.分子氧或其他無(wú)機(jī)、有機(jī)氧化物,通過(guò)與氧化磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián),跨膜質(zhì)子動(dòng)勢(shì),推動(dòng)了ATP的合成,氫或電子,逐級(jí)傳遞,氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,又稱(chēng)電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫（或遞電子）和受氫過(guò)程與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。遞氫、受氫即氧化過(guò)程造成了跨膜的質(zhì)子梯度差即質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而質(zhì)子動(dòng)勢(shì)再推動(dòng)ATP酶合成ATP。,In addition, one class of nonprotein electron carriers is known, the lipid-soluble quinones.,(1) Nicot

14、ianamide adenine dinucleotide (NAD) and nicotianamide adenine dinucleotide phosophate (NADP),(2) Flavin adenine dinucleotide (FAD) and flavin mononucleotide (FMN),(3) iron-sulfur proteins,(4) Cytochromes,Types of oxidation-reduction enzymes involved in electron transport chain（p96）,(5) Ubiquinone (C

15、oenzyme Q),NAD或NADP,FAD或FMN,鐵硫蛋白,泛醌,細(xì)胞色素系統(tǒng),ATP,ATP,ATP,Oxidative phosphorylation,The final electron acceptor in the electron transport chain is not O2 , but some oxidized organic or inorganic（CO2,Nitrate, sulfate）. Yields less energy than aerobic respiration because only part of the Krebs cycles ope

16、rations under anaerobic conditions.,4.3.2. Anaerobic Respiration,根據(jù)呼吸鏈末端氫受體的不同，可把無(wú)氧呼吸分為下列幾種類(lèi)型：,其一是在有氧或無(wú)氧條件下所進(jìn)行的利用硝酸鹽作為氮源營(yíng)養(yǎng)物，稱(chēng)為同化性硝酸鹽還原作用 （assimilative nitrate reduction）；, 硝酸鹽呼吸，又稱(chēng)反硝化作用（denitrification）,硝酸鹽在微生物生命活動(dòng)中具有兩種功能:,其二是在無(wú)氧條件下，某些兼性厭氧微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N2O直至N2的過(guò)程，稱(chēng)為異化性硝酸鹽還原作用 （diss

17、imilative nitrate reduction）， 又稱(chēng)硝酸鹽呼吸或反硝化作用。,兩個(gè)還原過(guò)程的共同特點(diǎn)是硝酸鹽都要經(jīng)過(guò)一種含鉬的硝酸鹽還原酶將其還原為亞硝酸。,兼性厭氧微生物反硝化細(xì)菌， 例如，Bacillus licheniformis（地衣芽孢桿菌）， Paracoccus denitrificans（脫氮小球菌）， Pseudomonas aeruginosa（銅綠假單胞菌）等。,在通氣不良的土壤中，反硝化作用會(huì)造成氮肥的損失，其中間產(chǎn)物NO和N2O會(huì)污染環(huán)境。,是一類(lèi)稱(chēng)作硫酸鹽還原細(xì)菌（或稱(chēng)反硫化細(xì)菌）的嚴(yán)格厭氧菌在無(wú)氧條件下獲取能量的方式。, 硫酸鹽呼吸,特點(diǎn)：底物脫氫后，

18、經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過(guò)程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP。硫酸鹽呼吸的最終產(chǎn)物是H2S。,嚴(yán)格厭氧菌，例如， Desulfovibrio desulfuricans（脫硫脫硫弧菌）， Dgigas（巨大脫硫弧菌）， Desulfotomaculum nigrificans（致黑脫硫腸狀菌）等。,在浸水或通氣不良的土壤中，厭氧微生物的硫酸鹽呼吸及其有害產(chǎn)物對(duì)植物根系生長(zhǎng)十分不利 。,以無(wú)機(jī)硫作為呼吸鏈的最終氫受體并產(chǎn)生H2S的生物氧化作用。, 硫呼吸,兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙?例如，Desulfuromonas acetoxidans （氧化乙酸脫硫單胞菌）, 鐵呼吸,

19、在某些專(zhuān)性厭氧菌和兼性厭氧菌（包括化能異養(yǎng)細(xì)菌、化能自養(yǎng)細(xì)菌和某些真菌）中發(fā)現(xiàn)，其呼吸鏈末端的氫受體是Fe3+。, 碳酸鹽呼吸,根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類(lèi)型， 一類(lèi)是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸， 一類(lèi)為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。,是一類(lèi)以CO2或重碳酸鹽作為呼吸鏈末端氫受體的無(wú)氧呼吸。, 延胡索酸呼吸,在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是末端氫受體，而琥珀酸則是延胡索酸的還原產(chǎn)物。,兼性厭氧細(xì)菌， 例如，Escherichia（埃希氏桿菌屬）、 Proteus（變形桿菌屬）、 Salmonella（沙門(mén)氏菌屬）、 Klebsiella（克氏桿菌屬）等腸桿菌； 厭氧細(xì)菌， 例如，Bact

20、eroides（擬桿菌屬）、 Propionibacterium（丙酸桿菌屬）、 Vibriosuccinogenes（產(chǎn)琥珀酸弧菌）等。,2. 發(fā)酵（fermentation）（1）定義,泛指任何利用好氧或厭氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物或食品、飲料的一類(lèi)生產(chǎn)方式。,廣義的發(fā)酵,指在無(wú)氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類(lèi)生物氧化反應(yīng)，即：,狹義的發(fā)酵,不同的微生物通過(guò)發(fā)酵作用，積累的代謝產(chǎn)物是不一樣的。根據(jù)主要代謝產(chǎn)物將微生物發(fā)酵分為以下幾個(gè)類(lèi)型。,（2）微生物的發(fā)酵類(lèi)型, 乙醇發(fā)酵, 乳酸發(fā)酵, 丙酸發(fā)

21、酵, 混合酸發(fā)酵, 丁二醇發(fā)酵, 丁酸型發(fā)酵, 乙醇發(fā)酵,酒精發(fā)酵是最古老的一種發(fā)酵，它在化工、醫(yī)藥及食品行業(yè)的用途廣泛。,酵母菌的酒精發(fā)酵（均在厭氧條件下）,第三型發(fā)酵pH7.6左右（微堿性）,第一型發(fā)酵pH3.54.5（弱酸性）,第二型發(fā)酵亞適量NaHSO3（3）,甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2,甘油和少量乙醇,乙醇, 乳酸發(fā)酵,乳酸發(fā)酵在工業(yè)上用于生產(chǎn)乳酸，在農(nóng)業(yè)上用于青貯飼料的發(fā)酵，在食品加工業(yè)上也有廣泛的應(yīng)用。因此，乳酸是一種需求量很大的發(fā)酵產(chǎn)品。全世界每年乳酸的消費(fèi)量為1315萬(wàn)噸，我國(guó)的乳酸生產(chǎn)量11000噸。,葡萄糖,2丙酮酸,EMP途徑,乳酸脫氫酶,2乳酸,NAD+,NADH

22、2,NAD+,A.同型乳酸發(fā)酵,凡葡萄糖發(fā)酵后只產(chǎn)生2分子乳酸的發(fā)酵，稱(chēng) 同型乳酸發(fā)酵（homolactic fermentation）。,葡萄糖,乙酰磷酸,PK途徑,乙醛,乳酸脫氫酶,乳酸,NADH2,NAD+,3P甘油醛,NAD+,丙酮酸,乙醇,乙酸,CO2,B.異型乳酸發(fā)酵,凡葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵稱(chēng)異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵（heterolactic fermentation）。,這是一條在1960年代中后期才發(fā)現(xiàn)的雙歧桿菌（Bifidobacteria）通過(guò)HMP發(fā)酵葡萄糖的新途徑。,C.雙歧桿菌途徑,特點(diǎn)： 2分子葡萄糖3分子乙酸2分子乳酸5分子

23、ATP,乳酸發(fā)酵對(duì)我們食品工業(yè)和釀酒工業(yè)來(lái)說(shuō)十分重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生產(chǎn)均通過(guò)乳酸發(fā)酵。甚至在香腸的制作中也需乳酸菌的參與。但在釀酒工業(yè)中乳酸菌是一重大污染菌。,呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：,電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。,4.4 Autotrophic reactions(E4,P101),4.4.1 chemoautotrophs 4.4.2 photolithotrophs,4.4.1 chemoautotrophs 1.How do the chemoautotrophs obtain e

24、nergy and carbon sources? 2.What is nitrification?,4.4.2 photolithotrophs 1.What is photosynthesis? 2.Types: According to the generation of O2. 3.The two sets of reactions of the reaction of photosynthesis.,bacterial (where? How?) Cyclic phosphorylation Light reactions eukaryotic (where? How?) noncy

25、clic photophosphorylation Dark reactions eukaryotic (Calvin cycle) the calvin cycle,1. 循環(huán)光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）,一種存在于光合細(xì)菌（photosynthetic bacteria）中的原始光合作用機(jī)制，可在光能驅(qū)動(dòng)下通過(guò)電子的循環(huán)式傳遞而完成磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。,特 點(diǎn)： 電子傳遞途徑屬循環(huán)方式， 即在光能的驅(qū)動(dòng)下，電子從菌綠素分子上逐出，通過(guò)類(lèi)似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP； 產(chǎn)ATP與產(chǎn)還原力H分別進(jìn)行； 還原力來(lái)自H2S等的無(wú)機(jī)氫供體； 不產(chǎn)

26、生氧。,特點(diǎn)： 進(jìn)行不產(chǎn)氧光合作用（anoxygenic photosynthesis），即不能利用H2O作為還原CO2時(shí)的氫供體，能利用還原態(tài)無(wú)機(jī)物（H2S、H2）或有機(jī)物作還原CO2的氫供體。,具有循環(huán)光合磷酸化的生物，屬于原核生物真細(xì)菌中的光合細(xì)菌，均是厭氧菌，分類(lèi)上在紅螺菌目（Rhodospirillales）。,這是一類(lèi)典型的水生細(xì)菌，廣泛分布于缺氧的深層淡水或海水中。,紅螺菌目的光合細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)所含的菌綠素和類(lèi)胡蘿卜素的量和比例不同，可使菌體呈現(xiàn)出紅、橙、藍(lán)綠、紫紅、紫或褐等不同顏色。,可利用有毒的H2S或污水中的有機(jī)物（脂肪酸、醇類(lèi)等）作還原CO2時(shí)的氫供體，用于污水凈化； 產(chǎn)生的

27、菌體可作餌料、飼料或食品添加劑等。,2. 非循環(huán)光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）,這是各種綠色植物、藻類(lèi)和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。,特 點(diǎn)： 電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的； 在有氧條件下進(jìn)行； 有兩個(gè)光合系統(tǒng)，其中的PS（含葉綠素a）可以利用紅光， PS（含葉綠素b）可利用藍(lán)光； 反應(yīng)中同時(shí)有ATP（產(chǎn)自PS）、還原力H（產(chǎn)自PS）和O2（產(chǎn)自PS）產(chǎn)生； 還原力NADPH2中的H是來(lái)自H2O分子光解后的H+和e-。,4.5微生物獨(dú)特代謝合成途徑舉例4.5.1自養(yǎng)微生物的CO2固定,各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化

28、中獲取的能量主要用于CO2的固定。,在微生物中CO2的固定的4條途徑： Calvin循環(huán) 厭氧乙酰CoA途徑 逆向TCA循環(huán)途徑 羥基丙酸途徑,Calvin循環(huán)（Calvin cycle）,Calvin循環(huán)又稱(chēng)Calvin-Benson循環(huán)、Calvin-Bassham循環(huán)、核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖磷酸循環(huán)。這一循環(huán)是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物固定CO2的主要途徑。,核酮糖二磷酸羧化酶（ribulose biphosphate carboxylase，簡(jiǎn)稱(chēng)RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶（phosphoribulokinase）是本途徑中兩種特有的酶。,利用Calvin循環(huán)進(jìn)行CO2固定的

29、生物包括綠色植物、藍(lán)細(xì)菌、多數(shù)光合細(xì)菌（光能自養(yǎng)型）和硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硝化細(xì)菌等（化能自養(yǎng)型）。,如果以產(chǎn)生1個(gè)葡萄糖分子來(lái)計(jì)算，則Calvin循環(huán)的總式為： 6CO212NAD(P)H218ATPC6H12O612NAD(P)18ADP18Pi,4.5.2 Nitrogen fixation,The reduction of atmospheric gaseous nitrogen to ammonia is called nitrogen fixation .,Occur: （1）free-living nitrogen-fixer（自生固氮菌） （2）Symbiotic nitrogen-fixer（共生） 豆科、非豆科（弗蘭克氏菌屬）、地衣、滿(mǎn)江紅等 （3）associative nitrogen-fixer (聯(lián)合固氮菌),2H,2H,2H,H3N NH3,Nitrogen reduction,8H + N2 + 18