糖代謝的中心途徑

1、糖代謝的中心途徑The center pathways of the carbohydrate metabolism,東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物工程學(xué)系徐旭東 x_xdong@126.com,代謝(metabolism)：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝，前者分分解代謝和合成代謝；后者分產(chǎn)能代謝和耗能代謝。,分解代謝,合成代謝,第一節(jié) 微生物代謝概論,物質(zhì)代謝,能量代謝,產(chǎn)能代謝,耗能代謝,初級(jí)代謝,次級(jí)代謝,

2、代謝,,,,,一、物質(zhì)代謝,物質(zhì)代謝,,分解代謝（catabolism）,合成代謝（anabolism）,復(fù)雜分子（有機(jī)物）,,,分解代謝,合成代謝,簡(jiǎn)單小分子,ATP,[H],細(xì)胞中蛋白質(zhì)、核酸、糖、脂等物質(zhì)的變化過(guò)程稱為物質(zhì)代謝?？煞譃榉纸獯x和合成代謝。,+,+,分解代謝和合成代謝的關(guān)系分解代謝往往伴隨能量的產(chǎn)生；合成代謝往往伴隨能量的消耗。,糖的分解代謝,脂肪 碳水化合物 蛋白質(zhì),二、能

3、量代謝,微生物細(xì)胞中能量的產(chǎn)生、消耗、轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為能量代謝。,用于生物合成,用于運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等,三、 初級(jí)代謝和次級(jí)代謝,初級(jí)代謝(primary metabolism)：微生物通過(guò)代謝合成細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖所必需的化合物的的過(guò)程。初級(jí)代謝的產(chǎn)物稱初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、維生素等。次級(jí)代謝(secondary metabolism)：微生物通過(guò)代謝合成對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖作用不明顯、或沒(méi)有作用的化合物的的過(guò)程。次級(jí)代謝的產(chǎn)物稱次級(jí)

4、代謝產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、毒素、色素等。,四、代謝和酶,1. 酶是由生物細(xì)胞所產(chǎn)生的、具有催化性質(zhì)的蛋白質(zhì)；2. 微生物的生命活動(dòng)離不開(kāi)酶；3. 酶的活動(dòng)受微生物調(diào)控機(jī)制制約；4.了解微生物代謝及調(diào)控機(jī)制是利用微生物的基礎(chǔ)。,微生物的分解代謝分為三個(gè)階段：①將蛋白質(zhì)、多糖以及脂類等大分子物質(zhì)降解為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)(往往在細(xì)胞外進(jìn)行)；②將上述小分子進(jìn)一步降解為丙酮酸、乙酰輔酶A等小分子中間體（細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行）；

5、③將這些小分子中間體分解為二氧化碳。第②、第③階段伴隨著ATP、NAD(P)H+及FADH2的產(chǎn)生。分解代謝產(chǎn)生的NAD(P)H+及FADH2的H和電子通過(guò)電子傳遞鏈被氧化，產(chǎn)生ATP。,,蛋白質(zhì),多糖,脂類,氨基酸,單糖,甘油＋脂肪酸,,,,丙酮酸,,糖酵解,CoA,,,檸檬酸,α,酮戊二酸,草酰乙酸,,階段1,,,,,,,階段2,,,,,階段3,,,,,CoQ,,細(xì)胞色素,,ATP,,,,,,,,,,,,,NADH2,+FADH2,

6、,,,ATP+NADH2,,,,NADH,2,,,,,,,,,,,,,,,,,乙酰,,三羧酸循環(huán),,,,,,,,,,,,,ATP,NADH2,FADH2,,,O2,,CO2,,,,,,,,,,,,,,,,,,NADH,2,,,,,,,,,,第二節(jié) 微生物的分解代謝及能量產(chǎn)生,,CO2,,一、萄萄糖分解途徑,（一）EMP途徑(Embden-Meyerhof pathway),,Embden-Meyerhof-pathway,很多微生物采

7、用基團(tuán)轉(zhuǎn)位的方式得到6-磷酸葡萄糖,,,藕聯(lián)基團(tuán)轉(zhuǎn)位,Enol：烯醇,EMP途徑的總反應(yīng)式：Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvate + 2 NADH·H+ + 2 ATP + 2 H2O,,,EMP途徑的生理意義：1. 提供合成代謝必需的ATP和還原力NADH·H+；2. 連接其它代謝途徑的橋梁：TCA，HMP，ED等；3.

8、 通過(guò)一些代謝中間產(chǎn)物；4. 逆向反應(yīng)進(jìn)行糖異生；5. 與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇發(fā)酵有關(guān)。EMP途徑的關(guān)鍵酶：磷酸果糖激酶PFK、丙酮酸激酶PK,（一）EMP途徑（Embden-Meyerhof pathway）,（二）HMP途徑(Hexose Monophosphate Pathway),HMP途徑即己糖單磷酸途徑，其過(guò)程包括兩個(gè)階段：,一是氧化階段：6-磷酸-葡萄糖氧化成5-磷酸-核酮糖；,二是分子重排階段：五碳糖重排成

9、為三碳糖和六碳糖。,降解發(fā)生在6-磷酸-葡萄糖酸，所以命名為己糖單磷酸途徑(HMP)。,5-磷酸-戊糖水平發(fā)生分子重排，所以又可以命名為磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway, PPP),很多微生物可以不通過(guò)TCA循環(huán)將葡萄糖徹底降解為CO2。,1. HMP途徑的關(guān)鍵酶： 6磷酸葡萄糖脫氫酶 （glucose-6-phospoate dehydrogenase） 6磷酸葡萄

10、糖酸脫氫酶 （6-phospogluconate dehydrogenase）,2. HMP途徑的特征酶： 轉(zhuǎn)酮酶（transketolase, TK） 轉(zhuǎn)醛酶（transaldolase, TA）,小分子前體,5-磷酸-核酮糖、核糖、木糖,4-磷酸-赤蘚糖,3-磷酸-甘油醛,7-磷酸-景天庚酮糖,,還原力,NADPH2,HMP途徑可以為微生物生長(zhǎng)提供能量、小分子前體和還原力。也擴(kuò)大了碳源利用的范圍

11、乳酸桿菌(Lactobacterium)中無(wú)HMP，在其培養(yǎng)過(guò)程中，必須添加嘌呤、嘧啶等物質(zhì)。,3. HMP途徑的生理意義：,用于核苷酸、核酸及NAD(P)＋、FAD、FMN、CoA等合成,用于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸等芳香族氨基酸的合成,連接脂肪酸代謝途徑，用于甘油、脂肪的合成,HMP途徑的總反應(yīng)式,不完全的HMP：,完全的HMP：,Glucose-6-phosphate + 6 NADP+ 3CO2

12、+ 6NADPH2 + GAP,,Glucose-6-phosphate + 12 NADP+ 6CO2 + 12NADPH2 + Pi,,（三）ED途徑(Entner-

13、Doudoroff Pathway),ED途徑由Entner和Doudoroff(Russia)2人研究嗜糖假單孢菌(Pseudomonas saccharophila)中發(fā)現(xiàn)，故名。 另外在下列細(xì)菌中也存在ED途徑：Pseudomonas aeruginosa、Pseudomonas fluorescens、Pseudomonas lindneri、Zymomonas mobilis； ED途徑的降解在

14、2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸(2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnic acid, KDPG)上發(fā)生。 ED途徑是細(xì)菌進(jìn)行乙醇、乳酸發(fā)酵的重要方式。,philharmonic,Michael Doudoroff (1911 - 1975) was an American microbiologist who discovered with Nathan

15、Entner microbial pathway for glucose degradation in some bacteria. Nowadays it is known as Entner-Doudoroof pathway. He was born in St. Petersburg, Russia but moved to San Francisco when he was 12 years ol

16、d. He entered Stanford University (1929) where he completed his PhD under the supervision of Cornelius Van Niel at the Hopkins Marine Station.,,Glucose,Glucose-6-phosphate,6-phosphogluconic acid,2-ket

17、o-3-deoxy-6-phosphoglucnic acid,Pyruvate,GAP,Pyruvate,,,,,,,,,,,,ATP,ADP,,,NAD＋,NADH2,,,H2O,,,KDPG aldolase,ED途徑,glucotate-6-phosphate dehydratase,glucose-6-phospoate dehydrogenase,類似EMP,,2ATPNADH2,,,,,類似HMP,,特征性反應(yīng),,1.

18、 ED途徑的關(guān)鍵酶： 6磷酸葡萄糖酸脫水酶 （glucose-6-phosphate dehydratase） KDPG 醛縮酶（特征酶） （2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconic acid aldolase）,2. ED途徑的總反應(yīng)式：,Glucose + NAD+ + NADP+ +ADP + 2 Pi 2 pyruvat

19、e + NADH2 + NADPH2 + ATP,,來(lái)源不同！,,,,,3. 如何區(qū)別ED途徑和EMP途徑？,CHO,C,C,C,C,CH2OPi,OH,HO,OH,OH,H,H,H,H,,,,,,,,,,,,,,COOH,C,C,C,C,CH2OPi,=O,H,OH,OH,H,H,H,,,,,,,,,,,,Glucose,KDPG,,,C,CH3,=O,,,C,CH3,=O,,,,,ED途徑呼吸的CO2來(lái)自C1和C4，EMP途徑呼吸的

20、CO2來(lái)自C3和C4,pyruvate,COOH,COOH,,ED,C,C,C,C,CH2OPi,OH,HO,OH,OH,H,H,H,H,,,,,,,,,,,,,,CH2OPi,C,C,C,C,CH2OPi,=O,HO,OH,OH,H,H,H,,,,,,,,,,,,Glucose,DPF,,,CH3,C,COOH,=O,,,COOH,C,CH3,=O,,,,,pyruvate,CHO,,EMP,,ED途徑呼吸的CO2來(lái)自C1和C4，EM

21、P途徑呼吸的CO2來(lái)自C3和C4,釀酒酵母,產(chǎn)朊假絲酵母,產(chǎn)黃青霉,大腸桿菌,氧化葡萄糖桿菌,運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌,EMP,HMP,ED,88%,12%,0,66-81%,19-34%,0,77%,23%,0,72%,28%,0,0,100%,0,0,0,100%,銅綠假單孢菌,0,29％,71%,,三種代謝途徑在微生物中的分布,（四）PK途徑（phosphoketolase pathway）,即磷酸酮解途徑。根據(jù)降解分子的不同，又可分為磷酸

22、戊糖酮解途徑(phosphopentoseketolase pathway, PPK)和磷酸己糖酮解途徑(phosphohexoseketolase pathway, PHK)即雙歧途徑。,PK途徑由Warberg、Dickens、Horeker等發(fā)現(xiàn)，故稱WD途徑。PPK途徑是乳桿菌(Lactobacterium)進(jìn)行乳酸發(fā)酵的重要方式；PHK途徑實(shí)際上包括PPK和PHK，存在于雙歧桿菌(Bifidobacterium)中。,,glu

23、cose,glucose-6-phosphate,6-phosphogluconic acid,ribulose-5-phosphate,xylulose-5-phosphate,GAP,acetyl-CoA,,,,,,,,,,,,,pyruvate,,Phosphopentoseketolase(關(guān)鍵酶),Glucose + NAD+ +ADP + Pi pyruvate + CO2 + Acetyl-CoA 2 +

24、 3 NADH2 + ATP,PPK途徑的總反應(yīng)式,,ATP,ADP,,NAD+,NADH2,,,,NAD+,NADH2,,,阿拉伯糖木糖核糖,,PPK途徑,類似EMP,,類似HMP,CO2,,,,NADH22ATP,,,2×Glucose,2×glucose-6-phosphate,ribulose-5-phosphate,xylulose-5-phosphate,2GAP,2acetyl-CoA,,,,,,

25、,,2Pyruvate,Phosphopentoseketolase(關(guān)鍵酶),xylulose-5-phosphate,,,,,ribose-5-phosphate,GAP,S7P,,,,,E4P,F6P,F6P,acetyl-CoA,,,,,,,,,,,,Phosphohexoseketolase(關(guān)鍵酶),PHK途徑,2Glucose + 2NAD+ +3ADP +3Pi 2pyruvate +3acete +

26、2NADH2 + 5ATP,PHK途徑的總反應(yīng)式,,2NADH24ATP,,2ATP,Acetate,,ATP,ADP,,,2ADP,,,,,Acetate＋2ATP,,（五）直接氧化途徑,有些細(xì)菌，如Pseudomanas、Aerobacter等沒(méi)有己糖激酶（hexokinase），無(wú)法進(jìn)行葡萄糖的磷酸化，但是可以通過(guò)加氧酶的直接氧化作用，將葡萄糖降解。,某些真菌則通過(guò)葡萄糖氧化酶完成類似的過(guò)程。,加氧酶和葡萄糖氧化酶的輔基均為FA

27、D。,Glucose,Gluconic acid,6-phosphogluconic acid,ribulose-5-phosphate,,,FAD,FADH2,,NAD+,NADH2,H2O2,,ATP,ADP,,,O2,,,,,,H2O+O2,catalase,,,,CO2,,,KDPG,,H2O,,,,,,HMP途徑,ED途徑,加氧酶,Pseudomanas、Aerobacter,Pseudomanas,直接氧化途徑,NADH?H

28、+或NADPH?H+,有氧呼吸：電子或H交給O2。,厭氧呼吸：電子或H交給無(wú)機(jī)物。,發(fā)酵：電子或H交給糖降解產(chǎn)物，如丙酮酸。,來(lái)自EMP、HMP、ED等途徑,,,,,二、圍繞中心途徑的發(fā)酵(fermentation),巴斯德的“發(fā)酵”定義：酵母菌在厭氧條件下進(jìn)行的代謝過(guò)程。 發(fā)酵的“生理學(xué)定義”是：將電子或氫交給糖降解產(chǎn)物的過(guò)程。 現(xiàn)代“發(fā)酵”的概念，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其生理學(xué)定義：凡是利用微生物進(jìn)行的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程

29、，均稱之為“發(fā)酵”。 根據(jù)產(chǎn)物的不同，可以分為多種形式。,圍繞中心途徑的發(fā)酵,,（一）乙醇和甘油發(fā)酵,1. 酵母菌的第一型發(fā)酵(乙醇發(fā)酵),條件：pH3.5~4.5，厭氧；關(guān)鍵酶：丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶；特點(diǎn)：H的完全平衡。總反應(yīng)式：Glucose + 2 ADP + Pi 2 Eth-OH + 2 CO2 + 2 H2O,,Acetobacter、Zymomonas mobilis、Sarc

30、ina ventriculi、Erwinia amylovora也可進(jìn)行乙醇發(fā)酵，但是以ED途徑進(jìn)行。,,Carl Neuberg,2. 酵母菌的第二型發(fā)酵(甘油發(fā)酵),條件：pH 中性或微酸性，添加3％亞硫酸氫鈉；關(guān)鍵酶：α-磷酸-甘油脫氫酶、α-磷酸-甘油酯酶；特點(diǎn)：每個(gè)葡萄糖只產(chǎn)生一分子甘油，不產(chǎn)ATP，故亞硫酸氫鈉必須是亞適量，以保證基礎(chǔ)代謝的能量供應(yīng)?？偡磻?yīng)式：Glucose + NaHSO3 G

31、lycerol + CO2 + 磺化乙醛,,丙酮酸,,,CO2,乙醛,,NADH,,NAD+,乙醇,磷酸二羥基丙酮,,,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亞硫酸氫鈉（pH7）,酵母菌的一型發(fā)酵,（磺化羥基乙醛）,酵母菌的乙醇和甘油發(fā)酵比較,酵母菌的二型發(fā)酵,,葡萄糖,,,,,EMP,丙酮酸脫羧酶,,乙醇脫氫酶,,,3. 酵母菌的第三型發(fā)酵(甘油發(fā)酵),條件：pH7.5，厭氧；此時(shí)乙醛成為不正常的H受體，2分子乙醛之間發(fā)生氧化還

32、原反應(yīng)(歧化反應(yīng))，一個(gè)得到H成為乙醇，一個(gè)失去H成為乙酸。特點(diǎn)：不產(chǎn) ATP 。總反應(yīng)式：2Glucose 2Glycerol＋ Eth-OH + Acetate + 2 CO2,思考：第三型發(fā)酵時(shí)培養(yǎng)基中添加CaCO3的重要作用？,,2 葡萄糖,2 丙酮酸,2 乙醛,乙醇,乙酸,,,,,,,EMP,丙酮酸脫羧酶,2CO2,,,NADH2,,,,,,2 GAP + 2 DHAP,4 ATP,4 ADP,,,

33、4 ATP + 2NADH2,,,,2 α-磷酸-甘油,2 甘油,,,酵母菌的第三型發(fā)酵,,第一次世界打戰(zhàn)期間德國(guó)主要用這種方法生產(chǎn)甘油產(chǎn)量：1000噸/月,目前甘油發(fā)酵使用的微生物Dunaliella salina(一種嗜鹽藻類),胞內(nèi)積累高濃度的甘油從而使細(xì)胞的滲透壓保持平衡,生活在鹽湖及海邊的巖池等鹽濃度很高環(huán)境,,葡萄糖,1,6-二磷酸果糖,,3-磷酸甘油醛,磷酸二羥丙酮,α-磷酸甘油,甘油,丙酮酸,乙醛,乙醇＋乙酸,乙醇,

34、磺化羥基乙醛,NADH2,CO2,,,,,,,,,,,,,,②,①,③,②,③,總結(jié)：酵母菌的發(fā)酵過(guò)程,（二）乳酸發(fā)酵,1. 同型乳酸發(fā)酵,關(guān)鍵酶：乳酸脫氫酶；特點(diǎn)：H 的完全平衡；不產(chǎn)CO2。總反應(yīng)式：Glucose + 2 ADP + 2Pi 2 Lactate + 2 ATP,,制作酸奶、泡菜、青貯飼料，都是乳酸發(fā)酵的過(guò)程。,2. 異型乳酸發(fā)酵,腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroid

35、s)、葡聚糖明串珠菌(Leuconostoc dextranicum)等以PPK的方式進(jìn)行乳酸發(fā)酵。產(chǎn)物包括乳酸和乙酸。,3. 雙歧途徑,兩歧雙歧桿菌(Bifidobacterium bifidum)等以PHK的方式進(jìn)行乳酸發(fā)酵。產(chǎn)物包括乳酸和乙酸。,梭菌(Clostridium)、丁酸弧菌(Butyriolbrio)、梭桿菌(Fusobacterium)利用最常見(jiàn)。丙酮酸首先在鐵氧還蛋白還原酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA，再逐步形成丁酸。,

36、（三）丁酸發(fā)酵和丙酮-丁醇發(fā)酵,1. 丁酸發(fā)酵,總反應(yīng)式：Glucose＋3ADP Butyrate＋2CO2＋2H2＋3ATP,,,CH3 －C－ COOH,,,Glucose,,,,EMP,O,CH3－C～CoA,,,O,,2XCO2,,,Fd,FdH2,,,CoA,,,2×,2×,CH3－C－CH2－C ～CoA,,,O,,,,O,CH3－CH－CH2－C ～CoA,OH,,,O,,,α

37、,β,CH3－CH＝CH－C ～CoA,,,O,,CH3－CH2－CH2－C ～CoA,,,O,CH3－CH2－CH2－C －OH,,,O,,,NADH2,NAD+,,,H2O,,,NADH2,NAD+,,,乙酸,乙酰CoA,,,2ATP+2NADH2,,,Pyr-Fd氧化還原酶,乙酰CoA乙酰轉(zhuǎn)移酶,β羥丁酰CoA脫氫酶,羥丁酰脫水酶,丁酰CoA脫氫酶,CoA轉(zhuǎn)移酶,丁酸發(fā)酵,ATP,ADP,,,,,英國(guó)：Chaim Weizmann

38、 闡明機(jī)理并實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)。,2. 丙酮-丁醇發(fā)酵,總反應(yīng)式：2Glucose＋5ADP Butanol＋Acetone＋5CO2＋4H2,,丙酮丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，先合成丁酸，當(dāng)pH降至4.5時(shí)，產(chǎn)生丙酮和丁醇。估計(jì)與CoA轉(zhuǎn)移酶活化有關(guān)。,,CH3 －C－ COOH,,,O,4×,CH3－CH2－CH2－C ～CoA,,,O,,,,,,CH3－C

39、H2－CH2－CHO,CH3－CH2－CH2－CH2OH,,NADH2,NAD+,CoA,,,,,丁醛脫氫酶,丁醇脫氫酶,,NADH2,NAD+,,,CH3－C－CH2－C ～CoA,,,O,,,,O,CH3－C－CH2－COOH,,,O,CH3－C－CH3,,,O,,,CoA轉(zhuǎn)移酶,脫羧酶,CO2,,,乙酸,乙酰CoA,,,丙酮-丁醇發(fā)酵發(fā)酵,4×Glucose,,,,EMP,類似丁酸發(fā)酵,丙酮：用于生產(chǎn)人造橡膠丁醇：用于

40、生產(chǎn)無(wú)煙火藥,英國(guó)在第一次世界大戰(zhàn)期間，有機(jī)溶劑丙酮和丁醇的需求增加。 當(dāng)時(shí)的常規(guī)生產(chǎn)方法：對(duì)木材進(jìn)行干熱分解，大約80到100噸樺樹(shù)、山毛櫸、或楓木生產(chǎn)1噸丙酮。 1915年Weizmann發(fā)明發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮-丁醇：每100噸谷物可以生產(chǎn)出12噸丙酮和24噸的丁醇。,魏茨曼是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵之父,Chaim Weizmann (1874-1952) and Einsteinhttp://en.wikipe

41、dia.org/wiki/Chaim_Weizmann,Early life and career Weizmann was born in the small village of Motol(Motyli, now Motal') near Pinsk in the Russian Empire(today in Belarus). He graduated the University of Fribourg in Sw

42、itzerland in 1899 with a degree in chemistry. He lectured in chemistry at the University of Geneva between 1901 and 1903) and later taught at the University of Manchester.He became a British subject in 1910, and in Worl

43、d War I he was director of the British Admiralty laboratories from 1916 until 1919. While a lecturer at Manchester he became famous for discovering how to use bacterial fermentation to produce large quantities of desired

44、 substances. He is considered to be the father of industrial fermentation. He used the bacterium Clostridium acetobutylicum (the Weizmann organism) to produce acetone. Acetone was used in the manufacture of cordite explo

45、sive propellants critical to the Allied war effort (see Royal Navy Cordite Factory, Holton Heath). Weizmann transferred the rights to the manufacture of acetone to the Commercial Solvents Corporation in exchange for roya

46、lties.,（四）混和酸發(fā)酵和丁二醇發(fā)酵,1. 混和酸發(fā)酵,埃希氏菌屬(Escherichia)、志賀氏菌屬(Shigella)及沙門氏菌屬(Salmonella)有2個(gè)作用于pyr的多酶復(fù)合體： Pyr脫氫酶復(fù)合體 Pyr-甲酸裂解酶(厭氧條件時(shí)誘導(dǎo)合成，有氧時(shí)失活)。,Glucose,,,PEP,,Pyr,Ace~CoA,HCOOH,,,,,,,CO2,H2,Ace~Pi,,,Acetate,,,OAA

47、,,,,Succ,,Lactate,Pyr－甲酸裂解酶,甲酸-H2裂解酶,大腸埃希氏菌：產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌及沙門氏菌：產(chǎn)酸不產(chǎn)氣,,,Methyl red test：產(chǎn)酸，加甲基紅，變紅色,混和酸發(fā)酵,2. 丁二醇發(fā)酵,腸桿菌屬(Enterobacter)、沙雷氏菌屬(Serratia)及歐文氏菌屬(Erwinia)具有作用于pyr的第三個(gè)酶：α-乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthase, AS )。

48、 該途徑中間產(chǎn)物3-羥基丁酮在堿性條件下，形成二乙酰，二乙酰和胍基化合物形成紅色的反應(yīng)。此即VP反應(yīng) (Voges-Proskauer test)的原理。,,丁二醇發(fā)酵,Glucose,,,,Pyr,α-乙酰乳酸,HCOOH,CO2,H2,Lactate,α-乙酰乳酸合成酶,甲酸-H2裂解酶,Voges-Proskauer test：Enterobacter：紅色Escherichia：不變色,,,Ace~CoA,,,,,,,,3

49、-羥基丁酮,2, 3-丁二醇,CO2,,,CO2,,,,NAD+,,NADH2,,二乙酰,紅色化合物,,,OH－,Pyr－甲酸裂解酶,含胍基的化合物,,,,TCA,,,（五）丙酸發(fā)酵,丙酸細(xì)菌（Propionibacterium）可以進(jìn)行該過(guò)程。,1、succ-prop途徑,Glucose,,,,Pyr,EMP,,OAA,,Mal,,Fum,NADH2,NAD＋,,,H2O,,,Succ,,NADH2,NAD＋,,,Succ～CoA,,

50、,甲基丙二?！獵oA,丙酰～CoA,,CO2-Bio,Biotin,,,,,丙酸,,甲基丙二?！獵oA異構(gòu)酶(VB12為輔基),,2、Propenoic acid途徑,Glucose,,,,Pyr,EMP,D-lactate,L-lactate,,,2H,2羥-丙酰CoA,,,丙烯?！獵oA,,丙酰～CoA,丙酸,,CoA,,,H2O,,,機(jī)制不明,,,,三、呼吸作用(respiration),NADH?H+或NADPH?H+,有氧呼

51、吸：電子或H交給O2。,厭氧呼吸：電子或H交給無(wú)機(jī)物。,發(fā)酵：電子或H交給糖降解產(chǎn)物，如丙酮酸。,來(lái)自EMP、HMP、ED等途徑,,,,,,,（一）有氧呼吸(Aerobic respiration),糖酵解(glycolysis),三羧酸循環(huán)(citric acid cycle),氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),分三步走——,,,,,IRREVERSIBLE,by pyruvate dehydrogen

52、ase complex = 3 enzymes：E1: pyruvate dehydrogenase, thiamine pyrophosphate (TPP)E2: dihydrolipoyl transacetylase, lipoic acid, coenzyme A-SH E3: dihydrolipoyl dehydrogenase, NAD+, FAD,1. 三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle

53、, TCA),（1）丙酮酸氧化成乙酰輔酶A及CO2,,Swinging arm function of lipoic acid,所有丙酮酸氧化脫羧的中間產(chǎn)物均緊密地結(jié)合在復(fù)合體上，活性中間產(chǎn)物可以通過(guò)轉(zhuǎn)乙酰基酶上賴氨酸和硫辛酸形成的擺動(dòng)長(zhǎng)臂(Swinging arm)從酶的一個(gè)活性位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)活性位置。,E. coli pyruvate dehydrogenase complex,丙酮酸脫氫酶(E1)、二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(E2)和

54、二氫硫辛酸脫氫酶(E3) ，6種輔因子(TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+),,4C,1. Condensation,6C,2C,2. Oxidative decarboxylation to 5C,5C,3. Oxidative decarboxylation to 4C,4C,5. Regeneration of oxaloacetate from succinate,Tric

55、arboxylic acid (TCA) cycle,4. Substrate-level phosphorylation,（2）TCA循環(huán),,,citrate synthase,aconitase,isocitratedehydrogenase,,,Citric acid cycle,a-ketoglutaratedehydrogenase,succinyl CoAsynthase,succinatedehydroge

56、nase,fumarase,malatedehydrogenase,Glucose 2 Pyruvate2 Acetyl CoA,,,,,2NADH,2NADH,2NADH,2 “ATP”,2FADH2,2NADH,Net reaction of 1 turn of the citric acid cycle,Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O,2 CO2 +

57、3 NADH + FADH2 + ATP + 2 H + + CoA,,思考：1.細(xì)菌將1分子葡萄糖完全降解為CO2產(chǎn)生多少ATP? 2.真核微生物(酵母菌)和原核微生物(細(xì)菌)相比較，將1分子葡萄糖完全降解為CO2產(chǎn)生的ATP數(shù)量上少2個(gè)，為什么？,TCA循環(huán)的作用,a. 提供大量能量；b. 提供大量小分子前體；c. 是糖、蛋白、脂代謝的樞紐。,TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶,a. 檸檬酸合成酶(citrate syn

58、thetase, CS)b. 異檸檬酸脫氫酶( isocitrate dehydrogenase, ID)c. α-酮戊二酸脫氫酶(a-ketoglutarate dehydrogenase, a-KGD),Acetyl CoA,oxaloacetate,a-ketoglutarate,,,Fatty acid,Amino acid,,（3）回補(bǔ)途徑(anaplerotic pathway),回補(bǔ)途徑是微生物為補(bǔ)充代謝過(guò)程中消耗的中

59、間產(chǎn)物而采取的一些將CO2、乙酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為消耗的中間產(chǎn)物，尤其是TCA循環(huán)中間物的過(guò)程。,① C1回補(bǔ)方式,a. PEP羧化酶(PEP carboxylase),COOH,CO~p,CH2,,,,+,CO2,+,H2O,,PEP carboxylase,COOH,C=O,CH2,,,COOH,,b. 丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase),COOH,C=O,CH3,,,,+,CO2,,pyruvate carboxy

60、lase,COOH,C=O,CH2,,,COOH,,c. 蘋(píng)果酸酶(malate synthetase ),COOH,C=O,CH3,,,,+,CO2,,,COOH,CHOH,CH2,,,COOH,,+,ATP,+,H2O,NADPH2,+,malate synthetase,② C2 回補(bǔ)方式——乙醛酸循環(huán),很多微生物可以以乙酸、乙醇等作為唯一碳源和能源，合成草酰乙酸，完成這個(gè)過(guò)程的反應(yīng)即乙醛酸循環(huán)(glyoxylate cycle)

61、。,乙醛酸循環(huán)需要3個(gè)關(guān)鍵酶：a . 異檸檬酸裂解酶(Isocitrate lyase)b . 蘋(píng)果酸合成酶(malate synthetase)c. 乙酰輔酶A合成酶(Acetyl CoA synthetase),乙醛酸循環(huán),總反應(yīng)式：2acetate → Malate,③ 回補(bǔ)途徑與蘋(píng)果酸合成,理論產(chǎn)率=134/180=74.5%,理論產(chǎn)率=3*134/2*180=111.6%,馬來(lái)酸即順丁烯二酸,富馬酸即反丁烯二酸,蘋(píng)果

62、酸，又名2-羥基丁二酸,蘋(píng)果酸是人體內(nèi)部循環(huán)的重要中間產(chǎn)物，易被人體吸收，因此作為性能優(yōu)異的食品添加劑和功能性食品廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)療和保健品等領(lǐng)域。蘋(píng)果酸主要生產(chǎn)國(guó)有美國(guó)、加拿大、日本等， 產(chǎn)量每年約4萬(wàn)噸，2013年世界總需求約為10萬(wàn)噸，市場(chǎng)潛在需求量達(dá)到每年6萬(wàn)噸，可見(jiàn)市場(chǎng)發(fā)展空間之大。,（4）TCA相關(guān)的發(fā)酵——檸檬酸發(fā)酵,檸檬酸(Citric acid)分子式為C6H807。外觀為白色顆粒狀或白色結(jié)晶粉末，

63、是一種重要的有機(jī)酸，又名枸櫞酸。無(wú)色晶體，常含一分子結(jié)晶水，無(wú)臭，有很強(qiáng)的酸味，易溶于水。檸檬酸廣泛存在于各種水果和蔬菜中，在動(dòng)物的骨骼、血液、肌肉中也有分布。檸檬酸在工業(yè)，食品，化妝等行業(yè)具有廣泛的用途。,TCA相關(guān)的發(fā)酵包括Asp族和Glu族氨基酸發(fā)酵，合并在后面講。,NADH脫氫酶,FMN,CoQ,cytb,cytc,cytaa3,cytc1,NADH2,ATP,ATP,ATP,真核微生物的電子傳遞鏈,FADH2,2. 氧化磷酸化

64、(oxidative phosphorylation),化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)(Chemiosmosis),原核微生物電子傳遞鏈的特點(diǎn)：,電子供體多樣化。除大多數(shù)有機(jī)物外，一些無(wú)機(jī)元素如H、S、Fe2＋、NH4＋均可作為電子供體；細(xì)胞色素多樣化。不同細(xì)菌中計(jì)有a、a1、a2、b、b1、c、c1、c4、c6、d、o等；具有分支呼吸鏈；呼吸鏈組分隨環(huán)境條件改變；氧化磷酸化效率低下。,NAD＋,NADH2,NADH2脫氫酶,flavoprote

65、in,Fes-protein,menaquinone,Cytochrome b556,Cytochrome b558,Cytochrome o,Cytochrome d,1/2O2,H2O,1/2O2,H2O,,,,,,,,,,,,,,E.coli中的分支電子傳遞鏈在有氧和缺氧時(shí)，可以選擇不同的途徑。,高氧環(huán)境,低氧環(huán)境,NAD＋,NADH2,NADH2脫氫酶,flavoprotein,Fes-protein,Cytochrome b,

66、Cytochrome c,X,Cytochrome aa3,1/2O2,H2O,1/2O2,H2O,,,,,,,,,,,分支鏈呼吸的P/O值僅為正常呼吸鏈的1/3。在檸檬酸發(fā)酵時(shí)有調(diào)控作用。,,Aspergillus niger 中的分支電子傳遞鏈,,厭氧呼吸是以無(wú)機(jī)物為最終電子受體的氧化作用。進(jìn)行厭氧呼吸的方式一般有：硝酸鹽呼吸、硫酸鹽呼吸、延胡索酸呼吸、二氧化碳呼吸等。 厭氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在能量分

67、級(jí)釋放過(guò)程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。 由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。,（二）厭氧呼吸(Anaerobic respiration),1. 硝酸鹽呼吸(nitrate respiration),硝酸鹽在微生物的代謝過(guò)程中，有兩種方式： 一是將硝態(tài)氮(如NO3-)還原，轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮(NH4＋)，并進(jìn)一步將它轉(zhuǎn)化為有機(jī)氨(R-NH3)構(gòu)成蛋

68、白質(zhì)等生物大分子，稱為同化型硝酸鹽呼吸； 二是將硝酸鹽逐級(jí)還原成NO2-、N2O和N2等氣態(tài)產(chǎn)物而逸去的異化脫氮過(guò)程，稱之為異化型硝酸鹽呼吸。,2NO3,2NO2,,2H2O,,,[4H],[HON=NOH],,2H2O,,,[4H],,N2O,,N2,,2NH2OH,,2NH3,[4H],[4H],[2H],羥氨,同化型硝酸鹽呼吸,異化型硝酸鹽呼吸,硝酸鹽還原酶(受O2阻遏),硝酸鹽呼吸,,AA,進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被

69、稱為硝酸鹽還原細(xì)菌，進(jìn)行硝酸鹽呼吸的都是兼性厭氧細(xì)菌，典型的如地衣芽胞桿菌(Bacillus licheniformis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans)等，主要生活在土壤和水環(huán)境中。硝酸鹽還原細(xì)菌在無(wú)氧但環(huán)境中存在硝酸鹽時(shí)進(jìn)行厭氧呼吸，而有氧時(shí)其細(xì)胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑