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第五章 微生物的代谢. 生物体是一个与环境保持着物质、能量和信息交换的开放体系。通过物质交换建造和修复生物体(按人的一生计 , 交换物质的总量约为体重的 1200 倍 , 人体所含的物质平均每 10 天更新一半)。通过能量交换推动生命运动,通过信息交换进行调控,保持生物体和环境的适应。. 新陈代谢 ( metabolism )指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的过程。 特点: 特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行。. 新陈代谢的概念和特点. 分解代谢 (catabolism). 代谢. 合成代谢 (anabolism). 代谢概论.
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新陈代谢(metabolism)指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的过程。新陈代谢(metabolism)指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的过程。 • 特点:特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行。 新陈代谢的概念和特点
分解代谢(catabolism) 代谢 合成代谢(anabolism) 代谢概论 代谢(metabolism): 细胞内发生的各种化学反应的总称 分解代谢 复杂分子 (有机物) [H] 简单小分子 ATP 合成代谢
生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质,通过一系列生物反应转变成自身组织成分,即所谓同化作用(assimilation);生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质,通过一系列生物反应转变成自身组织成分,即所谓同化作用(assimilation);
另一方面,将原有的组成成份经过一系列的生化反应,分解为简单成分重新利用或排出体外,即所谓异化作用(dissimilation )。
新陈代谢的概念及内涵 小分子 大分子 合成代谢(同化作用) 需要能量 释放能量 分解代谢(异化作用) 大分子 小分子 能量代谢 物质代谢 新陈代谢
第一节 酶的基本知识 • 酶(enzyme)是生物活细胞产生的,具有催化作用的蛋白质与核酸。 • 核酶(ribozyme)是具有高效、特异催化作用的核酸,主要参与RNA的剪接。 • 酶是生物催化剂
酶的催化特点 • (一) 酶与一般催化剂的共性 1、用量少,催化效率高 2、不改变化学反应的平衡点 3、可降低反应的活化能
(二)酶与一般催化剂的区别-酶的特性 1、高效性 2、专一性 3、可调控性 4、不稳定性(要求温和的反应条件)
酶的化学本质 绝大多数酶本身是蛋白质(蛋白质酶类), 少数酶是核糖核酸(核糖核酸酶类),称为核酶。
二、酶的分类 1979年国际酶学委员会(Enzyme Committee, EC)根据酶所催化的反应类型和机理,把酶分成6大类:
1、氧化-还原酶类 Oxidoreductase • 催化氧化还原反应的酶类。 • 主要包括脱氢酶、氧化酶过氧化物酶、加氧酶等。 • 如,乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
2、转移酶类 Transferase • 催化一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上的酶类。例如, 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
3、 水解酶 hydrolase • 催化水解反应的酶类。 • 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 • 例如,脂肪酶催化的脂的水解反应:
HOOCCH=CHCOOH+H2O HOOCCH2CHCOOH OH 4、裂解酶类 Lyase • 催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应的酶类。如脱羧酶、脱氨酶等。 • 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 • 例如, 延胡索酸水合酶催化的反应。
5、异构酶 Isomerase • 催化各种同分异构体的相互转化。例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
6、合成酶类 Ligase or Synthetase • 催化有ATP参加的合成反应。 • A + B + ATP + H-O-H ===A B + ADP +Pi • 例如,丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2+ ATP+H2O 草酰乙酸+ADP+Pi
第二节 能量代谢 一、生物氧化的概念 有机物在生物体内进行的氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量的过程,又称“细胞呼吸”。
二、生物氧化的特点 • 生物氧化和有机物在体外氧化(燃烧)的实质相同,都是脱氢、失电子或与氧结合,消耗氧气,都生成CO2和H2O,所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同。
三、生物氧化过程及方式 H H 脱氢 COOH COOH O C C O + 2H CH3 CH3 脱电子 Fe2+ Fe3+ + e 加氧 RH + O2 + 2H+ ROH +H2O 上述反应总是氧化与还原反应偶联;需酶(需氧脱氢酶、不需氧脱氢酶、加氧酶等)催化。
生物氧化的内容 主要包括三方面: CO2如何形成?(脱酸作用) H2O如何形成?(呼吸链) 能量如何产生?(ATP的产生)
四、生物氧化的类型 呼吸与发酵 1、呼吸(respiration) ——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。 好氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体 厌氧呼吸:以无机氧化物作为最终电子受体
(2)无氧呼吸作用 定义:以外源无机氧化物如NO3¯ 、 NO2¯ 、 SO4¯ 、 S2O3¯、和CO2等作为最终电子(或氢)受体的氧化作用。 特点是: ①无氧存在 ②以外源无机氧化物为电子受体 ③产能量较低
2、发酵(fermentantion) (1)定义 广义:利用微生物生产有用代谢产物的生产方式。 狭义:厌氧条件下,以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢(电子)受体的产能过程。以有机化合物为电子供体和最终电子受体。 (2)特点: 1)通过底物水平磷酸化产ATP; 2)葡萄糖氧化不彻底,大部分能量存在于 发酵产物中; 3)产能率低; 4)产多种发酵产物。
H2O的生成(呼吸链) 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体(NAD+、NADP+、FAD、FMN等)所接受,再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。
乙醇脱氢酶 CH3CHO CH3CH2OH NAD+NADH+H+ 举例: 1\2O2 2e 电子传递链 O2- NAD+ 2H+ H2O
电子传递链在原核生物存在于质膜上,在真核细胞存在于线粒体内膜上。电子传递链在原核生物存在于质膜上,在真核细胞存在于线粒体内膜上。
氧化磷酸化 生物氧化过程中释放出的自由能 ADP + Pi ATP + H2O 在生物氧化中,代谢物脱氢产生的NADH+H+化经呼吸链氧化生成水时,所释放的自由能用于ADP磷酸化形成ATP,这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化作用。 进行部位:线粒体内膜(原核生物在细胞质膜进行)
ATP的生成 • 光和磷酸化:利用光能合成ATP的反应 • 氧化磷酸化:利用生物氧化过程中释放的能量合成ATP的反应。有两种方式,分别是电子传递磷酸化、底物水平磷酸化
底物水平磷酸化:底物氧化形成高能磷酸基因直接转移给ADP偶联生成ATP的过程。底物水平磷酸化:底物氧化形成高能磷酸基因直接转移给ADP偶联生成ATP的过程。
脂肪 生物氧化的三个阶段 多糖 蛋白质 大分子降解成基本结构单位 Stage Ⅰ 葡萄糖、其它单糖 氨基酸 脂肪酸、甘油 小分子化合物分解成共同的中间产物(如丙酮酸、乙酰CoA等) 丙酮酸 Stage Ⅱ 乙酰CoA CoA 中间物进入三羧酸循环氧化释放出大量能量,其中一部分储存在ATP中。 ATP ADP+Pi 磷酸化 三羧酸循环 e- O2 Stage Ⅲ 电子传递(氧化) 2CO2
第三节 大分子物质的酶促降解 麦芽糖酶 麦芽糖+H2O 2 葡萄糖 β-半乳糖苷酶 乳糖 +H2O 葡萄糖+半乳糖 -- 一、双糖的酶促降解 蔗糖酶 转化酶 蔗糖 + H2O 葡萄糖(G) + 果糖(F)
二、淀粉的降解 淀粉通过淀粉酶水解淀粉糖苷键进行分解 • 淀粉的水解 • 淀粉的磷酸解
淀粉的水解 参与淀粉水解的酶类: • α-淀粉酶:水解α-1,4 糖苷键,生成糊精、麦芽糖( α型)、葡萄糖; • β-淀粉酶:水解α-1,4 糖苷键,生成糊精、麦芽糖( β型) • 糖化酶:水解α-1,4 糖苷键和α-1,6糖苷键,将淀粉完全水解成葡萄糖; • 异淀粉酶: 水解极限糊精中的α-1,6糖苷键
1、α-淀粉酶 • 主要存在于动物体(唾液和胰液中) • 作用于淀粉分子内部的任意的α-1,4 糖苷键,不能分解 α-1,6 糖苷键。
2、β-淀粉酶 • 水解α-1,4糖苷键,从淀粉分子的非还原性末端开始,每间隔一个糖苷键进行水解,每次水解出一个麦芽糖分子。 α,β两种淀粉酶降解的水解产物为麦芽糖。
三、纤维素的酶促降解 人的消化道无水解纤维素的酶 ,但 细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶,水解纤维素成葡萄糖 。 C1酶、Cx酶 纤维素 纤维二塘 葡萄糖苷酶 纤维二塘2 葡萄糖
四、果胶质的降解 果胶酯酶 • 果胶 甲醇+果胶酸 • 果胶酸 半乳糖醛酶 聚半乳糖醛酸酶
五、蛋白质、氨基酸的分解 果胶酯酶 • 蛋白质 多肽或氨基酸 • 氨基酸 NH3+CO2 脱氨、脱羧作用
第四节 微生物的发酵 CO2 葡萄糖 丙酮酸 EMP 乙醛 NADH2 乙醇 狭义发酵:在无氧条件下,电子(或氢)供体及受体都是有机化合物的氧化作用。有时最终电子(或氢)的受体就是电子供体的分解产物。产能效率极低。 脱羧 厌氧和酸性
发酵(fermentantion) 1、定义 广义:利用微生物生产有用代谢一种生产方式。 狭义:厌氧条件下,以自身内部某些中间代谢 产物作为最终氢(电子)受体的产能过程 特点: 1)通过底物水平磷酸化产ATP; 2)葡萄糖氧化不彻底,大部分能量存在于 发酵产物中; 3)产能率低; 4)产多种发酵产物。
广义发酵是指微生物利用有机物,在有氧或无氧、兼性好氧条件下,合成各类化工产品的过程。广义发酵是指微生物利用有机物,在有氧或无氧、兼性好氧条件下,合成各类化工产品的过程。 第一阶段: 菌体生长阶段 第二阶段: 累积代谢产物
一、由EMP途径进行的发酵 1)EMP途径(糖酵解途径、三磷酸己糖途径) 葡萄糖丙酮酸 有氧:EMP途径与TCA途径连接; 无氧:还原有机酸、醇类和CO2等代谢产物, (专性厌氧微生物)产能的唯一途径。 产能(底物水平磷酸化产能): (1) 1,3— P--甘油醛 3 —P --甘油酸 + ATP; (2) PEP 丙酮酸 + ATP 10 步反应
发酵类型 CO2 葡萄糖 丙酮酸 EMP 乙醛 NADH2 乙醇 1.酒精发酵 无氧 丙酮酸 酒精 酿酒酵母 脱羧酶 乙醇脱氢酶 C6H12O6+2ADP+2Pi→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP 条件:pH 3.5~4.5 , 厌氧 菌种:酿酒酵母、少数细菌(胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等) i、加入NaHSO4 NaHSO4 + 乙醛 磺化羟乙醛(难溶) ii、弱碱性(pH 7.5) 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 (歧化反应) 磷酸二羟丙酮作为氢受体,经水解去磷酸生成甘——甘油发酵 (EMP) ---亚硫酸氢钠必须控制亚适量(3%)
2. 乳酸发酵 还原 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 同型乳酸发酵(EMP途径) 异型乳酸发酵(HMP途径)
同型乳酸发酵 (德氏乳杆菌、植物乳杆菌等) —— EMP途径(丙酮酸 乳酸) 产能 :1ATP 异型乳酸发酵(肠膜明串株菌) -------HMP途径 产能 :1ATP
同型乳酸发酵:一分子葡萄糖产生两分子乳酸的过程。如德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、干酷乳杆菌、粪链球菌。同型乳酸发酵:一分子葡萄糖产生两分子乳酸的过程。如德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、干酷乳杆菌、粪链球菌。 葡萄糖 EMP 2丙酮酸 乳酸脱氢酶 2NADH+2H+ 2乳酸+2ATP 还原 乳酸 丙酮酸 葡萄糖