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第五章微生物代谢 代谢:发生在活细胞中各种分解代谢和合成代谢的总和。 分解代谢:细胞将大分子物质降解成小分子物质、能量、还原力。 合成代谢:细胞消耗能量,利用简单小分子物质和还原力合成复杂大分子物质的过程。 代谢是生物基本特征之一,两过程是偶联的。 正常代谢过程,保证微生物生长与繁殖。 次生代谢产物与人类生活生产密切相关。 第一节微生物的能量代谢 微生物可利用的最初能源有三种:有机物、日光、 还原态无机物。 研究能量代谢机制就是追踪这三类能源如何一步步转化并释放出ATP。 微生物所需能量,通过 生物氧化 获得能量。 生物氧化:细胞内代谢物以氧化作用产生能量的化学反应。 氧化过程中能产生能量,分段释放,以高能磷酸键形式储藏在ATP分子内,供需要时用。 生物氧化功能: 产能(ATP); 产生还原力; 小分子中间代谢物。 生物氧化方式: ①和氧直接化合: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O ②失去电子: Fe2+→Fe3++e- ③化合物脱氢或氢传递: CH3-CH2-OH CH3-CHO 生物氧化过程:三个环节 ① 底物脱氢(脱电子)作用(底物:电子供体或供氢体) ② 氢(电子)传递(需中间传递体,如NAD、FAD等) ③ 氢受体接受氢(电子) (最终电子受体或最终氢受体) 底物脱氢途径:有四条途径。 EMP(糖酵解)途径、 HMP(磷酸戊糖)途径、 ED (2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解)途径、 TCA(三羧酸循环)。 由以上途径可知, 无氧条件下,EMP途径产能效率很低,每个葡萄糖分解产生2个ATP; 产生多种中间代谢物,可为合成反应提供原材料,起着连接许多有关代谢途径的作用; EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇、丁二醇等发酵产物生产有密切关系。 (二)HMP途径 (磷酸戊糖途径):葡萄糖不经EMP和TCA途径得到彻底氧化,产生大量能量。 HMP途径降解葡萄糖的三个阶段: 1.葡萄糖 经过氧化反应产生 核酮糖-5-磷酸 和 CO2 。 2.核酮糖-5-磷酸 发生同分异构化或表异构化,产生 核糖-5-磷酸、 木酮糖-5-磷酸。 3.无氧参与,各种 戊糖磷酸 发生碳架重排,产生 己糖磷酸 和 丙糖磷酸。 HMP途径总反应: 6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++ 6H2O 5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+Pi HMP途径的重要意义: (1)为核苷酸、核酸的生物合成提供戊糖-磷酸(核酮糖-5-磷酸是合成核酸、某些辅酶、组氨酸的原料); (2)?产生NADPH2还原剂,用于合成脂肪酸、固醇等细胞物质,还可通过呼吸链产生能量; (3)微生物对戊糖需要超过HMP途径正常供应量时,可通过EMP途径与本途径在1,6-二磷酸果糖和3-磷酸甘油醛处连接来调剂。 (4)反应中赤藓糖可用于合成芳香氨基酸,如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸; (5)在反应中存在着C3 ~ C7各种糖,使微生物碳源利用范围更广; (6)本途径产生发酵产物很多,如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等。 (三)ED (2-酮脱氧-6磷酸葡萄糖酸裂解)途径 ED途径是在研究嗜糖假单胞菌时发现的,是少数缺乏完整EMP途径微生物所具有的一种替代途径; 在革兰氏阴性菌中分布较广,特别是假单胞菌和固氮菌较多,其它生物中还未发现。 特点: 葡萄糖只经4步反应即可获得EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。 产能效率低,1分子葡萄糖仅产1分子ATP,是EMP途径的一半; ED途径可与EMP、HMP途径以及TCA循环相连接,相互协调,满足微生物对能量、还原力、不同中间代谢物的需要; (四)磷酸酮解酶途径 存在于明串珠菌属和乳杆菌属的一些细菌中。 进行磷酸酮解酶途径的微生物缺少醛缩酶,不能将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。 磷酸酮解酶途径有两种: 磷酸戊糖酮解酶途径(PK) 磷酸己糖酮解酶途径(HK) 1)PK途径(磷酸戊糖酮解酶途径) 磷酸戊糖酮解酶途径(肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌 ) G 5-磷酸-木酮糖 磷酸戊糖酮解酶途径的特点: ① 分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP,相当于EMP途径的一半; ② 产生等量的乳酸、乙醇、CO2。 G 6-磷酸-果糖 磷酸己糖酮解酶 途径的特点: ① 有两个磷酸酮解酶参加反应; ② 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下,2分子葡萄糖分解为3分
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