關于細菌新陳代謝第四章細菌的新陳代謝新陳代謝（代謝，metabolism）：是細胞內發生的一切化學反應的總稱。根據不同的分類依據，代謝分為：能量代謝

物質代謝；合成代謝（anabolism）

分解代謝（catabolism）；初級代謝（primarymetabolism）

次級代謝（secondarymetabolism）酶（enzyme）：是一種具有催化活性的蛋白質，它具有高度的專一性，即一種酶只能催化一種或一類反應。絕大多數的代謝都是酶催化的化學反應。第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天能量代謝的中心任務，是生物體如何把外界環境中多種形式的最初能源轉換為一切生命活動的通用能源------ATP第一節細菌的能量代謝最初能源有機物還原態無機物日光化能異養微生物化能自養微生物光能營養微生物氧化型還原型氧化型還原型葉綠素、菌綠素、視紫紅質捕獲通用能源（ATP）功（化學功、運輸功、機械功）第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝生物氧化：發生在細胞內的一切產能性氧化反應的總稱。過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）底物水平磷酸化：是指物質在脫氫或脫水過程中，產生高能代謝物并直接將高能代謝物中能量轉移到ADP(GDP)生成ATP(GTP)的過程氧化磷酸化：在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯ATP的生成，95%的ATP來自這種方式有機物的生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環境中異養型微生物以有機物的生物氧化獲得能量，根據最終電子受體性質的不同，細菌的產能方式分為發酵、有氧呼吸和無氧呼吸。細菌合成ATP的途徑主要為底物水平磷酸化和氧化磷酸化。第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、葡萄糖的分解代謝第一節細菌的能量代謝1.EMP途徑，又稱糖酵解途徑（Embden-Mdyerhof）2.HMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑（Hexosemonophosphatepathway）3.ED途徑（Entner-Doudoroff）4.TCA循環，即三羧酸循環（Tricarboxylicacidcycle）第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

1.EMP途徑（糖酵解途徑）葡萄糖經九步反應生成丙酮酸的過程。

有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；無氧：還原代謝產物，厭氧菌唯一的產能途徑產能反應（底物水平磷酸化）：

1，3二磷酸甘油酸3-P-甘油酸+ATP

磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）

丙酮酸+ATP絕大多數細菌存在EMP途徑，其產能低，但生理功能重要總反應式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH+2ATP

第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

EMP途徑（糖酵解途徑）的生理功能

1.供應ATP形式的能量和NADH。2.連接其它幾個重要代謝途徑的橋梁，包括TCA、HMP、ED等3.為生物合成提供多種中間代謝產物；4.通過逆向反應可進行多糖合成。第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

2.HMP途徑（磷酸戊糖途徑）葡萄糖不經EMP途徑和TCA循環而得到徹底氧化，并能產生大量NADPH形式的還原力及多種中間代謝產物，但不產生ATP。總反應式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi分為兩個階段：6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下生成NADPH，CO2和5-磷酸核酮糖5-磷酸核酮糖在轉酮酶和轉醛酶催化下，部分碳鏈進行相互轉換，經三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，進入EMP途徑第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

HMP途徑（磷酸戊糖途徑）的生理功能：為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸產生大量的NADPH，一方面參與脂肪酸、固醇等細胞物質的合成，另一方面可通過呼吸鏈產生大量的能量產生多種重要的中間物，其中四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成，5-磷酸核糖用于核苷酸和組氨酸的合成。HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑，具有該途徑的微生物的碳源譜更廣泛

第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

3.ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數缺乏完整EMP途徑的細菌的一種替代途徑。特點：特征反應是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛縮酶催化的KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛；ED途徑中的兩分子丙酮酸：一分子由2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解產生，另一分子由磷酸甘油醛經EMP途徑轉化而來；1摩爾葡萄糖經ED途徑僅產生1摩爾ATP。第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

4.TCA（三羧酸循環）

又稱檸檬酸循環，Krebs循環，有氧條件下將糖酵解產生的丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA,乙酰CoA經一系列氧化、脫羧，最終生成CO2和H2O并產生能量的過程。特點：1）氧雖不直接參與反應，但必須在有氧條件下進行（NAD和FAD再生時需氧）；2）每分子丙酮酸可產4分子NADH、1分子FADH2、1分子GTP，共相當于15分子ATP，產能效率極高。檸檬酸異檸檬酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸蘋果酸延胡索酸草酰乙酸丙酮酸乙酰CoA第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝

TCA（三羧酸循環）的生理功能：為糖、脂類、蛋白質三大物質轉化的中心樞紐；循環中的中間產物是一些重要物質生物合成的前體；生物體提供能量的主要代謝途徑。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天5.電子傳遞鏈（氧化呼吸鏈——氧化水平磷酸化）電子從供體NADH和FADH轉移到電子受體O2第一節細菌的能量代謝電子傳遞鏈載體：NADH脫氫酶、黃素蛋白、輔酶Q（CoQ）、鐵-硫蛋白及細胞色素類蛋白；在細胞膜上以4個載體復合物的形式從低氧化還原勢的化合物到高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物逐級排列。NADH脫氫酶復合體琥珀酸脫氫酶復合體細胞色素還原酶復合體細胞色素氧化酶復合體ATP合成酶復合體第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝無氧呼吸：產生2分子ATP有氧呼吸：共產生38分子ATP？糖酵解：底物水平磷酸化——2ATP

產生2NADH經氧化磷酸化——6ATPTCA循環：底物水平磷酸化——2ATP

產生8NADH經氧化磷酸化——24ATP

產生2FADH2經氧化磷酸化——4ATPcorrigendumNADH和FADH2的P/O值更接近于2.5和1.5，因此有氧呼吸1分子葡萄糖產生的ATP約為30個第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝乙醛酸循環乙醛酸循環：由異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶催化的反應，繞過了TCA循環從異檸檬酸到蘋果酸之間的5步反應。乙醛酸循環的生理功能：以乙酰CoA為起始物合成三羧酸循環中的二羧酸與三羧酸，作為三羧酸循環上化合物的補充；脂肪轉變為糖是通過乙醛酸循環途徑進行的。2分子乙酰輔酶A合成1分子蘋果酸，氧化變成草酰乙酸后，脫羧生成丙酮酸經糖異生途徑可合成糖。第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第一節細菌的能量代謝其它糖類代謝半乳糖1-磷酸半乳糖UDP-半乳糖UDP-葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原或淀粉6-磷酸葡萄糖糖酵解蔗糖葡萄糖果糖6-磷酸果糖半乳糖1-磷酸半乳糖UDP-半乳糖UDP-葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原或淀粉6-磷酸葡萄糖果糖6-磷酸果糖多糖經多糖水解酶（淀粉酶等）水解為單糖或二糖后被細菌吸收利用第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天脂肪烴類的分解二、脂肪酸的分解1.脂肪酸的活化：脂肪酸轉變為脂酰CoA第一節細菌的能量代謝2.β-氧化途徑：生成乙酰CoA并產生大量能量（1分子脂酰CoA經β-氧化產生17分子ATP）第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天脂肪烴類的分解第一節細菌的能量代謝三、蛋白質的分解細菌分解蛋白質的酶有兩類，一類為蛋白酶（胞外酶），另一類為肽酶（胞內酶），前者將蛋白質分解為多肽和二肽。肽類可進入胞內，肽酶將其水解為游離的氨基酸，供菌體利用。微生物對氨基酸主要為脫氨作用和脫羧作用，微生物分解氨基酸的能力因菌種而異。第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節微生物的合成代謝微生物合成代謝需要能量（如ATP）、還原力（NADH、NADPH）和外界吸收的小分子物質或分解代謝的中間代謝產物的參與，最終合成生物大分子。合成代謝是耗能的過程，細胞內絕大多數的ATP都用于蛋白質、脂類、核酸等大分子的合成。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節微生物的合成代謝合成代謝的三要素：能量、還原力和小分子碳架化合物第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、脂肪酸的合成飽和脂肪酸的合成分兩個階段：第二節微生物的合成代謝脂肪酸合成的初始階段需要以短的脂酰CoA作為引物，合成丙二酰-CoA。生物素作為乙酰-CoA的輔基，參與脂肪酸的合成1.丙二酰-CoA的合成第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節微生物的合成代謝2.多酶復合體參與的脂肪酸合成酰基載體蛋白（acylcarrierprotein，ACP）：一種攜帶脂酰基的蛋白質，將脂酰基中間體固定在酶上。多酶復合體：圍繞在ACP周圍，包括ACP酰基轉移酶、β-酮脂酰-ACP合成酶、丙二酰-ACP-轉移酶等丙二酰-ACP乙酰乙酰-ACP巴豆酰-ACPβ-羥丁酰-ACP第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

氨基酸（aminoacid）：含有氨基和羧基的一類有機化合物的統稱，是生物功能大分子蛋白質的基本組成單位，是維持基本生命活動的重要物質基礎。第二節微生物的合成代謝二、氨基酸的生物合成第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天氨基酸的生理功能人體構成基本物質之一：蛋白質的基本組成單位生命代謝的物質基礎：缺乏必需氨基酸，導致生理功能異常，影響機體代謝的正常進行，某些非必需氨基酸缺乏，會產生機體代謝障礙；生成其它重要代謝物，參與機體生命活動：

①合成組織蛋白質；

②生成酸、激素、抗體、肌酸等含氨物質；

③生成碳水化合物和脂肪；

④氧化成二氧化碳和水及尿素，產生能量。第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天根據氨基酸對人體健康和營養的作用，將氨基酸分為必需氨基酸、功能性氨基酸和二肽三類：必需氨基酸：營養健康所必需的，人體自身不能合成或合成速度不能滿足人體需要；功能氨基酸：能夠促進人體生理功能；二肽：一些不穩定或溶解度較低的氨基酸的結構替代物MitsuhashiS.Currenttopicsinthebiotechnologicalproductionofessentialaminoacids,functionalaminoacids,anddipeptides.CurrentOpinioninBiotechnology,2014,26C(6Suppl):38-44.第二節微生物的合成代謝第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成1.氨基酸分子中各基團的來源：①氨的來源：a.外界環境吸收，b.胞內含氮化合物，c.生物固氮，d.由NO3-還原②硫的來源：

a.外界環境吸收，b.胞內含硫化合物，c.胞內同化型還原SO42-③碳架結構的來源：來源于糖代謝的中間產物

第二節微生物的合成代謝第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第二節微生物的合成代謝氨基酸的碳骨架來源第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成第二節微生物的合成代謝根據氨基供體來源不同，氨基酸的合成途徑主要分為：氨基化作用：α-酮酸與氨反應生成氨基酸（初生氨基酸），如谷氨酸、天冬氨酸的合成轉氨基作用：在轉氨酶的催化作用下，一種氨基酸的氨基轉移給酮酸，生成新的氨基酸，轉氨酶的輔酶是磷酸吡哆醛，如支鏈氨基酸、芳香族氨基酸、天冬氨酸族氨基酸及組氨酸的合成由初生氨基酸合成次生氨基酸：由初生氨基酸經轉氨作用或以初生氨基酸為前體合成的氨基酸，如脯氨酸、瓜氨酸和精氨酸是由谷氨酸合成的次生氨基酸第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成天冬氨酸族氨基酸的生物合成途徑第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成芳香族氨基酸的生物合成途徑代謝途徑長，由DAHP經12步合成色氨酸，分支途徑多色氨酸操縱子受到嚴格的反饋抑制和反饋阻遏調節合成所需的前體物參與細胞重要的生長代謝過程：PEP、E4P、Gln、Ser和PRPP高ATP消耗：色氨酸為合成消耗ATP最高的氨基酸（1:13）色氨酸酪氨酸苯丙氨酸第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成支鏈氨基酸的生物合成途徑代謝途徑交錯偶聯：異亮氨酸與纈氨酸有四個共用酶，亮氨酸從纈氨酸合成中間物分支分支途徑多：Lys，Met，Thr等副產物難控制調控網絡復雜：關鍵酶受多種氨基酸的反饋抑制調節高NADPH消耗：合成1分子異亮氨酸需3分子NADPH纈氨酸異亮氨酸亮氨酸第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天三、氨基酸的生物合成組氨酸的生物合成途徑經戊糖磷酸途徑（HMP）合成前體PRPP代謝途徑長，由PRPP經10步反應與核苷酸合成途徑競爭前體物質調控網絡復雜：關鍵酶受嚴格的反饋調節高能耗的合成過程ATP參與分子骨架合成組氨酸第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天本章重點葡萄糖代謝的主要途徑及其能量合成氧化呼吸鏈的組成和電子傳遞途徑脂肪酸的合成過程氨基酸的合成的碳骨架來源和氨基化過程第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸鏈上各組分的晶體結構ATP是生物體進行新陳代謝所必需的，是一切生命活動所需能量的直接來源，是細胞內能量傳遞的“分子貨幣”。而由電子傳遞鏈介導的氧化磷酸化是生物體內生成ATP的主要途徑。因此，深入研究呼吸鏈上的電子傳遞機制對理解生物體的生命活動至關重要。這使得對呼吸鏈上各組分晶體結構的解析顯得異常重要。第34頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸鏈上各組分的晶體結構20102012199819981999呼吸鏈上的五大復合物的晶體結構解析均發在了高水平文章上。第35頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Frontiers

呼吸鏈上各組分的晶體結構呼吸鏈上各組分的晶體結構解析仍然是研究熱點，例如，一篇解析鐵硫蛋白復合物晶體結構的文章于今年6月發表在了《nature》上。該晶體結構第一次詳細揭示了金屬蛋白中金屬絡合物的價電子分布，提供了電子在呼吸鏈上傳遞的結構基礎，為關于金屬蛋白的理論研究和實驗工作提供了幫助。Hirano,Y.,Takeda,K.&Miki,K.Charge-densityanalysisofaniron-sulfurproteinatanultra-highresolutionof0.48A.Nature534,281-284,doi:10.1038/nature18001(2016).第36頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Furtherreadings1.Hendrickson,W.A.Stereochemicallyrestrainedrefinementofmacromolecularstructures.MethodsEnzymol.115,252–270(1985).2.Wlodawer,A.,Minor,W.,Dauter,Z.&Jaskolski,M.Proteincrystallographyforaspiringcrystallographersorhowtoavoidpitfallsandtrapsinmacromolecularstructuredetermination.FEBSJ.280,5705–5736(2013).3.Rokob,T.A.,Srnec,M.&Rulí?ek,L.Theoreticalcalculationsofphysicochemicalandspectroscopicpropertiesofbioinorganicsystems:currentlimitsandperspectives.DaltonTrans.41,5754–5768(2012).4.Nogi,T.,Fathir,I.,Kobayashi,M.,Nozawa,T.&Mik