MicrobialMetabolism:Catabolic andAnabolicPathways
Chapter 8(p. 211-231)
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc) Permission required for reproduction or display.
Cowan3_Cover
Learning Objectives:
Explain the overall function of metabolic pathway
Describe the chemical reactions in glycolysis
Explain the products of the Krebs cycle
Describe the chemiosmotic model for ATP generation
Compare and contrast aerobic and anaerobic respiration
Describe the chemical reactions and list some products offermentation.
Describe how lipids and proteins undergo catabolism
Define amphibolic pathways
Contrast oxygenic and anoxygenic photosynthesis.
Metabolic Pathways
Carbohydrate Catabolism
The breakdown of carbohydrates to releaseenergy
Glycolysis
Krebs cycle
Electron transport chain
Glycolysis
Oxidation of glucose to pyruvic acid
Produces ATP and NADH.
1
3
4
5
PreparatoryStage
Two ATPs areused
Glucose is splitto form twophosphorylated3-carbon sugars
9
Energy-ConservingStage
Two 3-carbon sugarsoxidized to twoPyruvic acidmolecules
Four ATP produced(substrate levelphosphorylation)
Two NADH produced
Glycolysis Summary
One glucose is used
Partial oxidation of the sugar, 2 pyruvates areend products
Two NADH are reduced
2 ATP are consumed, 4 ATP total are made, netof 2 ATP produced
Intermediate Step
Pyruvic acid (fromglycolysis) is oxidizedand decarboxylated.
Krebs Cycle
Complete oxidationof acetyl CoA to CO2produces NADH andFADH2.
Krebs Cycle Summary
Pyruvate 1
3 CO2
4 NADH
1 FADH2
1 ATP
Pyruvate 2
3 CO2
4 NADH
1 FADH2
1 ATP
Glucose has now been completely oxidized tocarbon dioxide
Electrons are temporarily on carrier molecules
2 ATP total made by substrate level phosphorylation
The Electron Transport Chain
A series of carrier molecules that are, in turn,oxidized and reduced as electrons are passeddown the chain.
Energy released can be used to produce ATP bychemiosmosis.
Electron Transport System
NADH oxidized
Electrons passthrough membranecarriers
Protons pumped out(work is done)
Electrons accepted byan inorganic molecule
cow2252X_08_19
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Cell wall
Cytochromes
Cytoplasm
Cellmembrane
with ETS
ATP
ADP
ATP synthase
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Aerobic Respiration
The electron acceptor is an oxygen
This is a very good acceptor
Yields water upon reduction
Because so much energy is released, the cellcan pump out about 10 protons
Occurs in bacterial membrane andmitochondria of eukaryotes
Anaerobic Respiration
The electron acceptor is not oxygen
Examples: nitratenitrite, and sulfate
These are mediocre acceptors – not as good asoxygen
Yields other inorganic molecules upon reduction
Less favorable reactions pump out fewer protons
Electron acceptor
Products
NO3
NO2, N2 + H2O
SO4
H2S + H2O
CO32 –
CH4 + H2O
Anaerobic Respiration
Chemiosmosis
Proton gradient ispotential energy
Allowing protonsback into the cellcan be coupled towork
3 protons enteringdrive the synthesisof 1 ATP
Oxidativephosphorylation
Aerobic Respiration Yield
1 Glucose  6 CO2
2 ATP from glycolysis
2 NADH from glycolysis  6 ATP
2 ATP from Krebs cycle substrate level
8 NADH from Krebs cycle  24 ATP
2 FADH2 from Krebs cycle  4 ATP
Total 36-38 ATP per glucose
Fermentation
Performed by anaerobic microorganisms
Does not use Krebs cycle or ETC
Primary purpose: Regenerate NAD for reuse
The electron acceptor is an organic molecule
Secondary purpose: Generate additionalenergy
Energy yields are very small
Fermentation
NADH oxidized
Organic moleculereduced
Many possible endproducts
Lactic acid
Ethanol
Vinegar
Acetone
cow2252X_08_22
C
C
O
O
C
H
H
H
OH
C
C
H
H
H
H
H
C
C
O
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
O H
O
O
H
System: Homolactic bacteria;
human muscle
Glucose
System:Yeasts
Glycolysis
Lactic acid
Ethyl alcohol
Pyruvic acid
OH
NADH
NAD H
NADH
NAD
NAD
CO2
Acetaldehyde
O2 is final electron
acceptor.
ATP produced = 38
ATP produced = 2 to 36
ATP produced = 2
Non oxygen electron acceptors(examples: SO42–, NO3–,  CO32–  )
An organic molecule is final
electron accept or (pyruvate,
acetaldehyde, etc.).
AEROBIC RESPIRATION
Glycolysis
Glucose
ATP
NADH
2pyruvate
(3C)
(6C)
CO2
Acety lCoA
FADH2
NADH
ATP
Krebs
CO2
Electrons
Electron transport
ANAEROBIC RESPIRATION
Glycolysis
Glucose
ATP
NADH
2pyruvate
(3C)
(6C)
CO2
Acety lCoA
FADH2
NADH
ATP
Krebs
CO2
Electrons
Electron transport
FERMENTATION
CO2
Glycolysis
Glucose
ATP
NADH
2pyruvate
Lactic acid
Ethanol
Or other alcohols,
acids, gases
Acetaldehyde
(6C)
(3C)
Fermentation
Fermentation
Alcohol fermentation: Produces ethyl alcohol +CO2.
Lactic acid fermentation: Produces lactic acid.
Homolactic fermentation: Produces lactic acidonly.
Heterolactic fermentation: Produces lactic acidand other compounds.
Pathway
Eukaryote
Prokaryote
Glycolysis
Cytoplasm
Cytoplasm
Intermediate step
Cytoplasm
Cytoplasm
Krebs cycle
Mitochondrial matrix
Cytoplasm
ETC
Mitochondrial innermembrane
Plasmamembrane
Lipid Catabolism
Figure 5.20
Protein
Amino acids
Extracellular proteases
Krebs cycle
Deamination, decarboxylation, dehydrogenation
Organic acid
Protein Catabolism
Amphibolism
cow2252X_08_24
CO2
H2O
Glycolysis
Anabolism
Catabolism
Simple
products
Metabolic
pathways
Building block
Macromolecule
Cell
structure
Chromosomes
Enzymes
Membranes
Cell wall
Storage
Membranes
Storage
Lipids
Fats
Starch
Cellulose
Proteins
Nucleic
acids
Nucleotides
Amino acids
Carbohydrates
Fatty acids
Beta oxidation
Deamination
GLUCOSE
Pyruvic acid
Krebs
cycle
Acetyl coenzyme A
NH3
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Photosynthesis
Photo: Conversion of light energy into chemicalenergy (ATP)
Light-dependent (light) reactions
Synthesis: Fixing carbon into organic molecules
Light-independent (dark) reaction, Calvin-Bensoncycle
Oxygenic Photosynthesis
Chlorophyll pigments
Thylakoid membrane
Capture light energy
Electron transport
Photophosphorylation
Makes NADH and ATP
Oxygen produced
Algae, plants, andcyanobacteria
cow2252X_08_27.jpg
cow2252X_08_27.jpg
Anoxygenic Photosynthesis
Purple bacteria (similar to photosystem II)
Make ATP
Can’t make NADH
No oxygen produced
Green bacteria (similar to photosystem I)
Make ATP
Also make NADH
No oxygen produced
Calvin Benson Cycle
Fix carbon dioxide
Autotrophs
Reverse of glycolysis
6 CO2  Glucose
cow2252X_08_28
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
H
H
Splitting
ADP
ATP × 2
ADP
ATP
Series of 7 Carbon
and 5 Carbon
intermediates
Ribulose-1,5-bisphosphate
5Carbon
CO2
6 Carbon
intermediate
NADPH × 2
NADP
Glyceraldehyde-3
phosphate
Glucose
Fructose intermediates
1,3-bisphosphoglyceric acid
Calvin Cycle
3-phosphoglyceric
acid
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.