北工大微生物學第6章.ppt

1、第六章 微生物的代謝,第六章 微生物的代謝,微生物在生長發(fā)育和繁殖過程中，需要不斷地從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質，在體內經過一系列的生化反應，轉變成能量和構成細胞的物質，并排出不需要的產物。這一系列的生化過程稱為新陳代謝。 微生物的代謝(metabolism)是指發(fā)生在微生物細胞中的分解代謝(catabolism)與合成代謝(anabolism)的總和。,分解代謝（catabolism）指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量。 合成代謝（anabolism）指細胞利用小分子物質合成復雜大分子的過程，并在這個過程中消耗能量。,在代謝過程中，微生物通過分解作用產生化學能，光合微生物

2、還可將光能轉化成化學能，這些能量 用于：1.合成代謝；2.微生物的運動和運輸； 3.熱和光。,無論是分解代謝還是合成代謝，代謝途徑都是由一系列連續(xù)的酶反應構成的，前一部反應的產物是后續(xù)反應的底物。,細胞能有效調節(jié)相關的酶促反應，使生命活動得以正常進行。,某些微生物在代謝過程中，除了產生其生命活動所必需的初級代謝產物和能量外，還會產生一些次級代謝產物。這些物質除有利于微生物生存，還與人類生產生活密切相關。,代謝（metabolism）：,細胞內發(fā)生的各種化學反應的總稱,復雜分子 （有機物）,分解代謝,合成代謝,簡單小分子,ATP,H,第一節(jié) 酶的基本知識 第二節(jié) 能量代謝 第三節(jié) 大分子物質的降

3、解 第四節(jié) 微生物的發(fā)酵 第五節(jié) 微生物代謝的調節(jié)和控制,第六章 微生物的代謝,第一節(jié) 酶的基本知識,微生物的代謝活動: 酶類受多因素的調節(jié)和控制組合成有規(guī)律.有組織的酶系,完成復雜的代謝活動. 酶是生物的催化劑-沒有酶,微生物就沒有生命,生命是不能離開酶而存在.,酶的性質 酶是生物催化劑 2.酶具有高度催化效果 3.酶具有高度專一性 (1).絕對專一性 (2).相對專一性 (3).立體異構專一性,4.酶的化學本質是蛋白質,5.酶作用受到溫度.PH.酶濃度激活劑.抑制劑等因素的影響 二.酶的分類 1.氧化還原酶類:-氧化酶.脫氫酶 2.轉移酶類:-催化化合物中某些基團的轉移,即將一種分子上的某

4、一基團轉移到另一種分子上去的反應.,3. 水解酶類,將有機大分子水解為簡單的小分子化合物 4.裂合酶類:催化一個化合物分解為幾個化合物,逆反應也可 5.異構酶類:催化同分異構化合物之間的相互轉化,即分子內部基團的重新排列 6.合成酶類 催化兩個化合物的結合,形成新的物質,第二節(jié) 能量代謝,分解代謝實際上是物質在生物體內經過一系列連續(xù)的氧化還原反應，逐步分解并釋放能量的過程，這個過程也稱為生物氧化，是一個產能代謝過程。 在生物氧化過程中釋放的能量可被微生物直接利用，也可通過能量轉換貯存在高能化合物(如ATP）中，以便逐步被利用，還有部分能量以熱的形式被釋放到環(huán)境中。 不同類型微生物進行生物氧化所

5、利用的物質是不同的，異養(yǎng)微生物利用有機物，自養(yǎng)微生物則利用無機物，通過生物氧化來進行產能代謝。,第二節(jié) 能量代謝,一.生物氧化的過程 1.底物脫氫作用 2.氫和電子的傳遞 3.最后受氫體接受氫和電子,生物氧化作用是在微生物細胞內酶的催化下，完成營養(yǎng)物質氧化的過程，也是生物體新陳代謝的重要基本反應。,第二節(jié) 能量代謝,能量代謝的中心任務是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能使用的通用能源 ATP 。對微生物來說，它們可利用的最初能源有三大類即：有機物、日光和還原態(tài)無機物。,二.生物氧化的類型,1.好氧呼吸 以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程. 徹底氧化，放能最多。

6、 2.厭氧呼吸 以無機氧化物作為最終電子受體有機化合物.不需要氧氣，放能多。 3.發(fā)酵. 電子供體是有機化合物,而最終電子受體也是有機化合物的生物氧化過程 不徹底氧化，放能最少。,有關“鬼火”的生物學解釋,在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結果是生成磷化氫（PH3），一種易燃氣體。當有機物腐敗變質時，經常會發(fā)生這種情況。 若埋葬尸體的墳墓封口不嚴時，這種氣體就很易逸出。農村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會發(fā)出綠幽幽的光。長期以來人們無法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。,三.呼吸鏈,微生物從呼吸底物脫下的氫和電

7、子向最終電子受體的傳遞過程中,要經過一系列的中間傳遞體,并有順序的進行,他們相互”連接”如同鏈條一樣-呼吸鏈.也稱為生物氧化鏈。,四. ATP的生成,ATP是微生物生命活動的能量來源. ATP的產生是電子從起始的電子供體經過呼吸鏈傳至最終受體的結果.,ATP是生物體內能量的主要傳遞者 ATP的生成需要能量，這些能量來自光能及化學能。 ATP和酶產生偶聯(lián)作用即可利用,又可儲存 由光能生成ATP的過程稱為光和磷酸化； 以化學能生成ATP的過程稱為氧化磷酸化。,光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應。 光合磷酸化作用將光能轉變成化學能,以用于從二氧化碳合成細胞物質.主要是光合微生物。 光合微生物:藻類

8、、藍細菌、光合細菌（包括紫色細菌、綠色細菌和嗜鹽菌等）。 細菌的光合作用與高等植物不同的是，除藍細菌具有葉綠素、能進行水的裂解進行產氧的光合作用外，其他細菌沒有葉綠素，只有菌綠素或其他光合色素，只能裂解無機物（如H2、H2S等）或簡單有機物，進行不產氧的光合作用。,氧化磷酸化：利用化合物氧化過程中釋放的能量生成ATP的反應。 氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種： 底物水平磷酸化不需氧 電子傳遞磷酸化需氧。 底物水平磷酸化： 底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個化合物通過相應的酶作用把高能鍵磷酸根轉移給ADP，使其生成ATP。 這種類型的氧化磷酸化方式在生物代

9、謝過程中較為普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于細胞質內。,在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來，形成ATP。 呼吸鏈中的電子傳遞體主要由各種輔基和輔酶組成，最重要的電子傳遞體是泛琨（即輔酶Q）和細胞色素系統(tǒng)。在不同種類的微生物中細胞色素的成員是不同的。 通過呼吸鏈生成的ATP數(shù)量主要是根據(jù)呼吸鏈成員的多少而不同，而呼吸鏈的組成因微生物種類而異，如酵母菌可生成3個ATP，而細菌大約只生成1個ATP,磷酸化作用是在電子自供體向最終受體的傳遞過程中發(fā)生的。,電子傳遞磷酸化,ATP的生成,ATP的生成方式:,微生物能量代謝活動中所涉及的主要是ATP（高

10、能分子）形式的化學能. ATP是生物體內能量的載體或流通形式.當微生物獲得能量后,都是先將獲得的能量轉換成ATP.當需要能量時,ATP分子上的高能鍵水解,重新釋放出能量。,光合磷酸化 氧化磷酸化,底物水平磷酸化 電子傳遞磷酸化,大分子物質的降解,淀粉、脂肪、蛋白質、果膠質等,胞外酶的作用,葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等,第三節(jié). 大分子物質的降解,第三節(jié). 大分子物質的降解,一. 多糖的分解 (一). 淀粉的分解 淀粉微生物碳源的原料 淀粉-是葡萄糖的多聚物. 淀粉-直鏈淀粉(20%).支鏈淀粉(80%) 微生物對淀粉的分解是由微生物 分泌的淀粉酶催化進行. 淀粉酶是水解淀粉糖苷鍵酶的總稱.,（一）

11、淀粉的分解 淀粉是葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的一種大分子物質。淀粉有兩類，一類是由-1,4-糖苷鍵將葡萄糖連接而成的直鏈淀粉；另一類是在直鏈淀粉基礎上，又產生由-1,6-糖苷鍵連接起來產生了分支的支鏈淀粉。一般在自然淀粉中，直鏈淀粉約占10%20%，支鏈淀粉約占80%90%。在以淀粉作為生長碳源與能源的微生物中，它們能利用本身合成并分泌到胞外的淀粉酶，將淀粉水解生成雙糖與單糖后，被微生物吸收，然后再被分解與利用。分解淀粉的酶種類較多，而且作用方式各異，目前按作用方式與特點可將淀粉酶分為幾種類型。,1.液化型淀粉酶（又稱-淀粉酶） 此酶作用的結果是產生麥芽糖、含有6個葡萄糖單位的寡糖和帶有支鏈的寡

12、糖。由于它作用的結果使原來淀粉溶液的黏度下降，并且產物的構型是-構型，故稱為液化型淀粉酶或稱-淀粉酶。在微生物中，許多細菌、放線菌和霉菌均能產生液化型淀粉酶，而且還可以通過工業(yè)發(fā)酵的方式來生產淀粉酶，枯草桿菌通常用作-淀粉酶的生產菌株。,2.糖化型淀粉酶 這是一類酶的總稱。它們的一個共同特點是可以將淀粉水解成麥芽糖或葡萄糖，故名糖化型淀粉酶。目前已知這類酶至少包括下述三種：淀粉-1,4-麥芽糖苷酶（又稱-淀粉酶）。故此酶作用于淀粉后的產物是麥芽糖與極限糊精；淀粉-1,4-葡萄糖苷酶。此酶作用于直鏈淀粉后的產物幾乎全是葡萄糖，作用于支鏈淀粉后的產物有葡萄糖與帶有-1,6-糖苷鍵的寡糖。根霉與曲霉

13、普遍都能合成與分泌此酶；淀粉-1,6-糖苷酶（又稱異淀粉酶）。此酶專門作用于淀粉分子中的-1,6-糖苷鍵，生成葡萄糖。,（二）纖維素的分解 纖維素是一種由葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的大分子化合物。它的相對分子質量更大，更不溶于水，均不能直接被人和動物消化，但它可以被許多真菌包括木霉、青霉、曲霉、根霉以及放線菌與細菌中的一些酶分解與利用。細菌中常見的纖維素分解菌有黏細菌、梭狀芽孢桿菌、瘤胃細菌、產琥珀酸擬桿菌、丁酸弧菌等。 是葡萄糖由糖苷鍵組成的的大分子化合物,廣泛存在于自然界中,是植物細胞壁的主要成分. 纖維素酶纖維素水解酶的總稱.,（三）果膠質的分解,果膠是植物細胞的間隙物質,使臨近細胞壁相連

14、. 在漿果中,果膠的含量最豐富. 果膠酶分解果膠的酶的總稱. 果膠酶-廣泛存在于植物.霉菌.細菌和酵母菌中.,二.蛋白質.氨基酸的分解,(一).蛋白質的分解 蛋白質是由氨基酸組成的分子巨大結構復雜的化合物. 蛋白酶 蛋白質 多肽或氨基酸,微生物對蛋白質的分解作用與人類的關系極為密切。土壤中含有的蛋白質物質，主要靠蛋白質分解菌分解，生成簡單的含氮化合物，再供植物與微生物利用. 在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)的醬制品，如醬油，豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物對蛋白質的分解作用。 另一方面，微生物對蛋白質作用也對人類產生有害的作用，如食物的腐敗、傷口的感染、化膿等。 目前已能利用枯草桿菌、棲土曲霉、放線菌等微

15、生物來生產蛋白酶，用它來進行皮革脫毛、蠶絲脫膠等，滿足皮革、紡織等領域工業(yè)的需要。,蛋白酶的分類:,水解蛋白質的方式-內肽酶.端肽酶. 蛋白酶的來源-動物.植物.微生物蛋白酶 蛋白酶在體內在的位置-胃.胰.木瓜.菠蘿蛋白酶等. 蛋白酶作用的最適的PH-酸性.中性.鹼性. 蛋白酶的活性中心和最適作用PH,絲氨酸.巰基.金屬.酸性蛋白酶等 2.蛋白酶的生產菌種 細菌.霉菌.放線菌等.,1.脫氨作用 脫氨基主要有氧化脫氨基（大腸桿菌等參與）、水解脫氨基（酵母菌等參與）和還原脫氨基（大腸桿菌等參與）等幾種方式。 1.氧化脫氨基 CH3CHNH2COOH+1/2O2CH3COCOOH+NH3 2.水解脫

16、氨基 RCHNH2COOH+H2ORCH2OH+CO2+NH3 3.還原脫氨基 HOOCCH2CHNH2COOHHOOCCH=CHCOOH+NH3,(二).氨基酸的分解,主要是脫氨作用.脫羧基作用.,2. 脫羧基作用 許多微生物細胞體內通常都具有氨基酸脫羧酶，它可以催化氨基酸脫羧生成有機胺，有機胺在胺氧化酶的作用下，放出氨生成相應的醛，醛再氧化成有機酸，最后按脂肪酸-氧化的方式分解，為機體生長提供必要的能量與小分子化合物。 微生物分解氨基酸的方式及產物的不同,常用來作為鑒定菌種的一個生理生化指標.,第四節(jié).微生物的發(fā)酵,發(fā)酵（fermentation),廣義的“發(fā)酵”是指利用微生物生產有用代謝

17、產物的一種生產方式； 狹義的“發(fā)酵”是指在無外源電子受體的條件下，微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不同代謝產物的過程。 在發(fā)酵條件下有機化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機物的還原偶聯(lián)在一起的。被還原的有機物來自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。,在工業(yè)生產中常把好氧或兼性厭氧微生物在通氣或厭氣的條件下的產品生產過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。,發(fā)酵（fermentation）,發(fā)酵途徑 發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。生物體內葡萄糖被降

18、解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑. 發(fā)酵類型 在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸后會積累不同的代謝產物。根據(jù)發(fā)酵產物不同，發(fā)酵的類型主要有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵、混合酸發(fā)酵等。,一. 由EMP途徑進行的發(fā)酵 (一).EMP途徑（糖酵解途徑） 在無氧條件下,微生物利用葡萄糖發(fā)酵產生的有機酸.醇類.和CO2等物質,稱為糖酵解途徑.又稱EMP途徑. (二).由EMP途徑進行的發(fā)酵 1.乙醇發(fā)酵 在酵母菌的乙醇發(fā)酵里，葡萄糖經過糖酵解作用產生兩個丙酮酸，丙酮酸再經脫羧、放出CO2生成乙醛

19、，乙醛接受糖酵解過程中放出的氫而被還原成乙醇。因此在乙醇發(fā)酵過程中，一個葡萄糖最終轉變成兩個乙醇，放出兩個CO2，同時凈產生兩個ATP：,2. 乳酸發(fā)酵 乳酸發(fā)酵：許多細菌能利用葡萄糖產生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。根據(jù)產物的不同，乳酸發(fā)酵有三種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。 同型乳酸發(fā)酵：葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。 異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖首先經PK途徑分解，發(fā)酵終產物除乳酸以外還有一部分乙醇或乙酸。 雙歧發(fā)酵：是雙歧桿菌發(fā)酵葡萄糖產生乳酸的一條途徑。 漬酸菜，南方泡菜是常見的乳酸發(fā)酵

20、。,3. 丙酸發(fā)酵：許多厭氧菌可進行丙酸發(fā)酵。葡萄糖經EMP途徑分解為兩個丙酮酸后，再被轉化為丙酸。少數(shù)丙酸細菌還能將乳酸（或利用葡萄糖分解而產生的乳酸）轉變?yōu)楸帷?4. 混合酸發(fā)酵 許多微生物還能通過發(fā)酵將葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產物，由于代謝產物中含有多種有機酸，因此，將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。 5.丁酸發(fā)酵：發(fā)酵終產物為丁酸或丁醇和丙酮。,6.丁二醇發(fā)酵（2，3-丁二醇發(fā)酵） 腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等,丙酮酸,乙酰乳酸,3-羥基丁酮,乙二酰,紅色物質,（乙酰乳酸脫氫酶）,（OH-、O2）,中性,丁二醇,精氨酸胍基,其中兩個重要的鑒定反應：

21、1 、VP實驗 2、甲基紅（M.R）反應 產氣腸桿菌： V.P.試驗（+），甲基紅（-） E.coli： V.P.試驗（-），甲基紅（+）,V.P.試驗的原理：,甲基紅實驗(M.R): 產氣桿菌在發(fā)酵葡萄糖時，只有一小部分按混合酸發(fā)酵的類型進行外，大部分丙酮酸先通過兩個分子的縮合成為乙酰乳酸，再脫羧成為3-羥基丁酮，然后再還原為2，3-丁二醇。丁二醇是中性的，而大腸桿菌的產物中有多種有機酸，發(fā)酵液中PH很低（4.5）,甲基紅實驗(M.R)結果為大腸桿菌陽性（）, 產氣桿菌甲基紅實驗(M.R)結果為陰性（）。,V.P實驗: 丁二醇發(fā)酵的中間產物-3-羥基丁酮是菌種鑒定的V.P實驗的物質基礎。3-

22、羥基丁酮在堿性條件下被空氣中的氧氣氧化成（雙）乙二酰，它能與培養(yǎng)基成分蛋白胨中的精氨酸所含的胍基反應生成紅色化合物。產氣桿菌產生大量3-羥基丁酮，故V.P實驗陽性（）；而大腸桿菌產生很少或不產生3-羥基丁酮，故V.P實驗陰性（）。,在飲水、食品的衛(wèi)生學檢驗中對大腸桿菌和產氣桿菌常用的鑒別指標： 大腸桿菌 產氣桿菌 V.P實驗 （） （） M.R實驗 （） （） EMB培養(yǎng)基 紫黑色干燥的 濕潤的灰棕色的 具有金屬光澤 大菌落 的小菌落,a,a :預備性反應,b,b :氧化還原反應,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,EMP途徑 （Embden-Meyerhof pathway）,EMP途徑意義：

23、為細胞生命活動提供ATP 和 NADH,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6- 二磷酸,磷酸二羥丙酮,甘油醛-3-磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,EMP途徑關鍵步驟,1. 葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(耗能) 2. 1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛 3. 3-磷酸甘油醛丙酮酸 總反應式： 葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA 丙酮酸脫氫酶 乙酰CoA， 進入TCA,二. 由HMP 途徑進行的發(fā)酵,(一).HMP 途徑 微生物在利用葡萄糖分解代謝過程中,由磷酸已糖開始分解,形成5C物

24、;5C物再分解成3C物和 2C物; 3C物和 2C物又繼續(xù)進行代謝生成乳酸等產物.- HMP 途徑,分為兩個階段： 1、3個分子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經氧化脫羧生成6個分子NADPH+H+，3個分子CO2和3個分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在轉酮酶和轉醛酶催化下使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2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。,(二). HMP 途徑進行的發(fā)酵,6-磷酸果糖出路：可被轉變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途徑。 甘油醛-3-磷酸出路： a、經EMP途徑，轉化成丙酮酸，進入TCA 途徑 b

25、、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑。 總反應式： 6 6-磷酸葡萄糖+12NADP+3H2O 5 6-磷酸葡萄糖 + 6CO2+12NADPH+12H+Pi 特點： a 、不經EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無ATP生成， b、產大量的NADPH+H+還原力 ； c、產各種不同長度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖 ） d、單獨HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存 e、HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑。,三.由TCA循環(huán)進行的發(fā)酵,(一). TCA循環(huán) 許多好氧和兼性厭氧微生物都能通過TCA途徑進行發(fā)酵,在一定條件下,生成許多產物,微生物利用葡萄糖,經過EMP途徑生成丙酮酸,在無

26、氧條件下還原成乙醇.乳酸等發(fā)酵產物. 但在有氧條件下,丙酮酸經過循環(huán)代謝途徑,不斷被分解,最終被徹底氧化成CO2和H2O,并釋放出大量能量.在這個循環(huán)代謝途徑中,由于有幾個中間產物是含3個羧基的化合物-三羧酸循環(huán),丙酮酸在進入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成 乙酰CoA，乙酰CoA和 草酰乙酸縮合成檸檬 酸再進入三羧酸循環(huán)。 循環(huán)的結果是乙酰CoA 被徹底氧化成CO2和H2O， 每氧化1分子的乙酰CoA 可產生12分子的ATP，草 酰乙酸參與反應而本身 并不消耗。,TCA循環(huán)的重要特點,1、循環(huán)一次的結果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整個循環(huán)有四步氧化還原反

27、應，其中三步反應中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原； 3、為糖、脂、蛋白質三大物質轉化中心樞紐。 4、循環(huán)中的某些中間產物是一些重要物質生物合成的前體； 5、生物體提供能量的主要形式； 6、為人類利用生物發(fā)酵生產所需產品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。,TCA循環(huán)的生理意義： （1）為細胞提供能量。 （2）三羧酸循環(huán)是微生物細胞內各種能源物質徹底氧化的共同代謝途徑。 （3)三羧酸循環(huán)是物質轉化的樞紐。,TCA循環(huán)檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán),四. 由ED途徑進行的發(fā)酵,(一). ED途徑:,四. ED途徑 2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑 1952年

28、 Entner-Doudoroff ：嗜糖假單胞 (二) 由ED途徑進行的發(fā)酵 過程： （4步反應） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脫水酶,3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸,KDPG醛縮酶,特點: a、步驟簡單 b、產能效率低：1 ATP c、關鍵中間產物 KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶 細菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。,第五節(jié)微生物代謝的調節(jié)與控制,一 酶合成的調節(jié) 二 酶活性的調節(jié),微生物代謝調節(jié)系統(tǒng)的特點：精確、可塑性強，細胞水平的代謝調節(jié)能力超過高等生物。,微生物細胞代謝的調節(jié) 主要是通過控制酶的作用來實現(xiàn)

29、的,調節(jié)類型,酶合成調節(jié),酶活性調節(jié),調節(jié)的是已有酶分子的活性，是在酶化學水平上發(fā)生的,調節(jié)的是酶分子的合成量，是在遺傳學水平上發(fā)生的,原核基因的表達調控,一、酶合成的調節(jié),酶合成的調節(jié)是一種通過調節(jié)酶的合成量進而調節(jié)代謝速率的調節(jié)機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉錄水平上）的代謝調節(jié)。 凡能促進酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導。 能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。,與上述調節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調節(jié)酶的合成（即產酶量）而實現(xiàn)代謝調節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調節(jié)方式。 其優(yōu)點則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。 在正常代謝途徑中，酶活性調節(jié)和酶合成調節(jié)兩者

30、是同時存在且密切配合、協(xié)調進行的。,（一）酶合成調節(jié)的類型,1誘導 根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關物的關系，可把酶劃分成組成酶和誘導酶兩類。 誘導酶是細胞為適應外來底物或其結構類似物而臨時合成的一類酶。 能促進誘導酶產生的物質稱為誘導物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質。,組成酶（固有酶）：不依賴底物或底物結構類似物的存在而合成的酶。如：EMP途徑的一些酶。 誘導酶：依賴于底物或底物結構類似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。,酶的誘導合成類型,同時誘導，即當誘導物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，

31、將乳糖加入到Ecoli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉乙酰酶的合成； 順序誘導，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復雜代謝途徑的分段調節(jié)。,2阻遏 在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式來抑制該途徑中關鍵酶的活性以減少末端產物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關鍵酶在內的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產物的合成。 阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。 阻遏的類型主要有末端代謝產物阻遏和分解代謝產物阻遏兩種。,（1）末端產物阻遏,指由某代謝途徑末端產物

32、的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應途徑來說，末端產物阻遏的情況較為簡單，即產物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。,對分支代謝途徑來說，情況就較復雜。每種末端產物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。 代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產物的阻遏，此即稱多價阻遏作用。 末端產物阻遏在代謝調節(jié)中有著重要的作用，它可保證細胞內各種物質維持適當?shù)臐舛取?（2）分解代謝物阻遏,指細胞內同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關酶合成的現(xiàn)象。 因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途

33、徑中一些酶合成的現(xiàn)象。,（二）酶合成調節(jié)的機制,（1）操縱子: 指的是一組功能上相關的基因，它是由啟動基因、操縱基因和結構基因三部分組成。 啟動基因-是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結合部位，也是轉錄的起始點； 操縱基因-是位于啟動基因和結構基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調節(jié)蛋白）相結合，以此來決定結構基因的轉錄是否能進行；,操縱子分兩類: 一類是誘導型操縱子，只有當存在誘導物（一種效應物）時，其轉錄頻率才最高，并隨之轉譯出大量誘導酶，出現(xiàn)誘導現(xiàn)象。 另一類是阻遏型操縱子，只有當缺乏輔阻遏物（一種效應物）時，其轉錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所

34、編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。,結構基因-則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉錄出對應的mRNA，然后再可通過核糖體而轉譯出相應的酶。一個操縱子的轉錄，就合成了一個mRNA分子。,（2）調節(jié)基因 用于編碼組成型調節(jié)蛋白的基因。調節(jié)基因一般位于相應操縱子的附近。 （3）效應物 是一類低分子量的信號物質（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導物和輔阻遏物兩種，它們可與調節(jié)蛋白相結合以使后者發(fā)生變構作用，并進一步提高或降低與操縱基因的結合能力。,（4）調節(jié)蛋白 是一類變構蛋白，它有兩個特殊位點，其一可與操縱基因結合，另一位點則可與效應物相結合。當調節(jié)蛋白與效應物

35、結合后，就發(fā)生變構作用。有的調節(jié)蛋白在其變構后可提高與操縱基因的結合能力，有的則會降低其結合能力。 調節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒有誘導物（效應物的一種）時與操縱基因相結合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應物的另一種）存在時才能與操縱基因相結合。,負調節(jié),正調節(jié),通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調節(jié)，屬于精細的調節(jié)。 調節(jié)方式：包括兩個方面： 1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應可被較前面的反應產物所促進的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。 如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進 2、酶活性的抑制：包括：競爭性抑制和反饋抑制。 概念

36、：反饋：指反應鏈中某些中間代謝產物或終產物對該途徑關鍵酶活性的影響。 凡使反應速度加快的稱正反饋； 凡使反應速度減慢的稱負反饋（反饋抑制）； 反饋抑制主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產物過量時可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。 特點：作用直接、效果快速、末端產物濃度降低時又可解除,二 酶活性的調節(jié),酶活性調節(jié),酶活性調節(jié)是指一定數(shù)量的酶，通過其分子構象或分子結構的改變來調節(jié)其催化反應的速率。這種調節(jié)方式可以使微生物細胞對環(huán)境變化作出迅速地反應。 酶活性調節(jié)受多種因素影響，底物的性質和濃度，環(huán)境因子，以及其它酶的存在都有可能激活或控制酶的活性。,1.變構調節(jié),

37、在某些重要的生化反應中，反應產物的積累往往會抑制催化這個反應的酶的活性，這是由于反應產物與酶的結合抑制了底物與酶活性中心的結合。 在一個由多步反應組成的代謝途徑中，末端產物通常會反饋抑制該途徑的第一個酶，這種酶通常被稱為變構酶（allosteric enzyme）。,末端產物對酶活的反饋抑制,i u v w z U V W X,中 間 產 物,末 端 Z 產 物,反 饋 抑 制,變構酶理論： 變構酶為一種變構蛋白，酶分子空間構象的變化 影響酶活。其上具有兩個以上立體專一性不同的接受部位，一個是活性中心，另一個是調節(jié)中心。,活性位點: 與底物結合 變構位點:,與抑制劑結合,構象變化,不能與底物結

38、合 與激活劑結合, 構象變化,促進與底物結合,2. 修飾調節(jié),修飾調節(jié)是通過共價調節(jié)酶來實現(xiàn)的。共價調節(jié)酶通過修飾酶催化其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使之處于活性和非活性的互變狀態(tài)，從而導致調節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。,3.分支合成途徑調節(jié),共同特點：每個分支途徑的末端產物控制分支點后的第一個酶，同時每個末端產物又對整個途徑的第一個酶有部分的抑制作用，分支代謝的反饋調節(jié)方式有多種。,1.同功酶,同功酶是指能催化同一種化學反應，但其酶蛋白本身的分子結構組成卻有所不同的一組酶。 特點：在分支途徑中的第一個酶有幾種結構不同的一組同功酶，每一種代謝終產物只對一種同功酶具有反饋抑

39、制作用，只有當幾種終產物同時過量時，才能完全阻止反應的進行。 這種調節(jié)方式的著名的例子是大腸桿菌天門冬氨酸族氨基酸的合成。有三個天門冬氨酸激酶催化途徑的第一個反應，分別受賴氨酸，蘇氨酸，甲硫氨酸的調節(jié)。,2. 協(xié)同反饋抑制,協(xié)同反饋抑制：在分支代謝途徑中，幾種末端產物同時都過量，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用。若某一末端產物單獨過量則對途徑中的第一個酶無抑制作用。 例如，在多粘芽孢桿菌（Bacillus polymyxa）合成賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的途徑中，終點產物蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同抑制天門冬氨酸激酶。,3. 累積反饋抑制,累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產物過量時都能對共同途徑

40、中的第一個酶起抑制作用，而且各種末端產物的抑制作用互不干擾。當各種末端產物同時過量時，它們的抑制作用是累加的。 如果末端產物H單獨過量時，抑制AB酶活性的40%，剩余酶活性為60%，如果末端產物Z單獨過量時抑制AB酶活性的30%，當HZ同時過量時，其抑制活性為：40%+（1-40%）30%=58%。 累積反饋抑制最早是在大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶的調節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)的，該酶受8個最終產物的積累反饋抑制。,4. 順序反饋抑制,順序反饋抑制:分支代謝途徑中的兩個末端產物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應步驟，造成分支點上中間產物的積累，這種高濃度的中間產物再反饋抑制第一個酶的

41、活性。因此，只有當兩個末端產物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑制作用。 枯草芽孢桿菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進行調節(jié)。,5.合作反饋抑制,定義：兩種末端產物同時存在時，共同的反饋抑制作用大于二者單獨作用之和。 舉例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP （和IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨過量時，分別抑制其活性的70%和10%。,6.優(yōu)先合成,在分支合成途徑中，分支點后的兩種酶競爭同一種底物，如AMP與GMP，Thr與Lys、Met，由于兩種酶對底物的Km值（即對底物的親和力）不同，故兩條支路的一條優(yōu)先合成。,第六

42、節(jié) 微生物次級代謝與次級代謝產物 一、次級代謝與次級代謝產物 一般將微生物通過代謝活動所產生的自身繁殖所必需的物質和能量的過程，稱為初級代謝,該過程所產生的產物即為初級代謝產物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶等。 次級代謝是指微生物在一定的生長時期，以初級代謝產物為前體，合成一些對于該微生物沒有明顯的生理功能且非其生長和繁殖所必需的物質的過程。這一過程的產物，即為次級代謝產物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。,次級代謝與初級代謝關系密切，初級代謝的關鍵性中間產物往往是次級代謝的前體，比如糖降解過程中的乙酰-CoA是合成四環(huán)素、紅霉素的前體；一般菌體的次級代謝在對數(shù)生長后期或穩(wěn)定期間進行

43、，受環(huán)境條件的影響； 次級代謝產物在微生物生命活動過程中的產生極其微量，對微生物本身的生命活動沒有明顯作用，當次級代謝途徑被阻斷時，菌體生長繁殖仍不會受到影響，因此，它們沒有一般性的生理功能，也不是生物體生長繁殖的必需物質，但對其它生物體往往具有不同的生理活性作用，因此，人們利用這些具有各種生理活性的次級代謝產物生產具有應用價值的藥物。,二、次級代謝的調節(jié) 1初級代謝對次級代謝的調節(jié) 次級代謝與初級代謝類似，它在調節(jié)過程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的誘導和阻遏。 2含氮化合物對次級代謝的調節(jié)作用 菌體內的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平與抗生素的產量間呈正相關性，丙氨酸脫氫酶(ADH)水平與利

44、福霉素SV合成則呈負的相關性，而ADH和GS同化氨途徑受培養(yǎng)基中氨濃度的調節(jié)，因此，氨濃度的調節(jié)影響抗生素的產量。 3誘導作用及產物的反饋抑制,三、微生物次級代謝與初級代謝及生物合成抗生素的關系,1從菌體生化代謝方面分析 許多抗生素的基本結構是由少數(shù)幾種初級代謝產物構成的，所以次級代謝產物是以初級代謝產物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨立的，而是與初級代謝途徑有密切關系的。 糖代謝中間體，既可用來合成初級代謝產物，又可用來合成次級代謝產物，這種中間體叫做分支中間體。,2、遺傳代謝方面分析 初級代謝與次級代謝同樣都受到核內DNA的調節(jié)控制，而次級代謝產物還受到與初級代謝產物生物合成無關的遺

45、傳物質的控制，即受核內遺傳物質(染色體遺傳物質)和核外遺傳物質(質體)的控制。有一部分代謝產物的形成，取決于由質體信息產生的酶所控制的代謝途徑，這類物質稱為質體產物。 由于這類物質的形成直接或間接受質體遺傳物質的控制，因而產生了質體遺傳的觀點。 也有只由染色體DNA控制的抗生素產物。,抗生素產生菌的主要代謝調節(jié)機制,受DNA控制的酶合成的調節(jié)機制，包括酶的誘導和酶的阻遏(有終點產物的阻遏和分解產物的阻遏)。 酶活性的調節(jié)機制，包括終點產物的抑制或活化，利用輔酶的酶活調節(jié)、酶原的活化和潛酶的活化。 細胞膜透性的調節(jié)。,一、微生物代謝產物的利用 利用微生物代謝過程中產生的眾多代謝產物生產各種發(fā)酵產

46、品。 按照積累產物類型： 初級代謝產物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶； 次級代謝產物，抗生素、激素、生物堿、毒素及維生 素等。 按照發(fā)酵類型： 自然發(fā)酵：酒精、乳酸等， 代謝控制發(fā)酵：終端產物，賴氨酸、鳥苷酸、腺苷酸等； 中間產物，檸檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、 高絲氨酸、肌苷酸、黃苷酸等；,第七節(jié) 微生物代謝與生產實踐,1發(fā)酵條件的控制 人們通過對微生物菌種營養(yǎng)和培養(yǎng)條件的控制生產所要的目的產品: 1）培養(yǎng)條件：溫度、pH值、滲透壓的控制； 2）營養(yǎng)成分的控制：葡萄糖濃度、碳氮比、生長因子、無機離子等； 3）溶解氧的控制：通氣量，攪拌等。,2代謝調節(jié)的控制,（1）應用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常

47、的反饋調節(jié) 賴氨酸發(fā)酵（高絲氨酸缺陷型菌株）,在這個代謝工程的設計中，是利用阻斷分支途徑的高絲氨酸的合成，來解除(Lys+Thr)的反饋調節(jié)。即造成高絲氨酸缺陷型(Hser一)，就可解除末端產物對限速酶的反饋抑制。,人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產賴氨酸,高絲氨酸 脫氫酶,不能合成,可以大量積累,人工誘變的 菌種不能產生,選育細胞膜缺損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型，或生物素缺陷型,利用油酸缺陷型菌株，限量添加油酸，限制細胞膜磷脂中不飽和脂肪酸的合成而使細胞膜缺損，利于代謝產物滲漏而提高谷氨酸的產量。 生物素缺陷型原理 在脂肪酸生物合成途徑中，由乙酰輔酶A羧化成丙二酸單酰輔酶A的反應是一個限速

48、步驟，該反應由乙酰輔酶A羧化酶系催化，包括生物素羧化酶，羧基轉移酶和生物素羧基載體蛋白CCP，并且需要生物素作輔酶。選育生物素營養(yǎng)缺陷型菌株，使細胞中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的合成受阻，從而影響到磷脂的合成。在培養(yǎng)時限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度來調節(jié)透性。,（2）應用抗反饋調節(jié)的突變株解除反饋調節(jié),抗反饋調節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或對阻遏有抗性的組成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產物。如Corynebacteriumcrenatum(鈍齒棒桿菌)的抗-氨基-羥基戊酸（A

49、HV）菌株能積累積蘇氨酸。,（3）控制細胞膜的透性,生理學方法： 生物素是乙酰CoA羧化酶的輔基，可羧化乙酰CoA生成丙二酸單酰CoA，進而合成膜磷脂的主要成分脂肪酸。因此，當生物素濃度亞適量時，膜透性有利于谷氨酸的分泌。含量高，膜結構致密，不利分泌。添加適量青霉素，使肽橋無法交聯(lián)，壁缺損，膨壓下，有利外滲，降低濃度的反饋抑制，提高產量。,（3）控制細胞膜的透性,遺傳學方法： 油酸（十八碳一烯酸）是膜磷脂的重要脂肪酸。突變?yōu)橛退崛毕菪秃?，不能自身合成油酸，使細胞膜缺損。通過限量添加油酸，控制缺損程度，使?jié)B漏適當，從而提高產量。,3微生物代謝與代謝工程,近年來，基因工程的不斷發(fā)展，也為微生物代謝

50、在發(fā)酵生產的應用提供了新的方法。 人們通過分子生物學技術和DNA重組技術, 可以定向地對細胞代謝途徑進行修飾或引入新的反應，以改進產物的生成或改變細胞的代謝特性。但這些改進都是與微生物的基因調控和代謝調控及生化工程相結合來實現(xiàn)的。 利用DNA重組技術改變微生物代謝流，擴展和構建新的代謝途徑，或通過關聯(lián)酶將兩個代謝途徑連接形成新的的代謝流的研究，取得了令人矚目的進展。,克隆來自細菌的木糖異構酶基因， 克隆來自柄狀畢赤酵母（Pichia stipitis）的木糖還原酶和木糖醇脫氫酶基因。,引入木糖代謝途徑（戊糖代謝生產乙醇的代謝工程） 酵母菌Saccharomyces的代謝工程,二、微生物代謝活性

51、的利用 1生物轉化 生物轉化是指利用生物體代謝過程中產生的酶使底物進行有機反應。生物轉化一般采用微生物細胞或微生物酶作催化劑，故又稱作微生物轉化。 微生物轉化的一個重要領域是手性化合物的合成與拆分。 主要應用在藥物、香料，殺蟲劑、殺菌劑，除草劑，昆蟲激素等方面。如，光學活性的R-和L-4-氯-3-羥基丁酸乙酯（R-和S-CHBE）是制備各種光學活性化合物的基本原料，如L-肉毒堿（R-型），3-羥基-3甲基戊二酰（ HMG）-CoA-還原酶抑制劑和1，4-二氫吡啶-型的-阻斷劑（L-型）。,2微生物降解秸桿,秸稈成分中的纖維素和半纖維素能夠被草食動物的瘤胃微生物充分降解利用，但由于木質素和纖維素

52、之間鑲嵌在一起形成堅固的酯鍵，阻礙了瘤胃微生物對纖維素的降解，導致秸稈消化率低。因此提高秸稈消化率的關鍵是降解木質素，打斷酯鍵。 英國Aston大學最近從秸稈堆中分離出一種白腐真菌，這種微生物只降解木質素，不降解纖維素，用作處理秸稈，可使秸稈的體外消化率從19.63%提高到41.13%。 白腐真菌分解木質素的機理是：在適宜的條件下，白腐真菌的菌絲首先用其分泌的超纖維氧化酶溶解表面的蠟質，然后菌絲進入秸稈內部，并產生纖維素酶、半纖維素酶、內切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸稈中的木質素和纖維素，使其成為含有酶的糖類，從而使秸稈變得香甜可口，易于消化吸收。,3微生物冶金、采油,人類利用具有氧化硫化物礦中

53、的硫和硫化物能力的微生物將硫化礦中的重金屬通過轉化成高度水溶性的重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出來生產黃金。 如，氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferooxidans)的氧化作用可從金礦石中除去硫、砷，浸提黃金，如果用化學方法浸提金的話，其得率不到70； 俄羅斯科學家使用多種適于在石油中生存的微生物，將其與催化劑一同置于采油管內，這些微生物新陳代謝的產物可以大大增強石油的流動性，從而提高采油率，而不會影響石油的質量。,4生物降解,迄今為止,已知的環(huán)境污染物達數(shù)十萬種之多，其中大量的是有機物。由于微生物的代謝類型極其多樣，作為一個整體，微生物分解有機物的能力是驚人的?？梢哉f，凡自然界存在的有機物，幾乎都能被微生物所分解。 我們可從中篩選出一些污染物的高效降解菌。更可利用這一原理定向馴