《微生物的代謝精美》PPT課件.ppt

1、第六章,微生物的代謝 Microbial Metabolism,新陳代謝（Metabolism） 一般泛指生物與周圍環(huán)境進行物質交換和能量交換的過程。,第 一 節(jié)微生物的能量代謝Microbial energetic metabolism,化能異養(yǎng)菌的生物氧化和產(chǎn)能,生物氧化(biological oxidation) 發(fā)生在活細胞內的一切產(chǎn)能性氧化反應的總和。 根據(jù)氧化還原反應電子受體不同分為： 有氧呼吸 無氧呼吸 發(fā)酵,1、發(fā)酵 電子供體、最終電子受體均為有機化合物。 氧化不徹底，產(chǎn)能較少。 產(chǎn)能方式是底物磷酸化，與氧氣是否存在無關。 生物體內葡萄糖被降解的主要途徑 EMP途徑 HMP途徑

2、 ED途徑 磷酸解酮酶途徑,EMP途徑,特點 生成ATP和NADH+H+ 連接其它代謝途徑。TCA、HMP等 產(chǎn)生中間代謝產(chǎn)物 具有EMP途徑的微生物 真菌、多數(shù)細菌,HMP途徑,特點 提供生物合成所需原料，尤其是提供磷酸戊糖； 產(chǎn)生大量的NADPH2 參與脂肪酸、固醇等細胞物質的合成； 可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量 擴大碳源利用范圍； 為固定二氧化碳提供受體； 產(chǎn)生許多發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等 具有HMP途徑的微生物 大多數(shù)好氧和兼性厭氧微生物都有，并且與EMP途徑同在。,ED途徑（Entner-Doudoroff pathway）,具有ED途徑的微生物： G、少數(shù)EMP途徑不

3、完整細菌,特點 特征反應是KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛 特征酶是KDPG醛縮酶 兩分子丙酮酸來歷不同 一分子由KDPG 直接裂解產(chǎn)生； 另一分子由磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉化而來 1摩爾葡萄糖經(jīng)ED途徑僅產(chǎn)生1摩爾ATP 好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵,葡萄糖經(jīng)不同途徑降解產(chǎn)物的比較,磷酸解酮酶途徑,PK途徑,HMP變異途徑 關鍵酶：磷酸戊糖解酮酶 產(chǎn)物：1分子丙酮酸、1分子ATP、 1分子乙酰CoA,HK途徑,EMP變異途徑 關鍵酶：磷酸己糖解酮酶 產(chǎn)物：4-磷酸-赤蘚糖、乙酰CoA,葡萄糖發(fā)酵的主要產(chǎn)物,乳酸發(fā)酵 同型乳酸發(fā)酵 通過EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸的發(fā)酵 異型乳酸發(fā)酵

4、 通過PK途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機化合物的發(fā)酵 雙岐發(fā)酵 通過HK、HMP途徑及PK途徑有機結合，產(chǎn)生乳酸、乙酸等有機化合物的發(fā)酵,幾種乳酸發(fā)酵的比較（以葡萄糖為底物）,酒精發(fā)酵,2、呼吸(respiration) 概念 微生物在降解底物過程中，將釋放的電子交給電子載體，通過電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原性產(chǎn)物，并產(chǎn)能的過程。 呼吸類型 有氧呼吸(aerobic respiration) 以游離的氧分子為最終電子受體。 無氧呼吸(anaerobic respiration) 以無機物（硝酸鹽、硫酸鹽）為最終電子受體。,有氧呼吸,三羧酸循環(huán),電子傳遞系統(tǒng) 部位：真核細胞

5、發(fā)生在線粒體內膜上；原核細胞發(fā)生在質膜上。,無氧呼吸 特點 呼吸鏈末端的電子受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物如延胡索酸） 在無氧條件下進行 產(chǎn)能效率較低。,進行無氧呼吸的菌類 厭氧和兼性厭氧菌,無氧呼吸的類型（按照最終氫受體不同） 無機鹽呼吸 延胡索酸呼吸,第 二 節(jié)微生物分解代謝與合成代謝Microbial catabolism and anabolism,一、分解代謝與大分子物質的降解,1、多糖的分解 淀粉的分解 由胞外淀粉酶分解成葡萄糖（麥芽糖）后被吸收利用 淀粉酶類型、作用位點、產(chǎn)物、常見生產(chǎn)菌株 -淀粉酶：枯草桿菌 -淀粉酶 ：巨大芽孢桿菌 葡萄糖苷酶 ：曲霉、 根霉 葡萄糖淀

6、粉酶 異淀粉酶：產(chǎn)氣氣桿菌,纖維素 由復合的纖維素酶催化產(chǎn)生葡萄糖后被微生物吸收利用 纖維素酶的種類 C1酶、Cx酶（ Cx1、Cx2酶）、 -葡萄糖苷酶,分解纖維素的微生物種類,2、含氮有機物的分解,蛋白質的分解 微生物不同，分解蛋白質的能力不同，產(chǎn)物也不同； 肽酶胞內酶 氨肽酶、羧肽酶,氨基酸的分解 氨基酸的脫羧作用 常見于許多腐敗細菌和真菌中 氨基酸的脫氨作用 脫氨方式隨微生物種類、氨基酸種類、環(huán)境條件不同而變化； 微生物不同，分解氨基酸的能力不同，產(chǎn)物也不同。 主要作用方式（主要微生物類群） 氧化脫氨、還原脫氨、水解脫氨、分解脫氨,3、脂肪和脂肪酸的分解,甘油,ATP ADP NAD+

7、 NADH,-磷酸甘油,磷酸二羥丙酮,脂肪,脂肪酸,3-磷酸甘油醛,丙酮酸,TCA循環(huán),酯酰CoA,誘導,-氧化,乙酰CoA,丙酰CoA,脫氫、水化、 再脫氫、硫解,二、合成代謝、生物大分子肽聚糖合成,細胞合成代謝三要素 能量：ATP、質子動力 還原力：主要為NADH2、 NADPH2 小分子前體物質,（一）糖類的合成 1、單糖的合成,2、糖原的合成,糖原n + UDPG,糖原n+1 + UDP,葡萄糖基轉移酶,3、肽聚糖的合成,G+細菌細胞壁肽聚糖的單體結構,雙糖單位,短肽“尾”,肽聚糖的合成 合成過程依發(fā)生部位分成三個階段： 合成肽聚糖的前體物質Park核苷酸（細胞質） 由Park核苷酸合

8、成肽聚糖單體（細胞膜） 合成完整的肽聚糖（細胞膜外）,第一階段分兩步完成（在細胞質中進行） 由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,第二階段由Park核苷酸合成肽聚糖單體(在細胞膜中進行） Park核苷酸為親水性化合物，要順利通過疏水性很強的細胞膜，要解決疏水性問題； 整個過程必須依靠類脂載體（十一異戊烯磷酸）參與，通過兩個磷酸基與N-乙酰胞壁酸相連。,肽聚糖單體的合成,第三階段合成完整的新的肽聚糖 (膜外完成） 第一步：多糖鏈的伸長雙糖肽先是插入細胞壁生長點上作為引物的肽聚糖骨架（至少含68個肽聚糖單體分子）中，通過轉糖基作用（transglycosylation)使多糖鏈延伸一個雙糖單

9、位；,第二步：通過轉肽酶的轉肽作用（transpeptitidation)使相鄰多糖鏈交聯(lián) 轉肽時先是D-丙氨酰-D-丙氨酸間肽鏈斷裂，釋放出一個D-丙氨酰殘基，然后倒數(shù)第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽游離氨基間形成肽鍵而實現(xiàn)交聯(lián)。,（二）氨基酸的合成,氨基酸的合成方式 氨基化作用 轉氨基作用 前提轉化,（三）脂肪酸的合成,丙二酰CoA,CO2 + 乙酰CoA,ATP,乙酰CoA羧化酶,ADP + Pi,丙二酰-ACP,ACP,丙二酰轉移酶,CoA,縮合、還原、 脫水、再還原,丁酰-ACP,Cn+2m,每次重復增加兩個碳原子（由丙二酰-ACP提供），釋放一分子CO2，消耗兩分子NAD

10、PH。,第 三 節(jié)微生物的代謝調控與發(fā)酵生產(chǎn),微生物的初級代謝,概念 微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質，通過分解代謝和合成代謝生成維持生命活動所需要的物質和能量的過程。 特點 初級代謝產(chǎn)物為微生物營養(yǎng)性生長所必需。 普遍存在（缺陷菌除外） 酶的特異性高，一旦出現(xiàn)差錯會導致細胞死亡。,微生物的次級代謝,概念 微生物在一定生長時期，以初級代謝產(chǎn)物為前體物質，合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質的過程。 重要的次級代謝產(chǎn)物 抗生素、毒素、激素、色素等,一、微生物的代謝調節(jié),代謝調節(jié)特點 及時取得需要的中間代謝產(chǎn)物，只合成需要的代謝產(chǎn)物，嚴格防止終產(chǎn)物的積累； 以最經(jīng)濟的方式、花費最少能量獲得所需營

11、養(yǎng)，防止能量浪費。 代謝調節(jié)方式 調節(jié)細胞膜的通透性； 通過酶的定位限制與相應底物接觸; 調解代謝物流向 調節(jié)酶的活性； 調節(jié)酶的合成。,（一）酶活性的調節(jié),包括酶活性的激活和抑制兩方面 1、酶活性激活 糞鏈球菌的乳酸脫氫酶活性受前體物質1,6-二磷酸果糖促進,激活,2、酶活性的抑制 反饋抑制：代謝途徑末端產(chǎn)物過量，反過來直接抑制途徑中第一個酶的活性，使反應減慢或停止 特點 作用直接、效果快、當末端產(chǎn)物濃度降低時可重新解除。 直線代謝途徑中的反饋抑制,蘇氨酸,蘇氨酸脫氫酶,-酮丁酸,異亮氨酸,協(xié)同反饋抑制,分支代謝途徑中的反饋抑制 同工酶調節(jié),順序反饋抑制,累積反饋抑制,（二）酶合成的調節(jié),特

12、點 間接緩慢，節(jié)約能源和原料 包括酶的誘導和阻遏 誘導 底物誘導 大腸桿菌利用乳糖誘導合成-半乳糖苷酶 中間產(chǎn)物誘導,阻遏 末端產(chǎn)物反饋阻遏 分解代謝物阻遏 細胞中同時有兩種分解底物存在，利用快的底物在分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物會阻遏利用慢的底物的有關酶的合成。 比如E.coli在乳糖和葡萄糖共同存在時的二次生長現(xiàn)象,天門冬氨酸,天門冬氨酸激酶,天門冬氨酰磷酸,賴氨酸,二次生長曲線,（三）酶合成誘導和阻遏的機制 操縱子學說,表達 轉錄,R,P,O,S,阻遏蛋白 結合部位,RNA聚合酶 結合部位,mRNA,阻遏蛋白,操縱子（operon）,調節(jié)基因 啟動基因 操縱基因 結構基因,調節(jié)基因,操縱

13、基因,結構基因,P,S1,S2,S3,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,啟動子,O,R,A、不存在誘導物時,B、添加誘導物后,阻遏蛋白 （有活性）,酶調節(jié)機制模型,二、代謝調控在發(fā)酵工業(yè)中的應用,改變細胞膜的通透性 生理學方法 亞適量的生物素：改變膜的成分，進而改變膜透性 適量青霉素：抑制肽聚糖合成中的轉肽酶活性，使肽橋無法交聯(lián)，造成細胞壁缺損。 二方法只對生長態(tài)（分裂）細胞有效 遺傳學方法 細胞膜缺損突變：油酸缺陷型菌株,改變微生物的遺傳特性 利用營養(yǎng)缺陷菌株解除正常反饋調節(jié) 通過誘變而產(chǎn)生的缺乏合成某些營養(yǎng)物質的能力，必須在其基本培養(yǎng)基中加入相應缺陷的營養(yǎng)物質才能正常生長繁殖的變異菌株。,天冬 氨酸,天門冬氨酸激酶,天冬