微生物的代谢和发酵.pptx

V-P（Vogos Prouskauer test）反应：）反应：区分大肠杆区分大肠杆菌与产气杆菌菌与产气杆菌（2）通过）通过HMP途径的发酵途径的发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵 异型乳酸发酵异型乳酸发酵（heterolactic fermentation）：）：凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵。等多种产物的发酵。同型乳酸发酵同型乳酸发酵（homolactic fermentation）：）：只产生只产生2分子乳酸的发酵。分子乳酸的发酵。一些异型乳酸发酵杆菌如肠膜明串珠菌，乳脂一些异型乳酸发酵杆菌如肠膜明串珠菌，乳脂明串珠菌等，因缺乏明串珠菌等，因缺乏EMP途径中的若干重要酶途径中的若干重要酶醛缩酶和异构酶，其葡萄糖的降解完全依赖醛缩酶和异构酶，其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。途径。同型乳酸发酵反应试同型乳酸发酵反应试：C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+2ATP异型乳酸发酵反应试异型乳酸发酵反应试：C6H12O6+ADP+Pi CH3CHOHCOOH+C2H5OH+CO2+ATP（3）通过）通过ED途径进行的发酵途径进行的发酵 通过通过EMP途径的酵母酒精发酵途径的酵母酒精发酵酒精发酵三个类型酒精发酵三个类型 通过通过HMP途径的细菌酒精发酵途径的细菌酒精发酵(异型异型 乳酸发酵乳酸发酵)通过通过ED途径的细菌酒精发酵途径的细菌酒精发酵 酵母的酵母的“同型酒精发酵同型酒精发酵”：酿酒酵母：酿酒酵母(EMP途径途径)C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP细菌的细菌的“同型酒精发酵同型酒精发酵”：运动发酵单胞菌（运动发酵单胞菌（ED途径）途径）C6H12O6+ADP+Pi 2C2H5OH+2CO2+ATP细菌的细菌的“异型酒精发酵异型酒精发酵”：肠膜明串珠菌（：肠膜明串珠菌（HMP途径）途径）C6H12O6+ADP+Pi CH3CHOHCOOH+C2H5OH+CO2+ATP（4）氨基酸发酵产能）氨基酸发酵产能Stickland反应反应 Stickland反应：少数梭菌能在厌氧条件下，进行反应：少数梭菌能在厌氧条件下，进行氨基酸对的发酵。即一个氨基酸作为底物脱氢（即氢供氨基酸对的发酵。即一个氨基酸作为底物脱氢（即氢供体），另一个氨基酸作为氢受体。体），另一个氨基酸作为氢受体。二、自养微生物的生物氧化、产能二、自养微生物的生物氧化、产能 化能无机营养型微生物：所需能量化能无机营养型微生物：所需能量ATP通过还原态无通过还原态无 机物经过生物氧化产生，还原力机物经过生物氧化产生，还原力H通过消耗通过消耗ATP自养微生物自养微生物 和无机氢（和无机氢（H+e）的逆呼吸传递而产生。）的逆呼吸传递而产生。光能自养型微生物：光能自养型微生物：ATP和和H通过循环光合磷酸化、通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或通过紫膜的光合磷酸化来获得非循环光合磷酸化或通过紫膜的光合磷酸化来获得1.化能自养型化能自养型 化能自养菌为还原化能自养菌为还原CO2而需要的而需要的ATP和还原力和还原力H是通过氧化无是通过氧化无机底物（机底物（NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和和Fe2+等）实现。等）实现。其产能的途径借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应得到。其产能的途径借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应得到。绝大多数化能自养菌为好氧菌。绝大多数化能自养菌为好氧菌。化能自养微生物的能量代谢特点：化能自养微生物的能量代谢特点：1）无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶）无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递。进入呼吸链传递。2）呼吸链的组成更为多样化，氢或电子可以从任一组分）呼吸链的组成更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链直接进入呼吸链3）产能效率即）产能效率即P/O比一般低于化能异养微生物。比一般低于化能异养微生物。P/O比：每消耗比：每消耗1mol的氧原子产生的氧原子产生ATP的的mol数。数。以亚硝化细菌为例：以亚硝化细菌为例：亚硝化细菌亚硝化细菌硝化细菌硝化细菌 硝化细菌硝化细菌1）亚硝化细菌（氨氧）亚硝化细菌（氨氧化细菌）：可将化细菌）：可将NH3氧氧化成化成2）硝化细菌（亚）硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）硝酸氧化细菌）可将可将 氧化为氧化为(三）三）ATP的产生的产生 底物水平磷酸化：发酵作用取得能量的唯一底物水平磷酸化：发酵作用取得能量的唯一 方式方式 ATP的产生的产生 氧化磷酸化氧化磷酸化：好氧呼吸和厌氧呼吸的微生物：好氧呼吸和厌氧呼吸的微生物 光合磷酸化：光合细菌、藻类、绿色植物、光合磷酸化：光合细菌、藻类、绿色植物、蓝细菌等蓝细菌等 1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化:定义：定义：物质在生物氧化过程中。常生成一些含有高能物质在生物氧化过程中。常生成一些含有高能键的化合物，这些化合物可直接偶联键的化合物，这些化合物可直接偶联ATP或或GTP的合的合成，这种产生成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。化。2.氧化磷酸化氧化磷酸化定义：物质在生定义：物质在生物氧化过程中形物氧化过程中形成的成的NADH和和FADH2可通过可通过位于线粒体内膜位于线粒体内膜或细胞质膜上的或细胞质膜上的电子传递给氧或电子传递给氧或其他氧化型物其他氧化型物质，在这个过程质，在这个过程中偶联着中偶联着ATP的的合成，这种产生合成，这种产生ATP的方式称氧的方式称氧化磷酸化。化磷酸化。ATP的产生：的产生：化学渗透偶联假说化学渗透偶联假说：电子传递过程中，导致膜内外出现质子浓度差，：电子传递过程中，导致膜内外出现质子浓度差，从而将能量蕴藏在质子势中，质子势推动质子由膜外进入胞质，在从而将能量蕴藏在质子势中，质子势推动质子由膜外进入胞质，在这个过程中通过存在于膜上的这个过程中通过存在于膜上的F1-F0ATPase偶联偶联ATP的形成。的形成。分子马达分子马达3.光合磷酸化光合磷酸化 产氧产氧 真核生物：藻类及其他绿色植物真核生物：藻类及其他绿色植物 光能营养型微生物光能营养型微生物 原核生物：蓝细菌原核生物：蓝细菌 不产氧不产氧(仅原核生物有仅原核生物有)：光合细菌：光合细菌(红螺菌目红螺菌目)定义定义：指光能转变为化学能的过程。：指光能转变为化学能的过程。1）循环式光合磷酸化：光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产）循环式光合磷酸化：光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生生ATP，这类细菌包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌、，这类细菌包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌、绿色非硫细菌。绿色非硫细菌。特点：特点：在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的 循环，又回到菌绿素，其间产生循环，又回到菌绿素，其间产生ATP；产产ATP；不产生氧。不产生氧。光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。通过电子的逆向传递产生还原力；（2）非循）非循环式光合磷酸化：高等植物和蓝细菌与光合细环式光合磷酸化：高等植物和蓝细菌与光合细菌不同，他们可以裂解水，以提供细胞合成的还原力。菌不同，他们可以裂解水，以提供细胞合成的还原力。特点特点：电子的传递途径属非循环式；电子的传递途径属非循环式；在有氧条件下进行；在有氧条件下进行；两个光合系统，其中色素系统两个光合系统，其中色素系统（含叶绿素（含叶绿素a）可利用）可利用红光，色素系统红光，色素系统（含叶绿素（含叶绿素b）可利用蓝光；）可利用蓝光；反应同时有反应同时有ATP（产自系统（产自系统）、还原力）、还原力H（产自（产自系统系统）和）和O2；还原力还原力NADPH2中的中的H来自来自H2O分子光解后的分子光解后的H+和和e-。（3）嗜盐菌紫膜的光合作用）嗜盐菌紫膜的光合作用 只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。代表菌有盐生盐杆菌（代表菌有盐生盐杆菌（Halobacterium Halobium）和）和红皮盐杆菌（红皮盐杆菌（H.cutirbrum）。）。第二节第二节 微生物的耗能代谢微生物的耗能代谢一、自养微生物的一、自养微生物的CO2固定固定 自养微生物在生物氧化所取得的能量主要用于的自养微生物在生物氧化所取得的能量主要用于的CO2的固定。的固定。Calvin循环循环CO2固定的途径固定的途径 厌氧乙酰厌氧乙酰-CoA途径途径 逆向逆向TCA循环循环 羟基丙酸途径羟基丙酸途径1.Calvin循环（循环（Calvin cycle）：也称）：也称Calvin-Benson循环、循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环。是光能自养生物和化能核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环。是光能自养生物和化能自养生物固定自养生物固定CO2的主要途径。的主要途径。利用此循环的生物除了绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细利用此循环的生物除了绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细菌，还包括全部好氧性的化能自氧菌。菌，还包括全部好氧性的化能自氧菌。磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本循环的特有酶。是本循环的特有酶。如，以产生如，以产生1个葡萄糖分子来计算，则个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：循环的总式为：6CO2+18ATP+12NAD(P)H2 C6H12O6+18ADP+18Pi+12NAD(P)1)羧化反应羧化反应2）还原反应）还原反应3）CO2受体的再生受体的再生2.厌氧乙酰厌氧乙酰-辅酶辅酶A途径：（活性乙酸途径）。途径：（活性乙酸途径）。生物化学中将具有一个碳原子的基团称为生物化学中将具有一个碳原子的基团称为“一碳单位一碳单位”或或“一碳基团一碳基团”。生物体内的一碳单位有多种形式，如：生物体内的一碳单位有多种形式，如：1.亚氨甲基亚氨甲基 CH=NH2.甲酰基甲酰基 CHO-3.羟甲基羟甲基-CH2OH4.亚甲基（甲叉基）亚甲基（甲叉基）-CH2-5.次甲基（甲川基）次甲基（甲川基）-CH=6.甲基甲基-CH33.逆向逆向TCA循环：循环：4、羟基丙酸途径、羟基丙酸途径第三节第三节 微生物的次级代谢微生物的次级代谢几个概念：几个概念：1.初级代谢：将微生物与外界吸收各种营养初级代谢：将微生物与外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需的物质和能量的过程。持生命活动所需的物质和能量的过程。2.次级代谢：微生物在一定生长时期，以初次级代谢：微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。生命活动无明确功能的物质的过程。3.次级代谢产物：次级代谢过程产生的产物。次级代谢产物：次级代谢过程产生的产物。次级代谢产物：抗生素次级代谢产物：抗生素 激素激素 生物碱生物碱 毒素毒素 维生素维生素第四节第四节 微生物的代谢调节与应用微生物的代谢调节与应用参与微生物代谢的酶参与微生物代谢的酶 组成型酶组成型酶 8090%诱导酶诱导酶 1020%微生物细胞内代谢调节微生物细胞内代谢调节 酶合成量酶合成量 酶活性酶活性 细胞膜透性细胞膜透性一、酶合成调节一、酶合成调节 通过控制酶的合成量调节代谢速率的调节机制，是一种基因表通过控制酶的合成量调节代谢速率的调节机制，是一种基因表达水平上的调节。达水平上的调节。1.酶合成调节类型酶合成调节类型酶合成类型：诱导、阻遏酶合成类型：诱导、阻遏1）诱导）诱导酶酶 组成酶：细胞固有酶，合成受相应基因的控制。与底物无关。组成酶：细胞固有酶，合成受相应基因的控制。与底物无关。诱导酶：细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的诱导酶：细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的 酶酶诱导酶诱导酶 协同诱导协同诱导 顺序诱导顺序诱导协同诱导协同诱导：同时或几乎同时诱导几种酶的合成。：同时或几乎同时诱导几种酶的合成。如：乳糖诱导如：乳糖诱导E.Coli产生产生-半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷转乙酰酶顺序诱导：先后诱导合成分解底物的酶和分解其后各中间顺序诱导：先后诱导合成分解底物的酶和分解其后各中间产物的酶。产物的酶。如：色氨酸如：色氨酸 儿茶酚儿茶酚 色氨酸加氧酶色氨酸加氧酶犬尿酸犬尿酸 甲酰胺酶甲酰胺酶 邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸 犬尿氨酸酶犬尿氨酸酶 邻氨基苯甲酸双氧酶邻氨基苯甲酸双氧酶儿茶酚儿茶酚色氨酸色氨酸2）阻遏）阻遏 催化某一特异产物合成的酶，在培养基中有该产物存在的情催化某一特异产物合成的酶，在培养基中有该产物存在的情况下常常是不合成的，即受阻遏的。这种由于末端产物的过量况下常常是不合成的，即受阻遏的。这种由于末端产物的过量积累而导致的生物合成途径中酶合成的阻遏称为末端产物阻遏，积累而导致的生物合成途径中酶合成的阻遏称为末端产物阻遏，常发生在氨基酸、嘌呤、嘧啶等重要结构元件生物合成的时候。常发生在氨基酸、嘌呤、嘧啶等重要结构元件生物合成的时候。2.酶合成调节机制酶合成调节机制 启动基因：是启动基因：是RNA聚合酶识别、接合和转录聚合酶识别、接合和转录 起始的部位起始的部位 操纵子操纵子 操纵基因：控制结构基因转录的开放或关闭操纵基因：控制结构基因转录的开放或关闭 结构基因：通过转录和转译过程来执行多肽结构基因：通过转录和转译过程来执行多肽 (酶及结构蛋白酶及结构蛋白)合成合成效应物：一类低分子量的信号物质（如糖类及其衍生物，效应物：一类低分子量的信号物质（如糖类及其衍生物，氨基酸及核苷酸等），包括诱导物与辅阻遏物，可与调氨基酸及核苷酸等），包括诱导物与辅阻遏物，可与调节蛋白结合，使之发生变构，提高或降低与操纵基因的节蛋白结合，使之发生变构，提高或降低与操纵基因的结合能力。结合能力。调节蛋白：由调节基因编码产生的一种变构蛋白，有两调节蛋白：由调节基因编码产生的一种变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一个与效应物结个结合位点，一个与操纵基因结合，另一个与效应物结合。合。调节蛋白与诱导物结合因变构而失去活性；调节蛋白与诱导物结合因变构而失去活性；调节蛋白与辅阻遏物结合变构获得活性；调节蛋白与辅阻遏物结合变构获得活性；调节蛋白调节蛋白 阻遏蛋白阻遏蛋白 阻遏蛋白原阻遏蛋白原 以乳糖操纵子为例：以乳糖操纵子为例：二、酶活性调节二、酶活性调节 通过中间代谢产物或终产物改变已有酶分子的活性，通过中间代谢产物或终产物改变已有酶分子的活性，进而控制代谢速率。进而控制代谢速率。酶活性调节酶活性调节 激活激活 抑制抑制激活：酶在特定物质作用下，从无活性变为有活性或活性激活：酶在特定物质作用下，从无活性变为有活性或活性提高的过程。提高的过程。抑制：酶在特定物质作用下，酶活性降低或丧失的过程。抑制：酶在特定物质作用下，酶活性降低或丧失的过程。酶活性抑制主要指酶活性抑制主要指反馈抑制反馈抑制，即某代谢途径的终产物过量，即某代谢途径的终产物过量合成时反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，使整合成时反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，使整个反应过程减慢或停止，避免终产物的过度积累。个反应过程减慢或停止，避免终产物的过度积累。直接、效果快速及终产物浓度降低时抑制解除的优点。直接、效果快速及终产物浓度降低时抑制解除的优点。1.反馈抑制反馈抑制 直线代谢途径反馈抑制直线代谢途径反馈抑制 分支代谢途径反馈抑制分支代谢途径反馈抑制2.分支代谢途径的反馈抑制分支代谢途径的反馈抑制1)同功酶反馈抑制模式同功酶反馈抑制模式 AK:AK:受苏氨酸、异亮氨酸的多价抑制和阻遏受苏氨酸、异亮氨酸的多价抑制和阻遏 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 AKAK：受蛋氨酸专一性抑制和阻遏：受蛋氨酸专一性抑制和阻遏 AKAK：受赖氨酸专一性抑制和阻遏：受赖氨酸专一性抑制和阻遏2)协同反馈抑制模式协同反馈抑制模式3）协作反馈抑制模式）协作反馈抑制模式黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制4）累积反馈抑制模式）累积反馈抑制模式大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现。大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现。5）顺序反馈抑制模式）顺序反馈抑制模式3.反馈抑制的机制反馈抑制的机制变构酶变构酶三、细胞膜透性调节三、细胞膜透性调节1.控制营养物质进入细胞控制营养物质进入细胞2.解除反馈抑制解除反馈抑制四、微生物次级代谢的调节四、微生物次级代谢的调节1.初级代谢对次级代谢的调节初级代谢对次级代谢的调节2.碳、氮代谢物的调节作用碳、氮代谢物的调节作用3.诱导作用及产物的反馈抑制诱导作用及产物的反馈抑制五、代谢调控的应用五、代谢调控的应用1.反馈阻遏与反馈抑制原理的应用反馈阻遏与反馈抑制原理的应用采用速效和缓效碳源组合形成混合碳源采用速效和缓效碳源组合形成混合碳源添加前体添加前体2.选育抗反馈调节的突变株选育抗反馈调节的突变株3.筛选组成型筛选组成型复习思考题1.什么是新陈代谢？图示分解代谢和合成代谢间的差别与什么是新陈代谢？图示分解代谢和合成代谢间的差别与联系。联系。2.什么是生物氧化？什么是生物氧化？3.在化能异养微生物的生物氧化中，基质脱氢和产能途径在化能异养微生物的生物氧化中，基质脱氢和产能途径有哪几条？试比较各途径的主要特点。有哪几条？试比较各途径的主要特点。4.什么是呼吸链？呼吸链有哪些组分？什么是呼吸链？呼吸链有哪些组分？5.比较呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点。比较呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点。6.比较同型和异型乳酸发酵。比较同型和异型乳酸发酵。7.比较细菌的酒精发酵与酵母菌的酒精发酵。比较细菌的酒精发酵与酵母菌的酒精发酵。8.什么叫什么叫Stickland反应？图示其反应机制。反应？图示其反应机制。9.什么是循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化？什么是循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化？10.图示自养微生物固定图示自养微生物固定CO2的的Calvin循环？循环？