江南大学微生物综合课件
第四章 微生物的代谢与调节及其人工控制 新陈代谢 metabolismThe complex of physical and chemical processes occurring within a living cell or organism that are necessary for the maintenance of life. In metabolism some substances are broken down to yield energy for vital processes while other substances, necessary for life, are synthesized. 合成代谢anabolism在合成酶系的催化下 ，由简单的小分子、 能量（ATP）和还原 力（H）一起合成复 杂的生物的大分子的 过程。 分解代谢catabolism指复杂的有机分子通 过分解代谢酶系的催 化产生简单分子、能 量(ATP)、和还原力 （H）的过程。复杂分子 (有机物)分解代谢酶系合成代谢酶系简单分子 + ATP + H分解代谢的三个阶段 将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪 酸等小分子物质。 进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及 能进入TCA循环的中间产物。 将第二阶段的产物完全降解生成CO2 ， 并将前面 形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧化、 同时形成大量的ATP。微生物代谢的特点 多样性 适应性 可控性初级代谢和初级代谢产物 初级代谢primary metabolism微生物从外界吸收各种营养物质，通过分 解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物 质和能量的过程。 初级代谢产物primary metabolites包括所有与细胞合成有关的物质如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有机酸、酶次级代谢和次级代谢产物 次级代谢 secondary metabolism微生物在一定的生长时期，以初级代谢产 物为前体，合成一些对微生物的生命活动无 明显确切功能的物质的过程。 次级代谢产物secondary metabolites抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等第一节 微生物的代谢一、微生物的能量代谢 新陈代谢中的核心问题： 能量代谢 能量代谢的中心任务：是生物体如何把 环境中多种形式的最初能源转换成为对 一切生命活动都能使用的通用能源。 生物体能量代谢的实质：ATP和酰基辅酶 A、酰基磷酸等的生成和利用问题。即 ATP的生成和利用的问题。能源的转化（一）生物氧化反应 一系列酶在温和条件下按一定次序的催 化 放能分阶段进行 释放的能量部分贮藏在能量载体中生物氧化与普通氧化反应的区别比较项较项 目燃烧烧生物氧化步骤骤一步式快速反应应多步式梯级级反应应条件激烈温和 催化剂剂无酶 产产能形式热热、光大部分为为ATP能量利用率低高生物氧化反应的三个阶段 脱氢：一种失去电子或氢的过程电子供体：被氧化的物质电子受体：接受电子的物质 递氢：电子供体氧化脱下的氢交给氢载体，并 通过多个载体完成电子从供体到受体的传递不直接交给电子受体 受氢：最终电子受体接受载体上电子的过程（二）电子载体 自由扩散型 NAD+和NADP+，氢原子的载体电极对的还原电势相同，功能不同 NAD+/NADH直接参与产能反应 NADP+/NADPH主要参与合成反应 与细胞膜紧密结合型 电子传递系统或电子传递链 组成：多酶体系，一系列能够进行氧化和还原的 载体 分布：不对称排列在膜上，定向有序传递（三）生物能的产生 借助于磷酸化反应ADP形成ATP，实现能量存储1. 底物水平磷酸化 生物氧化过程中生成的含有高能键的化合物在酶的作用下，直接将能量转给 ADP（GDP）生成ATP（GTP） 存在于呼吸和发酵过程中 发酵过程中唯一能量获取方式微生物代谢中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反应偶联形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸ATP琥珀酰辅酶A 琥珀酸GTP乙酰磷酸 乙酸ATP丙酰磷酸 丙酸ATP丁酰磷酸 丁酸ATP甲酰四氢叶酸 甲酸ATP2. 电子传递氧化磷酸化 生物氧化中伴随着电子传递发生的磷酸 化作用 发生在呼吸作用（有氧或无氧）中Ø呼吸时大多数伴随ATP的合成 典型的呼吸链：Ø3分子ATP ， 2分子ATP （黄素蛋白起始）化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)呼吸过程中ATP的形成3. 光合磷酸化 只发生在光合细胞中 循环式光合磷酸化：反应产物只有ATP 非循环式光合磷酸化：反应的产物是ATP、氧和NADPHNADPH 循环式光合磷酸化 非循环式光合磷酸化 （四）微生物能量代谢的多样性n能源物质的多样性 n能源物质在微生物中的代谢途径多样性 n不同环境条件下微生物产能方式的多样性不同微生物中葡萄糖降解途径的分布 微生物EMP（%）HMP（%）ED（% ） 酿酿酒酵母 8812 产朊产朊 假丝丝酵母66811934灰色链链霉菌 97 3 产产黄青霉77 23 大肠肠杆菌7228 铜绿铜绿 假单单胞菌2971 嗜糖假单单胞菌100 枯草芽孢孢杆菌7426 氧化葡糖杆菌100 真养产产碱菌100 运动发动发 酵单单胞菌100 藤黄八叠球菌7030二.化能营养型微生物的能量代谢（一）能源化合物 有机化合物 Ø糖类、醇、醛、有机酸、氨基酸、烃类、芳香 族化合物 葡萄糖：化能有机营养型微生物的主要能源 Ø其它单糖代谢转化为糖酵解的中间产物 Ø多糖经转化或降解 Ø其它非糖有机化合物经转化进入葡萄糖降解途 径 有机能源化合物代谢的基本途径：葡萄糖降解 途径或单糖降解途径（二）能源化合物的生物氧化 生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、 失去电子 生物氧化的过程： 脱氢（或电子），递氢 （或电子），受氢（或电子） 生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力 H、产小分子中间代谢物 生物氧化的类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发 酵 1、有氧呼吸 aerobic respiration 以分子氧作为最终电子受体的生物氧化 作用 需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进 行有氧呼吸（1）与磷酸化作用相偶联C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O +68800卡（部分转化成ATP ）（2）不与磷酸化作用相偶联C6H12O6 + H2O + O2 C6H12O7 + H2O2 +能量 （不能转化成ATP ） 2、无氧呼吸anaerobic respiration 以外源无机氧化物（少数为有机氧化物 ）作为最终电子受体的生物氧化作用。 一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无 氧条件下进行有无氧呼吸 无氧呼吸产生的ATP比有氧呼吸少。（1）外源电子受体为无机物硝酸盐、硫酸盐、硫、铁、碳酸钙 脱氮小球菌的反硝化作用 C6H12O6 + 4NO3- 6CO2 + 6H2O +2N2 + 42900卡（2）外源电子受体为有机物§延胡索酸、甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺§Escherichia 的延胡索酸呼吸延胡索酸+2H 琥珀酸3、发酵作用 fermentation 在没有外源最终电子受体时发生的生物 氧化作用叫发酵作用。电子受体为内源 性中间代谢产物3-磷酸甘油醛 + Pi + 乙醛 1、3-二磷酸甘油酸 + 乙醇 呼吸作用与发酵作用的比较 相同点：氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的 载体结合，形成NADH和FADH。 不同点：NADH和FADH上的电子和氢的去路不同。消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。化能营养型微生物的代谢产能方式产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵环境条件有氧无氧无氧终电子受体来源环境，外源性环境，外源性胞内，内源性性质分子氧化合物（通常为无机 物）代谢中间产物能进行该代谢产能方 式的微生物专性好氧微生物 兼性好氧微生物 微嗜氧微生物专性厌氧微生物 兼性好氧微生物兼性好氧微生物 耐氧厌氧微生物 专性厌氧微生物三、 葡萄糖分解代谢与工业发酵 葡萄糖 丙酮酸途径-EMP、HMP、ED、PK 丙酮酸 ？产物进行各种发酵，一般以产物来命名。无氧条件下 EMP途径 ED途径（单磷酸己糖途 径） HMP途径 TCA循环PK途径PPK途径 PHK途径1.乙醇发酵酵母菌乙醇发酵EMP途径C6H12O6+2ADP 2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O细菌的乙醇发酵(运动发酵单胞菌) ED途径C6H12O6+ADP 2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O酵母酒精发酵酵母发酵的类型类类型条件受氢氢体ATP主要产产物酸性乙醛醛2乙醇亚硫酸氢 钠磷酸二羟羟丙 酮酮0甘油碱性磷酸二羟羟丙 酮酮0甘油、乙醇、 乙酸2. 乳酸发酵同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的发酵称同型乳酸发酵 菌种：德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、酪乳杆菌 C6H12O6 + 2ADP 2 乳酸 + 2ATP 异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外还有乙醇和CO2的发酵 菌种：短乳杆菌、甘露乳杆菌、巴氏乳杆菌 C6H12O6 乳酸 + 乙醇 + CO2 同型乳酸发酵途径3.混合酸发酵微生物将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲 酸、乙酸、氢气、二氧化碳等多种产物的生 物学过程。 甲基红试验（M.R.反应）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基 中，置37培养48小时，然后沿管壁加入甲 基红指示剂, 呈红色者为阳性, 不呈红色者为 阴性。 MR反应的结果：大肠杆菌为阳性，产气杆菌为阴性4.丁二醇发酵微生物发酵葡萄糖得到大量的丁二醇与少 量的乳酸 、乙酸、二氧化碳、氢气等产物 的代谢过程。 Voges-Proskauer试验（V.P反应） 将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中 ，于37培养24小时，加入与培养基等量的 VP试剂，置37保温30分钟，呈红色者为 阳性，不呈红色者为阴性。 VP反应结果产气杆菌为阳性，大肠杆菌 的为阴性V.P反应机理5.丁酸发酵丙酮酸 乙酰辅酶A 乙酰乙酰辅酶A乙酸 乙酰辅酶A 丁酰辅酶A 丁酸6.丙酮丁醇发酵丙酮丁醇梭状芽孢杆菌丙酮酸 乙酰辅酶A 乙酰乙酰辅酶A乙酰乙酸丙酮丙酮酸 丁酸 丁醛 丁醇7.多元醇发酵 ( 高渗酵母) 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖EMPHMP磷酸丙糖5-磷酸核酮糖乙醇+CO2甘油D-阿拉伯糖醇葡萄糖发酵的主要终产物不同菌种的发酵终产物三、光能营养型微生物的能量代谢 四、还原力的获得 五、代谢产物的合成 第二节 微生物的代谢调节 代谢调节：Regulation of metabolism微生物按照需要改变体内的代谢活动的速度和方向的一种作用。 调节方式： 酶合成和活性的调节Ø实现代谢途径、代谢流量及速率的调控 区域分隔调节 细胞透性调节一. 微生物代谢调节的部位与方式 物质进出细胞 胞内的生化反应 代谢反应的区域分割及关联（一）物质进出细胞膜构成能量细胞壁脂质膜蛋白质分子结构绝对数量跨膜质子梯度骨架结构的完 整性环境条件的影响活性磷酸腺苷酸体系（二）胞内的代谢反应 通过酶的生物合成与活性调节而实现对代谢反应的调节！1、胞内的生物化学反应 代谢流向控制 代谢速度控制酶活性和合成量的调节是代谢调节的核心 代谢流向的调控可逆反应：不同的辅基（辅酶）控制流向谷氨酸脱氢酶：谷氨酸合成：
