微生物的代谢(精美课件).ppt

第六章,微生物的代谢 Microbial Metabolism,新陈代谢（Metabolism） 一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程第 一 节 微生物的能量代谢 Microbial energetic metabolism,化能异养菌的生物氧化和产能,生物氧化(biological oxidation) 发生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总和 根据氧化还原反应电子受体不同分为： 有氧呼吸 无氧呼吸 发酵,1、发酵 电子供体、最终电子受体均为有机化合物 氧化不彻底，产能较少 产能方式是底物磷酸化，与氧气是否存在无关 生物体内葡萄糖被降解的主要途径 EMP途径 HMP途径 ED途径 磷酸解酮酶途径,EMP途径,特点 生成ATP和NADH+H+ 连接其它代谢途径TCA、HMP等 产生中间代谢产物 具有EMP途径的微生物 真菌、多数细菌,,HMP途径,,特点 提供生物合成所需原料，尤其是提供磷酸戊糖； 产生大量的NADPH2 参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成； 可通过呼吸链产生大量的能量 扩大碳源利用范围； 为固定二氧化碳提供受体； 产生许多发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等 具有HMP途径的微生物 大多数好氧和兼性厌氧微生物都有，并且与EMP途径同在。

ED途径（Entner-Doudoroff pathway）,具有ED途径的微生物： G－、少数EMP途径不完整细菌,特点 特征反应是KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛 特征酶是KDPG醛缩酶 两分子丙酮酸来历不同 一分子由KDPG 直接裂解产生； 另一分子由磷酸甘油醛经EMP途径转化而来 1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP 好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵,葡萄糖经不同途径降解产物的比较,磷酸解酮酶途径,PK途径,HMP变异途径 关键酶：磷酸戊糖解酮酶 产物：1分子丙酮酸、1分子ATP、 1分子乙酰CoA,HK途径,EMP变异途径 关键酶：磷酸己糖解酮酶 产物：4-磷酸-赤藓糖、乙酰CoA,葡萄糖发酵的主要产物,乳酸发酵 同型乳酸发酵 通过EMP途径仅产生乳酸的发酵 异型乳酸发酵 通过PK途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵 双岐发酵 通过HK、HMP途径及PK途径有机结合，产生乳酸、乙酸等有机化合物的发酵,几种乳酸发酵的比较（以葡萄糖为底物）,酒精发酵,2、呼吸(respiration) 概念 微生物在降解底物过程中，将释放的电子交给电子载体，通过电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原性产物，并产能的过程。

呼吸类型 有氧呼吸(aerobic respiration) 以游离的氧分子为最终电子受体 无氧呼吸(anaerobic respiration) 以无机物（硝酸盐、硫酸盐）为最终电子受体有氧呼吸,三羧酸循环,电子传递系统 部位：真核细胞发生粒体内膜上；原核细胞发生在质膜上无氧呼吸 特点 呼吸链末端的电子受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物如延胡索酸） 在无氧条件下进行 产能效率较低进行无氧呼吸的菌类 厌氧和兼性厌氧菌,无氧呼吸的类型（按照最终氢受体不同） 无机盐呼吸 延胡索酸呼吸,第 二 节 微生物分解代谢与合成代谢 Microbial catabolism and anabolism,一、分解代谢与大分子物质的降解,1、多糖的分解 淀粉的分解 由胞外淀粉酶分解成葡萄糖（麦芽糖）后被吸收利用 淀粉酶类型、作用位点、产物、常见生产菌株 α-淀粉酶：枯草杆菌 β-淀粉酶 ：巨大芽孢杆菌 葡萄糖苷酶 ：曲霉、 根霉 葡萄糖淀粉酶 异淀粉酶：产气气杆菌,纤维素 由复合的纤维素酶催化产生葡萄糖后被微生物吸收利用 纤维素酶的种类 C1酶、Cx酶（ Cx1、Cx2酶）、 β-葡萄糖苷酶,分解纤维素的微生物种类,2、含氮有机物的分解,蛋白质的分解 微生物不同，分解蛋白质的能力不同，产物也不同； 肽酶——胞内酶 氨肽酶、羧肽酶,氨基酸的分解 氨基酸的脱羧作用 常见于许多腐败细菌和真菌中 氨基酸的脱氨作用 脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类、环境条件不同而变化； 微生物不同，分解氨基酸的能力不同，产物也不同。

主要作用方式（主要微生物类群） 氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨、分解脱氨,3、脂肪和脂肪酸的分解,甘油,ATP ADP NAD+ NADH,,,,,,,,α-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,脂肪,,脂肪酸,,,,3-磷酸甘油醛,丙酮酸,,TCA循环,,酯酰CoA,诱导,β-氧化,,,,乙酰CoA,,,丙酰CoA,,脱氢、水化、 再脱氢、硫解,二、合成代谢、生物大分子肽聚糖合成,细胞合成代谢三要素 能量：ATP、质子动力 还原力：主要为NADH2、 NADPH2 小分子前体物质,（一）糖类的合成 1、单糖的合成,2、糖原的合成,糖原n + UDPG,糖原n+1 + UDP,,葡萄糖基转移酶,3、肽聚糖的合成,G+细菌细胞壁肽聚糖的单体结构,双糖单位,短肽“尾”,肽聚糖的合成 合成过程依发生部位分成三个阶段： 合成肽聚糖的前体物质——Park核苷酸（细胞质） 由Park核苷酸合成肽聚糖单体（细胞膜） 合成完整的肽聚糖（细胞膜外）,第一阶段分两步完成（在细胞质中进行） 由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,第二阶段由Park核苷酸合成肽聚糖单体(在细胞膜中进行） Park核苷酸为亲水性化合物，要顺利通过疏水性很强的细胞膜，要解决疏水性问题； 整个过程必须依靠类脂载体（十一异戊烯磷酸）参与，通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连。

肽聚糖单体的合成,第三阶段合成完整的新的肽聚糖 (膜外完成） 第一步：多糖链的伸长———双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含6~8个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个双糖单位；,第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidation)使相邻多糖链交联 转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽游离氨基间形成肽键而实现交联二）氨基酸的合成,氨基酸的合成方式 氨基化作用 转氨基作用 前提转化,（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,丙二酰转移酶,CoA,,,,缩合、还原、 脱水、再还原,丁酰-ACP,,,,,Cn+2m,每次重复增加两个碳原子（由丙二酰-ACP提供），释放一分子CO2，消耗两分子NADPH第 三 节 微生物的代谢调控 与发酵生产,微生物的初级代谢,概念 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所需要的物质和能量的过程。

特点 初级代谢产物为微生物营养性生长所必需 普遍存在（缺陷菌除外） 酶的特异性高，一旦出现差错会导致细胞死亡微生物的次级代谢,概念 微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程 重要的次级代谢产物 抗生素、毒素、激素、色素等,一、微生物的代谢调节,代谢调节特点 及时取得需要的中间代谢产物，只合成需要的代谢产物，严格防止终产物的积累； 以最经济的方式、花费最少能量获得所需营养，防止能量浪费 代谢调节方式 调节细胞膜的通透性； 通过酶的定位限制与相应底物接触; 调解代谢物流向 调节酶的活性； 调节酶的合成一）酶活性的调节,包括酶活性的激活和抑制两方面 1、酶活性激活 粪链球菌的乳酸脱氢酶活性受前体物质1,6-二磷酸果糖促进,激活,2、酶活性的抑制 反馈抑制：代谢途径末端产物过量，反过来直接抑制途径中第一个酶的活性，使反应减慢或停止 特点 作用直接、效果快、当末端产物浓度降低时可重新解除 直线代谢途径中的反馈抑制,,苏氨酸,苏氨酸脱氢酶,α-酮丁酸,,,,异亮氨酸,,,,协同反馈抑制,分支代谢途径中的反馈抑制 同工酶调节,顺序反馈抑制,累积反馈抑制,（二）酶合成的调节,特点 间接缓慢，节约能源和原料 包括酶的诱导和阻遏 诱导 底物诱导 大肠杆菌利用乳糖诱导合成β-半乳糖苷酶 中间产物诱导,阻遏 末端产物反馈阻遏 分解代谢物阻遏 细胞中同时有两种分解底物存在，利用快的底物在分解过程中所产生的中间代谢物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成。

比如E.coli在乳糖和葡萄糖共同存在时的二次生长现象,,天门冬氨酸,天门冬氨酸激酶,天门冬氨酰磷酸,,,,赖氨酸,,,,二次生长曲线,（三）酶合成诱导和阻遏的机制 操纵子学说,表达 转录,,,,,,,,,R,P,O,S,,,,阻遏蛋白 结合部位,RNA聚合酶 结合部位,,mRNA,阻遏蛋白,操纵子（operon）,调节基因 启动基因 操纵基因 结构基因,,调节基因,操纵基因,结构基因,P,S1,S2,S3,,,,,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,启动子,O,R,,A、不存在诱导物时,B、添加诱导物后,,阻遏蛋白 （有活性）,酶调节机制模型,二、代谢调控在发酵工业中的应用,改变细胞膜的通透性 生理学方法 亚适量的生物素：改变膜的成分，进而改变膜透性 适量青霉素：抑制肽聚糖合成中的转肽酶活性，使肽桥无法交联，造成细胞壁缺损 二方法只对生长态（分裂）细胞有效 遗传学方法 细胞膜缺损突变：油酸缺陷型菌株,改变微生物的遗传特性 利用营养缺陷菌株解除正常反馈调节 通过诱变而产生的缺乏合成某些营养物质的能力，必须在其基本培养基中加入相应缺陷的营养物质才能正常生长繁殖的变异菌株。

天冬 氨酸,天门冬氨酸激酶,天冬氨 酰磷酸,,,赖氨酸,,,天冬氨 酸半醛,,,高丝 氨酸,脱氢酶,,,,,苏氨酸,甲硫 氨酸,,,高丝氨酸缺陷菌株,选育抗反馈调节的突变株解除反馈调节 指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或者二者兼而有之的菌株 从结构类似物抗性突变株中获得 例如：抗α-氨基-β-羟基戊酸（AHV）的产苏氨酸和异亮氨酸突变株的获得天冬 氨酸,天门冬氨酸激酶,天冬氨 酰磷酸,,,赖氨酸,,,天冬氨 酸半醛,,,高丝 氨酸,脱氢酶,,,,,苏氨酸,甲硫 氨酸,,,×,AHV,,。