第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件

第四章微生物的代謝

與調(diào)節(jié)及其人工控制第四章微生物的代謝

與調(diào)節(jié)及其人工控制1新陳代謝metabolism

Thecomplexofphysicalandchemicalprocessesoccurringwithinalivingcellororganismthatarenecessaryforthemaintenanceoflife.Inmetabolismsomesubstancesarebrokendowntoyieldenergyforvitalprocesseswhileothersubstances,necessaryforlife,aresynthesized.新陳代謝metabolism2合成代謝anabolism在合成酶系的催化下，由簡單的小分子、能量（ATP）和還原力（[H]）一起合成復(fù)雜的生物的大分子的過程。分解代謝catabolism指復(fù)雜的有機(jī)分子通過分解代謝酶系的催化產(chǎn)生簡單分子、能量(ATP)、和還原力（[H]）的過程。復(fù)雜分子(有機(jī)物)分解代謝酶系合成代謝酶系簡單分子+ATP+[H]合成代謝anabolism分解代謝catabolism復(fù)雜分3第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件4分解代謝的三個階段將大分子的營養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪酸等小分子物質(zhì)。進(jìn)一步降解成為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸、及能進(jìn)入TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物。將第二階段的產(chǎn)物完全降解生成CO2，并將前面形成的還原力（NADH2）通過呼吸吸鏈氧化、同時(shí)形成大量的ATP。微生物代謝的特點(diǎn)：多樣性，適應(yīng)性，可控性分解代謝的三個階段將大分子的營養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪5初級代謝和初級代謝產(chǎn)物初級代謝primarymetabolism微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動的物質(zhì)和能量的過程。初級代謝產(chǎn)物primarymetabolites包括所有與細(xì)胞合成有關(guān)的物質(zhì)如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有機(jī)酸、酶初級代謝和初級代謝產(chǎn)物初級代謝primarymetabol6次級代謝和次級代謝產(chǎn)物次級代謝secondarymetabolism微生物在一定的生長時(shí)期，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物的生命活動無明顯確切功能的物質(zhì)的過程。次級代謝產(chǎn)物secondarymetabolites抗生素、激素、生物堿、色素、維生素等次級代謝和次級代謝產(chǎn)物次級代謝secondarymeta7第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件8第一節(jié)微生物的代謝一、微生物的能量代謝新陳代謝中的核心問題：能量代謝能量代謝的中心任務(wù)：是生物體如何把環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成為對一切生命活動都能使用的通用能源。生物體能量代謝的實(shí)質(zhì)：ATP和酰基輔酶A、?；姿岬鹊纳珊屠脝栴}。即ATP的生成和利用的問題。第一節(jié)微生物的代謝一、微生物的能量代謝9能源的轉(zhuǎn)化能源的轉(zhuǎn)化10生物氧化反應(yīng)的三個階段脫氫：一種失去電子或氫的過程電子供體：被氧化的物質(zhì)電子受體：接受電子的物質(zhì)遞氫：電子供體氧化脫下的氫交給氫載體，并通過多個載體完成電子從供體到受體的傳遞不直接交給電子受體受氫：最終電子受體接受載體上電子的過程生物氧化反應(yīng)的三個階段脫氫：一種失去電子或氫的過程11生物氧化的產(chǎn)能途徑底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化生物氧化的產(chǎn)能途徑底物水平磷酸化121.底物水平磷酸化生物氧化過程中生成的含有高能鍵的化合物在酶的作用下，直接將能量轉(zhuǎn)給ADP（GDP）生成ATP（GTP）存在于呼吸和發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中唯一能量獲取方式1.底物水平磷酸化生物氧化過程中生成的含有高能鍵的化合物在13微生物代謝中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)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琥珀酰輔酶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甲酰四氫葉酸

→甲酸ATP微生物代謝中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反應(yīng)偶142.電子傳遞氧化磷酸化生物氧化中伴隨著電子傳遞發(fā)生的磷酸化作用發(fā)生在呼吸作用（有氧或無氧）中呼吸時(shí)大多數(shù)伴隨ATP的合成典型的呼吸鏈：3分子ATP，2分子ATP（黃素蛋白起始）2.電子傳遞氧化磷酸化生物氧化中伴隨著電子傳遞發(fā)生的磷酸153.光合磷酸化只發(fā)生在光合細(xì)胞中循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)產(chǎn)物只有ATP非循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)的產(chǎn)物是ATP、氧和NADPH

3.光合磷酸化只發(fā)生在光合細(xì)胞中16生物氧化的類型發(fā)酵：沒有外源的最終電子受體的生物氧化方式。（在無外源電子受體時(shí)，微生物通過部分地氧化有機(jī)物而獲得發(fā)酵產(chǎn)物并釋放少量能量的過程稱為發(fā)酵）；呼吸：有外源的最終電子受體的生物氧化方式（基質(zhì)在氧化過程中放出的電子通過一系列電子載體最終交給電子受體的生物學(xué)過程）有氧呼吸:以分子氧作為最終電子受體的呼吸方式。無氧呼吸：以除氧以外的物質(zhì)作為最終電子受體的呼吸。

生物氧化的類型17第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件181、有氧呼吸aerobicrespiration以分子氧作為最終電子受體的生物氧化作用需氧和兼性厭氧微生物在有氧條件下進(jìn)行有氧呼吸電子經(jīng)電子傳遞鏈（位置？）傳遞至最終電子受體(O2)，并通過氧化磷酸化形成ATP.1、有氧呼吸aerobicrespiration以分子氧19無機(jī)物氧化：細(xì)菌：氫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硝酸鹽細(xì)菌能源物質(zhì)：氫氣、鐵、硫或硫化物,氨或亞硝酸鹽

無機(jī)物氧化：細(xì)菌：氫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硝酸鹽細(xì)菌202、無氧呼吸anaerobicrespiration以除氧以外的物質(zhì)作為最終電子受體的呼吸。一些厭氧微生物和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸無氧呼吸產(chǎn)生的ATP比有氧呼吸少。2、無氧呼吸anaerobicrespiration以除氧21第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件22（1）外源電子受體為無機(jī)物硝酸鹽、硫酸鹽、硫、鐵、碳酸鈣脫氮小球菌的反硝化作用C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2+42900卡（2）外源電子受體為有機(jī)物延胡索酸、甘氨酸、二甲基亞砜、氧化三甲基胺Escherichia的延胡索酸呼吸延胡索酸+[2H]→琥珀酸（1）外源電子受體為無機(jī)物233、發(fā)酵作用fermentation在沒有外源最終電子受體時(shí)發(fā)生的生物氧化作用叫發(fā)酵作用。特點(diǎn)：電子（和氫）供體與受體都是有機(jī)物；無電子傳遞鏈，電子（氫）受體為電子（氫）供體的代謝中間產(chǎn)物，ATP經(jīng)底物水平磷酸化產(chǎn)生；氧化作用不徹底，只放出部分能量。3、發(fā)酵作用fermentation在沒有外源最終電子受體24呼吸作用與發(fā)酵作用的比較相同點(diǎn)：氧化時(shí)，底物上脫下的氫和電子都和相同的載體結(jié)合，形成NADH和FADH。不同點(diǎn)：NADH和FADH上的電子和氫的去路不同。消耗1分子葡萄糖產(chǎn)生的ATP數(shù)量不同。呼吸作用與發(fā)酵作用的比較相同點(diǎn)：25化能營養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵環(huán)境條件有氧無氧無氧終電子受體來源環(huán)境，外源性環(huán)境，外源性胞內(nèi)，內(nèi)源性性質(zhì)分子氧化合物（通常為無機(jī)物）代謝中間產(chǎn)物能進(jìn)行該代謝產(chǎn)能方式的微生物專性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物專性厭氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厭氧微生物專性厭氧微生物化能營養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵環(huán)26二、葡萄糖分解代謝與工業(yè)發(fā)酵

葡萄糖丙酮酸

途徑------EMP、HMP、ED、PK丙酮酸？產(chǎn)物

進(jìn)行各種發(fā)酵，一般以產(chǎn)物來命名。無氧條件下二、葡萄糖分解代謝與工業(yè)發(fā)酵葡萄糖27EMP途徑ED途徑（單磷酸己糖途徑）EMP途徑ED途徑（單磷酸己糖途徑）28HMP途徑HMP途徑29TCA循環(huán)TCA循環(huán)30PK途徑PPK途徑PHK途徑PK途徑PPK途徑311.乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇發(fā)酵[EMP途徑]

C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O細(xì)菌的乙醇發(fā)酵(運(yùn)動發(fā)酵單胞菌)[ED途徑]C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O1.乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇發(fā)酵[EMP途徑]32酵母酒精發(fā)酵酵母酒精發(fā)酵33酵母發(fā)酵的類型類型條件受氫體ATP主要產(chǎn)物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ亞硫酸氫鈉磷酸二羥丙酮0甘油Ⅲ堿性磷酸二羥丙酮0甘油、乙醇、乙酸酵母發(fā)酵的類型類型條件受氫體ATP主要產(chǎn)物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ342.

乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸的發(fā)酵稱同型乳酸發(fā)酵菌種：德氏乳桿菌、保加利亞乳桿菌、酪乳桿菌C6H12O6+2ADP→2乳酸+2ATP2.乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：35異型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外還有乙醇和CO2的發(fā)酵菌種：短乳桿菌、甘露乳桿菌、巴氏乳桿菌C6H12O6→乳酸+乙醇+CO2

異型乳酸發(fā)酵：36同型乳酸發(fā)酵途徑同型乳酸發(fā)酵途徑373.混合酸發(fā)酵微生物將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氫氣、二氧化碳等多種產(chǎn)物的生物學(xué)過程。甲基紅試驗(yàn)（M.R.反應(yīng)）

將細(xì)菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，置37℃培養(yǎng)48小時(shí)，然后沿管壁加入甲基紅指示劑,呈紅色者為陽性,不呈紅色者為陰性。MR反應(yīng)的結(jié)果：

大腸桿菌為陽性，產(chǎn)氣桿菌為陰性3.混合酸發(fā)酵384.丁二醇發(fā)酵微生物發(fā)酵葡萄糖得到大量的丁二醇與少量的乳酸、乙酸、二氧化碳、氫氣等產(chǎn)物的代謝過程。Voges-Proskauer試驗(yàn)（V.P反應(yīng)）

將細(xì)菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，于37℃培養(yǎng)24小時(shí)，加入與培養(yǎng)基等量的VP試劑，置37℃保溫30分鐘，呈紅色者為陽性，不呈紅色者為陰性。

VP反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)氣桿菌為陽性，大腸桿菌的為陰性4.丁二醇發(fā)酵39V.P反應(yīng)機(jī)理V.P反應(yīng)機(jī)理405.丁酸發(fā)酵丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙酰輔酶A

乙酸乙酰輔酶A→丁酰輔酶A→丁酸5.丁酸發(fā)酵丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙416.丙酮丁醇發(fā)酵

丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙酰輔酶A→乙酰乙酸→丙酮

丙酮酸→→丁酸→丁醛→丁醇6.丙酮丁醇發(fā)酵42

7.多元醇發(fā)酵(高滲酵母)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7.多元醇發(fā)酵(高滲酵母)43葡萄糖發(fā)酵的主要終產(chǎn)物葡萄糖發(fā)酵的主要終產(chǎn)物44不同菌種的發(fā)酵終產(chǎn)物不同菌種的發(fā)酵終產(chǎn)物45三、光能營養(yǎng)型微生物的能量代謝

(自學(xué))三、光能營養(yǎng)型微生物的能量代謝46四、微生物的合成代謝1.微生物進(jìn)行生物合成的先決條件微生物進(jìn)行生物合成必須具備三個先決條件，即能量、還原力及簡單無機(jī)或有機(jī)物。能量的獲得：主要指ATP的獲得。一般每生長1g菌體需要20gATP，某些化能無機(jī)營養(yǎng)菌需要的能量更高。ATP的獲得方式見上節(jié)。四、微生物的合成代謝1.微生物進(jìn)行生物合成的先決條件472.還原力的獲得：細(xì)菌內(nèi)有機(jī)物的組成元素均呈高度還原態(tài)，而在菌體外的元素又呈高度氧化態(tài)。所以在合成過程中，這些元素必須先被還原，然后才能被微生物吸收并合成前提物質(zhì)。一般微生物利用NADPH來作為生物合成中的還原劑?；苡袡C(jī)營養(yǎng)菌產(chǎn)生NADPH的方法：一般情況下大部分細(xì)菌利用HMP途徑產(chǎn)生NADPH，少量NADPH經(jīng)TCA循環(huán)產(chǎn)生。

化能無機(jī)營養(yǎng)菌產(chǎn)生NADPH的方法：消耗ATP將電子經(jīng)呼吸鏈逆向傳遞。光能細(xì)菌產(chǎn)生NADPH的方法：從H2O、H2、H2S等物質(zhì)取得電子，以光合作用直接或間接產(chǎn)生NADPH.2.還原力的獲得：細(xì)菌內(nèi)有機(jī)物的組成元素均呈高度還原態(tài)，而在483.簡單無機(jī)或有機(jī)化合物的獲得：異養(yǎng)微生物從環(huán)境中直接取得簡單有機(jī)物或從代謝中間物獲??；自養(yǎng)菌則通過光合作用自行制造這些簡單有機(jī)物。3.簡單無機(jī)或有機(jī)化合物的獲得：異養(yǎng)微生物從環(huán)境中直接取得49第二節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)：Regulationofmetabolism微生物按照需要改變體內(nèi)的代謝活動的速度和方向的一種作用。調(diào)節(jié)方式：酶合成和活性的調(diào)節(jié) 實(shí)現(xiàn)代謝途徑、代謝流量及速率的調(diào)控區(qū)域分隔調(diào)節(jié)細(xì)胞透性調(diào)節(jié)第二節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)：Regulationof50一.微生物代謝調(diào)節(jié)的部位與方式物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞胞內(nèi)的生化反應(yīng)代謝反應(yīng)的區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)一.微生物代謝調(diào)節(jié)的部位與方式物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞51（一）物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜構(gòu)成能量細(xì)胞壁脂質(zhì)膜蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)絕對數(shù)量跨膜質(zhì)子梯度骨架結(jié)構(gòu)的完整性環(huán)境條件的影響活性磷酸腺苷酸體系（一）物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜構(gòu)成能量細(xì)胞壁脂質(zhì)膜蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)絕對數(shù)52（二）胞內(nèi)的代謝反應(yīng)通過酶的生物合成與活性調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)對代謝反應(yīng)的調(diào)節(jié)?。ǘ┌麅?nèi)的代謝反應(yīng)通過酶的生物合成與活性調(diào)節(jié)531、胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)代謝流向控制代謝速度控制

酶活性和合成量的調(diào)節(jié)是代謝調(diào)節(jié)的核心

1、胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)54代謝流向的調(diào)控①可逆反應(yīng)：不同的輔基（輔酶）控制流向谷氨酸脫氫酶：谷氨酸合成：NADP+谷氨酸的分解：NAD+②互逆單向反應(yīng)：不同的酶控制不同方向的反應(yīng)代謝流向的調(diào)控①可逆反應(yīng)：不同的輔基（輔酶）控制流向552.代謝反應(yīng)區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)

原核微生物細(xì)胞膜酶酶與底物相對位置真核微生物細(xì)胞膜與細(xì)胞器膜酶酶與底物的相對位置及間隔狀況2.代謝反應(yīng)區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)56第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件57微生物酶的調(diào)節(jié)粗調(diào)節(jié)：酶合成量的調(diào)節(jié)，是發(fā)生在基因水平上的調(diào)節(jié)。精細(xì)調(diào)節(jié)：酶活性的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)已有酶分子的活性，是發(fā)生在酶化學(xué)水平上的調(diào)節(jié)。微生物酶的調(diào)節(jié)粗調(diào)節(jié)：酶合成量的調(diào)節(jié)，是發(fā)生在基因水平上的調(diào)58二、酶活性調(diào)節(jié)

以酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)胞內(nèi)已有酶分子的構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)來改變酶活性，從而調(diào)節(jié)所催化的代謝反應(yīng)的速率特點(diǎn)：作用直接、響應(yīng)快、可逆二、酶活性調(diào)節(jié)以酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)59酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)

allostericregulation激活抑制酶的共價(jià)修飾

covalentmodificationofenzyme激活抑制酶蛋白的降解失活能荷調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)allostericregu60AllostericregulationAllostericregulation61激活的調(diào)節(jié)類型前體激活在分解代謝途徑和合成體系中，處于途徑前面的代謝產(chǎn)物促進(jìn)催化后面反應(yīng)的酶活性補(bǔ)償性激活在關(guān)聯(lián)分支合成途徑中，從H到I的反應(yīng)需要E的參與，則H可激活催化合成E的途徑中的第一個酶活性激活的調(diào)節(jié)類型前體激活62分支途徑酶活性的調(diào)節(jié)類型

反饋抑制的類型

調(diào)節(jié)作用針對的酶

單一末端產(chǎn)物過量

多個末端產(chǎn)物過量

協(xié)同/多價(jià)

共同途徑的第一個酶

不能引起抑制作用

同時(shí)過量發(fā)生抑制

合作/增效

共同途徑的第一個酶

輕微作用

同時(shí)過量，作用大于各種之和，不能100%抑制

累積

共同途徑的第一個酶

按一定百分率單獨(dú)抑制，互不影響

共同過量時(shí)，抑制作用累積，可100%抑制

順序

共同途徑的第一個酶

無直接作用

通過分支點(diǎn)上的中間代謝物作用，逐步有順序調(diào)節(jié)

同功酶

催化形成對應(yīng)產(chǎn)物的酶

只抑制相應(yīng)酶的活力，互不影響

分別抑制相應(yīng)的酶

分支途徑酶活性的調(diào)節(jié)類型反饋抑制的類型調(diào)節(jié)作用針對的酶63第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件64能荷energycharge對酶活力的調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)：在有氧情況下，由于呼吸作用，酒精產(chǎn)量大大下降，糖的消耗速率大幅減慢。能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷energycharge對酶活力的調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)：65

通氧[ATP][檸檬酸]能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]基團(tuán)移位吸收葡萄糖速率通氧[ATP][檸檬酸]能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶66三、酶合成的調(diào)節(jié)組成酶constitutiveenzyme是一類對環(huán)境不敏感的酶，這類酶在細(xì)胞內(nèi)的合成量相對比較穩(wěn)定。適應(yīng)酶adaptiveenzyme是一類對環(huán)境敏感的酶，它們響應(yīng)環(huán)境條件而開始合成或終止合成。誘導(dǎo)酶inducibleenzyme阻遏酶repressibleenzyme三、酶合成的調(diào)節(jié)組成酶constitutiveenzym67操縱子的構(gòu)造操縱子的構(gòu)造68操縱子的構(gòu)成

名稱作用啟動基因promoterRNA多聚酶的結(jié)合部位操縱基因operator與阻遏物結(jié)合的堿基序列，決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行結(jié)構(gòu)基因structure編碼一個或多個酶的基因，被轉(zhuǎn)錄成對應(yīng)的mRNA調(diào)節(jié)基因regulationgene編碼調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物repressor）操縱子的構(gòu)成名稱作用啟動基因RNA多聚酶的結(jié)合部位操691、誘導(dǎo)Induction

1、誘導(dǎo)Induction70GeneinductionGeneinduction71

2、阻遏repression2、阻遏repression72GenerepressionGenerepression73

分解代謝物阻遏

指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物存在時(shí)，利用快的那種底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物過量積累而引起的阻遏。分解代謝物阻遏74PositivecontrolofthelacoperoncAMPreceptorproteinPositivecontrolofthelacop75第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件76DiauxicgrowthofE.coliDiauxicgrowthofE.coli77NegativecontrolofthetrpoperonNegativecontrolofthetrpop783、阻尼attenuation氨基酸生物合成途徑中的酶的合成受相應(yīng)的氨基酰-tRNA濃度的控制當(dāng)有過量的氨基酰-tRNA存在時(shí)，對于已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄，在第一個結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄之前即終止轉(zhuǎn)錄。阻遏是對轉(zhuǎn)錄啟動的控制；阻尼是對已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄終止的控制trpoperon受trp-tRNA的阻尼，受trp的阻遏3、阻尼attenuation氨基酸生物合成途徑中的酶的794、基于rRNA水平的調(diào)節(jié)酶的轉(zhuǎn)譯受rRNA形成的控制某一氨基酸缺乏PPGPP合成rRNA合成受阻核糖體水平低酶的轉(zhuǎn)譯減慢激活該氨基酸合成的操縱子、酶蛋白等4、基于rRNA水平的調(diào)節(jié)酶的轉(zhuǎn)譯受rRNA形成的控制某一氨80第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件81前體→氨基酸→AA-tRNA→蛋白質(zhì)酶核糖體(rRNA+P)ppGpptRNA[AA]↑：氨基酸合成受阻，rRNA合成水平正常，翻譯正常；[AA]↓：rRNA合成受阻，核糖體水平降低，翻譯受影響。前體→氨基酸→AA-tRNA→蛋82第三節(jié)微生物代謝的人工控制及其應(yīng)用第三節(jié)微生物代謝的人工控制及其應(yīng)用83微生物代謝的人工控制代謝的人工控制：人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)代謝的自動調(diào)節(jié)，使細(xì)胞過量積累目的代謝產(chǎn)物。代謝控制發(fā)酵： 利用生物化學(xué)和遺傳學(xué)的原理，控制培養(yǎng)條件，使微生物代謝朝向人們希望的方向進(jìn)行，過量積累代謝產(chǎn)物代謝控制育種： 通過遺傳變異來改變微生物的正常代謝，使某種代謝產(chǎn)物形成和積累微生物代謝的人工控制代謝的人工控制：人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)代84代謝控制育種目的代謝產(chǎn)物大量累積人為打破自動調(diào)節(jié)，改變代謝流向減少或切斷支路產(chǎn)物的形成提高細(xì)胞膜的通透性減少育種的盲目性初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，成效顯著次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，效果不明顯代謝控制育種目的代謝產(chǎn)物大量累積85代謝調(diào)控育種的措施人工育種控制措施

針對細(xì)胞正常代謝時(shí)的自動調(diào)節(jié)機(jī)制

營養(yǎng)缺陷型突變

條件解除反饋調(diào)節(jié)

條件控制膜透性

滲漏營養(yǎng)缺陷突變

解除反饋調(diào)節(jié)

營養(yǎng)缺陷回復(fù)突變

解除反饋調(diào)節(jié)

結(jié)構(gòu)類似物抗性突變

解除反饋調(diào)節(jié)

代謝調(diào)控育種的措施人工育種控制措施針對細(xì)胞正常代謝時(shí)的自86(一）解除目的產(chǎn)物對合成途徑的反饋調(diào)節(jié)------代謝控制育種1、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型突變株條件解除反饋抑制營養(yǎng)缺陷型auxotroph：因某種突變的結(jié)果而失去合成某種生長及代謝所需物質(zhì)（生長因子）的能力的突變菌株。必須在培養(yǎng)基中補(bǔ)加該物質(zhì)，否則不能生長。

(一）解除目的產(chǎn)物對合成途徑的反饋調(diào)節(jié)------代謝控制育87C.glutamicum高絲氨酸脫氫酶aaaaaaaaaaaaaa(AK)C.glutamicum高絲氨酸脫氫酶aaaaaaaaaa88例：高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型突變株(Hser-)條件解除（Thr+Lys)對AK的協(xié)同反饋抑制

Hser-不能合成高絲氨酸，進(jìn)而不能合成蘇氨酸和蛋氨酸，在補(bǔ)給適量的高絲氨酸（或蘇氨酸和蛋氨酸）的條件下，可大量積累賴氨酸。Hser-的篩選野生型菌株→誘變→CM培養(yǎng)基分離→挑選Hser-突變株CMMMMM+Hser野生型+++Hser-+—+例：高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型突變株(Hser-)條件解除（Thr+892、應(yīng)用滲漏突變株(leakagemutant)解除反饋抑制例：利用Hserl解除（Thr+Lys)對AK的協(xié)同反饋抑制：

Hserl細(xì)胞能合成Hser，但合成的量僅能維持細(xì)胞的最低生長，胞內(nèi)的濃度達(dá)不到進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的濃度。篩選：Hser-→誘變→挑選在MM上生長緩慢而且菌落小的回復(fù)突變株2、應(yīng)用滲漏突變株(leakagemutant)解除反饋抑903、應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突變株解除反饋調(diào)節(jié)（結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株）抗反饋調(diào)節(jié)突變株：是指一種對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型突變株，或兼而有之的突變株。結(jié)構(gòu)類似物analog（抗代謝物antimetabolite）是一種與初級代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似但缺乏生理功能的化合物。例1：黃色短桿菌AHVr突變株可解除Thr的反饋抑制而積累蘇氨酸3、應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突變株解除反饋調(diào)節(jié)91

Brevibacteriumflavum(AK)Brevibacteriumfl92ThreonineAHV

a-Amino-b-hydroxyvalericacid

a-氨基-b-羥戊酸Threonine93突變前突變后抗反饋抑制突變的機(jī)制突變前94抗反饋?zhàn)瓒敉蛔兊臋C(jī)制抗反饋?zhàn)瓒敉蛔兊臋C(jī)制95LysAECS-(2-Aminoethyl)-L-Cysteine例2：谷氨酸棒桿菌的(Thr+AEC)r突變株可解除（Thr+Lys)對AK的協(xié)同反饋抑制而積累LysLys96C.glutamicum高絲氨酸脫氫酶aaaaaaaaaaaaaa(Thr+AEC)rC.glutamicum高絲氨酸脫氫酶aaaaaaaaaa97抗結(jié)構(gòu)類似物突變株(Thr+AEC)r的篩選將誘變以后的菌懸液涂布在特定的基本培養(yǎng)基上（加入致死量的AEC+Thr)，在此平板上長出的菌落即為(Thr+AEC)r菌株。驗(yàn)證長出的突變株是否真正解除的反饋調(diào)節(jié)----過量積累Lys。其它可能出現(xiàn)AECr突變的情況細(xì)胞膜對AEC透性的改變細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)分解AEC的酶抗結(jié)構(gòu)類似物突變株(Thr+AEC)r的篩選將誘變以后的菌懸98篩選突變株中常用的幾種結(jié)構(gòu)類似物積累的物質(zhì)結(jié)構(gòu)類似物Arg刀豆氨酸Phe對-氟苯丙氨酸、噻恩基丙氨酸Trp5-甲基色氨酸、6-甲基色氨酸Vala-氨基丁酸鹽IleValMeta-氨基-4-乙硫基丁酸腺嘌呤2,6-二氨基嘌呤尿嘧啶5-氟尿嘌呤篩選突變株中常用的幾種結(jié)構(gòu)類似物積累的物質(zhì)99關(guān)于結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株的篩選測定致死濃度用相應(yīng)的氨基酸解除反饋?zhàn)饔每顾幮灾饾u提高效果好關(guān)于結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株的篩選1004、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變解除反饋抑制營養(yǎng)缺陷型的機(jī)制之一酶的催化部位發(fā)生改變，失去催化活性酶的催化部位和調(diào)節(jié)部位同時(shí)改變營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株的機(jī)制催化部位和調(diào)節(jié)部位同時(shí)發(fā)生回復(fù)突變催化部位回復(fù)但調(diào)節(jié)部位沒有回復(fù)

4、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變解除反饋抑制營養(yǎng)缺陷型的機(jī)制之一101野生型營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變解除反饋抑制野生型營養(yǎng)缺陷型102（二）提高細(xì)胞對目的產(chǎn)物的通透性發(fā)酵工業(yè)上用的菌株對細(xì)胞透性的要求容許營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞對中間產(chǎn)物的透性不大目的產(chǎn)物形成后可以盡快透過細(xì)胞膜進(jìn)入環(huán)境（二）提高細(xì)胞對目的產(chǎn)物的通透性發(fā)酵工業(yè)上用的菌株對細(xì)胞透性1031、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型突變株條件控制細(xì)胞膜的透性-----代謝控制育種例：C.glutamicum的谷氨酸發(fā)酵，細(xì)胞膜對產(chǎn)物的通透性不好，從而影響產(chǎn)物的分泌和積累。生物素缺陷型突變株（VH-）：添加亞適量的生物素：減弱脂肪酸的合成，提高膜的透性油酸缺陷型突變株：限量添加油酸可提高膜的對谷氨酸的透性1、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型突變株條件控制細(xì)胞膜的透性-----代謝控1042、控制細(xì)胞壁的生物合成，提高細(xì)胞對目的產(chǎn)物的透性----代謝控制發(fā)酵例：谷氨酸發(fā)酵中添加亞致死量的青霉素：部分抑制肽聚糖的合成，造成細(xì)胞壁的不完全合成，使細(xì)胞對谷氨酸的透性加大。限量添加只對生長態(tài)細(xì)胞有效

如：生物素，油酸，青霉素等2、控制細(xì)胞壁的生物合成，提高細(xì)胞對目的產(chǎn)物的透性----代105（三）添加前體繞過調(diào)節(jié)點(diǎn)----代謝控制發(fā)酵通過添加C，可大量積累D（三）添加前體繞過調(diào)節(jié)點(diǎn)----代謝控制發(fā)酵通過添加C，可106第四章微生物的代謝

與調(diào)節(jié)及其人工控制第四章微生物的代謝

與調(diào)節(jié)及其人工控制107新陳代謝metabolism

Thecomplexofphysicalandchemicalprocessesoccurringwithinalivingcellororganismthatarenecessaryforthemaintenanceoflife.Inmetabolismsomesubstancesarebrokendowntoyieldenergyforvitalprocesseswhileothersubstances,necessaryforlife,aresynthesized.新陳代謝metabolism108合成代謝anabolism在合成酶系的催化下，由簡單的小分子、能量（ATP）和還原力（[H]）一起合成復(fù)雜的生物的大分子的過程。分解代謝catabolism指復(fù)雜的有機(jī)分子通過分解代謝酶系的催化產(chǎn)生簡單分子、能量(ATP)、和還原力（[H]）的過程。復(fù)雜分子(有機(jī)物)分解代謝酶系合成代謝酶系簡單分子+ATP+[H]合成代謝anabolism分解代謝catabolism復(fù)雜分109第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件110分解代謝的三個階段將大分子的營養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪酸等小分子物質(zhì)。進(jìn)一步降解成為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸、及能進(jìn)入TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物。將第二階段的產(chǎn)物完全降解生成CO2，并將前面形成的還原力（NADH2）通過呼吸吸鏈氧化、同時(shí)形成大量的ATP。微生物代謝的特點(diǎn)：多樣性，適應(yīng)性，可控性分解代謝的三個階段將大分子的營養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪111初級代謝和初級代謝產(chǎn)物初級代謝primarymetabolism微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動的物質(zhì)和能量的過程。初級代謝產(chǎn)物primarymetabolites包括所有與細(xì)胞合成有關(guān)的物質(zhì)如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有機(jī)酸、酶初級代謝和初級代謝產(chǎn)物初級代謝primarymetabol112次級代謝和次級代謝產(chǎn)物次級代謝secondarymetabolism微生物在一定的生長時(shí)期，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物的生命活動無明顯確切功能的物質(zhì)的過程。次級代謝產(chǎn)物secondarymetabolites抗生素、激素、生物堿、色素、維生素等次級代謝和次級代謝產(chǎn)物次級代謝secondarymeta113第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件114第一節(jié)微生物的代謝一、微生物的能量代謝新陳代謝中的核心問題：能量代謝能量代謝的中心任務(wù)：是生物體如何把環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成為對一切生命活動都能使用的通用能源。生物體能量代謝的實(shí)質(zhì)：ATP和酰基輔酶A、?；姿岬鹊纳珊屠脝栴}。即ATP的生成和利用的問題。第一節(jié)微生物的代謝一、微生物的能量代謝115能源的轉(zhuǎn)化能源的轉(zhuǎn)化116生物氧化反應(yīng)的三個階段脫氫：一種失去電子或氫的過程電子供體：被氧化的物質(zhì)電子受體：接受電子的物質(zhì)遞氫：電子供體氧化脫下的氫交給氫載體，并通過多個載體完成電子從供體到受體的傳遞不直接交給電子受體受氫：最終電子受體接受載體上電子的過程生物氧化反應(yīng)的三個階段脫氫：一種失去電子或氫的過程117生物氧化的產(chǎn)能途徑底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化生物氧化的產(chǎn)能途徑底物水平磷酸化1181.底物水平磷酸化生物氧化過程中生成的含有高能鍵的化合物在酶的作用下，直接將能量轉(zhuǎn)給ADP（GDP）生成ATP（GTP）存在于呼吸和發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中唯一能量獲取方式1.底物水平磷酸化生物氧化過程中生成的含有高能鍵的化合物在119微生物代謝中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)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琥珀酰輔酶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甲酰四氫葉酸

→甲酸ATP微生物代謝中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反應(yīng)偶1202.電子傳遞氧化磷酸化生物氧化中伴隨著電子傳遞發(fā)生的磷酸化作用發(fā)生在呼吸作用（有氧或無氧）中呼吸時(shí)大多數(shù)伴隨ATP的合成典型的呼吸鏈：3分子ATP，2分子ATP（黃素蛋白起始）2.電子傳遞氧化磷酸化生物氧化中伴隨著電子傳遞發(fā)生的磷酸1213.光合磷酸化只發(fā)生在光合細(xì)胞中循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)產(chǎn)物只有ATP非循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)的產(chǎn)物是ATP、氧和NADPH

3.光合磷酸化只發(fā)生在光合細(xì)胞中122生物氧化的類型發(fā)酵：沒有外源的最終電子受體的生物氧化方式。（在無外源電子受體時(shí)，微生物通過部分地氧化有機(jī)物而獲得發(fā)酵產(chǎn)物并釋放少量能量的過程稱為發(fā)酵）；呼吸：有外源的最終電子受體的生物氧化方式（基質(zhì)在氧化過程中放出的電子通過一系列電子載體最終交給電子受體的生物學(xué)過程）有氧呼吸:以分子氧作為最終電子受體的呼吸方式。無氧呼吸：以除氧以外的物質(zhì)作為最終電子受體的呼吸。

生物氧化的類型123第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件1241、有氧呼吸aerobicrespiration以分子氧作為最終電子受體的生物氧化作用需氧和兼性厭氧微生物在有氧條件下進(jìn)行有氧呼吸電子經(jīng)電子傳遞鏈（位置？）傳遞至最終電子受體(O2)，并通過氧化磷酸化形成ATP.1、有氧呼吸aerobicrespiration以分子氧125無機(jī)物氧化：細(xì)菌：氫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硝酸鹽細(xì)菌能源物質(zhì)：氫氣、鐵、硫或硫化物,氨或亞硝酸鹽

無機(jī)物氧化：細(xì)菌：氫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硝酸鹽細(xì)菌1262、無氧呼吸anaerobicrespiration以除氧以外的物質(zhì)作為最終電子受體的呼吸。一些厭氧微生物和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸無氧呼吸產(chǎn)生的ATP比有氧呼吸少。2、無氧呼吸anaerobicrespiration以除氧127第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件128（1）外源電子受體為無機(jī)物硝酸鹽、硫酸鹽、硫、鐵、碳酸鈣脫氮小球菌的反硝化作用C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2+42900卡（2）外源電子受體為有機(jī)物延胡索酸、甘氨酸、二甲基亞砜、氧化三甲基胺Escherichia的延胡索酸呼吸延胡索酸+[2H]→琥珀酸（1）外源電子受體為無機(jī)物1293、發(fā)酵作用fermentation在沒有外源最終電子受體時(shí)發(fā)生的生物氧化作用叫發(fā)酵作用。特點(diǎn)：電子（和氫）供體與受體都是有機(jī)物；無電子傳遞鏈，電子（氫）受體為電子（氫）供體的代謝中間產(chǎn)物，ATP經(jīng)底物水平磷酸化產(chǎn)生；氧化作用不徹底，只放出部分能量。3、發(fā)酵作用fermentation在沒有外源最終電子受體130呼吸作用與發(fā)酵作用的比較相同點(diǎn)：氧化時(shí)，底物上脫下的氫和電子都和相同的載體結(jié)合，形成NADH和FADH。不同點(diǎn)：NADH和FADH上的電子和氫的去路不同。消耗1分子葡萄糖產(chǎn)生的ATP數(shù)量不同。呼吸作用與發(fā)酵作用的比較相同點(diǎn)：131化能營養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵環(huán)境條件有氧無氧無氧終電子受體來源環(huán)境，外源性環(huán)境，外源性胞內(nèi)，內(nèi)源性性質(zhì)分子氧化合物（通常為無機(jī)物）代謝中間產(chǎn)物能進(jìn)行該代謝產(chǎn)能方式的微生物專性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物專性厭氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厭氧微生物專性厭氧微生物化能營養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵環(huán)132二、葡萄糖分解代謝與工業(yè)發(fā)酵

葡萄糖丙酮酸

途徑------EMP、HMP、ED、PK丙酮酸？產(chǎn)物

進(jìn)行各種發(fā)酵，一般以產(chǎn)物來命名。無氧條件下二、葡萄糖分解代謝與工業(yè)發(fā)酵葡萄糖133EMP途徑ED途徑（單磷酸己糖途徑）EMP途徑ED途徑（單磷酸己糖途徑）134HMP途徑HMP途徑135TCA循環(huán)TCA循環(huán)136PK途徑PPK途徑PHK途徑PK途徑PPK途徑1371.乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇發(fā)酵[EMP途徑]

C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O細(xì)菌的乙醇發(fā)酵(運(yùn)動發(fā)酵單胞菌)[ED途徑]C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O1.乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇發(fā)酵[EMP途徑]138酵母酒精發(fā)酵酵母酒精發(fā)酵139酵母發(fā)酵的類型類型條件受氫體ATP主要產(chǎn)物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ亞硫酸氫鈉磷酸二羥丙酮0甘油Ⅲ堿性磷酸二羥丙酮0甘油、乙醇、乙酸酵母發(fā)酵的類型類型條件受氫體ATP主要產(chǎn)物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ1402.

乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸的發(fā)酵稱同型乳酸發(fā)酵菌種：德氏乳桿菌、保加利亞乳桿菌、酪乳桿菌C6H12O6+2ADP→2乳酸+2ATP2.乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：141異型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外還有乙醇和CO2的發(fā)酵菌種：短乳桿菌、甘露乳桿菌、巴氏乳桿菌C6H12O6→乳酸+乙醇+CO2

異型乳酸發(fā)酵：142同型乳酸發(fā)酵途徑同型乳酸發(fā)酵途徑1433.混合酸發(fā)酵微生物將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氫氣、二氧化碳等多種產(chǎn)物的生物學(xué)過程。甲基紅試驗(yàn)（M.R.反應(yīng)）

將細(xì)菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，置37℃培養(yǎng)48小時(shí)，然后沿管壁加入甲基紅指示劑,呈紅色者為陽性,不呈紅色者為陰性。MR反應(yīng)的結(jié)果：

大腸桿菌為陽性，產(chǎn)氣桿菌為陰性3.混合酸發(fā)酵1444.丁二醇發(fā)酵微生物發(fā)酵葡萄糖得到大量的丁二醇與少量的乳酸、乙酸、二氧化碳、氫氣等產(chǎn)物的代謝過程。Voges-Proskauer試驗(yàn)（V.P反應(yīng)）

將細(xì)菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，于37℃培養(yǎng)24小時(shí)，加入與培養(yǎng)基等量的VP試劑，置37℃保溫30分鐘，呈紅色者為陽性，不呈紅色者為陰性。

VP反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)氣桿菌為陽性，大腸桿菌的為陰性4.丁二醇發(fā)酵145V.P反應(yīng)機(jī)理V.P反應(yīng)機(jī)理1465.丁酸發(fā)酵丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙酰輔酶A

乙酸乙酰輔酶A→丁酰輔酶A→丁酸5.丁酸發(fā)酵丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙1476.丙酮丁醇發(fā)酵

丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙酰輔酶A→乙酰乙酸→丙酮

丙酮酸→→丁酸→丁醛→丁醇6.丙酮丁醇發(fā)酵148

7.多元醇發(fā)酵(高滲酵母)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7.多元醇發(fā)酵(高滲酵母)149葡萄糖發(fā)酵的主要終產(chǎn)物葡萄糖發(fā)酵的主要終產(chǎn)物150不同菌種的發(fā)酵終產(chǎn)物不同菌種的發(fā)酵終產(chǎn)物151三、光能營養(yǎng)型微生物的能量代謝

(自學(xué))三、光能營養(yǎng)型微生物的能量代謝152四、微生物的合成代謝1.微生物進(jìn)行生物合成的先決條件微生物進(jìn)行生物合成必須具備三個先決條件，即能量、還原力及簡單無機(jī)或有機(jī)物。能量的獲得：主要指ATP的獲得。一般每生長1g菌體需要20gATP，某些化能無機(jī)營養(yǎng)菌需要的能量更高。ATP的獲得方式見上節(jié)。四、微生物的合成代謝1.微生物進(jìn)行生物合成的先決條件1532.還原力的獲得：細(xì)菌內(nèi)有機(jī)物的組成元素均呈高度還原態(tài)，而在菌體外的元素又呈高度氧化態(tài)。所以在合成過程中，這些元素必須先被還原，然后才能被微生物吸收并合成前提物質(zhì)。一般微生物利用NADPH來作為生物合成中的還原劑?；苡袡C(jī)營養(yǎng)菌產(chǎn)生NADPH的方法：一般情況下大部分細(xì)菌利用HMP途徑產(chǎn)生NADPH，少量NADPH經(jīng)TCA循環(huán)產(chǎn)生。

化能無機(jī)營養(yǎng)菌產(chǎn)生NADPH的方法：消耗ATP將電子經(jīng)呼吸鏈逆向傳遞。光能細(xì)菌產(chǎn)生NADPH的方法：從H2O、H2、H2S等物質(zhì)取得電子，以光合作用直接或間接產(chǎn)生NADPH.2.還原力的獲得：細(xì)菌內(nèi)有機(jī)物的組成元素均呈高度還原態(tài)，而在1543.簡單無機(jī)或有機(jī)化合物的獲得：異養(yǎng)微生物從環(huán)境中直接取得簡單有機(jī)物或從代謝中間物獲?。蛔责B(yǎng)菌則通過光合作用自行制造這些簡單有機(jī)物。3.簡單無機(jī)或有機(jī)化合物的獲得：異養(yǎng)微生物從環(huán)境中直接取得155第二節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)：Regulationofmetabolism微生物按照需要改變體內(nèi)的代謝活動的速度和方向的一種作用。調(diào)節(jié)方式：酶合成和活性的調(diào)節(jié) 實(shí)現(xiàn)代謝途徑、代謝流量及速率的調(diào)控區(qū)域分隔調(diào)節(jié)細(xì)胞透性調(diào)節(jié)第二節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)：Regulationof156一.微生物代謝調(diào)節(jié)的部位與方式物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞胞內(nèi)的生化反應(yīng)代謝反應(yīng)的區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)一.微生物代謝調(diào)節(jié)的部位與方式物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞157（一）物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜構(gòu)成能量細(xì)胞壁脂質(zhì)膜蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)絕對數(shù)量跨膜質(zhì)子梯度骨架結(jié)構(gòu)的完整性環(huán)境條件的影響活性磷酸腺苷酸體系（一）物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜構(gòu)成能量細(xì)胞壁脂質(zhì)膜蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)絕對數(shù)158（二）胞內(nèi)的代謝反應(yīng)通過酶的生物合成與活性調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)對代謝反應(yīng)的調(diào)節(jié)?。ǘ┌麅?nèi)的代謝反應(yīng)通過酶的生物合成與活性調(diào)節(jié)1591、胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)代謝流向控制代謝速度控制

酶活性和合成量的調(diào)節(jié)是代謝調(diào)節(jié)的核心

1、胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)160代謝流向的調(diào)控①可逆反應(yīng)：不同的輔基（輔酶）控制流向谷氨酸脫氫酶：谷氨酸合成：NADP+谷氨酸的分解：NAD+②互逆單向反應(yīng)：不同的酶控制不同方向的反應(yīng)代謝流向的調(diào)控①可逆反應(yīng)：不同的輔基（輔酶）控制流向1612.代謝反應(yīng)區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)

原核微生物細(xì)胞膜酶酶與底物相對位置真核微生物細(xì)胞膜與細(xì)胞器膜酶酶與底物的相對位置及間隔狀況2.代謝反應(yīng)區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)162第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件163微生物酶的調(diào)節(jié)粗調(diào)節(jié)：酶合成量的調(diào)節(jié)，是發(fā)生在基因水平上的調(diào)節(jié)。精細(xì)調(diào)節(jié)：酶活性的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)已有酶分子的活性，是發(fā)生在酶化學(xué)水平上的調(diào)節(jié)。微生物酶的調(diào)節(jié)粗調(diào)節(jié)：酶合成量的調(diào)節(jié)，是發(fā)生在基因水平上的調(diào)164二、酶活性調(diào)節(jié)

以酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)胞內(nèi)已有酶分子的構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)來改變酶活性，從而調(diào)節(jié)所催化的代謝反應(yīng)的速率特點(diǎn)：作用直接、響應(yīng)快、可逆二、酶活性調(diào)節(jié)以酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)165酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)

allostericregulation激活抑制酶的共價(jià)修飾

covalentmodificationofenzyme激活抑制酶蛋白的降解失活能荷調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)allostericregu166AllostericregulationAllostericregulation167激活的調(diào)節(jié)類型前體激活在分解代謝途徑和合成體系中，處于途徑前面的代謝產(chǎn)物促進(jìn)催化后面反應(yīng)的酶活性補(bǔ)償性激活在關(guān)聯(lián)分支合成途徑中，從H到I的反應(yīng)需要E的參與，則H可激活催化合成E的途徑中的第一個酶活性激活的調(diào)節(jié)類型前體激活168分支途徑酶活性的調(diào)節(jié)類型

反饋抑制的類型

調(diào)節(jié)作用針對的酶

單一末端產(chǎn)物過量

多個末端產(chǎn)物過量

協(xié)同/多價(jià)

共同途徑的第一個酶

不能引起抑制作用

同時(shí)過量發(fā)生抑制

合作/增效

共同途徑的第一個酶

輕微作用

同時(shí)過量，作用大于各種之和，不能100%抑制

累積

共同途徑的第一個酶

按一定百分率單獨(dú)抑制，互不影響

共同過量時(shí)，抑制作用累積，可100%抑制

順序

共同途徑的第一個酶

無直接作用

通過分支點(diǎn)上的中間代謝物作用，逐步有順序調(diào)節(jié)

同功酶

催化形成對應(yīng)產(chǎn)物的酶

只抑制相應(yīng)酶的活力，互不影響

分別抑制相應(yīng)的酶

分支途徑酶活性的調(diào)節(jié)類型反饋抑制的類型調(diào)節(jié)作用針對的酶169第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件170能荷energycharge對酶活力的調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)：在有氧情況下，由于呼吸作用，酒精產(chǎn)量大大下降，糖的消耗速率大幅減慢。能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷energycharge對酶活力的調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)：171

通氧[ATP][檸檬酸]能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]基團(tuán)移位吸收葡萄糖速率通氧[ATP][檸檬酸]能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶172三、酶合成的調(diào)節(jié)組成酶constitutiveenzyme是一類對環(huán)境不敏感的酶，這類酶在細(xì)胞內(nèi)的合成量相對比較穩(wěn)定。適應(yīng)酶adaptiveenzyme是一類對環(huán)境敏感的酶，它們響應(yīng)環(huán)境條件而開始合成或終止合成。誘導(dǎo)酶inducibleenzyme阻遏酶repressibleenzyme三、酶合成的調(diào)節(jié)組成酶constitutiveenzym173操縱子的構(gòu)造操縱子的構(gòu)造174操縱子的構(gòu)成

名稱作用啟動基因promoterRNA多聚酶的結(jié)合部位操縱基因operator與阻遏物結(jié)合的堿基序列，決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行結(jié)構(gòu)基因structure編碼一個或多個酶的基因，被轉(zhuǎn)錄成對應(yīng)的mRNA調(diào)節(jié)基因regulationgene編碼調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物repressor）操縱子的構(gòu)成名稱作用啟動基因RNA多聚酶的結(jié)合部位操1751、誘導(dǎo)Induction

1、誘導(dǎo)Induction176GeneinductionGeneinduction177

2、阻遏repression2、阻遏repression178GenerepressionGenerepression179

分解代謝物阻遏

指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物存在時(shí)，利用快的那種底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物過量積累而引起的阻遏。分解代謝物阻遏180PositivecontrolofthelacoperoncAMPreceptorproteinPositivecontrolofthelacop181第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件182DiauxicgrowthofE.coliDiauxicgrowthofE.coli183NegativecontrolofthetrpoperonNegativecontrolofthetrpop1843、阻尼attenuation氨基酸生物合成途徑中的酶的合成受相應(yīng)的氨基酰-tRNA濃度的控制當(dāng)有過量的氨基酰-tRNA存在時(shí)，對于已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄，在第一個結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄之前即終止轉(zhuǎn)錄。阻遏是對轉(zhuǎn)錄啟動的控制；阻尼是對已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄終止的控制trpoperon受trp-tRNA的阻尼，受trp的阻遏3、阻尼attenuation氨基酸生物合成途徑中的酶的1854、基于rRNA水平的調(diào)節(jié)酶的轉(zhuǎn)譯受rRNA形成的控制某一氨基酸缺乏PPGPP合成rRNA合成受阻核糖體水平低酶的轉(zhuǎn)譯減慢激活該氨基酸合成的操縱子、酶蛋白等4、基于rRNA水平的調(diào)節(jié)酶的轉(zhuǎn)譯受rRNA形成的控制某一氨186第四章微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制課件187前體→氨基酸→AA-tRNA→蛋白質(zhì)酶核糖體(rRNA+P)ppGpptRNA[AA]↑：氨基酸合成受阻，rRNA合成水平正常，翻譯正常；[AA]↓：rRNA合成受阻，核糖體水平降低，翻譯受影響。前體→氨基酸→AA-tRNA→蛋188第三節(jié)微生物代謝的人工控制及其應(yīng)用第三節(jié)微生物代謝的人工控制及其應(yīng)用189微生物代謝的人工控制代謝的人工控制：人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)代謝的自動調(diào)節(jié)，使細(xì)胞過量積累目的代謝產(chǎn)物。代謝控制發(fā)酵： 利用生物化學(xué)和遺傳學(xué)的原理，控制培養(yǎng)條件，使微生物代謝朝向人們希望的方向進(jìn)行，過量積累代謝產(chǎn)物代謝控制育種： 通過遺傳變異來改變微生物的正常代謝，使某種代謝產(chǎn)物形成和積累微生物代謝的人工控制代謝的人工控制：人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)代190代謝控制育種目的代謝產(chǎn)物大量累積人為打破自動調(diào)節(jié)，改變代謝流向減少或切斷支路產(chǎn)物的形成提高細(xì)胞膜的通透性減少育種的盲目性初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，成效顯著次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，效果不明顯代謝控制育種目的代謝產(chǎn)物大量累積191代謝調(diào)控育種的措施人工育種控制措施

針對細(xì)胞正常代謝時(shí)的自動調(diào)節(jié)機(jī)制

營養(yǎng)缺陷型突變

條件解除反饋調(diào)節(jié)

條件控制膜透性

滲漏營養(yǎng)缺陷突變

解除反饋調(diào)節(jié)

營養(yǎng)缺陷回復(fù)突變

解除反饋調(diào)節(jié)

結(jié)構(gòu)類似物抗性突變

解除反饋調(diào)節(jié)

代謝調(diào)控育種的措施人工育種控制措施針對細(xì)胞正常代謝時(shí)的自192(一）解除目的產(chǎn)物對合成途徑的反饋調(diào)節(jié)------代謝控制育種1、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型突變株條件解除反饋抑制營養(yǎng)缺陷型auxotroph：因某種突變的結(jié)果而失去合成某種生長及代謝所需物質(zhì)（生長因子）的能力的突變菌株。必須在培養(yǎng)基中補(bǔ)加該物質(zhì)，否則不能生長。

(一）解除目的產(chǎn)物對合成途徑的反饋調(diào)節(jié)------代謝控制育193C.glutamicum高絲氨酸脫氫酶aaaaaaaaaaaaaa(AK)C.glutamicum高絲氨酸脫氫酶aaaaaaaaaa194例：高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型突變株(Hser-)條件解除（Thr+Lys)對AK的協(xié)同反饋抑制

Hser-不能合成高絲氨酸，進(jìn)而不能合成蘇氨酸和蛋氨酸，在補(bǔ)給適量的高絲氨酸（或蘇氨酸和蛋氨酸）的條件下，可大量積累賴氨酸。Hser-的篩選野生型菌株→誘變→CM培養(yǎng)基分離→挑選Hser-突變株CMMMMM+Hser野生型+++Hser-