微生物的酶與代謝

微生物的酶與代謝第1頁/共60頁第五章

微生物的酶與代謝

第2頁/共60頁

生物小分子合成生物大分子合成代謝（同化）耗能新陳代謝能量代謝物質代謝產能分解代謝（異化）生物大分子分解為生物小分子

合成代謝––––生物體從體內或體外環(huán)境中取得原料，合成各種細胞結構物質或具有各種生理功能的物質的過程（同化過程）

分解代謝––––生物結構體內所有的分解作用，包括各種營養(yǎng)物質或細胞結構物質降解成簡單的產物的過程（異化過程)

新陳代謝（Metabolism）

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3頁/共60頁（1）在溫和條件下進行(由酶催化)（2）反應步驟繁多，但相互配合、有條不紊、彼此協調，且逐步進行，表征了新陳代謝具有嚴格的順序性（3）對內外環(huán)境具有高度的調節(jié)功能和適應功能。新陳代謝的特點第4頁/共60頁主要內容微生物的酶微生物的能量代謝微生物的分解代謝第5頁/共60頁第一節(jié)微生物的酶

酶是由活細胞產生的具有催化作用的生物大分子第6頁/共60頁酶的特性

1、絕大多數酶具有蛋白質的一切性質如：aa結合成的大分子；兩性電離 細胞內呈水溶性溶膠強酸、強堿、高熱、高鹽等理化因素作用下失去生理活性

2、酶的催化作用具有高度的專一性

絕對專一性、相對專一性、立體異構專一性第7頁/共60頁3、酶的催化效率高，作用條件溫和。機理：降低活化能的方式進行（1）催化速度比無機催化劑高1000萬－10萬億倍（2）作用條件為常溫常壓，pH近乎中性。酶的催化性又稱酶的活性或活力。酶的活性與酶的濃度，底物濃度，反應的溫度，pH值以及化合物、無機離子濃度等有關

第8頁/共60頁酶的結構與功能

作用方式分為6種：水解酶、氧化還原酶、轉移酶、異構酶、裂解酶、合成酶根據酶在細胞內的位置分：胞外酶（水解酶）、胞內酶（還原酶、轉移酶、裂解酶、異構酶、合成酶等）和細胞間質酶（滲透酶等細胞膜與細胞質中間）酶產生規(guī)律：固有酶（成分酶）和適應酶（誘導酶）第9頁/共60頁酶在結構上可分為單成分酶和雙成分酶單成分酶：只具有酶蛋白的酶，這類酶本身具有催化特性，酶的活性中心是由酶上少數幾個化學基團構成雙成分酶酶蛋白＋活性基（輔酶或金屬離子）作用：酶蛋白（具有活性中心，決定結合的專一性） 活性基（起著決定催化反應性質的作用，在催化反應中擔負著傳遞電子、原子或化學基團的作用）第10頁/共60頁酶在微生物細胞中的分布

微生物細胞的構造雖然簡單，但卻是一個完整的整體，各種酶在細胞中有嚴格的分布，從而在空間和時間上保證了微生物的代謝具有嚴格的順序性和規(guī)律性細胞膜：參與營養(yǎng)物質運輸的酶（滲透酶）細胞質：分解糖及有機物質的酶與合成酶呼吸酶類：原核生物（細胞內膜）、真核生物（線粒體）核糖體：蛋白質合成酶第11頁/共60頁第二節(jié)微生物的能量代謝能量代謝––––微生物體內的能量轉變過程熱力學第二定律能量守恒微生物的能量代謝是通過生物氧化反應來實現的生物氧化–––微生物在細胞內酶作用下把營養(yǎng)物質氧化的過程第12頁/共60頁

有機物（化能異養(yǎng)菌）最初能源

日光（光能營養(yǎng)菌）

通用能源

無機物（化能自養(yǎng)菌）

第13頁/共60頁

生物氧化的特點：（1）系列酶在溫和的條件下按次序催化；（2）氧化反應能量釋放分段進行（3）放出能量一部分的化學能的形式儲存在能量載體內生物氧化作用的實質是物質代謝中脫下的氫離子（電子）轉移給受氫體根據最終電子（氫）受體的不同，可把微生物的生物氧化作用分為三類：有氧呼吸作用、無氧呼吸作用、發(fā)酵作用第14頁/共60頁一、微生物生物氧化的產能模式

有氧呼吸作用無氧呼吸作用發(fā)酵作用第15頁/共60頁有氧呼吸作用

以分子氧作為最終電子（氫）受體的生物氧化作用，稱為有氧呼吸方式：呼吸底物逐步徹底氧化：

C6H12O6－→CO2+H2O+ATP

適用的微生物：好氧微生物，兼性厭氧微生物第16頁/共60頁以分子氧為最終受體的生物氧化C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O有氧呼吸（aerobicrespiration）發(fā)酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸除糖酵解過程外，還包括三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈兩部分反應第17頁/共60頁無氧呼吸作用以無機氧化物替代分子氧作為最終電子受體的生物氧化作用稱為無氧呼吸適用范圍：某些厭氧微生物和兼性厭氧的微生物特點：基質氧化徹底，釋放能量少第18頁/共60頁發(fā)酵作用

以有機物作為最終電子受體的呼吸作用稱為發(fā)酵

Note：次序，低于1、2，若有外源電子受體（02，無機氧化物）時，不發(fā)生發(fā)酵作用特點：基質不能徹底氧化，產生能量極少，有中間產物積累適用微生物：各種微生物第19頁/共60頁

發(fā)酵作用––––無氧工業(yè)上的發(fā)酵––––利用微生物的轉化作用來從底物生成代謝物，可在有氧或無氧的條件下進行發(fā)酵作用是工業(yè)上發(fā)酵的一種形式第20頁/共60頁二、ATP的生成ATP和?；o酶A可做為微生物體內吸能和放能反應的偶聯者能量多余––––→儲存能量不足––––→釋放第21頁/共60頁1、概念（1）光合磷酸化：僅適于光合生物能量來自光能，以光能生成ATP的過程（2）氧化磷酸化：適于所有生物能量來自化學能，以化合物的氧化所放出的能量生成ATP的稱為氧化磷酸化第22頁/共60頁2、ATP生成方式（1）底物水平磷酸化通式：X~Pi＋ADP––––ATP＋X

X~Pi－ATP，1.3－二磷酸甘油酸，乙酰磷酸，2－磷酸烯醇式丙酮酸，氨甲酰磷酸適用范圍：適用于發(fā)酵作用進行生物氧化的微生物（2）電子傳遞磷酸化適用范圍：適用于有氧或無氧呼吸作用進行生物氧化的微生物。機制尚不清楚第23頁/共60頁3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脫氫酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸變位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(丙酮酸激酶)脫氫氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化第24頁/共60頁第三節(jié)微生物的分解代謝

主要內容：微生物對營養(yǎng)物利用及其產生的代謝產物微生物從環(huán)境中吸收C、N等營養(yǎng)物質，經菌體一系列分解作用等，生成中間產物：（1）

組成細胞 成分（2）

以儲存物的形式存在于細胞內（3）

生成代謝廢物、釋放微生物分解營養(yǎng)物質產生的代謝產物，很多對人類非常有用，構成了食品發(fā)酵工業(yè)的一個重要組成部分第25頁/共60頁一般可將分解代謝分為三個階段：蛋白質多糖脂類氨基酸單糖甘油，脂肪酸

丙酮酸/乙酰輔酶ACO2，H20，能量（三羧酸循環(huán)）第26頁/共60頁第27頁/共60頁一、微生物對纖維素的分解

纖維素是植物細胞壁的主要組成成分，是地球上最豐富的有機物質纖維素組成：β－1.4－葡萄糖苷鍵連接葡萄糖組成特點：多種微生物具有纖維素分解酶，其中尤以霉菌的木霉活力較高蘇聯生產SCP，采用酸法水解木材樣板，進一步發(fā)酵第28頁/共60頁第29頁/共60頁二、微生物對淀粉的降解

淀粉是重要的發(fā)酵原料，利用它可以生產多種多樣的發(fā)酵產品。發(fā)酵工業(yè)：酒精、酒類、有機酸，味精、酶制劑等食品工業(yè)：飴糖、葡萄糖、果葡糖漿制藥工業(yè)：抗生素等微生物水解淀粉是通過分泌淀粉酶來完成的，但酶種類較多，按作用機制分為四類：第30頁/共60頁α－淀粉酶（淀粉1，4－糊精酶）直鏈淀粉－→麥芽糖或6個葡萄糖分子單位特點：可以越過α—1，6糖苷鍵，水解α-1，4糖苷鍵表現：粘度下降，出現液化，又稱液化酶生產菌：枯草桿菌、巨大芽孢桿菌、米曲霉等

β－淀粉酶（淀粉－1，4麥芽糖苷酶）作用方式：直鏈淀粉－→麥芽糖支鏈淀粉－→麥芽糖＋糊精生產菌種：細菌第31頁/共60頁

葡萄糖淀粉酶（淀粉1，4、1，6－葡萄糖苷酶）最終產物:葡萄糖生產菌種：（1）根霉，白酒生產中淀粉的糖化酶系純、風味好、但速度慢不含轉苷酶，不會重新生成二糖、三糖（2）黑曲霉，目前生產用菌種液體發(fā)酵，產酶高，但含轉苷酶異淀粉酶（淀粉1，6－糊精酶）特點：專門水解α-1，6葡萄糖苷鍵產物：直鏈糊精菌種：產氣氣桿菌，產色鏈霉菌等第32頁/共60頁第33頁/共60頁三、微生物對雙糖、三糖的降解

蔗糖蔗糖酯酶蔗糖————→葡萄糖＋果糖

微生物：霉菌、酵母、細菌中大多數含有這種酶

麥芽糖麥芽糖酶麥芽糖

————→2葡萄糖

如植物發(fā)芽

第34頁/共60頁乳糖

β一半乳糖苷酶

乳糖

——————→半乳糖＋果糖微生物：乳酸桿菌、乳酸球菌亞洲人70％不能消化乳糖，所以酸奶就是使其轉化成易于被人體吸收的其他糖及營養(yǎng)物質棉子糖

蜜二糖酶棉子糖

——————→半乳糖＋蔗糖則蔗糖全部結晶，產量較高，名：無廢蜜制糖法第35頁/共60頁四、微生物對已糖的降解途徑

葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等已糖都是絕大多數異養(yǎng)微生物可以利用的糖類，其中尤以葡萄糖、果糖是最易利用作用：能源和碳源葡萄糖降解途徑：無氧降解：EMP、無氧HMP途徑有氧降解：EMP－TCA、HMP、乙醛酸循環(huán)第36頁/共60頁（一）無氧降解（發(fā)酵作用）

化能異養(yǎng)菌取得碳源，能源的主要方式，產物為有機酸、醇、氣體（CO2）等EMP反應總式：C6H12O6＋2NAD＋2Pi＋2ADP–––→

2CH3COCOOH＋2NADH2＋2ATP第37頁/共60頁第38頁/共60頁1、酵母酒精發(fā)酵第一型發(fā)酵受氫體：乙醛菌種：啤酒酵母，嘉士伯酵母，AS2.1189，AS2.1190，F369、Rasse12，南陽混合酵母，少數細菌，霉菌總反應式：C6H12O6＋2ADP＋2Pi––––→2C2H5OH+2CO2+2ATP

脫羧酶乙醇脫氫酶丙酮酸––––→乙醛＋CO2

+NADH2––––→乙醇

+NAD

第39頁/共60頁酵母菌乙醇發(fā)酵應嚴格控制三個條件無氧不含NaHSO3

pH酸性第40頁/共60頁第41頁/共60頁

2、甘油發(fā)酵用途：食品、化工、醫(yī)藥、化妝品等的原料（1）

酵母第二型發(fā)酵：

NaHSO3與乙醛形成復合物，乙醛不能作為受氫體水解磷化二羥丙酮+NADH2

–––→2NAD+α－磷酸甘油–––→

甘油受氫體：磷酸二羥丙酮（2）酵母第三型發(fā)酵堿性條件下，乙醛發(fā)生歧化反應，不能作為受氫體，同樣磷酸二羥丙酮作為受氫體

2葡糖––––→2甘油+乙酸＋乙醇＋CO2

保持堿性，否則回到第一型發(fā)酵，酒精發(fā)酵要保持酸性。沸點130℃，要用過熱蒸汽蒸餾或減壓蒸餾，目前采用較多的是真空水蒸汽蒸餾法第42頁/共60頁第43頁/共60頁3、乳酸發(fā)酵（1）同型乳酸發(fā)酵：產物––––乳酸菌種：德氏乳酸桿菌，保加利亞乳桿菌、酪乳桿菌

EMP

葡萄糖–––→丙酮酸+NADH2

––––→乳酸+NAD總反應式：C6H12O6＋2ADP＋2Pi––→2乳酸＋2ATP

（2）異型乳酸發(fā)酵產物：乳酸、乙醇、CO2

菌種：短乳桿菌、根霉總反應式：葡糖＋2ADP＋2Pi–––→乳酸＋乙醇＋CO2＋2ATP第44頁/共60頁第45頁/共60頁

乳酸發(fā)酵指乳酸菌將G分解產生的丙酮酸逐漸還原成乳酸的過程進行乳酸發(fā)酵的都是細菌：如短乳桿菌，乳鏈球菌等

細菌積累乳酸的過程是典型的乳酸發(fā)酵。我們熟悉的牛奶變酸，生產酸奶，漬酸菜，泡菜，青貯飼料都是乳酸發(fā)酵兩種類型：同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵第46頁/共60頁異型乳酸發(fā)酵（通過HMP途徑）

發(fā)酵產物除乳酸外還有乙醇與CO2。青貯飼料中短乳發(fā)酵即為異型乳酸發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵結果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子。

北方漬酸菜，南方泡菜是常見的乳酸發(fā)酵。乳酸發(fā)酵細菌不破壞植物細胞，只利用植物分泌物生長繁殖。第47頁/共60頁漬酸菜應做好以下幾點

必須控制不被雜菌感染要創(chuàng)造適合乳酸發(fā)酸的厭氧環(huán)境條件要加些鹽，3—5%NaCl濃度為好缸要刷凈，并不要帶進油污

pH值3—4為宜第48頁/共60頁4、丙酮－丁醇發(fā)酵用途：兩者均為有機溶劑，主要靠發(fā)酵法生產。菌種：丙酮－丁醇梭狀芽孢桿菌產物：丙酮、丁醇、乙醇、CO2、H2及乙酸、丁酸等。丙酮來自乙酰乙酸脫羧。丁醇來自丁酸的還原第49頁/共60頁混合酸發(fā)酵概念：通過EMP途徑將葡萄糖轉變成乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產物，由于代謝產物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵發(fā)酵途徑：磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸

2丙酮酸乳酸~甲酸裂解酶乙酰CoA甲酸

甲酸氫解酶乙酰-PCO2+H2

乙酸+ATP第50頁/共60頁鑒別腸道細菌的產酸產氣、甲基紅（M.R）試驗

產酸產氣試驗:Escherichia與Shigella在

利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者具有甲酸氫解酶，可在產酸的同時產氣，后者則因無此酶，不具有產氣的能力甲基紅試驗：大腸桿菌與產氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產生大量的混合酸，后者則產生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色第51頁/共60頁

（二）有氧降解

產物：CO2、H2O、ATP、細胞物質的中間產物用途：食品、化工、醫(yī)藥、輕工等第52頁/共60頁1、檸檬酸發(fā)酵

EMP

葡萄糖–––→丙酮酸–––→TCA–––→檸檬酸總反應式：2C6H12O6＋3O2–––2檸檬酸＋4H2O

理論轉化率：184/180X100=106%

一般工廠轉化率96－100％發(fā)酵原料：糖蜜、淀粉菌種：黑曲霉M3008（淀粉）、H0600（糖蜜）,

假絲酵母國外有研究第53頁/共60頁2、谷氨酸發(fā)酵用途：醫(yī)藥（補腦）、味精、人造革、化妝品（聚谷氨酸）菌種：AS1.299、AS1.542、T6－13、N338、H7211、U－9等途徑：

EMP

葡萄糖–––→丙酮酸–––→TCA–––→－酮戊二酸－酮戊二酸––→還原氨基化–––→谷氨酸國際上最大的氨基酸制造業(yè)第54頁/共60頁五、微生物對戊糖的降解

戊糖：木糖、阿拉伯糖、核糖等一般：有O2戊糖–––→已糖––––→利用無O2，少數細菌、酵母可以利用戊糖如乳酸菌，腸膜狀明串珠菌、假絲酵母等，產物為乙醇，乳酸等第55頁/共60頁第56頁/共60頁六、脂肪的