微生物周課件06-第五章-微生物的代謝和發(fā)酵-食品微生物學(xué)-江南大學(xué)

第五章

微生物的代謝和發(fā)酵

MicrobialMetabolismandfermentation2023/5/151southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity2本章重要內(nèi)容

代謝概論

微生物的代謝微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用2023/5/152southernyangtzeuniversity第一節(jié)代謝概論2023/5/153southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity4新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。 新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。2023/5/154southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity5分解代謝和合成代謝的關(guān)系2023/5/155southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity6能量與代謝關(guān)系示意圖2023/5/156southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity7代謝的類型按物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式分：分解代謝：合成代謝：能量代謝：伴隨物質(zhì)轉(zhuǎn)化而發(fā)生的能量形式相互轉(zhuǎn)化物質(zhì)代謝：物質(zhì)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化的過程.

按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分：初級代謝：提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動所必須的代謝物的代謝類型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等.次級代謝：在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需的代謝類型；產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等2023/5/157southernyangtzeuniversity第二節(jié)微生物的能量代謝2023/5/158southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity9

能量代謝是新陳代謝中的核心問題。其任務(wù)，是生物體把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源—ATP

有機(jī)物日光通用能源（ATP）還原態(tài)無機(jī)物化能異養(yǎng)菌光能營養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌2023/5/159southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity10生物氧化與普通氧化反應(yīng)的區(qū)別比較項目燃燒生物氧化步驟一步式快速反應(yīng)多步式梯級反應(yīng)條件激烈溫和催化劑無酶產(chǎn)能形式熱、光大部分為ATP能量利用率低高2023/5/1510southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity11生物氧化生物氧化的功能產(chǎn)能（ATP）產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝產(chǎn)物生物氧化過程底物脫氫（或脫電子):該底物稱作電子供體或供氫體遞氫（電子）:需中間傳遞體，如NAD、FAD等氫受體接受氫（或電子）2023/5/1511southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity12化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能底物脫氫EMP途徑HMP途徑ED途徑TCA循環(huán)遞氫與受氫呼吸無氧呼吸發(fā)酵2023/5/1512southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity13一、底物脫氫的四條主要途徑EMP途徑

糖酵解途徑(Glycolysis)

己糖二磷酸途徑(Hexose

diphosphatepathway)HMP途徑ED途徑PK途徑2023/5/1513southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity141.底物脫氫的途徑2023/5/1514southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity15EMP途徑葡萄糖的酵解作用

(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱：EMP途徑)2023/5/1515southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity16EMP途徑的意義具有EMP途徑的微生物多種微生物的代謝途徑，產(chǎn)能效率低，提供多種中間代謝產(chǎn)物作為合成原料EMP途徑的生理功能ATP和還原力NADH2連接其他代謝途徑的橋梁：TCA、HMP、ED中間代謝產(chǎn)物逆向反應(yīng)進(jìn)行多糖合成EMP途徑與人類的關(guān)系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇發(fā)酵2023/5/1516southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity17EMP途徑關(guān)鍵步驟1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸2023/5/1517southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity18EMP途徑簡圖及總反應(yīng)式2023/5/1518southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity19HMP途徑戊糖磷酸途徑Hexose

MonophosphatePathway從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎(chǔ)上開始降解的故稱為單磷酸已糖途徑。HMP途徑的一個循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個CO2、6個NADPH。HMP途徑的特點(diǎn)葡萄糖不經(jīng)過EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化產(chǎn)生大量的NADPH+H+形式的還原力重要中間代謝產(chǎn)物的形成2023/5/1519southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity202023/5/1520southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity21HMP途徑的三個階段2023/5/1521southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity22具有HMP途徑的微生物多數(shù)好氧菌和兼性厭氧菌只有HMP途徑而無EMP途徑的微生物Acetobacter

suboxydansGluconobacter

oxydansAcetomonas

oxydans2023/5/1522southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity23ED（Entner-DoudoroffPathway）途徑ED途徑結(jié)果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)現(xiàn)的。ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟(jì)：1molATP/1molGlucoseED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣PseudomonassaccharophilaPseudomonasaeruginosaPseudomonasfluorescensPseudomonaslindneriZ.mobilisAlcaligenes

eutrophus2023/5/1523southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity242023/5/1524southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity25ED途徑的意義ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨(dú)存在少數(shù)EMP途徑不完整的細(xì)菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑細(xì)菌酒精發(fā)酵（運(yùn)動發(fā)酵單胞菌): [ED途徑]C6H12O6+ADP2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O

優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點(diǎn)：pH5，較易染菌；細(xì)菌對乙醇耐受力低2023/5/1525southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity26（四）磷酸酮解途徑磷酸酮解酶途徑：磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑存在于某些細(xì)菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細(xì)菌中。進(jìn)行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠?qū)⒘姿峒禾橇呀鉃?個三碳糖。2023/5/1526southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity27磷酸戊糖酮解途徑的特點(diǎn):分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當(dāng)于EMP途徑的一半;幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2磷酸己糖酮解途徑的特點(diǎn)：有兩個磷酸酮解酶參加反應(yīng)；在沒有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脫氫酶的參與下轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?；乙酰磷酸生成乙酸的反?yīng)則與ADP生成ATP的反應(yīng)相偶聯(lián)；每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。2023/5/1527southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity28二、遞氫和受氫根據(jù)遞氫和氫受體的不同，將生物氧化分為A.呼吸B.無氧呼吸C.發(fā)酵2023/5/1528southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity29化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能生物氧化的方式發(fā)酵（fermentation)

有氧呼吸呼吸作用（aerobicrespiration）硝酸鹽呼吸

無氧呼吸

碳酸鹽呼吸

（anaerobicrespiration）硫酸鹽呼吸

2023/5/1529southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity30(一)

發(fā)酵定義：沒有最終外源電子受體的生物氧化方式。在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。特點(diǎn)：底物水平磷酸化是發(fā)酵過程中唯一獲取能量的方式，因而產(chǎn)能效率很低發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。2023/5/1530southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity31發(fā)酵的類型根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵⑴由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的：酵母型酒精發(fā)酵⑵通過HMP途徑的發(fā)酵的：細(xì)菌的異型酒精發(fā)酵⑶通過ED途徑的發(fā)酵：細(xì)菌的同型酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵⑴由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的：細(xì)菌的同型乳酸發(fā)酵⑵通過HMP途徑：細(xì)菌的異型乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵丁二醇發(fā)酵乙酸發(fā)酵。2023/5/1531southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity32常見的六條發(fā)酵途徑1.酒精發(fā)酵2.同型乳酸發(fā)酵3.丙酸發(fā)酵4.混合酸發(fā)酵5.2，3-丁二醇發(fā)酵6.丁酸發(fā)酵2023/5/1532southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity33酒精發(fā)酵細(xì)菌同型酒精發(fā)酵（運(yùn)動發(fā)酵單胞菌): [ED途徑]C6H12O6+ADP+Pi2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O酵母菌同型酒精發(fā)酵: （釀酒酵母）[EMP途徑]C6H12O6+2ADP2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O細(xì)菌的異型酒精發(fā)酵：Leuconostoc

mesenteroides

[HMP途徑]C6H12O6+ADP+PiC2H5OH+C3H6O3+ATP+CO22023/5/1533southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity34巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)巴斯德效應(yīng)：酵母菌的乙醇發(fā)酵是一種厭氧發(fā)酵，如果將發(fā)酵條件改變成好氧條件，葡萄糖分解速度降低，乙醇停止生產(chǎn)，但當(dāng)重新回到厭氧條件時，葡萄糖的分解速度增加，并伴隨大量的乙醇產(chǎn)生，這種現(xiàn)象是巴斯德首先發(fā)現(xiàn)的，故稱為巴斯德效應(yīng)。2023/5/1534southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity35巴斯德效應(yīng)的本質(zhì)PFK：磷酸果糖激酶

ID：異檸檬酸脫氫酶（E）：表示抑制

2023/5/1535southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity36巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細(xì)胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失意義：合理利用能源現(xiàn)象：通風(fēng)對酵母代謝的影響2023/5/1536southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity37乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：葡萄糖發(fā)酵后經(jīng)EMP途徑能使80%~90%糖轉(zhuǎn)化成乳酸，只產(chǎn)生2分子乳酸，很少量其它產(chǎn)物。如：保加利亞乳桿菌、乳鏈球菌

C6H12O6+2ADP 2C3H6O3+2ATP+2H2O2023/5/1537southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity38異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖發(fā)酵后通過HMP途徑能使50%糖轉(zhuǎn)化成乳酸，同時產(chǎn)生乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵。如：腸膜明串珠菌、短乳桿菌、兩歧雙歧桿菌葡萄糖 乳酸+乙酸+CO2異型乳酸發(fā)酵的雙歧途徑雙歧桿菌

2葡萄糖3乙酸+2乳酸+5ATP2023/5/1538southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity39同型乳酸與異型乳酸發(fā)酵的比較

類型途徑產(chǎn)物產(chǎn)能/1葡萄糖代表菌種同型EMP2乳酸2ATP德氏乳桿菌異型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATP腸膜明串珠菌1乳酸1乙酸1CO22ATP短乳桿菌2023/5/1539southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity40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)物的過程。2023/5/1540southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity41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。丁二醇發(fā)酵的意義甲基紅（M.R）試驗：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)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。MR反應(yīng)的結(jié)果：大腸桿菌為陽性，產(chǎn)氣桿菌為陰性。2023/5/1541southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity42丁二醇發(fā)酵的意義Voges-proskauer試驗（V.P反應(yīng)）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，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。

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

堿性條件

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結(jié)合）紅色化合物2023/5/1542southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity43（二）有氧呼吸有氧呼吸（AerobicRespriation）：是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化過程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途徑：EMP,TCA循環(huán)葡萄糖在有氧條件下經(jīng)EMP、TCA循環(huán)生成CO2C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O2023/5/1543southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity44電子傳遞與氧化呼吸鏈定義：由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。部位：原核生物發(fā)生在細(xì)胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上典型的呼吸鏈：（原核、真核）

NAD(P)→FP→FeS→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a32023/5/1544southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity45典型的呼吸鏈2023/5/1545southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity46電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說（1961，P.Mitchell）：1978NobelPrize在氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈有關(guān)酶系的作用，可將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞到膜的外側(cè)，從而造成了膜兩側(cè)質(zhì)子分布不均勻，即形成質(zhì)子動勢。通過ATP酶的逆反應(yīng)可把質(zhì)子從膜外側(cè)重新輸回到膜內(nèi)側(cè)，同時合成ATP。2023/5/1546southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity472023/5/1547southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity48ATP合成酶F0F1ATP膜膜內(nèi)膜外2H+ADP+PiATP+H2O基部：埋于線粒體內(nèi)膜頭部：伸向膜內(nèi)頸部2023/5/1548southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity49原核和真核細(xì)胞電子傳遞鏈的差異比較內(nèi)容原核細(xì)胞真核細(xì)胞存在位置細(xì)胞質(zhì)膜線粒體的內(nèi)膜具體組成差異非蛋白電子傳遞體G+菌：甲基萘醌、脫甲基萘醌輔酶Q需氧的G—菌：輔酶Q細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素a1、a2、a3、a4和氧細(xì)胞中可同時含有一種以上細(xì)胞色素a3特點(diǎn)組分多變組分穩(wěn)定普遍存在分支無分支受環(huán)境影響大受環(huán)境影響小2023/5/1549southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity50真核生物與原核生物呼吸鏈的比較2023/5/1550southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity51生物能的產(chǎn)生底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化光合磷酸化2023/5/1551southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity52（三）無氧呼吸（anaerobicrespiration）無氧呼吸：

呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2）（少數(shù)為有機(jī)氧化物如延胡索酸）的生物氧化無氧呼吸的特點(diǎn)

無氧條件、產(chǎn)能效率低、有機(jī)物脫氫以后經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)或有機(jī)物受氫，完成氧化磷酸化反應(yīng)2023/5/1552southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity53無氧呼吸的主要類型2023/5/1553southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity54硝酸鹽呼吸（Nitraterespiration）反硝化作用Denitrification，以無機(jī)物硝酸鹽為最終電子受體的無氧呼吸類型；進(jìn)行硝酸鹽呼吸的微生物兼性厭氧微生物，反硝化細(xì)菌Bacilluslicheniformis

Paracoccus

denitrificans

Pseudomonasaeruginosa

Thiobacillus

denitrificans2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH32023/5/1554southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity55硫酸鹽呼吸（反硫化作用）硫酸鹽呼吸SulfateRespiration嚴(yán)格厭氧菌硫酸鹽還原細(xì)菌（反硫化細(xì)菌）在無氧條件下獲取能量的方式，底物脫氫以后，經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP有些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌，以有機(jī)物為氧化基質(zhì)（H2或有機(jī)物，大部分不能利用G)使硫酸鹽還原成H2S。

乳酸常被脫硫弧菌氧化成乙酸，并脫下8個H，使硫酸鹽還原為H2S。

SO42－＋8H4H2O＋S2－

2023/5/1555southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity56有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵的比較呼吸類型

有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵氧化基質(zhì)有機(jī)物有機(jī)物

有機(jī)物

最終電子受體O2

無機(jī)氧化物、延胡索酸

氧化型中間代謝產(chǎn)物醛、酮等

產(chǎn)物CO2、H2OCO2、H2O、NO2、N2

還原型中間代謝產(chǎn)物醇、酸

產(chǎn)能多

次之少

電子傳遞鏈完整

不完整

無，底物水平磷酸化

2023/5/1556southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity57固氮微生物

(nitrogen–fixingorganisms,diazotrophs）定義：指分子氮（N2）通過固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨NH3的過程1.固氮微生物的種類至今發(fā)現(xiàn)的固氮微生物約有80多屬，均為原核微生物自生固氮菌：獨(dú)立進(jìn)行固氮，種類繁多共生固氮菌：與它種生物生活在一起才固氮。如：根瘤菌屬、弗蘭克氏菌屬、腸桿菌屬。聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面、動物腸道等處才能固氮2023/5/1557southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity582.固氮反應(yīng)的六個必要條件Ⅰ、ATPⅡ、還原力[H]和載體

Ⅲ、固氮酶包括組分Ⅰ—鉬鐵蛋白、組分Ⅱ—鐵蛋白；對底物專一性不強(qiáng)

Ⅳ、鎂離子

Ⅴ、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境

Ⅵ、還原底物N2有N2時，固氮酶將75%還原力形成NH3，其余用于形成H2；缺N2時，固氮酶將H+全部還原成H22023/5/1558southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity593.固氮反應(yīng)的總反應(yīng)式固氮作用的化學(xué)反應(yīng)為：N2+8[H]+18~24ATP2NH3+2H2+18~24ADP+18~24Pi固氮的生化途徑2023/5/1559southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity60微生物獨(dú)特合成代謝舉例肽聚糖生物合成肽聚糖：絕大多數(shù)原核微生物細(xì)胞壁所含有的獨(dú)特成分；在細(xì)菌的生命活動中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質(zhì)基礎(chǔ)。是在抗生素治療上有特別意義的物質(zhì)。2023/5/1560southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity61肽聚糖合成過程依發(fā)生部位分成三個階段：細(xì)胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸細(xì)胞膜階段：合成肽聚糖單體細(xì)胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖2023/5/1561southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity62第一階段：在細(xì)胞質(zhì)中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。2023/5/1562southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity63“Park”核苷酸的合成金黃色葡萄球菌有N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸的過程。圖中的M表示N-乙酰胞壁酸；在大腸桿菌中，L-Lys被mDAP所代替2023/5/1563southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity64第二階段：在細(xì)胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖單體———雙糖肽亞單位。這一階段中有一種稱為細(xì)菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂質(zhì)載體參與，這是一種由11個類異戊烯單位組成的C35類異戊烯醇，———它通過兩個磷酸基與N-乙酰胞壁酸相連，載著在細(xì)胞質(zhì)中形成的胞壁酸到細(xì)胞膜上，在那里與N-乙酰葡萄糖胺結(jié)合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5,形成雙糖亞單位。這一階段的詳細(xì)步驟如圖所示。其中的反應(yīng)④與⑤分別為萬古霉素和桿菌肽所阻斷。2023/5/1564southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity65肽聚糖單體的合成G-M-P-P-類脂

M-P-P-類脂

UDPUDP-G ②

UDP ①UDP-M

P-類脂 Pi⑤

P-P-類脂桿菌肽④ 萬古霉素

5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成處G-M-P-P-類脂在細(xì)胞膜上進(jìn)行的由“Park”核苷酸合成肽聚糖單體的反應(yīng)“類脂”指類脂載體——細(xì)菌萜醇；反應(yīng)4和5可分別被萬古霉素和桿菌肽所抑制2023/5/1565southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity66第三階段：已合成的雙糖肽插在細(xì)胞膜外的細(xì)胞壁生長點(diǎn)中，并交聯(lián)形成肽聚糖。這一階段分兩步：第一步：是多糖鏈的伸長———雙糖肽先是插入細(xì)胞壁生長點(diǎn)上作為引物的肽聚糖骨架（至少含6~8個肽聚糖單體分子）中，通過轉(zhuǎn)糖基作用（transglycosylation)使多糖鏈延伸一個雙糖單位；第二步：通過轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用（transpeptitidation)使相鄰多糖鏈交聯(lián)————轉(zhuǎn)肽時先是D-丙氨酰-D-丙氨酸間的肽鏈斷裂，釋放出一個D-丙氨酰殘基，然后倒數(shù)第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽的游離氨基間形成肽鍵而實現(xiàn)交聯(lián)。2023/5/1566southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity672023/5/1567southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity682023/5/1568southernyangtzeuniversity第三節(jié)

微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)2023/5/1569southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity70微生物代謝過程中的自我調(diào)控微生物代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：精確、可塑性強(qiáng)，細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)能力超過高等生物。成因：細(xì)胞體積小，所處環(huán)境多變。解決方式：組成酶（constitutiveenzyme）經(jīng)常以高濃度存在，其它酶都是誘導(dǎo)酶（inducibleenzyme），在底物或其類似物存在時才合成，誘導(dǎo)酶的總量占細(xì)胞總蛋白含量的10%。2023/5/1570southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity71微生物代謝自我調(diào)控的方式1.通過酶的存在方式2.微生物代謝調(diào)節(jié)的部位3.控制營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞4.控制代謝物流向2023/5/1571southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity72酶的存在方式：組成酶（固有酶）：細(xì)胞內(nèi)固有的酶類其合成是在相應(yīng)的基因控制下進(jìn)行的，經(jīng)常以較高的濃度存在，不因分解底物或其結(jié)構(gòu)類似物的存在而受影響。如：葡萄糖氧化酶、EMP途徑有關(guān)的酶誘導(dǎo)酶（適應(yīng)酶）：細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶如：阿拉伯膠糖酶、β-半乳糖苷酶當(dāng)基質(zhì)中有其分解底物或有關(guān)誘導(dǎo)物時才合成的酶，當(dāng)特殊物質(zhì)不存在，酶就不產(chǎn)生2023/5/1572southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity73微生物代謝調(diào)節(jié)的部位1.原核微生物細(xì)胞膜，酶，酶與底物相對位置與呼吸產(chǎn)能代謝有關(guān)的酶位于膜上；蛋白質(zhì)合成酶和移位酶位于核糖體上；同核苷酸吸收有關(guān)的酶在G-菌的周質(zhì)區(qū)。2.真核微生物真核微生物酶定位在相應(yīng)細(xì)胞器上；細(xì)胞器各自行使某種特異的功能；真核微生物：合成代謝在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，而分解代謝在線粒體中進(jìn)行。2023/5/1573southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity74控制營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞如：只有當(dāng)速效碳源或氮源耗盡時，微生物才合成遲效碳源或氮源的運(yùn)輸系統(tǒng)與分解該物質(zhì)的酶系統(tǒng)。2023/5/1574southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity75通過酶促反應(yīng)速度來調(diào)節(jié)控制代謝物流向1.調(diào)節(jié)酶的合成量（粗調(diào)）指通過調(diào)節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調(diào)節(jié)機(jī)制數(shù)量的調(diào)控，發(fā)生在基因水平（轉(zhuǎn)錄）的調(diào)節(jié)，2.調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶的活性（細(xì)調(diào)）指通過改變現(xiàn)有酶分子的活性來調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式稱為酶活性的調(diào)節(jié)?；钚缘恼{(diào)控，發(fā)生在蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)。2023/5/1575southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity76一、酶活性的調(diào)節(jié)（包括抑制和激活兩種）

是酶分子水平上的調(diào)節(jié)激活：分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物促進(jìn)抑制：終產(chǎn)物過量時，可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，使反應(yīng)減慢或停止1.反饋抑制的類型2.反饋抑制的機(jī)制特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時又可解除2023/5/1576southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity77酶的反饋調(diào)節(jié)示意圖反饋抑制的機(jī)制（酶的變構(gòu)）主要通過最終產(chǎn)物（末端產(chǎn)物）對反應(yīng)途徑中的第一個酶（變構(gòu)酶或調(diào)節(jié)酶）的抑制變構(gòu)酶：活性中心、調(diào)節(jié)中心效應(yīng)物：激活劑、抑制劑2023/5/1577southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity78（二）反饋抑制的類型直線式末端產(chǎn)物反饋控制分支代謝途徑中的反饋抑制：協(xié)同反饋控制合作反饋控制（增效反饋控制）累積反饋控制順序反饋控制同功酶控制2023/5/1578southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity79直線式末端產(chǎn)物反饋控制

異亮氨酸合成途徑中的直線式反饋抑制

2023/5/1579southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity80分支代謝途徑的反饋控制末端產(chǎn)物D和F協(xié)同反饋控制模式特點(diǎn)：只有D、F均過量時才起作用2023/5/1580southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity81

末端產(chǎn)物D和F合作反饋控制模式特點(diǎn)①單獨(dú)的D或F的作用是輕微的； ②D、F同時過量時作用大于二者之和； ③不能100%抑制；2023/5/1581southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity82末端產(chǎn)物D和F累積反饋控制模式特點(diǎn)：①單獨(dú)的D或F均有抑制作用，互不影響； ②D、F同時過量時，抑制作用是累積的；總抑制：100%-（100%-30%）×（100%-40%）=58%

2023/5/1582southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity83

谷氨酰胺合成酶的累積反饋抑制2023/5/1583southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity84順序反饋控制的模式

枯草桿菌芳香族氨基酸合成途徑中的順序反饋抑制

特點(diǎn)：D的積累不會影響到F的合成2023/5/1584southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity85末端代謝產(chǎn)物D和F的同工酶控制模式

大腸桿菌合成蘇氨酸、甲硫氨酸和賴氨酸中的同工酶調(diào)節(jié)E表示末端產(chǎn)物反饋抑制；R表示末端產(chǎn)物反饋阻遏

特點(diǎn)：D的積累不會影響到F的合成2023/5/1585southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity86二、酶合成的調(diào)節(jié)1.酶合成調(diào)節(jié)的類型誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶阻遏末端產(chǎn)物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏（葡萄糖效應(yīng)）兩種底物存在時，利用快的底物在分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物會阻礙利用慢的底物的有關(guān)酶合成如：E.coli在葡萄糖、乳糖共同存在時的二次生長現(xiàn)象2023/5/1586southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity872.酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制(操縱子學(xué)說)(1)誘導(dǎo)(induction)

：乳糖操縱子的誘導(dǎo)機(jī)制是酶促分解底物或產(chǎn)物誘使微生物細(xì)胞合成分解代謝途徑中有關(guān)酶的過程。微生物通過誘導(dǎo)作用而產(chǎn)生的酶稱為誘導(dǎo)酶（為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的酶類）。(2)阻遏(repression)：色氨酸操縱子的末端產(chǎn)物阻遏機(jī)制是阻礙代謝過程中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成的現(xiàn)象，從而更徹底地控制和減少末端產(chǎn)物的合成。2023/5/1587southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity88阻遏作用的類型末端產(chǎn)物阻遏（end-productrepression）：由于終產(chǎn)物的過量積累而導(dǎo)致生物合成途徑中酶合成的阻遏的現(xiàn)象，常常發(fā)生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要結(jié)構(gòu)元件生物合成的時候。例如過量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。分解代謝物阻遏（cataboliterepression）：當(dāng)微生物在含有兩種能夠分解底物的培養(yǎng)基中生長時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶的合成的現(xiàn)象。最早發(fā)現(xiàn)于大腸桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時,故又稱葡萄糖效應(yīng)。分解代謝物阻遏導(dǎo)致出現(xiàn)“二次生長（diauxicgrowth）”.2023/5/1588southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity89二次生長現(xiàn)象1.單獨(dú)加入葡萄糖時，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨(dú)加入乳糖時，菌體生長有明顯的延遲期；2.同時加入葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長2023/5/1589southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity90二次生長現(xiàn)象葡萄糖乳糖培養(yǎng)時間hlg乳糖葡萄糖效應(yīng)葡萄糖2023/5/1590southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity91操縱子學(xué)說概述：1、操縱子（operon）：是基因表達(dá)和控制的一個完整單元，其中包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動子。①結(jié)構(gòu)基因(structuralgenes)：是決定某一多肽的DNA模板，②啟動子(promoter)：是RNA聚合酶的結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)；③操縱子（operator）：位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，

④調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）：用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因，一般遠(yuǎn)離操縱子,2023/5/1591southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity92乳糖操縱子的調(diào)節(jié)2023/5/1592southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity93酶阻遏的色氨酸操縱子模型

2023/5/1593southernyangtzeuniversity第四節(jié)代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用2023/5/1594southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeuniversity95