第三章微生物的代謝省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

第三章微生物代謝

學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求

掌握生物氧化三種類型。熟記微生物呼吸類型。掌握化能異養(yǎng)微生物能量代謝主要路徑及發(fā)酵類型。熟悉微生物分解代謝了解微生物代謝調(diào)整方式及應(yīng)用。第1頁代謝活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)總稱物質(zhì)代謝分解代謝合成代謝分解代謝與產(chǎn)能代謝緊密相連；合成代謝與耗能代謝緊密相連。微生物代謝離不開酶，不論是分解代謝還是合成代謝都必須在酶催化作用下才能進(jìn)行。

能量代謝產(chǎn)能代謝耗能代謝復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]++第2頁第一節(jié)微生物能量代謝一、微生物呼吸作用微生物生命活動需要能量起源于微生物呼吸作用。營養(yǎng)物質(zhì)或同化產(chǎn)物酶氧化能量轉(zhuǎn)移ATP生物氧化生物氧化：細(xì)胞內(nèi)代謝物以氧化作用產(chǎn)生能量化學(xué)反應(yīng)。氧化過程中能產(chǎn)生大量能量，分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內(nèi)，供需時使用。

第3頁生物氧化方式：

①和氧直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去電子：

Fe2+→Fe3++e-③化合物脫氫或氫傳遞:

CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化功效：產(chǎn)能(ATP)產(chǎn)還原力[H]小分子中間代謝物第4頁生物氧化過程：普通包含三個步驟：①底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱作電子供體或供氫體）②氫（或電子）傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）③最終氫受體接收氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）生物氧化類型：生物氧化反應(yīng)發(fā)酵有氧呼吸無氧呼吸呼吸第5頁生物氧化形式、過程、功效和類型方式與氧結(jié)合脫氫失去電子過程脫氫（電子）遞氫（電子）受氫（電子）功效產(chǎn)能（ATP）產(chǎn)還原力（[H]）產(chǎn)小分子中間代謝產(chǎn)物類型有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵第6頁C6H12O6ABCCO2－[H]/e－[H]/e－[H]/e－[H]/e經(jīng)電子傳遞鏈①有氧呼吸21O2H2OA、B或CAH2、BH2或CH2(發(fā)酵產(chǎn)物：乙醇、乳酸等)NO3-,SO4-,CO2NO2-,SO3-,CH4[H]/e②無氧呼吸③發(fā)酵脫氫遞氫受氫有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵示意圖第7頁

呼吸與發(fā)酵根本區(qū)分在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。遞氫/電子特點(diǎn)電子（氫）受體發(fā)酵不經(jīng)電子傳遞鏈內(nèi)源性中間代謝物有氧呼吸經(jīng)完整電子傳遞鏈外源分子氧無氧呼吸經(jīng)部分電子傳遞鏈外源性氧化型化合物第8頁狹義“發(fā)酵”是指在無外源電子受體條件下，微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放電子直接交給底物本身未完全氧化某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不一樣代謝產(chǎn)物過程。廣義“發(fā)酵”是指利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物一個生產(chǎn)方式；第9頁在工業(yè)生產(chǎn)中常把微生物在通氣或厭氧條件下產(chǎn)品生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。發(fā)酵第10頁不一樣微生物發(fā)酵產(chǎn)物不一樣，也是細(xì)菌分類判定主要依據(jù)。大腸桿菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，甲酸在酸性條件下可深入裂解生成H2和CO2產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，但不能使甲酸裂解產(chǎn)生H2和CO2產(chǎn)酸不產(chǎn)氣第11頁二、不一樣呼吸類型微生物好氧菌厭氧菌1.專性好氧菌:正常大氣壓下經(jīng)過呼吸產(chǎn)能2.兼性厭氧菌:以呼吸為主，兼營發(fā)酵產(chǎn)能3.微好氧菌:在微量氧下生活，以呼吸為主，兼營無氧呼吸4.耐氧菌:不需氧，只能以發(fā)酵產(chǎn)能5.(專性)厭氧菌:只能以發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能，氧可使其致死第12頁氧與微生物生長關(guān)系第13頁三、化能異養(yǎng)微生物能量代謝及發(fā)酵類型（一）化能異養(yǎng)微生物以有機(jī)物為底物，進(jìn)行生物氧化主要路徑（以葡萄糖為例）不一樣微生物含有不一樣酶系統(tǒng)，能夠經(jīng)過不一樣路徑完成脫氫，在此過程中產(chǎn)生不一樣中間代謝產(chǎn)物，而使不一樣微生物展現(xiàn)出各種代謝發(fā)酵類型。第14頁（二）化能異養(yǎng)微生物脫氫路徑及其發(fā)酵類型1.EMP路徑（糖酵解路徑）EMP路徑為合成代謝提供了：能量：2ATP還原力：2NADH2中間產(chǎn)物：6-P葡萄糖P-二羥丙酮3-P甘油酸P-烯醇式丙酮酸丙酮酸

第15頁第16頁（1）酵母菌酒精發(fā)酵葡萄糖EMP2丙酮酸脫羧2乙醛2CO22NADH22NAD+2乙醇第一型發(fā)酵無氧和酸性條件下（pH3.5-4.5）注意：如將氧氣通入正在進(jìn)行乙醇發(fā)酵酵母發(fā)酵液中，葡萄糖分解速度會快速下降并停頓產(chǎn)生乙醇。第17頁第二型發(fā)酵發(fā)酵液中存在亞硫酸氫鈉時乙醛+亞硫酸氫鈉硫化羥基乙醛（難溶結(jié)晶狀）磷酸二羥丙酮+2Hα磷酸甘油磷酸甘油甘油發(fā)酵第三型發(fā)酵偏堿性條件時（pH7.6）2乙醛氧化乙酸乙醇還原磷酸二羥丙酮+2Hα磷酸甘油磷酸甘油2葡萄糖第18頁課后作業(yè)：你認(rèn)為酒精（乙醇）發(fā)酵過程中關(guān)鍵原因有哪些？并請進(jìn)行解釋。第19頁（2）乳酸菌同型乳酸發(fā)酵乳酸是細(xì)菌發(fā)酵最常見最終產(chǎn)物，一些能夠產(chǎn)生大量乳酸細(xì)菌稱為乳酸菌。在乳酸發(fā)酵過程中，發(fā)酵產(chǎn)物中只有乳酸稱為同型乳酸發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵主要特點(diǎn)是，己糖（如葡萄糖）經(jīng)EMP路徑降解為丙酮酸后，丙酮酸作為最終電子受體，接收葡萄糖氧化脫下電子，被還原為乳酸，產(chǎn)生少許ATP。能進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵細(xì)菌如嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌等。第20頁聚乳酸（PLA）介紹：

多個乳酸分子在一起，-OH與別分子-COOH脫水縮合，-COOH與別分子-OH脫水縮合，就這么，它們手拉手形成了聚合物，叫做聚乳酸。聚乳酸熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃，有好抗溶劑性，可用各種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，所以用途十分廣泛，可用作包裝材料、纖維和非織造物等，主要用于服裝、工業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。第21頁以EMP路徑生成丙酮酸為中間產(chǎn)物，進(jìn)行發(fā)酵類型有各種，可產(chǎn)生不一樣發(fā)酵產(chǎn)物，有些除產(chǎn)生酸性物質(zhì)以外，還會產(chǎn)生各類氣體，經(jīng)過對這些物質(zhì)和氣體檢測，能夠?qū)κ称分懈黝惥N，如大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌等進(jìn)行判定。乙醇發(fā)酵乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵丁二醇發(fā)酵丁酸發(fā)酵第22頁2.HMP路徑HMP路徑是一條能產(chǎn)生大量NADPH2形式還原力和主要中間代謝產(chǎn)物代謝路徑，此路徑可概括為三個階段。HMP路徑普遍存在于微生物細(xì)胞中，通常是和EMP路徑同時存在于一個微生物中，而以HMP路徑為唯一降解路徑微生物及其罕見。HMP路徑主要作用在于，為細(xì)胞生物合成提供了大量C3、C4、C5、C6和C7等前體物質(zhì)，尤其是磷酸戊糖是合成核酸和一些輔酶主要底物。第23頁3.PK路徑（磷酸戊糖解酮酶路徑）與HMP路徑相同代謝終產(chǎn)物有乳酸和乙醇異型乳酸發(fā)酵可經(jīng)過PK路徑進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵微生物主要有：腸膜狀明串珠菌、短乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌、甘露乳桿菌、番茄乳桿菌等。第24頁4.雙歧路徑該路徑是兩歧雙歧桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌等雙歧桿菌分解葡萄糖非經(jīng)典異型乳酸發(fā)酵路徑。2葡萄糖2乳酸+3乙酸+5ATP第25頁乳酸發(fā)酵廣泛應(yīng)用于食品和農(nóng)牧業(yè)中。因?yàn)槿樗峋x活動，積累乳酸，抑制了其它微生物生長，能使蔬菜、牛奶、青貯飼料等得以保留。第26頁5.ED路徑經(jīng)過ED路徑產(chǎn)生丙酮酸可經(jīng)過脫羧產(chǎn)生乙醛，乙醛可深入還原為乙醇——細(xì)菌乙醇發(fā)酵第27頁關(guān)鍵反應(yīng)：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解相關(guān)發(fā)酵生產(chǎn)：細(xì)菌酒精發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，無須定時供氧。缺點(diǎn)：pH5，較易染菌；細(xì)菌對乙醇耐受力低。

ATP有氧時經(jīng)呼吸鏈

6ATP

無氧時進(jìn)行發(fā)酵

2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸

ATP C6H12O6 KDPGED路徑總反應(yīng)第28頁6.三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧TCA循環(huán)總式：C6H12O6+6O2→6H2O+6CO2+30ATPTCA循環(huán)為合成代謝提供：能量：ATP還原力：NADH2

NADPH2

FADH2小分子C架化合物：第29頁第二節(jié)微生物分解代謝階段一：蛋白質(zhì)、多糖、脂類等大分子物質(zhì)降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子；階段二：將第一階段產(chǎn)物深入降解為更簡單乙酰輔酶A、丙酮酸和其它能進(jìn)入TCA循環(huán)中間產(chǎn)物；階段三：經(jīng)過TCA循環(huán)將階段二產(chǎn)物完全降解為CO2和H2O并產(chǎn)生生命活動所需能量。第30頁一、多糖分解淀粉α-淀粉酶麥芽糖、低聚糖、極限糊精β-淀粉酶葡萄糖苷酶異淀粉酶液化型淀粉酶麥芽糖或葡萄糖糖化型淀粉酶各類型淀粉酶單獨(dú)或配合使用時，能夠?qū)⒌矸劢到鉃樾》肿悠咸烟恰Ⅺ溠刻?、糊精等，廣泛地應(yīng)用于烘焙工業(yè)、淀粉制糖工業(yè)、啤酒釀造、酒精工業(yè)等。第31頁纖維素纖維素酶葡萄糖單細(xì)胞蛋白新型飼料酒精生產(chǎn)纖維素是地球上含量最多、分布最豐富碳水化合物半纖維素半纖維素酶各種單糖改進(jìn)植物性食品質(zhì)量提升淀粉質(zhì)原料發(fā)酵利用率提升果汁飲料澄清度果膠果膠酶半乳糖醛酸糖代謝水果加工中最主要酶，加速果汁過濾和果汁澄清第32頁在食品加工過程中經(jīng)常利用是植物性原料，而植物細(xì)胞內(nèi)含物，如蛋白質(zhì)、淀粉、油脂、芳香油、可溶性生物堿、色素等天然成份，被植物細(xì)胞壁包裹或與細(xì)胞壁緊密相連，在加工過程中極難得到充分釋放。植物細(xì)胞壁主要成份是纖維素、半纖維素和果膠等。所以，利用微生物發(fā)酵制得纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶等，慣用于食品加工工業(yè)，可使植物細(xì)胞壁發(fā)生軟化、膨脹和瓦解等，從而改變細(xì)胞通透性，提升細(xì)胞內(nèi)含物提取率，簡化加工工藝，改進(jìn)食品品質(zhì)。第33頁二、含氮有機(jī)化合物分解蛋白質(zhì)、核酸普通為大分子物質(zhì)，極難直接透過細(xì)胞膜，微生物對其利用時，首先向胞外分泌對應(yīng)消化酶，將大分子物質(zhì)一定程度降解后，再吸收到胞內(nèi)深入降解和利用。1.蛋白質(zhì)分解蛋白質(zhì)蛋白酶細(xì)胞外短肽肽酶細(xì)胞內(nèi)氨基酸有機(jī)酸、吲哚、胺、H2S、NH3、CH4、H2、CO2等分解蛋白質(zhì)微生物：真菌分解蛋白質(zhì)能力較強(qiáng)，如曲霉、毛霉等，放線菌中許多鏈霉菌，細(xì)菌中枯草芽孢桿菌、假單胞菌等均可分解蛋白質(zhì)。第34頁在食品工業(yè)中用途第35頁2.氨基酸分解氨基酸脫氨作用脫羧作用各種有機(jī)酸TCA循環(huán)生成葡萄糖有機(jī)胺有氧厭氧有機(jī)酸醇和有機(jī)酸氨基酸分解產(chǎn)生有機(jī)酸、醇等中間產(chǎn)物，可增加發(fā)酵食品中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，形成胺則常使食物含有毒性和難聞氣味。2.核酸分解（略）第36頁三、脂肪和脂肪酸分解脂肪和脂肪酸作為碳源和能源，被微生物遲緩利用，在缺乏其它碳源與能源物質(zhì)時，微生物分解與利用脂肪進(jìn)行生長。甘油三酯甘油磷酸二羥丙酮3磷酸甘油醛EMP路徑脂肪酸乙酰輔酶ATCA循環(huán)第37頁第三節(jié)微生物合成代謝（略）第38頁第四節(jié)微生物代謝調(diào)整基因酶代謝路徑代謝產(chǎn)物反饋調(diào)整合成活性第39頁一、酶合成調(diào)整經(jīng)過調(diào)整酶合成量進(jìn)而調(diào)整代謝速率調(diào)整機(jī)制，是基因水平上調(diào)整，屬于粗放調(diào)整，間接而遲緩。（一）酶合成調(diào)整類型1.誘導(dǎo)（induction）：是反應(yīng)底物或產(chǎn)物誘使微生物細(xì)胞合成份解代謝路徑中相關(guān)酶過程。微生物經(jīng)過誘導(dǎo)作用而產(chǎn)生酶稱為誘導(dǎo)酶（為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而暫時合成酶類）。2.阻遏（repression）：是阻遏代謝過程中包含關(guān)鍵酶在內(nèi)一系列酶合成現(xiàn)象，從而更徹底控制和降低末端產(chǎn)物合成。第40頁（二）酶合成誘導(dǎo)操縱子學(xué)說：操縱子（operon）：是基因表示和控制一個完整單元，其中包含開啟基因（promoter）、操縱基因（operator）和結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）三部分。第41頁無乳糖時：細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生阻遏物結(jié)合在操縱基因上，酶轉(zhuǎn)錄無法進(jìn)行。有乳糖時：乳糖與阻遏物結(jié)合，使其變構(gòu)，不能與操縱基因結(jié)合，從而轉(zhuǎn)錄進(jìn)行，合成乳糖酶，分解乳糖。第42頁（三）酶合成阻遏1.終產(chǎn)物阻遏：在合成代謝中，終產(chǎn)物阻遏該路徑全部酶合成，屬于基因表示調(diào)控。第43頁2.分解代謝物阻遏：是指培養(yǎng)基中同時存在兩種分解代謝底物（兩種碳源或氮源）時，微生物細(xì)胞利用快那種碳源（或氮源