北工大微生物學(xué)第6章.ppt

1、第六章 微生物的代謝,第六章 微生物的代謝,微生物在生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖過程中，需要不斷地從外界環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在體內(nèi)經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成能量和構(gòu)成細(xì)胞的物質(zhì)，并排出不需要的產(chǎn)物。這一系列的生化過程稱為新陳代謝。 微生物的代謝(metabolism)是指發(fā)生在微生物細(xì)胞中的分解代謝(catabolism)與合成代謝(anabolism)的總和。,分解代謝（catabolism）指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。 合成代謝（anabolism）指細(xì)胞利用小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過程，并在這個(gè)過程中消耗能量。,在代謝過程中，微生物通過分解作用產(chǎn)生化學(xué)能，光合微生物

2、還可將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，這些能量 用于：1.合成代謝；2.微生物的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸； 3.熱和光。,無(wú)論是分解代謝還是合成代謝，代謝途徑都是由一系列連續(xù)的酶反應(yīng)構(gòu)成的，前一部反應(yīng)的產(chǎn)物是后續(xù)反應(yīng)的底物。,細(xì)胞能有效調(diào)節(jié)相關(guān)的酶促反應(yīng)，使生命活動(dòng)得以正常進(jìn)行。,某些微生物在代謝過程中，除了產(chǎn)生其生命活動(dòng)所必需的初級(jí)代謝產(chǎn)物和能量外，還會(huì)產(chǎn)生一些次級(jí)代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)除有利于微生物生存，還與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)。,代謝（metabolism）：,細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱,復(fù)雜分子 （有機(jī)物）,分解代謝,合成代謝,簡(jiǎn)單小分子,ATP,H,第一節(jié) 酶的基本知識(shí) 第二節(jié) 能量代謝 第三節(jié) 大分子物質(zhì)的降

3、解 第四節(jié) 微生物的發(fā)酵 第五節(jié) 微生物代謝的調(diào)節(jié)和控制,第六章 微生物的代謝,第一節(jié) 酶的基本知識(shí),微生物的代謝活動(dòng): 酶類受多因素的調(diào)節(jié)和控制組合成有規(guī)律.有組織的酶系,完成復(fù)雜的代謝活動(dòng). 酶是生物的催化劑-沒有酶,微生物就沒有生命,生命是不能離開酶而存在.,酶的性質(zhì) 酶是生物催化劑 2.酶具有高度催化效果 3.酶具有高度專一性 (1).絕對(duì)專一性 (2).相對(duì)專一性 (3).立體異構(gòu)專一性,4.酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì),5.酶作用受到溫度.PH.酶濃度激活劑.抑制劑等因素的影響 二.酶的分類 1.氧化還原酶類:-氧化酶.脫氫酶 2.轉(zhuǎn)移酶類:-催化化合物中某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移,即將一種分子上的某

4、一基團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一種分子上去的反應(yīng).,3. 水解酶類,將有機(jī)大分子水解為簡(jiǎn)單的小分子化合物 4.裂合酶類:催化一個(gè)化合物分解為幾個(gè)化合物,逆反應(yīng)也可 5.異構(gòu)酶類:催化同分異構(gòu)化合物之間的相互轉(zhuǎn)化,即分子內(nèi)部基團(tuán)的重新排列 6.合成酶類 催化兩個(gè)化合物的結(jié)合,形成新的物質(zhì),第二節(jié) 能量代謝,分解代謝實(shí)際上是物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，逐步分解并釋放能量的過程，這個(gè)過程也稱為生物氧化，是一個(gè)產(chǎn)能代謝過程。 在生物氧化過程中釋放的能量可被微生物直接利用，也可通過能量轉(zhuǎn)換貯存在高能化合物(如ATP）中，以便逐步被利用，還有部分能量以熱的形式被釋放到環(huán)境中。 不同類型微生物進(jìn)行生物氧化所

5、利用的物質(zhì)是不同的，異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物，自養(yǎng)微生物則利用無(wú)機(jī)物，通過生物氧化來(lái)進(jìn)行產(chǎn)能代謝。,第二節(jié) 能量代謝,一.生物氧化的過程 1.底物脫氫作用 2.氫和電子的傳遞 3.最后受氫體接受氫和電子,生物氧化作用是在微生物細(xì)胞內(nèi)酶的催化下，完成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化的過程，也是生物體新陳代謝的重要基本反應(yīng)。,第二節(jié) 能量代謝,能量代謝的中心任務(wù)是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源 ATP 。對(duì)微生物來(lái)說(shuō)，它們可利用的最初能源有三大類即：有機(jī)物、日光和還原態(tài)無(wú)機(jī)物。,二.生物氧化的類型,1.好氧呼吸 以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程. 徹底氧化，放能最多。

6、 2.厭氧呼吸 以無(wú)機(jī)氧化物作為最終電子受體有機(jī)化合物.不需要氧氣，放能多。 3.發(fā)酵. 電子供體是有機(jī)化合物,而最終電子受體也是有機(jī)化合物的生物氧化過程 不徹底氧化，放能最少。,有關(guān)“鬼火”的生物學(xué)解釋,在無(wú)氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時(shí)，可以磷酸鹽代替，其結(jié)果是生成磷化氫（PH3），一種易燃?xì)怏w。當(dāng)有機(jī)物腐敗變質(zhì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種情況。 若埋葬尸體的墳?zāi)狗饪诓粐?yán)時(shí)，這種氣體就很易逸出。農(nóng)村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會(huì)發(fā)出綠幽幽的光。長(zhǎng)期以來(lái)人們無(wú)法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。,三.呼吸鏈,微生物從呼吸底物脫下的氫和電

7、子向最終電子受體的傳遞過程中,要經(jīng)過一系列的中間傳遞體,并有順序的進(jìn)行,他們相互”連接”如同鏈條一樣-呼吸鏈.也稱為生物氧化鏈。,四. ATP的生成,ATP是微生物生命活動(dòng)的能量來(lái)源. ATP的產(chǎn)生是電子從起始的電子供體經(jīng)過呼吸鏈傳至最終受體的結(jié)果.,ATP是生物體內(nèi)能量的主要傳遞者 ATP的生成需要能量，這些能量來(lái)自光能及化學(xué)能。 ATP和酶產(chǎn)生偶聯(lián)作用即可利用,又可儲(chǔ)存 由光能生成ATP的過程稱為光和磷酸化； 以化學(xué)能生成ATP的過程稱為氧化磷酸化。,光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應(yīng)。 光合磷酸化作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,以用于從二氧化碳合成細(xì)胞物質(zhì).主要是光合微生物。 光合微生物:藻類

8、、藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌（包括紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌和嗜鹽菌等）。 細(xì)菌的光合作用與高等植物不同的是，除藍(lán)細(xì)菌具有葉綠素、能進(jìn)行水的裂解進(jìn)行產(chǎn)氧的光合作用外，其他細(xì)菌沒有葉綠素，只有菌綠素或其他光合色素，只能裂解無(wú)機(jī)物（如H2、H2S等）或簡(jiǎn)單有機(jī)物，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用。,氧化磷酸化：利用化合物氧化過程中釋放的能量生成ATP的反應(yīng)。 氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種： 底物水平磷酸化不需氧 電子傳遞磷酸化需氧。 底物水平磷酸化： 底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個(gè)化合物通過相應(yīng)的酶作用把高能鍵磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，使其生成ATP。 這種類型的氧化磷酸化方式在生物代

9、謝過程中較為普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。,在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來(lái)，形成ATP。 呼吸鏈中的電子傳遞體主要由各種輔基和輔酶組成，最重要的電子傳遞體是泛琨（即輔酶Q）和細(xì)胞色素系統(tǒng)。在不同種類的微生物中細(xì)胞色素的成員是不同的。 通過呼吸鏈生成的ATP數(shù)量主要是根據(jù)呼吸鏈成員的多少而不同，而呼吸鏈的組成因微生物種類而異，如酵母菌可生成3個(gè)ATP，而細(xì)菌大約只生成1個(gè)ATP,磷酸化作用是在電子自供體向最終受體的傳遞過程中發(fā)生的。,電子傳遞磷酸化,ATP的生成,ATP的生成方式:,微生物能量代謝活動(dòng)中所涉及的主要是ATP（高

10、能分子）形式的化學(xué)能. ATP是生物體內(nèi)能量的載體或流通形式.當(dāng)微生物獲得能量后,都是先將獲得的能量轉(zhuǎn)換成ATP.當(dāng)需要能量時(shí),ATP分子上的高能鍵水解,重新釋放出能量。,光合磷酸化 氧化磷酸化,底物水平磷酸化 電子傳遞磷酸化,大分子物質(zhì)的降解,淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、果膠質(zhì)等,胞外酶的作用,葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等,第三節(jié). 大分子物質(zhì)的降解,第三節(jié). 大分子物質(zhì)的降解,一. 多糖的分解 (一). 淀粉的分解 淀粉微生物碳源的原料 淀粉-是葡萄糖的多聚物. 淀粉-直鏈淀粉(20%).支鏈淀粉(80%) 微生物對(duì)淀粉的分解是由微生物 分泌的淀粉酶催化進(jìn)行. 淀粉酶是水解淀粉糖苷鍵酶的總稱.,（一）

11、淀粉的分解 淀粉是葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的一種大分子物質(zhì)。淀粉有兩類，一類是由-1,4-糖苷鍵將葡萄糖連接而成的直鏈淀粉；另一類是在直鏈淀粉基礎(chǔ)上，又產(chǎn)生由-1,6-糖苷鍵連接起來(lái)產(chǎn)生了分支的支鏈淀粉。一般在自然淀粉中，直鏈淀粉約占10%20%，支鏈淀粉約占80%90%。在以淀粉作為生長(zhǎng)碳源與能源的微生物中，它們能利用本身合成并分泌到胞外的淀粉酶，將淀粉水解生成雙糖與單糖后，被微生物吸收，然后再被分解與利用。分解淀粉的酶種類較多，而且作用方式各異，目前按作用方式與特點(diǎn)可將淀粉酶分為幾種類型。,1.液化型淀粉酶（又稱-淀粉酶） 此酶作用的結(jié)果是產(chǎn)生麥芽糖、含有6個(gè)葡萄糖單位的寡糖和帶有支鏈的寡

12、糖。由于它作用的結(jié)果使原來(lái)淀粉溶液的黏度下降，并且產(chǎn)物的構(gòu)型是-構(gòu)型，故稱為液化型淀粉酶或稱-淀粉酶。在微生物中，許多細(xì)菌、放線菌和霉菌均能產(chǎn)生液化型淀粉酶，而且還可以通過工業(yè)發(fā)酵的方式來(lái)生產(chǎn)淀粉酶，枯草桿菌通常用作-淀粉酶的生產(chǎn)菌株。,2.糖化型淀粉酶 這是一類酶的總稱。它們的一個(gè)共同特點(diǎn)是可以將淀粉水解成麥芽糖或葡萄糖，故名糖化型淀粉酶。目前已知這類酶至少包括下述三種：淀粉-1,4-麥芽糖苷酶（又稱-淀粉酶）。故此酶作用于淀粉后的產(chǎn)物是麥芽糖與極限糊精；淀粉-1,4-葡萄糖苷酶。此酶作用于直鏈淀粉后的產(chǎn)物幾乎全是葡萄糖，作用于支鏈淀粉后的產(chǎn)物有葡萄糖與帶有-1,6-糖苷鍵的寡糖。根霉與曲霉

13、普遍都能合成與分泌此酶；淀粉-1,6-糖苷酶（又稱異淀粉酶）。此酶專門作用于淀粉分子中的-1,6-糖苷鍵，生成葡萄糖。,（二）纖維素的分解 纖維素是一種由葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的大分子化合物。它的相對(duì)分子質(zhì)量更大，更不溶于水，均不能直接被人和動(dòng)物消化，但它可以被許多真菌包括木霉、青霉、曲霉、根霉以及放線菌與細(xì)菌中的一些酶分解與利用。細(xì)菌中常見的纖維素分解菌有黏細(xì)菌、梭狀芽孢桿菌、瘤胃細(xì)菌、產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、丁酸弧菌等。 是葡萄糖由糖苷鍵組成的的大分子化合物,廣泛存在于自然界中,是植物細(xì)胞壁的主要成分. 纖維素酶纖維素水解酶的總稱.,（三）果膠質(zhì)的分解,果膠是植物細(xì)胞的間隙物質(zhì),使臨近細(xì)胞壁相連

14、. 在漿果中,果膠的含量最豐富. 果膠酶分解果膠的酶的總稱. 果膠酶-廣泛存在于植物.霉菌.細(xì)菌和酵母菌中.,二.蛋白質(zhì).氨基酸的分解,(一).蛋白質(zhì)的分解 蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的分子巨大結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物. 蛋白酶 蛋白質(zhì) 多肽或氨基酸,微生物對(duì)蛋白質(zhì)的分解作用與人類的關(guān)系極為密切。土壤中含有的蛋白質(zhì)物質(zhì)，主要靠蛋白質(zhì)分解菌分解，生成簡(jiǎn)單的含氮化合物，再供植物與微生物利用. 在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)的醬制品，如醬油，豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物對(duì)蛋白質(zhì)的分解作用。 另一方面，微生物對(duì)蛋白質(zhì)作用也對(duì)人類產(chǎn)生有害的作用，如食物的腐敗、傷口的感染、化膿等。 目前已能利用枯草桿菌、棲土曲霉、放線菌等微

15、生物來(lái)生產(chǎn)蛋白酶，用它來(lái)進(jìn)行皮革脫毛、蠶絲脫膠等，滿足皮革、紡織等領(lǐng)域工業(yè)的需要。,蛋白酶的分類:,水解蛋白質(zhì)的方式-內(nèi)肽酶.端肽酶. 蛋白酶的來(lái)源-動(dòng)物.植物.微生物蛋白酶 蛋白酶在體內(nèi)在的位置-胃.胰.木瓜.菠蘿蛋白酶等. 蛋白酶作用的最適的PH-酸性.中性.鹼性. 蛋白酶的活性中心和最適作用PH,絲氨酸.巰基.金屬.酸性蛋白酶等 2.蛋白酶的生產(chǎn)菌種 細(xì)菌.霉菌.放線菌等.,1.脫氨作用 脫氨基主要有氧化脫氨基（大腸桿菌等參與）、水解脫氨基（酵母菌等參與）和還原脫氨基（大腸桿菌等參與）等幾種方式。 1.氧化脫氨基 CH3CHNH2COOH+1/2O2CH3COCOOH+NH3 2.水解脫

16、氨基 RCHNH2COOH+H2ORCH2OH+CO2+NH3 3.還原脫氨基 HOOCCH2CHNH2COOHHOOCCH=CHCOOH+NH3,(二).氨基酸的分解,主要是脫氨作用.脫羧基作用.,2. 脫羧基作用 許多微生物細(xì)胞體內(nèi)通常都具有氨基酸脫羧酶，它可以催化氨基酸脫羧生成有機(jī)胺，有機(jī)胺在胺氧化酶的作用下，放出氨生成相應(yīng)的醛，醛再氧化成有機(jī)酸，最后按脂肪酸-氧化的方式分解，為機(jī)體生長(zhǎng)提供必要的能量與小分子化合物。 微生物分解氨基酸的方式及產(chǎn)物的不同,常用來(lái)作為鑒定菌種的一個(gè)生理生化指標(biāo).,第四節(jié).微生物的發(fā)酵,發(fā)酵（fermentation),廣義的“發(fā)酵”是指利用微生物生產(chǎn)有用代謝

17、產(chǎn)物的一種生產(chǎn)方式； 狹義的“發(fā)酵”是指在無(wú)外源電子受體的條件下，微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同代謝產(chǎn)物的過程。 在發(fā)酵條件下有機(jī)化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的。被還原的有機(jī)物來(lái)自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。,在工業(yè)生產(chǎn)中常把好氧或兼性厭氧微生物在通氣或厭氣的條件下的產(chǎn)品生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。,發(fā)酵（fermentation）,發(fā)酵途徑 發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。生物體內(nèi)葡萄糖被降

18、解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑. 發(fā)酵類型 在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進(jìn)一步代謝。在無(wú)氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸后會(huì)積累不同的代謝產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物不同，發(fā)酵的類型主要有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵、混合酸發(fā)酵等。,一. 由EMP途徑進(jìn)行的發(fā)酵 (一).EMP途徑（糖酵解途徑） 在無(wú)氧條件下,微生物利用葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)酸.醇類.和CO2等物質(zhì),稱為糖酵解途徑.又稱EMP途徑. (二).由EMP途徑進(jìn)行的發(fā)酵 1.乙醇發(fā)酵 在酵母菌的乙醇發(fā)酵里，葡萄糖經(jīng)過糖酵解作用產(chǎn)生兩個(gè)丙酮酸，丙酮酸再經(jīng)脫羧、放出CO2生成乙醛

19、，乙醛接受糖酵解過程中放出的氫而被還原成乙醇。因此在乙醇發(fā)酵過程中，一個(gè)葡萄糖最終轉(zhuǎn)變成兩個(gè)乙醇，放出兩個(gè)CO2，同時(shí)凈產(chǎn)生兩個(gè)ATP：,2. 乳酸發(fā)酵 乳酸發(fā)酵：許多細(xì)菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細(xì)菌稱為乳酸細(xì)菌。根據(jù)產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵有三種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。 同型乳酸發(fā)酵：葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產(chǎn)物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。 異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖首先經(jīng)PK途徑分解，發(fā)酵終產(chǎn)物除乳酸以外還有一部分乙醇或乙酸。 雙歧發(fā)酵：是雙歧桿菌發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乳酸的一條途徑。 漬酸菜，南方泡菜是常見的乳酸發(fā)酵

20、。,3. 丙酸發(fā)酵：許多厭氧菌可進(jìn)行丙酸發(fā)酵。葡萄糖經(jīng)EMP途徑分解為兩個(gè)丙酮酸后，再被轉(zhuǎn)化為丙酸。少數(shù)丙酸細(xì)菌還能將乳酸（或利用葡萄糖分解而產(chǎn)生的乳酸）轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷?4. 混合酸發(fā)酵 許多微生物還能通過發(fā)酵將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，因此，將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。 5.丁酸發(fā)酵：發(fā)酵終產(chǎn)物為丁酸或丁醇和丙酮。,6.丁二醇發(fā)酵（2，3-丁二醇發(fā)酵） 腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等,丙酮酸,乙酰乳酸,3-羥基丁酮,乙二酰,紅色物質(zhì),（乙酰乳酸脫氫酶）,（OH-、O2）,中性,丁二醇,精氨酸胍基,其中兩個(gè)重要的鑒定反應(yīng)：

21、1 、VP實(shí)驗(yàn) 2、甲基紅（M.R）反應(yīng) 產(chǎn)氣腸桿菌： V.P.試驗(yàn)（+），甲基紅（-） E.coli： V.P.試驗(yàn)（-），甲基紅（+）,V.P.試驗(yàn)的原理：,甲基紅實(shí)驗(yàn)(M.R): 產(chǎn)氣桿菌在發(fā)酵葡萄糖時(shí)，只有一小部分按混合酸發(fā)酵的類型進(jìn)行外，大部分丙酮酸先通過兩個(gè)分子的縮合成為乙酰乳酸，再脫羧成為3-羥基丁酮，然后再還原為2，3-丁二醇。丁二醇是中性的，而大腸桿菌的產(chǎn)物中有多種有機(jī)酸，發(fā)酵液中PH很低（4.5）,甲基紅實(shí)驗(yàn)(M.R)結(jié)果為大腸桿菌陽(yáng)性（）, 產(chǎn)氣桿菌甲基紅實(shí)驗(yàn)(M.R)結(jié)果為陰性（）。,V.P實(shí)驗(yàn): 丁二醇發(fā)酵的中間產(chǎn)物-3-羥基丁酮是菌種鑒定的V.P實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。3-

22、羥基丁酮在堿性條件下被空氣中的氧氣氧化成（雙）乙二酰，它能與培養(yǎng)基成分蛋白胨中的精氨酸所含的胍基反應(yīng)生成紅色化合物。產(chǎn)氣桿菌產(chǎn)生大量3-羥基丁酮，故V.P實(shí)驗(yàn)陽(yáng)性（）；而大腸桿菌產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生3-羥基丁酮，故V.P實(shí)驗(yàn)陰性（）。,在飲水、食品的衛(wèi)生學(xué)檢驗(yàn)中對(duì)大腸桿菌和產(chǎn)氣桿菌常用的鑒別指標(biāo)： 大腸桿菌 產(chǎn)氣桿菌 V.P實(shí)驗(yàn) （） （） M.R實(shí)驗(yàn) （） （） EMB培養(yǎng)基 紫黑色干燥的 濕潤(rùn)的灰棕色的 具有金屬光澤 大菌落 的小菌落,a,a :預(yù)備性反應(yīng),b,b :氧化還原反應(yīng),底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,EMP途徑 （Embden-Meyerhof pathway）,EMP途徑意義：

23、為細(xì)胞生命活動(dòng)提供ATP 和 NADH,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6- 二磷酸,磷酸二羥丙酮,甘油醛-3-磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,EMP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 總反應(yīng)式： 葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA 丙酮酸脫氫酶 乙酰CoA， 進(jìn)入TCA,二. 由HMP 途徑進(jìn)行的發(fā)酵,(一).HMP 途徑 微生物在利用葡萄糖分解代謝過程中,由磷酸已糖開始分解,形成5C物

24、;5C物再分解成3C物和 2C物; 3C物和 2C物又繼續(xù)進(jìn)行代謝生成乳酸等產(chǎn)物.- HMP 途徑,分為兩個(gè)階段： 1、3個(gè)分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個(gè)分子NADPH+H+，3個(gè)分子CO2和3個(gè)分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下使部分碳鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。,(二). HMP 途徑進(jìn)行的發(fā)酵,6-磷酸果糖出路：可被轉(zhuǎn)變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途徑。 甘油醛-3-磷酸出路： a、經(jīng)EMP途徑，轉(zhuǎn)化成丙酮酸，進(jìn)入TCA 途徑 b

25、、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑。 總反應(yīng)式： 6 6-磷酸葡萄糖+12NADP+3H2O 5 6-磷酸葡萄糖 + 6CO2+12NADPH+12H+Pi 特點(diǎn)： a 、不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無(wú)ATP生成， b、產(chǎn)大量的NADPH+H+還原力 ； c、產(chǎn)各種不同長(zhǎng)度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖 ） d、單獨(dú)HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存 e、HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑。,三.由TCA循環(huán)進(jìn)行的發(fā)酵,(一). TCA循環(huán) 許多好氧和兼性厭氧微生物都能通過TCA途徑進(jìn)行發(fā)酵,在一定條件下,生成許多產(chǎn)物,微生物利用葡萄糖,經(jīng)過EMP途徑生成丙酮酸,在無(wú)

26、氧條件下還原成乙醇.乳酸等發(fā)酵產(chǎn)物. 但在有氧條件下,丙酮酸經(jīng)過循環(huán)代謝途徑,不斷被分解,最終被徹底氧化成CO2和H2O,并釋放出大量能量.在這個(gè)循環(huán)代謝途徑中,由于有幾個(gè)中間產(chǎn)物是含3個(gè)羧基的化合物-三羧酸循環(huán),丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成 乙酰CoA，乙酰CoA和 草酰乙酸縮合成檸檬 酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。 循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA 被徹底氧化成CO2和H2O， 每氧化1分子的乙酰CoA 可產(chǎn)生12分子的ATP，草 酰乙酸參與反應(yīng)而本身 并不消耗。,TCA循環(huán)的重要特點(diǎn),1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反

27、應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原； 3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。 4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體； 5、生物體提供能量的主要形式； 6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。,TCA循環(huán)的生理意義： （1）為細(xì)胞提供能量。 （2）三羧酸循環(huán)是微生物細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化的共同代謝途徑。 （3)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐。,TCA循環(huán)檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán),四. 由ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵,(一). ED途徑:,四. ED途徑 2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑 1952年

28、 Entner-Doudoroff ：嗜糖假單胞 (二) 由ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵 過程： （4步反應(yīng)） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脫水酶,3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸,KDPG醛縮酶,特點(diǎn): a、步驟簡(jiǎn)單 b、產(chǎn)能效率低：1 ATP c、關(guān)鍵中間產(chǎn)物 KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶 細(xì)菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等。,第五節(jié)微生物代謝的調(diào)節(jié)與控制,一 酶合成的調(diào)節(jié) 二 酶活性的調(diào)節(jié),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。,微生物細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié) 主要是通過控制酶的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)

29、的,調(diào)節(jié)類型,酶合成調(diào)節(jié),酶活性調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的是已有酶分子的活性，是在酶化學(xué)水平上發(fā)生的,調(diào)節(jié)的是酶分子的合成量，是在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的,原核基因的表達(dá)調(diào)控,一、酶合成的調(diào)節(jié),酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。 凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。 能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。,與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實(shí)現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。 其優(yōu)點(diǎn)則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。 在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者

30、是同時(shí)存在且密切配合、協(xié)調(diào)進(jìn)行的。,（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型,1誘導(dǎo) 根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。 誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來(lái)底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時(shí)合成的一類酶。 能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。,組成酶（固有酶）：不依賴底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。如：EMP途徑的一些酶。 誘導(dǎo)酶：依賴于底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。,酶的誘導(dǎo)合成類型,同時(shí)誘導(dǎo)，即當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時(shí)或幾乎同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，

31、將乳糖加入到Ecoli培養(yǎng)基中后，即可同時(shí)誘導(dǎo)出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成； 順序誘導(dǎo)，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達(dá)到對(duì)較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。,2阻遏 在微生物的代謝過程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時(shí)，除可用前述的反饋抑制的方式來(lái)抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過阻遏作用來(lái)阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。 阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。 阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。,（1）末端產(chǎn)物阻遏,指由某代謝途徑末端產(chǎn)物

32、的過量累積而引起的阻遏。對(duì)直線式反應(yīng)途徑來(lái)說(shuō)，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡(jiǎn)單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。,對(duì)分支代謝途徑來(lái)說(shuō)，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。 代謝途徑分支點(diǎn)以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價(jià)阻遏作用。 末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛取?（2）分解代謝物阻遏,指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。 因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途

33、徑中一些酶合成的現(xiàn)象。,（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制,（1）操縱子: 指的是一組功能上相關(guān)的基因，它是由啟動(dòng)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因三部分組成。 啟動(dòng)基因-是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識(shí)別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)； 操縱基因-是位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來(lái)決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行；,操縱子分兩類: 一類是誘導(dǎo)型操縱子，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時(shí)，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。 另一類是阻遏型操縱子，只有當(dāng)缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時(shí)，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所

34、編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動(dòng)。,結(jié)構(gòu)基因-則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對(duì)應(yīng)的mRNA，然后再可通過核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個(gè)操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個(gè)mRNA分子。,（2）調(diào)節(jié)基因 用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因。調(diào)節(jié)基因一般位于相應(yīng)操縱子的附近。 （3）效應(yīng)物 是一類低分子量的信號(hào)物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進(jìn)一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。,（4）調(diào)節(jié)蛋白 是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個(gè)特殊位點(diǎn)，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點(diǎn)則可與效應(yīng)物相結(jié)合。當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物

35、結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會(huì)降低其結(jié)合能力。 調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時(shí)與操縱基因相結(jié)合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時(shí)才能與操縱基因相結(jié)合。,負(fù)調(diào)節(jié),正調(diào)節(jié),通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)方式：包括兩個(gè)方面： 1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。 如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn) 2、酶活性的抑制：包括：競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反饋抑制。 概念

36、：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。 凡使反應(yīng)速度加快的稱正反饋； 凡使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反饋（反饋抑制）； 反饋抑制主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。 特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除,二 酶活性的調(diào)節(jié),酶活性調(diào)節(jié),酶活性調(diào)節(jié)是指一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。這種調(diào)節(jié)方式可以使微生物細(xì)胞對(duì)環(huán)境變化作出迅速地反應(yīng)。 酶活性調(diào)節(jié)受多種因素影響，底物的性質(zhì)和濃度，環(huán)境因子，以及其它酶的存在都有可能激活或控制酶的活性。,1.變構(gòu)調(diào)節(jié),

37、在某些重要的生化反應(yīng)中，反應(yīng)產(chǎn)物的積累往往會(huì)抑制催化這個(gè)反應(yīng)的酶的活性，這是由于反應(yīng)產(chǎn)物與酶的結(jié)合抑制了底物與酶活性中心的結(jié)合。 在一個(gè)由多步反應(yīng)組成的代謝途徑中，末端產(chǎn)物通常會(huì)反饋抑制該途徑的第一個(gè)酶，這種酶通常被稱為變構(gòu)酶（allosteric enzyme）。,末端產(chǎn)物對(duì)酶活的反饋抑制,i u v w z U V W X,中 間 產(chǎn) 物,末 端 Z 產(chǎn) 物,反 饋 抑 制,變構(gòu)酶理論： 變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子空間構(gòu)象的變化 影響酶活。其上具有兩個(gè)以上立體專一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)是調(diào)節(jié)中心。,活性位點(diǎn): 與底物結(jié)合 變構(gòu)位點(diǎn):,與抑制劑結(jié)合,構(gòu)象變化,不能與底物結(jié)

38、合 與激活劑結(jié)合, 構(gòu)象變化,促進(jìn)與底物結(jié)合,2. 修飾調(diào)節(jié),修飾調(diào)節(jié)是通過共價(jià)調(diào)節(jié)酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。共價(jià)調(diào)節(jié)酶通過修飾酶催化其多肽鏈上某些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價(jià)修飾，使之處于活性和非活性的互變狀態(tài)，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。,3.分支合成途徑調(diào)節(jié),共同特點(diǎn)：每個(gè)分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶，同時(shí)每個(gè)末端產(chǎn)物又對(duì)整個(gè)途徑的第一個(gè)酶有部分的抑制作用，分支代謝的反饋調(diào)節(jié)方式有多種。,1.同功酶,同功酶是指能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但其酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)組成卻有所不同的一組酶。 特點(diǎn)：在分支途徑中的第一個(gè)酶有幾種結(jié)構(gòu)不同的一組同功酶，每一種代謝終產(chǎn)物只對(duì)一種同功酶具有反饋抑

39、制作用，只有當(dāng)幾種終產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，才能完全阻止反應(yīng)的進(jìn)行。 這種調(diào)節(jié)方式的著名的例子是大腸桿菌天門冬氨酸族氨基酸的合成。有三個(gè)天門冬氨酸激酶催化途徑的第一個(gè)反應(yīng)，分別受賴氨酸，蘇氨酸，甲硫氨酸的調(diào)節(jié)。,2. 協(xié)同反饋抑制,協(xié)同反饋抑制：在分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物同時(shí)都過量，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶具有抑制作用。若某一末端產(chǎn)物單獨(dú)過量則對(duì)途徑中的第一個(gè)酶無(wú)抑制作用。 例如，在多粘芽孢桿菌（Bacillus polymyxa）合成賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的途徑中，終點(diǎn)產(chǎn)物蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同抑制天門冬氨酸激酶。,3. 累積反饋抑制,累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產(chǎn)物過量時(shí)都能對(duì)共同途徑

40、中的第一個(gè)酶起抑制作用，而且各種末端產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當(dāng)各種末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，它們的抑制作用是累加的。 如果末端產(chǎn)物H單獨(dú)過量時(shí)，抑制AB酶活性的40%，剩余酶活性為60%，如果末端產(chǎn)物Z單獨(dú)過量時(shí)抑制AB酶活性的30%，當(dāng)HZ同時(shí)過量時(shí)，其抑制活性為：40%+（1-40%）30%=58%。 累積反饋抑制最早是在大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶的調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)的，該酶受8個(gè)最終產(chǎn)物的積累反饋抑制。,4. 順序反饋抑制,順序反饋抑制:分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個(gè)酶，而是分別抑制分支點(diǎn)后的反應(yīng)步驟，造成分支點(diǎn)上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個(gè)酶的

41、活性。因此，只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過量時(shí)，才能對(duì)途徑中的第一個(gè)酶起到抑制作用。 枯草芽孢桿菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。,5.合作反饋抑制,定義：兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反饋抑制作用大于二者單獨(dú)作用之和。 舉例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP （和IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時(shí)，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨(dú)過量時(shí)，分別抑制其活性的70%和10%。,6.優(yōu)先合成,在分支合成途徑中，分支點(diǎn)后的兩種酶競(jìng)爭(zhēng)同一種底物，如AMP與GMP，Thr與Lys、Met，由于兩種酶對(duì)底物的Km值（即對(duì)底物的親和力）不同，故兩條支路的一條優(yōu)先合成。,第六

42、節(jié) 微生物次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物 一、次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物 一般將微生物通過代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的自身繁殖所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級(jí)代謝,該過程所產(chǎn)生的產(chǎn)物即為初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶等。 次級(jí)代謝是指微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對(duì)于該微生物沒有明顯的生理功能且非其生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)的過程。這一過程的產(chǎn)物，即為次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。,次級(jí)代謝與初級(jí)代謝關(guān)系密切，初級(jí)代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物往往是次級(jí)代謝的前體，比如糖降解過程中的乙酰-CoA是合成四環(huán)素、紅霉素的前體；一般菌體的次級(jí)代謝在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期或穩(wěn)定期間進(jìn)行

43、，受環(huán)境條件的影響； 次級(jí)代謝產(chǎn)物在微生物生命活動(dòng)過程中的產(chǎn)生極其微量，對(duì)微生物本身的生命活動(dòng)沒有明顯作用，當(dāng)次級(jí)代謝途徑被阻斷時(shí)，菌體生長(zhǎng)繁殖仍不會(huì)受到影響，因此，它們沒有一般性的生理功能，也不是生物體生長(zhǎng)繁殖的必需物質(zhì)，但對(duì)其它生物體往往具有不同的生理活性作用，因此，人們利用這些具有各種生理活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物生產(chǎn)具有應(yīng)用價(jià)值的藥物。,二、次級(jí)代謝的調(diào)節(jié) 1初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié) 次級(jí)代謝與初級(jí)代謝類似，它在調(diào)節(jié)過程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的誘導(dǎo)和阻遏。 2含氮化合物對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)作用 菌體內(nèi)的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平與抗生素的產(chǎn)量間呈正相關(guān)性，丙氨酸脫氫酶(ADH)水平與利

44、福霉素SV合成則呈負(fù)的相關(guān)性，而ADH和GS同化氨途徑受培養(yǎng)基中氨濃度的調(diào)節(jié)，因此，氨濃度的調(diào)節(jié)影響抗生素的產(chǎn)量。 3誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋抑制,三、微生物次級(jí)代謝與初級(jí)代謝及生物合成抗生素的關(guān)系,1從菌體生化代謝方面分析 許多抗生素的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級(jí)代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級(jí)代謝產(chǎn)物是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為母體衍生出來(lái)的，次級(jí)代謝途徑并不是獨(dú)立的，而是與初級(jí)代謝途徑有密切關(guān)系的。 糖代謝中間體，既可用來(lái)合成初級(jí)代謝產(chǎn)物，又可用來(lái)合成次級(jí)代謝產(chǎn)物，這種中間體叫做分支中間體。,2、遺傳代謝方面分析 初級(jí)代謝與次級(jí)代謝同樣都受到核內(nèi)DNA的調(diào)節(jié)控制，而次級(jí)代謝產(chǎn)物還受到與初級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成無(wú)關(guān)的遺

45、傳物質(zhì)的控制，即受核內(nèi)遺傳物質(zhì)(染色體遺傳物質(zhì))和核外遺傳物質(zhì)(質(zhì)體)的控制。有一部分代謝產(chǎn)物的形成，取決于由質(zhì)體信息產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑，這類物質(zhì)稱為質(zhì)體產(chǎn)物。 由于這類物質(zhì)的形成直接或間接受質(zhì)體遺傳物質(zhì)的控制，因而產(chǎn)生了質(zhì)體遺傳的觀點(diǎn)。 也有只由染色體DNA控制的抗生素產(chǎn)物。,抗生素產(chǎn)生菌的主要代謝調(diào)節(jié)機(jī)制,受DNA控制的酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制，包括酶的誘導(dǎo)和酶的阻遏(有終點(diǎn)產(chǎn)物的阻遏和分解產(chǎn)物的阻遏)。 酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制，包括終點(diǎn)產(chǎn)物的抑制或活化，利用輔酶的酶活調(diào)節(jié)、酶原的活化和潛酶的活化。 細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)。,一、微生物代謝產(chǎn)物的利用 利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的眾多代謝產(chǎn)物生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)

46、品。 按照積累產(chǎn)物類型： 初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶； 次級(jí)代謝產(chǎn)物，抗生素、激素、生物堿、毒素及維生 素等。 按照發(fā)酵類型： 自然發(fā)酵：酒精、乳酸等， 代謝控制發(fā)酵：終端產(chǎn)物，賴氨酸、鳥苷酸、腺苷酸等； 中間產(chǎn)物，檸檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、 高絲氨酸、肌苷酸、黃苷酸等；,第七節(jié) 微生物代謝與生產(chǎn)實(shí)踐,1發(fā)酵條件的控制 人們通過對(duì)微生物菌種營(yíng)養(yǎng)和培養(yǎng)條件的控制生產(chǎn)所要的目的產(chǎn)品: 1）培養(yǎng)條件：溫度、pH值、滲透壓的控制； 2）營(yíng)養(yǎng)成分的控制：葡萄糖濃度、碳氮比、生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)離子等； 3）溶解氧的控制：通氣量，攪拌等。,2代謝調(diào)節(jié)的控制,（1）應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常

47、的反饋調(diào)節(jié) 賴氨酸發(fā)酵（高絲氨酸缺陷型菌株）,在這個(gè)代謝工程的設(shè)計(jì)中，是利用阻斷分支途徑的高絲氨酸的合成，來(lái)解除(Lys+Thr)的反饋調(diào)節(jié)。即造成高絲氨酸缺陷型(Hser一)，就可解除末端產(chǎn)物對(duì)限速酶的反饋抑制。,人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產(chǎn)賴氨酸,高絲氨酸 脫氫酶,不能合成,可以大量積累,人工誘變的 菌種不能產(chǎn)生,選育細(xì)胞膜缺損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型，或生物素缺陷型,利用油酸缺陷型菌株，限量添加油酸，限制細(xì)胞膜磷脂中不飽和脂肪酸的合成而使細(xì)胞膜缺損，利于代謝產(chǎn)物滲漏而提高谷氨酸的產(chǎn)量。 生物素缺陷型原理 在脂肪酸生物合成途徑中，由乙酰輔酶A羧化成丙二酸單酰輔酶A的反應(yīng)是一個(gè)限速

48、步驟，該反應(yīng)由乙酰輔酶A羧化酶系催化，包括生物素羧化酶，羧基轉(zhuǎn)移酶和生物素羧基載體蛋白CCP，并且需要生物素作輔酶。選育生物素營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，使細(xì)胞中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的合成受阻，從而影響到磷脂的合成。在培養(yǎng)時(shí)限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度來(lái)調(diào)節(jié)透性。,（2）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié),抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時(shí)解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。如Corynebacteriumcrenatum(鈍齒棒桿菌)的抗-氨基-羥基戊酸（A

49、HV）菌株能積累積蘇氨酸。,（3）控制細(xì)胞膜的透性,生理學(xué)方法： 生物素是乙酰CoA羧化酶的輔基，可羧化乙酰CoA生成丙二酸單酰CoA，進(jìn)而合成膜磷脂的主要成分脂肪酸。因此，當(dāng)生物素濃度亞適量時(shí)，膜透性有利于谷氨酸的分泌。含量高，膜結(jié)構(gòu)致密，不利分泌。添加適量青霉素，使肽橋無(wú)法交聯(lián)，壁缺損，膨壓下，有利外滲，降低濃度的反饋抑制，提高產(chǎn)量。,（3）控制細(xì)胞膜的透性,遺傳學(xué)方法： 油酸（十八碳一烯酸）是膜磷脂的重要脂肪酸。突變?yōu)橛退崛毕菪秃?，不能自身合成油酸，使?xì)胞膜缺損。通過限量添加油酸，控制缺損程度，使?jié)B漏適當(dāng)，從而提高產(chǎn)量。,3微生物代謝與代謝工程,近年來(lái)，基因工程的不斷發(fā)展，也為微生物代謝

50、在發(fā)酵生產(chǎn)的應(yīng)用提供了新的方法。 人們通過分子生物學(xué)技術(shù)和DNA重組技術(shù), 可以定向地對(duì)細(xì)胞代謝途徑進(jìn)行修飾或引入新的反應(yīng)，以改進(jìn)產(chǎn)物的生成或改變細(xì)胞的代謝特性。但這些改進(jìn)都是與微生物的基因調(diào)控和代謝調(diào)控及生化工程相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 利用DNA重組技術(shù)改變微生物代謝流，擴(kuò)展和構(gòu)建新的代謝途徑，或通過關(guān)聯(lián)酶將兩個(gè)代謝途徑連接形成新的的代謝流的研究，取得了令人矚目的進(jìn)展。,克隆來(lái)自細(xì)菌的木糖異構(gòu)酶基因， 克隆來(lái)自柄狀畢赤酵母（Pichia stipitis）的木糖還原酶和木糖醇脫氫酶基因。,引入木糖代謝途徑（戊糖代謝生產(chǎn)乙醇的代謝工程） 酵母菌Saccharomyces的代謝工程,二、微生物代謝活性

51、的利用 1生物轉(zhuǎn)化 生物轉(zhuǎn)化是指利用生物體代謝過程中產(chǎn)生的酶使底物進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)。生物轉(zhuǎn)化一般采用微生物細(xì)胞或微生物酶作催化劑，故又稱作微生物轉(zhuǎn)化。 微生物轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要領(lǐng)域是手性化合物的合成與拆分。 主要應(yīng)用在藥物、香料，殺蟲劑、殺菌劑，除草劑，昆蟲激素等方面。如，光學(xué)活性的R-和L-4-氯-3-羥基丁酸乙酯（R-和S-CHBE）是制備各種光學(xué)活性化合物的基本原料，如L-肉毒堿（R-型），3-羥基-3甲基戊二酰（ HMG）-CoA-還原酶抑制劑和1，4-二氫吡啶-型的-阻斷劑（L-型）。,2微生物降解秸桿,秸稈成分中的纖維素和半纖維素能夠被草食動(dòng)物的瘤胃微生物充分降解利用，但由于木質(zhì)素和纖維素

52、之間鑲嵌在一起形成堅(jiān)固的酯鍵，阻礙了瘤胃微生物對(duì)纖維素的降解，導(dǎo)致秸稈消化率低。因此提高秸稈消化率的關(guān)鍵是降解木質(zhì)素，打斷酯鍵。 英國(guó)Aston大學(xué)最近從秸稈堆中分離出一種白腐真菌，這種微生物只降解木質(zhì)素，不降解纖維素，用作處理秸稈，可使秸稈的體外消化率從19.63%提高到41.13%。 白腐真菌分解木質(zhì)素的機(jī)理是：在適宜的條件下，白腐真菌的菌絲首先用其分泌的超纖維氧化酶溶解表面的蠟質(zhì)，然后菌絲進(jìn)入秸稈內(nèi)部，并產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶、內(nèi)切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸稈中的木質(zhì)素和纖維素，使其成為含有酶的糖類，從而使秸稈變得香甜可口，易于消化吸收。,3微生物冶金、采油,人類利用具有氧化硫化物礦中

53、的硫和硫化物能力的微生物將硫化礦中的重金屬通過轉(zhuǎn)化成高度水溶性的重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出來(lái)生產(chǎn)黃金。 如，氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferooxidans)的氧化作用可從金礦石中除去硫、砷，浸提黃金，如果用化學(xué)方法浸提金的話，其得率不到70； 俄羅斯科學(xué)家使用多種適于在石油中生存的微生物，將其與催化劑一同置于采油管內(nèi)，這些微生物新陳代謝的產(chǎn)物可以大大增強(qiáng)石油的流動(dòng)性，從而提高采油率，而不會(huì)影響石油的質(zhì)量。,4生物降解,迄今為止,已知的環(huán)境污染物達(dá)數(shù)十萬(wàn)種之多，其中大量的是有機(jī)物。由于微生物的代謝類型極其多樣，作為一個(gè)整體，微生物分解有機(jī)物的能力是驚人的?？梢哉f(shuō)，凡自然界存在的有機(jī)物，幾乎都能被微生物所分解。 我們可從中篩選出一些污染物的高效降解菌。更可利用這一原理定向馴