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1、第五章 微生物的新陈代谢,能量与代谢关系示意图,代谢概论 微生物产能代谢 耗能代谢 次生代谢产物 微生物代谢的调节,本章内容,代谢(metabolism)是生命存在的基本特征，是生物体内所进行的全部生化反应的总称。,分解代谢,合成代谢,生物大分子分解为生物小分子,产能,耗能,生物小分子合成生物大分子,（异化）,（同化）,能量代谢,新陈代谢,物质代谢,第一节 代谢概论,分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。,一般可将分解代谢分为三个阶段： 蛋白质 多糖 脂类 氨基酸 单糖 甘油，脂肪酸 丙酮酸/乙酰辅酶A CO2 ，H20，能量（三羧酸循环）,分解代谢（catabo
2、lism）,分解代谢的三个阶段,合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。,合成代谢所利用的小分子物质来源于分解 代谢过程中产生的中间产物或环境中的小 分子营养物质。,合成代谢（anabolism）,在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生能量。,这些能量用于：1 合成代谢 2微生物的运动和运输 3 热和光,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。,某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密 切相关。,
3、按代谢产物在机体中作用不同分： 初级代谢： 微生物从外界吸收的各种营养物质,通过分解代谢和合成代谢,生成维持生命活动的物质和能量的过程. 次级代谢： 微生物在一定的生长时期,以初级代谢产物为前体,合成一些对生命活动无明确功能的物质的过程.产物：抗生素、色素、激素、生物碱等,按物质转化方式分： 分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。 合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。,物质代谢：物质在体内转化的过程. 能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化.,第二节 微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢中的核心问题。 中
4、心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。,有机物 最初能源 日光 通用能源 还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,微生物产能代谢 生物氧化,分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。,生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，以被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。,生物氧化的形式,生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的
5、能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需要时使用。,和氧的直接化合： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O,失去电子： Fe2+ Fe3+ + e -,化合物脱氢或氢的传递: CH3-CH2-OH CH3-CHO,NAD,概括为:,生物氧化的功能,产能(ATP) 产还原力【H】 小分子中间代谢物,生物氧化的过程,一般包括三个环节： 底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体） 氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等） 最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）,底物脱氢的途径 1、EMP途径 2、HMP途径 3、ED途径 4、磷酸
6、解酮酶途径,底物脱氢的四条途径： EMP HMP ED 磷酸解酮酶途径,三种主要受氢体： 受氢体为（有氧呼吸） 受氢体为无机氧化物（无氧呼吸） 受氢体为有机物（发酵）,氢或电子传递链： 电子传递链或呼吸链,底物脱氢途径与递氢、受氢阶段的联系,底物脱氢的四种途径,EMP途径,HMP途径,ED途径,磷酸解酮酶途径,（一）底物脱氢的途径,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6- 二磷酸,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,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,1.EMP途径 （Embden-Meyerhof pathway）,具有EMP途径的微生物
7、 EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，也是酵母菌等真菌及大多数细菌所具有的代谢途径。产能效率低，生理功能重要。 EMP途径的生理功能 EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。 在有氧条件下，EMP-TCA两途径接通,并通过后者将丙酮酸彻底氧化,形成CO2、H2O及ATP。无氧时，丙酮酸或丙酮酸的脱羧产物乙醛被还原，形成乳酸或乙醇等发酵产物。,EMP途径的意义,EMP途径与人类的实践关系 乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇发酵,EMP途径的特点: （1）葡萄糖分解是从1，6-二磷酸果糖开始 （2）整个途径仅
8、在第1，3，10步反应是不可逆的 （3）EMP途径的特征性酶是1，6-二磷酸果糖醛缩酶 （4）整个途径不消耗氧 （5）有关酶系位于细胞质中,2. HMP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径、WD途径),HMP途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。该途径的重要之处在于能为微生物生长提供能量和各种不同长度的碳架,用于细胞物质合成。,微 生 物 学,HMP途径,HMP途径的三个阶段,从6-磷酸-葡萄糖开始，通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和二氧化碳。 核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸。 几种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，丙糖磷酸可通过
9、EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化；也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。,微 生 物 学,HMP 途 径,是从6-磷酸葡萄糖酸脱羧开始； 特征性酶是转酮酶（TK）和转醛酶（TA）； 该途径一般只产生NADPH而不产生NADH； HMP酶系定位于细胞质中,HMP途径的特点:,HMP途径的生理功能：,为核苷酸和核酸的生物合成提供磷酸戌糖; 产生大量NADPH2形式的还原剂，它不仅用于合成脂肪酸、固醇等重要的细胞物质，而且可通过呼吸链产生大量能量; 反应中产生的4-磷酸赤藓糖可用于合成芳香族氨基酸(苯丙氨基酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸); 磷酸戊糖循环的功能对
10、于光能和化能自养菌具有重要作用,这两类微生物细胞中的含碳成分都是由CO2和1,5-二磷酸核酮糖缩合而成;,由于反应中存在C3C7多种糖,使具有HMP途径的微生物的碳源范围更广。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。 1952年在Pseudomonas saccharophila(嗜糖假单胞菌)中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,3.ED途径,ED途径,ATP ADP NADP+ NADPH2 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸
11、-葡萄糖酸 激酶 （与EMP途径连接） 氧化酶 (与HMP途径连接) EMP途径 3-磷酸-甘油醛 脱水酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 丙酮酸 醛缩酶,有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌酒精发酵,1.葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。 2.ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶. 3.反应步骤简单，产能效率低. 4
12、.此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.,ED途径的特点,关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶 相关的发酵生产：细菌酒精发酵 优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。 缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,ATP 有氧时经呼吸链 6ATP 无氧时 进行发酵 2乙醇,ED途径的总反应,葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布,4.磷酸解酮酶途径,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳
13、杆菌属中的一些细菌中。 进行磷酸解酮途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。 磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（PK途径） 磷酸己糖酮解途径（HK途径）,葡萄糖 6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸 5 -P-核酮糖 5 -P-木酮糖,3 -P-甘油醛 丙酮酸,乙酰磷酸 乙酰CoA 乙醛,ATP,ADP,NAD+,NADH+H+,CO2,乳酸,乙醇,异构化作用,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖酮解酶,CoA,Pi,2ADP+Pi,2ATP,-2H,-2H,-2H,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖解酮酶途径（PK）,如：肠膜明串珠菌,磷酸戊糖解酮酶途径的特点:,分
14、解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半; 几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2,磷酸己糖解酮酶途径（HK）,2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸 6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖,4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸,2木酮糖-5-磷酸,2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸,2乳酸,2乙酸,乙酸,磷酸己糖解酮酶,磷酸解酮酶,逆HMP途径,同EMP,乙酸激酶,如：两歧双歧杆菌,磷酸己糖解酮酶途径的特点：,有两个磷酸解酮酶参加反应； 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的
15、反应相偶联； 每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP； ,5. TCA循环,TCA循环图,TCA循环的重要特点,1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原成FADH2 ； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式； 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；Glu发酵等。,TCA循环的枢纽地位,葡萄糖不同脱氢途径的产能效率,（二）递氢、受氢和A
16、TP的产生,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.,发酵：没有任何外源的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸：有外源的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸作用又可分为两类： 有氧呼吸最终电子受体是分子氧O2; 无氧呼吸最终电子受体是O2以外的 无机氧化物，如NO3-、SO42-等.,发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和磷酸解酮酶途径。,1、发酵,概念：在生物氧化中
17、发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。,发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。,发酵是指微生物细胞
18、将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。,发酵（fermentation）,C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,（1）乙醇发酵 酵母菌的乙醇发酵：,概念 菌种 途径 特点 发生条件, 该乙醇发酵过程只在pH3.5 - 4.5以及厌氧的条件下发生。,发酵类型,酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种类型:,型发酵：条件：厌氧、偏酸（pH3.54.5） 受氢体:乙醛 产物:乙醇,型发酵：条件:弱减性环境(pH7.5) 受氢体:磷酸二羟丙酮 产物
19、:乙醇、乙酸和甘油。,型发酵：条件:环境中存在亚硫酸氢钠(可与乙醛反应生成难溶物磺化羟基乙醛) 受氢体:磷酸二羟丙酮 产物:甘油、乙醇,酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件,厌氧,不含NaHSO3,PH小于7.6,细菌的乙醇发酵,葡萄糖,2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸,3-磷酸甘油醛 丙酮酸,丙酮酸,乙醇 乙醛,2乙醇,2CO2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED(思考：与酵母酒精发酵的区别),但某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌和肠杆菌则是利用EMP途径进行乙醇发酵。,细菌(运动发酵单胞菌)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇， 总反应如下： 葡
20、萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP,酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 脱羧酶 脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通过EMP途径产生乙醇，总反应式为： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP,优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少 代谢副产物少；发酵温度高；,缺点：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低,利用Z.mobilis（运动发酵单胞菌）等细菌生产酒精,（2） 乳酸发酵,指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程,进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等,两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵,乳酸发酵类型,乳酸细菌-能利用葡萄糖及其他相
21、应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。这类细菌称为乳酸细菌 由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵。 同型乳酸发酵：（经EMP途径） 异型乳酸发酵：（经磷酸解酮酶途径）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,概念：葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸被还原为乳酸 菌种：保加利亚乳杆菌、乳链球菌。德氏乳杆菌、粪链球菌等 途径： EMP途径 特点：产物只有乳酸,异型乳酸发酵,青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。 北
22、方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵 。 乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。,概念：发酵产物除乳酸外还有乙醇、乙酸与CO2等多种产物。,异型乳酸发酵：,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,概念：发酵产物除乳酸外还有乙醇 菌种：如肠膜明串珠菌 途径：磷酸解酮酶途径 特点：产物为等量的乙醇与乳酸,-CO2,异型乳酸发酵：,2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸 6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖,4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸,2木酮糖-5
23、-磷酸,2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸,2乳酸,2乙酸,乙酸,磷酸己糖解酮酶,磷酸解酮酶,逆HMP途径,同EMP,乙酸激酶,如：两歧双歧杆菌,发酵中的产能反应：,发酵仅是兼性厌氧菌或专性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，产能效率低。,产能机制 底物水平的磷酸化，形成含高能磷酸键的产物 实例 底物水平磷酸化中的11种高能磷酸化合物,物质在生物氧化过程中,常生成一些含有高能键的化合物,而这些化合物可直接偶联ATP的合成,这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化.,无氧呼吸：以氧化型化合物作为最终电子受体,2.呼吸作用,概念:微生物在降解底物的过程中
24、,将释放的电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体,再经电子传递系统传给外源电子受体,从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程。,有氧呼吸：以分子氧作为最终电子受体,概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。,（1）有氧呼吸, 由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD，FAD，辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,呼吸链的功能： 一是传递电子；二是将电子传递过程中
25、释放的能量合成ATP这就是电子产能磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。,氧化磷酸化: 物质在生物氧化的过程中形成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质,在这个过程中偶联着ATP的合成,这种产生的方式称为氧化磷酸化.一分子NADH和FADH2可分别产生3个和2个ATP.,ATP的结构和生成,2. ATP的生成方式:,微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化学能. ATP是生物体内能量的载体或流通形式.当微生物获得能量后,都是先将获得的能量转换成ATP.当需要能量时,ATP分子上的高能键水解,重新释放出能量.,底物水平磷
26、酸化 氧化磷酸化 光合磷酸化,1. 结构:,（2）无氧呼吸,无氧呼吸又称厌氧呼吸（Anaerobic Respiration） 呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2）（少数为有机氧化物如延胡索酸）的生物氧化以无机物为最终电子受体的生物氧化过程 无氧呼吸的特点: 无氧条件、产能效率低、有机物脱氢以后经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机或有机物受氢，完成氧化磷酸化反应 无氧呼吸的类型：根据呼吸链末端的氢受体 无机盐呼吸 有机物呼吸,无氧呼吸的主要类型,硝酸盐呼吸（反硝化作用）,NO,NO2-,NO3-,N2O,N2,概念：在无氧的条件下，某些兼性
27、厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2、N2O直至N2的过程，称为硝酸盐呼吸或反硝化作用。,过程：,在通气不良的土壤中，反硝化作用会造成氮肥的损失，如果通过一些措施（如翻地等）通入氧，这些细菌进行好氧呼吸（即硝酸盐还原酶合成被O2阻遏）,菌种：假单胞菌属、芽孢杆菌属等中的一些种,硫酸盐呼吸（反硫化作用）,严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在无氧条件下获取能量的方式。 特点: 底物脱氢以后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP 最终还原产物：硫化氢 H2S在稻田含量过高会造成烂秧。,碳酸盐呼吸,甲烷细菌能在
28、氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。,以CO2或碳酸氢盐为呼吸链末端电子受体的无氧呼吸。有两个主要类群碳酸盐还原细菌，它们的厌氧呼吸产物不同：,产乙酸细菌的碳酸盐呼吸，产物为乙酸,除此之外还有硫呼吸、铁呼吸、延胡索酸呼吸等。,氨的氧化,硫的氧化,铁的氧化,氢的氧化,（一）化能自养微生物,二、自养微生物的产能代谢,一类是通过无机物氧化而获得能量的微生物，称为化能自氧微生物； 一类是利用日光辐射的微生物，称为光能自养型微生物,化能自养微生物的产能代谢,NH4+、H2S、H2,还原CO2需要的ATP和还原力H通过氧化无机底物来实现 绝大多数化能自养菌是好氧菌
29、少数可进行厌氧生活的化能自养菌，是利用以硝酸盐或碳酸盐代替氧的无氧呼吸 化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点： 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系 呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链 产能效率即PO比一般要比异养微生物低,化能自养微生物,硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）,能利用还原无机氮化合物进行自养生长的细菌称为硝化细菌。,硫细菌的能量代谢（硫的氧化）,2.光能自养微生物的产能代谢,光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能，以用于固定CO2。,行光合作用的生物体：植物、藻类、蓝细菌、光合细菌,光合色素：是光合生物所特有的色素，是将光
30、能转化为化学能的关键物质。共分三类：叶绿素（chl）或细菌叶绿素（Bchl）、类胡萝卜素和藻胆素。,光合磷酸化,光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。在这种转化过程中光合色素起着重要的作用。,环式光合磷酸化,非环式光合磷酸化,嗜盐菌紫膜光合磷酸化,在微生物中，蓝细菌、光合细菌及极端嗜盐古菌的光合色素和光合磷酸化特点均有所不同，以此分为：,代 表 微 生 物,光合作用部位,特点,红螺菌科、红硫菌科、绿硫菌科,菌绿素,电子传递属循环方式，期间产生了ATP；只有一个光反应系统；产能（ATP）与产还原力H分别进行；还原力来自H2S等无机物或有机物氢供体；不放氧。,环式光合磷酸化,环式光合磷酸化图示,两
31、个光反应系统,同时有还原力NADH2（来自PS），ATP（来自PS ）和O2 （来自PS ）产生。还原力来自H2O的光解产物,电子传递属非循环式的,在有氧条件下进行,非环式光合磷酸化,如蓝细菌、藻类和高等植物进行非环式光合磷酸化,特点：,非环式光合磷酸化图示,CO2的固定 生物固氮 微生物结构大分子肽聚糖的生物合成 微生物次级代谢物的合成,第三节 微生物独特合成代谢途径举例,固氮微生物,固氮条件,固氮作用生化机制,好氧菌固氮酶避氧害机制,一、生物固氮（biological nitrogen fixation）, 指大气中的分子氮(N2)通过固氮微生物固氮酶系的催化而还原成氨(NH3)的过程。仅
32、次于光合作用的生物化学反应.,1.微生物固氮种类,（能独立固氮的微生物）,（必须和其它生物共生在一块才能固氮）,2.固氮的生化机制,固氮作用的化学反应,固氮条件：,（1）ATP的供应 （2）还原力H及其传递载体 （3）固氮酶（含两种组分：钼铁蛋白、铁蛋白） （4）还原底物N2，有氨的存在会抑制N2的还原。 （5）激活因子 如Mg2+ （6）存在一个严格的厌氧的微环境（局部小环境即可）,N2NH3NH4+-酮酸相应氨基酸蛋白质等产物,固氮的生化途径,3. 生物固氮的研究方向,仿生学 用化学合成法合成固氮酶在常温、常压下进行工业固氮 遗传学 用人工或生物方法将固氮基因转移到非豆科植物上进行固氮,次
33、级代谢（Secondary metabolism)是某些生物（植物和某些微生物） 的特殊代谢类型。次级代谢的概念是1958年由植物学Rohland家首先提出来的。他把植物产生的与植物生长发育无关的某些特有的物质称为次级代谢物，合成和利用它们的途径即为次级代谢。1960年微生物学BuLock家把这一概念引入微生物学领域。,二、微生物的次级代谢,微生物在一定的生长时期(对数生长后期或稳定期),以初级代谢产物为前体,合成一些对微生物生命活动无明确功能的物质的过程.这一过程的产物,即为次级代谢产物.,1.概念: 次级代谢并没有一个严格的定义，它是相对于初级代谢而提出的一个概念,2.微生物次生代谢产物的
34、合成,次生代谢产物的特点 分子结构复杂 代谢途径独特 生长后期合成 产量低 生理功能不明确 合成受质粒控制,初生代谢与次生代谢的关系,次生代谢产物的种类,抗生素 色素 毒素 生物碱 信息素 动植物生长促进剂 生物药物素,抗生素,由点青霉产生的青霉素是上一世纪 30 年代发现的第一种抗生素。放线菌中能产生抗生素的种类最多，目前医疗上广泛应用的链霉素、红霉素、庆大霉素、金霉素、土霉素、制霉菌素等都是放线菌类群的一些种，主要是链霉菌属成员产生的。,抗生素是对其他种类微生物或细胞能产生抑制或致死作用的一大类有机化合物。它是由生物合成或半合成的次级代谢产物。虽然对产生菌本身有无生理作用还不十分了解，但它
35、们能在细胞内积累或分泌到胞外，并能抑制其它种微生物的生长或杀死它们，因而这类物质在产生菌与其它种生物的生存竞争中，在防治人类、动物的疾病与植物的病虫害上起着重要作用。目前发现的抗生素已有 10 000 多种，其中有一部分在医学临床与农、林、畜牧业生产上已得到广泛应用。,生长刺激素,它是主要由植物和某些细菌、放线菌、真菌等微生物合成并能刺激植物生长的一类生理活性物质。赤霉素就是由引起水稻恶苗病的藤仓赤霉（ Gibberella fujikuroi ）产生的一种不同类型赤霉素的混合物，是农业上广泛应用的植物生长刺激素，尤其在促进晚稻在寒露来临之前抽穗方面具有明显的作用。青霉属、丝核菌属和轮枝霉属的
36、一些种也能产生类似赤霉素的生长刺激性物质。此外，在许多霉菌、放线菌和细菌（包括假单胞菌、芽孢杆菌和固氮菌等）的培养液中积累有吲哚乙酸和萘乙酸等生长素类物质。,色素,是指由微生物在代谢中合成的积累在胞内或分泌于胞外的各种呈色次生代谢产物。例如灵杆菌和红色小球菌细胞中含有花青素类物质，使菌落出现红色。放线菌和真菌产生的色素分泌于体外时，使菌落底面的培养基呈现紫、黄、绿、褐、黑等色。积累于体内的色素多在孢子、孢子梗或孢子器中，使菌落表面呈现各种颜色。红曲霉产生的红曲素，使菌体呈现紫红色，并分泌体外。,毒素,对人和动植物细胞有毒杀作用的一些微生物次生代谢产物称为毒素。毒素大多是蛋白质类物质，例如毒性白
37、喉棒状杆菌产生的白喉毒素、破伤风梭菌产生的破伤风毒素、肉毒梭菌产生的肉毒毒素等。其他许多病原细菌如葡萄球菌、链球菌、沙门氏杆菌、痢疾杆菌等也都产生各种外毒素和内毒素。杀虫细菌如苏云金杆菌能产生包含在细胞内的伴胞晶体，它是一种分子结构复杂的蛋白质毒素。真菌中产生毒素的种类也很多，很多种蕈子是有毒的，曲霉属中也有些产毒素的种，如黄曲霉产生黄曲霉毒素等。,生物碱,虽然生物碱大部分由植物合成，但某些霉菌合成的生物碱如麦角生物碱，即属于次生代谢产物。麦角生物碱在临床上主要用来作为防止产后出血、治疗交感神经过敏、周期性偏头痛和降低血压等疾病的药物。,第四节 微生物的代谢调控与发酵生产,本节提要： 微生物代
38、谢过程中的自我调节 酶活性的调节 酶合成的调节 代谢调控理论的应用,一、微生物代谢过程中的自我调节,微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。 成因：细胞体积小，所处环境多变。,解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。,举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济
39、关系？,微生物自我调节代谢的方式,1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 2.通过酶的定位控制酶与底物的接触 3.控制代谢物流向,1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。,利用乳糖,利用葡萄糖,2.通过酶的定位控制酶与底物的接触 1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使某种特异的功能； 2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； 蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。,3. 控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节) 1)可
40、逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如: 两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成 以NAD为辅基 Glu分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。 关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。 粗调：调节酶的合成量 细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。,二、酶活性的调节,通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。 （一）调节方式：包括两个方面： 1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。 如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进
41、2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。 反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除,1.直线式代谢途径中的反馈抑制： 苏氨酸脱氨酶 苏氨酸 -酮丁酸 异亮氨酸 反馈抑制 其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成 2.分支代谢途径中的反馈抑制： 在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。,（二）反馈抑制的类型,（
42、1）同功酶调节isoenzyme,定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。 意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。某一产物过量仅抑制相应酶活性，对其他产物没影响。 举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节,（2）协同反馈抑制concerted feedback inhibition,定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。 举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum） 多粘芽孢杆菌（Bacillu
43、s polymyxa） 天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。,（3）合作反馈抑制cooperative feedback inhibition,定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。 举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。,（4）积累反馈抑制cumulative feedback inhibition,定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同
44、存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,（5）顺序反馈抑制sequential feedback inhibition,一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。 举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节,三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用,工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。 代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。 人工控制代谢的手段： 改变微生物遗传特性(遗传学方法）； 控制发酵条件（生物化学方法）； 改变细胞膜透性；,1）对于直线式代谢途径：选
45、育营养缺陷型突变株只能积累中间代谢产物 A a B b C c D d E,（1）营养缺陷型菌株的应用,末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C 。,1.遗传学方法,分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷型克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物,分支途径 赖氨酸发酵:谷氨酸棒杆菌的Hom,高丝氨酸缺陷型,分支途径肌苷酸发酵 （IMP合成途径的代谢调控）,调控理论的实践应用,（2） 抗反馈控制突变株的应用,抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性
46、，或两者兼有之的菌株。 抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株中获得。,B.Flavum抗性菌株高产苏氨酸的代谢调节,对于分支合成途径, 怎样才能积累大量的末端产物? 试以简图表示并说明之。,思考题:,D A B C E F,2.生物化学方法,（1） 添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生,(-),(-),(-),（2） 添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物，,以积累C为目的，添加大量B,3.控制细胞膜渗透性,使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。 1. 用生理学手段 直接抑制膜的合成或
47、使膜受缺损 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； 控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性； 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； 再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+； Mn2+的作用与生物素相似。,2. 利用膜缺损突变株 油酸缺陷型、甘油缺陷型 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。,本章小结,微生物的能量代谢 形成ATP的机制：生物氧化 底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化 生物氧化的三个阶段 生物氧化的类型 微生物特有的合成代谢途径 微生物的代谢调节,思考题,归纳本章名词解释 列出两种三种以上的次生代谢产物及其意义 自EMP途径