微生物代谢的调节.ppt

微生物代谢及代谢的调节 二主要内容1 微生物细胞内产生的代谢产物的种类和主要功能 2 微生物代谢调节的方式 以及在生产实践中如何人工控制微生物的代谢 3 发酵的概念和种类 三重点和难点1 教学重点 1 微生物代谢的调节 2 微生物代谢的人工控制 2 教学难点在生产实践中如何人工控制微生物的代谢活动 一 微生物的代谢 微生物在生长发育和繁殖过程中 需要不断地从外界环境中摄取营养物质 在体内经过一系列的生化反应 转变成能量和构成细胞的物质 并排出不需要的产物 这一系列的生化过程称为新陈代谢 一 微生物的酶 生物体内的化学反应几乎都要依靠酶的催化才能进行 酶是由生物细胞合成的 以蛋白质为主要成分的生物化学反应催化剂 从化学组成来看 可分为简单蛋白和结合蛋白两种酶 根据酶在细胞中的活动部位 也可将酶分为胞外酶和胞内酶两种 酶作为生化反应的催化剂和其他的催化剂一样 能显著改变反应的速度 但不能改变反应的平衡点 酶有以下几个特点 催化反应的效率高 具有高度的专一性 容易失活 活性受调节控制等 二 微生物的能量代谢 在生物体内 吸能反应所需要的能量是由放能反应来供给的 两者是偶联进行的 其中的能量载体主要是ATP ATP在能量代谢中的作用 ATP主要用于供应合成细胞物质 包括贮藏物质 所需的能量 此外 细胞对营养物质的吸收 鞭毛菌的运动 发光细菌的发光等所消耗的能量也要由ATP供给 组成细胞的物质主要是蛋白质 核酸 类脂和多糖 合成这些物质都需要ATP ATP是腺嘌呤核甘三磷酸 简称腺三磷 的缩写 ATP的生成和利用是微生物能量代谢的核心 在生物体内 ATP主要由ADP的磷酸化生成 生成ATP的过程需要供应能量 能量来自光能或化能 光合磷酸化作用和氧化磷酸化作用 以光能生成ATP的过程称为光合磷酸化作用 这种转变需要光和色素作媒介 利用化合物氧化过程中释放的能量进行磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化作用 它为一切生物所共有 微生物的氧化作用可根据最终电子受体的性质不同而分为 有氧呼吸作用 无氧呼吸作用和发酵作用 有氧呼吸作用 以氧分子作为电子 或氢 受体的生物氧化过程 无氧呼吸作用 以无机氧化物 个别为有机氧化物 作为呼吸链末端氢和电子受体的生物氧化过程 发酵作用 在厌氧条件下 以有机物为基质并以其中间降解产物为氢和电子受体的氧化过程 三 微生物的物质代谢 1 微生物的分解代谢 微生物在生命活动中 能将复杂的大分子物质分解为小分子的可溶性物质 并有能量转变过程 这种物质转变称为分解代谢 大多数微生物都能分解糖和蛋白质 少数微生物能分解脂类 2 微生物的合成代谢微生物的细胞物质主要是由蛋白质 核酸 碳水化合物和类脂等组成 合成这些大分子有机化合物需要大量能量和原料 能量来自营养物质的分解 至于原料 可以是微生物从外界吸收的小分子化合物 但更多的是从营养物质分解中获得 微生物种类很多 合成途径也比较复杂和多种多样 下一页 糖的分解 糖类是异养微生物的主要碳素来源和能量来源 包括各种多糖 双糖和单糖 多糖必须在细胞外由相应的胞外酶水解 才能被吸收利用 双糖和单糖被微生物吸收后 立即进入分解途径 被降解成简单的含碳化合物 同时释放能量 供应细胞合成所需的碳源和能源 蛋白质及氨基酸的分解 细菌分解蛋白质的酶有两类 一类为蛋白酶 另一类为肽酶 前者为胞外酶 能将蛋白质分解为多肽和二肽 肽类可进入微生物细胞中 肽酶为胞内酶 将进入细胞内的肽水解为游离的氨基酸 供菌体利用 微生物对氨基酸的分解方式很多 主要为脱氨作用和脱羧作用 不同细菌水解不同氨基酸除生成氨基酸外 还有其他物质产生 如大肠杆菌 枯草杆菌水解含硫氨基酸有H2S产生 大肠杆菌 变形杆菌水解色氨酸 可形成吲哚 有些细菌则不能 因此这些特性可用于细菌的鉴定 脂肪的分解 脂肪是脂肪酸和甘油的结合物 某些微生物能产生脂肪酶 将脂肪水解为甘油和脂肪酸 甘油和脂肪酸可被微生物摄入细胞内 进行代谢 分解代谢产物和相关的生化反应 1 单糖发酵试验2 甲基红试验 M 3 VP试验 V 4 枸橼酸盐利用试验 C 5 吲哚试验 I 6 硫化氢试验返回 IMViC试验 初级代谢与次级代谢 Primaryandsecondarymetabolism 初级代谢 普遍存在于一切生物中 是与生物生存有关的 涉及到产能和耗能的代谢类型 次级代谢 某些生物为避免在初级代谢过程中某些中间产物积累所造成不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型 次级代谢产物 热原质毒素与侵袭性酶细菌素色素抗生素维生素 热原质 能引起机体发热的物质 分为内源性热原质 机体自身产生 和外源性热原质 内毒素 外毒素 G 的外膜成分等 在250 下作用30min或180 下作用4hr 或强酸强碱强氧化剂30min才能破坏热原质或使其致热效应消失 注射液 生物制品 抗生素以及输液用的蒸馏水均不能含有热原质 外毒素与内毒素 外毒素 toxin 由致病性细菌产生的可以分泌到胞外的毒素 其化学成分为蛋白质 毒性强 内毒素 endotoxin 为细菌 通常是G 细胞壁的结构物质 如脂多糖中的类脂A 这类毒素不能向胞外分泌 只有在细菌死亡或裂解后才能释放出来 细菌素 由某些细菌合成的一种具有杀菌作用的蛋白质物质 其作用范围窄 仅对产生菌亲缘关系较近的细菌有杀伤作用 细菌素和抗生素的区别返回 二 微生物代谢的调节 代谢调节分为三类 酶的调节 激素的调节 神经调节其中酶的调节是最基本的调节方式 是一切调节的基础 酶的调节 由于代谢过程中几乎所有的生化反应都是通过酶的催化实现的 因此代谢调节实际是控制酶的数量和活性的变化 酶数量的控制主要是通过对酶合成途径的调控系统来实现 有诱导和阻遏两种调控方式 前者诱发酶的合成 后者阻止酶的合成 酶的激活与抑制 酶活性的调节是通过改变酶结构本身的构象来实现的 调节方式有激活和抑制两种 激活作用常见于分解代谢途径中前体对参与后面反应的酶进行激活 促使它们反应速度加快 抑制作用常见于合成代谢的末端产物对合成反应的关键酶进行反馈抑制 以减慢或中止生物合成 关键酶 Keyenzyme 往往是代谢途径的第一步反应的酶 a 或是分支代谢途径中分支点上的酶 b c f 或整个代谢途径中的限速酶或催化不可逆反应的酶 c A B C D E F G a b c d f g 许多关键酶都是调节酶如别构酶 共价修饰酶 同工酶 多功能酶等 酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活性来调节 通过控制酶浓度的调节要牵涉到基因 mRNA 蛋白质的生物合成 所以这种调节是一种慢调节 在几小时或几天内才能完成 另一种通过调节酶活性 这是快速调节 在几分钟到几十分钟内完成 酶浓度的调节 一 酶浓度的调节 诱导作用 induction 指用诱导物 inducer 来促进酶的合成 这种作用称诱导作用 阻遏作用 repression 指用阻遏物 repressor 阻止或降低酶的合成 这种作用称阻遏作用 1 酶合成的诱导作用 在细菌中普通存在 如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源 当用乳糖作为唯一碳源时 开始细菌不能利用乳糖 但2 3分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶 1 半乳糖苷酶 水解乳糖的酶 使乳糖水解成半乳糖和葡萄糖 2 半乳糖透性酶 促使乳糖通过细胞膜 3 半乳糖苷转乙酰基酶 硫代半乳糖苷转乙酰基酶 这酶的功能不清 可能是将不能代谢的乳糖类似物乙酰化 并将它们排出体外 乳糖究竟如何诱导了这三种酶的合成呢 1961年法国Monod和Jacob提出了著名的乳糖操纵子 lactoseoperon 模型 这模型的提出犹如当年Watson和Crick发现DNA双螺旋模型一样 受到人们的重视 人们把它看作生物学的第二个里程碑 乳糖操纵子模型的基本要点 一群功能相关的结构基因相邻 并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制 一群功能相关的结构基因 structuralgene 和操纵基因 operator 启动子 promoter 组成了一个操纵子 operon 为什么称它们为一个操纵子呢 因为它们又共同受一个调节基因 regulatorgene 所调节 结构基因 决定酶蛋白或蛋白质的基因 操纵基因 转录的开关 可打开或关闭结构基因的转录 启动子 专管转录起始 上面有RNA聚合酶的结合位点 调节基因 为阻遏蛋白编码 酶合成的诱导 下一页 诱导物 乳糖或乳糖类似物IPTG 异丙基 D 硫代半乳糖苷 返回 现在知道乳糖操纵子除需诱导物外 还需cAMP和cAMP受体蛋白 CRP 当cAMP与CRP结合成复合物时 这复合物能结合到启动子上 促使转录的起始 乳糖操纵子中酶合成代谢小结 当缺乏乳糖时 就会生产少量的酶 操纵基因与LacI结合 当存有乳糖 而同时亦有其他首选的碳源 如葡萄糖 时 就会生产少量的酶 LacI没有与操纵基因结合 当乳糖是首选的碳源时 cAMP CAP会与启动子结合 而Lac酶的生产会最大化 2 酶合成的阻遏作用 最终产物的阻遏 以E ColiTrp操纵子为例 Trp操纵子含有5个结构基因 它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为Trp Trp是辅助遏物 corepressor 酶合成的阻遏作用 利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏 但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞 操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控 真核细胞中没有操纵子 即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上 它们并不组成一个操纵子 分解代谢产物的阻遏 E Coli以乳糖为唯一碳源时 乳糖可诱导与乳糖有关的三种酶的合成 但如果培养基中既含葡萄糖 又含乳糖时 则优先利用Glc 等Glc耗尽后才能利用乳糖 也就是说在大量Glc时 乳糖操纵子还是关闭 Glc阻遏了乳糖代谢有关的三种酶的合成 这种现象过去称为葡萄糖效应 glucoseeffect 后来知道这是由于Glc分解代谢产物引起的 因此又称为分解代谢产物阻遏 cataboliterepression G C ATP cAMP 5 AMP 腺苷酸环化酶 磷酸二酯酶 CRP cAMP CRP 复合物 结构基因 分解代谢产物 启动子 操纵基因 分解代谢产物阻遏 即葡萄糖效应的机制 2 酶活性的调节 反馈抑制共价修饰 1 反馈抑制 feedbackinhibition 也称负反馈 这是生物体普遍存在的一种调节机制 反馈抑制是指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用 大多是对第一个酶的活力起抑制作用 反馈抑制在代谢中见了很多 特别是在氨基酸和核苷酸的生物合成中 这类例子更多 共价修饰 covalentmodification 亦称化学修饰 就是在调节酶分子上以共价键连上与或脱下某种特殊的化学基团 从而引起酶活性的改变 这类酶称共价修饰酶 自从1955年Krebs和Sutherland等有关糖原磷酸化酶的研究以来 到目前已经知道的有100多种酶在它被翻译后进行共价修饰 目前已知有6种类型的共价修饰酶 磷酸化 脱磷酸化 腺苷酰化 脱腺苷酰化 乙酰化 脱乙酰化 尿苷酰化 脱尿苷酰化 甲基化 脱甲基化 S S SH相互转变 磷酸化 脱磷酸化与酶活性的调节 磷酸化的共价修饰可用一个通式来表示 2 操纵子模型 Jacob和Monod认为诱导酶 他们当时称为适应酶 现象是个基因调控问题 可以用实验方法进行研究 因此选为突破口