第7章 微生物的代谢和发酵(2,2007).ppt

V P VogosProuskauertest 反应 区分大肠杆菌与产气杆菌 2 通过HMP途径的发酵 异型乳酸发酵异型乳酸发酵 heterolacticfermentation 凡葡萄糖发酵后产生乳酸 乙醇 或乙酸 和CO2等多种产物的发酵 同型乳酸发酵 homolacticfermentation 只产生2分子乳酸的发酵 一些异型乳酸发酵杆菌如肠膜明串珠菌 乳脂明串珠菌等 因缺乏EMP途径中的若干重要酶 醛缩酶和异构酶 其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径 同型乳酸发酵反应试 C6H12O6 2ADP 2Pi2CH3CHOHCOOH 2ATP异型乳酸发酵反应试 C6H12O6 ADP PiCH3CHOHCOOH C2H5OH CO2 ATP 3 通过ED途径进行的发酵通过EMP途径的酵母酒精发酵酒精发酵三个类型通过HMP途径的细菌酒精发酵 异型乳酸发酵 通过ED途径的细菌酒精发酵 酵母的 同型酒精发酵 酿酒酵母 EMP途径 C6H12O6 2ADP 2Pi2C2H5OH 2CO2 2ATP 细菌的 同型酒精发酵 运动发酵单胞菌 ED途径 C6H12O6 ADP Pi2C2H5OH 2CO2 ATP 细菌的 异型酒精发酵 肠膜明串珠菌 HMP途径 C6H12O6 ADP PiCH3CHOHCOOH C2H5OH CO2 ATP 4 氨基酸发酵产能 Stickland反应Stickland反应 少数梭菌能在厌氧条件下 进行氨基酸对的发酵 即一个氨基酸作为底物脱氢 即氢供体 另一个氨基酸作为氢受体 二 自养微生物的生物氧化 产能化能无机营养型微生物 所需能量ATP通过还原态无机物经过生物氧化产生 还原力 H 通过消耗ATP自养微生物和无机氢 H e 的逆呼吸传递而产生 光能自养型微生物 ATP和 H 通过循环光合磷酸化 非循环光合磷酸化或通过紫膜的光合磷酸化来获得1 化能自养型化能自养菌为还原CO2而需要的ATP和还原力 H 是通过氧化无机底物 NH4 NO2 H2S S0 H2和Fe2 等 实现 其产能的途径借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应得到 绝大多数化能自养菌为好氧菌 化能自养微生物的能量代谢特点 1 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系 即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后 可直接进入呼吸链传递 2 呼吸链的组成更为多样化 氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链3 产能效率即P O比一般低于化能异养微生物 P O比 每消耗1mol的氧原子产生ATP的mol数 以亚硝化细菌为例 亚硝化细菌硝化细菌硝化细菌1 亚硝化细菌 氨氧化细菌 可将NH3氧化成 2 硝化细菌 亚硝酸氧化细菌 可将氧化为 三 ATP的产生底物水平磷酸化 发酵作用取得能量的唯一方式ATP的产生氧化磷酸化 好氧呼吸和厌氧呼吸的微生物光合磷酸化 光合细菌 藻类 绿色植物 蓝细菌等1 底物水平磷酸化 定义 物质在生物氧化过程中 常生成一些含有高能键的化合物 这些化合物可直接偶联ATP或GTP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 2 氧化磷酸化定义 物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜或细胞质膜上的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ATP的方式称氧化磷酸化 ATP的产生 化学渗透偶联假说 电子传递过程中 导致膜内外出现质子浓度差 从而将能量蕴藏在质子势中 质子势推动质子由膜外进入胞质 在这个过程中通过存在于膜上的F1 F0ATPase偶联ATP的形成 分子马达 3 光合磷酸化产氧真核生物 藻类及其他绿色植物光能营养型微生物原核生物 蓝细菌不产氧 仅原核生物有 光合细菌 红螺菌目 定义 指光能转变为化学能的过程 1 循环式光合磷酸化 光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP 这类细菌包括紫色硫细菌 绿色硫细菌 紫色非硫细菌 绿色非硫细菌 特点 在光能驱动下 电子从菌绿素分子上逐出后 通过类似呼吸链的循环 又回到菌绿素 其间产生ATP 产ATP 不产生氧 光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP 电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动 为ATP的合成提供了能量 通过电子的逆向传递产生还原力 2 非循环式光合磷酸化 高等植物和蓝细菌与光合细菌不同 他们可以裂解水 以提供细胞合成的还原力 特点 电子的传递途径属非循环式 在有氧条件下进行 两个光合系统 其中色素系统 含叶绿素a 可利用红光 色素系统 含叶绿素b 可利用蓝光 反应同时有ATP 产自系统 还原力 H 产自系统 和O2 还原力NADPH2中的 H 来自H2O分子光解后的H 和e 3 嗜盐菌紫膜的光合作用只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用 代表菌有盐生盐杆菌 HalobacteriumHalobium 和红皮盐杆菌 H cutirbrum 第二节微生物的耗能代谢一 自养微生物的CO2固定自养微生物在生物氧化所取得的能量主要用于的CO2的固定 Calvin循环CO2固定的途径厌氧乙酰 CoA途径逆向TCA循环羟基丙酸途径Calvin循环 Calvincycle 也称Calvin Benson循环 核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环 是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径 利用此循环的生物除了绿色植物 蓝细菌和绝大多数光合细菌 还包括全部好氧性的化能自氧菌 磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本循环的特有酶 如 以产生1个葡萄糖分子来计算 则Calvin循环的总式为 6CO2 18ATP 12NAD P H2C6H12O6 18ADP 18Pi 12NAD P 1 羧化反应 2 还原反应 3 CO2受体的再生 2 厌氧乙酰 辅酶A途径 活性乙酸途径 生物化学中将具有一个碳原子的基团称为 一碳单位 或 一碳基团 生物体内的一碳单位有多种形式 如 1 亚氨甲基 CH NH2 甲酰基CHO 3 羟甲基 CH2OH4 亚甲基 甲叉基 CH2 5 次甲基 甲川基 CH 6 甲基 CH3 3 逆向TCA循环 4 羟基丙酸途径 第三节微生物的次级代谢 几个概念 1 初级代谢 将微生物与外界吸收各种营养物质 通过分解代谢和合成代谢 生成维持生命活动所需的物质和能量的过程 2 次级代谢 微生物在一定生长时期 以初级代谢产物为前体 合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程 3 次级代谢产物 次级代谢过程产生的产物 次级代谢产物 抗生素激素生物碱毒素维生素 第四节微生物的代谢调节与应用 参与微生物代谢的酶组成型酶80 90 诱导酶10 20 微生物细胞内代谢调节酶合成量酶活性细胞膜透性一 酶合成调节通过控制酶的合成量调节代谢速率的调节机制 是一种基因表达水平上的调节 1 酶合成调节类型酶合成类型 诱导 阻遏1 诱导酶组成酶 细胞固有酶 合成受相应基因的控制 与底物无关 诱导酶 细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的酶 诱导酶协同诱导顺序诱导协同诱导 同时或几乎同时诱导几种酶的合成 如 乳糖诱导E Coli产生 半乳糖苷透性酶 半乳糖苷酶半乳糖苷转乙酰酶顺序诱导 先后诱导合成分解底物的酶和分解其后各中间产物的酶 如 色氨酸儿茶酚色氨酸加氧酶犬尿酸甲酰胺酶邻氨基苯甲酸犬尿氨酸酶邻氨基苯甲酸双氧酶 儿茶酚 色氨酸 2 阻遏催化某一特异产物合成的酶 在培养基中有该产物存在的情况下常常是不合成的 即受阻遏的 这种由于末端产物的过量积累而导致的生物合成途径中酶合成的阻遏称为末端产物阻遏 常发生在氨基酸 嘌呤 嘧啶等重要结构元件生物合成的时候 2 酶合成调节机制启动基因 是RNA聚合酶识别 接合和转录起始的部位操纵子操纵基因 控制结构基因转录的开放或关闭结构基因 通过转录和转译过程来执行多肽 酶及结构蛋白 合成 效应物 一类低分子量的信号物质 如糖类及其衍生物 氨基酸及核苷酸等 包括诱导物与辅阻遏物 可与调节蛋白结合 使之发生变构 提高或降低与操纵基因的结合能力 调节蛋白 由调节基因编码产生的一种变构蛋白 有两个结合位点 一个与操纵基因结合 另一个与效应物结合 调节蛋白与诱导物结合因变构而失去活性 调节蛋白与辅阻遏物结合变构获得活性 调节蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白原以乳糖操纵子为例 二 酶活性调节通过中间代谢产物或终产物改变已有酶分子的活性 进而控制代谢速率 酶活性调节激活抑制激活 酶在特定物质作用下 从无活性变为有活性或活性提高的过程 抑制 酶在特定物质作用下 酶活性降低或丧失的过程 酶活性抑制主要指反馈抑制 即某代谢途径的终产物过量合成时反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性 使整个反应过程减慢或停止 避免终产物的过度积累 直接 效果快速及终产物浓度降低时抑制解除的优点 1 反馈抑制直线代谢途径反馈抑制分支代谢途径反馈抑制 2 分支代谢途径的反馈抑制1 同功酶反馈抑制模式AK 受苏氨酸 异亮氨酸的多价抑制和阻遏天冬氨酸激酶AK 受蛋氨酸专一性抑制和阻遏AK 受赖氨酸专一性抑制和阻遏 2 协同反馈抑制模式3 协作反馈抑制模式 黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制 4 累积反馈抑制模式大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现 5 顺序反馈抑制模式3 反馈抑制的机制变构酶 三 细胞膜透性调节1 控制营养物质进入细胞2 解除反馈抑制四 微生物次级代谢的调节1 初级代谢对次级代谢的调节2 碳 氮代谢物的调节作用3 诱导作用及产物的反馈抑制五 代谢调控的应用1 反馈阻遏与反馈抑制原理的应用采用速效和缓效碳源组合形成混合碳源添加前体2 选育抗反馈调节的突变株3 筛选组成型 复习思考题 1 什么是新陈代谢 图示分解代谢和