微生物的代谢2ppt课件

1、第五章第五章 微生物代谢微生物代谢新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢catabolism和合成代谢和合成代谢anabolism的总的总新陈代谢新陈代谢 = 分解代谢分解代谢 + 合成代谢合成代谢分解代谢：指复杂的有机物分子经过分解代谢分解代谢：指复杂的有机物分子经过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸ATP方式的能量和复原力的作用。方式的能量和复原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、单小分子、ATP方式的能量和复原力一同合成方式的能量和复原力一同

2、合成复杂的大分子的过程。复杂的大分子的过程。物质代谢：物质在体内转化的过程物质代谢：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方式相互转化能量代谢：伴随物质转化而发生的能量方式相互转化. .按代谢产物在机体中作用不同分：按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢：初级代谢： 提供能量、前体、构造物质等生命活动所提供能量、前体、构造物质等生命活动所必需的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等必需的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等. .次级代谢：次级代谢： 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；代谢类型； 产物：抗生素、色素、激

3、素、生物碱等产物：抗生素、色素、激素、生物碱等按物质转化方式分：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，分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在并在 这个过程中产生能量。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。在这个过程中要耗费能量。杂大分子的过程。在这个过程中要耗费能量。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢中的中心问题。能量代谢是新陈代谢中的中心问题。中心义务：把外界环境中的各种初级能源转换成中心义务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动

4、都能运用的能源对一切生命活动都能运用的能源ATP。有机物最初能源日光通用能源复原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌一、微生物氧化的方式一、微生物氧化的方式生物氧化作用：生物氧化作用：营养物质在细胞内酶的作用下氧化并释放能量的过程。营养物质在细胞内酶的作用下氧化并释放能量的过程。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键方式贮藏在键方式贮藏在ATP分子内，供需时运用。分子内，供需时运用。 生物氧化的功能：生物氧化的功能：产能产能(ATP)产复原力【产复原力【H】小分子中间代谢物小分子中间代谢物异氧微生物的生物氧化途径：异氧微生物的生物氧化途

5、径：vEMP途径vHMP途径 vED途径v磷酸酮解途径v三羧酸循环葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解作用作用 ( 简称：简称：EMP途径途径)活化活化移位移位 氧化氧化磷酸化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶HMP途径途径HMP是一条葡萄糖不经是一条葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+方式的复原力和多种中间代谢产方式的复原力和多种中间代谢产物的代谢途径物的代谢途径经过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、假设经过该途径可产生

6、许多种重要的发酵产物。如核苷酸、假设干氨基酸、辅酶和乳酸异型乳酸发酵等。干氨基酸、辅酶和乳酸异型乳酸发酵等。HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需求量相关。动对其中间产物的需求量相关。又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸KDPG裂解途径。裂解途径。1952年在年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来中发现，后来证明存在于多种细菌中革兰氏阴性菌中分布较证明存在于多种细菌中革兰氏阴性菌中分布较广。广。 ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单途径而单独存在，是

7、少数缺乏完好独存在，是少数缺乏完好EMP途径的微生物的一途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。种替代途径，未发现存在于其它生物中。ED途径途径ED途径途径 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸 激酶激酶 与与EMP途径衔接途径衔接 氧化酶氧化酶 (与与HMP途径衔接途径衔接) EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 反响步骤简单，产能效率低反响步骤简单，产能效率低. 此途径可与此途径可与EMP

8、途径、途径、HMP途径和途径和TCA循循环相衔接，可相互协调以满足微生物对能量、环相衔接，可相互协调以满足微生物对能量、复原力和不同中间代谢物的需求。好氧时与复原力和不同中间代谢物的需求。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进展乙醇发酵循环相连，厌氧时进展乙醇发酵.磷酸酮解途径磷酸酮解途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。些细菌中。进展磷酸酮解途径的微生物短少醛缩酶，所以它进展磷酸酮解途径的微生物短少醛缩酶，所以它不可以将磷酸己糖裂解为不可以将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径

9、磷酸戊糖酮解途径PK途径途径 磷酸己糖酮解途径磷酸己糖酮解途径HK途径途径 五五 TCA循环循环（五五）三三羧羧酸酸循循环环（五五）三三羧羧酸酸循循环环又又称称TCA循循环环、Krebs循循环环或或柠柠檬檬酸酸循循环环。在在绝绝大大多多数数异异养养微微生生物物的的呼呼吸吸代代谢谢中中起起关关键键作作用用。其其中中大大多多数数酶酶在在真真核核生生物物中中存存在在于于线线粒粒体体基基质质中中，在在细细菌菌中中存存在在于于细细胞胞质质中中；只只有有琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶是是结结合合于于细细胞胞膜膜或或线线粒粒体体膜膜上上。主主要要产产物物：4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底底

10、物物水水平平）ATP3CO2在在物物质质代代谢谢中中的的地地位位：枢枢纽纽位位置置工工业业发发酵酵产产物物：柠柠檬檬酸酸、苹苹果果酸酸、延延胡胡索索酸酸、琥琥珀珀酸酸和和谷谷氨氨酸酸C3CH3COCoA呼呼吸吸链链呼呼吸吸链链丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反响而本身并不耗费。TCA循环的重要特点循环的重要特点1、循环一次的结果是乙酰、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为的乙酰基被氧化为2分子分子CO2,并重新生成

11、并重新生成1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化复原反响，其中三步反响中将、整个循环有四步氧化复原反响，其中三步反响中将NAD+复原为复原为NADH+H+，另一步为，另一步为FAD复原；复原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。、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；、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方式；、生物体提供能量的主要方式；6、为人类利用生物发酵消费所需产品提供主要的代谢途径。、为人类利用生物发酵消费所需产品提供主要的代谢途径。如如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；Glu发酵等

12、。发酵等。异氧微生物的生物氧化方式：异氧微生物的生物氧化方式：v根据最终电子受体的不同可分成： v发酵v有氧呼吸v无氧呼吸v概念：以有机物作为电子供体和最终电子受体的生物概念：以有机物作为电子供体和最终电子受体的生物氧化作用。氧化作用。v在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来消费有用代谢产物的一类消费方式。消费有用代谢产物的一类消费方式。v发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有径主要有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。v特点：氧化不彻底特点：氧化不彻底v 放能少放能少v

13、 电子不经电子传送链的传送，与底物程度磷酸电子不经电子传送链的传送，与底物程度磷酸化相偶联，部分能量可被微生物加以利用。化相偶联，部分能量可被微生物加以利用。v 各种微生物都能进展发酵。各种微生物都能进展发酵。一发酵作用一发酵作用乙醇发酵乙醇发酵乳酸发酵乳酸发酵丙酸发酵丙酸发酵混合酸发酵混合酸发酵2,32,3丁二醇丁二醇发酵发酵丁酸发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物发酵类型：发酵类型： C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶1、乙醇发酵、乙醇发酵酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：该乙醇发酵过

14、程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。酵。缘由：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果缘由：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分分子乙醛间发生歧化反响，生成子乙醛间发生歧化反响，生成1分子乙醇和分子乙醇和1分子乙酸；分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下磷

15、酸甘油醛脱下的氢而生成的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。生成甘油。2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO2细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：EDv酵母菌在酵母菌在pH3.5-4.5时的乙醇发酵时的乙醇发酵v 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶v 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇v 经过经过EMP途径产生乙醇，总反响式为：途径产生乙醇

16、，总反响式为：vC6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP v细菌细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵v 经过经过ED途径产生乙醇，总反响如下：途径产生乙醇，总反响如下：v 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+ATPv细菌细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵v 经过经过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反响如下：途径产生乙醇、乳酸等，总反响如下：v 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO2+ATP2、乳酸发酵、乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸细菌能利用

17、葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，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、异型乳酸发酵和双将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：经同型乳酸发酵：经EMPEMP途径途径异型乳酸发酵：经异型乳酸发酵：经HMPHMP途径途径双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵: : 经经HKHK途径途径磷酸己糖解酮酶途径磷酸己糖解酮酶途径 葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2( 1,3-二二-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 2乳酸乳酸 2丙酮酸

18、丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADP异型乳酸发酵：异型乳酸发酵：葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较Lactobacillus brevis2ATP1乳酸乳酸1乙酸乙酸1CO2HMP异型异型Leuconostoc mesenteroides1ATP1乳酸乳酸1乙醇乙醇1

19、CO2HMP异型异型Lactobacillus debruckii2ATP2乳酸乳酸EMP同型同型菌种代表菌种代表产产能能/葡萄糖葡萄糖产物产物途径途径类型类型3、混合酸发酵、混合酸发酵v概念：埃希概念：埃希氏菌、沙门氏氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属的一些菌经属的一些菌经过过EMP途径将途径将葡萄糖转变成葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸、H2和和CO2等多种代等多种代谢产物，由于谢产物，由于代谢产物中含代谢产物中含有多种有机酸，有多种有机酸，故将其称为混故将其称为混合酸发酵。合酸发酵。 葡萄糖葡萄糖琥泊酸琥泊酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮

20、酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH6.24、2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和沙雷氏菌、和欧文氏菌属中欧文氏菌属中的一些细菌具的一些细菌具有有-乙酰乳酸乙酰

21、乳酸合成酶系而进合成酶系而进展丁二醇发酵。展丁二醇发酵。发酵途径：发酵途径：EMP鉴别肠道细菌的鉴别肠道细菌的V.P.实验实验鉴别原理鉴别原理 缩合缩合 脱羧脱羧2丙酮酸丙酮酸 乙酰乳酸乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 碱性碱性条件条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 与培育基中精氨酸的胍基结合与培育基中精氨酸的胍基结合红色化合物红色化合物-CO2鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红红M.R实验实验v产酸产气实验：产酸产气实验： Escherichia与与Shigella在利用葡萄糖进在利用葡萄糖进展发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，展发酵时，前者具有

22、甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者那么因无此酶，不具有产气的才干。后者那么因无此酶，不具有产气的才干。v甲基红实验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进甲基红实验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进展发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者那么产生大展发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者那么产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中参与甲基红试量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中参与甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。剂时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌： pH4.5IMViC实验：实验：= 吲哚吲哚I、甲基红、甲基红M、V.P.实验实验Vi柠檬酸柠檬酸盐利用盐

23、利用C共四项实验。用以将大肠杆菌与其外形共四项实验。用以将大肠杆菌与其外形非常相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。非常相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。吲哚实验吲哚实验甲基红实验甲基红实验V.P.实验实验柠檬酸盐柠檬酸盐利用利用大肠杆菌大肠杆菌+-产气杆菌产气杆菌-+概念概念: :是以分子氧作为最终电子是以分子氧作为最终电子( (或氢或氢) )受体的氧化受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：途径：EMP,TCAEMP,TCA循环循环特点：以分子氧作为最终电子受体的氧化作用特点：以分子氧作为最终电子受体的氧化作用底物氧化彻底底物氧化彻底底物在氧化过程中

24、脱下的氢和电子经电子传送链底物在氧化过程中脱下的氢和电子经电子传送链的传送最终交给氧，并在传送的过程中与磷酸化相的传送最终交给氧，并在传送的过程中与磷酸化相偶联产生偶联产生ATPATP。产能多，约产能多，约40%40%的能量被微生物利用，的能量被微生物利用，60%60%以热的以热的方式释放。方式释放。是好氧或兼性好氧微生物在有分子氧存在的条件是好氧或兼性好氧微生物在有分子氧存在的条件下进展的氧化方式。下进展的氧化方式。二有氧呼吸二有氧呼吸电子传送与氧化呼吸链电子传送与氧化呼吸链定义：由一系列氧化复原势不同的氢传送体组成的定义：由一系列氧化复原势不同的氢传送体组成的一组链状传送顺序。在氢或电子的

25、传送过程中，经一组链状传送顺序。在氢或电子的传送过程中，经过与氧化磷酸化反响发生偶联，就可产生过与氧化磷酸化反响发生偶联，就可产生ATP方式的方式的能量。能量。部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上线粒体内膜上成员：电子传送是从成员：电子传送是从NAD到到O2，电子传送链中的电，电子传送链中的电子传送体主要包括子传送体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素、细胞色素b 、c 1、 c、 a 、a和一些铁硫旦白。这些电子传送体传送电和一些铁硫旦白。这些电子传送体传送电子的顺序，按照它们的氧化复原电势大小陈列。子的顺序，按照它们的氧化复原电

26、势大小陈列。呼吸链的功能：呼吸链的功能： 一是传送电子；二是将电子传送一是传送电子；二是将电子传送过程中释放的能量合成过程中释放的能量合成ATP这就是电这就是电子传送磷酸化作用或称氧化磷酸化作子传送磷酸化作用或称氧化磷酸化作用。用。ATPATP的构造和生成的构造和生成2. ATP的生成方式的生成方式: 微生物能量代谢活动中所涉及的主要是微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP高能高能分子方式的化学能分子方式的化学能. ATP是生物体内能量的载体是生物体内能量的载体或流通方式或流通方式.当微生物获得能量后当微生物获得能量后,都是先将获得的都是先将获得的能量转换成能量转换成ATP.当需求能量时当需

27、求能量时,ATP分子上的高能键分子上的高能键水解水解,重新释放出能量重新释放出能量.光合磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化底物程度磷酸化底物程度磷酸化电子传送磷酸化电子传送磷酸化1. 构造构造:乙醛酸循环乙醛酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸琥珀酸琥珀酸异柠檬酸异柠檬酸苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸乙醛酸乙醛酸乙酰乙酰CoA乙酰乙酰CoA乙酸乙酸乙酸乙酸乙醛酸循环乙醛酸循环可以利用乙酸的微生物具有乙酰可以利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转合成酶，它使乙酸转变为乙酰变为乙酰CoA；然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸

28、循环。酸循环。乙醛酸循环的主要反响：乙醛酸循环的主要反响： 异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸 +乙醛酸乙醛酸 乙醛酸乙醛酸 + 乙酸乙酸 苹果酸苹果酸 琥珀酸琥珀酸 + 乙酸乙酸 异柠檬酸异柠檬酸 净反响：净反响：2乙酸乙酸 苹果酸苹果酸柠檬酸发酵一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的才干较强，并能利用多种其中又以黑曲霉产生柠檬酸的才干较强，并能利用多种碳源，故常是消费上运用的菌种。碳源，故常是消费上运用的菌种。二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合

29、成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些要素，如金属离子的缺乏，遭到抑制，这有利于被某些要素，如金属离子的缺乏，遭到抑制，这有利于柠檬酸的积累。柠檬酸的积累。三、工艺流程：发酵液的三、工艺流程：发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；值对柠檬酸生成影响很大；pH23时，发酵产物主要是柠檬酸；时，发酵产物主要是柠檬酸； pH值中性或碱性时，值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；会产生较多草酸和葡萄糖酸； 可往培育基中参与亚铁氰化钾或采可往培育基中参与亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺取育种手段改造菌种，使乌头酸酶

30、或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以妨碍失或尽量降低活性，以妨碍TCA循环的正常进展，从而循环的正常进展，从而添加柠檬酸的积累。添加柠檬酸的积累。谷氨酸发酵一、谷氨酸发酵菌种：一、谷氨酸发酵菌种：Corynebacterium pekinenseCorynebacterium glutamicumBrevibacterium flavu二、发酵机理：二、发酵机理： 谷氨酸以谷氨酸以-酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合成途径包括成途径包括EMP,HMP,TCA循环循环,乙醛酸循环等；乙醛酸循环等； 谷氨酸产生菌的谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很

31、弱或短少，而谷酮戊二酸氧化酶活力很弱或短少，而谷氨酸脱氢酶的活力要很高；氨酸脱氢酶的活力要很高； 生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。生物素经过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。生物素经过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。 概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子和氢受概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子和氢受体的氧化作用。体的氧化作用。一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进展无氧呼一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进展无

32、氧呼吸吸.无机氧化物：如无机氧化物：如NO3-、 NO2-、SO42-、S2O32-等。等。在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需求细胞在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需求细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生的能量多。的能量多。如：以硝酸钾为电子受体进展无氧呼吸时，可释放出如：以硝酸钾为电子受体进展无氧呼吸时，可释放出1796.14KJ自在能。自在能。三无氧呼吸三无氧呼吸化化能能自自养养微微生生物物的的产产能能代代谢谢还还原原CO2时时

33、ATP和和H的的来来源源顺顺呼呼吸吸链链传传递递CO2NH4+, NO2-, H2S, S ATP(最最初初能能源源)耗耗H产产ATP逆逆呼呼吸吸链链传传递递S,H2,Fe2+NAD(P)H2（无无机机氢氢供供体体）耗耗ATP产产HCH2O二、自养微生物的生物氧化二、自养微生物的生物氧化第二节第二节微生物的代谢调控与发酵消费微生物的代谢调控与发酵消费本节提要：本节提要：微生物代谢过程中的自我调理微生物代谢过程中的自我调理酶活性的调理酶活性的调理酶合成的调理酶合成的调理代谢调控实际的运用代谢调控实际的运用微生物代谢过程中的自我调理微生物代谢过程中的自我调理微生物代谢调理系统的特点：准确、可塑性强

34、，细胞微生物代谢调理系统的特点：准确、可塑性强，细胞程度的代谢调理才干超越高等生物。程度的代谢调理才干超越高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种种蛋白质，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包是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能包容容10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分个分子。如何处理合成与运用效率的经济关系？子。如何处理合成与运用效率的经济关系？处理方式：组成酶处理方式：组成酶constitutiv

35、e enzyme经常以高浓度经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶存在，其它酶都是诱导酶inducible enzyme，在底物，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含量的10%。微生物自我调理代谢的方式微生物自我调理代谢的方式1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞2.经过酶的定位控制酶与底物的接触经过酶的定位控制酶与底物的接触3.控制代谢物流向控制代谢物流向:1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞如：只需当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合如：只需当速效碳源或氮源耗尽时，微生

36、物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。系统。2.经过酶的定位控制酶与底物的接触经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；细真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各胞器各 自行使某种特异的功能；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原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使酶行使 功能：功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；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；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同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。菌的周质区

37、。3. 控制代谢物流向：控制代谢物流向：( 经过酶促反响速度来调理经过酶促反响速度来调理) 1)可逆反响途径由同种酶催化，可由不同辅可逆反响途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如基或辅酶控制代谢物流向：如: 两种两种Glu脱氢酶：以脱氢酶：以NADP为辅基为辅基 Glu合成合成 以以NAD为辅基为辅基 Glu分解分解 2)经过调理酶的活性或酶的合成量。经过调理酶的活性或酶的合成量。关键酶关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。的第一个酶。 粗调：调理酶的合成量粗调：调理酶的合成量细调：调理现有酶分子的活性细调：调理现有酶分子的活

38、性 3)经过调理产能代谢速率。经过调理产能代谢速率。一、酶活性的调理一、酶活性的调理经过改动现成的酶分子活性来调理新陈代谢的速率的方式。是酶分子程度经过改动现成的酶分子活性来调理新陈代谢的速率的方式。是酶分子程度上的调理，属于精细的调理。上的调理，属于精细的调理。一调理方式：包括两个方面：一调理方式：包括两个方面：1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反响可被较前面的反响产物所促、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反响可被较前面的反响产物所促进的景象；常见于分解代谢途径。进的景象；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如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进

39、2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反响抑制。、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反响抑制。概念：反响：指反响链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性概念：反响：指反响链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。的影响。 凡使反响速度加快的称正反响；凡使反响速度加快的称正反响； 凡使反响速度减慢的称负反响反响抑制；凡使反响速度减慢的称负反响反响抑制； 反响抑制反响抑制主要表如今某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制主要表如今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。主要表如今氨基酸、核苷酸合成途径中。该途径中第一个酶的活性。主要表如今氨基酸、核苷酸合成

40、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响抑制：直线式代谢途径中的反响抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶苏氨酸苏氨酸-酮丁酸酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸反响抑制反响抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.分支代谢途径中的反响抑制：分支代谢途径中的反响抑制：在分支代谢途径中，反响抑制的情况较为复杂，为在分支代谢途径中，反响抑制的情况较为复杂，为了防止在一个分支上的产物过多时不致同时影响另了防止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，微生物开展出多种调理方式。

41、一分支上产物的供应，微生物开展出多种调理方式。主要有：主要有： 同功酶的调理，同功酶的调理， 顺序反响，协同反响，顺序反响，协同反响，积累反响调理等。积累反响调理等。二反响抑制的类型二反响抑制的类型1 1同功酶调理同功酶调理isoenzymeisoenzyme定义：指能催化同一化学反响但构造不同的一组酶。 同功酶a与酶b分别由各自的终产物E与G抑制。只需 E、G同时过量，才干完全阻止反响的进展。2 2协同反响抑制协同反响抑制concerted concerted feedback inhibitionfeedback inhibition定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才干抑制定义：

42、分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才干抑制共同途径中的第一个酶的一种反响调理方式。共同途径中的第一个酶的一种反响调理方式。3积累反响抑制积累反响抑制cumulative feedback inhibition定义：每个终产物同时积累都会对途径中的第一个酶产生部定义：每个终产物同时积累都会对途径中的第一个酶产生部分抑制造用，且各终产物的抑制造用互不干扰，各终产物同分抑制造用，且各终产物的抑制造用互不干扰，各终产物同时存在时，它们的抑制造用是累加的。各末端产物之间既无时存在时，它们的抑制造用是累加的。各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。协同效应，亦无拮抗作用。4 4顺序反响抑制顺序反响抑制

43、sequential sequential feedback inhibitionfeedback inhibition分支途径中两个终产物不能直接对途径中的第一个酶产生抑分支途径中两个终产物不能直接对途径中的第一个酶产生抑制造用，而是分别抑制分支点后的反响步骤，呵斥分支点上制造用，而是分别抑制分支点后的反响步骤，呵斥分支点上中间产物积累，高浓度的中间产物再反响抑制第一个酶的活中间产物积累，高浓度的中间产物再反响抑制第一个酶的活性。只需两个终产物同时积累，才干对途径中的第一个酶产性。只需两个终产物同时积累，才干对途径中的第一个酶产生抑制造用。生抑制造用。(三三)酶活力调理的机制酶活力调理的机制

44、变构酶实际： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立体专注性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调理中心。活性位点:与底物结合变构位点:与抑制剂结合与抑制剂结合,构象变化构象变化,不能与底物结合不能与底物结合 与激活剂结合与激活剂结合, 构象变化构象变化,促进与底物结合促进与底物结合 变构酶变构酶二、酶合成的调理二、酶合成的调理一酶合成调理的类型一酶合成调理的类型1.诱导诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物经过诱导作用而产生成分解代谢途径中有关酶的过程。微

45、生物经过诱导作用而产生的酶称为诱导酶为顺应外来底物或其构造类似物而暂时合成的酶称为诱导酶为顺应外来底物或其构造类似物而暂时合成的酶类。的酶类。组成酶固有酶：不依赖底物或底物构造类似物的存在而合组成酶固有酶：不依赖底物或底物构造类似物的存在而合成的酶。如：成的酶。如：EMP途径的一些酶。途径的一些酶。诱导酶：依赖于底物或底物构造类似物的存在而合成的酶。如：诱导酶：依赖于底物或底物构造类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。乳糖酶。 诱导物诱导物(inducer)： 酶作用的底物。有些酶催化的反响产酶作用的底物。有些酶催化的反响产物。底物构造类似物。物。底物构造类似物。2.阻遏阻遏repression

46、：二酶合成调理的机制二酶合成调理的机制支配子学说概述：支配子学说概述：1、支配子、支配子operon：是基因表达和控制的一：是基因表达和控制的一个完好单元，其中包括构造基因，调理基因，操个完好单元，其中包括构造基因，调理基因，操作子和启动子。作子和启动子。构造基因构造基因(structural genes)：是决议某一多肽：是决议某一多肽的的DNA 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的应的mRNA，然后再可经过核糖体转译出相应的，然后再可经过核糖体转译出相应的酶酶;编码蛋白质的编码蛋白质的DNA序列序列 启动子启动子(promoter)：能被依赖于：能被依赖

47、于DNA的的RNA聚聚合酶所识别的碱基顺序，是合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部聚合酶的结合部位和转录起点；在许多情况下还包括促进这一位和转录起点；在许多情况下还包括促进这一过程的调理蛋白结合位点。过程的调理蛋白结合位点。支配子支配子operator：位于启动基因和构造基：位于启动基因和构造基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能经过与阻遏物相结合来决议构造基因的转录能能经过与阻遏物相结合来决议构造基因的转录能否能进展；否能进展； 调理基因调理基因regulator gene：用于编码组成：用于编码组成型调理蛋白的基因，普通远离支配

48、子型调理蛋白的基因，普通远离支配子,但在原核但在原核生物中生物中,可以位于支配子旁边可以位于支配子旁边,编码调理蛋白。编码调理蛋白。Structure of a typical operon 酶合成的诱导酶合成的诱导Enzyme Induction： Enzyme Induction. Induction (or derepression) of the lac opron is a form of negative control because the effect of the regulatory protein (Active repressor) is to stop transc

49、ription. 有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合 ,使其变构, 不能与O结合,从而转录进展,合成乳糖酶,分解乳糖。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在支配基因上,转录不能进展；酶合成的阻遏酶合成的阻遏Enzyme Repression： 1.终产物的阻遏：终产物的阻遏：(end product repression): 反响阻遏反响阻遏) 即在合成代谢中，终产物阻遏即在合成代谢中，终产物阻遏该途径该途径 一切酶的合成。为基因表达的控制一切酶的合成。为基因表达的控制 。 如：色氨酸如：色氨酸(Try)合成的调控合成的调控(正调理正调理)Genetic organization of th

50、e Trp operon and its control elements 2.分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏Catabolite Repression1二次生长景象及其机二次生长景象及其机制：制：分解葡萄糖的酶分解葡萄糖的酶 组成酶固有酶组成酶固有酶 分解乳糖的酶分解乳糖的酶诱导诱导酶，酶， 受葡萄糖分解代谢产物受葡萄糖分解代谢产物 调控。调控。 The Diauxic Growth Curve of E. coli grown in limiting concentrations of a mixture of glucose and lactose 1cAMP与CAP结合。 2当cAMP与

51、CAP复合物结合在启动子上,RNApolase 才与启动子结合，转录进展。 3当短少cAMP和CAP时, RNApolase不能与启动子结合。Catabolite repression is positive control of the lac operon. The effect is an increase in the rate of transcription. 有葡萄糖时：有葡萄糖时： cAMP的产生受葡萄糖抑制。的产生受葡萄糖抑制。 葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性，葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性，cAMP浓度下浓度下降降 ， cAMP不与不与CAP结合，结合，RNA多聚酶

52、不能结合，多聚酶不能结合， 转转录不能进展。录不能进展。 无葡萄糖时：无葡萄糖时： cAMP浓度上升，浓度上升，cAMP与与CAP(降降解物的激活蛋白解物的激活蛋白)结合结合,与启动基因结合，转录进展与启动基因结合，转录进展.1存在诱导物时，存在诱导物时，mRNA得到转录：得到转录： 调理基因调理基因 控制部分控制部分 构造基因构造基因 PPR tOzyat -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 浸透酶浸透酶 转乙酰基酶转乙酰基酶诱导物诱导物阻遏物阻遏物失活阻遏物失活阻遏物 RNA多聚酶多聚酶cAMPCRP乳糖支配子乳糖支配子1乳糖支配子乳糖支配子DNARNA蛋白质蛋白质乳糖支配子乳糖支配子222 2诱导物

53、和辅阻遏物都存在时诱导物和辅阻遏物都存在时 调理基因调理基因 控制部分控制部分 构造基因构造基因 P PP PR R t tO Oz zy ya at t 乳糖支配子乳糖支配子333不存在诱导物时，不存在诱导物时，mRNA无法转录：无法转录： 调理基因调理基因 控制部分控制部分 构造基因构造基因 PPR tOzyat When lactose is presentWhen the inducer (lactose) is removedWhen levels of glucose in the cell are highv(一一)、生物合成途径的代谢调控；、生物合成途径的代谢调控； v1、终产

54、物阻遏、终产物阻遏end product repression) v 终产物阻遏该途径一切酶的合成。终产物阻遏该途径一切酶的合成。 v2、反响、反响feedback)或变构抑制或变构抑制(allosteric inhibition)：v 终产物对该合成途径第一酶合成的终产物对该合成途径第一酶合成的抑制抑制A B C DE1E2E3Gene1 Gene2Gene3终产物反响抑制终产物反响抑制mRNA合成被阻遏合成被阻遏DNAmRNA总结总结v1、酶的诱导、酶的诱导enzyme induction): v 底物或其构造类似物活化与降解有底物或其构造类似物活化与降解有关的酶。关的酶。 v 乳糖支配子

55、学说。乳糖支配子学说。 v2、分解代谢产物阻遏、分解代谢产物阻遏catabolite repression) ：v 葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。(二二)、分解途径的代谢调控：、分解途径的代谢调控：三、代谢的人工控制及其在发酵工业三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的运用中的运用工业发酵的目的：大量积累人们所需求的微生物代谢产物。工业发酵的目的：大量积累人们所需求的微生物代谢产物。代谢的人工控制：人为地突破微生物的代谢控制体系，使代谢的人工控制：人为地突破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进展。代谢朝着人们希望的方向进展。人工控制代谢的手段：人工控制

56、代谢的手段： 改动微生物遗传特性改动微生物遗传特性(遗传学方法；遗传学方法； 控制发酵条件生物化学方法；控制发酵条件生物化学方法； 改动细胞膜透性；改动细胞膜透性；v1对于直线式代谢途径：选育营养缺对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物陷性突变株只能积累中间代谢产物v v A a B b C c D d E v 1.1营养缺陷型菌株的运营养缺陷型菌株的运用用 末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培育基中限量供应E，使之足以维持菌株生长，但又不至于呵斥反响调理阻遏或抑制，这样才干有利于菌株积累中间产物C 。1.遗传学方法遗传学方法(2) 分支代谢途径：情况较复杂，可利分支

57、代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性抑制协同或累加反响抑制用营养缺陷性抑制协同或累加反响抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵消费中间产物消费中间产物A B CDEFG分支途径分支途径赖氨酸发酵赖氨酸发酵: :谷氨酸棒杆菌的谷氨酸棒杆菌的HomHom分支途径分支途径肌苷酸发酵肌苷酸发酵IMPIMP合成途径的代谢调控合成途径的代谢调控调控实际的实际运用调控实际的实际运用1.2 抗反响控制突变株的运用抗反响控制突变株的运用抗反响控制突变株抗反响控制突变株是指对反响抑制不敏感或是指对反响抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。抗反响控制突变株可以从