6第五章微生物的新陈代谢

1、第五章第五章 微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢新陈代谢：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）的总和。的总和。 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通过分解代谢酶系的催分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（化，产生简单分子、腺苷三磷酸（atp）形式的能量和形式的能量和还原力的作用。还原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、atp形式的能量

2、和还原力一起合成复杂的大分子的过程。形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。= total activity of cell; has two components 1.anabolism - used to make new molecules assimilative biosynthetic endergonic g 0; energy consuming 1.catabolism - used to obtain energy degradative dissimulative exergonic g fe+ + e- - occurs in cytochromes 2.succ

3、inic acid - fumaric acid + 2h note: this is oxidation, also dehydrogenation reaction, since 2h = 2 h+ + 2 e-. oxidation reactions are always accompanied by reduction reactions: example of a reduction reaction: nad+ (red) + 2h+ + 2e- - nadh (ox) + h+biological oxidations生物氧化的功能生物氧化的功能：产能产能(atp)产还原力产还

4、原力【h】小分子中间代谢物小分子中间代谢物生物氧化的过程生物氧化的过程一般包括三个环节：一般包括三个环节：底物脱氢（或脱电子）作用底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递氢（或电子）的传递（需中间传递体，如（需中间传递体，如nad、fad等）等）最后氢受体接受氢（或电子）最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径底物脱氢的途径 1、 emp途径途径 2、hmp 3、ed 4、tcaelectrons from energy source - redox carriers - te

5、rminal electron acceptors: some free energy released is trapped in chemically usable forms terminal acceptor can be external molecule (oxygen, nitrate, etc.), use membrane-localized electron transfer system (ets) in respiration (energy yields high) or terminal acceptor can be organic molecule derive

6、d from energy source during metabolism (pyruvate, etc.) - fermentation (energy yields low)一、化能异养微的生物氧化一、化能异养微的生物氧化（一）底物脱氢的途径（一）底物脱氢的途径 （一）一）emp途径途径葡萄糖的葡萄糖的 酵解作用酵解作用 ( 又称：embden -meyerhof -parnas途径， 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empemp途径特点：途径

7、特点：葡萄糖分子经转化成葡萄糖分子经转化成1 1，6 6二磷二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和二羟丙酮和3-3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。 3- 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成磷酸甘油醛被进一步氧化生成2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子葡萄糖可降解成分子葡萄糖可降解成2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛，并消耗磷酸甘油醛，并消耗2 2分子分子atpatp。2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛被氧化生成磷酸甘油醛被氧化生成2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，2 2分子分子nadh2nadh2和和4 4分子分

8、子atpatp。反应步骤：反应步骤：10步步反应简式：耗能阶段反应简式：耗能阶段产能阶段产能阶段2nadh+h+c62c32丙酮酸丙酮酸2atp4atp2atp总反应式：总反应式：c6h12o6+2nad+2adp+2pi2ch3cocooh+2nadh+2h+2atp+2h2o特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与作为合成代谢原料，有氧时与tca环连接，无氧时丙酮环连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。发酵工业有

9、密切关系。1.emp途径途径emp途径关键步骤途径关键步骤1. 葡萄糖磷酸化葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖二磷酸果糖(耗能耗能)2. 1.6二磷酸果糖二磷酸果糖2分子分子3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3. 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸总反应式：总反应式：葡萄糖葡萄糖+2nad+2pi+2adp 2丙酮酸丙酮酸+2nadh2+2atp coa 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 乙酰乙酰coa， 进入进入tca葡萄糖激活的方式葡萄糖激活的方式好氧微生物好氧微生物：通过需要：通过需要mg+和和atp的己的己糖激酶糖激酶厌氧微生物：厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸磷酸转移酶系统，在葡

10、萄糖进入细胞时即完成转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化了磷酸化磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶emp途径的关键酶，途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着在生物中有此酶就意味着存在存在emp途径途径需要需要atp和和mg+在活细胞内催化的反应是不可逆的反应在活细胞内催化的反应是不可逆的反应磷酸己糖酮解途径的特点：磷酸己糖酮解途径的特点：有两个磷酸酮解酶参加反应；有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分分子葡萄糖分解为解为3分子乙酸和分子乙酸和2分子分子3-磷酸磷酸-甘油醛，甘油醛， 3-磷酸磷酸-甘油醛在甘油醛在脱氢酶的参与下转

11、变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则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与adp生成生成atp的反应相偶联；的反应相偶联；每分子葡萄糖产生每分子葡萄糖产生2.5分子的分子的atp；许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。式。（五）（五） （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

12、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

13、子的乙酰coa可产生12分子的atp，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。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还原反应，其中三步反应中将整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将nad+还原为还原为nadh+h+，另一步为另一步为fad还原；还原；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；

14、5、生物体提供能量的主要形式；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。为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；glu发酵等。发酵等。三羧酸循环的枢纽位置三羧酸循环的枢纽位置二、递氢、受氢和二、递氢、受氢和atp的产生的产生经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的nadh、nadph、fad等还等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体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。（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据根据递氢特别是受氢过程中氢受体

15、性质的不同递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同, ,把微把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类. .发酵作用发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模；：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模；呼吸作用呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用又可分为两类：呼吸作用又可分为两类： 有氧呼吸有氧呼吸最终电子受体是分子氧最终电子受体是分子氧o o2 2; ; 无氧呼吸无氧呼吸最终电子受体是最终电子受体是o o2 2以外的以外的 无机氧化物，如无机氧化物，如nono3 3- -、soso4 42-2

16、-等等. .fermentation:example: on the left side, glucose is oxidized to pyruvate. on the right side, pyruvate can be reduced to acids, alcohols and gases.respiration:anaerobic respiration employs an electron acceptor other than o2 such as nitrate (no3) which is reduced to nitrite (no2) or n2.phototroph

17、salso oxidize chemical compounds, but the ultimate source of energy is light. phototrophy is shown here as the set of light-dependant, catabolic reactions associated with photosynthesis (the other reactions of which are anabolic).phototrophy:(chl represents chlorophyll.)phototrophy can be oxygenic (

18、evolving o2 when h2o serves as the electron donor) or anoxygenic (non-o2-evolving).呼呼吸吸、无无氧氧呼呼吸吸和和发发酵酵示示意意图图c6h12o6 ha hhb hca、b或或cah2，bh2或或ch2 h（发发酵酵产产物物：乙乙醇醇、co2乳乳酸酸等等）脱脱氢氢递递氢氢受受氢氢经经呼呼吸吸链链呼呼吸吸无无氧氧呼呼吸吸发发酵酵1/2o2h2ono3-，so42-，co2no2-，so32-，ch41. fermentation - oxidation of an organic compound in the

19、absence of external electron acceptor (no oxygen required). uses slp (substrate-level phosphorylation) 2. respiration - oxidation of an organic compound where oxygen is the final electron acceptor. uses ets (electron transport system) as well as slp 3. anaerobic respiration (unique to bacteria) - ox

20、idation of organic compounds where an external substrate other than oxygen serves as final electron acceptor. exs: nitrate, sulfate, carbon dioxide mechanisms of energy release: overviewv概念：概念：在在生物氧化中生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢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

21、。在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。的一类生产方式。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途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发酵类型：发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体在上述途径中均有还原型氢供体nadh+h+和和nadph+h+产生，但产生的量并不多，如不产生，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，这样微生及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会

22、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）物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受受体来接受nadh+h+和和nadph+h+的氢（电子），于是的氢（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。二醇发酵、及乙酸发酵等。1 1、发酵作用、发酵作用fermentations:a. in the absence of oxygen, nadh is not usua

23、lly oxidized by the electron transport chain because no external electron acceptor is availableb. however, nadh must still be oxidized to replenish the supply of nad+ for use in glycolysisc. fermentations are reactions that regenerate nad+ from nadh in the absence of oxygen1. fermentations involve p

24、yruvate or pyruvate derivatives as electron acceptors2. fermentations may or may not produce additional atp for the celld. alcoholic fermentations produce ethanol and co2e. lactic acid fermentations produce lactic acid (lactate)1. homolactic fermenters reduce almost all pyruvate to lactate2. heterol

25、actic fermenters form substantial amounts of products other than lactatef. formic acid fermentation produces either mixed acids or butanediol酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物（一）乙醇发酵（一）乙醇发酵 c6h12o62ch3cocooh 2ch3cho 2ch3ch2ohnadnadh2-2co2emp2atp乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：概念概念菌种菌种途径途

26、径特点特点发生条件发生条件该乙醇发酵过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当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发甘油发酵酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因：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应，生成子乙醛间发生歧化反应，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

27、酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下磷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，生磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。成甘油。2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2co2概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源意义：合理利用能源机理：机理：通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）缺氧（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高

28、多多很弱至消失很弱至消失巴斯德效应巴斯德效应(the pasteur effect )现象：现象： 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖 1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰coa柠檬酸柠檬酸草酰乙酸磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶(pfk)丙酮酸激酶丙酮酸激酶己糖激酶己糖激酶 -atp、柠檬酸柠檬酸 -adp,amp 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,6-二二-磷酸磷酸-果糖果糖巴斯德效应（续）巴斯德效应（续）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

29、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 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 通过通过empemp途径产生乙醇，总反应式为：途径产生乙醇，总反应式为：c c6 6h h1212o o6 6+2adp+2pi 2c+2adp+2pi 2c2 2h h5 5oh+2cooh+2co2 2+2atp+2atp v细菌细菌(zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过ed途径产生

30、乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+adp+pi 2乙醇乙醇+2co2+atp细菌细菌(leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过hmp途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+adp+pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+co2+atp同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵分子的发酵利用z.mobilis等细菌生产酒精优点：代谢速

31、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（二）乳酸发酵（二）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）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经hmphmp途径）途径）双歧杆菌发酵双

32、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丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2nad+ 2nadh4atp4adp2atp 2adplactococcus lactislactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点异型乳酸发酵：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+

33、nadhatp adp乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰coa2adp 2atp-2h概念概念菌种菌种途径途径特点特点-co2双歧发酵：双歧发酵：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1co2hmp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（三）混合酸发酵（三）混合酸发酵v概念概念：埃希埃希氏菌、沙门氏氏

34、菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属的一些菌通属的一些菌通过过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。v发酵途径：发酵途径： 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

35、化酶乙醛脱氢酶+2hph6.2（四）（四）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：概念：肠杆菌、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 -乙酰乳酸乙酰乳酸合成酶合成酶系而进系而进行丁二醇发酵。行丁二醇发酵。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.试验试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

36、乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 碱性条件碱性条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 （与培养基中精氨酸的胍基结合）（与培养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）试验试验v产酸产气试验：产酸产气试验： escherichia与与shigella在利用葡萄糖进在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。后者则因无此酶，不具有产气的能力。v甲基红试验甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进大肠杆菌与产气气杆

37、菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。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试验试验：= 吲哚（吲哚（i）、）、甲基红（甲基红（m）、）、v.p.试验（试验（vi）柠檬酸柠檬酸盐利用（盐利用（c）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。吲哚试验吲哚试验

38、甲基红试验甲基红试验v.p.试验试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-+ 主要内容：主要内容： 一、生物固氮（略）一、生物固氮（略） 二、肽聚糖生物合成二、肽聚糖生物合成微生物特有的结构大分子：微生物特有的结构大分子：细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢的生命活动中有重

39、要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（力（selective toxicity）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。的物质。合成特点合成特点：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（udp和和细菌萜醇）参与。细菌萜醇）参与。合成过程合成过程：依发生部位分成三个阶段：依发生部位分成

40、三个阶段：细胞质阶段：合成派克（细胞质阶段：合成派克（park）核苷酸核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖二、微生物结构大分子二、微生物结构大分子肽聚肽聚糖的合成糖的合成第一阶段：在在细胞质中合成细胞质中合成n-乙酰胞壁酸五肽乙酰胞壁酸五肽（“park”核苷酸）核苷酸）。 这一阶段起始于这一阶段起始于n-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺-1-磷酸磷酸，它是由葡萄，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；糖经一系列反应生成的；自自n-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的磷酸开始，以后的n-乙酰葡萄糖乙酰葡萄糖胺、胺、

41、 n-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体udp结合的；结合的；葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-6-磷酸磷酸atpadpglnglu葡糖胺葡糖胺-6-磷酸磷酸 n-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-6-磷酸磷酸乙酰乙酰coa coan-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸-udp磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 pinadph nadpn-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-1-磷酸磷酸 n-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-udputp ppi由葡萄糖合成由葡萄糖合成n-乙酰葡糖乙酰葡糖胺和胺和n-乙乙酰胞壁酸酰胞壁酸“park”核苷酸核苷酸的合成的合成第二阶段：在细胞膜上由在细胞膜上

42、由n-乙酰胞壁酸五肽与乙酰胞壁酸五肽与n-乙酰葡萄糖胺合乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体成肽聚糖单体双糖肽亚单位。双糖肽亚单位。这一阶段中有一种称为细菌萜醇这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,bcp)脂质脂质载体参与，这是一种由载体参与，这是一种由11个类异戊烯单位组成的个类异戊烯单位组成的c35 类异戊类异戊烯醇，烯醇，它它 通过两个磷酸基与通过两个磷酸基与n-乙酰胞壁酸相连，乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与n-乙乙酰葡萄糖胺结合，并在酰葡萄糖胺结合，并在l-lys上接上五肽上接上五肽(gly)5 ,形成

43、双糖亚形成双糖亚单位。单位。这一阶段的详细步骤这一阶段的详细步骤如图所示如图所示。其中的反应。其中的反应与与分别分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。为万古霉素和杆菌肽所阻断。肽聚糖单体的合成g - m - p - p -类脂 m - p - p -类脂udpudp- g udpudp - m p -类脂pi p - p -类脂杆菌肽万古霉素5 甘氨酰-trna 5 trna插入至膜外肽 聚糖合成处g - m - p - p -类脂肽聚糖单体的合成细菌萜醇细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“park”核苷酸进入细胞膜，连接n-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜

44、外的细胞壁生长点处。结构式： ch3ch3 ch3ch3c=chch2(ch2c=chch2)9ch2c=chch2oh功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖， 细菌和真菌的纤维素， 真菌的几丁质和甘露聚糖等。第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。成肽聚糖。这一阶段分两步：这一阶段分两步：第一步：是多糖链的伸长第一步：是多糖链的伸长双糖肽先是插入细胞壁生长双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含68个肽聚糖单体

45、分子）个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一使多糖链延伸一个双糖单位；个双糖单位；第二步：通过转肽酶的转肽作用（第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidation)使相邻使相邻多糖链交联多糖链交联转肽时先是转肽时先是d-丙氨酰丙氨酰-d-丙氨酸间的肽丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个链断裂，释放出一个d-丙氨酰残基，然后倒数第二个丙氨酰残基，然后倒数第二个d-丙丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。实现交联。肽聚糖的生物合成与某些抗生

46、素的肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。位点和作用机制是不同的。 -内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是是d-丙氨酰丙氨酰-d-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境

47、中极易破形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。裂而死亡。杆菌肽：杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。接第4节第四节第四节 微生物的代谢调控与发微生物的代谢调控与发酵生产酵生产本节提要：本节提要：微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢过程中的自我调节酶活性的调节酶活性的调节酶合成的调节酶合成的调节代谢调控理论的应用代谢调控理论的应用微生物代谢过程中的自我

48、调节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。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。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能容纳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个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？个分子。如何解决合成与使用

49、效率的经济关系？解决方式：组成酶（解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（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胞总蛋白含量的10%。微生物自我调节代谢的方式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通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

50、入细胞如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合如：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.通过酶的定位控制酶与底物的接触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）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各各 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酶行）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使使 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

51、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。3. 控制代谢物流向：控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节通过酶促反应速度来调节) 1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代可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)通过调节酶的活性或酶的合成量。通过调节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的第一个酶。某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。

52、 粗调：调节酶的合成量粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。通过调节产能代谢速率。possible points for regulation of various metabolic control mechanisms 一、酶活性的调节一、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。上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式（一）调节方式：包括两个方面：包括两个方面：1、酶活性的激活：、酶活性的激活：在代谢途径

53、中后面的反应可被较前面的反应产物所促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。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如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进2、酶活性的抑制、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概念：概念：反馈反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性：指反应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。 凡使反应速度加快的称凡使反应速度加快的称正反馈正反馈； 凡使反应速度减慢的称凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）负反馈（反

54、馈抑制）； 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。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特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除feedback inhibitionfigure 3. figure 4. 1.直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制：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馈抑制反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌

55、的精氨酸合成其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.2.分支代谢途径中的反馈抑制：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：应，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节，同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型（1 1）同功酶调节）同功酶调节isoenzyme定义：催化相同的

56、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，对其他产物没影响。某一产物过量仅抑制相应酶活，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天冬天冬氨酸氨酸族族 天冬氨酸天冬氨酸e,re,r iii i iii ie,re,r4- 4-磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸e e天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛e,re,r ii i ii i e e二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸e,re,r r

57、r o- o-琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸苏氨酸 e,re,r六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸 胱硫醚胱硫醚 2- 2-酮丁酸酮丁酸 r r 二氨基庚二酸二氨基庚二酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸 r r 赖氨酸赖氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸（2 2）协同反馈抑制）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。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（举例：谷氨酸棒杆菌（corynebacterium

58、 glutamicum）多粘芽孢杆菌（多粘芽孢杆菌（bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖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。氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。 天冬氨酸天冬氨酸 e,r 4-磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸e天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛e,r e二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸e,r r o-琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸苏氨酸 e,r六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸 胱硫醚胱硫醚 2-酮丁酸酮丁酸 r 二氨基庚二酸二氨基庚二酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸 r 赖氨酸赖

59、氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸天冬天冬氨酸族氨酸族（谷氨酸棒（谷氨酸棒杆菌）杆菌）（3）合作反馈抑制）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。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举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受amp和和gmp （和（和imp）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完的合作反馈抑制，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，分别抑制其活性的全抑制该酶的活性。而二者

60、单独过量时，分别抑制其活性的70%和和10%。（4）积累反馈抑制）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存在时它们的抑制径中前面的酶，所以当几种末端产物共同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。用。try 16%ctp 14%氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 13%amp 41%积累反馈抑制积累反馈抑制e.coli谷氨酰胺合成谷氨酰胺合成酶的调节酶的