微生物学-复件第四章

江南大学生物第四章微生物的代谢调节与人工控制新陈代谢：生物体进行的化学反应的统称。代谢：从简单的小分子物质

复杂的大分子物质的代谢。分解代谢：包括各种营养物质或细胞结构物质降解成简单的产物的代谢。高度的

性，显著的特殊性微生物代谢的特殊性多样性适应性：自我调节，适应环境可控性：遗传变异来改变代谢初级代谢primary

metabolism微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程。初级代谢产物primary

metabolites包括所有与细胞

有关的物质如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有机酸、酶次级代谢secondary

metabolism微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，

一些对微生物的生命活动无明显确切功能的物质的过程。次级代谢产物secondary

metabolites抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等微生物的能量代谢化能营养型微生物的能量代谢光能营养型微生物的能量代谢还原力的获得代谢产物的生物能、还原力和小分子物质分解代谢酶系复杂分子(有机物)简单分子+ATP+[H]代谢酶系一、微生物的能量代谢能量代谢：把环境中多种形式的最初能源转换成为对一切生命活动都能使用的通用能源新陈代谢中的

问题通过生物氧化反应实现生物能的形成和氧化还原的平衡生物氧化反应电子载体生物能的产生微生物能量代谢的多样性比较项目燃烧生物氧化步骤一步式快速反应多步式梯级反应条件激烈温和催化剂无酶产能形式热、光大部分为ATP能量利用率低高脱氢：一种失去电子或氢的过程–电子供体：被氧化的物质–电子受体：接受电子的物质递氢：电子供体氧化脱下的氢交给氢载体，并通过多个载体完成电子从供体到受体的传递–不直接交给电子受体受氢：最终电子受体接受载体上电子的过程扩散型NAD+和NADP+，氢原子的载体电极对的还原电势相同，功能不同NAD+/NADH直接参与产能反应反应NADP+/NADPH主要参与与细胞膜紧密结合型–

电子传递系统或电子传递链组成：多酶体系，一系列能够进行氧化和还原的载体分布：不对称排列在膜上，定向有序传递基本功能：①从一个电子供体接受电子，并把它传递给另一个电子受体②

电子传递过程中

的能量，通过化学渗透作用，驱动ATP的典型组成：氧化还原酶和非蛋白电子载体①NADH脱氢酶

②黄素蛋白

③Fe-S蛋白④辅酶Q（泛醌）⑤细胞色素线粒体电子传递链比较内容原核细胞真核细胞存在位置细胞质膜线粒体的内膜具体组成差异非蛋白电子传递体G+菌：甲基萘醌、脱甲基萘醌辅酶Q需氧的G-菌：辅酶Q细胞色素氧化酶细胞色素a1、a2、a3、a4和氧细胞色素a3细胞中可同时含有一种以上特点组分多变组分稳定普遍存在分支无分支受

大受

小借助于磷酸化反应ADP形成ATP，实现能量磷酸化方式：底物水平磷酸化、电子传递氧化磷酸化、光合磷酸化氧化磷酸化：伴随着生物氧化发生的磷酸化作用生物氧化方式不同，伴随发生的磷酸化方式也不同

生物氧化过程中生成的含有高能键的化合物在酶的作用下，直接将能量转给ADP（GDP）生成ATP（GTP）存在于呼吸和发酵过程中发酵过程中唯一能量获取方式高能化合物的底物水平磷酸化反应偶联形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式 酸

→

酸ATP琥珀酰辅酶A→琥珀酸GTP乙酰磷酸→乙酸ATP丙酰磷酸→丙酸ATP丁酰磷酸→丁酸ATP甲酰四氢叶酸→甲酸ATP生物氧化中伴随着电子传递发生的磷酸化作用发生在呼吸作用（有氧或无氧）中呼吸时大多数伴随ATP的典型的呼吸链：3分子ATP

，2分子ATP

（黄素蛋白起始）只发生在光合细胞中循环式光合磷酸化：反应产物只有ATP非循环式光合磷酸化：反应的产物是ATP、氧和NADPH非循环式光合磷酸化(chemiosmotic

hypothesis)PeterMitc

[英]，1962年提出ATP

的化学渗透机制膜的拓扑学完整性，质子不能透膜电子传递链运转产生跨膜的质子浓度梯度跨膜的质子电化学梯度驱动ATP

酶ATP酶质子动势ATPADP+PiATP2H+2H+2H2H++质子跨膜泵出电子传递链膜膜外膜内H+H+最主要表现为能量代谢的多样性能源物质的多样性有机化合物、还原态无机化合物、光能源物质代谢途径的多样性同一种能源物质，不同微生物代谢途径各不相同不同微生物，代谢途径分布和比例差别大不同环境条件下产能方式的多样性发酵、有氧呼吸、无氧呼吸和光合作用微生物EMP（%）HMP（%）ED（%

）酿酒酵母8812—产朊假丝酵母66～8119～34—灰色链霉菌973—产黄青霉7723—大肠杆菌7228—铜绿假单胞菌—2971嗜糖假单胞菌——100枯草芽孢杆菌7426—氧化葡糖杆菌—100—真养产碱菌——100运动发酵单胞菌——100藤黄八叠球菌7030—二.化能营养型微生物的能量代谢（一）能源化合物有机化合物、无机化合物葡萄糖：化能有机营养型微生物的主要能源其它单糖代谢转化为糖酵解的中间产物多糖经转化或降解其它非糖有机化合物经转化进入葡萄糖降解途径有机能源化合物代谢的基本途径：葡萄糖降解途径或单糖降解途径以分子氧作为最终外源电子受体的生物氧化作用需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行有氧呼吸电子经电子传递链（位置？）传递至最终电子受体(O2)，并通过氧化磷酸化形成ATP.（1）与磷酸化作用相偶联C6H12O6

+6O2→6CO2

+6H2O

卡（部分转化成ATP）（2）不与磷酸化作用相偶联C6H12O6

+H2O+O2

→C6H12O7

+H2O2

+能量（不能转化成ATP）NAD+NADH+H+DHAP3-磷酸甘油DHAP3-磷酸甘油FADFADH2细胞质间腔线粒体外膜线粒体内膜线粒体基质3-磷酸甘油脱氢酶3-磷酸甘油脱氢酶以外源无机氧化物（少数为有机氧化物）作为最终电子受体的生物氧化作用。一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行有无氧呼吸无氧呼吸产生的ATP比有氧呼吸少。细菌：氢细菌、铁细菌、硫化细菌、硝酸盐细菌能源物质：氢气、铁、硫或硫化物,氨或亚硝酸盐（1）外源电子受体为无机物硝酸盐、硫酸盐、硫、铁、碳酸钙脱氮小球菌的反硝化作用C6H12O6

+4NO3-→6CO2

+6H2O

+2N2

+42900卡（2）外源电子受体为有机物延胡索酸、甘氨酸、二甲基亚砜、氧化

胺Escherichia

的延胡索酸呼吸延胡索酸+[2H] → 琥珀酸在没有外源最终电子受体时发生的生物氧化作用叫发酵作用。特点：电子（和氢）供体与受体都是有机物；无电子传递链，电子（氢）受体为电子（氢）供体的代谢中间产物，ATP经底物水平磷酸化产生；氧化作用不彻底，只放出部分能量。某些厌氧梭菌如生孢梭菌（

Clostridium

sporogenes）等，可把一些氨基酸当作碳源、氮源和能源。Stickland

反应是以一种氨基酸作氢供体，另一种氨基酸作为氢受体进行生物氧化并获得能量的发酵产能方式。Stickland

反应是经底物水平磷酸化生成ATP

，其产能效率相对较低。相同点氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合，形成NADH和FADH。不同点NADH和FADH上的电子和氢的去路不同。消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵环境条件有氧无氧无氧终电子受体来源环

源性环

源性胞内，内源性性质分子氧化合物(通常为无机物)代谢中间产物能进行该代谢产能方式的微生物专性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物专性厌氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厌氧微生物专性厌氧微生物(二)、葡萄糖分解代谢与工业发酵葡萄糖

酸途径------EMP、HMP、ED、PK无氧条件下酸

？产物进行各种发酵，一般以产物来命名。糖酵解途径绝大多数生物共有的基本代谢途径1,6-二磷酸果糖6-磷酸果糖ATPADP磷酸二羟3-磷酸甘油醛NAD

++NADH+H1,3-二磷酸甘油酸ADPATP3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式酸ADPATP酸2分子葡萄糖ATPADP6-磷酸葡萄糖戊糖磷酸途径生物界普遍存在常和EMP途径同时存在葡萄糖ATPADP6-磷酸葡萄糖NADNADH+H++6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖CO25-磷酸核酮糖3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖6-磷酸果糖5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天庚酮糖6-磷酸果糖4-磷酸赤藓糖酸1,6-二磷酸果糖+NADH+H+NADPi氧化阶段和非氧化阶段氧化阶段：脱下的氢和电子交给载体NADP非氧化阶段：磷酸戊糖经一系列基团转移反应，重新 磷酸己糖有氧条件：NADPH转变成NADH，呼吸链产生大量的生物能厌氧条件：不完全HMP途径微生物利用广泛的碳源产生多种重要的中间代谢物不是产能主要途径获得还原力NADPH的重要途径形成大量还原力NADH电子传递链形成大量的ATP呼吸代谢关键作用：绝大多数异养微生物物质代谢 枢作用酸柠檬酸顺乌头酸NAD+NADH+H+CoASHCO2乙酰-CoA草酰乙酸2H

OH2O异柠檬酸NAD(P)+NAD(P)H+H+CO2NADH+H+CoASHα-酮戊二酸NAD+CO2琥珀酰-CoAGDP+PiGTPFAD琥珀酸CoASH延胡索酸FADH2H2ONAD+苹果酸NADH+H+CoASHH2O独立存在或与HMP途径同时存在运动发酵单胞菌降解葡萄糖唯一途径葡萄糖醛酸、果糖酮酸、甘露糖醛酸转化成KDPG降解与其他代谢途径相连，协调需求葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖内酯2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸酸3-磷酸甘油醛2ADP2ATP酸ATPADPNAD+NADH

+H+H2OPiNAD+NADH+H+（KDPG）酸PPK途径(磷酸戊糖解酮酶)PHK途径(磷酸己糖解酮酶)葡萄糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛PiNAD+NADH+H+2ADP2ATPATPADP2

NAD+2

NADH+H+乙酰磷酸CO2乙酰CoA葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖4-磷酸赤藓糖ATPADPPi5-磷酸戊糖乙酰磷酸乙酰CoA许多真菌（黑曲霉、产黄青霉）细菌（假单胞菌属、气杆菌属中的某些菌）特有的葡萄糖氧化酶形成葡萄糖酸内酯和葡萄糖酸葡萄糖葡萄糖酸内酯葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖酸HMP途径ATPADPFADFADH2O2H2O2（

H2O+1/2

O2）酵母菌乙醇发酵[EMP途径]C6H12O6+2ADP

→

2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O细菌的乙醇发酵(运动发酵单胞菌)[ED途径]C6H12O6+ADP

→

2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O酵母发酵酵母发酵的类型类型条件受氢体ATP主要产物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ亚硫酸氢钠磷酸二羟0甘油Ⅲ碱性磷酸二羟0甘油、乙醇、乙酸同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的发酵称同型乳酸发酵菌种：德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、酪乳杆菌C6H12O6

+2ADP→2

乳酸+2ATP异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外还有乙醇和CO2的发酵菌种：短乳杆菌、甘露乳杆菌、巴氏乳杆菌肠膜明串珠菌、双歧杆菌特点：葡萄糖的降解完全依赖HMP途径不同的菌种途径和产物稍有差异异型乳酸发酵“经典”途径代表菌：肠膜明串珠菌C6H12O6

+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP双歧杆菌途径2C6H12O6

+ADP+Pi→2

乳酸+3乙酸+5ATP同型乳酸与异型乳酸发酵的比较类型途径产物产能/1葡萄糖代表菌种同型EMP2

乳酸2

ATP德氏乳杆菌异型HMP1

乳酸1

乙醇1

CO21

ATP肠膜明串珠菌1

乳酸1

乙酸1

CO22

ATP短乳杆菌1乳酸1.5乙酸2.5ATP双歧杆菌微生物将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氢气、

等多种产物的生物学过程。甲基红试验（M.R.反应）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，置37℃培养48小时，然后沿管壁加入甲基红指示剂，呈红色者为阳性，

不呈红色者为

。MR反应的结果：大肠杆菌为阳性，产气杆菌为微生物发酵葡萄糖得到大量的丁二醇与少量的乳酸、乙酸、

、氢气等产物的代谢过程。Voges-Proskauer试验（V.P反应）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，于37℃培养24小时，加入与培养基等量的VP试剂，置37℃保温30分钟，呈红色者为阳性，不呈红色者为。VP反应结果产气杆菌为阳性，大肠杆菌的为V.P反应机理酸

→

乙酰辅酶A乙酸→

丁酰辅酶A→→

乙酰乙酰辅酶A乙酰辅酶A丁酸丁酸梭状芽孢杆菌

[EMP途径]丁醇梭状芽孢杆菌[EMP途径]酸→乙酰辅酶A→乙酰乙酰辅酶A→乙酰乙酸→酸→ →

丁酸

→

丁醛

→

丁醇葡萄糖6-磷酸葡萄糖EMP磷酸丙糖HMP5-磷酸核酮糖乙醇+CO2甘油D-糖醇酸①乳酸NADH②乙醛乙醇CO2NADH草酰乙酸CO2苹果酸NADH③延胡索酸H2O琥珀酸丙酸CO2④⑥⑤α-乙酰乳酸3-羟基丁酸2,3-丁二醇NADH酸

CO2CO2CoASH甲酸H2CO2乙酰磷酸乙酸Pi乙酰CoACoAADP

ATP乙醛乙醇NADHNADH甲酸H2CO2乙酰CoACoASH乙酰乙酰CoAADP

ATP乙酸乙酰磷酸CoAPi异丙醇NADH丁酰CoACO2NADH丁醛丁醇丁酰磷酸丁酸NADHATPADPPiCoA三、光能营养型微生物的能量代谢光能营养型微生物产氧:真核微生物---藻类.原核微生物---蓝细菌不产氧:真细菌---厌氧的光合细菌,如红螺菌目古生菌---嗜盐菌蓝细菌光合作用的部位称为类囊体，数量很多，以平行或卷曲方式贴近地分布在细胞膜附近，其中含有叶绿素和藻胆素（一类辅助光合色素）。叶绿体基质中由单位膜围成的扁平囊。沿叶绿体的长轴平行排列。类囊体(thylakoid)膜上含有光合色素和电子传递链组分。光为能源许多真核和原核微生物利用光合作用产生ATP光反应阶段：光能转变为化学能[产能]–暗反应阶段：化学能还原CO2形成细胞物质光合磷酸化：作用机制类似氧化磷酸化光反应阶段暗反应阶段光合电子传递链

[与呼吸链类似]系列载体按电势从低到高的顺序，依次排列在光合膜光合作用过程：被光能激发电子首先从叶绿素跃迁到电子传递链的第一个载体上，然后在沿电子载体传递时，质子被泵过膜，利用化学渗透作用，ADP转变为ATP。色素系统光合电子传递链典型的产氧光合作用大多数光合微生物：真核和某些原核光养微生物（藻类、蓝细菌）ATP产生：非环式光合磷酸化反应终电子受体：水，可获得NADPH水氧化的同时导致O2的形成特殊的不产氧光合作用四、

微生物的

代谢1.微生物进行生物的先决条件-------能量、还原力及简单无机或有机物能量的获得：主要指ATP的获得。一般每生长1g菌体需要20gATP，某些化能无机营养菌需要的能量更高。ATP的获得方式见上节。(2).还原力的获得：细菌内有机物的组成元素均呈高度还原态，而在菌体外的元素又呈高度氧化态。所以在元素必须先被还原，然后才能被微生物吸收并过程中，这些前提物质。一般微生物利用NADPH来作为生物

中的还原剂。化能有机营养菌产生NADPH的方法：一般情况下大部分细菌利用HMP途径产生NADPH，少量NADPH经TCA循环产生。

化能无机营养菌产生NADPH的方法：消耗ATP将电子经呼吸链逆向传递。光能细菌产生NADPH的方法：从H2O、H2、H2S等物质取得电子，以光合作用直接或间接产生NADPH3.

简单无机或有机化合物的获得：异养微生物从环境中直接取得简单有机物或从代谢中间物获取；自养菌则通过光合作用自行制造这些简单有机物。生物大分子的肽聚糖的

:

肽聚糖的单体是在细胞内

的，然后通过膜，在膜外

肽聚糖。肽聚糖亚单位肽聚糖亚单位转接到细胞壁的生长点上通过转肽反应形成完整的肽聚糖分子由葡萄糖N-乙酰葡糖胺-UDP

和N-乙酰胞壁酸-UDP由N-乙酰胞壁酸-UDP

“Park”核苷酸在细胞膜上UDP-N-乙酰胞壁酸五肽肽聚糖单体（双糖亚单位）通过细菌萜醇（类脂载体）的运送膜

行肽聚糖的交联转糖基作用和转肽作用细胞质第二节微生物的代谢调节代谢调节：Regulation

of

metabolism微生物按照需要改变体内的代谢活动的速度和方向的一种作用。物质进出细胞胞内的生化反应代谢反应的区域分割及关联膜构成能量细胞壁脂质膜蛋白质分子结构绝对数量跨膜质子梯度骨架结构的完整性环境条件的影响活性磷酸腺苷酸体系通过酶的生物

与活性调节而实现对代谢反应的调节1、胞内的生物化学反应代谢流向控制代谢速度控制酶活性和量的调节是代谢调节的①可逆反应：不同的辅基（辅酶）控制流向谷氨酸脱氢酶：谷氨酸

：NADP+谷氨酸的分解：NAD+②互逆单向反应：不同的酶控制不同方向的反应原核微生物细胞膜酶酶与底物相对位置真核微生物细胞膜与细胞器膜酶酶与底物的相对位置及间隔状况2.代谢反应区域分割及关联粗调节：酶

量的调节，是发生在

水平上的调节。精细调节：酶活性的调节，调节细胞内已有酶分子的活性，是发生在酶化学水平上的调节。以酶分子结构为基础指调节胞内已有酶分子的构象或分子结构来改变酶活性，从而调节所催化的代谢反应的速率特点：作用直接、响应快、可逆酶的变构调节allosteric

regulation激活抑制酶的共价修饰

covalent

modification

of

enzyme激活抑制酶蛋白的降解失活能荷调节Allosteric

regulation1.

前体激活体系中，处于途径前面的代谢产物促进催在分解代谢途径和化后面反应的酶活性2.

补偿性激活在关联分支

途径中，从H到I的反应需要E的参与，则H可激活催化

E的途径中的第一个酶活性ABCDEFGHIEDCBA前体激活补偿性激活反馈抑制的类型调节作用针对的酶单一末端产物过量多个末端产物过量协同/多价共同途径的第一个酶不能引起抑制作用同时过量发生抑制合作/增效共同途径的第一个酶轻微作用同时过量，作用大于各种之和，不能100%抑制累积共同途径的第一个酶按一定百分率单独抑制，互不影响共同过量时，抑制作用累积，可100%抑制顺序共同途径的第一个酶无直接作用通过分支点上的中间代谢物作用，逐步有顺序调节同功酶催化形成对应产物的酶只抑制相应酶的

，互不影响分别抑制相应的酶能荷=

[ATP]+[ADP]+[AMP]巴斯德效应：在有氧情况下，由于呼吸作用，

产量大大下降，糖的消耗速率大幅减慢。[ATP]+1/2[ADP]通氧[ATP][柠檬酸]能荷异柠檬酸脱氢酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]基团移位吸收葡萄糖速率组成酶constitutive

enzyme是一类对环境不敏感的酶，这类酶在细胞内的合成量相对比较稳定。适应酶adaptive

enzyme是一类对环境敏感的酶，它们响应环境条件而开始

或终止

。诱导酶inducibleenzyme阻遏酶repressible

enzyme子的构造子的构成名称作用启动promoterRNA多聚酶的结合部位operator与阻遏物结合的碱基序列，决定结构

的转录是否能进行结构

structure编码一个或多个酶的

，被转录成对应的mRNA调节regulation

gene编码调节蛋白（阻遏物repressor）不属于

子Gene

inductionGene

repression分解代谢物阻遏指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶

的现象。末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。Positive

controlofthe

lac

operoncAMP

receptor

proteinDiauxic

growth

of

E.

coli酶合成的效应调节蛋白名称无效应物效应物名称存在效应物诱导阻遏物使结构不表达诱导物使结构

表达阻遏阻遏物蛋白使结构表达辅阻遏物使结构不表达氨基酸生物

途径中的酶的

受相应的氨基酰-tRNA浓度的控制当有过量的氨基酰-tRNA存在时，对于已被

的转录，但在第一个结构

被转录之前即终止转录。不同点：阻遏是对转录启动的控制；阻尼是对已被

的转录实现转录终止的控制例：trp

operon

受trp-tRNA的阻尼，受tr