微生物的新陈代谢课件

微生物的新陈代谢微生物的代谢发酵微生物生命活动过程中的物质流和能量流微生物的新陈代谢微生物的代谢发酵1Contents第一节微生物的能量代谢与物质代谢

一、化能异养微生物的生物氧化产能与物质代谢二、自养微生物产ATP与还原力第二节分解代谢和合成代谢间的联系

一、两用代谢途径二、代谢物回补程序Contents2第三节微生物独特合成代谢途径举例

一、生物固氮二、肽聚糖生物合成三、次生代谢产物的合成第四节微生物的代谢调控与发酵生产

一、微生物的代谢调节二、代谢调控在发酵工业上的应用第三节微生物独特合成代谢途径举例3微生物的代谢新陈代谢metabolismThecomplexofphysicalandchemicalprocessesoccurringwithinalivingcellororganismthatarenecessaryforthemaintenanceoflife.Inmetabolismsomesubstancesarebrokendowntoyieldenergyforvitalprocesseswhileothersubstances,necessaryforlife,aresynthesized.微生物的代谢新陈代谢metabolism4一、微生物杀虫剂微生物杀虫剂是以杀虫微生物为生产菌制备的微生物接种剂。微生物杀虫剂既能直接杀死危害农作物和森林的害虫，又不伤害能控制害虫的天敌，也不像化学杀虫剂那样污染环境，因而在农林业的可持续发展中起着重要的作用。其生产规模与应用范围逐年递增，已形成为一个新的微生物农药产业。微生物杀虫剂主要包括细菌杀虫剂、病毒杀虫剂和真菌杀虫剂等3种类型。

第一节微生物农药

一、微生物杀虫剂

第一节微生物农药51．细菌杀虫剂苏云金芽孢杆菌杀虫剂，简称Bt杀虫剂，是当今使用最广泛和产量最大的细菌杀虫剂。它是由昆虫病原细菌苏云金杆菌的发酵产物加工而成，能防治直翅目、鞘翅目、双翅目、膜翅目等上百种害虫，如稻纵卷叶螟、棉铃虫、茶毛虫、玉米螟等。苏云金芽孢杆菌杀虫剂之所以成为目前产量最大、应用最广、深受欢迎的农药，除其杀虫效果好外，更重要的是对人、畜无伤害；对植物不产生药害，不影响农作物的色、香、味；也不伤害害虫的天敌和有益的生物，能保持使用环境的生态平衡；对土壤、水源、空气环境不造成污染，有利于社会经济的持续发展。

第一节微生物农药

1．细菌杀虫剂

第一节微生物农药6苏云金芽孢杆菌能在细胞内形成杀虫的伴胞晶体和水溶性的外毒素（苏云金素）。伴胞晶体被敏感性昆虫的幼虫吞食后，在其碱性的中肠溶解成原毒素，并进而在昆虫肠道被蛋白酶水解激活，产生毒素核心片段（δ内毒素）。它与中肠上皮细胞膜上的特异受体结合，能快速并不可逆地插入细胞膜，形成孔洞，从而破坏细胞的膜结构与渗透吸收特性，使中肠上皮细胞裂解崩溃，最终导致昆虫的死亡。

第一节微生物农药

苏云金芽孢杆菌能在细胞内形成杀虫的伴胞晶体和水溶72．真菌杀虫剂典型的代表是白僵菌杀虫剂。白僵菌是一种广谱寄生的真菌，广泛地使昆虫致病，由该菌引起的病占昆虫真菌病的21%左右，能侵染鳞翅目、鞘翅目、直翅目、膜翅目、同翅目的众多昆虫及螨类。白僵菌接触虫体感染，适宜条件下其分生孢子萌发长出芽管，并能分泌出几丁质酶溶解昆虫表皮，使菌丝侵入体内生长繁殖，并产生毒素（白僵菌素）和草酸钙结晶，从而使昆虫细胞组织破坏和代谢机能紊乱，最后虫体上生出白色的棉絮状菌丝和分生孢子梗及孢子堆，整个虫体水分被菌吸收变成白色僵尸，白僵菌因此而得名。

第一节微生物农药

2．真菌杀虫剂

第一节微生物农药8

白僵菌在以黄豆饼粉或玉米粉为主的固体发酵培养基上生长良好，营养生长期的最适温度为22～26℃，孢子形成期（4d以后）为28℃。发酵完成后的物料经气流干燥粉碎，即可包装出厂，成品制剂的活孢子数应达5×109～1×1010个/g。也可采用深层液体好氧培养法进行规模化生产。其生产原料和工艺都与苏云金芽孢杆菌杀虫剂大同小异，但产品以抗逆性较低的芽生孢子为主。该杀虫剂对防治松毛虫、玉米螟、大豆食心虫、高梁条螟、甘薯象鼻虫、马铃薯甲虫、果树红蜘蛛、枣粘虫、茶叶毒蛾、稻叶蝉等害虫的效果较显著。绿僵菌也是一种真菌杀虫剂，其杀虫谱、致病机制和生产方式均与白僵菌相似，对斜纹夜蛾、棉铃虫、地老虎和金龟子等害虫的防治效果较好。

第一节微生物农药

白僵菌在以黄豆饼粉或玉米粉为主的固体发酵培养基上生93．病毒杀虫剂昆虫病毒之所以被用来防治害虫，主要原因是因为昆虫病毒具有高度特异性的宿主范围，也就是说，一种昆虫病毒只对一种或几种特定的昆虫有致命性。这样一来，就不会对人、畜和作物造成危害。而且，昆虫病毒可以在土壤中保存，并随着风等自然因素扩散，而造成病毒流行，可以有效扩大杀虫的范围。此外，和传统的化学杀虫剂相比，昆虫病毒杀虫剂可以避免传统的化学杀虫剂对自然环境的破坏。当然，昆虫病毒杀虫剂也有其局限性，如杀虫范围窄，一种杀虫剂仅针对一种或少数几种害虫有效；杀虫慢，需几天或十多天才见效；容易受环境温度、阳光、气候的影响，毒力较低等。

第一节微生物农药

3．病毒杀虫剂

第一节微生物10二、微生物杀菌剂近二十年来，人们发现了许多可以通过拮抗作用抑制植物病原菌生长的细菌和放线菌，它们都能产生抗生素，可制备成微生物杀菌剂。这类抗生素大部分具有内吸性能、高效、选择性强、有治疗和保护作用、生物降解快、无公害、对人畜安全等优点，其缺点是药效不稳定、成本高、持效期短(易被土壤微生物及紫外线分解)、易出现抗药性菌株(高度选择性所致)等。在农业上作为杀菌剂应用的抗生素主要有灭瘟素、井冈霉素、春雷霉素、多氧霉素、庆丰霉素和放线菌酮等。其产生菌和防治范围见表11-1。

第一节微生物农药

二、微生物杀菌剂

第一节微生物农药11

第一节微生物农药

第一节微生物农药12三、微生物除草剂杂草的病原微生物主要包括真菌、病毒等，最常见的真菌病原如锈菌、镰刀菌、炭疽病菌等。近年来利用微生物防治杂草等有害生物的成就使广大植保工作者及产业界都意识到将其作为生物防治的资源，具有巨大的潜力。微生物除草剂对选择性高的目标杂草以外的植物影响小，环境污染小，安全性高，符合可持续农业发展的要求。为此已受到全世界许多国家的重视，并相继开展了大量的研究工作，涉及的微生物有80多种。

第一节微生物农药

三、微生物除草剂

第一节微生物农药13第二节微生物肥料

一、微生物肥料的定义

微生物肥料又称细菌肥料、生物肥料或接种剂。狭义的微生物肥料是指通过其中所含微生物的生命活动，增加了植物元素营养的供应量，导致植物营养状况的改善，进而产量增加，这一类微生物肥料的代表品种是根瘤菌肥料(接种剂)。广义的微生物肥料是指其制剂虽然也是通过其中所含的微生物生命活动的关键作用导致作物增产，但它不仅仅限于提高植物营养元素的供应水平，还包括了它们所产生的植物生长刺激素对植物的刺激作用，促进植物对营养元素的吸收作用，或者能够拮抗某些病原微生物的致病作用，减轻作物病虫害而导致产量的增加。如目前正处于研究与探索的促进植物生长的根圈(际)细菌即属于这一类。第二节微生物肥料一、微生物肥料的定义14第二节微生物肥料

二、微生物肥料的作用微生物肥料的功效主要与营养元素的来源和有效性有关，或与作物吸收营养、水分和抗病（虫）有关，概括起来有以下几个方面：1．增加土壤肥力这是微生物肥料的主要功效之一。如各种自生、联合或共生的固氮微生物肥料，可以增加土壤中的氮素来源；多种解磷、解钾的一些微生物，如一些芽胞杆菌、假单胞菌的应用，可以将土壤中难溶的磷、钾分解出来，转变为作物能吸收利用的磷、钾化合物。第二节微生物肥料二、微生物肥料的作用15合成代谢anabolism

在合成酶系的催化下，由简单的小分子、能量（ATP）和还原力（[H]）一起合成复杂的生物的大分子的过程。分解代谢catabolism

指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(ATP)、和还原力（[H]）的过程。复杂分子(有机物)分解代谢酶系合成代谢酶系简单分子+ATP+[H]合成代谢anabolism分解代谢catabolism复杂分16分解代谢的三个阶段将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的中间产物。将第二阶段的产物完全降解生成CO2

，并将前面形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧化、同时形成大量的ATP。微生物代谢的特点：多样性、适应性、可控性分解代谢的三个阶段将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪17初级代谢和初级代谢产物初级代谢primarymetabolism

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

包括所有与细胞合成有关的物质如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有机酸、酶初级代谢和初级代谢产物初级代谢primarymetabol18次级代谢和次级代谢产物次级代谢secondarymetabolism

微生物在一定的生长时期，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显确切功能的物质的过程。次级代谢产物secondarymetabolites

抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等次级代谢和次级代谢产物次级代谢secondarymeta19微生物的新陈代谢课件20能量与代谢关系示意图能量与代谢关系示意图21代谢工程

通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或运用重组DNA技术来创造新的化合物代谢工程通过某些特定生化反应的修饰来22如何学好本章牢记物质的分子式牢记反应所需要的酶如何学好本章牢记物质的分子式23第一节微生物的能量代谢微生物生命活动中能量的产生第一节微生物的能量代谢微生物生命活动中能量的产生24能量代谢的目的能量代谢的目的

生物体把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源（ATP）有机物日光还原态无机物通用能源ATP能量代谢的目的能量代谢的目的25生物化学反应过程生物化学反应过程26微生物产生能量的方式

氧化还原反应（生物氧化还原反应）光化学反应化能异养微生物的生物氧化和产能自养微生物产ATP和产还原力微生物产生能量的方式27生物氧化还原反应特点生物氧化还原反应特点

细胞内的酶促反应氧化反应放能逐段进行放出能量一部分以化学能形式储存于能量载体中真核生物氧化在线粒体中进行原核生物在细胞膜上进行生物氧化还原反应特点生物氧化还原反应特点28生物氧化生物氧化形式：与一般燃烧有着巨大的区别

加氧、脱氢、失去电子生物氧化的功能

产能（ATP）产还原力[H]

产小分子中间代谢产物生物氧化过程

脱氢（或电子）递氢（电子）受氢（电子）生物氧化生物氧化形式：与一般燃烧有着巨大的区别29ATP结构ATP结构30ATP在细胞中的功能①

提供生物合成所需的能量。在生物合成过程中，ATP将其所携带的能量提供给大分子的结构元件，例如氨基酸，使这些元件活化，处于较高能态，为进一步装配成生物大分子蛋白质等作好准备。②

是为细胞各种运动（如鞭毛运动等）提供能量来源。③

为细胞提供逆浓度梯度跨膜运输营养物所需的自由能。④

在DNA、RNA、蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递，ATP也以特殊方式起着递能作用等等。⑤

在细胞进行某些特异性生物过程如固定氮素时提供能量。

ATP在细胞中的功能①提供生物合成所需的能量。在生物合成过31生物氧化与普通氧化反应的区别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能量利用率低高生物氧化与普通氧化反应的区别比较项目燃烧生物氧化步骤一步式快32生物氧化反应的三个阶段脱氢：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生物氧化反应的三个阶段脱氢：一种失去电子或氢的过程33化能异养微生物的生物氧化和产能底物脱氢

EMP途径

HMP途径

ED途径

TCA循环递氢与受氢

呼吸无氧呼吸发酵化能异养微生物的生物氧化和产能底物脱氢34四条底物脱氢途径及与递氢受氢关系四条底物脱氢途径及与递氢受氢关系35一、底物脱氢的四条主要途径EMP途径

糖酵解途径(Glycolysis)

己糖二磷酸途径(Hexosediphosphatepathway)HMP途径ED途径TCA循环一、底物脱氢的四条主要途径EMP途径36微生物的新陈代谢课件37EMP途径简图及总反应式产物种类及去向EMP途径简图及总反应式产物种类及去向38（无氧条件）EMP途径中1摩尔葡萄糖生成2摩尔丙酮酸，总计量式如下：

C6H1206+2ADP+2NAD++2H3PO42CH3(CO)COOH+2ATP+2NADH+2H++2H2O

（有氧条件）EMP途径中生成的NADH一起进入三羧酸（TCA）循环和呼吸链，生成ATP。理论上，与呼吸链电子传递系统共同作用的NADH的氧化磷酸化，可以将1摩尔的NADH氧化成3摩尔的ATP（P/O=3，P/O比：每消耗1摩尔氧原子能够氧化磷酸化NADH（ADP）的摩尔数量）。

EMP解糖途径的反应和能量计算（无氧条件）EMP途径中1摩尔葡萄糖生成2摩尔丙酮酸，总计量39呼吸链电子传递系统（P/O=3）：NADH

+H++1/2O2+3ADP+3H3PO4NAD++3ATP+4H2O

如果将上述两个反应式合并，在好氧条件下，基质水平的磷酸化将1摩尔葡萄糖代谢分解为丙酮酸，并生成2摩尔ATP。然后，氧化磷酸化再生成6摩尔ATP，合计8摩尔ATP：

即：C6H1206+O2+8ADP+8H3PO4

2CH3(CO)COOH+8ATP+10H2OEMP解糖途径的反应和能量计算呼吸链电子传递系统（P/O=3）：EMP解糖途径的反应和能量40EMP途径的意义具有EMP途径的微生物

多种微生物的代谢途径，产能效率低，生理功能重要EMP途径的生理功能

ATP和还原力NADH2

连接其他代谢途径的桥梁：TCA、HMP、ED

中间代谢产物逆向反应进行多糖合成EMP途径与人类的关系

乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇发酵EMP途径的意义具有EMP途径的微生物41烟酰胺辅酶NAD与NADP

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide,NAD＋，辅酶I）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADP＋，辅酶Ⅱ）为物质与能量代谢中起重要作用的脱氢酶的辅酶作为电子载体，在能量代谢的各种酶促氧化-还原反应中发挥着能量的暂储、运载与释放等重要功能。其氧化形式分别为NAD＋和NADP＋，在能量代谢氧化途径中作电子受体。还原形式为NADH和NADPH，在能量代谢还原途径中作电子供体

烟酰胺辅酶NAD与NADP烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nico42微生物的新陈代谢课件43微生物的新陈代谢课件44HMP途径己糖一磷酸途径HexoseMonophosphatePathway

己糖一磷酸支路（Shunt）戊糖磷酸途径（PentosePhosphatePathway）磷酸葡萄糖途径（PhosphogluconatePathway）

WD途径（Warburg-DickensPathway）HMP途径的特点HMP途径的总反应式HMP途径的意义存在HMP途径的微生物HMP途径己糖一磷酸途径HexoseMonophosphat45HMP途径的三个阶段葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和二氧化碳核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸几种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，丙糖磷酸可通过两种方式进一步代谢，一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸HMP途径的三个阶段葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-546微生物的新陈代谢课件47微生物的新陈代谢课件48HMP途径的特点葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化产生大量的NADPH+H+形式的还原力重要中间代谢产物的形成HMP途径的特点葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底49HMP途径的重大意义微生物生命活动合成原料戊糖磷酸：核酸、核苷酸、NADP+

、FAD、

FMN、CoA

赤藓糖-4-磷酸：芳香族杂环族氨基酸（有哪些）还原力：NADPH2，脂肪酸和固醇合成、产能固定二氧化碳的中介：核酮糖-5-磷酸扩大碳源利用范围：C3－C7碳源连接EMP途径：FDP和甘油醛-3-磷酸HMP途径的重大意义微生物生命活动50HMP途径的重大意义生产实践－重要发酵产物

核苷酸氨基酸辅酶乳酸HMP途径的重大意义生产实践－重要发酵产物51具有HMP途径的微生物多数好氧菌和兼性厌氧菌只有HMP途径而无EMP途径的微生物

AcetobactersuboxydansGluconobacteroxydansAcetomonasoxydans具有HMP途径的微生物多数好氧菌和兼性厌氧菌52ED途径什么是ED途径？

Entner-DoudoroffPathway2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸途径（KDPG）途径ED途径简图与总反应式ED途径的特点具有ED途径的微生物ED途径什么是ED途径？53ED途径简图6-磷酸-葡萄糖酸脱水酶KDPG醛缩酶KDPG6-磷酸-葡萄糖酸ED途径简图6-磷酸-葡萄糖酸脱水酶KDPG醛缩酶KDPG654ED途径的总反应

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）ED途径的总反应ATP55ED途径的特点特征性反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸

KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛缩酶终产物两分子丙酮酸的来历不同

KDPG直接裂解产生由3-磷酸甘油醛经EMP途径产生产能效率低

1molATP/1molGlucoseED途径的特点特征性反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸56ED途径的意义少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径与其他代谢途径相连：EMP、HMP、TCA细菌酒精发酵运动发酵单胞（Zymomonasmobilis），微好氧从丙酮酸到乙醇ED途径的意义少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的57具有ED途径的细菌PseudomonassaccharophilaPseudomonasaeruginosaPseudomonasfluorescensPseudomonaslindneriZ.mobilisAlcaligeneseutrophus具有ED途径的细菌Pseudomonassaccharop58微生物的新陈代谢课件59TCA循环三羧酸循环TricarboxylicacidcycleKrebs循环柠檬酸循环（CitricacidCycle）

指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成二氧化碳、水和NADH2的过程TCA循环在生物界中的分布广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应好氧微生物真核微生物：线粒体基质例外，琥珀酸脱氢酶结合于膜上原核微生物：细胞质TCA循环三羧酸循环Tricarboxylicacidcy60主要产物主要产物61TCA循环TCA循环62TCA循环的总反应式起始于丙酮酸

丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4（NADH+H+

）+FADH2+GTP起始于乙酰CoA

乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3（NADH+H+

）+FADH2+CoA+GTPTCA循环的总反应式起始于丙酮酸63由EMP的解糖途径生成的丙酮酸脱羧形成乙酰辅酶A，经过TCA回路和呼吸链的作用，最终完全氧化生成CO2和水：CH3(CO)COOH+5/2O2+15ADP+15H3PO4

3CO2+15ATP+44H2O

结果，由于丙酮酸被TCA回路和呼吸链电子传递系统完全氧化，最终葡萄糖完全氧化成CO2和水，同时生成38摩尔ATP。最终，葡萄糖经EMP解糖途径和TCA回路的总反应式如下：

C6H1206+6O2+38ADP+38H3PO4

6CO2+38ATP+44H2O三羧酸（TCA）循环回路反应和能量计量由EMP的解糖途径生成的丙酮酸脱羧形成乙酰辅酶A，经过TCA64TCA循环的特点氧气的作用

氧气不直接参与

NAD+和FAD的再生需要氧气产能效率

每分子丙酮酸产生4个NADH+H+

、1个FADH2和1GTP分解与合成代谢的枢纽地位

碳架原料发酵工业TCA循环的特点氧气的作用65TCA循环的枢纽地位TCA循环的枢纽地位661.它的产能效率极高是机体将糖或其它物质氧化而获得能量的最有效方式，因此也是生物体提供能量的主要形式。2.三羧酸循环中间产物是很多生物合成的前体。TCA循环在微生物产能和发酵生产中起重要作用1.它的产能效率极高是机体将糖或其它物质氧化而获得能量的最有673.三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大类物质代谢与转化的枢纽。一方面此循环的中间产物如草酰乙酸、α-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰CoA等是合成糖、氨基酸、脂肪等的原料。另一方面该循环是糖、蛋白质和脂肪彻底氧化分解的共同途径：蛋白质水解的产物如谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等脱氨后或转氨后的碳架要通过三羧酸循环才能被彻底氧化；脂肪分解后的产物脂肪酸经β-氧化后生成乙酰-CoA以及甘油，也要经过三羧酸循环而被彻底氧化3.三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大类物质代谢与转化的枢纽。68TCA循环和发酵工业TCA循环和发酵工业69Aspergillusniger产生柠檬酸Aspergillusniger产生柠檬酸70葡萄糖不同脱氢途径的产能效率葡萄糖不同脱氢途径的产能效率71二、递氢和受氢贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经多种途径脱氢后，经呼吸链（或电子传递链）等方式递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能二、递氢和受氢贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经多种途径脱氢72底物脱氢的途径及其与递氢受氢关系底物脱氢的途径及其与递氢受氢关系73生物氧化的三种类型根据受氢体性质的不同，生物氧化可分为三种类型

有氧呼吸无氧呼吸发酵生物氧化的三种类型根据受氢体性质的不同，生物氧化可分为三种类74呼吸、无氧呼吸和发酵示意图呼吸、无氧呼吸和发酵示意图75（一）有氧呼吸什么是呼吸（有氧呼吸，AerobicRespriation）

以分子氧为最终电子（和氢）受体的氧化作用，即有机物脱氢后，经完整呼吸链（电子传递链，Electrontransportchain）递氢，最终以分子氧作为受氢体产生水，释放ATP形式的能量，最终产物为CO2

生物最重要和最普遍的氧化形式葡萄糖在有氧条件下经EMP、TCA循环生成CO2

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O（一）有氧呼吸什么是呼吸（有氧呼吸，AerobicResp76呼吸链（Respiratorychain）电子传递链ETC

位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上、由一系列氧化还原电势呈梯度差的、链状排列的氢传递体（或电子传递体），它们按照氧化还原电势升高的顺序排列起来典型的呼吸链：（原核、真核）NAD(P)→FP→FeS→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3真核生物中呼吸链比较典型，原核生物中呼吸链各具体组分有很大变化，尤其是细胞色素系统呼吸链（Respiratorychain）电子传递链ETC77典型的好氧性电子传递链典型的好氧性电子传递链78

左图描绘了大肠杆菌细胞质膜的情况：由磷脂双分子层组成的单位膜中相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链在图中被描绘成一系列相互作用的蛋白质。

左图描绘了大肠杆菌细胞质膜的情况：由磷脂双分子层组79呼吸链的功能传递氢或电子

从低氧化还原电势（有哪些物质？）逐级到高氧化还原电势（有哪些物质？）偶联氧化磷酸化反应，形成跨膜质子动势，合成ATP呼吸链的功能传递氢或电子80呼吸链中的载体物质

醌类蛋白质：铁硫蛋白酶类：含有辅酶（NA+或NADP+

）或辅基（FAD、FMN和血红素）呼吸链中的载体物质81FAD与FMNFAD：黄素腺嘌呤二核苷酸FMN：黄素单核苷酸功能：黄素蛋白FP（Flavoprotein）脱氢酶的辅基FAD与FMNFAD：黄素腺嘌呤二核苷酸82铁硫蛋白小分子蛋白存在于呼吸链中的几种酶复合体中辅基结构如图铁硫蛋白小分子蛋白83辅酶Q或泛醌脂溶性的氢载体存在

真核生物线粒体内膜

G-细菌细胞膜

G+细菌：甲基萘醌MK（维生素K2）功能传递氢辅酶Q或泛醌脂溶性的氢载体84细胞色素系统传递电子而不是传递氢将同等数目的质子传递到线粒体膜或细胞膜外的溶液中只能从泛醌中接受电子细胞色素系统传递电子而不是传递氢85真核生物与原核生物呼吸链的比较真核生物与原核生物呼吸链的比较86典型的呼吸链典型的呼吸链87氧化磷酸化Oxidativephosphorylation电子传递磷酸化

指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。氧化磷酸化形成ATP的机制

化学渗透学说（Chemiosmotichypothesis）

ATP酶构象假说（旋转催化假说）byBoyerandWalkerin1994氧化磷酸化Oxidativephosphorylation88化学渗透学说P.Mitchellin1978NobelPrize通过呼吸链递氢造成跨膜的质子梯度差，进而推动ATP酶合成ATP质子动势

在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀化学渗透学说P.Mitchellin1978Nobe89化学渗透学说(chemiosmotichypothesis)

在氧化磷酸化过程中,通过呼吸链相关酶系作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势的由来，也是合成ATP的能量来源。通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新输回到膜的内侧，于是消除了质子动势的同时合成了ATP。化学渗透学说(chemiosmotichypothesis90ATP合成酶基部：埋于线粒体内膜头部：伸向膜内颈部ATP合成酶基部：埋于线粒体内膜91微生物的新陈代谢课件92呼吸链氧化磷酸化效率的高低

P/O比每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数真核生物的P/O比原核生物的P/O比呼吸链氧化磷酸化效率的高低93（二）无氧呼吸无氧呼吸、厌氧呼吸（AnaerobicRespiration）

呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（NO3－、NO2－、SO42－、S2O32－、CO2）（少数为有机氧化物如延胡索酸）的生物氧化无氧呼吸的特点

无氧条件、产能效率低、有机物脱氢以后经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机或有机物受氢，完成氧化磷酸化反应无氧呼吸的类型：根据呼吸链末端的氢受体无机盐呼吸有机物呼吸（二）无氧呼吸无氧呼吸、厌氧呼吸（AnaerobicRes94（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、氧化三甲基胺Escherichia的延胡索酸呼吸延胡索酸+[2H]→琥珀酸（1）外源电子受体为无机物95无氧呼吸的主要类型无氧呼吸的主要类型96硝酸盐呼吸（Nitraterespiration）反硝化作用Denitrification，以无机物硝酸盐为最终电子受体的无氧呼吸类型；如硝酸盐还原细菌E.coli将NO3－还原为NO2-

C6H12O6+12NO3-→6CO2+6H2O+12NO2-硝酸盐在微生物生命活动中的作用含钼硝酸还原酶同化性硝酸盐还原作用：以硝酸盐作为氮源异化性硝酸盐还原作用：硝酸盐呼吸、反硝化作用在无氧条件下某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受氢体，将其还原成亚硝酸、NO、N2O直至N2的过程硝酸盐呼吸（Nitraterespiration）反硝化作97进行硝酸盐呼吸的微生物兼性厌氧微生物，反硝化细菌

BacilluslicheniformisParacoccusdenitrificansPseudomonasaeruginosaThiobacillusdenitrificans进行硝酸盐呼吸的微生物98微生物的硝酸盐还原实验NitrateBrothGriess试剂

A：对氨基苯磺酸

B：α－萘胺二苯胺试剂微生物的硝酸盐还原实验NitrateBroth99硫酸盐呼吸SulfateRespiration

严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在无氧条件下获取能量的方式，底物脱氢以后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP最终还原产物：硫化氢进行硫酸盐呼吸的严格厌氧菌

Desulovibriodesulfuricans、D.gigas、

Desulfotomaculumnigrificans硫酸盐呼吸SulfateRespiration100碳酸盐呼吸什么是碳酸盐呼吸？

一类以二氧化碳或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸碳酸盐呼吸微生物产甲烷菌：产生甲烷产乙酸细菌：产生乙酸碳酸盐呼吸什么是碳酸盐呼吸？101硫呼吸与铁呼吸SulphurRespiration

以无机硫作为呼吸链的最终受氢体并产生H2S的生物氧化作用IronRespiration

呼吸链末端的氢受体是Fe3+硫呼吸与铁呼吸SulphurRespiration102延胡索酸呼吸FumarateR以有机物延胡索酸为最终电子受体，将其还原成琥珀酸的生物氧化进行延胡索酸呼吸的微生物

兼性厌氧细菌如大肠杆菌、沙门氏菌、Proteus、Klebsiella、Bacteroides、Propionibacterium、Vibriosuccinogenes延胡索酸呼吸FumarateR以有机物延胡索酸为最终电子受103其他呼吸类型甘氨酸呼吸二甲基亚砜呼吸氧化三甲胺呼吸其他呼吸类型甘氨酸呼吸104发酵（Fermentation）广义发酵

任何利用微生物来生产大量菌体或有用代谢产物或食品饮料的一类生产方式狭义发酵

在无氧气等外源受氢体（外源最终电子受体）条件下，底物脱氢以后产生的还原力[H]未经过呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的的生物氧化反应。

C6H12O6→2CO2+2C2H5OH发酵（Fermentation）广义发酵105在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。发酵（fermentation）在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产106发酵的特点微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量氢供体与氢受体（内源性中间代谢产物）均为有机物还原力[H]不经过呼吸链传递产能方式：底物水平磷酸化反应发酵的特点微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量107图解发酵图解发酵108四类发酵FermentationfromPyruvicAcidinEMPHeterofermentationthroughHMPFermentationthroughEDStickland反应四类发酵FermentationfromPyruvic109从EMP途径丙酮酸出发的发酵从EMP途径丙酮酸出发的发酵110FermentationfromPyruvateinEMP由葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸，进一步降解形成各种发酵产物

酒精发酵（酿酒酵母）同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）丙酸发酵（丙酸杆菌）混合酸发酵（大肠杆菌）

2，3-丁二醇发酵（产气肠杆菌）丁酸发酵（丁酸梭菌）请写出进行上述发酵的微生物类型FermentationfromPyruvateinE111六条发酵途径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六条发酵途径酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2，3-丁112EMP丙酮酸出发的发酵的意义工业发酵请列出有哪些发酵产物？查阅相关资料，阐述从EMP途径中丙酮酸出发的发酵对于食品与发酵工业的意义EMP丙酮酸出发的发酵的意义工业发酵113EMP丙酮酸出发的发酵的意义菌种鉴定

VP实验（Vogos–Prouskauertest）(伏普试验)

某些产气肠杆菌（E.aerogenes）利用丙酮酸产生乙酰甲基甲醇acetylmethylcarbinol，碱性条件下氧化成双乙酰，与含有胍基的精氨酸反应，产生特征性的红色反应试剂：

肌酸0.3％或原粉

NaOH40%EMP丙酮酸出发的发酵的意义菌种鉴定114negative(coppercolor)positive(redcolor)VPreagentsnegative(coppercolor)posit115Methylredtest(甲基红试验)左未接种中正反应(红色)右负反应(黄色)（4.4-6.0变红）试剂：甲基红0.1g95％乙醇300ml

蒸馏水200mlMethylredtest(甲基红试验)116通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵Heterolacticfermentation

凡是葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵。进行异型乳酸发酵的微生物异型乳酸发酵的经典途径

L.mesenteroides、L.cremoris、L.brevis、L.fermentum

异型乳酸发酵的双歧途径

Bifidobacteriumbifidum通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵Heterolacticf117异型乳酸发酵的经典途径肠膜明串珠菌属利用核糖的反应肠膜明串珠菌属利用葡萄糖的反应异型乳酸发酵的经典途径肠膜明串珠菌属肠膜明串珠菌属118异型乳酸发酵的双歧途径

两分子葡萄糖产生3分子乙酸、2分子乳酸和5分子ATP异型乳酸发酵的双歧途径两分子葡萄糖产生3分子乙酸、2分119两类乳酸发酵同型乳酸发酵

发酵过程中能使80%~90%糖转化成乳酸，仅很少量其它产物。如保加利亚乳杆菌、乳链球菌异型乳酸发酵

发酵过程中能使50%糖转化成乳酸，另外的糖转变成其它有机酸、醇、CO2、H2等的发酵。如肠膜明串珠菌、短乳杆菌、两歧双歧杆菌二者的区别与比较产物酶系：请比较一下酶系的不同两类乳酸发酵同型乳酸发酵120微生物的新陈代谢课件121通过ED途径的发酵细菌酒精发酵运动发酵单胞菌（Zymomonasmobilis），微好氧从丙酮酸到乙醇通过ED途径的发酵细菌酒精发酵122微生物的新陈代谢课件123氨基酸发酵产能什么是Stickland反应？

以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），以另外一种氨基酸作氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型.产能效率低：1ATP/1氨基酸氢供体氨基酸

Ala、Leu、Ile、Val、Phr、Ser、His、Trp氢受体氨基酸

Gly、Pro、羟Pro、Org、Arg、Trp生孢梭菌C.sporogenes

氨基酸兼作碳源、氮源和能源氨基酸发酵产能什么是Stickland反应？124Stickland反应的机制Stickland反应的机制125进行Stickland反应的微生物ClostridiumsporogenesClostridiumbotulinumClostridiumsticklandii进行Stickland反应的微生物Clostridiums126发酵过程中的产能反应产能机制

底物水平的磷酸化，形成含高能磷酸键的产物实例底物水平磷酸化中的11种高能磷酸化合物发酵过程中的产能反应产能机制12711种高能磷酸化合物名称水解自由能/kJmol-乙酰-CoA35.7丙酰-CoA35.6丁酰-CoA35.6琥珀酰-CoA35.1乙酰磷酸44.8丁酰磷酸44.81,3-二磷酸甘油酸51.9氨甲酰磷酸39.3PEP51.6腺苷腺硫酸88.0N10-甲酰四氢叶酸23.411种高能磷酸化合物名称水解自由能/kJmol-乙酰-C128在厌氧菌中乙酰磷酸是如何形成的？在厌氧菌中乙酰磷酸是如何形成的？129有氧呼吸、无氧呼吸与发酵的比较呼吸类型有氧呼吸无氧呼吸发酵氧化基质有机物有机物有机物最终电子受体O2无机氧化物、延胡索酸氧化型中间代谢产物醛、酮等产物CO2、H2OCO2、H2O、NO2、N2还原型中间代谢产物醇、酸产能多次之少电子传递链完整不完整无，底物水平磷酸化有氧呼吸、无氧呼吸与发酵的比较呼吸类型有氧呼吸无氧呼吸发酵氧130巴斯德效应巴斯德效应（Pasteureffect）

当酵母细胞在厌氧条件下生长时，产生的乙醇和消耗的葡萄糖要比在有氧条件下生长时多许多倍。

类似现象也出现在肌肉中。将氧存在下酵解速度降低的现象称之巴斯德效应。在有氧情况下，由于进行呼吸作用，酒精产量大大下降，糖的消耗速度也减慢，这种呼吸抑制发酵的作用是巴斯德首先发现德的。糖酵解（EMP）和三羧酸循环（TCA）途径都能产生ATP。有氧条件下，TCA循环活泼，呼吸链的氧化磷酸化大量合成ATP，细胞能荷增加，异柠檬酸脱氢酶受到ATP抑制，导致柠檬酸的积累，柠檬酸和ATP都是磷酸果糖激酶活性的抑制剂，从而限制了葡萄糖的利用速度。在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼吸链产生ATP，细胞能荷较低，ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生产酒精的速度加快。巴斯德效应巴斯德效应（Pasteureffect）糖酵解（131自养微生物ATP和还原力的产生化能无机自养

能对无机物进行氧化而获得能量的微生物光能自养

能利用日光辐射能的微生物二者的区别自养微生物ATP和还原力的产生化能无机自养132化能自养微生物化能自养的机理化能自养微生物—硝化细菌化能自养微生物化能自养的机理133亚硝化细菌亚硝化细菌134硝化细菌硝化细菌135光能营养微生物循环光合磷酸化非循环光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成光能营养微生物循环光合磷酸化136ADPATPNADH2ADPATPNADH2137NADPH2NADPH2138嗜盐菌紫膜及光介导ATP反应嗜盐菌紫膜及光介导ATP反应139微生物的分类依据微生物生长、发酵与氧气的关系

需氧微生物厌氧微生物兼性厌氧微生物耐氧微生物等微生物的分类依据微生物生长、发酵与氧气的关系140不同类型微生物的比较种类生长呼吸举例需氧微生物需氧有氧呼吸放线菌、霉菌、某些细菌厌氧微生物厌氧，有氧不利无氧呼吸或发酵梭状芽孢杆菌、甲烷菌兼性厌氧微生物有氧与无氧均可类型多样肠道细菌、酵母菌耐氧微生物氧与生长无关发酵大多数乳酸菌不同类型微生物的比较种类生长呼吸举例需氧微生物需氧有氧呼吸放141第二节分解代谢与合成代谢的关系第二节分解代谢与合成代谢的关系142分解代谢与合成代谢的关系分解代谢与合成代谢的关系143联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物144两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径重要的两用代谢途径

EMPHMPTCA葡萄糖异生作用

2个丙酮酸通过逆转EMP合成1个葡萄糖合成途径并非分解途径的完全逆转代谢产物完全不同分解与合成代谢通常在不同的分隔区域内进行两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径145代谢物回补顺序Anapleroticsequence代谢补偿途径、添补途径指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应不同的微生物、不同的代谢物回补程序代谢物回补顺序Anapleroticsequence代谢146以EMP和TCA循环为中心的重要中间代谢物回补顺序以EMP和TCA循环为中心的重要中间代谢物回补顺序147乙醛酸循环乙醛酸循环148第三节微生物独特代谢途径举例生物固氮自养微生物CO2的固定肽聚糖的合成微生物次生代谢产物的合成第三节微生物独特代谢途径举例生物固氮149一、生物固氮什么是生物固氮？

指分子氮（N2）通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨NH3的过程一、生物固氮什么是生物固氮？150（一）固氮微生物的种类至今固氮微生物约80多属，均为原核微生物自生固氮菌

独立进行固氮，种类繁多共生固氮菌

与它种生物生活在一起才固氮。如根瘤菌属、弗兰克氏菌属、肠杆菌属。存在于豆科植物、杨梅树、苏铁的根部、白蚁肠道及满江红、地衣联合固氮菌

必须生活在植物根际、叶面、动物肠道等处才能固氮（一）固氮微生物的种类至今固氮微生物约80多属，均为原核微生151（二）固氮的生化机制

固氮作用的化学反应

N2+8[H]+18~24ATP2NH3+2H2+18~24ADP+18~24Pi固氮酶Mg2+

，防氧（二）固氮的生化机制固氮作用的化学反应固氮酶Mg2+152固氮反应必要条件（6要素）ATP供应，呼吸、无氧呼吸、发酵和光合作用提供还原力[H]和载体

NAD（P）H+H+

、H2、丙酮酸等作为氢供体固氮酶，组分Ⅰ钼铁蛋白、组分Ⅱ铁蛋白；底物专一性不强镁离子严格的厌氧环境还原底物N2（NH3存在会抑制固氮作用）

有N2时固氮酶将75%还原力形成NH3，其余用于形成H2；缺N2时，固氮酶将H+全部还原成H2N2→NH3→NH4++α-酮酸→相应氨基酸→蛋白质等产物固氮反应必要条件（6要素）ATP供应，呼吸、无氧呼吸、发酵和153固氮的生化途径固氮的生化途径154（三）生物固氮的研究方向仿生学

用化学合成法合成固氮酶在常温、常压下进行工业固氮遗传学

用人工或生物方法将固氮基因转移到非豆科植物上进行固氮（三）生物固氮的研究方向仿生学155二、自养微生物CO2的固定Calvin循环厌氧乙酰－CoA途径逆向TCA循环羟基丙酸途径二、自养微生物CO2的固定Calvin循环156三、肽聚糖的生物合成细胞质中的合成细胞膜上的合成细胞膜外的合成三、肽聚糖的生物合成细胞质中的合成157(一)在细胞质中的合成：1、葡萄糖→N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸(一)在细胞质中的合成：1582、合成“Park”核苷酸2、合成“Park”核苷酸159（二）在细胞膜中合成“Park”核苷酸→肽聚糖单体（二）在细胞膜中合成160（三）在细胞膜外的合成1、转糖基作用（横向连接）2、转肽作用（纵向连接）（三）在细胞膜外的合成161四、微生物次生代谢产物的合成什么是次生代谢产物（SecondaryMetabolite）？

某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的各种结构复杂的化学物次生代谢产物的特点分子结构复杂代谢途径独特生长后期合成产量低生理功能不明确合成受质粒控制四、微生物次生代谢产物的合成什么是次生代谢产物（Second162次生代谢产物的种类抗生素色素毒素生物碱信息素动植物生长促进剂生物药物素次生代谢产物的种类抗生素163图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色浓，活力十足；距青霉菌较近的细菌个较小、色较浅，活力较差；而最接近青霉菌的细菌个最小、色发白，显然已经死亡抗生素图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色浓164毒素烟草野火病菌产生的野火毒素毒素烟草野火病菌产生的野火毒素165稻绿核菌子实体的形态健粒子实体黄色有薄膜包被墨绿色橙黄色淡黄色中心：白色肉质块色素稻绿核菌子实体的形态健粒子实体黄色有薄膜包被墨绿色橙黄色淡黄166初生代谢与次生代谢的关系初生代谢与次生代谢的关系167糖代谢延伸途径莽草酸延伸途径氨基酸延伸途径乙酸延伸途径糖代谢延伸途径168第四节

微生物代谢调控与发酵生产第四节

微生物代谢调控与发酵生产169Regulationofmetabolism微生物的代谢调节

微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证体内上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应代谢调节的特点

及时取得需要的中间代谢产物，只合成需要的代谢产物，严格防止终产物积累以最经济的方式、化最低能量获得所需要的营养，防止能量浪费Regulationofmetabolism微生物的代谢170代谢调节的方式酶调节

固有酶（组成酶）在基质中能固定产生的酶如葡萄糖氧化酶、EMP途径有关的酶适应酶（诱导酶）当基质中有其分解底物或有关诱导物时才合成的酶，当特殊物质不存在，酶就不产生，如阿拉伯胶糖酶、β-半乳糖苷酶调节细胞膜的通透性通过酶的定位限制与相应底物的接近调节代谢流：调节酶的合成和现有酶的催化活力代谢调节的方式酶调节171调节代谢流粗调调节酶合成量的诱导或阻遏机制，是发生在基因水平上的调节。细调酶活性的调节，调节细胞内已有酶分子的活性的反馈抑制机制，是发生在酶化学水平上的调节。调节代谢流粗调172(一)酶活性的调节酶分子水平上的调节激活

分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物促进，例如FDP激活乳酸脱氢酶活力抑制

终产物过量时，可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，使反应减慢或停止，称为反馈抑制FeedbackInhibitionABC

D

E(一)酶活性的调节酶分子水平上的调节A173反馈抑制的特点作用直接效果快速当末端产物浓度降低时可重新解除反馈抑制的特点作用直接174反馈抑制的类型直线式代谢途径中的反馈抑制分支代谢途径中的反馈抑制

为了避免在一分支上的产物过多时不致于同时影响另一分支上产物的供应

同功酶的调节协同反馈抑制合作反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制反馈抑制的类型直线式代谢途径中的反馈抑制175FeedbackInhibitionofanEnzymaticPathwayFeedbackInhibitionofanEnzy176直线式代谢途径中的反馈抑制E.coli合成Ile谷氨酸棒杆菌Corynebacteriumglutamicum利用谷氨酸合成精氨酸直线式代谢途径中的反馈抑制E.coli合成Ile177分支代谢途径反馈抑制I同功酶调节Isoenzyme：能催化相同的生化反应，但酶蛋白结构有差异的一类酶功能代谢调节实例

E.coli的赖氨酸和苏氨酸合成分支代谢途径反馈抑制I同功酶调节Isoenzyme：能催化相178E.coli的赖氨酸和苏氨酸合成E.coli的赖氨酸和苏氨酸合成179协同反馈抑制分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制公共途径中的第一酶的一种反馈调节方式实例

Corynebacteriumglutamicum、B.polymyxa合成天门冬氨酸族氨基酸，天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制协同反馈抑制分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制公180合作反馈抑制（增效反馈抑制）CooperativefeedbackInhibition、增效反馈抑制两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用实例

AMP、GMP对磷酸核糖焦磷酸酶合作反馈抑制（增效反馈抑制）Cooperativefeed181累积反馈抑制CumulativeFI每一分支途径的末端代谢产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，当几种产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。在各末端产物之间无协同效应和拮抗作用实例

E.coli的谷氨酰胺合成酶累积反馈抑制CumulativeFI每一分支途径的末端代谢182E.coli的谷氨酰胺合成酶E.coli的谷氨酰胺合成酶183顺序反馈抑制SequentialfeedbackInhibition逐步有顺序的反馈调节方式实例枯草芽孢杆菌的芳香族氨基酸的生物合成顺序反馈抑制SequentialfeedbackInhi184反馈抑制的机制（酶的变构）主要通过最终产物（末端产物）对反应途径中的第一个酶（变构酶或调节酶）的抑制变构酶活性中心—与底物结合发生反应调节中心—与效应物结合，从而引起酶可逆变构效应物激活剂—促进活性中心对底物的亲和力抑制剂—降低活性中心对底物的亲和力反馈抑制的机制（酶的变构）主要通过最终产物（末端产物）对反应185变构酶的激活与抑制变构酶的激活与抑制186(二)酶合成的调节通过调节酶合成量进而调节代谢速率，是在基因水平上在（原核生物中转录水平）的代谢调节特点：间接缓慢、节约能量和原料酶合成调节诱导酶合成阻遏酶合成酶合成调节的类型诱导：当环境中存在诱导物（底物及类似物、底物前体）时，促进酶合成，诱导方式有同时诱导、顺序诱导阻遏：过量代谢产物阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而控制代谢，减少末端产物的合成(二)酶合成的调节通过调节酶合成量进而调节代谢速率，是在基187酶的诱导根据酶生成与其底物（及相关物）的关系组成酶

细胞内固有的酶类，合成在相应的基因控制之下，不因分解底物或其结构类似物的存在而受影响。诱导酶

细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶，例如β－半乳糖苷酶、半乳糖苷渗透酶诱导物

能促进诱导酶产生的物质Inducer

酶底物、ITPG异丙基-β-D-半乳糖苷酶的诱导根据酶生成与其底物（及相关物）的关系188微生物的新陈代谢课件189酶的诱导合成方式同时诱导

当诱导物加入时，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中顺序诱导

先分解能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以实现对较复杂代谢途径的分段调节酶的诱导合成方式同时诱导190阻遏－酶合成的调节阻遏

在微生物的代谢过程中，当代谢途径某末端代谢产物过量时，通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列的酶的合成，从而更彻底地控制和减少末端代谢产物的生成阻遏的类型末端产物阻遏分解代谢物阻遏阻遏－酶合成的调节阻遏191末端产物阻遏End-productRepression

指由某代谢途径末端产物的过量积累而引起的阻遏实例直线式：精氨酸的生物合成途径分支式：多价阻遏作用Multivalentrepression

芳香族氨基酸、天冬氨酸和丙酮酸族氨基酸生物合成中的反馈阻遏末端产物阻遏End-productRepression192分解代谢物阻遏Cataboliterepression

细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的底物在分解过程中所产生的中间代谢物会阻碍利用慢的底物的有关酶合成实例

E.coli在葡萄糖、乳糖共同存在时二次生长现象

E.coli山梨醇、乙酸

NH4+与精氨酸分解代谢物阻遏Cataboliterepression193微生物的新陈代谢课件194葡萄糖效应培养时间葡萄糖效应培养时间195酶合成调节的机制(操纵子学说)操纵子

DNA链上一组功能相关的基因。包括启动基因、操纵基因、结构基因启动基因

RNA多聚酶结合的位点，亦是转录起点操纵基因

能与阻遏物结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行结构基因

决定某一多肽链的DNA模板酶合成调节的机制(操纵子学说)操纵子196几个概念调节基因编码调节蛋白（阻遏物或阻遏物蛋白）的基因效应物低分子量的信号物。包括诱导物和辅阻遏物，可与调节蛋白结合使其构象改变，从而提高或降低与操纵基因的结合能力调节蛋白

变构蛋白，有两个位点，其一与操纵基因结合，另一个位点可与效应物结合几个概念调节基因197操纵子的构造操纵子的构造198诱导与阻遏的机制诱导乳糖操纵子的诱导机制阻遏色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制诱导与阻遏的机制诱导199Geneinduction1、诱导InductionGeneinduction1、诱导Induction200Generepression2、阻遏repressionGenerepression2、阻遏repression201乳糖操纵子的调节乳糖操纵子的调节202色氨酸操纵子的反馈阻遏色氨酸操纵子的反馈阻遏203NegativecontrolofthetrpoperonNegativecontrolofthetrpop204(三)微生物代谢调节的其它部位膜原核微生物——细胞膜影响物质透性核微生物——细胞膜、细胞器膜酶与底物的相对位置原核微生物

细胞膜上多酶复合体形式存在的酶系使细胞内酶活性受到调节真核微生物

底物与酶分别储存在有膜的细胞器内，从而影响酶与底物的作用。酶体系的区域化可使细胞内一些酶的活性受到调节和整合(三)微生物代谢调节的其它部位膜205代谢工程MetabolicEngineeringbyBaileyinScience1991改变代谢流

加速速度限制反应改变分支代谢途径的流向构建代谢旁路改变能量代谢途径扩展代谢途径

延伸代谢途径构建新的代谢途径：构建新的生物合成途径代谢工程MetabolicEngineeringbyB206二、代谢调控在发酵工业上的应用在发酵工业中，为大量累积人们所需的代谢产物，必须人为打破微生物细胞内代谢的自动调节机构，使代谢朝人们所希望的方向进行微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株发酵工业中调节微生物生命活动的方法水平生理水平代谢途径水平

在代谢途径水平上对酶活性和酶合成的调节基因调控水平二、代谢调控在发酵工业上的应用在发酵工业中，为大量累积人们所207三种调节方式应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节控制细胞膜的渗透性三种调节方式应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节208营养缺陷型突变株解除正常反馈调节直线式合成途径中，营养缺陷型菌株只能积累中间代谢产物，不能积累最终代谢产物分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，可使某一分支途径的末端产物得到积累赖氨酸发酵