微生物的酶与代谢

微生物的酶与代谢第1页/共60页第五章

微生物的酶与代谢

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生物小分子合成生物大分子合成代谢（同化）耗能新陈代谢能量代谢物质代谢产能分解代谢（异化）生物大分子分解为生物小分子

合成代谢––––生物体从体内或体外环境中取得原料，合成各种细胞结构物质或具有各种生理功能的物质的过程（同化过程）

分解代谢––––生物结构体内所有的分解作用，包括各种营养物质或细胞结构物质降解成简单的产物的过程（异化过程)

新陈代谢（Metabolism）

泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程第3页/共60页（1）在温和条件下进行(由酶催化)（2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性（3）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。新陈代谢的特点第4页/共60页主要内容微生物的酶微生物的能量代谢微生物的分解代谢第5页/共60页第一节微生物的酶

酶是由活细胞产生的具有催化作用的生物大分子第6页/共60页酶的特性

1、绝大多数酶具有蛋白质的一切性质如：aa结合成的大分子；两性电离 细胞内呈水溶性溶胶强酸、强碱、高热、高盐等理化因素作用下失去生理活性

2、酶的催化作用具有高度的专一性

绝对专一性、相对专一性、立体异构专一性第7页/共60页3、酶的催化效率高，作用条件温和。机理：降低活化能的方式进行（1）催化速度比无机催化剂高1000万－10万亿倍（2）作用条件为常温常压，pH近乎中性。酶的催化性又称酶的活性或活力。酶的活性与酶的浓度，底物浓度，反应的温度，pH值以及化合物、无机离子浓度等有关

第8页/共60页酶的结构与功能

作用方式分为6种：水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶、裂解酶、合成酶根据酶在细胞内的位置分：胞外酶（水解酶）、胞内酶（还原酶、转移酶、裂解酶、异构酶、合成酶等）和细胞间质酶（渗透酶等细胞膜与细胞质中间）酶产生规律：固有酶（成分酶）和适应酶（诱导酶）第9页/共60页酶在结构上可分为单成分酶和双成分酶单成分酶：只具有酶蛋白的酶，这类酶本身具有催化特性，酶的活性中心是由酶上少数几个化学基团构成双成分酶酶蛋白＋活性基（辅酶或金属离子）作用：酶蛋白（具有活性中心，决定结合的专一性） 活性基（起着决定催化反应性质的作用，在催化反应中担负着传递电子、原子或化学基团的作用）第10页/共60页酶在微生物细胞中的分布

微生物细胞的构造虽然简单，但却是一个完整的整体，各种酶在细胞中有严格的分布，从而在空间和时间上保证了微生物的代谢具有严格的顺序性和规律性细胞膜：参与营养物质运输的酶（渗透酶）细胞质：分解糖及有机物质的酶与合成酶呼吸酶类：原核生物（细胞内膜）、真核生物（线粒体）核糖体：蛋白质合成酶第11页/共60页第二节微生物的能量代谢能量代谢––––微生物体内的能量转变过程热力学第二定律能量守恒微生物的能量代谢是通过生物氧化反应来实现的生物氧化–––微生物在细胞内酶作用下把营养物质氧化的过程第12页/共60页

有机物（化能异养菌）最初能源

日光（光能营养菌）

通用能源

无机物（化能自养菌）

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生物氧化的特点：（1）系列酶在温和的条件下按次序催化；（2）氧化反应能量释放分段进行（3）放出能量一部分的化学能的形式储存在能量载体内生物氧化作用的实质是物质代谢中脱下的氢离子（电子）转移给受氢体根据最终电子（氢）受体的不同，可把微生物的生物氧化作用分为三类：有氧呼吸作用、无氧呼吸作用、发酵作用第14页/共60页一、微生物生物氧化的产能模式

有氧呼吸作用无氧呼吸作用发酵作用第15页/共60页有氧呼吸作用

以分子氧作为最终电子（氢）受体的生物氧化作用，称为有氧呼吸方式：呼吸底物逐步彻底氧化：

C6H12O6－→CO2+H2O+ATP

适用的微生物：好氧微生物，兼性厌氧微生物第16页/共60页以分子氧为最终受体的生物氧化C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O有氧呼吸（aerobicrespiration）发酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应第17页/共60页无氧呼吸作用以无机氧化物替代分子氧作为最终电子受体的生物氧化作用称为无氧呼吸适用范围：某些厌氧微生物和兼性厌氧的微生物特点：基质氧化彻底，释放能量少第18页/共60页发酵作用

以有机物作为最终电子受体的呼吸作用称为发酵

Note：次序，低于1、2，若有外源电子受体（02，无机氧化物）时，不发生发酵作用特点：基质不能彻底氧化，产生能量极少，有中间产物积累适用微生物：各种微生物第19页/共60页

发酵作用––––无氧工业上的发酵––––利用微生物的转化作用来从底物生成代谢物，可在有氧或无氧的条件下进行发酵作用是工业上发酵的一种形式第20页/共60页二、ATP的生成ATP和酰基辅酶A可做为微生物体内吸能和放能反应的偶联者能量多余––––→储存能量不足––––→释放第21页/共60页1、概念（1）光合磷酸化：仅适于光合生物能量来自光能，以光能生成ATP的过程（2）氧化磷酸化：适于所有生物能量来自化学能，以化合物的氧化所放出的能量生成ATP的称为氧化磷酸化第22页/共60页2、ATP生成方式（1）底物水平磷酸化通式：X~Pi＋ADP––––ATP＋X

X~Pi－ATP，1.3－二磷酸甘油酸，乙酰磷酸，2－磷酸烯醇式丙酮酸，氨甲酰磷酸适用范围：适用于发酵作用进行生物氧化的微生物（2）电子传递磷酸化适用范围：适用于有氧或无氧呼吸作用进行生物氧化的微生物。机制尚不清楚第23页/共60页3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脱氢酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸变位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(丙酮酸激酶)脱氢氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化第24页/共60页第三节微生物的分解代谢

主要内容：微生物对营养物利用及其产生的代谢产物微生物从环境中吸收C、N等营养物质，经菌体一系列分解作用等，生成中间产物：（1）

组成细胞 成分（2）

以储存物的形式存在于细胞内（3）

生成代谢废物、释放微生物分解营养物质产生的代谢产物，很多对人类非常有用，构成了食品发酵工业的一个重要组成部分第25页/共60页一般可将分解代谢分为三个阶段：蛋白质多糖脂类氨基酸单糖甘油，脂肪酸

丙酮酸/乙酰辅酶ACO2，H20，能量（三羧酸循环）第26页/共60页第27页/共60页一、微生物对纤维素的分解

纤维素是植物细胞壁的主要组成成分，是地球上最丰富的有机物质纤维素组成：β－1.4－葡萄糖苷键连接葡萄糖组成特点：多种微生物具有纤维素分解酶，其中尤以霉菌的木霉活力较高苏联生产SCP，采用酸法水解木材样板，进一步发酵第28页/共60页第29页/共60页二、微生物对淀粉的降解

淀粉是重要的发酵原料，利用它可以生产多种多样的发酵产品。发酵工业：酒精、酒类、有机酸，味精、酶制剂等食品工业：饴糖、葡萄糖、果葡糖浆制药工业：抗生素等微生物水解淀粉是通过分泌淀粉酶来完成的，但酶种类较多，按作用机制分为四类：第30页/共60页α－淀粉酶（淀粉1，4－糊精酶）直链淀粉－→麦芽糖或6个葡萄糖分子单位特点：可以越过α—1，6糖苷键，水解α-1，4糖苷键表现：粘度下降，出现液化，又称液化酶生产菌：枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、米曲霉等

β－淀粉酶（淀粉－1，4麦芽糖苷酶）作用方式：直链淀粉－→麦芽糖支链淀粉－→麦芽糖＋糊精生产菌种：细菌第31页/共60页

葡萄糖淀粉酶（淀粉1，4、1，6－葡萄糖苷酶）最终产物:葡萄糖生产菌种：（1）根霉，白酒生产中淀粉的糖化酶系纯、风味好、但速度慢不含转苷酶，不会重新生成二糖、三糖（2）黑曲霉，目前生产用菌种液体发酵，产酶高，但含转苷酶异淀粉酶（淀粉1，6－糊精酶）特点：专门水解α-1，6葡萄糖苷键产物：直链糊精菌种：产气气杆菌，产色链霉菌等第32页/共60页第33页/共60页三、微生物对双糖、三糖的降解

蔗糖蔗糖酯酶蔗糖————→葡萄糖＋果糖

微生物：霉菌、酵母、细菌中大多数含有这种酶

麦芽糖麦芽糖酶麦芽糖

————→2葡萄糖

如植物发芽

第34页/共60页乳糖

β一半乳糖苷酶

乳糖

——————→半乳糖＋果糖微生物：乳酸杆菌、乳酸球菌亚洲人70％不能消化乳糖，所以酸奶就是使其转化成易于被人体吸收的其他糖及营养物质棉子糖

蜜二糖酶棉子糖

——————→半乳糖＋蔗糖则蔗糖全部结晶，产量较高，名：无废蜜制糖法第35页/共60页四、微生物对已糖的降解途径

葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等已糖都是绝大多数异养微生物可以利用的糖类，其中尤以葡萄糖、果糖是最易利用作用：能源和碳源葡萄糖降解途径：无氧降解：EMP、无氧HMP途径有氧降解：EMP－TCA、HMP、乙醛酸循环第36页/共60页（一）无氧降解（发酵作用）

化能异养菌取得碳源，能源的主要方式，产物为有机酸、醇、气体（CO2）等EMP反应总式：C6H12O6＋2NAD＋2Pi＋2ADP–––→

2CH3COCOOH＋2NADH2＋2ATP第37页/共60页第38页/共60页1、酵母酒精发酵第一型发酵受氢体：乙醛菌种：啤酒酵母，嘉士伯酵母，AS2.1189，AS2.1190，F369、Rasse12，南阳混合酵母，少数细菌，霉菌总反应式：C6H12O6＋2ADP＋2Pi––––→2C2H5OH+2CO2+2ATP

脱羧酶乙醇脱氢酶丙酮酸––––→乙醛＋CO2

+NADH2––––→乙醇

+NAD

第39页/共60页酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件无氧不含NaHSO3

pH酸性第40页/共60页第41页/共60页

2、甘油发酵用途：食品、化工、医药、化妆品等的原料（1）

酵母第二型发酵：

NaHSO3与乙醛形成复合物，乙醛不能作为受氢体水解磷化二羟丙酮+NADH2

–––→2NAD+α－磷酸甘油–––→

甘油受氢体：磷酸二羟丙酮（2）酵母第三型发酵碱性条件下，乙醛发生歧化反应，不能作为受氢体，同样磷酸二羟丙酮作为受氢体

2葡糖––––→2甘油+乙酸＋乙醇＋CO2

保持碱性，否则回到第一型发酵，酒精发酵要保持酸性。沸点130℃，要用过热蒸汽蒸馏或减压蒸馏，目前采用较多的是真空水蒸汽蒸馏法第42页/共60页第43页/共60页3、乳酸发酵（1）同型乳酸发酵：产物––––乳酸菌种：德氏乳酸杆菌，保加利亚乳杆菌、酪乳杆菌

EMP

葡萄糖–––→丙酮酸+NADH2

––––→乳酸+NAD总反应式：C6H12O6＋2ADP＋2Pi––→2乳酸＋2ATP

（2）异型乳酸发酵产物：乳酸、乙醇、CO2

菌种：短乳杆菌、根霉总反应式：葡糖＋2ADP＋2Pi–––→乳酸＋乙醇＋CO2＋2ATP第44页/共60页第45页/共60页

乳酸发酵指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等

细菌积累乳酸的过程是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵两种类型：同型乳酸发酵异型乳酸发酵第46页/共60页异型乳酸发酵（通过HMP途径）

发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳发酵即为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵结果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子。

北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵。乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。第47页/共60页渍酸菜应做好以下几点

必须控制不被杂菌感染要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件要加些盐，3—5%NaCl浓度为好缸要刷净，并不要带进油污

pH值3—4为宜第48页/共60页4、丙酮－丁醇发酵用途：两者均为有机溶剂，主要靠发酵法生产。菌种：丙酮－丁醇梭状芽孢杆菌产物：丙酮、丁醇、乙醇、CO2、H2及乙酸、丁酸等。丙酮来自乙酰乙酸脱羧。丁醇来自丁酸的还原第49页/共60页混合酸发酵概念：通过EMP途径将葡萄糖转变成乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵发酵途径：磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸

2丙酮酸乳酸~甲酸裂解酶乙酰CoA甲酸

甲酸氢解酶乙酰-PCO2+H2

乙酸+ATP第50页/共60页鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（M.R）试验

产酸产气试验:Escherichia与Shigella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，后者则因无此酶，不具有产气的能力甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆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，后者呈黄色第51页/共60页

（二）有氧降解

产物：CO2、H2O、ATP、细胞物质的中间产物用途：食品、化工、医药、轻工等第52页/共60页1、柠檬酸发酵

EMP

葡萄糖–––→丙酮酸–––→TCA–––→柠檬酸总反应式：2C6H12O6＋3O2–––2柠檬酸＋4H2O

理论转化率：184/180X100=106%

一般工厂转化率96－100％发酵原料：糖蜜、淀粉菌种：黑曲霉M3008（淀粉）、H0600（糖蜜）,

假丝酵母国外有研究第53页/共60页2、谷氨酸发酵用途：医药（补脑）、味精、人造革、化妆品（聚谷氨酸）菌种：AS1.299、AS1.542、T6－13、N338、H7211、U－9等途径：

EMP

葡萄糖–––→丙酮酸–––→TCA–––→－酮戊二酸－酮戊二酸––→还原氨基化–––→谷氨酸国际上最大的氨基酸制造业第54页/共60页五、微生物对戊糖的降解

戊糖：木糖、阿拉伯糖、核糖等一般：有O2戊糖–––→已糖––––→利用无O2，少数细菌、酵母可以利用戊糖如乳酸菌，肠膜状明串珠菌、假丝酵母等，产物为乙醇，乳酸等第55页/共60页第56页/共60页六、脂肪的