5微生物的代谢.ppt

1、,代谢(metabolism)：指细胞内发生的各种 化学反应的总称，由分解代谢和合成代 谢组成,第五章 微生物的代谢,第一节 代谢概论,分解代谢(catabolism)是将大分子物质分解成,小分子物质，并在此过程中放出能量,合成代谢(anabolism)是指细胞利用简单的小,分子物质合成复杂大分子的过程，此过 程吸收能量,分类,按物质转化方式分：,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形,式相互转化,第二节 微生物产能代谢,一、生物氧化,物质在生物体内经过一系列连续的氧化 还原反应，逐步分解并释放能量的过 程，是一代谢产能过程,二、异养微生物的生物氧化,1. 发酵

2、Fermentation,指微生物细胞将有机物氧化释放的电 子直接交给底物本身未完全氧化的某 种中间产物，同时释放能量并产生各 种不同的代谢产物,特点,(1)有机物部分被氧化，仅释放小部分能量 (2)与有机物的还原偶联在一起 (3)不需外界提供电子,糖酵解的四个过程：,EMP途径,生物体内葡萄糖被降解 成丙酮酸的过程,HMP,ED途径, 磷酸解酮酶途径(PK), 磷酸解酮酶途径(HK),同型乳酸发酵 异型乳酸发酵 双歧发酵,发酵的两个缺点,1. 底物仅被部分氧化,2. 初始电子供体和最终电子受体还原电,势相差不大,2. 呼吸作用,呼吸作用: 微生物在降解底物的过程中, 将释放出来的电子交给NA

3、D(P)+、FAD 或FM等电子载体,再经电子传递系统 传给外源电子受体,从而生成水或其他还 原型产物并释放出能量的过程,有氧呼吸: 以分子氧作为最终电子受体,无氧呼吸: 以氧化型化合物作为最终电了受体,呼吸作用与发酵的区别:,电子载体不是将电子直接传递给底物降解的 中间产物,而是交给电子传递系统,逐步释放出 能量后再交给最终电子受体, 有氧呼吸,TCA,电子传递系统,NADH脱氢酶 黄素蛋白 铁硫蛋白 细胞色素,醌及其衍生物, 无氧呼吸,电子传递系统的功能:,1. 传递电子,2. 以ATP贮藏部分能量,电子受体是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、 CO2等外源受体,三、自养微生物

4、的生物氧化 1. 氨的氧化,HNO3,亚硝化细菌 NH3 2. 硫的氧化,S-,S,SO32-,硝化细菌 HNO2 SO42-,磷酸腺苷酸途径,3. 铁的氧化,氧化亚铁硫杆菌,含铜蛋白质, 亚铁到高铁,4. 氢的氧化,(1)不需要NAD+的颗粒状氧化酶 (2)可溶性氢化酶，需NAD+,四、能量转换,1. 底物水平磷酸化,substrate level phosphorylation,物质在生物氧化过程中，常生成一些含 有高能键的化合物，而这些化合物可直 接偶联ATP或GTP，这种产生ATP等 高能分子的方式称底物水平磷酸化,2. 氧化磷酸化,oxidative phosphorylation,

5、物质在生物氧化过程中形成的NADH和 FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌 质膜上的电子传递系统传递给氧或其他 氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP 的合成，这种产生ATP方式称底物水平 磷酸化,化学渗透偶联假说,1961年,英国,米切尔提出,电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度 差,从而将能量蕴藏在质子势中,质子势由 膜外进入胞内,此过程中通过存在于膜上的,F1-F0ATP酶偶联ATP的形成,构象变化偶联假说,美国,博耶,质子势推动的质子跨膜运输启动并驱使F1- F0ATP酶构象发生变化,这种构象变化导致,该酶催化部位对ADP和Pi的亲和力发生改 变,并促进ATP的生成和释放,化学渗透偶联假

6、说,构象变化偶联假说,3. 光合磷酸化 photophosphorylation 通过光合磷酸化将光能转变为化学能，,以用于从CO2合成细胞物质, 光合色素,光合生物所特有，将光能转化为化学能的 关键物质,三类：叶绿素或细菌叶绿素，类胡萝卜素 和藻胆素, 光合单位,光合色素分布的两个系统各为一个光合单 位,一个光合单位由一个光捕获复合体和 一个反应中心复合体组成,(3). 光合磷酸化,指光能转变为化学能的过程,原理: 当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶,绿素性质上即被激活,导致叶绿素释 放一个电子而被氧化,释放出的电子 在电子传递系统传递过程中逐步释 放能量, 环式光合磷酸化,NADP + nP

7、i,nATP,Bchl hv,光合细菌, 非环式光合磷酸化,两个光合系统,一个光合系统,第三节 耗能代谢,一、细胞物质的合成,合成代谢: 微生物利用能量代谢所 产生的能量、中间产物以及从外界 吸收的小分子，合成复杂的细胞物 质的过程,1. CO2的固定,将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称 为CO2的固定作用,微生物同化CO2的方式,自养式: CO2能合成糖并重新生成受体 异养式: CO2被固定在有机酸上,不能转化,成有机物,自养微生物同化CO2所需要的能量来自,光能或无机物氧化所得的化学能,自养微生物固定CO2的途径:, 卡尔文循环, 还原性三羧酸循环固定CO2, 还原的单羧酸环,2. 生

8、物固氮,微生物将氮还原为氨的过程,氮体系 厌氧自生固氮菌巴氏固氧梭菌 共生固 根瘤菌豆科,自生固 好氧自生固氮菌固氧菌属,氮体系 弗兰克氏菌非豆科,联合固氮体系 雀稗固氮菌,3. 二碳化合物的同化,回补途径：指能补充兼用代谢途径中因合,成代谢而消耗的中间代谢产物 的反应, 乙醛酸循环,异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶,底物: 乙酸,好氧微生物, 甘油酸途径,底物:,甘氨酸 乙醇酸 草酸,4. 糖类的合成, 单糖的合成,EMP途径合成葡萄糖,然后再转化其它单糖,自养微生物:卡尔文循环甘油醛-3-磷酸 草酰乙酸或乙酰COA,异养微生物:,乙酸醛酸循环草酰乙酸,乙醇酸,草酸,苷氨酸苷油酸途径,苷油醛-3

9、-磷酸,乳酸丙酮酸,生糖氨基酸脱氨基,已糖生物合成中的两个关键中间物是,葡糖-6-磷酸和UDP-葡萄糖,戊糖生物合成一般由葡糖-6-磷酸脱羧而成,核糖-5-磷酸, 多糖的合成,同多糖: 相同单糖分子聚合而成 杂多糖: 不同单糖分子聚合而成,核苷糖核苷糖-单糖,能量来源：核苷糖中高能糖-磷酸键水解,单糖单位核苷糖为载体,转移酶类的特异性决定次序,5. 氨基酸的合成,碳骨架来自糖代谢产生的中间代谢产物 氨: 直接从外界环境获得; 体内含氮化合物的分解; 固氮作用;,由硝酸还原作用;,氨基化作用,在转氨酶的作用下,使一种氨基酸的氨基转 移给酮酸,形成新的氨基酸的过程,转氨基作用,a-酮酸与氨反应生成

10、氨基酸,a-酮戊二酸和丙酮酸及延胡索酸和谷氨酸,前体转化,6. 核苷酸的合成, 嘌呤核苷酸的生物合成,以核糖磷酸为底物，碳和氮来自氨基酸、,CO2和甲酸,合成方式：,由各种小分子化合物，全新合成次黄,嘌呤，再转化,由自由碱基或核苷组成相应的嘌呤核,苷酸,嘧啶核苷酸的合成,合成方式：,由小分子化合物全新合成尿嘧啶核 苷酸，再转化,以完整的嘧啶或嘧啶核苷分子，组成 嘧啶核苷酸,脱氧核苷酸的合成,核苷酸糖基第2位上的OH还原为H,E. coli：核糖核苷二磷酸,赖氏乳酸菌：核糖核苷三磷酸,胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：尿嘧啶脱氧 核糖核苷酸，脱磷酸再甲基化,二、其他耗能反应：运动、动输、生物发光,鞭毛运动

11、；在固体表面滑动；气囊,1. 运动,2. 运输,3. 生物发光 荧光色素酶,一种长链脂肪酸,第四节 微生物的代谢调节,酶活性调节，调节已有酶分子的活性，,酶化学水平,酶合成的调节，调节酶分子的合成量，,遗传学水平,代谢调节类型:,一、酶活性的调节,一定数量的酶，通过其分子构象或分子 结构的改变来调节其催化反应的速率,1. 变构调节,变构酶：通常是某一代谢途径的第一个 酶或催化某一关键反应的酶,2. 修饰调节,共价调节酶通过修饰酶催化其多肽上 某些基团进行可逆的共价修饰，使之 处于活性和非活性状态,磷酸化/去磷酸化；乙酰化/去乙酰化； 腺苷酰化/去腺苷酰化；尿苷腺化/去尿 苷腺化；甲基化/去甲基

12、化；S-S/SH相 互转变；ADPR化/去ADPR化,3. 两者差别：,变构调节只是构象变化；,修饰调节是一级结构变化，对调节信 号具有放大效应，效率高,二、分支合成途径调节,特点： 每个分支途径的末端产物控制分,支点后的第一个酶，同时每个末 端产物又对整个途径的第一个酶 有部分的抑制作用,第五节,微生物次级代谢与次级代谢产物,一、次级代谢与次级代谢产物,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,1. 初级代谢,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 活动无明确功能的物质的过程为次级代 谢，这一过程的产物即为次

13、级代谢产物,2. 次级代谢和次级代谢产物,次级代谢大部分都是分子结构比较复杂的 化合物,次级代谢产物分类：抗生素、激素、生 物碱、毒素和维生素,3. 次级代谢的特点,(1)初级代谢的关键性中间产物往往是次,级代谢的前体;,(2)次级代谢一般发生于对数生长后期或稳,定期间进行，受到环境条件影响； (3)催化次级代谢的酶的专一性不高;,(4)次级代谢产物的合成, 因菌种而异; (5)质粒与次级代谢的关系密切; (6)次级代谢无明确的生理功能;,(7)次级代谢产物一般无生理功能, 也非生长,繁殖所必须;,二、次级代谢的调节,1. 初级代谢对次级代谢的调节,次级代谢一般以初级代谢产物为前体,2. 碳、

14、氮代谢物的调节作用,菌体生长时利用的碳源的分解物阻遏次级 代谢酶系的合成(迟效碳源和速效碳源),3. 诱导作用及产物的反馈抑制,第六章 微生物工业和产品,l 工业发酵的菌种和发酵特征 l 工业发酵的方式 l 工业发酵的产品,第一节 工业发酵的菌种和特征,微生物工业指人们工业化规模培养微生 物生产的商品性产品，也指以微生物为 主体生产产品的工业,微生物的工业发酵指利用各种微生物的 不同发酵特性，发酵生产众多有价值的 发酵产品,下游技术一般是泛指从菌种的大规模培 养、监测一直到产品的分离、纯化、质 量分析等一系列单元操作技术，其中的 产品分离纯化技术即后处理，是菌种实 现产业化的关键,一、生产菌种

15、的要求和来源 1. 生产菌种的要求,在较短的发酵过种高产有价值的产品 培养基价廉易得且转化效率高 菌种对动植物及环境无害 副产品少且易分离,菌种的遣传稳定性强,易于进行基因操作,2. 生产菌种的来源,自学,3. 微生物工业发酵的一般过程,二、大规模发酵特征,1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理 4.发酵的逐级放大,1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理,自学,(1) 小试,实验室或小型设备,得小试最佳发酵条件,评估所发酵的产物是否具有生产可能性,发酵

16、的逐级放大,(2) 中试,实验工厂或车间的小规模设备,对小试最佳发酵条件进行验证并放大 基本确定发酵产物能否进行工业大规 模生产,(3) 大试,试验性生产,对中试发酵条件的参数进行验证改进 确定发酵产物能否进行工业大规模生产,第二节 工业发酵的方式,一、连续发酵,优点:,简化了菌种的扩大培养、发酵罐的多次灭 菌、清洗、出料，缩短了发酵周期，提高 了设备的利用率，降低人力与物力的消耗,主要用于生产酒精、丙酮、丁醇、乳酸、 食用酵母、单细胞蛋白、污水处理,二、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化酶是指将从微生物细胞中提取出的 酶，用固体支持物固定，成为不溶于水或 不易散失和可多次使用的生物催化剂，被

17、固定的酶即称为固定化酶,固定化细胞,固定化的优势 5条,固定化的类型 5条,自学,固定化的应用及缺点 3条,三、固态发酵,指微生物在没有或几乎没有游离水的 固态的湿培养基上的发酵过程,固体料要求：手握成团，落地能散 厌氧菌：堆积密封,好氧菌：平辅静止或搅拌通气,四、混合培养发酵,指多种微生物混合在一起共用一种培养基 进行发酵，也称混合培养,限定混合培养物发酵指利用已鉴定的两种 以上分离纯化的微生物作为菌种，共用同 种培养基进行发酵 优势(自学),第三节 发酵的主要产品,发酵产品分类：,传统产品以酿造业的酒、醋、酱等为代表,近代产品以发酵法生产抗生素等有机物为代表 现代产品基因工程产品，如胰岛素等,一、食品和饮料,糖化 液化,二、抗生素和其它微生物药物及制品,1. 抗生素,生物制品：根据免疫学原理，大规模地 采用微生物或其部分组成成分，进行工 业生产疫苗、类毒素、免疫血清和诊断 用的抗原、抗体制品等产品,抗菌谱指抗生素作用对象的范围,2. 非抗生素的生理活性物质,微生物药物,3. 生物制品,(1) 预防制品主要指疫苗，由细菌、螺旋 体、支原体、病毒、立克次氏体和衣原体 (2) 治疗制品指利用细菌、病毒和生物毒 素免疫动物制备的抗血清和抗毒素