第六章 微生物的代谢.ppt

1、第六章 微生物的代谢,本章提要,第一节 代谢概论 第二节 微生物的产能代谢 第三节 微生物耗能代谢 第四节 微生物代谢的调节 第五章 微生物次级代谢与次级代谢产物,第一节 代谢概论,新陈代谢(metabolism) 1、按活细胞内进行的化学反应分： 分解代谢(catabolism) 大分子 小分子（能量，细胞组分的前体） 合成代谢(anabolism) 小分子 大分子（酶，结构组分等）,分解代谢的三个阶段： 蛋白质 氨基酸 多糖 单糖 脂类 脂肪酸, 降解成丙酮酸、乙酰辅酶A等，产ATP, 降解成CO2（通过三羧酸循环），产生ATP,I,II,III,分解代谢的三个阶段,2、按物质转化方式分：

2、 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。,3、按代谢产物在机体中作用不同分： 初级代谢 提供能量、前体、结构物质等的代谢类型; 产物对机体有生理活性。 次级代谢 在一定生长阶段出现的代谢类型； 其产物 抗生素、色素、激素、生物碱等。,第二节 微生物的产能代谢,光能 化学能,F1-F0ATP酶（腺苷三磷酸合成酶） 合成ATP机制,F1-F0ATP酶：分子马达。能量转化的核心酶。 膜内侧的F1和膜中的F0结构域。 “类车轮”结构由9个亚基组成。 可以象“车轮”一样旋转。 旋转动力来自质子跨膜运输（膜外 到膜内）。 旋转过程中结合ADP和Pi合成ATP。,

3、F1-F0ATP酶（分子马达）与ATP合成关系示意图,33,膜 内,膜外,电子传递过程中能量(ATP)产生机制,米切尔的化学渗透偶联假说（1961，P.Mitchell）,1978 Nobel 奖,建立膜内外质子浓度 差（H+)。借助质子势 的推动将能量蕴藏在 质子势中。,一 光能,（一）光合微生物的种类 （二）微生物的光合磷酸化作用 （三）进行光合磷酸化微生物的特点,通过光合磷酸化将光能转变成化学能。,（一）光合微生物的种类,1、自养型：蓝细菌、红硫菌、绿硫菌等； 2、异养或兼性：红螺菌、嗜盐菌等。 有光、无氧时-光合磷酸化 嗜盐菌获能途径 有氧时-氧化磷酸化,（二）微生物的光合磷酸化作用

4、（photophosphorylation）,指光能转化为化学能的过程。有3种。,（三）进行光合磷酸化微生物的特点,1 细菌内含光合色素 2 具光合单位 3 光合磷酸化,1、细菌内含光合色素 光合生物特有，是光合作用关键物质。 叶绿素（chl）或细菌叶绿素（Bchl） 类胡萝卜素 藻胆素 嗜盐菌具有菌视紫质、菌绿质。,叶绿素,几种类胡萝卜素的辅助色素 （Accessory Pigment）,褐藻素,- 胡萝卜素,藻兰素,类胡萝卜素不直接参与光合反应。其作用：,把捕获的光能高效传给细菌叶绿素，进行光合磷酸化作用。 做为叶绿素所催化的光氧化反应的淬灭剂。 在细胞能量代谢上起辅助作用。,2、具光合单

5、位,有光合色素和电子传递系统的存在位点。,每个光合系统即是1个光合单位。,如：蓝细菌类囊体 红螺菌、红硫菌在细胞膜内壁形成单位膜组成的 光合单位。 光合细菌中，光照越强，光合单位越多。,光捕获复合体（含菌绿素、类胡萝卜素） 反应中心复合体,1个光合单位,3 光合磷酸化, 环式光合磷酸化 非环式光合磷酸化 嗜盐菌紫膜的光合作用,当1个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子时，叶绿素被激活，导致叶绿素释放1个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐步释放能量。将光能转化为化学能。,代 表 微 生 物,光合作用部位,光合作用特点,原核生物的红螺菌属、绿菌属、红假单胞菌属。厌氧菌。,菌绿素,光反应和暗反应

6、组成,只有一个光反应系统，不放氧。,环式光合磷酸化,是一种原始产能机制。电子循环式传递，形成回路。,环式光合磷酸化的光反应,环式光合磷酸化的暗反应,只有一个光合系统（光合单位），有光反应和暗反应,环式光合磷酸化特点,不放氧气。,不产还原剂NADH2，固定CO2所需NADH2来自电子传递,非环式光合磷酸化,代 表 微 生 物,光合作用部位,光合作用特点,蓝细菌,叶绿素,光合系统和光合系统偶联。 产氧气。,电子传递途径不形成环式回路,非环式光合磷酸化,两个光合系统，即光合单位（叶绿素a、叶绿素b）,放氧气。,产还原剂NADH2，产ATP。,嗜盐菌紫膜的光合作用,紫膜具有质 子泵作用。,光量子驱动,

7、又叫紫膜光合磷酸化 最简单的光合磷酸化,微生物的光合磷酸化,二 化学能,(一)化能异养型微生物产能代谢 (二)化能自养型微生物产能代谢 生物氧化：物质在生物体内进行的一系列连续的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程,基质脱下的氢和电子经载体传递最终交给受体的生物学过程。,(一) 化能异养型微生物产能代谢,根据最终电子受体的不同分类,异养微生物的产能代谢的方式,1. 发酵(fermentation),（1）发酵概念 （2）工业发酵概念 （3）发酵产能途径 （4）重要的发酵类型,（1）发酵:在细胞内发生的一种氧化还原反应。有机物放出的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间代谢产物（有机物），同

8、时放出能量和产生各种不同的中间代谢产物。无外源电子受体。 （P102） （2）工业发酵:利用好氧或厌氧微生物，通过物质的分解与合成两个代谢过程将某些物质转变成某些有用代谢产物的一类生产方式。,（3）发酵产能途径,EMP途径（Embdem-Meyerhof pathway）（glycolytic pathway） HM途径（hexose monophosphate pathway） （pentose phosphatepathway） ED途径（Entner-Doudoroff pathway） 磷酸解酮酶途径,发酵的种类很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等。微生物发酵葡萄糖最为重要。,1

9、)EMP:（Embden-Meyerhof pathway） 又称糖酵解途径（glycolysis)或 己糖二磷酸途径(hexosed iphosphate pathway) Microbes：好氧、厌氧、兼性微生物。 特征酶：1，6二磷酸果糖醛缩酶 产 能：2个ATP,2个NADH。,第一阶段：葡萄糖 2分子甘油醛-3-磷酸 未发生氧化还原反应。预备性反应。 2分子ATP用于糖的磷酸化。,第二阶段：甘油醛-3-磷酸 丙酮酸,发生氧化还原反应。产生4分子ATP。,总净产生2分子ATP。,作用 提供ATP和NADH； 提供碳骨架； 逆转合成多糖。,大多数微生物共有的基本代谢途径，与发酵主要生产有

10、密切关系。,EMP途径,2,2,2,2,2)HM:(hexose monophosphate pathway) 单磷酸己糖途径,又称Warburg-Dickens途径 或磷酸葡萄糖酸途径）。是一条不经EMP途径、 TCA循环而将葡萄糖彻底氧化的途径。 （从葡萄糖-6-磷酸开始） Microbes： 好氧、厌氧、兼性微生物。 特征酶：转羟乙醛酶和转二羟丙酮酶（P104) 产 能：6个NADPH(还原力) 1个NADH。,1分子葡萄糖-6-磷酸,1分子甘油醛-3-磷酸,3分子CO2,6分子NADPH,不是产 能途径,磷酸葡萄糖酸,转酮酶,转醛酶,3)ED:（Entner-Doudoroff pat

11、hpay ） 又称2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸（KDPG）途径, 是少数EM（10步）途径不完整的细菌（如一些假单 胞菌等）特有的利用G的替代途径，其特点是步骤简 单（4步）、产能效率低，开发工业细菌酒精发 酵。 Microbes：好氧、微好氧微生物。 特征酶：2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸醛缩酶 产 能： 1个ATP,1个NADPH，1个NADH。,革兰氏阴性菌中广泛存在。 固氮菌存在较多。,2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸,NADH参与 发酵过程 中的再次 氧化,EMP、HM、ED途径比较,* 以上3个途径均为： 葡萄糖 丙酮酸 区别： 1）微生物； 2）特征酶； 3）产能；,

12、4）磷酸解酮酶途径,具特征性磷酸解酮酶,磷酸戊糖解酮酶PK途径,磷酸己糖解酮酶HK途径,是明串珠菌在进行异型乳糖发酵 过程中分解己糖和戊糖的途径。,（4）重要的发酵类型（葡萄糖发酵）,1）特点：多样性 2）意义： 发酵可得到多种产物； 鉴定菌种。 3）类型： 乙醇发酵 乳酸发酵 丁酸发酵 混合酸发酵,A重要的发酵类型之一乙醇发酵,a) 酵母菌的乙醇发酵（2ATP ） 厌氧EMP 丙酮酸 乙醛 乙醇 b) 异型乙醇发酵: (如肠膜明串珠菌) HM 丙酮酸 乙醇+乳酸+CO2+ ATP c) 同型乙醇发酵:（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇 ED(厌氧) 丙酮酸 乙醇+CO2+ ATP 区别：微生物不同

13、；途径不同； 产能不同。,酵母菌乙醇发酵,葡萄糖,3磷酸甘油醛,1，3二磷酸甘油酸,2NAD,2NADH2,丙酮酸,脱羧酶,乙醛,乙醇,ATP CO2,产能量少（2个ATP)，大部分储存在乙醇中。 电子受体：乙醛（代谢的中间产物）,在乙醇发酵中的巴斯德效应: 概念：有氧条件下，乙醇发酵和糖酵解受抑制的现 象。分子氧对葡萄糖分解代谢产生抑制。 意义： 微生物机体内的自我调节机制 （通气、pH，培养基、亚硫酸氢钠）。 微生物合理利用能源。 获得大量菌体,要通气; 获得大量乙醇,要厌氧。（啤酒、酒精生产）,B 重要的发酵类型之二乳酸发酵,厌氧条件下，乳酸菌进行。 同一微生物,利用不同底物,可进行不同

14、形式的 乳酸发酵。 不同微生物,可进行不同形式的乳酸发酵。 乳酸菌有：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串 珠菌、双歧杆菌等。,a）同型乳酸发酵： EMP，产物仅乳酸，2个ATP。 b）异型乳酸发酵 ： HM、ED，产物除乳酸还有乙醇或 乙酸、CO2，1或2个ATP。,产能量少（2个ATP)，大部分储存在乳酸中。 最终电子受体：丙酮酸,微生物：乳链球菌、植物乳杆菌,同型乳酸发酵 （EMP）,异型乳酸发酵（HM）,不同微生物利用不同物质,其产物、产能不同。如： 葡萄糖乳酸、乙醇、 CO2 核 糖乳酸、乙酸 果 糖乳酸、乙酸、 CO2,C 重要的发酵类型之三丁酸发酵,专性厌氧菌。不同菌，通过EMP途径，

15、产物不同，可分为： a）丁酸发酵： 丁酸梭菌丁酸 b）丙酮-丁醇发酵： 丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌 丙酮、丁醇 c）丁醇-异丙醇发酵： 丁酸梭菌丙酮还原为异丙醇,D 重要的发酵类型之四混合酸发酵,肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵。 EMP 丙酮酸 乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸、乙醇、 丁醇、2,3-丁二醇、丙酮、CO2 、H2等。,a）甲酸形成与肠杆菌(E.coli),乙酰辅酶A 丙酮酸 甲酸 (甲酸解氢酶) CO2 + H2 大肠杆菌有甲酸解氢酶，发酵葡萄糖产酸产气； 肠道病原菌（伤寒、痢疾）无甲酸解氢酶，所以 发酵葡萄糖只产酸不产气。,糖 发 酵 实 验,葡萄糖,b） 2,3丁二醇发酵,产气肠

16、杆菌可将丙酮酸经缩合、脱羧生成乙酰甲基甲醇，然后进一步还原成2,3丁二醇。 缩合、脱羧 还原 丙酮酸 乙酰甲基甲醇 2,3丁二醇,应用在实验上： V-P试验（Voges-Proskaner test) （检测2,3丁二醇发酵） 甲基红试验(Methyl red test)（检测甲酸产生）,V-P试验（Voges-Proskaner test ）,如：产气肠杆菌为伏普反应阳性 大肠杆菌为伏普反应阴性 乙酰甲基甲醇在碱性条件下易氧化成二 乙酰，后者与蛋白胨中精氨酸的胍基反应 生成红色化合物。,甲基红试验（Methyl red test）,某些细菌在糖代谢过程中，将培养基中的糖先分解为丙酮酸，再将其

17、分解为甲酸、乙酸、乳酸等，使培养基pH下降，可使甲基红指示剂由桔黄色变为红色，即甲基红阳性反应。 * 甲基红pH5.3以上为黄色；pH4以下为红色。 如：大肠杆菌为阳性反应。 产气肠杆菌为阴性反应。, 糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是 糖酵解过程的发展。 发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的 氧化过程不彻底。 基质是被氧化的，基质的中间产物同时又是 电子受体。,2 呼吸作用,化能异养型微生物产能方式：好氧或兼性厌氧微生物通过氧化作用分解葡萄糖等，放出电子，该电子经电子传递链传递给氧气或其它氧化型无机物，生成水或还原型产物，并伴随能量放出的生物学作用。 电子受体是氧气有氧呼吸(aerob

18、io respiation) 电子受体是无机物无氧呼吸(anaerobio respiation),有氧呼吸,(1) EMP TCA 呼吸链 生成 CO2，H2O，38个ATP，10个NADH，2个FADH2。 (2) HM TCA 呼吸链 生成 生成CO2，H2O，35个ATP，12个NADPH 。,三羧酸TCA循环图示,有氧呼吸,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,- 酮戊二酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,GTP,GDP+Pi,三羧酸 循 环,有氧呼吸,以呼吸基质是葡萄糖为例说明,两个特点 葡萄糖彻底氧化 产能量大,有氧呼吸,呼吸链（电子传递系统）,作用

19、： 从电子供体接受电子并将电子传递给电子受体； 通过合成ATP把在电子传递过程中释放的一部分 能量保存起来。, 原核微生物的呼吸链位于细胞膜上，有氧呼吸在细胞 膜上进行。 真核微生物的呼吸链在线粒体膜上，有氧呼吸在线粒 体中进行。,有氧呼吸,有氧呼吸,线粒体的电子传递链,有氧呼吸,线粒体电子传递链上的有氧传递,有氧呼吸,3H+,合成ATP，一部分能量储存起来。,有氧呼吸,无氧呼吸,1)硝酸盐还原反硝化作用。电子受体NO3- 、NO2- 2)硫酸盐还原。电子受体SO4 2- 、S2O3 2- 3)专性厌氧甲烷菌。电子受体CO2 有机物 电子流向 NO3-、SO4 2-、CO2等,最终电子受体 氧

20、化型的无机物,1）硝酸盐还原反硝化作用,兼性厌氧微生物（粪产碱杆菌、地衣、芽孢杆菌、螺菌等）。 异化还原（反硝化作用）：无O2、硝酸盐还原酶 NO3_ NO2_ NO N2O N2 同化还原（反硝化作用）：有或无O2、硝酸盐还原酶 NO3_ NO2_ NH2OH NH3,无氧呼吸, 硝酸盐还原酶,（电子供体NADH、NADPH；Mo，FMN激活） 异化型硝酸盐还原酶：诱导酶。位于细胞膜上，氧阻遏其合成并抑制活性。 同化型硝酸盐还原酶：可溶性酶，位于细胞质中，好氧、厌氧条件下氨能阻遏其合成。,无氧呼吸,线粒体电子传递链上的无氧传递,NO2- NO,2）硫酸盐还原反硫化作用,硫酸盐还原菌（脱硫弧菌

21、、脱硫单孢菌属）在厌氧条件下进行。硫酸盐还原酶起重要作用，在产能的同时，还要消耗能量。,无氧呼吸,3）专性厌氧甲烷菌,专性厌氧甲烷菌进行 CO2 CH3CH2OH CH3COOH+CH4+ATP,无氧呼吸,(二)化能自养型微生物产能代谢,1、能量来源 2、产能途径 3、种类 4、特点 5、方式,NH4+ NO2- H2S S H2 Fe2+,化能自养微生物还原CO2时ATP和H的来源,1、能量来源: 氧化无机底物 2、产能途径: 经过呼吸链的氧化磷酸化反应。 3、种类：氢细菌、硝化细菌、硫细菌、铁细菌等。,氧化磷酸化,物质在生物氧化过程中形成的NADH和 FADH2通过电子传递系统传递给氧或其

22、它氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成。,4、特点,1）无机底物氧化直接与呼吸链相偶联; 2）呼吸链组分多样化,氢或电子从任一组分进入呼吸链,3）产能效率低于化能异养微生物,5、方式,1） 硝化作用 2） 硫化作用,以硝化作用为例: 在土壤或水中氨态氮经过化能自养菌的氧化,生成硝酸态氮的过程。 第一阶段:亚硝化细菌把氨氧化为亚硝酸 NH4+ +3/2O2 NO2- + 2H+ +H2O+148千卡 第二阶段: 硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸 NO2- +O2 NO3- + 484千卡,硝化作用特点: (1) 好氧； (2) 产能低； (3) 这一类微生物在自然界中种类多。 作用较大，但生长速

23、度较慢。,第三节 微生物的耗能代谢,生物合成三要素 1、ATP 2、还原力 （NADPH） 3、小分子物质,一、自养微生物固定CO2的方式 二、生物固氮 三、肽聚糖的合成,一、自养微生物固定CO2的方式,将空气中的CO2同化为细胞物质的过程CO2的固定。 在自养式中，CO2加在一个特殊的受体上，经循环反应使之合成糖并重新生成该受体。CO2是惟一碳源。 在异养式中，CO2被固定在某种有机酸上，同化CO2的同时，最终靠吸收有机碳化合物生存。 自养中，能量来源于光能或无机物氧化获得的化学能。,（一）卡尔文循环（Calvin cycle） （二）还原性TCA途径 (reductive tricarbo

24、xylic acid cycle),（一）卡尔文循环（Calvin cycle）,所有化能自养和大部分光合细菌。 以此将CO2同化成葡萄糖的过程: 1、 CO2的固定 2、 被固定的CO2的还原 3、 CO2受体的再生:关键酶5-P-核酮糖激酶,磷酸己糖, CO2受体： 核酮糖-1，5-二磷酸 1次卡尔文循环可以将6分子CO2同化为1分子葡萄糖,（二） 还原性TCA途径固定CO2(reductive tricarboxylic acid cycle),每循环1周掺入2个CO2，提供参与生物合成的乙酰辅酶A。,草酰乙酸,柠檬酸,草酰琥珀酸,- 酮戊二酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,丙

25、酮酸,乙酰辅酶A,GTP,GDP+Pi,三羧酸 循 环,异柠檬酸,参与生物合成,二、生物固氮,（一）固氮微生物 （二）固氮的生物化学,1. 工业固氮作用 300大气压 N2+3H2 2NH3 300铁触媒 2、生物固氮作用 6NAD(P)H NAD(P )+ N=N NH3 ATP Mg2+ ADP+Pi,N=N NH3,生物固氮：微生物将氮气还原为氨的过程。,（一）固氮生物 目前发现的都是原核微生物。细菌、放线菌、蓝细菌。 1、自生固氮菌 2、共生固氮菌 3、联合固氮菌,自生固氮菌,微生物单独生活固氮。,固氮菌属的圆褐固氮菌（A.chroococum）（好氧，强） 固氮梭菌属的巴氏梭菌（C.

26、pasteurianum）（厌氧、弱） 固氮蓝细菌,共生固氮菌,微生物和植物形成共生体共生固氮。单独生活不固氮。, 根瘤菌和豆科植物共生固氮 弗兰克氏菌和非豆科木本植物共生固氮。 鱼腥藻和红萍共生固氮。,联合固氮菌,有些自生固氮微生物在特定的植物根际环境中发展 比非根际土壤中旺盛，固氮微生物利用该处的能源 生活。被称为联合固氮。,雀稗雀稗固氮菌（最先发现） 甘蔗贝氏固氮菌 玉米、小麦固氮刚螺菌 谷子假单胞菌,(二) 固氮的生物化学,1、固氮酶的组分特性 2、固氮酶的特性 3、固氮的条件 4、固氮的过程 5、影响固氮的因素,1. 固氮酶的组分,不同微生物的固氮酶的结构、功能类似。用DEAE纤维素

27、层析柱；分步收集得到两种组分： 松钼铁蛋白(MoFe) ：220KD，2种4个小亚基构成； 固氮酶的活性中心（作用）。 紧铁蛋白(Fe) ：65KD，1种两个亚基 钼铁蛋白的还原酶，电子活化中心（作用）。,固氮酶铁蛋白的结构 （两个亚基似蝴蝶翅膀）,Fe-S簇 遇氧敏 感区域,2.固氮酶的特性 1）对氧敏感：有氧不可逆失活，Fe：45秒；MoFe：10分钟。 2）耗能过程：酶合成及固氮过程需ATP，固定1molN2 ,消 耗10-15molATP。 3）催化多种反应: 可催化乙炔乙烯。 可催化叠氮化合物、氰化物、异氰、 NO2- 、H+。 4）需供氢体和电子载体 电子载体铁氧化-还原蛋白 Fd

28、 黄素氧化-还原蛋白 Fld,3. 固氮的条件 1）固氮酶 2）厌氧或氧压很低 3）ATP 4）Mg2+ 5）供氢体及电子载体 6）底物：N2,4. 固氮的过程,5. 影响固氮的因素,1）ATP/ADP的调节：低，酶活抑制； 高,酶活增加。 2）钼调节 ：Mo的存在与否影响酶合成与酶活性。 3）氨调节：氨效应抑制酶合成。 4）氧气的调节： 固氮反应在氧压小于0.04大气压或无氧环境进行。 氧气可氧化固氮作用中的电子载体； 氧气抑制固氮酶的活性，阻遏固氮基因表达。,氨效应： 环境中的氨或固氮酶固定的氨如果不及时 转化，超过一定浓度（35 mg 分子）对 固氮作用起抑制效应，阻遏固氮基因的表达。,

29、如自生固氮细菌,GS谷氨酰胺合成酶；GOGAT谷氨酸合成酶,氧气的调节,好氧微生物的固氮假设： 呼吸保护：加强呼吸,迅速耗氧造成局部低氧。 结构保护：细胞的氧障结构，局部厌氧或氧分 压低的小环境。 保护因子。,三、微生物结构大分子肽聚糖的合成,1. 合成部位 2. 抑制合成的抗生素及位点,金黄色葡萄球菌的细胞壁肽聚糖分子结构,NAM：N-乙酰葡萄糖胺 NAG:N-乙酰胞壁酸,两个单体的连接方式,四肽尾的第三个氨基酸不是L-Lys，而被内消旋二氨基庚二酸（m-DAP）代替。,没有特殊的肽桥,两个单体的连接方式,大肠杆菌细胞壁肽聚糖分子结构,1、合成部位 细胞质：单体合成； 膜 上：双糖五肽合成；

30、 膜 外：聚合成肽聚糖 分子。,Peptidoglycan的生物合成,转 肽 基 作 用,2. 抑制合成的抗生素及位点,1）青霉素（penicillins） 抑制转肽酶的作用 2）D-环丝氨酸（cycloserine） 抑制消旋酶的作用：催化L-Ala转化成D-Ala的消旋酶需磷酸吡哆醛作辅基。通过使磷酸吡哆醛失活，导致N-胞壁酸三肽积累，最终细胞壁裂解。,第四节 微生物代谢的调节,本节提要： 一、微生物代谢过程中的自我调节 二、酶活性的调节 三、代谢调控理论的应用,一、微生物代谢过程中的自我调节,(一）微生物自我调节能力的表现 （二）微生物自我调节的环节,(一）微生物自我调节能力的表现,1、

31、不同培养基上生长，有不同代时 2、通过调节有效地利用营养物质,1、不同培养基上生长，有不同代时,1）同种微生物，生长适合程度不同，代时不同； 2）同种微生物，代时不同，其细胞组成不同； 3）同一培养基上，微生物不同，代时不同。,2、通过调节有效地利用营养物质,1）二次生长现象： 微生物在含有两种可利用的碳源（或氮源）的培养基上生长时，优先利用速效碳源（或氮源），当此物质用完后，才开始利用第二种碳源（或氮源），在其生长过程中产生两个生长曲线的现象称二次生长现象。并非任何碳源同时存在都会有二次生长。,2）节省能量的有效方式 某些营养要求简单的微生物在含复杂、营养丰富的培养基上生长时能直接利用现有的

32、物质进行生长。如：兼性自养微生物培养在含复杂的、可直接利用的营养物质的培养基中时，它们可直接利用这些营养物质，而不必利用CO2和无机盐去重新合成较复杂的物质。对此类微生物而言，这将是一种节省能量的有效方式。,（二）微生物自我调节的环节,控制营养物质进入细胞 2. 控制酶与底物的接触 3. 控制代谢物流向,1. 控制营养物质进入细胞,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系统。,2. 控制酶与底物的接触, 真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器 各自行使某种特异的功能； 原核微生物在细胞内划分区域，集中某类酶行 使功能： 呼吸产能代谢有关的酶位于细胞膜上

33、； Pro合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。,3. 控制代谢物流向( 通过酶促反应速度来调节), 一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:Glu脱氢酶 以NADP为辅基时，Glu合成； 以NAD为辅基时，Glu分解。 通过调节酶的活性或调节酶(量)合成。 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。 通过调节产能代谢速率。,二、酶活性的调节,通过改变酶分子的活性来调节代谢速率的方式。 改变分子构象 改变分子结构 （一）调节方式 （二）调节机理,（一） 调节方式,1、酶活性的激活 2、酶活性的抑制作用,1、酶活性的激活

34、 代谢途径中，参与后面反应的酶可被前面反应的产物 促进的现象。 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。,2、酶活性的抑制作用 1）概念：反馈指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该 途径关键酶活性的影响。凡使反应速度加快的称正反 馈；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；,2）反馈抑制的类型 （1）直线途径： （2）分支途径：,同功酶的调节 一个代谢的关键酶可以是不同的一类酶,分别受不同的终产物调控。一条途径受抑制,则代谢会沿另一途径进行 。 如：天冬氨酸族氨基酸生物合成调控, 协同反馈,几种末端产物同时过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用。 如果末端产物单

35、独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。, .积累反馈抑制 E.coli 谷氨酰胺合成酶的调节,途径中任何一种末端产物过量都能对共同途径中的第一个酶起抑制作用。,. 顺序反馈抑制 两个末端产物，不能直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的累积，高浓度中间产物的累积再反馈抑制第一个酶的酶活。,（二）调节机理,1 变构调节理论 （Allosteric regulation） 2 共价修饰调节理论 （Covalent modification regulation）,1 变构调节理论 （Allosteric regulation）,变构酶（allosteri

36、c enzyme）,1963年Monod和Jacob提出，变构酶为一种变构 蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。变构酶有 两个活性部位： 催化位点:与底物结合 抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合 调节位点 激活剂结合,构象变化,促进与底物结合,2 共价修饰调节理论 （Covalent modification regulation）,通过共价调节酶实现。 共价调节酶通过修饰酶催化多肽链上某些基团 进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性 的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制。 控制代谢的速度和方向。,如：糖原合成酶 （Glycogen Phosphorylase）,高活性状态：（磷酸化）酶

37、 低活性状态：（去磷酸化）酶,真核微生物,Glycogen Phosphorylase 的可逆共价修饰 真核细胞,谷氨酰胺合成酶 （ Glutamine Synthetase）,原核微生物,低活性状态：（腺苷酰化）酶 高活性状态：（去腺苷酰化）酶,变构调节和共价修饰调节的比较,共价修饰酶分子共价键的改变，即酶一级结构的改变。 变构调节酶分子单纯的构象变化。,共价修饰可以放大调节信号，催化效率比变构酶调节 要高。,三、代谢调控理论的应用,（一）方法 （二）目的,（一）方法 1、控制发酵条件 2、改变细胞膜透性 3、改变微生物遗传特性,1、控制发酵条件 pH、温度、通气量 （1）避免使用产生阻遏的

38、营养成分； （2）使用混合碳源； （3）流加限量碳源。,2、改变膜透性的控制 使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除 末端产物的反馈抑制。 （1）用生理学手段: 直接抑制膜的合成或使膜受 缺损。如:在Glu发酵中，生 物素引起膜透性下降控制生 物素量；添加油酸等措施可 使Glu产量升高 。,（2）用膜缺损突变株 如: 油酸缺陷型,培养过程中,有限制 地添加油酸, 合成有缺损的膜。,3、改变微生物遗传特性利用突变菌株 （1）筛选抗反馈突变株 如: 对诱变后的菌种用终产物结构类似物， 筛选对终产物积累不敏感的细胞株。 产生原因： 1）酶结构发生改变； 2）酶系统发生改变。 因此细胞不受终产物反馈抑制，

39、产生过量的产物。,（2）利用营养缺陷型,发酵生产中间代谢产物 1）在直线途径中： 为了积累产物C，获得缺失酶c的突变型，突变体必须 供给E，才能生长；则限量供给E（浓度低到不足以产 生反馈抑制）使之积累高浓度的C。 A a B b C c D d E,2）分支途径： 利用双重缺陷发酵生产中间产物,克服协同 或累加反馈抑制。,分支途径IMP合成途径的代谢调控,分支途径赖氨酸生产,3）利用基因重组技术，筛选新菌种，以大量积累某种代谢产物 4）诱导酶合成 调节基因位点突变,不能编码调节蛋白； 添加底物结构类似物,使其与调节蛋白结合； 不断降低阻遏物的浓度(如连续发酵)；,（二）目的 突破微生物固有的代谢调控机制，从而大量积累某一代谢产物。,第五节微生物的次生代谢,一、抗生素 二、激素 三、毒素 四、色素 五、次生代谢调节,次生代谢是指微生物合成一些对微生物本身和生命活动没有明确功能的物质的过程（正常代谢不畅时产生的支路代谢）。其产物即为次生代谢产物。它们具有生态学上的意义。,次生代谢产物的前体来自于初生代谢中不同途径产生的中间代谢产物。它们常在菌体旺盛生长的后期（一般是稳定生长期