1、第七章 微生物的代謝 第一節 代謝概論 代謝：細胞內發生的各種化學反應的總稱。 代謝=物質代謝+能量代謝 代謝： 分解代謝 （產能） 合成代謝 （耗能） 分解代謝分解代謝合成代謝合成代謝第二節 微生物的能量代謝 能量既不能創生也不能消滅，只能從一種形能量既不能創生也不能消滅，只能從一種形式轉變成另一種形式。微生物生命活動所需要的式轉變成另一種形式。微生物生命活動所需要的化學能都是由微生物對環境提供的能源進行能量化學能都是由微生物對環境提供的能源進行能量形式的轉變而獲得，微生物機體內這種能量轉變形式的轉變而獲得，微生物機體內這種能量轉變過程即為微生物的能量代謝。過程即為微生物的能量代謝。 能量代

2、謝的中心任務，是生物體如何把外界能量代謝的中心任務，是生物體如何把外界環境中的多種形式的最初能源轉換成對一切生命環境中的多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能使用的通用能源活動都能使用的通用能源ATP。這就是產能。這就是產能代謝。代謝。 生物氧化：生物氧化：是發生在細胞內的一切產能性氧是發生在細胞內的一切產能性氧化反應的總稱，生物氧化的形式包括某物質與氧化反應的總稱，生物氧化的形式包括某物質與氧結合、脫氫或脫電子三種結合、脫氫或脫電子三種 異樣微生物的生物氧化 發酵 生物氧化反應 有氧呼吸 呼吸 無氧呼吸 （一）發酵（ fermentation） 有機物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化

3、的某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不同的代謝產物。 有機化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。 發酵的種類有很多，可發酵的底物有碳水化合物、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發酵葡萄糖最為重要。 生物體內葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解（glycolysis） 糖酵解是發酵的基礎 主要途徑4種：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑。（1）EMP途徑 EMP途徑是絕大多數生物所共有的基本代謝途徑，也是酵母菌、真菌和多數細菌所具有的代謝途徑。（2）HMP途徑 HMP途徑的重要意義 供應生物合成所需原料 產生大量具還原能力的NADPH2 擴大碳源的利用范圍 為固定二氧

4、化碳提供受體 可與EMP途徑連接 產生重要的發酵產物（3）ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑（4）磷酸解酮酶途徑 特征性酶是磷酸解酮酶，分為： 磷酸戊糖解酮酶途徑（PK） 磷酸己糖解酮酶途徑（HK） （二）呼吸作用 微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給交給NADP+、FAD或FMN等電子載體，再經電子傳等電子載體，再經電子傳遞系統傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原遞系統傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用型產物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。 有氧呼吸有氧呼吸：以分子氧作為最終電

5、子受體 無氧呼吸無氧呼吸：以氧化型化合物作為最終電子受體 2、無氧呼吸 某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸； 無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是NO-3、NO-2、SO2-4、S2O2-3、CO2 等無機物，或延胡索酸等有機物。 無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產生較多的能量用于生命活動。 由于部分能量隨電子轉移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產生的多。 厭氧呼吸的產能較有氧呼吸少，但比發酵多，它使微生物在沒有氧的情況下仍然可以通過電子傳遞和氧化磷酸化來產生ATP，因此對很多微生物是非常重要的。 除氧以外的多種物質可被各

6、種微生物用作最終電子受體，充分體現了微生物代謝類型的多樣性。自養微生物的生物氧化 氫的氧化氫的氧化 硫的氧化硫的氧化 氨的氧化氨的氧化 鐵的氧化鐵的氧化無機底物脫氫后電子進入呼吸鏈的部位光能微生物的生物氧化光合微生物的種類： 自養型：藍細菌、紅硫菌、綠硫菌 異樣或兼性：紅螺菌、嗜鹽菌等。嗜鹽菌獲能途徑： 有氧時：氧化磷酸化 有光時：光合磷酸化 有氧或無氧：底物水平磷酸化 微生物的光合磷酸化作用 進行光合磷酸化微生物的特點細菌內含光合色素具光合結構：有光合色素和電子傳遞系統的存在位點。如藍細菌類囊體 光合細菌中，光照越強，光合結構越多 在電子傳遞過程中與釋放的電子結合并將電子傳遞下去的物質稱為電

7、子載體。參與傳遞的電子載體有四種 黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。 NADPH：還原型輔酶，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+ ：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（輔酶） NADP+：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（輔酶 NAD+和NADP+：主要作為脫氫酶的輔酶，在酶促反應中起遞氫體的作用，為單遞氫體。 FMN：黃素單核苷酸 FAD: 黃素腺嘌呤二核苷酸 FMN或FAD通常作為脫氫酶的輔基，在酶促反應中作為遞氫體（雙遞氫體）。第三節微生物特有的合成代謝 合成代謝：指微生物利用能量將簡單的無機或有機的小分子前體物質同化成

8、高分子或細胞結構物質； 合成代謝三要素：代謝能量：ATP和質子動力提供小分子前體物質（丙酮酸、草酰乙酸等）還原力：NADH2、NADPH2 微生物結構大分子肽聚糖肽聚糖的合成 合成特點：合成機制復雜，步驟多，且合成部位幾經轉合成機制復雜，步驟多，且合成部位幾經轉移；移； 合成過程中須有能夠轉運與控制肽聚糖結構合成過程中須有能夠轉運與控制肽聚糖結構元件的載體參與。元件的載體參與。 合成過程：依發生部位分成三個階段合成過程：依發生部位分成三個階段細胞質階段細胞質階段：合成派克（Park）核苷酸細胞膜階段細胞膜階段：合成肽聚糖單體細胞膜外階段細胞膜外階段：交聯作用形成肽聚糖 1、在細胞質中合成單糖五

9、肽2、在細胞膜中合成雙糖五肽和甘氨酸肽橋肽聚糖單體的合成3、在細胞膜外連接編制成肽聚糖網 第四節微生物的代謝調控及其應用第四節微生物的代謝調控及其應用一、微生物的初級代謝和次級代謝一、微生物的初級代謝和次級代謝 初級代謝初級代謝：微生物從外界吸收各種營養物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動維持生命活動所需要的物質和能量的過程。 次級代謝次級代謝：微生物在一定的生長時期，以初級代謝產物為前體物質，合成一些對微生物的生對微生物的生命活動無明確功能命活動無明確功能的物質的過程。二、微生物代謝過程中的自我調節二、微生物代謝過程中的自我調節1、控制營養物質透過細胞膜進入細胞、控制營養物質透過細

10、胞膜進入細胞2、通過酶的定位控制酶與底物的接觸、通過酶的定位控制酶與底物的接觸3、控制代謝物流向、控制代謝物流向三、酶活性的調節三、酶活性的調節通過改變現成的酶分子活性來調節新陳通過改變現成的酶分子活性來調節新陳代謝的速率的方式。代謝的速率的方式。1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應可被較前面的反應產物所促進的反應可被較前面的反應產物所促進的現象；常見于分解代謝途徑。現象；常見于分解代謝途徑。2、酶活性的抑制：包括競爭性抑制和反饋抑制反饋：指反應鏈中某些中間代謝產物或終產物對該途徑關鍵酶活性的影響。凡使反應速度加快的稱正反饋凡使反應速度減慢的稱負反饋（反饋

11、抑制）反饋抑制：主要表現在某代謝途徑的末端產物過量時可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，主要表現在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點：作用直接、效果快速、末端產物濃度降低時又可解除反饋抑制的類型1、直線式代謝途徑中的反饋抑制：2、分支代謝途徑中的反饋抑制：在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復雜，為了避免在一個分支上的產物過多時不致同時影響另一分支上產物的供應，微生物發展出多種調節方式。主要有：同工酶的調節。順序反饋，協同反饋，積累反饋調節等。同工酶的調節同工酶的調節一個代謝的關鍵酶可以是不同的一類酶，分別受不同的終產物調控。一條途徑受抑制，則代謝會沿另一途徑進行。天冬氨酸族氨基酸生物合成調控

12、：協同反饋抑制分支代謝途徑中幾個末端產物同時過量時才能抑制共同途徑中的第一個酶的一種反饋調節方式。合作反饋抑制合作反饋抑制兩種末端產物同時存在時，共同的反饋抑制作用大于二者單獨作用之和。積累反饋抑制積累反饋抑制每一分支途徑末端產物按一定百分比單獨抑制共同途每一分支途徑末端產物按一定百分比單獨抑制共同途徑中前面的酶，所以當幾種末端產物共同存在時它們的徑中前面的酶，所以當幾種末端產物共同存在時它們的抑制作用是積累的，各末端產物之間既無協同效應，亦抑制作用是積累的，各末端產物之間既無協同效應，亦無拮抗作用。無拮抗作用。順序反饋抑制順序反饋抑制一種終產物的積累，導致前一中間產物的積一種終產物的積累，導

13、致前一中間產物的積累，通過后者反饋抑制合成途徑關鍵酶的活性，累，通過后者反饋抑制合成途徑關鍵酶的活性，使合成終止。使合成終止。酶活力調節的機制變構酶理論：變構酶理論：變構酶為一種變構蛋白，酶分子空間構象的變化影響酶活力。其上具有兩個以上立體專一性不同的接受部位，一個是活性中心，另一個是調節中心。活性位點活性位點：與底物結合變構位點變構位點：與抑制劑結合，構象變化，不能與底物結合與抑制劑結合，構象變化，不能與底物結合與激活劑結合，構象變化，促進與底物結合與激活劑結合，構象變化，促進與底物結合 協同效應中，酶有多個調節位點，只協同效應中，酶有多個調節位點，只有每一位點與終產物結合才產生反饋。有每一

14、位點與終產物結合才產生反饋。 同工酶理論：某一產物過量僅抑制相同工酶理論：某一產物過量僅抑制相應酶活性，對其他產物沒影響。應酶活性，對其他產物沒影響。酶合成的調節酶合成的調節通過調節酶的合成量進而調節代謝速率的調節機制，是基因水平上的調節，屬于粗放的調節，間接而緩慢。酶合成調節的類型：酶合成調節的類型：1、誘導誘導：是酶促分解底物或產物誘導使微生物細胞合成分解代謝途徑中有關酶的過程。微生物通過誘導作用而產生的酶稱為誘導酶。2、阻遏阻遏：是阻礙代謝過程中包括關鍵酶在內的一系列酶的合成的現象，從而更徹底地控制和減少末端產物的合成。酶合成的阻遏：酶合成的阻遏：1、終產物的阻遏終產物的阻遏：即在合成代

15、謝中，終產物阻遏該途徑所有酶的合成。為基因表達的控制。2、降解產物的阻遏降解產物的阻遏二次生長現象的機制：分解葡萄糖的酶組成酶分解乳糖的酶誘導酶。受葡萄糖分解代謝產物的調控微生物發酵方式分批發酵補料分批發酵，流加發酵連續發酵：恒化器發酵 恒濁器發酵 食品發酵的目的：大量積累人們所需要的微大量積累人們所需要的微生物代謝產物。生物代謝產物。代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進行。行。人工控制代謝的手段： 改變微生物遺傳特性（遺傳學方法） 控制發酵條件（生物化學方法） 改變細胞膜透性遺傳學方法 1、篩選抗

16、反饋突變株 對誘變后的菌種用終產物結構類似物，篩選對終產物積累不敏感的細胞株 產生原因：酶結構發生改變 酶系統發生改變 因此細胞不受終產物反饋抑制，產生過量的產物 2、營養缺陷型菌株的應用 對于直線式代謝途徑：選育營養缺陷型突變株只能積累中間代謝產物 分支代謝途徑：情況較復雜，可利用營養缺陷型克服協同或累加反饋抑制積累末端產物，亦可利用雙重缺陷發酵生產中間產物。 營養缺陷型：野生型菌株經過人工誘變或者自然突變失去合成某種營養的能力，只有在基本培養基中補充所缺乏的營養因子才能生長，成為營養缺陷型. 營養缺陷型是一種生化突變株，它的出現是由基因突變引起的。 3、利用基因重組技術，篩選新菌種，以大量 積累某種代謝產物。4、誘導酶合成： 調節基因位點突變，不能編碼調節蛋白； 添加底物結構類似物，使其與