第五章

微生物的代謝和發(fā)酵

MicrobialMetabolismandfermentation2023/1/81southernyangtzeuniversity第五章微生物的代謝和發(fā)酵

MicrobialM2010-2-8southernyangtzeuniversity2本章重要內容

代謝概論

微生物的代謝微生物的代謝調控與發(fā)酵生產(chǎn)代謝調控在發(fā)酵工業(yè)中的應用2023/1/82southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第一節(jié)代謝概論2023/1/83southernyangtzeuniversity第一節(jié)代謝概論2023/1/83southernyangt2010-2-8southernyangtzeuniversity4新陳代謝：發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。 新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程。2023/1/84southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity5分解代謝和合成代謝的關系2023/1/85southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity6能量與代謝關系示意圖2023/1/86southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity7代謝的類型按物質轉化方式分：分解代謝：合成代謝：能量代謝：伴隨物質轉化而發(fā)生的能量形式相互轉化物質代謝：物質在體內轉化的過程.

按代謝產(chǎn)物在機體中作用不同分：初級代謝：提供能量、前體、結構物質等生命活動所必須的代謝物的代謝類型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等.次級代謝：在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需的代謝類型；產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等2023/1/87southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第二節(jié)微生物的能量代謝2023/1/88southernyangtzeuniversity第二節(jié)微生物的能量代謝2023/1/88southerny2010-2-8southernyangtzeuniversity9

能量代謝是新陳代謝中的核心問題。其任務，是生物體把外界環(huán)境中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—ATP

有機物日光通用能源（ATP）還原態(tài)無機物化能異養(yǎng)菌光能營養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌2023/1/89southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity10生物氧化與普通氧化反應的區(qū)別比較項目燃燒生物氧化步驟一步式快速反應多步式梯級反應條件激烈溫和催化劑無酶產(chǎn)能形式熱、光大部分為ATP能量利用率低高2023/1/810southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity11生物氧化生物氧化的功能產(chǎn)能（ATP）產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝產(chǎn)物生物氧化過程底物脫氫（或脫電子):該底物稱作電子供體或供氫體遞氫（電子）:需中間傳遞體，如NAD、FAD等氫受體接受氫（或電子）2023/1/811southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity12化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能底物脫氫EMP途徑HMP途徑ED途徑TCA循環(huán)遞氫與受氫呼吸無氧呼吸發(fā)酵2023/1/812southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity13一、底物脫氫的四條主要途徑EMP途徑

糖酵解途徑(Glycolysis)

己糖二磷酸途徑(Hexosediphosphatepathway)HMP途徑ED途徑PK途徑2023/1/813southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity141.底物脫氫的途徑2023/1/814southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity15EMP途徑葡萄糖的酵解作用

(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱：EMP途徑)2023/1/815southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity16EMP途徑的意義具有EMP途徑的微生物多種微生物的代謝途徑，產(chǎn)能效率低，提供多種中間代謝產(chǎn)物作為合成原料EMP途徑的生理功能ATP和還原力NADH2連接其他代謝途徑的橋梁：TCA、HMP、ED中間代謝產(chǎn)物逆向反應進行多糖合成EMP途徑與人類的關系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇發(fā)酵2023/1/816southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity17EMP途徑關鍵步驟1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸2023/1/817southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity18EMP途徑簡圖及總反應式2023/1/818southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity19HMP途徑戊糖磷酸途徑HexoseMonophosphatePathway從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎上開始降解的故稱為單磷酸已糖途徑。HMP途徑的一個循環(huán)的最終結果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個CO2、6個NADPH。HMP途徑的特點葡萄糖不經(jīng)過EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化產(chǎn)生大量的NADPH+H+形式的還原力重要中間代謝產(chǎn)物的形成2023/1/819southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity202023/1/820southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity21HMP途徑的三個階段2023/1/821southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity22具有HMP途徑的微生物多數(shù)好氧菌和兼性厭氧菌只有HMP途徑而無EMP途徑的微生物AcetobactersuboxydansGluconobacteroxydansAcetomonasoxydans2023/1/822southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity23ED（Entner-DoudoroffPathway）途徑ED途徑結果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)現(xiàn)的。ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟：1molATP/1molGlucoseED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣PseudomonassaccharophilaPseudomonasaeruginosaPseudomonasfluorescensPseudomonaslindneriZ.mobilisAlcaligeneseutrophus2023/1/823southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity242023/1/824southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity25ED途徑的意義ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在少數(shù)EMP途徑不完整的細菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑細菌酒精發(fā)酵（運動發(fā)酵單胞菌): [ED途徑]C6H12O6+ADP2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O

優(yōu)點：代謝速率高，產(chǎn)物轉化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5，較易染菌；細菌對乙醇耐受力低2023/1/825southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity26（四）磷酸酮解途徑磷酸酮解酶途徑：磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑存在于某些細菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細菌中。進行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠將磷酸己糖裂解為2個三碳糖。2023/1/826southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity27磷酸戊糖酮解途徑的特點:分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當于EMP途徑的一半;幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2磷酸己糖酮解途徑的特點：有兩個磷酸酮解酶參加反應；在沒有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脫氫酶的參與下轉變?yōu)槿樗幔灰阴Ａ姿嵘梢宜岬姆磻獎t與ADP生成ATP的反應相偶聯(lián)；每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。2023/1/827southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity28二、遞氫和受氫根據(jù)遞氫和氫受體的不同，將生物氧化分為A.呼吸B.無氧呼吸C.發(fā)酵2023/1/828southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity29化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能生物氧化的方式發(fā)酵（fermentation)

有氧呼吸呼吸作用（aerobicrespiration）硝酸鹽呼吸

無氧呼吸

碳酸鹽呼吸

（anaerobicrespiration）硫酸鹽呼吸

2023/1/829southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity30(一)

發(fā)酵定義：沒有最終外源電子受體的生物氧化方式。在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。特點：底物水平磷酸化是發(fā)酵過程中唯一獲取能量的方式，因而產(chǎn)能效率很低發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。2023/1/830southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity31發(fā)酵的類型根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵⑴由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的：酵母型酒精發(fā)酵⑵通過HMP途徑的發(fā)酵的：細菌的異型酒精發(fā)酵⑶通過ED途徑的發(fā)酵：細菌的同型酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵⑴由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的：細菌的同型乳酸發(fā)酵⑵通過HMP途徑：細菌的異型乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵丁二醇發(fā)酵乙酸發(fā)酵。2023/1/831southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity32常見的六條發(fā)酵途徑1.酒精發(fā)酵2.同型乳酸發(fā)酵3.丙酸發(fā)酵4.混合酸發(fā)酵5.2，3-丁二醇發(fā)酵6.丁酸發(fā)酵2023/1/832southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity33酒精發(fā)酵細菌同型酒精發(fā)酵（運動發(fā)酵單胞菌): [ED途徑]C6H12O6+ADP+Pi2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O酵母菌同型酒精發(fā)酵: （釀酒酵母）[EMP途徑]C6H12O6+2ADP2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O細菌的異型酒精發(fā)酵：Leuconostocmesenteroides

[HMP途徑]C6H12O6+ADP+PiC2H5OH+C3H6O3+ATP+CO22023/1/833southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity34巴斯德效應(ThePasteureffect)巴斯德效應：酵母菌的乙醇發(fā)酵是一種厭氧發(fā)酵，如果將發(fā)酵條件改變成好氧條件，葡萄糖分解速度降低，乙醇停止生產(chǎn)，但當重新回到厭氧條件時，葡萄糖的分解速度增加，并伴隨大量的乙醇產(chǎn)生，這種現(xiàn)象是巴斯德首先發(fā)現(xiàn)的，故稱為巴斯德效應。2023/1/834southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity35巴斯德效應的本質PFK：磷酸果糖激酶

ID：異檸檬酸脫氫酶（E）：表示抑制

2023/1/835southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity36巴斯德效應(ThePasteureffect)通風（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失意義：合理利用能源現(xiàn)象：通風對酵母代謝的影響2023/1/836southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity37乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：葡萄糖發(fā)酵后經(jīng)EMP途徑能使80%~90%糖轉化成乳酸，只產(chǎn)生2分子乳酸，很少量其它產(chǎn)物。如：保加利亞乳桿菌、乳鏈球菌

C6H12O6+2ADP 2C3H6O3+2ATP+2H2O2023/1/837southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity38異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖發(fā)酵后通過HMP途徑能使50%糖轉化成乳酸，同時產(chǎn)生乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵。如：腸膜明串珠菌、短乳桿菌、兩歧雙歧桿菌葡萄糖 乳酸+乙酸+CO2異型乳酸發(fā)酵的雙歧途徑雙歧桿菌

2葡萄糖3乙酸+2乳酸+5ATP2023/1/838southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity39同型乳酸與異型乳酸發(fā)酵的比較

類型途徑產(chǎn)物產(chǎn)能/1葡萄糖代表菌種同型EMP2乳酸2ATP德氏乳桿菌異型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATP腸膜明串珠菌1乳酸1乙酸1CO22ATP短乳桿菌2023/1/839southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity40混合酸發(fā)酵微生物將葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氫氣、二氧化碳等多種產(chǎn)物的過程。2023/1/840southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity41丁二醇發(fā)酵

微生物發(fā)酵葡萄糖得到大量的丁二醇與少量的乳酸、乙酸、二氧化碳、氫氣等產(chǎn)物的代謝過程。丁二醇發(fā)酵的意義甲基紅（M.R）試驗：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。MR反應的結果：大腸桿菌為陽性，產(chǎn)氣桿菌為陰性。2023/1/841southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity42丁二醇發(fā)酵的意義Voges-proskauer試驗（V.P反應）V.P反應：將細菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，于37℃培養(yǎng)24小時，加入與培養(yǎng)基等量的VP試劑，置37℃保溫30分鐘，呈紅色者為陽性，不呈紅色者為陰性。VP反應結果：產(chǎn)氣桿菌為陽性，大腸桿菌的為陰性。

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

堿性條件

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結合）紅色化合物2023/1/842southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity43（二）有氧呼吸有氧呼吸（AerobicRespriation）：是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化過程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途徑：EMP,TCA循環(huán)葡萄糖在有氧條件下經(jīng)EMP、TCA循環(huán)生成CO2C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O2023/1/843southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity44電子傳遞與氧化呼吸鏈定義：由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。部位：原核生物發(fā)生在細胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內膜上典型的呼吸鏈：（原核、真核）

NAD(P)→FP→FeS→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a32023/1/844southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity45典型的呼吸鏈2023/1/845southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity46電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機制化學滲透學說（1961，P.Mitchell）：1978NobelPrize在氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈有關酶系的作用，可將底物分子上的質子從膜的內側傳遞到膜的外側，從而造成了膜兩側質子分布不均勻，即形成質子動勢。通過ATP酶的逆反應可把質子從膜外側重新輸回到膜內側，同時合成ATP。2023/1/846southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity472023/1/847southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity48ATP合成酶F0F1ATP膜膜內膜外2H+ADP+PiATP+H2O基部：埋于線粒體內膜頭部：伸向膜內頸部2023/1/848southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity49原核和真核細胞電子傳遞鏈的差異比較內容原核細胞真核細胞存在位置細胞質膜線粒體的內膜具體組成差異非蛋白電子傳遞體G+菌：甲基萘醌、脫甲基萘醌輔酶Q需氧的G—菌：輔酶Q細胞色素氧化酶細胞色素a1、a2、a3、a4和氧細胞中可同時含有一種以上細胞色素a3特點組分多變組分穩(wěn)定普遍存在分支無分支受環(huán)境影響大受環(huán)境影響小2023/1/849southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity50真核生物與原核生物呼吸鏈的比較2023/1/850southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity51生物能的產(chǎn)生底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化光合磷酸化2023/1/851southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity52（三）無氧呼吸（anaerobicrespiration）無氧呼吸：

呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2）（少數(shù)為有機氧化物如延胡索酸）的生物氧化無氧呼吸的特點

無氧條件、產(chǎn)能效率低、有機物脫氫以后經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機或有機物受氫，完成氧化磷酸化反應2023/1/852southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity53無氧呼吸的主要類型2023/1/853southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity54硝酸鹽呼吸（Nitraterespiration）反硝化作用Denitrification，以無機物硝酸鹽為最終電子受體的無氧呼吸類型；進行硝酸鹽呼吸的微生物兼性厭氧微生物，反硝化細菌Bacilluslicheniformis

Paracoccusdenitrificans

Pseudomonasaeruginosa

Thiobacillusdenitrificans2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH32023/1/854southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity55硫酸鹽呼吸（反硫化作用）硫酸鹽呼吸SulfateRespiration嚴格厭氧菌硫酸鹽還原細菌（反硫化細菌）在無氧條件下獲取能量的方式，底物脫氫以后，經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP有些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌，以有機物為氧化基質（H2或有機物，大部分不能利用G)使硫酸鹽還原成H2S。

乳酸常被脫硫弧菌氧化成乙酸，并脫下8個H，使硫酸鹽還原為H2S。

SO42－＋8H4H2O＋S2－

2023/1/855southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity56有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵的比較呼吸類型

有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵氧化基質有機物有機物

有機物

最終電子受體O2

無機氧化物、延胡索酸

氧化型中間代謝產(chǎn)物醛、酮等

產(chǎn)物CO2、H2OCO2、H2O、NO2、N2

還原型中間代謝產(chǎn)物醇、酸

產(chǎn)能多

次之少

電子傳遞鏈完整

不完整

無，底物水平磷酸化

2023/1/856southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity57固氮微生物

(nitrogen–fixingorganisms,diazotrophs）定義：指分子氮（N2）通過固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨NH3的過程1.固氮微生物的種類至今發(fā)現(xiàn)的固氮微生物約有80多屬，均為原核微生物自生固氮菌：獨立進行固氮，種類繁多共生固氮菌：與它種生物生活在一起才固氮。如：根瘤菌屬、弗蘭克氏菌屬、腸桿菌屬。聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面、動物腸道等處才能固氮2023/1/857southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity582.固氮反應的六個必要條件Ⅰ、ATPⅡ、還原力[H]和載體

Ⅲ、固氮酶包括組分Ⅰ—鉬鐵蛋白、組分Ⅱ—鐵蛋白；對底物專一性不強

Ⅳ、鎂離子

Ⅴ、嚴格的厭氧環(huán)境

Ⅵ、還原底物N2有N2時，固氮酶將75%還原力形成NH3，其余用于形成H2；缺N2時，固氮酶將H+全部還原成H22023/1/858southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity593.固氮反應的總反應式固氮作用的化學反應為：N2+8[H]+18~24ATP2NH3+2H2+18~24ADP+18~24Pi固氮的生化途徑2023/1/859southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity60微生物獨特合成代謝舉例肽聚糖生物合成肽聚糖：絕大多數(shù)原核微生物細胞壁所含有的獨特成分；在細菌的生命活動中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質基礎。是在抗生素治療上有特別意義的物質。2023/1/860southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity61肽聚糖合成過程依發(fā)生部位分成三個階段：細胞質階段：合成派克（Park）核苷酸細胞膜階段：合成肽聚糖單體細胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖2023/1/861southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity62第一階段：在細胞質中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。2023/1/862southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity63“Park”核苷酸的合成金黃色葡萄球菌有N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸的過程。圖中的M表示N-乙酰胞壁酸；在大腸桿菌中，L-Lys被mDAP所代替2023/1/863southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity64第二階段：在細胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖單體———雙糖肽亞單位。這一階段中有一種稱為細菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂質載體參與，這是一種由11個類異戊烯單位組成的C35類異戊烯醇，———它通過兩個磷酸基與N-乙酰胞壁酸相連，載著在細胞質中形成的胞壁酸到細胞膜上，在那里與N-乙酰葡萄糖胺結合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5,形成雙糖亞單位。這一階段的詳細步驟如圖所示。其中的反應④與⑤分別為萬古霉素和桿菌肽所阻斷。2023/1/864southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity65肽聚糖單體的合成G-M-P-P-類脂

M-P-P-類脂

UDPUDP-G ②

UDP ①UDP-M

P-類脂 Pi⑤

P-P-類脂桿菌肽④ 萬古霉素

5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成處G-M-P-P-類脂在細胞膜上進行的由“Park”核苷酸合成肽聚糖單體的反應“類脂”指類脂載體——細菌萜醇；反應4和5可分別被萬古霉素和桿菌肽所抑制2023/1/865southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity66第三階段：已合成的雙糖肽插在細胞膜外的細胞壁生長點中，并交聯(lián)形成肽聚糖。這一階段分兩步：第一步：是多糖鏈的伸長———雙糖肽先是插入細胞壁生長點上作為引物的肽聚糖骨架（至少含6~8個肽聚糖單體分子）中，通過轉糖基作用（transglycosylation)使多糖鏈延伸一個雙糖單位；第二步：通過轉肽酶的轉肽作用（transpeptitidation)使相鄰多糖鏈交聯(lián)————轉肽時先是D-丙氨酰-D-丙氨酸間的肽鏈斷裂，釋放出一個D-丙氨酰殘基，然后倒數(shù)第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽的游離氨基間形成肽鍵而實現(xiàn)交聯(lián)。2023/1/866southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity672023/1/867southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity682023/1/868southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第三節(jié)

微生物的代謝調控與發(fā)酵生產(chǎn)2023/1/869southernyangtzeuniversity第三節(jié)微生物的代謝調控與發(fā)酵生產(chǎn)2023/1/2010-2-8southernyangtzeuniversity70微生物代謝過程中的自我調控微生物代謝調節(jié)系統(tǒng)的特點：精確、可塑性強，細胞水平的代謝調節(jié)能力超過高等生物。成因：細胞體積小，所處環(huán)境多變。解決方式：組成酶（constitutiveenzyme）經(jīng)常以高濃度存在，其它酶都是誘導酶（inducibleenzyme），在底物或其類似物存在時才合成，誘導酶的總量占細胞總蛋白含量的10%。2023/1/870southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity71微生物代謝自我調控的方式1.通過酶的存在方式2.微生物代謝調節(jié)的部位3.控制營養(yǎng)物質透過細胞膜進入細胞4.控制代謝物流向2023/1/871southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity72酶的存在方式：組成酶（固有酶）：細胞內固有的酶類其合成是在相應的基因控制下進行的，經(jīng)常以較高的濃度存在，不因分解底物或其結構類似物的存在而受影響。如：葡萄糖氧化酶、EMP途徑有關的酶誘導酶（適應酶）：細胞為適應外來底物或其結構類似物而臨時合成的一類酶如：阿拉伯膠糖酶、β-半乳糖苷酶當基質中有其分解底物或有關誘導物時才合成的酶，當特殊物質不存在，酶就不產(chǎn)生2023/1/872southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity73微生物代謝調節(jié)的部位1.原核微生物細胞膜，酶，酶與底物相對位置與呼吸產(chǎn)能代謝有關的酶位于膜上；蛋白質合成酶和移位酶位于核糖體上；同核苷酸吸收有關的酶在G-菌的周質區(qū)。2.真核微生物真核微生物酶定位在相應細胞器上；細胞器各自行使某種特異的功能；真核微生物：合成代謝在細胞質中進行，而分解代謝在線粒體中進行。2023/1/873southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity74控制營養(yǎng)物質透過細胞膜進入細胞如：只有當速效碳源或氮源耗盡時，微生物才合成遲效碳源或氮源的運輸系統(tǒng)與分解該物質的酶系統(tǒng)。2023/1/874southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity75通過酶促反應速度來調節(jié)控制代謝物流向1.調節(jié)酶的合成量（粗調）指通過調節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調節(jié)機制數(shù)量的調控，發(fā)生在基因水平（轉錄）的調節(jié)，2.調節(jié)現(xiàn)有酶的活性（細調）指通過改變現(xiàn)有酶分子的活性來調節(jié)代謝速度的調節(jié)方式稱為酶活性的調節(jié)。活性的調控，發(fā)生在蛋白質水平上的調節(jié)。2023/1/875southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity76一、酶活性的調節(jié)（包括抑制和激活兩種）

是酶分子水平上的調節(jié)激活：分解代謝途徑中，后面的反應可被較前面的中間產(chǎn)物促進抑制：終產(chǎn)物過量時，可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，使反應減慢或停止1.反饋抑制的類型2.反饋抑制的機制特點：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時又可解除2023/1/876southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity77酶的反饋調節(jié)示意圖反饋抑制的機制（酶的變構）主要通過最終產(chǎn)物（末端產(chǎn)物）對反應途徑中的第一個酶（變構酶或調節(jié)酶）的抑制變構酶：活性中心、調節(jié)中心效應物：激活劑、抑制劑2023/1/877southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity78（二）反饋抑制的類型直線式末端產(chǎn)物反饋控制分支代謝途徑中的反饋抑制：協(xié)同反饋控制合作反饋控制（增效反饋控制）累積反饋控制順序反饋控制同功酶控制2023/1/878southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity79直線式末端產(chǎn)物反饋控制

異亮氨酸合成途徑中的直線式反饋抑制

2023/1/879southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity80分支代謝途徑的反饋控制末端產(chǎn)物D和F協(xié)同反饋控制模式特點：只有D、F均過量時才起作用2023/1/880southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity81

末端產(chǎn)物D和F合作反饋控制模式特點①單獨的D或F的作用是輕微的； ②D、F同時過量時作用大于二者之和； ③不能100%抑制；2023/1/881southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity82末端產(chǎn)物D和F累積反饋控制模式特點：①單獨的D或F均有抑制作用，互不影響； ②D、F同時過量時，抑制作用是累積的；總抑制：100%-（100%-30%）×（100%-40%）=58%

2023/1/882southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity83

谷氨酰胺合成酶的累積反饋抑制2023/1/883southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity84順序反饋控制的模式

枯草桿菌芳香族氨基酸合成途徑中的順序反饋抑制

特點：D的積累不會影響到F的合成2023/1/884southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity85末端代謝產(chǎn)物D和F的同工酶控制模式

大腸桿菌合成蘇氨酸、甲硫氨酸和賴氨酸中的同工酶調節(jié)E表示末端產(chǎn)物反饋抑制；R表示末端產(chǎn)物反饋阻遏

特點：D的積累不會影響到F的合成2023/1/885southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity86二、酶合成的調節(jié)1.酶合成調節(jié)的類型誘導β-半乳糖苷酶阻遏末端產(chǎn)物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏（葡萄糖效應）兩種底物存在時，利用快的底物在分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物會阻礙利用慢的底物的有關酶合成如：E.coli在葡萄糖、乳糖共同存在時的二次生長現(xiàn)象2023/1/886southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity872.酶合成調節(jié)的機制(操縱子學說)(1)誘導(induction)

：乳糖操縱子的誘導機制是酶促分解底物或產(chǎn)物誘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(chǎn)生的酶稱為誘導酶（為適應外來底物或其結構類似物而臨時合成的酶類）。(2)阻遏(repression)：色氨酸操縱子的末端產(chǎn)物阻遏機制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(xiàn)象，從而更徹底地控制和減少末端產(chǎn)物的合成。2023/1/887southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity88阻遏作用的類型末端產(chǎn)物阻遏（end-productrepression）：由于終產(chǎn)物的過量積累而導致生物合成途徑中酶合成的阻遏的現(xiàn)象，常常發(fā)生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要結構元件生物合成的時候。例如過量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。分解代謝物阻遏（cataboliterepression）：當微生物在含有兩種能夠分解底物的培養(yǎng)基中生長時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關酶的合成的現(xiàn)象。最早發(fā)現(xiàn)于大腸桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時,故又稱葡萄糖效應。分解代謝物阻遏導致出現(xiàn)“二次生長（diauxicgrowth）”.2023/1/888southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity89二次生長現(xiàn)象1.單獨加入葡萄糖時，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨加入乳糖時，菌體生長有明顯的延遲期；2.同時加入葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長2023/1/889southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity90二次生長現(xiàn)象葡萄糖乳糖培養(yǎng)時間hlg乳糖葡萄糖效應葡萄糖2023/1/890southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity91操縱子學說概述：1、操縱子（operon）：是基因表達和控制的一個完整單元，其中包括結構基因，調節(jié)基因，操作子和啟動子。①結構基因(structuralgenes)：是決定某一多肽的DNA模板，②啟動子(promoter)：是RNA聚合酶的結合部位和轉錄起點；③操縱子（operator）：位于啟動基因和結構基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白的結合位點，

④調節(jié)基因（regulatorgene）：用于編碼組成型調節(jié)蛋白的基因，一般遠離操縱子,2023/1/891southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity92乳糖操縱子的調節(jié)2023/1/892southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity93酶阻遏的色氨酸操縱子模型

2023/1/893southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第四節(jié)代謝調控在發(fā)酵工業(yè)中的應用2023/1/894southernyangtzeuniversity第四節(jié)代謝調控在發(fā)酵工業(yè)中的應用2023/1/894sout2010-2-8southernyangtzeuniversity95工業(yè)發(fā)酵的目的:大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。代謝的人工控制：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(fā)酵條件（生物化學方法）；改變細胞膜透性；2023/1/895southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity96（一）應用營養(yǎng)缺陷型菌株

——以解除正常的反饋調節(jié)營養(yǎng)缺陷型菌株：喪失了某種酶的合成能力的菌株，只有在加有該酶的培養(yǎng)基上才能生長。

1.直線式合成途徑中，營養(yǎng)缺陷型菌株只能積累中間代謝產(chǎn)物，不能積累最終代謝產(chǎn)物。

ABC

DE末端產(chǎn)物E對生長乃是必需的，所以，應在培養(yǎng)基中限量供給E，使之足以維持菌株生長，但又不至于造成反饋調節(jié)（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物C。2023/1/896southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity97(2)分支代謝途徑：情況較復雜，可利用營養(yǎng)缺陷性克服協(xié)同或累加反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利用雙重缺陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物ABCDEFG2023/1/897southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity98

1）分支途徑——①賴氨酸發(fā)酵AK—天冬氨酸激酶；HSDH—高絲氨酸脫氫酶谷氨酸棒桿菌的代謝調節(jié)與氨基酸生產(chǎn)2023/1/898southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity992.分支途徑——肌苷酸的生產(chǎn)2023/1/899southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity100

抗反饋調節(jié)的原理：抗反饋調節(jié)突變株：指一種對反饋抑制不敏感或對阻遏有抗性的組成型菌株，或兼而有之的菌株

因反饋調節(jié)被解除，能積累大量末端代謝物抗反饋調節(jié)的突變株可從結構類似物抗性突變株和營養(yǎng)缺陷型回復突變株中獲得利用結構類似物做為篩子，篩選其對應的氨基酸的高產(chǎn)株

二、抗反饋調節(jié)突變株的應用2023/1/8100southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity101

CH3-CH-CH-COOH（Thr）

OHNH2CH3-CH2-CH-CH-COOH（Ile）

CH3NH2CH3-CH2-CH-CH-COOH（AHV）

OHNH2注：AHV是Thr和Ile的結構類似物2023/1/8101southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity102黃色短桿菌抗性菌株高產(chǎn)蘇氨酸的代謝調節(jié)2023/1/8102southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity103三、控制細胞膜的滲透性1.生理學方法⑴亞適量的生物素直接抑制膜的合成或使膜受缺損乙酰CoA丙二酸單酰CoA脂肪酸⑵適量的青霉素控制G+和少量的G-菌的生長

CO2生物素2023/1/8103southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity1042.遺傳學方法生產(chǎn)谷氨酸時用油酸缺陷型菌株、甘油缺陷型菌株因油酸是一種含有一個雙鍵的不飽和脂肪酸（C18），是細胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使細胞膜缺損，細胞膜的通透性加大。甘油缺陷型菌株的細胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。

2023/1/8104southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第五章

微生物的代謝和發(fā)酵

MicrobialMetabolismandfermentation2023/1/8105southernyangtzeuniversity第五章微生物的代謝和發(fā)酵

MicrobialM2010-2-8southernyangtzeuniversity2本章重要內容

代謝概論

微生物的代謝微生物的代謝調控與發(fā)酵生產(chǎn)代謝調控在發(fā)酵工業(yè)中的應用2023/1/8106southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第一節(jié)代謝概論2023/1/8107southernyangtzeuniversity第一節(jié)代謝概論2023/1/83southernyangt2010-2-8southernyangtzeuniversity4新陳代謝：發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。 新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程。2023/1/8108southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity5分解代謝和合成代謝的關系2023/1/8109southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity6能量與代謝關系示意圖2023/1/8110southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity7代謝的類型按物質轉化方式分：分解代謝：合成代謝：能量代謝：伴隨物質轉化而發(fā)生的能量形式相互轉化物質代謝：物質在體內轉化的過程.

按代謝產(chǎn)物在機體中作用不同分：初級代謝：提供能量、前體、結構物質等生命活動所必須的代謝物的代謝類型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等.次級代謝：在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需的代謝類型；產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等2023/1/8111southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive第二節(jié)微生物的能量代謝2023/1/8112southernyangtzeuniversity第二節(jié)微生物的能量代謝2023/1/88southerny2010-2-8southernyangtzeuniversity9

能量代謝是新陳代謝中的核心問題。其任務，是生物體把外界環(huán)境中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—ATP

有機物日光通用能源（ATP）還原態(tài)無機物化能異養(yǎng)菌光能營養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌2023/1/8113southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity10生物氧化與普通氧化反應的區(qū)別比較項目燃燒生物氧化步驟一步式快速反應多步式梯級反應條件激烈溫和催化劑無酶產(chǎn)能形式熱、光大部分為ATP能量利用率低高2023/1/8114southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity11生物氧化生物氧化的功能產(chǎn)能（ATP）產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝產(chǎn)物生物氧化過程底物脫氫（或脫電子):該底物稱作電子供體或供氫體遞氫（電子）:需中間傳遞體，如NAD、FAD等氫受體接受氫（或電子）2023/1/8115southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity12化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能底物脫氫EMP途徑HMP途徑ED途徑TCA循環(huán)遞氫與受氫呼吸無氧呼吸發(fā)酵2023/1/8116southernyangtzeuniversity2010-2-8southernyangtzeunive2010-2-8southernyangtzeuniversity13一、底物脫氫的四條主要途徑EMP途徑

糖酵解途徑(Glycolysis)

己糖二磷酸途徑(Hexosediphosphatepathway)HMP途徑ED途徑PK途徑202