1、第一节 能量代谢复习概念新陈代谢（metabolism）分解代谢（catabolism）=（异化作用）合成代谢（anabolism）=（同化作用）复杂分子 简单分子+ATP+H合成代谢酶类分解代谢酶类n 能源不同的主要原因与机体酶系组成及所处环境条能源不同的主要原因与机体酶系组成及所处环境条件有关。件有关。1.光能自养型微生物以光能自养型微生物以日光日光为能源为能源,将光能转化成将光能转化成ATP。2.化能自养型微生物以化能自养型微生物以无机物无机物的氧化反应中得到能量。的氧化反应中得到能量。3.化能异养型微生物多是以氧化化能异养型微生物多是以氧化有机物有机物为能源为能源,并形成并形成ATP。
2、有机物有机物 化能异养菌化能异养菌 最初能源最初能源 日光日光 光能营养菌光能营养菌 通用能源（通用能源（ATP）还原态无机物还原态无机物 化能自养菌化能自养菌 一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能n生物氧化生物氧化过程过程：可分脱氢（或电子）、递氢和受氢可分脱氢（或电子）、递氢和受氢3个阶段。个阶段。n递氢递氢过程过程：呼吸链：呼吸链n受氢体受氢体：氧、无机物和有机氧化物三种。：氧、无机物和有机氧化物三种。（一）底物脱氢的（一）底物脱氢的4条途径条途径 4条途径：条途径：n糖酵解途径（糖酵解途径（EMP）n戊糖磷酸途径（戊糖磷酸途径（HMP）nED途径（途径（
3、2-酮酮-3脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径，磷酸葡萄糖酸途径，KDPG）n三羧酸循环途径（三羧酸循环途径（TCA）。）。1.EMP途径1.EMP途径n与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的发酵生产关系密切。2.HMP途径6 6-P P-葡葡萄萄糖糖6 6-P P-葡葡萄萄糖糖6 6-P P-葡葡萄萄糖糖5 5-P P-核核酮酮糖糖N NA AD DP P+N NA AD DP PH H+H H+6 6-P P-葡葡萄萄糖糖酸酸5 5-P P-核核糖糖5 5-P P-木木酮酮糖糖6 6-P P-果果糖糖3 3-P P-甘甘油油醛醛4 4-P P-赤赤藓藓糖糖7 7-P P-庚庚酮酮糖糖6 6-P P-
4、葡葡萄萄糖糖酸酸6 6-P P-葡葡萄萄糖糖酸酸N NA AD DP P+N NA AD DP PH H+H H+N NA AD DP P+N NA AD DP PH H+H H+5 5-P P-核核酮酮糖糖5 5-P P-核核酮酮糖糖N NA AD DP P+N NA AD DP PH H+H H+N NA AD DP P+N NA AD DP PH H+H H+3 3-P P-甘甘油油醛醛5 5-P P-木木酮酮糖糖6 6-P P-果果糖糖磷磷酸酸己己糖糖旁旁路路H HM MS SN NA AD DP P+N NA AD DP PH H+H H+2.HMP途径n总反应式：总反应式：6葡萄糖
5、葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pin通过通过HMP途径可得到的发酵产物：核苷酸、氨基酸、辅途径可得到的发酵产物：核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸。酶、乳酸。3.ED途径6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖内酯6-磷酸葡萄糖酸2-酮-3脱氧-6-磷酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸2ATPADPNADH2ONAD（P）NAD（P）H+H+H2O6-磷酸葡萄糖脱氢酶6-磷酸葡萄糖酸脱水酶醛缩酶葡萄糖3.ED途径n某些缺乏完整某些缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径的微生物的一种替代途径途径n微生物所特有微生物所特有n总反应式：总反应
6、式：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi+NADP+NAD 2丙酮酸丙酮酸+ATP+NADPH+H+NADH+H+4.4.三羧酸循环三羧酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸a-a-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸辅酶辅酶A A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A1.柠檬酸合成酶2.顺乌头酸酶3.异柠檬酸脱氢酶4.a-酮戊二酸脱氢酶5.琥珀酸硫激酶6.琥珀酸脱氢酶7.延胡索酸酶8.苹果酸脱氢酶0.丙酮酸脱氢酶丙酮酸4.4.三羧酸循环三羧酸循环n发酵产物：柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸、琥珀酸。问题：一分子葡萄糖中有问题：一分子葡萄糖中有12个氢原子，通过个氢原子，通过
7、EMP、TCA反应后，变成了反应后，变成了12对对H,原因是什么原因是什么?（二）递氢和受氢（二）递氢和受氢n生物氧化的类型生物氧化的类型（产能模式）（产能模式）：根据：根据递氢特点、受氢体性质的不同，以有递氢特点、受氢体性质的不同，以有机物为基质的生物氧化分为机物为基质的生物氧化分为呼吸、无呼吸、无氧呼吸和发酵氧呼吸和发酵3种类型。种类型。n3种类型：种类型：1.呼吸呼吸2.无氧呼吸无氧呼吸3.发酵发酵n定义：定义：好气性微生物的底物按常规方式脱氢好气性微生物的底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经呼吸链传递，最终被外源分后，脱下的氢经呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，生成子氧接受，生成H2O和和
8、ATP。n递氢和受氢都必须在递氢和受氢都必须在有氧条件有氧条件下完成。有氧下完成。有氧呼吸底物被彻底氧化呼吸底物被彻底氧化,产能最高。产能最高。n好气性微生物的有氧环境中生长所进行有氧好气性微生物的有氧环境中生长所进行有氧呼吸和兼性厌气性微生物在有氧环境中生长呼吸和兼性厌气性微生物在有氧环境中生长所进行的有氧呼吸所进行的有氧呼吸。1.呼吸（好氧呼吸）呼吸（好氧呼吸）SH2SNAD+NADH+HFMNH2Fe SFMNFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cy
9、t-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）2.无氧呼吸（厌氧呼吸）无氧呼吸（厌氧呼吸）u定义：定义：指一类呼吸链末端的氢受体为外指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。生物氧化。u能进行无氧
10、呼吸的微生物叫能进行无氧呼吸的微生物叫厌气性微生厌气性微生物物，在无氧条件下，产能效率低。在无氧条件下，产能效率低。无氧呼吸无氧呼吸根据根据呼吸链末端氢呼吸链末端氢受体的不同，受体的不同，分成多种类：分成多种类：(l)硝酸盐呼吸（nitrate respiration）n又称又称反硝化作用反硝化作用.n硝酸盐具有两种功能：硝酸盐具有两种功能：氮源营养物，称为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用同化性硝酸盐还原作用无氧条件下，某些兼性厌氧徽生物利用硝酸盐作为呼吸链无氧条件下，某些兼性厌氧徽生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO NO、N N2
11、 2O O、N N2 2，称，称为为异化性硝酸盐还原作用异化性硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。n这两个还原过程的共同特点：是硝酸盐都要通过一种含钼这两个还原过程的共同特点：是硝酸盐都要通过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。n能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧徽生物能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧徽生物 反硝化反硝化细菌例如地衣芽饱杆菌、脱氮副球菌、铜绿假单胞菌、细菌例如地衣芽饱杆菌、脱氮副球菌、铜绿假单胞菌、脱氮硫杆菌。脱氮硫杆菌。n在通气不良的土壤中，反硝化作用会造成氮肥的损失，在通气不良的土壤中，反硝化作
12、用会造成氮肥的损失，(2）硫酸盐呼吸特点：特点：n硫酸盐还原细菌或反硫化细菌硫酸盐还原细菌或反硫化细菌n严格厌氧菌：脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、严格厌氧菌：脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌致黑脱硫肠状菌n最终还原产物是最终还原产物是H H2 2S Sn在浸水或通气不良的土壤中，有害产物对在浸水或通气不良的土壤中，有害产物对植物根系生长不利。植物根系生长不利。3.发酵n发酵有两个涵义，广义的发酵和狭义的发酵。发酵有两个涵义，广义的发酵和狭义的发酵。n广义的发酵定义：指任何利用微生物来生产广义的发酵定义：指任何利用微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。有用代谢产物或食品、饮料的一类
13、生产方式。n狭义的发酵定义：指在无氧等氢受体的条件狭义的发酵定义：指在无氧等氢受体的条件下，底物脱氢所产生的还原力下，底物脱氢所产生的还原力H未经呼吸链未经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物接受传递而直接交给某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化的生物氧化反应以实现底物水平磷酸化的生物氧化反应。n在发酵过程中，有机物既是被氧化的基在发酵过程中，有机物既是被氧化的基质，而电子受体是基质未被彻底氧化的质，而电子受体是基质未被彻底氧化的产物产物(也是有机物也是有机物)，由于基质氧化不彻底，由于基质氧化不彻底，产生能量比较少。产生能量比较少。n各种微生物都能进行发酵作用，好气性各种微生物
14、都能进行发酵作用，好气性微生物进行有氧呼吸过程中也需经过发微生物进行有氧呼吸过程中也需经过发酵阶段。酵阶段。n介绍介绍4类重要发酵类重要发酵（1）EMP途径中丙酮酸出发的发酵n同型酒精发酵：酿酒酵母同型酒精发酵：酿酒酵母n同型乳酸发酵：产物为单一的同型乳酸发酵：产物为单一的2分子乳酸。分子乳酸。n丙酸发酵丙酸发酵n混合酸发酵：大肠杆菌混合酸发酵：大肠杆菌n丁酸型发酵丁酸型发酵n2，3-丁二醇发酵：产气肠杆菌丁二醇发酵：产气肠杆菌(2)通过HMP途径的发酵n异型乳酸发酵异型乳酸发酵：凡葡萄糖经发酵后除产生乳酸外，：凡葡萄糖经发酵后除产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物
15、的发酵。等多种产物的发酵。异型乳酸发酵的异型乳酸发酵的“经典经典”途径途径l肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌l葡萄糖葡萄糖乳酸乳酸+乙醇乙醇+C2O+H2O+ATPl核糖核糖乳酸乳酸+乙酸乙酸+2H2O+2ATPl3果糖果糖乳酸乳酸+乙醇乙醇+C2O+2甘露醇甘露醇异型乳酸发酵的双歧杆菌途径异型乳酸发酵的双歧杆菌途径l葡萄糖葡萄糖2乳酸乳酸+3乙酸乙酸+5ATP（3）通过ED途径进行的发酵n细菌酒精发酵葡葡萄萄糖糖乙醇丙酮乙醇CO2甘油乳酸异丙醇丁酸柠檬酸富马酸苹果酸ATP丙酮酸EMPHMPTCACO2乙醇乳酸CO2乙酰CoA丁醇无O2有O2E EM MP PE EM MP PE EM MP PE E
16、D DP PK K酵酵母母菌菌乳乳酸酸菌菌乳乳酸酸菌菌梭梭状状芽芽孢孢杆杆菌菌运运动动假假单单孢孢杆杆菌菌异型乳酸发酵同型乳酸发酵细菌酒精发酵（4）由氨基酸发酵产能 stickland反应n由氨基酸发酵产酸产能。n生孢梭菌。n氢供体：丙氨酸n氢受体：甘氨酸（5）发酵中的产能反应n底物水平磷酸化可产生许多高能磷酸化合物：二、自养微生物产ATP和还原力n自养微生物：化能和光能。（一）化能自养微生物n碳源：C2OnATP的来源：氧化无机底物，如NH4+、NO2-、H2S、H2和Fe 2+。有3个特点：n无机底物脱氢或电子后，可直接进入呼吸链传递；n按相应的氧化还原势的位置进入呼吸链；n产能效率低。举
17、例硝化细菌：亚硝化细菌，硝化细菌硝化细菌把亚硝酸还原成硝酸时的质子、电子流向和ATP合成由亚硝化细菌引起的反应：NH3+O2+2H+2e-NH2OH+H2O NH2OH+H2O HNO2+4H+4e-由硝化细菌引起的反应：NO2-+H2O NO3-+2H+2e-亚硝酸氧化酶氨单加氧酶氨单加氧酶（二）光能营养微生物光合作用特点：1.循环光合磷酸化脱镁菌绿素2.非循环光合磷酸化叶绿素b叶绿素a 褐藻素 质体蓝素非血红素铁硫蛋白铁硫还蛋白3.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成细菌视紫红质视黄醛质子浓度差第二节 分解代谢和合成代谢的联系n分解代谢和合成代谢两者联系紧密，互不可分。n联接分解代谢与合成代谢的中
18、间代谢物有联接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有12种。种。n为保证能量代谢和合成代谢的正常运转，通过为保证能量代谢和合成代谢的正常运转，通过两用代两用代谢途径谢途径和和代谢回补顺序代谢回补顺序来解决。来解决。一、两用代谢途径n定义：凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。nEMP、HMP和TCA属于两用代谢途径。二、代谢物回补顺序n定义：是指能补充两用代谢途径中因合成定义：是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。n作用（功能）：通过这种机制，一旦重要作用（功能）：通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢物必须被产能途径中
19、的某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。证能量代谢的正常进行。n与与EMP和和TCA有关的回补顺序有有关的回补顺序有10条。条。COOHCH2CCOOHOCOOHCH2HCCOOHOHH2CHCCHCOOHCOOHCOOHHOH2CCH2CCOOHCOOHCOOHHOCOOHCHO草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸苹果酸乙醛酸C CH H3 3C CO Os sC Co oA A门冬氨酸EMP糖原草酰乙酸卟啉琥珀酸琥珀酰CoAH2CH2CCOOHCOOHH HS SC Co oA AC CH H3 3C CO Os sC Co
20、 oA AH HS SC Co oA A乙乙醛醛酸酸循循环环CH3COHO+SHCoA乙酰CoA合成酶ATPAMPPPiCH3COSCoA+H2O乙酸乙酰CoA异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶苹果酸合成酶苹果酸合成酶第三节第三节 微生物独特合成代谢途径举例微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物的一、自养微生物的CO2固定（自学）固定（自学）二、生物固氮（自学）二、生物固氮（自学）三、肽聚糖的生物合成三、肽聚糖的生物合成三、肽聚糖的生物合成n研究对象：金黄色葡萄球菌n3个合成阶段1.在细胞质中的合成2.在细胞膜上的合成3.在细胞膜外的合成1.在细胞质中的合成n由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺（G）和N
21、-乙酰胞壁酸（M）。1.在细胞质中的合成n由N-乙酰胞壁酸（M）合成“park”核苷酸2.在细胞膜上的合成n合成肽聚糖单体=“park”核苷酸+N-乙酰葡萄糖胺+甘氨酸五肽n通过细菌萜醇的类脂载体，把肽聚糖单体插入细胞膜外的细胞壁生长点处。3.在细胞膜外的合成n转糖基作用转糖酶n转氨基作用转肽酶n青霉素的作用机制：抑制转肽作用。青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酸 D-丙氨酸的结构类似物。是转肽酶的竞争性抑制剂。抑制肽抑制肽聚糖分子中肽桥的生物合成。因此对处于生长繁聚糖分子中肽桥的生物合成。因此对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，相反对殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，相反对
22、处于生长停滞状态的休止细胞却没有抑制作用。处于生长停滞状态的休止细胞却没有抑制作用。四、微生物次生代谢物的合成n初生代谢物：结构简单，代谢途径明确，产量较大的代谢物。n次生代谢物：是指在稳定期前后，以初生代谢物作前体，合成的结构复杂的化学物。n种类多：抗生素、色素、毒素、生物碱、信息素、生长促进剂以及生物药物素等。次生代谢物合成途径主要有4条：1.糖代谢延伸途径2.莽草酸延伸途径3.氨基酸延伸途径4.乙酸延伸途径第四节第四节 微生物的代谢调节与发酵生产微生物的代谢调节与发酵生产一、微生物的代谢调节（一）代谢调节与控制的意义：（一）代谢调节与控制的意义：n代谢调节系统能确保上千种酶准确无误、有条
23、代谢调节系统能确保上千种酶准确无误、有条不紊和高度协调地进行复杂的新陈代谢反应。不紊和高度协调地进行复杂的新陈代谢反应。n微生物细胞内有两种酶：微生物细胞内有两种酶：组成酶和诱导酶组成酶和诱导酶。n在发酵工业中，为了大量的累积人们所需要的在发酵工业中，为了大量的累积人们所需要的代谢产物，必须代谢产物，必须人为地打破人为地打破微生物细胞内代谢微生物细胞内代谢的的自动调节机构自动调节机构，使代谢朝着人们所希望的方，使代谢朝着人们所希望的方向进行，实现代谢的人工控制。向进行，实现代谢的人工控制。（二）微生物代谢调节的部位1.细胞膜、细胞壁2.酶与底物的相对位置3.调节代谢流：n酶生成量（诱导或阻遏）
24、（粗调）n酶活力（抑制或激活）（细调）二、代谢调节在发酵工业中的应用（一）应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节（一）应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节1.赖氨酸发酵赖氨酸发酵n菌种：谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株，不菌种：谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株，不能合成高丝氨酸脱氢酶，故不能合成高丝氨酸。能合成高丝氨酸脱氢酶，故不能合成高丝氨酸。n原料：天冬氨酸，高丝氨酸原料：天冬氨酸，高丝氨酸赖氨酸和苏氨酸发酵门门冬冬氨氨酸酸赖赖氨氨酸酸甲甲硫硫氨氨酸酸苏苏氨氨酸酸高高丝丝氨氨酸酸门门冬冬氨氨磷磷酸酸门门冬冬氨氨酸酸半半醛醛AK反 馈,阻遏反 馈,阻遏反 馈,阻遏天冬氨酸激酶高丝氨酸脱氢酶2.
25、肌苷酸（IMP）的发酵n菌种：谷氨酸棒杆菌的腺嘌呤缺陷型菌株，肌苷酸琥珀酸合成酶缺失，不能合成AMP。n原料：少量AMP肌苷酸(次黄嘌呤)发酵葡萄糖5-P-核糖PRPPPRPP转酰胺酶PRA(反馈抑制)(阻遏)IMPIMP脱氢酶AMPSAMPGMPAMPS合成酶XMP(反馈抑制)(阻遏)AMPS：肌苷酸琥珀酸合成酶（二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节n抗反馈调节突变株：指对反馈调节不敏感或对抗反馈调节突变株：指对反馈调节不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。n特点：特点：1.解除了反馈抑制解除了反馈抑制2.解除了阻遏解除了阻遏3.能累
26、积大量末端代谢物能累积大量末端代谢物黄色短杆菌的抗-氨基-羟基戊酸菌株甲硫氨酸缺陷株高产苏氨酸代谢调节天冬氨酸天冬氨酸-p天冬氨酸半醛高丝氨酸甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶高丝氨酸脱氢酶高丝氨酸脱氢酶特点：高丝氨酸脱氢酶不受苏氨酸的反馈抑制，苏氨酸的浓度达到13g/L。进一步诱变为甲硫氨酸缺陷株，苏氨酸的浓度达到18g/L。（三）控制细胞膜的渗透性n原理：细胞膜的透性增加，可使细胞内的代谢物迅速渗漏到细胞外，同时也解除了末端的代谢物的反馈抑制和阻遏，因而提高了发酵产物的产量。1.通过生理学手段控制细胞膜的渗透性 以谷氨酸发酵为例说明。以谷氨酸发酵为例说明。n微生物细胞膜的磷脂双分
27、子层的磷脂含量以及磷微生物细胞膜的磷脂双分子层的磷脂含量以及磷脂分子结构直接影响到膜的通透性。脂分子结构直接影响到膜的通透性。n磷脂由甘油和脂肪酸合成。甘油和油酸是合成细磷脂由甘油和脂肪酸合成。甘油和油酸是合成细胞膜磷脂的限制成分。胞膜磷脂的限制成分。n生物素生物素是脂肪酸合成的限速酶是脂肪酸合成的限速酶乙酰辅酶乙酰辅酶A羧化羧化酶系的辅酶。酶系的辅酶。生物素对谷氨酸发酵的影响 条件氨基酸生物素过量菌体(25微克/L)生物素限量菌体(2.5微克/L)培养基中菌体中培养基中菌体中天天门门冬冬氨氨酸酸210730谷谷氨氨酸酸8549115 4503丙丙氨氨酸酸2543210192脯脯氨氨酸酸280730亮亮氨氨酸酸7201壁对膜的通透性的间接影响：在对数期添加青霉素能触发谷氨酸的分泌。作用机理：青霉素引起细胞壁的不完全合 成，从而导致谷氨酸分泌。2.通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性 a.选育甘油缺陷型菌株；b.选育油酸缺陷型菌株；c.生物素缺陷型菌株。
