1、第五章第五章 微生物代谢微生物代谢新陈代谢：新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（）和合成代谢（anabolism）的总的总新陈代谢新陈代谢=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢分解代谢：分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。）形式的能量和还原力的作用。合成代谢：合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成形式的能量和
2、还原力一起合成复杂的大分子的过程。复杂的大分子的过程。物质代谢：物质代谢：物质在体内转化的过程物质在体内转化的过程.能量代谢：能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化伴随物质转化而发生的能量形式相互转化.按代谢产物在机体中作用不同分：按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢：初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等.次级代谢：次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；产物：抗生素、色素、激素、生物碱
3、等产物：抗生素、色素、激素、生物碱等按物质转化方式分：按物质转化方式分：分解代谢：分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。这个过程中产生能量。合成代谢合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。子的过程。在这个过程中要消耗能量。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢中的核心问题。能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的
4、能源对一切生命活动都能使用的能源ATP。有机物最初能源日光通用能源还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌一、微生物氧化的形式一、微生物氧化的形式生物氧化作用生物氧化作用：营养物质在细胞内酶的作用下氧化并释放能量的过程。营养物质在细胞内酶的作用下氧化并释放能量的过程。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。分子内，供需时使用。生物氧化的功能生物氧化的功能：产能产能(ATP)产还原力产还原力【H】小分子中间代谢物小分子中间代谢物异氧微生物的生物氧化途径异氧微生物的生物氧化途径：vEMP途径途径
5、vHMP途径途径 vED途径途径v磷酸酮解途径磷酸酮解途径v三羧酸循环三羧酸循环葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解作用作用 (简称：EMP途径途径)活化活化移位移位 氧化氧化磷酸化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶HMP途径途径HMP是一条葡萄糖不经是一条葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径物的代谢途径通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干通过该途径
6、可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。动对其中间产物的需要量相关。又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。）裂解途径。1952年在年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。广）。ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途
7、径而单途径而单独存在，独存在，是少数缺乏完整是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。种替代途径，未发现存在于其它生物中。ED途径途径ED途径途径 ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸 激酶激酶 （与与EMP途径连接途径连接）氧化酶氧化酶 (与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低.此途径
8、此途径可与可与EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.磷酸酮解途径磷酸酮解途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸酮解酶途径有两种
9、：磷酸戊糖酮解途径（磷酸戊糖酮解途径（PK）途径）途径 磷酸己糖酮解途径（磷酸己糖酮解途径（HK）途径）途径（五）（五）（五五）三三羧羧酸酸循循环环（五五）三三羧羧酸酸循循环环又又称称TCA循循环环、Krebs循循环环或或柠柠檬檬酸酸循循环环。在在绝绝大大多多数数异异养养微微生生物物的的呼呼吸吸代代谢谢中中起起关关键键作作用用。其其中中大大多多数数酶酶在在真真核核生生物物中中存存在在于于线线粒粒体体基基质质中中，在在细细菌菌中中存存在在于于细细胞胞质质中中；只只有有琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶是是结结合合于于细细胞胞膜膜或或线线粒粒体体膜膜上上。主主要要产产物物：4NADH+4H+12ATPFAD
10、H22ATPGTP（底底物物水水平平）ATP3CO2在在物物质质代代谢谢中中的的地地位位：枢枢纽纽位位置置工工业业发发酵酵产产物物：柠柠檬檬酸酸、苹苹果果酸酸、延延胡胡索索酸酸、琥琥珀珀酸酸和和谷谷氨氨酸酸C3CH3COCoA呼呼吸吸链链呼呼吸吸链链丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。TCA循环的重要特点循环的重要特点1、循环一次的结果是乙酰循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为的乙酰基被氧化为2分子
11、分子CO2,并重新生成并重新生成1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为还原为NADH+H+，另一步为另一步为FAD还原；还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；5、生物体提供能量的主要形式；生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；G
12、lu发酵等。发酵等。异氧微生物的生物氧化方式异氧微生物的生物氧化方式：v根据最终电子受体的不同可分成：v发酵发酵v有氧呼吸有氧呼吸v无氧呼吸无氧呼吸v概念：概念：以有机物作为电子供体和最终电子受体的生物以有机物作为电子供体和最终电子受体的生物氧化作用。氧化作用。v在在发酵工业上发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。生产有用代谢产物的一类生产方式。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有径主要有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。特点：氧化不彻底特点：氧化
13、不彻底 放能少放能少 电子不经电子传递链的传递，与底物水平磷酸电子不经电子传递链的传递，与底物水平磷酸化相偶联，部分能量可被微生物加以利用。化相偶联，部分能量可被微生物加以利用。各种微生物都能进行发酵。各种微生物都能进行发酵。（一）发酵作用（一）发酵作用乙醇发酵乙醇发酵乳酸发酵乳酸发酵丙酸发酵丙酸发酵混合酸发酵混合酸发酵2 2,3,3丁二醇丁二醇发酵发酵丁酸发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物发酵类型：发酵类型：C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶1、乙醇发酵、乙醇发酵酵母菌的乙醇发酵：酵母菌
14、的乙醇发酵：该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发甘油发酵酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分分子乙醛间发生歧化反应，生成子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和分子乙醇和1分子乙酸；分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷
15、酸甘油醛脱下磷酸甘油醛脱下的氢而生成的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。成甘油。2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO2细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：EDv酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 通过通过EMPEMP途径产生乙醇，总
16、反应式为：途径产生乙醇，总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6+2ADP+2Pi 2C+2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP v细菌细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过ED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+ATP细菌细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO
17、2+ATP2、乳酸发酵、乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵:（经（经HKHK途径途径磷酸己糖解酮酶途径磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖葡萄糖3-磷
18、酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADP异型乳酸发酵：异型乳酸发酵：葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较Lactobacillus brevis2ATP1乳酸乳酸1乙酸乙酸1C
19、O2HMP异型异型Leuconostoc mesenteroides1ATP1乳酸乳酸1乙醇乙醇1CO2HMP异型异型Lactobacillus debruckii2ATP2乳酸乳酸EMP同型同型菌种代表菌种代表产产能能/葡萄糖葡萄糖产物产物途径途径类型类型3、混合酸发酵、混合酸发酵v概念概念：埃希埃希氏菌、沙门氏氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属的一些菌通属的一些菌通过过EMP途径将途径将葡萄糖转变成葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸、H2和和CO2等多种代等多种代谢产物，由于谢产物，由于代谢产物中含代谢产物中含有多种有机酸，有多种有机酸，故将其称
20、为混故将其称为混合酸发酵。合酸发酵。葡萄糖葡萄糖琥泊酸琥泊酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH6.24、2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：概念：肠杆菌、肠杆
21、菌、沙雷氏菌、和沙雷氏菌、和欧文氏菌属中欧文氏菌属中的一些细菌具的一些细菌具有有-乙酰乳酸乙酰乳酸合成酶合成酶系而进系而进行丁二醇发酵。行丁二醇发酵。发酵途径：发酵途径：EMP鉴别肠道细菌的鉴别肠道细菌的V.P.试验试验鉴别原理鉴别原理 缩合缩合 脱羧脱羧2丙酮酸丙酮酸 乙酰乳酸乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 碱性条件碱性条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 （与培养基中精氨酸的胍基结合）（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物红色化合物-CO2鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（红（M.R）试验）试验v产酸产气试验：产酸产气试验：Escherichia与与Sh
22、igella在利用葡萄糖进在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。后者则因无此酶，不具有产气的能力。v甲基红试验甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌：pH4.5
23、IMViC试验试验：=吲哚（吲哚（I）、甲基红（）、甲基红（M）、）、V.P.试验（试验（Vi）柠檬酸）柠檬酸盐利用（盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。吲哚试验吲哚试验甲基红试验甲基红试验V.P.试验试验柠檬酸盐柠檬酸盐利用利用大肠杆菌大肠杆菌+-产气杆菌产气杆菌-+概念概念:是以分子氧作为最终电子是以分子氧作为最终电子(或氢或氢)受体的氧化受体的氧化过程；过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：途径：EMP,TCA循环循环特点：特点：以分子氧
24、作为最终电子受体的氧化作用以分子氧作为最终电子受体的氧化作用底物氧化彻底底物氧化彻底底物在氧化过程中脱下的氢和电子经电子传递链的传递最底物在氧化过程中脱下的氢和电子经电子传递链的传递最终交给氧，并在传递的过程中与磷酸化相偶联产生终交给氧，并在传递的过程中与磷酸化相偶联产生ATP。产能多，约产能多，约40%的能量被微生物利用，的能量被微生物利用，60%以热的形式释以热的形式释放。放。是好氧或兼性好氧微生物在有分子氧存在的条件下进行的是好氧或兼性好氧微生物在有分子氧存在的条件下进行的氧化方式。氧化方式。（二）有氧呼吸（二）有氧呼吸电子传递与氧化呼吸链电子传递与氧化呼吸链定义：定义：由一系列氧化还原
25、势不同的氢传递体组成的由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的形式的能量。能量。部位部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上线粒体内膜上成员：成员：电子传递是从电子传递是从NAD到到O2，电子传递链中的电，电子传递链中的电子传递体主要包括子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素、细胞色素b、c 1、c、a、a和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电和一些铁硫旦白。这些电子传
26、递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列。子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列。呼吸链的功能：呼吸链的功能：一是传递电子；二是将电子传递一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成过程中释放的能量合成ATP这就是电这就是电子传递磷酸化作用（或称氧化磷酸化作子传递磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。用）。ATPATP的结构和生成的结构和生成2.ATPATP的生成方式的生成方式:微生物能量代谢活动中所涉及的主要是微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高能（高能分子）形式的化学能分子）形式的化学能.ATP是生物体内能量的载体是生物体内能量的载体或流通形式或流通形式.当微生物获得能
27、量后当微生物获得能量后,都是先将获得的都是先将获得的能量转换成能量转换成ATP.ATP.当需要能量时当需要能量时,ATPATP分子上的高能键分子上的高能键水解水解,重新释放出能量重新释放出能量.光合磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化电子传递磷酸化1.结构结构:乙醛酸循环乙醛酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸琥珀酸琥珀酸异柠檬酸异柠檬酸苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸乙醛酸乙醛酸乙酰乙酰CoA乙酰乙酰CoA乙酸乙酸乙酸乙酸乙醛酸循环乙醛酸循环能够利用乙酸的微生物具有乙酰能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转合成酶，它使乙酸转变为乙酰变为乙酰C
28、oA；然后在然后在异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶和和苹果酸合成酶苹果酸合成酶的作用下进入乙醛的作用下进入乙醛酸循环。酸循环。乙醛酸循环的主要反应：乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸 乙醛酸乙醛酸+乙酸乙酸 苹果酸苹果酸 琥珀酸琥珀酸+乙酸乙酸 异柠檬酸异柠檬酸 净反应：净反应：2乙酸乙酸 苹果酸苹果酸柠檬酸发酵一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。碳源，故常是生产上使用的菌种。二、发
29、酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。柠檬酸的积累。三、工艺流程：发酵液的三、工艺流程：发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；值对柠檬酸生成影响很大；pH23时，发酵产物主要是柠檬酸；时，发酵产物主要是柠檬酸；pH值中性或碱性时，值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；会产生较多草酸和葡萄糖酸；可往培养基中加入亚铁氰化钾或采可往培养基中加入
30、亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。增加柠檬酸的积累。谷氨酸发酵一、谷氨酸发酵菌种：一、谷氨酸发酵菌种：Corynebacterium pekinenseCorynebacterium glutamicumBrevibacterium flavu二、发酵机理：二、发酵机理：谷氨酸以谷氨酸以-酮戊二酸为碳架；当酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合以糖质为发酵原料时，合成途径包括成途径包括EMP,HMP,TCA
31、循环循环,乙醛酸循环等；乙醛酸循环等；谷氨酸产生菌谷氨酸产生菌的的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷谷氨酸脱氢酶的活力要很高；氨酸脱氢酶的活力要很高；生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。体的氧化作
32、用。一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸吸.无机氧化物：如无机氧化物：如NONO3 3-、NO NO2-2-、SOSO4 42 2-、S S2 2O O3 32-2-等。等。在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生的能量多。的能量多。如：以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出如：以硝酸钾为电子受体进行
33、无氧呼吸时，可释放出1796.141796.14KJKJ自由能自由能。（三）无氧呼吸（三）无氧呼吸化化能能自自养养微微生生物物的的产产能能代代谢谢还还原原CO2时时ATP和和H的的来来源源顺顺呼呼吸吸链链传传递递CO2NH4+,NO2-,H2S,S ATP(最最初初能能源源)耗耗H产产ATP逆逆呼呼吸吸链链传传递递S,H2,Fe2+NAD(P)H2（无无机机氢氢供供体体）耗耗ATP产产HCH2O二、自养微生物的生物氧化二、自养微生物的生物氧化第二节第二节微生物的代谢调控与发酵生产微生物的代谢调控与发酵生产本节提要：本节提要：微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢过程中的自我调节酶活性的调节酶活性
34、的调节酶合成的调节酶合成的调节代谢调控理论的应用代谢调控理论的应用微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到万个蛋白质分子，所以每种
35、酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？解决方式：组成酶（解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的胞总蛋白含量的10%。微生物自我调节代谢的方式微生物自我调节代谢的方式1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞2.通过酶的定位控制酶与底物的接触通过酶的定位控制酶与底物的接触3
36、.控制代谢物流向控制代谢物流向:1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合如：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成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。系统。2.通过酶的定位控制酶与底物的接触通过酶的定位控制酶与底物的接触1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各各 自行使某种特异的功能；自行使某种特异的功能；2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使使 功能：功能：与呼吸产能代谢有关的酶位于膜
37、上；与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；同核苷酸吸收有关的酶在同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。菌的周质区。3.控制代谢物流向：控制代谢物流向：(通过酶促反应速度来调节通过酶促反应速度来调节)1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代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：如谢物流向：如:两种两种Glu脱氢酶：以脱氢酶：以NADP为辅基为辅基 Glu合成合成 以以NAD为辅基为辅基 Glu分解分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶关键酶:某一代谢途径中的第一
38、个酶或分支点后的第一个酶。某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。粗调：调节酶的合成量粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。通过调节产能代谢速率。一、酶活性的调节一、酶活性的调节通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式：包括两个方面：（一）调节方式：包括两个方面：1、酶活性的激活：、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促在代谢途径中后面的反应可被较前面的
39、反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。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、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概念：概念：反馈反馈：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：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。的影响。凡使反应速度加快的称凡使反应速度加快的称正反馈正反馈；凡使反应速度减慢的称凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）负反馈（反馈抑制）；反馈抑制反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑
40、制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除1.直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶苏氨酸苏氨酸-酮丁酸酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸反馈抑制反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.2.分支代谢途径中的反馈抑制：分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在在
41、分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型（1 1）同功酶调节）同功酶调节isoenzyme定义：指能催化同一化学反应但结构不同的一组酶。同功酶a与酶b分别由各自的终产物E与G抑制。只有 E、G同时过量，才能完全阻止反应的进行。（2 2）协同反馈抑制）协同反馈抑制conc
42、erted feedback inhibition定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。（3）积累反馈抑制）积累反馈抑制cumulative feedback inhibition定义：定义：每个终产物同时积累都会对途径中的第一个酶产生部每个终产物同时积累都会对途径中的第一个酶产生部分抑制作用，且各终产物的抑制作用互不干扰，各终产物同分抑制作用，且各终产物的抑制作用互不干扰，各终产物同时存在时，它们的抑制作用是累加的。时存在时，它们的抑制作用是累加的。各
43、末端产物之间既无各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。协同效应，亦无拮抗作用。（4 4）顺序反馈抑制）顺序反馈抑制sequential feedback inhibition分支途径中两个终产物不能直接对途径中的第一个酶产生抑分支途径中两个终产物不能直接对途径中的第一个酶产生抑制作用，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上制作用，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积累，高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活中间产物积累，高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。只有两个终产物同时积累，才能对途径中的第一个酶产性。只有两个终产物同时积累，才能对途径中的第一个酶产生抑制
44、作用。生抑制作用。(三三)酶活力调节的机制酶活力调节的机制变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。活性位点:与底物结合变构位点:与与抑制剂结合抑制剂结合,构象变化构象变化,不能与底物结合不能与底物结合 与与激活剂结合激活剂结合,构象变化构象变化,促进与底物结合促进与底物结合 变构酶变构酶二、酶合成的调节二、酶合成的调节（一）酶合成调节的类型（一）酶合成调节的类型1.诱导诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过
45、程。微生物通过诱导作用而产生成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为的酶称为诱导酶（诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。的酶类）。组成酶（固有酶）组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：成的酶。如：EMPEMP途径的一些酶。途径的一些酶。诱导酶：诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。乳糖酶。诱导物诱导物(inducer)：酶作用的底物。有些酶催化的反应产酶作用的底物。有些酶催化的
46、反应产物。底物结构类似物。物。底物结构类似物。2.阻遏（阻遏（repression）：代谢过程中包括关键酶在内的代谢过程中包括关键酶在内的的合成的现象，从的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。而更彻底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型阻遏作用的类型：末端产物阻遏（末端产物阻遏（end-product repression）：由于终产物的过量）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。例如
47、过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏（catabolite repression）：当微生物在含有两）：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时长在含葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称故又称葡萄糖效应葡萄糖效应。分解代谢。分解代谢物阻遏导致出现物阻遏导致出现“二次生长（二次生长（di
48、auxic growth）”.实质是：实质是：（二）酶合成调节的机制（二）酶合成调节的机制操纵子学说概述：操纵子学说概述：1、操纵子（、操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。结构基因结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的是决定某一多肽的DNA 模板，可模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体，然后再可通过核糖体转译出相应的酶转译出相应的酶;（编码蛋白质的DNA序列）启动子启动
49、子(promoter)：能被依赖于：能被依赖于DNA的的RNA聚合酶所识别的碱聚合酶所识别的碱基顺序，是基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）操纵子（操纵子（operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；结构基因的转录是否能进行；调节基因（调节基因（regulator gen
50、e）：用于编码组成型调节蛋白的基：用于编码组成型调节蛋白的基因，因，一般远离操纵子一般远离操纵子,但在原核生物中但在原核生物中,可以位于操纵子旁边可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。编码调节蛋白。Structure of a typical operon 酶合成的诱导酶合成的诱导Enzyme Induction：Enzyme Induction.Induction(or derepression)of the lac opron is a form of negative control because the effect of the regulatory protein(Active re
