1、第六章第六章 微生物的代谢微生物的代谢 Cncnc-micro1 1 1 1 代谢概论代谢概论微生物产能代谢微生物产能代谢耗能代谢耗能代谢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内容提要代谢概论Cncnc-micro代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称。分解代谢合成代谢分解代谢（catabolism）Cncnc-micro分解代谢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。一般可将分解代谢分为三个阶段：寺地蛋白质 多糖 脂类氨基酸 单糖 甘油，脂肪酸 丙酮酸/乙酰辅酶A CO2 ，H20，能量（三羧酸循环）合成代谢（anabolism）Cnc
2、nc-micro合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。寺地Cncnc-micro在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。地这些能量用于：1 合成代谢 2微生物的运动和运输 3 热和光无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。Cncnc-micro微生物产能代谢
3、生物氧化异养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化生物氧化过程中的能量转化Cncnc-micro异养微生物的生物氧化发酵呼吸作用什么是发酵发酵过程中底物脱氢的途径发酵与人类生产生活 发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。发酵（fermentation）底物脱氢的四种途径EMP途径HMP途径ED途径磷酸解酮酶途径 EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮甘油醛-3
4、-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:预备性反应bb:氧化还原反应 EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP 和 NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖5-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤藓糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOH C=O H-C-OHH-C-OHD CH2OP CH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-
5、葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖 C=O H-C-OHH-C-OHH-C-OP HCH2OH H-C-OHH-C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖 C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OP HCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖HMP途 径从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径，磷酸戊糖支路。HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。一般认为HMP途径不是产能途径，而是为
6、生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。HMP途径ED途径ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在ED途径不如EMP途径经济。Cncnc-microED途径过程：葡萄糖 KDPG 甘油醛-3-磷酸丙酮酸丙酮酸EMPKDPG醛缩酶呼吸作用根据反应中氢受体不同分为两种类型Cncnc-micro有氧呼吸无氧呼吸以分子氧为最终受体的生物氧化C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O有氧呼吸（aerobic respi
7、ration）发酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸除糖酵解过程外，还包括三羧循还和电子传递链两部分反应电子传递递氢体递氢体-H2还原态细胞色素-H2氧化态细胞色素1/2O2H2O脱氢酶氧化酶2H+NAD FAD Q细胞色素bca1a3基质-H2基质F0F1ATP膜膜内膜外2H+ADP+PiATP+H2O电子传递过程中能量(ATP)产生机制化学渗透学说（1961，P.Mitchell）1978Nobel 奖ADP+Pi膜内膜外ATPH+H+H2OaATPbH+H+cH+H+ADP电子传递过程中能量(ATP)产生机制构象变化偶联假说（1997，P.Boyer）1997 Nobel 奖氧 化磷酸
8、化有氧呼吸特点 基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧 化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。产能量多，一分子G净产38个ATPCncnc-micro无氧呼吸（anaerobic respiration）以无机物为最终电子受体的生物氧化过程 硝酸盐呼吸 碳酸盐呼吸 硫酸盐呼吸Cncnc-micro硝酸盐呼吸（反硝化作用）NON2亚硝酸还原细菌2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH3基质-H2 基质辅酶辅酶-H2脱氢酶NO2-NO3-硝酸盐还原细菌一系列酶硫酸盐呼吸（反硫化作用）有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2
9、或有机物，大部分不能利用G)使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。SO428H 4H2OS2 Cncnc-micro碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。CO2+4H2CH4+2H2O+ATPCncnc-micro甲烷细菌特点：产甲烷细菌细胞壁不含肽聚糖 产甲烷DNA分子量比一般细菌少23倍 产甲烷细菌tRNA分子中的JC的T被U取代。产甲烷细菌起始tRNA所携带的AA为甲硫氨 gg酸，一般细菌为甲基甲硫氨酸。无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。Cncnc-micro 各类各类
10、 发酵与人类生产生活发酵与人类生产生活 （发酵小结）工业概念在工业生产中常把好氧或兼性厌寺氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生有产过程统称为发酵。Cncnc-micro 微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间代谢产物而被微生物利用。Cncnc-micro 根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的 人发酵类型，以下几种发酵最重要研究得最清楚 上区性 乙醇发酵 乳酸发酵 混合酸发酵 丙酮丁醇发酵GEMP 2丙酮酸 2乙醛 2乙醇丙酮酸脱羧酶Cncnc-microC6H12O6 2C2H5OH2CO2 2ATP由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 （酵母菌乙醇发酵）参与
11、微生物：酵母菌 3-p-甘油醛-H21，3-2P甘油酸2NAD2NADH2乙醇乙醛(受氢体)脱氢酶酵母菌乙醇发酵过程中氢由供体给受体的方式乙醇发酵特点乙醇发酵特点 发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物 酶体系不完全，只有脱氢酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。，没有氧化酶。产生能量少，酵母乙醇发酵净产产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌，细菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下脱下H使之还原成乙醇的过程使之还原成乙醇的过程。Cncnc-micro酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件 厌氧 不含NaHSO
12、3 PH小于7.6通过通过ED途径进行的乙醇发酵途径进行的乙醇发酵 （细菌的乙醇发酵）（细菌的乙醇发酵）参与微生物：运动发酵单孢菌发酵途径：ED途径 反应式：C6H12O62C2H5OH+2CO2+ATPCncnc-micro 乳酸发酵乳酸发酵 指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵同型乳酸发酵在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，青贮饲料中的乳链球菌发酵即为此类型。GPEPC3H6O3过
13、 程：反应式：C6H12O6+2ADP+Pi 2C3H6O3+2ATP关键酶：乳酸脱氢酶2乳酸2丙酮酸+2ATP乳酸发酵过程中乳酸发酵过程中H由供体给受体的方式由供体给受体的方式3-P-甘油醛-H21,3-2P甘油酸2NAD2NADH2异型乳酸发酵（通过HMP途径）发酵产物除乳酸外还有乙醇与发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵结果异型乳酸发酵结果：1分子分子G生成乳酸生成乳酸，乙醇乙醇，CO2各各1分子。分子。北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵。乳酸发酵细菌不破坏植物
14、细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。渍酸菜应做好以下几点渍酸菜应做好以下几点 必须控制不被杂菌感染必须控制不被杂菌感染 要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件 要加些盐，要加些盐，35%NaCl浓度为好浓度为好 缸要刷净，并不要带进油污缸要刷净，并不要带进油污 pH值值34为宜为宜 某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多种代谢产物。由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。Cncnc-micro混合酸发酵混合酸发酵 用于细菌分类鉴定 V.P
15、反应：反应过程中产生红色化合物甲基红反应：产酸使指示剂变色Cncnc-microG二乙酰红色化合物3-羟基丁酮V.P反应甲基红反应E.aerogenesE.coli 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同时又是电子受体。Cncnc-micro氨的氧化氨的氧化硫的氧化硫的氧化铁的氧化铁的氧化氢的氧化氢的氧化自养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化 Cncnc-micro硝化细菌的能量代谢（硝化细菌的能量代谢（氨的氧化氨的氧化）NH3 NO2亚硝酸菌NO2 NO3硝 酸 菌NH3+1.5 O2 NO2 +H
16、2O+H+65.1 NO2-+0.5O2 NO3 +18.1NO2-+H2ONO3-+2H2e-细胞色素a 1细胞色素a30.5O2+2H+H2O硫细菌的硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）能量代谢（硫的氧化）H2S +0.5 O2 S +H2O +能量能量Cncnc-microS+1.5 O2 +H2O SO4 +2H+能量能量铁的氧化铁的氧化Cncnc-micro 氢细菌的氢细菌的 能量代谢（氢的氧化）能量代谢（氢的氧化）H2+0.5 O2 H2O +能量用途:用于生产单细胞蛋白Cncnc-micro单细胞蛋白单细胞蛋白种类生产所需原料单细胞蛋白用途单细胞蛋白特点细菌单细胞蛋白酵母单细胞蛋白单胞
17、藻单细胞蛋白石油，天然气，氢Cncnc-micro能量转化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)光合磷酸化(photophosphorylation)Cncnc-microCncnc-micro底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)底物水平磷酸化既存在于底物水平磷酸化既存在于发酵过程发酵过程中也存在于中也存在于呼吸过程呼吸过程中。中。物质在生物氧化过程中物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接
18、偶联而这些化合物可直接偶联ATP或或GTP的合成的合成。这种产生这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。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丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶AGTPGDP+Pi三羧酸三羧酸循循 环环底物水平磷酸化发生在呼吸作用过程中 环式光合磷酸化环式光合磷酸化非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嗜盐菌紫膜的光合作用Cncnc-micro光合磷酸化(photophosphorylation)环式光合磷酸化环式光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）代 表
19、 微 生 物光合作用部位光合作用特点红螺菌科红硫菌科绿硫菌科菌绿素由光反应和暗反应组成,只有一个光反应系统不放氧。Cncnc-microCyt.bc1e-e-e-e-环式光合磷酸化的光反应QABphCyt.c2QBQ库e-P870*P870e-外源电子供体H2S等ADP+PiATPNAD(P)NAD(P)H2外源H2逆电子传递环式光合磷酸化的暗反应曲是是2光能转变的化学能CO2有机物ATPNADH2Cncnc-micro只有一个光反应系统，有光反应和暗反应环式光合磷酸化特点 不放氧Cncnc-micro消耗ATP不产还原剂NADH2，固定CO2所需NADH2来自电子传递e-QAPhQBQ库Fd
20、Fpe-e-e-Fe.SADP+PiATPe-叶绿素a 叶绿素a+e-叶绿素b 叶绿素b+H201/202Mn2+2H+e-NADPH+H+Cyt.bc1ADP+PiATPPC非环式光合磷酸化（non-cyclic photophosphorylation）非环式光合磷酸化特点非环式光合磷酸化特点两个光反应系统产还原剂NADH2，产ATP和O2Cncnc-micro电子传递属非循环式的在有氧条件下进行紫膜光合磷酸化紫膜光合磷酸化（photophosphorylation by purple membrance）ATP酶紫 膜H+H+H+-+-细胞壁红 膜H+ADP+PiATPPNH+N+PN
21、PNH+P顺式膜外膜内紫膜反式H+H+紫膜光合磷酸化紫膜光合磷酸化H+ADP+PiATPCncnc-micro耗能代谢细胞物质的合成其他耗能反应细胞物质的合成CO2的固定生物固氮CO2的同化糖类的合成氨基酸的合成Cncnc-micro生物固氮（biological nitrogen fixation）固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成Cncnc-micro固氮作用生化机制好氧菌固氮酶避氧害机制固氮微生物(nitrogen fixing organisms,diazotrophs）Cncnc-micro自生固氮菌好氧自生固氮菌固氮菌属 巴氏芽孢梭菌厌氧自生固氮菌兼性厌氧自生固氮菌联合固氮菌 根际、叶面
22、、动物肠道等处的固氮微生物共生固氮菌满江红鱼腥藻根瘤植物豆科植物地衣根瘤菌和根瘤的形成根瘤菌形态根瘤菌特点根瘤的形成感染性专一性有效性根瘤(Nodle)的形成植物色氨酸分泌微生物吲哚乙酸根毛弯曲松驰变软根瘤菌侵入根毛根瘤形成地衣满江红鱼星藻固氮的生化途径Cncnc-micro固氮的生化机制生物固氮反应的6要素测定固氮酶活力的乙方法固氮酶的产氢反应固氮酶ATP的供应还原力及其传递载体还原底物 N2镁离子严格的厌氧微环境固二氮酶（dinitrogenase）（组份）固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）（组份）ATPADP+P电子来源丙 酮 酸(Fe4S4)2.2e-Fd
23、.2e-Fd(Fe4S4)2 FeMoCo.2e-FeMoCo 2NH3N2固氮的生化途径（自生固氮菌）2NH3+H2+1824ADP+1824PiN2+8H+1824ATP氧障.N NMoMo +HMoNNMoFdFd.还原剂ADP+Pi Mg2+ATP-MgATP-MgATP Mg2+Mo Mo2NH3底物能量产物N N自生固氮菌固氮的生化途径细节Cncnc-micro其他耗能反应运动运输发光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微生物的代谢调节微生物的代谢调节代谢调节在发酵工业中的应用代谢调节在发酵工业中的应用应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节应用营养缺陷型菌株解除正常的
24、反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节控制细胞膜的渗透性控制细胞膜的渗透性应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节天冬氨酸天冬氨酸 磷酸天冬氨酸 半醛高丝氨酸 苏氨酸 甲硫氨酸 C.glutamicum的代谢调节与赖氨酸生产赖氨酸为反馈抑制为阻遏AKHSDH应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节核糖-5-磷酸肌苷酸 C.glutamicum的IMP合成途径和代谢调节核糖-5-磷酸 焦磷酸核糖胺-5-磷酸腺苷酸琥珀酸 腺苷酸 黄苷酸 鸟苷酸 1212131415天冬氨酸高丝氨酸 苏氨酸 甲硫氨酸 B.Flavum 抗性菌株高产苏氨酸的代谢调节赖氨酸指反馈抑制指反馈阻遏天冬氨酸-P天冬氨酸半醛123应用抗反馈调节突应用抗反馈调节突变株解除反馈调节变株解除反馈调节控制细胞膜的渗透性控制细胞膜的渗透性生物素生物素生物素是乙酰生物素是乙酰-CoA 羧化酶的辅基羧化酶的辅基乙酰乙酰-CoA 羧化酶羧化酶 脂肪酸脂肪酸生物素生物素 磷脂磷脂 膜透性膜透性 调节调节青霉素青霉素Cncnc-micro
