微生物学第7章微生物的代谢.ppt

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1、1,第七章微生物的代谢,2,新陈代谢（metabolism）简称代谢，泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。,新陈代谢的共同特点：（1）在温和条件下进行(由酶催化)；（2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性；（3）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。,3,主要内容,微生物代谢概论微生物的分解代谢和能量的产生微生物分解代谢产物与鉴定反应微生物的合成代谢微生物的代谢调控,4,微生物代谢的类型,物质代谢分解代谢 合成代谢 能量代谢耗能代谢 产能代谢 根据代谢产物的用途可分为 初级代谢 次级代谢,5,物质代谢,1 蛋白质，核酸，糖，脂

2、类等物质的变化（合成与分解）。2 分解代谢微生物将各种复杂的营养物质通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子,同时将产生的能量储存起来的过程。3 合成代谢微生物在合成代谢酶系的催化下，通过消耗能量，将简单化合物合成复杂细胞物质的过程。,*,6,分解代谢（catabolism）,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：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）,7,合成代谢（anabolism）,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

3、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。,8,在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。,这些能量用于：1 合成代谢2 微生物的运动和运输热和光,9,初级代谢微生物通过一些相同的代谢途径，合成细胞生长和繁殖所必需的化合物的过程。产物：氨基酸、核苷酸等。次级代谢合成次级代谢产物的过程。次级代谢产物微生物在代谢过程中产生的，对微生物自身生长、繁殖无显著功能的化合物。eg抗生素、生长激素、毒素、色素等。,10,次级代谢往往是 某些生物为了避免在初级代谢过程中某种中间产物积累所造成不利作用或外环境因素胁迫而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为次级代

4、谢是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。,11,次级代谢与初级代谢是一个相对的概念，二种代谢既有区别又有联系，它们的区别主要表现为：(1)次级代谢只存在于某些生物当中，而初级代谢是一类普遍存在于各类生物中的基本代谢类型。(2)次级代谢产物对于产生者本身不是机体生存所必需的物质，而初级代谢产物通常都是机体生存必不少的物质。(3)次级代谢通常是在微生物的对数生长期末期或稳定期才出现，初级代谢则自始至终存在于一切生活的机体之中。(4)次级代谢对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往会因环境条件变化而受到明显影响。而初级代谢对环境条件变化的相对敏感性小，相对较为稳定。,12,(5)催化

5、次级代谢产物合成的某些酶专一性较弱,往往都是一些诱导酶。这些酶通常因环境条件变化而不能合成。相对而言催化初级代谢产物合成的酶专一性和稳定性较强，(6)次级代谢产物各种各样，并且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似而成分不同的混合物。例如目前已知新霉素有 4 种，杆菌肽有 10 种，多粘菌素有 10 种，放线菌素有 20 多种等。而初级代谢产物的性质与类型在各类生物里相同或基本相同。,13,次级代谢以初级代谢为基础。因为初级代谢可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量，而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续和发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生

6、的毒害作用。,14,能量代谢,化学能、光能等能量在微生物细胞内的相互转化和代谢变化称为能量代谢。,15,有机物（化能异养菌），无机物（化能自养菌）等），光能（光能营养菌）化能异养微生物以有机物作为能源，最常利用的碳源是葡萄糖，在葡萄糖分解氧化过程中，微生物首先将葡萄糖转变为丙酮酸，同时产生少量的ATP和还原力NADH2或NADPH2，根据这两者中氢或电子去向的不同，可以将能量产生方式分别命名为呼吸和发酵。若是通过电子传递链将氢或电子转移给氧，同时产生大量的能量，这一过程称为有氧呼吸；若是将氢或电子转移给无机物，则为无氧呼吸；还可直接用来还原有机物，积累代谢产物产生少量能量，称为发酵。,能量来源

7、,16,微生物代谢和酶,酶在微生物细胞中的分布：胞外酶（以水解酶为主）、胞内酶微生物细胞中酶的种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和合成酶（诱导酶和组成酶）,17,分解代谢和能量的产生葡萄糖分解途径,EMP，HMP，ED，PK，直接氧化,18,EMP（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway，糖酵解、己糖二磷酸途径）绝大多数生物共有的基本途径C6H12O6+2NAD+2H3PO4+2 ADP 2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP原核微生物，1分子G彻底氧化产生38个ATP（膜上呼吸链）。真核微生物，1分子G产生36个ATP。（NADH2进入线粒体膜上的呼

8、吸链,传递产生FADH2消耗2分子ATP）,19,*,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,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,21,22,HMP途径（hexose monophosphate pathway，又称己糖单磷酸途径/戊糖磷酸途径）,与EMP途径共存于细胞中，不同微生物，两种代谢途径所占比例不同。经HMP途径，G可达到氧化并产生大量NADPH和多种代谢产物，可提供不同

9、碳原子骨架的磷酸糖。G经HMP途径后如彻底氧化，净产35个ATP。,23,24,完全HMP途径6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,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。,25,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。,26,HMP途径的重要意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与EMP途径在果糖-

10、1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。通过该途径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。HMP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。,27,ED途径（Enter-Doudoroff pathway）,2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖（KDPG）裂解途径（eg：假单胞菌：铜绿假单胞菌）ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，高等

11、动，植物体未发现该种产能代谢途径。G经4步反应即可快速获得由EMP途径10步才能得到的丙酮酸。G经ED途径可产生1个ATP，产生的丙酮酸有氧条件下进入TCA进一步彻底氧化，共产生7ATP；无氧条件下脱羧生成乙醛，再被还原成乙醇（细菌乙醇发酵机制）。,28,29,C6H12O6ADP+Pi+NADP+NAD 2CH3COCOOH+ATP+NADPH2+NADH2 ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶.可将2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。,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分子NADH。,ED途径在革

12、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。,30,ED途径的细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,31,32,PK途径（phosphoketolase pathway）,磷酸酮解途径 存在于肠膜状明串珠菌属和双歧杆菌属中的一些种 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2个三碳糖。,33,磷酸已糖解酮酶 HK 途径,磷酸已糖酮解 途径,34,有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3

13、分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；,35,磷酸戊糖酮解 途径,36,C6H12O6ADP+Pi CH3CHOHCOOHCH3CH2OHCO2+ATP 分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2许多微生物的异型乳酸发酵即采取此方式。,37,直接氧化途径 葡萄糖氧化酶，常见于假单胞菌、气杆菌等。,38,微生物氧化的方式,生物氧化是细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程产生大量的能量，分段释放，并

14、以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。呼吸作用有氧呼吸以分子氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用无氧呼吸以无机氧化物作为最终电子（和氢）受体的氧化作用发酵作用以有机物为基质，电子（或氢）供体和受体都是有机化合物,39,呼吸作用,有机物被完全氧化，放出的电子经电子传递链传递给电子受体，产生大量能量。1 有氧呼吸（1）以氧作为最终电子受体的生物氧化过程，产物为CO2 和H2O。（2）G（EMP）丙酮酸 TCA/呼吸链 6CO2+H2O+38ATP,40,2 无氧呼吸（1）兼性厌氧微生物或厌氧微生物（2）电子受体有NO3-，SO42-，CO2等，及延胡索酸等有机物 电子供体和受体之间也需要细胞

15、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的能量多。,41,硝酸盐呼吸,42,3 不同呼吸类型的微生物（1）好氧性微生物（aerobic）：细菌，放线菌，真菌。（2）厌氧性微生物（anaerobic）不具有超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和过氧化 氢酶，不能解除O2-和过氧化氢的强细胞毒作用。（3）兼性厌氧微生物(facultative anaerobic)在有氧或无氧的环境都能生长，以不同的氧化方式获得能量。,43,发酵作用,发酵是厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下产生能量的一种重要方式。以有机物为基质，

16、以其降解产物的中间产物为最终电子或氢受体的氧化过程。最终导致有机物积累和产生少量能量。(1)酵母菌的发酵（P160 图7-10）第一型发酵（乙醇发酵）G（EMP）（2NAD2NADH2）2丙酮酸 2CO2+2乙醛 2乙醛（2NADH22NAD）2CH3CH2OH C6H12O6+2ADP+2H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP 此过程要求厌氧、较低盐浓度。第二型发酵（甘油发酵）乙醛+亚硫酸氢钠磺化羟基乙醛 磷酸二羟丙酮-磷酸甘油甘油 C6H12O6+NaHSO3 甘油+CH3CHOH-SO3Na+CO2 此过程不产生ATP。第三型发酵（甘油发酵）2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2 C

17、O2 弱碱性条件，不能产生能量,44,概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源,通风对酵母代谢的影响,巴斯德效应(The Pasteur effect),现象：,45,(2)乳酸发酵 乳酸菌兼性厌氧菌。eg 乳杆菌属(lactobacillus)、双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)等。在严格的厌氧条件下发酵产生乳酸：同型乳酸发酵：G（EMP）2乳酸+2ATP 异型乳酸发酵：G（pK）乳酸+乙醇+ATP 此外，还有丁酸发酵、丙酮-丁醇发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵等,46,酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵

18、丁酸发酵,47,ATP的生成,光合磷酸化光能通过光合生物的光合色素吸收转 变成化学能-ATP。包括环式光合磷酸化、非环式光合磷酸化 细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如H2、H2S等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。,48,底物水平磷酸化利用化合物氧化过程中释放的能量生成ATP的反应。3-磷酸甘油醛（NADNADH2）1，3-二磷酸甘油酸（ADP）3-磷酸甘油酸+ATP氧化磷酸化（主要方式）生物氧化过程中放出的电子通过电子传递链（呼吸链）偶联产生ATP。,49,环式光合磷酸

19、化,50,两种光合作用类型的比较,51,氧化磷酸化电子传递磷酸化,呼吸链在传递氢或电子的过程中释放的能量与ADP磷酸化偶联产生ATP的过程。,52,呼吸链（respiratory chain）,电子传递链（electron transfer chain）：从葡萄糖或其他氧化型化合物上脱下的氢（电子），经过一系列按照氧化还原电势由低到高顺序排列的氢（电子）传递体，定向有序传递的系统。,53,能量的利用,ATP用于：合成细胞物质营养物质的运输鞭毛的运动发光细菌的发光维持细胞生命状态生物热,54,糖发酵实验IMViC实验吲哚实验（I）甲基红实验（M）VP实验（V）枸橼酸盐利用实验（C）淀粉水解实验明

20、胶液化实验H2S实验过氧化氢酶实验,微生物分解代谢产物与鉴定反应,55,Fermentation Tests,56,Eschericiha与Shigella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，后者则因无此酶，不具有产气的能力。,57,吲哚试验,大肠杆菌：+产气杆菌：-,58,甲基红试验,大肠杆菌：+产气杆菌：-,59,：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。大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌：pH4.5,60,V-P试验,大肠杆菌：-产气杆菌

21、：+,61,枸橼酸利用试验,大肠杆菌：-产气杆菌：+,62,H2S试验,63,检测微生物培养液中过氧化氢酶存在的方法。从琼脂培养液中挑一满环细胞与载玻片上一滴30%H2O2混合。若立即出现气泡就说明有过氧化氢酶存在。产生的气泡是O2，即通过反应：H2O2+H2O22H2O+O2,64,吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验，合称IMViC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。,65,微生物的合成代谢,合成代谢的三要素1 ATP 发酵、呼吸、无机物氧化、光能转换产生ATP，产生的方式 包括底物水平磷酸化、电子传递磷酸化和光合磷酸化。2

22、还原力（NADH2，NADPH2）eg 化能异氧菌（1）呼吸，（2）发酵，（3）TCA。,66,3 小分子前体碳架物质（1）EMP、HMP、TCA等途径产生的不同数目碳原子的磷酸糖、有机酸、乙酰CoA等，用来合成AA,核苷酸、蛋白质、核酸、多糖等细胞物质。（2）原核生物肽聚糖，磷壁酸，脂多糖，荚膜等。（3）真核生物葡聚糖，甘露聚糖(yeast)，纤维素，几丁质(mold)。,67,肽聚糖的生物合成根据反应是在细胞质中，细胞膜上或是细胞外，可将其分为三个阶段。（以金黄色葡萄球菌为例）,68,（一）在细胞质中的合成1由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,69,70,71,2由N-乙酰胞壁酸合

23、成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）,UDP作为糖载体,72,（二）在细胞膜中的合成（单体的合成）,类脂载体是一种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，它可通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中间代谢物呈现很强的疏水性，从而使它能顺利通过的细胞膜转移到膜外,UDP,UMP,73,（三）在细胞膜外的合成,必须有现成的细胞壁残余（至少含有68个肽聚糖单体）作为引物。通过转糖基酶和转肽酶的作用。,74,青霉素抑菌机理,青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物竞争抑制转肽酶,75,76,合成代谢的特殊产物,1 热原质（pyrogen）LPS121、20 mi

24、n不被破坏，250、30 min 或180、4 h被破坏。2 毒素内毒素（LPS）、外毒素（毒性蛋白）。3 细菌素抑制或杀死近缘细菌的物质（蛋白质），作用于细胞膜，核糖体等。4 色素水溶性，脂溶性（金黄色葡萄球菌）。5 抗生素，酶，维生素等。,77,微生物代谢的调控,一、酶活性的调节 酶的激活，酶的抑制二、酶合成的调节 酶的诱导，酶的阻遏三、微生物代谢调节及发酵生产,78,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。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在2500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能容纳10万个蛋白

25、质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。,79,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。（一）调节方式，包括两个方面：1、酶活性的激活：前体激活、小分子离子激活、补偿激活2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。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。特点：作用直接、

26、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除,一、酶活性的调节,80,二、酶合成的调节,通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制。（一）酶合成调节的类型1.诱导(induction)：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程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。举例：E.coli 在含乳糖的培养基中诱导合成-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等（与乳糖代谢有关）。诱导物(inducer)：底物或结构类似物，如：异丙基-D-硫代半乳糖苷（IPTG）。,81,诱导作用的方式：同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要

27、存在于短的代谢途径中。顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。,82,2.阻遏（repression）,是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型：末端产物阻遏：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，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。保证了细胞内各种物质维持适当的浓度。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。,83,84,85,分解代谢物阻遏（catabolite repression）：当微生物在含有两种能够分解底物的培

28、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长在含葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现“二次生长（diauxic growth）”.,86,Figure 9.The Diauxic Growth Curve of E.coli grown in limiting concentrations of a mixture of glucose and lactose,87,分解葡萄糖的酶 组成酶（固有酶）分解乳糖的酶诱导酶，受底物乳糖的诱导，也受葡萄糖分解代谢产物的调控。,88,When the inducer(lact

29、ose)is removed,89,When lactose is present,90,1）cAMP与CAP结合。2）当cAMP与CAP复合物结合在启动子上,RNApolase 才与启动子结合，转录进行。3）当缺少cAMP和CAP时,RNApolase不能与启动子结合。,91,微生物的代谢调节与发酵生产,微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的,调节类型,酶合成调节,酶活性调节,调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的,调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的,92,1、直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物 A a B b C c D d E,末端

30、产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C。,遗传学方法,93,2、分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物,94,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,AK,HSDH,95,3.选育组成型突变株和超产突变株,96,生物化学方法等,添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代 谢产物大量产生。,2.添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物，3.发酵与分离过程耦合：4.控制发酵的培养基成分：5.控制细胞膜的通透性,