微生物营养与代谢调控.ppt

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1、,台州科技职业学院生物与食品教研室 陈江萍2009年1月,食品微生物学,第四章 微生物营养与代谢调控,第一节 微生物营养与营养类型第二节 营养物质进入细胞的方式及机制第三节 微生物的能量代谢第四节 微生物的分解代谢第五节 微生物的代谢调节第六节 微生物代谢控制,第一节 微生物营养与营养类型,新陈代谢(Metabolism):从外界不断的吸收适宜的营养物质加以利用,在细胞内将其转化为新的细胞物质和储藏物资,并从中获得生命活动所需的能量,同时排出代谢产物。,营养物质与营养,营养物质(nutrient)就是能够满足微生物生长、繁殖和完成各种生理活动所需能量的物质,是微生物维持生命活动的基本物质。营养

2、(nutrition)是微生物从外界吸收营养物质并在细胞内利用营养物质的过程。营养物质是微生物维持生命活动的物质基础,而营养是微生物利用营养物质的生理过程,两者互相影响,互相依赖。,1.元素组成(1)大量元素:碳C、氮N、氢H、氧O、磷P、硫S(这六种元素占细菌细胞干重的97)(2)常量元素:钾K、钙Ca、钠Na、镁Mg(3)微量元素:铁Fe、锌Zn、锰Mn、钴Co,一、微生物细胞的化学组成,微生物细胞中几种主要元素的含量（干重的百分数）,微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比,2.化学组成,二、微生物生长繁殖营养要素及生理作用,(一)水 游离水和结合水结合水:不流动、不蒸发、不冻结、不渗透,不

3、能作溶剂。(1)溶剂和媒介作用溶剂作用:为营养物质或代谢产物提供溶解前提和载体。媒介作用:水作为运输介质,提供了运输条件。(2)参与化学反应(3)维持蛋白质和核酸等重要生物大分子结构(4)控制细胞温度 比热高、传热快,可调节细胞温度(5)细胞物质的组成成分,维持细胞膨胀压的必要条件,微生物生长所需最低相对湿度,霉菌(mold)6585%酵母菌(yeast)8895%细菌(bacteria)9098%芽孢、孢子(spore)40%,凡是可被微生物利用,构成微生物细胞和代谢产物中碳架来源的物质称为碳源。1.碳源物质的生理功能(1)构成细胞物质(2)产生维持生命所需能量,(二)碳源,2.微生物的碳源

4、谱,无机含碳化合物:如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物:糖与糖的衍生物、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。微生物不同,利用含碳化合物能力不同,如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上不同类型碳源;而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。,微生物的碳源谱表,3.微生物利用碳源物质的特点,(1)不同种类微生物利用的碳源物质不同。(2)微生物对碳源物质的利用具有选择性葡萄糖阻遏效应选择性原则:结构简单相对分子量小的优先于结构复杂相对分子量大的。,(三)氮源,凡是提供微生物营养所需氮元素的营养源,称为氮源。微生物细胞中大约含氮5%15%,是微生物细胞蛋白质

5、和核酸的主要成分。微生物利用它在细胞内合成氨基酸,并进一步合成蛋白质、核酸等细胞成分。无机氮源一般不用作能源,只有少数化能自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源。1.氮源类型(1)空气中分子态氮:N2(2)无机氮化合物:NH4+、NO3-、尿素(3)有机氮化合物:蛋白质、氨基酸,固氮菌,2.氮源物质的生理功能,(1)合成微生物细胞成分(2)调节微生物代谢(3)对于某些微生物可作为能量来源,微生物的氮源谱表,实验室常用氮源:碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。生产常用氮源:硝酸盐、铵盐、尿素、氨及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。迟效氮源:

6、蛋白氮必须通过降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。有利于机体生长。速效氮源:无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可直接被菌体吸收利用。有利于代谢产物形成。营养缺陷型微生物:多数微生物可利用无机含氮化合物作为氮源,也可利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力,即不能把尿素、铵盐等无机氮自行合成生长所需氨基酸,而需从外界吸收现成氨基酸作为氮源才能生长,这类微生物叫做氨基酸异养型微生物。,3.微生物利用氮源物质的特点,不同种微生物利用氮源物质种类不同。微生物对氮源物质利用具有选择性。,选择性原则:铵离子优于硝酸盐,氨基酸优于蛋白质。,(四)无机盐,无机盐是微生物

7、生长必不可少的一类营养物质,它们为机体生长提供多种重要的生理功能,包括大量元素和微量元素。大量元素:P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。(微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L)微量元素:Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。(微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L)一般微生物生长所需要的无机盐有:硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,无机盐的生理功能 细胞一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe)一般功能 渗透压的维持(Na+等)生理调节物质 酶的激活剂(Mg2+等)大量元素 pH的稳定无 化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)机 特殊功能

8、 盐 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)微量元素 特殊分子结构成分(Co、Mo等),1.概念 生长因子(growth factor):指那些微生物生长所必需而且需要量很小,但微生物自身不能合成,必须在培养基中加入的有机营养物。生长因子有维生素、氨基酸、嘌呤、嘧淀及衍生物,此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等。而狭义的生长因子仅指维生素。缺少这些生长因子会影响各种酶的活性,新陈代谢不能正常进行。缺乏合成生长因子能力的微生物称“营养缺陷型”微生物。,(五)生长因子,2.生长因子种类,(1)维生素(2)氨基酸(3)碱基及其衍生物根据微生物对生长因子需求不

9、同,将微生物分成两类:生长因子自养型微生物生长因子异养型微生物,微生物和动、植物营养要素比较,三、微生物的营养类型,根据微生物对碳源的要求是无机碳化合物还是有机化合物可把微生物分为:自养型微生物异养型微生物根据微生物生命活动中能量来源不同,将微生物分为：利用吸收的营养物质的降解产生的化学能,称为化能型微生物。吸收光能来维持其生命活动,称为光能型微生物。,将碳源物质的性质和代谢能量的来源结合起来微生物可分为：,光能自养型微生物 光能异养型微生物 化能自养型微生物 化能异养型微生物,(一)光能自养型微生物(Photoautotrophs),利用光能为能源,以CO2或可溶性碳酸盐CO32-作为唯一的

10、碳源或主要碳源,以无机化合H2O、H2S、Na2S2O2 为供氢体,还原CO2生成有机物质。,高等绿色植物和蓝细菌,CO2+2H2O CH2O+H2O+O2,光,叶绿素,链珠蓝细菌,光合细菌(绿硫细菌),CO2+2H2S CH2O+H2O+2S,通式,CO2+2H2A CH2O+H2O+2A,光,光合色素,(二)化能自养型微生物(Chemoautotrophs),这一类微生物有氧化一些无机物(H2S、FeCO3、NH4+、NO3-)的能力,利用氧化无机物时产生的能量(化学能),把CO2或可溶性的碳酸盐CO32-还原成有机碳化物。有氢细菌、硫细菌、铁细菌、氨细菌和亚硝酸细菌共五类。他们在产能过程

11、中,需要大量氧气,所以所有的化能自养型微生物均为好氧菌。,亚硝酸细菌,2NH3+2O2 2HNO2+4H+能,CO2+4H+能 CH2O+H2O,(三)光能异养型微生物(Photoheterotrophs),少数微生物具有光合色素利用光能把CO2还原为碳水化合物,但必须以某种有机物为供氢体。这类微生物生长时大多需要外源性的生长因子。,深红螺菌,2(CH3)2CHOH+CO22(CH3)2CO+CH2O+H2O,紫色非硫细菌,(四)化能异养型微生物(Chemoheterotrophs),这种类型的微生物其能源和碳源都来自于有机物。能源来自有机物的氧化分解,ATP通过氧化磷酸化产生,碳源直接来自有

12、机碳化合物。包括绝大多数的细菌,全部的放线菌、真菌和原生动物。,根据生态习性不同分为：,腐生型:从无生命的有机物获得营养物质。寄生型:必须寄生在活的有机体内,从宿主体内获得营养物质才能生活。,寄生型又可分为：,绝对寄生:只能在一定活的生物体内寄生生活的。兼性寄生:能生活在活的生物体上,又能在死的有机残体上生长,同时也可在人工培养基上生长的。,微生物营养类型一览表,四、微生物的培养基,根据微生物对营养物质的需要,经过人工配制的适合不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质称为培养基。,(一)培养基配置的基本原则,1.培养基配置的目的2.符合微生物菌种的营养特点3.控制营养物质比例及其浓度4.控制

13、酸碱度5.控制氧化还原电位6.控制营养物质来源7.选择适宜的灭菌处理方法,(二)培养基的类型及应用,1.根据营养成分来源分类天然培养基 用天然有机物配制而成培养基。如牛肉膏、麦芽汁、豆芽汁、麦曲汁、马铃薯、玉米粉、麸皮、花生饼粉等。天然培养基配制方便、营养全面而丰富、价格低廉,适合于各类异养微生物生长,并适于大规模培养微生物。但成分复杂,不同单位生产的或同一单位不同批次所提供的产品成分也不稳定,一般自养型微生物不能在这类培养基上生长。合成培养基 由化学成分完全了解的物质配制而成,也称化学限定培养基。如察氏培养基就属于此类。此类培养基成分精确、重复性较强,一般用于实验室进行营养代谢、分类鉴定和菌

14、种选育等。但配制料复杂,微生物在此类培养基上生长缓慢,成本较高,不适宜用于大规模生产。半合成培养基 用一部分天然有机物为碳源、氮源及生长素,并适当补充无机盐类,这样配制的培养基称为半合成培养基。如实验室使用马铃薯、蔗糖培养基。此类培养基用途最广,大多数微生物都在此类培养基上生长。,2.根据物理状态分类,液体培养基 各种营养物溶于水,混合成水溶液,调节pH,呈液体状。液体培养基培养微生物,通过搅拌可增加培养基通气量,同时使营养物分布均匀,有利于微生物生长和积累代谢产物。常用于大规模工业化生产和实验室观察微生物生长特征及应用研究。固体培养基 液体培养基中加入适量凝固剂,如琼脂(1.5%2.0%)、

15、明胶等煮沸冷却,使其凝成固体状。常作为观察、鉴定、活菌计数和分离纯化微生物的培养基。半固体培养基 加入少量凝固剂(0.35%0.4%琼脂)成半固体状。常用来观察微生物运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定等。,微生物在液体培养基中,沉淀生长,混浊生长,表面生长,固体培养基中细菌的生长情况,菌落(S型),菌苔,菌落(R型),半固体体培养基中,混浊生长,沿穿刺线生长,有菌毛细菌,无菌毛细菌,3.根据用途分类,(1)实验室用培养基基础培养基 能满足一般微生物生长繁殖之需要。如牛肉膏蛋白胨琼脂是培养细菌的基础培养基;马铃薯葡萄糖琼脂是培养霉菌的基础培养基;麦芽汁琼脂是培养酵母菌的基础培养基。加富培养基 在

16、普通培养基里加过血、血清、动物(植物)组织液或其他营养物质(生长因子)的一类营养丰富的培养基,用以培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物。鉴别培养基 普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品,从而产生某种明显的特征性变化,以区别不同的微生物。选择培养基 是用来将某种微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。根据不同种类微生物的特殊营养要求或对某种化学物质的敏感性不同,在培养基中加入特殊的营养物质或化学物质以抑制不需要微生物的生长,而促进某种需要菌的生长,这类培养基叫选择培养基。,(2)生产用培养基,孢子培养基种子培养基发酵培养基,(三)培养基的配制过程,配制前的准备配制方法

17、的选择,1.实验室用培养基营养物质的溶解方式酸碱度的调节方法灭菌方法,2.生产用培养基除杂原料粉碎热处理,影响营养物质进入细胞的因素：1.营养物质本身的性质2.微生物所处的环境3.微生物细胞的透过屏障,第二节 营养物质进入细胞的方式及机制,一、细胞膜的通透性,细胞膜允许物质透过的特性称为通透性。膜容易透过某些物质而不容易透过另一些物质,这种现象称为选择性通透。大分子的化合物(淀粉、蛋白质),必需经微生物分泌的胞外酶水解成小分子的可溶性物质后才能透过。,物质运输,二、营养吸收方式,1.被动扩散(简单扩散)利用浓度差,从高向低扩散,不消耗能量,非特异性(无选择性),速度慢。单纯扩散的物质的主要是一

18、些小分子的物质,如水、一些气体(O2、CO2)、有些无机离子及水溶性的小分子物质(尿素、甘油、乙醇等)。,细胞质,非特异性通道,2.促进扩散,利用浓度差,不消耗能量,多见于真核生物。有一种载体像渡船一样运输,可大大加快速度,这种载体是一种蛋白质,称为透过酶/渗透酶。,3.主动运输,在提供能量的前提下,有酶参与下,可将营养物质逆浓度运送。,Na+,K+-ATP酶系统,Na+,K+-ATP系统位于细胞膜上的一种离子通道蛋白,其作用是通过该蛋白构象的改变,把细胞内的Na运出细胞,同时将K+运回细胞内,即实现了Na+与K+的置换。细胞内高浓度K+是许多酶的活性和蛋白质合成所必须的。,Na+,K+-AT

19、P酶系统示意图,4.基团转移,在能量参加下,将营养物结构作些改变,使之不能透过细胞膜而留在体内,可逆浓度的把胞外营养物质积累在细胞内。主要是糖和糖衍生物被磷酸化。,5.胞饮作用,原生动物吸收营养物质的方式,有胞吞和胞饮两种类型。胞饮作用(pinocytosis)也叫内吞作用,是指物质吸附在质膜上,然后通过膜的内折而转移到细胞内的攫取物质及液体的过程。胞饮作用是植物细胞吸收水分、矿质元素和其他物质的方式之一。胞饮作用是非选择性吸收,它在吸收水分的同时,把水分中的物质一起吸收进来,如各种盐类和大分子物质甚至病毒。胞饮作用过程:当物质吸附在质膜时,质膜内陷,液体和物质便进入,然后质膜内折,逐渐包围着

20、液体和物质,形成小囊泡,并向细胞内部移动。囊泡把物质转移给细胞的方式有两种：囊泡在移动过程中,其本身在细胞内溶解消失,把物质留在细胞质内;囊泡一直向内移动,到液泡膜后将物质交给液泡。,1.细胞内外营养物质的浓度差。2.营养物的特性(1)大分子不易通过,需被酶水解成小分 子后才能被吸收。(2)脂溶性的较水溶性的更易通过。(3)不易电离的较易电离的易通过。,三、影响营养物进入的因素,四种运输营养物质方式比较,四种运输营养物质方式比较,第三节 微生物的能量代谢,新陈代谢(Metabolism)一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。生物小分子合成生物大分子 合成代谢(同化)耗能 能量 物

21、质新陈代谢 产能 代谢 代谢 分解代谢(异化)生物大分子分解生物小分子 新陈代谢特点:(1)在温和条件下进行(由酶催化);(2)反应步骤繁多,相互配合、有条不紊、彼此协调,逐步进行,具有严格顺序性;(3)对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。,有机物(化能异养菌)最初能源 日 光(光能自养菌)通用能源 无机物(化能自养菌),一、底物水平磷酸化,物质生物氧化过程中,生成一些含有高能键的化合物,这些化合物直接偶联ATP或GTP合成,这种产生ATP等高能分子的方式称底物水平磷酸化。糖分解代谢过程中,甘油醛-3-磷酸脱氢并磷酸化生成甘油酸-1,3-二磷酸,在分子中形成一个高能磷酸基团,在酶催化下,甘

22、油酸-1,3-二磷酸可将高能磷酸基团转给ADP,生成甘油酸-3-磷酸与ATP。甘油酸-2-磷酸脱水生成烯醇丙酮酸磷酸时,在分子内形成一个高能磷酸基团,然后再转移到ADP生成ATP。三羧酸循环中产生的高能硫酯化合物琥珀酰辅酶A在酶的作用下水解成琥珀酸,同时使GDP磷酸化为GTP,GTP再与ADP作用生成ATP。通式:XP+ADPX+ATP,二、氧化磷酸化,基质,脱氢酶化合物,呼吸链,H+浓度较高的区域,(一)氧化还原酶系1.NADH(烟酰胺嘌呤二核苷酸)是体内很多脱氢酶的辅酶,连接三羧酸循环和呼吸链,其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。2.黄素蛋白:含FMN或FAD的蛋白质,每个FMN或

23、FAD可接受2个电子2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶,以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。3.辅酶Q:是脂溶性小分子量的醌类化合物,通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q,还原型氢醌(QH2)和介于两者之者的自由基半醌(QH)。4.细胞色素:分子中含有血红素铁,以共价形式与蛋白结合,通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子,呼吸链中有5类,即细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。5.铁硫蛋白:在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递,有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,(二)ATP合成假说,(1)化学渗透偶联

24、假说 1961年,英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说(1978年获诺贝尔化学奖),说明了电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度(H+梯度),这种梯度驱动ATP的合成。NADH氧化,其电子沿呼吸链传递,造成H+被3个H+泵,即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。H+泵出,在膜间隙产生一高的H+浓度,这不仅使膜外侧的pH较内侧低(形成pH梯度),而且使原有的外正内负的跨膜电位增高,由此形成的电化学质子梯度成为质子动力,是H+的化学梯度和膜电势的总和。H+通过ATP合酶流回到线粒体基质,质子动力驱动ATP合酶合成ATP。

25、,(2)构象变化偶联假说,1964年美国生化家P.Boyer提出:电子传递中,线粒体内膜蛋白组分发构象变化,转变成高能形态。高能形态通过将能量转移到ADP合成ATP后,又恢复原来构象。构成ATP合酶头部的、亚基构成3个催化部位,中部的亚基在质子推动力的驱动下相对于、作旋转运动。由于3个亚基与亚基的不对称接触,使其分别处于三种不同的状态,即无核苷酸结合的空置状态(O)、结合ADP+Pi的松散结合状态(L)和结合ATP的紧密结合状态(T)。当质子推动力驱使H+经F0质子通道进入时,F0组分质子化而发生构象改变,积累足够扭矩力,推动相对、旋转120,使处于T态的催化部位释放ATP变成O态,同时L态催

26、化部位上生成ATP变为T态,O态结合ADP+Pi变为L态。,ATP的特殊作用ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用,在细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。ATP在磷酸化合物中所处位置具有重要意义,在细胞酶促磷酸基团转移中是“共同中间体”ATP是生物体通用的能量货币。ATP是能量携带者和转运者,不是能量贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原,在脊推动物中是磷酸肌酸。,三、光合磷酸化,利用光能合成ATP的反应,称为光合磷酸化。(一)环式光合磷酸化 如紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。,菌绿素,(二)非环式光合磷酸化,如蓝细菌、藻类和高等植物。,第四节 微生物的分解代谢,一、

27、发酵作用 指无氧条件下,底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业中,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。发酵作用是厌氧菌获得能量的主要方式。有些兼性菌也能进行发酵作用。但是,对主要进行发酵作用的菌若有氧存在则会发生呼吸抑制发酵的巴氏德效应。,(一)EMP途径,糖酵解途径(Embden Meverhef Parnus Pathway)简称EMP途径。特点是当葡萄糖转化成1,6二磷酸果糖后,在果糖二磷酸醛缩酶作用下,裂解为3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮,再由此转化为2分子丙酮酸。第一阶段:不涉及氧化还原反应

28、及能量释放,只生成2分子3-磷酸甘油醛,并消耗2分子ATP。第二阶段:发生氧化还原反应,2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸、2分子NADH2和缓分子ATP。总反应式：,EMP途径,(二)HMP途径,HMP途径(Hexose-Mono-Phosphate Pathway):葡萄糖经磷酸化脱氢生成6-磷酸葡萄糖后,在6-磷酸葡萄糖脱氢酶作用下,再次脱氢降解为CO2和磷酸戊糖。磷酸戊糖进一步代谢生成磷酸已糖和磷酸丙糖,磷酸丙糖再经EMP循环转为丙酮酸。即在单磷酸己糖的基础上降解,因此,常称为单磷酸己糖途径,简称HMP途径。又因所生成磷酸戊糖可重新组成磷酸己糖形成循环反应,又称为戊糖磷酸途径。

29、总反应式:6-磷酸葡萄糖+7H2O+12NADP 6CO2+12NADPH2+6H3PO4,HMP途径,HMP途径的生理意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸;产生大量的NADPH2,一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成,另一方面可通过呼吸链产生大量的能量;四碳糖(赤藓糖)可用于芳香族氨基酸的合成;在反应中存在3-7碳糖,使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛;通过该途径可产生许多发酵产物,如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等。,(三)ED途径,ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶(与EMP途径连接)氧化酶(与HMP途径连接)EMP途径 3-磷酸

30、-甘油醛 脱水酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途径 丙酮酸 醛缩酶 有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵,Entner和doudoroff在研究嗜糖假单胞菌代谢时发现,称ED途径。G-菌分布较广,如固氮菌、假单胞菌等。,(四)磷酸解酮酶途径,5-磷酸木酮糖(果糖-6-磷酸)磷酸戊糖解酮酶(磷酸己糖解酮酶)(PK途径)(HK途径)乙酰磷酸 磷酸甘油醛(磷酸-4-赤藓糖)乙醇(乙酸)丙酮酸 与HMP途径相连 乳酸许多微生物(如双歧杆菌)的异型乳酸发酵即采取此方式,(五)丙酮酸代谢,1.乙醇发酵(1)酵母型发酵(在时)(2)酵母型发酵 SO3Na C6H12O6+NaHSO3 C

31、H2OHCHOHCH2O+CH3CH2OH+CO2(3)酵母型发酵(pH7.6)2C6H12O6 CH3COOH+CH3CH2OH+2CO2+2CH2OHCHOHCH2OH,2.乳酸发酵,(1)同型乳酸发酵:通过EMP途径仅产生乳酸的发酵,如德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌和干酪乳杆菌等。乳酸脱氢酶CH3COCOOH+NADH+H+CH3CHOHCOOH+NAD+(2)异型乳酸发酵:通过HMP途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵,如肠膜状明串株菌、短乳杆菌和番茄乳杆菌等。(3)双歧发酵:是双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。,2葡萄糖 2ATP 2ADP果糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 转醛酶

32、 磷酸解酮酶 转酮酶 赤藓糖-4-磷酸 乙酰磷酸 ADP 木酮糖-5-磷酸 ATP 磷酸(戊糖)解酮酶 乙酸3-磷酸甘油醛 乙酰磷酸 Pi+2ADP 2ATP 磷酸激酶 乙酰CoA NADH2 NADH2 乙醛 NADH2 乳酸 乙醇,异型乳酸发酵途径,3.丙酸发酵 葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后,再被转化为丙酸。少数丙酸细菌还能将乳酸转变为丙酸。反应式：CH3COCOOH4H-CH3CH2COOHH2O4.丁酸发酵 由糖类生成丁酸、乙酸、二氧化碳和水的发酵。在专性厌氧菌丁酸梭菌中可以见到。由于细菌种类和反应条件不同,还可生成丙酮、丁醇、乙醇、异丙醇等,在生成丙酮和丁醇特别多时,称为丙酮

33、-丁醇发酵。对各种梭菌进行研究表明,它是按糖酵解途径生成丙酮酸,再从丙酮酸开始,按下列各反应生成丁酸及其他产物。丙酮酸乙酰CoA乙酰乙酰CoA丁酰CoA丁酸,二、呼吸作用,以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程称为呼吸作用。是许多异养型好氧微生物和兼性厌氧微生物在有氧条件下的主要产能方式。微生物通过有氧呼吸可以将有机物基质彻底氧化,产生大量的能量。如葡萄糖通过EMP途径和TCA循环被彻底氧化成二氧化碳和水,生成38个ATP,化学反应式：,(一)三羧酸循环(TCA循环),TCA的生物学意义,1.是生物体代谢糖的主要方式,具有普遍性。2.生物体提供能量主要形式,产能效率达到42。3.为糖、脂、蛋白

34、质三大物质的转化枢纽。4.TCA作为多种化合物碳骨架,以供细胞合成之用。5.TCA循环为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵;Glu发酵等。,(二)厌氧呼吸,以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程称为厌氧呼吸。在无氧条件下,一些厌氧和兼性厌氧微生物可以通过无氧呼吸获得生长所需的能量,但最终电子受体是含氧的无机盐类,如硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐以及CO2或延胡索酸等有机物,而不是自由的氧分子。,三、蛋白和氨基酸的分解,(1)蛋白质分解 蛋白质是由氨基酸组成的大分子结构复杂的化合物。它们不能直接进入细胞。微生物利用蛋白质,首先在胞外分泌蛋白酶,将其分解为大小不等的

35、多肽或氨基酸等小分子化合物再进入细胞。许多霉菌都具有较强的蛋白质分解能力。如某些毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀菌等都能分泌胞外蛋白酶,将基质中的天然蛋白质分解利用。食品工业中生产酱油、豆腐、腐乳等调味品时,就是利用一些霉菌分解蛋白质的能力。产生蛋白酶的微生物有细菌、放线菌、霉菌等。不同的菌种可以产生不同的蛋白酶、如黑曲霉产生酸性蛋白酶,短小芽孢杆菌产生碱性蛋白酶。不同的微生物也可能产生相同的蛋白酶,同一种微生物也可产生多种性质不同的蛋白酶。,(2)氨基酸分解,蛋白质被分解成氨基酸并被微生物吸收后,可直接作为蛋白质合成的原料,也可被微生物进一步分解后,通过各种代谢途径加以利用。氨基酸的分解方式主要

36、有脱氨作用和脱羧作用。,四、脂肪和脂肪酸的分解,脂肪和脂肪酸可作为许多微生物的碳源和能源,但利用缓慢。细菌中的荧光假单胞菌、分枝杆菌,真菌中的青霉、曲霉、镰刀菌等都可分解脂肪或高级脂肪酸。微生物分解脂肪主要靠脂酶催化。在一般条件下脂肪分解缓慢,其分解开始产物为甘油和脂肪酸,甘油经EMP和TCA迅速降解，并产生各种中间产物和能量。脂肪酸进一步氧化脱下二碳片段,形成乙酰CoA、乙酰CoA进入TCA彻底氧化成H2O和CO2,也可进入乙醛酸循环,合成糖类,脱下的氢和电子可以进入呼吸链。,生物氧化的一般过程,TCA,第五节 微生物的代谢调节,微生物代谢调节是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应

37、速度的调节。代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径,即解决代谢何种产物的问题。代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢,即解决代谢多少产物的问题,一、酶活性调节,酶活性调节是指对一定数量已存在的酶分子,通过对其分子构象或结构的改变来调节其催化的生物化学反应速率,这种调节能够最大限度的使微生物细胞对周围环境变化作出快速反应。,(一)变构调节,变构调节就是指小分子化合物与酶蛋白分子活性中心以外的某一部位特异结合,引起酶蛋白分子构像变化、从而改变酶的活性。在多步反应组成的代谢途径中,末端产物通常会反馈抑制该途径的第一个酶,这种酶通常被称为变构酶。如天冬氨酸氨甲酰转移酶是嘧啶核苷酸合成途径初始阶段的酶,但

38、受到合成途径最终产物胞苷三磷酸(CTP)的反馈抑制。,酶变构调节,(二)修饰调节,修饰调节通过共价调节酶来实现。共价调节酶通过修饰酶催化其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰,使之处于活性和非活性的互变状态,从而导致调节酶活化或抑制,以控制代谢速度和方向。,(有活性),(无活性),二、分支合成途径调节,(一)同工酶 能催化同一种化学反应,但酶蛋白分子结构组成不同的一组酶。(二)协同反馈抑制 在分支代谢途径中,几种末端产物同时都过量,才对途径中的第一个酶具有抑制作用。(三)积累反馈抑制 在分支代谢途径中,任何一种末端产物过量,都对共同途径中的第一个酶具有抑制作用。(四)顺序反馈抑制 在分支代谢途径

39、中的两个末端产物,不能直接抑制途径中的第一个酶,而是分别抑制分支点后的反应步骤,造成分支上中间产物积累,这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。,几种氨基酸同工酶反馈调节,赖氨酸和苏氨酸协同反馈调节,芳香族氨基酸合成顺序反馈调节,第六节 微生物代谢控制,突破微生物自我代谢调节机制,使代谢产物积累的措施:应用营养缺陷型菌株,利用其合成代谢途径中某一步发生的缺陷,解除反馈调节作用,从而使产物大量积累。选育抗反馈调节突变菌株,使其不再受正常反馈调节影响,最终达到产物积累目的。改变细胞膜通透性,使最终代谢产物不能在细胞内大量积累达到引起反馈调节浓度,从而达到解除反馈调节目的。,人工控制黄色短杆菌

40、代谢过程生产赖氨酸,抑制,人工控制黄色短杆菌代谢过程生产赖氨酸,高丝氨酸脱氢酶,不能合成,可以大量积累,人工诱变的菌种不能产生,一、发酵过程控制,微生物发酵过程控制：微生物菌体本身的性能控制；微生物发酵环境条件控制。,(一)发酵过程一般规律,1.发酵基本过程 原料预处理发酵培养基制备灭菌大型发酵发酵液预处理和固液分离发酵液纯化发酵液精制及成品加工,2.发酵过程一般规律,(1)发酵用培养基 供菌种生长、繁殖和合成产物使用。(2)种子扩大培养 提供大量菌体,应使用处于对数增长期末期菌种。(3)发酵工艺控制 发酵温度、发酵醪基质浓度、含氧量、酸碱度、发酵时间 措施:通风、供热(冷)、调节培养基发酵控

41、制要解决的问题：发酵代谢途径问题发酵代谢速度问题,(二)发酵过程控制基本途径,发酵原料的控制发酵菌体的控制发酵条件的控制,二、微生物代谢调节与发酵控制实例分析 谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸途径,只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。,菌种选择,谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢?,培养基的选择,发酵罐示意图,发酵条件控制,发酵温度:谷氨酸菌最适生长温度3534;最适发酵温度3537发酵pH:7.07.2发酵溶解氧:大量氧气,从自然界分离的菌种,三、微生物纯种发酵与多菌种协同发酵,(一)微生物纯种发酵1.纯种发酵对生产菌种要求高产性;无害型;适应性;稳定性2.纯种发酵对生产过程要求生产过程无菌化3.纯种发酵生产特点菌种单一,易于生产控制液态基质,易于自动化控制产品安全,可靠性强产品风味纯正,(二)多菌种协同发酵,多菌种协同发酵特点：多菌种的协同作用发酵界面复杂且产品风味多样化产品的区域性特征显著设备投入少,生产灵活性强发酵机理不清,生产经验性强,END,