chap5微生物的新陳代謝

1、1代謝（metabolism）：細胞內發(fā)生的各種化學反應的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATPH23生物氧化的形式：某物質與氧結合、脫氫或脫電子三種生物氧化的功能為：產能（ATP）、產還原力H和產小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機物異養(yǎng)微生物利用有機物生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中4567分為兩個階段：1、3個分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經氧化脫羧生成6個分子NADPH+H+，3個分子CO2和3個分子5-磷酸核酮糖2、

2、5-磷酸核酮糖在轉酮酶和轉醛酶催化下使部分碳鏈進行相互轉換，經三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。HMP 途徑（磷酸戊糖途徑、旁路途徑）86-磷酸果糖出路：可被轉變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途徑。甘油醛-3-磷酸出路： a、經EMP途徑，轉化成丙酮酸，進入TCA 途徑 b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑。特點：a 、不經EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無ATP生成， b、產大量的NADPH+H+還原力 ；c、產各種不同長度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖 ）d、單獨HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存 e、HMP途徑是戊糖代

3、謝的主要途徑。 910過程： （4步反應） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸KDPG醛縮酶特點: a、步驟簡單 b、產能效率低：1 ATP c、關鍵中間產物 KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶 細菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。11121314151617182、發(fā)酵類型1） 乙醇發(fā)酵 a、酵母型乙醇發(fā)酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP 條件：pH 3.54.5 , 厭氧菌種：釀酒酵母、少數(shù)細菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等） （EMP）發(fā)酵是厭氧微生物

4、在生長過程中獲得能量的一種主要方式。糖酵解作用是各種發(fā)酵的基礎，而發(fā)酵是糖酵解過程的發(fā)展。19b、細菌型乙醇發(fā)酵 (發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌) 同型酒精發(fā)酵 1 G 2 丙酮酸 代謝速率高，產物轉化率高，發(fā)酵周期短等。缺點是生長pH較高，較易染雜菌，并且對乙醇的耐受力較酵母菌低. （ED）乙醇 + 1ATP 異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細菌） 1 G 2 丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛 乙醇甲酸 + 乙酰- CoA無丙酮酸脫羧酶而有乙醛脫氫酶20 2）乳酸發(fā)酵 （德氏乳桿菌、植物乳桿菌、腸膜明串株菌雙歧雙歧桿菌等） EMP途徑（丙酮酸 乳酸） 213)混合酸、丁二醇發(fā)酵a 混合酸發(fā)酵：

5、 腸道菌（E.coli、沙氏菌、志賀氏菌等）1 G丙酮酸乳酸乳酸脫氫酶 乙酰-CoA +甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸轉乙酰基酶乙醛脫氫酶乙酸激酶乙醇脫氫酶乙酸乙醇E.coli與志賀氏菌的區(qū)別：葡萄糖發(fā)酵試驗： E.coli、產氣腸桿菌 甲酸 CO2 + H2 （甲酸氫解酶、H+） 志賀氏菌無此酶，故發(fā)酵G 不產氣。CO2 + H2 22b 丁二醇發(fā)酵（2，3-丁二醇發(fā)酵） 腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羥基丁酮乙二酰紅色物質（乙酰乳酸脫氫酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中兩個重要的鑒定反應： 1 、VP實驗 2、甲基紅（M.R）反應(可檢驗酸的存在)

6、產氣腸桿菌： V.P.試驗（+），甲基紅（-） E.coli： V.P.試驗（-），甲基紅（+）V.P.試驗的原理：2324一、細菌的光合作用 真核生物：藻類及其他綠色植物 產氧 原核生物：藍細菌光能營養(yǎng)型生物 不產氧 （僅原核生物有）：光合細菌1、光合細菌類群1）產氧光合細菌好氧菌 各種綠色植物、藻類 藍細菌：專性光能自養(yǎng)。含有葉綠素a (H2S環(huán)境中，只利用光合系統(tǒng) I 進行不產氧作用)。 252）不產氧光合細菌a、紫色細菌 只含菌綠素a 或 b。紫硫細菌（著色菌科）（舊稱紅硫菌科）含紫色類胡蘿卜素，菌體較大。氫供體：H2S、H2 或 有機物。 H2S S SO42- ； 少數(shù)暗環(huán)境以S2

7、O32-作為電子供體。氧化鐵紫硫細菌（Chromatium屬）利用FeS,或Fe2+ 氧化產生Fe(OH)3沉淀26紫色非硫細菌（紅螺菌科）：舊認為不能利用硫化物作為電子供體；現(xiàn)知大多數(shù)亦能利用硫化物，但濃度不能高。b、綠色細菌（綠硫細菌） 含較多的菌綠素c、d 或 e ，少量 a 。 電子供體：硫化物 或 元素硫；暗環(huán)境中不進行呼吸代謝，還可同化乙酸、丙酸、乳酸等簡單有機物。272、細菌光合色素光合色素是光合生物所特有的物質，有主要色素和輔助色素，主要色素是葉綠素和細菌葉綠素，輔助色素有類胡蘿卜素和藻膽色素。 1）葉綠素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌綠素 a、b、c、

8、d、e、g。 a ：與葉綠素 a 基本相似；850nm處。 b：最大吸收波長8401030。 3）輔助色素：提高光利用率 類胡蘿卜素： 藻膽素：籃細菌獨有 藻紅素（550nm）、藻藍素（620 640 nm） 藻膽蛋白：與蛋白質共價結合的藻膽素。 283、細菌光合作用 1）循環(huán)光合磷酸化 光反應中心的葉綠素通過吸收光能而逐出電子使自己處于氧化狀態(tài)。逐出的電子通過電子呼吸鏈，再返回葉綠素本身，從而使葉綠素分子回復到原來的狀態(tài)。電子在傳遞過程中產生ATP。這種由光能引起葉綠素分子逐出電子，并通過電子傳遞產生ATP的方式稱為光合磷酸化。特點： a、光驅使下，電子自菌綠素上逐出后，經過類似呼吸鏈的循環(huán)

9、，又回到菌綠素； b、產ATP和還原力H分別進行，還原力來自H2S等無機物； c、不產氧（O2）。 29光驅使下，電子自菌綠素上逐出后，經過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素產ATP.紫色細菌循環(huán)光合磷酸化過程 30外源電子供體 H2S等無機物氧化放出電子，最終傳至失電子的光合色素時與ADP磷酸化偶聯(lián)產生ATP。特點：只有一個光合系統(tǒng)，光合作用釋放的電子僅用于NAD+還原NADH，電子傳遞不形成環(huán)式回路。反應中心的還原依靠外源電子供體，如S2-、S2O32-等。外源電子供體在氧化過程中放出電子，經電子傳遞系統(tǒng)傳給失去了電子的光合色素，使其還原，同時偶聯(lián)ATP的生成。由于這個電子傳遞途徑也沒有形成環(huán)

10、式回路，故也稱為非環(huán)式光合磷酸化 綠硫細菌和綠色細菌(非環(huán)式光合磷酸化)31 2）非循環(huán)光合磷酸化 特點： a、電子傳遞非循環(huán)式； b、在有氧的條件下進行； c、存在兩個光合系統(tǒng) d、ATP、還原力、O2同時產生 當光反應中心I的葉綠素吸收光能后釋放的電子，通過電子傳遞體還原NAD+（NADP）生成NADH（NADPH）+H(還原力)。光合系統(tǒng)II吸收光能，使水光解產生電子，電子通過電子傳遞鏈還原反應中心I的葉綠素，并產生ATP（琥珀酸，硫化氫等物質氧化放出電子，該電子通過電子傳遞鏈還原氧化型的反應中心I的葉綠素，并產生ATP ）。 32藍細菌等的產氧光合作用非循環(huán)光合磷酸化過程 333）依靠

11、菌視紫紅質的光合作用無葉綠素或菌綠素參與的獨特的光合作用，是迄今為止最簡單的光合磷酸化反應。 極端嗜鹽古細菌 菌視紫紅質： 以“視黃醛”（紫色）為輔基。 與葉綠素相似，具質子泵作用。 與膜脂共同構成紫膜；埋于紅色細胞膜（類胡 蘿卜素）內。 34ATP合成機理：視黃醛吸收光，構型改變，質子泵到膜外，膜內外形成質子梯度差和電位梯度差，是ATP合成的原動力，驅動ATP酶合成ATP。35二、細菌化能自養(yǎng)作用 化能無機營養(yǎng)型細菌：通常是化能自養(yǎng)型細菌，一般是好氧菌。 產能的途徑主要是借助于無機電子供體(能源物質)的氧化，從無機物脫下-的氫(電子)直接進入呼吸鏈通過氧化磷酸化產生ATP。最普通的電子供體是

12、氫、還原型氮化合物、還原型硫化合物和亞鐵離子(Fe2)。 利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們的碳源。最重要反應： CO2 還原成CH20水平的簡單有機物，進一步合成復雜細胞成分 大量耗能、耗還原力的過程。36 化能自養(yǎng)細菌的能量代謝特點： 無機底物脫下的氫（電子）從相應位置直接進入呼吸鏈氧化磷酸化產能。 電子可從多處進入呼吸鏈，所以呼吸鏈有多種多樣。 產能效率，即氧化磷酸化效率(P0值)通常要比化能異養(yǎng)細菌的低。 生長緩慢，產細胞率低。371 硝化細菌 能氧化氮的化能無機營養(yǎng)型細菌桿狀、橢圓形、球形、螺旋形或裂片狀，且它們可能有極生或周生鞭毛。好氧、沒有芽孢的革蘭氏陰性有機體，在細胞質中有非常發(fā)

13、達的內膜復合體。將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。 a、亞硝化細菌 NH3 +O2 + 2H+ NH2OH + H2O A氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2 +4H+ +4e- b、硝化細菌NO2- + H2O 亞硝酸氧化酶NO3-+ 2H+ +2e-根據(jù)它們氧化無機化合物的不同也稱氨氧化細菌(產生1分子ATP) 38 2 氫細菌（氫氧化細菌） 能利用氫作為能源的細菌組成的生理類群稱氫細菌或氫氧化細菌(hydrogen oxidizing bacteria)。 兼性化能自養(yǎng)菌 主要有假單胞菌屬、產堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水

14、螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。 產能： 2H2 + O2 2 H2O 合成代謝反應： 2H2 + CO2 CH2O + H2O。393 硫細菌（硫氧化細菌） 利用H2S、S02、S2O32-等無機硫化物進行自養(yǎng)生長,主要指化能自氧型硫細菌 大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經cyt.c部位進入呼吸鏈； 而脫氮硫桿菌從FP或 cyt.b水平進入。 嗜酸型硫細菌能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2)氧化成鐵離子(Fe3)。404 鐵細菌和細菌瀝濾 (1) 鐵細菌（多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產能低。

15、） 定義：能氧化Fe2成為Fe3并產能的細菌被稱為鐵細菌或鐵氧化細菌。包括亞鐵桿菌屬(、嘉利翁氏菌屬、纖發(fā)菌屬、泉發(fā)菌屬和球衣菌屬的成員。 有些氧化亞鐵硫桿菌和硫化葉菌的一些成員，除了能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2)氧化成鐵離子(Fe3)，所以它們既是硫細菌，也是鐵細菌。 大多數(shù)鐵細菌為專性化能自養(yǎng)，但也有兼性化能自養(yǎng)的。 大多數(shù)鐵細菌還是嗜酸性的。 鐵細菌的細胞產率也相當?shù)?41 (2) 細菌瀝濾 利用嗜酸性氧化鐵和硫細菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過程。又稱細菌浸出或細菌冶金。原

16、理：a、浸礦劑的生成 2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 2Fe2（SO4）3 + 2 H2Ob、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出 CuS + 2 Fe2（SO4）3 + 2H2O + O2 CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4 c、鐵屑置換CuSO4中的銅 CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu 適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出 率達70% 80%。 4243444546474849501、固氮微生物的種類 一些特殊類群的原核生物能夠將分子態(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉化為各種細胞物質。微生物利用其固氮酶系催化大氣中的分子氮還原

17、成氨的過程稱為固氮作用。 自生固氮菌：獨立固氮（氧化亞鐵硫桿菌等） 共生固氮菌：與它種生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 聯(lián)合固氮菌： 必須生活在植物根際、葉面或動物 腸道等處才能固氮的微生物。 根際芽孢桿菌屬；葉面固氮菌屬。512、固氮機制1）固氮反應的條件 a ATP的供應： 1 mol N2 10 15 ATP b 還原力H及其載體 氫供體：H2、丙酮酸、甲酸、異檸檬酸等。 電子載體：鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧 還蛋白（Fld） 。 c 固氮酶（組分I 和組分II 都含有鐵和硫原子，比例1:2） 組分 I ：真正“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋 白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd） 52組分II

18、： 固氮酶還原酶，不含鉬，又稱鐵蛋白、固氮 鐵氧還蛋白（AzoFd）特性： 對氧極為敏感；需有Mg2+的存在； 專一性：除N2外，可還原其他一些化合物 C2H2 C2H4； 2H+ H2 ； （乙炔反應：可用來測知酶活） d 還原底物N2： NH3存在時會抑制固氮作用。53 N2 + 2e + 6H+ +（18 24）ATP 2NH3 + H2 +（18 24）ADP + 18 24 Pi a、固氮酶的形成 e 組分II 組分II（e）MgATP 組分I + N2 IN2 b、固氮階段 N2* 2NH3 + H2 即 75% 還原力用來還原N2，25%的還原力 以H2形式浪費2）固氮生化過程

19、Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復合物）543、好氧性固氮菌的防氧機制 固N酶遇氧不可逆失活 （組分I，半衰期10；組分II，45”喪失一半活性） （1）自身固N菌 a 呼吸保護 固N菌科的固N菌以極強的呼吸作用消耗掉環(huán)境中的氧。 b 構象保護 高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無固N活性但能防止氧損傷的特殊構象。 構象保護的蛋白質 Fe-s蛋白II 氧壓增高，固氮酶與Fes蛋白II結合，構象變化，喪失固N能力； 氧濃度降低，蛋白自酶上解離55(2) 藍細菌保護固N酶機制 a 分化出特殊的還原性異形胞（適宜固氮作用的細胞） I、厚壁，物理屏障； II、缺乏氧光合系統(tǒng)II，脫氫酶、氫化酶活性高； III、

20、SOD活性很高； IV、呼吸強度高 b 非異形胞藍細菌固N酶的保護 缺乏獨特的防止氧對固N酶的損傷機制。 I 、固N、光合作用在時間上分隔開 織線藍菌屬（黑暗：固N ； 光照：光合作用） II、形成束狀群體（束毛藍菌屬），利于固N酶在微氧環(huán)境下固N III、提高胞內過氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍菌屬）56 I、豆科植物的共 生菌 以類菌體形式存在于根瘤中 類菌體周膜：豆血紅蛋白，可與氧可逆結合 （高時結合，低時釋放） 豆血紅蛋白：蛋白部分由植物基因編碼；血 紅素有根瘤菌基因編碼。 II、非豆科植物共生菌 含植物血紅蛋白（功能相似豆血紅蛋白） Frankin放線菌： 營養(yǎng)菌絲末端膨大的

21、泡囊類似異形胞。 c 根瘤菌保護固N酶機制 575859 第四節(jié) 微生物次級代謝與次級代謝產物 一、次級代謝與次級代謝產物 一般將微生物通過代謝活動所產生的自身繁殖所必需的物質和能量的過程，稱為初級代謝,該過程所產生的產物即為初級代謝產物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶等。 次級代謝是指微生物在一定的生長時期，以初級代謝產物為前體，合成一些對于該微生物沒有明顯的生理功能且非其生長和繁殖所必需的物質的過程。這一過程的產物，即為次級代謝產物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。60 次級代謝與初級代謝關系密切，初級代謝的關鍵性中間產物往往是次級代謝的前體，比如糖降解過程中的乙酰-CoA是合成四

22、環(huán)素、紅霉素的前體；一般菌體的次級代謝在對數(shù)生長后期或穩(wěn)定期間進行，受環(huán)境條件的影響； 次級代謝產物的合成，因菌株不同而異，但與分類地位無關；與次級代謝的關系密切的質粒則控制著多種抗生素的合成。 次級代謝產物在微生物生命活動過程中的產生極其微量，對微生物本身的生命活動沒有明顯作用，當次級代謝途徑被阻斷時，菌體生長繁殖仍不會受到影響，因此，它們沒有一般性的生理功能，也不是生物體生長繁殖的必需物質，但對其它生物體往往具有不同的生理活性作用，因此，人們利用這些具有各種生理活性的次級代謝產物生產具有應用價值的藥物。 61二、次級代謝的調節(jié)1初級代謝對次級代謝的調節(jié) 次級代謝與初級代謝類似，它在調節(jié)過程

23、中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的誘導和阻遏。 2含氮化合物對次級代謝的調節(jié)作用 菌體內的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平與抗生素的產量間呈正相關性，丙氨酸脫氫酶(ADH)水平與利福霉素SV合成則呈負的相關性，而ADH和GS同化氨途徑受培養(yǎng)基中氨濃度的調節(jié)，因此，氨濃度的調節(jié)影響抗生素的產量。 3誘導作用及產物的反饋抑制62一、微生物代謝產物的利用利用微生物代謝過程中產生的眾多代謝產物生產各種發(fā)酵產品。按照積累產物類型： 初級代謝產物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶； 次級代謝產物，抗生素、激素、生物堿、毒素及維生 素等。按照發(fā)酵類型： 自然發(fā)酵：酒精、乳酸等， 代謝控制發(fā)酵：終端產物，賴氨酸、鳥

24、苷酸、腺苷酸等； 中間產物，檸檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、 高絲氨酸、肌苷酸、黃苷酸等；第五節(jié) 微生物代謝與生產實踐 631發(fā)酵條件的控制人們通過對微生物菌種營養(yǎng)和培養(yǎng)條件的控制生產所要的目的產品:1）培養(yǎng)條件：溫度、pH值、滲透壓的控制；2）營養(yǎng)成分的控制：葡萄糖濃度、碳氮比、生長因子、無機離子等；3）溶解氧的控制：通氣量，攪拌等。642代謝調節(jié)的控制（1）應用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調節(jié) 賴氨酸發(fā)酵（高絲氨酸缺陷型菌株） 在這個代謝工程的設計中，是利用阻斷分支途徑的高絲氨酸的合成，來解除(Lys+Thr)的反饋調節(jié)。即造成高絲氨酸缺陷型(Hser一)，就可解除末端產物對限速酶的反饋抑制

25、。65選育細胞膜缺損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型，或生物素缺陷型 利用油酸缺陷型菌株，限量添加油酸，限制細胞膜磷脂中不飽和脂肪酸的合成而使細胞膜缺損，利于代謝產物滲漏而提高谷氨酸的產量。生物素缺陷型原理 在脂肪酸生物合成途徑中，由乙酰輔酶A羧化成丙二酸單酰輔酶A的反應是一個限速步驟，該反應由乙酰輔酶A羧化酶系催化，包括生物素羧化酶，羧基轉移酶和生物素羧基載體蛋白CCP，并且需要生物素作輔酶。選育生物素營養(yǎng)缺陷型菌株，使細胞中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的合成受阻，從而影響到磷脂的合成。在培養(yǎng)時限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度來調節(jié)透性。66（2）應用抗反饋調節(jié)的突變株解除反饋調

26、節(jié)抗反饋調節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或對阻遏有抗性的組成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產物。如Corynebacteriumcrenatum(鈍齒棒桿菌)的抗-氨基-羥基戊酸（AHV）菌株能積累蘇氨酸。673微生物代謝與代謝工程 近年來，基因工程的不斷發(fā)展，也為微生物代謝在發(fā)酵生產的應用提供了新的方法。 人們通過分子生物學技術和DNA重組技術, 可以定向地對細胞代謝途徑進行修飾或引入新的反應，以改進產物的生成或改變細胞的代謝特性。但這些改進都是與微生物的基因調控和代謝調控及生化工程相結合來實現(xiàn)

27、的。 利用DNA重組技術改變微生物代謝流，擴展和構建新的代謝途徑，或通過關聯(lián)酶將兩個代謝途徑連接形成新的的代謝流的研究，取得了令人矚目的進展。68克隆來自細菌的木糖異構酶基因，克隆來自柄狀畢赤酵母（Pichia stipitis）的木糖還原酶和木糖醇脫氫酶基因。引入木糖代謝途徑（戊糖代謝生產乙醇的代謝工程） 酵母菌Saccharomyces的代謝工程69 二、微生物代謝活性的利用 1生物轉化 生物轉化是指利用生物體代謝過程中產生的酶使底物進行有機反應。生物轉化一般采用微生物細胞或微生物酶作催化劑，故又稱作微生物轉化。 微生物轉化的一個重要領域是手性化合物的合成與拆分。 主要應用在藥物、香料，殺