本科《 微生物》課件第四章 微生物的代謝

1、第四章微生物的代謝概念合成代謝（同化作用）；分解代謝（異化作用）；初級代謝；次級代謝第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)微生物的分解代謝第三節(jié)微生物的合成代謝第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)第一節(jié)微生物的能量代謝一、ATP的生成（復習）1.光合磷酸化作用2.氧化磷酸化作用二、微生物氧化的方式1.有氧呼吸作用2.無氧呼吸作用3.發(fā)酵作用三、能量的利用一、ATP的生成（復習）光合磷酸化作用光合色素為媒介細菌視紫紅質(zhì)為媒介氧化磷酸化作用基質(zhì)上脫下的電子(H)要通過電子傳遞鏈進行傳遞，最終交給電子受體，并且電子在傳遞過程中伴隨ATP生成，這種產(chǎn)生ATP的方式稱為氧化磷酸化。分為電子傳遞水平磷酸化和底物水平磷

2、酸化傳統(tǒng)光合磷酸化作用植物與微生物光合作用的差異plant hotosynthesisbacterial photosynthesisorganismsplants, algae, cyanobacteriapurple and green bacteriatype of chlorophyllchlorophyll a absorbs 650-750nmbacteriochlorophyll absorbs 800-1000nmPhotosystem I (cyclic photophosphorylation)presentpresentPhotosystem I (noncyclic p

3、hotophosphorylation)presentabsentProduces O2yesnoPhotosynthetic electron donorH2OH2S, other sulfur compounds or certain organic compounds細菌視紫紅質(zhì)的光和磷酸化嗜鹽細菌的細胞中存在有紫膜，膜中含有一種蛋白質(zhì)，叫做細菌視紫紅質(zhì)，能吸收太陽光的能量。嗜鹽菌的電鏡照片氧化磷酸化作用生物氧化指細胞內(nèi)一系列氧化反應的總稱。微生物體內(nèi)發(fā)生的化學反應基本上都是氧化還原反應。形式、過程、結(jié)果呼吸氧化過程中放出的電子會通過一系列電子載體最終交給電子受體的生物學過程。據(jù)其中電子

4、最終受體的性質(zhì)可將呼吸分為好氧呼吸與厭氧呼吸兩種類型。發(fā)酵基質(zhì)在氧化過程中放出的電子是直接交給有機物的。電子傳遞鏈(又稱呼吸鏈)按載體的氧化還原電位升高的順序排列起的鏈。電子傳遞鏈真、原核生物呼吸鏈的區(qū)別呼吸鏈主要組分: NAD(P)-FP-Fe.S-CoQ-Cyt.b-Cyt.c-Cyt.a-Cyt.a3真核生物原核生物位置線粒體膜細胞質(zhì)膜載體的取代性比較穩(wěn)定強載體類型穩(wěn)定易變化環(huán)境因素影響小大分支呼吸鏈無普遍有P/O較高低二、微生物氧化的方式*根據(jù)電子的最終受體不同，可將微生物的產(chǎn)能（氧化）方式分為：呼吸無氧呼吸發(fā)酵 微生物氧化呼吸作用（p135）1.有氧呼吸作用是大多數(shù)微生物用來產(chǎn)生能量

5、(ATP)的一種方式，以分子氧作為最終電子受體。呼吸鏈真、核生物有所不同。2.無氧呼吸作用亦厭氧呼吸作為最終電子受體的物質(zhì)NO3，SO42-，或CO2等無機物。（個別為延胡索酸等有機物） 有氧呼吸作用基質(zhì)在氧化過程中放出的電子通過一系列電子載體最終交給電子受體(o2)，并且電子在傳遞過程中伴隨ATP生成。這種產(chǎn)生ATP的方式也就是氧化磷酸化。微生物在有氧條件下培養(yǎng)，可以將葡萄糖完全氧化成CO2和H20并產(chǎn)生38個ATP。在這種有氧呼吸中除糖酵解作用外還有三羧酸循環(huán)與電子傳遞鏈兩部分化學反應。前者使葡萄糖完全氧化成CO2，后者使脫下的電子交給分子氧生成水并伴隨有ATP生成。有氧呼吸無氧呼吸作用厭

6、氧呼吸以除氧以外的物質(zhì)如硝酸鹽作為最終電子受體。以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學過程通常稱為硝酸鹽呼吸： NO3-十2H+十2eNO2-十H20反應生成的NO2可以被分泌到胞外，也可以進一步被還原成N2，這個過程稱為反硝化作用。亞硝酸鹽還可以經(jīng)羥胺被還原成氨： NO2- 還原NH20H還原NH3Electron acceptors for respiration and methanogenesis in procaryotes electron acceptorreduced end productname of processorganismO2H2Oaerobic respiration

7、Escherichia, StreptomycesNO3NO2, NH3 or N2denitrificationBacillus, PseudomonasSO4S or H2Ssulfate reductionDesulfovibrioFumaratesuccinateanaerobic respiration using an e- acceptorEscherichiaCO2CH4methanogenesisMethanococcus3.發(fā)酵作用發(fā)酵(區(qū)別于工業(yè)上的概念)是厭氧微生物在生長過程中獲得能量的一種主要方式，發(fā)酵過程中氧化不徹底，發(fā)酵的結(jié)果仍積累某些有機物。大部分能量仍然留在發(fā)

8、酵產(chǎn)物中。(1)乙醇發(fā)酵（酒精發(fā)酵）(2)乳酸發(fā)酵(3)氨基酸發(fā)酵由葡萄糖開始的各種類型發(fā)酵類 型微 生 物乙醇發(fā)酵釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)解淀粉歐文氏菌(Erwinia amylovora)運動發(fā)酵單胞菌 (Zymomonas mobilis)甘油發(fā)酵釀酒酵母同形乳酸發(fā)酵糞腸球菌 (Enterococcus faecalis)異型乳酸發(fā)酵腸膜狀明串珠菌雙歧雙歧桿菌(B. bifidum)混合酸發(fā)酵大腸桿菌(Escherichia coli)丁二醇發(fā)酵產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacter aerogenes)丙酮-丁醇發(fā)酵丙酮-丁醇梭菌(C. acetobu

9、tylicum)丁酸發(fā)酵丁酸梭菌(Clostridium butylicum)丙酸發(fā)酵丙酸細菌(Propionibacterium)(1)酒精發(fā)酵p145在酵母菌的乙醇發(fā)酵里，一個葡萄糖(通過EMP途徑)最終轉(zhuǎn)變成兩個乙醇，放出兩個CO2，同時凈產(chǎn)生兩個ATP:(S. cerevisiae) C6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H50H+2ATP+ 2C02 + H20巴斯德效應在細菌的乙醇發(fā)酵里，一個葡萄糖(通過ED途徑)最終轉(zhuǎn)變成兩個乙醇，放出兩個CO2，同時凈產(chǎn)生一個ATP:(運動發(fā)酵單孢菌)C6H12O6+ADP+H3PO42C2H50H+ATP+ 2C02+H20異型乳酸(酒

10、精)發(fā)酵：(腸膜明串珠菌)(2)乳酸發(fā)酵將葡萄糖(HMP途徑)分解產(chǎn)生的丙酮酸還原成乳酸的生物學過程。異型乳酸發(fā)酵發(fā)酵后產(chǎn)生多種產(chǎn)物，包括乳酸、乙醇、CO2等。腸膜明串珠菌、短乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌同型乳酸發(fā)酵一分子葡萄糖產(chǎn)生兩分子乳酸的過程 德氏乳桿菌、糞鏈球菌發(fā)酵圖例發(fā)酵類型(終產(chǎn)物及其菌株)途徑終產(chǎn)物發(fā)酵類型菌株葡萄糖EMP丙酮酸脫羧乙醛加氫乙醇酵母型酒精-啤酒酵母加氫乳酸同型乳酸-德氏乳桿菌草酰乙酸琥珀酸脫羧丙酸丙酸發(fā)酵丙酸桿菌乙酰CoA乙酸、乙醇乙酰乳酸氧化脫羧2,3丁二醇產(chǎn)氣腸桿菌乙酰CoA乙酸丁酸型發(fā)酵丁酸羧菌丁醇羧菌丙酮丁醇羧菌乙酰乙酰CoA氧化丁醇脫羧丙酮HMP5-磷酸木酮糖乙醇

11、乳酸異型乳酸發(fā)酵腸膜明串珠菌發(fā)酵乳桿菌ED丙酮酸乙醇細菌酒精-運動發(fā)酵單胞菌(3)氨基酸發(fā)酵亦Stickland以一種氨基酸作為氫供體，另一種氨基酸作為氫受體的發(fā)酵類型。氨基酸作為碳源、氮源和能源。少數(shù)厭氧梭菌可以利用一些氨基酸，例如：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌等(供體：丙氨酸等；受體：甘氨酸等)三、能量的利用生物合成：能量利用的主要方面。1mol的ATP約合成10.5g的干物質(zhì)。其它生命活動生物發(fā)光例如：轉(zhuǎn)移發(fā)光基因，提高觀賞性產(chǎn)生生物熱第二節(jié) 微生物的分解代謝 一、碳水化合物的分解1.單糖的降解（EMP、HMP、ED）*2.丙酮酸的降解有氧代謝三羧酸循環(huán)無氧代謝酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵(見前)

12、二、蛋白質(zhì)的代謝(腐敗、腐化)1.脫氨作用2.脫羧作用三、脂肪的代謝一、碳水化合物的分解碳水化合物的微生物降解能力1.單糖的降解以葡萄糖為例，分析底物降解的三條途徑（EMP、HMP、ED）2.丙酮酸的降解有氧代謝三羧酸循環(huán)無氧代謝酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵碳水化合物的微生物降解能力多糖首先由胞外酶水解。最終都能生成單糖。纖維素是植物細胞壁的重要成分，它可以被許多真菌以及放線菌與細菌中的些種分解與利用。淀粉以淀粉作為生長碳源與能源的微生物中，它們能利用自身的淀粉酶，將其水解成雙糖與單糖，再被微生物吸收。果膠、幾丁質(zhì)、木質(zhì)素等等 1.單糖的降解六碳糖中，葡萄糖和果糖是異養(yǎng)生物的主要碳源和能源。葡萄糖降解為

13、丙酮酸的途徑在微生物中比較普通。EMP途徑HMP途徑ED途徑EMP途徑(己糖二磷酸途徑)亦糖酵解生物界共有的途徑有氧的條件下與TCA相連，厭氧條件下發(fā)酵。葡萄糖形成6-磷酸葡萄糖時好氧的酵母菌、真菌和一些假單孢菌中(?)兼性厭氧菌中(基團轉(zhuǎn)運方式)C6H12O6+2NAD+2PiCH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H2OHMP途徑也叫做戊糖磷酸途徑、己糖一磷酸途徑、WD途徑、磷酸葡萄糖酸途徑特點大量還原力和多種重要中間代謝產(chǎn)物意義提供戊糖、赤蘚糖以及C3-C7的各類糖提供NADPH2HMP路徑ED途徑亦稱為2酮3脫氧6磷酸葡萄糖酸裂解途徑、 KDPG途徑特點少數(shù)菌株的EMP替代途

14、徑葡萄糖快速代謝成為丙酮酸產(chǎn)能效率低意義ED途徑圖示微生物不同途徑的產(chǎn)物PathwayKey enzymeEthanolLactateCO2ATPEmbden-Meyerhof Saccharomycesfructose1,6 diP aldolase2022Embden-Meyerhof Lactobacillusfructose1,6 diP aldolase0202Heterolactic Streptococcusphosphoketolase1111Entner-Doudoroff ZymomonasKDPG aldolase2021微生物單糖降解途徑比較BacteriumEMPHM

15、PEDAcetobacter aceti-+-Agrobacterium tumefaciens-+Azotobacter vinelandii-+Bacillus subtilismajorminor-Escherichia colimajorminor-Lactobacillus acidophilus+-Leuconostoc mesenteroides-+-Pseudomonas aeruginosa-minormajorVibrio choleraeminor-majorZymomonas mobilis-+有氧代謝三羧酸循環(huán)無氧代謝酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵2.丙酮酸的降解三羧酸循環(huán)TCA

16、、Krebs循環(huán)檸檬酸循環(huán)產(chǎn)能產(chǎn)代謝物(生物代謝的中樞地位)TCA無氧代謝丙酮酸的無氧代謝生成乳酸、乙醇其它物質(zhì)的新陳代謝(復習)二、蛋白質(zhì)的代謝(腐敗、腐化)1.脫氨作用2.脫羧作用三、脂肪的代謝脂肪的分解脂肪的合成蛋白質(zhì)的代謝分解代謝蛋白質(zhì)有氧條件下，分解為二氧化碳、氫和氨無氧條件下，不完全分解，形成氨基酸，有機酸。合成代謝氨素營養(yǎng)與有機酸化合成氨基酸，形成多肽，再形成蛋白質(zhì)。第三節(jié) 微生物的合成代謝一、碳水化合物的合成*二、脂類物質(zhì)的合成(復習)三、蛋白質(zhì)的合成(復習)四、核苷酸和核酸的合成(復習)五、次生代謝產(chǎn)物的合成一、碳水化合物的合成CO2的固定*自養(yǎng)型微生物CO2的固定磷酸核酮糖

17、環(huán)(Calvin循環(huán))乙酰輔酶A環(huán)還原型TCA環(huán) 多糖的合成Calvin循環(huán)概述亦磷酸核酮糖環(huán)、核酮糖二磷酸循環(huán)、CB循環(huán)光能自氧微生物(蘭細菌和大部分光和細菌)和全部好氧性化能自氧微生物固定CO2的主要途徑關鍵酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶Calvin循環(huán)1.羧化反應2.還原反應3.受體再生乙酰輔酶A環(huán)（anaerobic acetyl-CoA pathway）嚴格厭氧菌，化能自養(yǎng)型菌株例如：產(chǎn)甲烷細菌、硫酸鹽還原菌、產(chǎn)乙酸菌等還原型TCA環(huán)少數(shù)光和細菌中，例如嗜硫代硫酸鹽綠菌琥珀酰輔酶A通過還原性羧化作用固定二氧化碳在a-酮戊二酸中多糖的合成(復習)核苷酸和核酸的合成次生代謝產(chǎn)物的合成次

18、生代謝產(chǎn)物色素激素毒素抗生素生物堿分解與合成代謝的聯(lián)系(自學)一、兼用代謝途徑EMP、HMP、TCA二、代謝回補途徑草酰乙酸的回補途徑磷酸稀醇式丙酮酸的回補途徑聯(lián)系圖示第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)一、酶活性的調(diào)節(jié)(復習) 1.反饋抑制的類型 2.反饋抑制的機制二、酶合成的調(diào)節(jié)(復習) 1.酶合成調(diào)節(jié)的類型 2.酶合成調(diào)節(jié)的機制三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應用1.應用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)2.應用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)3.控制細胞膜的滲透性復習微生物的代謝調(diào)節(jié)能力要優(yōu)于高等生物基本概念：組成酶(constitutive enzyme)誘導酶(induced enzyme)酶活性的調(diào)節(jié)(分子水平)反饋抑制酶合成的調(diào)節(jié)(基因水平)乳糖操縱子學說三、代謝調(diào)控在發(fā)酵中的應用控制微生物的代謝調(diào)節(jié)機制，以積累所需的代謝產(chǎn)物1.應用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)2.應用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)3.控制細胞膜的滲透性營養(yǎng)缺陷型菌株的應用利用谷氨酸缺陷型賴氨酸的合成肌苷酸的合成抗反饋調(diào)節(jié)的應用 控制細胞膜的滲透性解除濃度積