chap5-微生物的新陈代谢

1、代谢（metabolism,细胞内发生的各种化学反应的总称,复杂分子 （有机物,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种,生物氧化的功能为： 产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物,自养微生物利用无机物 异养微生物利用有机物,生物 氧化,能量,微生物直接利用,储存在高能化合物（如ATP）中,以热的形式被释放到环境中,分为两个阶段： 1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分

2、碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛,HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径,6-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。 甘油醛-3-磷酸出路： a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA 途径 b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。 特点： a 、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成， b、产大量的NADPH+H+还原力 ； c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖 ） d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存 e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径,过程： （4步反应）

3、 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脱水酶,3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸,KDPG醛缩酶,特点: a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶 细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等,2、发酵类型 1） 乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP 条件：pH 3.54.5 , 厌氧 菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等,EMP,发酵是厌氧微生物在生长过程中获得能量的一种主要方式。糖酵解作用是各种发酵的基础，而

4、发酵是糖酵解过程的发展,b、细菌型乙醇发酵 (发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌) 同型酒精发酵 1 G 2 丙酮酸 代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低,ED,乙醇 + 1ATP,异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌） 1 G 2 丙酮酸,丙酮酸甲酸解酶,乙醛 乙醇,甲酸 + 乙酰- CoA,无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶,2）乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌、肠膜明串株菌 双歧双歧杆菌等） EMP途径（丙酮酸 乳酸,3)混合酸、丁二醇发酵 a 混合酸发酵： 肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等,1 G,丙酮酸,乳酸,乳酸脱氢酶

5、,磷酸转乙酰基酶,乙醛脱氢酶,乙酸激酶,乙醇脱氢酶,乙酸,乙醇,E.coli与志贺氏菌的区别： 葡萄糖发酵试验： E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2 + H2 （甲酸氢解酶、H+） 志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气,CO2 + H2,b 丁二醇发酵（2，3-丁二醇发酵） 肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等,丙酮酸,乙酰乳酸,3-羟基丁酮,乙二酰,红色物质,乙酰乳酸脱氢酶,OH-、O2,中性,丁二醇,精氨酸胍基,其中两个重要的鉴定反应： 1 、VP实验 2、甲基红（M.R）反应(可检验酸的存在) 产气肠杆菌： V.P.试验（+），甲基红（-） E.coli： V.P.试验（-），甲基红（,V.P.

6、试验的原理,一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌 光能营养型生物 不产氧 （仅原核生物有）：光合细菌 1、光合细菌类群 1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。含有叶绿素a (H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用,2）不产氧光合细菌 a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 b。 紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科） 含紫色类胡萝卜素，菌体较大。 氢供体：H2S、H2 或 有机物。 H2S S SO42- ； 少数暗环境以S2O32-作为电子供体,氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+ 氧化产生Fe(OH)

7、3沉淀,紫色非硫细菌（红螺菌科）： 旧认为不能利用硫化物作为电子供体；现知大多数亦能利用硫化物，但浓度不能高。 b、绿色细菌（绿硫细菌） 含较多的菌绿素c、d 或 e ，少量 a 。 电子供体：硫化物 或 元素硫；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物,2、细菌光合色素 光合色素是光合生物所特有的物质，有主要色素和辅助色素，主要色素是叶绿素和细菌叶绿素，辅助色素有类胡萝卜素和藻胆色素。 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。 a ：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。 b：最大吸收波长8401030。 3）辅助色素

8、：提高光利用率 类胡萝卜素： 藻胆素：篮细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620 640 nm） 藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素,3、细菌光合作用 1）循环光合磷酸化 光反应中心的叶绿素通过吸收光能而逐出电子使自己处于氧化状态。逐出的电子通过电子呼吸链，再返回叶绿素本身，从而使叶绿素分子回复到原来的状态。电子在传递过程中产生ATP。这种由光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式称为光合磷酸化。 特点： a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素； b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物； c、不产氧（O2,光驱使下，电子

9、自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP,紫色细菌循环光合磷酸化过程,外源电子供体 H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。 特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，电子传递不形成环式回路。反应中心的还原依靠外源电子供体，如S2-、S2O32-等。外源电子供体在氧化过程中放出电子，经电子传递系统传给失去了电子的光合色素，使其还原，同时偶联ATP的生成。由于这个电子传递途径也没有形成环式回路，故也称为非环式光合磷酸化,绿硫细菌和绿色细菌(非环式光合磷酸化,2）非循环光合磷酸化 特点： a、电子传递非循环

10、式； b、在有氧的条件下进行； c、存在两个光合系统 d、ATP、还原力、O2同时产生 当光反应中心I的叶绿素吸收光能后释放的电子，通过电子传递体还原NAD+（NADP）生成NADH（NADPH）+H(还原力)。光合系统II吸收光能，使水光解产生电子，电子通过电子传递链还原反应中心I的叶绿素，并产生ATP（琥珀酸，硫化氢等物质氧化放出电子，该电子通过电子传递链还原氧化型的反应中心I的叶绿素，并产生ATP,蓝细菌等的产氧光合作用非循环光合磷酸化过程,3）依靠菌视紫红质的光合作用 无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。 极端嗜盐古细菌 菌视紫红质： 以“视黄醛”（

11、紫色）为辅基。 与叶绿素相似，具质子泵作用。 与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡 萝卜素）内,ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP,二、细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌： 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。 最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2)。 利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。 最重要反应： CO2 还原成CH20水平的简

12、单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程,化能自养细菌的能量代谢特点： 无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。 电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。 产能效率，即氧化磷酸化效率(P0值)通常要比化能异养细菌的低。 生长缓慢，产细胞率低,1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用,a、亚硝化细菌 NH3 +O2 + 2H+ NH2OH + H2O,根据它们氧化无机化合物的不同,也

13、称氨氧化细菌 (产生1分子ATP,2 氢细菌（氢氧化细菌） 能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogen oxidizing bacteria)。 兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。 产能： 2H2 + O2 2 H2O 合成代谢反应： 2H2 + CO2 CH2O + H2O,3 硫细菌（硫氧化细菌,利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行

14、自养生长,主要指化能自氧型硫细菌 大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经cyt.c部位进入呼吸链； 而脱氮硫杆菌从FP或 cyt.b水平进入。 嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2)氧化成铁离子(Fe3,4 铁细菌和细菌沥滤 (1) 铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。） 定义：能氧化Fe2成为Fe3并产能的细菌被称为铁细菌或铁氧化细菌。包括亚铁杆菌属(、嘉利翁氏菌属、纤发菌属、泉发菌属和球衣菌属的成员。 有些氧化亚铁硫杆菌和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2)氧化成铁离子(Fe3)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。

15、大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。 大多数铁细菌还是嗜酸性的。 铁细菌的细胞产率也相当低,2) 细菌沥滤 利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。 原理： a、浸矿剂的生成 2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 2Fe2（SO4）3 + 2 H2O b、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出 CuS + 2 Fe2（SO4）3 + 2H2O + O2 CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4 c、铁

16、屑置换CuSO4中的铜 CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu 适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出 率达70% 80,1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。 自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等） 共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌： 必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。 根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属,2、固氮机制,1）固氮反应的条件 a ATP的供应： 1 mol N2 10 15 ATP b 还原力H及其载

17、体 氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。 电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧 还蛋白（Fld） 。 c 固氮酶（组分I 和组分II 都含有铁和硫原子，比例1:2） 组分 I ：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋 白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd,组分II,固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮 铁氧还蛋白（AzoFd） 特性： 对氧极为敏感；需有Mg2+的存在； 专一性：除N2外，可还原其他一些化合物 C2H2 C2H4； 2H+ H2 ； （乙炔反应：可用来测知酶活） d 还原底物N2： NH3存在时会抑制固氮作用,N2 + 2e + 6H+ +（18 24）ATP 2NH3 + H2 +（

18、18 24）ADP + 18 24 Pi a、固氮酶的形成 e 组分II 组分II（e）MgATP 组分I + N2 IN2 b、固氮阶段 N2* 2NH3 + H2 即 75% 还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费,2）固氮生化过程,Fd，Fld,固氮酶（1：1复合物,3、好氧性固氮菌的防氧机制,固N酶遇氧不可逆失活 （组分I，半衰期10；组分II，45”丧失一半活性） （1）自身固N菌 a 呼吸保护 固N菌科的固N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。 b 构象保护 高氧分压环境，固氮酶能形成一无固N活性但能防止氧损伤的特殊构象。 构象保护的蛋白质 Fe-s蛋白II 氧压增高，

19、固氮酶与Fes蛋白II结合，构象变化，丧失固N能力； 氧浓度降低，蛋白自酶上解离,2) 蓝细菌保护固N酶机制 a 分化出特殊的还原性异形胞（适宜固氮作用的细胞） I、厚壁，物理屏障； II、缺乏氧光合系统II，脱氢酶、氢化酶活性高； III、SOD活性很高； IV、呼吸强度高 b 非异形胞蓝细菌固N酶的保护 缺乏独特的防止氧对固N酶的损伤机制。 I 、固N、光合作用在时间上分隔开 织线蓝菌属（黑暗：固N ； 光照：光合作用） II、形成束状群体（束毛蓝菌属），利于固N酶在微氧环境下固N III、提高胞内过氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属,I、豆科植物的共 生菌 以类菌体形式存在于根瘤

20、中 类菌体周膜：豆血红蛋白，可与氧可逆结合 （高时结合，低时释放） 豆血红蛋白：蛋白部分由植物基因编码；血 红素有根瘤菌基因编码。 II、非豆科植物共生菌 含植物血红蛋白（功能相似豆血红蛋白） Frankin放线菌： 营养菌丝末端膨大的泡囊类似异形胞,c 根瘤菌保护固N酶机制,第四节 微生物次级代谢与次级代谢产物 一、次级代谢与次级代谢产物 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。 次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生

21、长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等,次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，比如糖降解过程中的乙酰-CoA是合成四环素、红霉素的前体；一般菌体的次级代谢在对数生长后期或稳定期间进行，受环境条件的影响； 次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。 次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一般性的生理功能，也不是生物体生长繁殖

22、的必需物质，但对其它生物体往往具有不同的生理活性作用，因此，人们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物,二、次级代谢的调节 1初级代谢对次级代谢的调节 次级代谢与初级代谢类似，它在调节过程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的诱导和阻遏。 2含氮化合物对次级代谢的调节作用 菌体内的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平与抗生素的产量间呈正相关性，丙氨酸脱氢酶(ADH)水平与利福霉素SV合成则呈负的相关性，而ADH和GS同化氨途径受培养基中氨浓度的调节，因此，氨浓度的调节影响抗生素的产量。 3诱导作用及产物的反馈抑制,一、微生物代谢产物的利用 利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各

23、种发酵产品。 按照积累产物类型： 初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶； 次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。 按照发酵类型： 自然发酵：酒精、乳酸等， 代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等； 中间产物，柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、 高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等,第五节 微生物代谢与生产实践,1发酵条件的控制 人们通过对微生物菌种营养和培养条件的控制生产所要的目的产品: 1）培养条件：温度、pH值、渗透压的控制； 2）营养成分的控制：葡萄糖浓度、碳氮比、生长因子、无机离子等； 3）溶解氧的控制：通气量，搅拌等,2代谢调节的控制,1）应用营养缺陷型菌株以解除正

24、常的反馈调节 赖氨酸发酵（高丝氨酸缺陷型菌株,在这个代谢工程的设计中，是利用阻断分支途径的高丝氨酸的合成，来解除(Lys+Thr)的反馈调节。即造成高丝氨酸缺陷型(Hser一)，就可解除末端产物对限速酶的反馈抑制,选育细胞膜缺损突变株 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，限制细胞膜磷脂中不饱和脂肪酸的合成而使细胞膜缺损，利于代谢产物渗漏而提高谷氨酸的产量。 生物素缺陷型原理 在脂肪酸生物合成途径中，由乙酰辅酶A羧化成丙二酸单酰辅酶A的反应是一个限速步骤，该反应由乙酰辅酶A羧化酶系催化，包括生物素羧化酶，羧基转移酶和生物素羧基载体蛋白CCP，并且需要生物素作

25、辅酶。选育生物素营养缺陷型菌株，使细胞中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的合成受阻，从而影响到磷脂的合成。在培养时限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度来调节透性,2）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节,抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。如Corynebacteriumcrenatum(钝齿棒杆菌)的抗-氨基-羟基戊酸（AHV）菌株能积累苏氨酸,3微生物代谢与代谢工程,近年来，基因工程的不断发展，也为微生物代谢在发酵生产的应用提供了新

26、的方法。 人们通过分子生物学技术和DNA重组技术, 可以定向地对细胞代谢途径进行修饰或引入新的反应，以改进产物的生成或改变细胞的代谢特性。但这些改进都是与微生物的基因调控和代谢调控及生化工程相结合来实现的。 利用DNA重组技术改变微生物代谢流，扩展和构建新的代谢途径，或通过关联酶将两个代谢途径连接形成新的的代谢流的研究，取得了令人瞩目的进展,克隆来自细菌的木糖异构酶基因， 克隆来自柄状毕赤酵母（Pichia stipitis）的木糖还原酶和木糖醇脱氢酶基因,引入木糖代谢途径（戊糖代谢生产乙醇的代谢工程） 酵母菌Saccharomyces的代谢工程,二、微生物代谢活性的利用 1生物转化 生物转化是指利用生物体代谢过程中产生的酶使底物进行有机反应。生物转化一般采用微生物细胞或微生物酶作催化剂，故又称作微生物转化。 微生物转化的一个重要领域是手性化合物的合成与拆分。 主要应用在药物、香料，杀虫剂、杀菌剂，除