微生物的代谢与发酵

关于微生物的代谢与发酵第1页，共130页，2023年，2月20日，星期四第一节微生物的酶一酶活细胞产生的，具有蛋白质性质的有机催化剂。

19世纪末德国生物学家毕希纳（EdwardBuchner）证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶，目前,人类已经发现并鉴定出3000多酶。酶作为一种催化剂，已被广泛地应用于各个生产领域。

第2页，共130页，2023年，2月20日，星期四酶工程在农业中的应用_饲料加工

将饲料分解为可消化吸收的小分子物质，直接提高饲料的利用率去除抗营养因子，改善消化机能，促进动物机体对营养物质的吸收扩大饲料的来源改善动物的内分泌，增强抗病能力，促进动物生长第3页，共130页，2023年，2月20日，星期四二酶的特性

高效性:极少量的酶也具有较强的催化作用.酶的催化效率比没有催化剂催化的反应高108～1020倍，比一般催化剂催化的反应高107～1013倍，如脲酶水解尿素的反应效率比酸水解尿素高7×1012倍左右。专一性:一种酶只催化一种反应或一类反应。

反应条件温和:酶的催化作用一般在常温、常压、接近中性pH等较温和的条件下进行。

敏感性:第4页，共130页，2023年，2月20日，星期四三微生物酶的分类及应用微生物酶的分类(传统分类法):淀粉酶:淀粉酶是能够分解淀粉糖苷键的一类酶的总称.主要是黑曲霉(左美曲霉、泡盛曲霉)、根霉(雪白根酶、德氏根霉)、拟内孢霉、红曲霉。蛋白酶:蛋白酶系催化分解蛋白质肽键的一群酶的总称，它作用于蛋白质。酸性蛋白酶(最适pH=2～5)产生菌主要是黑曲霉、米曲霉、根霉、微小毛霉、似青霉、青霉、血红色螺孔菌等的某些种；中性蛋白酶(最适pH=7～8)产生菌主要是枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、腊状芽孢杆菌、米曲霉、栖土曲霉、灰色链霉菌、微白色链霉菌、耐热性解蛋白质杆菌等；碱性蛋白酶(最适pH=9～11)主要产生菌为枯草杆菌、腊状芽孢杆菌、米曲霉、栖土曲霉、灰色链霉菌、镰刀菌等。第5页，共130页，2023年，2月20日，星期四纤维素酶:一类酶的总称，因此纤维素酶又有纤维素酶复合物之称。微生物主要是木菌、黑曲霉、青霉和根霉，此外，漆斑霉、反刍动物瘤胃菌、嗜纤维菌、产黄纤维单孢菌、侧孢菌、粘细菌、梭状芽孢杆菌等也能产生纤维素酶。半纤维素酶:半纤维素酶是分解半纤维素(包括各种降戊糖与聚己糖)的一类酶的总称。曲霉、根霉、木霉发酵产生果胶酶:果胶酶是分解果胶的酶的通称，也是一个多酶复合物.主要是霉菌，常用菌种有文氏曲霉、苹果青霉、黑曲霉、白腐核菌、米曲霉、酵母等，此外，木质壳霉、芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、葡萄孢霉、镰刀霉也能产生果胶酶。脂肪酶:脂肪酶作用于脂肪中的酯键，将脂肪分解成脂肪酸和甘油。主要有假丝酵母、园酵母、黑曲霉、根霉、白腐核菌、白地霉、青霉、毛霉、镰刀霉及假单孢菌、无色杆菌、葡萄球菌等。植酸酶:植酸酶是降解饲料中植酸及其盐的酶。微生物主要是酵母菌、霉菌和细菌。

第6页，共130页，2023年，2月20日，星期四酶的分类

国际酶学委员会（EnzymeCommission,EC）将所有的酶按它们所催化的反应的性质分为六大类。分类

序号酶的类型催化反应的性质举例1氧化还原酶类(oxidoreductase)脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、加氧酶2转移酶类

(transferase)谷丙转氨酶、已糖激酶3水解酶类

(hydrolase)酯酶、蛋白酶、淀粉酶AH2+BA+BH2AR+BA+BRAB+H2OAOH+BH第7页，共130页，2023年，2月20日，星期四分类

序号酶的类型催化反应的性质举例4裂解酶类

(lyase)醛缩酶、水合酶、脱氨酶、脱羧酶5异构酶类

(isomerase)差向异构酶、顺反异构酶、酮醛异构酶6合成酶类(连接酶类)(ligase)羧化酶、氨酰-tRNA合成酶、天冬酰胺合成酶A－BXYAB＋X－YAA'A＋BABATPADP＋Pi第8页，共130页，2023年，2月20日，星期四四酶在生产中的主要应用第9页，共130页，2023年，2月20日，星期四第二节微生物的代谢微生物代谢：微生物细胞所进行的化学反应的总和。微生物的代谢物质代谢能量代谢产能代谢耗能代谢分解代谢合成代谢第10页，共130页，2023年，2月20日，星期四资料1.若干微生物和动物、植物组织的呼吸速率生物材料消耗O2ul/mg生物干重/hazotobacter固氮菌2000Acetobacter醋杆菌1800面包酵母110肾和肝组织10-20根和叶组织0.5-4微生物代谢的特点相同时间、相同干重前提下耗氧量高。第11页，共130页，2023年，2月20日，星期四资料2大肠杆菌每小时分解的糖是自身重量的2000倍。利用乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000-10000倍的乳糖。产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用牛强10万倍。结论：代谢活动极其旺盛？第12页，共130页，2023年，2月20日，星期四边长4cm边长2cm边长1cm总表面积/总体积

=96/64=1.5/1总表面积/总体积=192/64=3/1总表面积/总体积=384/64=6/1第13页，共130页，2023年，2月20日，星期四代谢意义代谢是生命的基本特征,代谢通过代谢途径完成;代谢途径是不平衡的稳态体系、形式多样、有明确的细胞定位、相互沟通、有能量关联；关键酶限制代谢途径的流量第14页，共130页，2023年，2月20日，星期四一微生物物质代谢之合成代谢

小分子合成复杂大分子的过程（同化作用），这些物质包括蛋白质、核酸、多糖及脂类等化合物。在微生物的合成代谢中有许多过程与其他生物是基本相同的，如蛋白质和核酸等物质的合成，在生物化学中已作了专门介绍。

复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]第15页，共130页，2023年，2月20日，星期四1微生物合成反应的类型微生物合成反应类型分类依据合成反应类型举例产物分子量1.单体合成

2.大分子聚合物合成氨基酸,单糖,单核苷酸

蛋白质,多糖,核酸产物性质1.初级代谢产物

2.次级代谢产物蛋白质,多糖,核酸,脂类

抗生素,激素,毒素,色素合成反应在生物体中的分布1.生物共有合成反应

2.微生物特有合成反应初级代谢产物的合成

肽聚糖合成，固氮，微生物次级代谢反应2.微生物合成代谢的原料

微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2第16页，共130页，2023年，2月20日，星期四小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2来源：直接自外界环境中吸取从分解代谢中获得。（1）还原力--主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即NADPH2或NADH2，这两种物质在转氢酶作用下可以互换。化能异养微生物：化能自养型细菌：通过发酵或呼吸过程形成氢酶催化H2形成NAD(P)H2

（氢细菌等）电子逆转，在消耗ATP的前提下，电子通过在电子传递链上的逆转过程(由高电位向低电位流动)产生NAD(P)H2第17页，共130页，2023年，2月20日，星期四（2）小分子前体碳架物质--这类物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成分的前体物(氨基酸、核苷酸及单糖等)。

形成这些前体物的小分子碳架主要有12种：乙酰CoA、磷酸二羟丙酮、3-磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、α-酮戍二酸、琥珀酸、草酰乙酸、5-磷酸核糖、6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生中间代谢产物分解代谢起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤藓糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰辅酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途径HMP途径HMP途径EMP途径EMP途径ED途径EMP途径三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧脂肪氧化核苷糖类戊糖多糖贮藏物核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖异生CO2固定胞壁酸合成糖的运输丙氨酸缬氨酸亮氨酸CO2固定丝氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸赖氨酸天冬氨酸赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸脂肪酸类异戊二烯甾醇第18页，共130页，2023年，2月20日，星期四（3）能量--微生物合成代谢所需能量来自发酵、呼吸和光合磷酸化过程形成的ATP和其他高能化合物。

3.微生物独特合成代谢举例肽聚糖生物合成微生物特有的结构大分子：细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。合成特点：①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。第19页，共130页，2023年，2月20日，星期四

合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖第20页，共130页，2023年，2月20日，星期四异养菌合成代谢分三层次进行：第一层次：降解反应。（碳的骨架、能量）多糖——单糖——小分子碳的化合物（C1-C7）（酶促）第二层次：小分子合成反应（大分子合成的前提）碳化合物——小分子（氨基酸、氨基已糖、核苷酸）（酶促）第三层次：小分子合成大分子（蛋白质、核酸、多糖）。第21页，共130页，2023年，2月20日，星期四微生物物质代谢之分解代谢

细胞物质或营养物质降解形成简单产物的过程，并释放能量的过程。（异化作用）大多数微生物都能分解糖和蛋白质，少数微生物能分解脂类。第22页，共130页，2023年，2月20日，星期四分解代谢的三个阶段将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的中间产物。将第二阶段的产物完全降解生成CO2

，并将前面形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧化、同时形成大量的ATP。微生物代谢的特点：多样性、适应性、可控性第23页，共130页，2023年，2月20日，星期四1糖的分解：

糖类是异养微生物的主要碳素来源和能量来源，包括各种多糖、双糖和单糖。多糖必须在细胞外由相应的胞外酶水解，才能被吸收利用；双糖和单糖被微生物吸收后，立即进入分解途径，被降解成简单的含碳化合物，同时释放能量，供应细胞合成所需的碳源和能源。

第24页，共130页，2023年，2月20日，星期四2蛋白质及氨基酸的分解：

细菌分解蛋白质的酶有两类，一类为蛋白酶，另一类为肽酶，前者为胞外酶，能将蛋白质分解为多肽和二肽。肽类可进入微生物细胞中，肽酶为胞内酶，将进入细胞内的肽水解为游离的氨基酸，供菌体利用。微生物对氨基酸的分解方式很多，主要为脱氨作用和脱羧作用。不同细菌水解不同氨基酸除生成氨基酸外，还有其他物质产生。如大肠杆菌、枯草杆菌水解含硫氨基酸有H2S产生；大肠杆菌、变形杆菌水解色氨酸，可形成吲哚。有些细菌则不能，因此这些特性可用于细菌的鉴定。第25页，共130页，2023年，2月20日，星期四3脂肪的分解：

脂肪是脂肪酸和甘油的结合物。某些微生物能产生脂肪酶，将脂肪水解为甘油和脂肪酸。甘油和脂肪酸可被微生物摄入细胞内，进行代谢。第26页，共130页，2023年，2月20日，星期四结论分解代谢是合成代谢的基础分解代谢为合成代谢提供能量第27页，共130页，2023年，2月20日，星期四

三微生物能量代谢之产能代谢最初能源有机物还原态无机物日光通用能源（ATP）

一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。

能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。这就是产能代谢。化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物第28页，共130页，2023年，2月20日，星期四异养和自氧微生物都通过生物氧化来进行产能代谢，只是它们利用的底物不同。（？）异养微生物的生物氧化发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸生物氧化反应第29页，共130页，2023年，2月20日，星期四化能异养型微生物的代谢产能方式产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵环境条件有氧无氧无氧终电子受体来源环境，外源性环境，外源性胞内，内源性性质分子氧化合物（通常为无机物）代谢中间产物能进行该代谢产能方式的微生物专性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物专性厌氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厌氧微生物专性厌氧微生物第30页，共130页，2023年，2月20日，星期四★

微生物能量代谢之产能代谢——呼吸作用思考:行呼吸作用的微生物的营养类型是哪一种?（一）微生物产能代谢的本质生物氧化：生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。（产生的能量的用途？）A—H2A辅酶辅酶－H2受氢体受氢体－H2脱氢酶氧化酶生物氧化基本过程第31页，共130页，2023年，2月20日，星期四（二）高能键化合物高能键化合物的共性：高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型——光能光能营养型微生物化能营养型微生物化学能耗能代谢合成代谢和分解代谢ATPADP第32页，共130页，2023年，2月20日，星期四（三）微生物的主要产能方式发酵呼吸无机物氧化光能转换（光合磷酸化）产能方式共同点：氧化还原反应区别点：电子最终受体氧化基质第33页，共130页，2023年，2月20日，星期四(四)呼吸:微生物以O2或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。

(1)特点：b.电子载体传递电子伴随ATP大量形成。（氧化磷酸化、电子传递水平磷酸化)

a.电子载体传递电子。■各呼吸类型的特点.第34页，共130页，2023年，2月20日，星期四

(2)类型（据电子最终受体分）

B.厌氧呼吸：酶系较简单，产物无机化程度较低。其中分子内无氧呼吸氧化最不彻底，产能最少。最终电子受体：无机物；底物：有机物。

NO3－

SO4＝

CO3＝硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原A.有氧呼吸：最终电子受体：分子氧；底物：有机物。分子内无氧呼吸:以基质分解不彻底的中间产物为受氢体的生物氧化。（这一特点与哪种生物氧化相同？）分子外无氧呼吸:以无机氧化物为最终受氢体的生物氧化。思考:有氧呼吸、分子内无氧呼吸、分子外无氧呼吸、发酵所产生的能量大小有什么特点？第35页，共130页，2023年，2月20日，星期四有氧呼吸糖酵解作用有氧无氧葡萄糖丙酮酸发酵三羧酸循环各种发酵产物被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。第36页，共130页，2023年，2月20日，星期四

厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。厌氧呼吸特点第37页，共130页，2023年，2月20日，星期四“鬼火”是如何产生的?

在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。第38页，共130页，2023年，2月20日，星期四C、无机物氧化：

（好氧的化能自养型）H2、NH3、HNO2、H2S（氢细菌、硝化细菌和硫细菌）H2+1/2O2H2O底物：无机物；最终受氢体：氧气

电子传递水平磷酸化或底物水平磷酸化第39页，共130页，2023年，2月20日，星期四D、光能转换：（光合磷酸化）(光能自养微生物)

特点：光合生物、光合色素（蓝细菌：叶绿素，放氧光合作用；细菌：菌绿素，不放氧光合作用）光合磷酸化：光能转变为化学能的过程。主要类群:绿色细菌、紫色细菌、蓝细菌第40页，共130页，2023年，2月20日，星期四产能方式底物电子受体ATP产生方式微生物营养型发酵有机物中间产物底物水平磷酸化化能异养型呼吸有机物O2或无机物电子传递或基质水平化能异养型无机物氧化无机物O2电子传递或基质水平化能自养型光能转换无机物光合磷酸化光能自养异养不同产能方式特征的比较第41页，共130页，2023年，2月20日，星期四微生物的呼吸类型比较呼吸类型生活环境生物氧化方式实例好氧性微生物有氧有氧呼吸很多常见的细菌、放线菌、真菌厌氧性微生物缺氧无氧呼吸或发酵梭状芽孢杆菌、产甲烷杆菌，乳酸菌等兼性厌氧微生物有氧缺氧均可有氧时，进行有氧呼吸；缺氧时，进行发酵或无氧呼吸酵母菌，硝酸盐还原细菌等第42页，共130页，2023年，2月20日，星期四四微生物能量代谢之耗能代谢

1细胞物质的合成CO2的固定生物固氮二碳化合物的同化糖类的合成氨基酸的合成

2其它的耗能代谢运动运输发光第43页，共130页，2023年，2月20日，星期四1微生物代谢过程中的自我调节☆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（constitutiveenzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducibleenzyme），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%。五、微生物的代谢调控第44页，共130页，2023年，2月20日，星期四（1）控制营养物质透过细胞膜进入细胞如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。（实际应用？）第45页，共130页，2023年，2月20日，星期四（2）通过酶的定位控制酶与底物的接触1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各行使某种特异的功能；2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能：与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。第46页，共130页，2023年，2月20日，星期四（3）控制代谢物流向：(通过酶促反应速度来调节)

1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：

2)通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶:某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。①粗调：调节酶的合成量 ②细调：调节现有酶分子的活性

3)通过调节产能代谢速率。第47页，共130页，2023年，2月20日，星期四2酶活性的调节

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。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。调节方式：包括两个方面：(1)、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。

(2)酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。第48页，共130页，2023年，2月20日，星期四概念：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。凡使反应速度加快的称正反馈；凡使反应速度减慢的称负反馈（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、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除。第49页，共130页，2023年，2月20日，星期四(1).直线式代谢途径中的反馈抑制： 苏氨酸脱氨酶苏氨酸 α-酮丁酸 异亮氨酸 反馈抑制(2).分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。反馈抑制的类型第50页，共130页，2023年，2月20日，星期四A合作反馈抑制定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。第51页，共130页，2023年，2月20日，星期四B积累反馈抑制定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。第52页，共130页，2023年，2月20日，星期四Try16%CTP14%氨甲酰磷酸13%AMP41%……积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合成酶的调节第53页，共130页，2023年，2月20日，星期四C顺序反馈抑制

一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节第54页，共130页，2023年，2月20日，星期四D代谢互锁

表面完全不相关的两条途径之间的调节。这种作用一般在高浓度下才显示，且为部分抑制。Asp Asp-p Asa DAP Lys，二氢吡啶二 羧酸合成酶

Hse Thr IlePy 异丙基 Leu

苹果酸第55页，共130页，2023年，2月20日，星期四E同功酶调节——isoenzyme定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。———某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节第56页，共130页，2023年，2月20日，星期四天冬氨酸族

天冬氨酸

E,R IIII E,R 4-磷酸天冬氨酸

E 天冬氨酸半醛 E,R III E二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸 同型丝氨酸磷酸

E,R R O-琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸

E,R六氢吡啶二羧酸 胱硫醚 2-酮丁酸

R

二氨基庚二酸 同型半胱氨酸

R

赖氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸第57页，共130页，2023年，2月20日，星期四●酶活力调节的机制变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。活性位点:与底物结合变构位点:与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合与激活剂结合,构象变化,促进与底物结合

第58页，共130页，2023年，2月20日，星期四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，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。4.2.1酶合成调节的类型4.2.1.1.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合成β-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。诱导物(inducer)：底物或结构类似物，如：异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG，isopropylthiogalactoside）。

★诱导作用的类型：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。第59页，共130页，2023年，2月20日，星期四按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类:组成酶(Structuralenzymes)它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径（EMP）有关的酶。诱导酶(Inducibleenzyme)只有在环境中存在诱导剂（Inducer)时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止第60页，共130页，2023年，2月20日，星期四阻遏（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：①末端产物阻遏（end-productrepression）：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。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。②分解代谢物阻遏（cataboliterepression）：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，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（diauxicgrowth）”.直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物——实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。第61页，共130页，2023年，2月20日，星期四●酶合成调节的机制操纵子学说概述：(1)操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。①结构基因(structuralgenes)：是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出相应的酶;（编码蛋白质的DNA序列）②启动子(promoter)：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）③操纵子（operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；④调节基因（regulatorgene）：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。第62页，共130页，2023年，2月20日，星期四(2)诱导物（inducer）与辅阻遏物（corepressor）——

诱导物——是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因的结合促进转录进行）；辅阻遏物——是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等；（调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合抑制转录进行）；

它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物（effecor），可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因的结合能力。(3)阻遏物（repressor）与和阻遏物蛋白（aporepresseor）——二者都是由调节基因编码产生特异性调节蛋白(regulatorypotein)，；它俩是一类低分子量变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一位点可与效应物结合；当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用，变构后与操纵基因的结合能力可提高或下降。（有活性——可与O结合；无活性——不与O结合）阻遏物:能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白；阻遏物蛋白:只能再有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。第63页，共130页，2023年，2月20日，星期四对数生长期的大肠杆菌（E.coli）培养基中加入乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成

正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。E.coli乳糖操纵子学说(负调节）第64页，共130页，2023年，2月20日，星期四六生物热的利用第65页，共130页，2023年，2月20日，星期四第三节微生物的代谢产物一分解代谢产物的生化反应微生物生化反应是指用化学反应来测定微生物的代谢产物,生化反应常用来鉴别一些在形态和其它方面不易区别的微生物.因此微生物生化反应是微生物分类鉴定中的重要依据之一.第66页，共130页，2023年，2月20日，星期四1糖发酵实验不同的细菌具有不同的糖酶以分解相应糖类，而且分解各种糖类后的终末产物也不一致，有的产酸，有的还产生气体，籍此可以作为鉴别细菌的一种依据，对肠道细菌鉴定尤为常用。第67页，共130页，2023年，2月20日，星期四结果：在未接种细菌前，培养管应澄清、紫色、小倒立管内无气泡。接种细菌后观察结果时，应先确定细菌是否生长，生长时则培养基变混浊。若能发酵培养基中所含的糖而产酸，则该培养基变黄色，记录结果以“+”号表示之。如该菌发酵糖时产酸兼产气，则培养基除变黄色外，其中倒立之小玻璃管有气泡，此时以“⊕”号记录之。如不发酵时，培养基不变色，则用“-”号记录之。

第68页，共130页，2023年，2月20日，星期四糖发酵试验第69页，共130页，2023年，2月20日，星期四2V—P（Voges-Proslauer）试验

某些细菌能分解葡萄糖，产生丙酮酸，再将丙酮酸脱羧变为中性的乙酰甲基甲醇。乙酰甲基甲醇在碱性环境下，被空气中的氧氧化为二乙酰，二乙酰与蛋白胨水中的精氨酸所含的胍基起反应，生成红色的化合物，即为V—P试验阳性。第70页，共130页，2023年，2月20日，星期四方法：将大肠杆菌、产气杆菌分别接种于2支葡萄糖蛋白胨水。37℃孵育48小时后，分别加入等量李氏（Leifson）试剂，摇匀后不加塞，静置30分钟观察结果，出现红色者为阳性反应。

第71页，共130页，2023年，2月20日，星期四VP试验阴性阳性大肠杆菌：—产气杆菌：+第72页，共130页，2023年，2月20日，星期四3甲基红试验

许多细菌如大肠杆菌等，分解葡萄糖产生丙酮酸，丙酮酸再被分解，产生甲酸、乙酸、乳酸等。这样使培养基的pH降至4.5以下，这时加入甲基红试剂便呈红色。第73页，共130页，2023年，2月20日，星期四分别接种大肠杆菌及产气杆菌于两支葡萄糖蛋白胨水中，置37℃孵育18—24小时，滴加甲基红试剂数滴，立即观察结果。甲基红为指示剂，变色范围为pH4.4（红色）—6.2（黄色）。若细菌分解葡萄糖产酸量少，或产生的酸进一步转化为其它物质（如醇、醛、酮、气体和水等），则培养基的酸碱度仍在pH6.2以上，故加入甲基红指示剂呈黄色。红色为阳性反应，黄色为阴性反应。第74页，共130页，2023年，2月20日，星期四甲基红试验阳性阴性对照大肠杆菌：+产气杆菌：—第75页，共130页，2023年，2月20日，星期四4柠檬酸盐利用试验

在柠檬酸盐培养基中，柠檬酸钠为碳的唯一来源，磷酸二氢铵为氨的唯一来源。有的细菌如产气杆菌等，可利用柠檬酸盐作为碳源，能在此培养基上生长，并分解枸椽酸盐而最后产生碳酸，使培养基变碱性，这样培养基中的澳麝香草酚蓝指标由绿色变深蓝色，即为柠檬酸盐利用试验阳性。若细菌不能利用枸椽酸盐为碳源，在此培养基上就不生长，培养基则不变色，则为柠檬酸盐利用试验阴性。第76页，共130页，2023年，2月20日，星期四方法：分别接种大肠杆菌、产气杆菌于2支柠檬酸盐培养基；37℃孵育24-48小时，观察结果，若有菌苔出现，培养基变为深蓝色则为阳性。第77页，共130页，2023年，2月20日，星期四柠檬酸利用试验大肠杆菌：—产气杆菌：+第78页，共130页，2023年，2月20日，星期四5靛基质（吲哚）产生试验

有些细菌能分解培养基中蛋白胨内的色氨酸形成靛基质（又称吲哚），靛基质为无色，不能直接观察，当加靛基质试剂（欧氏柯氏试剂）时，试剂中的对二甲基氨基苯甲醛与靛基质结合而成红色的玫瑰靛基质，则可为肉眼识别。第79页，共130页，2023年，2月20日，星期四方法：取大肠杆菌蛋白胨水培养物及伤寒杆菌蛋白胨水培养物各一管，沿管壁徐徐加入靛基质试剂（约0.3ml），如在试剂与培养物接触面之间有玫瑰红色出现者为阳性。大肠杆菌靛基质试验阳性，而伤寒杆菌为阴性。第80页，共130页，2023年，2月20日，星期四阳性吲哚试验大肠杆菌：+产气杆菌：—第81页，共130页，2023年，2月20日，星期四6硫化氢产生试验

某些细菌能分解培养基中胱氨酸等含硫氨基酸，生成硫化氢，硫化氢遇铅盐（或铁盐如硫酸亚铁）则形成黑褐色硫化铅或硫化亚铁的沉淀物。黑色沉淀愈多，表示生成的硫化氢量亦愈多。第82页，共130页，2023年，2月20日，星期四方法：分别穿刺接种大肠杆菌、变形杆菌至两管醋酸铅培养基中，37℃孵育24小时后观察，穿刺线部位呈黑褐色者为阳性，不变色者为阴性。第83页，共130页，2023年，2月20日，星期四H2S试验第84页，共130页，2023年，2月20日，星期四7尿素酶试验

细菌分解尿素产生两分子氨，使培养基pH升高，指示剂酚红显示出红色，即证明细菌有尿素酶。方法：用接种环将待检菌培养物接种于尿素琼脂斜面，不要穿刺到底，下部留作对照。置37℃培养，于1-6h检查（有些菌分解尿素很快），有时需培养24h到6d（有些菌则缓慢作用于尿素）。阳性反应，则琼脂斜面由粉红到紫红色。第85页，共130页，2023年，2月20日，星期四尿素酶试验对照阳性阴性第86页，共130页，2023年，2月20日，星期四第87页，共130页，2023年，2月20日，星期四二合成代谢产物类型

1、细胞结构物质（蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸）2初级代谢产物：微生物通过代谢活动产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。

初级代谢（初级代谢产物）

与微生物的产能代谢和耗能代谢的有关的代谢类型。例：氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素。初级代谢物的应用？第88页，共130页，2023年，2月20日，星期四3次生代谢产物次级代谢产物：微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对微生物无明显生理功能或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。例：抗生素、毒素、激素、色素、微生素。次级代谢（次生代谢产物）：避免初级代谢过程中某种中间产物积累造成的毒害的而产生的一类有利于生存的代谢类型。第89页，共130页，2023年，2月20日，星期四初级代谢产物和次级代谢产物的不同初级代谢产物次级代谢产物生长繁殖是否必需

产生阶段

菌种特异性

分布

位置

种类

是否始终产生生长到一定阶段后产生无有细胞内细胞内或细胞外氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等激素、毒素、色素、抗生素第90页，共130页，2023年，2月20日，星期四热原质(pyrogen)：或称致热原。是细菌合成的一种注入人体或动物体内能引起发热反应物质。产生热原质的细菌大多是革兰阴性菌，热原质即其细胞壁的脂多糖。毒素与侵袭性酶：细菌产生外毒素和内毒素两类毒素。外毒素(exotoxin)是多数革兰阳性菌和少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中释放到菌体外的蛋白质；内毒素(endotoxin)是革兰阴性菌的脂多糖。4合成代谢产物第91页，共130页，2023年，2月20日，星期四色素：细菌的色素有两类——水溶性色素，能弥散到培养基或周围组织。脂溶性色素，不溶于水，只存在与菌体，是菌落显色而培养基颜色不变。抗生素：某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质。细菌素：某些细菌能产生一种仅作用于有近缘关系的细菌的抗菌物质，称细菌素。细菌素为蛋白类物质，抗菌范围很窄，无治疗意义，但可用于细菌分型和流行病学调查。细菌素以生产菌而命名。大肠杆菌产生的细菌素称大肠菌素，绿脓杆菌产生的称绿脓菌素，霍乱弧菌产生的称弧菌素。

维生素：细菌能合成某些维生素除供自身需要外，还能分泌只周围环境中。第92页，共130页，2023年，2月20日，星期四微生物细胞中的酶组成酶

细胞中始终存在的酶诱导酶环境中某种物质诱导下产生的酶。（诱导物：该酶的底物）1、酶合成的调节：大肠杆菌对葡萄糖和乳糖的利用差异。三微生物代谢的调节：基因处于打开状态。基因有条件的表达。第93页，共130页，2023年，2月20日，星期四乳糖代谢基因分别编码β-半乳糖苷酶、渗透酶、转乙酰基酶第94页，共130页，2023年，2月20日，星期四乳糖代谢基因第95页，共130页，2023年，2月20日，星期四2、酶活性的调节通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率。

代谢产物和酶结合，致使酶的结构发生改变。但这种变化是可逆的，当代谢产物和酶脱离后，酶结构就会复原，又恢复原有活性。意义：微生物细胞内一般不会积累大量的代谢产物。产物抑制（或激活）。第96页，共130页，2023年，2月20日，星期四酶合成的调节和酶活性的调节的比较酶合成的调节酶活性的调节调节对象调节机制特点意义诱导酶的合成酶的活性对基因表达的调控以反馈的方式调节反应过程较慢快速、精细避免物质和能量的浪费避免代谢产物的积累第97页，共130页，2023年，2月20日，星期四(一)、生物合成途径的代谢调控；

1、终产物阻遏（endproductrepression)

终产物阻遏该途径所有酶的合成。2、反馈（feedback)或变构抑制(allostericinhibition)：终产物对该合成途径第一酶合成的抑制ABCDE1E2E3Gene1Gene2Gene3终产物反馈抑制mRNA合成被阻遏DNAmRNA总结第98页，共130页，2023年，2月20日，星期四1、酶的诱导（enzymeinduction):

底物或其结构类似物活化与降解有关的酶。乳糖操纵子学说。

2、分解代谢产物阻遏（cataboliterepression)：葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。(二)、分解途径的代谢调控：第99页，共130页，2023年，2月20日，星期四

（三）微生物代谢的人工控制1、措施改变微生物遗传特性。改变细胞膜的通透性。2、目的：获得更多的代谢产物。第100页，共130页，2023年，2月20日，星期四第四节微生物的发酵生产一发酵（代谢发酵)和发酵工程工业发酵：利用微生物进行大规模生产的过程。发酵工程:采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。第101页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

第102页，共130页，2023年，2月20日，星期四二发酵的特点：有机物氧化的基质最终受氢体有机物氧化有机物第103页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程所利用的微生物主要是哪些?细菌、放线菌，酵母菌和霉菌

利用微生物的特点：

(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力

(2)有极强的消化能力

(3)有极强的繁殖能力第104页，共130页，2023年，2月20日，星期四三微生物发酵技术的产生

1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”

巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。

同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。

第105页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工业经历了哪几个阶段？原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理

。）

传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模一般不大。）现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。

）生物技术产业阶段（利用构建的基因工程菌生产

）第106页，共130页，2023年，2月20日，星期四思考讨论：抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。第107页，共130页，2023年，2月20日，星期四五发酵的流程空气空气净化处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源、无机盐等营养物质灭菌产物分离纯化成品第108页，共130页，2023年，2月20日，星期四菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验第109页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程第110页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程第111页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程第112页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程（味精的生产过程）我国工业生产味精使用的菌种主要是经过诱变育种得到的营养缺陷型的北京谷氨酸棒状杆菌

第113页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程啤酒制造工艺流程第114页，共130页，2023年，2月20日，星期四发酵工程啤酒制造工艺流程第115页，共130页，2023年，2月20日，星期四FERMENTATIONProcessControl上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES发酵工程(Fermentationengineering)组成

从广义上讲，由三部分组成：

上游工程、发酵工程、下游工程第116页，共130页，2023年，2月20日，星期四三发酵工艺条件的控制组成和各成分的比例例如：种子培养基、发酵培养基、扩大培养基控制发酵条件例如：温度、PH、氧气、等第117页，共130页，2023年，2月20日，星期四四、发酵方法的类别1根据对氧的需要区分：厌氧和有氧发酵

2根据培养基物理性状区分：液体和固体发酵

3根据从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵第118页，共130页，2023年，2月20日，星期四六微生物的应用酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。

第119页，共130页，2023年，2月20日，星期四醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因