微生物的代谢与调节及其人工控制

合成代谢anabolism

在合成酶系的催化下，由简单的小分子、能量（ATP）和还原力（[H]）一起合成复杂的生物的大分子的过程。分解代谢catabolism

指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(ATP)、和还原力（[H]）的过程。复杂分子(有机物)分解代谢酶系合成代谢酶系简单分子+ATP+[H]现在是1页\一共有107页\编辑于星期三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、可控性现在是2页\一共有107页\编辑于星期三初级代谢和初级代谢产物初级代谢primarymetabolism微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程。初级代谢产物primarymetabolites包括所有与细胞合成有关的物质如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有机酸、酶现在是3页\一共有107页\编辑于星期三次级代谢和次级代谢产物次级代谢secondarymetabolism微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明显确切功能的物质的过程。次级代谢产物secondarymetabolites抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等现在是4页\一共有107页\编辑于星期三现在是5页\一共有107页\编辑于星期三第一节微生物的代谢一、微生物的能量代谢新陈代谢中的核心问题：能量代谢能量代谢的中心任务：是生物体如何把环境中多种形式的最初能源转换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。生物体能量代谢的实质：ATP和酰基辅酶A、酰基磷酸等的生成和利用问题。即ATP的生成和利用的问题。现在是6页\一共有107页\编辑于星期三能源的转化现在是7页\一共有107页\编辑于星期三（一）生物氧化反应一系列酶在温和条件下按一定次序的催化放能分阶段进行释放的能量部分贮藏在能量载体中现在是8页\一共有107页\编辑于星期三生物氧化与普通氧化反应的区别比较项目燃烧生物氧化步骤一步式快速反应多步式梯级反应条件激烈温和催化剂无酶产能形式热、光大部分为ATP能量利用率低高现在是9页\一共有107页\编辑于星期三生物氧化反应的三个阶段脱氢：一种失去电子或氢的过程电子供体：被氧化的物质电子受体：接受电子的物质递氢：电子供体氧化脱下的氢交给氢载体，并通过多个载体完成电子从供体到受体的传递不直接交给电子受体受氢：最终电子受体接受载体上电子的过程现在是10页\一共有107页\编辑于星期三（二）电子载体自由扩散型NAD+和NADP+，氢原子的载体电极对的还原电势相同，功能不同NAD+/NADH直接参与产能反应NADP+/NADPH主要参与合成反应与细胞膜紧密结合型电子传递系统或电子传递链组成：多酶体系，一系列能够进行氧化和还原的载体分布：不对称排列在膜上，定向有序传递现在是11页\一共有107页\编辑于星期三（三）生物能的产生借助于磷酸化反应ADP形成ATP，实现能量存储现在是12页\一共有107页\编辑于星期三1.底物水平磷酸化生物氧化过程中生成的含有高能键的化合物在酶的作用下，直接将能量转给ADP（GDP）生成ATP（GTP）存在于呼吸和发酵过程中发酵过程中唯一能量获取方式现在是13页\一共有107页\编辑于星期三微生物代谢中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反应偶联形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸

→3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸

→丙酮酸ATP琥珀酰辅酶A→琥珀酸GTP乙酰磷酸

→乙酸ATP丙酰磷酸

→丙酸ATP丁酰磷酸

→丁酸ATP甲酰四氢叶酸

→甲酸ATP现在是14页\一共有107页\编辑于星期三2.电子传递氧化磷酸化生物氧化中伴随着电子传递发生的磷酸化作用发生在呼吸作用（有氧或无氧）中呼吸时大多数伴随ATP的合成典型的呼吸链：3分子ATP，2分子ATP（黄素蛋白起始）现在是15页\一共有107页\编辑于星期三化学渗透学说(chemiosmotichypothesis)现在是16页\一共有107页\编辑于星期三3.光合磷酸化只发生在光合细胞中循环式光合磷酸化：反应产物只有ATP非循环式光合磷酸化：反应的产物是ATP、氧和NADPH

现在是17页\一共有107页\编辑于星期三循环式光合磷酸化

现在是18页\一共有107页\编辑于星期三非循环式光合磷酸化

现在是19页\一共有107页\编辑于星期三（四）微生物能量代谢的多样性能源物质的多样性能源物质在微生物中的代谢途径多样性不同环境条件下微生物产能方式的多样性现在是20页\一共有107页\编辑于星期三不同微生物中葡萄糖降解途径的分布

微生物EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母8812－产朊假丝酵母66～8119～34－灰色链霉菌973－产黄青霉7723－大肠杆菌7228－铜绿假单胞菌－2971嗜糖假单胞菌－－100枯草芽孢杆菌7426－氧化葡糖杆菌－100－真养产碱菌－－100运动发酵单胞菌－－100藤黄八叠球菌7030－现在是21页\一共有107页\编辑于星期三二.化能营养型微生物的能量代谢（一）能源化合物有机化合物糖类、醇、醛、有机酸、氨基酸、烃类、芳香族化合物葡萄糖：化能有机营养型微生物的主要能源其它单糖代谢转化为糖酵解的中间产物多糖经转化或降解其它非糖有机化合物经转化进入葡萄糖降解途径有机能源化合物代谢的基本途径：葡萄糖降解途径或单糖降解途径现在是22页\一共有107页\编辑于星期三（二）能源化合物的生物氧化生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子生物氧化的过程：脱氢（或电子），递氢（或电子），受氢（或电子）生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力[H]、产小分子中间代谢物生物氧化的类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵

现在是23页\一共有107页\编辑于星期三1、有氧呼吸aerobicrespiration以分子氧作为最终电子受体的生物氧化作用需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行有氧呼吸现在是24页\一共有107页\编辑于星期三（1）与磷酸化作用相偶联C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+68800卡（部分转化成ATP）（2）不与磷酸化作用相偶联

C6H12O6+H2O+O2→C6H12O7+H2O2+能量

（不能转化成ATP）现在是25页\一共有107页\编辑于星期三2、无氧呼吸anaerobicrespiration以外源无机氧化物（少数为有机氧化物）作为最终电子受体的生物氧化作用。一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行有无氧呼吸无氧呼吸产生的ATP比有氧呼吸少。现在是26页\一共有107页\编辑于星期三（1）外源电子受体为无机物硝酸盐、硫酸盐、硫、铁、碳酸钙脱氮小球菌的反硝化作用C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2+42900卡（2）外源电子受体为有机物延胡索酸、甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺Escherichia的延胡索酸呼吸延胡索酸+[2H]→琥珀酸现在是27页\一共有107页\编辑于星期三3、发酵作用fermentation在没有外源最终电子受体时发生的生物氧化作用叫发酵作用。电子受体为内源性中间代谢产物3-磷酸甘油醛+Pi+乙醛→1、3-二磷酸甘油酸+乙醇现在是28页\一共有107页\编辑于星期三呼吸作用与发酵作用的比较相同点：氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合，形成NADH和FADH。不同点：NADH和FADH上的电子和氢的去路不同。消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。现在是29页\一共有107页\编辑于星期三化能营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现在是30页\一共有107页\编辑于星期三三、葡萄糖分解代谢与工业发酵

葡萄糖丙酮酸途径------EMP、HMP、ED、PK丙酮酸？产物

进行各种发酵，一般以产物来命名。无氧条件下现在是31页\一共有107页\编辑于星期三EMP途径ED途径（单磷酸己糖途径）现在是32页\一共有107页\编辑于星期三HMP途径现在是33页\一共有107页\编辑于星期三TCA循环现在是34页\一共有107页\编辑于星期三PK途径PPK途径PHK途径现在是35页\一共有107页\编辑于星期三1.乙醇发酵酵母菌乙醇发酵[EMP途径]

C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O细菌的乙醇发酵(运动发酵单胞菌)[ED途径]C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O现在是36页\一共有107页\编辑于星期三酵母酒精发酵现在是37页\一共有107页\编辑于星期三酵母发酵的类型类型条件受氢体ATP主要产物Ⅰ酸性乙醛2乙醇Ⅱ亚硫酸氢钠磷酸二羟丙酮0甘油Ⅲ碱性磷酸二羟丙酮0甘油、乙醇、乙酸现在是38页\一共有107页\编辑于星期三2.

乳酸发酵同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的发酵称同型乳酸发酵菌种：德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌、酪乳杆菌C6H12O6+2ADP→2乳酸+2ATP现在是39页\一共有107页\编辑于星期三异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外还有乙醇和CO2的发酵菌种：短乳杆菌、甘露乳杆菌、巴氏乳杆菌C6H12O6→乳酸+乙醇+CO2

现在是40页\一共有107页\编辑于星期三同型乳酸发酵途径现在是41页\一共有107页\编辑于星期三3.混合酸发酵微生物将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氢气、二氧化碳等多种产物的生物学过程。甲基红试验（M.R.反应）

将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，置37℃培养48小时，然后沿管壁加入甲基红指示剂,呈红色者为阳性,不呈红色者为阴性。MR反应的结果：

大肠杆菌为阳性，产气杆菌为阴性现在是42页\一共有107页\编辑于星期三4.丁二醇发酵微生物发酵葡萄糖得到大量的丁二醇与少量的乳酸、乙酸、二氧化碳、氢气等产物的代谢过程。Voges-Proskauer试验（V.P反应）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，于37℃培养24小时，加入与培养基等量的VP试剂，置37℃保温30分钟，呈红色者为阳性，不呈红色者为阴性。

VP反应结果产气杆菌为阳性，大肠杆菌的为阴性现在是43页\一共有107页\编辑于星期三V.P反应机理现在是44页\一共有107页\编辑于星期三5.丁酸发酵丙酮酸→乙酰辅酶A→乙酰乙酰辅酶A

乙酸乙酰辅酶A→丁酰辅酶A→丁酸现在是45页\一共有107页\编辑于星期三6.丙酮丁醇发酵

丙酮丁醇梭状芽孢杆菌丙酮酸→乙酰辅酶A→乙酰乙酰辅酶A→乙酰乙酸→丙酮

丙酮酸→→丁酸→丁醛→丁醇现在是46页\一共有107页\编辑于星期三7.多元醇发酵(高渗酵母)葡萄糖6-磷酸葡萄糖EMPHMP磷酸丙糖5-磷酸核酮糖乙醇+CO2甘油D-阿拉伯糖醇现在是47页\一共有107页\编辑于星期三葡萄糖发酵的主要终产物现在是48页\一共有107页\编辑于星期三不同菌种的发酵终产物现在是49页\一共有107页\编辑于星期三三、光能营养型微生物的能量代谢四、还原力的获得五、代谢产物的合成现在是50页\一共有107页\编辑于星期三第二节微生物的代谢调节代谢调节：Regulationofmetabolism微生物按照需要改变体内的代谢活动的速度和方向的一种作用。调节方式：酶合成和活性的调节 实现代谢途径、代谢流量及速率的调控区域分隔调节细胞透性调节现在是51页\一共有107页\编辑于星期三一.微生物代谢调节的部位与方式物质进出细胞胞内的生化反应代谢反应的区域分割及关联现在是52页\一共有107页\编辑于星期三（一）物质进出细胞膜构成能量细胞壁脂质膜蛋白质分子结构绝对数量跨膜质子梯度骨架结构的完整性环境条件的影响活性磷酸腺苷酸体系现在是53页\一共有107页\编辑于星期三（二）胞内的代谢反应通过酶的生物合成与活性调节而实现对代谢反应的调节！现在是54页\一共有107页\编辑于星期三1、胞内的生物化学反应代谢流向控制代谢速度控制

酶活性和合成量的调节是代谢调节的核心

现在是55页\一共有107页\编辑于星期三代谢流向的调控①可逆反应：不同的辅基（辅酶）控制流向谷氨酸脱氢酶：谷氨酸合成：NADP+谷氨酸的分解：NAD+②互逆单向反应：不同的酶控制不同方向的反应现在是56页\一共有107页\编辑于星期三2.代谢反应区域分割及关联原核微生物细胞膜酶酶与底物相对位置真核微生物细胞膜与细胞器膜酶酶与底物的相对位置及间隔状况现在是57页\一共有107页\编辑于星期三现在是58页\一共有107页\编辑于星期三微生物酶的调节粗调节：酶合成量的调节，是发生在基因水平上的调节。精细调节：酶活性的调节，调节细胞内已有酶分子的活性，是发生在酶化学水平上的调节。现在是59页\一共有107页\编辑于星期三二、酶活性调节

以酶分子结构为基础指调节胞内已有酶分子的构象或分子结构来改变酶活性，从而调节所催化的代谢反应的速率特点：作用直接、响应快、可逆现在是60页\一共有107页\编辑于星期三酶活性的调节机制酶的变构调节

allostericregulation激活抑制酶的共价修饰

covalentmodificationofenzyme激活抑制酶蛋白的降解失活能荷调节现在是61页\一共有107页\编辑于星期三Allostericregulation现在是62页\一共有107页\编辑于星期三激活的调节类型前体激活在分解代谢途径和合成体系中，处于途径前面的代谢产物促进催化后面反应的酶活性补偿性激活在关联分支合成途径中，从H到I的反应需要E的参与，则H可激活催化合成E的途径中的第一个酶活性现在是63页\一共有107页\编辑于星期三分支途径酶活性的调节类型

反馈抑制的类型

调节作用针对的酶

单一末端产物过量

多个末端产物过量

协同/多价

共同途径的第一个酶

不能引起抑制作用

同时过量发生抑制

合作/增效

共同途径的第一个酶

轻微作用

同时过量，作用大于各种之和，不能100%抑制

累积

共同途径的第一个酶

按一定百分率单独抑制，互不影响

共同过量时，抑制作用累积，可100%抑制

顺序

共同途径的第一个酶

无直接作用

通过分支点上的中间代谢物作用，逐步有顺序调节

同功酶

催化形成对应产物的酶

只抑制相应酶的活力，互不影响

分别抑制相应的酶

现在是64页\一共有107页\编辑于星期三现在是65页\一共有107页\编辑于星期三能荷energycharge对酶活力的调节巴斯德效应：在有氧情况下，由于呼吸作用，酒精产量大大下降，糖的消耗速率大幅减慢。能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]现在是66页\一共有107页\编辑于星期三

通氧[ATP][柠檬酸]能荷异柠檬酸脱氢酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]基团移位吸收葡萄糖速率现在是67页\一共有107页\编辑于星期三三、酶合成的调节组成酶constitutiveenzyme是一类对环境不敏感的酶，这类酶在细胞内的合成量相对比较稳定。适应酶adaptiveenzyme是一类对环境敏感的酶，它们响应环境条件而开始合成或终止合成。诱导酶inducibleenzyme阻遏酶repressibleenzyme现在是68页\一共有107页\编辑于星期三操纵子的构造现在是69页\一共有107页\编辑于星期三操纵子的构成

名称作用启动基因promoterRNA多聚酶的结合部位操纵基因operator与阻遏物结合的碱基序列，决定结构基因的转录是否能进行结构基因structure编码一个或多个酶的基因，被转录成对应的mRNA调节基因regulationgene编码调节蛋白（阻遏物repressor）现在是70页\一共有107页\编辑于星期三1、诱导Induction

现在是71页\一共有107页\编辑于星期三Geneinduction现在是72页\一共有107页\编辑于星期三

2、阻遏repression现在是73页\一共有107页\编辑于星期三Generepression现在是74页\一共有107页\编辑于星期三

分解代谢物阻遏

指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。现在是75页\一共有107页\编辑于星期三PositivecontrolofthelacoperoncAMPreceptorprotein现在是76页\一共有107页\编辑于星期三现在是77页\一共有107页\编辑于星期三DiauxicgrowthofE.coli现在是78页\一共有107页\编辑于星期三Negativecontrolofthetrpoperon现在是79页\一共有107页\编辑于星期三3、阻尼attenuation氨基酸生物合成途径中的酶的合成受相应的氨基酰-tRNA浓度的控制当有过量的氨基酰-tRNA存在时，对于已被引发的转录，但在第一个结构基因被转录之前即终止转录。阻遏是对转录启动的控制；阻尼是对已被引发的转录实现转录终止的控制trpoperon受trp-tRNA的阻尼，受trp的阻遏现在是80页\一共有107页\编辑于星期三4、基于rRNA水平的调节酶的转译受rRNA形成的控制某一氨基酸缺乏PPGPP合成rRNA合成受阻核糖体水平低酶的转译减慢激活该氨基酸合成的操纵子、酶蛋白等现在是81页\一共有107页\编辑于星期三现在是82页\一共有107页\编辑于星期三前体→氨基酸→AA-tRNA→蛋白质酶核糖体(rRNA+P)ppGpp现在是83页\一共有107页\编辑于星期三第三节微生物代谢的人工控制及其应用现在是84页\一共有107页\编辑于星期三微生物代谢的人工控制代谢的人工控制：人为地打破微生物细胞内代谢的自动调节，使细胞过量积累目的代谢产物。代谢控制发酵： 利用生物化学和遗传学的原理，控制培养条件，使微生物代谢朝向人们希望的方向进行，过量积累代谢产物代谢控制育种： 通过遗传变异来改变微生物的正常代谢，使某种代谢产物形成和积累现在是85页\一共有107页\编辑于星期三代谢控制育种目的代谢产物大量累积人为打破自动调节，改变代谢流向减少或切断支路产物的形成提高细胞膜的通透性减少育种的盲目性初级代谢产物生产，成效显著次生代谢产物生产，效果不明显现在是86页\一共有107页\编辑于星期三代谢调控育种的措施人工育种控制措施

针对细胞正常代谢时的自动调节机制

营养缺陷型突变

条件解除反馈调节

条件控制膜透性

渗漏营养缺陷突变

解除反馈调节

营养缺陷回复突变

解除反馈调节

结构类似物抗性突变

解除反馈调节

现在是87页\一共有107页\编辑于星期三(一）解除目的产物对合成途径的反馈调节------代谢控制育种1、应用营养缺陷型突变株条件解除反馈抑制营养缺陷型auxotroph：因某种突变的结果而失去合成某种生长及代谢所需物质（生长因子）的能力的突变菌株。必须在培养基中补加该物质，否则不能生长。

现在是88页\一共有107页\编辑于星期三C.glutamicum高丝氨酸脱氢酶(AK)现在是89页\一共有107页\编辑于星期三例：高丝氨酸营养缺陷型突变株(Hser-)条件解除（Thr+Lys)对AK的协同反馈抑制Hser-不能合成高丝氨酸，进而不能合成苏氨酸和蛋氨酸，在补给适量的高丝氨酸（或苏氨酸和蛋氨酸）的条件下，可大量积累赖氨酸。Hser-的筛选野生型菌株→诱变→CM培养基分离→挑选Hser-突变株CMMMMM+Hser野生型+++Hser-+—+现在是90页\一共有107页\编辑于星期三2、应用渗漏突变株(leakagemutant)解除反馈抑制例：利用Hserl解除（Thr+Lys)对AK的协同反馈抑制：

Hserl细胞能合成Hser，但合成的量仅能维持细胞的最低生长，胞内的浓度达不到进行反馈调节的浓度。筛选：Hser-→诱变→挑选在MM上生长缓慢而且菌落小的回复突变株现在是91页\一共有107页\编辑于星期三3、应用抗反馈调节突变株解除反馈调节（结构类似物抗性突变株）抗反馈调节突变株：是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变株，或兼而有之的突变株。结构类似物analog（抗代谢物antimetabolite）是一种与初级代谢产物结构类似但缺乏生理功能的化合物。例1：黄色短杆菌AHVr突变株可解除Thr的反馈抑制而积累苏氨酸现在是92页\一共有107页\编辑于星期三

Brevibacteriumflavum(AK)现在是93页\一共有107页\编辑于星期三ThreonineAHV

a-Amino-b-hydroxyvalericacid

a-氨基-b-羟戊酸现在是94页\一共有107页\编辑于星期三突变前突变后抗反馈抑制突变的机制现在是95页\一共有107页\编辑于星期三抗反馈阻遏突变的机制现在是96页\一共有107页\编辑于星期三LysAECS-(2-Aminoethyl)-L-Cysteine例2：谷氨酸棒杆菌的(Thr+AEC)r突变株可解除（Thr+Lys)对AK的协同反馈抑制而积累Lys现在是97页\一共有107页\编辑于星期三C.glutamicum高丝氨酸脱氢酶(Thr+AEC)r现在是98页\一共有107页\编辑于星期三抗结构类似物突变株(Thr+AEC)r的筛选将诱变以后的菌悬液涂布在特定的基本培养基上（加入致死量的AEC+Thr)，在此平板上长出的菌落即为(Thr+AEC)r