江南大学微生物综合

江南大学微生物综合江南大学微生物综合第1页合成代谢anabolism

在合成酶系催化下，由简单小分子、能量（ATP）和还原力（[H]）一起合成复杂生物大分子过程。分解代谢catabolism

指复杂有机分子经过分解代谢酶系催化产生简单分子、能量(ATP)、和还原力（[H]）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]江南大学微生物综合第2页江南大学微生物综合第3页分解代谢三个阶段将大分子营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。深入降解成为简单乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环中间产物。将第二阶段产物完全降解生成CO2

，并将前面形成还原力（NADH2）经过呼吸吸链氧化、同时形成大量ATP。江南大学微生物综合第4页微生物代谢特点多样性适应性可控性江南大学微生物综合第5页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，经过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动物质和能量过程。初级代谢产物primarymetabolites

包含全部与细胞合成相关物质如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有机酸、酶江南大学微生物综合第6页次级代谢和次级代谢产物次级代谢secondarymetabolism

微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物生命活动无显著确切功效物质过程。次级代谢产物secondarymetabolites

抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等江南大学微生物综合第7页江南大学微生物综合第8页第一节微生物代谢一、微生物能量代谢新陈代谢中关键问题：能量代谢能量代谢中心任务：是生物体怎样把环境中各种形式最初能源转换成为对一切生命活动都能使用通用能源。生物体能量代谢实质：ATP和酰基辅酶A、酰基磷酸等生成和利用问题。即ATP生成和利用问题。江南大学微生物综合第9页能源转化江南大学微生物综合第10页（一）生物氧化反应一系列酶在温和条件下按一定次序催化放能分阶段进行释放能量个别贮藏在能量载体中江南大学微生物综合第11页生物氧化与普通氧化反应区分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、光大个别为ATP能量利用率低高江南大学微生物综合第12页生物氧化反应三个阶段脱氢：一个失去电子或氢过程电子供体：被氧化物质电子受体：接收电子物质递氢：电子供体氧化脱下氢交给氢载体，并经过多个载体完成电子从供体到受体传递不直接交给电子受体受氢：最终电子受体接收载体上电子过程江南大学微生物综合第13页（二）电子载体自由扩散型NAD+和NADP+，氢原子载体电极正确还原电势相同，功效不一样NAD+/NADH直接参加产能反应NADP+/NADPH主要参加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载体分布：不对称排列在膜上，定向有序传递江南大学微生物综合第14页（三）生物能产生借助于磷酸化反应ADP形成ATP，实现能量存放江南大学微生物综合第15页1.底物水平磷酸化生物氧化过程中生成含有高能键化合物在酶作用下，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江南大学微生物综合第16页微生物代谢中底物水平磷酸化高能化合物底物水平磷酸化反应偶联形成高能分子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江南大学微生物综合第17页2.电子传递氧化磷酸化生物氧化中伴伴随电子传递发生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合成经典呼吸链：3分子ATP，2分子ATP（黄素蛋白起始）江南大学微生物综合第18页化学渗透学说(chemiosmotichypothesis)江南大学微生物综合第19页呼吸过程中ATP形成江南大学微生物综合第20页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：反应产物是ATP、氧和NADPH

江南大学微生物综合第21页循环式光合磷酸化

江南大学微生物综合第22页非循环式光合磷酸化

江南大学微生物综合第23页（四）微生物能量代谢多样性能源物质多样性能源物质在微生物中代谢路径多样性不一样环境条件下微生物产能方式多样性江南大学微生物综合第24页不一样微生物中葡萄糖降解路径分布

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－江南大学微生物综合第25页二.化能营养型微生物能量代谢（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主要能源其它单糖代谢转化为糖酵解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路径有机能源化合物代谢基础路径：葡萄糖降解路径或单糖降解路径江南大学微生物综合第26页（二）能源化合物生物氧化生物氧化形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子生物氧化过程：脱氢（或电子），递氢（或电子），受氢（或电子）生物氧化功效：产能（ATP）、产还原力[H]、产小分子中间代谢物生物氧化类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵

江南大学微生物综合第27页1、有氧呼吸aerobicrespiration以分子氧作为最终电子受体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江南大学微生物综合第28页（1）与磷酸化作用相偶联

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+68800卡（个别转化成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）江南大学微生物综合第29页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没有氧呼吸无氧呼吸产生ATP比有氧呼吸少。江南大学微生物综合第30页（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延胡索酸呼吸延胡索酸+[2H]→琥珀酸江南大学微生物综合第31页3、发酵作用fermentation在没有外源最终电子受体时发生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+乙醇江南大学微生物综合第32页呼吸作用与发酵作用比较相同点：氧化时，底物上脱下氢和电子都和相同载体结合，形成NADH和FADH。不一样点：

NADH和FADH上电子和氢去路不一样。消耗1分子葡萄糖产生ATP数量不一样。江南大学微生物综合第33页化能营养型微生物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起源环境，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江南大学微生物综合第34页三、葡萄糖分解代谢与工业发酵

葡萄糖丙酮酸

路径------EMP、HMP、ED、PK丙酮酸？产物

进行各种发酵，普通以产物来命名。无氧条件下江南大学微生物综合第35页EMP路径ED路径（单磷酸己糖路径）江南大学微生物综合第36页HMP路径江南大学微生物综合第37页TCA循环江南大学微生物综合第38页PK路径PPK路径PHK路径江南大学微生物综合第39页1.乙醇发酵酵母菌乙醇发酵[EMP路径]

C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O细菌乙醇发酵(运动发酵单胞菌)[ED路径]

C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O江南大学微生物综合第40页酵母酒精发酵江南大学微生物综合第41页酵母发酵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、乙酸江南大学微生物综合第42页2.

乳酸发酵同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸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江南大学微生物综合第43页异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外还有乙醇和CO2发酵菌种：短乳杆菌、甘露乳杆菌、巴氏乳杆菌C6H12O6→乳酸+乙醇+CO2

江南大学微生物综合第44页同型乳酸发酵路径江南大学微生物综合第45页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、二氧化碳等各种产物生物学过程。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反应结果：

大肠杆菌为阳性，产气杆菌为阴性江南大学微生物综合第46页4.丁二醇发酵微生物发酵葡萄糖得到大量丁二醇与少许乳酸、乙酸、二氧化碳、氢气等产物代谢过程。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，大肠杆菌为阴性江南大学微生物综合第47页V.P反应机理江南大学微生物综合第48页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→丁酸江南大学微生物综合第49页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→丁醇江南大学微生物综合第50页

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-阿拉伯糖醇江南大学微生物综合第51页葡萄糖发酵主要终产物江南大学微生物综合第52页不一样菌种发酵终产物江南大学微生物综合第53页三、光能营养型微生物能量代谢四、还原力取得五、代谢产物合成江南大学微生物综合第54页第二节微生物代谢调整代谢调整：Regulationofmetabolism

微生物按照需要改变体内代谢活动速度和方向一个作用。调整方式：酶合成和活性调整 实当代谢路径、代谢流量及速率调控区域分隔调整细胞透性调整江南大学微生物综合第55页一.微生物代谢调整部位与方式物质进出细胞胞内生化反应代谢反应区域分割及关联江南大学微生物综合第56页（一）物质进出细胞膜组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完整性环境条件影响活性磷酸腺苷酸体系江南大学微生物综合第57页（二）胞内代谢反应经过酶生物合成与活性调整而实现对代谢反应调整！江南大学微生物综合第58页1、胞内生物化学反应代谢流向控制代谢速度控制

酶活性和合成量调整是代谢调整关键

江南大学微生物综合第59页代谢流向调控①可逆反应：不一样辅基（辅酶）控制流向谷氨酸脱氢酶：谷氨酸合成：NADP+

谷氨酸分解：NAD+②互逆单向反应：不一样酶控制不一样方向反应江南大学微生物综合第60页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相对位置及间隔情况江南大学微生物综合第61页江南大学微生物综合第62页微生物酶调整粗调整：酶合成量调整，是发生在基因水平上调整。精细调整：酶活性调整，调整细胞内已经有酶分子活性，是发生在酶化学水平上调整。江南大学微生物综合第63页二、酶活性调整

以酶分子结构为基础指调整胞内已经有酶分子构象或分子结构来改变酶活性，从而调整所催化代谢反应速率特点：作用直接、响应快、可逆江南大学微生物综合第64页酶活性调整机制酶变构调整

allostericregulation激活抑制酶共价修饰

covalentmodificationofenzyme激活抑制酶蛋白降解失活能荷调整江南大学微生物综合第65页Allostericregulation江南大学微生物综合第66页激活调整类型前体激活在分解代谢路径和合成体系中，处于路径前面代谢产物促进催化后面反应酶活性赔偿性激活在关联分支合成路径中，从H到I反应需要E参加，则H可激活催化合成E路径中第一个酶活性江南大学微生物综合第67页分支路径酶活性调整类型

反馈抑制类型调整作用针正确酶单一末端产物过量

多个末端产物过量

协同/多价

共同路径第一个酶不能引发抑制作用同时过量发生抑制

合作/增效

共同路径第一个酶轻微作用

同时过量，作用大于各种之和，不能100%抑制

累积

共同路径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

次序共同路径第一个酶无直接作用

经过分支点上中间代谢物作用，逐步有次序调整同功酶

催化形成对应产物酶只抑制对应酶活力，互不影响分别抑制对应酶江南大学微生物综合第68页江南大学微生物综合第69页能荷energycharge对酶活力调整巴斯德效应：在有氧情况下，因为呼吸作用，酒精产量大大下降，糖消耗速率大幅减慢。能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]江南大学微生物综合第70页

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江南大学微生物综合第71页三、酶合成调整组成酶constitutiveenzyme

是一类对环境不敏感酶，这类酶在细胞内合成量相对比较稳定。适应酶adaptiveenzyme

是一类对环境敏感酶，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江南大学微生物综合第72页操纵子结构江南大学微生物综合第73页操纵子组成

名称

作用开启基因promoterRNA多聚酶结合部位操纵基因operator与阻遏物结合碱基序列，决定结构基因转录是否能进行结构基因structure编码一个或多个酶基因，被转录成对应mRNA调整基因regulationgene编码调整蛋白（阻遏物repressor）江南大学微生物综合第74页1、诱导Induction

江南大学微生物综合第75页Geneinduction江南大学微生物综合第76页

2、阻遏repression江南大学微生物综合第77页Generepression江南大学微生物综合第78页

分解代谢物阻遏

指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快那种底物会阻遏利用慢底物相关酶合成现象。末端产物阻遏指由某代谢路径末端产物过量积累而引发阻遏。江南大学微生物综合第79页PositivecontrolofthelacoperoncAMPreceptorprotein江南大学微生物综合第80页江南大学微生物综合第81页DiauxicgrowthofE.coli江南大学微生物综合第82页Negativecontrolofthetrpoperon江南大学微生物综合第83页3、阻尼attenuation氨基酸生物合成路径中酶合成受对应氨基酰-tRNA浓度控制当有过量氨基酰-tRNA存在时，对于已被引发转录，但在第一个结构基因被转录之前即终止转录。阻遏是对转录开启控制；阻尼是对已被引发转录实现转录终止控制trpoperon受trp-tRNA阻尼，受trp阻遏江南大学微生物综合第84页4、基于rRNA水平调整酶转译受rRNA形成控制某一氨基酸缺乏PPGPP合成rRNA合成受阻核糖体水平低酶转译减慢激活该氨基酸合成操纵子、酶蛋白等江南大学微生物综合第85页江南大学微生物综合第86页前体→氨基酸→AA-tRNA→蛋白质酶核糖体(rRNA+P)ppGpp江南大学微生物综合第87页第三节微生物代谢人工控制及其应用江南大学微生物综合第88页微生物代谢人工控制代谢人工控制：人为地打破微生物细胞内代谢自动调整，使细胞过量积累目标代谢产物。代谢控制发酵： 利用生物化学和遗传学原理，控制培养条件，使微生物代谢朝向大家希望方向进行，过量积累代谢产物代谢控制育种： 经过遗传变异来改变微生物正常代谢，使某种代谢产物形成和积累江南大学微生物综合第89页代谢控制育种目标代谢产物大量累积人为打破自动调整，改变代谢流向降低或切断支路产物形成提升细胞膜通透性降低育种盲目性初级代谢产物生产，成效显著次生代谢产物生产，效果不显著江南大学微生物综合第90页代谢调控育种办法人工育种控制方法针对细胞正常代谢时自动调整机制营养缺点型突变条件解除反馈调整条件控制膜透性

渗漏营养缺点突变解除反馈调整营养缺点回复突变解除反馈调整结构类似物抗性突变

解除反馈调整江南大学微生物综合第91页(一）解除目标产物对合成路径反馈调整------代谢控制育种1、应用营养缺点型突变株条件解除反馈抑制营养缺点型auxotroph：因某种突变结果而失去合成某种生长及代谢所需物质（生长因子）能力突变菌株。必须在培养基中补加该物质，不然不能生长。

江南大学微生物综合第92页C.glutamicum高丝氨酸脱氢酶aaaaaaaaaaaaaa(AK)江南大学微生物综合第93页例：高丝氨酸营养缺点型突变株(Hser-)条件解除（Thr+Lys)对AK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，在补给适量高丝氨酸（或苏氨酸和蛋氨酸）条件下，可大量积累赖氨酸。Hser-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-+—+江南大学微生物综合第94页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协同反馈抑制：

Hserl细胞能合成Hser，但合成量仅能维持细胞最低生长，胞内浓度达不到进行反馈调整浓度。筛选：Hser-→诱变→挑选在MM上生长迟缓而且菌落小回复突变株江南大学微生物综合第95页3、应用抗反馈调整突变株解除反馈调整（结构类似物抗性突变株）抗反馈调整突变株：是指一个对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性组成型突变株，或兼而有之突变株。结构类似物analog（抗代谢物antimetabolite）是一个与初级代谢产物结构类似但缺乏生理功效化合物。例1：黄色短杆菌AHVr突变株可解除Thr反馈抑制而积累苏氨酸江南大学微生物综合第96页

Brevibacteriumflavum(AK)江南大学微生物综合第97页ThreonineAHV

a-Amino-b-hydroxyvalericacid

a-氨基-b-羟戊酸江南大学微生物综合第98页突变前突变后抗反馈抑制突变机制江南大学微生物综合第99页抗反馈阻遏突变机制江南大学微生物综合第100页LysAECS-(2-Aminoethyl)-L-Cysteine例2：谷氨酸棒杆菌(Thr+AEC)r突变株可解除（Thr+Lys)对AK协同反馈抑制而积累Lys江南大学微生物综合第101页C.glutamicum高丝氨酸脱氢酶aaaaaaaaaaaaaa(Thr+AEC)r江南大学微生物综合第102页抗结构类似物突变株(Thr+AEC)r筛选将诱变以后菌悬液涂布在特定基础培养基上（加入致死量AEC+Thr)，在此平板上长出菌落即为(Thr+AEC)r菌株