微生物的代谢课件

代谢(metabolism)：指细胞内发生的各种化学反应的总称，由分解代谢和合成代谢组成第五章微生物的代谢第一节代谢概论5微生物的代谢分解代谢(catabolism)是将大分子物质分解成小分子物质，并在此过程中放出能量合成代谢(anabolism)是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，此过程吸收能量5微生物的代谢分类按物质转化方式分：物质代谢：物质在体内转化的过程能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化5微生物的代谢第二节微生物产能代谢一、生物氧化物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，是一代谢产能过程5微生物的代谢二、异养微生物的生物氧化1.发酵Fermentation指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物5微生物的代谢特点(1)有机物部分被氧化，仅释放小部分能量(2)与有机物的还原偶联在一起(3)不需外界提供电子5微生物的代谢糖酵解的四个过程：⑴EMP途径生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程5微生物的代谢⑵HMP5微生物的代谢⑶ED途径5微生物的代谢⑷磷酸解酮酶途径(PK)5微生物的代谢⑷磷酸解酮酶途径(HK)5微生物的代谢同型乳酸发酵异型乳酸发酵双歧发酵发酵的两个缺点1.底物仅被部分氧化2.初始电子供体和最终电子受体还原电势相差不大5微生物的代谢2.呼吸作用呼吸作用:微生物在降解底物的过程中,将释放出来的电子交给NAD(P)+、FAD或FMＮ等电子载体,再经电子传递系统传给外源电子受体,从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程5微生物的代谢有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体无氧呼吸:以氧化型化合物作为最终电了受体呼吸作用与发酵的区别:电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物,而是交给电子传递系统,逐步释放出能量后再交给最终电子受体5微生物的代谢⑴有氧呼吸TCA5微生物的代谢电子传递系统①NADH脱氢酶②黄素蛋白③铁硫蛋白④细胞色素⑤醌及其衍生物5微生物的代谢⑵无氧呼吸电子传递系统的功能:1.传递电子2.以ATP贮藏部分能量电子受体是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等外源受体5微生物的代谢三、自养微生物的生物氧化

1.氨的氧化HNO3

亚硝化细菌

NH32.硫的氧化S-SSO32-

硝化细菌HNO2

SO42-磷酸腺苷酸途径5微生物的代谢3.铁的氧化氧化亚铁硫杆菌含铜蛋白质,亚铁到高铁4.氢的氧化(1)不需要NAD+的颗粒状氧化酶(2)可溶性氢化酶，需NAD+5微生物的代谢四、能量转换1.底物水平磷酸化substratelevelphosphorylation物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP，这种产生ATP等高能分子的方式称底物水平磷酸化5微生物的代谢2.氧化磷酸化oxidativephosphorylation物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP方式称底物水平磷酸化5微生物的代谢化学渗透偶联假说1961年,英国,米切尔提出电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度差,从而将能量蕴藏在质子势中,质子势由膜外进入胞内,此过程中通过存在于膜上的F1-F0ATP酶偶联ATP的形成5微生物的代谢构象变化偶联假说美国,博耶质子势推动的质子跨膜运输启动并驱使F1-F0ATP酶构象发生变化,这种构象变化导致该酶催化部位对ADP和Pi的亲和力发生改变,并促进ATP的生成和释放5微生物的代谢化学渗透偶联假说构象变化偶联假说5微生物的代谢3.光合磷酸化photophosphorylation

通过光合磷酸化将光能转变为化学能，以用于从CO2合成细胞物质⑴光合色素光合生物所特有，将光能转化为化学能的关键物质三类：叶绿素或细菌叶绿素，类胡萝卜素和藻胆素5微生物的代谢⑵光合单位光合色素分布的两个系统各为一个光合单位,一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成5微生物的代谢(3).光合磷酸化指光能转变为化学能的过程原理:当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶绿素性质上即被激活,导致叶绿素释放一个电子而被氧化,释放出的电子在电子传递系统传递过程中逐步释放能量5微生物的代谢①环式光合磷酸化NADP+nPinATPBchl

hv光合细菌5微生物的代谢②非环式光合磷酸化两个光合系统5微生物的代谢一个光合系统5微生物的代谢第三节耗能代谢一、细胞物质的合成合成代谢:微生物利用能量代谢所产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物质的过程5微生物的代谢1.CO2的固定将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称为CO2的固定作用微生物同化CO2的方式自养式:CO2能合成糖并重新生成受体异养式:CO2被固定在有机酸上,不能转化成有机物5微生物的代谢自养微生物同化CO2所需要的能量来自光能或无机物氧化所得的化学能自养微生物固定CO2的途径:5微生物的代谢⑴卡尔文循环5微生物的代谢⑵还原性三羧酸循环固定CO25微生物的代谢⑶还原的单羧酸环5微生物的代谢2.生物固氮微生物将氮还原为氨的过程氮体系厌氧自生固氮菌－巴氏固氧梭菌共生固根瘤菌－豆科自生固好氧自生固氮菌－固氧菌属氮体系弗兰克氏菌－非豆科联合固氮体系雀稗固氮菌5微生物的代谢5微生物的代谢3.二碳化合物的同化回补途径：指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应⑴乙醛酸循环异柠檬酸裂解酶苹果酸合成酶5微生物的代谢底物:乙酸好氧微生物5微生物的代谢⑵甘油酸途径底物:甘氨酸乙醇酸草酸5微生物的代谢4.糖类的合成⑴单糖的合成EMP途径合成葡萄糖,然后再转化其它单糖自养微生物:卡尔文循环→甘油醛-3-磷酸→草酰乙酸或乙酰COA5微生物的代谢异养微生物:乙酸——醛酸循环→草酰乙酸乙醇酸,草酸,苷氨酸——苷油酸途径→苷油醛-3-磷酸乳酸——丙酮酸生糖氨基酸——脱氨基5微生物的代谢已糖生物合成中的两个关键中间物是葡糖-6-磷酸和UDP-葡萄糖戊糖生物合成一般由葡糖-6-磷酸脱羧而成核糖-5-磷酸⑵多糖的合成同多糖:相同单糖分子聚合而成杂多糖:不同单糖分子聚合而成5微生物的代谢核苷糖————核苷糖-单糖能量来源：核苷糖中高能糖-磷酸键水解单糖单位——核苷糖为载体转移酶类的特异性决定次序5微生物的代谢5.氨基酸的合成碳骨架来自糖代谢产生的中间代谢产物氨:①直接从外界环境获得; ②体内含氮化合物的分解; ③固氮作用;④由硝酸还原作用;5微生物的代谢⑴氨基化作用在转氨酶的作用下,使一种氨基酸的氨基转移给酮酸,形成新的氨基酸的过程⑵转氨基作用a-酮酸与氨反应生成氨基酸a-酮戊二酸和丙酮酸及延胡索酸和谷氨酸5微生物的代谢⑶前体转化5微生物的代谢6.核苷酸的合成⑴嘌呤核苷酸的生物合成以核糖磷酸为底物，碳和氮来自氨基酸、CO2和甲酸合成方式：①由各种小分子化合物，全新合成次黄嘌呤，再转化②由自由碱基或核苷组成相应的嘌呤核苷酸5微生物的代谢⑵嘧啶核苷酸的合成合成方式：①由小分子化合物全新合成尿嘧啶核苷酸，再转化②以完整的嘧啶或嘧啶核苷分子，组成嘧啶核苷酸5微生物的代谢⑶脱氧核苷酸的合成核苷酸糖基第2位上的—OH还原为HE.coli：核糖核苷二磷酸赖氏乳酸菌：核糖核苷三磷酸胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，脱磷酸再甲基化5微生物的代谢二、其他耗能反应：运动、动输、生物发光鞭毛运动；在固体表面滑动；气囊1.运动2.运输3.生物发光 荧光色素酶一种长链脂肪酸5微生物的代谢5微生物的代谢第四节微生物的代谢调节①酶活性调节，调节已有酶分子的活性，酶化学水平②酶合成的调节，调节酶分子的合成量，遗传学水平代谢调节类型:5微生物的代谢一、酶活性的调节一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率1.变构调节变构酶：通常是某一代谢途径的第一个酶或催化某一关键反应的酶5微生物的代谢2.修饰调节共价调节酶通过修饰酶催化其多肽上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性状态磷酸化/去磷酸化；乙酰化/去乙酰化；腺苷酰化/去腺苷酰化；尿苷腺化/去尿苷腺化；甲基化/去甲基化；S-S/SH相互转变；ADPR化/去ADPR化5微生物的代谢3.两者差别：变构调节只是构象变化；修饰调节是一级结构变化，对调节信号具有放大效应，效率高5微生物的代谢二、分支合成途径调节特点：每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用5微生物的代谢5微生物的代谢第五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1.初级代谢5微生物的代谢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确功能的物质的过程为次级代谢，这一过程的产物即为次级代谢产物2.次级代谢和次级代谢产物次级代谢大部分都是分子结构比较复杂的化合物5微生物的代谢次级代谢产物分类：抗生素、激素、生物碱、毒素和维生素3.次级代谢的特点(1)初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体;(2)次级代谢一般发生于对数生长后期或稳

定期间进行，受到环境条件影响；(3)催化次级代谢的酶的专一性不高;5微生物的代谢(4)次级代谢产物的合成,因菌种而异;(5)质粒与次级代谢的关系密切;(6)次级代谢无明确的生理功能;(7)次级代谢产物一般无生理功能,也非生长繁殖所必须;5微生物的代谢二、次级代谢的调节1.初级代谢对次级代谢的调节次级代谢一般以初级代谢产物为前体2.碳、氮代谢物的调节作用菌体生长时利用的碳源的分解物阻遏次级代谢酶系的合成(迟效碳源和速效碳源)3.诱导作用及产物的反馈抑制5微生物的代谢第六章微生物工业和产品l工业发酵的菌种和发酵特征l工业发酵的方式l工业发酵的产品5微生物的代谢第一节工业发酵的菌种和特征微生物工业指人们工业化规模培养微生物生产的商品性产品，也指以微生物为主体生产产品的工业微生物的工业发酵指利用各种微生物的不同发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品5微生物的代谢下游技术一般是泛指从菌种的大规模培养、监测一直到产品的分离、纯化、质量分析等一系列单元操作技术，其中的产品分离纯化技术即后处理，是菌种实现产业化的关键5微生物的代谢一、生产菌种的要求和来源1.生产菌种的要求①在较短的发酵过种高产有价值的产品②培养基价廉易得且转化效率高③菌种对动植物及环境无害④副产品少且易分离⑤菌种的遣传稳定性强,易于进行基因操作5微生物的代谢2.生产菌种的来源自学5微生物的代谢3.微生物工业发酵的一般过程5微生物的代谢二、大规模发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用2.厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器3.发酵过程的优化及后处理4.发酵的逐级放大5微生物的代谢1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用2.厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器3.发酵过程的优化及后处理自学5微生物的代谢(1)小试实验室或小型设备得小试最佳发酵条件评估所发酵的产物是否具有生产可能性发酵的逐级放大5微生物的代谢(2)中试实验工厂或车间的小规模设备对小试最佳发酵条件进行验证并放大基本确定发酵产物能否进行工业大规模生产(3)大试试验性生产对中试发酵条件的参数进行验证改进确定发酵产物能否进行工业大规模生产5微生物的代谢第二节工业发酵的方式5微生物的代谢一、连续发酵优点:简化了菌种的扩大培养、发酵罐的多次灭菌、清洗、出料，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率，降低人力与物力的消耗主要用于生产酒精、丙酮、丁醇、乳酸、食用酵母、单细胞蛋白、污水处理5微生物的代谢5微生物的代谢二、固定化酶和固定化细胞发酵固定化酶是指将从微生物细胞中提取出的酶，用固体支持物固定，成为不溶于水或不易散失和可多次使用的生物催化剂，被固定的酶即称为固定化酶固定化细胞5微生物的代谢固定化的优势5条固定化的类型5条自学固定化的应用及缺点3条5微生物的代谢三、固态发酵指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程固体料要求：手握成团，落地能散厌氧菌：堆积密封好氧菌：平辅静止或搅拌通气5微生物的代谢四、混合培养发酵指多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵，也称混合培养限定混合培养物发酵指利用已鉴定的两种以上分离纯化的微生物作为菌种，共用同种培养基进行发酵优势(自学)5微生物的代谢第三节发酵的主要产品5微生物的代谢发酵产品分类：传统产品以酿造业的酒、醋、酱等为代表