第四章 微生物的代谢与调节及其人工控制,新陈代谢 metabolism The complex of physical and chemical processes occurring within a living cell or organism that are necessary for the maintenance of life. In metabolism some substances are broken down to yield energy for vital processes while other substances, necessary for life, are synthesized.,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。,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,初级代谢和初级代谢产物,初级代谢primary metabolism 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primary metabolites 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,次级代谢和次级代谢产物,次级代谢 secondary metabolism 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secondary metabolites 抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等,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。,能源的转化,（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,生物氧化与普通氧化反应的区别,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,（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,（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,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,微生物代谢中的底物水平磷酸化,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）,化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis),呼吸过程中ATP的形成,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,循环式光合磷酸化,非循环式光合磷酸化,（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,不同微生物中葡萄糖降解途径的分布,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,（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,1、有氧呼吸 aerobic respiration,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,（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）,2、无氧呼吸anaerobic respiration,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。,（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,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,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。,化能营养型微生物的代谢产能方式,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,EMP途径,ED途径（单磷酸己糖途径）,HMP途径,TCA循环,PK途径,PPK途径 PHK途径,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,酵母酒精发酵,酵母发酵的类型,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,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,同型乳酸发酵途径,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,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,V.P反应机理,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,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,7.多元醇发酵 ( 高渗酵母) 葡萄糖,葡萄糖发酵的主要终产物,不同菌种的发酵终产物,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,第二节 微生物的代谢调节,代谢调节：Regulation of metabolism 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,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,（一）物质进出细胞,（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！,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,代谢流向的调控,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+ 互逆单向反应：不同的酶控制不同方向的反应,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,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。,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,酶活性的调节机制,酶的变构调节 allosteric regulation 激活 抑制 酶的共价修饰 covalent modification of enzyme 激活 抑制 酶蛋白的降解失活 能荷调节,Allosteric regulation,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,分支途径酶活性的调节类型,能荷 energy charge 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+1/2ADP,ATP+ADP+AMP,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,三、酶合成的调节,组成酶 constitutive enzyme 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 adaptive enzyme 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 inducible enzyme 阻遏酶repressible enzyme,操纵子的构造,操纵子的构成,1、诱导 Induction,Gene ind