10第五章-微生物的新陈代谢.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 微生物的新陈代谢,新陈代谢（,Metabolism,）,发生在活细胞中的各种分解代谢（,catabolism,）和合成代谢（,anabolism,）,的总和。,生物小分子合成生物大分子,合成代谢,（同化）耗能,新陈代谢 能量代谢 物质,代 谢,产能,分解代谢,（异化）生物大分子分解为生物小分子,新陈代谢的共同特点,：（,1,）在温和条件下进行,(,由酶催化,),；,（,2,）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，新陈代谢具有严格的顺序性；（,3,）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。,新陈代谢=分解代谢+合成代谢,分解代谢：,指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（,ATP,）,形式的能量和还原力的作用。,合成代谢,：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、,ATP,形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。,合成代谢按产物在机体中作用不同分：,初级代谢,：提供能量、前体、结构物质等生命活动所,必须的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等。,次级代谢,：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；产物：抗生素、色素、激素、生物碱等。,第一节 微生物的能量代谢,能量代谢,是新陈代谢中的核心问题。,中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源,ATP,。,有机物,最初能源日光通用能源,还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,微生物氧化的形式,生物氧化作用,：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在,ATP,分子内，供需时使用。,生物氧化的方式,：,和氧的直接化合：,C,6,H,12,O,6,+6O,2,6CO,2,+6H,2,O,失去电子：,Fe,2+,Fe,3+,+e,-,化合物脱氢或氢的传递,:,CH,3,-CH,2,-OH CH,3,-CHO,NAD,NADH,2,生物氧化与燃烧的比较,复杂分子,（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,生物氧化的功能：,产能,(ATP),产还原力,【H】,小分子中间代谢物,1,、,EMP,途径,1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子,ATP。,2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子,NADH2,和4分子,ATP。,葡萄糖分子经转化成,1,，,6,二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和,3-磷酸甘油醛。,3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸,C,6,2C,3,产能阶段,4 ATP 2ATP,2C,3,2,丙酮酸,2NADH,2,EMP,途径的总反应,耗能阶段,2ATP,总反应式：,葡萄糖,+2NAD,+,+2Pi+2ADP 2,丙酮酸,+2NADH,2,+2ATP,CoA,丙酮酸脱氢酶,乙酰,CoA,，进入,TCA,EMP,途径是生物体内,6,磷酸葡萄糖转变为丙酮酸的最普遍的反应过程,，许多微生物都具有,EMP,途径。,EMP,途径的生理作用主要是为微生物代谢提供,能量（即,ATP,）,，,还原力（即,NADH,2,）,及,代谢的中间产物如丙酮酸,等。,2,、,HMP,途径,(,戊糖磷酸途径,),（,Hexose Monophophate Pathway,）,葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和,CO2。,磷酸戊糖经转酮转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛借,EMP,途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。,6C,6,12NADH,2,36ATP,35ATP,经呼吸链,1ATP,6C,5,5C,6,经一系列复杂反应后重新合成己糖,6CO,2,HMP,途径简图,6,葡萄糖,-6-,磷酸,+12NADP,+,+6H,2,O,5,葡萄糖,-6-,磷酸,+12NADPH+12H,+,+12CO,2,+Pi,总反应,HMP,途径的重要意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖,-,磷酸,。,产生大量,NADPH,2,，,一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。,与,EMP,途径在果糖,-1,，,6-,二磷酸和甘油醛,-3-,磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。,途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。,途径中存在,37,碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用的碳源谱更为更为广泛。,又称,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡糖酸（,KDPG,）,裂解途径。,1952,年在,Pseudomonas saccharophila,（嗜糖假单胞菌）,中发现，后来证明存在于多种细菌中,（革兰氏阴性菌中分布较广）,。,ED,途径可不依赖于,EMP,和,HMP,途径而单独存在，,是少数缺乏完整,EMP,途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,3,、,ED,途径,ED,途径,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸,-,葡萄糖酸,关键反应：,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡萄糖酸的裂解,催化的酶：,6-,磷酸脱水酶，,KDPG,醛缩酶,ED,途径总反应式：,C,6,H,12,O,6,+ADP+Pi+NADP,+,+NAD,+,2CH,3,COCOOH+ATP+NADPH+H,+,+NADH+H,+,ATP,有氧时经呼吸链,6ATP,无氧时,进行发酵,2,乙醇,2ATP,NADH+H,+,NADPH+H,+,2,丙酮酸,ATP,C,6,H,12,O,6,KDPG,ED,途径的总反应,ED,途径的特点,葡萄糖经转化为,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡萄糖酸后,，经,KDPG,醛缩酶催化，裂解成,丙酮酸,和,3-,磷酸甘油醛,，,3-,磷酸甘油醛再经,EMP,途径转化成为丙酮酸。结果是,1,分子葡萄糖产生,2,分子丙酮酸，,1,分子,ATP,。,ED,途径的特征反应是,关键中间代谢物,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡萄糖酸（,KDPG,）,裂解为丙酮酸和,3-,磷酸甘油醛。,ED,途径的特征酶是,KDPG,醛缩酶。,反应步骤简单，产能效率低,.,此途径可与,EMP,途径、,HMP,途径和,TCA,循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与,TCA,循环相连，厌氧时进行乙醇发酵,.,相关的发酵生产：细菌酒精发酵,由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。,4,、,TCA,循环,又称,柠檬酸循环或,Krebs,循环，在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。,TCA,循环意义,1,、是生物体代谢的主要方式，具有普遍性。,2,、生物体提供能量的主要形式，其产能效率达到,42,。,3,、为糖、脂、蛋白质三大物质的转化枢纽。,4,、,TCA,循环,可,产生,多种化合物的碳骨架，以供细胞合成之用。,5、,TCA,循环为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；,Glu,发酵等。,循环的结果是,乙酰,CoA,被彻底氧化成,CO,2,和,H,2,O，,每氧化1分子的乙酰,CoA,可产生12分子的,ATP，,草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,丙酮酸在进入三羧酸循环之,先要脱羧生成乙酰,CoA，,乙酰,CoA,和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入,三羧酸循环。,TCA,循环的主要产物,TCA,循环的重要特点,1,、循环一次的结果是乙酰,CoA,的乙酰基被氧化为,2,分子,CO,2,并重新生成,1,分子草酰乙酸；,2,、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将,NAD,+,还原为,NADH+H,+,，,另一步为,FAD,还原；,3,、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。,4,、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；,5,、生物体提供能量的主要形式；,6,、,为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如,柠檬酸发酵；,Glu,发酵等。,7.,关键酶是：柠檬酸合成酶、异柠檬酸合成酶、,-,酮戊二酸脱氢酶。,TCA,循环在微生物代谢中的枢纽地位,氨基酸,蛋白质,ATP,，各种 有机酸，天冬氨酸，柠檬酸，谷氨酸,乙酰,-CoA,脂肪酸,甘油,脂肪,丙酮酸,-,氧化,乙醇,乳酸,丙酮,丁醇,丁二醇,葡萄糖,EMP,糖类,（二）递氢、受氢和,ATP,的产生,经上述脱氢途径生成的,NADH,、,NADPH,、,FAD,等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。,根据,递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为,呼吸作用,和,发酵作用,两大类。,发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模；,呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；,呼吸作用,又可分为两类：,有氧呼吸,最终电子受体是分子氧,O,2,;,无氧呼吸,最终电子受体是,O,2,以外的,无机氧化物，如,NO,3,-,、,SO,4,2-,等。,概念,:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；,是最普遍、最重要的生物氧化方式。,途径,：,EMP,TCA,循环,特点,：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如,NAD,FAD,辅酶,Q,和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,呼吸作用,TCA,循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,1,、有氧呼吸,自,EMP,2NADH,2,自乙酰,CoA,2NADH,2,自,TCA,6NADH,2,自,TCA,2FADH,2,高能水平,低氧化还原势,氧化态还原态,还原态氧化态,氧化态还原态,还原态 醌氧化态,氧化态还原态,脱氢酶,NADFADH,2,H,2,O,NADH,2,FAD1/2O,2,+2H,+,低能水平,高氧化还原势,FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a,3,氧化酶,典型的呼吸链,2,、无氧呼吸,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；,无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是,NO,3,-,、,NO,2,-,、,SO,4,2-,、,S,2,O,3,2-,、,CO,2,等无机物，或延胡索酸（,fumarate,）等有机物。,无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。,经部分呼吸链递氢，故生成的能量不如有氧呼吸多。,（,1,）硝酸盐呼吸,：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用（,Dissimilative,）。,只能接收,2,个电子，产能效率低；,NO,2,-,对细胞有毒,；,有些菌可将,NO,2,-,进一步将其还原成,N,2,，这个过程称为反硝化作用：,反硝化作用的生态学作用：,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,土壤及水环境,好氧性机体的呼吸作用,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,土壤中植物能利用的氮,（硝酸盐,NO,3,-,）还原成,氮气而消失，从而降低,了土壤的肥力。,松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。,（,2,）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）,厌氧时，,SO,4,2-,、,SO,3,2-,、,S,2,O,3,2-,等,为末端电,子受体的呼吸过程,。,特点：,a,、严格厌氧；,b,、大多为古细菌,c,、极大多专性化能异氧型，少数混合型；,d,、最终产物为,H,2,S,；,SO,4,2-,SO,3,2-,SO,2,S H,2,S,e,、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作,为氢供体或电子供体；,f,、环境：,富含,SO,4,2-,的厌氧环境（土壤、海水、污水等）,（,3,）硫呼吸（硫还原）,以元素,S,作为唯一的末端电子受体。,电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等,（,4,）碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）,以,CO,2,、,HCO,3,-,为末端电子受体,产甲烷菌,利用,H,2,作电子供体（能源）、,CO,2,为受体，,产物,CH,4,；,产乙酸细菌,H,2,/CO,2,进行无氧呼吸，产物为,乙酸。,其它厌氧呼吸：,以,Fe,3+,、,Mn,2+,等作为末端电子受体的无氧呼吸。,延胡索酸呼吸,：延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。,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。,概念,：在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。,发酵途径,：,葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有,EMP,、,HMP,、,ED,和,PK,途径。,发酵类型,：,在上述途径中均有还原型氢供体,NADH+H,+,和,NADPH+H,+,产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受,NADH+H,+,和,NADPH+H,+,的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵及乙酸发酵等。,3,、发酵作用,酵母型酒精发酵,同型乳酸发酵,丙酸发酵,混合酸发酵,2,3丁二醇发酵,丁酸发酵,丙酮酸的发酵产物,C,6,H,12,O,6,2CH,3,COCOOH,2CH,3,CHO,2CH,3,CH,2,OH,NAD,NADH,2,-2CO,2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,a,、酵母菌的乙醇发酵：,乙醇发酵过程只在,pH3.54.5,以及厌氧的条件下发生。,（,1,）乙醇发酵,当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。,原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果,2,分子乙醛间发生歧化反应，生成,1,分子乙醇和,1,分子乙酸；,CH,3,CHO+H,2,O+NAD,+,CH,3,COOH+NADH+H,+,CH,3,CHO+NADH+H,+,CH,3,CH,2,OH+NAD,+,此时也由,磷酸二羟丙酮,担任受氢体接受,3-,磷酸甘油醛脱下的氢而生成,-,磷酸甘油，后者经,-,磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,2,葡萄糖,2,甘油,+,乙醇,+,乙酸,+2CO,2,概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）,。,通风对酵母代谢的影响,通风（有氧呼吸）,缺氧（发酵）,酒精生成量,耗糖量,/,单位时间,细胞的繁殖,低（接近零）,少,旺盛,高,多,很弱至消失,巴斯德效应,(,The Pasteur effect),现象：,b,、细菌的乙醇发酵,葡萄糖,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸,-,葡萄糖酸,3-,磷酸甘油醛 丙酮酸,丙酮酸,乙醛,乙醛,2,乙醇,2CO,2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等,途径：,ED,酵母菌（在,pH3.5-4.5,时）的乙醇发酵,脱羧酶,脱氢酶,丙酮酸 乙醛 乙醇,通过,EMP,途径,产生乙醇，总反应式为：,C,6,H,12,O,6,+2ADP+2Pi 2C,2,H,5,OH+2CO,2,+,2ATP,细菌,(Zymomonas mobilis),（在,pH5,时）的乙醇发酵,通过,ED,途径,产生乙醇，总反应如下：,葡萄糖,+ADP+Pi 2,乙醇,+2CO,2,+,ATP,利用,Z.mobilis,等细菌生产酒精,优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少,代谢副产物少；发酵温度高；,缺点：,pH5,较易染菌；耐乙醇力较酵母低,（,2,）乳酸发酵,乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。,在乳酸发酵过程中，发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵；发酵产物中除乳酸外，还有乙醇、乙酸及,CO,2,等其它产物的，称为异型乳酸发酵。,同型乳酸发酵：（经,EMP,途径）,异型乳酸发酵,：,（经,HMP,途径）,葡萄糖,3-,磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2(1,3-,二,-,磷酸甘油酸）,2,乳酸,2,丙酮酸,a,、同型乳酸发酵,2NAD,+,2NADH,2,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis,（乳酸乳球菌）,Lactobacillus plantarum,（植物乳杆菌）,EMP,途径,2NAD,+,2NADH,2,b,、异型乳酸发酵：,葡萄糖,6-,磷酸葡萄糖,6-,磷酸葡萄糖酸,5-,磷酸木酮糖,3-,磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD,+,NADPH,2,NAD,+,NADPH,2,ATP ADP,乙醛 乙酰,CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO,2,乙醇,Leuconostoc mesenteroides,（肠膜明串珠菌）,HMP,途径,NAD,+,NADPH,2,NAD,+,NADPH,2,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,类型,途径,产物,产能,/,葡萄糖,菌种代表,同型,EMP,2,乳酸,2ATP,保加利亚乳杆菌,异型,HMP,(WD),1,乳酸,1,乙醇,1CO,2,1ATP,肠膜明串珠菌,异型,HMP,(WD),1,乳酸,1,乙酸,1CO,2,2ATP,短乳杆菌,乳酸发酵被广泛地应用于泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青贮饲料中，由于乳酸菌的发酵代谢，积累了乳酸，抑制其他微生物的生长，使蔬菜，牛奶及饲料得以保存。,（,3,）混合酸发酵,葡萄糖,琥珀酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸,乳酸 丙酮酸,乙醛 乙酰,CoA,甲酸,乙醇 乙酰磷酸,CO,2,H,2,乙酸,丙酮酸甲酸裂解酶,乳酸脱氢酶,甲酸,-,氢裂解酶,磷酸转乙酰酶,乙酸激酶,PEP,羧化酶,乙醛脱氢酶,+2H,pH6.2,概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过,EMP,途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、,H,2,和,CO,2,等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。,（,4,）,2,3-,丁二醇发酵,葡萄糖,乳酸 丙酮酸,乙醛 乙酰,CoA,甲酸,乙醇,-,乙酰乳酸,二乙酰,3-,羟基丁酮,2,3-,丁二醇,CO,2,H,2,-,乙酰乳酸合成酶,-,乙酰乳酸脱羧酶,2,3-,丁二醇脱氢酶,概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有,-,乙酰乳酸合成酶,系而进行丁二醇发酵。,发酵途径：,EMP,鉴别肠道细菌的,V.P.,试验,鉴别原理,缩合 脱羧,2,丙酮酸 乙酰乳酸,3-,羟基丁酮,碱性条件,2,3-,丁二醇 二乙酰,（与培养基中精氨酸的胍基结合）,红色化合物,-CO,2,Enterobacter aerogenes,（产气肠杆菌）,能量转换,化能营养型,光能营养型,底物水平磷酸化,氧化磷酸化,通过光合磷酸化将光能转,变为化学能储存于,ATP,中,二、自养微生物的生物氧化,底物水平磷酸化,物质在生物氧化过程中,常生成一些含有,高能磷酸化合物,而这些化合物可直接偶联,ATP,或,GTP,的合成。,氧化磷酸化,伴随电子从底物到氧的传递，,ADP,被磷酸化形成,ATP,的酶促过程即是氧化磷酸化作用。其全过程可用方程式表 示如下：,NADH +H+3ADP +1/2O,2,NAD+4H,2,O +3ATP,氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生,ATP,的主要途径。,光合磷酸化,光能转变为化学能的过程：,当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶绿素性质上即被激活,导致其释放一个电子而被氧化,释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量,这就是光合磷酸化的基本动力。,光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生,ATP,化学渗透学说,化能无机营养型：,从无机物的氧化获得能量,以无机物为电子供体,这些微生物一般也能以,CO,2,为唯一或主要碳源合成细胞物质,自养微生物,从对无机物的生物氧化过程中获得生长所,需要能量的微生物一般都是：,化能自养型微生物,（一）化能自养微生物,（二）光能自养微生物,真核生物：藻类及其他绿色植物,产氧 原核生物：蓝细菌,光能营养型生物,不产氧（仅原核生物有）：光合细菌,（,1,）循环光合磷酸化,（,2,）非循环光合磷酸化,（,3,）嗜盐菌紫膜的光介导,ATP,合成,细菌光合作用类型,第二节 分解代谢和合成代谢间的联系,如果在生物体中只进行分解代谢，则有机能源的最终结局只是产生,ATP,、,H,2,O,和,CO,2,，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢也不可能正常进行。,相反，如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。,中间代谢产物非常重要,一、两用代谢途径,凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，就称两用代谢途径。,EMP,、,HMP,和,TCA,循环是重要的两用代谢途径。,在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。,在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。,在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行，原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。,二、添补途径,添补途径是指能补充两用代谢途径中音合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。,生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；,回补方式：大约有,10,条，它们都围绕回补,EMP,途径中的,磷酸烯醇式丙酮酸,和,TCA,循环中的,草酰乙酸,这两种关键性中间代谢物来进行的。比较重要的是,通过乙醛酸循环。,第三节 微生物独特合成代谢途径举例（,自学,）,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,（,constitutive enzyme,）经常以高浓度存在，其它酶都是,诱导酶,（,inducible enzyme,），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%,。,第四节微生物的代谢调控与发酵生产,一、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。,（一）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。,如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进,2,、酶活性的抑制,：主要是,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,1.,直线式代谢途径中的反馈抑制,：,苏氨酸脱氨酶,苏氨酸,-,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。,（二）反馈抑制的类型,二、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，间接而缓慢。,酶合成调节的类型,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,-,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,-D-,硫代半乳糖苷（,IPTG,，,isopropylthiogalactoside,）可作为乳糖类似物诱导,-,半乳糖苷酶的生物合成。,2.,阻遏（,repression,）：,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。阻遏可以更彻底地控制和减少末端产物的合成。,阻遏作用的类型：,末端产物阻遏（,end-product repression,）,：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产物生物合成的时候。,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。,分解代谢物阻遏（,catabolite repression,）,：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。,三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用,工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。,代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。,人工控制代谢的手段：,改变微生物遗传特性,(,遗传学方法）；,控制发酵条件（生物化学方法）；,改变细胞膜透性；,（,1,）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株积累中间代谢产物,A,a,B,b,C,c,D,d,E,1,、营养缺陷型菌株的应用,末端产物,E,对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给,E,，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物,C,。,（一）遗传学方法,（,1,）应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节,赖氨酸发酵,（高丝氨酸缺陷型菌株）,在这个代谢工程的设计中，是利用阻断分支途径的高丝氨酸的合成，来解除,(Lys+Thr),的反馈调节。即造成高丝氨酸缺陷型,(Hser,一,),，就可解除末端产物对限速酶的反馈抑制。,(2),肌苷酸发酵（,IMP,合成途径的代谢调控）,调控理论的实践应用,2,、应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节,抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。如,Corynebacterium crenatum,(,钝齿棒杆菌,),的抗,-,氨基,-,羟基戊酸（,AHV,）菌株能积累积苏氨酸。,高丝氨酸脱氢酶,D,A B C,E F,（二）生物化学方法,1.,添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生,(-),(-),(-),2.,添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物，,3.,发酵与分离过程耦合：,4.,控制发酵的培养基成分：,（三）控制细胞膜渗透性,使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。,1.,用生理学手段,直接抑制膜的合成或使膜受缺损,如,:,在,Glu,发酵中把,生物素,浓度控制在亚适量可大量分泌,Glu,；,控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性；,当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法；,再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是,Mn,2+,；,Mn,2+,的作用与生物素相似。,2.,利用膜缺损突变株,油酸缺陷型、甘油缺陷型,如,:,用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。,甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。,思考题：,1.,比较细菌和酵母菌的乙醇发酵。,2.,比较氧化磷酸化和底物水平磷酸化中,ATP,的产生。,