微生物的代謝與發(fā)酵

微生物的代謝與發(fā)酵第一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容：●微生物獨特的能量代謝●微生物獨特的合成途徑●發(fā)酵與代謝調(diào)節(jié)第二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日§1.微生物能量代謝一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能第三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●生物氧化的主要途徑和類型途徑：脫氫、遞氫和受氫類型(受氫體不同）：----(好氧）呼吸----無氧呼吸----發(fā)酵第四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（一）底物脫氫的主要途徑第五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日生物共有的三個主流產(chǎn)能途徑（EMP、HMP、TCA）1、糖酵解途徑（EMP）第六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2、磷酸戊糖途徑（HMP）第七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3、三羧酸循環(huán)（TCA）丙酮酸3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+ATP第八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日4、ED途徑（糖酵解替代途徑）●微生物獨特產(chǎn)能途徑第九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●ED途徑概貌第十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●總反應(yīng)式：C6H12O6+Pi+NADP++NAD+→2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+特點：1）KDPG裂解關(guān)鍵反應(yīng)2）特征酶：KDPG醛縮酶3）2丙酮酸分別來自KDPG裂解和3-磷甘油醛的轉(zhuǎn)化4）產(chǎn)能較低（1molATP+NADPH+NADH/1molGlucose）第十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●生物學(xué)意義1）EMP途徑的替代途徑2)協(xié)調(diào)EMP、HMP、TCA途徑3）進(jìn)行細(xì)菌酒精發(fā)酵2010年，中國生物乙醇500萬噸,成本低于3000元/噸

第十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●酒精發(fā)酵途徑:酵母菌:葡萄糖→1,6-二磷酸果糖→3-磷酸甘油醛、磷酸二羥丙酮→→丙酮酸→乙醛→2乙醇細(xì)菌：葡萄糖→

6-磷酸葡糖酸→KDPG→丙酮酸(3-磷酸甘油醛→丙酮酸)→乙醛→2乙醇第十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●細(xì)菌酒精發(fā)酵

代謝速率高、轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少、發(fā)酵溫度較高；但pH較高、較易染菌、耐乙醇能力較低。第十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日建議讀物：第十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日·（二）遞氫和受氫

●依據(jù)受氫體性質(zhì)不同，生物氧化分為：呼吸(有氧呼吸）、無氧呼吸和發(fā)酵三種類型。

第十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1、呼吸●好氧M產(chǎn)能方式●呼吸鏈最終受氫體（O2）原核生物P/O較低第十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2、無氧呼吸

又稱厭氧呼吸，一類呼吸鏈末端受氫體為外源無機(jī)氧化物（少數(shù)為有機(jī)氧化物）的生物氧化。主要微生物類群：----反硝化細(xì)菌----反硫化細(xì)菌----甲烷細(xì)菌----某些兼性厭氧菌第十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●無機(jī)氧化物為受氫體第二十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●有機(jī)氧化物為受氫體第二十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日NO3●無氧呼吸[如：硝酸鹽(呼吸)異化還原]在無氧條件下，某些兼性厭氧微生物無氧呼吸時利用硝酸鹽為受氫體還原為亞硝酸、NO,N2O或氮氣的過程。第二十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●硝酸鹽異化還原特點---某些兼性厭氧微生物在無氧時，利用硝酸鹽為受氫體的產(chǎn)能方式，產(chǎn)能較低；---還原形成的亞硝酸鹽通常會進(jìn)一步還原為N2；---對衛(wèi)生、環(huán)保、農(nóng)業(yè)（肥力）的影響與利用第二十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●反硝化作用：微生物在厭氧呼吸中把硝酸鹽或亞硝酸還原為氣態(tài)氮(氮氣)的過程。

（注意：不同于硝酸鹽異化還原）●硝酸鹽同化還原硝酸鹽為微生物吸收還原為氨態(tài)氮的過程。第二十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日DentrificationTheformationofgaseousnitrogenorgaseousnitrogenoxidesfromnitrateornitritebymicroorganisms.第二十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●硫酸鹽呼吸：在無氧條件下，某些厭氧或兼性厭氧微生物無氧呼吸時利用硫酸鹽為受氫體還原為H2S的過程。APS：

腺苷酰磷酸第二十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第二十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日總結(jié)：●無氧呼吸是厭氧和兼性厭氧微生物的一種產(chǎn)能反應(yīng)，不同于好氧呼吸，底物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給無機(jī)氧化物或有機(jī)氧化物；產(chǎn)能較少?！裣跛猁}異化還原由兼性微生物進(jìn)行的無氧呼吸，為硝酸鹽還原為亞硝酸或氮氣的過程?！穹聪趸饔茫簠捬鹾粑邢跛猁}還原為氮氣的過程?！褡匀唤缰羞M(jìn)行無氧呼吸的主要方式還包括硫酸鹽呼吸、硫呼吸、碳酸鹽呼吸、鐵呼吸等。第二十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3、發(fā)酵（fermentation）

●定義廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。狹義：在無氧條件下，底物脫下氫未經(jīng)呼吸鏈而直接交給某一內(nèi)源性中間代謝物，以實現(xiàn)底物水平磷酸化的生物氧化反應(yīng)。第二十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●發(fā)酵示意圖3-P甘油醛丙酮酸乳酸1,3-二磷甘油酸第三十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

產(chǎn)能反應(yīng)（底物水平磷酸化）第三十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（1）由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵

（乙醇發(fā)酵、乳酸（同型）發(fā)酵、丙酸發(fā)酵）第三十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

混合酸發(fā)酵（甲酸、乙酸、乙醇、CO2、H2）第三十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2,3丁二醇發(fā)酵第三十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日丁酸發(fā)酵(丁酸；丙酮、丁醇；異丙醇等）第三十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日V.P.試驗：某些微生物利用丙酮酸產(chǎn)生乙酰甲基甲醇，在堿性條件下脫氫形成二乙酰，與胍基化合物產(chǎn)生紅色反應(yīng)，可用于某些細(xì)菌的鑒定。第三十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）通過HMP途徑的發(fā)酵◆異型乳酸發(fā)酵

（產(chǎn)物：乳酸、乙醇、CO2等）A.異型乳酸發(fā)酵經(jīng)典途徑（磷酸轉(zhuǎn)酮酶途徑）葡萄糖為原料:第三十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日核糖為原料:

產(chǎn)物為乳酸,乙酸,H20,ATP第三十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日B.異型乳酸發(fā)酵雙歧桿菌途徑(主要部分)關(guān)鍵酶：木酮糖磷酸轉(zhuǎn)酮酶第三十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日乙酸來源:第四十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第四十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）通過ED途徑的發(fā)酵（細(xì)菌酒精發(fā)酵）（4）氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能（Stickland反應(yīng))●丙氨酸氧化與甘氨酸還原的偶聯(lián)

（丙酮酸+2甘氨酸3乙酸+ATP）第四十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日總結(jié)：●發(fā)酵為厭氧或兼性厭氧微生物在無氧下的底物水平磷酸化的產(chǎn)能反應(yīng)；●主要途徑包括經(jīng)EMP、HMP、ED途徑和Stickland反應(yīng)的發(fā)酵；如經(jīng)EMP的6條發(fā)酵途徑、VP反應(yīng)；HMP的異型乳酸發(fā)酵；氨基酸氧化與還原偶聯(lián)的發(fā)酵●發(fā)酵具有重要的生物學(xué)意義及在微生物學(xué)實踐中的應(yīng)用價值。第四十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力(一)化能自養(yǎng)微生物第四十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●ATP和NADPH的產(chǎn)生

E°’-0.32-0.0600.260.280.82第四十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日---化能自養(yǎng)菌多數(shù)為好氧微生物，通過呼吸鏈傳遞電子和氫獲得能量；---化能自養(yǎng)菌氧化的無機(jī)物氧還電位一般較高(能量水平較低)，故P/O值較低；---化能自養(yǎng)菌可通過消耗ATP逆呼吸鏈的方式獲得還原力[H]。第四十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●硝化細(xì)菌的硝化作用硝化作用：氨態(tài)氮經(jīng)硝化細(xì)菌的氧化，轉(zhuǎn)為硝酸態(tài)氮的過程。亞硝化細(xì)菌：NH3+O2HNO2+2H++2e-硝化細(xì)菌：HNO2+H2ONO3

-+2H++2e-第四十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●亞硝化細(xì)菌的產(chǎn)能反應(yīng)第四十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

硝化作用：●還原性無機(jī)物氧化直接與呼吸鏈相聯(lián)。其過程比異養(yǎng)菌（經(jīng)EMP/TCA等）簡單?！窈粑湹慕M分簡單，多樣化；氫或電子直接進(jìn)入?！癞a(chǎn)能效率（P/O）比異養(yǎng)菌低(無機(jī)物能量水平低)。

2、化能自養(yǎng)菌氧化產(chǎn)能的特點：第四十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

（二）光能營養(yǎng)微生物1非循環(huán)光合磷酸化-------產(chǎn)氧光合作用第五十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日產(chǎn)氧光合微生物（藍(lán)綠澡）特點：1）電子傳遞非循環(huán)2）有氧下進(jìn)行（光解水產(chǎn)氧）3）PSI和PSII兩個光合系統(tǒng)4）反應(yīng)中可同時產(chǎn)生ATP和NADPH5）H+質(zhì)子來源于水的光解第五十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.循環(huán)光合磷酸化1)電子傳遞循環(huán)方式2)產(chǎn)ATP和NAD(P)H分別進(jìn)行3)不光解水、不產(chǎn)氧（僅有PSI）4）還原力的H+質(zhì)子來自H2S、H2無機(jī)或有機(jī)物

（不產(chǎn)氧光合微生物：光合細(xì)菌）第五十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日CytC2偶聯(lián)質(zhì)子跨膜形成質(zhì)子梯度第五十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

●光合細(xì)菌(紅螺菌目)

Bacteriathatcontainbacteriochlorophyllsandcanuselightasanenergysource.Whengrowingunderilluminationtheorganismareanaerobicanddonotevolveo2duringphotosynthesis.somearealsocapableofgrowinginthedarkbyrespiringwithoxygen.第五十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日區(qū)別：1）菌綠素類型2）電子供體3）硫粒積累特征

光合細(xì)菌：紅螺菌科、著色菌科、綠菌科、綠彎菌科第五十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●光合細(xì)菌（不產(chǎn)氧光合微生物）----光合作用器第五十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●光合細(xì)菌培養(yǎng)物第五十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3、紫膜光合磷酸化

（不產(chǎn)氧光合微生物）紫膜：在低氧時，某些嗜鹽菌的細(xì)胞膜合成含有菌視紫紅質(zhì)，因顏色呈紫色，故稱為紫膜。（視紫紅質(zhì)：視黃醛+視蛋白）第五十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日紫膜：75％蛋白（菌視紫紅質(zhì)）25％脂類第五十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●紫膜光合磷酸化

通過視黃醛分子光介導(dǎo)的異構(gòu)化建立膜電位而進(jìn)行的光合磷酸化。第六十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日建議讀物：第六十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日建議讀物：第六十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日§2分解代謝和合成代謝的關(guān)系●兩用代謝途徑●代謝物回補(bǔ)順序能補(bǔ)充兩用代謝途徑中因合成而消耗的中間產(chǎn)物的那些反應(yīng)。第六十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第六十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●乙醛酸循環(huán)第六十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●生物學(xué)意義1）TCA循環(huán)中4C化合物的補(bǔ)償2）乙酸為唯一C源微生物的重要代謝途徑3）高效的琥珀酸形成途徑

第六十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日§3微生物獨特合成途徑一.自養(yǎng)微生物的CO2固定●Calvin循環(huán)●厭氧乙?！狢OA途徑●逆向TCA循環(huán)●羥基丙酸途徑第六十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●Calvin循環(huán)（略）6CO2通過Calvin循環(huán)產(chǎn)生果糖-6-磷酸2)核酮糖二磷酸羧化酶、磷酸核酮糖激酶為特征性酶3）自養(yǎng)菌（生物）固定CO2的主要途徑第六十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●厭氧乙酰-輔酶A途徑第六十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●主要特征：1）分別合成甲基和羧基，后經(jīng)乙酰-COA合成終產(chǎn)物乙酸、丙酮酸2）CO脫氫酶為關(guān)鍵酶；THF、B12等一碳載體參加4）某些專性厭氧的化能自養(yǎng)菌固定CO2

的主要途徑（自養(yǎng)同型乙酸細(xì)菌、甲烷細(xì)菌）第七十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、生物固氮大氣中的分子氮通過微生物固氮酶的催化而還原成氨的過程。生物固氮：130×106噸工業(yè)固氮：50×106噸第七十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（一）固氮微生物1.自生固氮菌（Aztobacteria）第七十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●藍(lán)藻(念珠藻:Nostic)第七十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

2.共生固氮菌

（豆科植物）Rhizobium（非豆科植物）第七十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●地衣：子囊菌＋藍(lán)藻3.聯(lián)合固氮必須生長在植物根際、葉面或動物腸道等處才能更好地固氮的微生物。●Frankia

第七十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●Azotospirillium第七十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第七十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日二、固氮的生化機(jī)制

N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18~24Pi1.生物固氮要素●ATP(1:18)●還原力和傳遞載體：NADPHFd、Fld●還原底物（N2）●Mg++●厭氧微環(huán)境●固氮酶第七十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●固氮酶第七十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●FeMoCo(固氮酶活性中心）第八十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●固氮酶生物學(xué)特性1）還原N2、H+、C2H2等生物活性2）由固氮酶（組分I；鉬鐵蛋白；固二氮酶）和固氮酶還原酶（組分II；鐵蛋白；固二氮酶還原酶）共同組成時才具有生物活性3）氧不可逆失活作用第八十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.活力測定—乙炔還原法第八十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3固氮的生化途徑N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18~24Pi第八十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●氨的去路

第八十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日4.固氮酶的產(chǎn)氫反應(yīng)（2H+→H2）

固氮酶2H+---------------------→H2氫化酶第八十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（三）固氮酶避氧機(jī)制1.好氣性自生固氮菌：----呼吸保護(hù)----構(gòu)象保護(hù)2.藍(lán)藻：----還原性異形胞----其它第八十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日3.根瘤菌：----形成豆血紅蛋白（存在于類菌體周膜內(nèi)外）第八十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●根瘤第八十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

三、微生物結(jié)構(gòu)大分子---肽聚糖的合成第八十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(一)細(xì)胞質(zhì)中的合成1）N-乙酰葡萄糖胺-UDP、N-乙酰胞壁酸-UDP

葡萄糖→N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸（Gln、乙酰-COA）↙N-乙酰葡萄糖胺-UDP→N-乙酰胞壁酸-UDP

第九十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

2）由N-乙酰胞壁酸合成“park”核苷酸●park”核苷酸：即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，細(xì)菌細(xì)胞壁合成的重要中間體，由N-乙酰胞壁酸和氨基酸（丙氨酸、谷氨酸等）和載體UDP在細(xì)胞質(zhì)中合成形成。第九十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●“park”核苷酸的合成1）在UDP－M的基礎(chǔ)上合成；2）UDP為載體3）環(huán)絲氨酸抑制D-Ala--D-Ala的合成第九十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(二)在細(xì)胞膜中的合成：產(chǎn)物：肽聚糖單體（雙糖肽亞單位）載體：細(xì)菌萜醇：

（C55類異戊二烯醇組成的類脂載體）第九十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

●肽聚糖單體合成途徑第九十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(三)膜外的組裝●自溶素作用第九十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

●膜外組裝：轉(zhuǎn)糖基化作用；轉(zhuǎn)肽作用

青霉素：與轉(zhuǎn)肽酶結(jié)合；萬古霉素：與Ala-Ala結(jié)合第九十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日Carbapenem:碳青霉素烯第九十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●主要反應(yīng)過程回顧第九十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●藥物設(shè)計的意義(肽聚糖合成的抑制)----青霉素：競爭性抑制轉(zhuǎn)肽酶活性中心----環(huán)絲氨酸：抑制Park核苷酸5肽的合成----萬古霉素:與肽聚糖五肽的D-Ala-D-Ala結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)肽酶作用----桿菌肽：抑制細(xì)菌萜醇的去磷酸化

第九十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●青霉素抗菌機(jī)制青霉素結(jié)構(gòu)與肽聚糖單體五肽末端‘D-Ala-D-Ala’相似，競爭性地與轉(zhuǎn)肽酶結(jié)合，阻礙了肽聚糖單體間肽橋的交聯(lián)，引起細(xì)菌滲透性溶菌（osmoticlysis)死亡。第一百頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日四、微生物次生代謝產(chǎn)物的合成●次生代謝產(chǎn)物在微生物生長的穩(wěn)定期前后，由初生代謝物為前體，通過復(fù)雜的代謝途徑合成的各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。第一百零一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●次級代謝特點：1）初級代謝產(chǎn)物為前體2）一般生長后期產(chǎn)生3）對產(chǎn)生者功能不明確4）代謝途徑獨特第一百零二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第一百零三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日建議讀物:

第一百零四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日次生代謝產(chǎn)物及相關(guān)基因的推斷:第一百零五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日§4微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)主要調(diào)控方式：1）通道控制作用2）酶數(shù)量的控制3）酶活性的激活和抑制第一百零六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日一、微生物的代謝調(diào)節(jié)(一）酶合成的調(diào)節(jié)（數(shù)量的控制）●組成酶:細(xì)胞中經(jīng)常以較高濃度存在的酶?！裾T導(dǎo)酶：只有當(dāng)其分解底物或有關(guān)的誘導(dǎo)物存在時才會合成的酶。第一百零七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日根據(jù)調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物作用劃分:負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是阻遏蛋白,阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。II.正轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。第一百零八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

●基因調(diào)控系統(tǒng)

操縱子

調(diào)節(jié)基因

啟動基因，操縱基因

結(jié)構(gòu)基因

(二)原核生物基因調(diào)控的基本方式●操縱子:細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的基本單位,包括結(jié)構(gòu)基因、操縱基因和啟動基因。第一百零九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日●乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄的負(fù)控制