分支代谢途径课件.ppt

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1、微生物代谢的类型和酶 分解代谢及产能代谢 合成代谢与耗能代谢 代谢与微生物的鉴定 微生物的代谢调节与发酵生产 初级代谢与次级代谢,内容提要,代谢类型物质代谢与能量代谢初级代谢与次级代谢分解代谢与合成代谢酶的类型胞外酶和胞内酶诱导酶和组成酶氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶,大分子物质的生物降解,分解代谢,淀粉的水解,纤维素的水解,生物氧化,底物脱氢的途径,ATP,ATP,ATP,ATP,NAD+,NADH,底物脱氢的途径1： EMP途径,EMP途径特点：,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

2、油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸。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。想想1分子葡萄糖经过EMP净生成几分子ATP?,EMP途径作用： 供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力连接TCA、HMP、ED等途径的桥梁为生物合成提供多种中间代谢物通过逆向反应进行多糖合成与乙醇、乳酸、甘油、丙酮的发酵生产密切相关,HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径1. 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO

3、22. 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸,底物脱氢的途径2：HMP途径,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi,HMP途径的总反应,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NADPH2，一方面为脂肪酸、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

4、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利用的碳源谱更为更为广泛。通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在Pseudomonas saccharophila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。,底物

5、脱氢的途径3： ED途径,ED途径的特点,葡萄糖经ED途径总的结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。反应步骤简单，产能效率低.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. 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.,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖

6、酮解途径（PPK）途径 磷酸己糖酮解途径（PHK）途径,底物脱氢的途径4：PK途径,葡萄糖 6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸 5 -P-核酮糖 5 -P-木酮糖,3 -P-甘油醛 丙酮酸,乙酰磷酸乙酰CoA 乙醛,ATP,NADH+H+,CO2,乳酸,乙醇,异构化作用,NADH+H+,磷酸戊糖酮解酶,CoA,Pi,2ADP+Pi,2ATP,-2H,-2H,-2H,NAD+,NADH+H+,磷酸戊糖酮解途径的特点:,分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2,2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖,4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸,2木

7、酮糖-5-磷酸,2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸,2乳酸,2乙酸,乙酸,磷酸己糖解酮酶,磷酸戊糖解酮酶,逆HMP途径,同EMP,乙酸激酶,磷酸己糖酮解途径的特点,有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。,发酵,发酵（fermentation）,广义的“发酵”是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式；狭义的“发酵”是指在无外源电子受

8、体的条件下，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代谢产物的过程。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。,微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间代谢产物而被微生物利用。,根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的 人发酵类型，以下几种发酵最重要研究得最清楚 乙醇发酵 乳酸发酵 混合酸发酵 丙酮丁醇发酵 丁酸发酵,G,EMP,2丙酮酸 2乙醛 2乙醇,丙酮酸脱羧

9、酶,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 （酵母菌乙醇发酵） 参与微生物：酵母菌,酒精发酵,ATP,ATP,ATP,ATP,NAD+,NADH,乙醇,乙醇脱氢酶,丙酮酸脱羧酶,乙醛,酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件,厌氧,不含NaHSO3,PH小于7.6,通过ED途径进行的乙醇发酵 （细菌的乙醇发酵）,参与微生物 ：运动发酵单孢菌,发酵途径：ED途径,反应式：C6H12O6,2C2H5OH+2CO2+ATP,乙醇发酵特点 发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物 酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。 产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下H使之还原

10、成乙醇的过程 。,乳酸发酵,指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程。两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等,同型乳酸发酵,在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，青贮饲料中的乳链球菌发酵即为此类型。,G,PEP,C3H6O3,过 程：,关键酶：乳酸脱氢酶,ATP,ATP,ATP,ATP,NAD+,NADH,乳酸,乳酸脱氢酶,Lactococcus lactisLactobacillus plantarum,异型乳酸发酵（通过PK途

11、径）,发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵结果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵 。乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。,葡萄糖 6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸 5 -P-核酮糖 5 -P-木酮糖,3 -P-甘油醛 丙酮酸,乙酰磷酸乙酰CoA 乙醛,ATP,NADH+H+,CO2,乳酸,乙醇,异构化作用,NADH+H+,磷酸戊糖酮解酶,CoA,Pi,2ADP+Pi,2ATP,-2H,-2H,-2H,NAD+,NADH+H+,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,呼 吸,有氧呼吸,存在于细胞

12、膜上 呼吸链中的氧还载体取代性强，如CoQ可被MK取代 呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减 有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别,原核生物呼吸链的特点,自养微生物的有氧呼吸,还原CO2时ATP和H的来源CO2NH4+, NO2-, H2S, S 顺呼吸链传递(最初能源) 耗H产ATP 逆呼吸链传递S,H2,Fe2+ NAD(P)H2（无机氢供体） 耗ATP产H CH2O,ATP,硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）,NH3+1.5 O2 NO2 +H2O + H+ + 65.1,2e -,细胞色素a 1,细

13、胞色素a3,0.5O2+2H+,H2O,硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）,S+1.5 O2 + H2O SO4 +2H+ 能量,铁的氧化,氢细菌的 能量代谢（氢的氧化）,用途:用于生产单细胞蛋白,无氧呼吸,硝酸盐呼吸,硫酸盐呼吸,碳酸盐呼吸（甲烷生成作用） 甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。,产能代谢,能量转化,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),光合磷酸化( photophosphorylation),细胞物质的合成,氨基酸的合成

14、,核酸的生物合成,糖类的合成（单糖、寡糖、多糖）,蛋白质的合成,脂类的合成,热原 系指能引起恒温动物体温异常升高的致热物质。它包括细菌性热原、内源性高分子热原、内源性低分子热原及化学热原等。这里所指的“热原”，主要是指细菌性热原，是某些细菌的代谢产物、细菌尸体及内毒素。致热能力最强的是革兰氏阴性杆菌的产物，其次是革兰阳性杆菌类，革兰阳性球菌则较弱，霉菌、酵母菌、甚至病毒也能产生热原。 LPS121，20min不被破坏 250，30min 或180、4h被破坏。,微生物合成代谢的特殊产物,毒素,细菌素细菌产生的一种抗生代谢产物，对同源种或近似种才有拮抗作用；蛋白质是主要成分；有一定的作用机制（杀

15、菌模式）；由质粒控制。,代谢调节在发酵工业中的应用,应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节,（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物 A a B b C c D d E,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 。,(2) 分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷型克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物,A B C,D,E,F,G,应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节,抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的

16、菌株。抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。,天冬氨酸,高丝氨酸,苏氨酸,甲硫氨酸,赖氨酸,指反馈抑制,指反馈阻遏,天冬氨酸半醛,1,2,3,B.Flavum 抗性菌株高产苏氨酸的代谢调节,生物素,生物素是乙酰-CoA 羧化酶的辅基,乙酰-CoA 羧化酶 脂肪酸,生物素 磷脂 膜透性 调节,青霉素,用生理学手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺损,控制细胞膜的渗透性,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

17、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。,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

18、含量的10%。,微生物自我调节代谢的方式,1. 控制营养物质透过细胞膜进入细胞如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。,2. 通过酶的定位控制酶与底物的接触真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使某种特异的功能。 原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； 蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。,3. 控制代谢物流向可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如: 两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成 以NAD为辅基 Glu分解 通过调节酶的活

19、性或酶的合成量 关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。 粗调：调节酶的合成量 细调：调节现有酶分子的活性通过调节产能代谢速率。,4.酶活力的调节,变构酶理论： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。,活性位点:与底物结合变构位点:,与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合 与激活剂结合, 构象变化,促进与底物结合,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：包括：竞争性抑

20、制和反馈抑制。 凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（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,反馈抑制的类型,顺序反馈抑制,一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节,同功酶反馈抑制,在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。某一产物过量仅抑制相应

21、酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节,协同反馈抑制,定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例： 谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。,积累反馈抑制,每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,增效反馈抑制,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，属于粗放的调节，间接而缓慢。

22、酶合成调节的类型诱导(induction) 阻遏（repression）,5. 酶的合成调节,酶合成调节的机制,原核微生物操纵子学说 操纵子（元）（operon）是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。 负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。,调节基因,启动子,操作子,结构基因,调节基因( regulator gene )：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。启动子(promoter)：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和

23、转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）操作子( operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是调节蛋白的结合位点，能通过与调节相结合来决定结构基因的转录是否能进行。结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DNA 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出相应的酶,例：大肠杆菌的二次生长现象,糖发酵实验,细菌含有分解不同糖（醇、苷）类的酶，因而分解各种糖（醇、苷）类的能力也不一样。有些细菌分解某些糖（醇、苷）产酸、产气。,IMVic实验吲哚实验(I),IMVic实验甲基红实验(M),某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多种代谢产物。由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。,IMVic实验 VP实验(V),IMVic实验枸橼酸实验,以枸橼酸钠为唯一碳源、PH值7.0的培养基上，产气杆菌分解枸橼酸钠产生碳酸盐，使培养基由中性变为碱性，培养基中指示剂溴麝香草酚蓝（BTB）由浅绿色变为深蓝色，此为枸橼酸盐利用试验阳性。大肠杆菌因不能利用枸橼酸盐，此试验为阴性反应。,淀粉水解实验,过氧化氢酶实验,