第六章微生物的代谢bppt课件.ppt

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1、第六章 微生物的代谢,本章内容,第一节 代谢概论第二节 微生物的产能代谢第三节 大分子物质的分解代谢第四节 分解代谢和合成代谢间的联系第五节 微生物独特合成代谢途径第六节 微生物的代谢调控与发酵生产,多糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌胞外酶将其水解成双糖或单糖才能进入细胞被利用。,一、多糖和二糖的分解,(1)淀粉的分解：淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等,(2)纤维素和半纤维素的分解,天然纤维素,C1酶,短链纤维素,Cx酶,纤维二糖,-葡萄糖苷酶,葡萄糖,半纤维素可以通过木聚糖酶等复合酶水解成单糖。,第三节 大分子物质的分解代谢,(3)果胶的分解,果胶由半乳糖醛酸以-1,4糖苷

2、键形成的直链状高分子化合物。果胶酶主要有三种：果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖醛酸酶。,(4)二糖的分解,蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。,微生物分解利用二糖有两种方式：一是水解酶将其水解为单糖;另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。,1）蔗糖的分解,许多微生物细胞能够分泌蔗糖水解酶：,蔗糖+H2O 蔗糖水解酶 葡萄糖 果糖,在嗜糖假单胞菌中由蔗糖磷酸化酶催化蔗糖磷酸化反应：,蔗糖+H3PO4 蔗糖磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸 果糖,2）麦芽糖的分解,麦芽糖+H2O 麦芽糖水解酶 2葡萄糖,麦芽糖+H3PO4 麦芽糖磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖,3）乳糖的分解,乳糖+

3、H2O-半乳糖苷酶 葡萄糖+半乳糖,4）纤维二糖的分解,纤维二糖可在纤维二糖磷酸化酶的催化下分解：,纤维二糖+H3PO4 纤维二糖磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖,二、油脂的分解,通过脂酶将油脂分解成甘油和脂肪酸。,1、甘油的利用：,直接吸收后经磷酸化并转变为磷酸二羟丙酮,2、脂肪酸的利用：,经-氧化途径产生乙酰CoA后被利用,脂肪酸的-氧化途径,R,HS-CoA,1、氨基酸的直接利用;2、氨基酸的脱氨分解;3、氨基酸的脱羧分解；,三、蛋白质的分解,通过蛋白酶将蛋白质分解成肽，并可继续分解成氨基酸。,氨基酸的利用：,第四节 分解代谢和合成代谢间的联系,分解代谢和合成代谢的关系,分解代谢和合成

4、代谢关系的特点：,分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分；联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物有12种；在长期的进化中，生物体通过两用代谢途径和代谢回补顺序使生物体有条不紊地正常运转；,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，称为两用代谢途径（amphibolic pathway）。,EMP、HMP和TCA循环等都是重要的两用途径。例如：葡糖异生作用（gluconeogenesis）。,在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，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

5、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。,两用代谢途径的特点：,二、代谢物回补顺序,作用：当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。,代谢物回补顺序（anaplerotic sequence），又称 代谢物补偿途径或添补途径（replenishment pathway），是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。,不同的微生物种类或同种微生物在不同碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。,乙醛酸循环（glyoxylate cycl

6、e）：又称乙醛酸支路（glyoxylate shunt），是TCA循环的一条回补途径，可使TCA循环不仅具有高效产能功能，而且还兼有可为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物的功能，例如草酰乙酸可合成天冬氨酸，酮戊二酸可合成谷氨酸，琥珀酸可合成叶卟啉等。,在乙醛酸循环中有两个关键酶它们可使丙酮酸和乙酸等化合物合成4C二羧酸，以保证微生物正常生物合成的需要。,异柠檬酸裂合酶（isocitrate lyase，ICL）,苹果酸合酶（malate synthase，MS）,乙醛酸循环的总反应式：2丙酮酸琥珀酸2CO2,乙醛酸循环中的两个关键反应：,乙醛酸循环示意图,具有乙醛酸循环的微生物，普遍是好氧

7、菌，例如可用乙酸作唯一碳源生长的一些细菌，包括Acetobacter（醋杆菌属）、Azotobacter（固氮菌属）、E.coli、Enterobacter aerogenes（产气肠杆菌）、Paracoccus denitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonas fluorescens（荧光假单胞菌）、Rhodospirillum（红螺菌属）等；真菌中的Saccharomyces（酵母属）、Aspergillus niger（黑曲霉）、Penicillium（青霉属）等。,自养微生物的CO2固定 生物固氮 细胞壁肽聚糖的合成 微生物次生代谢物的合成,第五节 微生物独特合成代谢途

8、径,一、自养微生物的CO2固定,各种自养微生物在其氧化磷酸化和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。,在微生物中固定CO2的4条途径：Calvin循环厌氧乙酰CoA途径逆向TCA循环途径羟基丙酸途径,（一）Calvin循环（Calvin cycle）,Calvin循环又称Calvin-Benson循环、Calvin-Bassham循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖磷酸循环。这一循环是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径。,核酮糖二磷酸羧化酶（ribulose biphosphate carboxylase，简称RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶（phosphoribulokina

9、se）是本途径中两种特有的酶。,利用Calvin循环进行CO2固定的生物包括绿色植物、蓝细菌、多数光合细菌（光能自养型）和硫细菌、铁细菌、硝化细菌等（化能自养型）。,Calvin循环,如果以产生1个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：,6CO212NAD(P)H218ATP C6H12O612NAD(P)18ADP18Pi,厌氧乙酰CoA途径又称活性乙酸途径（anaerobic acetic acid pathway）。这种非循环式的CO2固定机制主要存在于一些产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中，整个反应的关键酶是CO脱氢酶。,（二）厌氧乙酰CoA途径（anaerobi

10、c acytyl-CoA pathway）,（三）逆向TCA循环一些绿色硫细菌固定CO2的方式；特殊酶为柠檬酸裂合酶。（四）羟基丙酸途径少数绿色硫细菌以H2或H2S作电子供体进行自养 生活时所特有的一种CO2的固定机制；其关键步骤是羟基丙酸的产生；此类细菌无Calvin循环和逆向TCA循环途径。,二、生物固氮,生物固氮（biological nitrogen fixation）是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。,自生固氮菌(free-living nitrogen-fixer)独立进行固氮，种类繁多共生固氮菌(free-living

11、nitrogen-fixer)必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮联合固氮菌(associative nitrogen-fixer)必须生活在植物根际、叶面、动物肠道等处 才能固氮。,（一）固氮微生物的种类,第三节 微生物独特合成代谢途径,自生固氮菌,好氧,化能异养：固氮菌属(Azotobacter)，拜叶林克氏菌属(Beijerinckia),化能自养：氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferroxidans),光能自养：念珠蓝菌属(Nostoc)，鱼腥蓝菌属(Anabaena),兼性厌氧,化能异养：克雷伯氏菌属(Klebsiella)，多粘芽孢杆菌(Bacillus polymy

12、xa),光能异养：红螺 菌属(Rhodospirillum)，红假单胞菌属(Rhodopseudomonas),厌氧,化能异养：巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)，脱硫弧菌属(Desulforibrio),光能自养：着色菌属(Chromatium)，绿假单胞菌属(Chloropseudomonas),1.自生固氮菌（free-living nitrogen-fixer),自生固氮菌指一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的微生物。,第三节 微生物独特合成代谢途径,2.共生固氮菌(symbiotic nitrogen-fixer),共生固氮菌,根瘤,豆科植物：根瘤菌属

13、(Rhizobium)，固氮根瘤菌属（Azorhizobium),非豆科植物：弗兰克氏菌属放线菌(Frankia),植物,地衣：念珠蓝菌属(Nostoc)，鱼腥蓝菌属(Anabaena),满江红：满江红鱼腥蓝细菌(Anabaena azollae),共生固氮菌指必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物。,第三节 微生物独特合成代谢途径,3.联合固氮菌（associative nitrogen-fixer),联合固氮菌,根际：雀稗固氮菌(Azotobacter paspali),叶面：Beijerinckia,Azoto bacter,动物肠道：肠杆菌属(Enterobacter),（二）

14、固氮的生化机制,1.生物固氮反应的六大要素,ATP的供应；还原力H及其传递载体；固氮酶；还原底物 N2；镁离子；严格的厌氧微环境；,2.固氮的生化途径,固氮酶对氧极端敏感；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s失活；组分I（钼铁蛋白）：半衰期10min；但大多数固氮菌都是好氧菌；,如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？,固氮酶的厌氧微环境：,（三）好氧菌固氮酶避氧害机制,1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制；呼吸保护、构象保护2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制；分化出特殊的还原性异形胞;非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进 行时间上的分隔3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制；存在

15、豆血红蛋白,1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制,固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧态，以保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为呼吸保护。构象保护指固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成1个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险”机制。在一般含氧条件下，呼吸保护就可除去多余氧；若还有 过量分子氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。,2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制,（2）蓝细菌的固氮酶保护 蓝细菌是放氧光合生物。在光照下，通过光合作用放氧使细胞内的氧浓度增高。该菌采用两种防氧措施保护固氮酶活性。一种为异形胞抗氧，另一种为

16、非异形胞抗氧。,非异形胞抗氧有多种形式：利用时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合作用(织线蓝细菌属)；提高细胞内SOD和过氧化物酶活性，消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性(粘球粘细菌属)。,异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜，该膜具有防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能；异形胞内缺少产氧光合系统，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态；胞内超氧化物歧化酶SOD(Superoxide dismutase)活性很高，有解除氧毒害的功能；异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2倍，可通过呼吸消耗过多的O2并产生固氮所需ATP。

17、,3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制,（3）根瘤菌固氮酶的保护 根瘤菌分为豆科根瘤菌与非豆科根瘤菌两种类型。豆科根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体(bacteroids)形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜中，膜内具有良好的氧、氮和营养条件。最重要的是在周膜内外存在着独特的豆血红蛋白(leghaemoglobin)。该蛋白具有极强的吸氧能力，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲剂，可调节根瘤中氧的浓度，使其稳定在固氮酶的最适范围内。,三、肽聚糖的生物合成,肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成

18、分；是许多重要抗生素例如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selective toxicity）的物质基础；合成机制复杂，在细胞膜外进行最终装配。,（一）在细胞质中的合成（二）在细胞膜上的合成（三）在细胞膜外的合成,金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus),整个肽聚糖的合成过程：,3个阶段,约有20步,1.由葡萄糖合成 N-乙酰葡萄糖胺和 N-乙酰胞壁酸,（一）在细胞质中的合成,UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽即“Park”核苷酸,2.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,（二）在细胞膜中的合成肽聚糖单体的合成,转糖基作用转肽作用,（三

19、）在细胞膜外的合成,青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，即它们两者可互相竞争转肽酶的活力中心。,当转肽酶与青霉素结合后，因前后两个肽聚糖单体间的肽桥无法交联，因此只能合成缺乏正常机械强度的缺损“肽聚糖”，从而形成了细胞壁缺损的细胞，例如原生质体或球状体等，它们在渗透压变动的不利环境下，极易因破裂而死亡。,因为青霉素的作用机制在于抑制肽聚糖的生物合成，因此对处于生长繁殖旺盛期的微生物具有明显的抑制作用，而对处于生长休止期的细胞（rest cell），则无抑制作用。,四、微生物次级代谢物的合成,初级代谢 在微生物的新陈代谢中，一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分

20、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，称为初级代谢。次级代谢 次级代谢是指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。,糖代谢延伸途径 莽草酸延伸途径 氨基酸延伸途径 乙酸延伸途径,微生物次生代谢物的合成途径：,抗生素青霉素、链霉素、金霉素等激素赤霉素、吲哚乙酸、奈乙 酸等维生素硫胺素、核黄素、B12、吡哆醛等色素花青素类、红曲素等毒素白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲霉毒素等生物碱 麦角生物碱,次级代谢产物的种类,1.抗生素 抗生素是微生物产生的、具特异性抗菌作用的一类化学物质的总称。自本世纪40年代初青霉素首先用于医疗获

21、得良好效果以来，抗生素发展很快，现已发现的抗生素有两千多种，可医用的达数十种，并逐步扩大到用于植物保护、食品保鲜和家畜饲养等方面。抗生素生产已成为规模最大的现代化发酵工业。抗生素与产生菌 现知有半数以上的抗生素是由放线菌产生的，其次为真菌与细菌。放线菌产生的抗生素有两千多种，其中主要是由链霉菌属菌产生的。,抗菌机制与抗菌谱 抗生素的抑菌与杀菌作用主要是干扰了生物的主要合成途径，使其生长受抑或死亡。抗菌作用概括为以下几种。影响细胞壁合成：如青霉素能干扰肽聚糖的生物合成，进而影响细胞壁形成。所以，青霉素能阻止细菌生长。细菌生长愈快，抗菌效果愈好；而对已长成的细胞则无效。影响细胞质膜：有些抗生素能和

22、质膜结合，引起正常质膜结构破坏，使选择 性吸收养料受阻，并引起胞内物质外泄。抑制蛋白质合成：如氯霉素可与核糖体结合，使mRNA与核糖体结合受阻，进 而抑制蛋白质的生物合成。干扰核酸合成：如博来霉素可与DNA结合而干扰其复制；丝裂霉素与DNA两链 的互补碱基形成交联，影响两链分开，阻碍复制进行。抗生素能抑制的微生物种类叫抗菌谱。,2.毒素 微生物产生的对人和动植物有毒害作用的物质称为毒素。依产生菌不同将毒素分为细菌毒素与真菌毒素两类。细菌毒素(Toxin)许多致病细菌能产生毒素。依毒素在产生菌细胞中存在的部位，细菌毒素分内毒素(Endotoxin)与外毒素(Exotoxin)两类，前者产生后处于

23、胞壁上，仅在细胞崩解后才分散于环境中；后者在细胞内产生后能分泌至细胞外。蛋白质毒素均具抗原性，可诱发寄主产生抗体，中和毒素使之失去毒性。有的毒素经化学处理可失去毒性，但仍保持抗原性者，称为类毒素，可用于医疗。,肉毒梭菌专性厌气，芽孢卵圆形，G+菌，有鞭毛，能运动。根据该菌的生化反应和毒素血 清学的不同，可分为A、B、C、D、E、F和G7个型。C型又分为C1和C2两型。其中A、B两型抗热力最强，E型最弱。A、B、E和F型是人食物中毒的病原菌，C和D型是鸟类及其它动物中毒的病原菌。肉毒素不耐热，80处理30分钟，毒性便破坏。该菌的繁殖与产毒均需厌 氧条件。肉毒素在胃肠中不被破坏，进食后24小时便可

24、出现中毒症状：初是恶心、呕吐，类似胃肠病，接着是神经麻痹，视力减退，眼睑下垂，瞳孔放大，吞咽困难，病情进一步发展则出现腹胀、便秘、尿闭、流涎、口渴。严重者在发病37天内死亡，死亡率达30%80%。我国由该菌引起的中毒食品多为自制臭豆腐、豆酱及豆豉等。,真菌毒素(Mycotoxin)自1961年英国发生10万只火鸡饲料中毒事件后，真菌毒素已引起广泛重视。黄曲霉毒素有B1、B2、G1、G2、M1与M2等12种，主要的是B1，其毒性最强，能诱发肝癌、胃癌，是重要的致癌物质，越来越受到重视。黄曲霉是常见的霉变菌，在生霉粮食上出现的霉菌中占首位。产生黄曲霉毒素的最适温度较生长最适温约低10，适宜水分含量

25、在20%25%，相对湿度在85%以上。据报道，约有30%以上的黄曲霉菌株均产生黄曲霉毒素。花生饼、花生米及玉米等均易受污染，毒素含量较高。,3.激素与色素 赤霉素(Gibberellin)是现知效能最高的植物生长素。它能强化植物生长，持久反复开花，中断休眠状态，并能影响叶片形状与大小，促进形成层的活性，改变枝条、叶柄及叶片的向地性，改变性别表现，改变有些植物组织中酶的功能与活性，影响植物生长发育。因之，在农作物、水果蔬菜及牧草上已广泛应用，以提高产量。赤霉素是水稻恶苗病菌藤仓赤霉(Fibberellafujikuroi)产生的生理活性物质，至今虽知许多种植物与微生物也含有类赤霉素物质，但赤霉菌

26、仍是生产赤霉素的唯一真菌。已知赤霉素共有GA1、GA2、GA3等15种，皆有赤霉烷酸的基本骨架，其中以GA3、GA4和GA7的作用较强。GA3又称赤霉酸，是赤霉素的主要成分。,第三节 微生物独特合成代谢途径,微生物能产生各种色素，使菌呈现不同颜色。除了对其中光合色素与呼吸色素的生理功能知之较多外，对其它色素的生理功能了解很少。红曲霉(Monasus purpurens)产生的具鲜 红色的红曲菌素是重要的食用色素。酿制红豆腐乳即是利用该菌产生的这种色素。,红酵母,黑曲霉,灰黄青霉,次级代谢产物的生物合成过程：,前体聚合,结构修饰,不同组分的装配,第六节 微生物的代谢调节与发酵生产,一、微生物的代

27、谢调节微生物细胞代谢的调节是通过酶的调节来实现的；微生物细胞内酶的存在方式：组成酶：在细胞内以较高的浓度存在；诱导酶：底物和诱导物存在时才合成；微生物细胞代谢调节方式:调节细胞膜对营养物的透性；限制酶与底物的接触；调节代谢流：细调调节现成酶分子的催化活力（反馈抑制）；粗调调节酶的合成量（诱导和阻遏）；,二、代谢调节在发酵工业中的应用,调节微生物生命活动的方法 生理水平 基因调控水平 代谢途径水平调节微生物的生理状态营养类型和浓度氧的供应pH调节前体和表面活性剂等基因水平的调控酶合成的阻遏酶合成的诱导,1）应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节举例（赖氨酸发酵）,微生物初生代谢途径的调节方法：,2）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节3）控制细胞膜的透性通过生理学手段控制细胞膜的渗透性通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性,