【南昌大学】优质课《微生物学》 第七章---微生物的代谢过程.ppt

【南昌大学】优质课全国特级教师江新欢博士教授食品微生物学食品微生物学第第七七章章 微生物的代谢微生物的代谢南昌大学食品院食品微生物组第第七七章章 微生物的代谢微生物的代谢l 第一节第一节 概述概述l 第二节第二节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢l 第三节第三节 微生物特有的合成代谢微生物特有的合成代谢l 第四节第四节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节l 第五节第五节 微生物营养微生物营养南昌大学食品院食品微生物组代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATPH第一节 代谢概论分解代谢的三个阶段分解代谢的三个阶段合成代谢示意图南昌大学食品院食品微生物组第二节第二节微生物能量代谢微生物能量代谢能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATP。这就是产能代谢。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）南昌大学食品院食品微生物组一、生物氧化生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。南昌大学食品院食品微生物组二、异养微生物的生物氧化生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸（一）发酵(fermentation)有机物氧化释放的电子直接交给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的代谢产物。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。南昌大学食品院食品微生物组（一）发酵(fermentation)发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）糖酵解是发酵的基础主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。1.发酵途径(1)EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮ATPADPATPADP葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-果糖果糖1、6-二磷酸二磷酸-果糖果糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛NAD+PiNADH+H+1、3-二磷酸二磷酸-甘油酸甘油酸ADPATPADPATP丙酮酸丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 2-磷酸磷酸-甘油酸甘油酸3-磷酸磷酸-甘油酸甘油酸 图 EMP途径1.发酵途径(1)EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）总反应式为：总反应式为：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H20南昌大学食品院食品微生物组(2)HMP途径（hexose monophoshate pathway）总反应式为：总反应式为：66磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖12NADP6H2O56磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖12NADPH12H12CO2Pi 南昌大学食品院食品微生物组ATPADPNADP+NADPH+H+A）葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸NADP+CO2NADPH+H+B）5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖5-磷酸磷酸-核酮糖核酮糖5-磷酸磷酸-核糖核糖C）5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖5-磷酸磷酸-核糖核糖TK6-磷酸磷酸-景天庚酮糖景天庚酮糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛TA6-磷酸磷酸-果糖果糖4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖TK6-磷酸磷酸-果糖果糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖EMP途途图 HMP途径的三阶段 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖径径（TK为转羟乙醛酶，TA为转二羟丙酮基酶）丙酮酸丙酮酸(3)ED途径（途径（EntnerDoudoroffpathway）又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。ATPADPNADP+NADPH+H+H2O葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸（KDPG）H2O图图ED途径途径3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛丙酮酸丙酮酸EMP途途径径丙酮酸丙酮酸总反应式为：总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6ADPADPPiPiNADPNADPNADNAD2CH2CH3 3COCOOHCOCOOHATPATPNADPHNADPHH HNADHNADHH H 南昌大学食品院食品微生物组特征性酶是磷酸解酮酶，分为：磷酸戊糖解酮酶途径（PK途径）（Phospho-pentose-ketolase pathway）磷酸己糖解酮酶途径（HK途径）（Phospho-hexose-ketolase pathway）(4)磷酸解酮酶途径葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖ATPATPADPADP6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄磷酸葡萄2NADP+CO22NADPH+H+5-磷酸磷酸-核酮糖核酮糖D-核糖核糖6-磷酸果糖磷酸果糖L-阿拉伯糖阿拉伯糖D-木糖木糖5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖磷酸已糖解酮酶磷酸已糖解酮酶Pi磷酸戊糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛乙酰磷酸乙酰磷酸4-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖乙酰磷酸乙酰磷酸EMP乙酸乙酸 途途 乙酸乙酸径径乙醛乙醛丙酮酸丙酮酸3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖磷酸戊糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶 乳酸乳酸乙醇乙醇乳酸乳酸乙酸乙酸图图磷酸戊糖解酮酶（磷酸戊糖解酮酶（PK）途径）途径 图图磷酸己糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶（HK）途径）途径 南昌大学食品院食品微生物组总反应式为：总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6ADPADPPiPiNADNADCHCH3 3CHOHCOOHCHOHCOOHCHCH3 3CHCH2 2OHOHCOCO2 2ATPATPNADHNADHH H 总反应式为：总反应式为：2C 2C6 6H H1212O O6 62CH2CH3 3CHOHCOOHCHOHCOOH3CH3CH3 3COOHCOOH磷酸戊糖解酮酶途径（PK途径）磷酸己糖解酮酶途径（HK途径）南昌大学食品院食品微生物组(1)乙醇发酵 a)酵母菌的乙醇发酵(如酿酒酵母)厌氧EMP 丙酮酸 乙醛 2乙醇+2CO2+2ATP b)异型乙醇发酵:(如肠膜明串珠菌)HMP 乙醇+乳酸+CO2+ATP c)同型乙醇发酵:（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇 ED(厌氧)乙醇+2CO2+ATP 区别：微生物不同；途径不同；产能不同；碳原子来源不同2.2.发酵类型发酵类型 南昌大学食品院食品微生物组(2)乳酸发酵南昌大学食品院食品微生物组同一微生物，利用不同底物，可进行不同形式的乳 酸发酵 不同微生物，可进行不同形式的乳酸发酵 乳酸菌：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串珠菌、双歧杆菌等。厌厌氧条件下，乳酸菌氧条件下，乳酸菌进进行行南昌大学食品院食品微生物组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EMP2乳酸2ATPLactobacillus debruckii异型 HMP(WD)1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostoc mesenteroides异型 HMP(WD)1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillus brevis南昌大学食品院食品微生物组(3)混合酸混合酸(mixedacidsfermentation)和丁二醇发酵和丁二醇发酵(butanediolfermentation)肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵。EMP丙酮酸乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸、乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、丙酮、CO2、H2等南昌大学食品院食品微生物组不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。TableMixedAcidFermentationProductsofEscherichia coli南昌大学食品院食品微生物组(4)丁酸发酵:专性厌氧菌a.丁酸发酵：丁酸梭菌 丁酸 b.丙酮-丁醇发酵：丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌 丙酮、丁醇 c.丁醇-异丙醇发酵：丁酸梭菌 丙酮还原为异丙醇不同菌，通过EMP途径，产物不同，可分为：类型途径（或条件）微生物ATP（molL）葡萄糖（molL）乙醇发酵EMP酿酒酵母2EMP解淀粉欧文氏菌2ED运动发酵单胞菌1甘油发酵EMPEDEMP（3NaHSO3）酿酒酵母少量/0EMP（pH76）酿酒酵母0同型乳酸发酵EMP粪肠球菌2异型乳酸发酵PK肠膜状明串珠菌1HMPPK双歧双歧杆菌2.5混合酸发酵EMP大肠杆菌2.5丁二醇发酵EMP产气肠杆菌2丙酮丁醇发酵EMP丙酮丁醇梭菌2丁酸发酵EMP丁酸梭菌3丙酸发酵琥珀酸丙酸途径丙酸细菌2丙烯酸途径3由由葡萄糖葡萄糖开始的各种类型发酵的总结开始的各种类型发酵的总结南昌大学食品院食品微生物组(二)呼吸作用微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。以氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobic respiration）：无氧呼吸（anaerobic respiration）：以分子氧作为最终电子受体南昌大学食品院食品微生物组TableSomeElectronAcceptorsUsedinRespiration1.有氧呼吸有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。南昌大学食品院食品微生物组南昌大学食品院食品微生物组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NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2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。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。南昌大学食品院食品微生物组南昌大学食品院食品微生物组2.无氧呼吸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。南昌大学食品院食品微生物组方式电子受体产物获能(千卡)微生物类型条件发酵有机物各种中间代谢产物54好氧菌，厌氧菌,兼性厌氧菌无O2或有O2有氧呼吸O2CO2688好氧菌,兼性厌氧菌有O2无氧呼吸无机物CO2429厌氧菌,兼性厌氧菌无O2发酵与呼吸的比较发酵与呼吸的比较南昌大学食品院食品微生物组二、自养微生物的生物氧化南昌大学食品院食品微生物组无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位南昌大学食品院食品微生物组（一）光合微生物的种类：1、自养型：蓝细菌、红硫菌、绿硫菌等；2、异养或兼性：红螺菌、嗜盐菌等。嗜盐菌获能途径:有氧时：氧化磷酸化有光时：光合磷酸化有氧或无氧：底物水平磷酸化三、光能微生物的生物氧化南昌大学食品院食品微生物组底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：物质在生物氧化中所生成的一些含有高能键的化合物直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式，叫底物水平磷酸化。氧化磷酸化氧化磷酸化：物质在生物氧化中所生成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统或其他氧化性物质，在此过程中偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式，叫氧化磷酸化。光合磷酸化光合磷酸化：当一个叶绿素分子吸收光量子而被激活后，释放一个电子，这个电子经过电子传递系统而偶联ATP或GTP的合成，叫光合磷酸化。（指光能转变为化学能的过程。）南昌大学食品院食品微生物组 环式环式光合磷酸化光合磷酸化：叶绿素释放的高能电子依次通过铁氧化蛋白，辅酶Q，细胞色素b和f,再返回带正电荷的叶绿素分子。在辅酶Q向细胞色素传递电子的时候，造成质子跨膜运动而合成ATP。（紫色硫细菌，紫色非硫菌、绿色硫细菌，绿色非硫细菌）非环式非环式光合磷酸化光合磷酸化：高等植物和篮细菌与光合细菌不同，它们可以裂解水来提供细胞的还原力。它们含有两个反应中心，连同天线色素，初级电子受体和供体一起构成光合系统I合光合系统II，这两个系统 偶联，进行非环式光合磷酸化。南昌大学食品院食品微生物组生物类型方式条件色素反应中心产物还原力(NADPH)中H的来源光合细菌循环无O2菌绿素，类胡萝卜素等1个不产氧ATP来自H2S等无机氢供体P150-151绿色植物藻类兰细菌非循环有O2叶绿素，藻色素等2个产氧ATPH2O光解P151嗜盐菌紫膜低O2细菌视紫红质紫膜不产氧ATP质子泵P152-153（二）微生物的光合磷酸化作用南昌大学食品院食品微生物组（三）进行光合磷酸化微生物的特点 1、细菌内含光合色素：菌视紫质、菌绿质、菌叶绿素、类胡萝卜素、藻青素等。2、具光合结构：有光合色素和电子传递系统的存在位点。如：蓝细菌 类囊体 红螺菌、红硫菌在细胞膜内壁形成单位膜组成的光合结构。3、光合细菌中，光照越强，光合结构越多。南昌大学食品院食品微生物组合成特点合成特点：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。和细菌萜醇）参与。合成过程合成过程：依发生部位分成三个阶段：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖第三节微生物特有的合成代谢微生物结构大分子微生物结构大分子肽聚糖的合成肽聚糖的合成葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPGlnGlu葡糖胺葡糖胺-6-磷酸磷酸N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-6-磷酸磷酸乙酰乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPHNADPN-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-1-磷酸磷酸N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi1.在细胞质中合成在细胞质中合成“单糖五肽单糖五肽”首先由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸，进而合成“单糖五肽”。南昌大学食品院食品微生物组2.在细胞膜中合成双糖五肽和甘氨酸肽桥在细胞膜中合成双糖五肽和甘氨酸肽桥这一阶段中有一种称为细菌萜醇这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂质载脂质载体参与，这是一种由体参与，这是一种由11个类异戊烯单位组成的个类异戊烯单位组成的C35类异戊烯类异戊烯醇，醇，它它通过两个磷酸基与通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载着乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与N-乙酰葡乙酰葡萄糖胺结合，并在萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽上接上五肽(Gly)5,形成双糖亚单位。形成双糖亚单位。南昌大学食品院食品微生物组肽聚糖单体的合成G-M-P-P-类脂 M-P-P-类脂UDPUDP-G UDPUDP-M P-类脂Pi P-P-类脂杆菌肽万古霉素5 甘氨酰-tRNA 5 tRNA插入至膜外肽 聚糖合成处G-M-P-P-类脂南昌大学食品院食品微生物组肽聚糖单体的合成细菌萜醇细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“Park”核苷酸进入细胞膜，连接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处。结构式：CH3CH3 CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，真菌的几丁质和甘露聚糖等。南昌大学食品院食品微生物组3.3.在细胞膜外连接在细胞膜外连接“编织成肽聚糖网编织成肽聚糖网”第一步：是多糖链的伸长第一步：是多糖链的伸长双糖肽先是插入细胞壁生长双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含68个肽聚糖单体分子）个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个使多糖链延伸一个双糖单位；双糖单位；第二步：通过转肽酶的转肽作用（第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidation)使相邻使相邻多糖链交联多糖链交联转肽时先是转肽时先是D-丙氨酰丙氨酰-D-丙氨酸间的肽丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。现交联。南昌大学食品院食品微生物组南昌大学食品院食品微生物组第四节第四节 微生物的代谢调控及其应用微生物的代谢调控及其应用一、微生物代一、微生物代谢过谢过程中的自我程中的自我调节调节二、二、酶酶活性的活性的调节调节三、三、酶酶合成的合成的调节调节四、代四、代谢调谢调控理控理论论的的应应用用南昌大学食品院食品微生物组 一、一、微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢过程中的自我调节1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞2.通过酶的定位控制酶与底物的接触通过酶的定位控制酶与底物的接触3.控制代谢物流向控制代谢物流向南昌大学食品院食品微生物组二、酶活性的调节二、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。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。（一）调节方式：（一）调节方式：1、酶酶活活性性的的激激活活：在在代代谢谢途途径径中中后后面面的的反反应应可可被被较较前前面面的的反反应应产产物物所所促促进的现象；常见于分解代谢途径。进的现象；常见于分解代谢途径。2、酶活性的抑制、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概概念念：反反馈馈：指指反反应应链链中中某某些些中中间间代代谢谢产产物物或或终终产产物物对对该该途途径径关关键键酶酶活活性性的影响。的影响。凡使反应速度加快的称凡使反应速度加快的称正反馈正反馈；凡使反应速度减慢的称凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）负反馈（反馈抑制）；反反馈馈抑抑制制主主要要表表现现在在某某代代谢谢途途径径的的末末端端产产物物过过量量时时可可反反过过来来直直接接抑抑制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。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特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除南昌大学食品院食品微生物组1.直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶苏氨酸苏氨酸-酮丁酸酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸反馈抑制反馈抑制 2.2.分支代谢途径中的反馈抑制：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：应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型南昌大学食品院食品微生物组（1 1）同功酶调节）同功酶调节isoenzymeisoenzyme一个代谢的关键酶可以是不同的一类酶,分别受不同的终产物调控。一条途径受抑制,则代谢会沿另一途径进行。南昌大学食品院食品微生物组天冬氨酸族氨基酸生物合成调控：天冬氨酸族氨基酸生物合成调控：南昌大学食品院食品微生物组（2 2）协同反馈抑制）协同反馈抑制concerted feedback inhibition定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制定义：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。共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。南昌大学食品院食品微生物组（3 3）合作反馈抑制）合作反馈抑制cooperative feedback inhibition定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。者单独作用之和。南昌大学食品院食品微生物组（4 4）积累反馈抑制）积累反馈抑制cumulative feedback inhibition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。积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。南昌大学食品院食品微生物组（5 5）顺序反馈抑制）顺序反馈抑制sequential feedback inhibition一一种种终终产产物物的的积积累累,导导致致前前一一中中间间产产物物的的积积累累，通通过过后后者者反反馈馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。南昌大学食品院食品微生物组(三三)酶酶活力活力调节调节的机制的机制 1.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:与与抑制抑制剂结剂结合合,构象构象变变化化,不能与底物不能与底物结结合合与与激活激活剂结剂结合合,构象构象变变化化,促促进进与底物与底物结结合合 南昌大学食品院食品微生物组*协同效应中，酶有多个调节位点，只有每一位点与终产物 结合才产生反馈。变构酶上有两个位点：南昌大学食品院食品微生物组2、同功酶（isoenzyme)理论：某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。南昌大学食品院食品微生物组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。平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。（一）酶合成调节的类型（一）酶合成调节的类型1.诱导诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合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的酶称为诱导酶（诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。的酶类）。2.阻遏（阻遏（repression）：）：是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。成。三、酶合成的调节南昌大学食品院食品微生物组（二）酶合成的诱导（二）酶合成的诱导操纵子学说：操纵子学说：操纵子（操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括启动基因括启动基因(promoter)、操纵基因、操纵基因(operator)和结构基因和结构基因(Structuralgene)3部分。部分。南昌大学食品院食品微生物组 E.coli 乳糖操纵子学说(负调节)有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合,使其变构,不能与O结合,从而转录进行,合成乳糖酶,分解乳糖。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上,转录不能进行。南昌大学食品院食品微生物组（三）酶合成的阻遏1、终产物的阻遏(endproductrepression):即在合成代谢中，终产物阻遏该途径所有酶的合成。为基因表达的控制。南昌大学食品院食品微生物组2、降解产物的阻遏（Catabolite Repression）二次生长现象的机制：分解葡萄糖的酶组成酶（固 有酶）分解乳糖的酶诱导酶，受葡萄糖分解代谢产物的调控。TheDiauxicGrowthCurveofE.coligrowninlimitingconcentrationsofamixtureofglucoseandlactose（三）、酶合成的阻遏南昌大学食品院食品微生物组食品发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。食品发酵的目的：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。谢朝着人们希望的方向进行。人工控制代谢的手段：人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性改变微生物遗传特性(遗传学方法）；遗传学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；改变细胞膜透性。改变细胞膜透性。四、调控理论的应用四、调控理论的应用南昌大学食品院食品微生物组1.筛选抗反馈突变株如:对诱变后的菌种用终产物结构类似物，筛选对终产物积累不敏感的细胞株。产生原因：1）酶结构发生改变；2）酶系统发生改变。因此细胞不受终产物反馈抑制，产生过量的产物。(一)遗传学方法遗传学方法南昌大学食品院食品微生物组（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累）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中间代谢产物 A a B b C c D d E 2.2.营养缺陷型菌株的应用营养缺陷型菌株的应用 末端产物末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻，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)遗传学方法遗传学方法南昌大学食品院食品微生物组(2)(2)分支代谢途径分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协：情况较复杂，可利用营养缺陷性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。生产中间产物。A B CDEFG南昌大学食品院食品微生物组分支途径分支途径赖氨酸生产赖氨酸生产南昌大学食品院食品微生物组分支途径分支途径肌苷酸发酵肌苷酸发酵南昌大学食品院食品微生物组3.利用基因重组技术，筛选新菌种，以大量积累 某种代谢产物。4.诱导酶合成 调节基因位点突变,不能编码调节蛋白；添加底物结构类似物,使其与调节蛋白结合；不断降低阻遏物的浓度(如连续发酵)。(一)遗传学方法遗传学方法南昌大学食品院食品微生物组DABCEF（二）生物化学方法（二）生物化学方法1.1.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(-)(-)(-)2.2.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，不是该酶的底物，而是底物的衍生物，3.3.发酵与分离过程耦合：发酵与分离过程耦合：4.4.控制发酵的培养基成分：控制发酵的培养基成分：南昌大学食品院食品微生物组（三）控制细胞膜渗透性（三）控制细胞膜渗透性使胞内的代谢产物迅速渗漏出去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。解除末端产物的反馈抑制。1.用生理学手段用生理学手段直接抑制膜的合成或使膜受缺损直接抑制膜的合成或使膜受缺损如如:在在Glu发发酵酵中中，生生物物素素引引起起膜膜透透性性下下降降。把把生生物物素素浓浓度度控控制在亚适量可大量分泌制在亚适量可大量分泌Glu。2.利用膜缺损突变株利用膜缺损突变株油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型如如:用用谷谷氨氨酸酸生生产产菌菌的的油油酸酸缺缺陷陷型型，培培养养过过程程中中，有有限限制制地地添添加加油油酸酸，合合成成有有缺缺损损的的膜膜，使使细细胞胞膜膜发发生生渗渗漏漏而而提提高高谷谷氨氨酸酸产产量。量。微生物营养微生物营养 微生物摄取和利用营养物质的过程。微生物摄取和利用营养物质的过程。微生物代谢微生物代谢 微生物体内发生化学反应的总和。微生物体内发生化学反应的总和。有了营养微生物才能代谢、生长和繁殖，并为人类提供各种有益代谢产物起点。了解微生物的营养原理，是研究和利用微生物的必要基础培养基。第五节 微生物营养与代谢一、一、微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型二二、微生物营养物质的吸收机制微生物营养物质的吸收机制三三、培养基培养基四四、微生物代谢微生物代谢第一部分第一部分微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能水水微微生生物物营营养养物物质质碳素化合物碳素化合物氮素化合物氮素化合物矿质元素矿质元素生长因子生长因子第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能1、碳素化合物碳素化合物(碳源碳源)：碳源：是微生物细胞内碳素物质或代谢产物中的碳源：是微生物细胞内碳素物质或代谢产物中的C的来源。的来源。占细胞干重的占细胞干重的50%。第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能1、碳素化合物碳素化合物(碳源碳源)：微生物细胞中碳素的功能微生物细胞中碳素的功能：（2）大多数微生物的）大多数微生物的能源物质能源物质（1）构成微生物体有机分子的）构成微生物体有机分子的骨架骨架第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能1、碳素化合物碳素化合物(碳源碳源)：甘薯、玉米粉、麸皮、米糠、野生植物的淀粉、甘薯、玉米粉、麸皮、米糠、野生植物的淀粉、酒糟、造纸厂亚硫酸液酒糟、造纸厂亚硫酸液无机物（无机物（CO2）有机物有机物葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉有机酸、醇类、脂类有机酸、醇类、脂类微生物可以利用的碳源种类微生物可以利用的碳源种类非常广泛非常广泛第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能1、碳素化合物碳素化合物(碳源碳源)：甲烷氧化菌：甲烷氧化菌：甲烷、甲醇甲烷、甲醇根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？不同的微生物利用碳素的情况不同的微生物利用碳素的情况洋葱假单胞菌：洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物九十多种碳素化合物纤维素分解菌（部分）：纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素只利用纤维素148种碳源进行鉴定第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能2、氮素化合物（氮源）氮素化合物（氮源）氮源：是构成微生物细胞含氮物质或代谢产物中的氮源：是构成微生物细胞含氮物质或代谢产物中的N素的来源。素的来源。分子氮分子氮 N2（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、蓝细菌蓝细菌）无机氮无机氮 NH4、NO3、NO2（多数微生物）（多数微生物）有机氮有机氮 蛋白质、牛肉膏、酵母膏蛋白质、牛肉膏、酵母膏（多数微生物）（多数微生物）、多肽、氨基酸、多肽、氨基酸 尿素、玉米浆、饼粕（生产实践）尿素、玉米浆、饼粕（生产实践）微生物可利用的氮素化合物微生物可利用的氮素化合物：氮素化合物的功能氮素化合物的功能：构成构成细胞物质细胞物质，少数微生物的能源物质（硝化细菌，少数微生物的能源物质（硝化细菌氨）。氨）。第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型3、矿质元素、矿质元素(无机盐无机盐磷酸盐、硫酸盐、氯化物等磷酸盐、硫酸盐、氯化物等)为机体提供了必要的金属元素。为机体提供了必要的金属元素。一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型3、矿质元素、矿质元素(无机盐无机盐)主要功能：主要功能：a.构成微生物细胞的多种结构成分构成微生物细胞的多种结构成分b.参与酶的组成，构成酶的最大活性（参与酶的组成，构成酶的最大活性（Mg、Mn、Fe）c.维持细胞结构的稳定性（维持细胞结构的稳定性（Ca、Mg）d.维持细胞渗透压平衡，有利于物质的运输维持细胞渗透压平衡，有利于物质的运输(K、Na)e.部分元素可作为少数类型微生物的能源部分元素可作为少数类型微生物的能源(Fe、S)P、S、Fe、Mg、K、Ca (大量元素大量元素)Mn、Cu、Zn、Mo （微量元素微量元素）一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型4、生长因子生长因子 是指微生物生长必需的但本身不能合成（或合成不足的），需要从外界是指微生物生长必需的但本身不能合成（或合成不足的），需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。吸收的且需要量又很小的有机物质。一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型4、生长因子生长因子 生长因子功能：生长因子功能：构成酶的辅基或辅酶构成酶的辅基或辅酶生长因子分类（化学结构、生理作用）生长因子分类（化学结构、生理作用）：氨基酸氨基酸 核核 苷苷(或碱基或碱基)维生素维生素一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型4、生长因子特点：、生长因子特点：（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同克氏杆菌克氏杆菌 生物素、对氨基苯甲生物素、对氨基苯甲酸酸肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌 十七种氨基酸十七种氨基酸一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型4、生长因子、生长因子（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化鲁毛霉：鲁毛霉：厌氧条件下：需维生素厌氧条件下：需维生素B与生物素与生物素 好氧条件下：无需生长因子好氧条件下：无需生长因子一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型4、生长因子、生长因子（3）对生长因子未知微生物的培养）对生长因子未知微生物的培养酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液加入天然成分加入天然成分一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型5、水分水分 微生物水分含量：微生物水分含量：营养细胞营养细胞90%，孢子，孢子40%。生长、代谢必不可少的物质。生长、代谢必不可少的物质。一、微生物营养物质及其功能一、微生物营养物质及其功能第一节第一节 微生物营养物质和营养类型微生物营养物质和营养类型5、水分水分 水分在微生物生长代谢中的功能：水分在微生物生长代谢中的功能：a.机体内生理生化反应的基础机体内生理生化反应的基础b.溶剂与运输介质溶剂与运输介质c.细胞体内温度的缓冲剂作用细胞体内温度的缓冲剂作用一