第七章-微生物的代谢-课件

第七章第七章 微生物的代微生物的代谢谢 （Microbial Microbial metabolismmetabolism）2020/10/281第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源有哪些？微生物可利用的最初能源有哪些？研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源 ATP的过程。2020/10/282精品资料3最初能源最初能源有机物有机物日光日光还原态无机物还原态无机物通用能源通用能源ATPATP化能异养型化能异养型光能营养型光能营养型化能自养型化能自养型ATP的结构的结构2020/10/284 一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能1.生物氧化的定义生物氧化的定义l发生在发生在活细胞内活细胞内的一系列的一系列产能性产能性氧化反应的总称。氧化反应的总称。燃烧燃烧l生物体外生物体外的氧化的氧化2020/10/285 2.生物氧化的形式：生物氧化的形式：加氧、脱氢或失去电子；加氧、脱氢或失去电子；3.生物氧化的过程：生物氧化的过程：脱氢、递氢、受氢脱氢、递氢、受氢 4.生生物物氧氧化化的的结结果果:产产ATP、还还原原力力H和和小小分分子子代代谢产物谢产物（一）底物脱氢的四条途径（一）底物脱氢的四条途径2020/10/286底物脱氢的四条途径底物脱氢的四条途径2020/10/2871.EMP途径(糖酵解途径或己糖二磷酸途径糖酵解途径或己糖二磷酸途径)己糖激酶 （1）磷酸己糖异构酶（2）磷酸果糖激酶（3）醛缩酶（4）磷酸丙糖异构酶（5）3-磷酸甘油醛脱氢酶（6）磷酸甘油酸激酶（7）磷酸甘油变位酶（8）稀醇化酶（9）丙酮酸激酶（10）2020/10/2881）是大多数生物所共有的基本代谢途径）是大多数生物所共有的基本代谢途径;2）有氧和无氧条件下都能进行）有氧和无氧条件下都能进行;有氧条件下，该途径与有氧条件下，该途径与TCA途径连接途径连接;无无氧氧条条件件下下，丙丙酮酮酸酸被被还还原原，形形成成乳乳酸酸等等发发酵酵产物产物;3）该该途途径径是是糖糖代代谢谢和和脂脂类类代代谢谢的的连连接接点点(如如磷磷酸酸二二羟丙酮可还原成甘油，进入脂类代谢羟丙酮可还原成甘油，进入脂类代谢；特点特点2020/10/2892.HMP途径途径 (己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径)2020/10/28101）是是一一条条葡葡萄萄糖糖不不经经EMP途途径径和和TCA循循环环而而彻彻底底氧氧化化产产能能、产还原力产还原力H和许多中间代谢产物的途径；和许多中间代谢产物的途径；2）进进行行一一次次周周转转需需要要六六分分子子的的葡葡萄萄糖糖同同时时参参与与，但但实实际际只只消消耗一分子的葡萄糖；耗一分子的葡萄糖；3）能产生大量的还原力）能产生大量的还原力H（12个个NADPH2）；）；l是合成脂肪酸、固醇等物质所需；是合成脂肪酸、固醇等物质所需；l也可通过呼吸链产生大量能量；也可通过呼吸链产生大量能量；4）反应中有）反应中有C3-C7各种糖，使微生物可利用的碳源范围广；各种糖，使微生物可利用的碳源范围广；5）能能产产生生多多种种重重要要的的中中间间代代谢谢产产物物（如如核核苷苷酸酸、多多种种氨氨基基酸酸、辅酶和乳酸等）。辅酶和乳酸等）。特点特点2020/10/28113.ED途径途径 (2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径磷酸葡萄糖酸途径)2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2020/10/2812少少数数细细菌菌（如如假假单单胞胞菌菌、根根瘤瘤菌菌和和土土壤壤杆杆菌菌等等）因因缺缺少少某某些完整些完整EMP途径的一种替代途径，途径的一种替代途径，为微生物所特有为微生物所特有；反应步骤简单，通过反应步骤简单，通过四步反应四步反应可快速获得可快速获得2分子的丙酮酸；分子的丙酮酸；产能效率低，产能效率低，1分子的葡萄糖仅产分子的葡萄糖仅产1个个ATP；可可与与EMP、HMP和和TCA循循环环等等各各种种代代谢谢途途径径相相连连接接，以以满满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；反应中有一个特征性酶反应中有一个特征性酶KDPG醛缩酶醛缩酶；特点特点2020/10/28134.TCA循环循环 (三羧酸循环、三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环循环或柠檬酸循环)1.丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体2.柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶3.顺乌头酸酶顺乌头酸酶4.顺乌头酸酶顺乌头酸酶5.异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶6.-酮戊二酸脱氢酮戊二酸脱氢酶酶7.琥珀酰琥珀酰CO A8.琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶9.延胡索酸酶延胡索酸酶10.苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶2020/10/2814TCA循环由循环由10步酶促反应组成；步酶促反应组成；产能效率极高，是细胞产生产能效率极高，是细胞产生ATP的主要场所；的主要场所；在微生物代谢中占有在微生物代谢中占有枢纽枢纽的地位；的地位；l提供生物合成所用碳架的重要来源；提供生物合成所用碳架的重要来源；l与与微微生生物物大大量量发发酵酵产产物物的的生生产产密密切切相相关关（如如柠柠檬檬酸酸、苹果酸、谷氨酸等）；苹果酸、谷氨酸等）；特点特点2020/10/2815TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位2020/10/2816四种脱氢途径的比较四种脱氢途径的比较EMP途径：途径：l许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡分子葡萄糖经萄糖经10步反应产生步反应产生2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2分子分子H和和2个个ATP；l该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；HMP途径：途径：l可与可与EMP途径或途径或ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的主要作用主要作用是用于是用于生物合成生物合成。ED途径：途径：l少数细菌以该途径代替少数细菌以该途径代替EMP途径。途径。1分子葡萄糖经分子葡萄糖经4步反步反应产生应产生2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2分子分子H和和1个个ATP；TCA循环：循环：l有氧条件下，丙酮酸经有氧条件下，丙酮酸经TCA循环进一步代谢产能或用于合循环进一步代谢产能或用于合成。成。2020/10/2817（二）递氢（二）递氢 电子传递链电子传递链电子传递链电子传递链l是是指指位位于于膜膜（原原核核生生物物在在细细胞胞质质内内膜膜，真真核核微微生生物物在在线线粒粒体体内内膜膜）上上，由由一一系系列列氧氧化化还还原原势势呈呈梯梯度度差差的的，链链状状排排列列的的电电子传递体组成；子传递体组成；l一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；l原原核核生生物物和和真真核核生生物物的的电电子子传传递递链链组组成成不不同同，但但二二者者的的功功能能相似；相似；l电子传递链的主要组分及传递顺序：电子传递链的主要组分及传递顺序：lNAD(P)FPFeSCOQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a32020/10/2818（三）受氢（三）受氢经多种途径经多种途径脱氢脱氢和和递氢递氢后，最终与后，最终与氢受体氢受体结合并释放其中的能结合并释放其中的能量。根据量。根据受氢体受氢体性质的不同，可把生物氧化分为性质的不同，可把生物氧化分为呼吸、无氧呼呼吸、无氧呼吸和发酵；吸和发酵；1.呼吸（有氧呼吸）呼吸（有氧呼吸）l是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；l其特点是底物按常规方式脱氢后，其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链传递，经完整的呼吸链传递，最最终被外源终被外源分子氧分子氧接受，释放能量；接受，释放能量；l递氢和受氢必须在递氢和受氢必须在有氧有氧条件下进行，是一种条件下进行，是一种高效产能高效产能方式；方式；2020/10/2819 高能水平高能水平（低氧化还原势）（低氧化还原势）低能水平低能水平（高氧化还原势）（高氧化还原势）典典型型的的呼呼吸吸链链2020/10/2820u 现在普遍接受的观点是现在普遍接受的观点是1978年诺贝尔奖获得者英国学者年诺贝尔奖获得者英国学者P.Mitchell 于于1961年提出的化学渗透学说年提出的化学渗透学说u该学说认为生物的通用能源该学说认为生物的通用能源-ATP 是由是由跨膜的质子梯度差跨膜的质子梯度差（质子动势）（质子动势）而产生的而产生的；产生产生ATPATP的机制？的机制？2020/10/2821头部头部颈部颈部基部基部ATP酶和酶和ATP的合成的合成2020/10/2822 是一类在是一类在无氧条件无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；其特点是底物按常规途径脱氢后，其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，经部分呼吸链递氢，最终由最终由氧化态的无机物氧化态的无机物（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；2.无氧呼吸（厌氧呼吸）无氧呼吸（厌氧呼吸）比较各类无机盐呼吸的特点比较各类无机盐呼吸的特点 根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型 无机盐呼吸无机盐呼吸 硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸 硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸 硫呼吸硫呼吸 铁呼吸铁呼吸 碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸 有机物呼吸有机物呼吸 延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸 甘氨酸呼吸甘氨酸呼吸 氧化三甲胺呼吸氧化三甲胺呼吸2020/10/2823指在指在无氧无氧的条件下，底物脱氢后所产生的还原力的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H，不经过不经过呼吸链传递，呼吸链传递，而而直接交给直接交给某一内源性某一内源性中间代谢产物中间代谢产物接受，以实接受，以实现现底物水平磷酸化底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；产能的一类生物氧化反应；能进行发酵的微生物是能进行发酵的微生物是专性厌氧菌专性厌氧菌或或兼性厌氧菌兼性厌氧菌;其产能都是通过其产能都是通过底物水平磷酸化底物水平磷酸化反应，产能效率低反应，产能效率低;能形成高能磷酸键的产物能形成高能磷酸键的产物:l1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸l磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸l乙酰磷酸乙酰磷酸l琥珀酰琥珀酰-CoA3.发酵发酵2020/10/2824发酵类型1.通过通过EMP途径进行的发酵途径进行的发酵l同型酒精、乳酸发酵同型酒精、乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵;2.通过通过HMP途径进行的发酵途径进行的发酵l异型乳酸发酵异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵;3.通过通过ED途径进行的发酵途径进行的发酵l细菌酒精发酵细菌酒精发酵 4.由氨基酸发酵产能由氨基酸发酵产能Stickland反应反应l少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。此反应的作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个ATP；2020/10/2825Stickland反应机制反应机制2020/10/2826氧化磷酸化氧化磷酸化 在在呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生联产生ATP；底物水平的磷酸化底物水平的磷酸化 通过形成含高能磷酸键的底物产能；通过形成含高能磷酸键的底物产能；光合磷酸化光合磷酸化 通过光能产生通过光能产生ATP的磷酸化反应；的磷酸化反应；ATP的产生途径2020/10/2827二、化能自养微生物的生物氧化和产能特点：特点：l生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；l是通过是通过氧化氧化某些某些还原性的无机底物还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+等）获得能量；等）获得能量；l绝大多数是绝大多数是好氧菌好氧菌；l无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；l呼吸链的组分多样化；呼吸链的组分多样化；l产能效率低；产能效率低；2020/10/2828 NAD FP COQ Cyt.c.c1 Cyt.a1.aa3 O2 Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPATPATPNH4+S2-SO32-无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位2020/10/2829生物氧化过程硝化细菌为例 NO2-NO3-NADH2 FP Cyt.b Cyt.c Cyt.a1 Cyt.aa3 -ATP -ATP -ATP +ATP 1/2O2 H2O 2H+2e-2H+2e-NH3+O2 H2O NO2-为什么化能自养微生物的产能效率、为什么化能自养微生物的产能效率、生长速率和细胞产率都很低？生长速率和细胞产率都很低？2020/10/2830硝化细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌硝化细菌反硝化细菌反硝化细菌化能自养微生物化能自养微生物化能异养微生物化能异养微生物好氧微生物好氧微生物兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物有氧条件有氧条件下利用氨或亚硝酸盐下利用氨或亚硝酸盐作主要生存能源，形成亚硝酸作主要生存能源，形成亚硝酸或硝酸或硝酸无氧条件无氧条件下利用硝酸盐作氢受体，下利用硝酸盐作氢受体，将其还原成将其还原成 NO N2在自然界的物质合成过程中起在自然界的物质合成过程中起重要作用重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用在自然界的氮素循环中发挥作用2020/10/2831无机物呼吸反应及其产能无机物呼吸反应及其产能2020/10/2832三、光能营养型生物的生物氧化和产能通过光能进行营养的生物通过光能进行营养的生物光能营养型生物光能营养型生物产氧产氧不产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌真细菌：光合细菌 循环光合磷酸化循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌古生菌：嗜盐菌 紫膜光合作用紫膜光合作用非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化2020/10/2833存在于光合细菌中的原始光合作用机制；存在于光合细菌中的原始光合作用机制；在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式循环式的电子传递途径产生的电子传递途径产生ATP；在厌氧条件下进行，不产氧；在厌氧条件下进行，不产氧；产产ATP和还原力和还原力H分别进行；分别进行；还原力还原力H来自来自H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；的情况下产生；循环光合磷酸化 2020/10/2834循环光合磷酸化的途径2020/10/2835ATP循环光合磷酸化途径2020/10/2836非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；电子的传递途径是电子的传递途径是非循环式非循环式的；的；在有氧条件下进行，能产生氧气；在有氧条件下进行，能产生氧气；有两个光合系统；有两个光合系统；lPSI：含叶绿素：含叶绿素a，吸收光波为，吸收光波为P700，有利于红光吸收；，有利于红光吸收；lPS：含叶绿素：含叶绿素b，吸收光波为，吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；，有利于蓝光吸收；反应中可同时产反应中可同时产ATP、还原力、还原力H和氧气；和氧气；2020/10/2837蓝蓝细细菌菌的的产产氧氧光光合合作作用用2020/10/2838比较项目比较项目非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化循环光合磷酸化循环光合磷酸化生物体生物体植物、藻类、蓝细菌植物、藻类、蓝细菌光合细菌光合细菌叶绿素类型叶绿素类型叶绿素叶绿素a等等细菌叶绿素细菌叶绿素a等等PSI 有有有有PSII有有无无氧的产生氧的产生有有无无还原力还原力H来自水的光解来自水的光解来自来自H2S等无机氢供体等无机氢供体两种光合作用比较两种光合作用比较2020/10/2839嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌特有嗜盐菌特有的的无叶绿素无叶绿素或或菌绿素菌绿素参与的独特光合作用；参与的独特光合作用；嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出红色红色和和紫色紫色两个组分；两个组分；l红膜红膜：在在有氧有氧条件下可进行氧化磷酸化产能；条件下可进行氧化磷酸化产能；主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；l紫膜紫膜：在在缺氧缺氧条件下，能利用光能的介导获得能量；条件下，能利用光能的介导获得能量；主要成分为细菌视紫红质和类脂；主要成分为细菌视紫红质和类脂；细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；光量子的驱动下起着质子泵的作用；2020/10/2840 第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢一、糖类的生物合成一、糖类的生物合成 微生物生长中既有分解糖类的能量代谢，又有微生物生长中既有分解糖类的能量代谢，又有从简单化合物合成糖类，构成细胞生长所哦需的从简单化合物合成糖类，构成细胞生长所哦需的单糖、多糖等。单糖很少以游离形式存在一般多单糖、多糖等。单糖很少以游离形式存在一般多糖或多聚糖及少量糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在。糖或多聚糖及少量糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在。2020/10/2841 1 1、单糖的生物合成、单糖的生物合成 合成单糖的途径是通过合成单糖的途径是通过EMPEMP途径逆行合成葡萄糖途径逆行合成葡萄糖-6-6-磷酸，再转化为其他糖。葡萄糖的合成是单磷酸，再转化为其他糖。葡萄糖的合成是单糖合成的中心环节。糖合成的中心环节。自养微生物合成葡萄糖的前体来源：通过卡尔自养微生物合成葡萄糖的前体来源：通过卡尔文循环可产生甘油醛文循环可产生甘油醛-3-3-磷酸，通过还原的核酸磷酸，通过还原的核酸环可得到草酸乙酸或乙酰辅酶环可得到草酸乙酸或乙酰辅酶A A。2020/10/2842 异养微生物合成葡萄糖的前体来源：异养微生物合成葡萄糖的前体来源：利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸；利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途径生成甘油醛酸途径生成甘油醛-3-3-磷酸；磷酸；利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸；利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸；可将糖氨基酸脱去氨基后作为合成葡萄糖的前可将糖氨基酸脱去氨基后作为合成葡萄糖的前体。体。2020/10/2843 2 2、多糖的生物合成、多糖的生物合成 微生物细胞内所含的多聚糖包括同多糖单（由微生物细胞内所含的多聚糖包括同多糖单（由相同的单糖分子聚合而成，如糖原、纤维素等）相同的单糖分子聚合而成，如糖原、纤维素等）和杂多糖（由不同的单糖分子聚合而成，如肽聚和杂多糖（由不同的单糖分子聚合而成，如肽聚糖）。糖）。多糖的合成不仅是分解的逆转，而是以一种核多糖的合成不仅是分解的逆转，而是以一种核苷糖为起始物，接着糖单位逐个添加在多糖链的苷糖为起始物，接着糖单位逐个添加在多糖链的末端。促进合成的能量是由核苷糖中高能末端。促进合成的能量是由核苷糖中高能-磷酸磷酸键水解中得到。键水解中得到。2020/10/2844 二、脂肪酸的生物合成二、脂肪酸的生物合成 微生物利用乙酰微生物利用乙酰CoACoA与二氧化碳等物质合成脂肪与二氧化碳等物质合成脂肪酸。（合成必须借助对热、对酸稳定的酰基载酸。（合成必须借助对热、对酸稳定的酰基载体蛋白体蛋白ACPACP）乙酰）乙酰CoACoA先与二氧化碳羧化反应生先与二氧化碳羧化反应生成丙二酰成丙二酰CoACoA，再经过转移酶作用转到，再经过转移酶作用转到ACPACP上，上，生成丙二酰生成丙二酰-ACP-ACP。脂肪酸链周期性的延长，每。脂肪酸链周期性的延长，每一周期增加一周期增加2 2个由丙二酰个由丙二酰CoACoA提供的碳原子，并提供的碳原子，并释放一个二氧化碳。释放一个二氧化碳。2020/10/2845 三、氨基酸和核苷酸的生物合成三、氨基酸和核苷酸的生物合成 1、氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成 对于不能从环境中获得的氨基酸需要其他途径对于不能从环境中获得的氨基酸需要其他途径合成。氨基酸的合成包括各氨基酸碳骨架的合成合成。氨基酸的合成包括各氨基酸碳骨架的合成和氨基的合成。碳骨架来自糖代谢的中间产物；和氨基的合成。碳骨架来自糖代谢的中间产物；氨来自于外界环境、体内含氮化合物的分解、固氨来自于外界环境、体内含氮化合物的分解、固氮作用合成、硝酸还原作用合成；同时微生物从氮作用合成、硝酸还原作用合成；同时微生物从环境中吸收硫酸盐经过一系列的还原反应作为硫环境中吸收硫酸盐经过一系列的还原反应作为硫的供体。的供体。2020/10/2846氨基酸合成的主要方式：氨基酸合成的主要方式：（1 1）氨基化作用：）氨基化作用：-酮酸与氨反应形成相应的氨基酸，这是氨酮酸与氨反应形成相应的氨基酸，这是氨基酸同化的主要途径。能直接吸收氨合成氨基酸基酸同化的主要途径。能直接吸收氨合成氨基酸的的-酮酸只有酮酸只有-酮戊二酸和丙酮酸；延胡索酸酮戊二酸和丙酮酸；延胡索酸通过双键打开连接通过双键打开连接-氨基；谷氨酸通过酰胺键氨基；谷氨酸通过酰胺键生成谷氨酰胺。生成谷氨酰胺。2020/10/2847（2）通过转氨基作用：）通过转氨基作用：在转氨酶作用下使一种氨基酸的氨基转移给在转氨酶作用下使一种氨基酸的氨基转移给酮酸形成新的氨基酸，是氨基酸合成代谢和分酮酸形成新的氨基酸，是氨基酸合成代谢和分解代谢中极重要的反应，普遍存在于微生物体解代谢中极重要的反应，普遍存在于微生物体中，可以消耗含量过剩的氨基酸，得到含量较中，可以消耗含量过剩的氨基酸，得到含量较少的氨基酸。少的氨基酸。（3）由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸）由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸 指指20种氨基酸可以通过糖代谢的中间产物经种氨基酸可以通过糖代谢的中间产物经一系列的反应合成。根据前体的不同可分成一系列的反应合成。根据前体的不同可分成6组。组。2020/10/2848 2 2、核苷酸的生物合成、核苷酸的生物合成 作为核酸的基本结构单位，是由碱基、戊糖、作为核酸的基本结构单位，是由碱基、戊糖、磷酸组成。根据碱基不同分成嘌呤核苷酸和嘧啶磷酸组成。根据碱基不同分成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。核苷酸。（1 1）嘌呤核苷酸的生物合成）嘌呤核苷酸的生物合成 微生物合成嘌呤核苷酸的方式有两种：由各种微生物合成嘌呤核苷酸的方式有两种：由各种小分子化合物，全新合成次黄嘌呤核苷酸，再转小分子化合物，全新合成次黄嘌呤核苷酸，再转化为其他嘌呤核苷酸；由自由碱基或核苷组成相化为其他嘌呤核苷酸；由自由碱基或核苷组成相应的嘌呤核苷酸。应的嘌呤核苷酸。2020/10/2849（2 2）嘧啶核苷酸的生物合成）嘧啶核苷酸的生物合成 微生物合成嘧啶核苷酸的方式有两种：由小分微生物合成嘧啶核苷酸的方式有两种：由小分子化合物全新合成尿嘧啶核苷酸，再转化为其他子化合物全新合成尿嘧啶核苷酸，再转化为其他 嘧啶核苷酸；以完整的嘧啶或嘧啶核苷分子，组嘧啶核苷酸；以完整的嘧啶或嘧啶核苷分子，组成嘧啶核苷酸。成嘧啶核苷酸。（3 3）脱氧核苷酸的生物合成）脱氧核苷酸的生物合成 脱氧核苷酸是由核苷酸糖基第二碳上的脱氧核苷酸是由核苷酸糖基第二碳上的-OH-OH还还原为原为H H而成，是一个耗能的过程，不同的微生物而成，是一个耗能的过程，不同的微生物脱氧过程在不同的水平上进行。脱氧过程在不同的水平上进行。2020/10/2850 第三节第三节 微生物的代谢调节微生物的代谢调节 微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，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。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。成因：细胞体积小，所处环境多变。微生物细胞代谢是通过控制酶的作用来实现微生物细胞代谢是通过控制酶的作用来实现的，分为酶合成的调节（调节酶分子的合成量）的，分为酶合成的调节（调节酶分子的合成量）和酶活性调节（调节酶分子的活性）两种。分和酶活性调节（调节酶分子的活性）两种。分别是在遗传和酶化学水平上进行的。别是在遗传和酶化学水平上进行的。2020/10/2851 一、酶合成的调节一、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，间接制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。而缓慢。（一）酶合成调节的类型（一）酶合成调节的类型1.1.诱导：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合诱导：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）。结构类似物而临时合成的酶类）。如：如：E.coliE.coli在含乳糖的培养基中合成在含乳糖的培养基中合成-半乳糖半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。苷酶和半乳糖苷渗透酶等。2020/10/2852 组成酶：不依赖底物或底物结构类似物的存在组成酶：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：而合成的酶。如：EMPEMP途径的一些酶。途径的一些酶。诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。而合成的酶。如：乳糖酶。诱导物：底物或结构类似物，如：异丙基诱导物：底物或结构类似物，如：异丙基-D-D-硫代半乳糖苷。硫代半乳糖苷。诱导作用的类型：同时诱导：诱导物加入后，诱导作用的类型：同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。短的代谢途径中。顺序诱导：先合成能分解底顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。杂代谢途径的分段调节。2020/10/2853 2.2.阻遏阻遏 是阻碍是阻碍是阻碍是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶一系列酶一系列酶一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。物的合成。阻遏作用的类型：阻遏作用的类型：（1 1）末端产物阻遏：由于终产物的过量积累而导）末端产物阻遏：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结构元件生生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。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。酶的合成。2020/10/2854 （2 2）分解代谢物阻遏：当微生物在含有两种能够）分解代谢物阻遏：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。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最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时养基时,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现致出现“二次生长二次生长”.”.直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物实质是：实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或因代谢反应链中某些中间代谢物或因代谢反应链中某些中间代谢物或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末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合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。成的现象。成的现象。成的现象。2020/10/2855（二）酶合成调节的机制（二）酶合成调节的机制1 1、操纵子：是基因表达和控制的一个完整单元，其、操纵子：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括启动基因，操纵基因和结构基因三部分中包括启动基因，操纵基因和结构基因三部分。启动基因是一种能被依赖于启动基因是一种能被依赖于DNADNA的的RNARNA多聚酶所识多聚酶所识别的碱基顺序，是别的碱基顺序，是RNARNA多聚酶的结合部位和转录起始多聚酶的结合部位和转录起始点；点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物相结合，决定结构基因的段碱基顺序，能与阻遏物相结合，决定结构基因的转录是否进行；结构基因决定某一多肽的转录是否进行；结构基因决定某一多肽的DNADNA模板，模板，由其上的碱基顺序转录出对应由其上的碱基顺序转录出对应mRNA,mRNA,再通过核糖体转再通过核糖体转译出相应的酶。（编码蛋白质的译出相应的酶。（编码蛋白质的DNADNA序列）序列）2020/10/2856 一个操纵子的转录，合成一个一个操纵子的转录，合成一个mRNAmRNA分子。分子。操纵子分为两类：诱导型操纵子和阻遏型操纵操纵子分为两类：诱导型操纵子和阻遏型操纵子。子。诱导型操纵子：当存在诱导物时，其转录频率诱导型操纵子：当存在诱导物时，其转录频率才最高，并转译出大量诱导酶，出现诱导现象。才最高，并转译出大量诱导酶，出现诱导现象。阻遏型操纵子：当缺乏阻遏型操纵子：当缺乏辅阻遏物时，辅阻遏物时，其转录频其转录频率才最高，由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，率才最高，由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过除去阻遏作用才能启动。只有通过除去阻遏作用才能启动。2020/10/2857 2 2、调节基因：用于编码组成型调节蛋白的基因，、调节基因：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子一般远离操纵子,但在原核生物中但在原核生物中,可以位于操纵可以位于操纵子旁边子旁边,编码调节蛋白。编码调节蛋白。2020/10/2858 3 3、效应物：、效应物：诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因 的结合促进的结合促进转录进行）；转录进行）；辅阻遏物是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核辅阻遏物是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等；（调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结苷酸等；（调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合抑制转录进行）；合抑制转录进行）；它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物，它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物，可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因一步提高或降低与操纵基因 的结合能力。的结合能力。2020/10/2859 4 4、调节蛋白、调节蛋白 调节蛋白是一类变构蛋白。阻遏物与阻遏物蛋调节蛋白是一类变构蛋白。阻遏物与阻遏物蛋白白二者都是由调节基因编码产生特异性调节二者都是由调节基因编码产生特异性调节蛋白；它俩是一类低分子量变构蛋白，有两个结蛋白；它俩是一类低分子量变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一位点可与效合位点，一个与操纵基因结合，另一位点可与效应物结合；当调节蛋白与效应物结合后，就发生应物结合；当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用，变构后与操纵基因的结合能力可提高变构作用，变构后与操纵基因的结合能力可提高或下降。（有活性或下降。（有活性可与可与O O结合；无活性结合；无活性不与不与O O结合）结合）阻遏物阻遏物:能在没有诱导物时与操纵基因结合的能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白；调节蛋白；阻遏物蛋白阻遏物蛋白:只能在有辅阻遏物存在时才能与只能在有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。操纵基因结合。2020/10/2860 第二节第二节 酶活性的调节酶活性的调节 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，属于精细速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。的调节。（一）调节方式：包括两个方面（一）调节方式：包括两个方面1 1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被、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；常见于分解代较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。谢途径。如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进柠檬酸促进2 2、酶活性的抑制：包括竞争性抑制和反馈抑制。、酶活性的抑制：包括竞争性抑制和反馈抑制。反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。途径关键酶活性的影响。2020/10/2861 凡使反应速度加快的称正反馈；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）；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；反馈抑制反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物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。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、末端产物浓度降低特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除。时又可解除。2020/10/2862（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型1.1.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 其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2020/10/28632.2.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，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：种调节方式。主要有：同功酶的调节，同功酶的调节，顺序顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。反馈，协同反馈，积累反馈调节等。2020/10/2864（1 1）同功酶调节）同功酶调节定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。的一组酶。意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前意义：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。抑制作用。-某一产物过量仅抑制相应酶活，对某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。其他产物没影响。2020/10/2865举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节。2020/10/2866（2 2）协同反馈抑制）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才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。方式。举例：天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受举例：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。赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。2020/10/28672020/10/2868（3 3）合作反馈抑制）合作反馈抑制定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑定义：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。制作用大于二者单独作用之和。举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受受AMPAMP和和GMP GMP（和（和IMPIMP）的合作反馈抑制，二者共的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的独过量时，分别抑制其活性的70%70%和和10%10%。2020/10/28692020/10/2870（4 4）积累反馈抑制）积累反馈抑制定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独定义：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。物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。2020/10/28712020/10/2872（5 5）顺序反馈抑制）顺序反馈抑制 一种终产物的积累一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，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，使合通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。成终止。2020/10/2873举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节2020/10/2874（三）反馈抑制的机制（三）反馈抑制的机制 反馈抑制的主要方式在于最终产物对反应途径反馈抑制的主要方式在于最终产物对反应途径中第一个酶即变构酶或调整酶的抑制。中第一个酶即变构酶或调整酶的抑制。变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化化 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性影响酶活。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，另一个是不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。调节中心。活性位点活性位点:与底物结合与底物结合变构位点变构位点:与抑制剂结合与抑制剂结合,构象变化构象变化,不能与底物结合不能与底物结合 与激活剂结合与激活剂结合,构象变化构象变化,促进与底物结合促进与底物结合 2020/10/2875