微生物M代谢.ppt
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1、第五章 微生物的新陈代谢,代谢概论 第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物特有的合成代谢途径 第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 第四节 微生物代谢与生产实践,代谢概论,一、代谢是生命的基本特征,二、代谢通过代谢途径完成,三、代谢途径是不平衡的稳态体系,四、代谢途径的形式多样,五、代谢途径有明确的细胞定位,六、代谢途径相互沟通,七、代谢途径间有能量关联,八、关键酶限制代谢途径的流量,新陈代谢:发生在活细胞中的各种分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)的总和。 新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢 分解代谢:指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化,产生简单分子、腺
2、苷三磷酸(ATP)形式的能量和还原力的作用过程。 合成代谢:指在合成代谢酶系的催化下,由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。,按物质转化方式分: 分解代谢:指细胞将大分子物质降解成小分子物质,并在 这个过程中产生能量。 合成代谢:是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。,物质代谢:物质在体内转化的过程。 能量代谢:伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。 按代谢产物在机体中作用不同分: 初级代谢: 提供能量、前体、结构物质等生命活动所 必须的代谢物的代谢类型;产物:氨基酸、核苷酸等。 次级代谢: 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代
3、谢类型; 产物:抗生素、色素、激素、生物碱等,一、概述,第一节 微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢中的核心问题。 中心任务:把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。,有机物 最初能源 日光 通用能源 还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,1、化能异养微生物的生物氧化和产能 过程:脱氢(或电子) 递氢(或电子) 受氢(或电子) 功能:产能(ATP)、还原力H、小分子中间代谢产物等。,葡萄糖降解代谢途径 生物氧化: 发酵作用 产能过程 呼吸作用(有氧或无氧呼吸),生物氧化的形式:某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种,生物氧化的功能为: 产能(ATP)、产还原力
4、H和产小分子中间代谢物,自养微生物利用无机物 异养微生物利用有机物,生物 氧化,能量,微生物直接利用,储存在高能化合物(如ATP)中,以热的形式被释放到环境中,2、化能自养微生物的生物氧化与产能 通常是化能自养型细菌,一般是好氧菌。 利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化,从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。 代谢特点 1)无机底物脱下的氢(电子)从相应位置 直接进入呼吸链 2)存在多种呼吸链 3)产能效率低; 4)生长缓慢,产细胞率低。,3、光能自养或异氧微生物的产能代谢 指具有捕捉光能并将它用于合成ATP
5、和产生NADH或NADPH的微生物。 分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物 。 前者利用还原态无机物H2S,H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H+和电子形成还原力(NADPH+H+),二、葡萄糖降解代谢途径(EMP、HMP、ED、PK途径等。) 1)EMP途径(糖酵解途径、己糖二磷酸途径) 葡萄糖 2丙酮酸 有氧:EMP途径与TCA途径连接; 无氧:还原一些代谢产物, (专性厌氧微生物)产能的唯一途径。 产能:(底物磷酸化)产能: (1) 1,3 P-甘油醛 3 P -甘油酸 + ATP; (2) PEP 丙酮酸 + ATP,10 步反应,葡萄
6、糖的 酵解作用 ( 又称:Embden -Meyerhof -Parnas途径, 简称:EMP途径),EMP途径关键步骤,1. 葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(耗能) 2. 1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛 3. 3-磷酸甘油醛丙酮酸 总反应式: 葡萄糖+2NAD+2ADP+2Pi 2丙酮酸+2NADH+2H+2ATP CoA 丙酮酸脱氢酶 乙酰CoA, 进入TCA,磷酸果糖激酶,EMP途径的关键酶,在生物中有此酶就意味着存在EMP途径 需要ATP和Mg+ 在活细胞内催化的反应是不可逆的反应,分为两个阶段: 1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧
7、化脱羧生成6个分子NADPH+H+,3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换,经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等,最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。,2)HMP 途径(磷酸戊糖途径、旁路途径),6-磷酸果糖出路:可被转变重新形成6-磷酸葡糖,回到磷酸戊糖途径。 甘油醛-3-磷酸出路: a、经EMP途径,转化成丙酮酸,进入TCA 途径 b、变成己糖磷酸,回到磷酸戊糖途径。 总反应式: 6 6-磷酸葡萄糖+12NADP+6H2O 5 6-磷酸葡萄糖 + 6CO2+12NADPH+12H+Pi 特点: a 、不经EMP途径和TC
8、A循环而得到彻底氧化,无ATP生成; b、产大量的NADPH+H+还原力 ; c、产各种不同长度的重要的中间物(5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖 ); d、单独HMP途径较少,一般与EMP途径同存 ; e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。,HMP途径的生理学意义,供应合成原料:磷酸戊糖、 4-磷酸-赤藓糖 为原料。 产还原力。 作为固定CO2的中介。 扩大碳源利用范围。 连接EMP途径。 提供发酵产物:核苷酸、氨基酸、辅酶,3)ED途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff :嗜糖假单胞菌 过程: (4步反应) 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6
9、-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脱水酶,3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸,KDPG醛缩酶,特点: a、步骤简单 b、产能效率低:1 ATP c、关键中间产物 KDPG 特征酶:KDPG醛缩酶 细菌:铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、运动发酵单胞菌等。,4)PK途径(磷酸酮解酶途径),a、磷酸戊糖酮解酶途径(肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌 ) G 5-磷酸-木酮糖,乙酰磷酸 + 3-磷酸-甘油醛,特征性酶 木酮糖酮解酶,乙醇,丙酮酸,乳酸,1 G 乳酸 + 乙醇 + 1 ATP + NADPH + H+,G 6-磷酸-果糖,b、磷酸己糖酮解酶途径又称HK途径
10、(两歧双歧杆菌),4-磷酸-赤藓糖 + 乙酰磷酸,特征性酶 磷酸己糖酮解酶,3-磷酸甘油醛+ 乙酰磷酸,5-磷酸-木酮糖 ,5-磷酸-核糖,乙酸,戊糖酮解酶,6-磷酸-果糖,乳酸,乙酸,1 G 乳酸 + 1.5乙酸 + 2.5 ATP,TCA循环的重要特点,1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸; 2、整个循环有四步氧化还原反应,其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+,另一步为FAD还原; 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽; 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体; 5、生物体提供能量的主要形式; 6、为人类利用生物发酵
11、生产所需产品提供主要的代谢途径。 如:柠檬酸发酵;Glu发酵等。,1、定义 广义:利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。 狭义:厌氧条件下,以自身内部某些中间代谢 产物作为最终氢(电子)受体的产能过程 特点: 1)通过底物水平磷酸化产ATP; 2)葡萄糖氧化不彻底,大部分能量存在于 发酵产物中; 3)产能率低; 4)产多种发酵产物。,三、发酵(fermentantion),发酵的定义 (1)狭义 “发酵”的定义 在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下,分解各种有机物质产生能量的一种方式,或者更严格地说,发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产
12、生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量,丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。,(2)广义 “发酵”的定义 工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程,它包括厌氧培养的生产过程,如酒精、丙酮丁醇、乳酸等,以及通气(有氧)培养的生产过程,如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品既有细胞代谢产物,也包括菌体细胞、酶等。,发酵的类型 根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要,可以将发酵分成若干类型: 1,按发酵原料来区分:糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型。 2,按发酵产物来区分:如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。 3,按发酵形式来区分:固态发酵和深层液体发酵。
13、 4,按发酵工艺流程区分:分批发酵、连续发酵和流加发酵。 5,按发酵过程中对氧的不同需求来区分:厌氧发酵和通风发酵两大类型。,淀粉的分解,淀粉:直链、支链 1、液化型淀粉酶(淀粉酶) 枯草杆菌 2、糖化型淀粉酶:三种 淀粉1,4麦芽糖苷酶(淀粉酶) 特点:从非还原性末端开始,按双糖为单位,生成麦芽糖,不作用于1,6,产物是麦芽糖和极限糊精。,3、淀粉1,4葡萄糖糖苷酶(糖化酶) 特点:以葡萄糖为单位,能越过1,6,根霉和曲霉。 4、淀粉1,6葡萄糖苷酶(异淀粉酶) 1,6糖苷键。,2、发酵类型 1) 乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP
14、 条件:pH 3.54.5 , 厌氧 菌种:酿酒酵母、少数细菌(胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等) i、加入NaHSO3 NaHSO3 + 乙醛 磺化羟乙醛(难溶) ii、弱碱性(pH 7.5) 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 (歧化反应) 磷酸二羟丙酮作为氢受体,经水解去磷酸生成甘油甘油发酵,(EMP),-亚硫酸氢钠必须控制亚适量(3%),概念 菌种 途径 特点 发生条件,当发酵液处在碱性条件下,酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。 原因:该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体,结果2分子乙醛间发生歧化反应,生成1分子乙醇和1分子乙酸;,CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+
15、CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成 -磷酸甘油,后者经-磷酸甘油酯酶催化,生成甘油。,2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,巴斯德效应(The Pasteur effect ),现象:,通风对酵母代谢的影响,概念:有氧条件下,发酵作用受抑制的现象(或氧对发酵的抑制现象)。 意义:合理利用能源 机理:,巴斯德效应(续),葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-果糖 1,6-二磷酸果糖 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 乙酰CoA,草酰乙酸,柠檬酸, 6-磷酸-葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸, -ADP,AMP, -ATP、柠
16、檬酸, -ADP,AMP,1,6-二-磷酸-果糖,己糖激酶,磷酸果糖激酶(PFK),丙酮酸激酶,b、细菌型乙醇发酵 (发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌) 同型酒精发酵 1 G 2 丙酮酸 代谢速率高,产物转化率高,发酵周期短等。缺点是生长pH较高,较易染杂菌,并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.,(ED),乙醇 + 1ATP,异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌) 1 G 2 丙酮酸,(丙酮酸甲酸解酶),乙醛 乙醇,甲酸 + 乙酰- CoA,无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶,利用Z.mobilis等细菌生产酒精,优点:代谢速率高;产物转化率高;菌体生成少; 代谢副产物少;发酵温度高;,缺点:pH5较易染菌
17、;耐乙醇力较酵母低,2)乳酸发酵 同型乳酸发酵 (德氏乳杆菌、植物乳杆菌等) EMP途径(丙酮酸 乳酸) 异型乳酸发酵(PK途径) 肠膜明串株菌(PK) 产能 :1ATP 双歧双歧杆菌(PK、HK) 产能:2G 5 ATP即 1G 2.5ATP,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸),2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis(乳酸乳球菌) Lactobacillus plantarum(植物乳酸菌),概念 菌种 途径 特点,异型乳酸发酵:,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡
18、萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,概念 菌种 途径 特点,-CO2,乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸,称为乳酸发酵。 由于菌种不同,代谢途径不同,生成的产物有所不同,将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。 同型乳酸发酵:(经EMP途径) 异型乳酸发酵:(经HMP途径) 双歧杆菌发酵: (经HK途径磷酸己糖解酮酶途径),3)混合酸、丁二醇发酵 a 混合酸发酵: 肠道菌(E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等),1 G,丙酮酸,乳酸,乳酸
19、脱氢酶,磷酸转乙酰基酶,乙醛脱氢酶,乙酸激酶,乙醇脱氢酶,乙酸,乙醇,E.coli与志贺氏菌的区别: 葡萄糖发酵试验: E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2 + H2 (甲酸氢解酶、H+) 志贺氏菌无此酶,故发酵G 不产气。,CO2 + H2,鉴别肠道细菌的V.P.试验,鉴别原理 缩合 脱羧 2丙酮酸 乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇 碱性条件 2,3-丁二醇 二乙酰 (与培养基中精氨酸的胍基结合)红色化合物,-CO2,鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红(M.R)试验,产酸产气试验: Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进行发酵时,前者具有甲酸氢解酶,可在产酸的同时产气,后者则因无此酶,不
20、具有产气的能力。 甲基红试验:大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时,前者可产生大量的混合酸,后者则产生大量的中性化合物丁二醇,因此在发酵液中加入甲基红试剂时,前者呈红色,后者呈黄色。,大肠杆菌:产酸较多,使pH4.5 产气杆菌: pH4.5,IMViC试验:,= 吲哚(I)、甲基红(M)、V.P.试验(Vi)柠檬酸盐利用(C)共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。,b 丁二醇发酵(2,3-丁二醇发酵) 肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等,丙酮酸,乙酰乳酸,3-羟基丁酮,乙二酰,红色物质,(乙酰乳酸脱氢酶),(OH-、O2),中性,丁二醇,精氨酸胍基,其中两个重要的
21、鉴定反应: 1 、VP实验 2、甲基红(M.R)反应 产气肠杆菌: V.P.试验(+),甲基红(-) E.coli: V.P.试验(-),甲基红(+),V.P.试验的原理:,4)丙酮-丁醇发酵 严格厌氧菌进行的 唯一能大规模生产的发酵产品。(丙酮、丁醇、乙醇混合物,其比例3:6:1) 丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum),2丙酮酸,2乙酰-CoA,乙酰-乙酰 CoA,丙酮 +CO2,(CoA转移酶),丁醇,缩合,5)氨基酸的发酵产能(stickland反应) 发酵菌体:生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。 特点:氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联; 产
22、能效率低(1ATP) 氢供体(氧化)氨基酸: Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、 Try等。 氢受体(还原)氨基酸: Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。,氧化 丙氨酸,丙酮酸,-NH3,乙酰-CoA,乙酸 + ATP,甘氨酸,-NH3,还原,柠檬酸发酵,一、菌种:能产生柠檬酸的菌种很多,但以霉菌为主,其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强,并能利用多种碳源,故常是生产上使用的菌种。 二、发酵机理:细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环;柠檬酸合成酶活力较高,而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素,如金属离子的缺乏,受到抑制,这有利于柠檬酸的积累。 三、工艺流
23、程:发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大;pH23时,发酵产物主要是柠檬酸; pH值中性或碱性时,会产生较多草酸和葡萄糖酸; 可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种,使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性,以阻碍TCA循环的正常进行,从而增加柠檬酸的积累。,谷氨酸发酵,一、谷氨酸发酵菌种: Corynebacterium pekinense北京棒状杆菌 Corynebacterium glutamicum谷氨酸棒状杆菌 Brevibacterium flavum黄色短杆菌 二、发酵机理: 谷氨酸以-酮戊二酸为碳架;当以糖质为发酵原料时,合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛
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