第三章微生物的代谢.

第三章微生物的代谢学习目的与要求掌握生物氧化的三种类型。熟记微生物的呼吸类型。掌握化能异养微生物能量代谢的主要途径及发酵类型。熟悉微生物的分解代谢了解微生物代谢的调节方式及应用。代谢活细胞内发生的各种化学反应的总称物质代谢分解代谢合成代谢分解代谢与产能代谢紧密相连；合成代谢与耗能代谢紧密相连。微生物的代谢离不开酶，无论是分解代谢还是合成代谢都必须在酶的催化作用下才能进行。能量代谢产能代谢耗能代谢复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]++第一节微生物的能量代谢一、微生物的呼吸作用微生物生命活动需要的能量来源于微生物的呼吸作用。营养物质或同化产物酶氧化能量转移ATP生物氧化生物氧化：细胞内代谢物以氧化作用产生能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。生物氧化的方式：①和氧的直接化合：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力[H]小分子中间代谢物生物氧化的过程：一般包括三个环节：①底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）生物氧化的类型：生物氧化反应发酵有氧呼吸无氧呼吸呼吸生物氧化的形式、过程、功能和类型方式与氧结合脱氢失去电子过程脱氢（电子）递氢（电子）受氢（电子）功能产能（ATP）产还原力（[H]）产小分子中间代谢产物类型有氧呼吸无氧呼吸发酵C6H12O6ABCCO2－[H]/e－[H]/e－[H]/e－[H]/e经电子传递链①有氧呼吸21O2H2OA、B或CAH2、BH2或CH2(发酵产物：乙醇、乳酸等)NO3-,SO4-,CO2NO2-,SO3-,CH4[H]/e②无氧呼吸③发酵脱氢递氢受氢有氧呼吸、无氧呼吸和发酵示意图呼吸与发酵的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。递氢/电子的特点电子（氢）受体发酵不经电子传递链内源性中间代谢物有氧呼吸经完整电子传递链外源分子氧无氧呼吸经部分电子传递链外源性的氧化型化合物狭义的“发酵”是指在无外源电子受体的条件下，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。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；在工业生产中常把微生物在通气或厌氧的条件下的产品生产过程统称为发酵。发酵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。大肠杆菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气二、不同呼吸类型的微生物好氧菌厌氧菌1.专性好氧菌:正常大气压下通过呼吸产能2.兼性厌氧菌:以呼吸为主，兼营发酵产能3.微好氧菌:在微量氧下生活，以呼吸为主，兼营无氧呼吸4.耐氧菌:不需氧，只能以发酵产能5.(专性)厌氧菌:只能以发酵或无氧呼吸产能，氧可使其致死氧与微生物生长的关系三、化能异养微生物的能量代谢及发酵类型（一）化能异养微生物以有机物为底物，进行生物氧化的主要途径（以葡萄糖为例）不同的微生物具有不同的酶系统，可以通过不同的途径完成脱氢，在此过程中产生不同的中间代谢产物，而使不同的微生物呈现出多种代谢发酵类型。（二）化能异养微生物的脱氢途径及其发酵类型1.EMP途径（糖酵解途径）EMP途径为合成代谢提供了：能量：2ATP还原力：2NADH2中间产物：6-P葡萄糖P-二羟丙酮3-P甘油酸P-烯醇式丙酮酸丙酮酸反应步骤：10步反应简式：耗能阶段产能阶段2NADH+H+C62C32丙酮酸2ATP4ATP2ATP总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。1.EMP途径（1）酵母菌的酒精发酵葡萄糖EMP2丙酮酸脱羧2乙醛2CO22NADH22NAD+2乙醇第一型发酵无氧和酸性条件下（pH3.5-4.5）注意：如将氧气通入正在进行乙醇发酵的酵母发酵液中，葡萄糖分解速度会迅速下降并停止产生乙醇。第二型发酵发酵液中存在亚硫酸氢钠时乙醛+亚硫酸氢钠硫化羟基乙醛（难溶结晶状）磷酸二羟丙酮+2Hα磷酸甘油磷酸甘油甘油发酵第三型发酵偏碱性条件时（pH7.6）2乙醛氧化乙酸乙醇还原磷酸二羟丙酮+2Hα磷酸甘油磷酸甘油2葡萄糖课后作业：你认为酒精（乙醇）发酵过程中的关键因素有哪些？并请进行解释。（2）乳酸菌的同型乳酸发酵乳酸是细菌发酵最常见的最终产物，一些能够产生大量乳酸的细菌称为乳酸菌。在乳酸发酵过程中，发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵。同型乳酸发酵的主要特点是，己糖（如葡萄糖）经EMP途径降解为丙酮酸后，丙酮酸作为最终的电子受体，接受葡萄糖氧化脱下的电子，被还原为乳酸，产生少量的ATP。能进行同型乳酸发酵的细菌如嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌等。聚乳酸（PLA）简介：多个乳酸分子在一起，-OH与别的分子的-COOH脱水缩合，-COOH与别的分子的-OH脱水缩合，就这样，它们手拉手形成了聚合物，叫做聚乳酸。聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，主要用于服装、工业和医疗卫生等领域。以EMP途径生成的丙酮酸为中间产物，进行的发酵类型有多种，可产生不同的发酵产物，有些除产生酸性物质以外，还会产生各类气体，通过对这些物质和气体的检测，可以对食品中的各类菌种，如大肠杆菌、产气肠杆菌等进行鉴定。乙醇发酵乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵丁二醇发酵丁酸发酵2.HMP途径HMP途径是一条能产生大量NADPH2形式还原力和重要中间代谢产物的代谢途径，此途径可概括为三个阶段。HMP途径普遍存在于微生物细胞中，通常是和EMP途径同时存在于一种微生物中，而以HMP途径为唯一降解途径的微生物及其罕见。HMP途径的重要作用在于，为细胞生物合成提供了大量的C3、C4、C5、C6和C7等前体物质，特别是磷酸戊糖是合成核酸和某些辅酶的重要底物。3.PK途径（磷酸戊糖解酮酶途径）与HMP途径相同代谢终产物有乳酸和乙醇异型乳酸发酵可通过PK途径进行异型乳酸发酵的微生物主要有：肠膜状明串珠菌、短乳杆菌、发酵乳杆菌、甘露乳杆菌、番茄乳杆菌等。4.双歧途径该途径是两歧双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌等双歧杆菌分解葡萄糖的非典型异型乳酸发酵途径。2葡萄糖2乳酸+3乙酸+5ATP乳酸发酵广泛应用于食品和农牧业中。由于乳酸菌的代谢活动，积累乳酸，抑制了其他微生物生长，能使蔬菜、牛奶、青贮饲料等得以保存。5.ED途径通过ED途径产生的丙酮酸可经过脱羧产生乙醛，乙醛可进一步还原为乙醇——细菌乙醇发酵6.三羧酸循环丙酮酸脱羧TCA循环总式：C6H12O6+6O2→6H2O+6CO2+30ATPTCA循环为合成代谢提供：能量：ATP还原力：NADH2NADPH2FADH2小分子C架化合物：第二节微生物的分解代谢阶段一：蛋白质、多糖、脂类等大分子物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子；阶段二：将第一阶段产物进一步降解为更简单的乙酰辅酶A、丙酮酸和其他能进入TCA循环的中间产物；阶段三：通过TCA循环将阶段二的产物完全降解为CO2和H2O并产生生命活动所需的能量。一、多糖的分解淀粉α-淀粉酶麦芽糖、低聚糖、极限糊精β-淀粉酶葡萄糖苷酶异淀粉酶液化型淀粉酶麦芽糖或葡萄糖糖化型淀粉酶各类型淀粉酶单独或配合使用时，可以将淀粉降解为小分子的葡萄糖、麦芽糖、糊精等，广泛地应用于烘焙工业、淀粉制糖工业、啤酒酿造、酒精工业等。纤维素纤维素酶葡萄糖单细胞蛋白新型饲料酒精生产纤维素是地球上含量最多、分布最丰富的碳水化合物半纤维素半纤维素酶多种单糖改善植物性食品的质量提高淀粉质原料的发酵利用率提高果汁饮料的澄清度果胶果胶酶半乳糖醛酸糖代谢水果加工中最重要的酶，加速果汁过滤和果汁澄清在食品加工过程中经常利用的是植物性原料，而植物细胞的内含物，如蛋白质、淀粉、油脂、芳香油、可溶性生物碱、色素等天然成分，被植物细胞壁包裹或与细胞壁紧密相连，在加工过程中很难得到充分的释放。植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和果胶等。因此，利用微生物发酵制得的纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等，常用于食品加工工业，可使植物细胞壁发生软化、膨胀和崩溃等，从而改变细胞通透性，提高细胞内含物的提取率，简化加工工艺，改善食品品质。二、含氮有机化合物的分解蛋白质、核酸一般为大分子物质，很难直接透过细胞膜，微生物对其利用时，首先向胞外分泌相应的消化酶，将大分子物质一定程度降解后，再吸收到胞内进一步降解和利用。1.蛋白质的分解蛋白质蛋白酶细胞外短肽肽酶细胞内氨基酸有机酸、吲哚、胺、H2S、NH3、CH4、H2、CO2等分解蛋白质的微生物：真菌分解蛋白质的能力较强，如曲霉、毛霉等，放线菌中的许多链霉菌，细菌中的枯草芽孢杆菌、假单胞菌等均可分解蛋白质。在食品工业中的用途2.氨基酸的分解氨基酸脱氨作用脱羧作用各种有机酸TCA循环生成葡萄糖有机胺有氧厌氧有机酸醇和有机酸氨基酸分解产生的有机酸、醇等中间产物，可增加发酵食品中的挥发性风味物质，形成的胺则常使食物具有毒性和难闻的气味。2.核酸的分解（略）三、脂肪和脂肪酸的分解脂肪和脂肪酸作为碳源和能源，被微生物缓慢利用，在缺少其他碳源与能源物质时，微生物分解与利用脂肪进行生长。甘油三酯甘油磷酸二羟丙酮3磷酸甘油醛EMP途径脂肪酸乙酰辅酶ATCA循环第三节微生物的合成代谢（略）第四节微生物代谢的调节基因酶代谢途径代谢产物反馈调节合成活性一、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制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。（一）酶合成调节的类型1.诱导（induction）：是反应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）。2.阻遏（repression）：是阻遏代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底的控制和减少末端产物的合成。（二）酶合成的诱导操纵子学说：操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括启动基因（promoter）、操纵基因（operator）和结构基因（structuralgene）三部分。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上，酶的转录无法进行。有乳糖时：乳糖与阻遏物结合，使其变构，不能与操纵基因结合，从而转录进行，合成乳糖酶，分解乳糖。（三）酶合成的阻遏1.终产物的阻遏：在合成代谢中，终产物阻遏该途径所有酶的合成，属于基因表达的调控。2.分解代谢物的阻遏：是指培养基中同时存在两种分解代谢底物（两种碳源或氮源）时，微生物细胞利用快的那种碳源（或氮源）会阻遏利用慢的那种碳源（或氮源）的有关酶合成的现象。大肠杆菌二次生长现象二、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。（一）调节方式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。2.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途径关键酶活性的影响。正反馈：使反应速度加快的反馈负反馈：使反馈速度减慢的反馈（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