微生物的新陈代谢工业微生物学教案06Word格式文档下载.docx
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日光:
光能营养微生物
第二节糖的代谢
一．生物氧化（biological
生物氧化就是发生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总称
生物氧化的三种形式:
与氧结合、脱氢或脱电子
生物氧化的功能：
产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物
二、化能异养微生物的生物氧化
根据氧化还原反应中最终电子受体或氢受体的不同，可把生物氧化分为3种类型：
发酵没有外源电子受体参与，通常以分解代谢产生的中间产物如丙酮酸作为电子受体。
化能异养微生物
的产能方式有氧呼吸:
呼吸
无氧呼吸:
1.发酵（fermentation）
广义的“发酵”，
指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。
狭义的“发酵”，
指在能量代谢或生物氧化中，在无氧条件下，底物（有机物）氧化释放的氢（或电子）不经呼吸链传递，而直接交给某种未完全氧化的中间产物的一类低效产能过程。
底物水平磷酸化产生ATP
特点:
底物氧化不彻底，产能水平低；
积累各种中间代谢产物不可缺少的途径。
（1）乙醇发酵
多种微生物（如酵母菌，根霉，曲霉，某些细菌）能通过称为乙醇发酵的过程，将糖转变成乙醇和CO2
1）酵母菌进行的乙醇发酵
2）细菌进行的酒精发酵（运动发酵单胞菌）ED途径
3）甘油发酵（酵母菌）
4）丙酮、丁醇发酵
5）乳酸发酵
由于菌体内酶系不同，乳酸菌的代谢途径分三种类型：
•同型乳酸发酵途径：
产物只有乳酸（德氏乳杆菌，植物乳杆菌）
•异型乳酸发酵途径：
产物除了乳酸，还有乙醇（或乙酸）等产物
•双歧途径：
双歧杆菌
6）混合酸发酵（大肠杆菌）甲基红反应（M.R）阳性
7）丁二醇发酵丁二醇发酵的中间产物3-羟基丁酮是V.P试验的物质基础
8）氨基酸的发酵产能——Stickland反应
2.呼吸作用与发酵作用的根本区别：
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
呼吸作用的实质：
•最终电子受体是外源物质（氧气或氧化型化合物）；
•产能方式是氧化磷酸化；
A.电子传递链：
由一系列按氧化还原电位由低到高顺序排列起来的氢（电子）传递体组成。
两个功能：
1）传递氢或电子；
2）储存氢或电子传递过程释放的能量，用于合成ATP；
B.氧化磷酸化：
指呼吸链在传递氢（电子）过程中释放的能量与ADP磷酸化偶联产生ATP的过程。
化学渗透假说（生化中学过,此处复习）
3.呼吸作用
（1）有氧呼吸
由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要高于发酵中产生的能量，即微生物在有氧呼吸过程中,利用较少的糖而能获得厌氧条件下相同量的ATP。
酿酒酵母等既可利用发酵产能，又可利用呼吸产能的兼性厌氧微生物，在有氧条件下终止厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵（或氧抑制糖酵解）的现象称为巴斯德效应（Pasteureffect）。
由此降低了葡萄糖的消耗，并抑制了乙醇的产生。
1）定义
呼吸链末端的电子受体是O2的一种生物氧化
2）微生物：
大多数细菌，几乎所有的放线菌和真菌
3）特点：
–好氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行的产能代谢；
–通过电子传递链传递电子，通过氧化磷酸化产能；
–底物（氧化基质）是有机物，最终电子受体是O2；
–底物氧化彻底，产能效率高。
（2）无氧呼吸
1）定义：
呼吸链末端的氢或电子受体是外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。
•无机物：
NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、S、CO2
•有机物：
延胡索酸（fumarate），罕见
2）类型
根据末端氢（电子）受体的不同，无氧呼吸分为多种类型：
•硝酸盐呼吸
•硫酸盐呼吸
•硫呼吸
•铁呼吸
•碳酸盐呼吸
•延胡索酸呼吸等
反硝化作用：
指NO3-被还原成NO2-，再逐步还原成NO、N2O和N2的过程，
能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌（又称反硝化细菌），主要生活在土壤和水环境中，如地衣芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、依氏螺菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌和生丝微菌属中的一些成员等。
大肠杆菌也是一种反硝化细菌，但它只能将NO3-还原成NO2-。
产能方式
有氧呼吸
无氧呼吸
发酵
微生物
好氧菌
兼性厌氧菌
厌氧菌
电子受体
O2
外源无机氧化物
（少数有机氧化物）
更氧化的有机
中间代谢物
底物
有机物
酶类
脱氢酶
氧化还原酶
特殊氧化还原酶
产ATP方式
呼吸链
（氧化磷酸化）
直接产生
（底物水平磷酸化）
产能效率
高
居中
低
三．自养微生物的生物氧化（自学）
1.化能自养型
从对无机物的生物氧化过程中获得生长所需要能量的微生物一般都是化能自养型微生物。
（1）氨的氧化
亚硝化细菌（亚硝化假单胞菌属，硝化螺菌属）：
硝化细菌（硝化杆菌属，硝化球菌属）
（2）硫的氧化
（3）铁的氧化
（4）氢的氧化
2．光能自养微生物
（1）环式光合磷酸化
（2）非环式光合磷酸化
（3）嗜盐菌紫膜的光合作用
思考题:
1．“M”是一种硝酸盐还原菌（反硝化细菌），在无氧、有NO3-的环境中生长，试回答：
（1）何为碳源物质？
（2）何为能源物质？
（3）以何种方式产生ATP？
（4）NO3-的生理功能是什么？
2．试述不同条件下各营养类型微生物产ATP和NAD（P）H的方式。
第十五授课单元
一、教学目的
1.理解微生物调节代谢流的两种主要方式及其特点
2.掌握反馈抑制的类型及特点
3.理解酶合成调节的两种方式
4.了解乳糖操纵子的结构及其调节方式
5.理解代谢调控在发酵工业中的一些应用
二、教学内容
二、糖的合成代谢
第三节氨基酸和蛋白质代谢
一、蛋白质的分解
二、氨基酸的分解
三、氨基酸的合成
第四节脂类代谢
第五节微生物代谢调控与发酵
生产
一、酶活力的调节
二、酶合成的调节
三、代谢调控在发酵工业中应用
三、教学重点、难点及处理
重点：
1.微生物调节代谢流的两种主要方式：
微生物细胞的代谢调节方式很多，其中酶的调节是代谢最本质的调节。
在酶的调节中又以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶分子的合成或降解以改变酶分子的含量，二是“细调”，即通过激活或抑制以改变细胞内已有酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳的调节效果。
酶活性的调节：
非常迅速的调节机制
酶化学水平上发生变构调节（分子构象改变）
修饰调节（分子结构改变）
包括酶的激活
酶的抑制
酶量的调节：
比较慢的调节机制
遗传水平上发生（原核生物的基因调控主要发生在转录水平）
包括酶合成的诱导
酶合成的阻遏机制
2.反馈抑制的类型
每个代谢途径都至少有一个定步酶，催化代谢途径中的限速反应，一般是代谢途径中第一步反应的催化酶。
代谢途径的终产物常抑制第一步反应的可调控酶的活性，此调控称为反馈抑制。
反馈抑制这种调节方式可以分为直线式代谢途径中的反馈抑制和分支代谢途径中的反馈抑制两大类。
2.1直线式代谢途径中的反馈抑制
这是一种最简单的反馈抑制类型。
例如E.coli在合成异亮氨酸时。
因合成产物过多可抑制途径中的第一个酶——苏氨酸脱氨酶的活性，从而使α-酮丁酸及其后一系列中间代谢物都无法合成，最终导致异亮氨酸合成的停止。
2.2.分支代谢途径的反馈抑制：
（1）同功酶调节
分支途径中的第一个酶有几种同工酶，每一种代谢终产物只对一种同工酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反应的进行。
例：
大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸的合成（有3个天冬氨酸激酶催化途径的第一个反应，分别受赖氨酸、苏氨酸及甲硫氨酸的调节）
（2）协同反馈抑制，或称“多价反馈抑制”
只有当几个末端产物同时过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用。
谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、多粘芽孢杆菌合成赖氨酸、苏氨酸及甲硫氨酸途径中，关键酶天冬氨酸激酶不是同工酶，而是单一的。
该酶在赖氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸或异亮氨酸等任何一种单独存在时，不受抑制，只是赖氨酸和苏氨酸同时过量时才对天冬氨酸激酶发生协同反馈抑制。
（3）合作反馈抑制，又称“增效反馈抑制”
当任何一个末端产物单独过剩时，只部分反馈抑制第一个酶的活性，而当二个末端产物同时过剩时，对第一个酶产生强烈抑制，其抑制程度大于各自单独抑制效果之和。
（4）累积反馈抑制
在分支代谢途径中，任何一种末端产物过量时都对共同途径的第一个酶起部分的抑制作用，且各末端产物的抑制作用互不干扰。
当末端产物同时过量时，它们的抑制作用是累积的。
大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶受8个最终产物的积累反馈抑制。
（5）顺序反馈抑制
枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢途径
3.酶合成的调节
酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种基因水平上的代谢调节。
由代谢终产物抑制酶合成的负反馈作用称为反馈阻遏（repression）。
反之，代谢终产物促进酶生物合成的现象，称为诱导作用（induction）。
与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成（即产酶量）而实现代谢调节的方式是一类较间接而缓慢的调节方式。
其优点是通过阻止酶的过量合成，节约生物合成的原料和能量。
在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且密切配合、协调进行的。
3.1酶合成调节的机制
微生物不仅能够通过酶活性对代谢进行控制，而且还能够通过控制基因组的表达来控制酶的合成，从而实现对细胞代谢的控制。
酶合成调节主要通过酶合成的诱导和阻遏来调节的。
操纵子模型能较好地解释酶合成的诱导和阻遏现象。
操纵子由三部分组成：
启动子，操作子，结构基因（功能相关的一组基因）
细菌操纵子的调控是在调节基因编码的调节蛋白作用下进行的。
酶合成的诱导：
调节基因产生的阻遏蛋白可以与操纵子结合，因此关闭了转录。
当培养基中加入诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，阻止了阻遏蛋白与操纵基因的结合，操纵子开放，结构基因转录。
大肠杆菌乳糖操纵子：
lacZ，lacY，lacA分别编码β–半乳糖苷酶,β–半乳糖苷透性酶，乙酰基转移酶
在缺乏乳糖等诱导物时，阻遏蛋白结合在操纵基因上，抑制结构基因的转录；
当乳糖存在时，乳糖与阻遏蛋白结合，使其发生构象变化而不能与操纵基因结合，结构基因就能转录和转译。
酶合成的阻遏
调节基因编码的阻遏蛋白不能结合在操纵子部位上，当辅阻遏物与阻遏蛋白结合后，改变了阻遏蛋白的构象，使之能与启动子附近的操纵基因结合，终止结构基因的转录。
色氨酸操纵子的阻遏是对合成代谢酶类进行正调节的例子。
大肠杆菌的色氨酸操纵子：
含5个结构基因，编码色氨酸生物合成途径的各种酶
当色氨酸（辅阻遏物）丰富时，结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，使阻遏物结合在操纵区；
当色氨酸不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操纵区解离下来，trp操纵子开始转录。
4.代谢调控在发酵工业的应用
代谢控制发酵的基本思想就是要打破微生物自身的代谢调节控制机制，使其能够大量积累某种代谢产物，具体的措施主要从以下几方面入手。
4.1解除菌体自身的反馈调节：
4.1.1选育代谢拮抗物抗性突变株
选育代谢拮抗物抗性突变菌株是代谢控制发酵的主要方法。
例如，当把钝齿棒杆菌（Corymebacteriumcrenaturn）培养在含苏氨酸和异亮氨酸的结构类似物α-氨基-β-羟基戊酸（AHV）的培养基上时，由于AHV可干扰该菌的高丝氨酸脱氢酶、苏氨酸脱氢酶以及二羧酸脱水酶，所以抑制了该菌的正常生长。
如果采用诱变后所获得的抗AHV突变株进行发酵，就能分泌较多的苏氨酸和异亮氨酸。
这是因为，该突变株的高丝氨酸脱氢酶或苏氨酸脱氢酶和二羧酸脱水酶的结构基因发生了突变，故不再受苏氨酸或异亮氨酸的反馈抑制，于是就有大量的苏氯酸和异亮氨酸的累积。
4.1.2选育营养缺陷型菌株（切断支路代谢）
（1）赖氨酸发酵
工业上选育高丝氨酸营养缺陷型（Hom-）的谷氨酸棒杆菌作为赖氨酸的发酵菌株。
由于它不能合成高丝氨酸脱氢酶（HSDH），故不能合成高丝氨酸，①阻断了合成Met和Thr的支路代谢，节省了原料，使天冬氨酸半醛这个中间产物全部转入Lys的合成；
②在补给适量高丝氨酸（或苏氨酸和甲硫氨酸）的条件下，使Met和Thr的生成有限，从而解除了Thr和Lys对天冬氨酸激酶（AK）的协同反馈抑制，使Lys得以积累；
能产生大量赖氨酸。
（2）肌苷酸发酵
该菌的一个腺苷酸琥珀酸合成酶（酶12）缺失的腺嘌呤缺陷型，如在培养基中补充少量AMP就可正常生长并累积IMP。
①腺嘌呤营养缺陷型菌株（Ade-）：
即丧失SAMP合成酶的突变株，切断IMPSAMP的支路代谢，可通过限量添加腺嘌呤，解除腺嘌呤对关键酶PRPP转酰胺酶的反馈抑制和阻遏，有利于IMP（肌苷的直接前体物）的积累。
②选育黄嘌呤缺陷型（Xan-）或鸟嘌呤缺陷型（Gu-）
4.1.3选育营养缺陷型回复突变株
4.1.4选育渗漏缺陷型突变株
4.2增加前体物
增加目标产物的前体物的合成，可以为目标代谢物合成途径供给更多的“原料”，使目标代谢物大量积累。
去除代谢终产物
其他措施
难点及处理：
1.酶合成的调节
这种调节涉及到基因组的结构、转录、翻译和基因的表达调控，因此需要同学们具备完整的分子生物学知识。
而同学们此时只是从生物化学了解了一点这方面的知识。
因此，讲解这种调节方式时，不可能讲解太多，否则学生不能接受。
所以，选择从两个典型的操纵子：
大肠杆菌乳糖操纵子和色氨酸操纵子来讲解酶合成的诱导机制和酶合成的阻遏机制，从而改变酶量。
首先讲解操纵子的结构和调节方式，然后通过大肠杆菌乳糖操纵子和色氨酸操纵子来具体说明。
操纵子的结构：
细菌操纵子的调控是在调节基因编码的调节蛋白作用下进行的，分为诱导和阻遏两种。
大肠杆菌乳糖操纵子对酶合成的诱导：
色氨酸操纵子的阻遏是对酶合成的阻遏的例子。
四、教学方法与手段
本节知识是与实践联系很紧密的。
工业中的许多产品的生产，都以发酵产物的代谢调控为基础。
因此，可以通过生产中的具体例子，生动地讲解调控的类型。
五、板书设计
三、氨基酸
第五节微生物代谢调控与发酵生产
1．微生物调节代谢流的两种主要方式：
酶活性的调节：
（1）同功酶调节：
大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸的合成
（2）协同反馈抑制，或称“多价反馈抑制”：
谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、多粘芽孢杆菌合成赖氨酸
（3）合作反馈抑制，又称“增效反馈抑制”：
操纵子：
3.2酶合成的诱导：
大肠杆菌的色氨酸操纵子：
例如，选育抗AHV钝齿棒杆菌的突变株生产苏氨酸和异亮氨酸
②选育黄嘌呤缺陷型（Xan-）或鸟嘌呤缺陷型（Gu-）
3.3去除代谢终产物
3.4其他措施
六思考题
1.微生物调节代谢流的类型
2.反馈抑制的类型
3.操纵子的结构与调节方式
4.根据代谢调节理论，如何获得一株生产赖氨酸（或苏氨酸）的高产菌株？
在分支代谢途
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