微生物的代谢ppt课件

,代谢(metabolism)：指细胞内发生的各种 化学反应的总称，由分解代谢和合成代 谢组成,第五章 微生物的代谢,第一节 代谢概论,分解代谢(catabolism)是将大分子物质分解成,小分子物质，并在此过程中放出能量,合成代谢(anabolism)是指细胞利用简单的小,分子物质合成复杂大分子的过程，此过 程吸收能量,分类,按物质转化方式分：,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,第二节 微生物产能代谢,一、生物氧化,物质在生物体内经过一系列连续的氧化 还原反应，逐步分解并释放能量的过 程，是一代谢产能过程,二、异养微生物的生物氧化,1. 发酵 Fermentation,指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 种不同的代谢产物,特点,(1)有机物部分被氧化，仅释放小部分能量 (2)与有机物的还原偶联在一起 (3)不需外界提供电子,糖酵解的四个过程：,EMP途径,生物体内葡萄糖被降解 成丙酮酸的过程,HMP,ED途径, 磷酸解酮酶途径(PK), 磷酸解酮酶途径(HK),同型乳酸发酵 异型乳酸发酵 双歧发酵,发酵的两个缺点,1. 底物仅被部分氧化,2. 初始电子供体和最终电子受体还原电,势相差不大,2. 呼吸作用,呼吸作用: 微生物在降解底物的过程中, 将释放出来的电子交给NAD(P)+、FAD 或FM等电子载体,再经电子传递系统 传给外源电子受体,从而生成水或其他还 原型产物并释放出能量的过程,有氧呼吸: 以分子氧作为最终电子受体,无氧呼吸: 以氧化型化合物作为最终电了受体,呼吸作用与发酵的区别:,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, 有氧呼吸,TCA,电子传递系统,NADH脱氢酶 黄素蛋白 铁硫蛋白 细胞色素,醌及其衍生物, 无氧呼吸,电子传递系统的功能:,1. 传递电子,2. 以ATP贮藏部分能量,电子受体是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、 CO2等外源受体,三、自养微生物的生物氧化 1. 氨的氧化,HNO3,亚硝化细菌 NH3 2. 硫的氧化,S-,S,SO32-,硝化细菌 HNO2 SO42-,磷酸腺苷酸途径,3. 铁的氧化,氧化亚铁硫杆菌,含铜蛋白质, 亚铁到高铁,4. 氢的氧化,(1)不需要NAD+的颗粒状氧化酶 (2)可溶性氢化酶，需NAD+,四、能量转换,1. 底物水平磷酸化,substrate level phosphorylation,物质在生物氧化过程中，常生成一些含 有高能键的化合物，而这些化合物可直 接偶联ATP或GTP，这种产生ATP等 高能分子的方式称底物水平磷酸化,2. 氧化磷酸化,oxidative phosphorylation,物质在生物氧化过程中形成的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传递给氧或其他 氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP 的合成，这种产生ATP方式称底物水平 磷酸化,化学渗透偶联假说,1961年,英国,米切尔提出,电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度 差,从而将能量蕴藏在质子势中,质子势由 膜外进入胞内,此过程中通过存在于膜上的,F1-F0ATP酶偶联ATP的形成,构象变化偶联假说,美国,博耶,质子势推动的质子跨膜运输启动并驱使F1- F0ATP酶构象发生变化,这种构象变化导致,该酶催化部位对ADP和Pi的亲和力发生改 变,并促进ATP的生成和释放,化学渗透偶联假说,构象变化偶联假说,3. 光合磷酸化 photophosphorylation 通过光合磷酸化将光能转变为化学能，,以用于从CO2合成细胞物质, 光合色素,光合生物所特有，将光能转化为化学能的 关键物质,三类：叶绿素或细菌叶绿素，类胡萝卜素 和藻胆素, 光合单位,光合色素分布的两个系统各为一个光合单 位,一个光合单位由一个光捕获复合体和 一个反应中心复合体组成,(3). 光合磷酸化,指光能转变为化学能的过程,原理: 当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶,绿素性质上即被激活,导致叶绿素释 放一个电子而被氧化,释放出的电子 在电子传递系统传递过程中逐步释 放能量, 环式光合磷酸化,NADP + nPi,nATP,Bchl hv,光合细菌, 非环式光合磷酸化,两个光合系统,一个光合系统,第三节 耗能代谢,一、细胞物质的合成,合成代谢: 微生物利用能量代谢所 产生的能量、中间产物以及从外界 吸收的小分子，合成复杂的细胞物 质的过程,1. CO2的固定,将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称 为CO2的固定作用,微生物同化CO2的方式,自养式: CO2能合成糖并重新生成受体 异养式: CO2被固定在有机酸上,不能转化,成有机物,自养微生物同化CO2所需要的能量来自,光能或无机物氧化所得的化学能,自养微生物固定CO2的途径:, 卡尔文循环, 还原性三羧酸循环固定CO2, 还原的单羧酸环,2. 生物固氮,微生物将氮还原为氨的过程,氮体系 厌氧自生固氮菌巴氏固氧梭菌 共生固 根瘤菌豆科,自生固 好氧自生固氮菌固氧菌属,氮体系 弗兰克氏菌非豆科,联合固氮体系 雀稗固氮菌,3. 二碳化合物的同化,回补途径：指能补充兼用代谢途径中因合,成代谢而消耗的中间代谢产物 的反应, 乙醛酸循环,异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶,底物: 乙酸,好氧微生物, 甘油酸途径,底物:,甘氨酸 乙醇酸 草酸,4. 糖类的合成, 单糖的合成,EMP途径合成葡萄糖,然后再转化其它单糖,自养微生物:卡尔文循环甘油醛-3-磷酸 草酰乙酸或乙酰COA,异养微生物:,乙酸醛酸循环草酰乙酸,乙醇酸,草酸,苷氨酸苷油酸途径,苷油醛-3-磷酸,乳酸丙酮酸,生糖氨基酸脱氨基,已糖生物合成中的两个关键中间物是,葡糖-6-磷酸和UDP-葡萄糖,戊糖生物合成一般由葡糖-6-磷酸脱羧而成,核糖-5-磷酸, 多糖的合成,同多糖: 相同单糖分子聚合而成 杂多糖: 不同单糖分子聚合而成,核苷糖核苷糖-单糖,能量来源：核苷糖中高能糖-磷酸键水解,单糖单位核苷糖为载体,转移酶类的特异性决定次序,5. 氨基酸的合成,碳骨架来自糖代谢产生的中间代谢产物 氨: 直接从外界环境获得; 体内含氮化合物的分解; 固氮作用;,由硝酸还原作用;,氨基化作用,在转氨酶的作用下,使一种氨基酸的氨基转 移给酮酸,形成新的氨基酸的过程,转氨基作用,a-酮酸与氨反应生成氨基酸,a-酮戊二酸和丙酮酸及延胡索酸和谷氨酸,前体转化,6. 核苷酸的合成, 嘌呤核苷酸的生物合成,以核糖磷酸为底物，碳和氮来自氨基酸、,CO2和甲酸,合成方式：,由各种小分子化合物，全新合成次黄,嘌呤，再转化,由自由碱基或核苷组成相应的嘌呤核,苷酸,嘧啶核苷酸的合成,合成方式：,由小分子化合物全新合成尿嘧啶核 苷酸，再转化,以完整的嘧啶或嘧啶核苷分子，组成 嘧啶核苷酸,脱氧核苷酸的合成,核苷酸糖基第2位上的OH还原为H,E. coli：核糖核苷二磷酸,赖氏乳酸菌：核糖核苷三磷酸,胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：尿嘧啶脱氧 核糖核苷酸，脱磷酸再甲基化,二、其他耗能反应：运动、动输、生物发光,鞭毛运动；在固体表面滑动；气囊,1. 运动,2. 运输,3. 生物发光 荧光色素酶,一种长链脂肪酸,第四节 微生物的代谢调节,酶活性调节，调节已有酶分子的活性，,酶化学水平,酶合成的调节，调节酶分子的合成量，,遗传学水平,代谢调节类型:,一、酶活性的调节,一定数量的酶，通过其分子构象或分子 结构的改变来调节其催化反应的速率,1. 变构调节,变构酶：通常是某一代谢途径的第一个 酶或催化某一关键反应的酶,2. 修饰调节,共价调节酶通过修饰酶催化其多肽上 某些基团进行可逆的共价修饰，使之 处于活性和非活性状态,磷酸化/去磷酸化；乙酰化/去乙酰化； 腺苷酰化/去腺苷酰化；尿苷腺化/去尿 苷腺化；甲基化/去甲基化；S-S/SH相 互转变；ADPR化/去ADPR化,3. 两者差别：,变构调节只是构象变化；,修饰调节是一级结构变化，对调节信 号具有放大效应，效率高,二、分支合成途径调节,特点： 每个分支途径的末端产物控制分,支点后的第一个酶，同时每个末 端产物又对整个途径的第一个酶 有部分的抑制作用,第五节,微生物次级代谢与次级代谢产物,一、次级代谢与次级代谢产物,微生物从外界吸收各种营养物质，通过 分解代谢和合成代谢，生成维持生命活 动的物质和能量的过程,1. 初级代谢,微生物在一定的生长时期，以初级代谢 产物为前体，合成一些对微生物的生命 活动无明确功能的物质的过程为次级代 谢，这一过程的产物即为次级代谢产物,2. 次级代谢和次级代谢产物,次级代谢大部分都是分子结构比较复杂的 化合物,次级代谢产物分类：抗生素、激素、生 物碱、毒素和维生素,3. 次级代谢的特点,(1)初级代谢的关键性中间产物往往是次,级代谢的前体;,(2)次级代谢一般发生于对数生长后期或稳,定期间进行，受到环境条件影响； (3)催化次级代谢的酶的专一性不高;,(4)次级代谢产物的合成, 因菌种而异; (5)质粒与次级代谢的关系密切; (6)次级代谢无明确的生理功能;,(7)次级代谢产物一般无生理功能, 也非生长,繁殖所必须;,二、次级代谢的调节,1. 初级代谢对次级代谢的调节,次级代谢一般以初级代谢产物为前体,2. 碳、氮代谢物的调节作用,菌体生长时利用的碳源的分解物阻遏次级 代谢酶系的合成(迟效碳源和速效碳源),3. 诱导作用及产物的反馈抑制,第六章 微生物工业和产品,l 工业发酵的菌种和发酵特征 l 工业发酵的方式 l 工业发酵的产品,第一节 工业发酵的菌种和特征,微生物工业指人们工业化规模培养微生 物生产的商品性产品，也指以微生物为 主体生产产品的工业,微生物的工业发酵指利用各种微生物的 不同发酵特性，发酵生产众多有价值的 发酵产品,下游技术一般是泛指从菌种的大规模培 养、监测一直到产品的分离、纯化、质 量分析等一系列单元操作技术，其中的 产品分离纯化技术即后处理，是菌种实 现产业化的关键,一、生产菌种的要求和来源 1. 生产菌种的要求,在较短的发酵过种高产有价值的产品 培养基价廉易得且转化效率高 菌种对动植物及环境无害 副产品少且易分离,菌种的遣传稳定性强,易于进行基因操作,2. 生产菌种的来源,自学,3. 微生物工业发酵的一般过程,二、大规模发酵特征,1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理 4.发酵的逐级放大,1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理,自学,(1) 小试,实验室或小型设备,得小试最佳发酵条件,评估所发酵的产物是否具有生产可能性,发酵的逐级放大,(2) 中试,实验工厂或车间的小规模设备,对小试最佳发酵条件进行验证并放大 基本确定发酵产物能否进行工业大规 模生产,(3) 大试,试验性生产,对中试发酵条件的参数进行验证改进 确定发酵产物能否进行工业大规模生产,第二节 工业发酵的方式,一、连续发酵,优点:,简化了菌种的扩大培养、发酵罐的多次灭 菌、清洗、出料，缩短了发酵周期，提高 了设备的利用率，降低人力与物力的消耗,主要用于生产酒精、丙酮、丁醇、乳酸、 食用酵母、单细胞蛋白、污水处理,二、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化酶是指将从微生物细胞中提取出的 酶，用固体支持物固定，成为不溶于水或 不易散失和可多次使用的生物催化剂，被 固定的酶即称为固定化酶,固定化细胞,固定化的优势 5条,固定化的类型 5条,自学,固定化的应用及缺点 3条,三、固态发酵,指微生物在没有或几乎没有游离水的 固态的湿培养基上的发酵过程,固体料要求：手握成团，落地能散 厌氧菌：堆积密封,好氧菌：平辅静止或搅拌通气,四、混合培养发酵,指多种微生物混合在一起共用一种培养基 进行发酵，也称混合培养,限定混合培养物发酵指利用已鉴定的两种 以上分离纯化的微生物作为菌种，共用同 种培养基进行发酵 优势(自学),第三节 发酵的主要产品,发酵产品分类：,传统产品以酿造业的酒、醋、酱等为代表,近代产品以发酵法生产抗生素等有机物为代表 现代产品基因工程产品，如胰岛素等,一、食品和饮料,糖化 液化,二、抗生素和其它微生物药物及制品,1. 抗生素,生物制品：根据免疫学原理，大规模地 采用微生物或其部分组成成分，进行工 业生产疫苗、类毒素、免疫血清和诊断 用的抗原、抗体制品等产品,抗菌谱指抗生素作用对象的范围,2. 非抗生素的生理活性物质,微生物药物,3. 生物制品,(1) 预防制品主要指疫苗，由细菌、螺旋 体、支原体、病毒、立克次氏体和衣原体 (2) 治疗制品指利用细菌、病毒和生物毒 素免疫动物制备的抗血清和抗毒素