微生物代谢

nullnull第七章 微生物的代谢 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 null代谢概论　代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称复杂分子 （有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]null一、概述 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）1、化能异养微生物的生物氧化与产能 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、小分子代谢产物等。第一节 微生物的产能代谢 ——将最初能源转换成通用的ATP过程null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[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null2、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。 null3、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’)null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、三磷酸己糖途径） 葡萄糖 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 + ATP10 步反应null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）null6-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++3H2O → 5 6-磷酸葡萄糖 + 6CO2+12NADPH+12H++Pi 特点： a 、不经EMP途径和TCA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。 null 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 过程： （4步反应） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 KDPG6-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、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。4）PK途径（磷酸酮解酶途径）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+ null G 6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（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 null 1、定义 广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。 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）null2、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 条件：pH 3.5~4.5 , 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NaHSO4 NaHSO4 + 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——甘油发酵 （EMP）---亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%） nullb、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null 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 null3)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 nullb 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鉴定反应： 1 、V．P．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：null4）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null 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。 null氧化 丙氨酸丙酮酸-NH3乙酰-CoA乙酸 + ATP甘氨酸-NH3还原null四、呼吸（respiration） ——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。 有氧呼吸（aerobic respiration） 无氧呼吸（anaerobic respiration） 1 有氧呼吸 原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：Kreb 循环、电子传递。nullTCA循环的生理意义： （1）为细胞提供能量。 （2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。 （3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。 （1）TCA循环柠檬酸循环或Krebs循环 nullTCA 的补充途径 I 乙醛酸循环（TCA 循环支路） （异柠檬酸裂合酶）（乙酰--CoA合成酶）（苹果酸合成酶）乙酰-CoA异柠檬酸琥珀酸 + 乙醛酸乙酸苹果酸Ii 丙酮酸 、PEP等化合物固定CO2的方法 Iii 厌氧、兼性厌氧微生物获得TCA 中间产物方式null（2）电子传递链 1）电子传递链载体: NADH脱氢酶 黄素蛋白 辅酶Q（CoQ） 铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。 null2）原核微生物电子传递链特点： 最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等； 电子供体： H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等； 含各种类型细胞色素： a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等； 末端氧化酶： cyt a1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变 存在分支呼吸链： 细菌的电子传递链更短并P／O比更低，在电子传递链的几个位置进入链和通过几个位置的末端氧化酶而离开链。 E.coli （缺氧） CoQ  cyt.b556  cyt.o cyt.b558  cyt.d（抗氰化物） 细胞色素0分支对氧亲和性低，是一种质子泵，在氧供应充足的条件下工作 ；细胞色素d分支对氧有很高的亲和性，因此在氧供应不足的情况下起作用。 电子传递多样： CoQ  cyt.也可不经过此途径。 null3） 氧化磷酸化产能 ——化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说 化学渗透学说---英国生物化学家Peter．Mitchell于1961年提出的。 该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，电子向内传递。质子传递可能是由于载体环或特定的质子泵的作用，驱动泵的能量来自电子传递。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子动势Proton motiveforce,PMF)是ATP合成的原动力。当质子动势驱动被转移至膜间空键的质子返回线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。 质子推动力（Δp）取决于跨膜的质子浓度（ΔpH）和内膜两侧的电位差（Δψ）。 null 特点： a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递； b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸） c产能效率低。 硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点： a 有其完整的呼吸系统； b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2 无氧呼吸（厌氧呼吸）硝酸盐作用硝酸盐作用同化性硝酸盐作用： NO3-  NH3 - N  R - NH2 异化性硝酸盐作用： 无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体 NO3-  NO2  NO   N2O  N2 反硝化意义： 1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力； 2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。 亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶 null 硫酸盐呼吸（硫酸盐还原） ——厌氧时，SO42- 、SO32-、S2O32- 等为末端电 子受体的呼吸过程。 特点： a、严格厌氧； b、大多为古细菌 c、极大多专性化能异氧型，少数混合型； d、最终产物为H2S； SO42-  SO32-  SO2  S  H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体； f、环境： 富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等） 硫呼吸 （硫还原）硫呼吸 （硫还原） —— 以元素S作为唯一的末端电子受体。 电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等 碳酸盐呼吸（碳酸盐还原） ——以CO2、HCO3- 为末端电子受体 产甲烷菌 — 利用H2作电子供体（能源）、CO2为 受体，产物CH4； 产乙酸细菌 — H2 / CO2 进行无氧呼吸，产物为乙酸。 null其他类型无氧呼吸 ——以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末 端电子受体的无氧呼吸。 延胡索酸  琥珀酸 + 1 ATP 。 被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。利用Desulfotomaculum auripigmentum还原AsO43- 生产三硫化二砷（雌黄） 作用：生物矿化和微生物清污null第二节 微生物特有的合成代谢途径 一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌 光能营养型生物 不产氧 （仅原核生物有）：光合细菌 1、光合细菌类群 1）产氧光合细菌——好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。 (H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用)。 null2）不产氧光合细菌 a、紫色细菌 ——只含菌绿素a 或 b。 紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科） 含紫色类胡萝卜素，菌体较大。S沉积胞内。 氢供体：H2S、H2 或 有机物。 H2S  S  SO42- ； 少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+ 氧化产生Fe(OH)3沉淀null紫色非硫细菌（红螺菌科）： 旧认为不能利用硫化物作为电子供体；现知大多数亦能利用硫化物，但浓度不能高。 b、绿色细菌（绿硫细菌） 含较多的菌绿素c、d 或 e ，少量 a 。 电子供体：硫化物 或 元素硫，S沉积胞外（类似紫色非硫细菌）；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物。 null2、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素—— a、b、c、d、e、g。 a ：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。 b：最大吸收波长840~1030。 3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素： 藻胆素：篮细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620~ 640 nm） 藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。 null3、细菌光合作用 1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素P870，P870吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素P870，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。 特点： a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素； b、产ATP和还原力[H]分别进行，还原力来自H2S等无机物； c、不产氧（O2）。 null光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.紫色细菌循环光合磷酸化过程 null外源电子供体—— H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。 特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，但电子传递不形成环式回路。绿硫细菌和绿色细菌null 2）非循环光合磷酸化 特点： a、电子传递非循环式； b、在有氧的条件下进行； c、存在两个光合系统 d、ATP、还原力、O2同时产生 当光反应中心I的叶绿素P700吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(还原力)，而不是返回氧化型P700。光合系统II将电子提供给氧化型P700，并产生ATP。 光合系统II天线色素吸收光能并激发P680放出电子，然后还原脱镁叶绿素a(脱镁叶绿素a是2个氢原子取代中心镁原子的叶绿素a)，经过由质体醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和质体蓝素(plastocyanin，PC)组成的电子传递链到氧化型 P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680从水氧化成02过程中得到电子。在光系统Ⅱ中，电子由PQ经Cyt.b传递给Cyt.f时与ADP磷酸化偶联产生ATP。null蓝细菌等的产氧光合作用——非循环光合磷酸化过程 null3）依靠菌视紫红质的光合作用 无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。 ——极端嗜盐古细菌 菌视紫红质： 以“视黄醛”（紫色）为辅基。 与叶绿素相似，具质子泵作用。 与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡 萝卜素）内。 nullATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。null二、细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌： 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 产能的途径主要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。 最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2＋)。 利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。 最重要反应： CO2 还原成[CH20]水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 ——大量耗能、耗还原力的过程。null 化能自养细菌的能量代谢特点： ①无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。 ②电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。 ③产能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能异养细菌的低。 ④生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱下的氢(电子)直接进入呼吸链。 1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌 杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。 好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体， 在细胞质中有非常发达的内膜复合体。 将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。 1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌 杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。 好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体， 在细胞质中有非常发达的内膜复合体。 将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。 a、亚硝化细菌 NH3 +O2 + 2H+ NH2OH + H2O 根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌 (产生1分子ATP) null 2 氢细菌（氧化氢细菌） 能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogen oxidizing bacteria)。 兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。 产能： 2H2 + O2 — 2 H2O 合成代谢反应： 2H2 + CO2 — [ CH2O ] + H2O。 null 氢细菌的自氧作用 第一步：产能反应，氧化4分子H。产生1分子ATP； 第二步：合成代谢反应，用所产生的ATP还原C02构成细胞物质[CH2O]和生长。 在Ralstonia eutropha中存在两种氢酶，一种膜结合氢酶涉及质子动势而细胞质中的氢酶为Calvin cycle 提供还原力NADH。3 硫细菌（硫氧化细菌）3 硫细菌（硫氧化细菌） ——利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌 大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经cyt.c部位进入呼吸链； 而脱氮硫杆菌从FP或 cyt.b水平进入。 嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)。nullnull产能途径 第一阶段，H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化为SO32－ 第二阶段，形成的SO32－进一步氧化为SO42－和产能。 1、由细胞色素－亚硫酸氧化酶将SO32－直接氧化成为SO42－，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。 2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子APS，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32－产生1．5分子ATP。 null4 铁细菌和细菌沥滤 (1) 铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。） 定义：能氧化Fe2＋成为Fe3＋并产能的细菌被称为铁细菌(iron bacteria)或铁氧化细菌(iron oxidizing bacteria)。包括亚铁杆菌属(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌属(Gallionella)、纤发菌属(Leptothrix)、泉发菌属(Crenothrix)和球衣菌属(Sphaerotilus)的成员。 有些氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus frrooxidans)和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。 大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。 大多数铁细菌还是嗜酸性的。 铁细菌的细胞产率也相当低 null铁氧化细菌呼吸链的氧化磷酸化的产能途径null (2) 细菌沥滤 ——利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。 原理： a、浸矿剂的生成 2S + 3O2 + 2H2O — 2H2SO4 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 — 2Fe2（SO4）3 + 2 H2O b、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出 CuS + 2 Fe2（SO4）3 + 2H2O + O2 — CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4 c、铁屑置换CuSO4中的铜 CuSO4 + Fe — FeSO4 + Cu ——适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出 率达70% ~ 80%。 null1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。 自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等） 共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌： 必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。 根际—芽孢杆菌属；叶面—固氮菌属。三、固氮作用2、固氮机制2、固氮机制1）固氮反应的条件 a ATP的供应： 1 mol N2 — 10 ~ 15 ATP b 还原力[H]及其载体 氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。 电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧 还蛋白（Fld） 。 c 固氮酶 组分 I ：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋 白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd） 组分II：组分II： 固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮 铁氧还蛋白（AzoFd） 特性： 对氧极为敏感；需有Mg2+的存在； 专一性：除N2外，可还原其他一些化合物 C2H2 — C2H4； 2H+ — H2 ； N2O — N2 ；HCN — CH4 + NH3 （乙炔反应：可用来测知酶活） d 还原低物N2： NH3存在时会抑制固氮作用。null N2 + 2e + 6H+ +（18 ~24）ATP — 2NH3 + H2 +（18 ~24）ADP + 18 ~24 Pi a、固氮酶的形成 e — 组分II — 组分II（e）—Mg—ATP 组分I + N2 — I—N2 b、固氮阶段 N2* — 2NH3 + H2 即 75% 还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费2）固氮生化过程 Fd，Fld+固氮酶（1：1复合物）null固氮生化途径3、好氧性固氮菌的防氧机制3、好氧性固氮菌的防氧机制 固N酶遇氧不可逆失活 （组分I，半衰期10’；组分II，45”丧失一半活性） （1）自身固N菌 a 呼吸保护 固N菌科的固N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。 b 构象保护 高氧分压环境，固氮酶能形成一无固N活性但能防止氧损伤的特殊构象。 构象保护的蛋白质—— Fe-s蛋白II 氧压增高，固氮酶与Fe—s蛋白II结合，构象变化，丧失固N能力； 氧浓度降低，蛋白自酶上解离 null(2) 蓝细菌保护固N酶机制 a 分化出特殊的还原性异形胞（——适宜固氮作用的细胞） I、厚壁，物理屏障； II、缺乏氧光合系统II，脱氧酶、氢酶活性高； III、SOD活性很高； IV、呼吸强度高 b 非异形胞蓝细菌固N酶的保护 ——缺乏独特的防止氧对固N酶的损伤机制。 I 、固N、光合作用在时间上分隔开 —— 织线蓝菌属（黑暗：固N ； 光照：光合作用） II、形成束状群体（束毛蓝菌属），利于固N酶在微氧环境下固N III、提高胞内过氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）null I、豆科植物的共 生菌 ——以类菌体形式存在于根瘤中 类菌体周膜：豆血红蛋白，可与氧可逆结合 （高时结合，低时释放） 豆血红蛋白：蛋白部分由植物基因编码；血 红素有根瘤菌基因编码。 II、非豆科植物共生菌 ——含植物血红蛋白（功能相似豆血红蛋白） Frankin放线菌： 营养菌丝末端膨大的泡囊类似异形胞。 c 根瘤菌保护固N酶机制 四、肽聚糖的合成四、肽聚糖的合成 1 在细胞质中的合成——UDP -胞壁酸5肽 a G — G-UDP，M--UDP G —— 6-P-果糖— 6-P-葡糖胺—  — N-乙酸葡糖胺-1-磷酸 — N-乙酰葡糖胺-UDP — N-乙酰胞壁酸-UDP b M合成“Park”核苷酸 （UDP-M-5肽） UDP作为糖载体 D-Val-D-Val为环丝氨酸（恶唑霉素）阻断； nullN-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸亲水性化合物null ——肽聚糖单体亚单位的合成 载体：细菌萜醇（类脂载体） ——C55类异戊二烯醇（含11个异戊二烯单位） 穿膜的同时与G结合，接上肽桥， 此外，类脂载体还参与胞外多糖、脂多糖的合 成（磷壁酸、纤维素、几丁质、甘露聚糖等） 万古霉素，杆菌肽所抑制这些反应 2 细胞膜中的合成null“Park”核苷酸合成肽聚糖单体细胞膜上细胞质双糖肽位于细胞膜外细胞壁生长点处3 膜外的合成3 膜外的合成 a、多糖链的伸长（横向连接）： 肽糖单体+引物（6~8肽糖单位） — 多 糖链横向延伸1双糖单位。 b、相邻多糖链相联（纵向连接）： 2D-Val — M-4肽 + D-Val —甲肽尾五甘氨酸肽的游离—NH与乙肽尾 D-Val（第4个氨基酸）游离COOH 转肽作用： 青霉素所抑制。青霉素为D-Val-D-Val结构类 似物，竞争转肽酶转糖基（形成-1，4糖苷键）null转糖基作用和转肽作用null 第三节 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 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。 次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。 null 次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，比如糖降解过程中的乙酰-CoA是合成四环素、红霉素的前体；一般菌体的次级代谢在对数生长后期或稳定期间进行，受环境条件的影响； 次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。 次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一般性的生理功能，也不是生物体生长繁殖的必需物质，但对其它生物体往往具有不同的生理活性作用，因此，人们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物。 null二、次级代谢的调节 1．初级代谢对次级代谢的调节 次级代谢与初级代谢类似，它在调节过程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的诱导和阻遏。 2．含氮化合物对次级代谢的调节作用 菌体内的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平与抗生素的产量间呈正相关性，丙氨酸脱氢酶(ADH)水平与利福霉素SV合成则呈负的相关性，而ADH和GS同化氨途径受培养基中氨浓度的调节，因此，氨浓度的调节影响抗生素的产量。 3．诱导作用及产物的反馈抑制 null一、微生物代谢产物的利用 利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。 按照积累产物类型： 初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶； 次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。 按照发酵类型： 自然发酵：酒精、乳酸等， 代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等； 中间产物，柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、 高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；第四节 微生物代谢与生产实践 null1．发酵条件的控制 人们通过对微生物菌种营养和培养条件的控制生产所要的目的产品: 1）培养条件：温度、pH值、渗透压的控制； 2）营养成分的控制：葡萄糖浓度、碳氮比、生长因子、无机离子等； 3）溶解氧的控制：通气量，搅拌等。 2．代谢调节的控制2．代谢调节的控制（1）应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节 赖氨酸发酵——（高丝氨酸缺陷型菌株） 在这个代谢工程的设计中，是利用阻断分支途径的高丝氨酸的合成，来解除(Lys+Thr)的反馈调节。即造成高丝氨酸缺陷型(Hser一)，就可解除末端产物对限速酶的反馈抑制。选育细胞膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型，或生物素缺陷型选育细胞膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型，或生物素缺陷型 利用油酸缺陷型菌株，限量添加油酸，限制细胞膜磷脂中不饱和脂肪酸的合成而使细胞膜缺损，利于代谢产物渗漏而提高谷氨酸的产量。 生物素缺陷型原理 在脂肪酸生物合成途径中，由乙酰辅酶A羧化成丙二酸单酰辅酶A的反应是一个限速步骤，该反应由乙酰辅酶A羧化酶系催化，包括生物素羧化酶，羧基转移酶和生物素羧基载体蛋白CCP，并且需要生物素作辅酶。选育生物素营养缺陷型菌株，使细胞中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的合成受阻，从而影响到磷脂的合成。在培养时限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度来调节透性。 null（2）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。如Corynebacteriumcrenatum(钝齿棒杆菌)的抗α-氨基-β-羟基戊酸（AHV）菌株能积累积苏氨酸。3．微生物代谢与代谢工程3．微生物代谢与代谢工程 近年来，基因工程的不断发展，也为微生物代谢在发酵生产的应用提供了新的方法。 人们通过分子生物学技术和DNA重组技术, 可以定向地对细胞代谢途径进行修饰或引入新的反应，以改进产物的生成或改变细胞的代谢特性。但这些改进都是与微生物的基因调控和代谢调控及生化工程相结合来实现的。 利用DNA重组技术改变微生物代谢流，扩展和构建新的代谢途径，或通过关联酶将两个代谢途径连接形成新的的代谢流的研究，取得了令人瞩目的进展。null克隆来自细菌的木糖异构酶基因， 克隆来自柄状毕赤酵母（Pichia stipitis）的木糖还原酶和木糖醇脱氢酶基因。引入木糖代谢途径（戊糖代谢生产乙醇的代谢工程） —酵母菌Saccharomyces的代谢工程null 二、微生物代谢活性的利用 1．生物转化 生物转化是指利用生物体代谢过程中产生的酶使底物进行有机反应。生物转化一般采用微生物细胞或微生物酶作催化剂，故又称作微生物转化。 微生物转化的一个重要领域是手性化合物的合成与拆分。 主要应用在药物、香料，杀虫剂、杀菌剂，除草剂，昆虫激素等方面。如，光学活性的R-和L-4-氯-3-羟基—丁酸乙酯（R-和S-CHBE）是制备各种光学活性化合物的基本原料，如L-肉毒碱（R-型），3-羟基-3甲基戊二酰（ HMG）-CoA-还原酶抑制剂和1，4-二氢吡啶-型的-阻断剂（L-型）。 2．微生物降解秸杆2．微生物降解秸杆 秸秆成分中的纤维素和半纤维素能够被草食动物的瘤胃微生物充分降解利用，但由于木质素和纤维素之间镶嵌在一起形成坚固的酯键，阻碍了瘤胃微生物对纤维素的降解，导致秸秆消化率低。因此提高秸秆消化率的关键是降解木质素，打断酯键。 英国Aston大学最近从秸秆堆中分离出一种白腐真菌，这种微生物只降解木质素，不降解纤维素，用作处理秸秆，可使秸秆的体外消化率从19.63%提高到41.13%。 白腐真菌分解木质素的机理是：在适宜的条件下，白腐真菌的菌丝首先用其分泌的超纤维氧化酶溶解表面的蜡质，然后菌丝进入秸秆内部，并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸秆中的木质素和纤维素，使其成为含有酶的糖类，从而使秸秆变得香甜可口，易于消化吸收。 3．微生物冶金、采油3．微生物冶金、采油 人类利用具有氧化硫化物矿中的硫和硫化物能力的微生物将硫化矿中的重金属通过转化成高度水溶性的重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出来生产黄金。 如，氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferooxidans)的氧化作用可从金矿石中除去硫、砷，浸提黄金，如果用化学方法浸提金的话，其得率不到70％； 俄罗斯科学家使用多种适于在石油中生存的微生物，将其与催化剂一同置于采油管内，这些微生物新陈代谢的产物可以大大增强石油的流动性，从而提高采油率，而不会影响石油的质量。 4．生物降解4．生物降解 迄今为止,已知的环境污染物达数十万种之多，其中大量的是有机物。由于微生物的代谢类型极其多样，作为一个整体，微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物所分解。 我们可从中筛选出一些污染物的高效降解菌。更可利用这一原理定向驯化、选出污染物的高效降解菌，以使不可降解的或难降解的污染物，转变为能降解的，甚至能使它们迅速、高效地去除。 null参考文献:1沈萍．微生物学．北京：高等教育出版社，2000 2周德庆．微生物教程．第2版．北京：高等教育出版社，2002 3黄秀梨. 微生物学．第2版.北京：高等教育出版社，2001 4诸葛健，李华钟.微生物学．第一版．北京：科学出版社，2004.9 5 Prescott LM.等著. 微生物学．第5版． 沈萍等译，北京：科学出版社，2000 6 Prescott LM, Harley JP, and Klein DA. Microbiology (5th ed.), Higher education press and McGraw-Hill Companies, Inc.2002 7 Michael TM, John MM, Jack P. Brock biology of micoorganisms，International edition, Pearson Education, Inc.2003 8 Gregory N.Stephanopoulos, Aristos A.Aristidou, Jens Nielsenz著. 代谢工程——原理与方法.赵学明 白冬梅，等译.化学工业出版社，2003 9 Talaro K. P. Foundations in microbiology (Fifth Edition), Higher education press and McGraw-Hill Companies, Inc.2005 10 R．M．特怀曼著．高级分子生物学要义．陈淳等译，北京：科学出版社，2000