第六章:微生物的代谢

第六章:微生物的代谢 白城师范学院生物系 高晨光 第六章:微生物的代谢 代谢:生物体内进行的生化(合成代谢、分解代谢的总和)反应统称。 即生物体不断从环境中摄取营养物质和能量，合成自身的组成物质，贮存能量，同时分解自身的一部分组成物质释放能量，并将物质排除体外的过程。 包括:?物质代谢，能量代谢。 ?合成代谢，分解代谢，(同化作用，异化作用)。 营养物质:氧化分解，放能，形成中间产物。 能量:吸收，合成，运动，发光，分泌能等。 特点:(1)代谢旺盛，(2)代谢(类型)多样化， (3)代谢的严格调节和灵活性。 第一节:微生物的产能代谢 包括:产能代谢和耗能代谢，本章主要介绍产能代谢。 产能方式:发酵与呼吸。 ATP产生方式:氧化、底物、光合磷酸化、视黄醛。 主要是通过生物氧化。 化能异养:有机物氧化(脱氢)或无机物氧化放能。 一、 化能异养微生物的生物氧化和产能 产能方式:最终电子(氢)受体的不同分为发酵与呼吸。 (一)发酵 发酵(狭义):是以有机物为最终电子受体的生物氧化过程。 工业发酵(广义):利用微生物生产有用代谢物(产品)的生 产方式(过程)。(好氧或兼性厌养) 微生物能以多种有机质为发酵基质，以葡萄糖最广泛。 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 以葡萄糖为例介绍发酵。 1、发酵主要途径 (1)EMP(酵解、酵母菌的乙醇发酵): ? 菌种:酵母菌、啤酒酵母。 ? 途径:葡萄糖经EMP途径生成乙醇和CO。P99(T6-1) 2 ? EMP 的特特征酶:P—F—激酶，F—2P—醛缩酶。 ? EMP(Glc--丙酮酸)过程: CHO+2NAD+2ADP+2Pi-----2CH-CO-COOH+2NADH+2ATP(+2HO) 6126322 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 P99(T6-1) (2)ED(细菌的乙醇发酵): 菌种:运动发酵单胞菌等细菌。 +总反应式:CHO+NAD+NADP+ADP+Pi----2CH-CO-COOH+NADH+NADPH(+2H)+ATP 6126322 特点:?1molGlc经4步生成2mol丙酮酸，但来源不同; ?特征反应是:KDPG----丙酮酸+3-磷酸甘油醛 ?特征酶:2—酮—3—脱氧—6—P—葡萄糖酸醛缩酶(KDPG醛缩酶) ?产能效率低，1molATP。 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 P99(T6-2) 2-(3)HMP(磷酸戊糖途径/旁路/循环):CHOPO 61154 +6 G-6-P+12NADP+7HO----6CO+5 G-6-P+12NADPH+12H+Pi 22 中间产物:(植物、微生物途径) 3-P-甘油醛、P-二羟丙酮、4-P-赤藓糖、5-P-木酮糖、5-P- +核酮糖、5-P-核糖、RuBP、6-P-G、6-P-F、7-P-景天糖、NADPH+H。 (4) PK途径: 磷酸酮解酶(糖裂解)途径 类型:磷酸戊糖酮解酶途径和磷酸已糖酮解酶途径 关键酶:5—P—木酮糖裂解酶、6-P-果糖酮解酶。 磷酸戊糖酮解酶途径: 种类:肠膜状明串珠菌 P100(T6-3) 产物:1 CHO----- CHCHOHCOOH + CHCHOH + CO +1ATP 61263322 P100(T6-3) CO 2 磷酸已糖酮解酶途径: 种类:双歧双歧杆菌 产物:2 CHO -----2CHCHOHCOOH +3CHCOOH +5ATP 612633 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 磷酸已糖酮解酶途径过程如下: P100(T6-4) P101 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 3、发酵类型 上述4种葡萄糖分解途径产生在NADH和NADPH的去向有: 还原有机物或呼吸(交给氧)。 根据发酵产物的种类可以分为:乙醇发酵、乳酸发酵、混合酸与丁二醇发酵、丁酸发酵、丙酮—丁醇发酵、乙酸发酵以及丙酸发酵等。这里主要讨论与EMP、ED、HMP和PK途径有关的发酵。 (1)乙醇发酵 类型:酵母菌乙醇发酵(EMP)和细菌乙醇发酵(ED) A、酵母菌乙醇发酵: ?菌种:酵母菌、啤酒酵母。 ?途径:葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸乙醇和CO。 2 ?产物:CHO+2ADP+2Pi-----2CH-CHOH+2CO+2ATP 6126322 或CHO—EMP—2CH-CO-COOH——2CHCHOH + 2CO + 2ATP 61263322 ?过程:CH-CO-COOH——CH-CHO+CO——CHCHOH 33232 ?酵母菌乙醇发酵条件: a厌养:酵母菌兼性厌养。有氧:丙酮酸——TCA——CO + HO 22 b培养基中无NaHSO(3%): 3 NaHSO与乙醇结合形成复合物磺化羟乙醛(乙醛-HSO) 33 c PH,7.6(3.5—4.5):若PH?7.6时乙醛发生岐化。 即:2分子乙醛——乙醇+乙酸 2CHCHO——CHCHOH + CHCOOH 3323乙醛不作为氢的受体还原成为乙醇，而P—二羟丙酮为受体。即: CHOH CHOH 22 | | C=O + NADH------------ CHOH +NAD+ 2 | | CHO P CHO P 22 ?总反应式:2 CHO-------CHOH-CHOH-CHOPO+CHCHOH + CHCOOH 6126223323 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 B、细菌乙醇发酵 ?菌种:运动发酵单胞菌等细菌。 ?途径:经E、D途径 ?过程:2 CHO +ADP+Pi—— 2CO + 2CHCHOH + ATP 6126232 P102(T6-6)图6-6细菌型乙醇发酵 C、混合酸和异型乳酸发酵----也产生乙醇 CHO---CH-CO-COOH---CHCO-CoA+ CO-+H-- CH-CHO--- CHCHOH 6126332332 (2)乳酸发酵:生成乳酸的发酵 ?类型:同型乳酸发酵和异型乳酸发酵 ?菌种:P103(B6-2) A、同型乳酸发酵:糖的发酵产物中只有乳酸的发酵叫同型乳酸发酵。 ?同型乳酸发酵的微生物:乳链球菌，植物乳杆菌 ?关键酶:乳酸脱氧酶。 ?途径:Glc------丙酮酸----------乳酸 CHO-------2CH-CO-COOH------CH-CHOH-COOH 612633 ?总反应式:CHO + 2ADP + 2Pi——2CHCHOHCOOH + 2ATP 61263 P103(T6-7) 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 B、异型乳酸发酵: 糖发酵产物中，除乳酸外，还有乙醇(或乙酸)和CO的发酵。 2途径:PK途径，磷酸酮解酶(糖裂解)途径 a:磷酸戊糖酮解酶途径(C5): ?产物:1 CHO----- CHCHOHCOOH + CHCHOH + CO +1ATP 61263322 2 CHO------CHCHOHCOOH + CHCOOH + CO +2ATP(加) 6126332?异型乳酸发酵的微生物:肠膜状的串珠菌，短乳杆菌。 b:磷酸已糖酮解酶途径(C6): ?种类:双歧双歧杆菌 ?产物:2 CHO -----2CHCHOHCOOH +3CHCOOH +5ATP 612633 (3)混合酸与丁二醇发酵 A、混合酸发酵: ? 某些兼性厌氧菌，在缺氧条件下发酵，产物中除乳酸 外，还有甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、甲酸(CO+HO)22 等产物。 ? 混合酸发酵的微生物:埃希氏菌属、沙门氏菌属、志 贺氏菌属。 ? 途径:以EMP为主体。 ? 产物:埃希氏菌:含甲酸裂解酶可分解甲酸 HCOOH——CO + H 22 志贺氏菌属不含甲酸裂解酶，故不产气。 ? 混合酸的发酵途径:P104(T6-9A) 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 B、丁二醇发酵: ? 概念:某些细菌经EMP途径分解葡萄糖时，产生少量乳酸， 甲酸和乙醇，生成大量的2 3-丁二醇和更多气体的发酵。 ? 丁二醇发酵的微生物:肠杆菌、赛氏杆菌、欧文氏杆菌。 ? 途径:P104(T6-9B) EMP 缩合 2H CO 2 Glc-----丙酮酸------乙酰乳酸--------2 3-丁二醇 2 3-丁二醇与二乙酰反应生成红色化合物,此反应为V P反应, 红色为阳性.即: 六 , 白城师范学院生物系 高晨光 (4)丙酮—丁醇发酵 ?丙酮丁醇梭菌在EMP途径的基础上进行丙酮丁醇发酵。 ?过程:丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰—CoA，乙酰—CoA双双缩合成为乙酰—乙酰CoA，其中一部分脱CoA、脱羧生成丙酮;而另一部分经还原、脱水、还原脱CoA 和第三次还原生成丁醇(图6—10)。丙酮—丁醇发酵时，1mol葡萄糖产生2molATP。 P106(T6-10) 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (5)氨基酸产能反应---Stickland反应 是两个氨基酸之间的一个氨基酸作为氢(电子)供体，另一个氨基酸作为氢(电子)受体时的氧化-还原脱氨基反应。 微生物在厌氧条件下将—个氨基酸的氧化脱氨与另一个氨基酸的还原脱氨相偶联的一类特殊发酵。 典型反应:甘氨酸与丙氨酸之间的Stickland反应，它们的总反应式为: 2CHCOOH + CHCHCOOH+ADP+Pi---3CHCOOH+CO+3NH+ATP 23323 | | NH NH 22 氢供体的氨基酸:主要有丙氨酸Ala、亮氨酸Leu、异亮氨酸Ile、缬氨酸Val、组氨酸His、丝氨酸Ser、苯丙氨酸Phe、色氨酸Trp和酪氨酸Tyr等; 氢受体的氨基酸:主要有甘氨酸Gly、脯氨酸Pro、鸟氨酸Orn、精氨酸Arg和甲硫氨酸Met等。 种类:已知能进行Stickland反应的细菌都是专性厌氧的梭菌， 如:生孢梭菌、肉毒梭菌、双酶梭菌和斯氏梭菌等。 (二)呼吸 呼吸:微生物以分子氧或无机物为最终电子受体的生物氧化。 有氧呼吸:以分子氧为最终电子受体的生物呼吸。 无氧呼吸:以非氧的无机物为最终电子受体的生物呼吸。也叫厌氧呼吸。 电子由供体经呼吸链(电子传递链)传给受体。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 1、有氧呼吸 进行有氧呼吸的微生物有: ? 化能异养微生物:以有机物为氧化基质。进行TCA循环。 ? 化能自养微生物:以无机物为氧化基质，不进行TCA循环。 ? 光能自养微生物:也可TCA 。 ? 光能异养微生物:也可TCA。 以化能异养微生物为例介绍如下。 化能异养微生物:以有机物为电子供体，代谢从有机物分解开始。 1、葡萄糖:是重要的能源和碳源。 Glc降解有三条途径: EMP ?EMP:Glc-----丙酮酸--- CHCHOH 提供2mol ATP。 32 EMP ?HMP:Glc -----5—P—R(4—P—赤鲜糖)，无ATP，有12NADPH。 2?E.D:Glc ------丙酮酸-- CHCHOH，提供1mol ATP。 32 ?TCA:Glc ------丙酮酸---- CO+HO+38(36)ATP 22 2、丙酮酸:是关键性中间产物。几乎所有的6C、5C、4C、3C、2C化合物都可转变为丙酮酸。 TCA ? TCA:2丙酮酸————2CO + 2HO +36ATP。(15*2+2+4) 22 ? 转变其他化合物:如:糖、酸、氨基酸、醇等。 ? 氢:有机物代谢中脱氢形成FADH、FMNH、NADH、NADPH少部2222， 分用于还原，大部分经呼吸链传给氧生成水并放能。 ? ATP: 氧化磷酸化:伴随生物氢化所发生的磷酸化作用。分为: 底物水平磷酸化:被氢化的底物上发生的磷酸化反应。 电子传递体系磷酸化:电子沿呼吸链传递时伴随有ATP的生成。 有氧呼吸分三个阶段: ? Glc ------丙酮酸+2mol ATP+ 2NADH 2 ? 2丙酮酸————2CHCOCoA+ 2CO + 2NADH 322 ? TCA:2CHCOCoA----CO + HO + 24ATP+ 2ATP 322 位置:EMP在细胞质，TCA在细胞膜或线粒体中。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (1)三羧酸循环(TCA循环)和乙醛酸循环 P107(T6-11) i、三羧酸循环 重要功能不仅是产能、而且还是物质代谢的枢纽。它联系糖、蛋白质与脂质代谢的桥梁作用(又是很多物质的合成代谢提供各种碳架的原料。例如，草酰乙酸和α-酮戊二酸为天冬氨酸与谷氦酸的碳架原料，乙酰CoA是脂肪酸合成的原料;琥珀酸是细胞色素和叶绿素的原料。TCA循环还为人类提供了各种有用的产物，柠檬酸、苹果酸和延胡索酸等。 ii、乙醛酸循环(TCA支路): 关键酶:异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶。 ATP+CO+H 2 iii、乙醛酸循环中间产物形成(来源): iv、厌氧条件TCA中间产物来源:见上图P108(T6-12) (2)呼吸链又称电子传递链 它是指从葡萄糖或其他氧化型化合物上脱下的氢(电子)，经 过一系列按照氧化还原势由低到高顺序排列的氢(电子)传递体， 定向有序的传递系统。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 原核微生物的呼吸链在细胞膜上，真核微生物的呼吸链位于线粒体内膜，但呼吸链的主要组分是类似的。 原核微生物呼吸链的特点: ?除了葡萄糖或其他有机基质外、分子氢、硫等无机元素， +-Fe2+、NH4、 NO等无机离子也可用作电子供体; 2 -— ?除了分子氧外，可用作最终电严受体的还有N0、NO、NO32—2-2-2-、SO、S、CO等，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亚砜和氧化43 三甲亚胺等有机化合物 ?有各种类型细胞色素，如a、al、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d以及o等; ?末端氧化酶，不仅有细胞色素a1、a 2、a3、d、o等，还有HO酶和过氧化物氧化酶等; 22 ?呼吸链组分和含量多变，细菌呼吸链的组分和含量随着氧气的供应、生长阶段、基本营养供应、呼吸抑制剂的存在与否,C 2+2-,N、Fe、SO浓度等变化而改变; 4 ?细菌呼吸链有多条，且有分支。 不仅有一般的呼吸链，还有分支的呼吸链。例如，大肠杆菌在缺氧条件下，呼吸链在CoQ(辅酶Q，泛醌)后分支，一支为Cytb559---CytO，另一支是Cytb558---Cytd。 维捏兰德固氮菌:通过呼吸链Cytb1后的分支控制细胞内氧的分压。 I II Cyta2(d) III NADH2----Fe-S----FMN(Fp)---CoQ---Cytb1----CytC5----O 2 Cytc4---Cyta1 (I,II,III处形成ATP) ?电子传递方式多样化，在细菌中电子可经CoQ传递给细胞色素，也可不经CoQ而直接传递给细胞色素。 ?细菌呼吸链与线粒体呼吸链的区别: i细菌无线粒体，电子传递C膜上。 ii线粒体呼吸链目前只发现二条。即:NADH，FADH(琥珀酸)呼吸链，且都以Cyta为末端色素氧化酶。 3 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 高等生物呼吸链: NADH---FMN====CoQ---Cytb===Cytc1--Cytc----Cytaa3====O 22琥珀酸---FAD---CoQ---Cytb===Cytc1--Cytc----Cytaa3====O 2 细菌呼吸链有多条，且有分支。末端氧化酸除a外，还有，3 a,a,a,o等。 124 iii细菌电子传递链的电子受体，供体可以多种多样。 iv 细菌电子传递链的组成，含量因细菌和培养条件的不同而不同。 如: 甲醇 Cyto------O 2 NADH----FMN----CoQ----Cytb559----n563----a1----d----O 22 -琥珀酸---Fp-- 硝酸盐还原酶----NO 3 Cyto--- O 2NADH----FMN----CoQ----Cytb562----Cytc1c----Cytaa3---O 22 --2- NO--硝酸盐还原酶 Cytd----NO(SO、CO) 3332 (3) 氧化磷酸化产能机制 是指呼吸链在传递氢(电子)过程中释放出的能量与ADP磷酸化相偶联产生ATF的过程。 关于氧化磷酸化产生ATP的机制有3种假说。 即:化学偶联假说、构象偶联假说和化学渗透假说。略) NAD:3molATP,P/O=3; FAD:2molATP,P/O=2。 以前认为细菌:P/O<1,后来发现许多细菌P/O>2(好氧菌=3)。 2、无氧呼吸:以非氧无机物为最终电子受体的生物氧化。 能进行无氧呼吸的微生物有:专性厌氧和兼性厌氧微生物。 3+-2-电子受体有:NO、SO、Fe、CO等。 342 分别叫:硝酸盐还原，硫酸盐还原，碳酸盐还原。 -[1]硝酸盐呼吸(还原):以NO为最终电子受体。 3 分为二种:同化型和异化型硝酸盐还原。 ? 异化型硝酸盐还原:(反硝化作用)。 -是将 NO还原成N，或NO的作用。 322 a意义:对自然界氮素循环有重要意义，氮素在海洋中 积累，反硝化作用分解之。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 害处:造成土壤中氮素的损失，对农业生产不利。 b能量:产能一般4—5个ATP，比发酵多比有氧呼吸少。 c特点:(1)每生成一分子N有10个电子转移。 2 (2)硝酸盐只接受Cytb传给的电子，故呼吸链短。 (3)有机物可被彻底氧化，但电子传递中生成 ATP少，一般为2个，而 TCA电子传递中产能 为34ATP(1 个FADH，5个NADH) 22 --NO ---NO ----NO ----NO ----N3222 上述反应有酶依次是: 异化性硝酸还原酶(NaR)、 异化性亚硝酸还原酶(NiR)、氧化氮还原酶(NOR)、 氧化亚氮还原酶(N0R)。 2 -如:脱氢小球菌能以NO为最终电子受体。葡萄糖彻3 -底氧化还原NO的反应式为: 3 -CHO + 4NO——CO + 6HO + 2N? + 能量(ATP少) 61263222 ? 同化型硝酸还原:是硝酸盐同化，产物是氨。 a意义:是硝酸盐的吸收和利用，是硝酸盐的同化。 - b特点:(1)一分子NO还原成NH，有8个电子转移，33 +5-3N——N 8e (2)硝酸盐还原氧化基质是有机物，葡萄糖， 乙酸等。 [2]硫酸盐呼吸(还原): ? 类型:硫酸盐同化作用:植物和微生物吸收和利用硫酸盐; 2-反硫化作用:微生物在厌氧条件下将SO还原成HS。 42进行硫酸盐呼吸的细菌称硫酸盐还原细菌或反硫化细菌。 本节介绍反硫化。它们都是严格厌氧的古细菌。 包括:脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫菌属、脱硫叶菌属、脱硫肠状菌属、脱硫八叠球菌属、脱硫线菌属、脱硫杆菌属、脱硫念珠菌属等。极大多数为专性化能异养型，利用有机酸(乳酸、丙酮酸、延胡索酸和苹果酸等)、脂肪酸(乙酸和甲酸等)和醇类(乙醇)等有机基质生长。少数营混合营养型 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 生活，在有适宜有机碳源和能源时营化能异养生活，若无适宜 的有机物时也能以H、CO进行自养生长，如嗜热氧化乙酸脱硫22 肠状菌。 ? 特点: 2--(1)反硫化作用以SO(SO)为最终电子受体。 423 (2)以有机物(CHO、酸、醇)为电子供体和能源。 2 +2- (3)电子传递链中无NAD，放出的电子由于还原SO、4 2-SO产生HS。 232 (4)电子传递中形成ATP。 乳酸脱氢酶 4HO 4CO 22 4CHCHOHCOOH-----------4CHCOCOOH————4CHCOOH 333 2-8H+8e SO HS + 4HO 422 2-? 如:脱硫弧菌:乳酸氧化成乙酸时脱下8个氢，使SO—HS， 42 2-2-2CHCHOHCOOH + SO——2CHCOOH + 2CO + 2HO + S + ATP 34322 2-2-8[H] + SO+ADP+Pi——S + 4HO+ATP 42 [3]硫呼吸 又称硫还原 是元素硫异化性还原形成HS的过程。 2是以元素硫作为唯一末端电子受体，从中取得生长所需能量的一类无氧呼吸。 硫还原细菌种类:主要是硫还原菌属和脱硫单胞菌属的。 如:乙酸氧化脱硫单胞菌，利用乙酸为电子供体，在厌氧条件 下通过氧化乙酸为CO和还原元素硫为HS的反应。 22 CHCOOH + 2HO + 4S 2CO + 4HS 3222 发现了最适合生长温度近90?甚至还要高的极端高温硫还原古细菌，它们利用小肽或葡萄糖为电子供体。 [4] 碳酸盐呼吸(甲烷生成作用、碳酸盐还原) -是一类以C0或碳酸氢盐(HCO)为末端电子受体的无氧呼吸。 23 ? 分布:广泛分布于自然界，有机质丰富的沼泽地，河 底，湖底，海底的淤泥中，及粪池中，动物的胃中。 ? 种类:(1)产甲烷细菌:以H为电子供体，以CO或2 -HCO为末端电子受体(碳源)，产物是甲烷。 3 +- H + 4H+ HCO—?CH + 3HO –142.12kJ/mol 2 342 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (2)产乙酸菌:利用H2/CO2进行无氧呼吸，产物是乙 酸(或甲醇，甲酸等)。 +- 2H + 4H+ 2HCO—?CHCOOH + 4HO –112.86kJ/mol 2 332 (3)碳酸盐还原菌特别是产甲烷菌都是专性厌氧菌。 沼气主要成分是甲烷。 [5]其它类型无氧呼吸: 3+2，无氧呼吸中作为电子受体还有:无机物:Fe、Mn 有机物:延胡索酸、甘氨酸、甲酸等。P112(B6-4) HCOOH+延胡索酸-----CO+虎珀酸 2 二、光能微生物的能量代谢 能将光能转换成为ATP形式化学能的细菌---光合细菌(photosynthenc bacteria)，它们以光为能源，利用CO(光能自养)或有机碳化合物(光能2 异养)作为碳源，通过电子传递产生ATP(光合磷酸化)。 作用:光合细菌在自然界碳素和硫素等物质循环以及水生态系小起着重要而又特殊的作用。 光能微生物包括:光能自养微生物和光能异养微生物。 光能自养微生物:可利用光能转换能量、CO。 2 光能异养微生物:通过有机物氧化获得能量、CO。 2(一)光合细菌的类群 1、 产氧光合细菌 类群:兰细菌、原绿植物纲、单细胞藻类。 ?兰细菌(单细胞藻): 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 特点:a、有PSI(产生NADPH2)、有PSII(水光解) b、光合磷酸化有环式和非环式二种 c、以水为供氢体、光合作用放氧。 ?原绿植物纲:是一类原核，含有叶绿素a(蓝细菌)、b，而不 含藻胆蛋白(绿色植物)的光合微生物。 细胞壁中含有肽聚糖，属于真细菌。 目前有二个属:原绿蓝细菌属和原绿丝蓝细菌属。 2、不产氧的光合细菌 不产氧光合细菌是一个形态和系统上多样化的类群( 形态:球菌、杆菌、弧菌、螺菌和双球菌、四联球状，有扁平纸片状、不规则网格状、链状网格状和菌丝状排列; 特点:不运动，极生和极生鞭毛或滑功;有气泡和没有气泡;有菌柄;二分裂繁殖。 类型:根据所含菌绿素、类胡萝卜素和光合膜系统分为紫色细菌、绿色细菌和阳光细菌(表6—5)、着色菌科等4科。不产氧光合细菌的一些主要代谢特征。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (1)紫色细菌和绿色细菌 分类地位:属于红螺菌目。 它们所属亚目及分科、属的情况如下:P114(T-B) ?紫(或红)硫细菌:着色菌科细菌。 分布:常见于湖泊和含硫温泉的厌氧层中。形态多样，菌体通常较大。 色素:含紫色类胡萝卜素而常呈鲜明的紫色(但有时也因含其他颜色 的类胡萝卜素而呈棕色、粉红色、红棕色、紫红色或黄棕色。 特征:氧化硫化物。细胞内沉积硫(硫粒)、再将硫氧化为硫酸盐。 利用有机化合物(乙酸、丙酮酸、有机酸、糖类或乙醇)作为 2-光合生长碳源的能力有限。少数在黑暗环境中以SO作为电23 子供体自养生长。 ?紫(或红)非硫细菌:为红螺菌科细菌( 因过去认为它们不能利用硫化物作为电子供体还原CO成为细2胞物质而取名的。现在发现大多数紫非硫细菌也能利用硫化物(但是硫化物浓度不能高。 紫非硫细菌与紫硫细菌的区别: ?它们不能氧化元素硫成为硫酸盐，少数种虽能氧化硫化物成为硫酸盐， 但没有中间产物硫形成; ?即使能氧化硫化物可产生元素硫，但细胞内不贮存硫; ?它们是兼性光能营养菌。既可以在暗环境下好氧生长(也可以在有光 的条件下厌氧生长。有的甚至还能在黑暗的有机环境中靠发酵厌氧生 长。大多数紫非硫细菌还能固氮。 ?绿色细菌也称绿硫细菌:形态:多样。 特点:严格厌氧的专性光养细菌， 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 利用硫化物或元素硫为唯—电子供体光合生长。 元素硫沉积在细胞外。 (2)阳光细菌: 阳光细菌是一类含菌绿素g的严格厌氧光合细菌，分类地位未确定。是异养菌，能利用的营养物质十分有限，只利用丙酮酸、乳酸、乙酸和丁酸等为唯一碳源，巳知有杆菌、螺菌等。 (二)细菌光合色素 细菌光合色素是光合细菌将光能转换成化学能的物质基础。 细菌光合色素主要有叶绿素、菌绿素以及辅助色素类胡萝卜素和 藻胆素等。 1、叶绿素a: 蓝细菌含叶绿素a。 结构:它主要是由4个吡咯环联结而成 的卟啉环，中间有一个金属原子镁。吸收红 光和蓝光，反射绿光而呈绿色。 最大吸收波长分别在680nm和440nm处。 种类:P680，位于PSII中，水光解。 P700，位于PSI中，产生NADPH和ATP。 2 2、菌绿素: 大多数光合细菌依靠菌绿素进行光合作用。 菌绿素a的结构与叶绿素a基本相似。只是 几处稍有差异(图6—14)。 光合细菌中有6种菌绿素，为菌绿素a、b、 c、d、e和g。 菌绿素a:的最大吸收波长约在850nm处; 菌绿素b:的最大吸收在840 nm和1030nm处; 菌绿素c、d、e和g:最大吸收波长在720一780 nm的范围内。 各种不产氧光合细菌中所含的菌绿素参见表6-5。 功能:菌绿素a和b的功能与叶绿素a相似，是在光反应中心 将“天线”接收的光能转换为化学能。 菌绿素c、d和e有接收光能的“天线”作用，需要量较多( 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 绿色细菌含较多的菌绿素c、d或e和少量的a。 紫色细菌只含菌绿素a或b，可能兼有“天线”功能。 菌绿素g为阳光细菌所独有。菌绿素g的结构与叶绿 素a相似。 3、辅助色素:帮助提高光利用率的色素。 菌绿素或叶绿素只能吸收太阳光谱中一部分的光，光合生物依靠辅助色素能够捕获更多可利用的光。 类胡萝卜素:是光细菌中最普遍的一种辅助色素(400-500nm)。有黄、红或绿颜色的物质的总称。典型代表是类胡萝卜素(图6—15)。根据结构，分为脂肪族类胡萝卜素、芳香族类胡萝卜素和酮基类胡萝卜素。 蓝细菌的藻胆蛋白(520-650nm):蓝细菌独特的辅助色素。(图6-16) 闭合卟啉环失去一个碳原子成为开链四吡咯化合物( 包括:藻红素:最大吸收波长约在550nm处; 藻蓝素:最大吸收在620一640 nm。 异藻兰素:最大吸收在 nm。 藻胆素与蛋白质共价结合成为藻胆蛋白。 (三)细菌光合作用: 1、依靠菌绿素的光合作用 光合细菌利用HS、H或丁酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸等有机化合物22 为氢供体，还原CO2，依靠菌绿素与一个光系统进行的不产氧光合作用。 光合细菌通过循环光合磷酸化产生ATP。 紫色细菌的环式光合磷酸化过程:菌绿素和类 胡萝卜素将捕获的光能传输结其反应中心P。激870 发态P中的电子吸收能量后被逐出成为带电荷的870 P，被逐出的电子经过由脱镁茵绿素(BPh)、CoQ、870 +Cyt b和Cytc组成的电子传递链传递后返回P，870 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 +P还原为P，在Cyt b传给Cyt c时与ADP磷酸化偶联产生ATP。 870870 特点:a、只有PSI，无PSII。 b、不以水为供氢体，所以光合作用不放氧. 吸收了光能的电子在循环传递过程中与ADP磷酸化偶联产生ATP的过程称为循环光合磷酸化。 2、依靠叶绿素的光合作用 ?类群:蓝细菌、单细胞藻类。 ?特点:a、有PSI(产生NADPH2)、有PSII(水光解) b、光合磷酸化有环式和非环式二种 c、以水为供氢体、光合作用放氧。 ?过程:光合作用具有绿色植物的特征。它们依靠叶绿素a和两个光系统进行光合作用，以HO作为氢供体，水的光解产生氧气。 2 通过非循环光合磷酸化产生ATP。两个光反应中心P(II)和P(I)， 680700 光反应中心PSII受光激发而 被逐出的电子，经过由质体酝醌 (PQ)、Cyt b、Cyt f和质体蓝素 (PC)组成的电子传递链也不返回 +P680，而传递给PSI的P，P接700680 受H0光解产生的电子而恢复成2 P680。电子由PQ经Cyt b传给cytf 时产生ATP。 PSI吸收光后释放的电子，经 ++黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传给NADP生成NADPH+H，而不返回P 。700这种电子的非循环传递与ADP磷酸化的偶联称为非循环光合磷酸 +化，在此过程有ATP产生、还原力(NADPH+H)的形成和氧气的释放。 有的光合细菌虽然也只有一个光合系统，也可进行非循环光合 +磷酸化。电子经铁硫蛋白、铁氧还蛋白、黄素蛋白还原NAD生成 2-2-NADH，外源电子供体，如S、SO等，在氧化过程中放出的电子，23 最终传至失去了电子的光合色素，使其还原，并偶联生成ATP。 ++其反应式为:NAD+HS+ADP+Pi=======NAD(P)H+H+ATP+S 2 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (四)特殊细菌的光合作用 古细菌利用菌视红紫质进行光合作用。 ?类群:嗜盐细菌。好氧、嗜盐、生长在盐场或盐湖中。 ?色素:胡萝卜素和菌视红紫质(细菌视紫质)(560nm)。 菌视紫红质:由视黄醛(VA醛)和Pr构成。 +?能量:由菌视紫红质完成，光----H-----ATP。 +在光的作用下菌视紫红质通过视黄醛构型的转变，将H运到细胞外， ++在膜内外形成H的浓度梯度，由H的动力产生ATP。 三、化能自养微生物的生物氧化与产能 化能自养微生物:以CO2为唯一碳源或主要碳源，利用无机物氧化获得能量和供氢体，而进行生长的微生物为----。 类型:专性化能自养微生物:只能发CO2为碳源进行生长。 兼性化能自养微生物:即能以CO2为唯一碳源又能以有机物质 为碳源进行生长。 呼吸类型:化能自养微生物多为好氧，通过无机物氧化获能，少为兼性厌氧。 特点:1、无机物氧化脱氢直接进入呼吸链放能; 2、呼吸链类型多，不同底物进入呼吸链的位置不同; 3、产能效率低，(P/O值小)。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 按氧化的无机物类型将化能自养微生物分为: 氢细菌:即可利用H也可利用NADH等进行生长。 22 硝化细菌:亚硝化细菌:将NH氧化为HNO。 42 硝化细菌:将HNO氧化为HNO。 23 2-硫细菌:能将S、HS、SO氧化为HSO。 22324 铁细菌:利用Fe氧化获得能量。 (一)氢细菌(氢 氧化细菌) 氢细菌是兼性化能自养菌，即能利用H为能源生长的细菌， 2 (1) 类群:嗜糖假单胞菌、产碱杆菌属、副球菌属等。 (2) 特点:以CO为唯一碳或主要碳源，也能利用有机物为碳源。 2 多为好氧，少为厌氧或兼性厌氧。 (3) 氢的作用:a、氧化生成水、放能 b、作为供氢体同化CO生成有机物。 2 (4)过程:H+O===2HO 2H+CO===[CHO]+HO 2222222 总反应式:H+O+CO===[CHO]+HO 22222 (二)硝化细菌(生物氧化):利用还原无机氮化物进行自养生长的细菌。 +--即:将NH氧化成NO或NO的细菌叫硝化细菌。 423 特点:(1)都有Cyta、b、c、d、o五种细胞色素。 - (2)1molNH氧化成1molNO生成1molATP。 32 1、 亚硝化细菌:(氨氧化细菌、氨的生物氧化) (1)类群:专性化能自养菌，又叫亚硝化细菌、氨氧化细菌。 如:亚硝化极毛杆菌、亚硝酸螺菌、亚硝化球菌属。 -(2)特点:1molNH----NO 消耗 1.5molO，生成1molATP. 322 ++(3)过程:二步 NH+O+NADH+H===NHOH+HO+NAD 3222 -+NHOH+O===NO+HO+H 2222 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 --2、硝化细菌:亚硝酸盐的生物氧化(NO----NO) 23 (1) 类群:专性化能自养的硝化螺菌，兼性化能自养的硝化杆菌。 --(2) 特点:a、NO---NO是在硝酸氧化酶Cyta、Cytaa、Cytc233 的参与下完成的。 - b、NO中的氧来自水，不是由分子氧提供。 3 --(3) 过程: 2NO+O=====2NO 223 -NO+ HO HO 222 Cyt a1 Cyt a3 ++-NO+2H ADP+Pi ATP 1/2O+H 32硝化细菌的作用: (1)避免亚硝酸积累，发生毒害。(2)促进自然界氮素循环。 -2-2-(三)硫细菌:即:能将S、S、SO氧化形成SO的细菌。 2234 -2-(1) 概念:能够利用S、S、SO等无机硫化合物进行自养223 个长的细菌都称为硫细菌或硫氧化细菌。 (2) 类群:主要是化能自养型硫细菌，硫杆菌属、阿托氏菌属、 发硫菌属、嗜热丝菌、硫化叶菊属等，紫硫细菌和绿硫细菌。 -2-(3) 过程:硫杆菌利用S、S、SO等硫化物氧化过程中释放的能223 量自养生长。多数硫杆菌为专性化能自养和专性好氧，少数为 兼性化能自养和兼性厌氧。图6-21硫杆菌氧化硫化物的途径。 2- SO APS 23 2-2-2-S-----S-----SO-----SO APS:腺苷酰硫酸。 34 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (四)铁细菌 2+3+少数能氧化。Fe成为Fe并产能的细菌称为铁细菌或铁氧化细菌。 种类:是一个生理类群，包括亚铁杆菌属、嘉利翁氏菌属、纤发菌属、泉发菌属和球衣菌属。氧化亚铁硫杆菌和硫化叶菌，除了能氧化元素硫和硫化物外，还能氧化亚铁离子，所以是硫细菌，也是铁细菌。 营养:大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。氧化亚铁硫杆菌在缺乏铁时，也能利用葡萄糖等有机化合物进行异养生长。 氧化亚铁硫杆菌从氧化铁的反应只得到少量的能量: 2++3+Fe+4H+O2-------Fe+2H2O+284.21kJ/mol (五)细菌沥滤(浸出) 氧化亚铁硫杆菌(和氧化硫硫杆菌)等(氧化铁和硫的)细菌，有氧化硫化物矿中的硫和硫化物的能力,转化成水溶性重金属硫酸盐，从低品位矿中浸出金属的过程称为细菌沥滤或细菌浸出，这就是所谓的细菌冶金。 种类:可浸出的重金属有Cu、Ni、Mn、Fe、Zn、Mo和U等。 铜矿类型:黄铜矿(CuFeS)、辉铜矿(CuS)、蓝铜矿(CuS)和班铜矿(CuFeS)等。 2254 P122图6—22为蓝铜矿的细菌沥滤原理和过程。 蓝铜矿的细菌沥滤大致可以分为3个步骤: ?氧化池中的氧化亚铁硫杆菌通过反应: 2S+3O+2HO-----2HSO 2224 4FeSO+2HSO+O---2Fe(SO)+2HO 42422432 2+ 把Fe氧化成为沥滤(或浸矿)剂 Fe(SO); 243 ?低品位铜矿石中的铜在沥滤剂作用下以CuSO的形式浸出: 4 CuS+2Fe(SO)+2H0+O-----CuSO+ FeSO+2HSO 243224424 ?用铁屑置换出CuSO中的铜并收集:CuSO+ Fe===== Cu+ FeSO 444四、自养微生物对CO2的固定 光----ATP----CO---[CHO] 22 (一)卡尔文循环和C4途径:略(下页) (二)自养固定CO的其他途径 2 绿色细菌、产乙酸菌和产甲烷菌利用其他的途径固定CO。 2 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 1(还原性三羧酸循环途径:绿色细菌 嗜硫代硫酸盐绿菌逆三羧酸循环途径还原固定CO(图6—23)。 2 反应式为: 3 CO+10[H]十2ATP-----丙酮酸- - - -Glc等。 2 2(乙酰—CoA途径 不是循环途径。P123图6—24 产乙酸菌、产甲烷菌与某些硫酸盐还原细菌，利用乙酰—CoA途径固定CO。通过乙酞—CoA途径的关键酶是一氧化碳脱氢酶，2 +它催化反应:CO十HO----CO十2H十2e，固定时还需要有四氢22 叶酸(THF)和类咕琳(即维生素B12)等辅酶。每次固定2分子CO，2产物为乙酸。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 第二节 微生物特有的合成代谢途径 特有代谢产物很多(抗生素)。本节仅讨论固氮作用和肽聚糖的生物合成。 一、生物固氮作用 生物体内将分子氮还原成氨的过程。 1、发现:1888年贝哲林克第一次分离到固氮微生物。 2、种类:目前发现50个属，均属于原核微生物。 3、固氮量:全球1.5亿吨/年，耕地4400万吨，工业生产4500万吨。 (一)固氮微生物种类 自生固氮菌、共生固氮菌、联合固氮菌。P124(TB)略。 (二)固氮作用机制 2+ 固氮酶 Mg 总反应式:N+8[H]+n(16-24)ATP============2NH+2H+ADP+nPi 232 1、固氮作用的能量和电子传递 (1) ATP:固定1MOL N需要18-24MOL ATP，ATP与Mg2+结合才有活2 性。其中:6-9MOL ATP用于电子传递15MOL 用于催化反应。 ATP来自EMP、有氧呼吸、无氧呼吸或光合磷酸化。 (2) 还原力(H和e):来源于有机物的分解或水光解。(无机物氧化) 电子传递中需要Fd(铁氧还蛋白)和Fld(黄素氧还蛋白)。 电子的供体、受体、载体，电子最终受体是N。 2 2、固氮酶:由铁蛋白(Azfd)和钼蛋白(Mofd)组成。(2:1)P125(B6-8) (1)组分I(铁钼蛋白):22万D，由二种亚基构成的四聚体。 含有:2个钼原子，30个铁原子，32个S,30个游离的-SH。 特点:对氧敏感，遇氧失活。 (2)组分II(铁蛋白): 5.5万D,由二个相同的亚基构成二聚体。 含有:4个铁原子，4个硫原子，12个-SH。 特点:?对氧敏感，遇氧失活。 ?是电子活化中心，ATP与铁蛋白结合放能使电子获能。 +生物固氮中有氢气的放出，有1/3的电子用于H的还原。 -固氮酶有相对专一性，对CH?CH(—CN、NO、NO)等，也可还22 原成CH=CH等。常利用此反应测定固氮酶的活性。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 NADPH 2 3、固氮作用的过程:二个阶段 电子最终受体是N。 2(1)固氮酶的形成: 还原 ATP-Mg 3+2+2+NADPH---Fd(Fd)---组分?(Fe)----组分?(Fe)---组分?-Mg-ATP 2 2+---氮-组分?(1:1)---固氮酶复合物(组分II—Mg-ATP-氮-组分I)。 (2)固氮阶段 固氮酶---e---组分?-Mg-ATP----组分I(Fe)---Mo---N2---NH3。 组分?-Mg-ATP复合物转移e后成为氧化型，同时ATP---ADP+Pi。 转移6Mol电子，将1Mol氮还原成2Mol NH3。 实际上，1Mol氮还原成2Mol NH3时，有8Mol电子转移，还有2 Mol H。2其原因尚不清楚，但H的产生是固氮酶反应中一个不可分割的组成部分。 2 固氮作用的产物NH3与α酮酸结合生成相应的氨基酸。 如:与丙酮酸结合生成丙氨酸，与α酮戊二酸结合生成谷氨酸等。 通过GS(谷氨酰胺合成酶)和GOGAT(谷氨酸合成酶)转氨。GDH(GLU 脱氢酶)转氨。 (3)固氮作用的调节机制: 固氮酶遇氧失活，故好氧固氮菌必须有防氧机制。PO高固氮酶失2活，PO低影响细胞呼吸。 2 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (三)好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制(防氧机制) 固氮酶对氧极其敏感，厌氧固氮菌不成问题。多数固氮菌是好氧菌，必须有保护固氯酶的机制: 1(固氮菌保护固氮酶的机制 (1)呼吸保护 固氮菌属的细菌以较强的呼吸强度迅速耗去固氮酶周围的氧。维捏兰德固氮菌:通过分的呼吸链控制细胞内氧的分压。 I II Cyta2(d) III NADH2----Fe-S----FMN(Fp)---CoQ---Cytb1----CytC5----O 2 Cytc4---Cyta1 I、II、III处形成ATP。PO高时经Cytc4、d、a2消耗O但产生能量少。 22 (2)构象保护 褐球固氮菌等有构象保护功能的蛋白质(Fe-S-PrII)在氧分压增高时，与固氮酶结合构象发生改变,并丧失固氮活力;氧浓度降低，该蛋白解离，恢复固氮酶原有的构象和固氮能力。 2(蓝细菌保护固氮酶的机制 蓝细菌的光合作用产氧，保护固氯酶机制是: 丝状固氮兰细菌:在异形胞内固氮，异形胞:壁厚，氧不易进入，缺乏氧光合系统II，脱氢酶和氢酶活力高，超氧化物歧化酶，解除氧的毒害。 其它蓝细菌:将固氮作用与光合作用分开进行(黑暗中固氮，光照下进行光合作用);有的在束状群体中央失去光合系统II的细胞中进行固氮作用;有的通过提高细胞内过氧化物酶或超氧化物歧化酶活为以解除氧毒害。 3(根瘤菌保护固氮酶的机制 根瘤菌与豆科植物共生，以类菌体形式生活在豆科植物根瘤中。 通过LB向细胞类菌体供应低浓度、高流量的O。 2 Lb+OLbO 2 2 二、肽聚糖的全成 肽聚糖的生物合成过程复杂，是许多抗生素作用的靶物质，如:青霉素、万古霉素、D-环丝氨酸、磷霉素、头胞霉素、杆菌肽等。 肽聚糖的生物合成分为细胞质中、细胞膜上以及细胞膜外合成3个阶段。 以金黄色葡萄球菌为例 (了解得较清楚) 。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 第一阶段:在细胞质中合成胞壁酸五肽。Glc----N-乙酰葡糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖经过下列反应步骤生成的: 第二阶段:在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体(双糖肽亚单位)。需要脂质载体细菌萜醇的参与[P128(图6-27)]， 图6—27 肽聚糖合成过程中的脂质载体 ——细菌萜醇 通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载着UDP-N-乙酰胞壁酸五肽转到细胞膜，在膜上N-乙酰葡萄糖胺结合，形成双糖肪亚单位。并在L-Lys上连接五肽(GIy)[P129图6-28]为UDP-N—乙酰胞壁酸五肽5 (Parkt核苷酸)。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 其中合成D-丙氨酰----D-ALa，L-Ala---D-Ala环丝氮酸所阻断。P129图6-29为肽聚糖的合成过程。反应?与?分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。 第三阶段:已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中并交联形成败聚糖。P130图6—30示双糖肽前体转运到细胞壁生长点上。 过转肽酶的转肋作用使相邻多糖链交联。转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-Ala残基，第2个D-Ala的羧基与邻链甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联(图6—30 B)。 转肽作用为青霉素所抑制，原因是青霉素是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，相竞抑制。青霉素的抑菌作用在于抑制肽聚糖的生物合成，所以青霉素只对生长繁殖的细菌有抑制作用(而对不生长细胞无抑制作用。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 第三节 微生物的代谢调节 微生物依靠严格又灵活的代谢调节系统，才能有高效、经济的代谢，在复杂多变的环境条件下生存和发展的。 有二种主要的代谢调节方式: 酶合成的调节:调节酶的合成量，这是一种“粗调”; 酶活力调节:调节已有的酶的话力，这是一种“细调”。 一、酶合成的调节 是酶基因表达的调节，即基因转录和翻译水平上的调节，转录水平上的调节。原核生物E(coli中的乳糖操纵子模型，阐明了酶合成的诱导和阻遏是在调节基因的产物---阻遏蛋白，通过操纵基因控制结构基因的转录。真核生物基因表达的调节比原核生物复杂很多，DNA含量高，大部分是调控信息，真核生物基因一般无操纵子，转录后mRNA通过拼接，产生不同的mRNA,真核生物和原核生物在翻译完成后，要进行一系列加工和修饰才能折叠成正确的蛋白分子，现在认为可能多肽链的氨基酸顺序中存在着第二遗传密码---折叠密码，决定着肽链的空间结构。翻译的过程是一个非常复杂的生物反的应过程，需要两百多种因子的参与。 (一)诱导 是酶促分解底物或产物，使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。 诱导产生的酶称为诱导酶。不是所有的酶都可以诱导的。 诱导降解酶合成的物质称为诱导物，它常是酶的底物。如:乳糖或青霉素，是诱导ß半乳糖苷酶或青霉素酶合成的诱导物等。 诱导物也可以是难以代谢的底物类似物。 诱导有协同诱导与顺序诱导两种。 协同诱导:诱导物同时或几乎同时诱导几种酶的合成。如乳糖诱导大肠杆菌同时合成ß半乳糖苷酶透性酶、ß半乳糖苷酶酶和半乳糖苷酶转乙酰酶等分解乳糖的酶。协同诱导使细胞迅速分解底物。 顺序诱导:是先后诱导合成分解底物的酶和分解其后各中间代谢产物的酶。例如，色氨酸降解成为儿茶酚。顺序诱导对底物的转化速度较慢。 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (二)阻遏 阻遏是微生物细胞代谢产物阻断有关酶合成的过程。 主要有终产物阻遏和分解代谢产物阻遏。 1(终产物阻遏 在生物合成中， 终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏称为终产物阻遏。 例如:培养基中Arg过量阻遏了参与生物合成精氨酸的许多酶的合成。 2(分解代谢产物阻遏 与分解代谢途径有关。 大肠杆菌在有两种底物(如葡萄糖和乳糖)的培养基中生长时，首先分解利用其中的一种底物〔葡萄糖〕，而不分解另一种底物(乳糖)。 葡萄糖的分解代谢产物阻遏了分解乳糖酶的合成。 分解代谢产物阻遏导致所谓“二次生长”，先利用葡萄糖生长，耗尽后再利用另一种底物生长，两次生长中间隔着一个短暂的停滞期，分解代谢产物阻遏作用解除后适应期再利用乳糖进行第二次生长。 (三)酶合成调节的机制 诱导和阻遏都是在蛋白的调节下进行的，两者的基本机制是一样的。 典型和研究得最清楚的乳糖操纵子。 1(—些主要术语 (1)操纵子:由启动基因(或称启动子)、操纵基因和结构基因组成的一个完整的基因表达单位,功能是转录mRNA。操纵子受调节基因调控,调节基因或在操纵子内,或远离操纵子。乳糖操纵子中,调节基因位于操纵子的上游。 i :节基因 P: 启动基因 阻O: 操纵基因 遏ZYA:结构基因 物 蛋 白 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 (2)诱导物与辅阻遏物 诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖。阻遏酶产生的物质称为辅阻遏物，如氨基酸和核昔酸等。它们都是小分子物质，常被总称为效应物。 (3)阻遏物蛋白 阻遏物蛋白是存在于细胞中的一种特异性调节蛋白，它出调节基因编码产生。是一种变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一个与效应物结合，阻遏物蛋白与诱导物结合后，变构而失去活性;与辅阻遏物结合变构后却变得有活性。 2(诱导、阻遏机制 分支酸 磷酸核糖吲哚甘油邻氨基邻氨基苯磷酸 苯甲酸 甲酸 大肠杆菌色氨酸操纵子有5个结构基因，分别编码色氨酸生物合成中的“分支酸 邻氨基苯甲酸 磷酸核糖邻氨基苯甲酸 羧苯氨基脱氧核糖磷酸 吲哚甘油磷酸 色氨酸”途径中的各种酶。这些基因从一个启动子起始转录出一条多顺反子的mRNA，与1ac操纵子一样，这个启动子受毗邻的操纵区顺序校制。转录是通过操纵区和阻遏蛋白控制的，它的效应物分子是色氨酸，也就是正控阻遏系统由trp操纵子的基因所编码的生物合成途径中的末端产物。当色氨酸存在时，它结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，从而使阻遏物紧紧结合在操纵区;当色氨酸供应不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操纵区上解离下来，操纵子的转录就此开始。色氨酸起着，trp操纵子的埔阻遏物功能。 3(酶降解的调节作用机制 研究得比较清楚的降解途径主要有两条:溶酶体降解途径(又称非ATP依赖型降解途径)和泛素蛋白标记的降解途径(又称ATP依赖型降解途径)。溶酶体中含有大量的蛋白酶，由内吞而进入溶酶体的蛋白质在酸性 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 条件下无选择性地被降解，最后变为小肽和氨基酸。溶酶体蛋白酶主要降解半衰期较长的蛋白质。脑汁内四大类蛋白酶分子两差异很大，相对分子质量越大，其专一性越高，调节机制也越复杂，如真核细胞中广泛存在的泛素(Ub)可选择性地标记蛋白质然后进行降解。 二、酶活力的调节 微生物也可以通过改变已有酶的催化活力来调节其代谢。酶活力调节是通过激活或抑制进行，比融合成调节还要精细，见效更快。 (一)反馈抑制 反馈抑制是指生物合成途径的终产物反过来对该途径中第一个酶(调节酶)活力的抑制作用。当细胞内氨基酸或核苷酸等终产物过量而积累的时候，积累的终产物反过来直接抑制该途径中第一个酶的活力。使整个合成过程减慢或停止，从而避免了不必要养料和能星浪费。反馈抑制是酶活力调节的一种主要方式，它具有调节精细、快速以及可以消除抑制重新合成等优点。 如:天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酰的反馈抑制凋节等。 (二)酶活力调节的机制 酶活力调节的主要方式是反馈抑制，由于受反馈抑制的酶是变构酶。目前一般都用变构酶理论来解释。 变构酶在生物合成途径中普遍存在。它有两个重要的结合部位。一个是与底物结合的活力部位或催化中心;另—个是与氨基酸或核苷酸等小分子效应物结合的变构部位或调节中心。当变构部位上有效应物结合时，酶分子构象便发生改变，使底物不再能结合在活力部位上而失活。只有氨基酸或核苷酸等的浓度下降，平衡有利于效应物从变构部位上解离，而使酶的活力部位回复到它催化的构象时，反馈抑制被解除，酶活力恢复，终产物重新合成。 作业:P135 1、3、4、5、9、11、17 k 2 六 ,, 白城师范学院生物系 高晨光 39 六