微生物的新陳代謝專家講座

代謝概論一、代謝是生命基本特征

二、代謝經(jīng)過代謝路徑完成三、代謝路徑是不平衡穩(wěn)態(tài)體系四、代謝路徑形式多樣五、代謝路徑有明確細胞定位六、代謝路徑相互溝通七、代謝路徑間有能量關(guān)聯(lián)八、關(guān)鍵酶限制代謝路徑流量微生物的新陳代謝專家講座第1頁新陳代謝：發(fā)生在活細胞中各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）總和。

新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復雜有機物分子經(jīng)過分解代謝酶系催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式能量和還原力作用過程。合成代謝：指在合成代謝酶系催化下，由簡單小分子、ATP形式能量和還原力一起合成復雜大分子過程。微生物的新陳代謝專家講座第2頁中間代謝產(chǎn)物分解代謝起源在生物合成中作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP路徑HMP路徑HMP路徑EMP路徑EMP路徑ED路徑EMP路徑三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧脂肪氧化核苷糖類戊糖多糖貯藏物核苷酸脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖異生CO2固定胞壁酸合成糖運輸丙氨酸纈氨酸亮氨酸CO2固定絲氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸賴氨酸天冬氨酸賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸脂肪酸類異戊二烯甾醇微生物的新陳代謝專家講座第3頁按物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式分：分解代謝：指細胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個過程中產(chǎn)生能量。合成代謝：是指細胞利用簡單小分子物質(zhì)合成復雜大分子過程。在這個過程中要消耗能量。物質(zhì)代謝：物質(zhì)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化過程。

能量代謝：伴隨物質(zhì)轉(zhuǎn)化而發(fā)生能量形式相互轉(zhuǎn)化。按代謝產(chǎn)物在機體中作用不一樣分：初級代謝：提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動所必須代謝物代謝類型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等。次級代謝：

在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需代謝類型；

產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等微生物的新陳代謝專家講座第4頁一、概述第一節(jié)微生物能量代謝

微生物的新陳代謝專家講座第5頁能量代謝是新陳代謝中關(guān)鍵問題。中心任務：把外界環(huán)境中各種初級能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用能源——ATP。 有機物最初能源 日光 通用能源 還原態(tài)無機物化能自養(yǎng)菌化能異養(yǎng)菌光能營養(yǎng)菌微生物的新陳代謝專家講座第6頁1、化能異養(yǎng)微生物生物氧化和產(chǎn)能過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）功效：產(chǎn)能（ATP）、還原力[H]、小分子中間代謝產(chǎn)物等。

葡萄糖降解代謝路徑生物氧化：

發(fā)酵作用產(chǎn)能過程呼吸作用（有氧或無氧呼吸）微生物的新陳代謝專家講座第7頁生物氧化形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化功效為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機物異養(yǎng)微生物利用有機物生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱形式被釋放到環(huán)境中微生物的新陳代謝專家講座第8頁2、化能自養(yǎng)微生物生物氧化與產(chǎn)能

通常是化能自養(yǎng)型細菌，普通是好氧菌。利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們碳源。其產(chǎn)能路徑主要也是借助于無機電子供體(能源物質(zhì))氧化，從無機物脫下氫(電子)直接進入呼吸鏈經(jīng)過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。代謝特點1）無機底物脫下氫（電子）從對應位置直接進入呼吸鏈2）存在各種呼吸鏈3）產(chǎn)能效率低；4）生長遲緩，產(chǎn)細胞率低。微生物的新陳代謝專家講座第9頁3、光能自養(yǎng)或異氧微生物產(chǎn)能代謝

指含有捕捉光能并將它用于合成ATP和產(chǎn)生NADH或NADPH微生物。分為不產(chǎn)氧光合微生物和產(chǎn)氧光合微生物。前者利用還原態(tài)無機物H2S，H2或有機物作還原C02氫供體以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解產(chǎn)物H+和電子形成還原力(NADPH+H+)微生物的新陳代謝專家講座第10頁二、葡萄糖降解代謝路徑（EMP、HMP、ED、PK路徑等。）

1）EMP路徑（糖酵解路徑、己糖二磷酸路徑）

葡萄糖2丙酮酸有氧：EMP路徑與TCA路徑連接；無氧：還原一些代謝產(chǎn)物，

(專性厭氧微生物)產(chǎn)能唯一路徑。

產(chǎn)能：（底物磷酸化）產(chǎn)能：（1）1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP10步反應微生物的新陳代謝專家講座第11頁葡萄糖酵解作用(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas路徑，簡稱：EMP路徑)微生物的新陳代謝專家講座第12頁EMP路徑關(guān)鍵步驟1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸總反應式：葡萄糖+2NAD+2ADP+2Pi→2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP

CoA↓丙酮酸脫氫酶

乙酰CoA，進入TCA微生物的新陳代謝專家講座第13頁磷酸果糖激酶EMP路徑關(guān)鍵酶，在生物中有此酶就意味著存在EMP路徑需要ATP和Mg++在活細胞內(nèi)催化反應是不可逆反應微生物的新陳代謝專家講座第14頁分為兩個階段：1、3個分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個分子NADPH+H+，3個分子CO2和3個分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下使部分碳鏈進行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。2）HMP路徑（磷酸戊糖路徑、旁路路徑）微生物的新陳代謝專家講座第15頁6-磷酸果糖出路：可被轉(zhuǎn)變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖路徑。甘油醛-3-磷酸出路：a、經(jīng)EMP路徑，轉(zhuǎn)化成丙酮酸，進入TCA路徑b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖路徑?？偡磻剑?6-磷酸葡萄糖+12NADP++6H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特點：a

、不經(jīng)EMP路徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無ATP生成；b、產(chǎn)大量NADPH+H+還原力；c、產(chǎn)各種不一樣長度主要中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖）；d、單獨HMP路徑較少，普通與EMP路徑同存；e、HMP路徑是戊糖代謝主要路徑。微生物的新陳代謝專家講座第16頁HMP路徑生理學意義供給合成原料：磷酸戊糖、4-磷酸-赤蘚糖為原料。產(chǎn)還原力。作為固定CO2中介。擴大碳源利用范圍。連接EMP路徑。提供發(fā)酵產(chǎn)物：核苷酸、氨基酸、輔酶微生物的新陳代謝專家講座第17頁

3）ED路徑

——2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解路徑1952年Entner-Doudoroff：嗜糖假單胞菌

過程：（4步反應）1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛縮酶微生物的新陳代謝專家講座第18頁特點:a、步驟簡單b、產(chǎn)能效率低：1ATPc、關(guān)鍵中間產(chǎn)物KDPG特征酶：KDPG醛縮酶

細菌：銅綠假單胞菌、熒光假單胞菌、根瘤菌、固氮菌、運動發(fā)酵單胞菌等。微生物的新陳代謝專家講座第19頁4）PK路徑（磷酸酮解酶路徑）a、磷酸戊糖酮解酶路徑（腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌）G5-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1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+微生物的新陳代謝專家講座第20頁

G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶路徑——又稱HK路徑（兩歧雙歧桿菌）

4-磷酸-赤蘚糖+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1G乳酸+1.5乙酸+2.5

ATP

微生物的新陳代謝專家講座第21頁微生物的新陳代謝專家講座第22頁TCA循環(huán)主要特點1、循環(huán)一次結(jié)果是乙酰CoA乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個循環(huán)有四步氧化還原反應，其中三步反應中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐；4、循環(huán)中一些中間產(chǎn)物是一些主要物質(zhì)生物合成前體；5、生物體提供能量主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要代謝路徑。如:檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。微生物的新陳代謝專家講座第23頁

1、定義

廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物一個生產(chǎn)方式。

狹義：厭氧條件下，以本身內(nèi)部一些中間代謝產(chǎn)物作為最終氫（電子）受體產(chǎn)能過程

特點：1）經(jīng)過底物水平磷酸化產(chǎn)ATP；2）葡萄糖氧化不徹底，大部分能量存在于發(fā)酵產(chǎn)物中；3）產(chǎn)能率低；4）產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)物。三、發(fā)酵（fermentantion）微生物的新陳代謝專家講座第24頁發(fā)酵定義

（1）狹義“發(fā)酵”定義

在生物化學或生理學上發(fā)酵是指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能量一個方式，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體氧化還原產(chǎn)能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時取得能量，丙酮酸被還原為乳酸而取得能量等等。

微生物的新陳代謝專家講座第25頁（2）廣義“發(fā)酵”定義

工業(yè)上所稱發(fā)酵是泛指利用生物細胞制造一些產(chǎn)品或凈化環(huán)境過程，它包含厭氧培養(yǎng)生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等生產(chǎn)。產(chǎn)品現(xiàn)有細胞代謝產(chǎn)物，也包含菌體細胞、酶等。微生物的新陳代謝專家講座第26頁發(fā)酵類型依據(jù)發(fā)酵特點和微生物對氧不一樣需要，能夠?qū)l(fā)酵分成若干類型：1，按發(fā)酵原料來區(qū)分：糖類物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類型。2，按發(fā)酵產(chǎn)物來區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。3，按發(fā)酵形式來區(qū)分：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。4，按發(fā)酵工藝流程區(qū)分：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。5，按發(fā)酵過程中對氧不一樣需求來區(qū)分：厭氧發(fā)酵和通風發(fā)酵兩大類型。微生物的新陳代謝專家講座第27頁淀粉分解淀粉：直鏈、支鏈1、液化型淀粉酶（ａ－淀粉酶）枯草桿菌2、糖化型淀粉酶：三種淀粉－1，4麥芽糖苷酶（β－淀粉酶）特點：從非還原性末端開始，按雙糖為單位，生成麥芽糖，不作用于ａ－1，6，產(chǎn)物是麥芽糖和極限糊精。微生物的新陳代謝專家講座第28頁3、淀粉－1，4葡萄糖糖苷酶（糖化酶）特點：以葡萄糖為單位，能越過ａ－1，6，根霉和曲霉。4、淀粉－1，6葡萄糖苷酶（異淀粉酶）ａ－1，6糖苷鍵。微生物的新陳代謝專家講座第29頁2、發(fā)酵類型1）乙醇發(fā)酵

a、酵母型乙醇發(fā)酵

1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

條件：pH3.5~4.5,厭氧菌種：釀酒酵母、少數(shù)細菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等）i、加入NaHSO3NaHSO3+乙醛磺化羥乙醛（難溶）ii、弱堿性（pH7.5）2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反應）磷酸二羥丙酮作為氫受體，經(jīng)水解去磷酸生成甘油——甘油發(fā)酵（EMP）---亞硫酸氫鈉必須控制亞適量（3%）

概念菌種路徑特點發(fā)生條件微生物的新陳代謝專家講座第30頁★當發(fā)酵液處于堿性條件下，酵母乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔任受氫體接收3-磷酸甘油醛脫下氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖→

2甘油+乙醇+乙酸+2CO2微生物的新陳代謝專家講座第31頁巴斯德效應(ThePasteureffect)現(xiàn)象：通風對酵母代謝影響通風（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細胞繁殖低（靠近零）少旺盛高多很弱至消失概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源機理：◆微生物的新陳代謝專家講座第32頁巴斯德效應（續(xù)）

葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-果糖1,6-二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA草酰乙酸檸檬酸——6-磷酸-葡萄糖——磷酸烯醇式丙酮酸

●

--------ADP,AMP

-------ATP、檸檬酸

●

--------ADP,AMP●———1,6-二-磷酸-果糖己糖激酶磷酸果糖激酶(PFK)丙酮酸激酶微生物的新陳代謝專家講座第33頁b、細菌型乙醇發(fā)酵

(發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌)

同型酒精發(fā)酵

1G2丙酮酸

代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，發(fā)酵周期短等。缺點是生長pH較高，較易染雜菌，而且對乙醇耐受力較酵母菌低.

（ED）乙醇+

1ATP

異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細菌）

1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸

+乙酰--CoA無丙酮酸脫羧酶而有乙醛脫氫酶微生物的新陳代謝專家講座第34頁利用Z.mobilis等細菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少;代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低微生物的新陳代謝專家講座第35頁2）乳酸發(fā)酵

同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌、植物乳桿菌等）——EMP路徑（丙酮酸乳酸）

異型乳酸發(fā)酵（PK路徑）腸膜明串株菌（PK）產(chǎn)能：1ATP

雙歧雙歧桿菌（PK、HK）產(chǎn)能：2G5ATP即1G2.5ATP

微生物的新陳代謝專家講座第36頁葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactis（乳酸乳球菌）Lactobacillusplantarum（植物乳酸菌）概念菌種路徑特點微生物的新陳代謝專家講座第37頁②異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H概念菌種路徑特點-CO2微生物的新陳代謝專家講座第38頁乳酸細菌能利用葡萄糖及其它對應可發(fā)酵糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。因為菌種不一樣，代謝路徑不一樣，生成產(chǎn)物有所不一樣，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP路徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP路徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)HK路徑—磷酸己糖解酮酶路徑）微生物的新陳代謝專家講座第39頁微生物的新陳代謝專家講座第40頁3)混合酸、丁二醇發(fā)酵a混合酸發(fā)酵：

——腸道菌（E.coli、沙氏菌、志賀氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脫氫酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸轉(zhuǎn)乙?；敢胰┟摎涿敢宜峒っ敢掖济摎涿敢宜嵋掖糆.coli與志賀氏菌區(qū)分：葡萄糖發(fā)酵試驗：

E.coli、產(chǎn)氣腸桿菌甲酸CO2+H2

（甲酸氫解酶、H+）志賀氏菌無此酶，故發(fā)酵G不產(chǎn)氣。CO2+H2

微生物的新陳代謝專家講座第41頁判別腸道細菌V.P.試驗判別原理

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

堿性條件2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸胍基結(jié)合）紅色化合物-CO2微生物的新陳代謝專家講座第42頁判別腸道細菌產(chǎn)酸產(chǎn)氣、甲基紅（M.R）試驗產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗：

Escherichia與Shigella在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者含有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸同時產(chǎn)氣，后者則因無此酶，不含有產(chǎn)氣能力。甲基紅試驗：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量混合酸，后者則產(chǎn)生大量中性化合物丁二醇，所以在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。大腸桿菌：產(chǎn)酸較多，使pH﹤4.5產(chǎn)氣桿菌：pH﹥4.5微生物的新陳代謝專家講座第43頁IMViC試驗：=吲哚（I）、甲基紅（M）、V.P.試驗（Vi）檸檬酸鹽利用（C）共四項試驗。用以將大腸桿菌與其形狀十分相近腸桿菌屬細菌判別開來。吲哚試驗甲基紅試驗V.P.試驗檸檬酸鹽利用大腸桿菌++--產(chǎn)氣桿菌--++微生物的新陳代謝專家講座第44頁b丁二醇發(fā)酵（2，3--丁二醇發(fā)酵）

——腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羥基丁酮乙二酰紅色物質(zhì)（乙酰乳酸脫氫酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中兩個主要判定反應：1、V．P．試驗2、甲基紅（M.R）反應產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗（+），甲基紅（-）

E.coli：V.P.試驗（-），甲基紅（+）V.P.試驗原理：微生物的新陳代謝專家講座第45頁4）丙酮-丁醇發(fā)酵

——嚴格厭氧菌進行唯一能大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其百分比3：6：1）——丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰CoA丙酮

+CO2（CoA轉(zhuǎn)移酶）丁醇縮合微生物的新陳代謝專家講座第46頁

5）氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應）發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等。特點：氨基酸氧化與另一些氨基酸還原相偶聯(lián)；產(chǎn)能效率低（1ATP）氫供體（氧化）氨基酸：Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氫受體（還原）氨基酸：Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羥脯氨酸等。

微生物的新陳代謝專家講座第47頁氧化

丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3還原微生物的新陳代謝專家講座第48頁檸檬酸發(fā)酵一、菌種：能產(chǎn)生檸檬酸菌種很多，但以霉菌為主，其中又以黑曲霉產(chǎn)生檸檬酸能力較強，并能利用各種碳源，故常是生產(chǎn)上使用菌種。二、發(fā)酵機理：細胞內(nèi)有三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)；檸檬酸合成酶活力較高，而烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶可被一些原因，如金屬離子缺乏，受到抑制，這有利于檸檬酸積累。三、工藝流程：①發(fā)酵液pH值對檸檬酸生成影響很大；pH2~3時，發(fā)酵產(chǎn)物主要是檸檬酸；pH值中性或堿性時，會產(chǎn)生較多草酸和葡萄糖酸；②可往培養(yǎng)基中加入亞鐵氰化鉀或采取育種伎倆改造菌種，使烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶缺失或盡可能降低活性，以妨礙TCA循環(huán)正常進行，從而增加檸檬酸積累。微生物的新陳代謝專家講座第49頁谷氨酸發(fā)酵一、谷氨酸發(fā)酵菌種：Corynebacteriumpekinense北京棒狀桿菌Corynebacteriumglutamicum谷氨酸棒狀桿菌Brevibacteriumflavum黃色短桿菌二、發(fā)酵機理：①谷氨酸以-酮戊二酸為碳架；當以糖質(zhì)為發(fā)酵原料時，合成路徑包含EMP,HMP,TCA循環(huán),乙醛酸循環(huán)等；②谷氨酸產(chǎn)生菌-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺乏，而谷氨酸脫氫酶活力要很高；③生物素是谷氨酸產(chǎn)生菌必需一個維生素，在谷氨酸生物合成中起著主要作用，缺乏或量太高都會使谷氨酸合成受阻。生物素經(jīng)過影響細胞膜通透性而影響谷氨酸發(fā)酵。

微生物的新陳代謝專家講座第50頁一、谷氨酸發(fā)酵菌種擴大培養(yǎng)斜面菌種→一級種子培養(yǎng)→二級種子培養(yǎng)→發(fā)酵罐1，斜面菌種培養(yǎng)菌種斜面培養(yǎng)必須有利于菌種生長而不產(chǎn)酸，并要求斜面菌種絕對純，不得混有任何雜菌和噬菌體，培養(yǎng)條件應有利于菌種繁殖，培養(yǎng)基以多含有機氮而不含或少含糖為標準。(1)斜面培養(yǎng)基組成葡萄糖0.1%，蛋白胨1.0%，牛肉膏1.0%，氯化鈉0.5%，瓊脂2.0~2.5%，pH7.0~7.2（傳代和保藏斜面不加葡萄糖）。(2)培養(yǎng)條件33~34℃，培養(yǎng)18~24h。微生物的新陳代謝專家講座第51頁2，一級種子培養(yǎng)

一級種子培養(yǎng)目標在于大量繁殖活力強菌體，培養(yǎng)基組成應以少含糖分，多含有機氮為主，培養(yǎng)條件從有利于長菌考慮。(1)培養(yǎng)基組成葡萄糖2.5%，尿素0.5%，硫酸鎂0.04%，磷酸氫二鉀0.1%，玉米漿2.5~3.5%(按質(zhì)增減)，硫酸亞鐵、硫酸錳各2ppm，pH7.0。(2)培養(yǎng)條件用1000mL三角瓶裝入培養(yǎng)基200mI，滅菌后置于沖程7.6cm、頻率96次/min往復式搖床上振蕩培養(yǎng)12h，培養(yǎng)溫度33~34℃。微生物的新陳代謝專家講座第52頁(3)一級種子質(zhì)量要求種齡：12h，pH值：6.4±0.1光密度：凈增OD值0.5以上殘?zhí)牵?.5％以下無菌檢驗：(-)噬菌體檢驗：(-)鏡檢：菌體生長均勻、粗壯，排列整齊革蘭氏陽性反應。微生物的新陳代謝專家講座第53頁3，二級種子培養(yǎng)為了取得發(fā)酵所需要足夠數(shù)量菌體，在一級種子培養(yǎng)基礎上進而擴大到種子罐二級種子培養(yǎng)。種子罐容積大小取決于發(fā)酵罐大小和種量百分比。(1)培養(yǎng)基組成培養(yǎng)基組成（%）T6-13B9T738AS1.299水解糖玉米漿磷酸氫二鉀硫酸鎂尿素Fe++（ppm）Mn++（ppm）pH2.52.5-3.50.150.040.4226.8-7.02.52.5-3.50.150.040.4226.8-7.02.52.5-3.50.20.050.5227.02.52.50.10.040.5226.5-6.8微生物的新陳代謝專家講座第54頁(2)培養(yǎng)條件接種量：0.8~1.0％培養(yǎng)溫度：32~34℃培養(yǎng)時間：7~8h通風量：50L種子罐1:0.5攪拌轉(zhuǎn)速340r／min；250L種子罐1:0.3攪拌轉(zhuǎn)速300r／min500L種子罐1:0.25攪拌轉(zhuǎn)速230r／min微生物的新陳代謝專家講座第55頁(3)二級種子質(zhì)量要求種齡：7~8hpH：7.2左右OD值凈增0.5左右無菌檢驗(-)噬菌體檢驗(-)微生物的新陳代謝專家講座第56頁四、呼吸（respiration）——從葡萄糖或其它有機物質(zhì)脫下電子或氫經(jīng)過系列載體最終傳遞給外源O2或其它氧化型化合物并產(chǎn)生較多ATP生物氧化過程。有氧呼吸（aerobicrespiration）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

1有氧呼吸

原核微生物：細胞膜上真核微生物：線粒體內(nèi)膜上2個產(chǎn)能步驟：Kreb循環(huán)、電子傳遞。微生物的新陳代謝專家講座第57頁TCA循環(huán)生理意義：（1）為細胞提供能量。（2）三羧酸循環(huán)是微生物細胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化共同代謝路徑。（3)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化樞紐。

（1）TCA循環(huán)、檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)

微生物的新陳代謝專家講座第58頁TCA補充路徑

I乙醛酸循環(huán)（TCA循環(huán)支路）

（異檸檬酸裂合酶）（乙酰--CoA合成酶）（蘋果酸合成酶）乙酰-CoA異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙酸蘋果酸Ii丙酮酸、PEP等化合物固定CO2方法Iii厭氧、兼性厭氧微生物取得TCA中間產(chǎn)物方式微生物的新陳代謝專家講座第59頁（2）電子傳遞鏈1）電子傳遞鏈載體:NADH脫氫酶黃素蛋白輔酶Q（CoQ）鐵-硫蛋白及細胞色素類蛋白在線粒體內(nèi)膜中以4個載體復合物形式從低氧化還原勢化合物到高氧化還原勢分子氧或其它無機、有機氧化物逐層排列。

微生物的新陳代謝專家講座第60頁2）原核微生物電子傳遞鏈特點：最終電子受體多樣：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等；電子供體：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其它有機質(zhì)等；含各種類型細胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyta1、a2、a3、d、o，H2O2酶、過氧化物酶；呼吸鏈組分多變存在分支呼吸鏈：細菌電子傳遞鏈更短并P／O比更低，在電子傳遞鏈幾個位置進入鏈和經(jīng)過幾個位置末端氧化酶而離開鏈。

E.coli（缺氧）CoQcyt.b556cyt.ocyt.b558cyt.d（抗氰化物）細胞色素0分支對氧親和性低，是一個質(zhì)子泵，在氧供給充分條件下工作；細胞色素d分支對氧有很高親和性，所以在氧供給不足情況下起作用。

電子傳遞多樣：CoQcyt.也可不經(jīng)過此路徑。

微生物的新陳代謝專家講座第61頁3）氧化磷酸化產(chǎn)能機制

——化學偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學滲透假說化學滲透學說---英國生物化學家Peter．Mitchell于1961年提出。該假說認為電子傳遞鏈組成造成質(zhì)子從線粒體基質(zhì)向外移動，電子向內(nèi)傳遞。質(zhì)子傳遞可能是因為載體環(huán)或特定質(zhì)子泵作用，驅(qū)動泵能量來自電子傳遞。來自被氧化底物上一對電子沿傳遞鏈轉(zhuǎn)移時所產(chǎn)生跨膜電化學梯度（即質(zhì)子動勢Protonmotiveforce,PMF)是ATP合成原動力。當質(zhì)子動勢驅(qū)動被轉(zhuǎn)移至膜間空鍵質(zhì)子返回線粒體基質(zhì)中時，所釋放能量推進ADP磷酸化生成ATP。質(zhì)子推進力（Δp）取決于跨膜質(zhì)子濃度（ΔpH）和內(nèi)膜兩側(cè)電位差（Δψ）。

微生物的新陳代謝專家講座第62頁特點：a常規(guī)路徑脫下氫，經(jīng)部分呼吸鏈傳遞；

b氫受體：氧化態(tài)無機物（個別：延胡索酸）c產(chǎn)能效率低。

硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用特點：a有其完整呼吸系統(tǒng)；b只有在無氧條件下，才能誘導出反硝化作用所需硝酸鹽還原酶A、亞硝酸還原酶等c兼性厭氧

細菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。2無氧呼吸（厭氧呼吸）微生物的新陳代謝專家講座第63頁硝酸鹽作用同化性硝酸鹽作用：NO3-

NH3-NR-NH2

異化性硝酸鹽作用：無氧條件下，利用NO3-為最終氫受體NO3-NO2NON2ON2

反硝化意義：1）使土壤中氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮氣而消失，降低土壤肥力；2）反硝化作用在氮素循環(huán)中起主要作用。

亞硝酸還原酶氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶硝酸鹽還原酶微生物的新陳代謝專家講座第64頁

硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）——厭氧時，SO42-、SO32-、S2O32-等為末端電子受體呼吸過程。特點：

a、嚴格厭氧；b、大多為古細菌c、極大多專性化能異氧型，少數(shù)混合型；d、最終產(chǎn)物為H2S；SO42-

SO32-SO2SH2Se、利用有機質(zhì)（有機酸、脂肪酸、醇類）作為氫供體或電子供體；f、環(huán)境：富含SO42-厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水等）

微生物的新陳代謝專家講座第65頁硫呼吸（硫還原）

——以元素S作為唯一末端電子受體。電子供體：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸鹽呼吸（碳酸鹽還原）

——以CO2、HCO3-為末端電子受體產(chǎn)甲烷菌—利用H2作電子供體（能源）、CO2為受體，產(chǎn)物CH4；產(chǎn)乙酸細菌—H2/CO2進行無氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。

微生物的新陳代謝專家講座第66頁其它類型無氧呼吸

——以Fe3+、Mn2+許多有機氧化物等作為末端電子受體無氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。被砷、硒化合物污染土壤中，厭氧條件下生長一些還原硫細菌。利用Desulfotomaculumauripigmentum還原AsO43-生產(chǎn)三硫化二砷（雌黃）作用：生物礦化和微生物清污微生物的新陳代謝專家講座第67頁第二節(jié)微生物特有合成代謝路徑一、細菌光合作用

真核生物：藻類及其它綠色植物

產(chǎn)氧原核生物：藍細菌光能營養(yǎng)型生物不產(chǎn)氧（僅原核生物有）：光合細菌1、光合細菌類群1）產(chǎn)氧光合細菌——好氧菌各種綠色植物、藻類藍細菌：專性光能自養(yǎng)。(H2S環(huán)境中，只利用光合系統(tǒng)I進行不產(chǎn)氧作用)。微生物的新陳代謝專家講座第68頁2）不產(chǎn)氧光合細菌a、紫色細菌——只含菌綠素a或b。紫硫細菌（著色菌科）（舊稱紅硫菌科）含紫色類胡蘿卜素，菌體較大。S沉積胞內(nèi)。氫供體：H2S、H2或有機物。H2SSSO42-；少數(shù)暗環(huán)境以S2O32-作為電子供體。氧化鐵紫硫細菌（Chromatium屬）利用FeS,或Fe2+氧化產(chǎn)生Fe(OH)3沉淀微生物的新陳代謝專家講座第69頁紫色非硫細菌（紅螺菌科）：舊認為不能利用硫化物作為電子供體；現(xiàn)知大多數(shù)亦能利用硫化物，但濃度不能高。b、綠色細菌（綠硫細菌）含較多菌綠素c、d或e，少許a。電子供體：硫化物或元素硫，S沉積胞外（類似紫色非硫細菌）；暗環(huán)境中不進行呼吸代謝，還可同化乙酸、丙酸、乳酸等簡單有機物。微生物的新陳代謝專家講座第70頁2、細菌光合色素1）葉綠素（chlorophyll）：680、440nm2）菌綠素——a、b、c、d、e、g。a：與葉綠素a基本相同；850nm處。b：最大吸收波長840~1030。

3）輔助色素：提升光利用率類胡蘿卜素：

藻膽素：藍細菌獨有藻紅素（550nm）、藻藍素（620~640nm）

藻膽蛋白：與蛋白質(zhì)共價結(jié)合藻膽素。

微生物的新陳代謝專家講座第71頁3、細菌光合作用1）循環(huán)光合磷酸化

細菌葉綠素將捕捉光能傳輸給其反應中心葉綠素P870，P870吸收光能并被激發(fā)，使它還原電勢變得很負，被逐出電子經(jīng)過由脫鎂菌綠素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、細胞色素b和c組成電子傳遞鏈傳遞返回到細菌葉綠素P870，同時造成了質(zhì)子跨膜移動，提供能量用于合成ATP。特點：a、光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈循環(huán)，又回到菌綠素；b、產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進行，還原力來自H2S等無機物；c、不產(chǎn)氧（O2）。微生物的新陳代謝專家講座第72頁光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈循環(huán)，又回到菌綠素產(chǎn)ATP和還原力分別進行.紫色細菌循環(huán)光合磷酸化過程

微生物的新陳代謝專家講座第73頁外源電子供體——H2S等無機物氧化放出電子，最終傳至失電子光合色素時與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。特點：只有一個光合系統(tǒng)，光合作用釋放電子僅用于NAD+還原NADH，但電子傳遞不形成環(huán)式回路。綠硫細菌和綠色細菌微生物的新陳代謝專家講座第74頁

2）非循環(huán)光合磷酸化

特點：a、電子傳遞非循環(huán)式；b、在有氧條件下進行；c、存在兩個光合系統(tǒng)d、ATP、還原力、O2同時產(chǎn)生

當光反應中心I葉綠素P700吸收光量子能量后釋放電子，經(jīng)過黃素蛋白和鐵氧還蛋白(Fd)傳遞給NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(還原力)，而不是返回氧化型P700。光合系統(tǒng)II將電子提供給氧化型P700，并產(chǎn)生ATP。

光合系統(tǒng)II天線色素吸收光能并激發(fā)P680放出電子，然后還原脫鎂葉綠素a(脫鎂葉綠素a是2個氫原子取代中心鎂原子葉綠素a)，經(jīng)過由質(zhì)體醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和質(zhì)體藍素(plastocyanin，PC)組成電子傳遞鏈到氧化型P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680從水氧化成02過程中得到電子。在光系統(tǒng)Ⅱ中，電子由PQ經(jīng)Cyt.b傳遞給Cyt.f時與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。微生物的新陳代謝專家講座第75頁藍細菌等產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過程微生物的新陳代謝專家講座第76頁3）依靠菌視紫紅質(zhì)光合作用無葉綠素或菌綠素參加獨特光合作用，是迄今為止最簡單光合磷酸化反應?！獦O端嗜鹽古細菌

菌視紫紅質(zhì)：

以“視黃醛”（紫色）為輔基。與葉綠素相同，具質(zhì)子泵作用。與膜脂共同組成紫膜；埋于紅色細胞膜（類胡蘿卜素）內(nèi)。

微生物的新陳代謝專家講座第77頁ATP合成機理：視黃醛吸收光，構(gòu)型改變，質(zhì)子泵到膜外，膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度差和電位梯度差，是ATP合成原動力，驅(qū)動ATP酶合成ATP。微生物的新陳代謝專家講座第78頁二、細菌化能自養(yǎng)作用

化能無機營養(yǎng)型細菌：通常是化能自養(yǎng)型細菌，普通是好氧菌。

產(chǎn)能路徑主要是借助于無機電子供體(能源物質(zhì))氧化，從無機物脫下-氫(電子)直接進入呼吸鏈經(jīng)過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。最普通電子供體是氫、還原型氮化合物、還原型硫化合物和亞鐵離子(Fe2＋)。利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們碳源。最主要反應：CO2還原成[CH20]水平簡單有機物，深入合成復雜細胞成份——大量耗能、耗還原力過程。微生物的新陳代謝專家講座第79頁

化能自養(yǎng)細菌能量代謝特點：

①無機底物脫下氫（電子）從對應位置直接進入呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能。②電子可從多處進入呼吸鏈，所以呼吸鏈有各種多樣。③產(chǎn)能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能異養(yǎng)細菌低。④生長遲緩，產(chǎn)細胞率低。有以下特點：無機底物上脫下氫(電子)直接進入呼吸鏈。微生物的新陳代謝專家講座第80頁1硝化細菌

能氧化氮化能無機營養(yǎng)型細菌

桿狀、橢圓形、球形、螺旋形或裂片狀，且它們可能有極生或周生鞭毛。

好氧、沒有芽孢革蘭氏陰性有機體，在細胞質(zhì)中有非常發(fā)達內(nèi)膜復合體。

將氨氧化成硝酸鹽過程稱為硝化作用。

a、亞硝化細菌NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化細菌NO2-+H2O

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-依據(jù)它們氧化無機化合物不一樣也稱氨氧化細菌(產(chǎn)生1分子ATP)微生物的新陳代謝專家講座第81頁2氫細菌（氧化氫細菌）

能利用氫作為能源細菌組成生理類群稱氫細菌或氫氧化細菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自養(yǎng)菌主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。

產(chǎn)能：2H2+O2—2H2O

合成代謝反應：

2H2+CO2—[CH2O]+H2O。

微生物的新陳代謝專家講座第82頁氫細菌自氧作用

第一步：產(chǎn)能反應，氧化4分子H。產(chǎn)生1分子ATP；

第二步：合成代謝反應，用所產(chǎn)生ATP還原C02組成細胞物質(zhì)[CH2O]和生長。在Ralstoniaeutropha中存在兩種氫酶，一個膜結(jié)合氫酶包括質(zhì)子動勢而細胞質(zhì)中氫酶為Calvincycle

提供還原力NADH。微生物的新陳代謝專家講座第83頁3硫細菌（硫氧化細菌）

——利用H2S、S02、S2O32-等無機硫化物進行自養(yǎng)生長,主要指化能自氧型硫細菌大多數(shù)硫桿菌，脫下H+（e-）經(jīng)cyt.c部位進入呼吸鏈；而脫氮硫桿菌從FP或cyt.b水平進入。

嗜酸型硫細菌能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)。微生物的新陳代謝專家講座第84頁微生物的新陳代謝專家講座第85頁產(chǎn)能路徑第一階段，H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化為SO32－第二階段，形成SO32－深入氧化為SO42－和產(chǎn)能。1、由細胞色素－亞硫酸氧化酶將SO32－直接氧化成為SO42－，并經(jīng)過電子傳遞磷酸化產(chǎn)能，普遍存在于硫桿菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosinephosphosulfate，APS)路徑。在這條路徑中，亞硫酸與腺苷單磷酸反應放出2個電子生成一個高能分子APS，放出電子經(jīng)細胞電子傳遞鏈氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。由腺苷酸激酶催化，每氧化1分子SO32－產(chǎn)生1．5分子ATP。微生物的新陳代謝專家講座第86頁4鐵細菌和細菌瀝濾

(1)鐵細菌（多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產(chǎn)能低。）

定義：能氧化Fe2＋成為Fe3＋并產(chǎn)能細菌被稱為鐵細菌(ironbacteria)或鐵氧化細菌(ironoxidizingbacteria)。包含亞鐵桿菌屬(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌屬(Gallionella)、纖發(fā)菌屬(Leptothrix)、泉發(fā)菌屬(Crenothrix)和球衣菌屬(Sphaerotilus)組員。有些氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusfrrooxidans)和硫化葉菌一些組員，除了能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)，所以它們既是硫細菌，也是鐵細菌。大多數(shù)鐵細菌為專性化能自養(yǎng)，但也有兼性化能自養(yǎng)。大多數(shù)鐵細菌還是嗜酸性。鐵細菌細胞產(chǎn)率也相當?shù)臀⑸锏男玛惔x專家講座第87頁鐵氧化細菌呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能路徑微生物的新陳代謝專家講座第88頁

(2)細菌瀝濾——利用嗜酸性氧化鐵和硫細菌氧化礦物中硫和硫化物能力，讓其不停制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉(zhuǎn)化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出過程。又稱細菌浸出或細菌冶金。原理：a、浸礦劑生成

2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O2—2Fe2（SO4）3+2H2Ob、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出CuS+2Fe2（SO4）3+2H2O+O2—CuSO4

+4FeSO4+2H2SO4

c、鐵屑置換CuSO4中銅CuSO4+Fe—FeSO4+Cu

——適于次生硫化礦和氧化礦浸出，浸出率達70%~80%。

微生物的新陳代謝專家講座第89頁1、固氮微生物種類

一些特殊類群原核生物能夠?qū)⒎肿討B(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉(zhuǎn)化為各種細胞物質(zhì)。微生物利用其固氮酶系催化大氣中分子氮還原成氨過程稱為固氮作用。

自生固氮菌：獨立固氮（氧化亞鐵硫桿菌等）共生固氮菌：與它種生物共生才能固氮形成根瘤及其它形式聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能固氮微生物。根際—芽孢桿菌屬；葉面—固氮菌屬。三、固氮作用微生物的新陳代謝專家講座第90頁2、固氮機制1）固氮反應條件aATP供給：1molN2—10~15ATPb還原力[H]及其載體氫供體：H2、丙酮酸、甲酸、異檸檬酸等。電子載體：鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧還蛋白（Fld）。c固氮酶

組分I：真正“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd）微生物的新陳代謝專家講座第91頁組分II：固氮酶還原酶，不含鉬，又稱鐵蛋白、固氮鐵氧還蛋白（AzoFd）特征：對氧極為敏感；需有Mg2+存在；專一性：除N2外，可還原其它一些化合物

C2H2—C2H4；2H+—H2；N2O—N2；HCN—CH4+NH3（乙炔反應：可用來測知酶活）d還原低物N2：NH3存在時會抑制固氮作用。微生物的新陳代謝專家講座第92頁

N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pi

a、固氮酶形成

e—組分II—組分II（e）—Mg—ATP

組分I+N2—I—N2

b、固氮階段

N2*—2NH3+H2即75%還原力用來還原N2，25%還原力以H2形式浪費2）固氮生化過程

Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復合物）微生物的新陳代謝專家講座第93頁固氮生化路徑微生物的新陳代謝專家講座第94頁3、好氧性固氮菌防氧機制固N酶遇氧不可逆失活（組分I，半衰期10’；組分II，45”喪失二分之一活性）

（1）本身固N菌

a呼吸保護固N菌科固N菌以極強呼吸作用消耗掉環(huán)境中氧。b構(gòu)象保護高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無固N活性但能預防氧損傷特殊構(gòu)象。構(gòu)象保護蛋白質(zhì)——Fe-s蛋白II

氧壓增高，固氮酶與Fe—s蛋白II結(jié)合，構(gòu)象改變，喪失固N能力；

氧濃度降低，蛋白自酶上解離微生物的新陳代謝專家講座第95頁(2)藍細菌保護固N酶機制

a分化出特殊還原性異形胞（——適宜固氮作用細胞）

I、厚壁，物理屏障；II、缺乏氧光合系統(tǒng)II，脫氧酶、氫酶活性高；III、SOD活性很高；IV、呼吸強度高

b非異形胞藍細菌固N酶保護

——缺乏獨特預防氧對固N酶損傷機制。

I、固N、光合作用在時間上分隔開——織線藍菌屬（黑暗：固N；光照：光合作用）II、形成束狀群體（束毛藍菌屬），利于固N酶在微氧環(huán)境下固NIII、提升胞內(nèi)過氧化酶、SOD活力，解除氧毒（粘球藍菌屬）微生物的新陳代謝專家講座第96頁I、豆科植物共生菌——以類菌體形式存在于根瘤中類菌體周膜：豆血紅蛋白，可與氧可逆結(jié)合（高時結(jié)合，低時釋放）

豆血紅蛋白：蛋白部分由植物基因編碼；血紅素有根瘤菌基因編碼。II、非豆科植物共生菌——含植物血紅蛋白（功效相同豆血紅蛋白）Frankin放線菌：營養(yǎng)菌絲末端膨大泡囊類似異形胞。

c根瘤菌保護固N酶機制

微生物的新陳代謝專家講座第97頁四、肽聚糖合成

1在細胞質(zhì)中合成——UDP-胞壁酸5肽

aG—G-UDP，M--UDPG——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

bM合成“Park”核苷酸（UDP-M-5肽）UDP作為糖載體D-Val-D-Val為環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）阻斷；微生物的新陳代謝專家講座第98頁N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸親水性化合物微生物的新陳代謝專家講座第99頁

——肽聚糖單體亞單位合成

載體：細菌萜醇（類脂載體）——C55類異戊二烯醇（含11個異戊二烯單位）穿膜同時與G結(jié)合，接上肽橋，另外，類脂載體還參加胞外多糖、脂多糖合成（磷壁酸、纖維素、幾丁質(zhì)、甘露聚糖等）萬古霉素，桿菌肽所抑制這些反應

2細胞膜中合成微生物的新陳代謝專家講座第100頁“Park”核苷酸合成肽聚糖單體細胞膜上細胞質(zhì)雙糖肽位于細胞膜外細胞壁生長點處微生物的新陳代謝專家講座第101頁3膜外合成

a、多糖鏈伸長（橫向連接）：肽糖單體+引物（6~8肽糖單位）—多糖鏈橫向延伸1雙糖單位。b、相鄰多糖鏈相聯(lián)（縱向連接）：2D-Val—M-4肽+D-Val—甲肽尾五甘氨酸肽游離—NH與乙肽尾D-Val（第4個氨基酸）游離COOH轉(zhuǎn)肽作用：

青霉素所抑制。青霉素為D-Val-D-Val結(jié)構(gòu)類似物，競爭轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)糖基（形成-1，4糖苷鍵）微生物的新陳代謝專家講座第102頁轉(zhuǎn)糖基作用和轉(zhuǎn)肽作用微生物的新陳代謝專家講座第103頁第三節(jié)微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物

一、次級代謝與次級代謝產(chǎn)物

普通將微生物經(jīng)過代謝活動所產(chǎn)生本身繁殖所必需物質(zhì)和能量過程，稱為初級代謝,該過程所產(chǎn)生產(chǎn)物即為初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶等。

次級代謝是指微生物在一定生長時期，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對于該微生物沒有顯著生理功效且非其生長和繁殖所必需物質(zhì)過程。這一過程產(chǎn)物，即為次級代謝產(chǎn)物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。微生物的新陳代謝專家講座第104頁

次級代謝與初級代謝關(guān)系親密，初級代謝關(guān)鍵性中間產(chǎn)物往往是次級代謝前體，比如糖降解過程中乙酰-CoA是合成四環(huán)素、紅霉素前體；普通菌體次級代謝在對數(shù)生長后期或穩(wěn)定時間進行，受環(huán)境條件影響；

次級代謝產(chǎn)物合成，因菌株不一樣而異，但與分類地位無關(guān)；與次級代謝關(guān)系親密質(zhì)粒則控制著各種抗生素合成。

次級代謝產(chǎn)物在微生物生命活動過程中產(chǎn)生極其微量，對微生物本身生命活動沒有顯著作用，當次級代謝路徑被阻斷時，菌體生長繁殖仍不會受到影響，所以，它們沒有普通性生理功效，也不是生物體生長繁殖必需物質(zhì)，但對其它生物體往往含有不一樣生理活性作用，所以，人們利用這些含有各種生理活性次級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)含有應用價值藥品。微生物的新陳代謝專家講座第105頁二、次級代謝調(diào)整1．初級代謝對次級代謝調(diào)整次級代謝與初級代謝類似，它在調(diào)整過程中也有酶活性激活和抑制及酶合成誘導和阻遏。2．含氮化合物對次級代謝調(diào)整作用菌體內(nèi)谷氨酰胺合成酶(GS)水平與抗生素產(chǎn)量間呈正相關(guān)性，丙氨酸脫氫酶(ADH)水平與利福霉素SV合成則呈負相關(guān)性，而ADH和GS同化氨路徑受培養(yǎng)基中氨濃度調(diào)整，所以，氨濃度調(diào)整影響抗生素產(chǎn)量。

3．誘導作用及產(chǎn)物反饋抑制微生物的新陳代謝專家講座第106頁一、微生物代謝產(chǎn)物利用利用微生物代謝過程中產(chǎn)生眾多代謝產(chǎn)物生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。按照積累產(chǎn)物類型：

初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶；次級代謝產(chǎn)物，抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。按照發(fā)酵類型：自然發(fā)酵：酒精、乳酸等，代謝控制發(fā)酵：終端產(chǎn)物:賴氨酸、鳥苷酸、腺苷酸等；中間產(chǎn)物:檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、高絲氨酸、肌苷酸、黃苷酸等；第四節(jié)微生物代謝與生產(chǎn)實踐微生物的新陳代謝專家講座第107頁1．發(fā)酵條件控制人們經(jīng)過對微生物菌種營養(yǎng)和培養(yǎng)條件控制生產(chǎn)所要目標產(chǎn)品:1）培養(yǎng)條件：溫度、pH值、滲透壓控制；2）營養(yǎng)成份控制：葡萄糖濃度、碳氮比、生長因子、無機離子等；3）溶解氧控制：通氣量，攪拌等。微生物的新陳代謝專家講座第108頁產(chǎn)黃青霉（Penicilliumchrysogenum）青霉素發(fā)酵過程依據(jù)不一樣生理代謝過程溫度特點分四段控制其培養(yǎng)溫度：30℃25℃20℃0小時→5小時→40小時→125小25℃時→165小時結(jié)果：青霉素產(chǎn)量比保持在30℃恒溫培養(yǎng)提升了14.7％。微生物的新陳代謝專家講座第109頁2．代謝調(diào)整控制（1）應用營養(yǎng)缺點型菌株以解除正常反饋調(diào)整

賴氨酸發(fā)酵——（高絲氨酸缺點型菌株）

在這個代謝工程設計中，是利用阻斷分支路徑高絲氨酸合成，來解除(Lys+Thr)反饋調(diào)整。即造成高絲氨酸缺點型(Hser一)，就可解除末端產(chǎn)物對限速酶反饋抑制。微生物的新陳代謝專家講座第110頁谷氨酸棒桿菌Corynebacteriumglutamicum（高絲氨酸缺點型菌株）：不能合成高絲氨酸脫氫酶（HSDH),就不能產(chǎn)生蘇氨酸和甲硫氨酸，從而產(chǎn)生大量賴氨酸。微生物的新陳代謝專家講座第111頁（2）選育細胞膜缺損突變株

——油酸缺點型、甘油缺點型，或生物素缺點型利用油酸缺點型菌株，限量添加油酸，限制細胞膜磷脂中不飽和脂肪酸合成而使細胞膜缺損，利于代謝產(chǎn)物滲漏而提升谷氨酸產(chǎn)量。生物素缺點型原理在脂肪酸生物合成路徑中，由乙酰輔酶A羧化成丙二酸單酰輔酶A反應是