微生物生理学总结.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流微生物生理学总结.精品文档.第二章 微生物的结构和功能微生物生理学：是微生物学的分支学科，是从生理生化的角度研究微生物细胞的形态学结构和功能、新陈代谢、生长繁殖等微生物生命活动规律的学科。细胞结构革兰氏阳性菌细胞壁：由肽聚糖和磷壁酸组成革兰氏阴性菌细胞壁外壁层：位于肽聚糖层的外部。 类脂A 脂多糖: 核心多糖 o-特异侧链 包括: 脂蛋白 蛋白质层: 基质蛋白 外壁蛋白 磷脂.内壁层：紧贴胞膜,仅由1-2层肽聚糖分子构成,占细胞壁干重5 10%,无磷壁酸。细胞壁的基本骨架肽聚糖 肽聚糖：是由 N乙酰胞壁酸（NAM）和N乙酰葡糖胺（NAG）以及

2、少数氨基酸短肽链组成的亚单位聚合而成的大分子复合体。肽聚糖单体：是由NAG 、 NAM 、肽尾、肽桥构成。青霉素（D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者互相竞争转肽酶的活性中心）:作用于肽聚糖肽桥的联结，即抑制肽聚糖的合成，故仅对生长着的菌有效，主要是G+菌。革兰氏染色原理：G+ 菌：细胞壁厚，肽聚糖含量高，交联度大，当乙醇脱色时，肽聚糖因脱水而孔径缩小，故结晶紫-碘复合物被阻留在细胞内，细胞不能被酒精脱色，仍呈紫色。G菌：肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，因其含脂量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，酒精将细胞脱色，细胞无色，沙黄复染后呈红色。古细菌细胞壁

3、没有肽聚糖、胞壁酸和D-氨基酸，含有假太聚糖骨架是以-1，3糖苷键交替连接而成，缺壁细菌原生质体：用青霉素等抗生素或者溶菌酶处理G+菌而得到的去壁完整的球形体。原生质球：用青霉素等抗生素或溶菌酶处理G-细菌而得到的去壁不完全的近球形体。L型细菌：某些细菌在特定环境条件下因基因突变而产生的无壁类型。在一定条件下L型细菌能发生回复突变而恢复为有壁的正常细菌。 支原体：在进化过程中天生无壁的原核微生物。细胞质膜;:要由磷脂双分子层和蛋白质构成。细菌细胞与真核细胞的质膜很相似，但不含胆固醇等甾醇细胞质及其内含物细胞质：是在细胞膜内除核区以外的一切半透明、胶体状、颗粒状物质的总称。内含物v 贮藏物：1、

4、 异染粒：是普遍存在的贮藏物，主要成分是多聚偏磷酸盐。功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。多聚偏磷酸盐对某些染料有特殊反应,产生与所用染料不同的颜色,因此得名异染颗粒.例:异染粒遇甲基胺蓝变紫红色. 含异染粒的细菌种类:棒状杆菌和某些芽孢杆菌等. 2、 聚羟丁酸颗粒是许多细菌细胞质内常含有的碳源类储藏物.PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如苏丹黑)着色。功能:贮存碳源、能源和降低渗透压。多好氧菌和光合厌氧菌都含有聚羟丁酸颗粒3、硫粒：是硫元素的贮藏体形成：取决于环境硫化物含量,当环境中S含量高时，在体内积累；当缺S时,氧化成硫酸被菌利用。功能：a.好氧硫细菌的能源 b.厌氧硫细菌的电子供体4、

5、藻青素：通常存在于蓝细菌中，是一种内源性氮源储藏物，同时兼有储存能源的作用。v 载色体：是光合细菌进行光合作用的部位，相当于绿色植物的叶绿体。主要化学成分是蛋白质和脂类。v 核糖体：是细胞中的一种核糖蛋白质的颗粒状结构，有65%的核糖酸和35%的蛋白质组成。v 质粒：是一种独立于染色体之外的能进行自主复制的细胞质遗传因子。v 磁小体：在水生螺旋菌属和嗜胆球菌属的细菌中含有磁小体，它含有磁铁矿形式的铁，被细菌用于在地球磁场中定位。 v 羧酶体：自养细菌所特有的内膜结构。羧酶体中含有自养生物所特有的5-磷酸核酮糖激酶和1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，这两种酶是卡尔文循环中固定CO2的关键性酶类，通过卡

6、尔文循环，使自养菌与异养菌一样含有了磷酸己糖。一些光合细菌，如蓝细菌以及化能自养菌如硝化杆菌科细胞中均具有羧酶体。v 气泡：由蛋白质膜构成的充满气体的泡状物。有些细菌细胞质中含有几个或多个气泡v 芽孢：具有很强的抗热、抗干燥、抗辐射、抗化学药物能力，含水量低、壁厚而致密、通透性差、不易着色，新陈代谢几乎停止，处于休眠体状态，芽胞是休眠体，不是繁殖体。 芽胞抗热机制：渗透调节皮层膨胀学说；耐热性物质DAP-Ca的存在细胞壁以外构造糖被：包被于某些细节细胞壁以外的一层厚度不定的胶状物质。 分类：荚膜、微荚膜、粘液层、菌胶团鞭毛：由螺旋丝、钩型鞘、基体构成。菌毛：菌毛又称纤毛、伞毛、线毛或须毛，是一

7、种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋 白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面上的功能。性菌毛： 构造和成分与菌毛相同，但比菌毛长，且每个细胞只有一至数根。一般多见于G细菌的 供体菌中，具有向受体菌传递遗传物质的作用。真核微生物第三章 微生物的营养与物质运输营养：微生物获得和利用营养物质的过程六大养要素；碳源氮源、能源、生长因子、无机盐和水1，物质的跨膜运输分为单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转移2膜泡运输第四章 异养微生物的生物氧化 .自由能：在热力学中，系统减少的能量能转化成对外做的功，能用于做工的能量称为自由能。EMP途径特点：1. 葡萄糖分解是从1，6-二磷酸果糖开始的2.

8、整个途径中步反应是不可逆的3. EMP途径的特征酶是1，6-二磷酸果糖醛缩酶，首先脱羧部位C3，C4。4.整个途径不消耗分子氧5. EMP途径的有关酶位于细胞质中6. 总反应式：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATPEMP途径的意义:供应ATP和NADH连接其他几个代谢途径的桥梁为生物合成提供多种中间代谢物通过逆向反应可以进行多糖的合成途径意义：、为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 、产生大量NADPH，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸 链产生大量的能量。 3、 与EMP途径在果

9、糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。 4、 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。 5、途径中存在3-7碳的糖，扩大碳源利用范围。 6、通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。途径： 碳架结构的变化特征酶：KDPG醛缩酶（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶） 分布：主要存在于G-菌中，如一些假单胞菌和固氮菌WD途径 碳架结构变化：a. PK途径， b. HK途径。 特点：特征酶为磷酸解酮酶 生理意义：a. 仅分布在少数细菌中， b. PK途径为戊糖分解的重要途径， c. H

10、K途径为己糖分解的重要途径。代表菌株：PK-肠膜明串珠菌HK-双歧杆菌葡萄糖直接氧化途径 特征酶：葡萄糖氧化酶特点： a. 不需要激酶，但需要葡萄糖氧化酶；b. 需要氧气，c. 终产物为酮基葡萄糖酸。分布菌群： 假单胞菌、醋杆菌属、气杆菌属及许多真菌 生物氧化中的发酵：是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。工业上的发酵:：是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。酵母乙醇发酵：一型发酵（乙醇发酵）：EMP途径产生2个丙酮酸，在丙酮酸脱羧酶作用下生成乙醛。在醇脱氢酶和NADH作用下，乙醛被还原成乙醇。（p

11、H4.5-3.5）二型发酵（甘油发酵）： 在3%的NaHSO3时，产物为甘油和乙醇 三型发酵（甘油发酵）：在pH7.6时，产物为乙醇、乙酸和甘油高渗发酵细菌的同型乙醇发酵（发酵单胞菌、厌氧发酵单胞菌）：ED途径分解葡萄糖为丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛被还原成乙醇。细菌的异型乙醇发酵（八叠球菌和兼性厌氧肠杆菌）：通过EMP途径产生乙醇、乳酸等乳酸发酵：指乳酸菌将葡萄糖分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程1. 同型乳酸发酵：菌群：大多数乳酸杆菌属、链球菌属途径：葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸，在乳酸脱氢酶作用下被NADH还原成乳酸。C6H12O6+2ADP + 2Pi 2CH3CHOHCOOH

12、 + 2ATP2. 异型乳酸发酵：菌群：肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌途径：通过PK途径进行，发酵产物除了乳酸外还有一部分乙醇和CO2。C6H12O6+ADP + Pi CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2 + ATP3. 双歧乳酸发酵：菌群：双歧杆菌途径：通过HK途径进行，反应中两种酶参加，6-磷酸果糖解酮酶和5-磷酸木酮糖解酮酶。2C6H12O6+5ADP + 5Pi 2CH3CHOHCOOH + 5ATP +3CH3CHOOH丙酸发酵 菌群：丙酸杆菌途径：经EMP生成2分子丙酮酸，一分子氧化生成乙酸和CO2，另一分子经羧化生成草酰乙酸、转化为琥珀酸，经甲基丙二酰CoA，

13、最后经脱羧和转辅酶A反应生成丙酸呼吸作用：是指生物(包括动物、植物和微生物)分解体内复杂的有机物，并同时释放能量的过程。有氧呼吸1. 葡萄糖有氧分解途径糖酵解 丙酮酸脱羧生成乙酰CoA TCA循环在电子传递链中，NADH和FADH2被氧化产生能量，合成大量ATP一次TCA循环可以产生15分子ATP，微生物完全氧化葡萄糖过程中可得到38分子ATP，氧不直接参加反应,但没有氧不能运转。三个关键酶，柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶。呼吸：底物脱下的氢经完整的呼吸链传递，最终交给分子氧而产生水并释放出ATP的生物氧化。呼吸的过程除脱氢过程外，还包括电子传递链部分反应，递氢和受氢过程都要氧

14、气的参与。呼吸链：位于原核生物的细胞膜上或真核生物线粒体膜上的氧化还原势呈梯度差的链状排列的氢(或电子)传递顺序。无氧呼吸定义：一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。特点：底物脱下的氢只经过部分的呼吸链传递给氧化态的无机物或有机物。底物水平磷酸化：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的合成。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。特点：既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。是微生物发酵产生ATP的重要方式（厌氧条件）。氧化过程中脱下的氢和电子不经过传递链，

15、通过酶促反应直接交给基质本身氧化产物。氧化磷酸化定义:指呼吸链递氢和受氢过程与磷酸化偶联并产生ATP的作用 动力:质子动势,即H+的浓度差 氧化磷酸化合成ATP的机制-化学渗透学说。通过呼吸链上有关的酶系的作用,可将底物分子上的质子从膜内泵到膜外,从而造成膜内外质子浓度差即质子动势,为ATP的合成提供能量.ATP酶的逆反应可以把质子从膜的外侧泵到膜的内侧,于是在消除质子动势的同时合成了ATP。氧化磷酸化的解偶联和抑制：电子传递抑制剂：阻断呼吸链中某部位电子传递。如阿密妥解偶联剂：只抑制ADP磷酸化生成ATP。如2,4-二硝基苯酚氧化磷酸化抑制剂：不直接抑制呼吸链载体，但能阻止能量转移到ADP上

16、。如寡霉素离子载体抑制剂：能与某些阳离子结合并作为其载体使其穿过细胞膜，迫使线粒体消耗能量。如缬氨霉素、短杆菌肽生物大分子的降解1. 多糖的分解淀粉的分解果胶的分解是有半乳糖醛酸以-1，4糖苷键形成的直链状高分子化合物，大部分羧基被甲基化形成甲酯。原果胶酶、果胶甲酯水解酶、聚半乳糖醛酸酶。纤维素的分解是由葡萄糖通过糖苷键连接的大分子物质，基本结构是纤维二糖，通过-1,4糖苷键连接。C1、Cx、-葡萄糖苷酶几丁质的分解由N-乙酰葡萄糖通过-1,4糖苷键聚合而成的不易分解的含氮多糖类物质蔗糖+H2O 氨基酸的分解1. 脱羧作用：氨基酸在氨基酸脱羧酶催化下脱去羧基生成胺，胺在胺氧化酶作用下放出氨生成

17、相应的醛，醛氧化成有机酸，再按有机酸分解。R CH COOH R CH2 NH2 + CO2 NH2 脱羧酶：磷酸吡哆醛，反应一般不可逆2. 脱氨基作用定义：氨基酸失去氨基生成相应的-酮酸和氨的过程。氧化脱氨RCH(NH2)COOH+O2 氨基酸氧化酶 RC=NHCOOH +H2O2RC=NHCOOH+H2O 非酶促反应 RCOCOOH+NH3RCH(NH2)COOH 氨基酸脱氢酶NAD(P)RC=NHCOOH +H2O 非酶促反应 RCOCOOH+NH3非氧化脱氨a.还原脱氨RCH(NH2)COOH+NADH+H+ 脱氢酶 RCH2COOH+NH3+NAD+b.水解脱氨：氨基酸被水解生成丙酮

18、酸。 菌株：大肠杆菌、枯草芽孢杆菌 菌种鉴定实验：吲哚和硫化氢实验c.直接分解脱氨：生成不饱和脂肪酸和氨d.斯提克兰反应专性厌氧菌生孢梭菌，能够进行某些氨基酸之间的氧化-还原偶联脱氨反应。即一种氨基酸作为供氢体氧化脱氨，另一种作为受氢体进行还原脱氨，生成相应的有机酸、-酮酸和氨，并产能。脱羧基和脱氨基转氨基作用：一种氨基酸把氨基转移到-酮酸上，生成新的氨基酸和原氨基酸相应的-酮酸。脂类物质分解第五章 自养微生物的生物氧化一生物氧化自养微生物：是指能够在无机环境中生长的微生物，它们氧化无机物或利用光能获得能量，以为CO2碳源进行生长。化能自养微生物的能量代谢要点1. 以还原态无机物为最初能源2.

19、 能源物质的电子或氢顺呼吸链产ATP,逆呼吸链产H.3. 一般均为好氧微生物,以分子氧为最终氢和电子受体.4. 化能自养微生物对底物的要求具有严格的专一性.化能自养微生物能量代谢的特点1. 无机底物的氧化直接与呼吸链产能偶联2. 呼吸链的组分更为多样化,氢和电子可以从任一位置进入呼吸链3. 产能效率及磷氧比一般要低于化能异养微生物1.氨的氧化光不产氧真核生物:藻类及其他绿色植物2 含S化合物 的微生物氧化S的生物氧化 (from H2S to SO42-) 类型: 长途类型：铁细菌氧化产能，以氧化硫杆菌 (Thiobacillus thiooxidans)为代表，在S的生物氧化过程中有多种多硫

20、酸中间产物。短途类型，以排硫杆菌（Th.thioparus）为代表，仅有SO32-为中间产物。3.铁细菌氧化产能4. 氢的氧化1、氢细菌的概貌: G，兼性化能自养 2、H2的生物氧化机制：能量产生：通过氧化磷酸化，氧化4H2 产生1分子ATP二、光合微生物光合作用： 通过光合磷酸化将光能转变成化学能，用于从CO2合成细胞物质。 根据光合色素不同分为： 1.绿色细菌 ：即绿硫细菌，专性厌氧、光能自养菌，无光时不能生长，有光和H2S时进行光合作用，胞内不积累硫颗粒，存在于富含H2S水域。 2.紫细菌：着色细菌：专性厌氧光合菌，以H2S还原CO2的电子供体，氧化H2S为S或硫酸，在细胞内积累硫颗粒，

21、存在于富含H2S水域。 红螺细菌：又称红色非硫细菌，主要利用有机物作为还原CO2的电子供体，属于兼性光合菌，在无光有氧时进行异氧生活。在光照下可厌氧氧化H2S进行光合作用，胞内不积累硫。存在于含有机物、低浓度的硫化物水域中，生长需要生长因子。 3.蓝细菌 类胡萝卜素作用：可作为叶绿素催化的光氧化反应的猝灭剂，以保护光合机构不受光氧化损伤；可能在细胞能量代谢方面起辅助作用。 三、光合磷酸化：利用贮存在跨膜的质子梯度的光能 把ADP和无机磷合成为ATP的过程，称为光合磷酸化。 1.循环光合磷酸化: 在光能的驱动下,通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能的 反应。代表微生物:光合细菌(红螺菌目) 光合

22、色素:菌绿素 光合细菌的特点：分类上都属于红螺菌目；都是水生厌氧菌；不能利用水为无机氢供体,故光合作用不产氧.；根据体内的菌绿素与胡萝卜素的比例的不同, 菌体呈现出不同的颜色 循环光合磷酸化的特点: 子传递途径为循环式 产能(ATP)与产还原力H分别进行 还原力来自H2S等无机氢供体 不产生氧2.非循环光合磷酸化：植物.藻类,蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应代表微生物: 蓝细菌 光合色素: 叶绿素 非循环式光合磷酸化的特点: 子传递途径为非循环式 有PS和PS两个光合色素系统 在有氧的条件下进行 产能(ATP)与产还原力H和O2同时进行 还原力NAD(P)H中的H来源于水光解产物H

23、+和e嗜盐紫膜菌的光能转换 代表微生物: 盐生盐杆菌主要特点:无氧气,无叶绿素或菌绿素参与的光合磷酸化,迄今为止最简单的光合磷酸化.产甲烷细菌的生物氧化特征： 形态多样性，分为球形、八叠球状、螺旋形、短杆菌、丝状等。 严格厌氧，G-，自然界中分布广泛。第六章 微生物合成代谢合成代谢：微生物将简单的无机物或者有机物用体内的各种酶促反应合成大分子即菌体物质的过程1、微生物的合成代谢可以概括为三个阶段 产生三要素：能量、还原力、小分子化合物 合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸 合成大分子：蛋白质、核酸、脂肪、多糖2、合成代谢的特点： 核酸、蛋白质和多糖等生物大分子都是由少数种类的分子单

24、体通过一定化学键聚合而成，此方式可节约大量能量和前体物。 细胞大量利用同样的酶催化合成代谢和分解代谢的一些反应，可节约额外的前体物和能量。 虽然有些酶同时参与合成分解代谢，但在代谢关键部位仍由特定酶控制。 合成代谢途径总体上是不可逆的。 真核微生物的某些物质合成代谢途径和分解代谢途径往往局限于细胞中的不同区域。 合成代谢和分解代谢常采用不同的辅酶，分解代谢往往利用NADH，合成代谢常利用NADPH。3、自养微生物的CO2的固定（1）Calvin循环（二磷酸核酮糖途径）Calvin循环又称还原性戊糖磷酸途径,核酮糖磷酸途径核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是Calvin循环特有的酶此循环是绿色植

25、物,蓝细菌,光合细菌和许多化能自养微生物固定CO2的主要途径此循环固定CO2对于光合作用而言,属于光合作用的暗反应阶段,不需要光.Calvin循环分3个阶段进行: 羧化反应： 核酮糖-1,5-二磷酸 2x3-磷酸甘油酸还原反应：3-磷酸甘油酸 甘油醛-3-磷酸 CO2受体的再生：核酮糖-5-磷酸 核酮糖-1,5-二磷酸（2）还原性三羧酸循环 菌群：泥生绿菌、嗜硫绿菌、嗜热氢杆菌。 与循环的TCA循环逆反应相似 关键酶： FdH；丙酮酸合成酶；（3）还原性乙酰辅酶A途径 代表菌:热醋梭菌、伍氏醋酸杆菌 过程:一分子的CO2与特殊的辅因子四氢叶酸结合,生成一个甲基。另一 分子CO2在一氧化碳脱氢酶

26、催化下生成CO，后者与辅酶A在乙酰辅酶A合成酶 的作用下生成乙酰辅酶A。 H2作为电子供体，产生一分子的乙酰辅 酶A需要4分子氢。（4）3-羟基丙酸循环乙酰辅酶A 丙二酰辅酶A 丙酰辅酶A 甲基丙二酰辅酶A 琥珀酰辅酶A 苹果酰辅酶A 乙酰辅酶A 4、异养微生物的CO2的固定：主要用于弥补TCA循环的中间产物的丧失。5、单糖合成 葡萄糖前体物来源： 自养微生物通过卡尔文循环产生3-磷酸甘油醛，通过还原羧酸环可产生草酰乙酸或乙酰CoA 异养微生物利用乙醛酸循环产生草酰乙酸，通过甘油酸途径生成3-磷酸甘油醛，或生糖氨基酸脱氨基等甲养菌利用一碳化合物时，通过核酮糖磷酸途径，或者通过丝氨酸途径进行在E

27、MP途径中，由PEP转化为丙酮酸反应是由丙酮酸激酶催化的，是不可逆的反应。若由丙酮酸转为PEP，则需要消耗能量，由PEP合成酶和丙酮酸磷酸二激酶催化，需要ATP和Pi。6、多糖的合成三个特点：无模板 需要引物 糖核苷酸为糖基载体（1）葡聚糖和果聚糖合成：均以蔗糖作为受体分子，分别在葡聚糖转移酶和果聚糖转移酶的催化下，将单糖一个个连接到蔗糖分子上。（2）糖原的合成：糖原和支链淀粉相似，糖原的分支较多，每个分支相对较短(12-16个glu残基) 细菌糖原合成途径与植物细胞淀粉合成相似，主要差别上是植物细胞以UDP-glu为糖基供体，而细菌是以ADP-glu作为糖基供体7、脂类的合成（1）脂肪酸的生

28、物合成：脂肪酸通常为C12C18饱和脂肪酸：棕榈酸C16；硬脂酸C18；豆蔻酸C14；月桂酸C12不饱和脂肪酸：棕榈油酸C16和油酸C18过程：1.乙酰CoA的跨膜运输 2.丙二酸单酰CoA的生成 3.脂肪酸合成酶 4.由脂肪酸合成酶催化的各部反应（2）不饱和脂肪酸的生物合成（3）脂肪酸合成途径与-氧化的比较区别要点 从头合成 -氧化细胞内发生场所 胞液 线粒体酰基载体 ACP-SH CoA-SH电子供体或受体 NADP FAD、NAD转运体系 三羧酸系统 肉碱转运二碳单位参与/断裂形式 丙二酸单酰ACP 乙酰COA对HCO3-和柠檬酸的需求 需要 不需要b-羟酰基中间物立体构型 D型 L型能

29、量 耗能及NADPH 产生ATP8、生物固氮(1)固氮微生物自生固氮菌共生固氮菌：根瘤 豆科植物和非豆科植物； 植物 地衣、满江红鱼腥藻联合固氮菌：根际、叶面、动物肠道等处的固氮微生物（2）生物固氮反应的6要素:ATP的供应 还原力及其传递载体 固氮酶 还原底物氮 镁离子 严格厌氧微环境好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制：呼吸保护、构象保护蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制：共生固氮菌、分化出特殊的还原性异形胞.抗氧保护机制：糖脂外膜阻碍氧气进入；无产氧光合作用系统, 脱氢酶和氢化酶的活力较高；SOD酶的浓度较高；较高呼吸作用、非异形胞蓝细菌固氮酶的保护抗氧保护机制：固氮和光合作用分开进行；给某些细胞造成

30、特定的厌氧环境；含有过氧化物酶和SOD酶豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制：共生固氮菌根瘤菌侵入 类菌体 不能繁殖,但有很强的固氮活性多个类菌体外由类菌体周膜包被，该周膜内外都存在豆血红蛋白，可通过氧化态（Fe3+）和还原态（Fe2+）间的变化发挥缓冲剂的作用，从而使游离氧维持在低而恒 定的水平。9、核苷酸的合成 核苷酸是核酸的基本结构，是由碱基、戊糖和磷酸组成。 根据碱基的不同分为嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸（1）嘌呤核苷酸的合成从头合成：由5-磷酸核糖-1-焦磷酸（5-PRPP）开始，先合成次黄嘌呤核苷酸，然后由次黄嘌呤核苷酸（IMP）转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。 嘌呤环合成的前体：CO2

31、 、甲酸盐、Gln、Asp、Gly 起始物：5-PRPP（2）鸟嘌呤核苷酸的合成：补救途径，利用已有的碱基和核苷合成核苷酸。磷酸核糖转移酶途径（重要途径） 嘌呤碱和5-PRPP在特异的磷酸核糖转移酶的作用下生成嘌呤核苷酸 核苷激酶途径（在生物体内只发现有腺苷激酶） 腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下与ATP反应，生成腺嘌呤核苷酸。第七章 微生物代谢调节微生物细胞中实行的主要代谢调节机制：酶活性调节和酶合成调节。酶活性的调节一、酶活性的调节方式：1、酶活性的激活：指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质后，导致原来无活性或活性很低的酶变为有活性或活性提高

32、，从而使得该酶促反应提高的过程。分为前馈和反馈激活。2、酶活性的抑制：抑制：加入某种低分子量物质后，导致酶活力降低。反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。 凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除二、反馈抑制的类型1.直线式代谢途径中的反馈抑制：2.分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一

33、分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。三、酶活性调节的机制(1)、变构调节理论酶活性的改变是通过酶分子空间构型上的变。这种随条件的变化而改变其分子空间构型的、具有催化活性的蛋白质叫变构酶，而仅具有调节酶促反应速率变化的叫调节蛋白质。(2)、酶分子的化学修饰调节理论 有的变构酶可以通过修饰酶作用与某种物质以共价键结合,导致酶的化学组成发生变化,从而提高或降低酶的活性。(3)、小分子化合物与酶分子活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶的活性，这种调节称为酶的变构调节或别构调节。被调节的酶称为变构酶或别构

34、酶(allosteric enzyme)使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂(allosteric effector) 变构激活剂(allosteric effector)引起酶活性增加的变构效应剂。变构抑制剂(allosteric effector) 引起酶活性降低的变构效应剂。根据变构蛋白作用，分为以下两类：非酶变构蛋白包括调节蛋白和受控载体蛋白。例：E .Coli中，由乳糖操纵子的结构基因编码的乳糖透性酶（一种载体蛋白）。 E .Coli吸收乳糖借助于乳糖透性酶主动运输，而葡萄糖吸收则是借助于磷酸转移酶系统（PTS）。变构酶 受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶。酶活性调节的实质就是变构酶

35、的变构调节。变构酶分子：催化部位；变构部位变构酶作用程序：专一性代谢物与酶蛋白特定部位结合酶分子构象发生变化活性中心修饰抑制或促进酶活性。变构酶模型A. Monod的协调模型a 变构酶一般具有多亚基四级结构的蛋白质，常为四聚体。亚基中有一个与底物结合的活性中心和与抑制剂或激活剂结合的调节中心。b 变构酶存在两种状态，R和T状态，两者之间有一平衡态。c 添加底物、抑制剂或激活剂可以使R和T构象状态平衡发生移动。d 变构酶蛋白分子具有对称性，当酶状态发生改变时，分子对称性维持不变，底物及效应物有同型协同作用。协同作用：配基在酶蛋白的一个部位结合后，会影响同一分子另一部分与配基的结合，如第一个配基结

36、合后会引起第二个、第三个配基更易结合，则成为正协同，反之为负协同效应。B. Koshland的顺序模型 认为构象的变化并不是同时发生在所有的亚基上，只是发生在结合有配体的亚基上。由于这一构象的变化才致使临近亚基间发生相互作用的变化，从而促进或减弱了底物分子与变构酶分子中其他亚基结合的亲和力。并在其影响下促进下一个配体的结合。脱敏作用：变构酶经特殊处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性。a 变构酶解聚 利用加热、加尿素或汞盐处理b 基因突变 由变构酶编码的结构基因的突变引起 变构调节的特征：A 参与酶活性调节的变构因子是一类能与变构蛋白分子结合的小分子化合物。B 许多变构酶反应动力学性质

37、与一般酶不同。C 效应物同调节性酶的结合位点与基质同酶结合位点是分开的，但又相互联系。D 具有一个以上的结合部位。E 主要活性部位和副部位可同时被占据。F 副部位的作用不一定是专一性的，可以结合不同物质产生不同效应。G 副部位结合可能引起蛋白质分子构象变化，从而影响主活性部位催化活性。F 变构效应构成反馈控制的基础。 变构调节的生理意义 、代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。、变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。变构调节使不同的代谢途径相互协调。（4）、酶的化学修饰调节化学修饰：酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修

38、饰(covalent modification)，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化学修饰。 化学修饰的主要方式磷酸化 - - - 去磷酸 乙酰化 - - - 脱乙酰 甲基化 - - - 去甲基 腺苷化 - - - 脱腺 SH与 S S 互变 可逆共价修饰：可短时间生成大量的活性改变的酶；可逆修饰更易为响应代谢环境的变化而控制酶的活性。 不可逆的共价修饰：当功能需要时，无活性的酶原被相应的蛋白酶作用切去一小段肽链而活化，称为酶原激活。 化学修饰的特点A、酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。B具有放大

39、效应，效率较变构调节高。C磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。注意：同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。 其他调节方式：a缔合与解离：通常由多个亚单位组成，蛋白质的活性与钝化通过组成亚单位缔合与解离实现。b竞争抑制：有些蛋白质的生物活性受代谢物竞争抑制。如需ATP反应可能受到ADP的竞争性抑制四、酶合成的调节1、酶合成的诱导(1)定义: 在某种化合物(包括外加的和内源性的积累)作用下,导致某种酶合成或合成速率提高的现象。(2)组成酶与诱导酶 在微生物细胞中普遍存在着这两大类酶。组成酶：微生物有些酶总是适量地存在,它们是不依赖于酶底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶,如葡萄糖转化为丙酮酸过程中

40、的各种酶。诱导酶适应性酶,是依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶。诱导酶合成的基因以隐性状态存在于染色体中。(3)Jacob-Monod模型(诱导作用模型)调节基因R 操纵子: 结构基因S 、操纵基因O 、启动基因P协同诱导：加入一种诱导剂后，微生物能同时合成几种酶，主要存在于较短的代谢途径中，合成这些酶的基因由同一个操纵子控制。如将乳糖加到E.Coli中，可同时诱导-半乳糖苷酶、 -半乳糖苷透过酶、半乳糖苷转乙酰酶合成。顺序诱导：第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成，第一种酶的产物又可以诱导第二种酶的合成。2、酶合成的阻遏(1)、分解代谢物的阻遏葡萄糖效应 在含有葡萄糖和其它一些碳

41、源(可被诱导酶代谢的培养基内,葡萄糖能抑制其它糖的利用,只有在葡萄糖利用完后,才开始利用其它糖.这种酶诱导的阻遏现象最初以为只限于葡萄糖,因而被称为葡萄糖效应。 分解代谢物效应（阻遏） 所有可迅速代谢的能源(碳源)都阻遏异化另一被缓慢利用的能源(碳源)所需酶的形成。分解代谢物产生阻遏的原因 A、抑制cAMP(3,5-腺苷单磷酸）形成是分解代谢物阻遏的关键因素。在快速利用的碳源上生长,胞内cAMP浓度将大幅降低而造成不足。 B、cAMP能促进大量的酶合成，是合成这些诱导酶mRNA所必需的。C、分子水平机制图见书 P194 研究意义 现在大多数酶或有重大工业潜力的酶的合成均受分解代谢物阻遏,在生产

42、过程中避免使用抑制性碳源,使得那些受分解代谢物阻遏调节的酶能大量合成。（2）末端产物的反馈调节 (1)、反馈抑制和反馈阻遏 反馈抑制：生物合成途径的最终代谢物抑制该途径的前面第一或第二个酶的作用(活性)。 反馈阻遏：抑制酶的形成,是由途径终点产物或其衍生物施行的。(2)、这两种机制都是调节途径终点产物的生产速率以配合大分子合成的速率。最终产物的阻遏和终点产物的抑制作用是相辅相成的。 (3)、反馈抑制剂是终点产物而不是其衍生物。与经典的竞争性抑制作用不同。(4)、反馈阻遏作用是一广泛现象。它调节氨基酸、嘌呤、嘧啶核苷酸和维生素等分子的合成。受反馈阻遏作用控制的酶,是R基因编码阻遏物蛋白。 2、发

43、酵过程中代谢调控采用的手段和方法：菌种特性的改变和发酵条件的控制。一、菌种特性的改变 (遗传学的方法)1、营养缺陷型突变株的应用 在一定的培养条件下,营养缺陷型突变菌可以积累相当高浓度的中间代谢产物或末端代谢产物。(1).直线式代谢途径2、抗反馈控制突变株的应用(1)、抗反馈控制突变株就是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性,或两者兼而有之的菌株,所以能大量积累末端代谢产物。 (2)、抗反馈抑制突变株可以从结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株中获得。 A、与末端代谢产物结构类似的化合物会干扰正常菌体的代谢,甚至引起菌体死亡, 又称为抗代谢物。B、从营养缺陷型回复突变株中获得对途径调节酶解除了

44、反馈调节的突变株, 即有可能改变了产物合成酶的调节位点的氨基酸顺序,使之不能和产物结合,因而不受产物的反馈抑制。 (3)、许多氨基酸、嘌呤、嘧啶和维生素的结构类似物已用于氨基酸、核苷、核苷酸和维生素高产菌株的育种工作。3、选育组成型和超产突变菌 A、微生物菌株酶的生成不需要诱导剂或不被末端产物或分解代谢物阻遏,这样的突变称为组成型突变。B、少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高得多的酶，这种突变称为超产突变。C、调节基因发生突变,以致产生无效的阻遏物而不能与操纵基因结合,或操纵基因突变,从而造成结构基因不受控制地转录。D、选育组成型突变菌株的方法:在恒化培养器中以低浓度的底物诱导剂连续培养细菌；采用在添加或不添加诱导剂的培养基中交替培养的方法；以诱导酶的良好底物(但不是好的诱导剂)作碳源培养。4、增加结