第五章第五章微生物的代谢和发酵和发酵

第一节 代谢概论第二节 微生物分解代谢第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物第四节微生物的代谢调控与发酵生产第五节 代谢调节在发酵工业中的应用

第一节 代谢概论第二节 微生物分解代谢

一、 生物氧化 二、 异养微生物的生物氧化 底物脱氢的四种途径 EMP途径 HMP途径 ED途径 磷酸酮解途径 有氧呼吸 无氧呼吸 三、 自养微生物的生物氧化 微生物产能代谢 四、 能量转换

第五节 代谢调节在发酵工业中的应用

第四节 微生物的代谢调控与发酵生产 一 、 微生物代谢过程中的自我调节 二 、 酶活性的调节 三 、 酶合成的调节

第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物

新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（ catabolism ）和合成代谢（ anabolism ）的总和。

新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢

分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ ATP ）形式的能量和还原力的作用。

合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、 ATP 形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。

第一节 代谢概论

按物质转化方式分：分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在

这个过程中产生能量。合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子

过程。在这个过程中要消耗能量。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。

按代谢产物在机体中作用不同分：

初级代谢： 提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的 代谢类型；

产物：氨基酸、核苷酸等。

次级代谢： 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；产物：抗生素、色素、激素、生物碱等。

代谢意义一、代谢是生命的基本特征

二、代谢通过代谢途径完成

三、代谢途径是不平衡的稳态体系四、代谢途径的形式多样

五、代谢途径有明确的细胞定位

六、代谢途径相互沟通

七、代谢途径间有能量关联

八、关键酶限制代谢途径的流量

第二节 微生物产能代谢

最初能源

有机物

还原态无机物

日光

通用能源（ ATP）

一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。

能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源 ------ATP 。这就是产能代谢。

化能异养微生物

化能自养微生物

光能营养微生物

在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。这些能量用于： 1 合成代谢 2 微生物的运动和运输 3 热和光。无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。

一、 生物氧化

比较项目 燃烧 生物氧化反应步骤 一步式快速反应 顺序严格的系列反应条件 激烈 由酶催化，条件温和产能形式 热、光 大部分为 ATP

能量利用率 低 高

生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称。

生物氧化与燃烧的比较

生物氧化的过程

一般包括三个环节：

① 底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）

② 氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、 FAD 等）

③ 最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）

生物氧化的形式 :

物质与氧结合、脱氢脱电子三种

生物氧化的功能为：

产能（ ATP）、

产还原力 [H]

产小分子中间代谢物

异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。

在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如 ATP ）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。

二、异养微生物的生物氧化

发酵

呼吸有氧呼吸

厌氧呼吸

生物氧化反应

1. 发酵 (fermentation)

有机物氧化释放的电子直接交给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。

有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。

发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。

发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。

生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（ glycolysis ）糖酵解是发酵的基础。

底物脱氢的四种途径

EMP途径

HMP途径

ED途径

磷酸解酮酶途径

ATPADP

ATPADP

ADPATP

ADPATP

NAD+

NADH+H+

a

a : 预备性反应 b

b : 氧化还原反应

底物水平磷酸化

底物水平磷酸化

EMP 途径（ Embden-Meyerhof pathway ）

EMP 途径意义：

为细胞生命活动提供 ATP 和 NADH

葡萄糖

葡糖 -6- 磷酸

果糖 -6- 磷酸

果糖 -1 ， 6- 二磷酸磷酸二羟丙酮 甘油醛 -3- 磷酸

1 ， 3- 二磷酸甘油酸

3- 磷酸甘油酸

2- 磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸

丙酮酸

EMP 途径关键步骤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

总反应式：

葡萄糖 +2NAD+2Pi+2ADP →2丙酮酸 +2NADH2+2ATP

CoA ↓ 丙酮酸脱氢酶

乙酰CoA ， 进入 TCA

HMP 途径

从 6-磷酸 - 葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的 故称为单磷酸已糖途径。

HMP 途径与 EMP 途径有着密切的关系， HMP 途径中的

3-磷酸 - 甘油醛可以进入 EMP 途径， — 磷酸戊糖支路。

HMP 途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖 -6-磷酸转变成一分子甘油醛 -3-磷酸、 3个 CO2 、 6 个 NADPH。

一般认为 HMP 途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（ NADPH ）和中间代谢产物。

HMP 途径： 葡萄糖经转化成 6-磷酸葡萄糖酸后，在 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和 CO2 。

磷酸戊糖进一步代谢有两种结局：

① 磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（ 3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借 EMP 途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。称为不完全 HMP 途径。

HMP 途径的总反应：

6 葡萄糖 -6- 磷酸 +12NADP++6H2O

5 葡萄糖 -6- 磷酸 +12NADPH+12H++12CO2+Pi

② 由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了 1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），称完全 HMP 途径。

6- 磷酸 -葡萄糖

5- 磷酸 -木酮糖 5- 磷酸 - 核糖 5- 磷酸 -木酮糖

6- 磷酸 -景天庚酮糖

6- 磷酸 -果糖

6- 磷酸 -葡萄糖

3- 磷酸 -甘油醛

4- 磷酸 -赤藓糖6- 磷酸 -果糖 3- 磷酸 -甘油醛

o

OHOH

CH2OH

OH

HO

o

OH

CH2OP

OHHO

COOH C=O

H-C-OHH-C-OH

D CH2OP

CH2OHo

OHOH

CH2OP

OHHO

ATP ADPNAD(P)+

NADH+H+

NAD(P)+

NADH+H+

葡萄糖 6- 磷酸 -葡糖酸6- 磷酸 -葡萄糖

5- 磷酸 - 核酮糖

C=O H-C-OH

H-C-OH

H-C-OP H

CH2OH

H-C-OHH- C=O

H-C-OH

H-C-OHCH2OP

5- 磷酸 - 核酮糖

C=OHO-C-H

H-C-OH

H-C-OP H

CH2OH

5- 磷酸 -木酮糖 5- 磷酸 - 核糖

HMP

途 径

HMP 途径关键步骤：1 、葡萄糖→ 6- 磷酸葡萄糖酸

2 、 6- 磷酸葡萄糖酸→ 5- 磷酸核酮糖→ 5- 磷酸木酮糖

↓

5- 磷酸核糖→参与核酸生成

3 、 5- 磷酸核酮糖→ 6- 磷酸果糖 +3- 磷酸甘油醛( 进入 EMP

HMP 途径的重要意义

产生大量 NADPH2 ，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。

与 EMP 途径在果糖 -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。

为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖 - 磷酸。

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。

途径中存在 3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。

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。

HMP 途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。

ED 途径

ED 途径又称 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡糖酸（ KDPG ）裂解途径。

1952 年在 Pseudomonas saccharophila 中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED 途径可不依赖于 EMP和 HMP 途径而单独存在，是少数缺乏完整 EMP 途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。

ED 途径ED 途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。

ED 途径过程：

葡萄糖→ → → KDPG KDPG

醛缩酶甘油醛 -3- 磷酸

丙酮酸EMP丙酮酸→

ED 途径结果：一分子葡萄糖经 ED 途径最后生成 2 分子丙酮酸、 1 分子 ATP， 1 分子 NADPH、 1NADH。

ED 途径在革兰氏阴性菌中分布较广

ED 途径可不依赖于 EMP与 HMP 而单独存在

ED 途径不如 EMP 途径经济。

ED 途径的特点葡萄糖经转化为 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和 3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经 EMP 途径转化成为丙酮酸。结果是 1分子葡萄糖产生 2分子丙酮酸， 1分子 ATP 。ED 途径的特征反应是关键中间代谢物 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡萄糖酸（ KDPG ）裂解为丙酮酸和 3-磷酸甘油醛。 ED途径的特征酶是 KDPG醛缩酶。反应步骤简单，产能效率低。 此途径可与 EMP 途径、 HMP 途径和 TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与 TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。

ED 途径的总反应（续）

关键反应： 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸的裂解

催化的酶： 6- 磷酸脱水酶， KDPG醛缩酶

相关的发酵生产：细菌酒精发酵

优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。

缺点： pH5 ，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。

磷酸酮解途径

存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。

进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为 2 个三碳糖。

磷酸酮解酶途径有两种：

磷酸戊糖酮解途径（ PK ）途径

磷酸己糖酮解途径（ HK ）途径

磷酸己糖解酮途径 2葡萄糖

2葡萄糖 -6- 磷酸

6- 磷酸果糖 6- 磷酸 -果糖

同 EMP

4- 磷酸 -赤藓糖 乙酰磷酸

2木酮糖 -5- 磷酸磷酸己糖解酮酶戊

逆 HMP 途径

2甘油醛 -3- 磷酸 2乙酰磷酸

2乳酸 2乙酸 乙酸

乙酸激酶

磷酸戊糖酮解途径的特点 :

① 分解 1分子葡萄糖只产生 1分子 ATP ，相当于 EMP 途径的一半 ;

②几乎产生等量的乳酸、乙醇和 CO2 。

磷酸己糖酮解途径的特点：

① 有两个磷酸酮解酶参加反应；

② 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下， 2分子葡萄糖分解为 3分子乙酸和 2分子 3-磷酸 - 甘油醛， 3-磷酸 - 甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与 ADP 生成 ATP 的反应相偶联；

③每分子葡萄糖产生 2.5分子的 ATP；

④许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。

（五）三羧酸循环又称 TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养

微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。

主要产物：

C3 CH 3

CO~CoA

NADH+4H

FADHGTP

3CO2

呼吸链呼吸链

（底物水平）

12ATP

2ATP

ATP

在物质代谢中的地位：枢纽位置工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸

丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成

乙酰 CoA ，乙酰 CoA 和

草酰乙酸缩合成柠檬

酸再进入三羧酸循环。

循环的结果是乙酰 CoA

被彻底氧化成 CO2和H2O，

每氧化 1分子的乙酰CoA

可产生 12分子的 ATP ，草

酰乙酸参与反应而本身

并不消耗。

TCA循环的重要特点

1、循环一次的结果是乙酰 CoA 的乙酰基被氧化为 2分子CO2,并重新生成 1分子草酰乙酸；

2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+ 还原为 NADH+H+ ，另一步为 FAD 还原；

3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。

4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；

5、生物体提供能量的主要形式；

6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵； Glu 发酵等。

递氢、受氢和 ATP 的产生★经上述脱氢途径生成的 NADH 、 NADPH 、 FAD 等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。

★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同 , 把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。

发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模；

呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；

★呼吸作用又可分为两类：

有氧呼吸——最终电子受体是分子氧 O2;

无氧呼吸——最终电子受体是 O2 以外的

无机氧化物，如 NO3- 、 SO4

2-

等。

呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6

[H]

A

[H] [H]

B

[H]

C A、B或C AH 2，BH2或CH 2

[H] （发酵产物：乙醇、CO 2 乳酸等）

脱氢 递氢 受氢

经呼吸链 ① 呼吸

② 无氧呼吸

③ 发酵

1/2O2

H2O

NO 3-，SO4

2-，CO 2

NO 2-，SO3

2-，CH 4

概念：在生物氧化中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。在发酵工业上，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。发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有 EMP 、 HMP 、 ED和 PK 途径。发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体——NADH+H+ 和 NADPH+H+ 产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受 NADH+H+和 NADPH+H+ 的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。

发酵作用

C6H12O6

2CH3COCOOH

2CH3CHO

2CH3CH2OH

NAD

NADH2

-2CO2

EMP2ATP

乙醇脱氢酶

※该乙醇发酵过程只在 pH3.5~4.5 以及厌氧的条件下发生。

酵母菌的乙醇发酵：

当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果 2分子乙醛间发生歧化反应，生成 1 分子乙醇和 1 分子乙酸；

CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+

CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+

此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受 3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成 -磷酸甘油，后者经 -磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。

2 葡萄糖 2甘油 +乙醇 +乙酸 +2CO2

概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。

意义：合理利用能源

通风对酵母代谢的影响

通风（有氧呼吸） 缺氧（发酵）酒精生成量

耗糖量 / 单位时间细胞的繁殖

低（接近零）少旺盛

高多

很弱至消失

现象：

巴斯德效应 (The Pasteur effect )

葡萄糖

2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸 -葡萄糖酸

3- 磷酸甘油醛 丙酮酸

丙酮酸

乙醇 乙醛

2乙醇

2CO2

2H

2H

+ATP

2ATP

菌种：运动发酵单胞菌等

途径： ED

细菌的乙醇发酵

酵母菌（在 pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 ~ 脱羧酶 ~ 脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通过 EMP 途径产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 细菌 (Zymomonas mobilis) 的乙醇发酵 通过 ED 途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖 +ADP+Pi 2乙醇 +2CO2+ATP细菌 (Leuconostoc mesenteroides) 的乙醇发酵 通过 HMP 途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖 +ADP+Pi 乳酸 +乙醇 +CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵。

乳酸发酵

乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。

由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。

同型乳酸发酵：（经 EMP 途径）

异型乳酸发酵：（经 HMP 途径）

双歧杆菌发酵 : （经 HK 途径—磷酸己糖解酮酶途径）

葡萄糖

3- 磷酸甘油醛

磷酸二羟丙酮

2( 1,3- 二 - 磷酸甘油酸）

2乳酸 2丙酮酸

2NAD+ 2NADH

4ATP

4ADP

2ATP 2ADP

同型乳酸发酵

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+ NADH NAD+ NADHATP ADP

乙醇 乙醛 乙酰 CoA

2ADP 2ATP

-2H

-CO2

异型乳酸发酵：

同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较

Lactobacillus brevis2ATP

1乳酸1乙酸1CO2

HMP异型

Leuconostoc mesenteroides

1ATP

1乳酸1乙醇1CO2

HMP异型

Lactobacillus debruckii2ATP2乳酸EMP同型菌种代表产能/葡萄糖产物途径类型

葡萄糖

乳酸 丙酮酸

乙醛 乙酰 CoA 甲酸

乙醇 乙酰乳酸

二乙酰 3-羟基丁酮

2,3-丁二醇

CO2 H2

-乙酰乳酸合成酶

-乙酰乳酸脱羧酶

2,3- 丁二醇脱氢酶

概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有 - 乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。

发酵途径：

EMP

2,3- 丁二醇发酵

概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过 EMP 途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、 H2和 CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。发酵途径：

葡萄糖

琥泊酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸

乳酸 丙酮酸

乙醛 乙酰 CoA 甲酸

乙醇 乙酰磷酸 CO2 H2

乙酸

丙酮酸甲酸裂解酶

乳酸脱氢酶

甲酸 - 氢裂解酶磷酸转乙酰酶

乙酸激酶

PEP 羧化酶

乙醛脱氢酶

+2H

pH 6.2﹤

混合酸发酵

2. 呼吸作用

有氧呼吸（ aerobic respiration）：

以分子氧作为最终电子受体

无氧呼吸（ anaerobic respiration）：

以氧化型化合物作为最终电子受体

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。

2. 呼吸作用

呼吸作用与发酵作用的根本区别：

概念：是以分子氧作为最终电子 (或氢 )受体的氧化。过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径： EMP,TCA循环。

特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如 NAD,FAD, 辅酶 Q 和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。

由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。

(1)有氧呼吸

(1) 有氧呼吸

糖酵解作用

有氧无氧

葡萄糖

丙酮酸

发酵 三羧酸循环

各种发酵产物 被彻底氧化生成 CO2 和水，释放大量能量。

定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生 ATP 形式的能量。部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。成员：电子传递是从 NAD到 O2 ，电子传递链中的电子传递体主要包括 FMN 、 CoQ 、细胞色素 b 、 c 1、 c 、a 、 a ３和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：

电子传递与氧化呼吸链

MH2→→ →NAD FMN C0Q b

(-0.32v) (0.0v)

C1 C a a3 O2 H2O

(+0.26) (+0.28) (+0.82v)

呼吸链中 NAD+/NADH的 E0’值最小，而 O2/H2O的 E0’值最大，所以，电子的传递方向是： NADH O2

上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。 NADH+H+和 FADH2 的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。 电子传递伴随 ADP 磷酸化成 ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。

自 EMP2NADH2

自乙酰 CoA2NADH2

自 TCA6NADH2

自 TCA2FADH2

高能水平

低氧化还

原势

氧化态

还原态

还原态

氧化态

氧化态

还原态

还原态

醌

氧化态

氧化态

还原态

脱氢酶

NAD FADH2 H2O

NADH2 FAD 1/2O2

+2H+

低能水平高氧化还原势

FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧 化 酶

典型的呼吸链

NADNAD ：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态 NDAH+H+ 。FADFAD和 FMNFMN ：黄素蛋白的辅基。铁硫蛋白（ Fe-SFe-S）：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“ 2Fe+2S” 中心每次仅能传递一个电子。泛醌（辅酶 QQ）：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多 10~15倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。细胞色素系统：位于呼吸链后端，功能是传递电子。

微生物中重要的呼吸链组分

ATP 的结构和生成

2. ATP 的生成方式 :

微生物能量代谢活动中所涉及的主要是 ATP （高能分子）形式的化学能 . ATP 是生物体内能量的载体或流通形式 .当微生物获得能量后 , 都是先将获得的能量转换成 ATP.当需要能量时 ,ATP 分子上的高能键水解 ,重新释放出能量。

光合磷酸化

氧化磷酸化底物水平磷酸化

电子传递磷酸化

1. 结构 :

｛｛

光合磷酸化 :利用光能合成 ATP 的反应。

光合磷酸化作用将光能转变成化学能 ,以用于从二氧化碳合成细胞物质 . 主要是光合微生物。

光合微生物 :藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。

细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如 H2 、 H2S 等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。

氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生成 ATP的反应。

氧化磷酸化生成 ATP 的方式有两种：

底物水平磷酸化——不需氧

电子传递磷酸化——需氧。

底物水平磷酸化： 底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给 ADP ，使其生成 ATP。 这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。

在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量和 ADP 的磷酸化偶联起来，形成 ATP 。 呼吸链中的电子传递体主要由各种辅基和辅酶组成，最重要的电子传递体是泛琨（即辅酶 Q ）和细胞色素系统。在不同种类的微生物中细胞色素的成员是不同的。 通过呼吸链生成的 ATP数量主要是根据呼吸链成员的多少而不同，而呼吸链的组成因微生物种类而异，如酵母菌可生成 3个 ATP ，而细菌大约只生成 1个 ATP 磷酸化作用是在电子自供体向最终受体的传递过程中发生的。从氧化营养物质产生的一对电子或氢原子向最终电子受体转移时，中间经过一系列电子传递体，每个电子传递体构成一个氧化还原系统，这一系列电子传递体在不同生物中有其自己一定的排列次序，构成一条电子传递链，因而称为呼吸链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量生成 ATP。

电子传递磷酸化

呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生生物的通用能源—— ATP 。目前获得多数学者接受的是化学渗透学说。主要观点：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、 pH梯度等）。这个梯度差就是产生 ATP 的能量来源，因为它可通过 ATP 酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。

氧化磷酸化产能机制

☆TCA循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；

☆生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；

☆回补方式：①通过某些化合物的 CO2固定作用，

② 一些转氨基酶所催化的反应也能合

成草酰乙酸和 -酮戊二酸，

③ 通过乙醛酸循环

回补途径

☆通过某些化合物的 CO2固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补：

丙酮酸羧化酶：

CO2+丙酮酸 +ATP+H2O Mg++ 草酰乙酸 +ADP+Pi

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 :

CO2 +PEP+ H2O 草酰乙酸 +H3PO4

苹果酸酶 :

CO2 +丙酮酸 +NADPH+H+ 苹果酸 + NADP+

为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长，异养微生物至少要具备上述几种酶之种的一个酶。

CO2固定作用补充 TCA 环的中间产物

草酰乙酸

柠檬酸

琥珀酸

异柠檬酸

苹果酸

延胡索酸

乙醛酸乙酰 CoA

乙酰 CoA 乙酸

乙酸

乙醛酸循环

能够利用乙酸的微生物具有乙酰 CoA 合成酶，它使乙酸转变为乙酰 CoA；

然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。

乙醛酸循环的主要反应：

异柠檬酸 琥珀酸 +乙醛酸

乙醛酸 + 乙酸 苹果酸

琥珀酸 + 乙酸→ → → 异柠檬酸

净反应： 2乙酸 苹果酸

乙醛酸循环

（ 2 ）无氧呼吸概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。

一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。

无机氧化物：如 NO3- 、 NO2-、 SO42-、 S2O3

2- 等。

在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生的能量多。

如：以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出 1796.14KJ 自由能。

某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；

无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3

-、 NO2-、 SO4

2-、 S2O32-、 CO2 等无机物，或延胡索

酸（ fumarate ）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。

由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。

（ 2 ）无氧呼吸

（ 2 ）无氧呼吸

能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。

硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。

土壤及水环境

氧被消耗而造成局部的厌氧环境

松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。

硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。

反硝化作用的生态学作用：

好氧性机体的呼吸作用

硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸

反硝化作用在氮素循环中的重要作用土壤中植物能利用的氮

（硝酸盐 NO3- ）还原成

氮气而消失，从而降低

了土壤的肥力。

其它厌氧呼吸：

延胡索酸呼吸：兼性厌氧，将延胡索酸还原

成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形式作为微生物

的一般发酵产物来考虑。实际上在延胡索酸呼吸

中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原

产物。

有关“鬼火”的生物学解释

在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（ PH

3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常

会发生这种情况。

若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。

厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它

使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和

氧化磷酸化来产生 ATP ，因此对很多微生物是非常重

要的。

除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电

子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。

三．自养微生物的生物氧化化能无机营养型：

这些微生物一般也能以 CO2 为唯一或主要碳源合成细胞物质

以无机物为电子供体 从无机物的氧化获得能量

从对无机物的生物氧化过程中获得生长所

需要能量的微生物一般都是：

化能无机自养型微生物

自养微生物

化能异养微生物：

化能自养微生物：

复杂分子

（有机物）

分解代谢

合成代谢简单小分子 ATP [H]

自养微生物的合成代谢：

将 CO2先还原成 [CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成

复杂的细胞成分。

ATP 和还原力均来自对有机物的生物氧化

无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生 ATP

如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗 ATP 为代价获得还原力。

NH3 、亚硝酸（ NO2- ）等无机氮化物可以被某些化能自

养细菌用作能源。将氨氧化为亚硝酸并获得能量

将亚硝氧化为硝酸并获得能量

1 、 氨的氧化

亚硝化细菌：

硝化细菌：

微生物产能代谢

这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。 这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。

俄国著名微生物学家Winogradsky 的杰出贡献：

化能无机自养型微生物的发现：氧化无机物获得能量；没有光和叶绿素的条件下也能同化 CO2 为细胞物质（能以 CO2 为唯一或主要碳源）

2 、 硫的氧化 硫细菌（ sulfur bacteria ）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多

硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。

亚铁（ Fe2+ ）只有在酸性条件（ pH低于 3.0 ）下才能保持可溶解性和化学稳定； 当 pH 大于 4-5 ，亚铁（ Fe2+ ）很容易被氧气氧化成为高价铁（ Fe3+）；

氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans）

氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillus ferrooxidans）

在富含 FeS2 的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸

和 Fe(OH)3 ，从而造成严重的环境污染。 它的生长只需要 FeS2及空气中的 O2和 CO2 ，因

此要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封

闭矿山，使环境恢复到原来的无氧状态。

四．能量转换

化能营养型

光能营养型

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

通过光合磷酸化将光能转变为

化学能储存于 ATP 中

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 的合成。

2 、氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation）

光能转变为化学能的过程：

当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致其释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。

3 、光合磷酸化（ photophosphorylation）

光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生 ATP

光能营养型生物

真核生物：藻类及其它绿色植物

原核生物：蓝细菌

（仅原核生物有）：光合细菌

3 、光合磷酸化（ photophosphorylation）

产氧

不产氧

3 、光合磷酸化（ photophosphorylation）

细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，二者的区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。

3 、光合磷酸化（ photophosphorylation）

3 、光合磷酸化（ photophosphorylation）

（ 1 ）环式光合磷酸化 光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生 ATP。

不是利用 H2O ，而是利用还原态的H2 、

H2S 等作为还原 CO2 的氢供体，进行

不产氧的光合作用。

通过电子的逆向传递产生还原力。

电子传递的过程中造成了质子的跨膜

移动，为 ATP 的合成提供了能量。

（ 1 ）非环式光合磷酸化

产氧型光合作用

（绿色植物、蓝细菌）

非环式光合磷酸化的反应式：

2NADP+＋ 2ADP＋ 2Pi+2H2O→2NADPH＋ 2H+＋ 2ATP＋ O2

（ 1 ）非环式光合磷酸化

hv

chl

绿色细菌的非环式光合磷酸化

（不产氧型光合作用）

NAD++H2S+ADP+Pi NADPH+H++ATP+S

（ 2 ）嗜盐菌紫膜的光合作用

嗜盐菌细胞膜

红色部分（红膜）

紫色部分（紫膜）

一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。

主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体

在膜上呈斑片状（直径约 0.5 m ）独立分布，其总面积约占

细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。

ATP的合成有氧 无氧微生物

光照 黑暗 光照 黑暗光合细菌 – – + –

绿藻 + – – –

兼性厌氧菌（E. coli） + + + +

盐生盐杆菌 + + + –

四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的 ATP 合成

实验发现，在波长为 550-600 nm 的光照下，嗜盐菌 ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。

（ 2 ）嗜盐菌紫膜的光合作用紫膜的光合磷酸化是

迄今为止所发现的最

简单的光合磷酸化反应

化能营养型

光能营养型

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

通过光合磷酸化将光能转变为

化学能储存于 ATP 中

第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物

初级代谢：

次级代谢：

一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。

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，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。

某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。

通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。

初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。

次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。

1 、存在范围及产物类型不同

象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的

初级代谢过程的能力。

例如某些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定的条件下可以分别合成青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。

Raulin培养基： 葡萄糖 5% 、酒石酸 0.27% 、酒石酸铵 0.27% 、磷酸氢二铵 0.04% 、硫酸镁 0.027%硫酸铵 0.017% 、硫酸锌 0.005% 、硫酸亚铁 0.005%

Czapek——Dox培养基： 葡萄糖 5% 、硝酸纳 0.2% 、磷酸氢二钾 0.1% 、氯化钾0.05% 、硫酸镁 0.05% 、硫酸亚铁 0.001%

不同的微生物可产生不同的初级代谢产物：

用于青霉菌的二种培养基：相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物

灰黄青素在 Czapek——Dox培养基上培养时可以合成灰黄霉素，在 Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（ fulvic acid）；

产黄青霉在在 Raulin 中培养时可以合成青霉酸。但在 Czapek——Dox 中培养则不产青霉酸。

Penicillium urticae 在含有 0.5×10-8M 的锌离子的 Czapek——Dox培养基里培养时合成的主要次级代谢产物是 6- 氨基水杨酸，但在含 0.5×10-6M 的锌离子的 Czapek——Dox培养基里培养时不合成 6- 氨基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。

次级代谢产物虽然也是从少数几种初级代谢过程中产生的中间体或代谢产物衍生而来，但它的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物，并且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有 4 种，杆菌肽、多粘菌素分别有 10 多种，而放线菌素有 20 多种等。

2 、对产生者自身的重要性不同

初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发生突变或死亡。

次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。

次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能，不是机体生长与繁殖所必需的物质，也有人把超出生理需求的过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物。

次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。

3 、同微生物生长过程的关系明显不同

初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长过程呈平行关系；

次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。

4 、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同

初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。

另外，催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是在产生菌对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因环境条件变化而不能合成。

相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。

初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量；

初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质。

而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。

5 、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型

初级代谢与初级代谢的关系（总结）

1 、存在范围及产物类型不同

2 、对产生者自身的重要性不同

3 、同微生物生长过程的关系明显不同

4 、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定 性上明显不同5 、某些机体内存在的二种既有联系又有 区别的代谢类型

第四节 微生物的代谢调控与发酵生产

一 微生物代谢过程中的自我调节

二 酶活性的调节

三 酶合成的调节

一 微生物代谢过程中的自我调节

微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。

成因：细胞体积小，所处环境多变。

举例：大肠杆菌细胞中存在 2500 种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳 10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到 100 个分子。

解决方式：组成酶（ constitutive enzyme ）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（ inducible enzyme ），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的 10% 。

微生物自我调节代谢的方式

1. 控制营养物质透过细胞膜进入细胞

2.通过酶的定位控制酶与底物的接触

3.控制代谢物流向

1. 控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。

2.通过酶的定位控制酶与底物的接触

1 ）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各 自行使某种特异的功能； 2 ）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使 功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； 蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在 G-菌的周质区。

3. 控制代谢物流向： ( 通过酶促反应速度来调节 )

1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控

制代谢物流向：如 :

两种 Glu 脱氢酶：以 NADP 为辅基 Glu 合成

以 NAD 为辅基 Glu 分解

2)通过调节酶的活性或酶的合成量。

关键酶 : 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。

①粗调：调节酶的合成量② 细调：调节现有酶分子的活性

3)通过调节产能代谢速率。

通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。 调节方式：包括两个方面：1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。 如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概念：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 酶活性的调节

1.直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶

苏氨酸 α- 酮丁酸 异亮氨酸反馈抑制

其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成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。

反馈抑制的类型

同功酶调节

定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。

意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。———某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。

举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节

协同反馈抑制

定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。

举例：谷氨酸棒杆菌（ Corynebacterium glutamicum ）

多粘芽孢杆菌（ Bacillus polymyxa ）

天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。

合作反馈抑制

定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。

举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和 GMP （和 IMP ）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的 70%和 10%。

积累反馈抑制

定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。

顺序反馈抑制

定义：一种终产物的积累 ,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。

举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节。

平衡合成在黄色短杆菌（ Brevibacterium flavus ）中天冬氨酸的合成

PEP

Py 草酰乙酸

乙酰 CoA Asp

柠檬酸ATP

CO2

代谢互锁 表面完全不相关的两条途径之间的调节。这种作

用一般在高浓度下才显示，且为部分抑制。

Asp Asp- p Asa DAP Lys ，二氢吡啶二

羧酸合成酶

Hse

Thr IlePy 异丙基 Leu苹果酸

优先合成

在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如 AMP与 GMP， Thr与 Lys、Met ，由于两种酶对底物的 Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。

酶活力调节的机制变构酶理论：

变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。

活性位点 : 与底物结合

变构位点 : 与抑制剂结合 ,构象变化 ,不能与底物结合 与激活剂结合 , 构象变化 ,促进与底物结合

三 酶合成的调节

通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。 酶合成调节的类型1.诱导 (induction) ：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。 举例： E.coli 在含乳糖的培养基中合成 β-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。

组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如： EMP 途径的一些酶。诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。

诱导物 (inducer) ：底物或结构类似物，如：异丙基 - β-D-硫代半乳糖苷（ IPTG ， isopropylthiogalactoside ）。

诱导作用的类型：

同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。

顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。

阻遏：

定义：定义：它是阻碍它是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系一系列酶列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型： ①末端产物阻遏（ end-product repression）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。

② 分解代谢物阻遏（ catabolite repression）：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时 ,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现“二次生长（ diauxic growth ”） 。

直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物——实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。

酶合成调节的机制 操纵子学说概述：1、操纵子（ operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。

① 结构基因 (structural genes) ：是决定某一多肽的DNA 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA ，然后再可通过核糖体转译出相应的酶 ;（编码蛋白质的 DNA序列）

②启动子 (promoter) ：能被依赖于 DNA的 RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是 RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）

③操纵子（ operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；

④调节基因（ regulator gene）：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子 , 但在原核生物中 ,可以位于操纵子旁边 ,编码调节蛋白。

2、诱导物（ inducer ）与辅阻遏物（ corepressor） 诱导物——是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因 的结合促进转录进行）； 辅阻遏物——是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等；（调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合抑制转录进行）； 它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物（ effecor），可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因 的结合能力。

一些重要术语

二者都是由调节基因编码产生特异性调节蛋白(regulatory potein) ， ；它俩是一类低分子量变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一位点可与效应物结合；当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用，变构后与操纵基因的结合能力可提高或下降。（有活性——可与 O结合；无活性——不与 O结合） 阻遏物 :能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白； 阻遏物蛋白 :只能再有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。

3、阻遏物（ repressor ）与和阻遏物蛋白（ aporepresseor）

正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。

负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。

酶合成的阻遏 终产物的阻遏： （ 反馈阻遏 ) 即在合成代谢中，终产物阻遏该途径 所有酶的合成。为基因表达的控制 。 如：色氨酸 (Try) 合成的调控 ( 正调节 ) 。

降解产物的阻遏： 有葡萄糖时：——— cAMP 的产生受葡萄糖抑制。 葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性， cAMP浓度下降 ， cAMP 不与 CAP 结合， RNA 多聚酶不能结合， 转录不能进行。 无葡萄糖时：——— cAMP浓度上升， cAMP与 CAP( 降解物的激活蛋白 ) 结合 , 与启动基因结合，转录进行 .

第五节 代谢调节在发酵工业中的应用

一、应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节二、应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节三、控制细胞膜的渗透性

工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。

代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。

人工控制代谢的手段： 改变微生物遗传特性

(遗传学方法）； 控制发酵条 （生物化学方法）； 改变细胞膜透性；

一、应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节

天冬氨酸 天冬氨酸

磷酸天冬氨酸 半醛

高丝氨酸

苏氨 酸 甲硫氨酸

C.glutamicum 的代谢调节与赖氨酸生产

赖氨酸

为反馈抑制 为阻遏

AKHSDH

二、应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节

★ 抗反馈控制突变株——是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。★抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。★获得方法及其原理：

目标产物 结构类似物

赖氨酸 S-（ 2 氨基乙基） -L半胱氨酸 -(AEC)

苏氨酸 -氨基 -- 羟基戊酸（ AHV)

异亮氨酸 乙硫氨酸

精氨酸 D-精氨酸

苯丙氨酸 对氟苯丙氨酸

三、控制细胞膜的渗透性 使胞内的代谢产物迅速渗漏出去 ,解除末端产物的反馈抑制。 1. 用生理学手段—— 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 如 : 在 Glu 发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌 Glu ；控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性；当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法；再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是 Mn2+；

Mn2+ 的作用与生物素相似。

2. 利用膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型

如 :用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。

甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。