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微生物学 章节六：微生物的代谢
#微生物学 #食品 #代谢 #发酵 #调节
- 代谢：活细胞内发生各种化学反应的总称，主要有分解代谢catabolism和合成代谢anabolism两个过程组成
- 分解代谢：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：细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，这个过程需要消耗能量
- 生物氧化： 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也被称为生物氧化，是一个产能代谢过程
6.1 发酵fermentation
- 定义：指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物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的过程
6.1.1 糖酵解
- EMP途径 狭义的糖酵解
- HMP途径
- ED途径
- 磷酸解酮酶途径
6.1.2 乙醇发酵
- 酵母的一型发酵
- 乙醛为H受体
- 产物为乙醇
- 酵母的二型发酵
- 存在亚硫酸氢钠时发生
- 磷酸二羟丙酮为H受体
- 产物为甘油
- 酵母的三型发酵 不产生能量，只能在非生长的情况下进行
- 弱碱性条件下发生
- 磷酸二羟丙酮为H受体
- 产物为甘油、乙酸、乙醇
6.1.3 乳酸发酵
- 同型乳酸发酵
- 异型乳酸发酵
- 双歧发酵
6.1.4 微生物发酵产物
- 微生物的菌体
- 面包酵母、菌体蛋白、食用/药用真菌
- 生物防治剂：苏云金芽孢杆菌
- 微生物酶
- 食品工业：α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、糖化酶……
- 医药工业：门冬酰胺酶……
- 微生物代谢产物
- 初级代谢产物
- 次级代谢产物
- 利用微生物的发酵能力消耗营养成分
- 如废水处理
6.2 呼吸
- 定义：微生物在降解底物过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD、FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放能量的过程
- 呼吸作用与发酵作用的根本区别： 呼吸作用中电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是直接交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子载体
- 有氧呼吸aerobic respiration：分子氧为最终电子受体
- 无氧呼吸anaerobic respiration：氧化型化合物为最终电子受体
6.3 磷酸化phosphorylation
- 底物水平磷酸化：含高能键化合物偶联ATP/GTP合成
- 氧化磷酸化：电子传递偶联ATP合成
- 光合磷酸化：光能激活叶绿素释放电子偶联ATP合成 光合作用的实质是光能转变为化学能
6.4 初级代谢与次级代谢
- 初级代谢：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需要的物质和能量的过程，是微生物生长、分化和繁殖所必须的代谢活动
- 次级代谢：非微生物生命活动所必须的代谢，是微生物生长到一定的时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物生长、繁殖、分化关系不大，生理功能也不十分清楚，但可能对微生物生存有一定价值的物质的过程
6.5 微生物代谢的自我调节
- 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
微生物代谢受到高度调控
- 微生物生长在含单一有机化合物为能源的合成培养基中，所有大分子单体（如氨基酸）的合成速率同大分子（如蛋白质）的合成速率协调一致
- 任何一种单体的合成，如能外源获得，合成会自动停止
- 微生物只有在某些有机基质存在时，才会合成异化这些基质的酶
- 如存在两种有机基质，微生物会优先利用更易利用的基质（如葡萄糖现象）
- 养分影响生长速率，从而相应改变细胞大分子组成（如 RNA））
微生物自我调节的方式
- 养分吸收分泌的通道
- 限制酶与底物的接近
- 代谢途径通量的控制
6.5.1 组成酶与诱导酶调节
- 组成酶constitutive enzyme（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶
- 诱导酶inducible enzyme：依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶
- 调节方式
- 控制营养物质透过细胞膜进入细胞
- 如只有当速效碳源/氮源耗尽时才开始合成转运迟效碳源/氮源的酶
- 通过酶的定位，控制酶与底物的接触
- 如原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能
- 控制代谢物流向（通过酶促反应速度来调节）
- 关键酶：某一代谢途径中的第一个酶或分支点后第一个酶
- 粗调：调节酶的合成量
- 细调：调节现有酶分子的活性
- 控制营养物质透过细胞膜进入细胞
6.5.2 酶活性调节
- 酶活性的激活
- 酶活性的抑制
- 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
- 反应加快：正反应
- 反应减慢：负反馈（反馈抑制）
a）共价修饰
- 可逆共价修饰（如各种酶的磷酸化与去磷酸化），具有能随时响应的特性
- 不可逆共价修饰（如酶原激活），与别构调节不同，是酶的一级结构发生改变
b）别构调节 allosterism 在小分子物质与蛋白质分子发生可逆的相互作用（非共价键结合形式）
- 别构蛋白：活性中心之外结合小分子物质而改变活性的蛋白
- 别构效应物：具有变构作用的小分子
c）缔合与解离
d）竞争性抑制
6.5.3 酶合成调节
A. 诱导induction
酶合成的诱导：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
- 诱导酶：微生物通过诱导作用而产生的酶
- 诱导物inducer：底物或结构类似物 如 IPTG
- 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，如乳糖酶
- 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
酶的分类
- 组成酶：不依赖于酶底物或类似物的存在而合成
- 诱导酶：依赖于酶底物或类似物的存在而合成
⚠️ 注意：诱导物可能不是诱导酶的底物（也即安慰性诱导物） 如 IPTG
⭐ 猜你想看的案例：乳糖操纵子与负控诱导系统
B. 阻遏repression
酶合成的阻遏：阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成
- 类型
- 末端产物阻遏：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，能将代谢中各种酶的浓度维持在适当的浓度
- 分解代谢物阻遏：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
- 最早发现于大肠杆菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基时，故又称之为“葡萄糖现象”
- 分解代谢物阻遏导致出现 “二次生长” diauxic growth
二次生长现象
将两种代谢底物投于微生物进行培养时，如果有一种底物的代谢所需酶系统必须经过诱导才能形成，则该种微生物的生长过程分为两个阶段
举例：葡萄糖现象
- 葡萄糖酶：组成酶
- 乳糖酶：诱导酶
- 存在葡萄糖时：cAMP 产生受其抑制
- 葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶活性，cAMP 浓度下降，cAMP 不与 CAP 结合，RNA 聚合酶不能结合，转录不能进行（抑制乳糖分解相关基因的表达）
- 只有当葡萄糖及其降解物消耗完后，才能产生足够浓度的 cAMP，并与 CAP 结合，二者的复合物进而与启动子结合，RNA 聚合酶才与启动子结合并开始转录（开始表达乳糖分解相关基因）
- 本质上属于一种分解代谢物阻遏，乳糖酶的调控属于双重调控，既受到葡萄糖现象的分解代谢物阻遏，又受到乳糖操纵子的负控诱导调控
- 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、操纵基因、启动子
- 结构基因structural gene：编码某一多肽的DNA序列
- 调节基因regulator gene：编码调节蛋白的DNA序列
- 操纵基因operator：位于启动子和结构基因中间，是调节蛋白的结合位点
- 启动子promoter：可被RNA聚合酶识别的碱基序列
- 调节蛋白的分类
- 阻遏物repressor：无诱导物时与操纵基因结合
- 阻遏物蛋白aporepresseor：存在辅阻遏物时与操纵基因结合
- 诱导型操纵子
- 诱导物inducer与阻遏物的结合使调节蛋白从操纵基因上脱落，诱导酶得以表达
- 总结：诱导物浓度增加，基因转录频率提高
- 举例：乳糖操纵子
- 阻遏型操纵子
- 辅阻遏物repressor与阻遏物蛋白的结合使之可以与操纵基因结合，从而阻遏诱导酶的表达
- 总结：缺乏辅阻遏物时，基因的转录频率最高
- 举例：色氨酸操纵子
复习的时候顺便看这些：
6.5.4 分支生物合成途径的调节
- 同工酶调节
- 协同反馈调节
- 累加反馈调节
- 增效反馈调节
- 联合激活或抑制调节
6.6 反馈调节
6.6.1 克服末端代谢产物反馈调节的调控
反馈调节
- 反馈抑制
- 反馈阻遏
克服方法
- 降低末端产物浓度
- 营养缺陷型的利用
- 利用营养缺陷型积累直链代谢途径的中间代谢产物（但是必须外界提供低浓度的末端代谢产物，以维持微生物生存的同时，确保不会产生反馈调节）
- 利用营养缺陷型积累分支代谢途径的中间代谢产物
- 利用营养缺陷型积累分支代谢途径的末端产物
- 渗漏缺陷型的利用
- 营养缺陷型的利用
- 抗反馈调节突变株的利用
- 回复突变株的利用
缺陷型（基因突变型的一支）
- 营养缺陷型：指微生物经基因突变引起的代谢障碍而必须添加某种营养物质才能正常生长的突变型
- 渗漏缺陷型：一种特殊的营养缺陷型，其特点是酶活力下降，但不完全消失
抗反馈调节突变株
是指代谢途径中关键酶或调节蛋白发生突变，使终产物不能再对其产生反馈抑制或阻遏作用的菌株。它能解除自身代谢调控，过量积累中间产物或终产物，常用于工业发酵高产菌株选育
- 酶不再别构
- or 阻遏物不能被活化
- or 操纵基因发生突变，不再与阻遏物结合
筛选方法 在培养基中添加末端产物类似物（结构类似但无法参与生物合成），只有解除了反馈调节抗反馈调节突变株才能存活生长
6.6.2 克服分解代谢阻遏的调控
- 避免使用有阻遏作用的碳源和氮源 （如避免使用乳糖）
- 缓慢流加碳源或氮源
- 利用抗分解代谢物阻遏的突变株
抗分解代谢物阻遏的突变株的筛选方法
在以酶受阻遏的底物为唯一碳源或氮源的培养基上，筛选能正常生长的菌落
eg. 把鼠伤寒沙门氏菌培养在葡萄糖-脯氨酸培养基上，Pro 为唯一氮源，因为葡萄糖代谢物的阻遏，野生型将无法利用 Pro 而生长，只有突变株可以不受阻遏而利用 Pro 生长
6.6.3 克服诱导阻遏的调控
- 添加诱导物类似物（也叫安慰性诱导物，可以诱导酶的合成，又不会被诱导出来的酶分解的物质，如 IPTG）
- 添加辅酶或辅助因子
- 利用组成型突变株（筛选方法：交替培养，如乳糖-葡萄糖交替培养，突变株生长得比野生型快）
TIP
( ’ω’ ) 预祝复习顺利！！！