应用微生物学1

第二章 微生物的代谢

微生物初级代谢 微生物次级代谢 代谢调节
微生物的代谢
微生物细胞所进行的生化反应的总和


物质代谢 能量代谢 信息代谢
细胞内及细胞与环境间的物质转换的过程
载体
微生物初级代谢

微生物从环境摄取物质、获得能量、合成自身新物质 的过程
营养物 废弃物
← 能量（用于生长）

逐步建立方法认识微生物
Leenwenhock (1673) 显微镜 Jenner (1798) 牛痘 Basteur (1860s) 发酵、低温灭菌、自然发生 Koch (1881) 纯培养

微生物形成产业
Fleming (1929) 青霉素 Waksman (1944) 链霉素

现代生物技术
Cohen (1972) DNA 重组

微生物菌种的获得和优化 微生物培养条件的建立和优化 微生物的应用
应用微生物学研究的一般流程
提出问题（工业、农业、环境、健康、国防…） 微生物？ No Yes 菌种 解决问题 发酵 解决问题 应用 解决问题
应用微生物学的发展
微生物学的发展是与应用紧密联系的
光能有机营养型（光能异养型 Photoorganoheterotrophy） 化能无机营养型（化能自养型 Chemolithoautotrophy）

化能有机营养型（化能异养型 Chemoorganoheterotrophy）
微生物生长的条件—环境条件

pH 中性（弱酸、碱）、嗜酸、嗜碱 温度 最适、生长、耐受 氧气 严格（专性）好氧、兼性、耐氧厌氧、严格厌氧 压力 渗透压
青霉素 侧链R基
在试管内的抗生素效价(U/mg)
金黄色葡萄球菌 (G)苯甲基青霉素 C6H3-CH21667 枯草杆菌 1667
(X)对羟基苯甲基青 HO-C6H3-CH2霉素
(F)戊烯基青霉素 (FH2)n-戊基青霉素 (K)n-庚基青霉素 CH3CH2CH=CHCH3CH3CH2CH2CH2CH2 CH3CH2CH2CH2CH2 CH2CH2-




不可培养微生物 (VBNC vive but non-cultured)
培养基
提供微生物生长所需物质与环境条件 的体系
培养基的组成要素

碳源、氮源、提供各种元素的无机盐 生长因子或含生长因子的物质 水、固化基（固体培养基） pH、渗透压（糖、盐浓度）、灭菌条件
培养基的种类
显微计数 菌落计数 浊度测定 细胞干重
微生物生长的数学描述
比生长速度(specific growth rate) = dx/xdt
细菌 酵母菌 放线菌 真菌 0.6-1.2 0.3-0.5 0.1-0.3 0.1-0.3
生物量倍增时间(biomass doubling time) td=ln2/ 增值度(multiplication degree) x/xo
定义

应用微生物学:
以一定的直接或间接应用目标研究微生物及 其相互作用和与环境的作用的科学。(applied microbiology) 利用微生物与微生物学基础知识，通过生物 技术手段来实现一定应用目标的学科。 (microbiology in application)
微生物的特点

氨基酸合成途径
GLC → PPP↓ R5P ↓ His 3PG ↓ PEP ↓ PRY ↓ OAA → Ser, Gly, Met （3－磷酸甘油酸衍生型）
→ Phe, Try, Trp （芳香族氨基酸） → Ala, Val, Leu （丙酮酸衍生型）
→ Asp → ASA → Lys（草酰乙酸衍生型） ↓ ↓ TCA Asn HS → Thr ↓ ↓ AKG Met Ile ↓ Arg ← Glu → Gln （α －酮戊二酸衍生型） ↓ Pro
第一章 微生物的生长

微生物生长的条件 培养基 生长动力学
微生物细胞的化学组成
细胞中几种主要元素的含量
(干重的百分数) 元 素 C N 细菌 50~53 酵母菌 45~50 霉菌 40~63 7~10 细胞干物质中主要组分和含量(%) 细菌 酵母菌 霉菌
蛋白质 50~80 32~75 20~40 碳水化 12~28 27~63 7~10 合物 脂类 核酸 5~20 10~20 2~15 6~8 7~10 4~40 1 5~10
极端环境微生物 (extremophile)

极端微生物与不可培养微生物

极端环境微生物 (extremophile):依赖于一种或多种 极端物化因子生存的微生物
嗜热菌：50-80°C (hyperthermophiles>80°C) 嗜冷菌：<16°C 嗜酸菌： <3 嗜碱菌： >9 嗜盐菌： >3M 嗜压菌
微生物次级代谢
次级代谢是相对于初级代谢的概念，指微 生物在一定的生长时期（一般为稳定期）以初 级代谢物为前体、合成对微生物生命活动没有 明确功能的物质的过程。
次级代谢（前体聚合、 初级代谢 结构修饰、装配）
营养物
前体
（初级代谢物）
次级代谢物
次级代谢的生物学意义
次级代谢的生理意义目前尚无定论，但它肯定对微生物是有意 义的，否则这种需要多种酶类协同参与、并在精细的调节机制控 制之下的代谢过程是不会在生物体内保存下来的。
耐干霉菌
耐高渗酵母菌
0.65
0.60
微生物生长的条件—物质条件

碳源和氮源 O H P S K Ca Mg Fe Mn Cu Zn Mo Co Ni V B Cl Na Si 维生素、氨基酸等
微生物的营养类型

光能无机营养型（光能自养型 Photolithoautotrophy）
细胞需要某种酶时才合成，反映出细胞的自我调节机理。这种诱 导物诱导可诱导酶的产生与辅抑物抑制可阻遏酶的产生的现象称适应 现象。 乳糖：诱导物(inducer) 色氨酸：辅抑物(corepressor)
底物与诱导物

底物不等于诱导物
对β – 半 乳糖苷酶 作底物 作诱导物 乳糖
资源量大（多样性丰富） 生物量大（生长迅速） 可塑性大（便于操作） 个体小（便于运输、携带）
完成自然界的物质循环 造福人类 引起灾难

当前人类面临的问题

资源的压力 环境的挑战 传染病的新生与复发
微生物的应用部分

细胞 基因 基因产物（酶、蛋白质） 代谢产物
应用微生物学需解决的问题

生长动力学
增值曲线 70 （Multiplication curve）：60 细胞数-时间 50

生长曲线 （growth curve）： 细胞量-时间

40 30 20 10 0
12 16 20 0 4 8
ö µ Ô Ö ú ß Ç Ï ú ¤ É ³ ú ß Ç Ï
微生物生长的实验计量

合成代谢 ↓ 细胞组分 能量 （用于运动和物质转运） 酶 分解代谢 能量来源
重要的初级代谢途径

糖酵解途径 糖代谢的共同分解途径 三羧酸循环 将糖最终氧化为二氧化碳和水，并产生大量能量 磷酸戊糖途径 产生四碳糖、五碳糖和七碳糖等多种中间产物 ED途径 细菌代谢葡萄糖产生乙醇的途径 氨基酸合成途径
微生物细胞的结构


细胞壁——形态保持、物质交换、信号识别 细胞膜——转运 细胞质——酶、反应场所 细胞核——遗传物质 核外遗传物质——线粒体、质粒
重要的应用微生物



病毒：‫-ג‬噬菌体 细菌：大肠杆菌(E.coli) 棒杆菌(Corynebacterium) 放线菌：链霉菌(Streptomyces) 酵母菌：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisia) 真菌：曲霉(Aspergillus)
磷酸戊糖途径
氧化（产生NADPH ）
非氧化 （分子重排 ）
RU5P P6G G15L G6P RKI ↙ ↘ RPE R5P X5P
TKL
GAP S7P
TKL
E4P
TKL
F6P
ED途径

存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中，是微生物特有的, 将2-酮-3脱氧-6-磷 酸葡糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。

按物理状态：固体、液体、半固体 按化学组成：合成、丰富、半合成 按使用目的：种子、发酵、筛选、再 生、 富集……
培养基的选择和设计原则



适用：利于达到目的 利于下游工艺 重复性好 经济：原料价格 原料用量 全工艺综合平衡 安全：环境影响 生物安全
培养基的选择和设计是应用微生物学研究的重要内容
代谢调节的位点
DNA ↓③ RNA ↓ 酶 底物 （营养物） ① 底物 （或中间物） 产物 ②
①底物进入，②酶的活性，③酶的合成
代谢调节的本质：酶的调节

酶合成的调节：诱导与阻遏—基因水平 酶活性的调节：反馈抑制—蛋白质水平

适应现象
例1，大肠杆菌乳糖代谢： β – 半乳糖苷酶 乳糖 --------------------→半乳糖 + 葡萄糖 E.coli生长于无乳糖培养基， β – 半乳糖苷酶：3 分子/细胞 E.coli生长于含乳糖培养基， β – 半乳糖苷酶：3000-5000 分子/细胞 例2，大肠杆菌色氨酸代谢： E.coli生长于无色氨酸培养基，合成色氨酸合成酶， 当色氨酸浓度增加时，色氨酸合成酶浓度下降。
糖酵解途径(Embden-Meyerhof pathway)

葡萄糖经酶的催 化降解成丙酮酸并 伴有ATP生成的过 程。在动物、植物、 微生物细胞中，这 一过程是分解葡萄 糖产生能量的共同 代谢途径。
GLC ↓ HXK ZWF SOL GND ←G6P → G15L → P6G → RU5P ↓ PGI F6P PFK↓↑FBP F16P ↙↘ FBA GLY←G3P← DHAP → GAP ↓ TPI ↓ TDH P13G ↓ PGK ← 3PG ↓ GPM 2PG ↓ ENO PEP→ ↓ PYK PDC ADH ← PYR → ACA → ETH
900
1500 1670 2300
1500
970 660 700
青霉素的生物合成
代谢调节
细胞为维持正常的生理功能， 它的组分、代谢物、能量和电子载 体的合成大体上应保持恒定。当环 境或细胞自身发生某种变化时，可 以通过一定的反馈作用来达到平衡 生长，这种反馈作用即代谢调节。
代谢调节与育种
研究微生物的代谢规律和调控机制，除了 有理论意义，更重要的是能有目的地改造微生 物使它能最大限度地生产人类所需的代谢产品， 并为此提供最适合的环境条件，从而发展生产， 造福人类。从某种意义上讲，越是理想的高产 菌株，就越偏离它在自然进化中建立起来的调 控机制。许多遗传育种工作就是为获得目标代 谢产物合成不受或少受代谢调控的“不正常” 菌株。
12~15 7.5~12.4
O
H
~20
~8
~30
~7
~40
~7
灰分物 2~10 质
Baidu Nhomakorabea
微生物生长的条件—物质条件

水
细菌 酵母菌 霉菌
aw=Pw/Pw0
最低aw值
0.91 0.88 0.80
微生物类群
溶液
30%葡萄糖 1%葡萄糖 +40%蔗糖 饱和蔗糖 饱和NaCl
aw
0.96 0.96 0.76 0.78

维持初级代谢的平衡 次级代谢产物作为储藏物质的一种形式 使菌体在生存竞争中占优势 与细胞分化有关
青霉素
S CH3 R-CO-NH-HC—CH C ∣B ∣ A ∣ CH3 OC---N ---- CH
∣
COOH 侧链： R-CO母核：噻唑环 A ，β -内酰胺环 B
几种青霉素的侧链和抗生素效价比较
→
三羧酸循环(Krebs cycle)
PYR → ACoA MDH ↓ CIT MAL → OAA → CTT FUM ↑ ↓ ↓ACO FUM ICI SDH↓↑ OSM ↓ IDP SUC ← SUCC ← AKG→
LSC
KGD
丙酮酸进一步氧化脱羧形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A再经过氧化、脱羧，最 终产物为二氧化碳和水，并伴有大量能量产生的一系列反应过程。
应用微生物学
Applied Microbiology
应用微生物学


概论 微生物的生长 微生物的代谢 微生物的遗传与遗传育种 微生物基因工程 微生物的基因操作系统 微生物酶工程 微生物发酵工程 微生物代谢工程
概 论

基本概念 应用微生物学的发展 微生物细胞的结构 重要的应用微生物