Chapter 5 微生物的代谢A

产物：麦芽糖，带分支侧链的寡糖及糊精。 产物麦芽糖在光学构型上为β—型，故称之β—淀粉酶。 分布：β—淀粉酶广泛存在于霉菌中，细菌中少见。
糖化酶： 从淀粉分子的非还原性末端以葡萄糖为单位水解α— 1，4糖苷键，产物为葡萄糖；不能水解α—1，6糖苷 键。
异淀粉酶：能水解α—1，6糖苷键。
微生物产生的淀粉酶中，细菌产生的主要是α—淀粉 酶，霉菌产生的主要为β—淀粉酶和异淀粉酶。
果胶能被多种细菌和真菌分解 厌气性蚀果胶梭菌(Clostridium pecti novorum) 和费新尼亚梭菌(Clostridium felsineum) 好气性浸麻芽孢杆菌(Bacillus macerans)等
原果胶酶
原果胶(不溶解)
可溶性果胶
可溶果胶+ H2O
果胶酸+甲醇
聚半乳糖醛酸酶
纤维素的分解 植物细胞壁的重要成分，在植物体内含量达 15%～50%。纤维素由葡萄糖通过β—1，4糖 苷键聚合而成，分子量多在100万以上，天然 纤维分子不溶于水。
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纯纤维素很容易被微生物分解，但植物中纤维素常 和木质素等紧密结合在一起而难以分解。
分解纤维素的微生物：
分解能力较强的微生物主要是真菌。如木霉 (Trichod erma)、根霉(Rhizopus)、黑曲霉及青 霉(Penicillium)等。食用菌中的大多数分解纤 维素的能力很强。
蛋白质是许多微生物生长的氮源，在碳、能 源不足时也可用作碳源与能源物质。
蛋白酶 肽酶
蛋白质
肽
氨基酸
蛋白酶是一种胞外酶。 不同的蛋白质需要不同的蛋白酶催化才能降解。 如明胶、酪蛋白、胶原蛋白和角蛋白分别由明 胶蛋白酶、酪蛋白酶、胶原蛋白酶及角蛋白酶 水解。
真菌分解蛋白质的能力较细菌强，且能利用天 然蛋白质。大多数细菌不能利用天然蛋白质， 只能利用某些变性蛋白及蛋白胨、肽等蛋白质 的降解产物，这与大多数细菌能合成肽酶有关。
3.瓦勃格氏压力计法——代谢过程中气体 的释放或吸收导致压力的变化。
4.突变株的应用 营养缺陷型——微生物丧失了合成某种生
长所必需的营养物质的能力，必须由外 界供给这种营养物质才能生长，该菌株 就称为营养缺陷型。 特异营养缺陷型——丧失了合成某种次生 代谢产物的能力的微生物称为特异营养 缺陷型。
生物能学原理 (P66)
麦芽糖和葡萄糖。
产物(还原糖)在光学构型上为α型，故称之α-淀 粉酶； 该酶作用时淀粉溶液的粘度下降迅速，故又称该酶为液 化型淀粉酶
分布：
微生物中分布广泛：细菌、放线菌、霉菌
放线菌培养基：高氏培养基中碳源为淀粉
工业上利用曲霉或细菌(地衣芽孢杆菌)发酵 生产淀粉酶。
β—淀粉酶 催化反应：从淀粉分子非还原性末端开始， 以麦芽糖为单位切断α—1，4糖苷键，不能切 断α—1，6糖苷键，也不能越过α—1，6糖苷 键去切断分子中间的α—1，4糖苷键。 该酶不能从淀粉分子内部水解α—1，4糖苷键， 只能从淀粉分子非还原性末端切开α—1，4糖 苷键，故称之外切型淀粉酶。
（1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖
几丁质酶，能分解几丁质形成氨基葡萄糖和乙 酸。
细菌、放线菌、真菌 中都有能分解几丁质的种类
分解几丁质能力强的细菌有嗜几丁质杆菌(Bact. chitinophilum)和几丁质色杆菌 (Chromobacterium chitinochrona)，二者均为 好气性无芽孢周毛杆菌。这两种细菌分解几丁 质时利用生成的氨和葡萄糖作氮源、碳源及能 源。
在植物中具有防治植物病虫害、促进植物生长的功 能。启动植物防御系统，使其本身处于不易受侵害 的生态环境中。同时该寡聚糖具有抗菌、抑菌效果， 用该类寡糖做的肥料不利于士壤中病菌和细菌的生 长。
在医药工业中，几丁质经酶作用后所产生的寡糖具有抗 癌作用，活化机体免疫功能，诱使胰脏淋巴T细胞产生 Interleukin,且对生物体无毒性或低毒性。
微生物代谢的特点
❖ 微生物的代谢速度快 ❖ 代谢的多样性 ❖ 微生物的适应能力强
微生物代谢的研究方法
1.静息细胞法——细胞水平 静息细胞：收集培养到一定阶段的菌体，经洗
涤后，悬浮在生理盐水中继续培养一段时间， 消耗其内源营养物质，使之呈饥饿状态，如 此获得的细胞称为静息细胞。
2.同位素示踪法——灵敏
❖ 初级代谢——具有明确的生理功能、对 维持生命活动不可缺少的代谢过程。
❖ 次级代谢——微生物在一定的生长时期， 以初级代谢产物为前体，合成一些对微 生物的生命活动没有明确的生理功能的 物质的过程。
Thousands of such reactions are occurring simultaneously in a single cell. These reactions occur with a minimum of side products, energy loss or undesired interferences and at reasonable temperatures, pH and pressure. All of these reactions must be controlled or regulated for optimum efficiency.
半纤维素较纤维素容易分解。
能分解半纤维素的微生物种类更多。
真菌中的曲霉、青霉及木霉等均能分 解半纤维素，分解产物为相应单糖。
果胶的分解
果胶质是构成植物细胞间质的组分。 由半乳糖醛酸单体聚合而成。 聚合态半乳糖醛酸称为果胶酸； 果胶酸羧基甲基化的产物称果胶； 果胶又分为可溶性果胶与不溶性果胶(又称原 果胶)
E1和E2的酶活性受纤维二糖与葡萄糖反馈抑制 E3活性受葡萄糖反馈抑制
天然纤维素分为结晶区域和非结晶区域
C1酶
C1酶 Cx 酶
Cx 酶
Cx 酶
Cx 酶
半纤维素的分解
含量：在植物体内的含量仅次于纤维素。如 在玉米根、茎中的含量可达30%左右。
组成：半纤维素由戍糖(主要为木糖和阿拉伯 糖)和已糖(半乳糖与甘露糖)缩合而成。
分解木质素的微生物：
主要是担子菌纲的一些种类。如干朽菌 (Merulius)、多孔菌(Polyporus)及伞菌 (Agaricus)等属的一些种。
木质素在土壤中分解缓慢。
好气条件下的分解速度较快。
几丁质
几丁质是多数真菌细胞壁的主要成分之一，也广泛 存在于原生生物、节肢动物和甲壳类生物之中，每 年自然界中产生的几丁质数量极其巨大，超过100 亿吨 ，其在地球上的含量非常丰富，仅次于纤维素。
脂肪的分解
脂肪是甘油和脂肪酸形成的酯。在动植物残体 中含有一定量脂类物质。一般作物茎叶中，脂类 约占干物质的0.5%～2.0%，油料作物种子中， 脂类约为30%～50%。
土壤中的脂类主要来自植物残体，少量来自动物 与微生物。
分解脂肪的微生物都具有脂肪酶。在脂肪酶作 用下，脂肪水解为甘油和脂肪酸。
蛋白质的分解
果胶酸+H2O
半乳糖醛酸
麻纤维脱胶的原理:
麻类植物纤维的化学成分为纤维素，存在于 茎杆的韧皮部内，纤维素与果胶类物质结合 在一起。麻纤维脱胶就是利用果胶分解微生 物有分解果胶能力而不分解纤维素的特点， 将果胶分解掉，使纤维完好地脱离出来。
木质素与其它芳香族化合物的分解
木质素是植物木质化组织的重要成分。 禾本科秸秆含木质素20%左右。 木质素的化学结构不十分清楚。据现有研究，木 质素是由以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多 种芳香族化合物(苯丙烷、松柏醇等)氧化缩合而成 的。
α—淀粉酶(α—amylase)--又称液化型淀粉酶。
催化反应：任意切割内部α-1，4糖苷键，但不能切断α-1，
6及邻近α-1，6糖苷键的α- 1，4糖苷键，难于切断淀粉
分子两端的α-1，4糖苷键。故又称之为内切型淀粉酶。
产物：
直链淀粉
为寡糖、葡萄糖与麦芽糖的混合物
支链淀粉
为带有α-1,6 糖苷键的 糊精 、
蛋白质也是人类的重要营养物质。
混合氨基酸注射液，可作为危重病人的营养 物质。
酱油，就是大豆蛋白在米曲霉分泌的蛋白酶 作用下分解而成的混合氨基酸溶液。酱油的 鲜味是由其中的谷氨酸钠产生的。
核酸、磷脂与植素的分解
核酸 核酸一般不作为微生物生长的主要营养物质，
但在特殊情况下(如营养物质耗尽时)，微生物在 短期内可通过核酸酶将胞内核酸(如RNA)或其它 生物的核酸降解，以维持生命。另外，微生物 在其生长过程中通过核酸酶作用使胞内核酸不 断更新。
链霉菌 中有许多分解能力比较强：褶皱链霉 菌、浅青紫链霉菌、橄榄绿链霉菌、淡紫灰 链霉菌、灰色链霉菌、浅天青链霉菌、天蓝 色链霉菌
真菌类有木霉属(Trichoderma harziaum, Trichoderma virens, Trichodernau hamautum)、 酿酒酵母、白色扁丝霉、白色念珠菌、构巢 曲霉、白僵菌、少孢根霉
在化妆品中利用该寡聚糖良好的保湿性可作为保湿乳液、 化妆水的原材料，该产品效果与hyaluronic acid类似，但 成本降低近一半。该产品还可用于发胶中，能保护头发， 赋予光泽，具有紫外吸收性，可防止头发受到紫外光的破 坏。
由于几丁质的不溶性和壳聚糖的难溶性使其应用受到
一定的局限性，特别是在动、植物体启动免疫系统中，因 此几丁质寡糖的研制及开发成为国际上对几丁质开发的热 点之一。国外已筛选出多种几丁质酶生产菌，并将其分离 提纯。
二、小分子物质的分解
一）、单糖的分解
1、葡萄糖的酵解途径
生物体内葡萄糖降解成丙酮酸的过Fra Baidu bibliotek称为糖酵解(glycolysis). 主要分为五种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸 解酮酶途径（WD）和葡萄糖直接氧化途径
1）、EMP途径 (Embden-Meyerhof-Parnas途径)
EMP途径
核酸酶：内切酶、外切酶
磷脂 磷脂是微生物细胞质膜的重要组成成分。
死亡细胞中的磷脂经微生物分解后重新利用。 卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，在微生物卵磷脂 酶作用下水解为甘油、脂肪酸和胆碱。胆碱 进一步分解形成NH3、CO2及有机酸(醇)。 植素
植物体内的植素是植酸(肌醇六磷酸)钙镁 盐。肌醇六磷酸在肌醇六磷酸酶作用下水解 为肌醇和磷酸。
Chapter 5 微生物的代谢A
第一节 代谢的基本概念
代谢概论
代谢（metabolism）： 细胞内发生的各种化学反应的总称
代谢
分解代谢(catabolism) 合成代谢(anabolism)
分解代谢
复杂分子
简单小分子 ATP [H]
（有机物）
合成代谢
❖ 直线途径和分支代谢途径
❖ 双向代谢途径
1、自由能 2、氧化-还原电位 3、高能磷酸化合物
第二节 微生物的分解代谢
一、大分子物质的降解 (P87)
❖ 微生物细胞质膜为半透膜，只有小分子物质 才能透过质膜进入细胞，被微生物分解利用。 单、双糖、氨基酸及其它小分子有机物均能 直接进入细胞。
❖化能异养型微生物能利用的有机物质种类很 多，如淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、脂肪、 蛋白质、木质素及核酸等。
堆肥的高温阶段纤维素的分解主要是依靠高 温放线菌。
纤维素酶:
纤维素酶系由3种类型的酶组成。
E1（C1酶）是内切型葡聚糖水解酶，可以任意水解 纤维素分子内部的β—1，4糖苷键，产物为寡糖； E2（Cx酶）为 外切型葡聚糖水解酶，从纤维素分 子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二 糖；
E3为β葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。
N-乙酰几丁寡糖和壳聚几丁寡糖具有清爽的甜味， 有吸湿和保湿性，其在水中溶解度比单糖低，有助 于调整食品的水活性，增进保水性，兼具调味和改 良食品质构的功能，另外N-乙酰几丁寡糖可促进肠 道内有益菌(Bifidus)的增殖并抑制大肠杆菌及肠道 内病原菌的生长，是一种良好的双歧杆菌增殖因子。
在农业方面可用作饲料添加剂，提高动物免疫力，
活化
葡萄糖激活的 方式
己糖异构酶
磷酸果糖激酶
二磷酸果糖醛缩酶
3-磷酸甘油醛脱氢酶
❖这些大分子物质不能直接进入细胞，必须预 先经微生物分泌的胞外酶在细胞外部降解为小 分子物质后才能进入细胞，参与微生物细胞内 进行的多种代谢过程。
❖淀粉的降解
淀粉酶是一系列与淀粉分解有关酶的总称， 这些酶以不同方式联合作用，催化淀粉转化 为葡萄糖。
淀粉酶包括4种类型 α—淀粉酶 β—淀粉酶 糖化酶 异 淀粉酶