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微生物学笔记
| 一、形态大小... 一、形态大小 单细胞，无鞭毛。细胞形态多样，常见球、卵、圆桶形。 大小在1-5um X 5-30um之间。 二、细胞结构 1、细胞壁：厚0.1-0.3um，三层，由酵母纤维素组成（甘露聚糖、葡聚糖、蛋白、类脂）。用蜗牛酶（heliase）破坏壁来制备原生质体。 2、细胞膜：与原核基本相同，但含甾醇（麦角固醇）。由于有细胞器分化，功能不及细菌多，主要是调节渗透压、吸收营养、分泌代谢物等 3、细胞质及内含物 4、细胞核：真核：双层单位膜，大量核孔，可见染色体，一个或几个核仁，核膜外有中心体。 5、线粒体：含有一环状DNA。呼吸酶系载体， 动力工厂 。有氧时需要，厌氧或过量葡萄糖存在时，被阻遏。 环状 2um质粒 ：外源DNA载体。 6、核糖体：细胞质中80S，线粒体70S。 三、菌落特征 与细菌相似，但大且厚。 四、繁殖方式与生活史 （一）繁殖方式 1、无性繁殖 (1)芽殖 budding：最普遍方式（过程） (2)裂殖 fission：少数（裂殖酵母） (3)无性孢子：节孢子、掷孢子、厚垣孢子。 2、有性繁殖 产生子囊和子囊孢子。过程：质配--核配--减数分裂 3、形成孢子条件 营养充足强壮幼龄细胞 适当温、湿度（25-30，80%） 空气要流通 适当的生孢子培养基 （二）生活史 life history(life cycle) 某种生物在整个发育阶段，有一个或几个同形或不同形的个体前后相继形成一个有规律的循环。 四种基本类型： 1、无生殖，仅有营养繁殖。（细菌） 2、仅有一个单倍体生活，双倍体短。 3、仅有一个双倍体生活，单倍体短。 4、有世代交替现象，单倍体有性，双倍体无性。 酵母菌有三种类型： 单倍体型：八孢裂殖酵母 双倍体型：路德类酵母 世代交替型：酿酒酵母 五、常见常用酵母菌 酵母图示 5节：霉菌 molds 非分类名词，丝状真菌统称。通常指菌丝体发达而又不产生大型子实体的真菌。 一、形态和构造 营养体由菌丝（hyphae)构成，直径3-10um，菌丝再形成菌丝体（mycelium） 菌丝：无隔，多核单细胞，低等真菌 有隔，多细胞，高等真菌 菌丝体：营养菌丝，伸入培养基吸收营养 气生菌丝，向空中生成，形成繁殖器官。（特化形式） 细胞壁厚100-250nm，多含几丁质。 不同类型真菌壁成分比较 二、繁殖与生活史 （一）繁殖 1、无性孢子：主要方式，特点是分散，数量大。 孢囊孢子：内生孢子，毛、根、犁头霉 分生孢子：外生孢子，最普遍 节孢子：粉孢子，菌丝断裂形成 厚垣孢子：真菌休眠体 2、有性孢子 卵孢子：配子囊（雄器、藏卵器） 接合孢子：同宗、异宗配合 子囊孢子：形态多样。子实体、子囊果 担孢子：担子菌特征 （二）生活史 霉菌指从一种孢子开始，经过一定的生长和发育，最后又形成同一种孢子为止。 三、菌落 疏松，绒毛状、絮状、蛛网状。 四大类微生物比较： 四、分类 过去依据菌丝体及有性繁殖特征分为三纲一类，藻状菌纲、子囊菌纲、担子菌纲、半知菌类。 Ainsworth 分类系统： 五、常见常用霉菌 中国食用和药用大型真菌 (一)食用真菌 1、种类资源：担子菌675种，子囊菌45种。通常栽培的仅10多种。 2、营养：蛋白含量高，AA多达18种左右，特别是人体必需AA。还含有多种维生素、糖类和矿物质。Lys含量一般较高。 3、栽培：发展栽培同时，重视采用菌丝体的深层培养，特别是风味特殊而鲜美的种类。菌丝体培养物可新鲜食用，或冷冻干燥成粉，制成食品。 目前栽培广而产而产量大的品种：双孢菇、大肥菇、香菇、草菇、金针菇、侧耳（平菇）、凤尾侧耳、滑菇、银耳、木耳、猴头菌、长裙竹荪等。 培养料来源多且广，棉子壳、锯末、秸杆、蔗渣、酒糟等。 4、应用：食用子实体、菌丝体深层培养。作调味品、香味、饮料等。 （二）药用真菌 1、资源：担子菌345种，子囊菌28种，其它11种。 2、应用：有20多个方面，主要抗癌、抑菌。目前认为抗癌物质主要是多糖，如香菇多糖、银耳酸性异多糖、芸芝多糖（PSK）、茯苓多糖、猪苓多糖、灵芝多糖等。 细胞型生物小结 真菌、细菌、放线菌比较： 真核、原核区别： 6节：病毒 virus 非细胞型生物，有区别于细胞型特征： 1、形体十分微小，滤过，电镜可见； 2、无细胞结构，分子生物，由核酸和蛋白组成，且一种病毒仅含一种类型核酸； 3、专性活细胞内寄生，有宿主专一性，无独立代谢酶系，依赖宿主自身复制； 4、对抗生素不敏感，对干扰素敏感。 概念：病毒是超显微的，无细胞结构，专性活细胞内寄生，在活细胞外具一般化学大分子特征，一旦进入宿主细胞又具有生命特征。 根据宿主不同，可把病毒分为几类，如动物病毒、植物病毒、昆虫病毒、细菌病毒等。 病毒的核酸与细胞型也不同。 一、形态、结构和化学组成 1、大小：nm, 多在100nm左右。图片 2、病毒粒子 virion (病毒颗粒） 成分：核酸--核心core 核衣壳 蛋白--衣壳capsid nucleocapsid 衣壳粒 capsomere 包膜（类脂或脂蛋白）envelope 病毒粒子对称体制：螺旋对称（TMV） 廿面体对称（腺病毒） 功能：核酸：遗传物质基础 蛋白：构成外壳，保护病毒免受核酸酶及其它因子破坏；决定感染特异性；决定抗原性。 3、噬菌体 phage：多为蝌蚪状，结构模式图。头部为廿面体对称，尾部为螺旋对称。 4、群体形态：病毒包涵体、噬菌斑 二、繁殖（烈性噬菌体为例） 1、吸附：分两阶段。感染复数m.o.i 2、侵入：头部DNA通过尾管注入至细胞中，外壳留在胞外。自外裂解 3、增殖：包括DNA复制和蛋白质合成。双链DNA噬菌体三阶段转录： 遗传信息转移： 4、成熟（装配）：潜伏期 5、裂解（释放）：裂解期 上述烈性噬菌体的生长方式，称为一步生长。 一步生长曲线： 裂解量：每个被感染的细菌释放新的噬菌体的平均数。 三、噬菌体与宿主关系 1、烈性噬菌体：凡能引起宿主细胞迅速裂解的噬菌体。敏感细菌。 2、温和性噬菌体：噬菌体侵染宿主后，并不增殖，裂解，而与宿主DNA结合，随宿主DNA复制而复制，此时细胞中找不到形态上可见的噬菌体，这种噬菌体称为温和性噬菌体。含有温和性噬菌体的细菌称为溶源性细菌lysogenic bacteria 温和性噬菌体存在状态 1）游离具感染性的virion； 2）前噬菌体（prophage）：附着或整合在宿主染色体上，一道复制； 3）营养期噬菌体：指导合成。 3、溶源性细菌特性 1）遗传性 2）自发裂解 3）诱发裂解：双氧水、UV、X、等。 4）免疫性 5）复愈（消失溶源性） 6）溶源转变 溶源性菌株命名 四、噬菌体分离检查与防治 （一）分离检查（效价测定） 怎样证实有噬菌体存在：宿主特异性；噬菌斑、液体培养变清等。 1、双层平板法 2、单层平板法 3、玻片快速法 效价（titre），噬菌斑形成单位（pfu） （二）防治措施 1、消灭phage，杜绝其依赖生存条件。 2、选育和使用抗phage菌株。 3、菌种轮换使用。 4、药物防治：加入某些金属螯合剂、表面活性剂。 五、亚病毒 1、类病毒viroid：没有衣壳包裹的RNA分子。 2、拟病毒virusoids(类类病毒）：一类包括在植物病毒粒子中的类病毒，RNA。 3、朊病毒prion, virino：一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水性蛋白。 艾滋病 AIDS 获得性免疫缺陷综合征 1981年首先在USA发现，1983年巴斯德研究所宣布分离出一种virus证实为AIDS的病原，1986年WHO定名为人类免疫缺陷病毒（HIV）。 HIV专门侵犯淋巴细胞，造成免疫缺陷。 传播途径：血液、母婴、体液 第二章：微生物营养和培养基 了解不同微生物需要什么营养物，怎样吸收，起什么作用，如何为其配餐。 营养物：必须得到的细胞结构 成分，必须得到的能量储存物质。 营养：把营养物从外界吸收至细胞内，复制出新细胞结构的过程。 1节：营养物及其功能 一、细胞化学组成 整个生物界大体相同，主要是C、H、O、N（占干重90-97%），C（约50%），此外为各种无机元素，由这些元素再组成化合物。其中C/N一般是5:1。 1、水分和无机元素 含水70-90%（鲜重），无机元素（3-10%干重）依次为P、S、K、Mg、 Ca、Fe、Zn、Mn等。 2、有机物 蛋白质,核酸,碳水化合物,类脂,维生素等 二、主要营养物及其功能 主要功能：提供合成原生质和代谢产物原料；产生合成反应及生命活动所需能量；调节新陈代谢。 （一）碳源物质 定义：凡能提供微生物营养所需碳元素的营养源。 功能：碳源、能源 微生物碳源谱： （二）氮源物质 定义：凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。 功能：氮源，一般不作能源。 微生物氮源谱： 氨基酸自养型和异养型生物 速效氮源和迟效氮源 生理碱性、酸性、中性盐 （三）能源 化学能：有机物-化能异养微生物 无机物 -化能自养微生物 光能 （四）生长因子 定义：一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳、氮源自行合成的所需极微量的有机物。 种类：维生素、AA、base、FA等。 作用：辅酶或酶活化 来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等，复合维生素。 浓度： （五）无机盐 所需浓度在10-3-10-4M的元素为大量元素 所需浓度在10-6-10-8M为微量元素。 主要功能：构成菌体成分；酶活性基组成或维持酶活性；调节渗透压、pH、Eh；化能自养微生物能源等。 无机元素来源与功能： 一些无机元素加入盐： （六）水 存在状态：游离态（溶媒）和结合态（结构组成） 生理作用：组成成分；反应介质；物质运输媒体；热的良导体。 2节：微生物营养类型 依碳源不同： 异养型heterotrophs（不能以CO2为主要或唯一碳源。 自养型autotrophs（能以CO2为主要或唯一碳源。 依能源不同： 光能营养型phototrophs（光反应产能） 化能营养型chemotrophs （物质氧化产能） 这样可将微生物分成四种营养类型 （插入） 其中，化能异养型又据利用有机物特性，分成腐生和寄生。 营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。 3节：营养物吸收与代谢物分泌 营养物吸收至胞内被利用，代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。 通透性与吸收是不同概念。 一般 大分子：先水解为小分子，再吸收。 脂溶性物质：易透过 离子化合物：弱快强慢（极性） 一、营养物吸收 1、单纯扩散 simple diffusion 依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输，不消耗代谢能，无特异性。水、二氧化碳、氧气、甘油、乙醇等。 2、促进扩散 facilitated diffusion 借助载体蛋白顺浓度梯度运输，不耗能，有特异性。载体蛋白（渗透酶）有底物特异性，是诱导产生的。硫酸根、磷酸根、糖（真核） 3、主动运输 active transport 吸收营养物的主要机制。 逆浓度梯度运输，耗能，需载体蛋白，有特异性。氨基酸、乳糖等糖类、钠、钙等无机离子。 亲和力改变←蛋白构象改变→耗能 上述3种方式中，被运输的溶质分子都不发生改变。 4、基团转位 group translocation 属主动运输，但溶质分子发生化学修饰-定向磷酸化。主要依赖磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷酸转移酶系统（PTS）。 PEP+ HPr<=>丙酮酸+P-HPr (EI) 糖+P-HPr<=>糖-P+HPr (EII) 膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等。 二、代谢物分泌 微生物能分泌多种物质，如有机酸、糖类、胞外酶、荚膜多糖等，由此可知，分泌与吸收不是同一机制。 4节：培养基 medium 选用各种营养物质，经人工配制用来培养微生物的基质。 一、培养基类型 1、依来源不同：合成、天然、半合成。 2、依状态不同：固体、半固体、液体。 3、依功能不同：选择、鉴别 二、选择和配制培养基的原则和方法 （一）四个原则 1、目的明确 培养什么微生物，获得什么产物，用途 2、营养协调 恰当配比，尤其是C/N比（100/0.5-2） 3、物理化学条件适宜 pH，考虑区别，培养基调节能力。采用磷酸缓冲液或假如碳酸钙，流加酸碱。 渗透压和水活度 aw : 等渗适宜。 aw表示在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水含量。微生物适宜生长的aw为0.6-0.998之间。氧化还原电位Eh：好氧微生物+0.1v以上；兼性厌氧+0.1v以上行好氧呼吸， +0.1v以下行发酵；厌氧微生物+0.1v以下生长。 4、经济节约 以粗代精、以废代好、以简代繁等。 （二）四种方法 1、生态模拟 2、查阅文献 3、精心设计 4、实验比较 第三章：微生物代谢 广义的代谢--生命体进行的一切化学反应。 代谢分为能量代谢和物质代谢，分解代谢和合成代谢。 分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。 合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用） 二者关系 初级和次级代谢 依据代谢产物在微生物中作用不同，又有初级代谢和次级代谢。 初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。 次级代谢：某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。 二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。 1节：微生物能量代谢 微生物对能量利用： 有机物 化能异养菌 日光 光能营养菌 通用能源 还原态无机物 化能自养菌 ATP 只有ATP和酰基辅酶A起偶联作用，其他高能化合物只作为?P供体。 生物氧化过程分为：脱氢、递氢、受氢三个阶段。 生物氧化功能：产能（ATP）、产还原力[H]、产小分子中间代谢物。 以下主要讲述化能异养微生物的生物氧化和产能。 一、底物（基质）脱氢的四条主要途径 以葡萄糖作为典型底物 1、EMP途径（糖酵解途径） 有氧时，与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。 无氧时，丙酮酸进一步代谢成有关产物。 2、HMP途径（己糖-磷酸途径） 产生大量NADPH2和多种重要中间代谢物。 3、ED途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径 KDPG 是少数缺乏完整EMP的微生物具有的一种替代途径，细菌酒精发酵经ED进行。 4、TCA循环（三羧酸循环） 真核在线粒体中，原核在细胞质中。 TCA在代谢中占有重要枢纽地位 四种途径产能比较： 二、递氢和受氢 根据递氢特别是最终氢受体不同划分 1、发酵（分子内呼吸） 无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链而直接传递给某一中间代谢物的低效产能反应。 在此过程中，有机物是氧化基质，又是最终氢受体，且是未彻底氧化产物，结果仍积累有机物，产能少。 在发酵过程中，借底物水平磷酸化合成ATP，是合成ATP唯一方式。 X?P + ADP ? ATP + X 高能化合物：1 ，3- 二磷酸甘油酸、乙酰磷酸、氨甲酰磷酸、PEP、 酰基辅酶A。 2、有氧呼吸（呼吸作用） 底物脱氢后，经完整的呼吸链（电子传递链）递氢，以分子氧作为最终氢受体，产生水和放出能量。 在电子传递过程中，通过与氧化磷酸化反应偶联，产生ATP，称氧化磷酸化。 1）呼吸链组成与顺序： 2）真核与原核生物呼吸链比较： 位置、组成 3、无氧呼吸（厌氧呼吸） 以无机氧化物代替分子氧作为最终氢受体的生物氧化。 氧化磷酸化合成ATP，但有些能量转移到最终受体，产能不多。 依据最终氢受体不同，分成多种类型。 1）硝酸盐还原作用（反硝化作用） 由硝酸盐逐步还原成分子氮的过程。使土壤N损失，肥力下降。属异化性硝酸盐还原。 2）硫酸盐还原作用（异化性） 通常以乳酸为基质，积累乙酸，以SO42-为最终氢受体。脱硫弧菌 Desulfovibrio sp. 3)甲烷发酵作用 产甲烷菌以二氧化碳为最终氢受体。如甲烷杆菌 Methanobacterium 四、不同呼吸类型微生物 与分子氧的不同关系 1、好氧微生物 aerobic 有氧条件下生长，进行有氧呼吸。 2、厌氧微生物 anaerobic 不需分子氧，进行无氧呼吸或发酵。 专性厌氧菌-只能在无氧条件下生长，分子氧对其有害。主要梭菌、产甲烷细菌、脱硫3、兼性厌氧微生物 facultative anaerobic 有氧与无氧条件下均能生长，但以不同氧化方式获得能量。 如酵母菌、一些肠道菌、反硝化细菌。 酵母菌酒精发酵时通入氧气，发酵减慢，停止产生乙醇，葡萄糖消耗速率下降，氧对发酵的这种抑制现象称为巴斯德效应。 4、微好氧微生物 microaerophilic 在氧浓度较低条件下生长，进行有氧呼吸。 氧的危害 O2 + e → O2- 超氧化物自由基 有一些酶可解除危害。 五、不同发酵类型 对G发酵产物不同划分，糖的无氧降解。 （一）乙醇发酵： EMP 脱羧酶 脱氢酶 1.酵母无氧条件 ：G → 丙酮酸 → 乙醛 → 乙醇 此属正常形式，称Ⅰ型发酵，亦称同型酒精发酵 2.若有亚硫酸酸氢钠存在，与乙醛结合，而使磷酸二羟丙酮作为受氢体。 磷酸二羟丙酮 → α-磷酸甘油 → 甘油 此称为Ⅱ型发酵，但仍有乙醇产生。 3．碱性条件下（PH7.6），乙醛分子间歧化反应 一分子乙醛 → 乙酸（氧化） 一分子乙醛 → 乙醇（还原） 还有磷酸二羟丙酮 → 甘油 4．细菌同型酒精发酵，ED途径进行，产生2分子乙醇。 5．细菌异型酒精发酵，通过HMP途径进行，产生1分子乙醇和1分子乳酸。 总反应式如下： G+2ADP+2Pi → 2乙醇+2 CO2+2ATP G+HSO3- → 甘油+乙醛oHSO3-+CO2 2G → 2甘油+乙酸+乙醇+CO2 G+ADP+Pi → 2乙醇+2 CO2+ATP G+ADP+Pi → 乳酸+乙醇+CO2+ATP （二）乳酸发酵 发酵产物中只有乳酸，经 EMP途径，称为同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）。 发酵产物中除乳酸外，还有其他，如乙醇、CO2等称异型乳酸发酵。经HMP 途径。如肠膜状明串珠菌Leuconostoc mesenteroides 总反应式： 同型：G+2ADP+2Pi → 2乳酸+2ATP 异型：G+ADP+Pi → 1乳酸+乙醇+CO2+ATP 真菌：丙酮酸→ 2分子乙醇→琥珀酸→延胡索酸 →苹果酸 → 乳酸 三）丁酸型发酵 Clostridium 所进行，特点是产物中都有丁酸。不同种类因酶系统不同，最终产物除丁酸外，还有其他产物。重要的有丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、丁醇异丙醇发酵。 （四）丙酸发酵 由丙酸细菌Propionibacterium，与乳酸细菌相似，发酵产物有丙酸、乙酸、CO2。 丙酸 → 丙酸钙（防腐剂） （五）混合酸发酵 肠杆菌特征，产物有甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸，还有CO2、H2、少量2，3-丁二醇、乙酰甲基甲醇、甘油等。其中两个重要的鉴定反应： 1．V．P．实验（Vagex-Proskauer） 产气气杆菌产2，3-丁二醇比较多，碱性条件下可氧化为二乙酰，再与肌酸或胍类衍生物缩合成红色物质，若加入α-萘酚、肌酸可促进反应，此称VP反应。 大肠杆菌不产生或少产生2，3-丁二醇，VP反应阴性。 2．甲基红（M.R）反应 大肠杆菌产酸多，使pH降至4.2, 甲基红由黄变红，反应阳性。产气气杆菌产2，3-丁二醇，产酸少（pH5.3），甲基红反应阴性。 3．另外，甲酸只在碱性环境下积累（pH7.3）,而pH6.2以下，不产甲酸， HCOOH → CO2+H2。甲酸脱氢酶与氢化酶联合作用。 伤寒杆菌无甲酸脱氢酶，只产酸不产气。 2节：分解代谢 一、淀粉的分解 淀粉有两类：一类是直链淀粉（α-1，4-糖苷键）；另一类是支链淀粉（支链α-1，4、分支点α-1，6-糖苷键）。 1、液化型淀粉酶（α-淀粉酶）：分子内α-1，4-糖苷键，不作用α-1，6-糖苷键以及靠近α-1，6-糖苷键的α-1，4-糖苷键。作用的结果是产生麦芽糖，含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有支链的寡糖，使黏度下降。枯草杆菌通常用作α-淀粉酶的生产菌。 2、糖化型淀粉酶：这是一类酶的总称。共同特点是可以将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖，包括以下三种： （1）淀粉-1，4-麦芽糖苷酶（β-淀粉酶）：从非还原性末端开始，按双糖为单位，逐步作用于α-1，4生成麦芽糖。但不作用于α-1，6，遇到α-1，6时，作用停止。作用于淀粉后的产物是麦芽糖与极限糊精。 （2）淀粉-1，4-葡萄糖糖苷酶（糖化酶）： 从非还原性末端开始，依次以葡萄糖为单位逐步作用于α-1，4，生成葡萄糖，但能越过α-1，6。根霉与曲霉普遍都能合成与分泌此酶。 （3）淀粉-1，6-葡萄糖苷酶（异淀粉酶）：此酶专门作用α-1，6-糖苷键。 二、纤维素与半纤维素的分解 纤维素是葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接，分子量更大，不溶于水，不能直接被人和动物消化，但它可以被许多真菌包括木霉、青霉、根霉以及放线菌与细菌中的一些菌株分解与利用 纤维素酶复合物：纤维二糖酶（β-葡萄糖苷酶），C1酶， Cx酶。 天然纤维素 C1酶 水合非结晶纤维素 Cx酶 纤维二糖+葡萄糖 纤维二糖酶 葡萄糖 细菌的纤维素酶位于细胞膜上，真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶。 自然界中纤维素丰富，对纤维素的研究早就成为重要的课题了。 在植物细胞壁还有半纤维素，包括各种聚戊糖与聚已糖，最常见的半纤维素是木聚糖。半纤维素容易被微生物分解，但由于半纤维素的组成类型很多，因而分解它们的酶也各不同。生产半纤维素酶的微生物主要有曲霉、根霉、木霉等。 三、果胶质的分解 果胶质是构成高等植物细胞间质的主要物质，主要由D-半乳糖醛酸通过α-1，4-糖苷键连接。 天然果胶质（原果胶）原果胶酶 水溶性果胶 果胶甲酯水解酶 果胶酸 果胶酸酶 半乳糖醛酸。 分解果胶的微生物主要是一些细菌和真菌，麻类植物沤浸脱胶技术就是为了利用果胶分解菌分解果胶的能力。 四、几丁质的分解 几丁质由N-乙酰葡萄糖胺通过β-1，4-糖苷键连接起来，含氮多糖。是真菌细胞壁和昆虫体壁的组成成分，一般生物都不能分解与利用，只有某些细菌和放线菌能分解与利用。 几丁质酶使几丁质水解生成几丁二糖，再通过几丁二糖酶进一步水解生成N-乙酰葡萄糖胺。 五、油脂的分解 油脂在脂肪酶（Lipase）的作用下，逐步被水解生成甘油与脂肪酸，脂肪酸通过β-氧化进行分解。脂肪酶一般广泛存在于真菌中。 六、烃类化合物的分解 烃类化合物是一类高度还原性的物质，在好氧条件下，可以被一些微生物分解，主要是假单胞菌、分枝杆菌、诺卡氏菌、某些酵母等。 1、甲烷氧化： 2、正烷烃氧化： 先烃化酶（单氧酶）、铁硫蛋白和铁硫蛋白-NADH2还原酶作用。 三种方式：a:末端甲基氧化， b:次末端亚甲基氧化， c:两端甲基氧化 ? 氧化。 3、芳香烃氧化 含苯环或联苯类化合物，在氧化过程中逐步被氧化生成儿茶酚或原儿茶酚。儿茶酚或原儿茶酸可以在苯环的邻位上或间位上被氧化打开，生成脂肪族化合物，再逐步分解成糖分解途径中的中间体物质，再按糖代谢的方式进行分解。 苯（联苯）→儿茶酚→开环（邻位、间位） →继续降解。 七、蛋白质的分解 蛋白酶（胞外） 肽酶（胞内） 蛋白质 肽 AA 一般真菌分解蛋白质的能力强，并能分解天然的蛋白质，而大多数细菌不能分解天然蛋白质，只能分解变性蛋白以及蛋白质的降解产物。 根据肽酶作用部位不同，分为氨肽酶（作用于有游离氨基端的肽键）；羧肽酶（作用于有游离羧基端的肽键）。 腐化 decay 和腐败 putrefaction 八、氨基酸的分解 1、脱氨作用 有机含氮化合物在微生物作用后放出氨的生物学过程中，通常称为氨化作用。 （1）氧化脱氨：氨基酸在有氧条件下脱氨，产生氨与α-酮酸，由氨基酸氧化酶催化。包括脱氨反应（酶促）与水解反应（非酶促）。 （2）还原脱氨作用：在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸和氨。 天冬氨酸 琥珀酸+NH3 （3）水解脱氨与减饱和脱氨： 氨基酸经水解产生羟酸与氨： 氨基酸+水 羟酸+ NH3 通过减饱和方式进行脱氨，生成不饱和脂肪酸和氨： 天冬氨酸 延胡索酸+ NH3 （4）脱水脱氨：含羟基氨基酸（如丝氨酸）在脱水过程中脱氨。 Ser → 氨基丙烯酸 → 亚氨基丙酸 →丙酮酸 + NH3 H2O （5） Stickland反应 某些专性厌氧细菌如梭状芽孢杆菌在厌氧条件下生长时，以一种氨基酸作为氢的供体，进行氧化脱氨，另一种氨基酸作氢的受体，进行还原脱氨，两者偶联进行氧化还原脱氨。这其中有ATP生成。这个反应被称为Stickland反应。 供氢体：Ala、Leu、Val、Ser、Phe、Cys、His、Asp、Glu。 受氢体：Gly、Pro、Hyp、Orn、Arg、Trp。 丙氨酸+2甘氨酸 3乙酸+3NH3 2、脱羧作用 通过氨基酸脱羧酶作用，生成有机胺和二氧化碳。有机氨在胺氧化酶作用下放出氨生成相应的醛，醛再氧化成有机酸，最后按脂肪酸β-氧化的方式分解。 氨基酸脱羧酶具有高度的专一性，基本上是一种氨基酸有一种脱羧酶来催化它的分解。 反应中放出的二氧化碳可以用微量测压计测定，因此可根据一定基质在一定时间内，被单位细胞作用后、产生二氧化碳的量来测定脱羧酶的酶活。另外，也可以分析样品中的氨基酸的含量。 二元AA生成的二胺有毒。Lys-尸胺，Orn-腐胺 鉴定反应 吲哚实验与硫化氢实验是常用的两个鉴定实验 1、吲哚实验：有些细菌可以分解色氨酸生成吲哚可以与二甲基氨基苯甲醛反应生成红色的玫瑰吲哚，因此可根据细菌能否分解色氨酸产生吲哚来鉴定菌种。 2、硫化氢实验：许多细菌能分解含硫氨基酸（胱氨酸、半胱氨酸）产生硫化氢，如果在蛋白胨培养基中加进重金属盐，接种细菌培养后观察，若产生硫化氢，则出现黑色的硫化铅或硫化铁。 3节：合成代谢 一、生物合成三要素 能量 、还原力、 小分子前体物 1、能量由ATP供给，ATP产生有三种方式（底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化） 2、还原力产生：还原力主要指NADH2 和NADPH2 EMP 与TCA 产生的NADH2有3个去向： 1）供H体（中间产物还原成发酵产物）； 2）通过呼吸链产生ATP； 3）用于细胞物质合成。 但NADH2要先在转氢酶作用下转变成NADPH2才能用。 NADP+ NADH2 NADPH2+NAD 在体内还有HMP供给NADPH2与磷酸糖 。 1G 2 NADPH2+CO2+5-P-核酮糖 NADPH2在光细菌中可通过非环式光合磷酸化方式产生。 3、小分子前体物：通常指糖代谢过程中产生的中间代谢物，有12 种。 代谢回补顺序 1、合成草酰乙酸（OA）回补顺序 PEP+CO2 羧化酶 OA+Pi PY+CO2+ATP 羧化酶 OA+ADP+Pi PEP+CO2+GDP 羧化激酶 OA+GTP PY+CO2+NADH2 苹果酸酶 苹果酸+NAD á-KD+CO2+NADH2 脱氢酶 异柠檬酸+NAD 好氧性，利用乙酸微生物，以乙醛酸循环补充草酰乙酸。 2、合成PEP的回补顺序 PY+ATP PEP合酶 PEP+ADP+Pi PY+ATP+Pi PY双激酶 PEP+AMP+Ppi OA+GTP PEP羧激酶 PEP+GDP+CO2 OA+PPi PEP羧转磷酸酶 PEP+Pi+CO2 综合总结： 二、糖类合成 （一）单糖合成 1、卡尔文环Calvin cycle（光合菌、某些自养菌） （还原的磷酸戊糖环）分为三个阶段： ①CO2固定②固定CO2的还原③CO2受体的再生。 关键酶：1，5-二磷酸核酮糖羧化酶、磷酸核酮糖激酶。 总反应式： 6CO2+6H2O+18ATP+12NADPH2 G+18ADP+12NADP+18Pi 另外，产甲烷细菌有厌氧乙酰辅酶A途径，少数光合细菌中有还原性TCA途径等新的自养CO2固定途径。 2、EMP逆过程。 3、糖异生作用。 4、糖互变作用：大量是在核苷二磷酸糖水平上进行。 （二）多糖合成 E.coli肽聚糖合成：需1个多糖引物。 1、单糖组分在细胞质中合成(UDP是第一个载体） 2、逐步加上AA生成UDP-NAM-五肽（Park 核苷酸），顺序为L-Lys, D-Glu, DAP, D-Ala, D-Ala ( 不需tRNA参与）。其中，2D-Ala D-丙酰-D-Ala(青霉素类似） 此阶段在细胞质中进行。 3、 UDP-NAM-五肽转至膜上，与一脂质载体（细菌萜醇 -C55类异戊二烯醇）结合，释放出NAM-五肽焦磷脂，在膜内侧与UDP-NAG结合，构成肽聚糖亚单位。 细菌萜醇是第二个载体。 4、亚单位转移至细胞壁的生长点上（插入），万古霉素、杆菌肽抑制。 5、在细胞膜外侧，亚单位与引物相连（转糖基作用），再通过转肽酶作用，将亚单位末端的D-丙-D-丙拆开，第四个AA与另一亚单位的DAP之间交联，另一D-Ala释放。 在这一步，由于青霉素是D-丙-D-丙的结构类似物，则转肽酶被抑制，造成肽链间无法交联，网状结构也连不起来，形成 软壁 ，极易破裂死亡。青霉素只对正生长菌起作用，对静息细胞无作用。 、氮类物质合成 （一）生物固氮 分子N2通过固氮微生物作用形成NH3的过程。 1、固氮微生物 （都是原核微生物） ①自生固氮菌：好氧、厌氧、兼性厌氧及各种营养类型。 ②共生固氮菌：与豆科共生为根瘤菌，与非豆科共生是放线菌。 ③联合固氮菌：根际、叶面微生物。 2、固氮机制 只有在不含有化合态氮的培养基上生长，且提供ATP、还原力等条件下才能固氮。 总反应式： Mg2+ N2+6e+6H++12ATP 2NH3+12ADP+12Pi 固氮酶 固氮酶 组分Ⅰ：钼铁蛋白（MoFd） 组分Ⅱ：铁蛋白（AzoFd) 都对氧极敏感，遇氧失活，需厌氧条件固氮。 固氮过程： 电子载体：铁氧还蛋白（Fd），黄素氧还蛋白（Fld）也可以。 每步只传递2e，N2 2NH3需6e，连续三次。 固氮酶底物专一性不高，还能催化一些反应。 C2H2→C2H4， N2O→N2+H2O， HCN→CH4+NH3+CH3NH2， 2H+→H2。 其中C2H2→C2H4 ，可用气相色谱检测，可作为固氮系统存在的有效指标。 N2 2NH3去路：自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。 （二）氨基酸合成 1、直接从培养基中吸收。 2、通过转氨作用合成其他的氨基酸： Glu + 丙酮酸 α-酮戊二酸 + Ala Glu + 草酰乙酸 α-酮戊二酸 + Asp 这类反应是由氨基移换酶催化而成。 3、微生物经氨化作用或经固氮作用生成的氨可以通过特定的反应来吸收生成新的氨基酸（氨同化作用） α-酮戊二酸+NH3 谷氨酸脱氢酶 Glu +水 NH3+ATP Glu á-KD、PY、OA Gln合成酶 转移酶 ADP+Pi Gln Glu、Ala、Asp 4、从前体合成氨基酸。 按前体不同可将20种氨基酸为六组： （一）3-磷酸甘油醛：丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸 （二）4-磷酸赤藓糖和磷酸烯醇式丙酮酸：色氨酸、 酪氨酸、苯丙氨酸 （三）丙酮酸：丙氨酸,亮氨酸、缬氨酸 （四）α-酮戊二酸：谷氨酸、谷酰氨 脯氨酸、精氨酸、赖氨酸（真菌中） （五）草酰乙酸：天冬氨酸 天冬酰氨 甲硫氨酸 苏氨酸 异亮氨酸 赖氨酸（细菌） （六）5-磷酸核酮糖+ATP：组氨酸 初生氨基酸：Ala, Glu, Asp, Gly，氨基化所生成的氨基酸。 次生氨基酸：以初生氨基酸为前体合成。 工业生产氨基酸 最初利用蛋白质水解法生产，1957年开始用发酵法生产。近年采用生化合成法： 1、酶转化法 反丁烯二酸+NH3 Asp酶 L-Asp 丙酮酸+NH3+苯酚 Tyr酶 Tyr 2、完整细胞酶合成：选用酶活力高菌种，处理菌体使物质易透过。 DL-Ser+丙酮酸+苯酚 菌体 L- Tyr 丙酮酸+ NH3+吲哚 菌体 L-Trp 4节：代谢调控 代谢-生化反应-酶催化-基因编码→基因调控 ↓ 环境因子影响 环境调控 代谢调节部位：真核和原核 合成调节：诱导合成、终产物阻遏、分解代谢物阻遏 酶 活性调节：反馈（终产物）抑制、酶活性共价修饰 一、主要调节机制 （一）酶的诱导合成 Karstrom 适应酶 Monod 诱导酶 组成酶 Cohn 组成酶 诱导剂不一定是底物，但底物大多数情况下是有效诱导剂。 诱导酶只在有诱导剂时才合成，除去诱导剂就停止。是全新合成，而不是原有酶的激活。 某些酶的诱导物 操纵子学说 Monod & Jacob, 1962 调节基因 操纵子 P R t P O z y a t mRNA RNA多聚酶 无诱导物时，结合。 阻遏物 有诱导物时，脱落。 （二）终产物阻遏（反馈阻遏） 主要在合成代谢途径中，终产物或其衍生物对该途径上一个或多个酶形成的抑制作用。 如E. coli Met, Arg的合成。 机制：调节基因 原阻遏物（阻遏物蛋白） 与终产物结合时被激活，与操纵基因结合，阻止结构基因转录。终产物为辅阻遏物。属于正调节。 （三）分解代谢物阻遏（葡萄糖效应） Monod研究E. coli 对混合碳源利用，发现葡萄糖抑制其它糖利用，出现二次生长。 所有迅速代谢能源都能阻抑较慢代谢的能源所需酶的合成。酶的生成被易分解碳源所阻遏。此称葡萄糖效应。 酶大多数是诱导酶。 葡萄糖效应并不是由葡萄糖直接造成，而是葡萄糖某种分解代谢物引起。 cAMP（环腺苷酸）是关键控制因子。 其与分解代谢物活化蛋白（CAP）结合，促使RNA多聚酶与启动基因结合而开始转录。 cAMP浓度低时，影响结合，不能转录。 葡萄糖的某种代谢产物降低了cAMP水平，即使有诱导剂存在，也不能合成分解其它糖的酶，只有葡萄糖消耗完， cAMP水平上升，才能开始转录、合成。 ATP 腺苷酸环化酶 cAMP 磷酸二酯酶 AMP （四）反馈抑制 1、协同反馈抑制：终产物不能单独抑制，要几个终产物同时作用，合作抑制。如多粘芽孢杆菌的Asp族氨基酸合成。6-53 2、合作反馈抑制：两种终产物同时存在，起着比一种大得多的抑制。 图6-54 3、同工酶：多个酶催化同一个反应，分别受不同终产物抑制。图6-51 如大肠杆菌的Asp族氨基酸合成，图6-52 4、顺序反馈抑制：代谢途径中第一个酶不受终产物抑制，而受分支处中间产物抑制，终产物抑制引起中间产物积累，从而抑制第一个酶。图6-57 如红色假单胞菌的Ile合成。 5、积累反馈抑制：每一个终产物单独、部分地抑制共同步骤的第一个酶，互不影响。图6-55 如大肠杆菌的Gln合成酶受8个终产物抑制。图6-56 调节位点（变构中心） 反馈抑制机制：变构酶 底物位点（活性中心） （五）酶活性共价修饰 由一个修饰酶（活化酶）催化另一种酶起共价修饰的改变，从而改变后者活性。 酶-X 酶 + X （X：小分子化合物） 修饰酶 如大肠杆菌Gln合成酶：AMP与酶共价结合时（腺苷酰转移酶催化）活性低，脱去AMP，活性高。 胶质假单胞菌柠檬酸裂解酶：乙酰化（有活性），脱乙酰化（无活性） 二、代谢调控应用 (一）在初级代谢产物生产上应用 反馈调节最重要，要绕过，方法如下： 1、降低末端产物浓度（应用营养缺陷型解除正常反馈调节） 单线途径：应用营养缺陷型积累中间代谢物，采用低浓度终产物供给。 Ea Eb Ec A B C D E Ec 缺失，积累C，低浓度供给E。 分支途径：积累末端产物。 E1 F G A B C D E E2 H I E1缺失，限制I，少量E→G，大部分分泌。 Lys生产：高Ser缺陷型，图6-62 肌苷酸生产：腺嘌呤缺陷型，图6-63 2、筛选抗反馈突变株（解除反馈） 在含有抗代谢物的培养基中培养，筛选抗性突变株，其中一些可分泌大量末端产物。如对氨基Phe/Tyr, 7-氮杂Trp/Trp 3、控制细胞膜渗透性 通过生理学或遗传学方法，改变膜透性，使胞内代谢物迅速渗漏到胞外，解除反馈抑制。 （二）在次级代谢产物生产上应用 次级代谢产物通常在细胞生长后期形成，主要是抗生素、毒素、甾体化合物等。在自然条件下，微生物产生次级产物能力一般不高，其生产也受代谢调控。 可通过诱变育种和控制环境条件来提高产量，但次级产物合成途径比较复杂，许多还不清楚，因此关于次级产物合成的确实控制部位还大多不明。 青霉素生产中，葡萄糖虽能很好利用，但生产不适宜，而乳糖虽缓慢利用，却可多产青霉素。在含葡萄糖和乳糖混合培养基中，生长阶段迅速利用葡萄糖，葡萄糖用尽时，对乳糖利用解阻遏，不生长，但产青霉素。也可利用后期流加限量葡萄糖的方法实现。 其他次级产物生产也广泛采用这种方法。另外，氮源种类、浓度对次级产物产生与积累也有很大的影响，磷酸盐也有影响。 （三）在酶生产上应用 酶合成受基因和代谢物双重控制 1、加诱导剂 诱导酶只有在诱导剂存在时形成，在培养基中加入诱导剂。要注意底物诱导剂的浓度。 2、降低阻遏物浓度 参与分解代谢的酶，通常受诱导和阻遏双重控制，包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏。为了大量生产酶，要避免使用丰富，复杂培养基，不要含快速利用的糖类。合成酶类通常被终产物阻遏，要对产生阻遏的化合物加以限制。 3、利用突变产生不需诱导物或不受阻遏的突变体 （1）生长在低浓度诱导物中选育不需诱导剂的组成性突变株。 （2）利用抗代谢物，筛选不受终产物阻遏的突变体。 （3）利用被阻遏的酶的底物作唯一的碳源，可筛选不受分解代谢物阻遏的突变体。 4、增加基因模板 将外源特异基因导入微生物体内，增加酶产量。 （1）游离基因转移法 （2）phage转导法 5节：自养菌代谢（微生物的自养代谢） 一、光能自养菌 蓝细菌与高等植物相同，含叶绿素a, b, 其余含菌绿素，有光合膜。光合作用只在有光合色素存在时才进行。 叶绿素（主要色素）：捕获能量与光反应中心 光合色素 类胡萝卜素（辅助色素）：只捕能并传至叶绿素 （一）主要类群 P150表解 属于原核微生物，归于红螺菌目，利用硫化氢、氢气或有机物作为供氢体。常存在于水较清，可透光的厌氧环境中。 1、红螺菌科（紫色无硫细菌）：有机物为供氢体，兼性光合。光能异养。 2、着色菌科（紫色硫细菌）：专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，体内外积累硫。光能自养。 3、绿菌亚目：绿菌科-绿硫细菌，绿弯菌科-绿色非硫细菌。专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，胞外积累硫。 （二）光合作用 光反应：光合色素吸收光能并转化为化 学能的能量转换反应。 暗反应：利用能量进行CO2同化。 光合磷酸化即光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式。 1、环式光合磷酸化 逐出电子经电子传递又回到菌绿素，使其恢复到原状态，其间产生ATP，但不产生还原力，不放出氧气。光合细菌属此类。P151，图6-33 光合菌还原力来自硫化氢，方式可能是逆向电子传递，消耗光反应产生的ATP。 H2S + NAD S + NADH2 积累硫 NADH2+NADP NAD+NADPH2 2、非环式光合磷酸化 两个光反应系统，除产生ATP，还有还原力，放出氧气。植物、蓝细菌属此类。 还原力来自水的光解。P151,图6-34 3、噬盐菌紫膜的光合作用 无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。（自学） 二、化能自养菌 无机物氧化获能,通过卡尔文环同化CO2 产能主要方式是氧化磷酸化，还原力产生是逆向电子传递。P148,图6-30 无机物氧化时，以不同位置进入呼吸链，这与异养菌不同，产能效率低。图6-31 1、硝化细菌 将氨氧化成亚硝酸-亚硝酸细菌 亚硝酸氧化成硝酸-硝酸细菌 NH4++1?O2→NO2-+2H++H2O+66千卡 NO2-+?O2 →NO3-+18千卡 图6-32 2、硫细菌 引起元素硫或还原态硫化物氧化，包括光能与化能。化能即硫化细菌。最多是硫杆菌Thiobacillus。 S2-→S→SO32-→SO42- 由于产硫酸，会引起金属腐蚀，也可用于湿法冶金。 2S+3O2+2H2O →2H2SO4（T. thiooxidans) 4FeSO4+O2+2H2SO4 →2Fe2(SO4)3+2H2O(T. ferrooxidans) 硫酸及硫酸高铁是有效浸溶剂。 CU2S+ 2Fe2(SO4)3 →2CUSO4 + 4FeSO4 +S FeS2 +7Fe2(SO4)3 +8H2O →15FeSO4 + 8H2SO4 3、氢细菌 兼性自养菌。H2 +?O2 →H2O+56.5千卡弧菌。 耐气厌氧菌（aerotolerant)-无论有氧无氧，都进行发酵，分子氧无害。如乳酸菌。 |