05 第五章 微生物的代谢.ppt

第1页：第五章 微生物的代谢

第五章微生物的代谢新陈代谢

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

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2页：新陈代谢（Metabolism）

• 新陈代谢（Metabolism）
• （1）在温和条件下进行(由酶催化)；
• （2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性；
• （3）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能

第3页：一、代谢是生命的基本特征

第一节代谢概论一、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4页：Figure 1. The relationship between

Figure 1. The relationship between catabolism and anabolism in a cell

第5页：中间代谢产物分解显微图

第6页：中间代谢产物分解

中间代谢产物分解代谢起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤藓糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰辅酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途径HMP途径HMP途径EMP途径EMP途径ED途径EMP途径三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧脂肪氧化核苷糖类戊糖多糖贮藏物核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖异生CO2固定胞壁酸合成糖的运输丙氨酸缬氨酸亮氨酸CO2固定丝氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸赖氨酸天冬氨酸赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸脂肪酸类异戊二烯甾醇

第7页：物质代谢

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的过程

第8页：第二节 微生物

• 第二节微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢中的核心问题
• 中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源——ATP
• 有机物最初能源日光通用能源还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌

第9页：微生物氧化的形式

①和氧的直接化合

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

②失去电子

Fe2+ → Fe3++ e –

③化合物脱氢或氢的传递

CH3-CH2-OH CH3-CHONADNADH2一、化能异养微生物的生物氧化和产能

第10页：生物氧化的功

生物氧化的功能

产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物

第11页：生物氧化的过程

• 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）

第12页：一、底物脱氢的四条主要途径

1、EMP途径

又称糖酵解途径

2、HMP

又称己糖-磷酸途径

3、ED

又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径

4、TCA

TCA循环，即三羧酸循环

第13页：一、化能异养微的生物氧化

一、化能异养微的生物氧化和产能（一）底物脱氢的途径

第14页：（一）EMP途径

（一）EMP途径

第15页：1、葡萄糖的酵解作用

1、葡萄糖的酵解作用( 又称

Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称：EMP途径)活化移位氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶

第16页：EMP途径特点

• EMP途径特点：葡萄糖分子经转化成1，6—二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛
• 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP
• 2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP

第17页：反应步骤显微图

第18页：反应步骤

反应步骤

10步反应简式：耗能阶段产能阶段2NADH+H+C62C32丙酮酸2ATP4ATP2ATP总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。1.EMP途径

第19页：EMP途径关键步骤1. 葡萄糖磷酸化→

• 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+2ATPCoA ↓丙酮酸脱氢酶乙酰CoA，进入TCA

第20页：葡萄糖激活的方式

葡萄糖激活的方式•好氧微生物

通过需要Mg++和ATP的己糖激酶•厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化磷酸果糖激酶•EMP途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着存在EMP途径•需要ATP和Mg++•在活细胞内催化的反应是不可逆的反应

第21页：（丙酮酸的去路）

（丙酮酸的去路）

第22页：微生物的能量代谢图解

第23页：2

2、

第24页：3-磷酸甘油醛

3-磷酸甘油醛(3-磷酸甘油醛脱氢酶)1,3-二磷酸甘油酸(磷酸甘油酸激酶)3-磷酸甘油酸(磷酸甘油酸变位酶)2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(丙酮酸激酶)4、脱氢氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化

第25页：EMP途径的生理功

• EMP途径的生理功能
• 1.供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力
• 2.是连接其他几个重要代谢途径的桥梁
• 3.为生物合成提供多种中间代谢物
• 4.通过逆向反应可进行多糖合成

第26页：（二）HMP途径

（二）HMP途径(戊糖磷酸途径)（Hexose Monophophate Pathway）特点:葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADP+H+形式的还原力以及多种重要代谢产物。

第27页：微生物的能量代谢示意图

第28页：HMP途径

• HMP途径
• 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
• 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

第29页：HMP途径降解葡萄糖

• HMP途径降解葡萄糖的三个阶段•
• 1. 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2•
• 2. 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸•
• 3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸

第30页：HMP途径关键步骤

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途径）

第31页：耗能阶段

耗能阶段•C6 2C3 产能阶段4ATP2ATP•2C3 2 丙酮酸2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O不完全HMP途径的总反应

第32页：6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP++

6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi完全HMP途径的总反应

第33页：HMP途径的重要意义

1.供应合成原料

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。。•

2.产还原力

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。•

3.连接EMP途径

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

第34页：4.扩大碳源利用范围

• 4.扩大碳源利用范围：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
• 5.作为固定CO2的中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的重要中介。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

第35页：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸

• 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
• （三）ED途径

第36页：ATP ADP NADP+NADPH2葡

ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸~~激酶（与EMP途径连接）~~氧化酶(与HMP途径连接)EMP途径3-磷酸-甘油醛~~脱水酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途径丙酮酸~~醛缩酶有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵ED途径

第37页：ED途径

ED途径

第38页：ED途径

ED途径

第39页：ED途径的特点1.产

1.产能快

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

2.ED途径的特征酶

是KDPG醛缩酶.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

3.反应步骤简单，产能效率低

结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP

第40页：ATPC6H12O6ADPKDPGATP 2ATP

ATPC6H12O6ADPKDPGATP 2ATP NADH2NADPH22丙酮酸6ATP 2乙醇(有氧时经过呼吸链) （无氧时进行细菌乙醇发酵）ED途径的总反应

第41页：关键反

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

第42页：葡萄糖三条降解途径的分布

葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布

第43页：由表

由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。

第44页：（四）磷酸酮解途径存在于某些细菌如明串珠

• （四）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

第45页：葡萄糖6-P

葡萄糖6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸5 -P-核酮糖5 -P-木酮糖3 -P-甘油醛丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇异构化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解途径

第46页：磷酸戊糖酮解途径的特点

• 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

第47页：磷酸己糖解酮途径2葡萄糖

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4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶

第48页：磷酸己糖酮解途径的特点

• 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

第49页：（五）三羧酸循环

• （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：4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底物水平）ATP3CO2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C3CH3CO~CoA呼吸链呼吸链

第50页：丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰

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。

第51页：顺乌头酸酶的反示意图

第52页：丙酮酸在进入三羧酸模式图

第53页：顺乌头酸酶的反

顺乌头酸酶的反应特征

催化脱水，然后又加水，从而改变了分子内OH和H的位置，生成异柠檬酸。•该酶结构组成：含铁的非铁卟啉蛋白，有4个铁原子、4个无机硫原子及4个半胱氨酸硫原子结合的铁硫中心簇，参与底物的去水和加水的反应。

第54页：反应特点

• 反应特点：这是TCA中第一次氧化作用，被异柠檬酸脱氢酶催化
• 该酶是TCA中第二个调节酶，当细胞在高能状态时（即ATP/ADP，NADH/NAD＋比值高），酶活性被抑制
• 在低能状态时被激活

第55页：这是TCA循环中第二个氧化脱羧反

• 这是TCA循环中第二个氧化脱羧反应，由α－酮戊二酸脱氢酶系所催化
• 该酶与丙酮酸脱氢酶系的结构组成相似
• 酶的催化活性受其产物NADH、琥珀酰CoA和Ca2+抑制
• 细胞高能荷时，ATP、GTP也可反馈抑制酶的活性

第56页：琥珀酰CoA合成酶催化

• 琥珀酰CoA合成酶催化琥珀酰CoA的硫酯键水解，使GDP磷酸化为GTP，（GTP的作用：[1]在二磷酸核苷激酶作用下，推动ADP生成ATP
• [2]用于蛋白质的合成
• ）该步反应是TCA中唯一底物水平磷酸化产能的反应

第57页：琥珀酸脱氢酶

• 琥珀酸脱氢酶是第三个氧化还原反应
• 该酶构成：分子量100000（二亚基），酶的辅酶是FAD
• 酶直接与呼吸链联系，将FADH2交给酶的铁硫中心进入呼吸链

第58页：该步反

该步反应是第四次氧化还原反应，由L-苹果酸脱氢酶催化，NAD是氢的受体。在生理情况下，该反应是向右进行的。

第59页：三羧酸循环的枢纽位置

三羧酸循环的枢纽位置

第60页：TCA循环在微生物代谢

• TCA循环在微生物代谢中的枢纽地位
• 糖类乙醇
• 乳酸
• 葡萄糖丙酮
• 甘油EMP 丁醇脂肪丙酮酸丁二醇
• B-氧化
• 脂肪酸乙酰-CoA
• 氨基酸蛋白质
• ATP，各种有机酸，天冬氨酸，柠檬酸，谷氨酸

第61页：循环的重要特点图示

第62页：循环在微生物代谢结构图

第63页：TCA循环的重要特点

• 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、氧不直接参与反应，但是需有氧条件；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，每分子丙酮酸产15ATP；
• 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

第64页：葡萄糖经不同脱氢途径后的产

葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率产能形式EMPHMPEDEMP+TCAATP底物水平GTP2122NADH+H+212NADPH+H+121FADH22净产ATP835736-38

第65页：二、递氢

二、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。

第66页：根据递氢特别

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-、SO42-等.

第67页：呼吸

• 呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6
• [H]A
• [H][H]B
• [H]CA、B或CAH2，BH2或CH2
• [H]（发酵产物：乙醇、CO2乳酸等）脱氢递氢受氢经呼吸链①呼吸②无氧呼吸③发酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH4

第68页：1.Fermentation--oxidation of an

• 1.Fermentation--oxidation of an organic compound in the absence of external electron acceptor (no oxygen required). Uses SLP (substrate-level phosphorylation)
• 2.Respiration--oxidation of an organic compound where oxygen is the final electron acceptor. Uses ETS (electron transport system) as well as SLP
• 3.Anaerobic respiration(unique to bacteria) --oxidation of organic compounds where an external substrate other than oxygen serves as final electron acceptor. Exs: nitrate, sulfate, carbon dioxide Mechanisms of energy release: overview

第69页：循环特点概念

概念

底物脱氢后，经呼吸联传递，最终被外源分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程

途径

EMP,TCA循环特点：必须指出，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

第70页：Figure. Aerobic respiration

Figure. Aerobic respiration

第71页：电子传递与氧化呼吸链

电子传递与氧化呼吸链•定义

由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢传递体

•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 、a３和一些铁硫蛋白

第72页：电子传递与氧化呼吸链概览图

第73页：MH2→→→NADFMNC0Qb(-0.32v)(-0.30v)(0.1

• MH2→→→NADFMNC0Qb(-0.32v)(-0.30v)(0.1v)(0.07v)C1Caa3O2H2O(+0.26)(0.25v)(+0.29)(0.39)(+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：NADH2O2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
• ATPATPATP

第74页：NAD

• NAD
• •NAD：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+
• •FAD和FMN：黄素蛋白（氧化还原酶）的辅基
• •铁硫蛋白（Fe-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Q）：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

第75页：呼吸链的功

呼吸链的功能

一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP——这就是电子传递磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。

第76页：自EMP2NADH2自乙酰CoA

自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2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NADFADH2H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平高氧化还原势FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3氧化酶典型的呼吸链高能水平低氧化还原势

第77页：自22自乙酰显微图

第78页：Figure. The Structure of NAD

Figure. The Structure of NAD and NADP

第79页：Figure. The Structure of FMN

Figure. The Structure of FMN and FAD

第80页：铁硫蛋白形态图

第81页：铁硫蛋白组成图

第82页：铁硫蛋白

铁硫蛋白

第83页：细胞色素类照片

第84页：细胞色素类

• 细胞色素类是含Fe电子传递体
• 铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素
• 细胞色素以血红素作为辅基
• 线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素，称为细胞色素b ，c c １a a3
• 细胞色素b c c1a a3整合在一起存在
• 细胞色素a a3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶
• 细胞色素a a3含有两个必需的铜原子
• 由还原型a3将电子直接传递给分子氧
• 电子从CｏQ传到b c c1，Fe-S氮白, a a3
• 细胞色素类

第85页：细胞色素系统图示

第86页：细胞色素系统

• 细胞色素系统•功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中
• •分类：线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等
• 细胞色素b c c1a a3整合在一起存在
• Cyta a3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶
• 细胞色素a a3含有两个必需的铜原子
• 由还原型a3将电子直接传递给分子氧
• 电子从CoQ传到b c c1，Fe-S氮白, a a3
• •结构组成：以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子
• cyt.a3即细胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，激活分子氧

第87页：复合体I抑制剂（鱼藤酮）抗霉素A

复合体I抑制剂（鱼藤酮）抗霉素A对复合体III的抑制

第88页：复合体IV抑制剂（氰化物）寡霉素对氧摄取

复合体IV抑制剂（氰化物）寡霉素对氧摄取的抑制作用

第89页：原核生物呼吸链

• 原核生物呼吸链的特点
• 存在于细胞膜上
• 呼吸链中的氧还载体取代性强，如CoQ可被MK取代
• 呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减
• 有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别，如E.Coli在缺氧时，呼吸链分为两支，即Cyt.b556Cyt.c; Cyt.b558Cyt.d

第90页：ATP的结构和生成2. ATP

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

｛｛

第91页：Figure. The structure of ATP

Figure. The structure of ATP

第92页：光合磷酸化形态图

第93页：光合磷酸化

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）

第94页：氧化磷酸化

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。

第95页：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
• 底物水平磷酸化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

第96页：底物水平磷酸化举例

• 底物水平磷酸化举例：由于脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键
• 这种高能连接的磷酸可以转给ADP，产生ATP分子
• 在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等

第97页：电子传递磷酸概念

• 电子传递磷酸概念
• 概念: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
• 电子传递磷酸化

第98页：通过呼吸链生成的ATP数量

• 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

第99页：呼吸链在传递氢或电子

• 呼吸链在传递氢或电子
• •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

第100页：线粒体和

线粒体和能量转换

第101页：复合体结构显微图

第102页：ATP复合体结构

ATP复合体结构

第103页：一个NAD分子

• 一个NAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子
• 它分别在三个位置，各产生一个ATP
• 如图4－1所示，第一个ATP大约在辅酶1和黄素蛋白之间
• 第二个ATP大约在细胞色素b和cl之间
• 第三个ATP大约在细胞色素c和a之间
• 电子传递磷酸化举例

第104页：并伴随有磷酸概念

• 并伴随有磷酸概念
• 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-、S2O32-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
• 2、无氧呼吸

第105页：无氧呼吸

概念

一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸

无氧呼吸的类型硝酸盐呼吸

NO3-NO2-, NO, N2无机盐呼吸硫酸盐呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S硫呼吸：S0S-2碳酸盐呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2, HCO3-CH4延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸

第106页：无氧呼吸的电子受体

无氧呼吸的电子受体

第107页：硝酸盐同化作用

• 硝酸盐同化作用（assimilatorynitratereduction）
• 定义：绿色植物和微生物在利用硝酸盐的过程中，硝酸盐被重新还原成NH4+后再被利用于合成各种含氮有机物，这就是硝酸盐的同化作用

第108页：异化性硝酸盐还原作用

定义

硝酸粒子作为呼吸链的末端电子受体被还原为亚硝酸的反应。有时亚硝酸可进一步通过亚硝酸铵化作用（nitrite ammonification）而产生氨或进一步通过反硝化作用（denitrification）产生NO、N2O或氮气

菌种

兼性厌氧菌，行无氧呼吸的菌种

第109页：地衣芽孢杆菌定义

定义

由硝酸盐还原成NO2–并进一步还原成N2的过程（广义）。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N2的过程

条件

厌氧（淹水的土壤或死水塘中）

菌种

少数异养和化能自养菌。如：Bacillus lichenoformis（地衣芽孢杆菌）、Paracoccus denitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）、Ps. stutzeri（施氏假单胞菌）、Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）以及Spirillum（螺菌属）和Moraxella（莫拉氏菌属）等

意义

土壤中氮元素流失的重要原因之一。水稻田中施用化学氮肥，有效利用率只有25%左右。另外可以利用水生性反硝化细菌去除污水中的硝酸盐。反硝化作用

第110页：地衣芽孢杆菌定义结构图

第111页：微生物的能量代谢示意图

第112页：概念

• 概念
• ☆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。3、发酵作用

第113页：发酵

发酵

第114页：底物－H

底物－H底物ADP+PiATP无O2中间代谢物中间代谢物－H(发酵产物)

第115页：发酵内涵

• 发酵内涵
• 1.由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵乙醇发酵，同型乳酸发酵，丙酸发酵，2,3-丁二醇发酵，混合酸发酵，丁酸型发酵
• 2.通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵
• 3.通过ED途径进行的发酵细菌的酒精发酵（异型酒精发酵）

第116页：Fermentations:A. In the absence of

• Fermentations:A. In the absence of
• 1. Fermentations involve pyruvate or pyruvate derivatives as electron acceptors
• 2. Fermentations may or may not produce additional ATP for the cellD. Alcoholic fermentations produce ethanol and CO2E. Lactic acid fermentations produce lactic acid (lactate)
• 1. Homolactic fermenters reduce almost all pyruvate to lactate
• 2. Heterolactic fermenters form substantial amounts of products other than lactateF. Formic acid fermentation produces either mixed acids or butanediol

第117页：①酵母型酒精发酵②同型乳酸

• ①酵母型酒精发酵
• ②同型乳酸发酵
• ③丙酸发酵
• ④混合酸发酵
• ⑤2,3—丁二醇发酵
• ⑥丁酸发酵
• 1.由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵

第118页：酵母菌（在pH3.5-4.5时）

同型酒精发酵

产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵

异型乳酸发酵

除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵（一）乙醇发酵

第119页：C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNAD

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶①酵母菌的乙醇发酵：概念菌种途径特点发生条件※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。

第120页：当发酵液处在碱性条件

• 当发酵液处在碱性条件
• ★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

第121页：发酵作用受抑概念

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：合理利用能源机理：◆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巴斯德效应(The Pasteur effect )现象：

第122页：葡萄糖6-磷酸

• 葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-果糖1,6-二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA柠檬酸草酰乙酸磷酸果糖激酶(PFK)丙酮酸激酶己糖激酶
• -------ATP、柠檬酸●--------ADP,AMP
• ——6-磷酸-葡萄糖
• ——磷酸烯醇式丙酮酸●———1,6-二-磷酸-果糖巴斯德效应（续）

第123页：②细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧

②细菌的乙醇发酵葡萄糖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2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED

第124页：利用Z.mobilis等细菌生产酒精优点

• 利用Z.mobilis等细菌生产酒精优点：代谢速率高
• 产物转化率高
• 菌体生成少
• 代谢副产物少
• 发酵温度高
• 缺点：pH5较易染菌
• 耐乙醇力较酵母低

第125页：（二）2,3-丁二醇发酵葡萄糖乳酸丙酮

• （二）2,3-丁二醇发酵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：EMPEMP

第126页：鉴别肠道细菌的V.P.试验

鉴别肠道细菌的V.P.试验鉴别原理缩合脱羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇碱性条件2,3-丁二醇二乙酰（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物-CO2

第127页：鉴别肠道细菌的产酸产气

产酸产气试验

Escherichia与Shigella(志贺氏菌属)在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力

甲基红试验

大肠杆菌与产气肠杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH﹤4.5产气肠杆菌：pH﹥4.5

第128页：IMViC试验

• IMViC试验：= 吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验
• 用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来
• 吲哚试验甲基红试验V.P.试验柠檬酸盐利用大肠杆菌++--产气肠杆菌--++

第129页：（三）乳酸发酵

• （三）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）

第130页：葡萄糖3-磷酸甘油醛

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①同型乳酸发酵-EMP途径2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactis：乳酸乳球菌Lactobacillus plantarum：植物乳杆菌概念菌种途径EMP特点

第131页：②通过HMP途径

②通过HMP途径的发酵-异型乳酸发酵：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+NADHNAD+NADHATP ADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念菌种：肠膜明串珠菌途径：HMP特点-CO2

第132页：③异型乳酸发酵-双歧杆菌途径

③异型乳酸发酵-双歧杆菌途径

葡萄糖6-P-果糖6-P-果糖赤藓糖-4-P 乙酰-P3 -P-甘油醛景天庚酮糖-3 -P木酮糖-5 –P 核糖-5 –P核酮糖-5 –P木酮糖-5 –P2ADP2ATP2甘油醛-3 –P 2乙酰-P2乳酸2乙酸乙酸概念菌种双歧杆菌途径HMP特点

第133页：葡萄糖6-P

葡萄糖6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸5 -P-核酮糖5 -P-木酮糖3 -P-甘油醛丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇异构化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解途径异型乳酸发酵途径

第134页：同型乳酸发酵与异的比较

同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较类型途径产物产能/葡萄糖菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillus debruckii(德氏乳杆菌)异型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostoc mesenteroides(肠膜明串珠菌)1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillus brevis（短乳杆菌）1乳酸1.5乙酸2.5ATPBifidobacterium bifidum(两歧双歧杆菌)

第135页：（三）混合酸发酵

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CO2H2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+2HpH﹤6.2

第136页：（4）由氨基酸发酵产

(4)由氨基酸发酵产能—Stickland反应CH3CHNH2COOH(丙氨酸)+CH2NH2COOH(甘氨酸)2ADPATP3CH3COOH+3NH3+CO2(乙酸)定义：少数厌氧型细菌能利用一些氨基酸兼作碳氮源和能源，通过一些氨基酸的氧化与一些氨基酸的还原相偶联的独特发酵方式

第137页：Stickland反

Stickland反应的机制丙氨酸氧化CH3CHNH2COOH甘氨酸还原CH3COOH(乙酸)CH3COCOOH (丙酮酸)CH2NH2COOH (甘氨酸)NAD+NADHNH2NH2NAD+NADHCH2NH2COOH (甘氨酸)CH3COOH(乙酸)NH2CH3CO~PCH3CO~CoACH3COOH(乙酸)PADPATPCoACO2

第138页：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
• 底物水平磷酸化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
• (5) 发酵中产能反应

第139页：底物水平磷酸化举例

• 底物水平磷酸化举例：由于脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键
• 这种高能连接的磷酸可以转给ADP，产生ATP分子
• 在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等

第140页：二、自养微生物产ATP和还原力CO2CH

• 二、自养微生物产ATP和还原力CO2CH
• ①Calvin循环
• ②乙酰CoA途径
• ③还原性TCA途径
• ④羟基丙酸途径

第141页：（一）化能自养微生物

（一）化能自养微生物（chemoautotrophs）顺呼吸链传递CO2NH4+, NO2-, H2S, S ATP(最初能源)耗[H]产ATP逆呼吸链传递S,H2,Fe2+NAD(P)H2（无机氢供体）耗ATP产[H][CH2O]还原CO2时ATP和[H]的来源

第142页：无机底物脱氢后电子进入呼吸链

无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位H2 NH4+S2-SO32-S2O3-Fe2+NO2-NAD FP Q ,Cyt.b Cyt.cc1Cyt.a1.aa3O2(NO3)ATP ATP ATP注：正向传递可产生ATP,而逆向传递消耗ATP，并产生还原力[H]

第143页：通过氧化无机物取得

通过氧化无机物取得能量，并以CO2为唯一或主要碳源1. 硝化细菌:亚硝化细菌2NH4+ +3O2→2NO2-+2H2O + 4H++132Kcal硝化细菌NO2-+1/2O2→NO3-+18.1 Kcal

第144页：硝化细菌的呼吸链

硝化细菌的呼吸链硝化细菌

第145页：（二）光能营养微生物

（二）光能营养微生物（phototrophs）光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类及其他绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌古细菌：嗜盐菌

第146页：1.循环光合磷酸化如

1.循环光合磷酸化如

红螺菌目

第147页：非循环光合磷酸化如示意图

第148页：2.非循环光合磷酸化如

2.非循环光合磷酸化如

绿色植物藻类蓝细菌

第149页：3.嗜盐菌紫膜

3.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成嗜盐菌盐田光介导的ATP合成：嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱动至外膜，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动ATP酶合成ATP.

第150页：细菌视紫红质的结构

细菌视紫红质的结构，与G 蛋白偶合受体类似，皆跨膜七次

第151页：分解代谢和合成构造图

第152页：第二节 分解代谢和合成

• 第二节分解代谢和合成代谢的联系一、两用代谢途径
• 1.合成途径并非分解途径的完全逆转
• 2.分解代谢与合成代谢途径中，还包含了两种完全不同的中间代谢物
• 3.分解代谢和合成代谢在不同的分隔区域内分别进行

第153页：二、代谢物回补途径

• 二、代谢物回补途径☆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

第154页：通过某些化合物

★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

第155页：乙醛酸循环草酰乙酸柠檬酸琥珀酸异

乙醛酸循环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

第156页：乙醛酸循环

• 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

第157页：回补顺序谷氨酸+NH

• 回补顺序谷氨酸+NH3谷氨酸脱氢酶
• -酮戊二酸氧化酶

第158页：一、自养微生物的CO2固定

• 一、自养微生物的CO2固定§
• 第三节微生物独特合成代谢举例
• 主要内容：
• 一、自养微生物的CO2固定
• 二、生物固氮（略）
• 三、肽聚糖生物合成

第159页：一、自养微生物

• 一、自养微生物的CO2固定
• （一）Calvin循环

第160页：（二）厌氧乙酰COA途径（三）逆向TC

（二）厌氧乙酰COA途径（三）逆向TCA循环（四）羟基丙酸途径

第161页：（一）氮循环简介及生物固氮

• （一）氮循环简介及生物固氮的意义氮素在自然界中有多种存在形式
• 其中数量最多的是大气中的氮气，总量约3.9×1015t
• 除了少数原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮气，必须通过以生物固氮为主的固氮作用才能被植物吸收利用，动物直接或间接以植物为食获取氮
• 构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氨的合成，氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用
• 地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮和大气固氮
• 据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用
• 二、生物固氮

第162页：氮循环简介及生物固氮电镜图

第163页：植物吸收土壤

• 植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮
• 动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮
• 这一过程叫做生物体内有机氮的合成
• 动植物的遗体、排泄物的残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用
• 氨化作用和硝化作用产生的无机盐，都能被植物吸收利用
• 在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用
• 大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用
• 没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用

第164页：二、生物固氮

二、生物固氮生物固氮

指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。

第165页：（一）固氮微生物1.自生

（一）固氮微生物1.自生固氮菌（free-living nitrogen-fixer）自生固氮菌好氧厌氧兼性厌氧化能异养：固氮菌属化能自养：氧化亚铁硫杆菌光能自养：念珠蓝细菌属化能异养：克雷伯氏菌属光能异养：红螺菌属化能异养：巴氏梭菌，甲烷八叠球菌光能自养：着色菌属，绿假单胞菌属自生固氮菌：不依赖与其他种生物共生而能独立进行固氮的微生物。

第166页：（2）共生固氮菌

（2）共生固氮菌共生固氮菌

必须与其他种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物。

第167页：（3）联合固氮菌

（3）联合固氮菌联合固氮菌

指必须在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物。动物肠道：肠杆菌属，克雷伯氏菌属

第168页：联合固氮菌概览图

第169页：自生固氮菌共

自生固氮菌共生固氮菌

第170页：（二）固氮的生化机制1.生物

• （二）固氮的生化机制
• 1.生物固氮的6要素
• （1）ATP的供应
• （2）还原力[H]及其传递载体
• （3）固氮酶
• （4）还原底物－N2（5）镁离子
• （6）严格的厌氧微环境

第171页：测定固氮酶活力示意图

第172页：2.测定固氮酶活力

• 2.测定固氮酶活力的乙炔还原法已知所有的固氮酶除了能催化N2→NH3的反应外，还能催化以下多种有关反应：
• ①N2O→N2+H2O
• ②N3-→N2+NH3③C2H2→C2H4④HCN→CH4+NH3+[CH3NH2]
• ⑤CH3NC→CH4+CH3NH2+[C2H4，C2H6]在其中的C2H2（乙炔）→C2H4（乙烯）反应中，这两种气体即使在很低浓度下，也能方便地用气相色谱仪测定出来。由于此反应的灵敏度高、设备简单、成本低廉和操作简便，使之迅速成为各固氮研究实验室中的常规方法，它不仅可用于纯酶制剂固氮活力的测定，也可用于天然固氮生态系统固氮活力的研究

第173页：固氮的生化途径

• 固氮的生化途径
• 3.固氮的生化途径还原剂4H++4e
• 1.从还原态铁氧还蛋白成黄素氧还蛋白（Fld）获得一个电子而被还原
• 2.还原态铁蛋白同2分子Mg·ATP结合形成电位更低的复合物
• 3.Mg·ATP-铁蛋白复合物与MoFe组成固N酶复合系统，这时后固N酶才具有催化活化
• 4.Fe蛋白每次有一个电子转移到MoFe蛋白上并释放Mg+2 ADP·Pi
• 5.Mo-Fe蛋白当有H存在时，形成Mo-H基
• 6.Mo-Fe蛋白重复
• ⑤反应时再转移一个电子，释放H2
• 7.Mo-Fe蛋白当有N2存在时，由于电子的分步转移，形成一系列酶缚二氮氢化物，最后导致氨的形成
• 8.酶缚联胺进一步还原并与质子结合，这时固N酶释放出第一分子氨，钼原子被氧化
• 9.随着电子的继续转移到MF蛋白，另一原子N被还原水解，而释放出第二分子氨
• 10.在固N酶复合系统进行催化过程中，Fe蛋白穿梭相似将电子从电子载体转移到MF蛋白使固N作用不断地进行

第174页：N2+8[H]+18-24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18

N2+8[H]+18-24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18Pi固氮的生化途径固氮反应的总式为：

第175页：4.固氮酶的产氢反

• 4.固氮酶的产氢反应固氮酶的氢反应固氮酶除能催化N2→NH3外，还具有催化2H+→H2反应的氢酶活性
• 当固氮菌生活在缺N2条件下时，其固氮酶可将H+全部还原成H2
• 在有N2条件下，固氮酶也总是只把75％的还原力[H]去还原N2，而把另外25％的[H]以形成H2的方式浪费掉了：N2+8H++8e+18Mg-ATP→2NH3+H2+18Mg-ADP+18Pi然而，在大多数的固氮菌中，还含有另一种经典的氢化酶，它能将被固氮酶浪费的分子氢重新激活，以回收一部分还原力[H]和ATP

第176页：固氮酶的两个蛋白组分对氧

• 固氮酶的两个蛋白组分对氧是极端敏感的，而且一旦遇氧就很快导致不可逆的失活，例如，组分Ⅱ（铁蛋白）一般只要在空气中暴露45秒钟即会丧失一半活性，组分Ⅰ（钼铁蛋白）虽稍稳定，但一般在空气中的活性半衰期也只有10分钟
• 当然，来自不同微生物的钼铁蛋白，其氧敏感性是不同的（表6-9）
• （三）好氧性自生固氮菌的保护机制

第177页：（1）呼吸保护

• （1）呼吸保护指固氮菌以较强的呼吸作用迅速地将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，并以此来保护固氮酶不受氧的损伤
• （2）构象保护当固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。呼吸保护与构象保护两者相互协调，组成一个“双保险”式的保护机制。在一般情况下，可通过呼吸保护来去除多余的氧，如果它还不足以去除过量分子氧时，则可进一步利用构象保护使固氮酶达到可逆性抑制状态，以渡过不良的环境条件。（三）好氧性自生固氮菌的保护机制

第178页：蓝细菌

• 蓝细菌是一类放氧性光合生物，在光照下，会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度增高，但同时它又有厌氧的固氮系统，因此，在其长期进化过程中就发展出种种保护固氮酶免受氧损伤的独特机制
• （1）分化出特殊的还原性异形胞在具有异形胞分化的蓝细菌中，固氮作用只有在异形胞中才能进行
• 异形胞的体积较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的片层式的较厚外膜，它具有阻止氧气扩散入细胞内的物理屏障作用
• 异形胞内缺乏产氧光合系统Ⅱ，加上脱氢酶和氢酶活性高，使异形胞能维持很强的还原态
• 其中超氧化物歧化酶的活性很高，有解除氧毒害的功能
• 此外，异形胞还有比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸强度，借此可消耗过多的氧和产生对固氮所必要的ATP
• 2．蓝细菌固氮酶的保护

第179页：这类蓝细菌一般缺乏照片

第180页：这类蓝细菌一般缺乏独特

• 这类蓝细菌一般缺乏独特的防止氧对固氮酶的损伤机制
• 在它们之中，有的采用将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔（黑暗下固氮，光照下进行光合作用），如（织线蓝菌属）等
• 有的则形成束状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞失去光合系统Ⅱ，有利于固氮酶在微氧环境下进行固氮作用，如Trichodesmium（束毛蓝菌属）
• 有的则在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和SOD的活力也均提高，如Gloeocapsa（粘球蓝菌属）等
• （2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护

第181页：Gloeocapsa

Gloeocapsa（粘球蓝菌属）

第182页：根瘤菌以只

• 根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中
• 许多类菌体被包在一层类菌体周膜（peribacterialmembrane，简称pbm）中，维持了一个良好的氧、氮和营养环境
• 最重要的是在这层膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白（leghaemoglobin）
• 豆血红蛋白是一种氧结合蛋白，可将氧输送给根瘤中的类菌体，由于它与氧的亲合力极强（可使氧浓度比周围环境降低8万倍），因此，又可防止局部氧浓度增高，从而避免了固氮酶被氧所损伤
• 豆血红蛋白就像一种缓冲剂，可在根瘤中调节氧的浓度，使它稳定在对固氮酶最合适的范围内
• 已知在豆血红蛋白中的蛋白部分是由根瘤菌触发，再由植物基因所编码和合成，而其血红素部分则由植物所触发，再由根瘤菌基因所编码和合成，两者达到极其默契的共生状态
• 3．根瘤菌固氮酶的抗氧保护（1）豆科植物共生根瘤菌

第183页：根瘤菌

根瘤菌呈棒槌形，“T”形或“Y”形，是一类需氧的异养细菌，不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物。

第184页：榆科植物——Paraspon

• 榆科植物——Paraspon
• 1973年才发现的一种生长在非洲的榆科植物——Parasponia（糙叶山黄麻），是首次发现的在根瘤中共生着根瘤菌（豇豆根瘤菌）的非豆科植物
• 在其根瘤中虽未发现豆血红蛋白，但却含有能可逆地与氧相结合的植物血红蛋白，它在菌体内也起着氧载体的作用
• 在赤杨、杨梅、木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中，存在着共生的Frankia（弗兰克氏菌属）放线菌
• 目前初步知道Frankia的营养菌丝的末端可膨大成一球形囊，称为泡囊，这是它的固氮部位
• 泡囊与蓝细菌中的异形胞相似，具有保护固氮酶免受分子氧损伤的特殊功能
• （2）非豆科植物共生根瘤菌

第185页：氮素

• 氮素
• （1）将圆褐固氮菌制成菌剂，施到土壤，可提高农作物产量
• （2）对豆科植物进行根瘤菌拌种，也能提高豆科植物产量
• （3）用豆科植物做绿肥可以增加土壤含氮量，有利于农作物的增产
• （4）通过转基因技术，可将固氮基因转到非豆科植物中。（三）生物固氮在农业生产中的应用

第186页：微生物特有的结构大分子

• 微生物特有的结构大分子
• •微生物特有的结构大分子：–细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等–真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等•肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分
• 在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selective toxicity）的物质基础
• 是在抗生素治疗上有特别意义的物质
• 三、微生物结构大分子——肽聚糖的合成

第187页：合成特点

• 合成特点：
• ①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；
• ②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖

第188页：合成特点形态图

第189页：第一阶段

• 第一阶段：在细胞质中的合成在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）
• ☆这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖经一系列反应生成的
• ☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的

第190页：葡萄糖

葡萄糖葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸ATPADPGlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoA CoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPHNADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸N-乙酰葡糖胺-UDPUTP PPi由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸

第191页：第二阶段照片

第192页：第二阶段

• 第二阶段
• ④与
• ⑤分别为万古霉素和杆菌肽所阻断

第193页：肽聚糖单体的合成G -M -P

• 肽聚糖单体的合成G -M -P
• ②UDP
• ①UDP -MP-类脂Pi
• ⑤P -P-类脂杆菌肽
• ④万古霉素5 甘氨酰-tRNA
• ③5 tRNA插入至膜外肽聚糖合成处G -M -P -P-类脂

第194页：肽聚糖单体的合成

• 肽聚糖单体的合成——细菌萜醇细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体
• 运载“Park”核苷酸进入细胞膜，连接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处
• 结构式：CH3CH3CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，真菌的几丁质和甘露聚糖等

第195页：第三阶段

第三阶段

在细胞膜外的合成已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖

这一阶段分两步

第一步：是多糖链的伸长———双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含6~8个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个双糖单位

第二步

通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidation)使相邻多糖链交联————转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联

第196页：第三阶段模式图

第197页：肽聚糖的生物合成与显微图

第198页：第三阶段电镜图

第199页：肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制

• 肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。①
• -内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。②杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻

第200页：四、微生物次生代谢物的合成

四、微生物次生代谢物的合成次生代谢物（secondary metabolite）:指某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物为前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的各种结构复杂的化合物。种类：抗生素、色素、毒素、生物碱、信息素（pheromone),生长促进剂、生物药物素。

第201页：CO2HMP途径糖类EMP

CO2HMP途径糖类EMP途径乙酰乙酰CoA 甲羟戊酸异戊二萜：赤霉素类二烯酸倍半萜：隐杯伞类磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰－CoA乙酰－CoA赤藓糖－4－P莽草酸氯霉素芳香族氨基酸脂肪族氨基酸TCA循环丙二酰聚酮酐CoA大环内酯类抗生素四环素类灰黄霉素黄曲霉毒素多肽类类抗生素β－内酰胺类抗生素氨基酸衍生物类CO2

第202页：第四节 微生物

第四节微生物的代谢调控与发酵生产本节提要：微生物代谢过程中的自我调节酶活性的调节酶合成的调节代谢调控理论的应用

第203页：一、微生物代谢过程

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

第204页：微生物自我调节代谢

• 微生物自我调节代谢
• ☆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:

第205页：1.控制营养物质透过细胞膜进入

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。

第206页：（1）真核微生物酶定位在相

• 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。2.通过酶的定位控制酶与底物的接触

第207页：（1）可逆反

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

3. 控制代谢物流向

( 通过酶促反应速度来调节)

第208页：☆Possible points for Regulation of

☆Possible points for Regulation of Various Metabolic Control Mechanisms

第209页：一、酶活性的调节

• 一、酶活性的调节
• 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。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

第210页：Feedback InhibitionFigure 3.Figure

Feedback InhibitionFigure 3.Figure 4.

第211页：1.直线式代谢途径

• 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。（二）反馈抑制的类型

第212页：（1）同功酶调节

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

举例

大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节

第213页：天冬氨酸族组成图

第214页：天冬氨酸族

天冬氨酸族天冬氨酸E,RIII IE,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,RII I E二氢吡啶二羧酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,RRO-琥珀酰同型丝氨酸苏氨酸E,R六氢吡啶二羧酸胱硫醚2-酮丁酸R二氨基庚二酸同型半胱氨酸R赖氨酸甲硫氨酸异亮氨酸

第215页：（2）协同反馈抑制

（2）协同反馈抑制——concerted feedback inhibition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。

第216页：天冬氨酸E,R4-磷酸

天冬氨酸E,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,RE二氢吡啶二羧酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,RRO-琥珀酰同型丝氨酸苏氨酸E,R六氢吡啶二羧酸胱硫醚2-酮丁酸R二氨基庚二酸同型半胱氨酸R赖氨酸甲硫氨酸异亮氨酸天冬氨酸族（谷氨酸棒杆菌）

第217页：（3）合作反馈抑制

• （3）合作反馈抑制——cooperative feedback inhibition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%

第218页：（4）积累反馈抑制

（4）积累反馈抑制——cumulative feedback inhibition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。

第219页：Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸

Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸13%AMP 41%……积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合成酶的调节

第220页：（5）顺序反馈抑制

（5）顺序反馈抑制——sequential feedback inhibition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

第221页：（6）平衡合成在黄色短杆菌

（6）平衡合成在黄色短杆菌（Brevibacterium flavus）中天冬氨酸的合成PEPPy草酰乙酸乙酰CoAAsp柠檬酸ATPCO2

第222页：（7）代谢互锁表面完全不相关

• （7）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
• AspAsp-pAsaDAPLys，二氢吡啶二羧酸合成酶HseThrIlePy异丙基Leu苹果酸

第223页：在分支合成途径

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。（8）优先合成

第224页：（三）酶活力调节

• (三)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

第225页：变构酶

变构酶

第226页：二、酶合成的调节

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

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

第227页：组成酶（固有酶）

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

诱导酶

依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶

第228页：2.阻遏（repression）

• 2.阻遏（repression）：是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，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

第229页：②分解代谢物阻遏

• 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

第230页：2.降解产物

• 2.降解产物的阻遏Catabolite Repression：1）二次生长现象及其机制：分解葡萄糖的酶——组成酶（固有酶）分解乳糖的酶——诱导酶，受葡萄糖分解代谢产物的调控。Figure
• 9. The Diauxic Growth Curve of E. coligrown in limiting concentrations of a mixture of glucose and lactose

第231页：3.酶合成调节

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

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；

第232页：Structure of a typical operon

Structure of a typical operon

第233页：一些重要术语

• 一些重要术语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
• （与调节蛋白结合，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

第234页：3、阻遏物（repressor）

• 3、阻遏物（repressor）与阻遏物蛋白（aporepresseor）——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:只能在有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合

第235页：正调节

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。

第236页：InductionInducerInducerPositive

InductionInducerInducerPositive controlNegative control负控诱导系统正控诱导系统

第237页：Negative controlPositive

Negative controlPositive controlRepressionCorepressorCorepressor负控阻遏系统正控阻遏系统

第238页：Plac

Plac

第239页：ipozyaVery low level of lac

ipozyaVery low level of lac mRNAAbsence of lactoseActiveipozyab-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresence of lactoseInactiveLack of inducer: the lac repressor block all but a very low level of trans-cription of lacZYA.Lactose is present, the low basal level of permeaseallows its uptake, andβ-galactosidasecatalyzes the conversion of some lactose to allolactose.Allolactoseacts as an inducer,binding to the lac repressor and inactivate it.

第240页：微生物的代谢调控与发酵生概览图

第241页：The enzymes that are required

The enzymes that are required for lactose degradation:beta-galactosidase:This enzyme hydrolyzes the bond between the two sugars, glucose and galactose. It is coded for by the gene LacZ. Lactose Permease:This enzyme spans the cell membrane and brings lactose into the cell from the outside environment. The membrane is otherwise essentially impermeable to lactose. It is coded for by the gene LacY. Thiogalactoside transacetylase: The function of this enzyme is not known. It is coded for by the gene LacA.

第242页：酶合成的诱导

酶合成的诱导Enzyme Induction：Figure 7. The Lac operon and its control elements

第243页：Figure 8. Enzyme Induction

Figure 8. Enzyme Induction. Induction (or derepression) of the lac operon is a form of negative control because the effect of the regulatory protein (Active repressor) is to stoptranscription.有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合,使其变构, 不能与O结合,从而转录进行,合成乳糖酶,分解乳糖。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上,转录不能进行；

第244页：酶合成的阻遏Enzyme Repress

• 酶合成的阻遏Enzyme Repression：
• 1.终产物的阻遏：(end product repression):（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)Figure
• 5. Genetic organization of the Trp operon and its control elements

第245页：酶合成的阻遏显微图

第246页：Figure 6. Repression of the

Figure 6. Repression of the trp operon终产物的阻遏

第247页：The Tryptophan Operon

The Tryptophan Operon

第248页：2.降解产物

• 2.降解产物的阻遏Catabolite Repression：1）二次生长现象及其机制：分解葡萄糖的酶——组成酶（固有酶）分解乳糖的酶——诱导酶，受葡萄糖分解代谢产物的调控。Figure
• 9. The Diauxic Growth Curve of E. coligrown in limiting concentrations of a mixture of glucose and lactose

第249页：CRP-binding site is an inverted

CRP-binding site is an inverted repeat.

第250页：CABSummaryA:RNA polymeraseB:lac

CABSummaryA

RNA polymeraseB:lac repressor C:CRP-cAMP

第251页：（1）cAMP与CAP结合

• 1）cAMP与CAP结合
• 2）当cAMP与CAP复合物结合在启动子上,RNApolase 才与启动子结合，转录进行
• 3）当缺少cAMP和CAP时, RNApolase不能与启动子结合
• Figure 10. Catabolite repression is positive control of the lac operon. The effect is an increase in the rate of transcription.

第252页：有葡萄糖时

有葡萄糖时

———cAMP的产生受葡萄糖抑制

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253页：操纵子的正调控机制图示

第254页：lac操纵子的正调控机制

• lac操纵子的正调控机制是：cAMP-CAP复合物与DNA结合改变了这一区段DNA次级结构，促进了RNA聚合酶结合区的解链
• 这可能是cAMP-CAP通过与RNA聚合酶结合，再与DNA结合，因而促进了RNA聚合酶与启动子的结合，从而增强了转录(图9-12B)
• cAMP-CAP复合物的形成取决于细胞内cAMP的浓度，当以葡萄糖为能源时，由于其抑制腺苷酸环化酶的活性，ATP不能转化为cAMP，细胞内cAMP浓度降低，形不成CAP-cAMP复合物，因而乳糖结构基因不被转录
• 细胞既有葡萄糖作为能源，也就没有对乳糖利用的几种酶的需要
• 可见在乳糖操纵子中由CAP-cAMP激活的这种正调控是一种十分合理的调控系统，具有适应意义
• 正、负调控共同配合，可使转录最有效地进行
• 在cAMP正调控中也需要有诱导物的存在，以使阻遏物失活，转录才能进行
• cAMP-CAP的调控是极其广泛的，除了某些糖类的代谢酶，细菌中许多其他的功能也表现为对葡萄糖效应的敏感，如三羧酸循环和呼吸链酶系统中的大多数酶、分解各种碳源底物的酶、降解某些氨基酸的酶、乙醛酸途径的酶、抗生素合成酶以及负责鞭毛形成的酶系统等等

第255页：负调节

负调节

第256页：This assortment of genes and

This assortment of genes and their regulatory regions is called the Lac operon. The Lac operon has been examined in detail. Here is a diagram of it:

第257页：ElementpurposeOperator

ElementpurposeOperator (LacO)binding site for repressorPromoter (LacP)binding site for RNA polymeraseRepressor (LacI)gene encoding lac repressor proteinBinds to DNA at operator and blocks binding of RNA polymerase at promoterPipromoter for LacICAPbinding site for cAMP/CAP complex

第258页：When lactose is present

When lactose is present

第259页：When the inducer (lactose) is

When the inducer (lactose) is removed

第260页：When levels of glucose in

When levels of glucose in the cell are high

第261页：（一）生物合成途径

• (一)生物合成途径的代谢调控:
• 1、终产物阻遏（end product repression) 终产物阻遏该途径所有酶的合成
• 2、反馈（feedback)或变构抑制(allosteric inhibition)：终产物对该合成途径第一酶合成的抑制A B C DE1E2E3Gene1Gene2Gene3终产物反馈抑制mRNA合成被阻遏DNAmRNA总结

第262页：三、代谢的人工控制及其在发酵工业

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）

第263页：（1）对于直线式代谢途径

• （1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物A aB bC c D d E1.1营养缺陷型菌株的应用末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C
• 1.遗传学方法

第264页：（2）分支代谢途径

(2) 分支代谢途径

情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物A B CDEFG

第265页：分支途径

分支途径——①赖氨酸发酵

谷氨酸棒杆菌的Hom–

第266页：分支途径

分支途径——②肌苷酸发酵（IMP合成途径的代谢调控）调控理论的实践应用

第267页：1.2 抗反馈控制突变株

• 1.2 抗反馈控制突变株的应用★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：

第268页：目标产物结构类似物赖氨酸S

• 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

第269页：1.3选育组成型突变株和超产

1.3选育组成型突变株和超产突变株如果调节基因发生突变，以至产生无效的阻遏物而不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成结构基因不受控制的转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的突变株称为组成型突变株。少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高的多的酶，这种突变株称为超产突变株。

第270页：DA B CE F（二）生物化学方法

1. 添加前体绕过反馈控制点

亦能使某种代谢产物大量产生(-)(-)(-)

2. 添加诱导剂

从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物

第271页：（三）控制细胞膜渗透性

• （三）控制细胞膜渗透性
• 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

第272页：柠檬酸发酵

• 柠檬酸发酵
• ①发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；pH2~3时，发酵产物主要是柠檬酸；pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；
• ②可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累

第273页：谷氨酸发酵

• 谷氨酸发酵一、谷氨酸发酵菌种：Corynebacterium pekinenseCorynebacterium glutamicumBrevibacterium flavu二、发酵机理：①谷氨酸以
• -酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛酸循环等；②谷氨酸产生菌的
• -酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脱氢酶的活力要很高；③生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵

第274页：本章小结

• 本章小结
• 1.生物氧化所需的脱氢、递氢和受氢的三个阶段
• 2.根据氢受体的不同，微生物产能的三种方式：呼吸、无氧呼吸和发酵
• 3.化能和光能自养菌产能的方式
• 4.分解代谢与合成代谢的联系
• 5.微生物独特的合成代谢途径
• 6.微生物代谢调节的主要方式

第275页：复习题一

• 复习题一、名词解释：新陈代谢
• 生物氧化
• 底物水平磷酸化、氧化磷酸化
• 呼吸、无氧呼吸、发酵
• Stickland反应
• 紫膜光合磷酸化
• 生物固氮
• 类菌体
• 初生代谢物
• 次生代谢物组成酶
• 诱导酶
• 反馈调节

第276页：1.化能异养微生物

• 1.化能异养微生物生物氧化过程中，基质脱氢的主要有哪四种途径，试述他们各自的特点
• 2.试列表比较呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点
• 3.什么较Stickland反应，说明其产能原理
• 4.试述嗜盐菌紫膜光合磷酸化的基本原理
• 5.生物固氮需要的6种要素是什么，各自有什么功能？试述生物固氮的过程
• 6.什么叫次生代谢物?它与初生代谢有什么联系？
• 7.微生物代谢调节在发酵工业中有何重要性？试举例说明。二、问答题

第277页：1、酶的诱导

• 1、酶的诱导（enzyme induction): 底物或其结构类似物活化与降解有关的酶。乳糖操纵子学说
• 2、分解代谢产物阻遏（catabolite repression) ：葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。(二)分解途径的代谢调控：

第278页：2.阻遏（repression）

• 2.阻遏（repression）：是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，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

第279页：（二）酶合成调节

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

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；

第280页：Structure of a typical operon

Structure of a typical operon

第281页：一些重要术语

• 一些重要术语
• 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
• 3、阻遏物（repressor）与和阻遏物蛋白（aporepresseor）——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

第282页：正调节

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。

第283页：E.coli 乳糖操纵子学说

E.coli 乳糖操纵子学说(负调节）

第284页：The enzymes that are required

The enzymes that are required for lactose degradation:beta-galactosidase:This enzyme hydrolyzes the bond between the two sugars, glucose and galactose. It is coded for by the gene LacZ. Lactose Permease:This enzyme spans the cell membrane and brings lactose into the cell from the outside environment. The membrane is otherwise essentially impermeable to lactose. It is coded for by the gene LacY. Thiogalactoside transacetylase: The function of this enzyme is not known. It is coded for by the gene LacA.

第285页：酶合成的诱导与阻遏

酶合成的诱导Enzyme Induction：Figure 7. The Lac operon and its control elements

第286页：LacR=Regulatorygene(alsoknownasLacI)

LacR=Regulatorygene(alsoknownasLacI)genethatencodesforthelacRepressorproteinthatisconcernedwithregulatingthesynthesisofthestructuralgenesintheoperon.LacIisadjacenttothePromotersiteoftheoperon.AnactiverepressorbindstoaspecificnucleotidesequenceintheoperatorregionandtherebyblocksbindingofRNAptothepromotertoinitiatetranscription.Thelacrepressorisinactivatedbylactose,andisactiveintheabsenceoflactose.O=OperatorspecificnucleotidesequenceonDNAtowhichanactiveRepressorbinds.P=PromoterspecificnucleotidesequenceonDNAtowhichRNApolymerasebindstoinitiatetranscription.(Thepromotersiteofthelacoperonisfurtherdividedintotworegions,anupstreamregioncalledtheCAPsite,andadownstreamregionconsistingoftheRNApinteractionsite.TheCAPsiteisinvolvedincataboliterepressionofthelacoperon.).IftheRepressorproteinbindstotheoperator,RNApispreventedfrombindingwiththepromoterandinitiatingtranscription.Undertheseconditionstheenzymesconcernedwithlactoseutilizationarenotsynthesized.LacZ,YandA=StructuralGenesinthelacoperon.LacZencodesforBeta-galactosidase;LacYencodesthelactosepermease;LacAencodesatransacetylasewhosefunctionisnotknown.lac=lactosetheinducermolecule.WhenlactosebindstotheRepressorprotein,theRepressorisinactivated;theoperonisderepressed;thetranscriptionofthegenesforlactoseutilizationoccurs.Table3.Functionalandregulatorycomponentsofthelacoperon

第287页：Figure 8. Enzyme Induction

Figure 8. Enzyme Induction. Induction (or derepression) of the lac operon is a form of negative control because the effect of the regulatory protein (Active repressor) is to stoptranscription.有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合,使其变构, 不能与O结合,从而转录进行,合成乳糖酶,分解乳糖。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上,转录不能进行；

第288页：酶合成的阻遏Enzyme Repress

• 酶合成的阻遏Enzyme Repression：
• 1.终产物的阻遏：(end product repression):（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)Figure
• 5. Genetic organization of the Trp operon and its control elements

第289页：Table 2. The Trp operon

Table 2. The Trp operon and its control elementsR = Regulatory genethat encodes for the trp Repressor protein that is concerned with regulating the synthesis of the 5 gene products. An active repressor binds to a specific nucleotide sequence in the operator region and thereby blocks binding of RNAp to the promoter to initiate transcription. O = Operatorspecific nucleotide sequence on DNA to which an active Repressor binds. P = Promoterspecific nucleotide sequence on DNA to which RNA polymerase binds to initiate transcription. If the repressor protein binds to the operator, RNAp is prevented from binding with the promoter and initiating transcription. Therefore, none of the enzymes concerned with tryptophan biosynthesis are synthesized. A = AttenuatorDNA sequence which lies between the operator and the structural genes for trp biosynthesis. The attenuator is a barrier that RNA polymerase must traverse if it is to transcribe the genes for tryptophan biosynthesis. In the presence of trp, most RNAp molecules fall off the DNA before transcribing the trp genes. In the absence of trp, RNAp is able to traverse the attenuator region to successfully transcribe the trp genes. Trp A, B, C, D, E = Trp Genesstructural genes for enzymes involved in tryptophan biosynthesis. Trp = tryptophanend product of the tryptophan biosynthetic pathway. When combined with the repressor protein the Repressor is active. Trp is called a corepressor.

第290页：Figure 6. Repression of the

Figure 6. Repression of the trp operon终产物的阻遏

第291页：The Tryptophan Operon

The Tryptophan Operon

第292页：（1）cAMP与CAP结合

• 1）cAMP与CAP结合
• 2）当cAMP与CAP复合物结合在启动子上,RNApolase 才与启动子结合，转录进行
• 3）当缺少cAMP和CAP时, RNApolase不能与启动子结合
• Figure 10. Catabolite repression is positive control of the lac operon. The effect is an increase in the rate of transcription.

第293页：有葡萄糖时

有葡萄糖时

———cAMP的产生受葡萄糖抑制

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294页：（1）存在诱导物时

（1）存在诱导物时，mRNA得到转录：调节基因控制部分结构基因PPRtOzyatβ-半乳糖苷酶渗透酶转乙酰基酶诱导物阻遏物失活阻遏物RNA多聚酶cAMPCRP乳糖操纵子—1乳糖操纵子DNARNA蛋白质

第295页：乳糖操纵子

乳糖操纵子—2（2）诱导物和辅阻遏物都存在时调节基因控制部分结构基因PPRtOzyat

第296页：乳糖操纵子

乳糖操纵子—3（3）不存在诱导物时，mRNA无法转录：调节基因控制部分结构基因PPRtOzyat

第297页：This assortment of genes and

This assortment of genes and their regulatory regions is called the Lac operon. The Lac operon has been examined in detail. Here is a diagram of it:

第298页：ElementpurposeOperator

ElementpurposeOperator (LacO)binding site for repressorPromoter (LacP)binding site for RNA polymeraseRepressor (LacI)gene encoding lac repressor proteinBinds to DNA at operator and blocks binding of RNA polymerase at promoterPipromoter for LacICAPbinding site for cAMP/CAP complex

第299页：When lactose is present

When lactose is present

第300页：When the inducer (lactose) is

When the inducer (lactose) is removed

第301页：When levels of glucose in

When levels of glucose in the cell are high

第302页：（一）生物合成途径

• (一)生物合成途径的代谢调控:
• 1、终产物阻遏（end product repression) 终产物阻遏该途径所有酶的合成
• 2、反馈（feedback)或变构抑制(allosteric inhibition)：终产物对该合成途径第一酶合成的抑制A B C DE1E2E3Gene1Gene2Gene3终产物反馈抑制mRNA合成被阻遏DNAmRNA总结

第303页：1、酶的诱导

• 1、酶的诱导（enzyme induction): 底物或其结构类似物活化与降解有关的酶。乳糖操纵子学说
• 2、分解代谢产物阻遏（catabolite repression) ：葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。(二)分解途径的代谢调控：