微生物代谢和生长
第七章 第二节、微生物代谢与生长
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。
五、微生物的代谢调控
• 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
☆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
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。
2.通过酶的定位控制酶与底物的接触 3.控制代谢物流向:
1、有氧呼吸
概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化 过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。 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。
在工业发酵和科研中通常采取一定的措施缩短延滞期：
①通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短； ②利用对数生长期的细胞作为“种子”；
③尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太 大；
④适当扩大接种量等方式缩短迟缓期，克服不良的 影响。
2.对数期
特点：细菌数量呈对数增加；生长速度常数R最大；酶系活跃， 细菌代谢旺盛；群体中的细胞化学组成及形态、生理特征一 致，且细菌的形态、大小、染色性均典型，对外界环境因素 的作用比较敏感。
影响指数期微生物增代时间的因素 菌种；营养成分；营养物的浓度 发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度； 实验室研究细菌生物学性状和做药敏试验选取用对数期细菌 为佳（多数为8~18h培养的培养物）
微生物生长与代谢的调控
微生物生长与代谢的调控微生物是大自然中最广泛分布的一类生物，具有广泛的代谢活动和高度多样的形态特征。
微生物广泛参与自然界中的各种代谢过程，包括有机物的分解，氮、磷、硫、铁等元素的循环，以及其他一系列环境改变和气候变化适应性反应。
微生物的生长和代谢过程受多种因素的调节，包括环境因素（如温度、pH值、营养物质、光照强度等）和内部调控机制（如代谢物浓度、基因表达等）。
本文将从微生物生长与代谢的角度探讨微生物的调控机制和相应的应用前景。
微生物的生长过程是一系列复杂的代谢反应，促进生物体形成和繁殖。
生长与代谢是密切相连的过程，微生物由有机化合物中获取能量和生长物质，产生的终产物在代谢过程中反过来作为新的代谢底物继续参与代谢反应。
因此，微生物代谢的调控关系到生物体生长和代谢水平的正常维持。
微生物代谢的调控受多种因素的影响，包括环境因素和内部调控机制。
环境因素对微生物代谢活动的调控主要包括温度、pH值、营养物质、光照和气氛等。
其中，温度和pH值是微生物生长的两个最基本的因素，不同微生物对于温度和pH值的适应范围差别很大，每种微生物都有其自己的适宜生长、繁殖和代谢反应的温度和pH值范围。
此外，不同微生物对于营养物质的要求和利用方式也有较大差异。
一些微生物可以利用较为简单的有机物质作为营养源，而另一些微生物则需要复杂的营养物质，如氨基酸和核苷酸等。
此外，光照和气氛条件对于光合微生物等特定微生物群体的生长和代谢过程也具有重要影响。
环境因素的不同调节导致微生物代谢过程的多样性和适应性。
另一方面，微生物的内部调控机制也非常重要。
微生物内部代谢和细胞功能的调节主要通过基因表达和代谢产物浓度调节。
例如，在微生物代谢过程中，代谢物的积累会激活新的代谢途径和修饰酶分子，促进更多种类的代谢酶产生，并作用于细胞内其他过程的调控，从而实现代谢网络的功能扩展和更细致的调控。
类似地，基因表达也是微生物代谢过程中非常重要的调控机制。
通过基因启动子和转录调控因子的参与，微生物可以实现对于不同代谢底物的表达选择和控制，促进生长和代谢过程的协调。
微生物生长与代谢调控的基本机制
微生物生长与代谢调控的基本机制微生物是地球上最为广泛分布的生物种类之一，包括细菌、真菌、古菌等等。
微生物在地球上的作用非常重要，它们可以参与自然界的物质转化和能量转移，促进有机物的分解和循环再利用，维持生态平衡和人类生存的环境条件。
与此同时，微生物还可以被用来制造药品、食品和工业品等等，可以说是人类社会发展的重要支柱之一。
微生物的生长和代谢调控是微生物生命活动的基本机制，下面本文将详细介绍微生物生长和代谢调控的基本原理和机制。
一、微生物生长的基本机制微生物生长是指细胞数量和体积的增加过程，细胞增殖所需要的能量和物质来源于微生物的代谢活动。
微生物生长的速度和方式取决于生境的条件和微生物自身的特性。
微生物的生长一般可以分为四个阶段: 潜伏期、对数增殖期、平稳期和死亡期。
1. 潜伏期潜伏期是指细胞进入新环境后适应阶段的时间，此时微生物数量几乎不变，代谢活动极其缓慢。
在适应期内，微生物通过改变表达基因和代谢途径来适应新环境，从而为下一个阶段的生长做好充分的准备。
2. 对数增殖期对数增殖期是微生物生长速度最快的阶段，也是微生物最为活跃的阶段，此时微生物的代谢活跃度达到极致，细胞的数量呈指数级增长，生长速度随着细胞密度的增大而减缓，最终趋于平稳。
而微生物的生长速度水平与其所需的营养条件密切相关，例如生长的热带地方会比在寒带地区略快，另外pH值也会影响生化代谢过程影响微生物的生长。
3. 平稳期平稳期是指微生物数量在短时间内几乎不变的阶段，此时微生物的代谢活动几乎停止，生长速度趋于相对稳定状态，呈现出合适的营养和环境条件下的微生物最为适宜生长的状态。
与此同时，平稳期是细胞分泌代谢物质和产生酶的最佳时期，因此对生物合成和发酵等工业生产具有重要价值。
4. 死亡期死亡期是指微生物数量逐渐减少直至完全死亡的过程，其变化与微生物自身的特性以及环境条件有关，例如细胞自身死亡、营养缺乏、毒性物质的存在等等。
二、微生物代谢调控的基本机制微生物的代谢是指通过各种生化途径将有机物转化为无机物的过程，其中包括有氧呼吸、厌氧呼吸、胞内呼吸和发酵等过程。
微生物的生长和代谢调控机制
微生物的生长和代谢调控机制微生物是指那些生存于我们周围环境中，不可肉眼观察的微小生物。
较为常见的微生物包括细菌、真菌、病毒等等。
它们在自然生态系统和人类社会中扮演着非常重要的角色，不仅能够为我们提供许多有益的物质，还可以协助我们处理生活中一些难以处理的问题。
因此，微生物的生长和代谢调控机制备受人们的关注。
微生物生长机制从生物化学角度来看，主要就是细胞分裂（复制），即由一个细胞分裂成两个子细胞。
在细胞分裂过程中，细胞会通过代谢反应来合成DNA、RNA、蛋白质等组成成分，并最终形成新的细胞。
其中，代谢反应是微生物生长的关键。
代谢调控机制是细胞能够从进食中提取营养物质，利用这些营养物质完成自身的分裂和增长。
在自然环境中，营养供应并不总是均衡的，所以微生物必须要有一种机制，来调节自身的代谢反应和生长速度，以应对不同的环境条件。
下面我们将分别介绍微生物的生长和代谢调控机制。
微生物的生长机制：生长需要满足细胞内各种重要物质的合成需求；这些物质包括核酸、蛋白质、细胞壁和细胞膜等。
核酸是组成细胞遗传信息的重要物质，而蛋白质则是细胞的基本组成成分；细胞壁和细胞膜则是保护和维持细胞结构的重要结构。
所有这些物质的合成都需要依赖于代谢物（营养物质），如糖类、氨基酸、核酸、脂类等，在特定的环境条件下，细胞就可以使用代谢物进行生长。
微生物的代谢调控机制：在营养物质不足的情况下，细胞的生长速度就会放缓或停止。
因此，微生物要能够感知和适应环境中营养物质的变化，从而调整自身的代谢和生长速率。
在微生物中，有许多专门的酶来协调代谢的反应，这是调节代谢反应的重要机制。
此外，微生物还可能通过对某些代谢物质的抑制和激活来实现代谢调控。
这种调节机制是通过信号通路实现的，微生物可以通过分泌不同的生物活性物质、调控细胞膜通透性和转录因子来调节代谢。
微生物的生长和代谢调控机制是一个复杂的过程，不同的微生物可能会有不同的机制。
但是，无论微生物的机制是什么，它们都需要依赖于环境中的营养物质来进行生长和繁殖。
微生物代谢物与植物生长相互关系与调节
微生物代谢物与植物生长相互关系与调节微生物代谢物是指微生物在生长代谢过程中产生的化合物，这些化合物不仅对微生物自身具有重要作用，同样对植物生长也有着明显的影响。
微生物与植物之间通过代谢物相互调节的关系，是近年来生态学领域的一个热点研究方向。
本文将从以下几个方面分析微生物代谢物和植物生长的关系。
1. 微生物代谢物种类及其作用微生物代谢物种类众多，按照其功能可以分为多种类型：激素、抗生素、生长因子、抑制因子等等。
其中对于植物生长的调节作用最为重要的是激素和生长因子。
植物生长素是微生物产生的一种重要激素，能够促进植物幼芽生长和根系发育。
它们主要由土壤中的放线菌、真菌和嗜热链霉菌等微生物产生。
植物生长素具有高效的促生长作用，能够通过调节细胞分化和伸长，使植物快速生长和发育。
另外，布艮菌素也是一种非常重要的微生物代谢物，它通常是由一些异养菌和一些解氮菌群体产生的。
布艮菌素具有促进种子萌发、提高氮素利用效率和增加光合作用等重要作用，因此对植物生长发育有着明显的促进作用。
2. 微生物代谢物与植物微生物共生的关系微生物代谢物与植物生长之间有着密切的联系，人们已经证明了微生物代谢物是植物微生物共生的重要因素之一，它可以通过多种途径对植物生长发育产生积极影响。
例如，一些产生生长因子的微生物成为植物的共生菌，它们能够在植物根际中繁殖和生长，为植物提供重要的生长因子，从而促进植物生长。
此外，微生物产生的一些蛋白酶也可以分解病原菌和无益微生物的代谢物，从而减少植物病害率，提高植物产量。
3. 微生物代谢物与植物生长的调控机制微生物代谢物对植物生长发育的影响是多种多样的，但有一个通用的调节机制，即通过植物激素和相关信号途径实现。
植物生命活动是受激素和信号系统控制的，微生物代谢物能够通过信号调节途径影响植物激素水平，从而促进或抑制植物生长发育。
例如，微生物分泌的植物生长素和赤霉素可以通过植物激素调节机制影响植物根系的生长和分化，促进根系的生长，从而增加植物进入营养期所需的土壤吸收能力。
生物3.10微生物的类群、营养、代谢和生长
微生物的能量代谢
化能自养生物
01
利用化学反应释放的能量来合成有机物质的微生物，如硝化细
菌。
化能异养生物
02
利用有机物质氧化过程中释放的能量来合成有机物质的微生物，
如大肠杆菌。
光能自养生物
03
利用光能来合成有机物质的微生物，如藻类。
微生物的代谢途径
糖酵解途径
葡萄糖在无氧条件下被分解成丙 酮酸，产生少量能量和还原力的 代谢途径，是厌氧微生物的主要 代谢途径。
三羧酸循环
在有氧条件下，线粒体中的乙酰 CoA完全氧化成二氧化碳和水， 并释放能量的代谢途径。
戊糖磷酸途径
葡萄糖经过一系列反应生成五碳 糖和六碳糖的代谢途径，是需氧 生物的主要糖代谢途径之一。
04 微生物的生长
微生物的生长曲线
延迟期
细胞适应生长环境，不进行分 裂，数量基本不变。
对数生长期
细胞快速分裂，数量呈指数增 长。
氧气
好氧微生物需要氧气进行呼吸，厌氧微生物 则在无氧环境下生长。
微生物的生长繁殖方式
无性繁殖
通过二分裂、出芽等方式进行无性繁殖，繁殖速度快。
有性繁殖
通过配子结合形成合子，再发育成新个体，繁殖速度慢。
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03 微生物的代谢
分解代谢和合成代谢
分解代谢
微生物通过分解有机物质获取能量和营养物质的过程。这些有机物质可以是糖 类、蛋白质、脂肪等。分解代谢过程中，微生物产生能量并合成新的细胞成分。
合成代谢
微生物利用能量和营养物质合成细胞成分的过程。合成代谢过程中，微生物消 耗能量并产生新的细胞成分，如蛋白质、核酸等。
生物3.10微生物的类群、营养、 代谢和生长
微生物生长和代谢的调控机制
微生物生长和代谢的调控机制微生物是一类具有极强适应性的生物，不仅可以生长于各种极端环境中，还可以分解各种复杂有机物质，在生态系统中发挥着重要的作用。
微生物生长和代谢是由多种调控机制共同协同完成的。
本文将从营养调控、信号转导、转录调控、翻译后修饰等方面进行探讨。
一、营养调控微生物的生长和代谢受生长环境的影响很大，营养物质的获取对于微生物生长发育至关重要。
营养物质作为微生物代谢的原料，能够通过特定的营养调节机制调节细胞内的代谢活性，从而影响微生物的生长和代谢。
例如，细胞脱氧核糖核酸(dNTP)含量对于DNA复制和细胞周期的正常进行起着关键性的调节作用。
当细胞内dNTP含量过高或过低时，会导致DNA复制错误和细胞凋亡等异常现象。
二、信号转导信号转导是微生物生长和代谢的重要调控机制。
细胞内的信号分子能够在不同的代谢途径之间传递信息，并且可以调节细胞的基因表达和代谢产物的合成。
例如，环状二核苷酸(cAMP)和磷酸四酮酸(PPGPP)等信号分子能够分别参与细胞的能量代谢和应激响应，并且能够反馈到细胞的转录调控和翻译后修饰过程中，从而影响微生物的代谢和生长。
三、转录调控微生物的代谢和生长受到转录调控的影响很大，转录因子能够调节基因的表达。
微生物利用转录因子与DNA结合的方式能够对基因进行正、负调节，并且能够根据环境的变化快速地调节基因表达。
例如，传统大肠杆菌的转录因子LacI能够通过与lactose结合来诱导lac operon的转录，从而合成乳糖酶等相关酶。
四、翻译后修饰微生物的代谢和生长与翻译后修饰密切相关。
在蛋白质翻译过程中，N-端信号肽可以调节蛋白质的定位和转运，C-端的修饰可以调节酶活性或稳定性。
例如，乳酸杆菌中的多肽链胺酸酶(DppA)能够利用翻译后修饰方式形成互作性肽链，并且可以与微生物的其他表面蛋白相互结合，从而形成生物膜。
综上，微生物生长和代谢的调控机制是由多种调控机制共同协调完成的。
营养调控、信号转导、转录调控和翻译后修饰等机制可以协同作用，从而实现微生物的生长和代谢的调节。
食品微生物学 第三章微生物的生理 第四节微生物的代谢
第三章
微生物的生理
3.1 微生物的营养 3.2 微生物的生长 3.3 微生物生长的控制 3.4 微生物的代谢
微生物的生理
3.4 微生物的代谢
代谢（metabolism）是微生物细胞与外界环境不断进行 物质交换的过程，即微生物细胞不停地从外界环境中吸收适 当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质并储存能量，这 是微生物生长繁殖的物质基础，同时它又把衰老的细胞和不 能利用的废物排出体外。因而它是细胞内各种生物化学反应 的总和。由于代谢活动的正常进行，保证的微生物的生长繁 殖，如果代谢作用停止，微生物的生命活动也就停止。因此 代谢作用与微生物细胞的生存和发酵产物的形成紧密相关。 微生物的代谢包括微能量代谢和物质代谢两部分。
微生物的生理
第四阶段：2-磷酸甘油酸转变为丙酮酸。这一阶段包括 以下两步反应：
① 2-磷酸甘油酸在烯醇化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙 酮酸。
反应中脱去水的同时引起分子内部能量的重新分配，形 成一个高能磷酸键，为下一步反应做了准备。
微生物的生理
② 磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下，转变为 丙酮酸。
GDP+ Pi GTP 琥珀酰CoA 琥珀酸硫激酶 琥珀酸 + CoASH
琥珀酰CoA在琥珀酸硫激酶的催化下，高能硫酯键被水 解生成琥珀酸，并使二磷酸鸟苷（GDP）磷酸化形成三磷酸 鸟苷（GTP）。这是三羧酸循环中唯一的一次底物水平磷酸 化。
微生物的生理
⑥琥珀酸脱ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生成延胡索酸
FAD
FADH2
琥珀酸
NAD+
NADH +H+
苹果酸
草酰乙酸
苹果酸脱氢酶
TCA循环的总反应式如下：
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微生物群体 少量的
细菌群体
恒定容积 定期
微生物代谢和生长
动态平衡
调整或 适应 快速分裂
最高峰 超过
微生物代谢和生长
活菌
调整期 对数期 稳定期 衰亡期
微生物代谢和生长
延对 滞数 期期
稳定期
典型的生长曲线 （Growth curve）
衰亡期
时期的划分：按照生长速率常数（growth race constant）不同
➢酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成 ➢酶活性调节是代谢水平调节，它调节酶活性。
微生物代谢和生长
调节 方式
调节对象
调节 结果
酶合成 的调节
诱导酶
酶的种 类和数
量
酶活性 组成酶和 已有酶 调节 诱导酶 的活性
调节机制
基因＋诱 导物
代谢产物 与酶可逆
性结合
调节 调节 特点 意义
保证代
谢经济
快速
而高效 地进行
精细
微生物代谢和生长
控制
遗传 积累
微生物代谢和生长
(09理综Ⅰ)2.右图是某种微生物体内某一物质代谢 过程的示意图。下列有关酶活性调节的叙述，错误 的是 A.丁物质既是酶③催化生成的产物，又是酶③的反 馈抑制物 B.戊物质通过与酶④结合导致酶④结构变化而使其 活性下降 C.当丁物质和戊物质中任意一种过量时，酶①的活 性都将受到抑制 D.若此代谢途径的终产物不断排出菌体外，则可消 除丙物质对酶①的抑制作用 答案：C
• 【解析】D物质应是此微生物正常生命活动所必需的， 从培养基中获得A物质后，在野生型微生物体内通过 一定的代谢途径，形成中间产物B、C，最终得到D。 而突变型由于基因突变，缺乏中间代谢的某种酶， 此中间代谢的某一个环节不能正常进行，使反应不 能继续下去，得不到物质D，使野生型不能在此只含 A的培养基上生活。根据此思路，设计以下方案。如 若只能在含C的培养基上生长，在含A、B的培养基上 均不能生长，说明A到C或B到C反应受阻，缺乏B酶 （均只有某一基因发生突变），B基因突变；若在含 A、B、C三种物质的培养基上不能存活，说明C到D的 反应受阻，缺乏C酶，C基因突变 ；若在含A的培养 基上不能生长，在含B、C的培养基上均能生长，说 明A到B反应受阻，A基因突变。
（0939）氯苯化合物是重要的有机化工原料，因不易 降解，会污染环境。某研究小组依照下列实验方案 （图1）筛选出能高效降解氯苯的微生物SP1菌，培养 基配方如表1. （1）配制Ⅱ号固体培养基时，除添加Ⅱ号液体培养基 成分外，还应添加1%的____________。 （2）培养基配制时，灭菌与调PH的先后顺序是 ____________。 （3）从用途上来说，Ⅰ号培养基和Ⅱ号培养基分别属 于培养基和____________培养基。在Ⅱ号培养基中， 为SP1菌提供氮源的成分是____________。 （4）在营养缺乏或环境恶劣时，SP1的菌体会变成一 个圆形的休眠体，这种休眠体被称为 ____________。
微生物代谢和生长
• 已知物质是某微生物生长所必需的，它的合成途径如下图 所示：野生型的在含A物质的培养基上就能正常生长。现发 现有三种突变体（均只有某一基因发生突变），均不能在 只含A物质的培养基上正常生长。现设计一实验方案，区分 出三种突变体的突变基因，并预测实验结果。
• 实验方案：
。
• 预测结果：
微生物代谢和生长
微生物代谢和生长
异常旺盛 表面积
全部化学反应 体积
生长 核苷酸
繁殖
基本相同 维生素
生长和繁殖
生理功能
微生物 抗生素 毒素微生物代谢和生长 色素
初、次级代谢产物的比较
微生物代谢和生长
产物 名称
初级代 谢产物
次级代 谢产物
产生 时间
一直 产生
一定 阶段
作用
种的 特异性
必需 无
非 必需
有
分布
细胞 内
细胞 内、 外
举例
氨基酸、核苷 酸、多糖、脂 类、维生素等
激素、色素、 毒素、抗生素
微生物代谢和生长
遗传物质 诱导物
组成酶
诱导酶 遗传物质
代谢 物质
能量 适应能力
微生物代谢和生长
催化活性
改变 恢复
结合 脱离 快速精细
微生物代谢和生长
发生 变化
复原
微生物的代谢调节
①酶合成的调节 组成酶：微生物细胞内一直存在的酶，它们的合成只受
酶活性调节和酶合成调节的区别
• a.从调节对象看：
➢酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率
➢而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及 酶量变化
• b.从调节效果看： 两种调节方式同时存在，
➢酶活性调节直接而迅速 ➢酶合成调节间接而缓慢
密切配合，高效、准确地
• c.从调节说明A基因突变。
• ⑵如果
，说明B基因突变。
• ⑶如果
，说明C基因突变。
方案：将这三种突变体分别在只含B、只含C 的培养基中培养，观察生长情况。 ⑴在只含B和只含C的培养基中能正常生长 ⑵在只含B的培养基中不能生长，在只含C的 培养基中能生长 ⑶在只含B和只含C的培养基上都不能生微长生物代谢和生长
遗传物质的控制 诱导酶：在环境中存在某种物质的情况下才能合成的酶
意义： 既保证了代谢的需要，又避免了细胞内物质和 能量的浪费，增强了微生物对环境的适应能力
②酶活性的调节
通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率 特点：快速、精细 示例：谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的过程
微生物代谢和生长
黄色短杆菌合成赖氨酸 谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸微生物代谢和生长
加速期
微生物代谢和生长
减速期
①.调整期
其它名称：迟滞期、停滞期、适应期 1.现象：活菌数没增加，曲线平行于横轴。 2.特点：生长速率= 0
➢细胞形态变大或增长 ➢细胞内RNA特别是rRNA含量增高 ➢合成代谢活跃（核糖体、酶类、ATP合成加快），易产生 诱导酶 ➢对外界不良条件敏感，（如氯化钠浓度、温度、抗生素等 化学药物） 3.原因：适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要的中间产 物
微生物代谢和生长
• （1）琼脂 • （2）先调PH，后灭菌 • （3） 选择 硝酸铵 • （4）芽孢 • （5）将SP1菌接种在含不同浓度氯苯的Ⅲ
号培养液中培养，得到生长曲线（如图2）。 从图2可知SP1菌在____________培养条件 下最早停止生长，其原因是____________。 • （5）20mg/L氯苯 碳源最早耗尽