《食品微生物学》教案 (第8次课1学时) 一、授课题日 微生物的代谢—微生物的能量代谢 二、教学日的和要求 掌握化能异养菌的生物氧化和产能的主要方式。 三、教学重点和难点 化能异养微生物的生物氧化与产能，发酵和发酵的类型。 四、教学过程 教学内容：化能异养菌的生物氧化和产能方式 教学办法：讨论交流、师生互动：有部分内容在生物化学中已经学过，采用教师引导， 学生回顾，抓住重点 辅导手段：采用PPT辅助教学，结合生物化学基础内容说明 板书： 第6章“微生物的代谢“ 第一节微生物的能量代谢 2、respiration 1、fermentation 有氧呼吸 EMP HMP ED PK HK 无氧呼吸 乳酸发酒精发群 学时分配： 导入(2min) fermentation (20min) respiration (25min) 小结(3min) 五、作业 课后P1427、8 六、主要参考资料 微生物学教程，周德庆，1993，高等教育出版社 食品微生物学，何国庆、赏英民，2002，中国农业大学出版社 七、课后记
导入：细菌的新陈代谢是微生物生理活动的中心环节，是一系列复杂的生化反应过程，包 括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）、物质代谢和能量代谢。其中的核心问 题是能量代谢 第4章 微生物的代谢 4.1微生物的能量代谢 能量代谢中心任务是做生物如何把外界环境中的各种形式的能量来源转化为一切生 命活动通用能源 一、化能异养菌的生物氧化和产能 biological oxidation:发生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总和。 根据氧化还原反应电子受体不同分为：respiration(acrobic respiration、anacrobic respiration),fermentation. 1,fermentation (48min) 电子供体、最终电子受体均为有机化合物（底物脱氢后产生的还原力不经过呼吸链传 递，直接交给内源氧化性中问代谢产物)：氧化不彻底，产能较少：产能方式是底物磷酸 化，与氧气是否存在无关。 生化上学过的如EMP、HMP以回顾为主，略进 生物体内葡萄糖被降解的主要途径：EMP pathway、HMP pathway、ED pathway、磷 酸解酶途径。 Entner--Doudoroff pathway:葡萄糖只经过4步反应就可获得丙刷酸，速度快。 特点：A特征反应是KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛，特征酶是KDPG醛缩 B两分子丙用骏来历不同一分子由KDPG直接裂解产生：另一分子由威酸甘 油醛经EMP途径转化而来 CI摩尔葡萄糖经ED途径仅产生I摩尔ATP D好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵 磷酸解耐酶途径： Phospho-pentose-.ketolase pathway:HMP变异途径，在5-P-木时糖之后，不是在转 羟乙醛酶作用下生成7-P景天庚酮糖和3P甘油醛，而是在磷酸戊糖解酮酶作用下，生成 1分子的乙酰磷酸和1分子的3-P甘油醛。 2
Phospho-hexose--ketolase pathway:EMP变异途径，生成F-6-P后，不是在果糖磷酸 激酶作用下生成果糖-1,6-二磷酸，而是在磷酸己糖解刷酶作用下生成1分子的4-磷酸-赤 藓糖和1分子的乙酰碳酸 这样简萄糖发酵产物主要有：通过EMP途径、ED途径、PK途径生成丙刷酸，再在 乳酸脱氢南作用下，接受NADH+H提供的氢，还原为乳酸。 丙酮酸在脱羧酶作用下生成乙醛，再接受3-P甘油醛脱下的氢，还原为乙醇。或通过 磷酸解刷酶途径生成乙酰磷酸一乙酰C0A→丁醇或异丙醇 乳酸发酵 同型乳酸发酵：通过EMP途径仅产生乳酸的发酵（乳酸占大多数）。如德氏乳杆茵、 保加利亚乳杆菌、链球菌属、乳酸杆菌属 异型乳酸发酵：通过PK途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵。如简萄糖 明串球菌、肠膜明串珠菌。 双歧发酵：通过HK、HMP途径及PK途径有机结合，产生乳酸、乙酸等有机化合物 的发酵。两歧双歧乳杆菌、双叉乳杆菌 酒精发酵 能进行乙醇发酵的微生物有酵母菊、根霉、出霉、某些细菌，不同微生物进行发酵的 途径不同。通过表格说明 2、呼吸(respiration)(47min) 微生物在降解底物过程中，将释放的电子交给电子载体，通过电子传递系统传给外源 电子受体，从而生成水或其他还原性产物，并产能的过程 呼吸类型： I、有氧呼吸(aerobic respiration) :以游离的氧分子为最终电子受体。通过脱氢酶使基 质H游离出来，经过一系列传递传给经氧化酶活化的氧，从而接受氢，成为水。产能最 多，氧化彻底。 包括CO2、HO2的产生两部分，C02经TCA循环脱羧产生，HO2经电子传递链产生。 2、无氧呼吸(anaerobic respiration):以无机物（硝酸盐、硫酸盐）为最终电子受体。 脱氢酶脱氢，经电子传递链传递给电子的最终受体并伴随磷酸化作用。底物彻底氧化，能 量逐步释放，放能量较前少，但比发酵多。 进行无氧呼吸的菌类：厌氧和兼性厌氧菌 按照最终氢受体不同将无氧呼吸分为无机盐呼吸、延胡索酸呼吸，其中延胡索酸呼吸 末端氢受体为延胡索酸，还原产物为琥珀酸。如兼性厌氧菌埃希氏杆菌属、沙门氏菌属、 变形杆南属等。在无氧培养时如果在培养基中加入延胡索酸，就会促使快速生长，提高细 胞得率。 二、自养菌的生物氧化与产能（略） 3
《食品微生物学》教案 (第9次课2学时》 一、授课题日 第二节微生物的分解代谢与合成代谢 二、教学日的和要求 掌握微生物合成代谢必须的三个要素，肽聚糖合成过程。 三、教学重点和难点 肽聚糖合成过程 四、教学过程 教学内容：生物合成代谢必须的二个要素，肽聚糖合成过程 教学办法：引导探究法：基本代谢内容普通生物化学已经重点学习，故引导快速复习， 新课堂内容采取引导发现问题，探究解决方法。 辅导手段：PPT提供代谢途径 板书： 第二节微生物的分解代谢与合成代谢 、细胞合成代谢三要素 能量还原力小分子前体物合成过程： 质 合成肽聚糖的前体物质： 二、肽聚糖的合成 由Park核甘酸合成肽聚糖单体： 肽聚糖单体的组成：双糖单位、 合成完整的太聚糖 短肽“尾”、肽“桥” 学时分配： 导入(2min) 分解代谢、合成代谢回顾(30min） 肽聚糖合成(65min)(重点讲解) 小结(3min) 五、作业 课后12 六、主要参考资料 做生物学教程，周德庆，1993，高等教育出版社 微生物学，武汉大学、复旦大学生物系绳武学教研室编，1989，北京农业大学出版社 江南大学微生物学教学网站 七、课后记
4.2微生物的分解代谢与合成代谢 一、分解代谢与大分子物质的降解 对多糖类物质的分解须先经胞外酶作用分解成双糖，再分解成单糖后才吸收利用。对 复杂蛋白质的分解，先由胞外酶将蛋白分解成短肽或氨基酸后吸收入菌体，然后再由胞内 酶将肽类分解为氨基酸。大多数病原菌不能分解脂防。一部分有脂肪酶的细茵才能将脂防 水解为甘油和脂肪酸 二、合成代谢、生物大分子肽聚糖合成 细胞合成代谢三要素：能量(ATP、质子动力)、还原力（主要为NADH2、NADpHz) 小分子前体物质。具各三个基本条件，合成代谢才能进行。自养型微生物的合成代谢能力 很强，可利用无机物合成完全的自身物质。在食品工业中涉及最多的是化能异养型微生物， 所需三要素均来自有机物。 一骰的代谢略， 肽聚糖的合成：由三部分组成：双糖单位、短肽“尾”、肽“桥”。以金黄色萄球茵 为例说明。提出相关问题： 每个单糖单位的来源？各部分何时连接？发生的部位 有哪些物质参与？消耗能量情况？合成的部位？ 合成程依发生部位分成一个阶段： 合成肽聚糖的前体物质 Park核苷酸（细胞质）：由Park核甘酸合成片聚糖单体（细 胞膜)：合成完整的肽聚糖（细胞膜外）。 1、第一阶段N-乙酰萄糖胺、Pak核甘酸合成在胞质中进行，分两步完成。 A由简萄糖合成N-乙酰简糖胺和N-乙酰跑壁酸 BN-乙酰胞壁酸合成Pak核苷酸，在短肽形成过程中，没有发现tRNA参与，但肽 键的形成要消耗ATP。问题：前面对于肽聚糖单体的认识可知，在N-乙酰胞壁酸侧链上 连接的是四肽，而不是五肽，Pak核苷酸上侧链多连接一个D-丙氨酸残基。是否需要分 解去除？何时去除 2、由Pk核酸合成肽聚糖单体，反应在细胞膜中进行。问题 第一阶段生成的活化的原料何时组成肽聚糖单体，肽桥何时连接 Pak核苷酸为亲水性化合物，要顺利通过疏水性很强的细胞膜，如何解决疏水性问 题？ 整个过程必须依靠类脂载体（一异戊烯磷酸）参与，通过两个磷酸基与N-乙酰胞 壁酸相连。 3、第二阶段合成完整的新的肽聚糖，反应在膜外完成。包括两步： 第一步：多糖链的伸长一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(transpepti6 dation)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问形成肽键而实现交联。 青霉素对转肽作用能产生抑制作用，导致细胞壁的渗透性裂解，使细胞死亡，但青霉 素对于处于静息的细胞无抑制作用和杀茵作用。 6
《食品微生物学》教案 (第10次课2学时) 一、授课题日 微生物的代谢调控与发酵生产 二、教学日的和要求 掌握微生物代谢的主要调节机制及其代谢调控在发酵工业中的应用。 三、教学重点和难点 发酵代谢的主要调节机制、发酵工业中微生物发酵代谢的调控。 难点：发酵的代谢的调节机制 四、教学过程 教学内容：微生物的代谢调节、调控机制、发酵工业中微生物代谢调控日的、措施 教学办法：以具体例子引导探索，结合谷氨酸发酵讨论 辅导手段：采用PPT辅助教学，充分利用图示说明。 板书： 第二节微生物的代谢调控与发酵生产 微生物的代谢调节 3、酶合成诱导和阻遏的机制 1、酶活性的调节 二、代谢调控在发酵工业中的应用 激活抑制 1、改变细响膜的通诱性 ,2、酶合成的调节 2改变微生物的遗传特性 学时分配 导入(2min) 微生物的代谢调节(48min) 代谢明控在发摩工业中的应用(47n) 小结(3min) 五、作业 课后P14212、14 补充1道 六、主要参考资料 微生物学教程，周德庆，1993，高等教育出版社 食品微生物学，何国庆、贾英民，2002，中国农业大学出版社 七、课后记 1
导入：微生物体内的代谢活动错综复杂，但上千种酶能正确无误、有条不紊的进行，其体 内必然存在一整套发达的代谢调节系统。如何调节？发酵过程中人们如何调控？ 4.3微生物的代谢调控与发酵生产 代谢调节为补充内容，结合学生已了解知识，补充以利于应用上的分析 一、微生物的代谢调节 1、代谢调节特点 及时取得需要的中问代谢产物，只合成需要的代谢产物，严格防止终产物的积紫： 以最经济的方式、花费最少能量获得所需营养，防止能量浪费 2、代谢调节方式 调节细胞膜的通透性：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。 诵酶的定竹限制与相应底物接触： 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：同核甘酸 吸收有关的酶在G一菌的周质区。 调解代谢物流向一通过酶促反应速度来调节，包括调节酶的活性：调节酶的合成 ）酶活性的调节 通过改变现有的酶分子活性来调节新陈代谢速率的方式，是酶分子水平上的调节，属 于精细的调节，包括酶活性的激活和抑制两方面， 1、酶活性的激活： 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。 如粪链球菌的乳酸脱氢酶活性受前体物质1,6二磷酸果糖促进。 2、德活性的抑制 反馈抑制：代谢途径末端产物过量，反过来直接抑制途径中第一个酶的活性，使反应 减慢或停止 特点：作用直接、效果快、当末端产物浓度降低时可重新解除 ()直线代谢途径中的反馈抑制 (2)分支代谢途径中的反馈抑制 ①同工酶调节 ②协同反馈抑制 ③紫积反馈抑制 ④顺序反馈抑制 (二)酶合成的调节
包括南的诱导和阻遏，其特点是问接缓慢，节约能源和原料 (三)酶合成诱导和阻遏的机制一用操纵子学说解释 1、操纵子学说 要点：在染色体的DNA链上有调节基因和操级子，其中操纵子包括一串功能相关联 的结构基因、操纵基因、启动子。 结构基因携带遗传信总，酶的合成就是以结构基因为模板，在RNA聚合酶的作用下 转录出mRNA,mRNA在核糖体上通过tRNA转译出相应的酶。 操纵基因不编码蛋白质，是与调节蛋白结合的部位，控制结构基因的转录 启动子也不编码蛋白质，是与RNA聚合酶结合的部位，贝有二者结合后才能启动结 构基因转录。 调节基因编码一种称为调节蛋白的特殊蛋白质，这种变构蛋白有两个位点：一个与操 纵基因结合，另一个与称为调节物的特殊小分子物质结合，这种结合是可逆的。当调节物 与调节蛋白结合后，便会引起调节蛋白变构，使其增加或降低与操纵基因结合的能力 2、作用机制 一本质是解阻遏 当不存在诱导物时，由调节基因所合成的阻遏物附若在操纵子“0”部位，此时从启 动子部位开始的由RNA聚合隔合成的mRNA活动受到阻遏，南就无法生成。 如果有诱导物存在，阻遏物与诱导物相结合失去阻遏活性，这是与操纵基因相结合的 部位就被解除，能进行mRNA合成 二、代谢调控在发酵工业中的应用 在发酵工业中，为大量累积人们所需的代谢产物，必须人为打破微生物细胞内代谢的 自动调节机制，使代谢朝向人们所希望的方向进行，而要做到这一点，可以从二方面考虑： 第一是微生物本身，有没有代谢能力自然缺损的微生物或通过人为方法获得突破代谢 调控的变异菌株，也就是改变其遗传特性： 第二是改变细胞膜透性 第三是控制发酵条件（生化方法），控制发酵培养基成分、温度、pH值、添加诱导剂 等，不仅关系到微生物的生长，而且还影响代谢产物的产量。（参考现代工业微生物学 Dl34) 1、改变细胞膜的通透性 )生理学方法 亚适量的生物素：生物素是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的辅基，一旦缺乏， 就会彪响催化乙酰CA羧化生成丙二酰单酰CA,进而影响细胞膜磷脂的合成，进而改 变膜透性。 适量青霉素：作为肽聚糖糖肽单体末端结构D-丙胺酰D丙氨酸的类似物，竞争转肽 酶的活力中心，抑制转肽酶活性，使肽桥无法交联，造成细胞壁缺损，细胞膜处于不完全 保护状态，加上细胞膜内外的渗透压养，导致膜的物理损伤，增加了膜的通透性
二方法只对生长态（分裂）细胞有效，对稳定期细胞无作用。 (2)遗传学方法 细胞膜缺损突变：油酸缺陷型菌株不能合成油酸，而油酸是细菌磷 脂中的重要脂肪酸 一旦缺乏就会彰响细胞膜的完整性，增加细胞膜的通透性 2、改变微生物的遗传特性 ()利用营养缺陷菌株 通过诱变而产生的缺乏合成某些营养物质的能力，必须在其基本培养基中加入相应缺 陷的营养物质才能正常生长繁殖的变异茵株。现在氨基酸类和核苷酸类发酵生产用菌，大 多应用营养缺陷型突变株 图例介绍的是赖氨酸生产中代谢途径，其前体是天冬氨酸，通过分支途径合成，另 分支途径合成苏氨酸。苏氨酸、赖氨酸为协同反馈抑制天冬氨酸激酶的活性。如果使用高 丝氨酸缺陷型菌株，高丝氨酸脱氢酶缺陷，无法合成高丝氨酸，也就解除了反馈抑制，积 累赖氨酸。 (②)选育抗反馈调节的突变株 指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或者兼而有之的菌株，反馈 调节被解除，能积累大量的末端代谢产物。抗反馈调节的突变株已经成为日前代谢调控发 酵育种的主流，特别是在氨基酸、核甘酸发酵育种上。 从结构类似物抗性突变株中狄得。如果将微生物生长需要的一些代谢物的结构类似物 加入到培养基中，就能与正常代谢物竞争的与阻遏物及变构酶结合。但它们不能代替正常 代谢物进行细胞成分合成，茵体不能正常牛长。这时如果细胞的变构酶基因发生突变，使 变构部位不能再与抗代谢物结合，而其活性部位却不变，或者是调节基因发生突变，使调 节蛋白不能再与抗代谢物结合，这样正常代谢的终产物也就不能与结构已经改变的变构酶 或阻遏物相结合，在细胞内大量合成终产物时仍能够继续不斯合成有关的酶类， 例如：抗a-氨基-B羟基戊酸(AHV)的产苏氨酸和异亮氨酸突变株的获得。AHV 为苏氨酸、异亮氨酸的结构类似物，可以干扰钝齿棒杆菌的高丝氨酸脱氢酶、苏氨酸脱氢 酶等，抑制该菌的正常生长。 利用亚硝基胍诱变，获得抗AHV突变株，其高丝氨酸脱氢酶等的结构基因发生突变， 不再受苏氨酸的反馈抑制，于是就有大量的苏氨酸累积。如果进一步选育出甲硫氨酸缺陷 型菌株，使甲硫氨酸合成途径上的两个反馈、阻遏也被解除，苏氨酸产量还可进一步提高。 与营养突变株比较，具有的优点： 由于代谢调节被遗传性的解除，不再受培养基成分的影响，牛产较为稳定 如果能较到适当的类似物，选育抗类似物笑变株方法简单、易得： 可有效防止回复突变（只要在保存培养基中添加适量类似物），易于保存