发酵-食品微生物学

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1、第七章 微生物的能量与物质代谢,第一节 微生物的产能代谢 第二节 微生物的耗能代谢 第三节 微生物的代谢调控与次级代谢,新陈代谢，简称代谢（metabolism）：是微生物细胞与外界环境不断进行物质交换的过程，它是细胞内各种化学反应的总和。代谢包括两部分：,复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,微生物能量代谢,能量代谢的核心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATP， 这就是产能代谢。,最初能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,通用能源 （ATP）,第一节 微生物的产能

2、代谢,微生物的产能代谢：是指物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这是一个产能代谢的过程，又称为生物氧化。 微生物产生能量的去处： 微生物直接利用；贮存在高能化合物中；以热的形式释放到环境中,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,一、异养微生物的生物氧化

3、,异养微生物的生物氧化,（一）发酵(Fermentation) 有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物， 同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。 有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。,生物氧化反应,发酵,呼吸,有氧呼吸,厌氧呼吸,（一）发酵(Fermentation),发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。 生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis） 糖酵解是发酵的基础 主要有四种途径： EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。,1、发酵途径 (1) EMP途径（

4、Embden-Meyerhof pathway）,(1) EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,总反应式为： C6H12O6 +2NAD+ + 2ADP+2Pi 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H20,(2) HMP途径（hexose monophoshate pathway）,总反应式为： 6 6磷酸葡萄糖12 NADP6H20 5 6磷酸葡萄糖12 NADPH12 H12 CO2Pi,(3) ED途径（Entner-Doudoroff pathway）,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。,(4) 磷酸

5、解酮酶途径,特征性酶是磷酸解酮酶，分为： 磷酸戊糖解酮酶途径（PK途径） （Phospho-pentose-ketolase pathway） 磷酸己糖解酮酶途径（HK途径） （Phospho-hexose-ketolase pathway）,葡萄糖,6-磷酸-葡萄糖,5-磷酸-核酮糖,磷酸戊糖解酮酶,3-磷酸-甘油醛,乙酰磷酸,EMP 途 径,丙酮酸,乳酸,乙酸,乙醛,乙醇,图 磷酸戊糖解酮酶（PK）途径,5-磷酸-木酮糖,ATP ADP,Pi,葡萄糖,ATP ADP,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,磷酸已糖解酮酶,4-磷酸赤藓糖,乙酰磷酸,3-磷酸-甘油醛,乳酸,5-磷酸-木酮糖,乙酸,磷酸

6、戊糖解酮酶,乙酸,图 磷酸己糖解酮酶（HK）途径,磷酸戊糖解酮酶途径（PK途径）,总反应式为： C6H12O6 ADPPiNAD CH3CHOHCOOHCH3CH2OHCO2ATPNADHH 磷酸己糖解酮酶途径（HK途径） 总反应式为 2C6H12O6 2CH3CHOHCOOH3CH3COOH,2.发酵类型,(1) 乙醇发酵 a)酵母菌的乙醇发酵 (如酿酒酵母) 厌氧EMP 丙酮酸 乙醛 2乙醇+2CO2+2ATP b)异型乙醇发酵: (如肠膜明串珠菌) HMP 乙醇+乳酸+CO2+ ATP c)同型乙醇发酵:（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇 ED(厌氧) 乙醇+2CO2+ ATP 区别：微生物不

7、同；途径不同；产能不同；碳原子来 源不同,(2)乳酸发酵,乳酸发酵细菌及类型,(2)乳酸发酵,厌氧条件下，乳酸菌进行 同一微生物,利用不同底物,可进行不同形式的乳酸发酵 不同微生物,可进行不同形式的乳酸发酵 乳酸菌：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串珠菌、双歧杆菌等。,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,(3) 混合酸(mixed acids fermentation) 和 丁二醇发酵(butanediol fermentation),肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵 EMP 丙酮酸 乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸、乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、丙 酮、CO2 、H2等,(3) 混合酸(mixed ac

8、ids fermentation) 和 丁二醇发酵(butanediol fermentation),不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。,(4) 丁酸发酵:专性厌氧菌,不同菌，通过EMP途径，产物不同，可分为： a .丁酸发酵： 丁酸梭菌 丁酸 b. 丙酮-丁醇发酵： 丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌 丙酮、丁醇 c .丁醇-异丙醇发酵： 丁酸梭菌 丙酮还原为异丙醇,由葡萄糖开始的各种类型发酵的总结,(二) 呼吸作用,微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称

9、为呼吸作用。,有氧呼吸（aerobic respiration）： 以分子氧作为最终电子受体,无氧呼吸（anaerobic respiration）： 以氧化型化合物作为最终电子受体,呼吸与发酵的根本区别： 电子载体不是将电子直接传给GLC分子降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量最后再交给最终电子受体。,(二)呼吸作用,1. 有氧呼吸,葡萄糖,丙酮酸,糖酵解作用,三羧酸循环,发酵,各种发酵产物,被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,无氧,有氧,丙酮酸在进入三羧酸循环之前要脱羧生成乙酰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

10、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。,2FADH2,(二)呼吸作用,2.无氧呼吸,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸； 无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。 无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过 程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。 由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量 不如有氧呼吸产生的多。,2.无氧呼吸,2.无氧呼吸,2.无氧呼吸,厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发

11、酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。 除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。,二、自养微生物的生物氧化,还原CO2时ATP和H的来源,CO2 NH4+, NO2-, H2S, S (最初能源),S，H 2，Fe 2+ （无机氢供体）,ATP,ATP,CH2O,顺呼吸链传递,逆呼吸链传递,耗ATP产H,一些微生物通过氧化无机物获得能量，这类微生物就是好氧型的自养微生物。,4、氢的氧化：利用分子氢氧化产生能量（氢细菌） H2+1/2O2H2O+,2、硫的氧化：以还原态的硫化物为能源

12、（硫杆菌） S2-+2O2 SO42-+,1、氨的氧化：以 NH4+、NO2-为能源 NH4+3/2O2NO2-+H2O+2H+ 亚硝化细菌 NO2-+1/2O2 NO3-+ 硝化细菌,3、铁的氧化（铁细菌） 2Fe+1/2O2+2H+2Fe3+H2O+,无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位,H2,NH 4+ S2- SO32-,S 2O 3- Fe2+,NO2-,NAD,FP,ATP,Q ,Cyt.b,Cyt.cc1,ATP,Cyt.a 1.aa3,ATP,O2(NO3),注：正向传递可产生ATP,而逆向传递消耗ATP，并产生还原力H,呼吸链的组成,1. 黄素蛋白酶类 （flavoprotei

13、ns, FP） 2. 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 3. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（F AD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NAD

14、H脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,三、光能微生物的生物氧化,（一）光合微生物的种类： 1、自养型：蓝细菌、红硫菌、绿硫菌等； 2、异养或兼性：红螺菌、嗜盐菌等。 嗜盐菌获能途径: 有氧时：氧化磷酸化 有光时：光合磷酸化 有氧或无氧：底物水平磷酸化,底物水平磷酸化：物质在生物氧化中所生成的一些含有高能键的化合物直接偶联ATP

15、或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式，叫底物水平磷酸化。 氧化磷酸化：物质在生物氧化中所生成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其它氧化型物质，在此过程中偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式，叫氧化磷酸 化。 光合磷酸化：当一个叶绿素分子吸收光量子而被激活后，释放一个电子，这个电子经过电子传递系统而偶联ATP或GTP的合成，叫光合磷酸化。（指光能转变为化学能的过程。）,环式光合磷酸化：叶绿素释放的高能电子依次通过铁氧化蛋白，辅酶 Q，细胞色素b和f,再返回带正电荷的叶绿素分子。在辅酶Q向细胞色素传递电子的时候，造成质子跨膜运动而合成ATP。（紫色硫细菌，紫色 非硫菌、绿色硫细菌，绿色非硫细菌） 非环式光合磷酸化：高等植物和篮细菌与光合细菌不同，它们可以裂解水来提供细胞的还原力。它们含有两个反应中心，连同天线色素，初级电子受体和供体一起构成光合系统I合光合系统II，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。,（二）微生物的光合磷酸化作用,（三）进行光合磷酸化微生物的特点,1、细菌内含光合色素： 菌视紫质、菌绿质、菌叶绿素、类胡萝卜素、藻青素等。 2、具光合结构：有光合色素和电子传递系统的存在位点。如：蓝细菌 类囊体，红螺菌、红硫菌在细胞膜内壁形成单位膜组成的光合结构。 3、光合细菌中，光照越强，光合结构越多