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1、第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢第二节第二节 厌氧发酵产物的合成厌氧发酵产物的合成第三节第三节 好氧发酵产物的合成好氧发酵产物的合成第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢l生物氧化生物氧化l异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化l自养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化l能量转换能量转换 v代谢代谢(metabolism)(metabolism)是细胞内发生的各种是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由化学反应的总称，它主要由分解代谢分解代谢(catabolism)(catabolism)和和合成代谢合成代谢(anabolism)(anabolism)两个过程
2、组成。两个过程组成。 v分解代谢分解代谢是指细胞将大分子物质降解成是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。小分子物质，并在这个过程中产生能量。 v合成代谢合成代谢是指细胞利用简单的小分子物是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。中要消耗能量。 v分解代谢的三个阶段：分解代谢的三个阶段：1.1.第一阶段第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；糖及脂肪酸等小分子物质；2.2.第二阶段第二阶段是将第一阶段产物
3、进一步降是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶解成更为简单的乙酰辅酶A A、丙酮酸、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些物，在这个阶段会产生一些ATPATP、NADHNADH及及FADHFADH2 2；3.3.第三阶段第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成产物完全降解生成COCO2 2，并产生，并产生ATPATP、NADHNADH及及FADHFADH2 2。第二和第三阶段产生的第二和第三阶段产生的ATPATP、NADHNADH及及FADHFADH2 2通过电子传递链被氧化，可产生大量通过电子
4、传递链被氧化，可产生大量的的ATPATP。微微生生物物的的营营养养和和代代谢谢v合成代谢所利用的小分子物质源于分解代合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。谢过程中产生的中间产物或环境。v在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量用于合成代谢、微生物的学能，这些能量用于合成代谢、微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。式释放到环境中去。微生微生物产物产生和生和利用利用能量能量及其及其与代与代谢的谢
5、的关系关系图图n生物氧化生物氧化: : 分解代谢实际上是物质在分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原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，反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为这个过程也称为生物氧化生物氧化，是一个产，是一个产能代谢过程。能代谢过程。不同类型微生物进行生物氧化所利用不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。过生物氧化来进行产能代谢。 n异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化: :异养微
6、生物氧化有机物的方式，根异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同据氧化还原反应中电子受体的不同可分为可分为有氧呼吸有氧呼吸和和无氧呼吸无氧呼吸两种方两种方式。式。u发酵发酵(fermentation)(fermentation)是指微生物细胞将有是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量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。并产生各种不同的代谢产物。u发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡有机酸
7、、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。萄糖最为重要。u生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为为糖酵解糖酵解( (glycolysisglycolysis) )，主要分为四种途主要分为四种途径：径：EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径、途径、EDED途径、磷酸解途径、磷酸解酮酶途径酮酶途径。 nEMPEMP途径途径( (糖酵解糖酵解途径途径):): 大致分为两个大致分为两个阶段。阶段。l第一阶段第一阶段可认为是不涉及氧化还原反可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：两分子的主要
8、中间代谢产物：甘油醛甘油醛- -3-3-磷酸磷酸。l第二阶段第二阶段发生氧化还原反应，合成发生氧化还原反应，合成ATPATP并形成两分子的并形成两分子的丙酮酸丙酮酸。nEMP途径途径可为微生物的生理活动提供可为微生物的生理活动提供ATPATP和和NADHNADH，其，其中间产物中间产物又可为微生又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖条件下可逆转合成多糖。1. 葡萄糖磷酸化葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖二磷酸果糖(耗能耗能)2. 1.6二磷酸果糖二磷酸果糖2分子分子3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3. 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸总反应式：总
9、反应式：葡萄糖葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 乙酰乙酰CoA， 进入进入TCAEMPEMP途径关键步骤途径关键步骤磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。一个阶段。一个HMPHMP途径循环的结果为：途径循环的结果为：一般认为一般认为HMPHMP途径不是产能途径，途径不是产能途径，而是而是为生物合成提供大量的还原为生物合成提供大量的还原力力(NADPH)(NADPH)和中间代谢产物和中间代谢产物。多。多数微生物中具有数微生物中具有HMPHMP途径途径. .（二）（二）HMPHMP途径途
10、径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径) )HMPHMP途径：途径：葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸后，在后，在6-6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成催化下，裂解成5-5-磷酸戊糖和磷酸戊糖和COCO2 2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖经转酮磷酸戊糖经转酮转醛酶系催转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMPEMP途径的一些酶，进一步转化为途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。丙酮酸。称为称为不完全
11、不完全HMPHMP途径途径。由六个葡萄糖分子参加反应，由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了萄糖分子，消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖（彻底氧化成（彻底氧化成COCO2 2 和水），称和水），称完完全全HMPHMP途径。途径。HMPHMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段HMPHMP是一条葡萄糖不经是一条葡萄糖不经EMPEMP途径和途径和TCATCA循环途径循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+HNADPH+H+ +形式形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径的还原力和多种中间代谢产
12、物的代谢途径1.1. 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-5-磷磷酸和酸和COCO2 22.2. 核酮糖核酮糖-5-5-磷酸发生同分异构化或表异构化磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖而分别产生核糖-5-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-5-磷酸磷酸3.3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生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碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMPHMP途径关键步骤途径关键步骤1. 葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2.2. 6- 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 5
13、-5-磷酸木酮磷酸木酮糖糖 5-5-磷酸核糖磷酸核糖参与参与核酸生成核酸生成3.3. 5- 5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-6-磷酸果糖磷酸果糖+3-+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛( (进入进入EMPEMP）HMPHMP途径的重要意义途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖- -磷酸。磷酸。产产生生大大量量NADPHNADPH2 2，一一方方面面为为脂脂肪肪酸酸、固固醇醇等等物物质质的的合合成成提提供供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与与EMPEMP途途径径在在果果糖糖-1-1，6-6-二二磷磷酸酸和和甘甘油油醛
14、醛-3-3-磷磷酸酸处处连连接接，可可以调剂戊糖供需关系。以调剂戊糖供需关系。途途径径中中的的赤赤藓藓糖糖、景景天天庚庚酮酮糖糖等等可可用用于于芳芳香香族族氨氨基基酸酸合合成成、碱基合成、及多糖合成。碱基合成、及多糖合成。途途径径中中存存在在3737碳碳的的糖糖，使使具具有有该该途途径径微微生生物物的的所所能能利利用用利利用的碳源谱更为更为广泛。用的碳源谱更为更为广泛。通通过过该该途途径径可可产产生生许许多多种种重重要要的的发发酵酵产产物物。如如核核苷苷酸酸、若若干干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMPHMP途途径径在在总总的的能能量量代代谢谢中中
15、占占一一定定比比例例，且且与与细细胞胞代代谢谢活活动动对其中间产物的需要量相关。对其中间产物的需要量相关。又称又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPGKDPG）裂解途径。裂解途径。19521952年在年在Pseudomonas Pseudomonas saccharophilasaccharophila中发中发现，后来证明存在于多种细菌中现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏（革兰氏阴性菌中分布较广）阴性菌中分布较广）。 EDED途径可不依赖于途径可不依赖于EMPEMP和和HMPHMP途径而单独存在，途径而单独存在，是少数缺乏完是少数缺乏完整整EMPEMP途径
16、的微生物的一种替代途径，未发途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。现存在于其它生物中。（三）三）EDED途径途径EDED途径途径 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄葡萄酸酸 激酶激酶 （与与EMP途径连接途径连接） 氧化酶氧化酶 (与与HMP途径连接途径连接) EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖酸酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 有氧时与有氧时与TCA环连接环连接 无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵 EDED途径的特点途径的特
17、点葡萄糖经转化为葡萄糖经转化为2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸后，磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-3-磷磷酸甘油醛，酸甘油醛， 3-3-磷酸甘油醛再经磷酸甘油醛再经EMPEMP途径途径转化成为转化成为丙酮酸。结果是丙酮酸。结果是1 1分子葡萄糖产生分子葡萄糖产生2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子分子ATPATP。EDED途径的特征反应是途径的特征反应是关键中间代谢物关键中间代谢物2-2-酮酮-3-3-脱脱氧氧-6-6-磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPGKDPG）裂解为丙酮酸和裂解为丙酮酸和3-3-磷磷酸
18、甘油醛。酸甘油醛。EDED途径的特征酶是途径的特征酶是KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶. .反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低. . 此途径此途径可与可与EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径和途径和TCATCA循环相连接，循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。中间代谢物的需要。好氧时与好氧时与TCATCA循环相连，厌氧循环相连，厌氧时进行乙醇发酵时进行乙醇发酵. .EDED途径的总反应途径的总反应 ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸丙酮酸 6ATP
19、 2乙醇乙醇 (有氧时经过呼吸链有氧时经过呼吸链) （无氧时进行细菌乙醇发酵）（无氧时进行细菌乙醇发酵）关键反应：关键反应：2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸的裂解磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：催化的酶：6-6-磷酸脱水酶，磷酸脱水酶，KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵相关的发酵生产：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，不必定少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。期供氧。缺点：缺点：pH5pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低较易染菌；细菌对乙醇耐受力低ATP 有
20、氧时经呼吸链6ATP 无氧时 进行发酵 2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸ATP C6H12O6 KDPGED途径的总反应（续）途径的总反应（续）（四）磷酸酮解途径四）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。一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以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它不能够将磷酸己糖裂解为2 2个三碳糖。个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（磷酸戊糖酮解途径（PKPK）途径途径 磷酸己糖酮解途径（磷酸己糖酮解途径（HKH
21、K）途径途径 葡萄糖葡萄糖 6-P-葡萄糖葡萄糖6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 5 -P-核酮糖核酮糖 5 -P-木酮糖木酮糖3 -P-甘油醛甘油醛 丙酮酸丙酮酸乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰乙酰CoA 乙醛乙醛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+磷酸戊糖酮解途径磷酸戊糖酮解途径磷酸戊糖酮解途径的特点磷酸戊糖酮解途径的特点分解分解1分子葡萄糖只产生分子葡萄糖只产生1分子分子ATP，相当于相当于EMP途径的一半途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2磷酸
22、己糖解酮途径磷酸己糖解酮途径 2葡萄糖葡萄糖 2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸 6-磷酸果糖磷酸果糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖 乙酰磷酸乙酰磷酸2木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸2甘油醛甘油醛 -3-磷酸磷酸 2乙酰磷酸乙酰磷酸2乳酸乳酸2乙酸乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊磷酸己糖解酮酶戊逆逆HMP途径途径同同EMP乙酸激酶乙酸激酶磷酸己糖酮解途径的特点磷酸己糖酮解途径的特点有两个磷酸酮解酶参加反应；有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分分子葡萄糖分解为子葡萄糖分解为3分子乙酸和分子乙酸和2分子分子
23、3-磷酸磷酸-甘甘油醛，油醛， 3-磷酸磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变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为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生生成成ATP的反应相偶联；的反应相偶联；每分子葡萄糖产生每分子葡萄糖产生2.5分子的分子的ATP；许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。即采取此方式。丙酮酸在进入三羧丙酮酸在进入三羧酸循环之酸循环之先要脱羧先要脱羧生成乙酰生成乙酰CoACoA，乙乙酰酰CoACoA和草酰乙酸和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进缩合成柠檬酸再进入入三羧酸循环。三羧酸循环。循环的结果是循环的结果是乙酰乙
24、酰CoACoA被彻底氧化成被彻底氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，每氧化每氧化1 1分子的乙酰分子的乙酰CoACoA可可产生产生1212分子的分子的ATPATP，草酰乙酸参与反草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。应而本身并不消耗。1、循环一次的结果是乙酰循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化的乙酰基被氧化为为2分子分子CO2,并重新生成并重新生成1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将应中将NAD+还原为还原为NADH+H+，另一步为另一步为FAD还还原；原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。为糖、脂、
25、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循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；合成的前体；5、生物体提供能量的主要形式；生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如的代谢途径。如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；Glu发酵等。发酵等。TCATCA循环的重要特点循环的重要特点经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型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
26、化学潜能。或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同, ,把微生物把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类. .发酵作用发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式式；呼吸作用呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；：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：呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸有氧呼吸最终电子受体是分子氧最终电子受体是分子氧O O2 2; ;无氧呼吸无氧呼吸最终电子受体是最终电子受体是O O2 2以外
27、的无机氧化物，如以外的无机氧化物，如NONO3 3- -、SOSO4 42-2-等等. .二、递氢、受氢和二、递氢、受氢和ATPATP的产生的产生v概念：概念：在在生物氧化中生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所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。在代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上发酵工业上，发酵是指任何，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。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。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖
28、在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。v发酵类型：发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。的氢（电
29、子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。1 1、发酵作用、发酵作用酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：概念概念菌种菌种途径途径特点特点发生条件发生条件该乙醇发酵过程只在该乙醇发
30、酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。（一）乙醇发酵（一）乙醇发酵当当发酵液处在发酵液处在碱性碱性条件下，酵母的乙醇发酵条件下，酵母的乙醇发酵会改为会改为甘油发酵甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果体，结果2 2分子乙醛间发生歧化反应，生成分子乙醛间发生歧化反应，生成1 1分分子乙醇和子乙醇和1 1分子乙酸；分子乙酸；CHCH3 3CHO+HCHO+H2 2O+NADO+NAD+ + CH CH3 3COOH+NADH+HCOOH+NADH+H+ +CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+
31、H+ + CH CH3 3CHCH2 2OH+ NADOH+ NAD+ + 此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-3-磷酸甘油醛脱磷酸甘油醛脱下的氢而生成下的氢而生成 - -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经 - -磷酸甘油酯酶催化，磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。生成甘油。2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO2概念：概念：有氧条件下，有氧条件下，发酵作用受抑制的酵作用受抑制的现象（或氧象（或氧对发酵的抑制酵的抑制现象）。象）。意意义：合理利用能源合理利用能源机理：机理：通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风通风（有氧呼吸）（有氧呼吸）缺氧缺
32、氧（发酵）（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失巴斯德效应巴斯德效应( (The Pasteur effect )The Pasteur effect )现象：现象：细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶
33、 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 通过通过EMPEMP途径产生乙醇，总反应式为：途径产生乙醇，总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6+2ADP+2Pi 2C+2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP 细菌细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过ED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+ATP细菌细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途径产生乙醇、
34、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵发酵利用利用Z.mobilisZ.mobilis等细菌生产酒精等细菌生产酒精优点：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：缺点：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低（二）乳酸发酵（二）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乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可
35、发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。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。酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵: : （经（经HKHK途径途径磷酸己糖解酮酶途磷酸己糖解酮酶途径径） 葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2( 1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸） 2乳酸乳酸
36、2丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点异型乳酸发酵异型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖6-磷磷酸葡酸葡萄糖萄糖6-磷酸磷酸葡萄葡萄糖酸糖酸5-磷磷酸木酸木酮糖酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念概念菌种菌种途径途径特点特点-CO2（三）混合酸发酵（三）混合酸发酵v概念概念：大肠埃希氏菌、沙门氏菌、：大肠埃希氏菌、
37、沙门氏菌、志贺氏菌志贺氏菌的一些肠道细菌通过的一些肠道细菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和和CO2等多等多种代谢产物，由于代谢产物中含有种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。酵。 葡萄糖葡萄糖琥珀酸琥珀酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸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+2Hp
38、H6.2发酵途径：发酵途径：（四）（四）2,3-2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵概念：概念：肠杆菌属、沙雷氏菌属、和欧文肠杆菌属、沙雷氏菌属、和欧文氏菌属中的一些细菌具有氏菌属中的一些细菌具有 -乙酰乳酸合乙酰乳酸合成酶成酶系而进行丁二醇发酵。系而进行丁二醇发酵。 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶EMP发酵途径：发酵途径：概念概念: :是以分子氧作为最终电子是以分子氧作为最终电子( (或氢或氢) )受体的氧化受体的
39、氧化过程；过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：途径：EMP,TCA循环循环特点：特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化必须指出，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，如传递体，如NAD,FAD,辅酶辅酶Q和各种细胞色素组成）和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。最后才传递到氧。2 2、有氧呼吸、有氧呼吸 由此可见，由此可见， TCA循环与电子传递是有循环与电子传递是有氧呼吸中两个
40、主要的产能环节。氧呼吸中两个主要的产能环节。电子传递与氧化呼吸链电子传递与氧化呼吸链定义：定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式形式的能量。的能量。部位部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上线粒体内膜上成员：成员：电子传递是从电子传递是从NAD到到O2，电子传递链中的电子传递链中的电子传递体主要包括电子传递体主要包括FMN 、
41、CoQ、细胞色素细胞色素b 、c 1、 c、 a 、a和一些铁硫旦白。这些电子传递体和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如列，电子传递次序如下：下：MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v)C1C a a3 O2 H2O (+0.26) (+0.28) (+0.82v)呼吸链中呼吸链中NAD+/NADH的的E0值最小，而值最小，而O2/H2O的的E0值最大，值最大，所以，电子的传递方向是：所以，电子的传递方向是：NADH O2上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生上式表
42、明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。成。NADH+H+和和FADH2的氧化，都有大量的自的氧化，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。至转移到分子氧。电子传递伴随电子传递伴随ADP磷酸化成磷酸化成ATP全过程，故又称全过程，故又称为氧化呼吸链。为氧化呼吸链。呼吸链的功能：呼吸链的功能： 一是传递电子；一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合二是将电子传递过程中释放的能量合成成ATP这就是电子产地磷酸化作这就是电子产地磷酸化作用（
43、或称氧化磷酸化作用）。用（或称氧化磷酸化作用）。典型的呼吸链典型的呼吸链自自EMP2NADH2自乙酰自乙酰CoA2NADH2自自TCA6NADH2自自TCA2FADH2高能水平高能水平低氧化还原势低氧化还原势氧氧化化态态还还原原态态还还原原态态氧氧化化态态氧氧化化态态还还原原态态还还原原态态 醌醌氧氧化化态态氧氧化化态态还还原原态态 脱脱氢氢酶酶NAD FADH2H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平低能水平高氧化还原势高氧化还原势FPFe-SCyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3 氧化酶氧化酶典型的呼吸链典型的呼吸链原核生物呼吸链的特点原核生物呼吸链的特点存在于细胞膜上呼
44、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.b556 Cyt.o; Cyt.b558 Cyt.d NADNAD：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+。 FADFAD和和FMNFMN：黄素蛋白的辅基， 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-SFe-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
45、、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（辅酶泛醌（辅酶Q 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1015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微生物中重要的呼吸链组分细胞色素系统细胞色素系统功能：功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子从泛醌中
46、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。推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中。分类：分类：线粒体的电子传递链至少含有线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为cyt.a， cyt.a3， cyt.b， cyt.c和和cyt.o等。细胞色素等。细胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。整合在一起存在。Cyta a3以复合物形式存在，称以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。细胞色素为细胞色素氧化酶。细胞色素a a3含有两个必需的含有两个必需的铜原子。由还原型铜原子。由还原型a3将电子直接传递给分
47、子氧。将电子直接传递给分子氧。 电子从电子从CoQ传到传到b c c1 ，Fe-S旦白旦白, a a3 。结构组成：结构组成：以血红素为辅基，通过其卟啉分子中以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。心铁原子的价电荷的变化而传递电子。 cyt.a3即细即细胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化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。个电子还原氧的反应，激活分子氧。ATPATP的结构和生成的结构和生成2. ATPATP的生成方式的生成方式: : 微生物能量代谢活动中所涉及的主要是微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高高能分
48、子）形式的化学能能分子）形式的化学能. ATP是生物体内能量的载是生物体内能量的载体或流通形式体或流通形式.当微生物获得能量后当微生物获得能量后, ,都是先将获都是先将获得的能量转换成得的能量转换成ATP.ATP.当需要能量时当需要能量时, ,ATPATP分子上的分子上的高能键水解高能键水解, ,重新释放出能量重新释放出能量. .光合磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化电子传递磷酸化1. 结构结构:光合磷酸化光合磷酸化: :利用光能合成利用光能合成ATPATP的反应的反应. .光合磷酸化作用将光能转变成化学能光合磷酸化作用将光能转变成化学能, ,以用以
49、用于从二氧化碳合成细胞物质于从二氧化碳合成细胞物质. .主要是光合微生物。主要是光合微生物。光合微生物光合微生物: :藻类、蓝细菌、光合细菌（包藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如其他光合色素，只能裂解无机物（如H H2 2、H H2 2S S等）等）或简单有机物，
50、进行不产氧的光合作用。或简单有机物，进行不产氧的光合作用。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利用化合物氧化过程中释放的能量生成生成ATPATP的反应。的反应。氧化磷酸化生成氧化磷酸化生成ATPATP的方式有两种的方式有两种：底物水平磷酸化底物水平磷酸化不需氧不需氧电子传递磷酸化电子传递磷酸化需氧。需氧。底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：底底物物水水平平磷磷酸酸化化是是在在某某种种化化合合物物氧氧化化过过程程中中可可生生成成一一种种含含高高能能磷磷酸酸键键的的化化合合物物，这这个个化化合合物物通通过过相相应应的酶作用把高能键磷酸根转移给的酶作用把高能键磷酸根转移给ADPADP，使
51、其生成使其生成ATPATP。 这这种种类类型型的的氧氧化化磷磷酸酸化化方方式式在在生生物物代代谢谢过过程程中中较较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。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，由于脱掉一个水分子，2 2一磷酸甘油酸的低能一磷酸甘油酸的低能酯键转变为酯键转变为2 2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。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这种高能连接的磷酸可以转给ADPADP，产生产生ATPATP分子。分子。在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述
52、一些物质外，还有上述一些物质外，还有1 1，3 3一二磷酸甘油酸和乙一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。酰磷酸等。 在在电电子子传传递递磷磷酸酸化化中中，通通过过呼呼吸吸链链传传递递电电子子，将将氧氧化化过程中释放的能量和过程中释放的能量和ADPADP的磷酸化偶联起来，形成的磷酸化偶联起来，形成ATPATP。 呼呼吸吸链链中中的的电电子子传传递递体体主主要要由由各各种种辅辅基基和和辅辅酶酶组组成成，最最重重要要的的电电子子传传递递体体是是泛泛琨琨（即即辅辅酶酶Q Q）和和细细胞胞色色素素系系统统。在不同种类的微生物中细胞色素的成员是不同的。在不同种类的微生物中细胞色素的成员是不同的。 通通过过呼呼吸吸
53、链链生生成成的的ATPATP数数量量主主要要是是根根据据呼呼吸吸链链成成员员的的多多少少而而不不同同，而而呼呼吸吸链链的的组组成成因因微微生生物物种种类类而而异异，如如酵酵母母菌菌可可生生成成3 3个个ATPATP，而而细细菌菌大大约约只只生生成成1 1个个ATPATP磷磷酸酸化化作作用用是是在在电电子子自自供供体体向向最最终终受受体体的的传传递递过过程程中中发发生生的的。从从氧氧化化营营养养物物质质产产生生的的一一对对电电子子或或氢氢原原子子向向最最终终电电子子受受体体转转移移时时，中中间间经经过过一一系系列列电电子子传传递递体体，每每个个电电子子传传递递体体构构成成一一个个氧氧化化还还原原
54、系系统统，这这一一系系列列电电子子传传递递体体在在不不同同生生物物中中有有其其自自己己一一定定的的排排列列次次序序，构构成成一一条条电电子子传传递递链链，因因而而称称为为呼呼吸吸链链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量生成流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量生成ATPATP。电子传递磷酸化电子传递磷酸化一个一个NADNAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3 3个个ATPATP分子。它分别分子。它分别在三个位置，各产生一个在三个位置，各产生一个ATPATP。如图如图4 41 1所示，第一个所示，第一个ATPATP大约在辅酶大约在辅酶1 1和黄素蛋白之间；第二
55、个和黄素蛋白之间；第二个ATPATP大约在细胞色素大约在细胞色素b b和和clcl之间；第三个之间；第三个ATPATP大约在细胞色素大约在细胞色素c c和和a a之间。之间。电子传递磷酸化举例电子传递磷酸化举例回补途径回补途径vTCA循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其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；它化合物的合成提供了中间产物；v生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循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；环就会中断；v回补方式：回补方式：通过某些化合物的通过某些化合物的CO2固定作用，固定作用， 一些转氨基酶所催化的反应也能合一些转氨
56、基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和成草酰乙酸和 -酮戊二酸，酮戊二酸， 通过乙醛酸循环通过乙醛酸循环通过某些化合物的通过某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循环的固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补：中间产物得到回补：丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶：CO2+丙酮酸丙酮酸+ATP+H2O Mg+ 草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶: CO2 +PEP+ H2O 草酰乙酸草酰乙酸+H3PO4苹果酸酶苹果酸酶: CO2 +丙酮酸丙酮酸+NADPH+H+ 苹果酸苹果酸+ NADP+ 为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长，异为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进
57、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。养微生物至少要具备上述几种酶之种的一个酶。COCO2 2固定作用补充固定作用补充TCATCA环的中间产物环的中间产物乙醛酸循环乙醛酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸琥珀酸琥珀酸异柠檬酸异柠檬酸苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸乙醛酸乙醛酸乙酰乙酰CoA乙酰乙酰CoA乙酸乙酸乙酸乙酸乙醛酸循环乙醛酸循环能够利用乙酸的微生物具有乙酰能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使合成酶，它使乙酸转变为乙酰乙酸转变为乙酰CoA；然后在然后在异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶和和苹果酸合成酶苹果酸合成酶的作用下进的作用下进入乙醛酸循环。入乙醛酸循环。乙醛酸循环
58、的主要反应：乙醛酸循环的主要反应： 异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸 +乙醛酸乙醛酸 乙醛酸乙醛酸 + 乙酸乙酸 苹果酸苹果酸 琥珀酸琥珀酸 + 乙酸乙酸 异柠檬酸异柠檬酸 净反应：净反应：2乙酸乙酸 苹果酸苹果酸回补顺序谷氨酸谷氨酸+NH3谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶 -酮戊二酸氧化酶酮戊二酸氧化酶柠檬酸发酵柠檬酸发酵菌种：菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。菌种。发酵机理：发酵机理：细胞内有三羧酸循环和
59、乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。工艺流程：工艺流程：发酵液的发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；值对柠檬酸生成影响很大；pH23时，时，发酵产物主要是柠檬酸；发酵产物主要是柠檬酸； pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；葡萄糖酸； 可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌
60、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。循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。谷氨酸发酵谷氨酸发酵谷氨酸发酵菌种：谷氨酸发酵菌种：Corynebacterium pekinenseCorynebacterium glutamicumBrevibacterium flavu发酵机理：发酵机理： 谷氨酸以谷氨酸以 -酮戊二酸为碳架；当酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合以糖质为发酵原料时，合成途径包括成途径包括EMP,HMP,TCA循环循环,乙醛酸循环等；乙醛酸循环等； 谷氨酸产
61、生菌谷氨酸产生菌的的 -酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷谷氨酸脱氢酶的活力要很高；氨酸脱氢酶的活力要很高； 生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物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。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。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。 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。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
62、进行无氧呼吸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：如无机氧化物：如NONO3 3- -、 NO NO2-2-、SOSO4 42 2- -、S S2 2O O3 32-2-等。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，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。但不如有氧呼吸产生的能量多。如：如：以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出179
63、6.141796.14KJKJ自由能自由能。3 3、无氧呼吸、无氧呼吸微生物发酵机理调控微生物发酵机理调控微生物代微生物代谢过程中的自我程中的自我调节酶活性的活性的调节酶合成的合成的调节代代谢调控理控理论的的应用用微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢调节系统的特点：微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：成因：细胞体积小，所处环境多变。细胞体积小，所处环境多变。举例：举例：大肠杆菌细胞中存在大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每
64、个细菌中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到每种酶平均分配不到100个分子。个分子。解决方式：解决方式：组成酶（组成酶（constitutive enzyme）经经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），），在底物或其类似物存在在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。微生物自我调节代谢的方式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控制营养物质透过细胞
65、膜进入细胞2.通过酶的定位控制酶与底物的接触通过酶的定位控制酶与底物的接触3.控制代谢物流向控制代谢物流向:重点重点1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞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通过酶的定位控制酶与底物的接触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：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。3. 控制代谢物流向：控制代谢
66、物流向：( 通过酶促反应速度来调节通过酶促反应速度来调节) 1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如酶控制代谢物流向：如: 两种两种Glu脱氢酶：以脱氢酶：以NADP为辅基为辅基 Glu合成合成 以以NAD为辅基为辅基 Glu分解分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。酶。 粗调：调节酶的合成量粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。通
67、过调节产能代谢速率。一、酶活性的调节一、酶活性的调节通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式：（一）调节方式：包括两个方面：1、酶酶活活性性的的激激活活：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、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概念：反反馈馈：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正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制主要表现在某代
68、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1.直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制： 苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶苏氨酸苏氨酸 - -酮丁酸酮丁酸 异亮氨酸异亮氨酸 反馈抑制反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.2.分支代谢途径中的反馈抑制：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避免在一个分支上的产物过多时不致
69、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。主要支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：有： 同功酶的调节，同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。馈调节等。（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型（1 1）同功酶调节）同功酶调节isoenzymeisoenzyme定义：定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：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。某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：举例：大肠杆菌
70、的天冬氨酸族氨基酸合成的调节（2 2）协同反馈抑制）协同反馈抑制concerted feedback inhibitionconcerted feedback inhibition定义：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。径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例：举例：谷氨酸棒杆菌（谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）多粘芽孢杆菌（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天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨
71、酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。（3 3）合作反馈抑制）合作反馈抑制cooperative feedback inhibitioncooperative feedback inhibition定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制定义：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。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举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和和GMP （和（和IMP）的合作反馈抑制，二者共的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独同存在时，可以完全抑制该酶的
72、活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的过量时，分别抑制其活性的70%和和10%。（4 4）积累反馈抑制）积累反馈抑制cumulative feedback inhibitioncumulative feedback inhibition定义：定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑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。既无协同效应，亦无拮抗作用。Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸氨甲
73、酰磷酸 13%AMP 41%积累反馈抑制积累反馈抑制E.coliE.coli谷氨酰胺合成酶的调节谷氨酰胺合成酶的调节（5 5）顺序反馈抑制）顺序反馈抑制sequential feedback inhibitionsequential feedback inhibition一一种种终终产产物物的的积积累累,导导致致前前一一中中间间产产物物的的积积累累，通通过过后后者者反反馈馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞在分支合成途径中，分支点后的两种
74、酶竞争同一种底物，如争同一种底物，如AMP与与GMP，Thr与与Lys、Met，由于两种酶对底物的由于两种酶对底物的Km值值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。的一条优先合成。（6 6）优先合成）优先合成( (三三) )酶活力调节的机制酶活力调节的机制变构构酶理理论： 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。活性位点活性位点:与底物结合变构位点构位点: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 变构酶变构酶(一一)、生
75、物合成途径的代、生物合成途径的代谢调控；控； 1、终产物阻遏（物阻遏（end product repression) 终产物阻遏物阻遏该途径所有途径所有酶的合成。的合成。 2、反、反馈（feedback)或或变构抑制构抑制(allosteric inhibition)： 终产物物对该合成途径第一合成途径第一酶合成的抑制合成的抑制A B C DE1E2E3Gene1 Gene2 Gene3终产物反物反馈抑制抑制mRNA合成被阻遏合成被阻遏DNAmRNA总结总结1、酶的的诱导（enzyme induction): 底物或其底物或其结构构类似物活化与降解有关的似物活化与降解有关的酶。 乳糖操乳糖操纵
76、子学子学说。 2、分解代、分解代谢产物阻遏物阻遏（catabolite repression) ： 葡萄糖阻遏大量其他葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。的合成。( (二二) )、分解途径的代谢调控：、分解途径的代谢调控：三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用工业发酵的目的：工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢大量积累人们所需要的微生物代谢产物。产物。代谢的人工控制：代谢的人工控制：人为地打破微生物发酵机理控制体人为地打破微生物发酵机理控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。系，使代谢朝着人们希望的方向进行。人工控制代谢的手段：人工控制代谢的手段
77、： 改变微生物遗传特性改变微生物遗传特性(遗传学方法）；遗传学方法）； 控制发酵条件（生物化学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）； 改变细胞膜透性；改变细胞膜透性； 1.1营养缺陷型菌株的应用营养缺陷型菌株的应用 末端产物末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造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累中间产物C 。1.1.遗传学方法遗传学方法（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性）对于直线式代谢途径
78、：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物突变株只能积累中间代谢产物 A a B b C c D d E (2) (2) 分支代谢途径：情况较复杂，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利用双重缺陷发酵生产中间产物A B CDEFG分支途径赖氨酸发酵:谷氨酸棒杆菌的Hom分支途径肌苷酸发酵（IMP合成途径的代谢调控）调控理论的实践应用调控理论的实践应用1.2 抗反馈控制突变株的应用抗反馈控制突变株的应用v抗反馈控制突变株抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏是指对反馈抑制
79、不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。v抗反馈控制突变株可以从抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物终产物结构类似物抗性突变株抗性突变株和和营养缺陷性回复突变株营养缺陷性回复突变株中获得。中获得。v获得方法及其原理：获得方法及其原理：目标产物目标产物结构类似物结构类似物赖氨酸赖氨酸S-S-（2 2氨基乙基）氨基乙基）-L-L半半胱氨酸胱氨酸-(AEC)-(AEC)苏氨酸苏氨酸 - -氨基氨基- - - -羟基戊酸羟基戊酸（AHV)AHV)异亮氨酸异亮氨酸乙硫乙硫氨酸氨酸精氨酸精氨酸D-D-精氨酸精氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸对氟对氟苯丙氨酸苯丙氨酸1.31.3
80、选育组成型突变株和超产突变株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，这样的突变株称为或分解代谢物阻遏，这样的突变株称为 组成组成型突变株。少数情况下，组成型突变株可产型突变株。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，这种突变株生大量的、比亲本高的多的酶，这种突变株称为超产
81、突变株。称为超产突变株。 DA B C E F（二）生物化学方法（二）生物化学方法1.1.添加前体绕过反馈控制点：添加前体绕过反馈控制点：2.2.亦能使某种代谢产物大量产生亦能使某种代谢产物大量产生(-)(-)(-)2. 2. 添加诱导剂：添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的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，诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物，3. 3. 发酵与分离过程耦合发酵与分离过程耦合：4. 4. 控制发酵的培养基成分：控制发酵的培养基成分：（三）控制细胞膜渗透性（三）控制细胞膜渗透性使胞内的代谢产物迅速渗漏出去使胞内的代谢产物迅速渗
82、漏出去,解除末端产物的反馈抑制。解除末端产物的反馈抑制。 1. 用生理学手段用生理学手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺损直接抑制膜的合成或使膜受缺损 如如: 在在Glu发发酵酵中中把把生生物物素素浓浓度度控控制制在在亚亚适适量量可可大大量量分分泌泌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；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当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素适量添加青霉素的方法；的方法；再再如如：产产氨氨短短杆杆菌菌的的核核苷苷酸酸发发酵酵中中控控制制因因素素是是Mn2+； Mn2+的作用与生物素相似。的作用与生物素相似。2. 利用膜缺损突变株利用膜缺损突变株 油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型如如:用用谷谷氨氨酸酸生生产产菌菌的的油油酸酸缺缺陷陷型型，培培养养过过程程中中，有有限限制制地地添添加加油油酸酸，合合成成有有缺缺损损的的膜膜，使使细细胞胞膜膜发发生生渗渗漏漏而而提提高高谷谷氨氨酸产量。酸产量。甘甘油油缺缺陷陷型型菌菌株株的的细细胞胞膜膜中中磷磷脂脂含含量量比比野野生生型型菌菌株株低低，易易造造成成谷谷氨氨酸酸大大量量渗渗漏漏。应应用用甘甘油油缺缺陷陷型型菌菌株株，就就是是在在生生物物素素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。
