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1、第二部分 微生物的代谢生物大分子降解为小分子代谢中间体-丙酮酸TCA环发酵与呼吸代谢中能量的释放与利用合成代谢次级代谢与调节代谢控制发酵发酵工艺基础知识生物大分子分解微生物发酵基质主要包括淀粉、蛋白质、纤维素、果胶、核酸、脂类等淀粉淀粉淀粉酶液化型糖化型（a淀粉酶）葡糖生成酶淀粉酶异淀粉酶葡萄糖葡萄糖1、（淀粉1，4葡萄糖苷酶）（淀粉1，6葡萄糖苷酶）（淀粉1，4麦芽糖苷酶）工业上常用的碳源（工业上常用的碳源（carbon sourcecarbon source）1.1.谷物淀粉（玉米、马铃薯、木薯淀粉）谷物淀粉（玉米、马铃薯、木薯淀粉） 应用最广。应用最广。使用条件：使用条件： 微生物必须能
2、分泌水解淀粉、糊精的酶类。微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类。 缺点：缺点： a.a.难利用、发酵液比较稠、一般难利用、发酵液比较稠、一般2.0%2.0%时加入时加入 一定的一定的-淀粉酶。淀粉酶。 b.b.成分较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等。成分较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等。 优点：优点： 来源广泛、价格低，可解除葡萄糖效应。来源广泛、价格低，可解除葡萄糖效应。 2. 2. 葡萄糖葡萄糖所有的微生物都能利用葡萄糖，但会引起葡所有的微生物都能利用葡萄糖，但会引起葡萄糖效应。萄糖效应。工业上常用淀粉水解糖工业上常用淀粉水解糖, ,但是糖液必须达到一但是糖液必须达到一定的质量指标。定的质量指标
3、。DEDE值：值：dextrose equivalent valuedextrose equivalent value （葡萄糖当量值）葡萄糖当量值） 表示淀粉糖的含糖量。表示淀粉糖的含糖量。 还原糖含量（）还原糖含量（）DEDE值值 100100 干物质含量（）干物质含量（）淀粉水解糖的制备方法及原理淀粉水解糖的制备方法及原理（一）酸解法（一）酸解法（acid hydrolysis methodacid hydrolysis method） 以酸为催化剂，在高温高压下使淀粉以酸为催化剂，在高温高压下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。水解生成葡萄糖的方法。 1.1.水解过程：水解过程：总反应式：总反
4、应式： (C(C6 6H H1010O O5 5) )n n+nH+nH2 2O nCO nC6 6H H1212O O6 6过程：过程：(C(C6 6H H1010O O5 5) )n n (C(C6 6H H1010O O5 5) )x x C C1212H H2222O O11 11 C C6 6H H1212O O6 6 淀粉淀粉 糊精糊精 麦芽糖麦芽糖 葡萄糖葡萄糖 H H+ +对作用点无选择性，对作用点无选择性， -1,4-1,4-糖苷键和糖苷键和 -1,6-1,6-糖苷糖苷键均被切断。键均被切断。评价评价优点：工艺简单，水解时间短，生产效率高，设备周转快。优点：工艺简单，水解时间
5、短，生产效率高，设备周转快。缺点：缺点：（1）副产物多，影响糖液纯度，一般）副产物多，影响糖液纯度，一般DE值只有值只有90左右。左右。（2）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只能用纯度较高的精制）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只能用纯度较高的精制淀粉。淀粉。 淀粉淀粉 葡萄糖葡萄糖 复合二糖复合二糖 5 5羟甲基糠醛羟甲基糠醛 复合低聚糖复合低聚糖 有机酸、有色物质有机酸、有色物质损失葡萄糖量损失葡萄糖量 7 7 11复合反应复合反应分解反应分解反应盐酸盐酸酶解法酶解法（enzyme hydrolysis methodenzyme hydrolysis method） 用专一性很强的淀粉
6、酶及糖化酶将淀粉用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。水解为葡萄糖的工艺。 分两步：分两步：（1 1）液化：液化：用用 - -淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖（2 2）糖化：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精）糖化：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精 和低聚糖转化为葡萄糖。和低聚糖转化为葡萄糖。 所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又称双酶法称双酶法(double enzyme hydrolysis method)(double enzyme hydrolysis method)。1.1.液化（液化（li
7、quificationliquification）2.2. 淀粉酶水解底物内部的淀粉酶水解底物内部的 1,41,4糖糖苷键，不能水解苷键，不能水解 1,61,6糖苷键，一般采用耐糖苷键，一般采用耐高温淀粉酶，使液化速度加快。高温淀粉酶，使液化速度加快。85859090度度 。 液化程度的控制（液化后需糖化的原因）液化程度的控制（液化后需糖化的原因）a.a.糖液的糖液的DEDE值低（值低（-淀粉酶不能水解淀粉酶不能水解-1,6-1,6糖苷键）糖苷键）b.b.液化在较高温度下进行，液化时间加长，淀粉老化，液化在较高温度下进行，液化时间加长，淀粉老化，使糖化酶难以利用。使糖化酶难以利用。c.c.糖化
8、酶水解的底物分子要求有一定的大小范围。糖化酶水解的底物分子要求有一定的大小范围。 根据生产经验，根据生产经验，DEDE值在值在2020 3030之间为好，之间为好，液化终点可通过碘液判断，此时呈棕色。液化终点可通过碘液判断，此时呈棕色。2. 2. 糖化（糖化（saccharificationsaccharification） 糖化酶从非还原性末端水解糖化酶从非还原性末端水解 -1,4-1,4糖苷键糖苷键和和 -1,6-1,6糖苷键。糖苷键。终点确定：终点确定：DEDE值达最高时，停止酶反应。值达最高时，停止酶反应。3.3.评价评价 优点优点： （1 1）反应条件温和，不需高温、高压设备。）反应
9、条件温和，不需高温、高压设备。（2 2）副反应少，水解糖液纯度高。）副反应少，水解糖液纯度高。（3 3）对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓）对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓 度下水解。度下水解。（4 4）糖液颜色浅，质量高。）糖液颜色浅，质量高。 缺点：缺点：（1 1）生产周期长，一般需要）生产周期长，一般需要4848小时。小时。（2 2）需要更多的设备，且操作严格。）需要更多的设备，且操作严格。 （三）酸酶结合法（三）酸酶结合法 （acid-enzyme hydrolysis methodacid-enzyme hydrolysis method） 集酸解法和酶解法的优点而
10、采取的生产集酸解法和酶解法的优点而采取的生产工艺。根据原料淀粉性质分：工艺。根据原料淀粉性质分： 1.1.酸酶法：先将淀粉酸水解成糊精和低聚酸酶法：先将淀粉酸水解成糊精和低聚糖，再用糖化酶将其水解为葡萄糖。糖，再用糖化酶将其水解为葡萄糖。2.2.适用：淀粉颗粒坚硬（如玉米、小麦）的原适用：淀粉颗粒坚硬（如玉米、小麦）的原料，若用料，若用 - -淀粉酶液化，短时间液化，反应淀粉酶液化，短时间液化，反应往往不彻底往往不彻底。2.2.酶酸法：先用酶酸法：先用 - -淀粉酶液化，再用酸水解。淀粉酶液化，再用酸水解。 适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用酸
11、法，则水解不均匀。粉原料，若用酸法，则水解不均匀。 （四）不同糖化工艺的比较（四）不同糖化工艺的比较项目项目酸解法酸解法酸酶结合法酸酶结合法酶酶解法解法DEDE值值919195959898羟羟甲基糠醛（）甲基糠醛（） 0.30.30.0080.0080.0030.003色度色度10100.30.30.20.2淀粉转化率淀粉转化率909095959898工艺条件工艺条件高温加压高温加压高温加压高温加压常温常温过程耗能过程耗能多多多多少少副副产物产物多多中中少少生产周期生产周期短短中中长长设备规模设备规模小小中中大大防腐要求防腐要求高高较高较高低低适合发酵工艺情况适合发酵工艺情况 差差中中有利有利
12、2.纤维素的降解纤维素是自然界中最丰富的可再生资源，占地球总生物量的40%，它也是地球生物圈碳素和能量循环的主要部分。由于纤维素具有水不溶性的高结晶构造，其外围又被木质素层包围着，要把它水解成可利用的葡萄糖相当困难，所以到目前为止仍没有得到很好地利用。 近几年随着原油价格的不断攀升，纤维素资源的利用引起了世界各国的极大关注和高度重视。我国出于对能源战略的考虑，近几年也加大了对纤维素利用的研究的投入。（1）纤维素的结构天然纤维素是由D-吡喃式葡萄糖通过-1,4-糖苷键结合形成的线形长链分子，约由700-150,000个左右的残基所构成，一般在3000个左右。通过分子间的氢键(O3-HO5andO
13、6 H-O2)和分子链间的氢键(O6-H O3)形成网状平面并通过疏水面的堆积构成纤维素的晶体结构。O3-HO5O6 H-O2O6-H O3天然纤维素除了我们上面提到的结晶结构外，还有非结晶区。如下图。结晶区无定形区微生物降解纤维素的酶系降解和利用水不溶性的纤维素，微生物必须产生相应的酶。在过去二十几年里，根据酶对纤维素作用方式的研究，将纤维素降解的酶类分成三类： (i) 纤维素内切酶 endoglucanases or 1,4-D-glucan-4-glucanohydrolases (EC 3.2.1.4) (ii) 纤维素外切酶 exoglucanases, including 1,4-
14、D-glucan glucanohydrolases (also known as cellodextrinases) (EC 3.2.1.74) and 1,4Dglucan cellobiohydrolases (cellobiohydrolases) (EC 3.2.1.91) (iii) 葡萄糖苷酶-glucosidases or -glucoside glucohydrolases (EC3.2.1.21).纤维素内切酶随机在纤维素的无定形区将糖链切断，产生新的链端。纤维素外切酶作用于纤维素链的两端产生纤维二糖。葡萄糖苷酶降解纤维素湖精和纤维二糖为葡萄糖。教材上也将纤维素酶分为三种C
15、1酶、CX酶及葡萄糖苷酶天然纤维素短链纤维素葡萄糖纤维二糖纤维寡糖纤维二糖葡萄糖C1酶CX酶葡萄糖苷酶by Small Angle X-ray Scattering. J.Biol.Chem. Vol. 277 pp. 4088740892, 2002纤维素酶的结构可以分成三个部分：催化结构域、吸附结构域和连接肽。纤维素酶对纤维素的作用是一个识别、吸附和催化的过程。纤维素酶的结构和作用机理3、果胶半乳糖醛酸以a-1，4糖苷键形成的直链高分子化合物，常带有鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、海藻糖、芹菜糖等组成的侧链，游离的羧基部分或全部与钙、钾、钠离子，特别是与硼化合物结合在一起 75%羧基甲基化
16、成甲酯从广义上讲，果胶酶可以被分为3种类型：原果胶酶：可以把不溶于水的原果胶分解为可溶于水的高聚合体果胶；果胶甲酯水解酶：脱去果胶中的甲氧基基团，促使果胶的脱甲酯作用；果胶聚半乳糖醛酸（解聚酶）：促使果胶中D-半乳糖醛酸的-1，4糖苷键的裂解。目前国内外研究和应用较多的果胶酶产生菌是细菌和霉菌，也有链霉菌产生果胶酶的报道。在细菌中，欧文氏杆菌(Erwiniasp.)、芽孢杆菌(Bacillussp.)、节杆菌(Arthrobactersp.)和假单胞杆菌(Pseodomonassp.)都产生果胶酶。嗜碱性芽孢杆菌属和欧文氏杆菌属主要用于在苎麻和红麻的脱胶、生物制浆及污物的处理软化等方面，应用前
17、景可观，受到较多的关注和研究。已见报道的产果胶酶的霉菌种类大约包括20个属，如曲霉属(Aspergillussp.)、灰霉菌属(Botrytissp.)、镰孢菌属(Fusariumsp.)、炭疽菌属(Colletotrichumsp.)、核盘菌属(Scletoriumsp.)和玉圆斑菌属(Cochliobolussp.)等。目前，黑曲霉、根霉和盾壳霉作为产果胶酶的菌株已经商品化。国内外对霉菌发酵产果胶酶的研究主要集中在曲霉属中，而曲霉属中研究最多的是黑曲霉。其原因是，果胶酶被广泛应用于食品工业中，如用于果汁、果酒及中药营养液的深加工等，使得产品质量和外观得以改善，而生产食品酶制剂的菌株必须是安
18、全菌株。黑曲霉分泌的胞外酶系较全，不仅可以产生大量果胶酶，而且黑曲霉属于安全菌株。另外，黑曲霉产生的果胶酶最适pH值一般在酸性范围内，这也是其被应用于食品工业行业中的原因之一研究进展果胶酶微生物来源蛋白酶制剂常按最适微生物来源蛋白酶制剂常按最适pHpH分类分类 碱性：pH10以上（2709枯草菌蛋白酶） 酸性：pH2-3以下 黑曲霉 中性：多蛋白酶分类：蛋白酶分类：内肽酶 （蛋白酶）外肽酶 羧肽酶、氨肽酶蛋白酶按活性中心可分为丝氨酸蛋白酶、天门冬氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶和金属蛋白酶；按最适pH值来分又分酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶葡萄糖 丙酮酸 CO2和H2O蛋白、核酸降解自己了解（教
19、材或生物化学）生物大分子微生物小分子代谢的中间体丙酮酸 葡萄糖葡萄糖 酵解途径酵解途径 丙酮酸丙酮酸 糖异生途径糖异生途径 乳酸、氨基酸、甘油乳酸、氨基酸、甘油 糖原糖原 肝糖原分解肝糖原分解 糖原合成糖原合成 核糖核糖 + + NADPH+H+磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径 淀粉淀粉纤维素纤维素消化与吸收消化与吸收 丙酮酸位于无氧分解和有氧分解的交界点上，是糖代谢中具有关键作用的中间产物 从丙酮酸可直接生成丙氨酸，因为它可以与氨基转移反应相结合，故在氮代谢方面也起着重要的作用和CoA反应能形成乙酰CoA，与脂肪酸的代谢也有重要的关系 因此，丙酮酸在三大营养物质的代谢联系中起着重要的枢纽作用 丙酮酸
20、合成路线主要有酒石酸与焦硫酸钾合成法、乳酸乙酯空气氧化法、羟基丙酮法、葡萄糖发酵法等 丙酮酸是一种用途非常广泛的有机酸，在化工、制药和日用化学品等工业及科学研究中有着广泛的用途 从代谢的角度看丙酮酸需要掌握的知识发酵发酵 (fermentation),呼吸作用呼吸作用,氧化磷酸氧化磷酸化化, 底物水平磷酸化底物水平磷酸化,新陈代谢新陈代谢,同型乳酸发同型乳酸发酵酵,异型乳酸发酵异型乳酸发酵,双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵葡糖分解为丙酮酸的途径葡糖分解为丙酮酸的途径EMP途径特点、关键酶途径特点、关键酶HMP途径的重要意义、途径的重要意义、关键酶关键酶ED途径的特点、途径的特点、关键酶关键酶磷酸己糖酮
21、解途径的特点、磷酸己糖酮解途径的特点、关键酶关键酶TCA循环的重要特点循环的重要特点单糖分解为丙酮酸的四（五）种途径单糖分解为丙酮酸的四（五）种途径分解葡萄糖生成丙酮酸的过程 糖酵解在胞浆中进行葡糖糖需磷酸活化1分子葡萄糖经酵解可净生成2分子ATP是细胞摄入体内的葡萄糖最初经历的酶促分解过程，也是葡萄糖分解代谢所经历的共同途径是机体在缺氧情况下迅速获得能量的主要途径，也是成熟红细胞获得能量的唯一途径糖酵解是肿瘤细胞能量代谢的主要方式 关于关于糖酵解的认识糖酵解的认识EMP途径途径绝大多数微生物均存在,连接TCA、HMP、ED等途径的桥梁,提供ATP和NAD(P)H HMP戊糖代谢，提供NADP
22、H 和碳骨架ED 不依赖上面两途径单独纯在，补偿途径PK and HK 某些细菌中（一）一）EMP途径途径葡萄糖的葡萄糖的 酵解作用酵解作用(又称：Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称：EMP途径途径)活化活化移位移位 氧化氧化磷酸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EMPEMP途径特点：途径特点：葡萄糖分子经转化成葡萄糖分子经转化成1 1，6 6二磷二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和二羟
23、丙酮和3-3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。 3- 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成磷酸甘油醛被进一步氧化生成2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子葡萄糖可降解成分子葡萄糖可降解成2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛，并消耗磷酸甘油醛，并消耗2 2分子分子ATPATP。2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛被氧化生成磷酸甘油醛被氧化生成2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，2 2分子分子NADH2NADH2和和4 4分子分子ATPATP。EMP途径关键步骤途径关键步骤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
24、醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸总反应式：总反应式：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TCA葡萄糖激活的方式葡萄糖激活的方式好氧微生物：通过需要好氧微生物：通过需要Mg+和和ATP的己糖的己糖激酶激酶厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸磷酸转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化了磷酸化磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶EMP途径的途径的关键酶关键酶，需要需要ATP和和Mg+在活细胞内催化的反应是不可逆的反应在活细胞内催化的反应是不
25、可逆的反应 耗能阶段耗能阶段C6 2C3 产能阶段产能阶段 4 4 ATP 2ATP2C3 2 丙酮酸丙酮酸 2NADH2C C6 6H H1212O O6 6+2NAD+2NAD+ +2ADP+2Pi 2CH+2ADP+2Pi 2CH3 3COCOOH+2NADHCOCOOH+2NADH2 2+2H+2H+ +2ATP+2H+2ATP+2H2 2O O EMP途径的总反应途径的总反应（二）（二） HMP途径途径 (戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径) （Hexose Monophophate Pathway）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，
26、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，
27、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），称完和水），称完全全HMPHMP途径途径。HMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段HMP是一条葡萄糖不经是一条葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径的代谢途径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-磷磷酸和酸和CO22. 核酮糖核酮糖-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
28、产生核糖-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-磷酸磷酸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HMP途径关键步骤：途径关键步骤：1. 葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2. 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3. 5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-磷酸果糖磷酸果糖+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMP6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH
29、+12H+12CO2+PiHMP途径的总反应途径的总反应HMP途径的重要意义途径的重要意义1.1.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。2.2.产产生生大大量量NADPH2NADPH2，一一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还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。3.3.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醛-3-3-磷磷酸酸处处连连接接，可以调剂戊糖供需关系。可以调剂戊糖供需关系。4.4.途途径径中中的的赤赤藓藓糖糖、景景天天庚庚
30、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。5.5.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。6.6.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、若若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。7.7.HMPHMP途途径径在在总总的的能能量量代代谢谢中中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
31、要量相关。又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途裂解途径。径。1952年在年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来中发现，后来证明存在于多种细菌中证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单独存途径而单独存在，在，是少数缺乏完整是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。代途径，未发现存在于其它生物中。（三）（三）ED途径途径ED途径途径 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-
32、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 ED途径途径ED途径ED途径的特点途径的特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-
33、3-磷酸磷酸甘油醛，甘油醛， 3-3-磷酸甘油醛再经磷酸甘油醛再经EMP途径途径转化成为丙酮转化成为丙酮酸。结果是酸。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。ED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-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和裂解为丙酮酸和3-磷酸甘磷酸甘油醛。油醛。ED途径的特征酶是途径的特征酶是KDPG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EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循环相连循环相连接，可互相协调
34、以满足微生物对能量、还原力和不接，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同中间代谢物的需要。好氧时与好氧时与TCA循环相连，厌循环相连，厌氧时进行乙醇发酵氧时进行乙醇发酵.ED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 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）ED途径的总反应途径的总反应关键反应：关键反应：2-酮酮-3-脱氧脱氧-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-磷酸脱水酶，磷酸脱水酶，KDP
35、G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，不必定期少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。供氧。缺点：缺点：pH5，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ATPC6H12O6KDPGED途径的总反应（续）途径的总反应（续）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
36、经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。（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一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。些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它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不能够将磷酸己糖裂解为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（PK）途径途径 磷酸己糖酮解途径（磷酸己糖酮解途径（HK）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
37、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
38、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分子葡萄糖分分子葡萄糖分解为解为3分子乙酸和分子乙酸和2分子分子3-磷酸磷酸-甘油醛，甘油醛， 3-磷酸磷酸-甘油醛在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脱氢酶的参与下转变为乳
39、酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与与ADP生成生成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）的异型乳酸发酵即采取此方许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。式。研究问题：代谢流分析 MetabolicfluxanalysisisananalysistechniquesimilartoFluxBalanceAnalysisusedtodeterminetherateatwhichametaboliteisproducedduringabioprocess.Metabolicfluxanalysis(MFA)iswi
40、delyusedtoquantifymetabolicpathwayactivity 代谢物流分析是代谢工程的重要分析技术，通过计算各种途径的活性，尤其与代谢物的生产研究有关途径的定量，使尽可能多的碳从基质流向代谢产物。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 微生物能在不同条件下对不同物质或基本相微生物能在不同条件下对不同物质或基本相同的物质进行不同的发酵，不同微生物对不同的物质进行不同的发酵，不同微生物对不同物质发酵可以得到不同的产物；不同微生同物质发酵可以得到不同的产物；不同微生物对同一物质进行发酵，或同一微生物在不物对同一物质
41、进行发酵，或同一微生物在不同条件下进行发酵都可以得到不同的产物，同条件下进行发酵都可以得到不同的产物，所有这些都取决于微生物自身的代谢特点和所有这些都取决于微生物自身的代谢特点和发酵条件。发酵条件。（一）乙醇发酵（一）乙醇发酵 细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵 菌种：运动发酵单胞菌等菌种：运动发酵单胞菌等 途径：途径：EDED 酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱氢酶 脱羧酶 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+
42、2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP 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，又又称第一型发酵称第一型发酵。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
43、 H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP 当发酵液处在碱性条件（当发酵液处在碱性条件（PH7.6PH7.6）下，酵母下，酵母的乙醇发酵会改为的乙醇发酵会改为第三型发酵第三型发酵（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原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果受氢体，结果2 2分子乙醛间发生歧化反应，生分子乙醛间发生歧化反应，生成成1 1分子乙醇和分子乙醇和1 1分子乙酸；分子乙酸； CHCH3 3CHO+HCHO+H2 2O+NADO+NAD+ + CH CH3 3COOH+NADH+HCOOH+NADH+H+ + CH CH3 3CHO+N
44、ADH+HCHO+NADH+H+ + CH CH3 3CHCH2 2OH+ NADOH+ NAD+ + 在适量的亚硫酸盐（在适量的亚硫酸盐（3%3%）可进行）可进行第二型发第二型发酵生成甘油，亚硫酸氢钠和乙醛反应，生成难酵生成甘油，亚硫酸氢钠和乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛。溶的磺化羟基乙醛。迫使迫使磷酸二羟丙酮担任受氢体接受磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的磷酸甘油醛脱下的氢而生成氢而生成 -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细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖
45、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醛乙醛 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：EDv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 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 v细菌细菌(Zymomonas mobili
46、s)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、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发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵分子的发酵利
47、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（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产生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。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，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。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：（
48、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径磷酸己糖解酮酶途径） 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 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-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸
49、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：埃希埃希氏菌、沙门氏氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属的一些菌通属的一些菌通过过EMP途径将途径将葡萄糖转变成葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸、H2和和CO2等多种代等多种代谢产物，由于谢产物，由于代谢产物中含代谢产物中含有多种有机酸，有多种有机酸，故将其称为混故将其称为混合酸发酵。合酸发酵。v发酵途径：发酵途径： 葡萄糖葡萄糖琥泊酸琥泊酸 草
50、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+2HpH6.2（四）（四）2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 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-丁二醇脱氢酶概念：概念：肠杆菌、肠杆菌、沙雷氏菌、和沙雷氏菌、和欧文氏菌属中欧文氏菌属中的一
51、些细菌具的一些细菌具有有 -乙酰乳酸乙酰乳酸合成酶合成酶系而进系而进行丁二醇发酵。行丁二醇发酵。发酵途径：发酵途径：EMPTCA（五）（五） TCA循环循环三羧酸循环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。 TCATCA循环在微生物代谢中的枢纽地位循环在微生物代谢中的枢纽地位糖类糖类葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰- -CoACoA乙醇乙醇乳酸乳酸丙酮丙酮丁醇丁醇丁二醇丁二醇EMPB-氧化脂肪脂肪甘油甘油脂肪
52、酸脂肪酸蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸TCATCAATPATP，各种各种 有机有机 酸酸 ，天冬氨酸，柠檬酸，谷氨酸，天冬氨酸，柠檬酸，谷氨酸TCA循环中需要关注的地方1、TCA环的三步反映不可逆2、三个关键酶3、四步脱氢，二步脱羧反应4、总反应：Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2 5、TCA必须在有氧条件下才能进行柠檬酸合成酶异柠檬酸脱氢酶a-酮戊二酸脱氢酶系TCA循环的重要特点循环的重要特点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
53、为的乙酰基被氧化为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，其中三步反应中将整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为还原为NADH+H+，另一步为另一步为FAD还原；还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。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；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；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的代谢途径。为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如如 柠
54、檬酸发酵；柠檬酸发酵；Glu发酵等。发酵等。回补途径 三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是从-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。1.丙酮酸羧化支路 丙酮酸羧化酶最先在细菌中发现，后来证明动物、植物、微生物中普遍存在。该酶是寡聚酶，有4个亚基，各需一分子生物素和一个二价金属离子（Mg2+）作辅基，乙酰CoA是其变构激活剂，反应需要ATP供能。 细菌中还有磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶，可催化磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酸乙酸。在植物、人大脑和心脏中也存在这个反应。苹果酸酶是
55、真核细胞中的一种酶，它催化丙酮酸还原羧化成苹果酸，反应不需要ATP，但需要 NADHH+。乙醛酸循环（乙醛酸循环（TCATCA支路）支路） 关键酶：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。二碳化合物（乙酸）的同化，葡萄糖通过抑制异柠檬酸裂解酶而抑制乙醛酸循环乙醛酸循环普遍存在于好氧微生物，（乙酰CoA合成酶）甘油酸途径甘氨酸、乙醇酸和草酸另一种利用二碳化合物的途径，提供TCA中间产物由乙醛酸生成甘油的途径。特征酶 乙醛酸连接酶，羟基丙酸半醛还原酶甘氨酸、乙醇酸和草酸乙醛酸乙醛酸羟基丙酸半醛甘油酸磷酸甘油酸EMP其他其他TCATCA中间产物来源中间产物来源 二、递氢、受氢和二、递氢、受氢和ATP的产生的产
56、生经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体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。（氧、无机或有机氧化物）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, ,把微把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类生物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时，以底物水平：没有任何外援的最终电子受体时，以底物水平磷酸化方式产生磷酸化方式产生ATPATP的生物学过程；
57、的生物学过程；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以外的以外的 无机氧化物，如无机氧化物，如NONO3 3- -、SOSO4 42-2-等等. .v概念：在概念：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
58、效产能反应。在性中间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，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。一类生产方式。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有主要有EMP、HMP、ED、WD （HK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，这样微生及时使它们
59、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程中形成的各种中间产物为氢（电子）物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受受体来接受NADH+H+和和NADPH+H+的氢（电子），于是的氢（电子），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、丁酸发酵、混合酸发酵、丁发酵、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。二醇发酵、及乙酸发酵等。1 1、发酵作用、发酵作用关键酶特征酶能量（ATP）还原辅酶C骨架特点发酵产物代表菌诛EMP己糖激酶己糖激酶磷酸果糖磷
60、酸果糖激酶激酶丙酮酸激丙酮酸激酶酶磷酸果糖激酶果糖二磷果糖二磷酸醛缩酶酸醛缩酶22（NADH）C3、C6二磷酸中间产物酵母菌的酒精发酵、甘油发酵、乳酸菌的乳酸发酵，丁酸菌的丙酮-丁醇发酵同型乳酸同型乳酸细菌可以细菌可以利用利用EMPEMP作作为唯一降为唯一降解途径解途径HMP6-磷酸葡萄糖 脱氢酶转酮转酮酶、酶、转醛转醛酶酶13（NADPH）C3、C4、C5、C6、C7HMPHMP途径作途径作为唯一降唯一降解途径的解途径的微生物微生物亚氧化醋酸氧化醋酸杆菌杆菌EDKDPG醛缩酶KDPG醛缩酶11（NAD（P）H）C3、C6ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广，是少数EMP途径不完整的细菌，如一些假
61、单胞菌(Pseudomonas spp)和一些发酵单胞菌(Zymomonas spp)等所特有的利用葡萄糖的替代途径嗜糖假单嗜糖假单胞杆菌胞杆菌, ,发发酵假单胞酵假单胞菌以及铜菌以及铜绿色假单绿色假单胞杆菌胞杆菌PK磷酸解酮酶13 （NADH）C3、C2、C5、C6HK磷酸解酮酶2. 5许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵EMPEMP生物学意义：生物学意义： 是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径, ,通过糖通过糖酵解，生物体获得生命活动所需要的能量；酵解，生物体获得生命活动所需要的能量； 形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供
62、碳骨架；形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架； 为糖异生提供基本途径。为糖异生提供基本途径。 磷酸戊糖途径的生理意义磷酸戊糖途径的生理意义产生大量产生大量NADPH作为生物合成所需的还原力。作为生物合成所需的还原力。 HMP途径中生成途径中生成C3、C4、C5、C6、C7等各种等各种长短不等的碳链，这些中间产物都可作为生物长短不等的碳链，这些中间产物都可作为生物合成的前体。合成的前体。 在特殊情况下，在特殊情况下，HMP也可为细胞提供能量。也可为细胞提供能量。 HMP途径是戊糖代谢的主要途径，为核苷酸和途径是戊糖代谢的主要途径，为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖核酸的生物合成提供
63、戊糖-磷酸磷酸 一一般般认认为为HMP途途径径不不是是产产能能途途径径，而而是是为为生生物物合合成成提提供供大大量量的的还还原原力力NADPH和和中中间间代代谢谢产产物物，如如核核酮酮糖糖-5-P是是合合成成核核酸酸、某某些些辅辅酶酶及及组组氨氨酸酸的的原原料料；NADPH是是合合成成脂脂肪肪酸酸、类类固固醇醇和和谷谷氨氨酸酸的的供供氢氢体体。另另外外，核核酮酮糖糖-5-P还还可可以以转转化化为为核核酮酮糖糖-1,5二二磷磷酸酸，在在羧羧化化酶酶作作用用下下固固定定CO2，对对于于光光能能自自养养菌菌，化化能能自自养养菌菌具具有有重重要要意意义义。虽虽然然这这条条途途径径中中产产生生的的NAD
64、PH可可经经呼呼吸吸链链氧氧化化产产能能，1mol葡葡萄萄糖糖经经HMP途途径径最最终终可可得得到到35molATP，但但这这不不是是代代谢谢的的主主要要方方式式，不不能能把把HMP途途径径看看作作产产生生ATP的有效机制。的有效机制。 ED途径是在研究嗜糖假单胞菌途径是在研究嗜糖假单胞菌 （Pseudomonas Saccharophila）时发现的，在时发现的，在ED途径中，葡萄糖途径中，葡萄糖-6-P首先脱氢产生葡萄糖酸首先脱氢产生葡萄糖酸-6-P，接着在脱水酶和醛缩酶接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生一分子甘油醛的作用下，产生一分子甘油醛-3-P和一分子丙酮酸，和一分子丙酮酸，然后甘油
65、醛然后甘油醛-3-P进入进入EMP途径转变成丙酮酸。一分子途径转变成丙酮酸。一分子葡萄糖经葡萄糖经ED途径最后生成两分子丙酮酸，一分子途径最后生成两分子丙酮酸，一分子ATP，一分子一分子NADPH和和NADH。ED途径在途径在G-菌中分布较菌中分布较广泛，特别是假单胞菌和固氮菌的某些菌株较多存在。广泛，特别是假单胞菌和固氮菌的某些菌株较多存在。ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP,HMP途径而单独存在，但对途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化类的于靠底物水平磷酸化类的ATP的厌养菌而言，的厌养菌而言，ED途径途径不如不如EMP途径经济。途径经济。 一、一、 有氧呼吸有氧呼吸 是以分子氧作为
66、最终电子是以分子氧作为最终电子( (或氢或氢) )受体的氧化过受体的氧化过程；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,TCAEMP,TCA循环循环 特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不特点：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，释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如如NAD,FAD,NAD,FAD,辅酶辅酶Q Q和各种细胞色素组成）最后才传和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。递到氧。 由此可见，由此可见
67、， TCATCA循环与电子传递是有氧呼吸中循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。两个主要的产能环节。TCA中受还原型NADH或FADH抑制的酶，丙酮酸脱氢酶系，柠檬酸合成酶（大）、a酮戊二酸脱氢酶系，下一个问题，产生还原力（NADH或FADH）的去向交给中间产物（柠檬酸发酵等）经呼吸链把氢和电子交给氧，产生ATP不经呼吸链把氢和电子交给氧，能量已发光形式放出（生物发光，海生细菌和木腐菌）交给外援电子受体产物（无氧呼吸）2、呼吸链（电子传递链）、呼吸链（电子传递链）v呼吸链又称电子传递链，是氧化磷酸化一个重要组成部分。v它是指从葡萄糖或其他氧化型化合物上脱下的氢(电子)，经过一系列按照氧
68、化还原势由低到高顺序排列的氢(电子)传递体，定向有序的传递系统，v是由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系，原核微生物的呼吸链在细胞膜上，真核微生物的呼吸链位于线粒体内膜，但呼吸链的主要组分是类似的包括呼吸链主要成分有烟酰胺脱氢酶的辅酶NAD+或NADP+，黄素脱氢酶类的辅基FMN或FAD，泛醌或辅酶Q，铁硫蛋白类，细胞色素b、c1、c、aa3等原核微生物呼吸链的特点原核微生物呼吸链的特点 电子供体多样。除了葡萄糖或其他有机基质外、分子氢、硫等无机元素，Fe2+、NH4+、 NO2-等无机离子也可用作电子供体；电子受体多样。除了分子氧外，可用作最终电严受体的还有N03-、NO2、NO、S
69、O42-、S2-、CO32-等，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亚砜和氧化三甲亚胺等有机化合物细胞色素种类多样。有各种类型细胞色素，如a、al、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d以及o等；电子传递链不完整。例如硝酸还原酶。末端氧化酶多样，不仅有细胞色素a1、a 2、a3、d、o等，还有H2O2酶和过氧化物氧化酶等；呼吸链组分和含量多变，细菌呼吸链的组分和含量随着氧气的供应、生长阶段、基本营养供应、呼吸抑制剂的存在与否,CN、Fe2+、SO42-浓度等变化而改变；细菌呼吸链有多条，且有分支。不仅有一般的呼吸链，还有分支的呼吸链。例如，大肠杆菌在缺氧条件下，呼吸链在CoQ(辅酶Q，泛醌)后分
70、支，一支为Cytb559-CytO，另一支是Cytb558-Cytd。维捏兰德固氮菌：通过呼吸链Cytb1后的分支控制细胞内氧的分压。电子传递方式多样化，在细菌中电子可经CoQ传递给细胞色素，也可不经CoQ而直接传递给细胞色素。 在细胞质膜上效率低，通常小于1 电子传递磷酸化电子传递磷酸化 在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子，将氧化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。 呼吸链中的电子传递体主要由各种辅基和辅酶组成，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
71、体是泛琨（即辅酶最重要的电子传递体是泛琨（即辅酶Q Q）和细胞色素系统。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。在不同种类的微生物中细胞色素的成员是不同的。产生产生ATPATP的效率比较低。的效率比较低。细菌呼吸链与线粒体呼吸链的区细菌呼吸链与线粒体呼吸链的区别别 i细菌无线粒体，电子传递C膜上。ii线粒体呼吸链目前只发现二条。即：NADH，FADH（琥珀酸）呼吸链，且都以Cyta3为末端色素氧化酶。高等生物呼吸链：NADH2-FMN=CoQ-Cytb=Cytc1-Cytc-Cytaa3=O2琥 珀 酸 -FAD-CoQ-Cytb=Cytc1-Cytc-Cytaa3=O2细
72、菌呼吸链有多条，且有分支。末端氧化酸除a3外，还有a1,a2,a4,o等。 iii细菌电子传递链的电子受体，供体可以多种多样。iv 细菌电子传递链的组成，含量因细菌和培养条件的不同而不同 二、无氧呼吸二、无氧呼吸 一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物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（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。进行的产能效率较低的特殊呼吸。 无氧呼吸的类型：无氧呼吸的类型： 硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸：NONO3 3- - NO NO2 2- -, NO, N, NO, N2 2 硫酸盐呼吸硫酸
73、盐呼吸：SOSO4 42-2- SO SO3 32-2-,S,S3 3O O6 62-2-,S,S2 2O O3 32 2无机盐呼吸无机盐呼吸 H H2 2S S 硫呼吸硫呼吸：S S0 0 S S-2-2 碳酸盐呼吸：碳酸盐呼吸：COCO2 2,HCO,HCO3 3- - CHCH3 3COOHCOOH CO CO2 2, HCO, HCO3 3- - CH CH4 4 延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸：延胡索酸：延胡索酸 琥珀酸琥珀酸无氧呼吸：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，而是像NO3-、NO2-、SO42-、CO2等这类外源受体。 与发酵不同，无
74、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氧化磷酸化作用而生成ATP，也能产生较多的能量。但由于部分 能量在没有充分释放之前就随电子传递给了最终电子受体，故产生的能量比有氧呼吸少。 在无氧呼吸中，作为能源物质的呼吸基质一般是有机物，如葡萄糖、乙酸等，通过无氧呼吸也可被彻底氧化成CO2，并伴随有ATP的生成。 例如： 硝酸盐还原细菌在厌氧条件下，可把NO3-作为电子的最终受体，即:根据微生物还原硝酸的去向分为同化型硝酸还原和异化型硝酸还原硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸(nitrate respiration)-(nitrate respiration)-也称反硝化作用也称反硝化作用(
75、(denitrificationdenitrification) )。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能：硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能：NO3NO3作为微生物的氮源营养物；在无氧时作为微生物的氮源营养物；在无氧时NO3NO3作为呼吸链的最终氢作为呼吸链的最终氢受体。有些细菌能以受体。有些细菌能以NO3NO3为最终氢受体，这些细菌称为反硝化细菌为最终氢受体，这些细菌称为反硝化细菌或硝酸盐还原菌。如地衣芽孢杆菌或硝酸盐还原菌。如地衣芽孢杆菌(Bacillus (Bacillus LicheniformisLicheniformis) )、脱氮副球菌脱氮副球菌( (ParacoccusPa
76、racoccus denitrificationdenitrification) )及铜绿假单胞菌及铜绿假单胞菌(Pseudomonas (Pseudomonas aeruginosaaeruginosa) )等均能等均能 进行反硝化作用进行反硝化作用 意意义义：对对自然界氮素循自然界氮素循环环有重要意有重要意义义，氮素在海洋中，氮素在海洋中积积累，反硝累，反硝化作用分解之。化作用分解之。 害害处处：造成土壤中氮素的：造成土壤中氮素的损损失，失，对农业对农业生生产产不利。不利。 能量：能量：产产能一般能一般4 45 5个个ATPATP，比比发发酵多比有氧呼吸少。酵多比有氧呼吸少。 硫酸盐呼吸（
77、还原）硫酸盐呼吸（还原） 三、自养微生物的生物氧化三、自养微生物的生物氧化还原还原COCO2 2时时ATPATP和和HH的来源的来源顺呼吸链传递顺呼吸链传递COCO2 2NHNH4+4+, NO, NO2-2-, H, H2 2S, S ATPS, S ATP( (最初能源最初能源) ) 耗耗HH产产ATPATP逆呼吸链传递逆呼吸链传递S,HS,H2 2,Fe,Fe2+2+ NAD(P)H NAD(P)H2 2（无机氢供体）（无机氢供体） 耗耗ATPATP产产HHCHCH2 2OO （一）氨的氧化（一）氨的氧化 NHNH3 3同亚硝酸（同亚硝酸（NONO2 2- -）可以做能源的最普通的无可以
78、做能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌氧化，硝化细菌可分机氮化合物，能被硝化细菌氧化，硝化细菌可分为为2 2个亚群个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。硝化细菌和硝化细菌。 氨氧化为硝酸的过程分为氨氧化为硝酸的过程分为2 2个阶段，先由个阶段，先由亚硝硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。酸氧化为硝酸。 硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分子氧为最终电子受体，绝大多数是专性无机以分子氧为最终电子受体，绝大多数是专性无机营养型。营养型。 （二）硫的氧化（二）硫的氧化 硫杆菌能利用一种或多
79、种还原态或部分还原态硫杆菌能利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化物作能源。的硫化物作能源。H H2 2S S首先氧化成元素硫，再被硫首先氧化成元素硫，再被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中偶联产生电子在传递过程中偶联产生4 4个个ATPATP。 亚硫酸盐的氧化分为两条途径：一是直接氧化亚硫酸盐的氧化分为两条途径：一是直接氧化成成SOSO4 42-2-的途径，由亚硫酸盐的途径，由亚硫酸盐- -细胞色素细胞色素C C还原酶和还原酶和末端细胞色素系统催化，产生末端细胞色素系统催化，产生1 1个个ATPATP；二是经磷二是经磷酸腺苷
80、硫酸的氧化途径，每氧化酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化1 1分子分子SOSO3 32-2-产生产生2.52.5个个ATPATP。 （三）铁的氧化（三）铁的氧化 从亚铁到高铁的氧化，对少数细菌而言是一种从亚铁到高铁的氧化，对少数细菌而言是一种产能反应，但只有少数的能量可被利用。产能反应，但只有少数的能量可被利用。 在低在低PHPH环境中利用亚铁氧化时放出的能量生长，环境中利用亚铁氧化时放出的能量生长，在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动从而驱动ATPATP的合成。的合成。 （四）（四） 氢的氧化氢的氧化 氢细菌都是一些革兰氏阴性的兼性化能自养菌
81、。氢细菌都是一些革兰氏阴性的兼性化能自养菌。能利用分子氢氧化产生的能量，同化能利用分子氢氧化产生的能量，同化COCO2 2，也能利也能利用其他有机物生长。氢细菌中，电子直接从氢传用其他有机物生长。氢细菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生生ATPATP。多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶（颗粒状氧化酶：驱动质子的跨膜运输，形成酶（颗粒状氧化酶：驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度，为跨膜质子梯度，为ATPATP的合成提供动力；可溶性的合成提供动力；可溶性氢化酶：催化氢的氧化，使氢化酶：催化氢
82、的氧化，使NADNAD+ +还原，所生成的还原，所生成的NADHNADH主要用于主要用于COCO2 2的还原。）的还原。） 四、能量转移四、能量转移 在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化释放的能量酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化释放的能量存于存于ATPATP等高能分子中，对光合微生物可通过等高能分子中，对光合微生物可通过光合磷酸化将光能转变为化学能存于光合磷酸化将光能转变为化学能存于ATPATP中。中。 ATPATP的生成方式的生成方式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
83、酸化1、底物水平磷酸化：在发酵途径中，通过底物水平磷酸化合成 ATP ，是营养物质中释放的化学能转换成细胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷酸化是指物质在氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程的某些步骤中。如在EMP途径中，1,3-二磷酸甘油酸转变为 3-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中，均通过底物水平磷酸化分别产生1分子ATP。在三羧酸循环中，琥珀酰辅酶A转变为琥珀酸时通过底物水平磷酸化生成1分子高能磷酸化合物GTP。2、
84、氧化磷酸化：物质在生物氧化过程中形成的NADH或FADH2可通过电子传递链将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中伴随着将ADP磷酸化而形成ATP的过程，称为氧化磷酸化。氧化磷酸化氧化磷酸化物质在生物氧化过程中形成的物质在生物氧化过程中形成的NADHNADH和和FADH2FADH2可通过位于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他氧化型物质，在这个过程中偶联着氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATPATP的合成，的合成，这种产生这种产生ATPATP的方式叫氧化磷酸化。的方式叫氧化磷酸化。 ATPATPATP光合磷
85、酸化光合磷酸化光合作用的实质是通过光合磷酸化将光能转变为化学能，以用于从CO2合成细胞物质。除了绿色植物以外，能进行光合作用的微生物还有藻类、蓝细菌和光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐细菌等）。在光合磷酸化过程中，一个叶绿素（或细菌叶绿素）分子吸收光量子即被激活，导致叶绿素释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐步释放能量。 光合磷酸化光合磷酸化环式光合磷酸化 非环式光合磷酸化 蓝细菌与高等植物 紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌 微生物次级代谢与调节引论 微生物次级代谢的特征 次级代谢产物的类型 抗生素的生源学 初级与次级代谢途径相互连接次级代谢物生物合成的前
86、体 前体的概况 前体的作用 前体的限制性次级代谢物生物合成原理微生物次级代谢作用的调控微生物次级代谢的特征一般在菌的生长后期产生，往往以初级代谢产物为前一般在菌的生长后期产生，往往以初级代谢产物为前体体 。 生长期末细胞内酶的组成发生变化，与次级代谢物合成相关酶的突然出现有关； 也可能是前体的积累，诱导； 编码次级代谢产物的基因从分解代谢物阻遏中解脱所致。种类繁多，含有不寻常的化学键种类繁多，含有不寻常的化学键：氨基糖、苯醌、环氧化合物、吲哚衍生物、四环类抗生素等。一种菌可产生结构相近的一族抗生素：一种菌可产生结构相近的一族抗生素： 产黄青霉能产生至少10个具有不同特性的青霉素，他们具有不同的
87、生物活性。次级代谢涉及的酶专一性较低。次级代谢涉及的酶专一性较低。一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上完一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上完全不同的次级代谢产物：全不同的次级代谢产物：灰色链霉菌不仅产生链霉素，还可用来生产白霉素、灰霉素和灰绿霉素等。 不同种类的微生物也能产生同一种次级代谢产物不同种类的微生物也能产生同一种次级代谢产物：点青霉、产黄青霉、土曲霉、构巢曲霉等都产生青霉素。次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感： 抗生素合成需较低磷酸盐浓度0.1-10 mmol/L，而生长耐受范围平均大10倍，0.3-300 mmol/L。微生物
88、由生长期向生产期过渡时，菌体在形态上会发微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态上会发生一些变化：生一些变化：芽孢、孢子微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因控微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因控制的代谢过程：制的代谢过程： 这些基因不仅位于微生物的染色体上，也位于质粒中生产的不稳定性。次级代谢产物的类型Berdy的化学分类系统(教材P311-315）根据次级代谢产物合成途径分为5个类型。与糖代谢有关的途径：前体物质是葡萄糖（曲酸，链霉素）、预苯酸（氯霉素，新霉素） 和磷酸戊糖（嘌呤霉素等）。脂肪酸代谢有关的类型：四环素、红霉素等。与萜烯和甾体化合物合成有关的类：烟曲霉素，赤霉
89、素。与TCA环有关的类型：衣康酸。与氨基酸代谢有关的类型：初级与次级代谢途径相互连接初级与次级代谢途径相互连接初级代谢为次级代谢提供前体化合物次级代谢通常由初级代谢中间体修饰形成三种修饰的生化过程： 生物氧化与还原醇和羰基的氧化、双键的引入或还原、氧原子的引入和芳香环的氧化性裂解 生物甲基化聚多酮的合成中起重要作用：金霉素、红霉素、林可霉素 生物卤化分子上含卤素的次级代谢物：金霉素、灰黄霉素等次级代谢物生物合成的前体前体前体指加入到发酵培养基中的某些化合物，能被微生物直接结合到产物分子中去而自身结构没有多大变化。中间体中间体指养分或者基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，它们均被进一步
90、代谢，最终获得该途径的终产物。微生物次级代谢产物大多源自以下一些关键初级代谢物，微生物次级代谢产物大多源自以下一些关键初级代谢物，它们是初级代谢的中间体，可作为次级代谢物的前体它们是初级代谢的中间体，可作为次级代谢物的前体（Betina）：）：糖类：己糖、戊糖、丁糖、氨基糖等氨基酸/芳香氨基酸：天然氨基酸、D-氨基酸脂肪酸：乙酸、丙酸、甲基丙二酸等柠檬酸循环中间体嘌呤和嘧啶前体的作用抗生素建筑材料作用抗生素建筑材料作用 葡萄糖的衍生物：氨基糖苷类、大环内酯类抗生素； HMP-嘌呤-抗生素； 丙酮酸-丙氨酸-缬氨酸-亮氨酸-异亮氨酸是几种肽类抗生素、头孢菌素或青霉素族合成的重要中间体； 乙酰Co
91、A-TCA循环-氨基酸-次级代谢物。诱导抗生素生物合成的作用诱导抗生素生物合成的作用在细胞的特殊合成酶的活性被激活的情况下，前体浓度具有调节抗生素生产的作用。 如：头霉素的合成前体-氨基己二酸是由赖氨酸合成途径来的，加入过量的赖氨酸或赖氨酸途径中间体-氨基己二酸可增加头霉素的发酵单位；丙醇和丙酸可促进红霉素的生产。前体合成的调节机制若初级代谢和次级代谢均需要同一必需前体，则低浓度的前体需先满足生长的需要；如某一前体是次级代谢物生物合成的限制因素，则除去控制前体生物合成的反馈调节机制可使抗生素增产：金黄色假单胞菌的耐色氨酸结构类似物的突变株是硝吡咯菌素的高产菌。低浓度的氯化物限制含氯的抗生素灰黄
92、霉素的生产。前体导向抗生素的合成了解前体如何转向抗生素的生物合成途径合成途径的第一个酶往往是关键酶；另一些限制性酶受反馈、碳、氮、磷等的调节；还有些酶受高浓度前体的诱导。添加前体的策略外源前体在发酵液中的残留浓度过高，会使菌中毒，不利于抗生素的合成；但前体不足也不行。青霉素G的生产苯乙酸或苯乙胺理论用量为0.47g苯乙酸/g青霉素G游离酸；0.50g苯氧乙酸/g青霉素V游离酸；高产菌株对前体的利用率往往比低产菌株高很多（90以上）；少量多次或流加添加前体，控制发酵液中苯乙胺含量0.05%-0.08%。次级代谢物生物合成原理一旦前体被合成，适当条件下流向次级代谢物生物合成的专用途径。单体结构单位
93、被聚合，形成聚合物。这些特有的生物合成中间产物作后几步的修饰，修饰的深度取决于产生菌的生理条件；有些复杂的抗生素由几个来自不同生物合成途径组成的。P183-185微生物次级代谢作用的调控微生物的次级代谢对微生物的生存具有重要的意义。 它们对菌本身具有一定的生理功能，而且有毒的次级代谢产物对产生菌本身也是有毒的。因此，次级代谢作用必然受微生物代谢调节机制的控制。初级代谢对次级代谢的调节碳源分解代谢物的调节氮源分解代谢物的调节 有机氮与无机氮磷酸盐的调节作用教材（P384-398）磷酸盐 磷酸盐是很多抗生素产生菌的生长限制养分； 绝大多数抗生素生产需要限制无机磷，磷酸盐浓度在0.3-300mmol
94、/L，超过10mmol/L，次级代谢产物合成受到抑制。磷酸盐的调节机制 无机磷促进初级代谢，抑制次级代谢； 无机磷对比生长速率、产物合成速率有影响； 无机磷与糖分解代谢途径的关系； 无机磷限制次级代谢产物合成的诱导物的合成； 过量的磷抑制次级代谢产物前体的形成。人工克服微生物次级代谢调控作用的限制改进发酵条件改进发酵条件 发酵液加入色氨酸，诱导参与生物碱合成酶的合成； 限制磷的含量，避免磷对参与次级代谢产物合成的磷酸酯酶的阻遏作用； 过流加方式添加葡萄糖等易利用的糖类，避免分解代谢物阻遏现象。诱变诱变 首先诱变成为不产抗生素菌株，再回复突变，得到高产金霉素菌株（其前体甲硫氨酸的合成的反馈抑制被解除）； 选育对次级代谢产物具有抗性的菌株（链霉素）。总结
