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第五章 微生物的代谢 和发酵

第五章 微生物的代谢 和发酵. 第一节 代谢概论 第二节 微生物分解代谢 第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 第四节 微生物的代谢调控与发酵生产 第五节 代谢调节在发酵工业中的应用. 第一节 代谢概论. 第二节 微生物分解代谢. 一、 生物氧化. 二、 异养微生物的生物氧化 底物脱氢的四种途径 EMP 途径 HMP 途径 ED 途径 磷酸酮解途径 有氧呼吸 无氧呼吸. 三、 自养微生物的生物氧化

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第五章 微生物的代谢 和发酵

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  1. 第五章 微生物的代谢和发酵 第一节 代谢概论 第二节 微生物分解代谢 第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 第四节 微生物的代谢调控与发酵生产 第五节 代谢调节在发酵工业中的应用

  2. 第一节 代谢概论 • 第二节 微生物分解代谢 一、 生物氧化 二、 异养微生物的生物氧化 底物脱氢的四种途径EMP途径HMP途径 ED途径磷酸酮解途径 有氧呼吸 无氧呼吸 三、 自养微生物的生物氧化 微生物产能代谢 四、 能量转换

  3. 第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 • 第四节 微生物的代谢调控与发酵生产 一 、 微生物代谢过程中的自我调节 二、酶活性的调节 三、酶合成的调节 • 第五节 代谢调节在发酵工业中的应用

  4. 第一节 代谢概论 新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。 新陈代谢= 分解代谢 + 合成代谢 分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。 合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。

  5. 按物质转化方式分： • 分解代谢：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。 • 合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子 过程。在这个过程中要消耗能量。 • 物质代谢：物质在体内转化的过程。 • 能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。

  6. 按代谢产物在机体中作用不同分： • 初级代谢： • 提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的 代谢类型； • 产物：氨基酸、核苷酸等。 • 次级代谢： • 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型； • 产物：抗生素、色素、激素、生物碱等。

  7. 代谢意义 一、代谢是生命的基本特征 二、代谢通过代谢途径完成 三、代谢途径是不平衡的稳态体系 四、代谢途径的形式多样 五、代谢途径有明确的细胞定位 六、代谢途径相互沟通 七、代谢途径间有能量关联 八、关键酶限制代谢途径的流量

  8. 第二节 微生物产能代谢 一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。 能量代谢的中心任务，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。 化能异养微生物 有机物 通用能源 （ATP） 最初 能源 化能自养微生物 还原态无机物 光能营养微生物 日光

  9. 在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。 • 这些能量用于：1 、合成代谢 2、微生物的运动和运输 3 、热和光。 • 无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一步反应的产物是后续反应的底物。 • 细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。 • 某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。

  10. 一、 生物氧化 生物氧化就是发生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总称。 生物氧化与燃烧的比较

  11. 生物氧化的过程 一般包括三个环节： ①底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体） ②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等） ③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）

  12. 生物氧化的形式: 物质与氧结合、 脱氢 脱电子三种 生物氧化的功能为： 产能（ATP）、 产还原力[H] 产小分子中间代谢物

  13. 异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。 在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。

  14. 二、异养微生物的生物氧化 发酵 呼吸 有氧呼吸 厌氧呼吸 生物氧化反应

  15. 1. 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。 • 发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。

  16. 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。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。

  17. 底物脱氢的四种途径 EMP途径 HMP途径 ED途径 磷酸解酮酶途径

  18. ATP ADP ATP ADP ADP ATP ADP ATP NAD+ NADH+H+ 葡萄糖 EMP途径 （Embden-Meyerhof pathway） 葡糖-6-磷酸 a 果糖-6-磷酸 果糖-1，6- 二磷酸 EMP途径意义： 为细胞生命活动提供ATP 和 NADH 磷酸二羟丙酮 甘油醛-3-磷酸 1，3-二磷酸甘油酸 底物水平磷酸化 3-磷酸甘油酸 a :预备性反应 b 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 b :氧化还原反应 底物水平磷酸化 丙酮酸

  19. EMP途径关键步骤 1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能) 2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛 3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸 总反应式： 葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP →2丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA ↓ 丙酮酸脱氢酶 乙酰CoA，进入TCA

  20. HMP途径 • 从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的 故称为单磷酸已糖途径。 • HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的 • 3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， — 磷酸戊糖支路。 • HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。 • 一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。

  21. HMP途径： 葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。 磷酸戊糖进一步代谢有两种结局： ①磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。称为不完全HMP途径。

  22. ②由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2和水），称完全HMP途径。②由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2和水），称完全HMP途径。 HMP途径的总反应： 6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+Pi

  23. NADH+H+ ADP ATP NAD(P)+ CH2OH CH2OP CH2OP HO o o o OH OH OH OH OH OH OH OH H- C=O H-C-OH HO H-C-OH H-C-OH CH2OP CH2OH CH2OH CH2OH C=O C=O C=O HO-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH D CH2OP H-C-OP H-C-OP H H NADH+H+ NAD(P)+ COOH HO 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 葡萄糖 5-磷酸-核酮糖 HMP 途 径 5-磷酸-木酮糖 5-磷酸-核酮糖 5-磷酸-核糖 5-磷酸-木酮糖 5-磷酸-核糖 5-磷酸-木酮糖 3-磷酸-甘油醛 6-磷酸-景天庚酮糖 4-磷酸-赤藓糖 6-磷酸-果糖 3-磷酸-甘油醛 6-磷酸-果糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖

  24. HMP途径关键步骤： 1 、葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸 2 、6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→ 5-磷酸木酮糖 ↓ 5-磷酸核糖→参与核酸生成 3 、5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(进入EMP

  25. HMP途径的重要意义 • 产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量。 • 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调节戊糖供需关系。 • 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。

  26. 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成及多糖合成。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成及多糖合成。 • 途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为广泛。 • 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 • HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。

  27. ED途径 ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。 1952年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。

  28. ED途径 • ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。 • ED途径过程： KDPG 醛缩酶 甘油醛-3-磷酸 丙酮酸 葡萄糖→ → →KDPG EMP → 丙酮酸 • ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分子NADH。 • ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广 • ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在 • ED途径不如EMP途径经济。

  29. ED途径的特点 • 葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-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3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。 • ED途径的特征反应的关键是中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶。 • 反应步骤简单，产能效率低。 • 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。

  30. ED途径的总反应（续） • 关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 • 催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶 • 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，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。 • 缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。

  31. 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些细菌中。 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2个三碳糖。 磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径

  32. 磷酸己糖解酮途径 2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸 6-磷酸果糖6-磷酸-果糖 同EMP 4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸 逆HMP途径 2木酮糖-5-磷酸 磷酸己糖解酮酶戊 乙酸激酶 2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸 2乳酸 乙酸 2乙酸

  33. 磷酸戊糖酮解途径的特点: ①分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半; ②几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2。

  34. 磷酸己糖酮解途径的特点： ①有两个磷酸酮解酶参加反应； ②在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-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ADP生成ATP的反应相偶联； ③每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP； ④许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。

  35. （五）三羧酸循环 又称 TCA 循环、 Krebs 循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养 微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生 物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只 有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。 主要产物： 呼吸链 NADH+4H 12ATP 呼吸链 FADH 2ATP C CO~CoA CH 3 3 GTP （底物水平） ATP 3CO 2 在物质代谢中的地位：枢纽位置 工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸

  36. 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。

  37. TCA循环的重要特点 1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1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NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原； 3、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； 5、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。如柠檬酸发酵、Glu发酵等。

  38. 递氢、受氢和ATP的产生 ★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD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、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 ★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。 发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸作用：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： 有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2; 无氧呼吸——最终电子受体是O2以外的 无机氧化物，如NO3-、SO42-等。

  39. 呼吸、无氧呼吸和发酵示意图 C H O 1/2 O 6 12 6 2 经呼吸链 ①呼吸 - [H] H O 2 A ②无氧 CO NO SO - 2 - ， ， 呼吸 2 3 4 - [H] [H] NO SO - 2 - ， ， CH B 2 3 4 - [H] ③发酵 C A B C AH BH CH 、 或 ， 或 2 2 2 - [H] （ 发酵产物：乙醇、 CO 乳酸等） 2 脱氢 递氢 受氢

  40. 发酵作用 • 概念：在生物氧化中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代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，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。 • 发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。 • 发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+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程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+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。

  41. 酵母菌的乙醇发酵： C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH NAD EMP 2ATP NADH2 -2CO2 乙醇脱氢酶 ※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。

  42. 当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸； CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+ CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成 -磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。 2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2

  43. 巴斯德效应(The Pasteur effect ) 现象： 通风对酵母代谢的影响 概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。 意义：合理利用能源

  44. 葡萄糖 细菌的乙醇发酵 +ATP 2H 菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 3-磷酸甘油醛丙酮酸 2H 2ATP 丙酮酸 2CO2 乙醇乙醛 2乙醇

  45. 酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 ~脱羧酶 ~脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通过EMP途径产生乙醇，总反应式为： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP • 细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP • 细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵 通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+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 • 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。

  46. 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，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，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。 同型乳酸发酵：（经EMP途径） 异型乳酸发酵：（经HMP途径） 双歧杆菌发酵: （经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径）

  47. 同型乳酸发酵 2乳酸 2丙酮酸 4ATP 2NAD+ 2NADH 4ADP 3-磷酸甘油醛 2( 1,3-二-磷酸甘油酸） 2ATP 2ADP 葡萄糖 磷酸二羟丙酮

  48. 异型乳酸发酵： 乙醇 乙醛 乙酰CoA ATP ADP NAD+ NADH NAD+ NADH 乙酰磷酸 葡 萄 糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸 5-磷酸木酮糖 -CO2 3-磷酸甘油醛 乳 酸 -2H 2ADP 2ATP

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