1、第三章第三章 微生物的营养与代谢微生物的营养与代谢 西昌学院食品科学系n代谢：代谢：是微生物细胞与外界环境不断进行物质和能量交换的过程，它是细胞内各种化学反应的总和。n代谢代谢物质代谢物质代谢能量代谢能量代谢按代谢产物在机体中作用不同分：按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢初级代谢：提供能量、前体物、结构物质等生命活动所必须的代提供能量、前体物、结构物质等生命活动所必须的代 谢物的一类代谢类型；其产物：氨基酸、核苷酸等谢物的一类代谢类型；其产物：氨基酸、核苷酸等.次级代谢次级代谢：只在一定生理阶段出现的、非生命活动所必需的一类只在一定生理阶段出现的、非生命活动所必需的一类 代谢类型；其产物：
2、抗生素、色素、激素、生物碱等代谢类型；其产物：抗生素、色素、激素、生物碱等.按物质转化方式分：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。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 子的过程。在这个过程中要消耗能量。子的过程。在这个过程中要消耗能量。按代谢过程考察的角度不同分：按代谢过程考察的角度不同分：*物质代谢：物质在生物体内转化的过程物质代谢：物质在生物体内转化的过程.*能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式的相互转
3、化能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式的相互转化代谢的类型代谢的类型第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢n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。微生物在生命活动中需要能量，它主要是通过生物氧化而获得能量。有机物（化能异养菌）有机物（化能异养菌）最初能源最初能源 日日 光（光能自养菌）光（光能自养菌）通用能源通用能源 无机物（化能自养菌）无机物（化能自养菌）生物氧化作用生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并量的
4、化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在以高能键形式贮藏在ATPATP分子内，供需时使用。分子内，供需时使用。生物氧化的方式生物氧化的方式：和氧的直接化合：和氧的直接化合：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O失去电子：失去电子：Fe2+Fe3+e-化合物脱氢或氢的传递化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OH CH3-CHONADNADH21.化能异养微生物的生物氧化和产能化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的过程生物氧化的过程一般包括三个阶段：一般包括三个阶段：1.底物脱氢底物脱氢(或脱电子或脱电子)作用作用（该底物称作电子供体或供氢体）（该底物称作电子供
5、体或供氢体）2.氢氢(或电子或电子)的传递的传递（需中间传递体，如（需中间传递体，如NAD、FAD等）等）3.最后氢受体接受氢最后氢受体接受氢(或电子或电子)（最终电子受体或最终氢受体）（最终电子受体或最终氢受体）EMP途径途径 HMPED TCA1.1底物脱氢的底物脱氢的4条途径条途径 在无氧条件下酶将葡萄糖降解在无氧条件下酶将葡萄糖降解成丙酮酸，并释放能量的过程，称成丙酮酸，并释放能量的过程，称为糖酵解（为糖酵解（glycolysis）。）。葡萄糖分子经转化成葡萄糖分子经转化成1,6-二磷酸二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二成两
6、个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和羟丙酮和3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。3-磷酸甘油磷酸甘油醛被进一步氧化生成醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸。分子丙酮酸。1分子葡萄糖可降解成分子葡萄糖可降解成2分子分子3-磷磷酸甘油醛，并消耗酸甘油醛，并消耗2分子分子ATP。2分分子子3-磷酸甘油醛被氧化生成磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙分子丙酮酸，酮酸，2分子分子NADH2和和4分子分子ATP。(1)EMP途径途径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反应步骤：反应步骤：10步步耗
7、能阶段耗能阶段产能阶段产能阶段2NADH+H+2丙酮酸丙酮酸4ATP2ATPC62C32ATP总反应式：总反应式：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H2O反应简式：反应简式：EMP途径关键步骤：途径关键步骤：(2)HMP途径途径 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循环途径而得到彻底氧循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量化，并能产生大量NADPH+H+形形式的还原力和多种中间代谢产物的式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。代谢途径。葡萄糖经过几步氧化反应产生葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖核酮糖-5-磷酸
8、和磷酸和CO2；核酮糖核酮糖-5-磷酸发生同分异构化磷酸发生同分异构化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或表异构化而分别产生核糖或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-磷酸；磷酸；上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，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。产生己糖磷酸和丙糖磷酸。反应简式：反应简式：6C6ATP35ATP36ATP12NADPH+H+6CO25C66C5经呼吸链经呼吸链经一系列复杂反应后经一系列复杂反应后重新合成己糖重新合成己糖总反应式：总反应式：6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6
9、H2O5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Piu 葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸u6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 5-磷酸木酮磷酸木酮 5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成u5-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EMP)HMP途径关键步骤途径关键步骤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，途径中的赤藓磷酸，途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成；糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成；产生大量产生大量NADPH2，一
10、方面为脂肪酸、固醇等物质的合成，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量；提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量；与与EMP途径在果糖途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系；以调剂戊糖供需关系；途径中存在途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛；用的碳源谱更为更为广泛；通过该途径可产生许多种重要的发酵产物；通过该途径可产生许多种重要的发酵产物；HMP途径的重要意义途径的重要意义 又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡
11、糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）裂）裂解途径。解途径。ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单独途径而单独存在，是少数缺乏完整存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一途径的微生物的一种替代途径，未发现存种替代途径，未发现存在于其它生物中。在于其它生物中。(3)ED途径途径(Enener-Doudoroff pathway)6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸与与EMP途径连接途径连接(与与HMP途径连接途径连接)激酶激酶氧化酶氧化酶脱水酶脱水酶醛缩酶醛缩酶 ATP ADPEMP途径途径NADP+NADPH22-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸丙酮酸丙酮酸3-磷酸磷酸-甘油
12、醛甘油醛EMP途径途径葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖有氧时与有氧时与TCA环连接；无氧时进行细菌发酵。环连接；无氧时进行细菌发酵。总反应式：总反应式：C6H12O6+ADP+Pi+NADP+NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+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，KDPG醛缩酶醛缩酶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ATPC6H12O6KDPG反应简式反应简式：nED途径的特征反应是途径的特征反应是
13、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-磷酸甘油醛磷酸甘油醛nED途径的特征酶是途径的特征酶是2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛）醛缩酶缩酶nED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP途径转化而来途径转化而来n1摩尔葡萄糖经摩尔葡萄糖经ED途径仅产生途径仅产生1摩尔摩尔ATPn此途径主要存在于此途径主要存在于Pseudomonas,好氧时
14、与好氧时与TCA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ED途径的特点途径的特点(4)TCA循环循环 又称三羧酸循环、又称三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多循环或柠檬酸循环。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；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。只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。丙酮酸在进入三羧酸循环之丙酮酸在进入三羧酸循环之前要脱羧前要脱羧生成乙酰生成乙酰CoA，乙酰
15、，乙酰CoA和草酰乙酸和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。三羧酸循环。循环的结果是循环的结果是乙酰乙酰CoA被彻底氧化成被彻底氧化成CO2和和H2O，每氧化，每氧化1分子的乙酰分子的乙酰CoA可产生可产生12分子的分子的ATP，草酰乙酸参与，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。反应而本身并不消耗。主要产物：主要产物：C3 CH3COCoA4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底物水平）（底物水平）ATP3CO2呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链在物质代谢中的地位：枢纽在物质代谢中的地位：枢纽位置位置工业发酵产物：柠檬酸、苹工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和
16、果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸谷氨酸TCA循环的重要特点循环的重要特点a、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；b、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；c、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。d、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；e、生物体提供能量的主要形式
17、；、生物体提供能量的主要形式；f、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。如柠檬酸发酵；如柠檬酸发酵；Glu发酵等。发酵等。经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅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。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,把微生物能把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。量代谢分为呼
18、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式；没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式；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O2;无氧呼吸无氧呼吸最终电子受体是最终电子受体是O2以外的无机氧化物，以外的无机氧化物，如如NO3-、SO42-等等.1.2递氢和受氢递氢和受氢方式方式 电子受体电子受体 产物产物 获能获能(千卡千卡)微生物类型微生物类型 条件条件 发酵发酵 有机物有机物 各种中间代各种中间代谢产
19、物谢产物 54 好氧菌，厌氧菌好氧菌，厌氧菌,兼性厌氧菌兼性厌氧菌 无无O2或有或有O2 有氧有氧呼吸呼吸 O2 CO2 688 好氧菌好氧菌,兼性厌兼性厌氧菌氧菌 有有O2 无氧无氧呼吸呼吸 无机物无机物 CO2 429 厌氧菌厌氧菌,兼性厌兼性厌氧菌氧菌 无无O2 发酵与呼吸的比较发酵与呼吸的比较1.31.3微生物发酵的代谢途径微生物发酵的代谢途径（1 1）乙醇发酵）乙醇发酵 典型酒精发酵的微生物是酵母菌，特别是啤酒酵母菌。C C6 6H H1212O O6 6CHCH3 3COCOOH COCOOH CHCH3 3CHO CHO 2C2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2总
20、反应式：总反应式：C C6 6H H1212O O6 64ADP 4ADP 4Pi 4Pi 2C 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2 4ATP4ATP C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 pH4左右左右1）酵母菌的乙醇发酵（走）酵母菌的乙醇发酵（走EMP途径）：途径）：乙醇发酵乙醇发酵C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH+2CO+2CO2 2+2ATP现象：产气，有酒味。现象：产气，有酒味。代表菌：酿酒酵母（代表菌：酿酒酵母（Saccharomyces cerevi
21、siae)酵母菌的第一型发酵酵母菌的第一型发酵丙酮酸脱丙酮酸脱羧酶系羧酶系如果：如果：当发酵液处在弱碱性条件（当发酵液处在弱碱性条件（pH7.67.6）下，酵母菌的）下，酵母菌的乙醇发酵乙醇发酵会变成甘油发酵会变成甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛得不到足够的氢而不能作为正常受氢体，原因：该条件下产生的乙醛得不到足够的氢而不能作为正常受氢体，结果结果2 2分子乙醛间发生分子乙醛间发生歧化反应歧化反应，生成，生成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+CHCH3
22、3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+CH CH3 3CHCH2 2OH+NADOH+NAD+这样，导致这样，导致NADHNADH2 2积累，不能得到再生。此时积累，不能得到再生。此时,由途径中的代由途径中的代谢中间物谢中间物磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮接受接受NADH2，还原生成，还原生成-磷酸甘油，磷酸甘油，后者经后者经-磷酸甘油酯酶催化脱磷酸，最后生成甘油。磷酸甘油酯酶催化脱磷酸，最后生成甘油。2 2葡萄糖葡萄糖 2 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO+2CO2 2+0ATP酵母菌的第三型发酵酵母菌的第三型发酵注意：注意：该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.5-4.5pH3
23、.5-4.5以及以及厌氧厌氧的条件下才能进行。的条件下才能进行。丙酮酸丙酮酸COCO2 2乙醛乙醛NADHNADH2 2NAD+NAD+乙醇乙醇磷酸二羟基丙酮磷酸二羟基丙酮NADHNADH2 2NAD+NAD+磷酸甘油磷酸甘油甘油甘油3%3%的亚硫酸氢钠（或的亚硫酸氢钠（或pH7pH7）葡萄糖葡萄糖 甘油甘油+磺化羟乙醛磺化羟乙醛+CO2+0ATP酵母菌的第二型发酵：在加有酵母菌的第二型发酵：在加有NaHSONaHSO3 3时由于与乙醛发生亲核加成时由于与乙醛发生亲核加成反应，同样造成了反应，同样造成了NADH2的积累，则导致了甘油的生成。见下：的积累，则导致了甘油的生成。见下：磺化羟基乙醛（
24、难溶）磺化羟基乙醛（难溶）工业上就是利工业上就是利用第二型反应用第二型反应的原理进行甘的原理进行甘油生产的。但油生产的。但要控制的加入要控制的加入浓度和加入时浓度和加入时间。早期菌体间。早期菌体生长需要能量，生长需要能量，先不加，使其先不加，使其进行酒精发酵，进行酒精发酵，产生的能量可产生的能量可用于菌体生长用于菌体生长繁殖，到后期繁殖，到后期再加并控制用再加并控制用量以大量生产量以大量生产甘油。甘油。酵母发酵的类型类型类型条件条件受氢体受氢体ATP主要产物主要产物酸性酸性乙醛乙醛2乙醇乙醇亚硫酸氢钠亚硫酸氢钠磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮0甘油甘油碱性碱性磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮0甘油、乙醇、甘油
25、、乙醇、乙酸乙酸（2 2）乳酸发酵）乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的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。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。型乳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磷酸己糖解酮酶途径途径）葡萄糖
26、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(1,3-二磷酸甘油酸）二磷酸甘油酸）2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸1）同型乳酸发酵）同型乳酸发酵2NAD+2NADH24ATP4ADP2ATP 2ADP代表菌：代表菌：Lactobacillus delbruckiiL.bulgaricus 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+ATP因为在无氧条件下不走因为在无氧条件下不走TCA环，因此是其在厌氧条件下产生能量环，因此是其在厌氧条件下产生能量的唯一方式。的唯一方式。2）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
27、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乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADH2NAD+NADH2ATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H+-CO2磷酸戊糖酮解途径磷酸戊糖酮解途径(PK(PK途径途径，可视为HMP的变异途径)C6H12O6+2ADP+2Pi CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+2ATP代表菌：代表菌：L.brevis 短乳杆菌短乳杆菌Leuconostoc mesenteroides 肠膜状明串珠菌肠膜状明串珠菌 磷酸己糖解酮途径磷酸己糖解酮途径（HK途径）途径）2葡萄糖葡萄糖 2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸6-磷酸
28、果糖磷酸果糖 6-磷酸果糖磷酸果糖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乙酸乙酸乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶磷酸己糖转酮酶磷酸己糖转酮酶逆逆HMP途径途径同同EMP乙酸激酶乙酸激酶3)双歧杆菌的异型乳酸发酵双歧杆菌的异型乳酸发酵又称第三型乳酸发酵又称第三型乳酸发酵(3)(3)混合酸发酵混合酸发酵 混合酸发酵是肠道杆菌科大多数细菌的特征。如大肠杆菌发酵葡萄糖产生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各种有机酸，称为混合酸发酵。例如大肠杆菌：C6H12O6 CH3COCOOH CH3COCOOHCoASH C
29、H3CO SCoA+HCOOH HCOOH CO2+H2甲酸脱氢酶混合酸发酵混合酸发酵v概念：埃希氏概念：埃希氏菌、沙门氏菌、菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一志贺氏菌属的一些菌通过些菌通过EMP途途径将葡萄糖转变径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙甲酸、乙醇、乙酸、酸、H2和和CO2等等多种代谢产物，多种代谢产物，由于代谢产物中由于代谢产物中含有多种有机酸，含有多种有机酸，故将其称为混合故将其称为混合酸发酵。酸发酵。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
30、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磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶+2HpH6.2特点：产气 产酸（4）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合成酶-乙酰乳酸脱羧酶乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、概念：肠杆菌、沙雷氏菌和欧沙雷氏菌和欧文氏菌属中的文氏菌属中的一些细菌具有一些细菌具有-乙酰乳酸合乙酰乳酸合成酶成酶系而进行系而进行丁二
31、醇发酵。丁二醇发酵。其发酵途径：其发酵途径：EMP鉴别肠道细菌的鉴别肠道细菌的V.P.试验试验鉴别原理鉴别原理 缩合缩合 脱羧脱羧2丙酮酸丙酮酸 乙酰乳酸乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 碱性条件碱性条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 （与培养基中精氨酸的胍基结合）（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物红色化合物-CO2还原还原 这个反应称为这个反应称为V-PV-P反应反应，是鉴别大肠杆菌和产气杆菌，是鉴别大肠杆菌和产气杆菌的一项常用指标。的一项常用指标。V-PV-P反应反应:产气杆菌产气杆菌-阳性阳性(+)(+)大肠杆菌大肠杆菌-阴性阴性(-)(-)n在大肠杆菌的混合发酵中，由于产
32、生在大肠杆菌的混合发酵中，由于产生的有机酸较多，它可使发酵液的的有机酸较多，它可使发酵液的pHpH值值下降到下降到4.24.2以下以下；n在产气气杆菌的在产气气杆菌的2 2，3-3-丁二醇发酵中，丁二醇发酵中，代谢产物主要是一些醇类等中性化合代谢产物主要是一些醇类等中性化合物，而有机酸含量较少，发酵液的物，而有机酸含量较少，发酵液的pHpH值在值在6.36.3以上以上；如果在这两种类型的葡萄糖发酵液中分如果在这两种类型的葡萄糖发酵液中分别加入别加入甲基红指示剂甲基红指示剂，n大肠杆菌的发酵液为大肠杆菌的发酵液为红色红色n产气杆菌的发酵液为产气杆菌的发酵液为橙黄色橙黄色。这个反应称为这个反应称为
33、M.R M.R 反应反应,即甲基红反应即甲基红反应.甲基红反应甲基红反应:大肠杆菌大肠杆菌-阳性阳性(+),(+),产气杆菌产气杆菌-阴性阴性(-).(-).大肠杆菌和变形杆菌等能水解大肠杆菌和变形杆菌等能水解色氨酸色氨酸产生产生吲哚吲哚，用用对二甲基氨基苯甲醛对二甲基氨基苯甲醛检验可生成检验可生成红色玫瑰吲哚红色玫瑰吲哚。吲哚实验吲哚实验:能水解色氨酸产生吲哚能水解色氨酸产生吲哚-阳性阳性(+)不能水解色氨酸产生吲哚不能水解色氨酸产生吲哚-阴性阴性(-)大多数沙门氏能大多数沙门氏能水解半胱氨酸、甲硫氨酸等含硫水解半胱氨酸、甲硫氨酸等含硫氨基酸生氨基酸生成成硫化氢硫化氢，如在培养基中预先加入，
34、如在培养基中预先加入硫酸亚铁硫酸亚铁或醋酸铅指示剂或醋酸铅指示剂，则生成黑色的硫化物。，则生成黑色的硫化物。硫化氢实验硫化氢实验:水解含硫氨基酸生成黑色的硫化物水解含硫氨基酸生成黑色的硫化物 -阳性阳性(+);不能含硫氨基酸生成黑色的硫化物不能含硫氨基酸生成黑色的硫化物-阴性阴性(+)IMViC试验：=吲哚（吲哚（I）、）、甲基红（甲基红（M）、）、V.P.试验（试验（Vi）柠檬酸柠檬酸盐利用（盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。吲哚试验吲哚试验甲基红试验甲基红试验V.P.试验试验柠
35、檬酸盐柠檬酸盐利用利用大肠杆菌大肠杆菌+-产气杆菌产气杆菌-+1.4能量转换-ATPATP的产生的产生 n底物水平磷酸化 n电子传递磷酸化 n光合磷酸化的能量转换 n 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含有高能键的化合物直接偶联ATPATP或或GTPGTP的合成，这种的合成，这种产生产生ATPATP等高能分子的方式，叫底物水平磷酸化。等高能分子的方式，叫底物水平磷酸化。氧化磷酸化氧化磷酸化：物质在生物氧化中所生成的物质在生物氧化中所生成的NADHNADH和和FADH2FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子
36、传可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统或其他氧化性物质，在此过程中偶联递系统或其他氧化性物质，在此过程中偶联ATPATP或或GTPGTP的合成，这种产生的合成，这种产生ATPATP等高能分子的方式，叫氧化磷等高能分子的方式，叫氧化磷酸化。酸化。光合磷酸化：光合磷酸化：当一个叶绿素分子吸收光量子而被激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活后，释放一个电子，这个电子经过电子传递系统而偶联偶联ATPATP或或GTPGTP的合成，叫光合磷酸化。（指光能转变的合成，叫光合磷酸化。（指光能转变为化学能的过程。）为化学能的过程。）2、自养微生物产、自养微生
37、物产ATP和产还原力和产还原力（略）第二节第二节 微生物的分解代谢微生物的分解代谢1.1.微生物糖的分解微生物糖的分解1.11.1多糖的分解多糖的分解 微生物对多糖的利用必须借助胞外酶的水解作用，产生的水解产物进入细胞后按照不同的方式发酵或彻底的氧化。1.1.11.1.1淀粉的水解淀粉的水解 微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化淀粉酶催化进行的。淀粉酶是水解淀粉糖进行的。淀粉酶是水解淀粉糖苷键一类酶的总称，它的种类有以下几种苷键一类酶的总称，它的种类有以下几种:-淀粉酶淀粉酶-淀粉酶 糖化酶异淀粉酶 1.1.21.1.2纤维素的分解纤维素的分解 很多微
38、生物，例如木霉、青霉、某些放线菌和细菌均能分解利用纤维素，原因是它们能产生纤维素酶。C 1酶 Cx1 Cx2酶 n天然纤维素 水合纤维素分子 纤维二糖酶纤维二糖 葡萄糖1.1.31.1.3果胶质的分解果胶质的分解 果胶酶广泛存在于植物、霉菌、细菌和酵母中。其中以霉菌产的果胶酶产量高.果胶酯酶 聚半乳糖醛酸酶 n果胶 甲醇+果胶酸 半乳糖醛酸 纤维素纤维素可溶性可溶性 果胶果胶原果胶原果胶甲醇甲醇果胶酸果胶酸还原胶还原胶半乳糖半乳糖 醛酸醛酸果胶物质471.21.2双糖的分解双糖的分解n被相应的水解酶分解成单糖n在相应的磷酸解酶的作用下，将双糖分解1.31.3单糖的分解单糖的分解微生物糖代谢的主
39、要途径有：EMPEMP途径途径HMPHMP途径途径E.DE.D途径途径2.2.蛋白质和氨基酸的分解蛋白质和氨基酸的分解 2.12.1蛋白质的分解蛋白质的分解 微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至体外，将其分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再进入细胞。2.22.2氨基酸的分解氨基酸的分解 微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。n水解脱氨水解脱氨n氧化脱氨氧化脱氨n还原脱氨还原脱氨n水解脱氨脱羧水解脱氨脱羧n还原脱氨脱羧还原脱氨脱羧n脱氨并形成双键脱氨并形成双键 RCOCOOH2.2 2.2 脱羧作用脱羧作用 氨基酸脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中。不同的氨基酸由相应的氨基酸
40、脱羧酶催化脱羧，生成减少一个碳原子的胺和二氧化碳，通式如下：氨基酸脱羧酶 R-CHNHR-CHNH2 2-COOH -COOH R-CH R-CH2 2-NH-NH2 2+CO+CO2 2 3.3.脂肪和脂肪酸的分解脂肪和脂肪酸的分解n脂肪分解：脂肪分解：微生物产生的脂肪酶，在脂肪酶作用下，可水解生成甘油和脂肪酸。n脂肪酸分解：脂肪酸分解：微生物分解脂肪酸主要是通过-氧化途径。第三节第三节 微生物独特合成代谢举例微生物独特合成代谢举例n主要内容：主要内容：一、生物固氮一、生物固氮二、肽聚糖生物合成二、肽聚糖生物合成第四节第四节 微生物的代谢调控及其应用微生物的代谢调控及其应用n微生物代谢细胞的
41、调节方式微生物代谢细胞的调节方式n酶活性的调节酶活性的调节n酶合成的调节酶合成的调节n代谢调控理论的应用代谢调控理论的应用微生物细胞代谢调节方式微生物细胞代谢调节方式n控制营养物质透过细胞膜进入细胞的能力控制营养物质透过细胞膜进入细胞的能力n通过酶的定位以限制它与底物的接近通过酶的定位以限制它与底物的接近n控制代谢物流向控制代谢物流向调节酶的合成量（粗调）调节酶的合成量（粗调）现成酶的催化活力（细调）现成酶的催化活力（细调）1.酶活性的调节酶活性的调节 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。率的方式，
42、是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。调节方式：包括两个方面调节方式：包括两个方面酶活性的激活酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前：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。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如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进促进酶活性的抑制：酶活性的抑制：包括竞争性抑制和反馈抑制。包括竞争性抑制和反馈抑制。反馈：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物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。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；凡
43、使反应速度加快的称正反馈；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；n反馈抑制反馈抑制主要表现在某代谢途径的末主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中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、核第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除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
44、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，为了避免在分支代谢途径中，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支上产物的在一个分支上的产物过多时不致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。主要有：供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。1.1反馈抑制的类型反馈抑制的类型同功酶调节同功酶调节同功酶：同功酶：催化相同的生化反应，
45、而酶分子结构有差别的一组酶催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。定义定义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早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。往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。某一产物过某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节协同反馈抑制协同反馈抑制定义：定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制分支代谢途径中几个末端产物同时
46、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。共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例：谷氨酸棒杆菌（举例：谷氨酸棒杆菌（CorynebacteriumCorynebacterium glutamicumglutamicum）多粘芽孢杆菌（多粘芽孢杆菌（Bacillus Bacillus polymyxapolymyxa）在合成天冬氨酸族氨基酸时，天冬氨酸激酶受赖氨在合成天冬氨酸族氨基酸时，天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制酸和苏氨酸的协同反馈抑制合作反馈抑制合作反馈抑制定义：定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大
47、于二者单独作用之和。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AMPAMP和和GMP GMP（和（和IMPIMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的的70%70%和和10%10%。积累反馈抑制积累反馈抑制定义：定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径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存在时它们的抑制作用中前面的酶，所以当几种末端产
48、物共同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。是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。色氨酸色氨酸 16%CTP 14%氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 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顺序反馈抑制顺序反馈抑制定义：定义：一种终产物的积累一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节1.21
49、.2酶活力调节的机制酶活力调节的机制变构酶理论：变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化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。受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。活性位点:与底物结合变构位点:与与抑制剂结合抑制剂结合,构象变化构象变化,不能与底物结合不能与底物结合 与与激活剂结合激活剂结合,构象变化构象变化,促进与底物结合促进与底物结合 变构酶变构酶2.2.酶合成的调节酶合成的调节 通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调通过调节酶的合成量进
50、而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。节，间接而缓慢。2.12.1酶合成调节的类型酶合成调节的类型n诱导：诱导：能促进酶生物合成的现象能促进酶生物合成的现象n阻遏阻遏：能阻碍酶生物合成的现象：能阻碍酶生物合成的现象（1 1）诱导）诱导n组成酶（固有酶）：组成酶（固有酶）：细胞固有的酶，其合成是在细胞固有的酶，其合成是在相应的基因控制下进行的，不依赖底物或底物结相应的基因控制下进行的，不依赖底物或底物结构类似物的存在而受影响。如：构类似物的存在而受影响。如：EMPEMP途径的一些酶。途径的一些酶。n诱导酶：诱导酶：细胞为
