微生物的代谢A.pptx

第五章第五章 微生物的代谢微生物的代谢代谢概论代谢概论代谢（代谢（metabolism）：）：细胞内发生的各种化学反应的总称细胞内发生的各种化学反应的总称代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPH第一节第一节 代谢的基本概念代谢的基本概念v直线途径和分支代谢途径直线途径和分支代谢途径v双向代谢途径双向代谢途径v初级代谢初级代谢具有明确的生理功能、对具有明确的生理功能、对维持生命活动不可缺少的代谢过程。维持生命活动不可缺少的代谢过程。v次级代谢次级代谢微生物在一定的生长时期，微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确的生理功能的生物的生命活动没有明确的生理功能的物质的过程。物质的过程。Thousands of such reactions are occurring simultaneously in a single cell.These reactions occur with a minimum of side products,energy loss or undesired interferences and at reasonable temperatures,pH and pressure.All of these reactions must be controlled or regulated for optimum efficiency.微生物代谢的特点微生物代谢的特点v微生物的代谢速度快微生物的代谢速度快v代谢的多样性代谢的多样性v微生物的适应能力强微生物的适应能力强微生物代谢的研究方法微生物代谢的研究方法1.静息细胞法静息细胞法细胞水平细胞水平静息细胞：收集培养到一定阶段的菌体，经洗静息细胞：收集培养到一定阶段的菌体，经洗涤后，悬浮在生理盐水中继续培养一段时间，涤后，悬浮在生理盐水中继续培养一段时间，消耗消耗其内源营养物质，使之呈其内源营养物质，使之呈饥饿状态饥饿状态，如，如此获得的细胞称为静息细胞。此获得的细胞称为静息细胞。2.同位素示踪法同位素示踪法灵敏灵敏3.瓦勃格氏压力计法瓦勃格氏压力计法代谢过程中气体代谢过程中气体的释放或吸收导致压力的变化。的释放或吸收导致压力的变化。4.突变株的应用突变株的应用营养缺陷型营养缺陷型微生物丧失了合成某种生微生物丧失了合成某种生长所必需的营养物质的能力，必须由外长所必需的营养物质的能力，必须由外界供给这种营养物质才能生长，该菌株界供给这种营养物质才能生长，该菌株就称为营养缺陷型。就称为营养缺陷型。特异营养缺陷型特异营养缺陷型丧失了合成某种次生丧失了合成某种次生代谢产物的能力的微生物称为特异营养代谢产物的能力的微生物称为特异营养缺陷型。缺陷型。生物能学原理生物能学原理(P66)1、自由能、自由能2、氧化、氧化-还原电位还原电位3、高能磷酸化合物、高能磷酸化合物第二节第二节 微生物的分解代谢微生物的分解代谢v微生物细胞质膜为半透膜，只有小分子物质微生物细胞质膜为半透膜，只有小分子物质才能透过质膜进入细胞，被微生物分解利用。才能透过质膜进入细胞，被微生物分解利用。单、双糖、氨基酸及其它小分子有机物均能单、双糖、氨基酸及其它小分子有机物均能直接进入细胞。直接进入细胞。一、大分子物质的降解一、大分子物质的降解(P87)v化能异养型微生物能利用的有机物质种类很化能异养型微生物能利用的有机物质种类很多，如淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、脂肪、多，如淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、脂肪、蛋白质、木质素及核酸等。蛋白质、木质素及核酸等。v这些大分子物质不能直接进入细胞，必须预这些大分子物质不能直接进入细胞，必须预先经微生物分泌的先经微生物分泌的胞外酶胞外酶在细胞外部降解为小在细胞外部降解为小分子物质后才能进入细胞，参与微生物细胞内分子物质后才能进入细胞，参与微生物细胞内进行的多种代谢过程。进行的多种代谢过程。v淀粉的降解淀粉的降解淀粉酶是一系列与淀粉分解有关酶的总称，淀粉酶是一系列与淀粉分解有关酶的总称，这些酶以不同方式联合作用，催化淀粉转化这些酶以不同方式联合作用，催化淀粉转化为葡萄糖。为葡萄糖。淀粉酶包括淀粉酶包括4种类型种类型淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶糖化酶糖化酶异异 淀粉酶淀粉酶 淀粉酶淀粉酶(amylase)-又称液化型淀粉酶。又称液化型淀粉酶。催化反应：催化反应：任意切割内部任意切割内部-1，4糖苷键糖苷键，但不能切断，但不能切断-1，6及邻近及邻近-1，6糖苷键的糖苷键的-1，4糖苷键，难于切断淀糖苷键，难于切断淀粉分子两端的粉分子两端的-1，4糖苷键。故又称之为内切型淀粉酶。糖苷键。故又称之为内切型淀粉酶。产物：产物：直链淀粉直链淀粉为寡糖、葡萄糖与麦芽糖的混合物为寡糖、葡萄糖与麦芽糖的混合物支链淀粉支链淀粉为带有为带有-1,6糖苷键的糖苷键的糊精糊精、麦芽糖和葡萄糖。麦芽糖和葡萄糖。产物产物(还原糖还原糖)在光学构型上为在光学构型上为型型，故称之，故称之-淀淀粉酶；粉酶；该酶作用时淀粉溶液的粘度下降迅速，故又称该酶为该酶作用时淀粉溶液的粘度下降迅速，故又称该酶为液液化型淀粉酶化型淀粉酶分布：分布：微生物中分布广泛：细菌、放线菌、霉菌微生物中分布广泛：细菌、放线菌、霉菌放放线菌培养基：高氏培养基中碳源为淀粉线菌培养基：高氏培养基中碳源为淀粉工业上利用曲霉或细菌工业上利用曲霉或细菌(地衣芽孢杆菌地衣芽孢杆菌)发酵发酵生产淀粉酶。生产淀粉酶。淀粉酶淀粉酶催化反应：催化反应：从淀粉分子从淀粉分子非还原性末端非还原性末端开始，开始，以以麦芽糖麦芽糖为单位切断为单位切断1，4糖苷键，不能切糖苷键，不能切断断1，6糖苷键，也不能越过糖苷键，也不能越过1，6糖苷糖苷键去切断分子中间的键去切断分子中间的1，4糖苷键。糖苷键。该酶不能从淀粉分子内部水解该酶不能从淀粉分子内部水解1，4糖苷键，糖苷键，只能从淀粉分子非还原性末端切开只能从淀粉分子非还原性末端切开1，4糖糖苷键，故称之外切型淀粉酶。苷键，故称之外切型淀粉酶。产物：产物：麦芽糖，带分支侧链的寡糖及糊精。麦芽糖，带分支侧链的寡糖及糊精。产物麦芽糖在光学构型上为产物麦芽糖在光学构型上为型，故称之型，故称之淀粉酶。淀粉酶。分布：分布：淀粉酶广泛存在于霉菌中，细菌中少见。淀粉酶广泛存在于霉菌中，细菌中少见。糖化酶：糖化酶：从淀粉分子的从淀粉分子的非还原性末端非还原性末端以葡萄糖为单位水解以葡萄糖为单位水解1，4糖苷键，产物为葡萄糖；不能水解糖苷键，产物为葡萄糖；不能水解1，6糖苷糖苷键。键。异淀粉酶：异淀粉酶：能水解能水解1，6糖苷键。糖苷键。微生物产生的淀粉酶中，细菌产生的主要是微生物产生的淀粉酶中，细菌产生的主要是淀粉淀粉酶，霉菌产生的主要为酶，霉菌产生的主要为淀粉酶和异淀粉酶。淀粉酶和异淀粉酶。纤维素的分解纤维素的分解植物细胞壁的重要成分，在植物体内含量达植物细胞壁的重要成分，在植物体内含量达15%15%50%50%。纤维素由。纤维素由葡萄糖通过葡萄糖通过 1 1，4 4糖糖苷键苷键聚合而成，分子量多在聚合而成，分子量多在100100万以上，天然万以上，天然纤维分子不溶于水。纤维分子不溶于水。n纯纤维素很容易被微生物分解，纯纤维素很容易被微生物分解，但植物中纤维素常但植物中纤维素常和木质素等紧密结合在一起而难以分解。和木质素等紧密结合在一起而难以分解。分解纤维素的微生物：分解纤维素的微生物：分解能力较强的微生物主要是分解能力较强的微生物主要是真菌真菌。如木霉。如木霉(Trichod erma)、根霉、根霉(Rhizopus)、黑曲霉及、黑曲霉及青霉青霉(Penicillium)等。等。食用菌食用菌中的大多数分解中的大多数分解纤维素的能力很强。纤维素的能力很强。堆肥堆肥的高温阶段纤维素的分解主要是依靠的高温阶段纤维素的分解主要是依靠高高温放线菌。温放线菌。纤维素酶纤维素酶:纤维素酶系由纤维素酶系由3种类型的酶组成。种类型的酶组成。E1（C1酶）酶）是内切型葡聚糖水解酶，可以任意水解是内切型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的纤维素分子内部的1，4糖苷键，产物为寡糖；糖苷键，产物为寡糖；E2（Cx酶）酶）为为外切型葡聚糖水解酶，从纤维素分外切型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的子的非还原性末端开始非还原性末端开始，逐步水解纤维素为，逐步水解纤维素为纤维二纤维二糖糖；E3为为葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。E1和和E2的酶活性受纤维二糖与葡萄糖反馈抑制的酶活性受纤维二糖与葡萄糖反馈抑制E3活性受葡萄糖反馈抑制活性受葡萄糖反馈抑制天然纤维素分为天然纤维素分为结晶区域结晶区域和和非结晶区域非结晶区域Cx 酶酶C1酶酶C1酶酶Cx 酶酶Cx 酶酶Cx 酶酶半纤维素的分解半纤维素的分解 含量：含量：在植物体内的含量仅次于纤维素。如在植物体内的含量仅次于纤维素。如在玉米根、茎中的含量可达在玉米根、茎中的含量可达30%左右。左右。组成：组成：半纤维素由戍糖半纤维素由戍糖(主要为木糖和阿拉伯主要为木糖和阿拉伯糖糖)和已糖和已糖(半乳糖与甘露糖半乳糖与甘露糖)缩合而成。缩合而成。半纤维素较纤维素容易分解。半纤维素较纤维素容易分解。能分解半纤维素的微生物种类更多。能分解半纤维素的微生物种类更多。真菌中的曲霉、青霉及木霉等均能分真菌中的曲霉、青霉及木霉等均能分解半纤维素，分解产物为相应单糖。解半纤维素，分解产物为相应单糖。果胶的分解果胶的分解果胶质是构成植物细胞间质的组分。果胶质是构成植物细胞间质的组分。由由半乳糖醛酸半乳糖醛酸单体聚合而成。单体聚合而成。聚合态半乳糖醛酸称为聚合态半乳糖醛酸称为果胶酸果胶酸；果胶酸羧基甲基化的产物称果胶酸羧基甲基化的产物称果胶果胶；果胶又分为果胶又分为可溶性果胶可溶性果胶与与不溶性果胶不溶性果胶(又称原又称原果胶果胶)果胶能被多种细菌和真菌分解果胶能被多种细菌和真菌分解厌气性蚀果胶梭菌厌气性蚀果胶梭菌(Clostridium pecti novorum)和费新尼亚梭菌和费新尼亚梭菌(Clostridium felsineum)好气性浸麻芽孢杆菌好气性浸麻芽孢杆菌(Bacillus macerans)等等 原果胶酶原果胶酶原果胶原果胶(不溶解不溶解)可溶性果胶可溶性果胶果胶甲基酯酶果胶甲基酯酶可溶果胶可溶果胶+H2O 果胶酸果胶酸+甲醇甲醇聚半乳糖醛酸酶聚半乳糖醛酸酶果胶酸果胶酸+H2O半乳糖醛酸半乳糖醛酸 麻纤维脱胶的原理麻纤维脱胶的原理:麻类植物纤维的化学成分为纤维素，存在于麻类植物纤维的化学成分为纤维素，存在于茎杆的韧皮部内，纤维素与果胶类物质结合茎杆的韧皮部内，纤维素与果胶类物质结合在一起。在一起。麻纤维脱胶就是利用麻纤维脱胶就是利用果胶分解微生果胶分解微生物物有分解果胶能力而不分解纤维素的特点，有分解果胶能力而不分解纤维素的特点，将果胶分解掉，使纤维完好地脱离出来。将果胶分解掉，使纤维完好地脱离出来。木质素与其它芳香族化合物的分解木质素与其它芳香族化合物的分解木质素是植物木质化组织的重要成分。木质素是植物木质化组织的重要成分。禾本科秸秆含木质素禾本科秸秆含木质素20%20%左右。左右。木质素的化学结构木质素的化学结构不十分清楚不十分清楚。据现有研究，。据现有研究，木木质素是由以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多质素是由以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物种芳香族化合物(苯丙烷、松柏醇等苯丙烷、松柏醇等)氧化缩合而成氧化缩合而成的。的。分解木质素的微生物：分解木质素的微生物：主要是主要是担子菌纲担子菌纲的一些种类。如干朽菌的一些种类。如干朽菌(Merulius)、多孔菌、多孔菌(Polyporus)及伞菌及伞菌(Agaricus)等属的一些种。等属的一些种。木质素在土壤中分解缓慢。木质素在土壤中分解缓慢。好气条件下的分解速度较快。好气条件下的分解速度较快。几丁质几丁质几丁质是多数真菌细胞壁的主要成分之一，也广泛几丁质是多数真菌细胞壁的主要成分之一，也广泛存在于原生生物、节肢动物和甲壳类生物之中，每存在于原生生物、节肢动物和甲壳类生物之中，每年自然界中产生的几丁质数量极其巨大，超过年自然界中产生的几丁质数量极其巨大，超过100亿吨亿吨，其在地球上的含量非常丰富，仅次于纤维素。，其在地球上的含量非常丰富，仅次于纤维素。（1,4)-2-乙酰氨基乙酰氨基-2-脱氧脱氧-D-葡萄糖葡萄糖 几丁质酶，能分解几丁质形成氨基葡萄糖和乙几丁质酶，能分解几丁质形成氨基葡萄糖和乙酸。酸。细菌、放线菌、真菌细菌、放线菌、真菌中都有能分解几丁质的种类中都有能分解几丁质的种类分解几丁质能力强的细菌有分解几丁质能力强的细菌有嗜几丁质杆菌嗜几丁质杆菌(Bact.chitinophilum)和和几丁质色杆菌几丁质色杆菌(Chromobacterium chitinochrona)，二者均为，二者均为好气性无芽孢周毛杆菌。这两种细菌分解几丁好气性无芽孢周毛杆菌。这两种细菌分解几丁质时利用生成的氨和葡萄糖作氮源、碳源及能质时利用生成的氨和葡萄糖作氮源、碳源及能源。源。链霉菌链霉菌中有许多分解能力比较强：褶皱链霉中有许多分解能力比较强：褶皱链霉菌、浅青紫链霉菌、橄榄绿链霉菌、淡紫灰菌、浅青紫链霉菌、橄榄绿链霉菌、淡紫灰链霉菌、灰色链霉菌、浅天青链霉菌、天蓝链霉菌、灰色链霉菌、浅天青链霉菌、天蓝色链霉菌色链霉菌真菌类有木霉属真菌类有木霉属(Trichoderma harziaum,Trichoderma virens,Trichodernau hamautum)、酿酒酵母、白色扁丝霉、白色念珠菌、构、酿酒酵母、白色扁丝霉、白色念珠菌、构巢曲霉、白僵菌、少孢根霉巢曲霉、白僵菌、少孢根霉 N-乙酰几丁寡糖和壳聚几丁寡糖具有清爽的甜味，乙酰几丁寡糖和壳聚几丁寡糖具有清爽的甜味，有吸湿和保湿性，其在水中溶解度比单糖低，有助有吸湿和保湿性，其在水中溶解度比单糖低，有助于调整食品的水活性，增进保水性，兼具调味和改于调整食品的水活性，增进保水性，兼具调味和改良食品质构的功能，另外良食品质构的功能，另外N-乙酰几丁寡糖可促进肠乙酰几丁寡糖可促进肠道内有益菌道内有益菌(Bifidus)的增殖并抑制大肠杆菌及肠道的增殖并抑制大肠杆菌及肠道内病原菌的生长，是一种良好的双歧杆菌增殖因子。内病原菌的生长，是一种良好的双歧杆菌增殖因子。在农业方面可用作饲料添加剂，提高动物免疫力，在农业方面可用作饲料添加剂，提高动物免疫力，在植物中具有防治植物病虫害、促进植物生长的功在植物中具有防治植物病虫害、促进植物生长的功能。启动植物防御系统，使其本身处于不易受侵害能。启动植物防御系统，使其本身处于不易受侵害的生态环境中。同时该寡聚糖具有抗菌、抑菌效果，的生态环境中。同时该寡聚糖具有抗菌、抑菌效果，用该类寡糖做的肥料不利于士壤中病菌和细菌的生用该类寡糖做的肥料不利于士壤中病菌和细菌的生长。长。在医药工业中，几丁质经酶作用后所产生的寡糖具有抗在医药工业中，几丁质经酶作用后所产生的寡糖具有抗癌作用，活化机体免疫功能，诱使胰脏淋巴癌作用，活化机体免疫功能，诱使胰脏淋巴T细胞产生细胞产生Interleukin,且对生物体无毒性或低毒性。且对生物体无毒性或低毒性。在化妆品中利用该寡聚糖良好的保湿性可作为保湿乳液、在化妆品中利用该寡聚糖良好的保湿性可作为保湿乳液、化妆水的原材料，该产品效果与化妆水的原材料，该产品效果与hyaluronic acid类似，但类似，但成本降低近一半。该产品还可用于发胶中，能保护头发，成本降低近一半。该产品还可用于发胶中，能保护头发，赋予光泽，具有紫外吸收性，可防止头发受到紫外光的破赋予光泽，具有紫外吸收性，可防止头发受到紫外光的破坏。坏。由于几丁质的不溶性和壳聚糖的难溶性使其应用受到由于几丁质的不溶性和壳聚糖的难溶性使其应用受到一定的局限性，特别是在动、植物体启动免疫系统中，因一定的局限性，特别是在动、植物体启动免疫系统中，因此几丁质寡糖的研制及开发成为国际上对几丁质开发的热此几丁质寡糖的研制及开发成为国际上对几丁质开发的热点之一。国外已筛选出多种几丁质酶生产菌，并将其分离点之一。国外已筛选出多种几丁质酶生产菌，并将其分离提纯。提纯。脂肪的分解脂肪的分解 脂肪是甘油和脂肪酸形成的酯。在动植物残体脂肪是甘油和脂肪酸形成的酯。在动植物残体中含有一定量脂类物质。一般作物茎叶中，脂类中含有一定量脂类物质。一般作物茎叶中，脂类约占干物质的约占干物质的0.5%0.5%2.0%2.0%，油料作物种子中，脂，油料作物种子中，脂类约为类约为30%30%50%50%。土壤中的脂类主要来自植物残体，少量来自动物土壤中的脂类主要来自植物残体，少量来自动物与微生物。与微生物。分解脂肪的微生物都具有分解脂肪的微生物都具有脂肪酶脂肪酶。在脂肪酶作。在脂肪酶作用下，脂肪水解为甘油和脂肪酸。用下，脂肪水解为甘油和脂肪酸。蛋白质的分解蛋白质的分解蛋白质是许多微生物生长的氮源，在碳、能蛋白质是许多微生物生长的氮源，在碳、能源不足时也可用作碳源与能源物质。源不足时也可用作碳源与能源物质。蛋白酶蛋白酶肽酶肽酶蛋白质蛋白质肽肽氨基酸氨基酸 蛋白酶是一种胞外酶。蛋白酶是一种胞外酶。不同的蛋白质需要不同的蛋白酶催化才能降解不同的蛋白质需要不同的蛋白酶催化才能降解。如明胶、酪蛋白、胶原蛋白和角蛋白分别由明如明胶、酪蛋白、胶原蛋白和角蛋白分别由明胶蛋白酶、酪蛋白酶、胶原蛋白酶及角蛋白酶胶蛋白酶、酪蛋白酶、胶原蛋白酶及角蛋白酶水解。水解。真菌分解蛋白质的能力较细菌强，且能利用天真菌分解蛋白质的能力较细菌强，且能利用天然蛋白质。大多数细菌不能利用天然蛋白质，然蛋白质。大多数细菌不能利用天然蛋白质，只能利用某些变性蛋白及蛋白胨、肽等蛋白质只能利用某些变性蛋白及蛋白胨、肽等蛋白质的降解产物，这与大多数细菌能合成的降解产物，这与大多数细菌能合成肽酶肽酶有关。有关。蛋白质也是人类的重要营养物质。蛋白质也是人类的重要营养物质。混合氨基酸注射液，可作为危重病人的营养混合氨基酸注射液，可作为危重病人的营养物质。物质。酱油，就是大豆蛋白在米曲霉分泌的蛋白酶酱油，就是大豆蛋白在米曲霉分泌的蛋白酶作用下分解而成的混合氨基酸溶液。酱油的作用下分解而成的混合氨基酸溶液。酱油的鲜味是由其中的谷氨酸钠产生的。鲜味是由其中的谷氨酸钠产生的。核酸、磷脂与植素的分解核酸、磷脂与植素的分解核酸核酸核酸一般不作为微生物生长的主要营养物质，核酸一般不作为微生物生长的主要营养物质，但在特殊情况下但在特殊情况下(如营养物质耗尽时如营养物质耗尽时)，微生物在，微生物在短期内可通过核酸酶将胞内核酸短期内可通过核酸酶将胞内核酸(如如RNA)或其它或其它生物的核酸降解，以维持生命。另外，微生物生物的核酸降解，以维持生命。另外，微生物在其生长过程中通过核酸酶作用使胞内核酸不在其生长过程中通过核酸酶作用使胞内核酸不断更新。断更新。核酸酶：内切酶、外切酶核酸酶：内切酶、外切酶磷脂磷脂 磷脂是微生物细胞质膜的重要组成成分。磷脂是微生物细胞质膜的重要组成成分。死亡细胞中的磷脂经微生物分解后重新利用。死亡细胞中的磷脂经微生物分解后重新利用。卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，在微生物卵磷脂卵磷脂是含胆碱的磷酸脂，在微生物卵磷脂酶作用下水解为甘油、脂肪酸和胆碱。胆碱酶作用下水解为甘油、脂肪酸和胆碱。胆碱进一步分解形成进一步分解形成NH3、CO2及有机酸及有机酸(醇醇)。植素植素 植物体内的植素是植酸植物体内的植素是植酸(肌醇六磷酸肌醇六磷酸)钙镁钙镁盐。肌醇六磷酸在肌醇六磷酸酶作用下水解盐。肌醇六磷酸在肌醇六磷酸酶作用下水解为肌醇和磷酸。为肌醇和磷酸。二、小分子物质的分解二、小分子物质的分解1、葡萄糖的酵解途径、葡萄糖的酵解途径一）、单糖的分解一）、单糖的分解生物体内葡萄糖降解成丙酮酸的过程称为糖酵解生物体内葡萄糖降解成丙酮酸的过程称为糖酵解(glycolysis).主要分为五种途径：主要分为五种途径：EMP途径、途径、HMP途径、途径、ED途径、磷酸解酮酶途径（途径、磷酸解酮酶途径（WD）和葡萄糖直接氧化途径）和葡萄糖直接氧化途径1）、）、EMP途径途径(Embden-Meyerhof-Parnas途径)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二磷酸果糖醛缩酶3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇化酶丙酮酸激酶-EMP途径的特点途径的特点v葡萄糖的分解是从葡萄糖的分解是从1,6二磷酸果糖开始的；二磷酸果糖开始的；v整个途径在整个途径在1，3，10步是不可逆的步是不可逆的v特征酶是特征酶是1,6二磷酸果糖醛缩酶二磷酸果糖醛缩酶v不消耗分子氧不消耗分子氧vEMP途径的酶位于细胞质中途径的酶位于细胞质中v总反应：总反应：葡萄糖葡萄糖 2丙酮酸丙酮酸+2ATP+2NADH葡萄糖激活的方式葡萄糖激活的方式好氧微生物：好氧微生物：通过需要通过需要Mg+和和ATP的己糖的己糖激酶激酶厌氧微生物：厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸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 葡萄糖葡萄糖 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 +3磷酸甘油醛磷酸甘油醛 H3C-CO-CHO 丙酮醛丙酮醛 H3C-CHOH-COOH D-乳酸乳酸 NAD NADH H3C-CO-COOH丙酮酸丙酮酸葡萄糖降解葡萄糖降解丙酮醛支路丙酮醛支路EMP途径的生理功能途径的生理功能v为菌体提供生理活动所需的为菌体提供生理活动所需的ATP、NADHv为菌体合成细胞物质提供原料为菌体合成细胞物质提供原料v一定条件下可沿一定条件下可沿EMP途径逆转合成糖类途径逆转合成糖类2）HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）分为两个阶段：分为两个阶段：1 1、3 3个分子个分子6-6-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖在6-6-磷酸葡萄糖脱氢酶和磷酸葡萄糖脱氢酶和6-6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成脱羧生成6 6个分子个分子NADPH+HNADPH+H+，3 3个分子个分子CO2CO2和和3 3个分子个分子5-5-磷酸核磷酸核酮糖酮糖2 2、5-5-磷酸核酮糖在磷酸核酮糖在转酮酶转酮酶和和转醛酶转醛酶催化下使部分碳链进行催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成碳和磷酸酯等，最终生成2 2分分子子6-6-磷酸果糖和磷酸果糖和1 1分子分子3-3-磷酸磷酸甘油醛。甘油醛。5-磷酸核糖6-6-磷酸果糖磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡萄糖，回到磷酸戊糖途径。甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸出路：a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA 途径 b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。总反应式：6 6-磷酸葡萄糖+12NADP+3H2O 5 6-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H+Pi HMP途径的特点途径的特点v糖不经糖不经TCATCA循环而得到彻底氧化，循环而得到彻底氧化，vHMP途径是从途径是从6-磷酸葡萄糖酸脱羧开始的磷酸葡萄糖酸脱羧开始的v特征酶：转酮酶（特征酶：转酮酶（TK)、转醛酶（、转醛酶（TA)vHMP途径的酶系存在于细胞质中途径的酶系存在于细胞质中v产大量的产大量的NADPH+HNADPH+H+还原力还原力 v产各种产各种重要的中间物重要的中间物v无无ATPATP生成生成v单独单独HMPHMP途径较少，一般与途径较少，一般与EMPEMP途径同存途径同存vHMPHMP途径是戊糖代谢的主要途径。途径是戊糖代谢的主要途径。HMP途径的功能途径的功能v为生物合成提供多种碳架物质为生物合成提供多种碳架物质v为生物合成提供还原力为生物合成提供还原力vHMP途径中的途径中的5-磷酸核酮糖可以转换为磷酸核酮糖可以转换为 1，5-二磷酸核酮糖，在羧化酶的作用下固定二磷酸核酮糖，在羧化酶的作用下固定二氧化碳。二氧化碳。注意：注意：产生的产生的NADPH通常用于合成，因此不要通常用于合成，因此不要将将HMP途径作为产生途径作为产生ATP的途径。的途径。3）ED途径（途径（Entner-DoudoroffpathwayED途径的特点途径的特点v步骤简单步骤简单vED途径的途径的特征反应特征反应是是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v特征酶为特征酶为KDPG醛缩酶醛缩酶v两分子的丙酮酸来历不同两分子的丙酮酸来历不同v产能效率低，产能效率低，只产生一分子只产生一分子ATP.v不普遍，只有少数微生物具有，不普遍，只有少数微生物具有，铜绿、荧光假单胞铜绿、荧光假单胞菌菌,根瘤菌根瘤菌,固氮菌固氮菌,农杆菌农杆菌,运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌等。等。如何区分如何区分EMP、HMP、ED途径途径v测定特征酶测定特征酶v同位素标记同位素标记EMP、HMP、ED途径的比较途径的比较途径途径EMPHMPED特征酶特征酶FDATA，TKKDPGA首先脱羧部首先脱羧部位位C3,C4C1C1,C4产生产生ATP数数目（目（G Pyr)211还原性辅酶还原性辅酶NADHNADPHNADPH(NADH)就目前所知仅存在于肠膜明串珠菌和双岐就目前所知仅存在于肠膜明串珠菌和双岐杆菌中杆菌中,分解产物为乳酸、分解产物为乳酸、CO2、乙醇或乙、乙醇或乙酸。这两种细菌基本不具有酸。这两种细菌基本不具有EMP、HMP和和ED途径途径。4）WD途径途径-磷酸酮糖裂解途径。磷酸酮糖裂解途径。木酮糖木酮糖-5-P核酮糖核酮糖-5-P木酮糖木酮糖-5-P核糖核糖-5-P2Pi2ADP2ATP2乙酰磷酸乙酰磷酸2甘油醛甘油醛-3-P2乳酸乳酸2Pi4NAD4NADH24ADP4ATP2乙酸乙酸ATP乙酸乙酸ADP乙酰磷酸乙酰磷酸赤藓糖赤藓糖-4-P磷酸解酮酶磷酸解酮酶果糖果糖6-P果糖果糖6-P2葡萄糖葡萄糖2ATP2ADPPi甘油醛甘油醛-3-P景天庚酮糖景天庚酮糖-7-P转酮酶转酮酶磷酸解酮酶磷酸解酮酶HKHK途径的特征性酶：途径的特征性酶：5-5-磷酸木酮糖裂解酶磷酸木酮糖裂解酶(肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌)：催化催化5-5-磷酸木酮糖裂解成磷酸木酮糖裂解成3-3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸甘油醛和乙酰磷酸磷酸,或或6-6-磷酸果糖裂解酶磷酸果糖裂解酶(双岐杆菌双岐杆菌)：催化催化6-6-磷酸果糖裂解为磷酸果糖裂解为4-4-磷酸赤藓糖与乙酰磷磷酸赤藓糖与乙酰磷酸酸。5）葡萄糖直接氧化途径）葡萄糖直接氧化途径1/2O2H2O葡萄糖葡萄糖葡萄糖內酯葡萄糖內酯葡萄糖酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸HMP途径途径ED途径途径(Pseudomonas)(Pseudomonas)(Aerobacter)(Acetobacter)2-酮葡萄糖酸酮葡萄糖酸2,5-二酮葡萄糖酸二酮葡萄糖酸1/2O21/2O2(Pseudomonas)(Aerobacter)(Acetobacter)2、其它单糖的降解、其它单糖的降解v果糖的分解果糖的分解许多微生物中，果糖是通过基团转运进入许多微生物中，果糖是通过基团转运进入细胞的。细胞的。F+PEP F1P+Pyr F1P激酶激酶 F1P FDP EMP ATP ADP果糖果糖果糖果糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-1,6-二磷酸二磷酸葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸葡萄糖酸葡萄糖酸-6-磷酸磷酸核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸磷酸甘油醛磷酸甘油醛赤藓糖赤藓糖-4-磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸乙酰磷酸乙酰磷酸无机磷酸无机磷酸葡萄糖葡萄糖甘露糖甘露糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸甘露糖甘露糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-6-磷酸磷酸EMP途径途径ATPADP葡萄糖磷酸酶葡萄糖磷酸酶甘露糖的降解甘露糖的降解半乳糖的降解半乳糖的降解半乳糖半乳糖半乳糖半乳糖-1-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸UDP-GUDP-半乳糖半乳糖E1E3E2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸EMP途径途径半乳糖半乳糖半乳糖内酯半乳糖内酯半乳糖酸半乳糖酸2-酮酮-3-脱氧半乳糖酸脱氧半乳糖酸2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸半乳糖酸磷酸半乳糖酸丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛NAD+H2OH2OATP嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌(Pseudomonas sacchorphila)分解半乳糖的途径分解半乳糖的途径戊糖的分解戊糖的分解v戊糖是很多微生物重要的碳源和能源，戊糖戊糖是很多微生物重要的碳源和能源，戊糖中的核糖和脱氧核糖是中的核糖和脱氧核糖是RNA、DNA的重要成的重要成分。核糖也是许多辅酶（分。核糖也是许多辅酶（ATP、NAD(P)、UDPG的成分之一。木糖是木材和稻草中常的成分之一。木糖是木材和稻草中常见的戊糖，它以木聚糖的形式存在。阿拉伯见的戊糖，它以木聚糖的形式存在。阿拉伯糖是许多植物树胶中所含的糖糖是许多植物树胶中所含的糖v戊糖的分解通过戊糖的分解通过PK途径途径葡萄糖葡萄糖D-核糖核糖D-木糖木糖L-阿拉伯糖阿拉伯糖核糖核糖-5-磷酸磷酸L-核酮糖核酮糖D-木酮糖木酮糖木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸ATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+Pi2NADP+2(NADPH+H+)CO2同同HMP途途径径Pi磷酸戊糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶乙酰磷酸乙酰磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸乙酸乙酸丙酮酸丙酮酸同同EMP途径途径乳酸乳酸二）、丙酮酸的代谢二）、丙酮酸的代谢（P74，发酵作用），发酵作用）厌氧条件下，丙酮酸在不同机体内以及在不同酶的作厌氧条件下，丙酮酸在不同机体内以及在不同酶的作用下转变为不同的代谢产物和能量的过程用下转变为不同的代谢产物和能量的过程（外源电子受体）（外源电子受体）有有 呼吸作用呼吸作用无无发酵（作用）发酵（作用）有氧呼吸有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸呼吸作用：呼吸作用：葡萄糖分解葡萄糖分解(生物氧化生物氧化)中所脱之氢通过电子传递中所脱之氢通过电子传递链传给链传给外源氢受体外源氢受体(O2或特定无机氧化物或特定无机氧化物),并逐步释放化学并逐步释放化学能能,形成形成ATP的过程。的过程。外源氢受体为外源氢受体为O2时的呼吸称为时的呼吸称为有氧呼吸有氧呼吸,外源氢受体为特定外源氢受体为特定无机氧化物无机氧化物(NO3-,SO42-,HCO3-)的呼吸称为的呼吸称为无氧呼吸无氧呼吸。分解代谢分解代谢广义：广义：利用微生物利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。生产有用代谢产物的一种生产方式。狭义：狭义：厌氧条件下，在没有外源电子受体时，微生物将有机物厌氧条件下，在没有外源电子受体时，微生物将有机物氧化放出的电子直接交给底物本身未完全氧化的某一中间氧化放出的电子直接交给底物本身未完全氧化的某一中间产物，产生各种不同的代谢产物，同时放出能量的过程。产物，产生各种不同的代谢产物，同时放出能量的过程。特点：特点：1）通过底物水平磷酸化产）通过底物水平磷酸化产ATP；2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于 发酵产物中；发酵产物中；3）产能率低；）产能率低；4）产多种发酵产物。）产多种发酵产物。发酵（fermentation）1、发酵类型、发酵类型1）酵母菌的乙醇发酵：）酵母菌的乙醇发酵：酵母菌利用酵母菌利用EMP途径将葡萄糖分解为途径将葡萄糖分解为丙丙酮酸酮酸,然后在然后在丙酮酸脱羧酶催化丙酮酸脱羧酶催化下脱羧形下脱羧形成成乙醛乙醛,乙醛在乙醇脱氢酶作用下被还原乙醛在乙醇脱氢酶作用下被还原为为乙醇乙醇。丙酮酸脱羧酶是乙醇发酵的关键性酶。丙酮酸脱羧酶是乙醇发酵的关键性酶。该酶主要存在于酵母菌细胞中该酶主要存在于酵母菌细胞中,它以焦它以焦磷酸硫胺素磷酸硫胺素(TPP)为辅基为辅基,催化丙酮酸脱催化丙酮酸脱羧形成乙醛。羧形成乙醛。在酵母菌的乙醇发酵中在酵母菌的乙醇发酵中,发酵条件对发酵过程发酵条件对发酵过程与产物影响很大。与产物影响很大。如发酵过程中的通气状况、培养基组成及如发酵过程中的通气状况、培养基组成及pH控制均对发酵终产物产生影响。控制均对发酵终产物产生影响。乙醇发酵是一种厌氧发酵乙醇发酵是一种厌氧发酵,如将厌氧条件改为如将厌氧条件改为好氧条件好氧条件,葡萄糖分解速度降低葡萄糖分解速度降低,乙醇生成停止。乙醇生成停止。当重新返回厌氧条件时当重新返回厌氧条件时,葡萄糖分解加速葡萄糖分解加速,伴伴随大量乙醇产生。巴斯德首先发现这种现象随大量乙醇产生。巴斯德首先发现这种现象,故谓之故谓之巴斯德效应巴斯德效应。（1）正常的）正常的乙醇发酵在弱乙醇发酵在弱酸性条件下进酸性条件下进行，称为行，称为型型发酵。发酵。C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CH2OH+2CO2+2ATP（2）酵母菌的甘油发酵（第二型发酵）：）酵母菌的甘油发酵（第二型发酵）：在厌氧条件下，加入亚硫酸氢钠（在厌氧条件下，加入亚硫酸氢钠（在厌氧条件下，加入亚硫酸氢钠（在厌氧条件下，加入亚硫酸氢钠（3%3%）,亚硫酸氢钠与亚硫酸氢钠与亚硫酸氢钠与亚硫酸氢钠与乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，所以乙醛不能乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，所以乙醛不能乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，所以乙醛不能乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，所以乙醛不能作为作为作为作为NADHNADH（还原型烟酰胺腺嘌呤还原型烟酰胺腺嘌呤还原型烟酰胺腺嘌呤还原型烟酰胺腺嘌呤）的受氢体，故不）的受氢体，故不）的受氢体，故不）的受氢体，故不能形成乙醇，从而迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受能形成乙醇，从而迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受能形成乙醇，从而迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受能形成乙醇，从而迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成氢体，生成氢体，生成氢体，生成-磷酸甘油，进一步脱磷酸而生成甘油。磷酸甘油，进一步脱磷酸而生成甘油。磷酸甘油，进一步脱磷酸而生成甘油。磷酸甘油，进一步脱磷酸而生成甘油。第二型发酵，由葡萄糖生成一分子甘油第二型发酵，由葡萄糖生成一分子甘油第二型发酵，由葡萄糖生成一分子甘油第二型发酵，由葡萄糖生成一分子甘油,没有没有没有没有ATPATP的产的产的产的产生生生生为什么亚硫酸氢钠需要控制在（为什么亚硫酸氢钠需要控制在（为什么亚硫酸氢钠需要控制在（为什么亚硫酸氢钠需要控制在（3%3%）的水平？）的水平？）的水平？）的水平？葡萄糖葡萄糖果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛磺化羟基乙醛磺化羟基乙醛甘油甘油-3-3-磷酸磷酸甘油甘油2ATP2ATP2ADP2ADP2ADP2ADP2ATP2ATPNADHNADHNADNAD+COCO2 2NaHSONaHSO3 31,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸（3）酵母的第三型发酵：）酵母的第三型发酵：是指在厌氧，是指在厌氧，pH7.6的条件下进行甘油发酵的的条件下进行甘油发酵的过程。过程。酵母菌在酵母菌在pH7.6时，两个乙醛分子间发生歧化时，两个乙醛分子间发生歧化反应，一分子乙醛被氧化成乙酸，另一分子乙反应，一分子乙醛被氧化成乙酸，另一分子乙醛被还原成乙醇。醛被还原成乙醇。与此同时与此同时,磷酸二羟丙酮代替磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体乙醛作为受氢体,被还原为甘油。被还原为甘油。这种发酵方式不能获得能量，只能在非生长的这种发酵方式不能获得能量，只能在非生长的条件下进行。条件下进行。酵母菌的甘油发酵（歧化反应）酵母菌的甘油发酵（歧化反应）2葡萄糖葡萄糖2果糖果糖-1,6-二磷酸二磷酸2甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸2丙酮酸丙酮酸2乙醛乙醛2甘油甘油-3-磷酸磷酸2甘油甘油4ATP4ADP4ADP4ATP2NADH2NAD+2CO221,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸乙酸乙酸乙醇乙醇2磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮弱碱性条件弱碱性条件pH7.6该发酵中有乙酸产生该发酵中有乙酸产生,乙酸累积会导致乙酸累积会导致pH下降下降,使甘油发酵重新