微生物生理学第四章.ppt

自养微生物利用自养微生物利用无机物无机物异养微生物利用异养微生物利用有机物有机物生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物（如储存在高能化合物（如ATP）中）中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中生物氧化生物氧化（biological oxidation）：）：发生在活细胞内的一系列发生在活细胞内的一系列产能性产能性氧化反应的总称。氧化反应的总称。最最初初能能源源有机物有机物还原态无机物还原态无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通通用用能能源源（ATP）一切生命活动都是耗能反应，一切生命活动都是耗能反应，能量代谢能量代谢是新陈代谢中的是新陈代谢中的核心问题核心问题。生物氧化与燃烧的区别生物氧化与燃烧的区别比较项目比较项目比较项目比较项目燃烧燃烧燃烧燃烧生物氧化生物氧化生物氧化生物氧化步骤步骤步骤步骤一步式快速反应一步式快速反应一步式快速反应一步式快速反应多步式梯级反应多步式梯级反应多步式梯级反应多步式梯级反应条件条件条件条件激烈激烈激烈激烈温和温和温和温和催化剂催化剂催化剂催化剂无无无无酶酶酶酶产能形式产能形式产能形式产能形式热、光热、光热、光热、光大部分为大部分为大部分为大部分为ATPATP能量利用率能量利用率能量利用率能量利用率低低低低高高高高第一节第一节 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一、代谢类型一、代谢类型 新陈代谢新陈代谢 分解代谢分解代谢 合成代谢合成代谢 一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的统一性和明显的统一性和明显的多样性多样性。根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体的作用不同，可分为：的作用不同，可分为：初级代谢初级代谢:产物有氨基酸、糖、核苷酸、维生素等产物有氨基酸、糖、核苷酸、维生素等 次级代谢：次级代谢：产物有色素、抗生素、毒素等产物有色素、抗生素、毒素等 对于同一种物质来说，其分解代谢和合成代谢的途径并不是可逆反应，而是通过不同的中间反应或不同的酶实现的。A B CC B AA B CE1E2E1E2 二、微生物代谢的研究方法二、微生物代谢的研究方法二、微生物代谢的研究方法二、微生物代谢的研究方法1 1、静息细胞法、静息细胞法静息细胞：静息细胞：收集菌体洗涤后悬浮在生理盐水中培收集菌体洗涤后悬浮在生理盐水中培养呈饥饿状态的细胞，这是以整体细胞水平进行养呈饥饿状态的细胞，这是以整体细胞水平进行的研究方法。的研究方法。主要研究内容：主要研究内容：判断代谢过程判断代谢过程 ；发现新的生长素；发现新的生长素不足之处：不足之处：不能了解代谢途径和中间过程；误差不能了解代谢途径和中间过程；误差大，因有些物质不能透过细胞膜并不是不能参与大，因有些物质不能透过细胞膜并不是不能参与代谢。代谢。克服方法：克服方法：用无细胞制剂进行研究。用无细胞制剂进行研究。2 2、瓦勃氏呼吸仪法、瓦勃氏呼吸仪法原理：原理：BoylesBoyles定律和定律和HenryHenry定律即气体定律。定律即气体定律。测定时测定一定条件下反应中氧的吸收量或测定时测定一定条件下反应中氧的吸收量或COCO2 2的的放出量，还可测出它们的吸收或放出速度。放出量，还可测出它们的吸收或放出速度。应用：应用：研究微生物代谢过程呼吸、发酵、酶的活研究微生物代谢过程呼吸、发酵、酶的活性等。例如，测定大肠杆菌的性等。例如，测定大肠杆菌的呼吸作用呼吸作用及碘乙酸及碘乙酸对呼吸的影响。测定对呼吸的影响。测定谷氨酸谷氨酸含量。含量。优点：优点：操作简便，准确度高，所需材料少，应用操作简便，准确度高，所需材料少，应用范围广泛。范围广泛。3 3、酶抑制剂法（、酶抑制剂法（enzyme inhibitorenzyme inhibitor）酶的酶的抑制剂抑制剂可使代谢途径受到阻断，造成某一代谢中间可使代谢途径受到阻断，造成某一代谢中间物的积累，从而可以推测代谢途径。物的积累，从而可以推测代谢途径。4 4、同位素示踪法（、同位素示踪法（isotopic tracer methodisotopic tracer method）常用的常用的放射性同位素放射性同位素有有 H H、C C、P P、S S、I I 优点：优点：可以解决一些其他方法不能解决的难题。可以解决一些其他方法不能解决的难题。具有高度灵敏性，可以测量极微量的物质，可以测到具有高度灵敏性，可以测量极微量的物质，可以测到10-10-1 16 610-110-14 4g g物质。物质。在微生物生长期间进行连续追踪观察。在微生物生长期间进行连续追踪观察。3143235131含同位素的化合物与不含同位素的同含同位素的化合物与不含同位素的同一物质化学性质和生理功能完全相同一物质化学性质和生理功能完全相同 5、突变株的应用营养缺陷型突变株：营养缺陷型突变株：初级代谢物合成受阻初级代谢物合成受阻特异营养突变型：次级代谢物合成受阻共合成法：生长因子的微生物分析法：生长因子的微生物分析法：生长因子的微生物分析法：生长因子的微生物分析法：利用利用营养缺陷型的生长量营养缺陷型的生长量和其所和其所必需的生长因必需的生长因子的浓度子的浓度在一定范围内呈正比的关系来测定的。在一定范围内呈正比的关系来测定的。AB维生素浓度维生素浓度生生长长量量。三、生物力能学基本原理三、生物力能学基本原理1 1、自由能（、自由能（free energyfree energy）凡是能够用于做功的能量称为自由能，总能量中只有一凡是能够用于做功的能量称为自由能，总能量中只有一部分能转化为功即表现为自由能部分能转化为功即表现为自由能 。在生物体中通过化学反应放出自由能可供机体利用，在生物体中通过化学反应放出自由能可供机体利用，A+B C+D+A+B C+D+能能 当当GG0 0时，反应能时，反应能自发自发进行，并能放出能量；进行，并能放出能量；当当GG0 0时，反应达到时，反应达到平衡平衡；当当GG0 0时，反应时，反应不能不能自发进，必须自发进，必须“注入注入”能量才能进行。能量才能进行。化合物所含的自由能决定于化合物中所含基团的能量，一化合物所含的自由能决定于化合物中所含基团的能量，一般般不稳定的、活泼的不稳定的、活泼的化学键具有高的自由能。化学键具有高的自由能。在化学反应中：0 0G G RT lnKeq G G RT lnKeq G =-RTlnKeq G =-RTlnKeq 0 00 0G的单位以焦耳/摩尔（J/mol）或千焦耳/摩尔（kJ/mol）表示G ：标准自由能变化 0 0G ：pH7.0时的标准自由能变化 0 02、氧化还原电位氧化还原反应：氧化型还原型还原剂失掉电子的倾向（氧化剂得到电子的倾向）称为氧化还原电势（oxidation-reduction potential），也称氧化还原电位（V）。能斯特（Nernst）公式：氧化还原体系氧化还原体系标准氧化还原标准氧化还原电位电位E0（V）氧化还原体系氧化还原体系标准氧化还原标准氧化还原电位电位E0（V）乙酸乙酸/乙醛乙醛0.58草酰乙酸草酰乙酸/苹果酸苹果酸0.1653磷酸甘油酸磷酸甘油酸/3磷酸甘油醛磷酸甘油醛 0.55延胡索酸延胡索酸/琥珀酸琥珀酸 +0.031 乙酰乙酰CoA/CoA/丙酮酸丙酮酸 0.48CoQ/CoQHCoQ/CoQH2 2+0.0352H+/H2H+/H2 2 0.42细胞色素细胞色素b boxox/细胞色素细胞色素b bred red+0.08NAD+/NADH+NAD+/NADH+H+H+0.32细胞色素细胞色素c coxox/细胞色素细胞色素c cred red+0.235FMN/FMNHFMN/FMNH2 2 0.22细胞色素细胞色素a a3 3ox ox/细胞色素细胞色素a a3 3red red+0.385乙醛乙醛/乙醇乙醇 0.197 O O2 2/H/H2 2OO+0.816丙酮酸丙酮酸/乳酸乳酸 0.185生物体内一些氧化还原体系的标准氧化还原电位3、高能磷酸化合物 最普遍的是最普遍的是ATPATP 。ATPATP是能量的携带者，通过磷酸基团的传递而传是能量的携带者，通过磷酸基团的传递而传递能量。递能量。能量货币 化合物 G0（kJ/mol）化合物 G0（kJ/mol）磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 腺苷三磷酸（ATPADT+Pi）30.5 氨甲酰磷酸 51.51-磷酸葡萄糖 20.9 1，3-二磷酸甘油酸 49.36-磷酸果糖 15.9 磷酸肌酸 43.16-磷酸葡萄糖 13.8 乙酰磷酸 42.3 1-磷酸甘油 9.2 磷酸精氨酸 32.2 一些磷酸化合物水解的标准自由能值一些磷酸化合物水解的标准自由能值 第二节第二节 葡萄糖酵解途径葡萄糖酵解途径糖酵解（糖酵解（糖酵解（糖酵解（glycolysisglycolysis）：生物体内葡萄糖被降解成）：生物体内葡萄糖被降解成）：生物体内葡萄糖被降解成）：生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程。丙酮酸的过程。丙酮酸的过程。丙酮酸的过程。EMP HMP ED WD 葡萄糖直接氧化 五种途径 HK PK 一、一、EMP途径途径（Embden-Meyerhof-Parnas pathway）又称己糖二磷酸途径又称己糖二磷酸途径又称己糖二磷酸途径又称己糖二磷酸途径概述：概述：概述：概述：大多数生物的大多数生物的主流代谢途径主流代谢途径。它以。它以1 1分子葡萄糖为底物，分子葡萄糖为底物，经过经过10 10 步反应而产生步反应而产生2 2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2 2分子分子NADH+HNADH+H+和和2 2分分子子ATPATP的过程。的过程。2 2阶段、阶段、3 3种产物和种产物和10 10 个反应个反应。EMPEMP途径的简图和总反应式：途径的简图和总反应式：ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:耗能阶段bb:产能阶段底物水平磷酸化底物水平磷酸化EMP途径EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP和NADH及碳骨架通过逆向反应进行多糖合成。葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸磷酸二羟丙酮甘油醛-3-磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸特征性酶：1，6-二磷酸果糖醛缩酶运输调节运输调节 突变株突变株氨基酸分泌氨基酸分泌 共合成共合成共合成共合成信号肽假说信号肽假说 自由能自由能生物氧化生物氧化 氧化还原电位氧化还原电位 新陈代谢新陈代谢 高能磷酸化合物高能磷酸化合物分解代谢分解代谢 糖酵解糖酵解合成代谢合成代谢 EMPEMP初级代谢初级代谢次级代谢次级代谢静息细胞静息细胞瓦氏呼吸仪瓦氏呼吸仪同位素示踪法同位素示踪法二、二、HMP途径途径（hexose monophosphate pathway）又称单磷酸己糖途径、戊糖磷酸途径又称单磷酸己糖途径、戊糖磷酸途径概述：另一重要途径。其特点是葡萄糖不经过概述：另一重要途径。其特点是葡萄糖不经过EMPEMP途径和途径和TCATCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADP+HNADP+H+形式的还原力以及形式的还原力以及多种重要中间代谢物多种重要中间代谢物。HMPHMP途径的简图和总反应式：途径的简图和总反应式：分为两个阶段：非氧化阶段非氧化阶段 ：5-磷酸核酮磷酸核酮糖糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。氧化阶段 ：3个分子6-磷磷酸葡萄糖酸葡萄糖经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖氧化阶段非氧化阶段HMPHMP途径途径生理功能：生理功能：为生物合成提供大量的还原力为生物合成提供大量的还原力（NADPHNADPH）和）和各种不同长度的重要的各种不同长度的重要的中间代谢产物。中间代谢产物。在同一微生物中往往在同一微生物中往往同时存在同时存在HMPHMP和和EMPEMP途径，单途径，单独有独有HMPHMP或或EMPEMP的微生物少见，这两种途径所占比的微生物少见，这两种途径所占比例随种类和环境条件不同例随种类和环境条件不同 。测定时可采用同位素标记法。测定时可采用同位素标记法。C C6 6/C/C1 1的比值越小，的比值越小，说明说明HMPHMP占得比重越大。占得比重越大。不同微生物中葡萄糖降解途径的分布不同微生物中葡萄糖降解途径的分布 微生物微生物微生物微生物EMPEMP（%）HMPHMP（%）EDED（%）酿酒酵母酿酒酵母酿酒酵母酿酒酵母 88 881212产朊假丝酵母产朊假丝酵母产朊假丝酵母产朊假丝酵母6666818119193434灰色链霉菌灰色链霉菌灰色链霉菌灰色链霉菌 97 97 3 3产黄青霉产黄青霉产黄青霉产黄青霉7777 23 23大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌72722828铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌29297171嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌100100枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌74742626氧化葡糖杆菌氧化葡糖杆菌氧化葡糖杆菌氧化葡糖杆菌100100真养产碱菌真养产碱菌真养产碱菌真养产碱菌100100运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌100100藤黄八叠球菌藤黄八叠球菌藤黄八叠球菌藤黄八叠球菌70703030三、三、ED途径途径（Entner-Doudoroff pathway）概述：存在于某些缺乏概述：存在于某些缺乏完整完整EMPEMP途径的微生物中的一种途径的微生物中的一种代替途径，为微生物所特有，特点是葡萄糖只经过代替途径，为微生物所特有，特点是葡萄糖只经过4 4步步步步反应反应反应反应即可快速获得丙酮酸。即可快速获得丙酮酸。生理功能：主要是提供能量与还原力NADPH。特点:a、步骤简单、快速 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：2-酮3-脱氧磷酸葡萄糖酸醛缩酶。d、主要存在于G特别是假单胞菌属的一些细菌，如铜绿、荧光假单胞菌,运动发酵单胞菌等，根瘤菌，固氮菌。1 1分子的葡萄糖径分子的葡萄糖径EMPEMP和和EDED途径都产生途径都产生2 2分子丙分子丙酮酸，如何区分？酮酸，如何区分？鉴定鉴定特征酶特征酶即即1 1，6-6-二磷酸果糖醛缩酶和二磷酸果糖醛缩酶和2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷磷酸葡萄糖酸醛缩酶，比较二种酶活性的高低。酸葡萄糖酸醛缩酶，比较二种酶活性的高低。利用放射性同位素利用放射性同位素14C14C标记标记葡萄糖，测定葡萄糖，测定14CO14CO2 2来源来源，EMPEMP途径途径14CO214CO2来自第来自第3 3、4 4位位碳原子，碳原子，EDED途径来自第途径来自第1 1、4 4位位碳原子碳原子 EMP和ED途径中CO2的来源途径途径途径途径EMPEMPHMPHMPEDED特征酶特征酶 1,6-1,6-二磷酸二磷酸果糖醛缩酶果糖醛缩酶（FDAFDA）转酮酶转酮酶（TKTK）转醛酶转醛酶（TATA）2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸萄糖磷酸萄糖酸醛缩酶酸醛缩酶（KDPGAKDPGA）首先脱羧部位首先脱羧部位 C C3 3，C C4 4 C C1 1 C C1 1，C C4 4 产生产生ATPATP数目数目 2 21 11 1还原辅酶还原辅酶 NADH NADH NADPH NADPH NADH NADH NADPHNADPHEMPEMP、HMPHMP、EDED途径（葡萄糖降解为丙酮酸）的特点四、四、四、四、WDWD途径途径途径途径（Warburg-Dickens pathway）又称磷酸解酮酶途径（又称磷酸解酮酶途径（Phosphoketolase Phosphoketolase pathwaypathway）根据解酮酶不同分为两种途径：根据解酮酶不同分为两种途径：PK PK途径途径（分解磷酸戊糖）（分解磷酸戊糖）HK HK途径途径（分解磷酸已糖）（分解磷酸已糖）在肠膜状明串珠菌和两岐双歧杆菌中基本上不存在肠膜状明串珠菌和两岐双歧杆菌中基本上不存在在EMPEMP、HMPHMP、EDED三条途径。三条途径。PKPK途径途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌短杆乳杆菌 ）或乙醇或乙醇特征酶：磷酸戊糖解酮酶 1 G 乳酸+乙醇+1 ATP+NADPH+H+HK途径（两歧双歧杆菌）2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖同EMP4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸磷酸戊糖解酮酶逆HMP途径2甘油醛-3-磷酸 2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸乙酸激酶景天庚酮糖-7-磷酸 甘油醛-3-磷酸磷酸己糖解酮酶1 G 乳酸+1.5乙酸+2.5 ATP ATP4ATP2ATP五、葡萄糖直接氧化途径五、葡萄糖直接氧化途径五、葡萄糖直接氧化途径五、葡萄糖直接氧化途径特点：特点：有些细菌中不具备已糖激酶，利用有些细菌中不具备已糖激酶，利用氧化酶氧化酶，消耗氧，把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸再磷酸化后消耗氧，把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸再磷酸化后降解。降解。（某些假单胞菌、（某些假单胞菌、气杆菌和醋杆菌气杆菌和醋杆菌 ）第三节第三节 发酵作用发酵作用（fementation）发酵（狭义）：发酵（狭义）：在在没有外源电子受体没有外源电子受体时，微生物将时，微生物将有机物氧化放出的电子直接交给底物本身有机物氧化放出的电子直接交给底物本身未完全氧未完全氧化化的某一中间产物，产生各种不同的代谢产物，同的某一中间产物，产生各种不同的代谢产物，同时时放出能量放出能量的过程。的过程。ADP ATPADP ATP底物底物-H -H 底物底物 中间代谢物中间代谢物 中间代谢物中间代谢物-H-H2 2工业上（广义）：发酵是指任何利用好氧或厌氧微工业上（广义）：发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢物的一类生物来生产有用代谢物的一类生产方式生产方式。无氧下无氧下特点：特点：通过通过底物水平磷酸化底物水平磷酸化产产ATPATP；葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；物中；产能率低；产能率低；产多种发酵产物。产多种发酵产物。发酵过程中的碳流和电子流 乙醇发酵乙醇发酵 乳酸发酵乳酸发酵 丙酸发酵丙酸发酵 混合酸发酵混合酸发酵 丁二醇发酵丁二醇发酵 丁酸型发酵丁酸型发酵一、发酵平衡一、发酵平衡 发酵时产生了多种不同的末端产物，它们有的是具有更发酵时产生了多种不同的末端产物，它们有的是具有更发酵时产生了多种不同的末端产物，它们有的是具有更发酵时产生了多种不同的末端产物，它们有的是具有更高氧化态的，而有些是具有更高还原态的，末端产物的平均高氧化态的，而有些是具有更高还原态的，末端产物的平均高氧化态的，而有些是具有更高还原态的，末端产物的平均高氧化态的，而有些是具有更高还原态的，末端产物的平均氧化水平与底物的氧化水平是相平衡的，氧化水平与底物的氧化水平是相平衡的，氧化水平与底物的氧化水平是相平衡的，氧化水平与底物的氧化水平是相平衡的，表明发酵过程是能表明发酵过程是能表明发酵过程是能表明发酵过程是能够保持氧化还原平衡的。够保持氧化还原平衡的。够保持氧化还原平衡的。够保持氧化还原平衡的。发酵过程的氧化还原平衡要求限制了发酵降解的有机化合发酵过程的氧化还原平衡要求限制了发酵降解的有机化合发酵过程的氧化还原平衡要求限制了发酵降解的有机化合发酵过程的氧化还原平衡要求限制了发酵降解的有机化合物种类，即底物既不能有太高的氧化水平，也不能有太高的物种类，即底物既不能有太高的氧化水平，也不能有太高的物种类，即底物既不能有太高的氧化水平，也不能有太高的物种类，即底物既不能有太高的氧化水平，也不能有太高的还原水平，还原水平，还原水平，还原水平，碳水化合物碳水化合物碳水化合物碳水化合物是主要的发酵底物。是主要的发酵底物。是主要的发酵底物。是主要的发酵底物。总反应总反应 C C6 6H H1212OO6 6 2CH 2CH3 3CHCH2 2OH+2COOH+2CO2 2 碳的氧化碳的氧化-还原态还原态 0 -2 +4 0 -2 +4氧化氧化-还原平衡还原平衡 60 60 2 222（2 2）24 24 葡萄糖的乙醇发酵 葡萄糖葡萄糖22丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶22乙醛乙醛2CO2CO2 2乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶22乙醇乙醇NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+关键酶关键酶1 1分子分子2 2分子分子二、乙醇发酵和甘油发酵二、乙醇发酵和甘油发酵1、酵母菌发酵（1）酵母菌的第一型发酵（乙醇发酵）该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醛乙醛COCO2 2磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3 3P P甘油甘油甘油甘油EMPEMP途径途径NADNAD+NADHNADH2 2难溶复合物难溶复合物NaHSONaHSO3 3（2）酵母菌的第二型发酵（甘油发酵）亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）SO3NaC6H12O6+NaHSO3 CH2OHCHOHCH2OH+CH3CHOH+CO2葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醛乙醛COCO2 2磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶乙醇乙醇NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酸乙酸3 3P P甘油甘油甘油甘油EMPEMP途径途径NADNAD+NADHNADH2 2歧化反应（3）酵母菌的第三型发酵（甘油发酵）该反应只在弱碱性条件下发生。2C6H12O6 CH3COOH+CH3CH2OH+2CO2+2 CH2OHCHOHCH2OH酵母菌的酒精发酵酵母菌的酒精发酵（均在厌氧条件下均在厌氧条件下）第三型发酵第三型发酵pH7.6pH7.6左右（微碱性）左右（微碱性）第一型发酵第一型发酵pH3.5pH3.54.54.5（弱酸性）（弱酸性）第二型发酵第二型发酵亚适量亚适量NaHSONaHSO3 3（3 3）甘油、少量的乙醇、乙酸和甘油、少量的乙醇、乙酸和COCO2 2，0个个ATP甘油和少量乙醇，甘油和少量乙醇，0 0个个ATP乙醇，乙醇，2 2个个ATPATP通过酵母菌的三个类型发酵的分析，通过酵母菌的三个类型发酵的分析，可以看出工艺条件对发酵工业的重要性。可以看出工艺条件对发酵工业的重要性。工艺条件不同，工艺条件不同，发酵的产品性质和数量不同，发酵的产品性质和数量不同，其他类型的发酵也是如此。其他类型的发酵也是如此。酒精工业发展趋向酒精工业发展趋向一是利用废料、垃圾来代替淀粉原料，利用纤一是利用废料、垃圾来代替淀粉原料，利用纤维素、半纤维素原料生产乙醇是当今研究的一维素、半纤维素原料生产乙醇是当今研究的一个热点。个热点。二是应用高温菌种来生产，利用耐高酒精度的二是应用高温菌种来生产，利用耐高酒精度的菌种来生产。菌种来生产。三是用固定化细胞连续发酵。三是用固定化细胞连续发酵。四是在真空条件下边发酵边蒸馏，使发酵液中四是在真空条件下边发酵边蒸馏，使发酵液中酒精浓度始终处于很低水平。酒精浓度始终处于很低水平。2 2、细菌的乙醇发酵、细菌的乙醇发酵 发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌 1 1 G G 2 2丙酮酸丙酮酸 特点：特点：代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pHpH较较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.（ED）乙醇乙醇 +1ATP乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌 1 G 2 2 丙酮酸丙酮酸 乙醇乙醇 +2ATP（EMP）酶抑制剂酶抑制剂酶抑制剂酶抑制剂 发酵作用发酵作用发酵作用发酵作用同位素示踪同位素示踪同位素示踪同位素示踪 发酵平衡发酵平衡发酵平衡发酵平衡 共合成共合成共合成共合成 乙醇发酵乙醇发酵乙醇发酵乙醇发酵自由能自由能自由能自由能氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位高能磷酸化合物高能磷酸化合物高能磷酸化合物高能磷酸化合物糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解EMPEMPHMPHMPEDEDWDWD 乳酸发酵乳酸发酵 进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵三、乳酸发酵三、乳酸发酵 乳酸发酵在工业上用于生产乳酸，在农业上用乳酸发酵在工业上用于生产乳酸，在农业上用于青贮饲料的发酵，在食品加工业上也有广泛的应于青贮饲料的发酵，在食品加工业上也有广泛的应用。因此，乳酸是一种需求量很大的发酵产品。全用。因此，乳酸是一种需求量很大的发酵产品。全世界每年乳酸的消费量为世界每年乳酸的消费量为1315万吨，我国的乳酸万吨，我国的乳酸生产量生产量11，000吨。吨。目前发酵法生产乳酸的产酸水平普遍在目前发酵法生产乳酸的产酸水平普遍在910，中试报道也达到，中试报道也达到1214，国外的产酸水平是，国外的产酸水平是18。葡萄糖葡萄糖22丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶22乳酸乳酸NADNAD+NADHNADH2 2NADNAD+同型乳酸发酵（同型乳酸发酵（同型乳酸发酵（同型乳酸发酵（homolactichomolactichomolactichomolactic fermentation fermentation fermentation fermentation）乳酸杆菌属、链球菌属乳酸杆菌属、链球菌属乳酸杆菌属、链球菌属乳酸杆菌属、链球菌属C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+2ATP 葡萄糖葡萄糖乙酰磷酸乙酰磷酸PKPK途径途径乙醛乙醛乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸乳酸NADHNADH2 2NADNAD+3 3P P甘油醛甘油醛NADNAD+丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇COCO2 2异型乳酸发酵（异型乳酸发酵（异型乳酸发酵（异型乳酸发酵（heterolacticheterolacticheterolacticheterolactic ermentationermentationermentationermentation）肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌 C6H12O6+ADP+Pi CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+ATP双歧发酵双歧发酵（两歧双歧杆菌）2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸磷酸戊糖解酮酶2甘油醛-3-磷酸 2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸乙酸激酶磷酸己糖解酮酶2C6H12O6+5ADP+5Pi 2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH+5ATP四、丙酸发酵四、丙酸发酵（费氏丙酸杆菌（费氏丙酸杆菌）产物除丙酸外，产物除丙酸外，还有乙酸和还有乙酸和CO2 2 琥珀酸丙酸途径 关键中间产物 乙酸+CO2丙酸丙酸及其盐类对引起面包丙酸及其盐类对引起面包产生粘丝状物质的好气性产生粘丝状物质的好气性芽孢杆菌有抑制作用，但芽孢杆菌有抑制作用，但对酵母无效，因此国内广对酵母无效，因此国内广泛用于面包糕点的防腐。泛用于面包糕点的防腐。EMP五、丁酸与丙酮五、丁酸与丙酮-丁醇发酵丁醇发酵 这类发酵由专性厌氧菌这类发酵由专性厌氧菌梭状芽孢杆菌梭状芽孢杆菌分解葡萄糖进行。分解葡萄糖进行。发酵终产物主要是丁酸、丙酮和丁醇。发酵终产物主要是丁酸、丙酮和丁醇。丁酸发酵：丁酸发酵：代表菌是丁酸梭菌（Clostridium butyricum），发酵产物有丁酸、乙酸、CO2和H2。丙酮丙酮丙酮丙酮-丁醇发酵丁醇发酵丁醇发酵丁醇发酵:在丁酸发酵过程中，当在丁酸发酵过程中，当pHpH降至降至4.54.5时，时，CoACoA转移酶被活转移酶被活化，生成丙酮和丁醇。这是化，生成丙酮和丁醇。这是严格厌氧菌进行的唯一能大规模生严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产品（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例产的发酵产品（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3 3：6 6：1 1）。）。生产菌种是生产菌种是丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricumClostridium acetobutyricum)2葡萄糖+4ADP+4Pi 丁醇+丙酮+4H2+5CO2+4ATP葡萄糖3ADP3Pi 丁酸2CO22H23ATPCoACoA转移酶转移酶葡萄糖葡萄糖22丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙酮酸铁氧还蛋白氧化酶丙酮酸铁氧还蛋白氧化酶22乙酰乙酰CoACoA丁醛脱氢酶丁醛脱氢酶NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+丁酰丁酰CoACoA丙酮丙酮丁醛丁醛丁醇丁醇COCO2 2NADHNADH2 2NADNAD+丁丁醇醇脱脱氢氢酶酶丁酸丁酸CoACoA转转移移酶酶乙酸乙酸乙酰乙酰CoACoACoACoA转转移移酶酶高能磷酸化合物高能磷酸化合物高能磷酸化合物高能磷酸化合物糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解EMPEMPHMPHMPEDEDWDWD发酵作用发酵作用发酵平衡发酵平衡 乙醇发酵乙醇发酵甘油发酵甘油发酵乳酸发酵乳酸发酵丙酸发酵丙酸发酵丁酸发酵丁酸发酵丙酮丁醇发酵丙酮丁醇发酵 六、混和酸发酵和丁二醇发酵六、混和酸发酵和丁二醇发酵六、混和酸发酵和丁二醇发酵六、混和酸发酵和丁二醇发酵 进行这类发酵的是肠道菌，不同的肠道菌具有不同的酶进行这类发酵的是肠道菌，不同的肠道菌具有不同的酶系来作用于丙酮酸，所以终产物是不同的。系来作用于丙酮酸，所以终产物是不同的。以以大肠杆菌大肠杆菌为代表的一类肠道菌，例如，为代表的一类肠道菌，例如，埃希氏菌、志埃希氏菌、志贺氏菌、沙门氏菌贺氏菌、沙门氏菌等，发酵产物主要是甲酸、乙酸、乳酸、等，发酵产物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸和琥珀酸等有机酸和CO2、H2，所以称为，所以称为混合酸发酵混合酸发酵。产气杆菌、产气杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等等发酵产物主要是丁等发酵产物主要是丁二醇，所以称之为二醇，所以称之为丁二醇发酵丁二醇发酵。葡萄糖琥珀酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸 丙酮酸 乙醛 乙酰 CoA 甲酸 乙醇 乙酰磷酸 CO2 H2 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混合酸发酵 葡萄糖 乳酸 丙酮酸乙醛 乙酰CoA 甲酸乙醇 乙酰乳酸 二乙酰 3-羟基丁酮 2,3-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EMP2,3-丁二醇发酵O2两个重要的鉴定反应：1、甲基红（M.R）反应2、VP实验 E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（OHOH-、O O2 2）中性丁二醇丁二醇胍基V.P.试验的原理：丙酮酸的发酵产物*表示含NADH+H+NAD+的过程发酵发酵菌种菌种途径途径产产ATPATP数数酒精发酵酒精发酵酵母菌酵母菌细菌细菌EMPEMPEMP/EDEMP/ED2 22/12/1甘油发酵甘油发酵酵母菌酵母菌3%NaHSO33%NaHSO3pH 7.6pH 7.6少量少量/0/00 0乳酸发酵乳酸发酵链球菌链球菌肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌两歧双歧杆菌两歧双歧杆菌EMPEMPPKPKHKHK2 21 12.52.5丁酸发酵丁酸发酵丁酸梭状芽孢杆菌丁酸梭状芽孢杆菌EMPEMP3 3丁醇丁醇-丙酮发酵丙酮发酵丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌EMPEMP2 2混合酸发酵混合酸发酵大肠杆菌大肠杆菌EMPEMP2.52.5丁二醇发酵丁二醇发酵产气杆菌产气杆菌EMPEMP2 2丙酸发酵丙酸发酵丙酸细菌丙酸细菌琥珀酸琥珀酸-丙酸途径丙酸途径2 2各种发酵类型比较 微生物通过氧化作用放出电子，并将释放出的电子微生物通过氧化作用放出电子，并将释放出的电子经电子传递链传给经电子传递链传给外源电子受体外源电子受体，从而生成水或其它还，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。第四节第四节 呼吸作用（呼吸作用（respirationrespiration）呼吸作用与发酵作用的根本区别：呼吸作用与发酵作用的根本区别：底物在氧化过程中放出的电子不是直接交给底物底物在氧化过程中放出的电子不是直接交给底物降解的中间产物（有机物），而是通过一系列电子载降解的中间产物（有机物），而是通过一系列电子载体最终交给外源电子受体。体最终交给外源电子受体。以以氧化型化合物氧化型化合物作为最终电子受体作为最终电子受体有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration）：）：无氧呼吸（无氧呼吸（anaerobic respiration）：）：以以分子氧分子氧作为最终电子受体作为最终电子受体 有氧呼吸过程中的碳流和电子流（a）化能异养型微生物 （b）化能自养型微生物一、一、有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration）外源的电子受体是分子氧，而电子供体是微生物进行生物氧化的能源化合物（氧化底物）。异养微生物碳源和能源是一样的，化能自养型微生物二者是分别不同的物质。这是一种递氢这是一种递氢和受氢都必须在有和受氢都必须在有氧条件下完成的生氧条件下完成的生物氧化作用，是一物氧化作用，是一种高效产能方式。种高效产能方式。1 1、葡萄糖的有氧分解途径、葡萄糖的有氧分解途径 是在有氧条件下进行的，好氧或兼性厌氧微生是在有氧条件下进行的，好氧或兼性厌氧微生物将葡萄糖彻底氧化，分为物将葡萄糖彻底氧化，分为四个阶段：四个阶段：葡萄糖降解为丙酮酸，与葡萄糖降解为丙酮酸，与EMPEMP途径完成相同，途径完成相同，在细胞质中进行。在细胞质中进行。丙酮酸进入三羧酸循环之前氧化丙酮酸进入三羧酸循环之前氧化脱羧脱羧、脱氢、脱氢生生成乙酰成乙酰CoACoA。TCATCA循环。循环。电子传递链，电子传递链，NADHNADH及及FADHFADH2 2被氧化并合成大被氧化并合成大量的量的ATPATP。（1）丙酮酸生成乙酰CoA 丙酮酸不能直接进入三羧酸循环，而是先要被氧化脱羧生成乙酰CoA：CHCH3 3COCOOH+NAD+CoA CHCOCOOH+NAD+CoA CH3 3COCoA+NADH+COCoA+NADH+H+CO H+CO2 2丙酮酸脱氢酶系：它是包含三个酶的大复合体：24个分子丙酮酸脱氢酶（E1），24个分子硫辛酸转乙酰酶（E2）和12个分子二氢硫辛酸脱氢酶（E3）。特点：四步脱氢反应；两次脱羧反应；一次底物水平磷酸化。关键酶：柠檬酸合成酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶产能计算：1个葡萄糖完全分解生成CO2与H2O时可产生38个ATP。（2）TCA循环主要产物：C3CH3COCoANADH+4HFADHGTP3CO2呼吸链呼吸链（底物水平）12ATP2ATPATP工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸TCA循环的生理功能：为细胞生理活动提供了大量能量；为细胞生物合成提供多种碳骨架；是糖类、脂肪酸和蛋白质代谢的中心枢纽。u“回补”问题：由于三羧酸循环为细胞生物合成提供了中间代谢物，使得三羧酸循环的中间代谢物“流失”，如果这些中间代谢物得不到补充，势必影响TCA循环的正常运转，所以有氧代谢中必须进行回补。厌氧条件下的三羧酸循环 厌氧或兼性厌氧微生物在厌氧时缺乏丙酮酸脱氢酶