微生物__1PPT課件

1、第一節(jié)第一節(jié) 化能異養(yǎng)菌的產(chǎn)能代謝化能異養(yǎng)菌的產(chǎn)能代謝 6.1.1 代謝和代謝途徑 6.1.2 糖分解代謝途徑 6.1.3 發(fā)酵 6.1.4 三羧酸循環(huán) 6.1.5 呼吸 代謝（metabolism）是對(duì)細(xì)胞所進(jìn)行的各種生化反應(yīng)的總稱(chēng)，代謝 是所有生理活動(dòng)的化學(xué)基礎(chǔ)；營(yíng)養(yǎng)是代謝的物質(zhì)和能量源泉； 細(xì)胞內(nèi)各種生化反應(yīng)相互聯(lián)系，各種代謝物通過(guò)生化反應(yīng)相互轉(zhuǎn)換， 構(gòu)成了細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)； 代謝途徑（pathway）：生理功能相關(guān)的若干個(gè)順序排列的生化反應(yīng) 構(gòu)成一條代謝途徑； 代謝途徑的反應(yīng)速率（代謝通量）受到嚴(yán)格調(diào)控； 6.1.1 代謝和代謝途徑 根據(jù)代謝途徑的反應(yīng)特點(diǎn)和生理功能特點(diǎn)，細(xì)胞內(nèi)眾多的代謝

2、途徑可概 括的劃分為： 分解代謝（catabolism）：以氧化分解反應(yīng)為特征，將大分子或復(fù) 雜分子氧化分解為簡(jiǎn)單小分子，同時(shí)釋放能量，為合成代謝提供前 體物和能量； 合成代謝 （anabolism）：以還原合成反應(yīng)為特征，利用小分子前 體物，消耗能量，合成大分子或復(fù)雜分子； 代謝途徑的類(lèi)型 細(xì)胞通過(guò)分解代謝，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子“碳架”、氨基供體、巰 基供體、磷酸等前體物；同時(shí)產(chǎn)生能量（ATP）和還原力（NADPH）； 也產(chǎn)生代謝廢物； 細(xì)胞通過(guò)合成代謝，利用分解代謝提供的各種前體物，消耗ATP和 NADPH，合成各種細(xì)胞組分（大分子、復(fù)雜分子和小分子），以及進(jìn) 行各種其它生理活動(dòng)所需的代

3、謝產(chǎn)物； 代謝的結(jié)果表現(xiàn)為細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)、生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、衰老、凋亡等生命活 動(dòng)特征； 代謝的基本生理功能 生化反應(yīng)的類(lèi)型和特點(diǎn)生化反應(yīng)的類(lèi)型和特點(diǎn) l細(xì)胞有多少個(gè)酶，就有多少個(gè)生 化反應(yīng)，但酶的類(lèi)型，及所催化的 生化反應(yīng)類(lèi)型是有限的； 細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是生化反應(yīng)，反應(yīng)由專(zhuān)一性的酶催化，即酶 促化學(xué)反應(yīng)； 酶催化可以降低反應(yīng)活化能，反應(yīng)條件溫和；酶與底物相結(jié)合催化反 應(yīng)，具有催化專(zhuān)一性； 氧化還原反應(yīng)是一類(lèi)最重要的生化反應(yīng)，反應(yīng)涉及電子得失和能量轉(zhuǎn)化； 失去電子為氧化，得到為電子還原；代謝物的氧化還原一般與電子載體 的氧化還原偶聯(lián)； 氧化還原反應(yīng) l與細(xì)胞氧化還原反應(yīng)偶聯(lián)的電子 載體有： N

4、AD+/NADH NADP+/NADPH FAD+/FADH2 碳分解代謝（carbon catabolism）：異養(yǎng)菌部分或徹底氧化分解有 機(jī)碳源，產(chǎn)生ATP、NAD(P)H、小分子碳架或CO2的分解代謝途徑； 主要由以下代謝途徑組成，它們構(gòu)成異養(yǎng)菌的中心碳代謝（central carbon metabolism）： 糖的吸收 糖分解代謝途徑（糖酵解途徑） 三羧酸循環(huán) 溢流代謝途徑（發(fā)酵） 呼吸 6.1.2 糖分解代謝途徑 各種有機(jī)碳源都有各自的運(yùn) 輸系統(tǒng)，但最終都進(jìn)入中心 碳代謝途徑進(jìn)行氧化分解； 碳分解代謝的簡(jiǎn)并性 l微生物能夠利用何種碳源，取決于 是否有相應(yīng)的運(yùn)輸系統(tǒng)和進(jìn)入中心 碳代謝

5、的分支代謝途徑； 糖分解代謝途徑：指氧化分解葡萄糖的代謝途徑： 糖酵解途徑：產(chǎn)能 磷酸戊糖途徑：不產(chǎn)能 糖酵解（glycolysis）途徑：將葡萄糖部分氧化分解為丙酮酸，同時(shí) 底物水平磷酸化產(chǎn)能的代謝途徑； 廣泛存在的糖酵解途徑是EMP，還有存在于少部分微生物中的ED途徑、 磷酸解酮酶途徑等；由于EMP途徑首先發(fā)現(xiàn)，所以糖酵解途徑又特指 EMP； 糖分解代謝途徑 糖酵解途徑（EMP） 熟悉生化物質(zhì)的化 學(xué)結(jié)構(gòu) 熟悉生化反應(yīng)類(lèi)型 掌握代謝途徑 理解生理功能 分解葡萄糖： 葡萄糖+ATP 1-磷酸葡萄糖+ADP（葡萄糖激酶） 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖（變位酶） 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖（

6、異構(gòu)酶） 6-磷酸果糖+ATP 1,6-二磷酸果糖+ADP（激酶） 1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮 （醛縮酶） 磷酸二羥丙酮 3-磷酸甘油醛（異構(gòu)酶） EMP的生化反應(yīng)及生理目的（一） 氧化、釋放能量、產(chǎn)ATP： 3-磷酸甘油醛 +2Pi 1,3-二磷酸甘油酸+2e+2H NAD2e2H NADHH（磷酸甘油脫氫酶） 1,3-2p甘油酸+ADP+Pi3-磷酸甘油酸+ATP（激酶） 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸（變位酶） 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸（烯醇化酶） PEP+ADP+Pi 丙酮酸+ATP（丙酮酸激酶） EMP的生化反應(yīng)及生理目的（二） 氧化反應(yīng)是重要的生化反應(yīng)，化合

7、物在氧化過(guò)程中，釋放高能電子和 能量； 釋放的高能電子還原氧化型的電子載體，產(chǎn)生還原態(tài)的電子載體； 釋放的能量?jī)?chǔ)存在高能化學(xué)鍵（磷酸鍵）中，形成高能化合物中間體； 3-磷酸甘油醛 +2Pi 1,3-二磷酸甘油酸+4e+4H 2NAD4e4H 2NADH2H 氧化反應(yīng) 化合物在氧化分解過(guò)程中，形成的高能化合物中間體的高能鍵水解， 偶聯(lián)ADP磷酸化形成ATP，這種產(chǎn)生ATP的方式叫做底物水平磷酸化； 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸Pi 磷酸稀醇式丙酮酸 丙酮酸Pi ADPPi ATP 底物水平磷酸化 一分子葡萄糖經(jīng)EMP部分氧化分解，產(chǎn)生兩分子丙酮酸，兩分子 NADH ，凈產(chǎn)生兩分子ATP；

8、 Glc+2ADP+2Pi+2NAD+2Pyr+2ATP+2NADH+2H+ EMP氧化分解葡萄糖，底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP，為細(xì)胞提供能量； 產(chǎn)生多種“C3”小分子碳架，提供合成代謝前體物； 產(chǎn)生NADH，可進(jìn)一步通過(guò)呼吸產(chǎn)生ATP；也可以轉(zhuǎn)化為還原力- NADPH； EMP的生理功能 存在于某些發(fā)酵單胞菌、假單胞菌、固氮菌等G-菌，以及極少數(shù)G+菌 中的糖酵解途徑； 在代謝途徑上，ED途徑與EMP的區(qū)別在于：先葡萄糖進(jìn)行氧化脫水， 然后再分解氧化產(chǎn)生丙酮酸； 在生理功能上，ED途徑與EMP區(qū)別在于：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑氧化 分解，產(chǎn)兩分子丙酮酸、一分子H2O、一分子NADPH和一分子NA

9、DH， 凈產(chǎn)一分子ATP； ED途徑兼有產(chǎn)NADPH（還原力）的生理功能； ED 途徑 ED 途徑 glc+ADP+Pi+2NAD(P)+ 2pyr+ATP+NADH+NADPH+H2O （KDPG特征性中間代謝物） 6-磷酸葡萄糖+NADP+ 6-P葡萄糖酸+NADPHH （ 6-磷酸葡萄糖脫氫酶） 6-P葡萄糖酸 2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸H2O （6-磷酸葡萄糖酸脫水酶） 2-酮-3-脫氧-6-P葡萄糖酸 3-P甘油醛+丙酮酸 （2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶） 3-磷酸甘油醛 丙酮酸+ATP+NADH ED途徑的生化反應(yīng)和生理功能特點(diǎn) 存在于某些嚴(yán)格厭氧或耐氧的乳酸細(xì)

10、菌中的一種糖酵解途徑；葡萄糖分 解方式與EMP不同； 磷酸解酮酶途徑可區(qū)分為兩種途徑： 己糖磷酸解酮酶途徑（HK）：產(chǎn)生小分子碳架、ATP、 NADH 戊糖磷酸解酮酶途徑（PK）：產(chǎn)生小分子碳架、ATP、NADH、 NADPH HK途徑先分解、重排、再分解氧化；PK途徑先部分氧化、異構(gòu)、再分 解氧化； 磷酸解酮酶途徑 HK途徑 6-磷酸果糖 4-磷酸赤蘚糖乙酰磷酸6-磷酸果糖 25-磷酸木酮糖 23-磷酸甘油醛2乙酰磷酸 碳架重排和異構(gòu) 2丙酮酸+2NADH+4ATP 磷酸解酮酶 磷酸解酮酶 乙酸+ATP 2乙酸+2ATP 轉(zhuǎn)酮酶、轉(zhuǎn)醛酶 2果糖 2丙酮酸3乙酸+5ATP+2NADH PK途徑

11、 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖 5-磷酸木酮糖 3-磷酸甘油醛 乙酰磷酸 丙酮酸+ATP+NADH 磷酸解酮酶 乙酸+ATP 葡萄糖丙酮酸乙酸+2ATP+NADPH+NADH+CO2 CO2+2NADPH 葡萄糖脫氫酶 葡萄糖酸脫氫酶 分解： （磷酸解酮酶） 6-磷酸果糖+Pi 4-磷酸赤蘚糖乙酰磷酸（HK） 5-磷酸木酮糖+Pi 3-P甘油醛乙酰-P 氧化：（葡萄糖脫氫酶；葡萄糖酸脫氫酶）（PK） 6-磷酸葡萄糖+NADP+6-P葡萄糖酸NADPHH 6-P葡萄糖酸+NADP+5-P核酮糖+NADPH+H+CO2 底物水平磷酸化：（乙酸激酶） 乙酰磷酸+ADP + Pi 乙

12、酸ATP HK和PK途徑的反應(yīng)特點(diǎn) 采用磷酸解酮酶催化分解酮糖的方式氧化分解葡萄糖，可以提高產(chǎn)能 效率： HK途徑分解一分子葡萄糖凈產(chǎn)生2.5個(gè)ATP，但只形成一分子 NADH； PK途徑先氧化，后酮解一分子葡萄糖凈產(chǎn)生2個(gè)ATP，同時(shí)產(chǎn)生一 個(gè)NADPH和NADH，產(chǎn)生一個(gè)CO2； HK和PK途徑存在只有底物水平磷酸化一種方式產(chǎn)能的專(zhuān)性厭氧或耐氧 菌中，盡量提高產(chǎn)能效率； HK和PK途徑的生理特點(diǎn) 碳架重排反應(yīng)：丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖之間相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)， 通過(guò)相互間轉(zhuǎn)移二羥丙酮基（轉(zhuǎn)酮）或羥乙醛基（轉(zhuǎn)醛），實(shí)現(xiàn)分子重 排； 轉(zhuǎn)酮反應(yīng)：由轉(zhuǎn)二羥丙酮基酶（轉(zhuǎn)酮酶）催化： 4-P赤蘚糖 6-

13、P果糖 7-P景天庚酮糖3-P甘油醛 轉(zhuǎn)醛反應(yīng)：由轉(zhuǎn)羥乙醛基酶（轉(zhuǎn)醛酶）催化： 7-P景天庚酮糖3-P甘油醛 5-P核糖5-P木酮糖 HK途徑的碳架重排反應(yīng) 碳架重排轉(zhuǎn)醛和轉(zhuǎn)酮反應(yīng) 轉(zhuǎn)酮酶 轉(zhuǎn)醛酶 磷酸戊糖途徑（HMP or PP）：普遍存在的葡萄糖氧化分解途徑，主要 生理功能為產(chǎn)生NADPH和C3C7的小分子碳架，沒(méi)有底物水平磷酸化 產(chǎn)ATP功能； 氧化反應(yīng)，將6-磷酸葡萄糖氧化分解為CO2和5-磷酸核酮糖 ，并產(chǎn) 生2個(gè)NADPH ； 非氧化還原的循環(huán)反應(yīng)，將6個(gè) 5-磷酸核酮糖重排為5個(gè) 6-磷酸果糖； 總反應(yīng)：Glc+12NADP+6H2O6CO2+12NADPH12H+ 磷酸戊糖途徑

14、 磷酸戊糖途徑的氧化反應(yīng)部分 與PK途徑的上半部反應(yīng)完全相同，目的是產(chǎn)生 NADPH； Glc-6-Pi +2NADP+H2OCO2 +2NADPH2H+Ru-Pi 2.6-磷酸葡萄糖脫氫酶 3.6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶 磷酸戊糖途徑的循環(huán)反應(yīng)部分 轉(zhuǎn)酮酶 轉(zhuǎn)醛酶 轉(zhuǎn)醛酶 65-P核酮糖 56-P果糖 56-P葡萄糖 代謝中間物為合成代謝提供 C3C7前體物 發(fā)酵（fermentation） ：碳分解代謝的不完全氧化產(chǎn)物（丙酮酸、 NADH）轉(zhuǎn)化為末端發(fā)酵產(chǎn)物，并排出細(xì)胞的代謝途徑；也叫溢流代謝 （overflow metabolism） ； 發(fā)酵是中心碳代謝的一個(gè)組成部分，是在無(wú)氧條件下（不需

15、要氧）對(duì)糖 酵解的延續(xù)代謝，所以稱(chēng)為發(fā)酵，一般存在于厭氧菌和兼性厭氧菌中； 不同微生物的發(fā)酵代謝途徑不同，產(chǎn)生的末端發(fā)酵產(chǎn)物也不同，由此構(gòu) 成了各種發(fā)酵類(lèi)型； 6.1.3 發(fā)酵 發(fā)酵的生理功能 細(xì)胞通過(guò)發(fā)酵，使糖酵解途徑的產(chǎn)物-丙酮酸和NADH轉(zhuǎn)化為末端發(fā)酵 產(chǎn)物，并排出細(xì)胞： 避免丙酮酸在胞內(nèi)過(guò)量積累而產(chǎn)生毒害作用； 使NAD+ 再生，維持胞內(nèi)NAD+/NADH平衡； 發(fā)酵與糖酵解途徑共同構(gòu)成了完整的葡萄糖部分氧化分解代謝，在這一 過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了底物水平磷酸化產(chǎn)能（發(fā)酵產(chǎn)能）、產(chǎn)生碳架的生理功 能； 這一代謝不需要氧參與，為厭氧菌和兼性厭氧菌采用； 乙醇發(fā)酵 乙酸發(fā)酵 乳酸發(fā)酵 丙酸發(fā)酵 丁

16、醇發(fā)酵 所有發(fā)酵的生理功能完全相同，但代謝途徑和代謝產(chǎn)物各不相同，通常 以主要末端發(fā)酵產(chǎn)物命名發(fā)酵類(lèi)型； 發(fā)酵反應(yīng)必然包括還原反應(yīng)，由NADH提供電子； 發(fā)酵的類(lèi)型 乙醇發(fā)酵：從丙酮酸到乙醇，兩步反應(yīng)；丙酮酸脫羧生成乙醛和CO2， 消耗 NADH還原乙醛生成乙醇和NAD+再生，乙醇排出細(xì)胞； 乙醇發(fā)酵 總反應(yīng)式：葡萄糖2乙醇2CO22ATP 丙酮酸 乙醛 CO2 丙酮酸脫羧酶 乙醛NADH乙醇NAD 乙醇脫氫酶 釀酒酵母在無(wú)氧條件下，通過(guò)EMP分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸、 NADH和 ATP； 然后經(jīng)乙醇發(fā)酵將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醛和CO2，排出細(xì)胞外；同時(shí)再生 NAD+； 利用上述代謝，使釀酒酵母在不需

17、要氧的條件下，完成分解葡萄糖，產(chǎn) 生碳架和ATP的生理功能；同時(shí)避免了不完全氧化的代謝中間物在胞內(nèi) 的積累，以及胞內(nèi)NAD+/NADH不平衡； 釀酒酵母的乙醇發(fā)酵 l運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌（Zymomonas mobilis）為微好氧菌，在較低的氧分壓下 生長(zhǎng)；經(jīng)ED途經(jīng)分解葡萄糖為丙酮酸、 NADPH、NADH和ATP； l由于缺氧，部分丙酮酸不能徹底氧化，只能進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑：經(jīng)脫羧反 應(yīng)和還原反應(yīng)，消耗NADH，產(chǎn)生乙醇和CO2； 總反應(yīng)式：葡萄糖 2乙醇2CO2NADPHATP 運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的乙醇發(fā)酵 工業(yè)上利用釀酒酵母的EMP和乙醇發(fā)酵，或者利用運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌的 ED途徑和乙醇發(fā)酵，以葡萄

18、糖為主要原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇：工業(yè)乙醇、 醫(yī)用酒精、食用酒精、各種酒類(lèi)、燃料乙醇（fuel ethanol）； 發(fā)展方向：以來(lái)自農(nóng)產(chǎn)品廢棄物的纖維素和半纖維素為發(fā)酵原料，進(jìn) 行糖化和發(fā)酵過(guò)程相耦合的己糖和戊糖共代謝發(fā)酵；以降低乙醇發(fā)酵 成本，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用； 乙醇發(fā)酵的工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展方向 許多細(xì)菌具有乳酸發(fā)酵，特別是沒(méi)有徹底氧化有機(jī)物的代謝途徑的耐 氧菌，多采用乳酸發(fā)酵； 葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑分解產(chǎn)生丙酮酸、 NADH和ATP；丙酮酸直接被 NADH還原為乳酸，排出細(xì)胞； 根據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物的種類(lèi)，乳酸發(fā)酵可分為同型和異型乳酸發(fā)酵； 乳酸發(fā)酵 丙酮酸 NADH乳酸NAD+ 乳酸脫氫酶 乳桿菌屬（La

19、ctobacillus）時(shí)典型的進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵的菌屬；經(jīng) EMP分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸、 NADH和ATP；丙酮酸經(jīng)乳酸發(fā)酵被轉(zhuǎn) 化為乳酸排出細(xì)胞，同時(shí)NAD+再生； 總反應(yīng)：葡萄糖2乳酸2ATP 這種乳酸發(fā)酵由于末端發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸一種產(chǎn)物，稱(chēng)為同型乳酸發(fā) 酵（homofermentation） ； 同型乳酸發(fā)酵 兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）是嚴(yán)格厭氧菌，沒(méi)有徹 底氧化有機(jī)物的代謝途徑； 經(jīng)HK途徑分解葡萄糖，產(chǎn)生丙酮酸、乙酸（乙醇）、NADH和ATP； 乙酸或乙醇被直接排出細(xì)胞；丙酮酸經(jīng)乳酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乳酸排出細(xì)胞； 由于末端發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙酸或乙醇，

20、被稱(chēng)為異型乳酸發(fā)酵 （heterofermentation）； 總反應(yīng)：2葡萄糖2乳酸3乙酸5ATP 兩歧雙歧桿菌的異型乳酸發(fā)酵 腸膜狀明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）是兼性厭氧菌， 在無(wú)氧條件下經(jīng)PK途徑分解葡萄糖，產(chǎn)生丙酮酸、乙酸（乙醇）、 CO2、 NADPH、 NADH和ATP； 乙酸（乙醇）和 CO2直接排出細(xì)胞；丙酮酸經(jīng)乳酸發(fā)酵，消耗NADH， 被還原為乳酸排出細(xì)胞； 由于末端發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外，還有CO2、乙酸或乙醇，也為異型乳酸 發(fā)酵； 總反應(yīng)：葡萄糖 乳酸+乙酸+2ATP+NADPH+CO2 腸膜狀明串珠菌的異型乳酸發(fā)酵 乙酰磷酸的代謝途徑 當(dāng)細(xì)胞

21、需ATP時(shí)，乙酰磷酸水解產(chǎn)生ATP和乙酸； 當(dāng)細(xì)胞需要NAD時(shí)，在磷酸轉(zhuǎn)乙?；复呋?（phosphotransacetylase），乙酰磷酸變成乙酰輔酶A，然后消耗兩 個(gè)NADH被還原為乙醇，同時(shí)NAD 再生； 乙酸CoA NADH 乙醛 HCoA NAD 乙酸磷酸HCoA乙酰CoAPi 乙醛NADH 乙醇 NAD 進(jìn)行乳酸發(fā)酵的大多是G菌，主要分布在厚壁菌門(mén)芽孢桿菌綱：芽孢 乳桿菌屬（Sporolactobacillus）、乳桿菌屬（Lactobacillus）、片 球菌屬（Pediococcus）、產(chǎn)乳酸球菌屬（Lactosphaera）、明串珠 菌屬（Leuconostoc）、乳球菌

22、屬（Lactococcus）； 以及屬于放線菌門(mén)的雙歧桿菌目（Bifidobacteriales）的雙歧桿菌屬 （Bifidobacterium）； 乳酸發(fā)酵的真核微生物：米根霉（Rhizopus oruzae）； 乳酸發(fā)酵的主要微生物屬 能分解乳糖進(jìn)行乳酸發(fā)酵的厭氧菌、兼性厭氧菌或耐氧菌細(xì)菌都稱(chēng)為 乳酸細(xì)菌； 乳酸細(xì)菌應(yīng)用于乳品行業(yè)，主要以牛乳為原料發(fā)酵生產(chǎn)酸奶、干酪、 酸性奶油、酸性酪乳； 乳酸發(fā)酵的微生物用于乳酸的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)，分為L(zhǎng)-乳酸發(fā)酵和D-乳 酸發(fā)酵； L-乳酸用于合成可降解高分子材料聚乳酸，以及生產(chǎn)有機(jī)容 積乳酸乙酯； D-乳酸是醫(yī)藥中間體； 乳酸細(xì)菌及應(yīng)用 腸桿菌科（Ent

23、erobacteriaceae）一類(lèi)兼性厭氧的G桿菌，多數(shù)種 中心碳代謝包括EMP和甲酸或產(chǎn)氣發(fā)酵； 甲酸發(fā)酵：丙酮酸裂解產(chǎn)生甲酸和乙酰輔酶A，甲酸為主要的末端發(fā)酵 產(chǎn)物，還有少量乙酸和乙醇； 如甲酸進(jìn)一步分解則產(chǎn)生 CO2 和H2，為產(chǎn)氣發(fā)酵； 甲酸裂解酶 丙酮酸HCoA乙酰CoA甲酸 CO2 H2 甲酸氫解酶 甲酸 甲酸發(fā)酵和產(chǎn)氣發(fā)酵 E. coli是腸桿菌科埃希氏菌屬（Escherichia）的模式種，是典型的兼 性厭氧的G桿菌； 在無(wú)氧條件下， E. coli 的中心碳代謝由EMP和混合酸發(fā)酵構(gòu)成，既 產(chǎn)酸又產(chǎn)氣，屬異型發(fā)酵； l混合酸發(fā)酵產(chǎn)物包括：乳酸、琥珀酸、 乙酸、甲酸、乙醇、C

24、O2和H2； 大腸桿菌的混合酸發(fā)酵 甲酸 CO2 H2（偏酸性環(huán)境） 大腸桿菌混合酸發(fā)酵反應(yīng)和酶 乙酰CoA 乙酰磷酸乙酸ATP 草酰乙酸3NADH蘋(píng)果酸延胡索酸琥珀酸3NAD 乙酰CoA 2NADH 乙醛乙醇2NAD 乳酸脫氫酶 丙酮酸NADH乳酸NAD 甲酸裂解酶 乙酰CoA甲酸丙酮酸HCoA 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸丙酮酸CO2 腸桿菌科腸桿菌屬（ Enterobacter ）的典型種：產(chǎn)氣腸桿菌 （Enterobacter aerogenes），EMP糖酵解； 丁二醇發(fā)酵 l在無(wú)氧條件下進(jìn)行丁二醇發(fā)酵，末 端發(fā)酵產(chǎn)物除有少量乳酸、乙醇、 CO2和H2外，主要發(fā)酵產(chǎn)物為2,3-丁 二醇；

25、乙酰乳酸合成酶（acetolactate synthase）催化兩分子丙酮酸縮合 脫羧，生成乙酰乳酸； 乙酰乳酸脫羧酶（acetolactate decarboxylase）催化脫羧，生成 3-羥基丁酮（acetoin）； 羥基丁酮還原酶（acetoin reductase）催化，消耗NADH還原3-羥 基丁酮為2,3-丁二醇； 腸桿菌屬細(xì)菌的丁二醇發(fā)酵反應(yīng) V.P.反應(yīng)是鑒定丁二醇發(fā)酵的試驗(yàn)，出現(xiàn)紅色為陽(yáng)性反應(yīng)，表示存在丁 二醇發(fā)酵； 原理：乙酰甲基甲醇在堿性條件下被氧化為二乙酰，二乙酰與精氨酸 的胍反應(yīng)產(chǎn)生紅色化合物； V.P.反應(yīng) 枯草芽孢桿菌的異型丁二醇發(fā)酵枯草芽孢桿菌的異型丁二醇發(fā)酵

26、 枯草芽孢桿菌異型丁二醇發(fā)酵，產(chǎn)物包括：乳酸、乙酸、2,3-丁二醇 和痕量的乙醇； 用枯草芽孢桿菌代替釀酒酵母進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)是發(fā)展趨勢(shì)之一； 丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌（Clostridium acetobutylicum）是厚壁菌 門(mén)梭菌科（Clostridaceae ）梭菌屬的典型種，為低GC的G專(zhuān)性 厭氧產(chǎn)芽孢菌； 丙丁梭菌的中心碳代謝只有ED途徑和丙酮丁醇發(fā)酵途徑，缺乏三羧酸 循環(huán)和呼吸； 丙酮丁醇發(fā)酵：末端發(fā)酵產(chǎn)物主要為丙酮和丁醇，同時(shí)還有甲酸、乙 酸、乙醇、丁酸、CO2和H2； 丙酮丁醇發(fā)酵 丙丁梭菌的丙酮丁醇發(fā)酵途徑 丙酮酸 甲酸CO2（丙酮酸甲酸裂解酶） 丙酮酸 乙醛CO2 （丙酮

27、酸脫羧酶） 乙醛 乙醇（乙醇脫氫酶） 丙酮酸 乙酰CoACO2 （丙酮酸脫氫酶） 乙酰CoA 乙酰磷酸（磷酸轉(zhuǎn)乙酰基酶） 乙酰磷酸 乙酸（乙酸激酶） 乙酰CoA 乙醛（乙醛脫氫酶） 乙醛 乙醇（乙醇脫氫酶） 丙酮丁醇發(fā)酵反應(yīng)、酶和代謝產(chǎn)物（一） 2乙酰CoA 乙酰乙酰CoA （乙酰乙酰CoA 合酶） 乙酰乙酰CoA乙酰乙酸（乙酰乙酰CoA輔酶A轉(zhuǎn)移酶） 乙酰乙酸丙酮CO2（乙酰乙酸脫羧酶） 乙酰乙酰CoAb-羥丁酰CoA（ b-羥丁酰CoA 脫氫酶） b-羥丁酰CoA 巴豆酰CoA（ b-羥丁酰CoA 脫水酶） 巴豆酰CoA 丁酰CoA（巴豆酰CoA 脫氫酶） 丁酰CoA丁酰-P丁酸（丁酰磷酸

28、轉(zhuǎn)乙?；负图っ福?丁酰CoA 丁醛丁醇（丁醛脫氫酶和丁醇脫氫酶） 丙酮丁醇發(fā)酵反應(yīng)、酶和代謝產(chǎn)物（二） 用淀粉糖為原料，丙丁梭菌工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇在我國(guó)持續(xù)30年， 形成總?cè)軇┥a(chǎn)行業(yè)；衰退近20年后，前年開(kāi)始復(fù)蘇，去年又衰退； 發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇的發(fā)展前景： 用纖維素降解糖，或半纖維素降解的戊糖代替淀粉水解糖為發(fā)酵原 料，發(fā)揮原料優(yōu)勢(shì)； 可以提高發(fā)酵產(chǎn)物中丁醇的比例，生產(chǎn)燃料丁醇替代目前使用的燃 料乙醇； 丙酮丁醇發(fā)酵的工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景 6.1.4 三羧酸循環(huán) l三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA循環(huán)）是異養(yǎng)微生物徹底氧化 分解有機(jī)物，產(chǎn)生CO2、NAD

29、(P)H和FADH2的代謝途徑； 是糖酵解途徑的延續(xù)，將不完全氧化的有機(jī)物（丙酮酸），徹底氧化 為CO2而釋放； 中間代謝物為合成代謝提供小分子碳架前體物； 有機(jī)物徹底氧化所釋放的高能電子，還原電子載體，產(chǎn)生NAD(P)H和 FADH2，為氧化磷酸化產(chǎn)生ATP提供前體物； 受體再生 氧化 受體結(jié)合 氧化 底物水平磷酸 化 異構(gòu) TCA循環(huán)的代謝途徑 丙酮酸脫氫酶 檸檬酸合成酶 順烏頭酸酶 異檸檬酸脫氫酶 a-酮戊二酸脫氫酶 琥珀酰輔酶A 合成酶 琥珀酸脫氫酶 延胡索酸酶 蘋(píng)果酸脫氫酶 氧化 氧化 水合 TCA循環(huán)的反應(yīng)特點(diǎn) l丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA，然后進(jìn)入TCA循環(huán)； l乙酰CoA與受

30、體草酰乙酸結(jié)合，生成檸檬酸； l檸檬酸異構(gòu)為異檸檬酸后，經(jīng)兩步氧化反應(yīng)，脫掉兩個(gè)CO2，生成琥珀酰 CoA和兩個(gè)NAD(P)H ； l高能化合物琥珀酰CoA經(jīng)底物水平磷酸化，產(chǎn)生GTP和琥珀酸； l琥珀酸經(jīng)兩步氧化，一步水合反應(yīng)，再生為T(mén)CA的受體草酰乙酸，同時(shí) 產(chǎn)生NAD(P)H 和FADH2； TCA循環(huán)的酶循環(huán)的酶 檸檬酸合成酶 順烏頭酸酶 異檸檬酸脫氫酶 a-酮戊二酸脫氫酶 琥珀酸輔酶A合成酶 琥珀酸脫氫酶 延胡索酸酶 蘋(píng)果酸脫氫酶 糖酵解途徑與TCA循環(huán)總反應(yīng) EMP：葡萄糖2丙酮酸+2NA DH+2ATP 2丙酮酸2乙酰CoA+2CO2+ 2NADH TCA循環(huán)：2乙酰CoA 4C

31、O2 +6NAD(P)H+2FADH2 l總反應(yīng)式： Glc10NA(P)D+2FAD 4ADP4Pi 6CO210NAD(P)H2FADH24ATP 呼吸（respiration）：氧化NAD(P)H和FADH2 ，將高能電子的能量 轉(zhuǎn)化為ATP的產(chǎn)能代謝途徑； 氧化NAD(P)H和FADH2，再生NAD(P)+和FAD2+； 高能電子沿呼吸鏈傳遞，還原最終電子受體，形成呼吸產(chǎn)物； 高能電子在傳遞過(guò)程中，其能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（PMF）； 質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP合成酶，氧化磷酸化合成ATP； 6.1.5 呼吸 呼吸鏈（電子傳遞鏈）：是細(xì)胞進(jìn)行呼吸的酶系統(tǒng)，由一系列具有氧 化還原功能的電子載體蛋

32、白，順序排列在生物膜上構(gòu)成； 呼吸鏈的一般組成： NADH脫氫酶復(fù)合物輔酶Q 細(xì)胞色素bc1復(fù)合物 細(xì)胞色素 c 細(xì)胞色素aa3（末端氧化酶復(fù)合物 ） 原核細(xì)胞的呼吸鏈位于細(xì)胞膜上，真核微生物的呼吸鏈存在于線粒體 的內(nèi)膜上； 呼吸鏈 電子載體蛋白按照還原電位由高到低順序排列； NADH脫氫酶復(fù)合物的電子載體為FMN、FeS；輔酶Q是具類(lèi)異戊二 烯尾的苯醌衍生物；cytbc1的電子載體有血紅素（heme ）和FeS ； 其它c(diǎn)yt的電子載體都是血紅素； 電子載體蛋白及電子載體 NAD(P)H脫氫酶復(fù)合物催化氧化反應(yīng)； NAD(P)H + H+ + FMN+NAD(P) + FMNH2 FMNH2

33、(FADH2)+ 2Fe3+S FMN+(FAD2+)+2Fe2+S+2H+ 呼吸的反應(yīng)過(guò)程N(yùn)AD(P)H和FADH2的氧化 實(shí)現(xiàn)NAD(P)和FAD2+再生 呼吸的反應(yīng)過(guò)程呼吸的反應(yīng)過(guò)程電子傳遞電子傳遞 NAD(P)H和FADH2氧化釋放的高能電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給最終（末端） 電子受體： NAD(P)H脫氫酶復(fù)合物催化輔酶Q 還原： 2Fe2+S + CoQ + 2H+ 2Fe3+S + CoQH2 cytb催化輔酶Q氧化，自身被還原； cytc1催化cytb氧化，自身被還原； cytc催化cytc1 氧化，自身被還原； cytaa3催化cytc氧化和末端電子受體還原，并形成呼吸產(chǎn)物； FeS

34、只接受電子被還原，2H+則被排到膜外；輔酶Q被FeS還原時(shí)，再?gòu)?基質(zhì)中吸收2H+； cytb只接受電子， 2H+被排到膜外； cytc1在從基質(zhì)中吸收2H+，還原cytc時(shí)， 2H+再被排出； 呼吸的反應(yīng)過(guò)程呼吸的反應(yīng)過(guò)程質(zhì)子外排質(zhì)子外排 高能電子沿呼吸鏈傳遞過(guò)程中，在三個(gè)位點(diǎn)有三對(duì)H+被排到膜外，形 成膜內(nèi)外H+濃度差這種電勢(shì)能，即質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（PMF）； 高能電子在經(jīng)呼吸鏈傳遞過(guò)程中，電子能量逐步降低并轉(zhuǎn)化為質(zhì)子動(dòng)力 勢(shì)； 呼吸的反應(yīng)過(guò)程質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)建立 氧化磷酸化（電子傳遞水平磷酸化）：由質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)推動(dòng)膜上的ATP合 成酶，使ADP磷酸化形成ATP； 通過(guò)呼吸（電子傳遞），高能電子的能量轉(zhuǎn)

35、化為PMF；通過(guò)氧化磷酸 化，PMF的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為ATP的化學(xué)鍵能； 2H+跨膜運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)F1-F0ATP酶形成一個(gè)ATP； 氧化磷酸化 F1-F0ATP合成酶 氧化磷酸化由F1-F0ATP合成酶催化； F1-F0ATP合成酶由多個(gè)蛋白亞基構(gòu)成， 其中F0位于膜上，F(xiàn)1位于膜內(nèi)；中間 有質(zhì)子通道； 當(dāng)質(zhì)子流穿過(guò)質(zhì)子通道時(shí)，引起ATP 酶構(gòu)象改變，使ADP磷酸化形成ATP； 有氧呼吸：分子氧作為呼吸的最終電子受體（terminal electron acceptor），在細(xì)胞色素aa3的催化下，接受電子被還原，形成呼吸 產(chǎn)物水的呼吸過(guò)程； NAD(P)H（FADH2） NAD(P)+（FAD2+）

36、+2H+2e O2 2H+ 2e H2O 呼吸的末端反應(yīng)有氧呼吸 l進(jìn)行有氧呼吸的微生物為好氧 微生物； 無(wú)氧呼吸：用除O2以外的其它氧化態(tài)無(wú)機(jī)或有機(jī)物作為呼吸的最終電子 受體，在末端氧化酶催化下被還原，形成呼吸產(chǎn)物的呼吸過(guò)程； 無(wú)氧呼吸存在于某些兼性厭氧或?qū)Ｐ詤捬跷⑸镏校鶕?jù)呼吸的末端反 應(yīng)不同，可分為許多類(lèi)型： 硝酸鹽呼吸、亞硝酸鹽呼吸； 硫酸鹽呼吸、硫呼吸； 二氧化碳呼吸、延胡索酸呼吸； 鐵呼吸、錳呼吸； 呼吸的末端反應(yīng)無(wú)氧呼吸 葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑和TCA循環(huán)被徹底氧化為CO2，并釋放出大量高能 電子而形成NAD(P)H或FADH2； 通過(guò)呼吸將NAD(P)H或FADH2重新氧化，使N

37、AD(P)+和FAD2+再生， 維持胞內(nèi)NAD(P)+/ NAD(P)H和FAD2+/ FADH2平衡；并通過(guò)氧化磷 酸化，高效率產(chǎn)生ATP： 由于大量NAD(P)H或FADH2來(lái)自于TCA循環(huán)，所以呼吸和TCA循環(huán)不 可分割；當(dāng)無(wú)最終電子受體時(shí)，呼吸停止，TCA也停止，減少NADH 的生成；然后開(kāi)通溢流代謝，實(shí)現(xiàn)NAD+的再生，同時(shí)降低產(chǎn)能效率； 呼吸與中心碳分解代謝的關(guān)系 一對(duì)電子從NADH沿呼吸鏈傳遞到O2，共排出32H+，可以形成三個(gè) ATP，即消耗一個(gè)氧原子，形成三個(gè)高能磷酸鍵（P/O3）； 一對(duì)電子從FADH2傳遞到O2，排出22H+，可以形成兩個(gè)ATP（P/O 2）； 有氧呼吸的

38、產(chǎn)能效率P/O 氧化磷酸化： EMP：2NADH 6 ATP 2丙酮酸2乙酰CoA：2NADH 6 ATP TCA循環(huán)：6NADH18 ATP 2FADH24 ATP 底物水平磷酸化; EMP： 2 ATP； TCA循環(huán)：2ATP 總計(jì)：1分子葡萄糖34ATP4ATP38ATP 葡萄糖有氧呼吸產(chǎn)能的效率 E. coli的硝酸鹽呼吸 E. coli是兼性厭氧菌，有氧時(shí)，有氧呼 吸； 無(wú)氧而有硝酸鹽時(shí)，硝酸鹽呼吸；末端 氧化酶為硝酸鹽還原酶，最終電子受體 為硝酸，呼吸產(chǎn)物為亞硝酸； 無(wú)氧而無(wú)硝酸鹽時(shí)，只進(jìn)行混合酸發(fā)酵； B. subtilis為好氧菌，兼性無(wú)氧呼吸，硝酸鹽和亞硝酸鹽呼吸，呼吸產(chǎn) 物

39、為氨，稱(chēng)氨化作用（ammonification）； B. licheniformis也進(jìn)行硝酸鹽呼吸，呼吸產(chǎn)物為氮；稱(chēng)為脫氮作用 （denitrification）； 硝酸鹽作為呼吸的電子受體而被還原的反應(yīng)，也稱(chēng)為異化型硝酸鹽還原 反應(yīng)或者反硝化作用： 反硝化作用降低土壤肥力，用于污水處理； Bacillus. sp.的硝酸鹽呼吸 硫酸鹽呼吸：以硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等氧化態(tài)含硫無(wú)機(jī)物作 為呼吸的最終電子受體，呼吸產(chǎn)物為硫化氫的無(wú)氧呼吸，也稱(chēng)為異化型 硫酸鹽還原反應(yīng)； 進(jìn)行硫酸鹽呼吸呼吸的細(xì)菌，統(tǒng)稱(chēng)為硫酸鹽還原菌（sulfate- reducing bacteria，SRB），也屬于脫硫

40、菌； 硫酸鹽還原菌是造成腐敗水體、物品惡臭的原因之一；可用于廢水處理， 去除水中的硫酸； 硫酸鹽呼吸： SO42- SO32-；S2O32- ；S；H2S； 硫呼吸： S H2S 硫酸鹽呼吸 多數(shù)硫酸鹽呼吸菌屬于變形菌門(mén) -d變形菌綱： 脫硫菌屬（Desulfurella） 脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）脫硫單胞 菌屬（Desulfomonas）脫硫桿菌屬（Desulfobacter）脫硫球菌屬 （Desulfococcus） 脫硫八疊球菌屬（Desulfosarcina） 脫硫小桿 菌屬（Desulfotalea） 厚壁菌門(mén)-梭菌目-消化球菌科（Peptococcaceae）： 脫

41、硫腸狀菌屬（Desulfotomaculum）、脫硫芽孢彎曲菌屬 （Desulfosporosinus） 硫酸鹽還原菌的主要屬 進(jìn)行延胡索酸呼吸的細(xì)菌大多生活在牛的瘤胃中，呼吸產(chǎn)物主要為琥珀 酸；延胡索酸琥珀酸 在分類(lèi)系統(tǒng)中屬于d變形菌綱的琥珀酸弧菌科（Succinivibrionaceae） 琥珀酸弧菌屬（Succinivibrio） 厭氧螺菌屬（Anaerobiospirillum） 瘤胃桿菌屬（Ruminobacter） 琥珀酸單胞菌屬（Succinimonas） 延胡索酸呼吸的細(xì)菌屬 所有產(chǎn)甲烷細(xì)菌進(jìn)行CO2或碳酸鹽呼吸，還原產(chǎn)物為甲烷（沼氣發(fā)酵） 或乙酸；CO2CH4 產(chǎn)甲烷細(xì)菌都屬于古生菌，在分類(lèi)系統(tǒng)中歸為廣古生菌門(mén) （Euryarchaeota phy. nov.） 甲烷桿菌綱（Methanobacteria class. nov.） 甲烷球菌綱（Methanococci class. nov.） 甲烷嗜高熱菌綱（Methanopyri class. nov.） 產(chǎn)甲烷菌的CO2呼吸 鐵還原菌以三價(jià)鐵作為呼吸的最終電子受體，呼吸產(chǎn)物為二價(jià)鐵；假 單胞菌和芽孢桿菌等很多細(xì)菌進(jìn)行兼性鐵呼吸菌； 專(zhuān)性鐵呼吸菌有鐵還原桿菌門(mén)（Deferribacteres）以及d變形菌綱的 鐵還原單胞菌屬（Ferrimomas）； 專(zhuān)性鐵還原細(xì)菌還能以高價(jià)錳作為電