化能異養(yǎng)型微生物-的生物氧化課件

化能異養(yǎng)型微生物

的生物氧化

2022/11/111張星元：發(fā)酵原理2.3.1氧化還原反應(yīng)

2.3.2微生物進(jìn)行生物氧化的細(xì)胞器

及ATP合成酶

2.3.3生物氧化過程中輔酶的關(guān)鍵作

用

2.3.4化能異養(yǎng)型微生物生物氧化的

方式2022/11/112張星元：發(fā)酵原理

化能異養(yǎng)型微生物將有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化成可以被自身直接利用的能量形式（ATP或質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢Δp等）的代謝過程，叫做化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)代謝能的代謝，一般稱產(chǎn)能代謝。2022/11/113張星元：發(fā)酵原理

化能異養(yǎng)型微生物產(chǎn)能代謝，始于能源化合物（還原性有機(jī)化合物）的生物氧化（即能源化合物釋放電子）。生物氧化歸根到底屬于氧化還原反應(yīng)。2022/11/114張星元：發(fā)酵原理2.3.1氧化還原反應(yīng)

2022/11/115張星元：發(fā)酵原理通常把在氧化還原反應(yīng)中失去電子而被氧化的物質(zhì)稱為還原劑，把得到電子而被還原的物質(zhì)稱為氧化劑。在一個(gè)氧化還原反應(yīng)中，氧化劑獲得的電子總數(shù)必然等于還原劑失去的電子總數(shù)。2022/11/117張星元：發(fā)酵原理對(duì)于組成和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物，特別是有機(jī)化合物，可以采用“氧化數(shù)

”這個(gè)概念來討論氧化還原反應(yīng)。用氧化數(shù)來表示物質(zhì)中元素的表觀電荷數(shù)，這樣就可以把氧化和還原分別定義為反應(yīng)物質(zhì)中元素的氧化數(shù)的升高和下降。元素的氧化數(shù)升高，說明它已被氧化了；元素的氧化數(shù)下降，說明它已被還原了。2022/11/118張星元：發(fā)酵原理在有機(jī)體生命活動(dòng)中，參與氧化還原反應(yīng)的往往是有機(jī)化合物，或者反應(yīng)的一方是有機(jī)化合物，采用氧化數(shù)這個(gè)概念來討論氧化還原反應(yīng)比較方便。在有機(jī)體生命活動(dòng)中，氫元素不論是以氫離子的形式存在于細(xì)胞內(nèi)外的溶液中，還是與其他原子共價(jià)相連的形式，存在于組成細(xì)胞的有機(jī)化合物分子中，其氧化數(shù)均規(guī)定為+1。2022/11/119張星元：發(fā)酵原理在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的涉及電子從一個(gè)分子到另一個(gè)分子轉(zhuǎn)移的產(chǎn)能反應(yīng)，總稱為生物氧化。在一般的氧化還原反應(yīng)中，還原劑將電子直接交給氧化劑并放出能量；在生物氧化過程中，還原劑首先將電子交給一級(jí)電子載體，再由一級(jí)電子載體將電子轉(zhuǎn)交給氧化劑，并把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成生物可以直接利用的能量形式——代謝能。

2022/11/1110張星元：發(fā)酵原理

在生物氧化過程中，盡管還原劑釋放的電子并不直接交給氧化劑，但是最終還是轉(zhuǎn)交給氧化劑，同樣完成了氧化和還原這兩個(gè)“半反應(yīng)”。因此生物氧化本質(zhì)上還是氧化還原反應(yīng)。因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)的這些氧化還原反應(yīng)向著能源化合物氧化降解和放能的方向進(jìn)行，因而有生物氧化之稱。2022/11/1111張星元：發(fā)酵原理生物氧化與一般的氧化還原反應(yīng)相比較，氧化還原的本質(zhì)是一樣的，但進(jìn)行的過程和結(jié)果大不一樣。生物氧化是按一定順序進(jìn)行的、酶催化的、受到嚴(yán)密控制的逐級(jí)釋放能量的過程，以這種方式釋放的能量中的一部分可直接用來支撐生命活動(dòng)。因此，沒有生物氧化就沒有代謝能，沒有代謝能的支撐就沒有生命活動(dòng)。2022/11/1112張星元：發(fā)酵原理2.3.2微生物進(jìn)行生物氧化的

細(xì)胞器及ATP合成酶

2022/11/1113張星元：發(fā)酵原理2.3.2.1線粒體的膜與原核細(xì)胞的質(zhì)膜

2.3.2.2ATP合成酶2022/11/1114張星元：發(fā)酵原理

微生物細(xì)胞可直接利用的能量供體（以ATP為代表）的生成依賴于微生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的生物氧化（呼吸和發(fā)酵）。而經(jīng)生物氧化生成的ATP又為一切生物學(xué)過程及時(shí)、準(zhǔn)確地提供代謝能。2022/11/1115張星元：發(fā)酵原理微生物的呼吸和發(fā)酵作用在細(xì)胞特定部位或特定的細(xì)胞器里進(jìn)行。在這些細(xì)胞部位和細(xì)胞器里包含著各種氧化還原酶（包括它們的輔酶和輔基）、電子傳遞鏈、輸送蛋白和ATP合成酶。2022/11/1116張星元：發(fā)酵原理2.3.2.1線粒體的膜與原核細(xì)胞的質(zhì)膜2022/11/1117張星元：發(fā)酵原理與呼吸關(guān)系最密切的細(xì)胞器是線粒體，對(duì)于原核細(xì)胞則是細(xì)胞質(zhì)膜。線粒體內(nèi)膜和原核細(xì)胞的質(zhì)膜包含電子傳遞鏈、ATP酶，以及與呼吸有關(guān)的輸送蛋白。2022/11/1118張星元：發(fā)酵原理根據(jù)NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2022/11/1119張星元：發(fā)酵原理根據(jù)NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2022/11/1120張星元：發(fā)酵原理2022/11/1121張星元：發(fā)酵原理真核微生物才有線粒體，前圖大致描繪了其結(jié)構(gòu)和功能。線粒體的外膜上鑲嵌著一些起非特異性孔道作用的蛋白質(zhì)，它們允許相對(duì)分子質(zhì)量小于10000道爾頓的溶質(zhì)通過，但像細(xì)胞色素那樣大的分子是不能通過的。2022/11/1122張星元：發(fā)酵原理

線粒體內(nèi)膜含有較多的蛋白質(zhì)，它不但對(duì)溶質(zhì)的通過具有選擇性，而且具有不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)換功能。它實(shí)際上依靠載體讓離子和分子通過，是控制各種生理物質(zhì)進(jìn)出線粒體的屏障。2022/11/1123張星元：發(fā)酵原理

內(nèi)膜中的蛋白質(zhì)包括電子傳遞鏈的多肽成員、各種輸送蛋白質(zhì)和ATP合成酶等。還有一些酶（如以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶）與內(nèi)膜內(nèi)側(cè)相連，而已經(jīng)觀察到的內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的球狀突起物則是ATP合成酶的具催化功能的亞單位。2022/11/1124張星元：發(fā)酵原理線粒體基質(zhì)中包含線粒體的DNA和核糖體，以及與蛋白質(zhì)合成、氨基酸分解代謝、脂肪酸β-氧化有關(guān)的酶和TCA環(huán)的酶（其中琥珀酸脫氫酶與內(nèi)膜相聯(lián)）。線粒體內(nèi)外膜之間的膜間腔內(nèi)也含有特殊的酶，如腺苷酸激酶。

2022/11/1125張星元：發(fā)酵原理與代謝有關(guān)的底物、產(chǎn)物以及還原力在細(xì)胞質(zhì)和線粒體基質(zhì)之間的傳遞，對(duì)真核微生物的代謝是非常重要的。這主要是因?yàn)榻徒夂蚉P環(huán)（磷酸戊糖循環(huán)）發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)，而脂肪酸的β-氧化（脂肪酸的降解）以及乙?；慕到猓═CA環(huán)的氧化過程）發(fā)生在線粒體的基質(zhì)中。2022/11/1126張星元：發(fā)酵原理由胞質(zhì)中的酵解作用產(chǎn)生的丙酮酸，如果要經(jīng)TCA環(huán)氧化，則必須首先進(jìn)入線粒體。電子傳遞磷酸化作用要求將磷酸根（Pi）和ADP送入線粒體，而線粒體中通過電子傳遞磷酸化生成的ATP，又必須被送出線粒體，才能參與細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的需要ATP的反應(yīng)。2022/11/1127張星元：發(fā)酵原理根據(jù)對(duì)原核細(xì)胞的研究，得知原核細(xì)胞的質(zhì)膜是不對(duì)稱的。NADH和分子氧與膜發(fā)生作用的位置只能在膜的內(nèi)側(cè)，同樣，與膜結(jié)合的以FAD為輔酶的脫氫酶也在膜內(nèi)側(cè)，這些都是由電子傳遞鏈多肽成員在膜上的定位決定的。因?yàn)樵思?xì)胞的糖酵解和TCA環(huán)均在同一細(xì)胞空間進(jìn)行，所以在原核細(xì)胞中NADH的釋放電子和氧分子的接受電子不存在什么空間障礙。2022/11/1128張星元：發(fā)酵原理對(duì)于真核細(xì)胞，由于NADH不能跨過線粒體內(nèi)膜，要借助所謂的穿梭系統(tǒng)，其中最簡單的系統(tǒng)是3-磷酸甘油/磷酸二羥丙酮穿梭系統(tǒng)。線粒體的3-磷酸甘油脫氫酶的催化位點(diǎn)位于線粒體內(nèi)膜的外表面，因此3-磷酸甘油的重新氧化并沒有必要跨過線粒體內(nèi)膜。2022/11/1129張星元：發(fā)酵原理細(xì)菌的細(xì)胞膜也有與線粒體內(nèi)膜類似電子傳遞磷酸化的功能，特別是化能異養(yǎng)型細(xì)菌。細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上也有電子傳遞鏈、ATP合成酶和輸送蛋白。但由于細(xì)菌所處的環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有線粒體所處的真核細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，細(xì)菌的電子傳遞鏈的組成變化較線粒體大。

2022/11/1130張星元：發(fā)酵原理化能異養(yǎng)型細(xì)菌的呼吸鏈與線粒體的呼吸鏈的主要差別圖。

2022/11/1131張星元：發(fā)酵原理2.3.2.2ATP合成酶

2022/11/1132張星元：發(fā)酵原理ATP合成酶鑲嵌在真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜，及細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)膜，膜上的ATP合成酶呈球狀突起，伸向線粒體基質(zhì)或細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)。ATP合成酶實(shí)際上是多個(gè)多肽組成的復(fù)合體。這復(fù)合體由兩部分構(gòu)成，在電鏡下看到的球狀突起體是ATP合成酶的催化部分

，在線粒體中稱為F1。ATP合成酶復(fù)合體的其余部分F0埋在膜里，作為向F1運(yùn)送質(zhì)子的跨膜通道（又有“質(zhì)子阱”之稱）。2022/11/1133張星元：發(fā)酵原理頭部（F1）：為水溶性的球蛋白，從線粒體內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi)，較易從膜上脫落。由3α、3β、γ、δ、ε等9個(gè)亞基組成。α和β亞基上均有核苷酸結(jié)合位點(diǎn)，其中β亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化ATP合成或水解的活性。γ和ε亞基有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合在一起形成“轉(zhuǎn)子”，共同旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)三個(gè)β亞基的催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉。

基部（F0

）

：是嵌于膜內(nèi)的疏水蛋白的復(fù)合體，形成一個(gè)跨膜質(zhì)子通道。由a、b、c三種亞基構(gòu)成。a亞基、b亞基的二聚體與F1的δ亞基一起組成了“定子”。

基質(zhì)內(nèi)膜胞液－－－+++2022/11/1134張星元：發(fā)酵原理

在真核微生物細(xì)胞中，由于ATP合成酶的F1球體位于線粒體內(nèi)膜基質(zhì)一側(cè)，因此，通過電子傳遞磷酸化作用生成的所有ATP，都在線粒體基質(zhì)里。這些ATP中的大部分必須轉(zhuǎn)移到線粒體外，因?yàn)榧?xì)胞需要ATP的過程大多是在線粒體外進(jìn)行。2022/11/1135張星元：發(fā)酵原理線粒體內(nèi)ATP的不斷合成是通過ATP向外，ADP向內(nèi)，以及與OH—離子相平衡的等摩爾的磷酸向內(nèi)遷移（H2PO4-／OH-反向通道輸送）來實(shí)現(xiàn)的。H2PO4-／OH-和ATP/ADP載體系統(tǒng)的綜合效應(yīng)是：每合成1個(gè)ATP分子即引起1個(gè)質(zhì)子的額外的流入（相當(dāng)于1個(gè)OH-離子的流出），該質(zhì)子的電荷被用于驅(qū)動(dòng)ADP3-和ATP4-的交換。線粒體內(nèi)膜的內(nèi)外，腺苷酸總濃度保持不變。2022/11/1136張星元：發(fā)酵原理

F0的功能是作為質(zhì)子通道，它允許質(zhì)子借助它而跨膜，并把質(zhì)子交給ATP合成酶的催化部位F1，F(xiàn)1則起催化ADP的磷酸化或ATP的水解的作用。寡霉素能與F0的一個(gè)叫做寡霉素敏感授予蛋白（OSCP）的組分結(jié)合，使質(zhì)子阱阻塞，從而控制ATP合成酶的作用；然而，寡霉素對(duì)細(xì)菌的ATP合成酶沒有影響，因?yàn)榧?xì)菌ATP合成酶復(fù)合體中沒有OSCP。2022/11/1137張星元：發(fā)酵原理2.3.3生物氧化過程中

輔酶的關(guān)鍵作用

2022/11/1138張星元：發(fā)酵原理生物氧化本質(zhì)上是氧化還原反應(yīng)，因?yàn)榘l(fā)生了電子從一個(gè)分子到另一個(gè)分子轉(zhuǎn)移。但又不同于一般的氧化還原反應(yīng)，主要表現(xiàn)在：

①生物氧化是按一定順序進(jìn)行的、由酶催化的逐級(jí)放能的過程；

②還原性化合物（還原劑）首先把電子交給一級(jí)電子載體，而不是直接交給最終電子受體（氧化劑），而在普通的氧化還原反應(yīng)中還原劑直接向氧化劑移交電子。2022/11/1139張星元：發(fā)酵原理

在化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞的生物氧化過程中，除了脫氫酶和氧化酶以外，它們的輔酶和輔基的作用也是不可替代的。脫氫酶的輔酶包括NAD和NADP。

NAD主要在供能途徑的氧化還原反應(yīng)（生物氧化）中起作用，NADP通常是在生物合成反應(yīng)中起作用。在供能反應(yīng)中，NAD+（氧化型的NAD）是反應(yīng)物，而在合成反應(yīng)中，NADPH（還原型的NADP）是反應(yīng)物。2022/11/1140張星元：發(fā)酵原理2.3.3.1生物氧化的一級(jí)電子載體

2.3.3.2輔酶的再生和回用2022/11/1141張星元：發(fā)酵原理2.3.3.1生物氧化的一級(jí)電子載體2022/11/1142張星元：發(fā)酵原理

在生物氧化的過程中，還原劑（能源化合物或其降解物）把電子交給電子載體，經(jīng)一個(gè)或多個(gè)電子載體，最后移交給氧化劑（最終電子受體）。

2022/11/1143張星元：發(fā)酵原理所謂載體，一般是指運(yùn)載工具，其最基本的功能是：

①“接納（可裝）”、

②“排空（可卸）”、

③“貫通（可運(yùn)貨）”。

所謂電子載體就是“電子搭乘的載體”。2022/11/1144張星元：發(fā)酵原理微生物以不同的方式進(jìn)行生物氧化，在生物氧化的過程中，還原劑放出的電子“搭乘”電子載體，電子載體的種類和“轉(zhuǎn)乘”的次數(shù)不同。還原劑放出的電子首次搭乘的電子載體叫做一級(jí)電子載體，接下來搭乘的電子載體叫做二級(jí)電子載體……，依此類推。最后一級(jí)的電子載體將電子交給最終電子受體，完成這一輪生物氧化過程。2022/11/1145張星元：發(fā)酵原理生物氧化的一級(jí)電子載體主要包括：

①脫氫酶的輔酶：煙酰胺酰腺嘌呤二核苷酸（NAD）和煙酰胺酰腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）,

②氧化酶（黃素蛋白）的輔基：腺嘌呤黃素二核苷酸（FAD）和黃素單核苷酸（FMN）。2022/11/1146張星元：發(fā)酵原理對(duì)于化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞來說，作為還原劑的有機(jī)化合物不論以何種方式進(jìn)行生物氧化，其釋放的電子，經(jīng)各級(jí)電子載體逐級(jí)傳遞，直到這些電子被它們的最終電子受體接受的全過程中，只有一個(gè)步驟是有共性的，而且均是必不可少的，這就是，還原劑釋放的電子首先要被生物氧化過程的一級(jí)電子載體接受。

2022/11/1147張星元：發(fā)酵原理

把還原劑放出的電子首先交給一級(jí)電子載體（脫氫酶或氧化酶的輔酶）是生物氧化的共性，也是生物氧化反應(yīng)與一般的氧化還原反應(yīng)的一個(gè)重大的區(qū)別。2022/11/1148張星元：發(fā)酵原理具有相同起訖點(diǎn)的氧化還原反應(yīng)，例如，乙醇（酒精）完全氧化，生成二氧化碳和水，這個(gè)過程可以經(jīng)兩條不同的路徑來實(shí)現(xiàn)：①一般的氧化還原反應(yīng)；②生物氧化反應(yīng)。這兩條路徑起訖點(diǎn)相同，但過程不同，自由能釋放的情況及代謝能捕獲的情況大相徑庭。因此，點(diǎn)燃茅臺(tái)酒（一般的氧化還原反應(yīng)）可以照明和取暖，適量飲用茅臺(tái)酒（生物氧化反應(yīng)）可以支持生命活動(dòng)。2022/11/1149張星元：發(fā)酵原理在脫氫反應(yīng)的過程中，能源化合物（還原劑）首先將電子交給一級(jí)電子載體——脫氫酶的輔酶，即NAD的氧化形式NAD+，使它轉(zhuǎn)化為其還原形式NADH。

那么，一級(jí)電子載體怎樣支持生物氧化的持續(xù)進(jìn)行呢？（認(rèn)辨、接納、運(yùn)送、排空）2022/11/1150張星元：發(fā)酵原理2.3.3.2輔酶的再生和回用

2022/11/1151張星元：發(fā)酵原理在工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域，輔酶的再生和回用的概念的提出和應(yīng)用，有利于對(duì)代謝能支撐假說的深入理解。2022/11/1152張星元：發(fā)酵原理

NAD和NADP是脫氫酶的輔酶，F(xiàn)AD和FMN是氧化酶的輔基，ATP是激酶的輔酶。在脫氫酶的輔酶中，NAD主要在供能途徑的氧化還原反應(yīng)（生物氧化）中起作用，NADP通常用于生物合成反應(yīng)。因此，在分析輔酶在生物氧化中的關(guān)鍵作用時(shí)，當(dāng)然把NAD作為首選對(duì)象。2022/11/1153張星元：發(fā)酵原理NAD是以NAD+的形式參加脫氫反應(yīng)的，它作為一級(jí)電子受體直接從脫氫酶的底物（還原劑）接受一對(duì)電子被還原成NADH。

NADH中的“H”實(shí)際上是氫負(fù)離子（hydrideion），也就是一個(gè)氫離子和一對(duì)電子（H++2e-）。

2022/11/1154張星元：發(fā)酵原理NADH卸下（卸載）這一對(duì)電子并釋放出氫離子而被再生成NAD+。然后，NAD+才能與脫氫酶的酶蛋白形成脫氫酶復(fù)合物，一起參與下一輪的脫氫酶的反應(yīng)，這就是輔酶的回用。脫氫的輔酶NAD就是這樣不斷地“使用，再生，回用，再生，回用……”，持續(xù)地支持脫氫反應(yīng)。2022/11/1155張星元：發(fā)酵原理

在微生物細(xì)胞的產(chǎn)能代謝中，還原型輔酶NADH上的一對(duì)電子主要以兩種不同的方式卸載。2022/11/1156張星元：發(fā)酵原理在有外源電子受體的情況下，負(fù)載電子的NADH將電子交給電子傳遞鏈而再生為空載的電子載體NAD+，卸載電子后，空載的電子載體NAD+將繼續(xù)投入下一輪的電子運(yùn)載工作（作為脫氫酶的輔酶接受能源化合物或其還原性降解物分子釋放的電子）；NADH交給電子傳遞鏈的電子經(jīng)電子傳遞鏈傳到最終電子受體，完成生物氧化。2022/11/1157張星元：發(fā)酵原理還原性化合物（電子供體）2e-2e-2e-2e-2e-電子傳遞鏈外源電子受體NADHNADHNAD+微生物呼吸過程中的電子傳遞和脫氫酶輔酶的再生與回用空NADH=NAD+〔H∶〕-〔H∶〕-+2e-=H+2022/11/1158張星元：發(fā)酵原理

在沒有外源電子受體的情況下，NADH將電子直接交給內(nèi)源電子受體（代謝中間化合物），在完成還原反應(yīng)的同時(shí)NADH被再生（被氧化）為空載的電子載體NAD+。卸載電子后，空載的電子載體NAD+將繼續(xù)投入下一輪的電子的運(yùn)載工作。2022/11/1159張星元：發(fā)酵原理還原性化合物（電子供體）2e-2e-2e-2e-內(nèi)源電子受體（生成發(fā)酵產(chǎn)物）NADHNADHNAD+空微生物發(fā)酵過程中的電子傳遞和脫氫酶輔酶的再生和回用2022/11/1160張星元：發(fā)酵原理因此，在化能異養(yǎng)型微生物進(jìn)行生物氧化（不論是發(fā)酵還是呼吸）的過程中，脫氫酶的輔酶作為一級(jí)電子載體，起到了從脫氫酶的底物（能源化合物或其還原性降解物分子）直接接受電子的關(guān)鍵作用。2022/11/1161張星元：發(fā)酵原理細(xì)胞或細(xì)胞器的空間內(nèi)NAD+是有限的，如果作為電子載體的輔酶NAD+不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會(huì)愈來愈少，脫氫反應(yīng)就不能持續(xù)進(jìn)行下去了。因此輔酶的再生必須及時(shí)，使有限的輔酶分子得到正常的周轉(zhuǎn)，以保證生物氧化作用的持續(xù)進(jìn)行。2022/11/1162張星元：發(fā)酵原理2.3.4化能異養(yǎng)型微生物

生物氧化的方式

2022/11/1163張星元：發(fā)酵原理目前發(fā)酵工業(yè)上使用的工業(yè)微生物絕大多數(shù)是化能異養(yǎng)型微生物。根據(jù)化能異養(yǎng)型微生物在生物氧化時(shí)有沒有外源的最終電子受體，以及最終的外源電子受體是不是分子氧，可將化能營養(yǎng)型微生物的生物氧化分成發(fā)酵、有氧呼吸和無氧呼吸三類，它們在本質(zhì)上都是氧化還原反應(yīng)。2022/11/1164張星元：發(fā)酵原理生物氧化還原型的輔酶攜帶的電子有沒有外源電子受體有無發(fā)酵呼吸還原型的輔酶攜帶的電子的最終電子受體是不是分子氧是不是有氧呼吸無氧呼吸生物氧化的特點(diǎn)和分類(1)(2)⑴還原劑將電子直接交給氧化型的輔酶，形成還原型的輔酶；⑵還原型的輔酶將電子交給電子傳遞鏈，并通過電子傳遞鏈最終把電子交給最終電子受體；⑶還原型的輔酶將電子交給內(nèi)源的電子受體。(3)2022/11/1165張星元：發(fā)酵原理2.3.4.1發(fā)酵

2022/11/1166張星元：發(fā)酵原理在沒有外源最終電子受體的條件下，化能異養(yǎng)型微生物的能源有機(jī)化合物或其還原性降解物，通過將一個(gè)內(nèi)源的（已經(jīng)經(jīng)過該細(xì)胞代謝的）有機(jī)化合物還原而自身被氧化的生物學(xué)過程稱為發(fā)酵。2022/11/1167張星元：發(fā)酵原理發(fā)酵過程中的碳架流與電子流2022/11/1168張星元：發(fā)酵原理

在發(fā)酵過程中，一般并不發(fā)生經(jīng)包含細(xì)胞色素等的電子傳遞鏈的電子傳遞過程，而是通過底物水平磷酸化來獲得ATP；在發(fā)酵過程中，一般是一級(jí)電子載體NAD首先接受能源有機(jī)化合物（或其某降解物）釋放的電子，然后以NADH的形式直接將電子交給內(nèi)源的電子受體，將它還原成發(fā)酵產(chǎn)物，從而完成氧化還原反應(yīng)。

2022/11/1169張星元：發(fā)酵原理在厭氧條件下，化能異養(yǎng)型微生物經(jīng)EMP、ED、PK或不完全的HMP途徑，首先將葡萄糖降解為PYR，并生成NAD（P）H。進(jìn)一步的代謝主要是一些使用NADH的還原過程和生物氧化降解過程，或者說是從PYR開始的發(fā)酵過程。

2022/11/1170張星元：發(fā)酵原理生成能量代謝副產(chǎn)物的亞網(wǎng)絡(luò)（“R”

標(biāo)注還原反應(yīng)）

2022/11/1171張星元：發(fā)酵原理許多細(xì)菌、真菌（特別是酵母菌）和某些原生動(dòng)物都能進(jìn)行發(fā)酵模式的生物氧化作用，發(fā)酵可能是這些微生物專一的或可選擇的生物氧化模式。注意，發(fā)酵過程中所用的能源有機(jī)化合物以及所形成的發(fā)酵產(chǎn)物的性質(zhì)，可能會(huì)因不同的微生物種而有很大變化，這常常是微生物的重要分類學(xué)特征。2022/11/1172張星元：發(fā)酵原理

微生物的發(fā)酵途徑，因不同的微生物物種、不同的能源化合物、不同的環(huán)境條件而五花八門，體現(xiàn)了微生物生命活動(dòng)的多樣性。

2022/11/1173張星元：發(fā)酵原理

比較了解的發(fā)酵大致有以下幾種，大多與傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)：

①酵母菌的酒精發(fā)酵，②酵母菌的甘油發(fā)酵(添加NaHSO3)，③酵母菌的甘油發(fā)酵(歧化反應(yīng))，④細(xì)菌的酒精發(fā)酵，⑤細(xì)菌的同型乳酸發(fā)酵，⑥細(xì)菌的異型乳酸發(fā)酵，⑦雙歧發(fā)酵途徑。以上7種發(fā)酵有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是發(fā)酵中被氧化的和被還原的有機(jī)化合物均為葡萄糖的降解產(chǎn)物。2022/11/1174張星元：發(fā)酵原理

Stickland反應(yīng)是另一種情況下的發(fā)酵，在這種發(fā)酵中，一種氨基酸的氧化與另一種氨基酸的還原通過NAD相耦聯(lián)。

而所謂琥珀酸發(fā)酵，實(shí)際上是一種以外源有機(jī)化合物為最終電子受體的無氧呼吸，實(shí)際上不是發(fā)酵。通常所說的甲烷發(fā)酵實(shí)際上也是無氧呼吸。2022/11/1175張星元：發(fā)酵原理2.3.4.2有氧呼吸

2022/11/1176張星元：發(fā)酵原理⑴PYR通過TCA環(huán)被進(jìn)一步氧化

⑵NADH和NADPH分子上的“H”的去向2022/11/1177張星元：發(fā)酵原理

當(dāng)有外源的（沒有經(jīng)過該細(xì)胞代謝的）電子受體存在時(shí)，生物氧化就以電子傳遞的方式發(fā)生。電子傳遞分為在有氧條件下進(jìn)行的電子傳遞和在無氧條件下進(jìn)行的電子傳遞。2022/11/1178張星元：發(fā)酵原理在有氧條件下，一級(jí)電子載體NADH上的電子經(jīng)電子傳遞鏈一直傳到末級(jí)電子載體（電子傳遞鏈最后一個(gè)成員細(xì)胞色素氧化酶），然后，末級(jí)電子載體把電子交給最終電子受體分子氧，把分子氧還原成水，這就是有氧呼吸。2022/11/1179張星元：發(fā)酵原理

在有氧呼吸中，外源的最終電子受體是分子氧，而電子供體（或稱呼吸底物）是微生物進(jìn)行生物氧化的能源化合物（或其降解產(chǎn)物）?；墚愷B(yǎng)型微生物的能源化合物為有機(jī)化合物。化能自養(yǎng)型微生物的能源化合物是還原態(tài)的無機(jī)化合物，如H2、H2S、S、NH3、Fe2+、NO22-等。在有氧呼吸過程中，化能異養(yǎng)型微生物電子流動(dòng)和碳元素的流動(dòng)方向如圖所示：2022/11/1180張星元：發(fā)酵原理化能異養(yǎng)型微生物有氧呼吸過程中電子流動(dòng)和碳架流方向2022/11/1181張星元：發(fā)酵原理

在有分子氧的條件下能夠生長的需氧微生物、兼性厭氧微生物營有氧呼吸。它們發(fā)生有氧呼吸的基本條件是有分子氧存在，有合適的呼吸底物存在。

2022/11/1182張星元：發(fā)酵原理

化能異養(yǎng)型微生物的有氧呼吸有兩種形式。典型的一種是，呼吸底物的氧化不與分子氧的還原作用直接偶聯(lián)，而是讓其自身氧化過程中放出的電子經(jīng)過電子傳遞鏈最后才傳遞到分子氧（以分子氧為最終電子受體的電子傳遞鏈又稱呼吸鏈）。2022/11/1183張星元：發(fā)酵原理另一種非典型的是：呼吸底物脫下的氫和電子借助黃素蛋白轉(zhuǎn)移給分子氧，參與這類反應(yīng)的氧化酶都是以FAD或FMN為輔基的黃素蛋白，因此這種加氧呼吸又稱黃素蛋白水平呼吸。2022/11/1184張星元：發(fā)酵原理在有分子氧的條件下，化能異養(yǎng)型微生物可經(jīng)EMP途徑、不完全的HMP途徑ED途徑、PK途徑首先將葡萄糖降解為PYR，同時(shí)生成代謝能、NADH和NADPH；繼而這些還原性化合物和還原型輔酶在有分子氧的條件下進(jìn)行下述反應(yīng)：2022/11/1185張星元：發(fā)酵原理⑴PYR通過TCA環(huán)被進(jìn)一步氧化

PYR在進(jìn)入TCA環(huán)前，先要被轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A（AcCoA）。AcCoA的C-C鍵比較穩(wěn)定，難于打斷。盡管羰基的存在可使C-C鍵變?nèi)醵l(fā)生α裂解或β裂解，但在AcCoA的乙酰基中，談不上β裂解，若要進(jìn)行α裂解在能量上又不經(jīng)濟(jì)；而TCA環(huán)是大自然選擇的一種巧妙的、可用來降解乙?；耐緩?。

2022/11/1186張星元：發(fā)酵原理

TCA環(huán)——降解乙?；耐緩絇YR，丙酮酸；AcCoA，乙酰輔酶A；CTA，檸檬酸；ICA，α-KG，α-酮戊二酸；ScCoA，琥珀酰輔酶A；SCA，琥珀酸；FMA，延胡索酸；MLA，蘋果酸；OAA，草酰乙酸。原始底物再生底物2022/11/1187張星元：發(fā)酵原理

化能異養(yǎng)型微生物在有氧呼吸中，葡萄糖先降解為PYR，PYR被氧化脫羧生成AcCoA后，AcCoA與草酰乙酸（OAA）合成檸檬酸（CTA），進(jìn)入TCA環(huán)；經(jīng)異檸檬酸（ICA）、α-酮戊二酸（α-KG）、琥珀酸（SCA）、蘋果酸（MLA）等4次脫氫，以及α-KG的脫羧和ICA經(jīng)草酰琥珀酸的β裂解等2次脫羧，還有琥珀酰輔酶A（ScCoA）的1次底物水平磷酸化，最后又回復(fù)成OAA；至此乙?；勘谎趸?/p>

2022/11/1188張星元：發(fā)酵原理這樣每分子PYR經(jīng)TCA環(huán)生成3分子二氧化碳、4分子NAD（P）H（ICA脫氫時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中形成NADPH，真核微生物線粒體中形成NADH）、1分子FADH2和1分子ATP（在大腸桿菌中為ATP，在哺乳動(dòng)物中為GTP）。2022/11/1189張星元：發(fā)酵原理鑒于以上情況，可把AcCoA看作是TCA環(huán)的原始底物，把OAA看作再生底物。再生底物不足，勢必影響TCA環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響AcCoA中乙?；慕到狻＜?xì)胞（真核微生物的線粒體）內(nèi)OAA最初的生成及其量的維持，與TCA環(huán)的再生底物的回補(bǔ)及乙醛酸循環(huán)密切相關(guān)。2022/11/1190張星元：發(fā)酵原理微生物的需氧生長往往會(huì)導(dǎo)致TCA環(huán)的再生底物或其前體的外流（參與氨基酸等的合成），從而威脅到乙?；慕到?。為維持再生底物的量，必須進(jìn)行回補(bǔ)。除了細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)氨基酶所催化的反應(yīng)能直接或間接提供OAA等，也可使TCA環(huán)得到回補(bǔ)外，TCA環(huán)再生底物的回補(bǔ)主要來自二氧化碳固定和乙醛酸環(huán)。

2022/11/1191張星元：發(fā)酵原理

二氧化碳固定有以下3個(gè)反應(yīng)，它們分別由丙酮酸羧化酶（PC），磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）及蘋果酸酶（ME）催化：

PYR+CO2→OAA

PEP+CO2→OAA

PYR+CO2→MLA（→OAA）

化能異養(yǎng)型微生物要在己糖或EMP途徑的中間代謝物上進(jìn)行需氧生長，至少需具備以上3個(gè)反應(yīng)之一，以獲得TCA環(huán)的再生底物。

2022/11/1192張星元：發(fā)酵原理

AcCoA作為原始底物進(jìn)入TCA環(huán)，經(jīng)過TCA環(huán)及與其配套的電子傳遞鏈被分子氧氧化成CO2。2022/11/1193張星元：發(fā)酵原理乙醛酸環(huán)可看作是AcCoA的另一個(gè)去向，一個(gè)借助于TCA環(huán)的某些反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)按合成方向進(jìn)行的循環(huán)。因?yàn)橐胰┧崾窃撗h(huán)中的“2C”中間物，故稱為乙醛酸環(huán)（glyoxylatecycle，簡稱GOA環(huán)）。通過乙醛酸環(huán)，可把“2C”水平的AcCoA合成“4C”水平的化合物SCA，從而對(duì)TCA環(huán)進(jìn)行回補(bǔ)。2022/11/1194張星元：發(fā)酵原理2022/11/1195張星元：發(fā)酵原理乙醛酸環(huán)一共涉及到5個(gè)酶。在真核微生物中，它們都集中在一起，存在于特殊細(xì)胞器乙醛酸循環(huán)體（glyoxysomes）中。環(huán)中第①、②、⑤3個(gè)酶即TCA環(huán)中相應(yīng)的酶，所不同的是，在真核微生物中乙醛酸循環(huán)體中進(jìn)行這些反應(yīng)的檸檬酸合成酶和順烏頭酸酶是具有細(xì)胞器專一性的同功酶，它們和線粒體中TCA環(huán)中催化同樣反應(yīng)的酶在物理和酶學(xué)性質(zhì)上都有差別。2022/11/1196張星元：發(fā)酵原理酶③、④是乙醛酸環(huán)特有的酶，它們分別是異檸檬酸裂合酶（IL）和蘋果酸合成酸（MS）。當(dāng)微生物細(xì)胞中同時(shí)有IL和MS起作用時(shí)，乙醛酸環(huán)與TCA環(huán)等同時(shí)運(yùn)行。

乙醛酸環(huán)的酶受葡萄糖或其分解代謝物的阻遏。動(dòng)物（高等動(dòng)物）細(xì)胞中不存在乙醛酸環(huán)。2022/11/1197張星元：發(fā)酵原理乙醛酸環(huán)對(duì)生長在“2C”底物如乙酸或乙醇上的細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物來說是必須具備的代謝途徑。

乙酸或乙醇經(jīng)下列反應(yīng)先轉(zhuǎn)變成AcCoA，以參與乙醛酸環(huán)代謝：

⑴乙醇→乙醛→乙酸

⑵乙酸＋HSCoA＋ATP→

AcCoA＋AMP＋PPi2022/11/1198張星元：發(fā)酵原理⑵NADH和NADPH分子上的“H”的去向

“H”指的是氫負(fù)離子([H∶]-，hydrideion)，它包含一個(gè)氫離子（質(zhì)子）和一對(duì)電子：

NADH→NAD++[H∶]-

NADPH→NADP++[H∶]-

[H∶]-→H++2e-

2022/11/1199張星元：發(fā)酵原理

在有分子氧存在的條件下，需氧微生物和兼性厭氧微生物降解葡萄糖可生成NADH和NADPH。在細(xì)胞代謝中，輔因子NADH和NADPH有兩種不同的用途。2022/11/11100張星元：發(fā)酵原理NADH主要涉及通過氧化磷酸化反應(yīng)生成代謝能，NADH分子上的一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給分子氧，在此過程中釋放能量的一部分被捕獲生成ATP等形式的代謝能；而NADPH主要用于還原性生物合成。因此，NAD+作為供能反應(yīng)的底物，而NADPH用做生物合成反應(yīng)的底物，因而NADH/NAD+的比率和NADPH/NADP+的比率在不同的水平上受到調(diào)節(jié)。2022/11/11101張星元：發(fā)酵原理在細(xì)菌中,NADH/NAD+的比率為0.03~0.08，而NADPH/NADP+的比率為0.7~1.0(Ingraham等人,1983)。在酵母中這兩個(gè)比值分別為0.25~0.30和0.58~0.75。然而，這兩種輔酶可在尼克酰胺核苷酸轉(zhuǎn)氫酶的作用下相互轉(zhuǎn)化，它通過下面的反應(yīng)進(jìn)行催化實(shí)