發(fā)酵生理微生物的代謝

發(fā)酵生理微生物的代謝第1頁/共140頁工業(yè)上常用的碳源（carbonsource）1.谷物淀粉（玉米、馬鈴薯、木薯淀粉）

—

應(yīng)用最廣。使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類。第2頁/共140頁

缺點(diǎn)：

a.難利用、發(fā)酵液比較稠、一般>2.0%時加入一定的α-淀粉酶。

b.成分較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等。優(yōu)點(diǎn)：來源廣泛、價格低，可解除葡萄糖效應(yīng)。第3頁/共140頁

2.葡萄糖所有的微生物都能利用葡萄糖，但會引起葡萄糖效應(yīng)。工業(yè)上常用淀粉水解糖,但是糖液必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)。第4頁/共140頁第5頁/共140頁DE值：dextroseequivalentvalue

（葡萄糖當(dāng)量值）表示淀粉糖的含糖量。還原糖含量（％）DE值＝

100％干物質(zhì)含量（％）第6頁/共140頁淀粉水解糖的制備方法及原理（一）酸解法（acidhydrolysismethod）以酸為催化劑，在高溫高壓下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。

1.水解過程：總反應(yīng)式：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6過程：(C6H10O5)n(C6H10O5)xC12H22O11C6H12O6

淀粉糊精麥芽糖葡萄糖

H+對作用點(diǎn)無選擇性，-1,4-糖苷鍵和-1,6-糖苷鍵均被切斷。第7頁/共140頁評價優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，水解時間短，生產(chǎn)效率高，設(shè)備周轉(zhuǎn)快。缺點(diǎn)：（1）副產(chǎn)物多，影響糖液純度，一般DE值只有90％左右。（2）對淀粉原料要求嚴(yán)格，不能用粗淀粉，只能用純度較高的精制淀粉。

淀粉

葡萄糖復(fù)合二糖5‘－羥甲基糠醛復(fù)合低聚糖有機(jī)酸、有色物質(zhì)損失葡萄糖量

7％<1％復(fù)合反應(yīng)分解反應(yīng)鹽酸第8頁/共140頁酶解法（enzymehydrolysismethod）用專一性很強(qiáng)的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的工藝。

分兩步：（1）液化：用-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為糊精和低聚糖（2）糖化：用糖化酶（又稱葡萄糖淀粉酶）將糊精和低聚糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下進(jìn)行，又稱雙酶法(doubleenzymehydrolysismethod)。第9頁/共140頁液化（liquification）－淀粉酶水解底物內(nèi)部的－1,4糖苷鍵，不能水解－1,6糖苷鍵，一般采用耐高溫淀粉酶，使液化速度加快。85－90度。第10頁/共140頁

液化程度的控制（液化后需糖化的原因）糖液的DE值低（α-淀粉酶不能水解α-1,6糖苷鍵）液化在較高溫度下進(jìn)行，液化時間加長，淀粉老化，使糖化酶難以利用。糖化酶水解的底物分子要求有一定的大小范圍。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，DE值在2030之間為好，液化終點(diǎn)可通過碘液判斷，此時呈棕色。第11頁/共140頁2.糖化（saccharification）糖化酶從非還原性末端水解-1,4糖苷鍵和-1,6糖苷鍵。終點(diǎn)確定：DE值達(dá)最高時，停止酶反應(yīng)。第12頁/共140頁3.評價優(yōu)點(diǎn)：（1）反應(yīng)條件溫和，不需高溫、高壓設(shè)備。（2）副反應(yīng)少，水解糖液純度高。（3）對原料要求粗放，可用粗原料并在較高淀粉乳濃度下水解。（4）糖液顏色淺，質(zhì)量高。第13頁/共140頁

缺點(diǎn)：（1）生產(chǎn)周期長，一般需要48小時。（2）需要更多的設(shè)備，且操作嚴(yán)格。第14頁/共140頁

（三）酸酶結(jié)合法（acid-enzymehydrolysismethod）集酸解法和酶解法的優(yōu)點(diǎn)而采取的生產(chǎn)工藝。根據(jù)原料淀粉性質(zhì)分：第15頁/共140頁酸酶法：先將淀粉酸水解成糊精和低聚糖，再用糖化酶將其水解為葡萄糖。適用：淀粉顆粒堅硬（如玉米、小麥）的原料，若用-淀粉酶液化，短時間液化，反應(yīng)往往不徹底。第16頁/共140頁2.酶酸法：先用-淀粉酶液化，再用酸水解。適用：顆粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用酸法，則水解不均勻。第17頁/共140頁（四）不同糖化工藝的比較項(xiàng)目酸解法酸酶結(jié)合法酶解法DE值919598羥甲基糠醛（％）0.30.0080.003色度100.30.2淀粉轉(zhuǎn)化率909598工藝條件高溫加壓高溫加壓常溫過程耗能多多少副產(chǎn)物多中少生產(chǎn)周期短中長設(shè)備規(guī)模小中大防腐要求高較高低適合發(fā)酵工藝情況差中有利第18頁/共140頁2.纖維素的降解纖維素是自然界中最豐富的可再生資源，占地球總生物量的40%，它也是地球生物圈碳素和能量循環(huán)的主要部分。由于纖維素具有水不溶性的高結(jié)晶構(gòu)造，其外圍又被木質(zhì)素層包圍著，要把它水解成可利用的葡萄糖相當(dāng)困難，所以到目前為止仍沒有得到很好地利用。近幾年隨著原油價格的不斷攀升，纖維素資源的利用引起了世界各國的極大關(guān)注和高度重視。我國出于對能源戰(zhàn)略的考慮，近幾年也加大了對纖維素利用的研究的投入。

（1）纖維素的結(jié)構(gòu)天然纖維素是由D-吡喃式葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵結(jié)合形成的線形長鏈分子，約由700-150,000個左右的殘基所構(gòu)成，一般在3000個左右。

第19頁/共140頁第20頁/共140頁通過分子間的氫鍵(O3-HO5’andO6

H-O2’)和分子鏈間的氫鍵(O6-H

O3’)形成網(wǎng)狀平面并通過疏水面的堆積構(gòu)成纖維素的晶體結(jié)構(gòu)。O3-HO5’O6

H-O2’O6-H

O3‘第21頁/共140頁天然纖維素除了我們上面提到的結(jié)晶結(jié)構(gòu)外，還有非結(jié)晶區(qū)。如下圖。結(jié)晶區(qū)無定形區(qū)第22頁/共140頁微生物降解纖維素的酶系降解和利用水不溶性的纖維素，微生物必須產(chǎn)生相應(yīng)的酶。在過去二十幾年里，根據(jù)酶對纖維素作用方式的研究，將纖維素降解的酶類分成三類：

(i)纖維素內(nèi)切酶[endoglucanasesor1,4--D-glucan-4-glucanohydrolases(EC3.2.1.4)](ii)纖維素外切酶[exoglucanases,including1,4--D-glucanglucanohydrolases(alsoknownascellodextrinases)(EC3.2.1.74)and1,4—Dglucancellobiohydrolases(cellobiohydrolases)(EC3.2.1.91)](iii)葡萄糖苷酶[-glucosidasesor-glucosideglucohydrolases(EC3.2.1.21).]纖維素內(nèi)切酶隨機(jī)在纖維素的無定形區(qū)將糖鏈切斷，產(chǎn)生新的鏈端。纖維素外切酶作用于纖維素鏈的兩端產(chǎn)生纖維二糖。葡萄糖苷酶降解纖維素湖精和纖維二糖為葡萄糖。第23頁/共140頁教材上也將纖維素酶分為三種C1酶、CX酶及?葡萄糖苷酶天然纖維素短鏈纖維素葡萄糖纖維二糖纖維寡糖纖維二糖葡萄糖C1酶CX酶?葡萄糖苷酶第24頁/共140頁

bySmallAngleX-rayScattering.J.Biol.Chem.Vol.277pp.40887–40892,2002纖維素酶的結(jié)構(gòu)可以分成三個部分：催化結(jié)構(gòu)域、吸附結(jié)構(gòu)域和連接肽。纖維素酶對纖維素的作用是一個識別、吸附和催化的過程。纖維素酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理第25頁/共140頁3、果膠半乳糖醛酸以a-1，4糖苷鍵形成的直鏈高分子化合物，，常帶有鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、海藻糖、芹菜糖等組成的側(cè)鏈，游離的羧基部分或全部與鈣、鉀、鈉離子，特別是與硼化合物結(jié)合在一起75%羧基甲基化成甲酯第26頁/共140頁從廣義上講，果膠酶可以被分為3種類型：①原果膠酶：可以把不溶于水的原果膠分解為可溶于水的高聚合體果膠；②果膠甲酯水解酶：脫去果膠中的甲氧基基團(tuán)，促使果膠的脫甲酯作用；③果膠聚半乳糖醛酸（解聚酶）：促使果膠中D-半乳糖醛酸的α-1，4糖苷鍵的裂解。目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用較多的果膠酶產(chǎn)生菌是細(xì)菌和霉菌，也有鏈霉菌產(chǎn)生果膠酶的報道。在細(xì)菌中，歐文氏桿菌(Erwiniasp.)、芽孢桿菌(Bacillussp.)、節(jié)桿菌(Arthrobactersp.)和假單胞桿菌(Pseodomonassp.)都產(chǎn)生果膠酶。嗜堿性芽孢桿菌屬和歐文氏桿菌屬主要用于在苧麻和紅麻的脫膠、生物制漿及污物的處理軟化等方面，應(yīng)用前景可觀，受到較多的關(guān)注和研究。已見報道的產(chǎn)果膠酶的霉菌種類大約包括20個屬，如曲霉屬(Aspergillussp.)、灰霉菌屬(Botrytissp.)、鐮孢菌屬(Fusariumsp.)、炭疽菌屬(Colletotrichumsp.)、核盤菌屬(Scletoriumsp.)和玉圓斑菌屬(Cochliobolussp.)等。目前，黑曲霉、根霉和盾殼霉作為產(chǎn)果膠酶的菌株已經(jīng)商品化。國內(nèi)外對霉菌發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的研究主要集中在曲霉屬中，而曲霉屬中研究最多的是黑曲霉。其原因是，果膠酶被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，如用于果汁、果酒及中藥營養(yǎng)液的深加工等，使得產(chǎn)品質(zhì)量和外觀得以改善，而生產(chǎn)食品酶制劑的菌株必須是安全菌株。黑曲霉分泌的胞外酶系較全，不僅可以產(chǎn)生大量果膠酶，而且黑曲霉屬于安全菌株。另外，黑曲霉產(chǎn)生的果膠酶最適pH值一般在酸性范圍內(nèi)，這也是其被應(yīng)用于食品工業(yè)行業(yè)中的原因之一研究進(jìn)展果膠酶第27頁/共140頁微生物來源蛋白酶制劑常按最適pH分類

堿性：pH10以上（2709枯草菌蛋白酶）酸性：pH2-3以下黑曲霉中性：多蛋白酶分類：內(nèi)肽酶（蛋白酶）外肽酶羧肽酶、氨肽酶蛋白酶按活性中心可分為絲氨酸蛋白酶、天門冬氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶和金屬蛋白酶；按最適pH值來分又分酸性蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶第28頁/共140頁葡萄糖丙酮酸CO2和H2O蛋白、核酸降解自己了解（教材或生物化學(xué)）生物大分子第29頁/共140頁微生物小分子代謝的中間體—丙酮酸

葡萄糖

酵解途徑

丙酮酸糖異生途徑

乳酸、氨基酸、甘油糖原肝糖原分解

糖原合成

核糖

+NADPH+H+磷酸戊糖途徑

淀粉纖維素消化與吸收

丙酮酸位于無氧分解和有氧分解的交界點(diǎn)上，是糖代謝中具有關(guān)鍵作用的中間產(chǎn)物從丙酮酸可直接生成丙氨酸，因?yàn)樗梢耘c氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)相結(jié)合，故在氮代謝方面也起著重要的作用和CoA反應(yīng)能形成乙酰CoA，與脂肪酸的代謝也有重要的關(guān)系因此，丙酮酸在三大營養(yǎng)物質(zhì)的代謝聯(lián)系中起著重要的樞紐作用丙酮酸合成路線主要有酒石酸與焦硫酸鉀合成法、乳酸乙酯空氣氧化法、羥基丙酮法、葡萄糖發(fā)酵法等丙酮酸是一種用途非常廣泛的有機(jī)酸，在化工、制藥和日用化學(xué)品等工業(yè)及科學(xué)研究中有著廣泛的用途第30頁/共140頁從代謝的角度看丙酮酸第31頁/共140頁需要掌握的知識發(fā)酵(fermentation),呼吸作用,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,新陳代謝,同型乳酸發(fā)酵,異型乳酸發(fā)酵,雙歧桿菌發(fā)酵葡糖分解為丙酮酸的途徑EMP途徑特點(diǎn)、關(guān)鍵酶HMP途徑的重要意義、關(guān)鍵酶ED途徑的特點(diǎn)、關(guān)鍵酶磷酸己糖酮解途徑的特點(diǎn)、關(guān)鍵酶TCA循環(huán)的重要特點(diǎn)第32頁/共140頁單糖分解為丙酮酸的四（五）種途徑分解葡萄糖生成丙酮酸的過程糖酵解在胞漿中進(jìn)行葡糖糖需磷酸活化1分子葡萄糖經(jīng)酵解可凈生成2分子ATP是細(xì)胞攝入體內(nèi)的葡萄糖最初經(jīng)歷的酶促分解過程，也是葡萄糖分解代謝所經(jīng)歷的共同途徑是機(jī)體在缺氧情況下迅速獲得能量的主要途徑，也是成熟紅細(xì)胞獲得能量的唯一途徑糖酵解是腫瘤細(xì)胞能量代謝的主要方式關(guān)于糖酵解的認(rèn)識EMP途徑絕大多數(shù)微生物均存在,連接TCA、HMP、ED等途徑的橋梁,提供ATP和NAD(P)HHMP戊糖代謝，提供NADPH和碳骨架ED不依賴上面兩途徑單獨(dú)純在，補(bǔ)償途徑PKandHK某些細(xì)菌中第33頁/共140頁（一）EMP途徑第34頁/共140頁葡萄糖的酵解作用

(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱：EMP途徑)活化移位

氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛縮酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶磷酸甘油酸激酶甘油酸變位酶烯醇酶丙酮酸激酶第35頁/共140頁EMP途徑特點(diǎn)：葡萄糖分子經(jīng)轉(zhuǎn)化成1，6—二磷酸果糖后，在醛縮酶的催化下，裂解成兩個三碳化合物分子，即磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛被進(jìn)一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。第36頁/共140頁第37頁/共140頁EMP途徑關(guān)鍵步驟1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸總反應(yīng)式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATP

CoA↓丙酮酸脫氫酶

乙酰CoA，進(jìn)入TCA第38頁/共140頁葡萄糖激活的方式好氧微生物：通過需要Mg++和ATP的己糖激酶厭氧微生物：通過磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，在葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞時即完成了磷酸化磷酸果糖激酶EMP途徑的關(guān)鍵酶，需要ATP和Mg++在活細(xì)胞內(nèi)催化的反應(yīng)是不可逆的反應(yīng)第39頁/共140頁

耗能階段C62C3

產(chǎn)能階段

4ATP

2ATP2C3

2丙酮酸

2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O

EMP途徑的總反應(yīng)第40頁/共140頁（二）HMP途徑(戊糖磷酸途徑)

（HexoseMonophophatePathway）第41頁/共140頁第42頁/共140頁HMP途徑：葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖進(jìn)一步代謝有兩種結(jié)局，①磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮—轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸。稱為不完全HMP途徑。②由六個葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2和水），稱完全HMP途徑。第43頁/共140頁HMP途徑降解葡萄糖的三個階段HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑1.

葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO22.

核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸第44頁/共140頁HMP途徑關(guān)鍵步驟：1.

葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸2.6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸木酮糖

↓

5-磷酸核糖→參與核酸生成3.5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(進(jìn)入EMP第45頁/共140頁6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途徑的總反應(yīng)第46頁/共140頁HMP途徑的重要意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。途徑中存在3~7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛。通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細(xì)胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。第47頁/共140頁又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonassaccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。（三）ED途徑第48頁/共140頁ED途徑

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸

~~激酶

（與EMP途徑連接）

~~氧化酶

(與HMP途徑連接)

EMP途徑3-磷酸-甘油醛~~脫水酶

2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途徑丙酮酸~~醛縮酶

有氧時與TCA環(huán)連接無氧時進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵

ED途徑第49頁/共140頁ED途徑第50頁/共140頁ED途徑的特點(diǎn)葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途徑的特征反應(yīng)是關(guān)鍵中間代謝物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途徑的特征酶是KDPG醛縮酶.反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低.

此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進(jìn)行乙醇發(fā)酵.第51頁/共140頁ED途徑的總反應(yīng)

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧時經(jīng)過呼吸鏈)（無氧時進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）ED途徑的總反應(yīng)第52頁/共140頁關(guān)鍵反應(yīng)：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脫水酶，KDPG醛縮酶相關(guān)的發(fā)酵生產(chǎn)：細(xì)菌酒精發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點(diǎn)：pH5，較易染菌；細(xì)菌對乙醇耐受力低 ATP有氧時經(jīng)呼吸鏈

6ATP

無氧時進(jìn)行發(fā)酵

2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPGED途徑的總反應(yīng)（續(xù)）第53頁/共140頁第54頁/共140頁由表可見，在微生物細(xì)胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經(jīng)何種途徑代謝，對發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。第55頁/共140頁（四）磷酸酮解途徑存在于某些細(xì)菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細(xì)菌中。進(jìn)行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠?qū)⒘姿峒禾橇呀鉃?個三碳糖。磷酸酮解酶途徑有兩種：磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑第56頁/共140頁

葡萄糖

6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸

5-P-核酮糖

5-P-木酮糖3-P-甘油醛丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA

乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇異構(gòu)化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解途徑第57頁/共140頁磷酸戊糖酮解途徑的特點(diǎn):①分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當(dāng)于EMP途徑的一半;②幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2第58頁/共140頁磷酸己糖解酮途徑2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途徑同EMP乙酸激酶第59頁/共140頁磷酸己糖酮解途徑的特點(diǎn)：①有兩個磷酸酮解酶參加反應(yīng)；②在沒有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脫氫酶的參與下轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?；乙酰磷酸生成乙酸的反?yīng)則與ADP生成ATP的反應(yīng)相偶聯(lián)；③每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；④許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。第60頁/共140頁研究問題：代謝流分析MetabolicfluxanalysisisananalysistechniquesimilartoFluxBalanceAnalysisusedtodeterminetherateatwhichametaboliteisproducedduringabioprocess.Metabolicfluxanalysis(MFA)iswidelyusedtoquantifymetabolicpathwayactivity

代謝物流分析是代謝工程的重要分析技術(shù)，通過計算各種途徑的活性，尤其與代謝物的生產(chǎn)研究有關(guān)途徑的定量，使盡可能多的碳從基質(zhì)流向代謝產(chǎn)物。第61頁/共140頁①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物第62頁/共140頁

微生物能在不同條件下對不同物質(zhì)或基本相同的物質(zhì)進(jìn)行不同的發(fā)酵，不同微生物對不同物質(zhì)發(fā)酵可以得到不同的產(chǎn)物；不同微生物對同一物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵，或同一微生物在不同條件下進(jìn)行發(fā)酵都可以得到不同的產(chǎn)物，所有這些都取決于微生物自身的代謝特點(diǎn)和發(fā)酵條件。第63頁/共140頁（一）乙醇發(fā)酵第64頁/共140頁

細(xì)菌的乙醇發(fā)酵

菌種：運(yùn)動發(fā)酵單胞菌等途徑：ED

酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵

~脫氫酶

~脫羧酶

丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

第65頁/共140頁

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌的乙醇發(fā)酵：概念菌種途徑特點(diǎn)發(fā)生條件※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生，又稱第一型發(fā)酵。通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP第66頁/共140頁

當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件（PH7.6）下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為第三型發(fā)酵（甘油發(fā)酵）。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；

CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

在適量的亞硫酸鹽（3%）可進(jìn)行第二型發(fā)酵生成甘油，亞硫酸氫鈉和乙醛反應(yīng)，生成難溶的磺化羥基乙醛。迫使磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2第67頁/共140頁②細(xì)菌的乙醇發(fā)酵葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運(yùn)動發(fā)酵單胞菌等途徑：ED第68頁/共140頁☆酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵

~脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

☆細(xì)菌(Zymomonasmobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP☆細(xì)菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機(jī)物分子的酒精發(fā)酵異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機(jī)物分子的發(fā)酵第69頁/共140頁利用Z.mobilis等細(xì)菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點(diǎn)：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低第70頁/共140頁（二）乳酸發(fā)酵乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)HK途徑—磷酸己糖解酮酶途徑）第71頁/共140頁葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum概念菌種途徑特點(diǎn)第72頁/共140頁②異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H概念菌種途徑特點(diǎn)-CO2第73頁/共140頁第74頁/共140頁（三）混合酸發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：

葡萄糖琥泊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CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.2第75頁/共140頁（四）2,3-丁二醇發(fā)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-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：EMP第76頁/共140頁TCA第77頁/共140頁第78頁/共140頁（五）TCA循環(huán)

三羧酸循環(huán)第79頁/共140頁丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。第80頁/共140頁

TCA循環(huán)在微生物代謝中的樞紐地位糖類葡萄糖丙酮酸乙酰-CoA乙醇乳酸丙酮丁醇丁二醇EMPB-氧化脂肪甘油脂肪酸蛋白質(zhì)氨基酸TCAATP，各種有機(jī)酸，天冬氨酸，檸檬酸，谷氨酸第81頁/共140頁TCA循環(huán)中需要關(guān)注的地方1、TCA環(huán)的三步反映不可逆2、三個關(guān)鍵酶3、四步脫氫，二步脫羧反應(yīng)4、總反應(yīng)：Acetyl-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→

CoA-SH+3NADH+3H++FADH2+GTP+2CO25、TCA必須在有氧條件下才能進(jìn)行檸檬酸合成酶異檸檬酸脫氫酶a-酮戊二酸脫氫酶系第82頁/共140頁TCA循環(huán)的重要特點(diǎn)1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；5、生物體提供能量的主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。第83頁/共140頁回補(bǔ)途徑

三羧酸循環(huán)不僅是產(chǎn)生ATP的途徑，它產(chǎn)生的中間產(chǎn)物也是生物合成的前體。例如卟啉的主要碳原子來自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是從α-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸濃度下降，勢必影響三羧酸循環(huán)的進(jìn)行。第84頁/共140頁1.丙酮酸羧化支路

丙酮酸羧化酶最先在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，后來證明動物、植物、微生物中普遍存在。該酶是寡聚酶，有4個亞基，各需一分子生物素和一個二價金屬離子（Mg2+）作輔基，乙酰CoA是其變構(gòu)激活劑，反應(yīng)需要ATP供能。

細(xì)菌中還有磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶，可催化磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酸乙酸。在植物、人大腦和心臟中也存在這個反應(yīng)。蘋果酸酶是真核細(xì)胞中的一種酶，它催化丙酮酸還原羧化成蘋果酸，反應(yīng)不需要ATP，但需要NADH＋H+。第85頁/共140頁乙醛酸循環(huán)（TCA支路）

關(guān)鍵酶：異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶。二碳化合物（乙酸）的同化，葡萄糖通過抑制異檸檬酸裂解酶而抑制乙醛酸循環(huán)普遍存在于好氧微生物，（乙酰CoA合成酶）第86頁/共140頁甘油酸途徑甘氨酸、乙醇酸和草酸另一種利用二碳化合物的途徑，提供TCA中間產(chǎn)物由乙醛酸生成甘油的途徑。特征酶乙醛酸連接酶，羥基丙酸半醛還原酶甘氨酸、乙醇酸和草酸乙醛酸乙醛酸羥基丙酸半醛甘油酸磷酸甘油酸EMP第87頁/共140頁其他TCA中間產(chǎn)物來源

第88頁/共140頁第89頁/共140頁二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過呼吸鏈等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能?！锔鶕?jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類.發(fā)酵作用：沒有任何外援的最終電子受體時，以底物水平磷酸化方式產(chǎn)生ATP的生物學(xué)過程；呼吸作用：有外援的最終電子受體的生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類：

有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無氧呼吸——最終電子受體是O2以外的無機(jī)氧化物，如NO3-、SO42-等.第90頁/共140頁第91頁/共140頁☆概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。☆發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED、WD（HK和PK）途徑?！畎l(fā)酵類型：在上述途徑中均有還原型氫供體——NADH+H+和NADPH+H+產(chǎn)生，但產(chǎn)生的量并不多，如不及時使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。1、發(fā)酵作用第92頁/共140頁關(guān)鍵酶特征酶能量（ATP）還原輔酶C骨架特點(diǎn)發(fā)酵產(chǎn)物代表菌誅EMP己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛縮酶22（NADH）C3、C6二磷酸中間產(chǎn)物酵母菌的酒精發(fā)酵、甘油發(fā)酵、乳酸菌的乳酸發(fā)酵，丁酸菌的丙酮-丁醇發(fā)酵同型乳酸細(xì)菌可以利用EMP作為唯一降解途徑HMP6-磷酸葡萄糖脫氫酶轉(zhuǎn)酮酶、轉(zhuǎn)醛酶13（NADPH）C3、C4、C5、C6、C7HMP途徑作為唯一降解途徑的微生物亞氧化醋酸桿菌EDKDPG醛縮酶KDPG醛縮酶11（NAD（P）H）C3、C6ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣，是少數(shù)EMP途徑不完整的細(xì)菌，如一些假單胞菌(Pseudomonasspp．)和一些發(fā)酵單胞菌(Zymomonasspp．)等所特有的利用葡萄糖的替代途徑嗜糖假單胞桿菌,發(fā)酵假單胞菌以及銅綠色假單胞桿菌PK磷酸解酮酶13（NADH）C3、C2、C5、C6HK磷酸解酮酶2.5許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵EMP生物學(xué)意義：

★是葡萄糖在生物體內(nèi)進(jìn)行有氧或無氧分解的共同途徑,通過糖酵解，生物體獲得生命活動所需要的能量；★形成多種重要的中間產(chǎn)物，為氨基酸、脂類合成提供碳骨架；★為糖異生提供基本途徑。

磷酸戊糖途徑的生理意義產(chǎn)生大量NADPH作為生物合成所需的還原力。HMP途徑中生成C3、C4、C5、C6、C7等各種長短不等的碳鏈，這些中間產(chǎn)物都可作為生物合成的前體。在特殊情況下，HMP也可為細(xì)胞提供能量。HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑，為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸

一般認(rèn)為HMP途徑不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力NADPH和中間代謝產(chǎn)物，如核酮糖-5-P是合成核酸、某些輔酶及組氨酸的原料；NADPH是合成脂肪酸、類固醇和谷氨酸的供氫體。另外，核酮糖-5-P還可以轉(zhuǎn)化為核酮糖-1,5二磷酸，在羧化酶作用下固定CO2，對于光能自養(yǎng)菌，化能自養(yǎng)菌具有重要意義。雖然這條途徑中產(chǎn)生的NADPH可經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)能，1mol葡萄糖經(jīng)HMP途徑最終可得到35molATP，但這不是代謝的主要方式，不能把HMP途徑看作產(chǎn)生ATP的有效機(jī)制。ED途徑是在研究嗜糖假單胞菌（PseudomonasSaccharophila）時發(fā)現(xiàn)的，在ED途徑中，葡萄糖-6-P首先脫氫產(chǎn)生葡萄糖酸-6-P，接著在脫水酶和醛縮酶的作用下，產(chǎn)生一分子甘油醛-3-P和一分子丙酮酸，然后甘油醛-3-P進(jìn)入EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成兩分子丙酮酸，一分子ATP，一分子NADPH和NADH。ED途徑在G-菌中分布較廣泛，特別是假單胞菌和固氮菌的某些菌株較多存在。ED途徑可不依賴于EMP,HMP途徑而單獨(dú)存在，但對于靠底物水平磷酸化類的ATP的厭養(yǎng)菌而言，ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟(jì)。

第93頁/共140頁

一、有氧呼吸

是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化過程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途徑：EMP,TCA循環(huán)特點(diǎn)：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不與氧的還原作用直接偶聯(lián)，而是底物在氧化過程中釋放的電子先通過電子傳遞鏈（由各種電子傳遞體，如NAD,FAD,輔酶Q和各種細(xì)胞色素組成）最后才傳遞到氧。由此可見，TCA循環(huán)與電子傳遞是有氧呼吸中兩個主要的產(chǎn)能環(huán)節(jié)。第94頁/共140頁TCA中受還原型NADH或FADH抑制的酶，丙酮酸脫氫酶系，檸檬酸合成酶（大）、a–酮戊二酸脫氫酶系，下一個問題，產(chǎn)生還原力（NADH或FADH）的去向交給中間產(chǎn)物（檸檬酸發(fā)酵等）經(jīng)呼吸鏈把氫和電子交給氧，產(chǎn)生ATP不經(jīng)呼吸鏈把氫和電子交給氧，能量已發(fā)光形式放出（生物發(fā)光，海生細(xì)菌和木腐菌）交給外援電子受體產(chǎn)物（無氧呼吸）第95頁/共140頁2、呼吸鏈（電子傳遞鏈）呼吸鏈又稱電子傳遞鏈，是氧化磷酸化一個重要組成部分。它是指從葡萄糖或其他氧化型化合物上脫下的氫(電子)，經(jīng)過一系列按照氧化還原勢由低到高順序排列的氫(電子)傳遞體，定向有序的傳遞系統(tǒng)，是由一系列氫和電子傳遞體組成的多酶氧化還原體系，原核微生物的呼吸鏈在細(xì)胞膜上，真核微生物的呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜，但呼吸鏈的主要組分是類似的

包括呼吸鏈主要成分有煙酰胺脫氫酶的輔酶NAD+或NADP+，黃素脫氫酶類的輔基FMN或FAD，泛醌或輔酶Q，鐵硫蛋白類，細(xì)胞色素b、c1、c、aa3等第96頁/共140頁原核微生物呼吸鏈的特點(diǎn)

電子供體多樣。除了葡萄糖或其他有機(jī)基質(zhì)外、分子氫、硫等無機(jī)元素，F(xiàn)e2+、NH4+、NO2-等無機(jī)離子也可用作電子供體；電子受體多樣。除了分子氧外，可用作最終電嚴(yán)受體的還有N03-、NO2—、NO—、SO42-、S2-、CO32-等，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亞砜和氧化三甲亞胺等有機(jī)化合物細(xì)胞色素種類多樣。有各種類型細(xì)胞色素，如a、al、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d以及o等；電子傳遞鏈不完整。例如硝酸還原酶。末端氧化酶多樣，不僅有細(xì)胞色素a1、a2、a3、d、o等，還有H2O2酶和過氧化物氧化酶等；第97頁/共140頁呼吸鏈組分和含量多變，細(xì)菌呼吸鏈的組分和含量隨著氧氣的供應(yīng)、生長階段、基本營養(yǎng)供應(yīng)、呼吸抑制劑的存在與否,C／N、Fe2+、SO42-濃度等變化而改變；細(xì)菌呼吸鏈有多條，且有分支。不僅有一般的呼吸鏈，還有分支的呼吸鏈。例如，大腸桿菌在缺氧條件下，呼吸鏈在CoQ(輔酶Q，泛醌)后分支，一支為Cytb559---CytO，另一支是Cytb558---Cytd。維捏蘭德固氮菌：通過呼吸鏈Cytb1后的分支控制細(xì)胞內(nèi)氧的分壓。電子傳遞方式多樣化，在細(xì)菌中電子可經(jīng)CoQ傳遞給細(xì)胞色素，也可不經(jīng)CoQ而直接傳遞給細(xì)胞色素。

在細(xì)胞質(zhì)膜上效率低，通常小于1第98頁/共140頁

電子傳遞磷酸化

在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來，形成ATP。呼吸鏈中的電子傳遞體主要由各種輔基和輔酶組成，最重要的電子傳遞體是泛琨（即輔酶Q）和細(xì)胞色素系統(tǒng)。在不同種類的微生物中細(xì)胞色素的成員是不同的。產(chǎn)生ATP的效率比較低。第99頁/共140頁細(xì)菌呼吸鏈與線粒體呼吸鏈的區(qū)別

i細(xì)菌無線粒體，電子傳遞C膜上。ii線粒體呼吸鏈目前只發(fā)現(xiàn)二條。即：NADH，F(xiàn)ADH（琥珀酸）呼吸鏈，且都以Cyta3為末端色素氧化酶。高等生物呼吸鏈：NADH2---FMN====CoQ---Cytb===Cytc1--Cytc----Cytaa3====O2琥珀酸---FAD---CoQ---Cytb===Cytc1--Cytc----Cytaa3====O2細(xì)菌呼吸鏈有多條，且有分支。末端氧化酸除a3外，還有a1,a2,a4,o等。

第100頁/共140頁iii細(xì)菌電子傳遞鏈的電子受體，供體可以多種多樣。iv細(xì)菌電子傳遞鏈的組成，含量因細(xì)菌和培養(yǎng)條件的不同而不同第101頁/共140頁

二、無氧呼吸一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個別為有機(jī)氧化物）的生物氧化，是一種無氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。無氧呼吸的類型：

硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-,NO,N2

硫酸鹽呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32無機(jī)鹽呼吸

H2S

硫呼吸：S0S-2

碳酸鹽呼吸：CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸第102頁/共140頁無氧呼吸：某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、CO2等這類外源受體。

與發(fā)酵不同，無氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有氧化磷酸化作用而生成ATP，也能產(chǎn)生較多的能量。但由于部分

能量在沒有充分釋放之前就隨電子傳遞給了最終電子受體，故產(chǎn)生的能量比有氧呼吸少。

在無氧呼吸中，作為能源物質(zhì)的呼吸基質(zhì)一般是有機(jī)物，如葡萄糖、乙酸等，通過無氧呼吸也可被徹底氧化成CO2，并伴隨有ATP的生成。

第103頁/共140頁例如：硝酸鹽還原細(xì)菌在厭氧條件下，可把NO3-作為電子的最終受體，即:根據(jù)微生物還原硝酸的去向分為同化型硝酸還原和異化型硝酸還原第104頁/共140頁硝酸鹽呼吸(nitraterespiration)--也稱反硝化作用(denitrification)。硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能：NO3作為微生物的氮源營養(yǎng)物；在無氧時NO3作為呼吸鏈的最終氫受體。有些細(xì)菌能以NO3為最終氫受體，這些細(xì)菌稱為反硝化細(xì)菌或硝酸鹽還原菌。如地衣芽孢桿菌(BacillusLicheniformis)、脫氮副球菌(Paracoccusdenitrification)及銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等均能進(jìn)行反硝化作用

意義：對自然界氮素循環(huán)有重要意義，氮素在海洋中積累，反硝化作用分解之。

害處：造成土壤中氮素的損失，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。

能量：產(chǎn)能一般4—5個ATP，比發(fā)酵多比有氧呼吸少。

第105頁/共140頁第106頁/共140頁硫酸鹽呼吸（還原）

第107頁/共140頁第108頁/共140頁第109頁/共140頁第110頁/共140頁

三、自養(yǎng)微生物的生物氧化還原CO2時ATP和[H]的來源順呼吸鏈傳遞CO2NH4+,NO2-,H2S,SATP(最初能源)耗[H]產(chǎn)ATP逆呼吸鏈傳遞S,H2,Fe2+NAD(P)H2（無機(jī)氫供體）耗ATP產(chǎn)[H][CH2O]第111頁/共140頁

（一）氨的氧化

NH3同亞硝酸（NO2-）可以做能源的最普通的無機(jī)氮化合物，能被硝化細(xì)菌氧化，硝化細(xì)菌可分為2個亞群：亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌。氨氧化為硝酸的過程分為2個階段，先由亞硝化細(xì)菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細(xì)菌將亞硝酸氧化為硝酸。硝化細(xì)菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細(xì)菌，以分子氧為最終電子受體，絕大多數(shù)是專性無機(jī)營養(yǎng)型。第112頁/共140頁

（二）硫的氧化硫桿菌能利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化物作能源。H2S首先氧化成元素硫，再被硫氧化酶和細(xì)胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中偶聯(lián)產(chǎn)生4個ATP。亞硫酸鹽的氧化分為兩條途徑：一是直接氧化成SO42-的途徑，由亞硫酸鹽-細(xì)胞色素C還原酶和末端細(xì)胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生1個ATP；二是經(jīng)磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化1分子SO32-產(chǎn)生2.5個ATP。第113頁/共140頁

（三）鐵的氧化從亞鐵到高鐵的氧化，對少數(shù)細(xì)菌而言是一種產(chǎn)能反應(yīng)，但只有少數(shù)的能量可被利用。在低PH環(huán)境中利用亞鐵氧化時放出的能量生長，在電子傳遞到氧的過程中細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有質(zhì)子消耗，從而驅(qū)動ATP的合成。第114頁/共140頁

（四）氫的氧化氫細(xì)菌都是一些革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。能利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量，同化CO2，也能利用其他有機(jī)物生長。氫細(xì)菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統(tǒng)，電子在呼吸鏈傳遞過程中產(chǎn)生ATP。多數(shù)氫細(xì)菌中有兩種與氫的氧化有關(guān)的酶（顆粒狀氧化酶：驅(qū)動質(zhì)子的跨膜運(yùn)輸，形成跨膜質(zhì)子梯度，為ATP的合成提供動力；可溶性氫化酶：催化氫的氧化，使NAD+還原，所生成的NADH主要用于CO2的還原。）第115頁/共140頁

四、能量轉(zhuǎn)移

在產(chǎn)能代謝過程中，微生物通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化將某種物質(zhì)氧化釋放的能量存于ATP等高能分子中，對光合微生物可通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能存于ATP中。

ATP的生成方式光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化第116頁/共140頁第117頁/共140頁1、底物水平磷酸化：在發(fā)酵途徑中，通過底物水平磷酸化合成ATP，是營養(yǎng)物質(zhì)中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成細(xì)胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷酸化是指物質(zhì)在氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程的某些步驟中。如在EMP途徑中，1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中，均通過底物水平磷酸化分別產(chǎn)生1分子ATP。在三羧酸循環(huán)中，琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁釙r通過底物水平磷酸化生成1分子高能磷酸化合物GTP。第118頁/共140頁第119頁/共140頁2、氧化磷酸化：物質(zhì)在生物氧化過程中形成的NADH或FADH2可通過電子傳遞鏈將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個過程中伴隨著將ADP磷酸化而形成ATP的過程，稱為氧化磷酸化。第120頁/共140頁氧化磷酸化物質(zhì)在生物氧化過程中形成的NADH和FADH2可通過位于線粒體內(nèi)膜和細(xì)菌質(zhì)膜上的電子傳遞系統(tǒng)將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個過程中偶聯(lián)著ATP的合成，這種產(chǎn)生ATP的方式叫氧化磷酸化。ATPATPATP第121頁/共140頁光合磷酸化光合作用的實(shí)質(zhì)是通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，以用于從CO2合成細(xì)胞物質(zhì)。除了綠色植物以外，能進(jìn)行光合作用的微生物還有藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌（包括紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌、嗜鹽細(xì)菌等）。在光合磷酸化過程中，一個葉綠素（或細(xì)菌葉綠素）分子吸收光量子即被激活，導(dǎo)致葉綠素釋放一個電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中逐步釋放能量。光合磷酸化環(huán)式光合磷酸化

非環(huán)式光合磷酸化

藍(lán)細(xì)菌與高等植物

紫色硫細(xì)菌、綠色硫細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌

第122頁/共140頁微生物次級代謝與調(diào)節(jié)引論微生物次級代謝的特征次級代謝產(chǎn)物的類型抗生素的生源學(xué)初級與次級代謝途徑相互連接次級代謝物生物合成的前體前體的概況前體的作用前體的限制性次級代謝物生物合成原理微生物次級代謝作用的調(diào)控第123頁/共140頁微生物次級代謝的特征一般在菌的生長后期產(chǎn)生，往往以初級代謝產(chǎn)物為前體。生長期末細(xì)胞內(nèi)酶的組成發(fā)生變化，與次級代謝物合成相關(guān)酶的突然出現(xiàn)有關(guān)；也可能是前體的積累，誘導(dǎo)；編碼次級代謝產(chǎn)物的基因從分解代謝物阻遏中解脫所致。種類繁多，含有不尋常的化學(xué)鍵：氨基糖、苯醌、環(huán)氧化合物、吲哚衍生物、四環(huán)類抗生素等。一種菌可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相近的一族抗生素：

產(chǎn)黃青霉能產(chǎn)生至少10個具有不同特性的青霉素，他們具有不同的生物活性。次級代謝涉及的酶專一性較低。第124頁/共140頁一種微生物的不同菌株可以產(chǎn)生多種在分子結(jié)構(gòu)上完全不同的次級代謝產(chǎn)物：灰色鏈霉菌不僅產(chǎn)生鏈霉素，還可用來生產(chǎn)白霉素、灰霉素和灰綠霉素等。

不同種類的微生物也能產(chǎn)生同一種次級代謝產(chǎn)物：點(diǎn)青霉、產(chǎn)黃青霉、土曲霉、構(gòu)巢曲霉等都產(chǎn)生青霉素。次級代謝產(chǎn)物的合成對環(huán)境因素特別敏感：