糖代謝的中心途徑

糖代謝的中心途徑第1頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二代謝(metabolism)：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝，前者分分解代謝和合成代謝；后者分產(chǎn)能代謝和耗能代謝。分解代謝合成代謝第一節(jié)微生物代謝概論物質(zhì)代謝能量代謝產(chǎn)能代謝耗能代謝初級(jí)代謝次級(jí)代謝代謝第2頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝分解代謝（catabolism）合成代謝（anabolism）復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]細(xì)胞中蛋白質(zhì)、核酸、糖、脂等物質(zhì)的變化過(guò)程稱為物質(zhì)代謝。可分為分解代謝和合成代謝。++第3頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二分解代謝和合成代謝的關(guān)系分解代謝往往伴隨能量的產(chǎn)生；合成代謝往往伴隨能量的消耗。第4頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二糖的分解代謝第5頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二脂肪碳水化合物蛋白質(zhì)第6頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、能量代謝微生物細(xì)胞中能量的產(chǎn)生、消耗、轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為能量代謝。用于生物合成用于運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等第7頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、初級(jí)代謝和次級(jí)代謝初級(jí)代謝(primarymetabolism)：微生物通過(guò)代謝合成細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖所必需的化合物的的過(guò)程。初級(jí)代謝的產(chǎn)物稱初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、維生素等。次級(jí)代謝(secondarymetabolism)：微生物通過(guò)代謝合成對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖作用不明顯、或沒(méi)有作用的化合物的的過(guò)程。次級(jí)代謝的產(chǎn)物稱次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、毒素、色素等。第8頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四、代謝和酶1.酶是由生物細(xì)胞所產(chǎn)生的、具有催化性質(zhì)的蛋白質(zhì)；2.微生物的生命活動(dòng)離不開(kāi)酶；3.酶的活動(dòng)受微生物調(diào)控機(jī)制制約；4.了解微生物代謝及調(diào)控機(jī)制是利用微生物的基礎(chǔ)。第9頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二微生物的分解代謝分為三個(gè)階段：①將蛋白質(zhì)、多糖以及脂類等大分子物質(zhì)降解為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)(往往在細(xì)胞外進(jìn)行)；②將上述小分子進(jìn)一步降解為丙酮酸、乙酰輔酶A等小分子中間體（細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行）；③將這些小分子中間體分解為二氧化碳。第②、第③階段伴隨著ATP、NAD(P)H+及FADH2的產(chǎn)生。分解代謝產(chǎn)生的NAD(P)H+及FADH2的H和電子通過(guò)電子傳遞鏈被氧化，產(chǎn)生ATP。

第10頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二蛋白質(zhì)多糖脂類氨基酸單糖甘油＋脂肪酸丙酮酸糖酵解CoA檸檬酸α酮戊二酸草酰乙酸階段1階段2階段3CoQ細(xì)胞色素ATPNADH2+FADH2ATP+NADH2NADH2乙酰三羧酸循環(huán)ATPNADH2FADH2O2CO2NADH2第二節(jié)微生物的分解代謝及能量產(chǎn)生CO2第11頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、萄萄糖分解途徑（一）EMP途徑(Embden-Meyerhofpathway)第12頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Embden-Meyerhof-pathway很多微生物采用基團(tuán)轉(zhuǎn)位的方式得到6-磷酸葡萄糖藕聯(lián)基團(tuán)轉(zhuǎn)位Enol：烯醇第13頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二EMP途徑的總反應(yīng)式：Glucose+2NAD++2ADP+2Pi

→

2pyruvate+2NADH·H++2ATP+2H2OEMP途徑的生理意義：1.提供合成代謝必需的ATP和還原力NADH·H+；2.連接其它代謝途徑的橋梁：TCA，HMP，ED等；3.通過(guò)一些代謝中間產(chǎn)物；4.逆向反應(yīng)進(jìn)行糖異生；5.與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇發(fā)酵有關(guān)。EMP途徑的關(guān)鍵酶：磷酸果糖激酶PFK、丙酮酸激酶PK（一）EMP途徑（Embden-Meyerhofpathway）第14頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）HMP途徑(HexoseMonophosphatePathway)HMP途徑即己糖單磷酸途徑，其過(guò)程包括兩個(gè)階段：一是氧化階段：6-磷酸-葡萄糖氧化成5-磷酸-核酮糖；二是分子重排階段：五碳糖重排成為三碳糖和六碳糖。降解發(fā)生在6-磷酸-葡萄糖酸，所以命名為己糖單磷酸途徑(HMP)。5-磷酸-戊糖水平發(fā)生分子重排，所以又可以命名為磷酸戊糖途徑(pentosephosphatepathway,PPP)第15頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第16頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二很多微生物可以不通過(guò)TCA循環(huán)將葡萄糖徹底降解為CO2。第17頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.HMP途徑的關(guān)鍵酶：6磷酸葡萄糖脫氫酶（glucose-6-phospoatedehydrogenase）6磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6-phospogluconatedehydrogenase）2.HMP途徑的特征酶：轉(zhuǎn)酮酶（transketolase,TK）轉(zhuǎn)醛酶（transaldolase,TA）第18頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二小分子前體5-磷酸-核酮糖、核糖、木糖4-磷酸-赤蘚糖3-磷酸-甘油醛7-磷酸-景天庚酮糖還原力NADPH2

HMP途徑可以為微生物生長(zhǎng)提供能量、小分子前體和還原力。也擴(kuò)大了碳源利用的范圍乳酸桿菌(Lactobacterium)中無(wú)HMP，在其培養(yǎng)過(guò)程中，必須添加嘌呤、嘧啶等物質(zhì)。3.HMP途徑的生理意義：用于核苷酸、核酸及NAD(P)＋、FAD、FMN、CoA等合成用于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸等芳香族氨基酸的合成連接脂肪酸代謝途徑，用于甘油、脂肪的合成第19頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二HMP途徑的總反應(yīng)式不完全的HMP：完全的HMP：Glucose-6-phosphate+6NADP+

3CO2+6NADPH2+GAPGlucose-6-phosphate+12NADP+

6CO2+12NADPH2+Pi第20頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（三）ED途徑(Entner-DoudoroffPathway)ED途徑由Entner和Doudoroff(Russia)2人研究嗜糖假單孢菌(Pseudomonassaccharophila)中發(fā)現(xiàn)，故名。另外在下列細(xì)菌中也存在ED途徑：Pseudomonasaeruginosa、Pseudomonasfluorescens、Pseudomonaslindneri、Zymomonasmobilis；ED途徑的降解在2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸(2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnicacid,KDPG)上發(fā)生。

ED途徑是細(xì)菌進(jìn)行乙醇、乳酸發(fā)酵的重要方式。philharmonic第21頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二MichaelDoudoroff

(1911-1975)wasanAmerican

microbiologist

whodiscoveredwith

NathanEntnermicrobialpathwayforglucosedegradationinsomebacteria.Nowadaysitisknownas

Entner-Doudoroofpathway.HewasborninSt.Petersburg,Russiabutmovedto

SanFrancisco

whenhewas12yearsold.Heentered

StanfordUniversity

(1929)wherehecompletedhisPhDunderthesupervisionof

CorneliusVanNielatthe

HopkinsMarineStation.第22頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二GlucoseGlucose-6-phosphate6-phosphogluconicacid2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnicacidPyruvateGAPPyruvateATPADPNAD＋NADH2H2OKDPGaldolaseED途徑glucotate-6-phosphatedehydrataseglucose-6-phospoatedehydrogenase類似EMP2ATPNADH2類似HMP特征性反應(yīng)第23頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.ED途徑的關(guān)鍵酶：6磷酸葡萄糖酸脫水酶（glucose-6-phosphatedehydratase）KDPG醛縮酶（特征酶）（2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconicacidaldolase）2.ED途徑的總反應(yīng)式：Glucose+NAD++NADP++ADP+2Pi2pyruvate+NADH2+NADPH2+ATP來(lái)源不同！第24頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.如何區(qū)別ED途徑和EMP途徑？CHOCCCCCH2OPiOHHOOHOHHHHHCOOHCCCCCH2OPi=OHOHOHHHHGlucoseKDPGCCH3=OCCH3=OED途徑呼吸的CO2來(lái)自C1和C4，EMP途徑呼吸的CO2來(lái)自C3和C4pyruvateCOOHCOOHED第25頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二CCCCCH2OPiOHHOOHOHHHHHCH2OPiCCCCCH2OPi=OHOOHOHHHHGlucoseDPFCH3CCOOH=OCOOHCCH3=OpyruvateCHOEMPED途徑呼吸的CO2來(lái)自C1和C4，EMP途徑呼吸的CO2來(lái)自C3和C4第26頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二釀酒酵母產(chǎn)朊假絲酵母產(chǎn)黃青霉大腸桿菌氧化葡萄糖桿菌運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌EMPHMPED88%12%066-81%19-34%077%23%072%28%00100%000100%銅綠假單孢菌029％71%三種代謝途徑在微生物中的分布第27頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（四）PK途徑（phosphoketolasepathway）即磷酸酮解途徑。根據(jù)降解分子的不同，又可分為磷酸戊糖酮解途徑(phosphopentoseketolasepathway,PPK)和磷酸己糖酮解途徑(phosphohexoseketolasepathway,PHK)即雙歧途徑。PK途徑由Warberg、Dickens、Horeker等發(fā)現(xiàn)，故稱WD途徑。PPK途徑是乳桿菌(Lactobacterium)進(jìn)行乳酸發(fā)酵的重要方式；PHK途徑實(shí)際上包括PPK和PHK，存在于雙歧桿菌(Bifidobacterium)中。第28頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二glucoseglucose-6-phosphate6-phosphogluconicacidribulose-5-phosphatexylulose-5-phosphateGAPacetyl-CoApyruvatePhosphopentoseketolase(關(guān)鍵酶)Glucose+NAD++ADP+Pipyruvate+CO2+Acetyl-CoA

2+3NADH2+

ATPPPK途徑的總反應(yīng)式ATPADPNAD+NADH2NAD+NADH2阿拉伯糖木糖核糖PPK途徑類似EMP類似HMPCO2NADH22ATP第29頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2×Glucose2×glucose-6-phosphateribulose-5-phosphatexylulose-5-phosphate2GAP2acetyl-CoA2PyruvatePhosphopentoseketolase(關(guān)鍵酶)xylulose-5-phosphateribose-5-phosphateGAPS7PE4PF6PF6Pacetyl-CoAPhosphohexoseketolase(關(guān)鍵酶)PHK途徑2Glucose+2NAD++3ADP+3Pi2pyruvate+3acete+2NADH2+

5ATPPHK途徑的總反應(yīng)式2NADH24ATP2ATPAcetateATPADP2ADPAcetate＋2ATP第30頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（五）直接氧化途徑有些細(xì)菌，如Pseudomanas、Aerobacter等沒(méi)有己糖激酶（hexokinase），無(wú)法進(jìn)行葡萄糖的磷酸化，但是可以通過(guò)加氧酶的直接氧化作用，將葡萄糖降解。某些真菌則通過(guò)葡萄糖氧化酶完成類似的過(guò)程。加氧酶和葡萄糖氧化酶的輔基均為FAD。第31頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二GlucoseGluconicacid6-phosphogluconicacidribulose-5-phosphateFADFADH2NAD+NADH2H2O2ATPADPO2H2O+O2catalaseCO2KDPGH2OHMP途徑ED途徑加氧酶Pseudomanas、AerobacterPseudomanas直接氧化途徑第32頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二NADH?H+或NADPH?H+有氧呼吸：電子或H交給O2。厭氧呼吸：電子或H交給無(wú)機(jī)物。發(fā)酵：電子或H交給糖降解產(chǎn)物，如丙酮酸。來(lái)自EMP、HMP、ED等途徑二、圍繞中心途徑的發(fā)酵(fermentation)第33頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二巴斯德的“發(fā)酵”定義：酵母菌在厭氧條件下進(jìn)行的代謝過(guò)程。發(fā)酵的“生理學(xué)定義”是：將電子或氫交給糖降解產(chǎn)物的過(guò)程。

現(xiàn)代“發(fā)酵”的概念，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其生理學(xué)定義：凡是利用微生物進(jìn)行的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，均稱之為“發(fā)酵”。根據(jù)產(chǎn)物的不同，可以分為多種形式。第34頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二圍繞中心途徑的發(fā)酵第35頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（一）乙醇和甘油發(fā)酵1.酵母菌的第一型發(fā)酵(乙醇發(fā)酵)條件：pH3.5~4.5，厭氧；關(guān)鍵酶：丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶；特點(diǎn)：H的完全平衡?？偡磻?yīng)式：Glucose+2ADP+Pi2Eth-OH+2CO2+2H2OAcetobacter、Zymomonasmobilis、Sarcinaventriculi、Erwiniaamylovora也可進(jìn)行乙醇發(fā)酵，但是以ED途徑進(jìn)行。CarlNeuberg

第36頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第37頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.酵母菌的第二型發(fā)酵(甘油發(fā)酵)條件：pH中性或微酸性，添加3％亞硫酸氫鈉；關(guān)鍵酶：α-磷酸-甘油脫氫酶、α-磷酸-甘油酯酶；特點(diǎn)：每個(gè)葡萄糖只產(chǎn)生一分子甘油，不產(chǎn)ATP，故亞硫酸氫鈉必須是亞適量，以保證基礎(chǔ)代謝的能量供應(yīng)?？偡磻?yīng)式：Glucose+NaHSO3

Glycerol+CO2+磺化乙醛第38頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（pH7）酵母菌的一型發(fā)酵（磺化羥基乙醛）酵母菌的乙醇和甘油發(fā)酵比較酵母菌的二型發(fā)酵葡萄糖EMP丙酮酸脫羧酶乙醇脫氫酶第39頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.酵母菌的第三型發(fā)酵(甘油發(fā)酵)條件：pH7.5，厭氧；此時(shí)乙醛成為不正常的H受體，2分子乙醛之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)(歧化反應(yīng))，一個(gè)得到H成為乙醇，一個(gè)失去H成為乙酸。特點(diǎn)：不產(chǎn)ATP?？偡磻?yīng)式：2Glucose2Glycerol＋Eth-OH+Acetate+2CO2思考：第三型發(fā)酵時(shí)培養(yǎng)基中添加CaCO3的重要作用？第40頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2葡萄糖2丙酮酸2乙醛乙醇乙酸EMP丙酮酸脫羧酶2CO2NADH22GAP+2DHAP4ATP4ADP4ATP+2NADH22α-磷酸-甘油2甘油酵母菌的第三型發(fā)酵第41頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第一次世界打戰(zhàn)期間德國(guó)主要用這種方法生產(chǎn)甘油產(chǎn)量：1000噸/月目前甘油發(fā)酵使用的微生物Dunaliellasalina(一種嗜鹽藻類)胞內(nèi)積累高濃度的甘油從而使細(xì)胞的滲透壓保持平衡生活在鹽湖及海邊的巖池等鹽濃度很高環(huán)境第42頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二葡萄糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油甘油丙酮酸乙醛乙醇＋乙酸乙醇磺化羥基乙醛NADH2CO2②①③②③總結(jié)：酵母菌的發(fā)酵過(guò)程第43頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）乳酸發(fā)酵1.同型乳酸發(fā)酵關(guān)鍵酶：乳酸脫氫酶；特點(diǎn)：H的完全平衡；不產(chǎn)CO2?？偡磻?yīng)式：Glucose+2ADP+2Pi2Lactate+2ATP制作酸奶、泡菜、青貯飼料，都是乳酸發(fā)酵的過(guò)程。第44頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第45頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.異型乳酸發(fā)酵腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroids)、葡聚糖明串珠菌(Leuconostocdextranicum)等以PPK的方式進(jìn)行乳酸發(fā)酵。產(chǎn)物包括乳酸和乙酸。3.雙歧途徑兩歧雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)等以PHK的方式進(jìn)行乳酸發(fā)酵。產(chǎn)物包括乳酸和乙酸。第46頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二梭菌(Clostridium)、丁酸弧菌(Butyriolbrio)、梭桿菌(Fusobacterium)利用最常見(jiàn)。丙酮酸首先在鐵氧還蛋白還原酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA，再逐步形成丁酸。（三）丁酸發(fā)酵和丙酮-丁醇發(fā)酵1.丁酸發(fā)酵總反應(yīng)式：Glucose＋3ADPButyrate＋2CO2＋2H2＋3ATP第47頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二CH3－C－COOHGlucoseEMPOCH3－C～CoAO2XCO2FdFdH2CoA2×2×CH3－C－CH2－C～CoAOOCH3－CH－CH2－C～CoAOHOαβCH3－CH＝CH－C～CoAOCH3－CH2－CH2－C～CoAOCH3－CH2－CH2－C－OHONADH2NAD+H2ONADH2NAD+乙酸乙酰CoA2ATP+2NADH2Pyr-Fd氧化還原酶乙酰CoA乙酰轉(zhuǎn)移酶β羥丁酰CoA脫氫酶羥丁酰脫水酶丁酰CoA脫氫酶CoA轉(zhuǎn)移酶丁酸發(fā)酵ATPADP第48頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二英國(guó)：ChaimWeizmann闡明機(jī)理并實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)。2.丙酮-丁醇發(fā)酵總反應(yīng)式：2Glucose＋5ADPButanol＋Acetone＋5CO2＋4H2丙酮丁酸梭菌(Clostridiumacetobutylicum)進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，先合成丁酸，當(dāng)pH降至4.5時(shí)，產(chǎn)生丙酮和丁醇。估計(jì)與CoA轉(zhuǎn)移酶活化有關(guān)。第49頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二CH3－C－COOHO4×CH3－CH2－CH2－C～CoAOCH3－CH2－CH2－CHOCH3－CH2－CH2－CH2OHNADH2NAD+CoA丁醛脫氫酶丁醇脫氫酶NADH2NAD+CH3－C－CH2－C～CoAOOCH3－C－CH2－COOHOCH3－C－CH3OCoA轉(zhuǎn)移酶脫羧酶CO2乙酸乙酰CoA丙酮-丁醇發(fā)酵發(fā)酵4×GlucoseEMP類似丁酸發(fā)酵第50頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二丙酮：用于生產(chǎn)人造橡膠丁醇：用于生產(chǎn)無(wú)煙火藥英國(guó)在第一次世界大戰(zhàn)期間，有機(jī)溶劑丙酮和丁醇的需求增加。當(dāng)時(shí)的常規(guī)生產(chǎn)方法：對(duì)木材進(jìn)行干熱分解，大約80到100噸樺樹(shù)、山毛櫸、或楓木生產(chǎn)1噸丙酮。1915年Weizmann發(fā)明發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮-丁醇：每100噸谷物可以生產(chǎn)出12噸丙酮和24噸的丁醇。魏茨曼是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵之父第51頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二ChaimWeizmann(1874-1952)andEinstein/wiki/Chaim_Weizmann

第52頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Earlylifeandcareer

WeizmannwasborninthesmallvillageofMotol(Motyli,nowMotal')nearPinskintheRussianEmpire(todayinBelarus).HegraduatedtheUniversityofFribourginSwitzerlandin1899withadegreeinchemistry.HelecturedinchemistryattheUniversityofGenevabetween1901and1903)andlatertaughtattheUniversityofManchester.HebecameaBritishsubjectin1910,andinWorldWarIhewasdirectoroftheBritishAdmiraltylaboratoriesfrom1916until1919.WhilealectureratManchesterhebecamefamousfordiscoveringhowtousebacterialfermentationtoproducelargequantitiesofdesiredsubstances.

Heisconsideredtobethefatherofindustrialfermentation.

HeusedthebacteriumClostridiumacetobutylicum(theWeizmannorganism)toproduceacetone.AcetonewasusedinthemanufactureofcorditeexplosivepropellantscriticaltotheAlliedwareffort(seeRoyalNavyCorditeFactory,HoltonHeath).WeizmanntransferredtherightstothemanufactureofacetonetotheCommercialSolventsCorporationinexchangeforroyalties.第53頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（四）混和酸發(fā)酵和丁二醇發(fā)酵1.混和酸發(fā)酵埃希氏菌屬(Escherichia)、志賀氏菌屬(Shigella)及沙門(mén)氏菌屬(Salmonella)有2個(gè)作用于pyr的多酶復(fù)合體：Pyr脫氫酶復(fù)合體Pyr-甲酸裂解酶(厭氧條件時(shí)誘導(dǎo)合成，有氧時(shí)失活)。第54頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二GlucosePEPPyrAce~CoAHCOOHCO2H2Ace~PiAcetateOAASuccLactatePyr－甲酸裂解酶甲酸-H2裂解酶大腸埃希氏菌：產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌及沙門(mén)氏菌：產(chǎn)酸不產(chǎn)氣Methylredtest：產(chǎn)酸，加甲基紅，變紅色混和酸發(fā)酵第55頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.丁二醇發(fā)酵腸桿菌屬(Enterobacter)、沙雷氏菌屬(Serratia)及歐文氏菌屬(Erwinia)具有作用于pyr的第三個(gè)酶：α-乙酰乳酸合成酶(acetolactatesynthase,AS

)。該途徑中間產(chǎn)物3-羥基丁酮在堿性條件下，形成二乙酰，二乙酰和胍基化合物形成紅色的反應(yīng)。此即VP反應(yīng)(Voges-Proskauertest)的原理。第56頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二丁二醇發(fā)酵GlucosePyrα-乙酰乳酸HCOOHCO2H2Lactateα-乙酰乳酸合成酶甲酸-H2裂解酶Voges-Proskauertest：Enterobacter：紅色Escherichia：不變色Ace~CoA3-羥基丁酮2,3-丁二醇CO2CO2NAD+NADH2二乙酰紅色化合物OH－Pyr－甲酸裂解酶含胍基的化合物TCA第57頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（五）丙酸發(fā)酵丙酸細(xì)菌（Propionibacterium）可以進(jìn)行該過(guò)程。1、succ-prop途徑GlucosePyrEMPOAAMalFumNADH2NAD＋H2OSuccNADH2NAD＋Succ～CoA甲基丙二?！獵oA丙?！獵oACO2-BioBiotin丙酸甲基丙二?！獵oA異構(gòu)酶(VB12為輔基)第58頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2、Propenoicacid途徑GlucosePyrEMPD-lactateL-lactate2H2羥-丙酰CoA丙烯?！獵oA丙?！獵oA丙酸CoAH2O機(jī)制不明第59頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、呼吸作用(respiration)NADH?H+或NADPH?H+有氧呼吸：電子或H交給O2。厭氧呼吸：電子或H交給無(wú)機(jī)物。發(fā)酵：電子或H交給糖降解產(chǎn)物，如丙酮酸。來(lái)自EMP、HMP、ED等途徑第60頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（一）有氧呼吸(Aerobicrespiration)糖酵解(glycolysis)三羧酸循環(huán)(citricacidcycle)氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)分三步走——第61頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二IRREVERSIBLEbypyruvatedehydrogenasecomplex=3enzymes：E1:pyruvatedehydrogenase,thiaminepyrophosphate(TPP)E2:dihydrolipoyltransacetylase,lipoicacid,coenzymeA-SHE3:dihydrolipoyldehydrogenase,NAD+,FAD1.三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle,TCA)（1）丙酮酸氧化成乙酰輔酶A及CO2第62頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Swingingarmfunctionoflipoicacid所有丙酮酸氧化脫羧的中間產(chǎn)物均緊密地結(jié)合在復(fù)合體上，活性中間產(chǎn)物可以通過(guò)轉(zhuǎn)乙酰基酶上賴氨酸和硫辛酸形成的擺動(dòng)長(zhǎng)臂(Swingingarm)從酶的一個(gè)活性位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)活性位置。第63頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二E.colipyruvatedehydrogenasecomplex丙酮酸脫氫酶(E1)、二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(E2)和二氫硫辛酸脫氫酶(E3)，6種輔因子(TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+)第64頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4C1.Condensation6C2C2.Oxidative

decarboxylationto5C5C3.Oxidativedecarboxylationto4C4C5.RegenerationofoxaloacetatefromsuccinateTricarboxylicacid(TCA)cycle4.Substrate-levelphosphorylation（2）TCA循環(huán)第65頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二citratesynthaseaconitaseisocitratedehydrogenaseCitricacidcyclea-ketoglutaratedehydrogenasesuccinylCoAsynthasesuccinatedehydrogenasefumarasemalatedehydrogenaseGlucose2Pyruvate

2AcetylCoA2NADH2NADH2NADH2“ATP”2FADH22NADH第66頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Netreactionof1turnofthecitricacidcycleAcetylCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+FADH2+ATP+2H++CoA思考：1.細(xì)菌將1分子葡萄糖完全降解為CO2產(chǎn)生多少ATP?2.真核微生物(酵母菌)和原核微生物(細(xì)菌)相比較，將1分子葡萄糖完全降解為CO2產(chǎn)生的ATP數(shù)量上少2個(gè)，為什么？第67頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二TCA循環(huán)的作用a.提供大量能量；b.提供大量小分子前體；c.是糖、蛋白、脂代謝的樞紐。TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶a.檸檬酸合成酶(citratesynthetase,CS)b.異檸檬酸脫氫酶(isocitratedehydrogenase,ID)c.α-酮戊二酸脫氫酶(a-ketoglutaratedehydrogenase,a-KGD)AcetylCoAoxaloacetatea-ketoglutarateFattyacidAminoacid第68頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（3）回補(bǔ)途徑(anapleroticpathway)回補(bǔ)途徑是微生物為補(bǔ)充代謝過(guò)程中消耗的中間產(chǎn)物而采取的一些將CO2、乙酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為消耗的中間產(chǎn)物，尤其是TCA循環(huán)中間物的過(guò)程。①C1回補(bǔ)方式a.PEP羧化酶(PEPcarboxylase)COOHCO~pCH2+CO2+H2OPEPcarboxylaseCOOHC=OCH2COOH第69頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二b.丙酮酸羧化酶(pyruvatecarboxylase)COOHC=OCH3+CO2pyruvatecarboxylaseCOOHC=OCH2COOHc.蘋(píng)果酸酶(malatesynthetase)COOHC=OCH3+CO2COOHCHOHCH2COOH+ATP+H2ONADPH2+malatesynthetase第70頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二②C2回補(bǔ)方式——乙醛酸循環(huán)很多微生物可以以乙酸、乙醇等作為唯一碳源和能源，合成草酰乙酸，完成這個(gè)過(guò)程的反應(yīng)即乙醛酸循環(huán)(glyoxylatecycle)。乙醛酸循環(huán)需要3個(gè)關(guān)鍵酶：a.異檸檬酸裂解酶(Isocitratelyase)b.蘋(píng)果酸合成酶(malatesynthetase)c.乙酰輔酶A合成酶(AcetylCoAsynthetase)第71頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二乙醛酸循環(huán)總反應(yīng)式：2acetate→

Malate第72頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二③回補(bǔ)途徑與蘋(píng)果酸合成理論產(chǎn)率=134/180=74.5%理論產(chǎn)率=3*134/2*180=111.6%第73頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二馬來(lái)酸即順丁烯二酸富馬酸即反丁烯二酸蘋(píng)果酸，又名2-羥基丁二酸蘋(píng)果酸是人體內(nèi)部循環(huán)的重要中間產(chǎn)物，易被人體吸收，因此作為性能優(yōu)異的食品添加劑和功能性食品廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)療和保健品等領(lǐng)域。蘋(píng)果酸主要生產(chǎn)國(guó)有美國(guó)、加拿大、日本等，產(chǎn)量每年約4萬(wàn)噸，2013年世界總需求約為10萬(wàn)噸，市場(chǎng)潛在需求量達(dá)到每年6萬(wàn)噸，可見(jiàn)市場(chǎng)發(fā)展空間之大。第74頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第75頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（4）TCA相關(guān)的發(fā)酵——檸檬酸發(fā)酵檸檬酸(Citric

acid)分子式為C6H807。外觀為白色顆粒狀或白色結(jié)晶粉末，是一種重要的有機(jī)酸，又名枸櫞酸。無(wú)色晶體，常含一分子結(jié)晶水，無(wú)臭，有很強(qiáng)的酸味，易溶于水。檸檬酸廣泛存在于各種水果和蔬菜中，在動(dòng)物的骨骼、血液、肌肉中也有分布。檸檬酸在工業(yè)，食品，化妝等行業(yè)具有廣泛的用途。TCA相關(guān)的發(fā)酵包括Asp族和Glu族氨基酸發(fā)酵，合并在后面講。第76頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二NADH脫氫酶FMNCoQcytbcytccytaa3cytc1NADH2ATPATPATP真核微生物的電子傳遞鏈FADH22.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)第77頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)(Chemiosmosis)第78頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二原核微生物電子傳遞鏈的特點(diǎn)：電子供體多樣化。除大多數(shù)有機(jī)物外，一些無(wú)機(jī)元素如H、S、Fe2＋、NH4＋均可作為電子供體；細(xì)胞色素多樣化。不同細(xì)菌中計(jì)有a、a1、a2、b、b1、c、c1、c4、c6、d、o等；具有分支呼吸鏈；呼吸鏈組分隨環(huán)境條件改變；氧化磷酸化效率低下。第79頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二NAD＋NADH2NADH2脫氫酶flavoproteinFes-proteinmenaquinoneCytochromeb556Cytochromeb558CytochromeoCytochromed1/2O2H2O1/2O2H2OE.coli中的分支電子傳遞鏈在有氧和缺氧時(shí)，可以選擇不同的途徑。高氧環(huán)境低氧環(huán)境第80頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二NAD＋NADH2NADH2脫氫酶flavoproteinFes-proteinCytochromebCytochromecXCytochromeaa31/2O2H2O1/2O2H2O分支鏈呼吸的P/O值僅為正常呼吸鏈的1/3。在檸檬酸發(fā)酵時(shí)有調(diào)控作用。Aspergillusniger中的分支電子傳遞鏈第81頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二厭氧呼吸是以無(wú)機(jī)物為最終電子受體的氧化作用。進(jìn)行厭氧呼吸的方式一般有：硝酸鹽呼吸、硫酸鹽呼吸、延胡索酸呼吸、二氧化碳呼吸等。厭氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在能量分級(jí)釋放過(guò)程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。（二）厭氧呼吸(Anaerobicrespiration)第82頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.硝酸鹽呼吸(nitraterespiration)硝酸鹽在微生物的代謝過(guò)程中，有兩種方式：一是將硝態(tài)氮(如NO3-)還原，轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮(NH4＋)，并進(jìn)一步將它轉(zhuǎn)化為有機(jī)氨(R-NH3)構(gòu)成蛋白質(zhì)等生物大分子，稱為同化型硝酸鹽呼吸；二是將硝酸鹽逐級(jí)還原成NO2-、N2O和N2等氣態(tài)產(chǎn)物而逸去的異化脫氮過(guò)程，稱之為異化型硝酸鹽呼吸。第83頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2NO32NO22H2O[4H][HON=NOH]2H2O[4H]N2ON22NH2OH2NH3[4H][4H][2H]羥氨同化型硝酸鹽呼吸異化型硝酸鹽呼吸硝酸鹽還原酶(受O2阻遏)硝酸鹽呼吸AA第84頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被稱為硝酸鹽還原細(xì)菌，進(jìn)行硝酸鹽呼吸的都是兼性厭氧細(xì)菌，典型的如地衣芽胞桿菌(Bacilluslicheniformis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、脫氮副球菌(Paracoccusdenitrificans)、脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)等，主要生活在土壤和水環(huán)境中。硝酸鹽還原細(xì)菌在無(wú)氧但環(huán)境中存在硝酸鹽時(shí)進(jìn)行厭氧呼吸，而有氧時(shí)其細(xì)胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑制，細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸。

第85頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.硫酸鹽呼吸(sulfaterespiration)硫酸鹽呼吸是微生物利用硫酸鹽(SO42-)作為有機(jī)基質(zhì)厭氧氧化時(shí)末端電子受體的一類特殊呼吸。它是硫酸鹽異化型還原形成H2S的過(guò)程。硫酸鹽在微生物的代謝過(guò)程中，也有兩種方式：一是將硫酸鹽還原轉(zhuǎn)化為H2S，并進(jìn)一步將它轉(zhuǎn)化為有機(jī)硫構(gòu)成蛋白質(zhì)等生物大分子，稱為同化型硫酸鹽呼吸；二是將硫酸鹽還原成S或H2S氣態(tài)產(chǎn)物而逸去的異化脫硫過(guò)程，稱之為異化型硫酸鹽呼吸。第86頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二同化型硫酸鹽呼吸SO42－APSPAPSSO32－H2SATPATPCys、MetSer、HomSO32－AOCH2POHOH硫酸腺苷酰轉(zhuǎn)移酶APS激酶PAPS還原酶SO32-還原酶APS——硫酸腺苷磷酸SO32－AOCH2POHPAPS——磷酸硫酸腺苷磷酸P第87頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二異化型硫酸鹽呼吸H22HHasecytC3MKcytbFdIIFrdSO42－APSSO32－H2SATPATP硫酸化酶APS還原酶SO32-還原酶H2HasecytC3FdIIFrd6H細(xì)胞膜細(xì)胞質(zhì)周質(zhì)空間脫硫脫硫弧菌(D.desulfuricans)中的異化型硫酸鹽呼吸PAPS同化型硫酸鹽呼吸第88頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二微生物的不同呼吸類型根據(jù)微生物種類不同對(duì)氧的反應(yīng)不同，可將微生物分為三種不同呼吸類型：①好氧性微生物；②厭氧微生物；③兼性厭氧微生物。為什么氧對(duì)厭氧微生物有有害作用？缺少以下兩種酶：超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)過(guò)氧化氫酶(catalase)第89頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四、自養(yǎng)微生物的能量轉(zhuǎn)化1.自養(yǎng)微生物(autotrophs)的定義1887年Vinogradsky發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)微生物，1891年硅膠平板的使用，使更多的自養(yǎng)微生物得以發(fā)現(xiàn)。Vinogradsky標(biāo)準(zhǔn)：①無(wú)機(jī)物氧化是唯一的能量來(lái)源；②CO2是唯一碳源；③不利用有機(jī)物或有機(jī)物抑制其生長(zhǎng)。20世紀(jì)50-60年代標(biāo)準(zhǔn)：除去第三條?，F(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)：具有Rubisco及RuP激酶的微生物；如：甲基營(yíng)養(yǎng)菌。第90頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.自養(yǎng)微生物的種類化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌甲基營(yíng)養(yǎng)菌自養(yǎng)微生物硝化細(xì)菌硫化細(xì)菌氫細(xì)菌鐵細(xì)菌綠色細(xì)菌紫色細(xì)菌藍(lán)細(xì)菌嗜鹽細(xì)菌專性甲基營(yíng)養(yǎng)菌兼性甲基營(yíng)養(yǎng)菌第91頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（一）自養(yǎng)微生物的能量轉(zhuǎn)化方式1.化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)菌(chemolithoautotroph,CLA)化能自養(yǎng)微生物從無(wú)機(jī)物的氧化中獲得能量，并能以CO2作為主要碳源或唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。化能自養(yǎng)微生物都是好氧性細(xì)菌，根據(jù)它們生長(zhǎng)時(shí)提供能源的無(wú)機(jī)物類型不同，可以將它們分成硝化細(xì)菌、硫化細(xì)菌、鐵細(xì)菌和氫細(xì)菌4種類型。第92頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二真正屬于專性化能自養(yǎng)菌的種類并不多，不少種類屬于兼性自養(yǎng)或混合營(yíng)養(yǎng)型。專性化能自養(yǎng)菌并非絕對(duì)不吸收有機(jī)物，而是能不同程度地同化有機(jī)物，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)。但化能自養(yǎng)菌吸收的有機(jī)物不是作為能源，且數(shù)量有限，也不能代替CO2作為主要碳源。第93頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二化能自養(yǎng)菌通過(guò)氧化無(wú)機(jī)物獲得能量供其生長(zhǎng)。其產(chǎn)生ATP的途徑仍為電子傳遞磷酸化和底物水平磷酸化兩種。第94頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二亞硝化細(xì)菌的能量獲得方式膜氨單加氧酶(AMO)/羥胺氧化還原酶(HAO)/氨氧化細(xì)菌(AOB)第95頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二硝化細(xì)菌的能量獲得方式第96頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二NH3、NO2-的氧化還原電勢(shì)均比較高，以氧為電子受體進(jìn)行氧化時(shí)產(chǎn)生的能量較少，而且進(jìn)行合成代謝所需要的還原力需消耗ATP進(jìn)行電子的逆呼吸鏈傳遞來(lái)產(chǎn)生，因此這類細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，平均代時(shí)在10h以上。還原力的獲得方式——電子傳遞逆轉(zhuǎn)第97頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二硫細(xì)菌的能量獲得方式

H2S→S0→SO32–→SO42–

第98頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二硫細(xì)菌也是通過(guò)電子的逆呼吸鏈傳遞來(lái)生成還原力。第99頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二S2-S2O32-硫化物氧化酶氰化酶2H[S]O24ATPH2O4H3H2O硫氧化酶SO32-1/2O22ATPH2O2HAMP+2H+APS還原酶SO32-亞硫酸鹽-細(xì)胞色素C還原酶SO42-APS2-SO42-PiADP硫化酶ADP1/2ATP1/2AMPPi腺苷酸激酶硫化菌氧化硫化物形成SO42-和產(chǎn)生ATP的基本過(guò)程H2O2H1/2O22ATPH2O第100頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2Fe2+2Fe3+RCCytCCyta11/2O2+2H+H2O周質(zhì)空間PH4.5pH6.5pH2細(xì)胞膜細(xì)胞質(zhì)2H+CytCADP+piATP氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的過(guò)程中的電子傳遞第101頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二氫細(xì)菌的能量獲得方式顆粒狀氫化酶可溶性氫化酶第102頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二氫細(xì)菌含有兩種與H2氧化有關(guān)的酶：一種為不需NAD+的顆粒狀氫化酶，它是含6個(gè)鐵原子和不穩(wěn)定硫的鐵硫蛋白，分子量≤90000。它結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜或壁膜間隙中。其作用是合成ATP。另一種是需要NAD+的可溶性氫化酶，它是一種寡聚鐵硫黃素蛋白，分子量約200000，含有幾個(gè)[2Fe-2S]、[4Fe-4S]中心和FMN，酶呈自由態(tài)溶于細(xì)胞質(zhì)中。其作用是催化H2氧化形成NADH2，用于還原CO2。第103頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二應(yīng)用：1.硫桿菌產(chǎn)生的降解煤與石油中的無(wú)機(jī)及有機(jī)硫化物，以減輕酸雨的污染；2.硫桿菌產(chǎn)生的H2SO4可以使不溶性的CaCO3轉(zhuǎn)換成溶解度較大的CaSO4；3.利用硫桿菌產(chǎn)生的H2SO4溶解磷礦粉，增加磷礦粉的肥效；4.利用硫桿菌產(chǎn)生的H2SO4抑制非耐酸微生物的污染；5.最重要的應(yīng)用是硫氧化細(xì)菌可以與鐵細(xì)菌一起特別是氧化亞鐵硫桿菌可以被用于細(xì)菌浸礦。第104頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)菌(photolithoautotroph,PLA)光合微生物主要分為3大類群：綠色細(xì)菌、紫色細(xì)菌(分著色細(xì)菌和紅螺細(xì)菌)和藍(lán)細(xì)菌。第105頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二細(xì)菌的光合色素主要為細(xì)菌葉綠素(Bacteriochlorophyll,B-Chl)，它的分子結(jié)構(gòu)與高等植物相近。

第106頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二環(huán)式光合磷酸化(cyclicphosphorylation)第107頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二非環(huán)式光合磷酸化(noncyclicphotosphorylation)第108頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二比較項(xiàng)目原核生物綠藻及高等植物紫細(xì)菌綠細(xì)菌藍(lán)細(xì)菌含有光合器

的細(xì)胞結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜色素囊類囊片和

藻膽蛋白類囊片光合系統(tǒng)Ⅰ十十十十光合系統(tǒng)Ⅱ——十十同化CO2

的還原劑H2S，H2，或有機(jī)質(zhì)H2S，H2H2OH2O光合作用

的主要碳源CO2或有機(jī)質(zhì)CO2

或有機(jī)質(zhì)CO2CO2氧的產(chǎn)生－－＋＋第109頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.嗜鹽菌(Halobacterium)嗜鹽細(xì)菌屬于極端微生物，它不含葉綠素或細(xì)菌葉綠素，依靠其特有的菌視紅質(zhì)(Bacteriorhodopsins)進(jìn)行光合作用。鹽生鹽桿菌(Halobacteriumhalobium)在低氧濃度下形成的菌視紅質(zhì)是由7個(gè)α螺旋構(gòu)成的穿膜結(jié)構(gòu)，在560nm具有強(qiáng)烈的光吸收，而后驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵將質(zhì)子抽到細(xì)胞膜外，造成內(nèi)外質(zhì)子的濃度差，從而形成ATP。第110頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第111頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二嗜鹽細(xì)菌的能量獲得方式第112頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二在海洋和淡水水體中，有一些細(xì)菌能發(fā)光。在一定條件下，發(fā)光細(xì)菌能將細(xì)胞內(nèi)貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能。如海洋細(xì)菌中的費(fèi)氏發(fā)光桿菌(Photobacteriumfischeri)就具有發(fā)光能力。發(fā)光機(jī)理：在特定條件下，發(fā)光細(xì)菌可在細(xì)胞內(nèi)累積的某種物質(zhì)的誘導(dǎo)下產(chǎn)生熒光素酶，該酶在有氧和長(zhǎng)鏈脂肪醛(C12～14)存在的條件下，催化黃素單核苷酸(FMNH2)氧化，伴隨產(chǎn)生發(fā)光反應(yīng)。發(fā)光后的產(chǎn)物為氧化型黃素單核苷酸(FMN)、長(zhǎng)鏈脂肪酸和水。熒光素酶是細(xì)菌發(fā)光反應(yīng)的關(guān)鍵酶，生物發(fā)光第113頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第114頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二淀粉、纖維素、果膠、蛋白質(zhì)、核酸等大分子化合物，必須在體外降解成可吸收的小分子單體，才能被微生物利用，這一過(guò)程不產(chǎn)能，但是為氧化還原做了準(zhǔn)備。（一）淀粉的降解淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉之分。直鏈淀粉是以葡萄糖單體以α-1,4糖苷鍵連接而成；支鏈淀粉除了含有α-1,4糖苷鍵，還有分叉的α-1,6糖苷鍵。五.大分子化合物的降解第115頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二glucoseglucose

α-1,4糖苷鍵第116頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二淀粉的分解：是由微生物產(chǎn)生的淀粉酶催化完成的，因?yàn)榈矸凼怯稍S多葡萄糖分子聚合而成的，所以最終把淀粉分解，產(chǎn)生葡萄糖、麥芽糖等。第117頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二主要淀粉酶的作用方式第118頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Starchdegradationbyamylolyticenzymes.Theopenandblackcolouredcirclesrepresentthereducingandnon-reducingsugars,respectively.Notethatthecleavageoccursatthereducingsugar.第119頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二該酶攻擊淀粉分子內(nèi)部α-1，4糖苷鍵，但對(duì)α-1,6糖苷鍵及靠近α-1,6糖苷鍵的α-1,4糖苷鍵無(wú)作用。作用的結(jié)果是產(chǎn)生麥芽糖、含有6個(gè)葡萄糖單位的寡糖和帶有支鏈的寡糖。從非還原性末端開(kāi)始以雙糖為單位水解α-1,4糖苷鍵，但β-淀粉酶不水解α-1,6糖苷鍵，遇到此鍵，作用停止。水解的終產(chǎn)物是麥芽糖、極限糊精(當(dāng)支鏈淀粉水解一半時(shí)，反應(yīng)停止時(shí)的剩余部分)及帶分支側(cè)鏈寡糖。

β-淀粉酶α-淀粉酶(α-amylase)第120頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

從非還原末端開(kāi)始，依次以葡萄糖為單位水解α-1,4糖苷鍵，不水解α-1,6糖苷鍵，但能越過(guò)此鍵作用α-1,4糖苷鍵，作用產(chǎn)物是葡萄糖和帶有α-1,6糖苷鍵的寡糖。水解淀粉中的α-1,6糖苷鍵。它能水解α-淀粉酶和β-淀粉酶水解后的產(chǎn)物極限糊精，作用產(chǎn)物是葡萄糖。

葡萄糖淀粉酶淀粉-1,6-轉(zhuǎn)葡糖苷酶(異淀粉酶)第121頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二支鏈淀粉直鏈淀粉表示帶有還原基的葡萄糖殘基Reducingtermini

Reducingtermini第122頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）纖維素的降解纖維素是地球上最豐富的多糖類化合物，是由許多葡萄糖分子聚合而成的長(zhǎng)鏈大分子。許多微生物能夠分泌分解纖維素的酶，土壤微生物產(chǎn)生的纖維素酶分解農(nóng)作物秸桿，最終產(chǎn)生葡萄糖。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C2酶β-葡萄糖苷酶第123頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二按照纖維素酶的作用機(jī)理一般也可以將其分為三類：(1)內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶(endo-β-1,4-glucanase,(EC,也稱Cx酶);(2)外切β-1,4-葡聚糖酶(exo-β-1,4-glucanase,EC1,也稱C1酶);(3)纖維二糖水解酶(cellobiohydrolase,EC2.1.21,簡(jiǎn)稱CBH)。第124頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二果膠質(zhì)的分解：果膠質(zhì)是構(gòu)成植物細(xì)胞間質(zhì)的主要物質(zhì)，分解果膠的微生物主要是一些細(xì)菌和真菌，分解果膠質(zhì)后產(chǎn)生一些有機(jī)酸和醇類化合物。幾丁質(zhì)的分解：幾丁質(zhì)又稱甲殼質(zhì)，是真菌細(xì)胞壁和昆蟲(chóng)體壁的組成成分，也是甲殼類動(dòng)物，如蝦、蟹的外殼主要成分。它們是不易被分解的含氮多糖物質(zhì)，一般生物都不能分解它，只有一些細(xì)菌和放線菌能分解和利用它。幾丁質(zhì)首先被幾丁質(zhì)酶分解成為甲殼二糖，后者被甲殼二糖酶分解成為N-乙酰氨基葡萄糖。（三）其他生物大分子的降解第125頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二淀粉與幾丁質(zhì)的結(jié)構(gòu)StarchChitin第126頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二半纖維素的分解：半纖維素的結(jié)構(gòu)與組成隨植物的種類或存在部位不同而異，微生物分解半纖維素的酶也多種多樣。半纖維素分解后產(chǎn)生木糖、阿拉伯糖等等。木質(zhì)素的分解：木質(zhì)素是植物體內(nèi)含量?jī)H次于纖維素和半纖維素的一個(gè)組分，一般占植物干重的15～20%，在木材中可占30%左右。木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但在自然界中，仍然有一些微生物能夠分解該類物質(zhì)，其中，以擔(dān)子菌的分解能力最強(qiáng)。擔(dān)子菌分解木質(zhì)素時(shí)，還常同時(shí)分解纖維素、半纖維素等物質(zhì)。第127頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二脂肪的分解：微生物對(duì)脂肪的分解主要依賴于脂肪酶的作用，產(chǎn)生甘油和脂肪酸。在有氧條件下，脂肪酸可被徹底氧化成乙酰輔酶A，并釋放出大量能量。蛋白質(zhì)的分解：蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的大分子量的化合物，種類繁多。微生物中產(chǎn)生的蛋白酶可將蛋白質(zhì)分解為片段較小的肽，然后再由肽酶將肽分解成為氨基酸。微生物產(chǎn)生的蛋白酶大多數(shù)可以分泌到細(xì)胞外面，稱為胞外酶，但肽酶有胞外酶，也有不向外分泌而只存在于細(xì)胞內(nèi)的胞內(nèi)酶。微生物也能分解組成蛋白質(zhì)的氨基酸，形成胺類和醇類。第128頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二檸檬酸(Citric

acid)分子式為C6H807，易溶于水、酒精、不溶于醚、酯、氯仿等有機(jī)溶劑，它天然存在于果實(shí)中。檸檬酸主要用作酸味劑、增溶劑、緩沖劑、抗氧化劑、除腥脫臭劑、風(fēng)味增進(jìn)劑、膠凝劑、調(diào)色劑等。檸檬酸1784年由Scheels發(fā)現(xiàn)，1893年Wehmer發(fā)現(xiàn)二種青霉菌可以生成檸檬酸，1917年Currie使用黑曲霉淺盤(pán)發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，1938年P(guān)erquin和1942年Karrow進(jìn)行了檸檬酸的深層發(fā)酵研究，1951年美國(guó)Miles公司首先以淀粉質(zhì)為原料，經(jīng)水解后深層發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸。第三節(jié)有機(jī)酸發(fā)酵一、檸檬酸發(fā)酵(酶學(xué)水平的調(diào)控)第129頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二我國(guó)1953年采用淺盤(pán)法發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，1968年用薯干為原料采用深層發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸成功，至20世紀(jì)70年代中期，檸檬酸工業(yè)已初步形成了生產(chǎn)體系：產(chǎn)量位居世界第一；技術(shù)上處于世界領(lǐng)先水平，其優(yōu)勢(shì)：1.發(fā)酵采用的菌種(黑曲霉)具有雙重功能，采用邊糖化邊發(fā)酵工藝，降低了生產(chǎn)成本。2.檸檬酸的產(chǎn)酸速度大大高于國(guó)外水平，平均產(chǎn)酸速率是國(guó)外的2倍。

（一）檸檬酸發(fā)酵概述第130頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二檸檬酸的消費(fèi)領(lǐng)域：飲料行業(yè)占40～45％食品添加劑等占15～20％洗滌劑占20～30％醫(yī)藥占5％其它占10％我國(guó)是世界上最大的檸檬酸生產(chǎn)和出口國(guó)，檸檬酸年產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到百萬(wàn)噸，占世界的70％左右；年產(chǎn)量達(dá)70余萬(wàn)噸，約占世界的65％；年出口量50萬(wàn)噸，超過(guò)世界貿(mào)易總量的一半。主要出口到印度、美國(guó)、歐洲、日本等地。在1970年時(shí)，我國(guó)的檸檬酸年產(chǎn)僅有130噸。第131頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）檸檬酸發(fā)酵微生物

在固體培養(yǎng)基上，黑曲霉菌落由白色逐漸變至棕色。孢子區(qū)域?yàn)楹谏涑式q毛狀，邊緣不整齊。菌絲有隔膜和分枝，是多細(xì)胞的菌絲體