第六章發(fā)酵機(jī)理課件

1、第 六 章第一節(jié) 微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝第二節(jié) 厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成第三節(jié) 好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成第一節(jié) 微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝生物氧化異養(yǎng)微生物的生物氧化自養(yǎng)微生物的生物氧化能量轉(zhuǎn)換 代謝(metabolism)是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱，它主要由分解代謝(catabolism)和合成代謝(anabolism)兩個(gè)過(guò)程組成。 分解代謝是指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生能量。 合成代謝是指細(xì)胞利用簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中要消耗能量。 分解代謝的三個(gè)階段：第一階段是將蛋白質(zhì)、多糖及脂類等大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解成為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)；第二階段是將第

2、一階段產(chǎn)物進(jìn)一步降解成更為簡(jiǎn)單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進(jìn)入三羧酸循環(huán)的某些中間產(chǎn)物，在這個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生一些ATP、NADH及FADH2；第三階段是通過(guò)三羧酸循環(huán)將第二階段產(chǎn)物完全降解生成CO2，并產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2。第二和第三階段產(chǎn)生的ATP、NADH及FADH2通過(guò)電子傳遞鏈被氧化，可產(chǎn)生大量的ATP。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝合成代謝所利用的小分子物質(zhì)源于分解代謝過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境。在代謝過(guò)程中，微生物通過(guò)分解代謝產(chǎn)生化學(xué)能，光合微生物還可將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，這些能量用于合成代謝、微生物的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環(huán)境中去。微生物產(chǎn)生和利用能量及其與代謝的關(guān)

3、系圖生物氧化: 分解代謝實(shí)際上是物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，逐步分解并釋放能量的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程也稱為生物氧化，是一個(gè)產(chǎn)能代謝過(guò)程。不同類型微生物進(jìn)行生物氧化所利用的物質(zhì)是不同的，異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物，自養(yǎng)微生物則利用無(wú)機(jī)物，通過(guò)生物氧化來(lái)進(jìn)行產(chǎn)能代謝。 異養(yǎng)微生物的生物氧化:異養(yǎng)微生物氧化有機(jī)物的方式，根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子受體的不同可分為有氧呼吸和無(wú)氧呼吸兩種方式。發(fā)酵(fermentation)是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生

4、物發(fā)酵葡萄糖最為重要。生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過(guò)程稱為糖酵解(glycolysis)，主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑。 EMP途徑(糖酵解途徑): 大致分為兩個(gè)階段。第一階段可認(rèn)為是不涉及氧化還原反應(yīng)及能量釋放的準(zhǔn)備階段，只是生成兩分子的主要中間代謝產(chǎn)物：甘油醛-3-磷酸。第二階段發(fā)生氧化還原反應(yīng)，合成ATP并形成兩分子的丙酮酸。EMP途徑可為微生物的生理活動(dòng)提供ATP和NADH，其中間產(chǎn)物又可為微生物的合成代謝提供碳骨架，并在一定條件下可逆轉(zhuǎn)合成多糖。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

5、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TCAEMP途徑關(guān)鍵步驟磷酸戊糖途徑可分為氧化階段和非氧化階段。一個(gè)HMP途徑循環(huán)的結(jié)果為：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。多數(shù)微生物中具有HMP途徑.（二）HMP途徑（磷酸戊糖途徑，單磷酸己糖途徑)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，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），

6、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。由六個(gè)葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個(gè)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。HMP途徑降解葡萄糖的三個(gè)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(guò)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(wú)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HMP途徑關(guān)鍵步驟1

7、. 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）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(guò)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37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(guò)該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核

8、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(dòng)對(duì)其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonas saccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來(lái)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ED途徑 ATP ADP NADP+ 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) EM

9、P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(shí)與TCA環(huán)連接 無(wú)氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵 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(jiǎn)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

10、生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵.ED途徑的總反應(yīng) ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6ATP 2乙醇 (有氧時(shí)經(jīng)過(guò)呼吸鏈) （無(wú)氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌乙醇發(fā)酵）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(duì)乙醇耐受力低ATP 有氧時(shí)經(jīng)呼吸鏈6ATP 無(wú)氧時(shí) 進(jìn)行發(fā)酵 2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+

11、H+2丙酮酸ATP C6H12O6 KDPGED途徑的總反應(yīng)（續(xù)）（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(gè)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 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

12、磷酸戊糖酮解途徑的特點(diǎn)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;幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2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乙酸激酶磷酸己糖酮解途徑的特點(diǎn)有兩個(gè)磷酸酮解酶參加反應(yīng)；在沒(méi)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)槿樗幔灰阴Ａ姿嵘梢宜岬姆磻?yīng)則與ADP生成ATP的反應(yīng)相偶聯(lián)；每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5

13、分子的ATP；許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。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。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(gè)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

14、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。TCA循環(huán)的重要特點(diǎn)經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過(guò)呼吸鏈等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無(wú)機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。根據(jù)遞氫特別是受氫過(guò)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(méi)有任何外援的最終電子受體的生物氧化模式；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(wú)氧呼吸最終電子受體是O2以外的無(wú)機(jī)氧化物，如NO3-、SO42-等.二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生概念：

15、在生物氧化中發(fā)酵是指無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過(guò)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(lái)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和PK途徑。發(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(shí)使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會(huì)中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過(guò)程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來(lái)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

16、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)酵作用酵母型酒精發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵2,3丁二醇發(fā)酵丁酸發(fā)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶酵母菌的乙醇發(fā)酵：概念菌種途徑特點(diǎn)發(fā)生條件該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。（一）乙醇發(fā)酵當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會(huì)改為甘油發(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+ CH3

17、COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此時(shí)也由磷酸二羥丙酮擔(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概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源機(jī)理：通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時(shí)間細(xì)胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(The Pasteur effect )現(xiàn)象：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 丙酮酸丙酮酸乙醇 乙醛2乙醇2C

18、O22H2H+ATP2ATP菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等途徑：ED酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵 脫羧酶 脫氫酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通過(guò)EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 細(xì)菌(Zymomonas mobilis)的乙醇發(fā)酵 通過(guò)ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP細(xì)菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇發(fā)酵 通過(guò)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

19、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)酵利用Zlis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（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） 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丙酮酸同型乳酸發(fā)酵2NAD+ 2NADH

20、4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念菌種途徑特點(diǎn)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+ NADHATP ADP乙醇 乙醛 乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念菌種途徑特點(diǎn)-CO2（三）混合酸發(fā)酵概念：大腸埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌的一些腸道細(xì)菌通過(guò)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。 葡萄糖琥珀酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸 丙

21、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+2HpH6.2發(fā)酵途徑：（四）2,3-丁二醇發(fā)酵概念：腸桿菌屬、沙雷氏菌屬、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。 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CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶EMP發(fā)酵途徑：概念:是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化過(guò)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)：必須指出，在有氧呼吸

22、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(guò)程中釋放的電子先通過(guò)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。2、有氧呼吸 由此可見(jiàn)， TCA循環(huán)與電子傳遞是有氧呼吸中兩個(gè)主要的產(chǎn)能環(huán)節(jié)。電子傳遞與氧化呼吸鏈定義：由一系列氧化還原勢(shì)不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過(guò)程中，通過(guò)與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。部位：原核生物發(fā)生在細(xì)胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN 、CoQ、細(xì)胞色素b 、c 1、 c、 a 、a和一些鐵硫

23、旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢(shì)大小排列，電子傳遞次序如下：MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v)C1C a a3 O2 H2O (+0.26) (+0.28) (+0.82v)呼吸鏈中NAD+/NADH的E0值最小，而O2/H2O的E0值最大，所以，電子的傳遞方向是：NADH O2上式表明還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對(duì)，都具有高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能，它推動(dòng)電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉(zhuǎn)移到分子氧。電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過(guò)程，故又稱為氧化呼吸鏈。呼吸鏈的功

24、能： 一是傳遞電子；二是將電子傳遞過(guò)程中釋放的能量合成ATP這就是電子產(chǎn)地磷酸化作用（或稱氧化磷酸化作用）。典型的呼吸鏈自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化還原勢(shì)氧化態(tài)還原態(tài)還原態(tài)氧化態(tài)氧化態(tài)還原態(tài)還原態(tài) 醌氧化態(tài)氧化態(tài)還原態(tài) 脫氫酶NADFADH2H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平高氧化還原勢(shì)FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3 氧化酶典型的呼吸鏈原核生物呼吸鏈的特點(diǎn)存在于細(xì)胞膜上呼吸鏈中的氧還載體取代性強(qiáng)，如CoQ可被MK取代呼吸鏈中的氧還載體的數(shù)量在不同的種間，不同的環(huán)境條件下可增可減有分支呼吸

25、鏈的存在，表現(xiàn)在來(lái)自不同的底物的還原力進(jìn)入呼吸鏈時(shí)有不同的分支，不同的微生物細(xì)胞色素系統(tǒng)有別，如E.Coli在缺氧時(shí)，呼吸鏈分為兩支，即Cyt.b556 Cyt.o; Cyt.b558 Cyt.dNAD：含有它的酶能從底物上移出一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子，成為還原態(tài)NDAH+H+。FAD和FMN：黃素蛋白的輔基，鐵硫蛋白（Fe-S）：傳遞電子的氧化還原載體輔基為分子中的含鐵硫的中心部分。存在于呼吸鏈中幾種酶復(fù)合體中，參與膜上的電子傳遞。在固氮、亞硫酸還原、亞硝酸還原、光合作用、分子氫的激活和釋放以及鏈烷的氧化作用中也有作用。在呼吸鏈的“2Fe+2S”中心每次僅能傳遞一個(gè)電子。泛醌（輔酶Q）：脂溶性氫載

26、體。廣泛存在于真核生物線粒體內(nèi)膜和革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞膜上；革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和某些革蘭氏陰性細(xì)菌則含甲基萘醌。在呼吸鏈中醌類的含量比其他組分多1015倍，其作用是收集來(lái)自呼吸鏈各種輔酶和輔基所輸出的氫和電子，并將它們傳遞給細(xì)胞色素系統(tǒng)。細(xì)胞色素系統(tǒng)：位于呼吸鏈后端，功能是傳遞電子。微生物中重要的呼吸鏈組分細(xì)胞色素系統(tǒng)功能：從泛醌中接受電子，并將同等數(shù)目的質(zhì)子推到線粒體膜或細(xì)胞膜外的溶液中。分類：線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細(xì)胞色素，按其吸收光譜和氧還電位的差別分為cyt.a， cyt.a3， cyt.b， cyt.c和cyt.o等。細(xì)胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。Cyta

27、a3以復(fù)合物形式存在，稱為細(xì)胞色素氧化酶。細(xì)胞色素a a3含有兩個(gè)必需的銅原子。由還原型a3將電子直接傳遞給分子氧。 電子從CoQ傳到b c c1 ，F(xiàn)e-S旦白, a a3 。結(jié)構(gòu)組成：以血紅素為輔基，通過(guò)其卟啉分子中心鐵原子的價(jià)電荷的變化而傳遞電子。 cyt.a3即細(xì)胞色素氧化酶是許多微生物的末端氧化酶，能催化4個(gè)電子還原氧的反應(yīng)，激活分子氧。ATP的結(jié)構(gòu)和生成2. ATP的生成方式: 微生物能量代謝活動(dòng)中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化學(xué)能. ATP是生物體內(nèi)能量的載體或流通形式.當(dāng)微生物獲得能量后,都是先將獲得的能量轉(zhuǎn)換成ATP.當(dāng)需要能量時(shí),ATP分子上的高能鍵水解,重新釋放

28、出能量.光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化1. 結(jié)構(gòu):光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應(yīng).光合磷酸化作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,以用于從二氧化碳合成細(xì)胞物質(zhì).主要是光合微生物。光合微生物:藻類、藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌（包括紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌和嗜鹽菌等）。細(xì)菌的光合作用與高等植物不同的是，除藍(lán)細(xì)菌具有葉綠素、能進(jìn)行水的裂解進(jìn)行產(chǎn)氧的光合作用外，其他細(xì)菌沒(méi)有葉綠素，只有菌綠素或其他光合色素，只能裂解無(wú)機(jī)物（如H2、H2S等）或簡(jiǎn)單有機(jī)物，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用。氧化磷酸化：利用化合物氧化過(guò)程中釋放的能量生成ATP的反應(yīng)。氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種：底物水平磷酸化不需氧電子傳遞磷酸化需氧。

29、底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過(guò)程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個(gè)化合物通過(guò)相應(yīng)的酶作用把高能鍵磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，使其生成ATP。 這種類型的氧化磷酸化方式在生物代謝過(guò)程中較為普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。底物水平磷酸化舉例由于脫掉一個(gè)水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯鍵轉(zhuǎn)變?yōu)?一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇鍵。這種高能連接的磷酸可以轉(zhuǎn)給ADP，產(chǎn)生ATP分子。在微生物代謝活動(dòng)中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物質(zhì)外，還有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。 在電子傳遞磷酸化中，通過(guò)呼吸鏈傳遞電子，將氧化過(guò)程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來(lái)，形成ATP。 呼

30、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。 通過(guò)呼吸鏈生成的ATP數(shù)量主要是根據(jù)呼吸鏈成員的多少而不同，而呼吸鏈的組成因微生物種類而異，如酵母菌可生成3個(gè)ATP，而細(xì)菌大約只生成1個(gè)ATP磷酸化作用是在電子自供體向最終受體的傳遞過(guò)程中發(fā)生的。從氧化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生的一對(duì)電子或氫原子向最終電子受體轉(zhuǎn)移時(shí)，中間經(jīng)過(guò)一系列電子傳遞體，每個(gè)電子傳遞體構(gòu)成一個(gè)氧化還原系統(tǒng)，這一系列電子傳遞體在不同生物中有其自己一定的排列次序，構(gòu)成一條電子傳遞鏈，因而稱為呼吸鏈。流動(dòng)的電子通過(guò)呼吸鏈時(shí)逐步釋放出能量生成ATP。電

31、子傳遞磷酸化一個(gè)NAD分子，通過(guò)呼吸鏈進(jìn)行氧化，可以產(chǎn)生3個(gè)ATP分子。它分別在三個(gè)位置，各產(chǎn)生一個(gè)ATP。如圖41所示，第一個(gè)ATP大約在輔酶1和黃素蛋白之間；第二個(gè)ATP大約在細(xì)胞色素b和cl之間；第三個(gè)ATP大約在細(xì)胞色素c和a之間。電子傳遞磷酸化舉例回補(bǔ)途徑TCA循環(huán)重要功能除產(chǎn)能外，為一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中間產(chǎn)物；生物合成中所消耗的中間產(chǎn)物若得不到補(bǔ)充，循環(huán)就會(huì)中斷；回補(bǔ)方式：通過(guò)某些化合物的CO2固定作用， 一些轉(zhuǎn)氨基酶所催化的反應(yīng)也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸， 通過(guò)乙醛酸循環(huán)通過(guò)某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物得到回補(bǔ)：丙酮酸羧化酶：CO2+丙酮酸+

32、ATP+H2O Mg+ 草酰乙酸+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶: CO2 +PEP+ H2O 草酰乙酸+H3PO4蘋果酸酶: CO2 +丙酮酸+NADPH+H+ 蘋果酸+ NADP+ 為了能夠在己糖或戊糖的中間代謝物上進(jìn)行好氧生長(zhǎng)，異養(yǎng)微生物至少要具備上述幾種酶之種的一個(gè)酶。CO2固定作用補(bǔ)充TCA環(huán)的中間產(chǎn)物乙醛酸循環(huán)草酰乙酸檸檬酸琥珀酸異檸檬酸蘋果酸延胡索酸乙醛酸乙酰CoA乙酰CoA乙酸乙酸乙醛酸循環(huán)能夠利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA；然后在異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶的作用下進(jìn)入乙醛酸循環(huán)。乙醛酸循環(huán)的主要反應(yīng)： 異檸檬酸 琥珀酸 +乙醛酸 乙醛酸

33、+ 乙酸 蘋果酸 琥珀酸 + 乙酸 異檸檬酸 凈反應(yīng)：2乙酸 蘋果酸回補(bǔ)順序谷氨酸+NH3谷氨酸脫氫酶-酮戊二酸氧化酶檸檬酸發(fā)酵菌種：能產(chǎn)生檸檬酸的菌種很多，但以霉菌為主，其中又以黑曲霉產(chǎn)生檸檬酸的能力較強(qiáng)，并能利用多種碳源，故常是生產(chǎn)上使用的菌種。發(fā)酵機(jī)理：細(xì)胞內(nèi)有三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)；檸檬酸合成酶活力較高，而烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶可被某些因素，如金屬離子的缺乏，受到抑制，這有利于檸檬酸的積累。工藝流程：發(fā)酵液的pH值對(duì)檸檬酸生成影響很大；pH23時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物主要是檸檬酸； pH值中性或堿性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多草酸和葡萄糖酸； 可往培養(yǎng)基中加入亞鐵氰化鉀或采取育種手段改造菌種，使烏頭酸酶或異檸

34、檬酸脫氫酶缺失或盡量降低活性，以阻礙TCA循環(huán)的正常進(jìn)行，從而增加檸檬酸的積累。谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(fā)酵菌種：Corynebacterium pekinenseCorynebacterium glutamicumBrevibacterium flavu發(fā)酵機(jī)理： 谷氨酸以-酮戊二酸為碳架；當(dāng)以糖質(zhì)為發(fā)酵原料時(shí)，合成途徑包括EMP,HMP,TCA循環(huán),乙醛酸循環(huán)等； 谷氨酸產(chǎn)生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脫氫酶的活力要很高； 生物素是谷氨酸產(chǎn)生菌必需的一種維生素，在谷氨酸生物合成中起著重要作用，缺乏或量太高都會(huì)使谷氨酸合成受阻。生物素通過(guò)影響細(xì)胞膜的通透性而影響谷氨酸發(fā)酵。 概念：以

35、無(wú)機(jī)氧化物中的氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用。一些厭氧和兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸.無(wú)機(jī)氧化物：如NO3-、 NO2-、SO42-、S2O32-等。在無(wú)氧呼吸過(guò)程中，電子供體和受體之間也需要細(xì)胞色素等中間電子遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，可產(chǎn)生較多能量，但不如有氧呼吸產(chǎn)生的能量多。如：以硝酸鉀為電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸時(shí)，可釋放出1796.14KJ自由能。3、無(wú)氧呼吸微生物發(fā)酵機(jī)理調(diào)控微生物代謝過(guò)程中的自我調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)代謝調(diào)控理論的應(yīng)用微生物代謝過(guò)程中的自我調(diào)節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：精確、可塑性強(qiáng)，細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)能力超過(guò)高等生物。成因：細(xì)胞體

36、積小，所處環(huán)境多變。舉例：大腸桿菌細(xì)胞中存在2500種蛋白質(zhì)，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的體積只能容納10萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)分子，所以每種酶平均分配不到100個(gè)分子。解決方式：組成酶（constitutive enzyme）經(jīng)常以高濃度存在，其它酶都是誘導(dǎo)酶（inducible enzyme），在底物或其類似物存在時(shí)才合成，誘導(dǎo)酶的總量占細(xì)胞總蛋白含量的10%。微生物自我調(diào)節(jié)代謝的方式1.控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞2.通過(guò)酶的定位控制酶與底物的接觸3.控制代謝物流向:重點(diǎn)1.控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞如：只有當(dāng)速效碳源或氮源耗盡時(shí)，微生物才合成遲效碳源或氮源的運(yùn)輸系統(tǒng)與分解

37、該物質(zhì)的酶系統(tǒng)。2.通過(guò)酶的定位控制酶與底物的接觸1）真核微生物酶定位在相應(yīng)細(xì)胞器上；細(xì)胞器各自行使某種特異的功能； 2）原核微生物在細(xì)胞內(nèi)劃分區(qū)域集中某類酶行使 功能： 與呼吸產(chǎn)能代謝有關(guān)的酶位于膜上； 蛋白質(zhì)合成酶和移位酶位于核糖體上； 同核苷酸吸收有關(guān)的酶在G-菌的周質(zhì)區(qū)。3. 控制代謝物流向：( 通過(guò)酶促反應(yīng)速度來(lái)調(diào)節(jié)) 1)可逆反應(yīng)途徑由同種酶催化，可由不同輔基或輔酶控制代謝物流向：如: 兩種Glu脫氫酶：以NADP為輔基 Glu合成 以NAD為輔基 Glu分解 2)通過(guò)調(diào)節(jié)酶的活性或酶的合成量。關(guān)鍵酶: 某一代謝途徑中的第一個(gè)酶或分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶。 粗調(diào)：調(diào)節(jié)酶的合成量細(xì)調(diào)：調(diào)節(jié)

38、現(xiàn)有酶分子的活性 3)通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)能代謝速率。一、酶活性的調(diào)節(jié)通過(guò)改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。（一）調(diào)節(jié)方式：包括兩個(gè)方面：1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見(jiàn)于分解代謝途徑。 如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn)2、酶活性的抑制：包括：競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反饋抑制。概念：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。 凡使反應(yīng)速度加快的稱正反饋； 凡使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反饋（反饋抑制）； 反饋抑制主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。

39、主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除1.直線式代謝途徑中的反饋抑制： 蘇氨酸脫氨酶蘇氨酸 -酮丁酸 異亮氨酸 反饋抑制其它實(shí)例：谷氨酸棒桿菌的精氨酸合成2.分支代謝途徑中的反饋抑制：在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。主要有： 同功酶的調(diào)節(jié)， 順序反饋，協(xié)同反饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。（二）反饋抑制的類型（1）同功酶調(diào)節(jié)isoenzyme定義：催化相同的生化反應(yīng)，而酶分子結(jié)構(gòu)有差別的一組酶。意義：在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是

40、由幾個(gè)同功酶催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用。某一產(chǎn)物過(guò)量?jī)H抑制相應(yīng)酶活，對(duì)其他產(chǎn)物沒(méi)影響。舉例：大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié)（2）協(xié)同反饋抑制concerted feedback inhibition定義：分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。舉例：谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）多粘芽孢桿菌（Bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。（3）合作反饋抑制cooperative feedback inhib

41、ition定義：兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反饋抑制作用大于二者單獨(dú)作用之和。舉例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP （和IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時(shí)，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨(dú)過(guò)量時(shí)，分別抑制其活性的70%和10%。（4）積累反饋抑制cumulative feedback inhibition定義：每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無(wú)協(xié)同效應(yīng)，亦無(wú)拮抗作用。Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸 13%AMP 41%積累反饋抑制E.coli谷氨酰胺合成酶的調(diào)節(jié)

42、（5）順序反饋抑制sequential feedback inhibition一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，通過(guò)后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。舉例：枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成的調(diào)節(jié)在分支合成途徑中，分支點(diǎn)后的兩種酶競(jìng)爭(zhēng)同一種底物，如AMP與GMP，Thr與Lys、Met，由于兩種酶對(duì)底物的Km值（即對(duì)底物的親和力）不同，故兩條支路的一條優(yōu)先合成。（6）優(yōu)先合成(三)酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制變構(gòu)酶理論： 變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子空間構(gòu)象的變化影響酶活。其上具有兩個(gè)以上立體專一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)是調(diào)節(jié)中心。活性位點(diǎn):與底物結(jié)合變構(gòu)位點(diǎn):與抑制劑結(jié)合,構(gòu)象變化,不能與底物結(jié)合 與激活劑結(jié)合, 構(gòu)象變化,促進(jìn)與底物結(jié)合 變構(gòu)酶(一)、生物合成途徑的代謝調(diào)控； 1、終產(chǎn)物阻遏（end product repression) 終產(chǎn)物阻遏該途徑所有酶的合成。 2、反饋（feedback)或變構(gòu)抑制(allosteric