第五章微生物的代謝與調(diào)控

第五章

微生物的代謝與調(diào)

節(jié)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]現(xiàn)在是1頁\一共有95頁\編輯于星期四

在微生物生命的整個代謝過程中，指令系統(tǒng)是基因，作用系統(tǒng)是酶，調(diào)控系統(tǒng)是代謝產(chǎn)物，影響因素是外界環(huán)境。在細(xì)胞內(nèi)各系統(tǒng)之間任何時候都處于相互統(tǒng)一、矛盾、協(xié)調(diào)和制約之中，是一個完美的自控體系。

現(xiàn)在是2頁\一共有95頁\編輯于星期四第一節(jié)微生物能量代謝能量代謝是一切生物代謝的核心問題能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP。最初能源有機(jī)物還原態(tài)無機(jī)物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）現(xiàn)在是3頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是4頁\一共有95頁\編輯于星期四生物氧化方式

①物質(zhì)中加氧；

②化合物脫氫；

③失去電子，如Fe2＋離子失去電子變成Fe3＋離子。

根據(jù)最終電子受體(氫受體)分為：有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵一、微生物的呼吸作用現(xiàn)在是5頁\一共有95頁\編輯于星期四生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物現(xiàn)在是6頁\一共有95頁\編輯于星期四（一）底物脫氫的4條途徑多數(shù)微生物是化能異養(yǎng)型菌，葡萄糖是微生物最好的碳源和能源，可通過4條代謝途徑，EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑完成脫氫反應(yīng)，并伴隨還原力[H]和能量的產(chǎn)生。

現(xiàn)在是7頁\一共有95頁\編輯于星期四1.EMP途徑(Embden-Meyerhof-Parnaspathway)生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，這是多數(shù)微生物共有的基本代謝途徑。

通過EMP途徑，1分子葡萄糖經(jīng)10步反應(yīng)轉(zhuǎn)變成2分子丙酮酸，產(chǎn)生2分子ATP和2分子NADH2。其總反應(yīng)式為：

C6H1206+2NAD+2ADP+2Pi——→2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP+2H20

現(xiàn)在是8頁\一共有95頁\編輯于星期四在EMP途徑終反應(yīng)中，2NADH2在有氧條件下，可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生6ATP，而在無氧條件下，則可將丙酮酸還原成乳酸，或?qū)⒈崦擊瘸梢胰笳哌€原為乙醇。

EMP途徑的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛縮酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解生成兩個三碳化合。2個3-磷酸甘油醛經(jīng)磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶作用下生成2分子丙酮酸。丙酮酸是EMP途徑的關(guān)鍵產(chǎn)物，由它出發(fā)在不同的微生物中可進(jìn)行多種發(fā)酵.現(xiàn)在是9頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是10頁\一共有95頁\編輯于星期四(2)HMP途徑(HexoseMonophosphatePathway))

能產(chǎn)生大量NADPH2形式還原力和重要中間代謝產(chǎn)物而并非產(chǎn)能的代謝途徑。

HMP途徑可概括為三個階段

①葡萄糖分子通過幾步反應(yīng)產(chǎn)生5-磷酸核酮糖和CO2；②5-磷酸核酮糖發(fā)生同分異構(gòu)化而分別產(chǎn)生5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖；

③磷酸戊糖在沒有氧參與的條件下，發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了磷酸己糖和3-磷酸甘油醛，

現(xiàn)在是11頁\一共有95頁\編輯于星期四后者可通過以下兩種方式進(jìn)行代謝。

一種產(chǎn)物是進(jìn)入EMP途徑生成丙酮酸，

另一種產(chǎn)物是通過二磷酸果糖醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為磷酸己糖。HMP途徑。

HMP途徑一次循環(huán)需要6分子葡萄糖同時參與，有5分子6-磷酸己糖再生，用去1分子葡萄糖，產(chǎn)生大量NADPH2形式的還原力。其總反應(yīng)式為：

6-磷酸葡萄糖+2NADP+H20——→5/66-磷酸葡萄糖+2NADPH2+C02+Pi現(xiàn)在是12頁\一共有95頁\編輯于星期四3ED途徑(Enrner-DoudoroffPathway)又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸(KDPG)裂解途徑。它是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的細(xì)菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑。

在ED途徑中，6-磷酸葡萄糖首先脫氫產(chǎn)生6-磷酸葡萄糖酸，繼而在脫水酶生成2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖（KDPG）然后在KDPG醛縮酶的作用下，產(chǎn)生1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。

然后3-磷酸甘油醛進(jìn)入EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP、1分子NADPH2和NADH2?，F(xiàn)在是13頁\一共有95頁\編輯于星期四ED途徑的特點：①葡萄糖經(jīng)快速反應(yīng)獲得丙酮酸(僅4步反應(yīng))；②6碳的關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物是KDPG；③特征性酶是KDPG醛縮酶；④特征性反應(yīng)是KDPG裂解生成丙酮酸和3-磷酸甘油醛；⑤產(chǎn)能效率低，1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑分解只產(chǎn)生1分子ATP

ED途徑在G―菌中分布較廣，

特別是假單胞菌和某些固氮菌中較多存在，如嗜糖假單胞菌、熒光假單胞菌、銅綠假單胞菌、林氏假單胞菌和運動發(fā)酵單胞菌等現(xiàn)在是14頁\一共有95頁\編輯于星期四ED途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，因此，可以相互協(xié)調(diào)，以滿足微生物對還原力、能量和不同中間代謝產(chǎn)物的需要。

通過與HMP途徑連接可獲得必要的戊糖和NADPH2等。

在ED途徑中所產(chǎn)生的丙酮酸對微好氧菌(如運動發(fā)酵單胞菌)來說，可脫羧生成乙醛，乙醛進(jìn)一步被還原為乙醇。此種由ED途徑發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的過程與酵母菌經(jīng)EMP途徑生產(chǎn)乙醇不同，稱為細(xì)菌酒精發(fā)酵。

不同細(xì)菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵的途徑也各不相同。現(xiàn)在是15頁\一共有95頁\編輯于星期四

TCA循環(huán)除了產(chǎn)生提供大量能量,還有以下功能:

①

TCA循環(huán)中的中間代謝產(chǎn)物是一些重要的細(xì)胞物質(zhì)如各種氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂類等生物合成前體物，這存在于各種生物體中的重要生物化學(xué)反應(yīng)，它在多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化代謝中起關(guān)鍵作用.例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物質(zhì)；4.三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle)現(xiàn)在是16頁\一共有95頁\編輯于星期四②

TCA環(huán)是糖類有氧降解的主要途徑，也是脂肪、蛋白質(zhì)降解的必經(jīng)途徑。例如脂肪酸經(jīng)β-氧化途徑生成乙酰CoA可進(jìn)入TCA環(huán)徹底氧化成CO2和H20；如丙氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸等經(jīng)脫氨基作用后，可分別形成丙酮酸、草酰乙酸、α-酮戊二酸等，它們都可進(jìn)入TCA環(huán)被徹底氧化。

TCA環(huán)實際上是微生物細(xì)胞內(nèi)各類物質(zhì)的合成和分解代謝的中心樞紐?，F(xiàn)在是17頁\一共有95頁\編輯于星期四應(yīng)用用誘變育種等方法阻止某一代謝支路的進(jìn)行，就必然異常積累某些中間產(chǎn)物。據(jù)此，發(fā)酵工業(yè)上已篩選出優(yōu)良生產(chǎn)菌株進(jìn)行檸檬酸、異檸檬酸、α-酮戊二酸、谷氨酸、蘋果酸等的發(fā)酵。例如，利用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸時，由于菌體內(nèi)順烏頭酸水解酶的活力極低，可積累大量檸檬酸?，F(xiàn)在是18頁\一共有95頁\編輯于星期四(二)遞氫和受氫1.

有氧呼吸(aerobicrespiration）有氧呼吸是氧化底物時，以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程。

脫氫酶使基質(zhì)脫氫，

通過細(xì)胞色素C將電子和氫傳遞給氧，

氧化酶使分子狀態(tài)的氧活化，成為氫受體，最終產(chǎn)物為二氧化碳和水?，F(xiàn)在是19頁\一共有95頁\編輯于星期四(1)有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸發(fā)酵有氧無氧各種發(fā)酵產(chǎn)物三羧酸循環(huán)被徹底氧化生成CO2和水，釋放大量能量。現(xiàn)在是20頁\一共有95頁\編輯于星期四有氧呼吸：

電子傳遞鏈；

氧分子；

(最終電子受體)呼吸作用現(xiàn)在是21頁\一共有95頁\編輯于星期四2.呼吸作用現(xiàn)在是22頁\一共有95頁\編輯于星期四(電子傳遞與氧化)

糖酵解和三羧酸循環(huán)形成的NADH和FADH2

在EMP和TCA途徑中，脫下的氫或釋放出的電子經(jīng)過電子傳遞鏈的傳遞作用，最后傳遞到O2，

需氧菌和兼性菌在有氧條件下可以進(jìn)行有氧呼吸，同時釋放大量的能量。總反應(yīng)式為：

C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi——→6CO2+6H2O+38ATP

在電子傳遞過程中有ATP生成。

現(xiàn)在是23頁\一共有95頁\編輯于星期四電子傳遞鏈現(xiàn)在是24頁\一共有95頁\編輯于星期四電子傳遞系統(tǒng)具兩種功能：一是從電子供體接受電子(氫)并傳遞給電子受體；二是將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP，(又稱氧化磷酸化)。

一分子葡萄糖通過有氧呼吸徹底氧化時，可產(chǎn)生38分子ATP。

其中包含底物水平磷酸化合成，但大部分由電子傳遞磷酸化合成。

現(xiàn)在是25頁\一共有95頁\編輯于星期四2.無氧呼吸(anaerobicrespiration)無氧呼吸是指無機(jī)氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程。

以無機(jī)氧化物(如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等)為最終電子受體，由氧化態(tài)的無機(jī)物受氫(電子)，并伴隨氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP。產(chǎn)生的能量較少。

有少數(shù)微生物(厭氧菌和兼性厭氧菌)

現(xiàn)在是26頁\一共有95頁\編輯于星期四（2）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NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機(jī)物，或延胡索酸（fumarate）等有機(jī)物。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磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。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?，F(xiàn)在是27頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是28頁\一共有95頁\編輯于星期四(1)硝酸鹽呼吸：以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學(xué)過程，也稱為硝酸鹽的異化作用（Dissimilative）。只能接收2個電子，產(chǎn)能效率低；NO2-對細(xì)胞有毒；有些菌可將NO2-進(jìn)一步將其還原成N2，這個過程稱為反硝化作用：現(xiàn)在是29頁\一共有95頁\編輯于星期四能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被稱為硝酸還鹽原細(xì)菌，主要生活在土壤和水環(huán)境中，如假單胞菌、依氏螺菌、脫氮小球菌等。硝酸鹽還原細(xì)菌被認(rèn)為是一種兼性厭氧菌，無氧但環(huán)境中存在硝酸鹽時進(jìn)行厭氧呼吸，而有氧時其細(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?，F(xiàn)在是30頁\一共有95頁\編輯于星期四反硝化作用的生態(tài)學(xué)作用：硝酸鹽還原細(xì)菌進(jìn)行厭氧呼吸土壤及水環(huán)境好氧性機(jī)體的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境土壤中植物能利用的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮氣而消失，從而降低了土壤的肥力。松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用硝酸鹽是一種容易溶解于水的物質(zhì)，通常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導(dǎo)致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷?，F(xiàn)在是31頁\一共有95頁\編輯于星期四(2).硫酸鹽呼吸(sulfaterespiration)

呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體，這是一種異化性的硫酸鹽還原作用。

微生物可在無氧條件下借呼吸鏈的電子傳遞磷酸化而獲得能量。硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S，自然界中H2S的大多數(shù)由這一反應(yīng)產(chǎn)生。

(這與化能自養(yǎng)菌的反應(yīng)不同，因為是氧化有機(jī)質(zhì))

硫酸鹽還原菌都是專性厭氧細(xì)菌。

現(xiàn)在是32頁\一共有95頁\編輯于星期四(3)碳酸鹽呼吸(carbonaterespiration)

碳酸鹽呼吸有兩種類型:一種是產(chǎn)甲烷細(xì)菌的碳酸鹽呼吸，另一種是產(chǎn)乙酸細(xì)菌的碳酸鹽呼吸，

均以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體。它們均是一些專性厭氧菌?，F(xiàn)在是33頁\一共有95頁\編輯于星期四3.發(fā)酵(fermentation)在無氧條件下，最終電子受體是未被徹底氧化的中間產(chǎn)物。即有機(jī)物既是被的基質(zhì)，又作為最終電子受體，基質(zhì)未被徹底氧化的中間產(chǎn)物。

由于發(fā)酵作用對有機(jī)物的氧化不徹底，發(fā)酵結(jié)果是積累有機(jī)物，且產(chǎn)生能量較少。

“發(fā)酵”在這里是指不需氧的產(chǎn)能代謝?，F(xiàn)在是34頁\一共有95頁\編輯于星期四(2)．廣義的發(fā)酵概念

在有氧或無氧條件下，利用好氧或兼性厭氧、厭氧微生物的新陳代謝活動，將有機(jī)物氧化轉(zhuǎn)化為有用的代謝產(chǎn)物，從而獲得發(fā)酵產(chǎn)品和工業(yè)原料的過程。

現(xiàn)在是35頁\一共有95頁\編輯于星期四1.發(fā)酵(fermentation)有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。有機(jī)化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的。被還原的有機(jī)物來自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：

電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體?，F(xiàn)在是36頁\一共有95頁\編輯于星期四(1)

有EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵、

在厭氧條件

有EMP途徑(糖酵解途徑)、

HMP途徑(磷酸戊糖支路)、

ED途徑、PK或HK途徑(磷酸解酮酶途徑)等。

現(xiàn)在是37頁\一共有95頁\編輯于星期四①乙醇發(fā)酵②乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤丁二醇發(fā)酵⑥丁酸型發(fā)酵現(xiàn)在是38頁\一共有95頁\編輯于星期四

a.酒精發(fā)酵

a.

第一型發(fā)酵酵母菌在無氧和酸性條件下(pH3.5～4.5)，

經(jīng)過EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，丙酮酸再由丙酮酸脫羧酶作用形成乙醛和CO2，乙醛作為NADH2的氫受體，在乙醇脫氫酶的作用下還原為乙醇。現(xiàn)在是39頁\一共有95頁\編輯于星期四酒精發(fā)酵(fermentation)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）Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵（磺化羥基乙醛）現(xiàn)在是40頁\一共有95頁\編輯于星期四②同型乳酸發(fā)酵葡萄糖經(jīng)乳酸菌的EMP途徑，發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸的稱同型乳酸發(fā)酵

進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵的微生物，如乳酸乳球菌乳酸亞種、乳酸乳球菌乳脂亞種、嗜熱鏈球菌、德氏乳桿菌保加利亞亞種(舊稱保加利亞乳桿菌)、嗜酸乳桿菌等。

現(xiàn)在是41頁\一共有95頁\編輯于星期四乳酸發(fā)酵廣泛應(yīng)用于食品:泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青貯飼料等都是利用乳酸發(fā)酵的發(fā)酵制品。

由于乳酸菌的代謝活動，積累乳酸，酸化環(huán)境，抑制其他微生物的生長，能使蔬菜、牛奶、青貯飼料等得以保存。

近代工業(yè)多以淀粉為原料，經(jīng)糖化和德氏乳酸桿菌(L.delbrueckii)進(jìn)行乳酸發(fā)酵生產(chǎn)純?nèi)樗帷?/p>

現(xiàn)在是42頁\一共有95頁\編輯于星期四.混合酸發(fā)酵能積累多種有機(jī)酸的葡萄糖發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵，又稱甲酸發(fā)酵。

大多數(shù)腸道細(xì)菌，如大腸桿菌、傷寒沙門氏菌、產(chǎn)氣腸桿菌等均能進(jìn)行混合酸發(fā)酵。

先經(jīng)EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，在不同酶的作用下丙酮酸分別轉(zhuǎn)變成甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、CO2和H2等。

CH3COCOOH+CoASH——→CH3COSCoA+HCOOH

丙酮酸甲酸

現(xiàn)在是43頁\一共有95頁\編輯于星期四腸道細(xì)菌的混合酸發(fā)酵特性對鑒定菌種有實際意義大腸桿菌在厭氧條件下可合成甲酸氫解酶，在酸性條件下(pH<6.2)將由丙酮酸裂解產(chǎn)生的甲酸分解為CO2和H2，故大腸桿菌能發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸又產(chǎn)氣；

而志賀氏菌因無此酶，發(fā)酵葡萄糖只產(chǎn)酸而不產(chǎn)氣。

在菌種鑒定的生化反應(yīng)試驗中，可通過葡萄糖發(fā)酵試驗將是否產(chǎn)酸產(chǎn)氣的細(xì)菌區(qū)別開來。

現(xiàn)在是44頁\一共有95頁\編輯于星期四混合發(fā)酵(fermentation)不同微生物發(fā)酵產(chǎn)物的不同，也是細(xì)菌分類鑒定的重要依據(jù)。大腸桿菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，甲酸在酸性條件下可進(jìn)一步裂解生成H2和CO2產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，但不能使甲酸裂解產(chǎn)生H2和CO2產(chǎn)酸不產(chǎn)氣現(xiàn)在是45頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是46頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是47頁\一共有95頁\編輯于星期四1.發(fā)酵(fermentation)大腸桿菌：產(chǎn)氣氣桿菌：V.P.試驗陽性甲基紅試驗陰性V.P.試驗陰性甲基紅試驗陽性現(xiàn)在是48頁\一共有95頁\編輯于星期四產(chǎn)氣腸桿菌也能進(jìn)行混合酸發(fā)酵，不過分解葡萄糖產(chǎn)生的丙酮酸又可縮合、脫羧生成乙酰甲基甲醇(3-羥基丁酮)，后者還原成2,3-丁二醇。

乙酰甲基甲醇在堿性環(huán)境中易被氧化成二乙酰，二乙酰與蛋白胨中的精氨酸的胍基作用，生成紅色化合物。

故產(chǎn)氣腸桿菌V.P(VogesProskauertest)試驗陽性。若加入-萘酚和少量肌酸或肌酐可促進(jìn)此反應(yīng)進(jìn)行。

而大腸桿菌無此反應(yīng)，V.P試驗陰性，故可與產(chǎn)氣腸桿菌區(qū)別?，F(xiàn)在是49頁\一共有95頁\編輯于星期四大腸桿菌發(fā)酵葡萄糖，由于產(chǎn)酸較多pH降至4.2以下，發(fā)酵液中加入甲基紅指示劑呈紅色；

產(chǎn)氣腸桿菌發(fā)酵葡萄糖，由于產(chǎn)酸少，加入甲基紅指示劑，發(fā)酵液呈橙黃色，這就是甲基紅試驗。

在食品衛(wèi)生檢驗時常以大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌等的存在作為糞便污染食品指示菌，故甲基紅試驗、V.P試驗均是腸道細(xì)菌常用的鑒定方法現(xiàn)在是50頁\一共有95頁\編輯于星期四(2)．通過HMP途徑的發(fā)酵——異型乳酸發(fā)酵

①異型乳酸發(fā)酵的經(jīng)典途徑某些乳酸細(xì)菌進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。

該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶。

根據(jù)解酮酶的不同，

將具有磷酸戊糖解酮酶的途徑叫PK途徑，

具有磷酸己糖解酮酶的途徑叫HK途徑。(略)現(xiàn)在是51頁\一共有95頁\編輯于星期四異型乳酸發(fā)酵發(fā)酵后除生成乳酸外，還有乙醇(或乙酸)和CO2等多種發(fā)酵產(chǎn)物。

一些短乳桿菌(Lactibacillusbrevis)、發(fā)酵乳桿菌(L.fermentum)、兩歧雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)、腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)、乳脂明串珠菌(L.cremoris)、根霉(Rhizopus)等進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵。

因它們?nèi)狈MP途徑中的關(guān)鍵性酶——果糖二磷酸醛縮酶和異構(gòu)酶，其葡萄糖的降解完全依賴HMP途徑?，F(xiàn)在是52頁\一共有95頁\編輯于星期四磷酸解酮酶途徑

某些乳酸細(xì)菌進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。

該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶。

根據(jù)解酮酶的不同，

將具有磷酸戊糖解酮酶的途徑叫PK途徑，

具有磷酸己糖解酮酶的途徑叫HK途徑。(略)現(xiàn)在是53頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是54頁\一共有95頁\編輯于星期四②異型乳酸發(fā)酵的雙歧途徑兩歧雙歧乳酸桿菌(Bifidobacteriumbifidum)、雙叉乳酸桿菌(Lactobacillusbifidum)等雙歧桿菌對葡萄糖的代謝也可歸入異型乳酸發(fā)酵，但與其他乳酸菌異型發(fā)酵不同。

它們通過HK途徑將2分子葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生2分子乳酸和3分子乙酸，并產(chǎn)生5分子ATP，總反應(yīng)式為：

C6H12O6+5ADP+5Pi———→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH+5ATP現(xiàn)在是55頁\一共有95頁\編輯于星期四兩歧雙歧乳酸桿菌(Bifidobacteriumbifidum)、雙叉乳酸桿菌(Lactobacillusbifidum)等雙歧桿菌對葡萄糖的代謝也可歸入異型乳酸發(fā)酵，但與其他乳酸菌異型發(fā)酵不同。

它們通過HK途徑將2分子葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生2分子乳酸和3分子乙酸，并產(chǎn)生5分子ATP，總反應(yīng)式為：

C6H12O6+5ADP+5Pi———→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH+5ATP雙歧途徑現(xiàn)在是56頁\一共有95頁\編輯于星期四(3)通過ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵它是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的細(xì)菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑。

現(xiàn)在是57頁\一共有95頁\編輯于星期四◆在Stickland反應(yīng)中，一種氨基酸作為氫供體氧化脫氨，另一種氨基酸作為氫受體還原脫氨，生成相應(yīng)的有機(jī)酸、-酮酸和氨?！暨@是氧化脫氨與還原脫氨相偶聯(lián)的特殊發(fā)酵。丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸等為氫供體。甘氨酸、羥脯氨酸、脯氨酸和鳥氨酸等為氫受體。例如：CH3CHNH2COOH+2

CH2NH2COOH→3CH3COOH+3NH3+CO2

丙氨酸甘氨酸乙酸

(氫供體)(氫受體)（4）由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能---Stickland反應(yīng)現(xiàn)在是58頁\一共有95頁\編輯于星期四(5)發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)底物磷酸化（自學(xué)）現(xiàn)在是59頁\一共有95頁\編輯于星期四四、自養(yǎng)微生物的生物氧化

在化能無機(jī)營養(yǎng)型的微生物中，其所需能量ATP是通過還原態(tài)無機(jī)物經(jīng)過生物氧化產(chǎn)生的，

還原力[H]是通過耗ATP的無機(jī)氫(H++e)逆呼吸鏈傳遞而產(chǎn)生；

在光能自養(yǎng)微生物中，其ATP和還原力[H]都是通過循環(huán)光合磷酸化、非循環(huán)光合磷酸化或通過紫膜光合磷酸化而獲得。現(xiàn)在是60頁\一共有95頁\編輯于星期四1.化能自養(yǎng)微生物的生物氧化

氧化無機(jī)物獲得能量，對自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化起重要作用。

它們分別屬于氫細(xì)菌、硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌和硝化細(xì)菌。

現(xiàn)在是61頁\一共有95頁\編輯于星期四第二節(jié)微生物產(chǎn)能代謝三．自養(yǎng)微生物的生物氧化化能無機(jī)營養(yǎng)型：從無機(jī)物的氧化獲得能量以無機(jī)物為電子供體這些微生物一般也能以CO2為唯一或主要碳源合成細(xì)胞物質(zhì)自養(yǎng)微生物從對無機(jī)物的生物氧化過程中獲得生長所需要能量的微生物一般都是：化能無機(jī)自養(yǎng)型微生物現(xiàn)在是62頁\一共有95頁\編輯于星期四復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]自養(yǎng)微生物的合成代謝：

將CO2先還原成[CH2O]水平的簡單有機(jī)物，然后再進(jìn)一步合成復(fù)雜的細(xì)胞成分?；墚愷B(yǎng)微生物：ATP和還原力均來自對有機(jī)物的生物氧化化能自養(yǎng)微生物：無機(jī)物氧化過程中主要通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP如果作為電子供體的無機(jī)物的氧化還原電位足夠低，也在氧化磷酸化的過程中產(chǎn)生還原力，但大多數(shù)情況下都需要通過電子的逆向傳遞，以消耗ATP為代價獲得還原力。現(xiàn)在是63頁\一共有95頁\編輯于星期四硝化細(xì)菌氨的氧化是由硝化細(xì)菌完成。

硝化細(xì)菌是一些專性好氧的G+菌，大多數(shù)是專性無機(jī)營養(yǎng)型。

硝化細(xì)菌有兩種，一是亞硝酸細(xì)菌，

另一則硝酸細(xì)菌。

這些細(xì)菌在自然界的氮素循環(huán)中起重要作用。它們使自然界中的氨氧化為亞硝酸，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成硝酸，被稱為硝化作用。

現(xiàn)在是64頁\一共有95頁\編輯于星期四亞硝酸細(xì)菌利用氨氧化成亞硝酸的過程中放出的能量，使CO2還原成有機(jī)物，這類細(xì)菌形成的亞硝酸對生物是有毒的。亞硝酸細(xì)菌：NH4++3/2O2———→NO2-+H2O+2H++270.7kJ

硝酸細(xì)菌利用亞硝酸氧化成硝酸的氧化過程中釋放的能量來同化CO2。

硝酸細(xì)菌：NO2-+1/2O2———→NO3-+77.4kJ

現(xiàn)在是65頁\一共有95頁\編輯于星期四硝化細(xì)菌NH3、亞硝酸（NO2-）等無機(jī)氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細(xì)菌用作能源亞硝化細(xì)菌：硝化細(xì)菌：將氨氧化為亞硝酸并獲得能量將亞硝氧化為硝酸并獲得能量這兩類細(xì)菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。這類細(xì)菌在自然界的氮素循環(huán)中也起者重要的作用，在自然界中分布非常廣泛?，F(xiàn)在是66頁\一共有95頁\編輯于星期四氨的氧化亞硝化細(xì)菌：硝化細(xì)菌：現(xiàn)在是67頁\一共有95頁\編輯于星期四三．自養(yǎng)微生物的生物氧化氨的氧化NH3、NO2-的氧化還原電勢均比較高，以氧為電子受體進(jìn)行氧化時產(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產(chǎn)生，因此這類細(xì)菌生長緩慢，平均代時在10h以上?，F(xiàn)在是68頁\一共有95頁\編輯于星期四非循環(huán)磷酸化是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。高等植物和藍(lán)細(xì)菌主要通過非循環(huán)式磷酸化作用產(chǎn)生ATP、O2和NADPH2。

特點是：①電子傳遞途徑為非循環(huán)式；

②在有氧條件下進(jìn)行；

③有兩個光合系統(tǒng)，其中的色素系統(tǒng)Ⅰ(含葉綠素a)可以利用紅光，色素系統(tǒng)Ⅱ(含葉綠素b)可以利用藍(lán)光；

④反應(yīng)同時有ATP(產(chǎn)自系統(tǒng)Ⅰ)、還原力[H](產(chǎn)自系統(tǒng)Ⅱ)和O2產(chǎn)生。

⑤還原力NADPH2中的[H]是來自H2O分子光解后的H+和e-。

1.非循環(huán)磷酸化(二）光能營養(yǎng)微生物現(xiàn)在是69頁\一共有95頁\編輯于星期四非環(huán)式光合磷酸化的反應(yīng)式：2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→2NADPH＋2H+＋2ATP＋O21非環(huán)式光合磷酸化產(chǎn)氧型光合作用（綠色植物、藍(lán)細(xì)菌）現(xiàn)在是70頁\一共有95頁\編輯于星期四2.環(huán)式光合磷酸化光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP不是利用H2O，而是利用還原態(tài)的H2、H2S等作為還原CO2的氫供體，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用；電子傳遞的過程中造成了質(zhì)子的跨膜移動，為ATP的合成提供了能量。通過電子的逆向傳遞產(chǎn)生還原力；現(xiàn)在是71頁\一共有95頁\編輯于星期四2.循環(huán)光合磷酸化循環(huán)磷酸化是指在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化，

其特點是：①在光能的驅(qū)使下，電子從葉綠素分子上逐出后，通過類似于呼吸鏈的循環(huán)，又回到葉綠素，其間產(chǎn)生了ATP；

②產(chǎn)ATP與產(chǎn)還原力[H]分別進(jìn)行；

③還原力來自H2S等的無機(jī)氫供體；

④不產(chǎn)生氧。光合細(xì)菌主要通過循環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP，此類細(xì)菌主要包括紫色硫細(xì)菌、綠色細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌。

現(xiàn)在是72頁\一共有95頁\編輯于星期四現(xiàn)在是73頁\一共有95頁\編輯于星期四四．能量轉(zhuǎn)換3.嗜鹽菌紫膜的光合作用一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或細(xì)菌葉綠素參與的獨特的光合作用。嗜鹽菌細(xì)胞膜紅色部分（紅膜）紫色部分（紫膜）主要含細(xì)胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體在膜上呈斑片狀（直徑約0.5mm）獨立分布，其總面積約占細(xì)胞膜的一半，主要由細(xì)菌視紫紅質(zhì)組成。四種生理類型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成實驗發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600nm的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率最高，而這一波長范圍恰好與細(xì)菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致?，F(xiàn)在是74頁\一共有95頁\編輯于星期四四．能量轉(zhuǎn)換3、光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜鹽菌紫膜的光合作用紫膜的光合磷酸化是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最簡單的光合磷酸化反應(yīng)現(xiàn)在是75頁\一共有95頁\編輯于星期四一、兩用代謝途徑

凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的代謝途徑，稱為兩用代謝途徑（amphibolicpathway）。EMP、HMP和TCA循環(huán)等都是重要的兩用途徑。例如:葡糖異生作用（gluconeogenesis）。第二節(jié)分解代謝與合成代謝的聯(lián)系現(xiàn)在是76頁\一共有95頁\編輯于星期四①在兩用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)。②在分解代謝與合成代謝途徑的相應(yīng)代謝步驟中，包含了完全不同的中間代謝物。③在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細(xì)胞的不同區(qū)域中分隔進(jìn)行；原核生物因其細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的間隔程度低，故反應(yīng)的控制主要在簡單的酶分子水平上進(jìn)行?，F(xiàn)在是77頁\一共有95頁\編輯于星期四分解代謝與合成代謝的關(guān)系圖現(xiàn)在是78頁\一共有95頁\編輯于星期四二.

回補途徑(replenishmentpathway)

三羧酸循環(huán)是產(chǎn)能反應(yīng)和生物合成的重要代謝環(huán)節(jié)，作為電子的供體和碳骨架,此外,通過TCA四碳、五碳、六碳酸均可在有氧環(huán)境下被微生物利用，通過氧化磷酸化產(chǎn)生能量。

若將三羧酸循環(huán)中的有機(jī)酸分子移去而用于生物合成將會影響三羧酸循,草酰乙酸在每次循環(huán)后都能再生的情況下才能進(jìn)行。

微生物可利用回補途徑來解決這一矛盾。

現(xiàn)在是79頁\一共有95頁\編輯于星期四

回補途徑

補充在兼用代謝途徑(如三羧酸循環(huán))中因合成代謝而消耗的中間代謝產(chǎn)物的反應(yīng)。

不同微生物在不同條件下具有各自的TCA回補途徑，主要有乙醛酸循環(huán)途徑和甘油酸途徑。

現(xiàn)在是80頁\一共有95頁\編輯于星期四①乙醛酸循環(huán)途徑

以乙酸作為底物，草酰乙酸將通過乙醛酸途徑再生。

這條途徑由三羧酸循環(huán)中的反應(yīng)和另外的兩種酶組成：

異檸檬酸裂解酶ICL(催化異檸檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸)

蘋果酸合成酶MS(將乙醛酸和乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為蘋果酸)。

(2)

現(xiàn)在是81頁\一共有95頁\編輯于星期四乙醛酸循環(huán)的生物合成途徑:

異檸檬酸被裂解成琥珀酸和乙醛酸，使琥珀酸可以進(jìn)入生物合成途徑，

而乙醛酸與乙酰輔酶A結(jié)合生成蘋果酸，后者又轉(zhuǎn)化為草酰乙酸，以維持三羧酸循環(huán)的進(jìn)行。

琥珀酸可以直接圖用于卟啉的合成，或者氧化為草酰乙酸后，作為四碳化合物碳骨架，或者用于合成葡萄糖（經(jīng)由草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸）。

乙醛酸循環(huán)較普遍存在于好氧微生物中。

細(xì)菌中的醋酸桿菌、固氮菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、脫氮副球菌、熒光假單胞菌，以及真菌中的酵母菌、黑曲霉和青霉菌等，都已證明有乙醛酸循環(huán)，

它們可以利用乙酸作為唯一碳源和能源生長?，F(xiàn)在是82頁\一共有95頁\編輯于星期四在乙醛酸循環(huán)中有兩個關(guān)鍵酶——它們可使丙酮酸和乙酸等化合物合成4C二羧酸，以保證微生物正常生物合成的需要。異檸檬酸裂合酶（isocitratelyase，ICL）蘋果酸合酶（malatesynthase，MS）現(xiàn)在是83頁\一共有95頁\編輯于星期四第三節(jié)微生物的獨特代謝途徑舉例自學(xué)!

初級代謝與次級代謝現(xiàn)在是84頁\一共有95頁\編輯于星期四微生物的次生代謝微生物代謝產(chǎn)物一般可以分為兩類：

初級代謝產(chǎn)物

次級代謝產(chǎn)物現(xiàn)在是85頁\一共有95頁\編輯于星期四一、微生物的初級代謝及其產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物(primarymetabolite)

初級代謝產(chǎn)物一般屬于分解代謝或能量代謝的產(chǎn)物，如乙醇、有機(jī)酸、氨基酸等初級代謝產(chǎn)物與微生物生長、繁殖密切相關(guān)。與食品有關(guān)的微生物初級代謝產(chǎn)物有酸類、醇類、氨基酸和維生素等。

現(xiàn)在是86頁\一共有95頁\編輯于星期四二、微生物的次級代謝及其產(chǎn)物次級代謝通過支路代謝合成一些對自身的生命活動無明確功能的物質(zhì)的過程。通常以一簇結(jié)構(gòu)相似的化合物組成。

次級代謝產(chǎn)物的形成與微生物的生長和繁殖無關(guān)。既不參與細(xì)胞的組成，又不是酶的活性基，也不是細(xì)胞的貯存物質(zhì)，大