微生物代谢与调控.pptx

第第七七章章 微生物代谢与调控微生物代谢与调控1.1.新陈代谢是生命现象最基本的运动形式新陈代谢是生命现象最基本的运动形式新陈代谢新陈代谢=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢第一节第一节 微生物代谢的多样性微生物代谢的多样性物质代谢物质代谢：物质在体内相互转化的过程：物质在体内相互转化的过程.通常情况下细胞内物质代谢具有相对的稳定性通常情况下细胞内物质代谢具有相对的稳定性微生物细微生物细胞内具有一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以胞内具有一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千万种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的保证上千万种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的生化反应生化反应按代谢产物在机体中作用的不同可分为：按代谢产物在机体中作用的不同可分为：a.a.初级代谢初级代谢 分解代谢体系分解代谢体系:大分子物质如蛋白质、糖、脂类等物质的降解大分子物质如蛋白质、糖、脂类等物质的降解 产物：产物：5-5-磷酸核糖和丙酮酸等磷酸核糖和丙酮酸等,同时获得能量同时获得能量.素材性合成体系素材性合成体系:小分子物质的合成小分子物质的合成.产物为氨基酸、核苷酸产物为氨基酸、核苷酸.结构性合成体系结构性合成体系:小分子产物装配大分子小分子产物装配大分子.产物为蛋白质、核产物为蛋白质、核 酸、多糖、类脂等酸、多糖、类脂等.b.b.次级代谢次级代谢：合成对维持自身生长发育和繁殖没有特别关系的蛋白质、酶：合成对维持自身生长发育和繁殖没有特别关系的蛋白质、酶 以及由这些酶催化生成的物质，如抗生素、生长素、生物碱以及由这些酶催化生成的物质，如抗生素、生长素、生物碱 色素、毒素以及甾体物质。色素、毒素以及甾体物质。一切生命活动都是耗能反应，因此，一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢能量代谢是一切生物代谢是一切生物代谢的的核心问题核心问题。能量代谢的中心任务是生物体如何把外界环境中。能量代谢的中心任务是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源能源-ATP-ATP。这就是产能代谢。这就是产能代谢。最初最初能源能源有机物有机物还原态无机物还原态无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通用能源通用能源（ATPATP）能量代谢能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式的相互转化：伴随物质转化而发生的能量形式的相互转化.微生物产能代谢往往与生物氧化密切相关微生物产能代谢往往与生物氧化密切相关.生物氧化是发生物氧化是发生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总和。生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总和。一、微生物生物氧化的类型和产能一、微生物生物氧化的类型和产能特点：特点：（1 1）温和条件下一系列酶按次序催化多步式梯级反应；）温和条件下一系列酶按次序催化多步式梯级反应；（2 2）所产生的能量分段逐级释放；）所产生的能量分段逐级释放；（3 3）一部分以高能键形式贮藏在）一部分以高能键形式贮藏在ATPATP分子内，供需时使用分子内，供需时使用 一部分以热能的形式散失。一部分以热能的形式散失。生物氧化分类：生物氧化分类：外界最终电子受体外界最终电子受体有有 呼吸呼吸无无 发酵发酵O O2 2 有氧呼吸有氧呼吸非非O O2 2 无氧呼吸无氧呼吸 1.1.有氧呼吸：有氧呼吸：底物脱氢经电子传递链传递，最终被外援分底物脱氢经电子传递链传递，最终被外援分 子氧接受，产生水并释放能量（子氧接受，产生水并释放能量（ATPATP）。）。有氧呼吸特点：有氧呼吸特点：（1 1）递氢和受氢必须有氧；）递氢和受氢必须有氧；（2 2）产能高效；）产能高效；（3 3）好氧微生物和兼性厌氧微生物的氧化方式。）好氧微生物和兼性厌氧微生物的氧化方式。有氧呼吸有氧呼吸形式：形式：（1 1）典型有氧呼吸：底物逐步彻底被氧化，能量释放与）典型有氧呼吸：底物逐步彻底被氧化，能量释放与 磷酸化过程相偶联，产能多；磷酸化过程相偶联，产能多；（2 2）非典型有氧呼吸：）非典型有氧呼吸：底物脱下的氢和电子在氧化酶的底物脱下的氢和电子在氧化酶的 作用下直接交给氧，产生了脱氢的底物和作用下直接交给氧，产生了脱氢的底物和 H2O2，产能不，产能不与磷酸化过程相偶联，产能少；与磷酸化过程相偶联，产能少；2.2.无氧呼吸：无氧呼吸：指一类呼吸链末端的氢受体为指一类呼吸链末端的氢受体为非氧非氧以外外源以外外源 氧化物在氧化物在无氧无氧条件下进行的产能效率较低的条件下进行的产能效率较低的 特殊呼吸。特殊呼吸。特点：特点：底物脱氢后经部分呼吸链底物脱氢后经部分呼吸链递氢递氢，最终由氧化态的，最终由氧化态的 无机物或有机物无机物或有机物受氢受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。，并完成氧化磷酸化产能反应。3.3.发酵：发酵：指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力（后所产生的还原力（H H）未经呼吸链传递而直接交）未经呼吸链传递而直接交给某一内源中间代谢产物接受，以实现底物水平磷给某一内源中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。酸化产能的一类生物氧化反应。特点：特点：（1 1）以有机化合物为电子供体（被氧化）和受体）以有机化合物为电子供体（被氧化）和受体 （被还原）；（被还原）；（2 2）氧化不彻底，产能靠底物水平磷酸化，少；）氧化不彻底，产能靠底物水平磷酸化，少；（3 3）生成还原性产物（贮存部分能量）；）生成还原性产物（贮存部分能量）；（4 4）是厌氧微生物取得能量的唯一方式。）是厌氧微生物取得能量的唯一方式。产能效率比：产能效率比：有氧呼吸有氧呼吸 无氧呼吸无氧呼吸 发酵发酵生物氧化的功能：生物氧化的功能：产能产能(ATP)产还原力产还原力【H】小分子中间代谢物小分子中间代谢物一般包括三个环节：一般包括三个环节：底物脱氢底物脱氢作用作用（或脱电子或脱电子，该底物称该底物称电子供体或供氢体）电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递氢（或电子）的传递（需中间传递体，如（需中间传递体，如NADNAD、FADFAD等）等）氢受体接受氢氢受体接受氢（或电子，（或电子，最终电子受体或最终氢受体）最终电子受体或最终氢受体）生物氧化的过程生物氧化的过程工业上使用的微生物多数属于工业上使用的微生物多数属于化能异养型化能异养型。糖糖为最重要和最普遍的碳源和能源。为最重要和最普遍的碳源和能源。糖类作为氧化基质，通过各种降解方式形成构建菌糖类作为氧化基质，通过各种降解方式形成构建菌体成份的中间代谢产物，同时伴随能量的产生。体成份的中间代谢产物，同时伴随能量的产生。可利用糖：可利用糖：多、双、单糖。多、双、单糖。多糖多糖 双、单糖双、单糖 葡萄糖降解途径葡萄糖降解途径 （单糖降解途径）（单糖降解途径）主要方式：主要方式：EMPEMP、HMPHMP、EDED、PKPK、直接氧化、直接氧化、TCATCA、乙醛酸循环途径、乙醛酸循环途径二、工业微生物重要的分解代谢途径及产物二、工业微生物重要的分解代谢途径及产物（一）（一）化能异养微生物的生物氧化化能异养微生物的生物氧化底物脱氢的途径底物脱氢的途径 1.1.葡萄糖酵解作用葡萄糖酵解作用 Embden-Meyerhof -Parnas 途径，简途径，简称称：EMPEMP途径途径)EMPEMP途径特点：途径特点：葡萄糖分子经转化成葡萄糖分子经转化成1 1，6-6-二磷酸果糖后，在醛缩二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和二羟丙酮和3-3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。3-3-磷酸甘油醛被进一磷酸甘油醛被进一步氧化生成步氧化生成2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子葡萄糖可降解成分子葡萄糖可降解成2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛，并消耗磷酸甘油醛，并消耗2 2分子分子ATPATP。2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛被氧化生成磷酸甘油醛被氧化生成2 2分子丙分子丙酮酸，酮酸，2 2分子分子NADHNADH2 2和和4 4分子分子ATPATP。EMPEMP途径关键步骤途径关键步骤:1.1.葡萄糖磷酸化葡萄糖磷酸化1.61.6二磷酸果糖二磷酸果糖(耗能耗能)2.1.62.1.6二磷酸果糖二磷酸果糖2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3.3-3.3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸 逆向反应可合成多糖。工业生产上逆向反应可合成多糖。工业生产上EMPEMP途径与乙醇途径与乙醇 乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切.EMPEMP途径是许多微生物所具有的代谢途径，其途径是许多微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但具有重要的生理功能产能效率虽低，但具有重要的生理功能:供应能量供应能量-ATP-ATP和还原力和还原力-NADH.-NADH.厌氧微生物往往厌氧微生物往往 以此途径作为获得能量的唯一方式以此途径作为获得能量的唯一方式.其它重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环其它重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环 （TCATCA）、）、HMPHMP途径和途径和EDED途径等途径等.提供多种中间代谢物提供多种中间代谢物,为微生物的合成代谢提供为微生物的合成代谢提供 碳骨架碳骨架.葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸后，在后，在6-6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶的的催化下，裂解成催化下，裂解成5-5-磷酸戊糖和磷酸戊糖和COCO2 2，磷酸戊糖进一步代谢有磷酸戊糖进一步代谢有两种结局两种结局：磷酸戊糖经磷酸戊糖经转酮转酮-转醛酶系转醛酶系催化，催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMPEMP途途径的一些酶，进一步转化为丙酮径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。酸。称为不完全称为不完全HMPHMP途径途径。由六个葡萄糖分子参加反应，由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了萄糖分子，消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖（彻底氧化成（彻底氧化成COCO2 2 和水），和水），称完全称完全HMPHMP途径。途径。2.2.HMPHMP途径途径-单磷酸己糖途径单磷酸己糖途径（Hexose Monophophate Pathway）-磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径（Pentose Phophate Pathway）HMPHMP途径可概括成三个阶段：途径可概括成三个阶段：葡萄糖分子通过几步氧化反应产生葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖核酮糖-5-5-磷酸磷酸 和和COCO2 2；核酮糖核酮糖-5-5-磷酸发生磷酸发生同分异构化同分异构化或或表异构化表异构化而分别产生而分别产生 核糖核糖-5-5-磷酸磷酸和和木酮糖木酮糖-5-5-磷酸磷酸；上述各种戊糖磷酸在上述各种戊糖磷酸在没有氧参与没有氧参与的条件下发生的条件下发生碳架重碳架重 排排，产生了，产生了己糖磷酸己糖磷酸和和丙糖磷酸丙糖磷酸。丙糖磷酸可通过两种。丙糖磷酸可通过两种 方式进一步代谢：一为通过方式进一步代谢：一为通过EMPEMP途径转化成丙酮酸再进途径转化成丙酮酸再进 入入TCATCA循环进行彻底氧化；另一为通过循环进行彻底氧化；另一为通过果糖二磷酸醛缩果糖二磷酸醛缩 酶酶和和果糖二磷酸酶果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。的作用而转化为己糖磷酸。HMPHMP途径关键步骤途径关键步骤1.1.葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2.2.6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖5-5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 5-5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3.3.5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-6-磷酸果糖磷酸果糖+3-+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMPEMP）耗能阶段耗能阶段C6 2C3 产能阶段产能阶段 4 ATP 2ATP4 ATP 2ATP2C2C3 3 2 2 丙酮酸丙酮酸 2 NADH2 NADH2 2C C6 6H H1212O O6 6+2NAD+2NAD+2ADP+2Pi 2CH+2ADP+2Pi 2CH3 3COCOOH+2NADHCOCOOH+2NADH2 2+2H+2H+2ATP+2H+2ATP+2H2 2O O 不完全不完全HMPHMP途径的总反应途径的总反应6 6 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 5 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi完全完全HMPHMP途径的总反应途径的总反应HMPHMP途径的意义途径的意义 为核苷酸和核酸的生物合成提供为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖戊糖-磷酸磷酸。产生大量产生大量NADPHNADPH2 2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提 供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与与EMPEMP途径在果糖途径在果糖-1-1，6-6-二磷酸和甘油醛二磷酸和甘油醛-3-3-磷酸处连磷酸处连 接，可以接，可以调剂戊糖供需关系调剂戊糖供需关系。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合 成、碱基合成、及多糖合成。成、碱基合成、及多糖合成。途径中存在途径中存在3-73-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用 的碳源谱更为更为广泛。的碳源谱更为更为广泛。通过该途径可产生许多种重要的发酵产物，如核苷酸、若通过该途径可产生许多种重要的发酵产物，如核苷酸、若 干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。N.Entner和和M.Doudoroff 在研究嗜糖假单胞菌时发现的一种在研究嗜糖假单胞菌时发现的一种途径，途径，又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径）裂解途径。存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广,如嗜糖假单胞如嗜糖假单胞菌）。菌）。ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单独存在，是途径而单独存在，是少数缺乏完整少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。在于其它生物中。3.3.EDED途径（途径（N.Entner和和M.Doudoroff）EDED途径的特点途径的特点 葡萄糖经转化为葡萄糖经转化为2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸后，经脱后，经脱 氧酮糖酸氧酮糖酸醛缩酶醛缩酶催化，裂解成催化，裂解成丙酮酸丙酮酸和和3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛，3-3-磷酸甘油醛再经磷酸甘油醛再经EMPEMP途径途径转化成为丙酮酸。结果是转化成为丙酮酸。结果是1 1分分 子葡萄糖产生子葡萄糖产生2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子分子ATPATP。EDED途径的特征反应是途径的特征反应是关键中间代谢物关键中间代谢物：2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷磷 酸葡萄糖酸（酸葡萄糖酸（KDPGKDPG）裂解为丙酮酸和）裂解为丙酮酸和3-3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。EDED 途径的特征酶是途径的特征酶是KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低.此途径此途径可与可与EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径和途径和TCATCA循环相连接，可互相循环相连接，可互相 协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需 要。要。好氧时与好氧时与TCATCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.EDED途径的总反应途径的总反应 ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸丙酮酸 6ATP 2乙醇乙醇 (有氧时经过呼吸链有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）（无氧时进行细菌乙醇发酵）关键反应：关键反应：2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：催化的酶：6-磷酸脱水酶，磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶醛缩酶相关的发酵生产相关的发酵生产：细菌酒精发酵：细菌酒精发酵优点：优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代 谢副产物少，发酵温度较高，谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧不必定期供氧。缺点缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。4.4.磷酸磷酸酮缩酶酮缩酶途径与途径与戊糖利用戊糖利用（Phosphoketolase Pathway，PK途径途径）PPKPPK途径途径(1)(1)磷酸戊糖酮缩酶途径磷酸戊糖酮缩酶途径 (Phospho-Pentose-ketolase Pathway)PPKPPK途径途径特点特点:5-5-磷酸木酮糖是戊糖磷酸木酮糖是戊糖代谢的关键中间代谢物代谢的关键中间代谢物;磷酸戊糖酮缩酶是磷酸戊糖酮缩酶是PPKPPK途径的关键酶，所催化途径的关键酶，所催化的磷酸戊糖的磷酸戊糖2 2，3 3碳键碳键裂裂解是关键步骤。解是关键步骤。(2)磷酸己糖酮缩酶途径磷酸己糖酮缩酶途径(Phospho-hexose-ketolase Pathway)PHK途径途径特点特点:该途径有两步反应是由该途径有两步反应是由磷酸酮缩酶磷酸酮缩酶所催化的，所催化的，第一步第一步是由是由6-6-磷酸果糖磷酸果糖酮缩酶将酮缩酶将6-6-磷酸果糖分磷酸果糖分解为乙酰磷酸和解为乙酰磷酸和4-4-磷酸磷酸赤藓糖，赤藓糖，另一步另一步是是5-5-磷磷酸木酮糖酮缩酶将酸木酮糖酮缩酶将5-5-磷磷酸木酮糖分解为酸木酮糖分解为3-3-磷酸磷酸甘油醛和乙酰磷酸甘油醛和乙酰磷酸.5.5.TCATCA循环循环丙酮酸在进入三羧丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧酸循环之先要脱羧生成乙酰生成乙酰CoACoA，乙，乙酰酰CoACoA和草酰乙酸和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。入三羧酸循环。循环的结果是乙酰循环的结果是乙酰CoACoA被彻底氧化成被彻底氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，每氧化，每氧化1 1分子的乙酰分子的乙酰CoACoA可可产生产生1212分子的分子的ATPATP，草酰乙酸参与反，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗应而本身并不消耗。NAD+NADH+H+NAD+NADH+H+FAD+FADH2NAD+NADH+H+StageStageStage LargeBiomoleculesBuilding-BlockMoleculesCommondegradationProductSimple,Small and products of 三三羧羧酸酸循循环环的的枢枢纽纽位位置置TCATCA循环的重要特点循环的重要特点1 1、循环一次的结果是乙酰、循环一次的结果是乙酰CoACoA的乙酰基被氧化为的乙酰基被氧化为2 2分子分子COCO2 2,并重并重 新生成新生成1 1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NADNAD+还原还原 为为NADH+HNADH+H+，另一步为另一步为FADFAD还原；还原；3 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；5 5、生物体提供能量的主要形式；、生物体提供能量的主要形式；6 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；GluGlu发酵等。发酵等。递氢、受氢和递氢、受氢和ATPATP的产生的产生 经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的NADHNADH、NADPHNADPH、FADFAD等还原型辅等还原型辅 酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据根据递氢特别是受氢过程中递氢特别是受氢过程中氢受体性质氢受体性质的不同的不同,把微生把微生 物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式 呼吸作用：呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；有外援的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用又可分为两类：呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸最终电子受体是分子氧有氧呼吸最终电子受体是分子氧O2;O2;无氧呼吸最终电子受体是无机氧化物，如无氧呼吸最终电子受体是无机氧化物，如NONO3 3-、SOSO4 42-2-v概念概念：v在生物氧化中在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的 还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代 谢产物的谢产物的一类低效产能反应一类低效产能反应。v在发酵工业上在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生 产有用代谢产物的一类生产方式。产有用代谢产物的一类生产方式。v发酵途径发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主 要有要有EMPEMP、HMPHMP、EDED和和PK途径。途径。v发酵类型发酵类型：根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵：根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵 丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇 发酵、及乙酸发酵等。发酵、及乙酸发酵等。1 1.发酵作用发酵作用酵母型酒精酵母型酒精发酵发酵同型乳酸发同型乳酸发酵酵丙酸发酵丙酸发酵混合酸发酵混合酸发酵2,32,3丁二醇丁二醇发酵发酵丁酸发酵丁酸发酵丙酮酸的丙酮酸的发酵产物发酵产物 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNAD2NADH+H+-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：乙醇发酵条件乙醇发酵条件:pH3.54.5和厌氧环境。和厌氧环境。A A、乙醇发酵、乙醇发酵酵母的一型发酵酵母的一型发酵丙酮酸丙酮酸COCO2 2乙醛乙醛NADHNADHNAD+NAD+乙醇乙醇磷酸二羟基丙酮磷酸二羟基丙酮NADHNADHNAD+NAD+磷酸甘油磷酸甘油甘油甘油3%3%的亚硫酸氢钠（或的亚硫酸氢钠（或pH7pH7）Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae厌氧发酵厌氧发酵（磺化羟基乙醛）（磺化羟基乙醛）酵母的二型发酵酵母的二型发酵当发酵液在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。当发酵液在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2 2分子乙分子乙 醛间发生歧化反应，生成醛间发生歧化反应，生成1 1分子乙醇和分子乙醇和1 1分子乙酸；分子乙酸；CHCH3 3CHO+HCHO+H2 2O+NADO+NAD+CH CH3 3COOH+NADH+HCOOH+NADH+H+CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+CH CH3 3CHCH2 2OH+NADOH+NAD+此时也由此时也由磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮担任受氢体接受担任受氢体接受3-3-磷酸甘油醛脱下磷酸甘油醛脱下的氢而生成的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。成甘油。2 2葡萄糖葡萄糖 2 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO+2CO2 2酵母的三型发酵酵母的三型发酵微生物发酵的一般工艺示意图微生物发酵的一般工艺示意图发酵阶段发酵阶段 指指微微生生物物菌菌种种在在适适宜宜的的培培养养液液内内，在在一一定定的的培培养养条条件件下下，微微生生物物生生长长繁繁殖殖，生物合成所需产物的过程。生物合成所需产物的过程。（1 1）菌种）菌种 菌种制备的整个过程要保持严格的无菌状态。菌种制备的整个过程要保持严格的无菌状态。（2 2）孢子制备）孢子制备 需氧发酵制备孢子一般是在摇瓶内进行。所用的培养基要含有生长因需氧发酵制备孢子一般是在摇瓶内进行。所用的培养基要含有生长因 子和微量元素，且碳源或氮源不宜过多，从而保证生产大量的孢子。子和微量元素，且碳源或氮源不宜过多，从而保证生产大量的孢子。此外，还要严格控制培养基的此外，还要严格控制培养基的pHpH、培养温度、培养时间等条件。、培养温度、培养时间等条件。（3 3）种子制备）种子制备 种子制备是使有限数量的孢子萌发、生长、繁殖产生足够量的菌丝体种子制备是使有限数量的孢子萌发、生长、繁殖产生足够量的菌丝体 供发酵培养所用。在种子罐内微生物菌丝大量生长、繁殖，因而缩短供发酵培养所用。在种子罐内微生物菌丝大量生长、繁殖，因而缩短 了下一步发酵罐内菌丝生长的时间。了下一步发酵罐内菌丝生长的时间。微生物发酵的一般工艺微生物发酵的一般工艺提取阶段提取阶段 对对发发酵酵液液中中的的产产物物通通过过一一系系列列物物理理、化化学学方方法法进进行行分分离离、提提取取及及精精制制(如如下图所示下图所示),),才能得到合乎规定的纯品。才能得到合乎规定的纯品。（1 1）发酵液预处理）发酵液预处理 多数发酵产品如抗生素存在于发酵液内，有些存在于菌丝内。发酵液多数发酵产品如抗生素存在于发酵液内，有些存在于菌丝内。发酵液 预处理包括除去发酵液内的杂质离子（预处理包括除去发酵液内的杂质离子（CaCa2+2+、MgMg2+2+、FeFe3+3+等）以及蛋白等）以及蛋白 质，并利用板框压滤机，使菌丝与滤液分开，便于进一步提取。质，并利用板框压滤机，使菌丝与滤液分开，便于进一步提取。（2 2）提取与精制）提取与精制 目前常用的提取方法有吸附法、溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法。目前常用的提取方法有吸附法、溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法。（3 3）成品检验）成品检验 根据药典标准进行检测，检测的项目根据产品的性质而定。如抗生素根据药典标准进行检测，检测的项目根据产品的性质而定。如抗生素 一般进行效价测定、毒性试验、无菌试验、热原质试验、水分测定。一般进行效价测定、毒性试验、无菌试验、热原质试验、水分测定。（4 4）成品分装）成品分装 固液分离固液分离发酵液发酵液细胞细胞离心、过离心、过滤滤发酵液发酵液胞外胞外产物？产物？废水处理废水处理否否产物为细胞？产物为细胞？是是干燥干燥终产品终产品胞内产物？胞内产物？否否否否废物利用废物利用是是细胞破碎与提取细胞破碎与提取破碎：破碎：化学法、化学法、酶法、物理法酶法、物理法提取：水或有机溶提取：水或有机溶剂的萃取剂的萃取固液固液分离分离是是分离与浓缩分离与浓缩萃取、蒸馏、盐萃取、蒸馏、盐析、离子交换与析、离子交换与吸附、蒸发、反吸附、蒸发、反渗透、超滤渗透、超滤纯化纯化成型成型最终产品最终产品层析、结晶层析、结晶电泳等电泳等结晶、喷雾干结晶、喷雾干燥、无菌过滤燥、无菌过滤冻干等冻干等废物利用废物利用发酵产品的分离发酵产品的分离纯化工艺简图纯化工艺简图影响微生物发酵的因素影响微生物发酵的因素 培培养养基基成成分分、pHpH值值、温温度度、含含氧氧量量、泡泡沫沫（空空气气通通入入后后经经搅搅拌拌形形成成大大量量泡泡沫沫，应应及及时时用用消消沫沫剂剂消消除除）及及杂杂菌菌和和噬噬菌菌体体的的污污染染等等。它它们们互互相相影影响响，互互相相制制约约，对对每每一一个个环环节节都都应应严严格格要要求求。尤尤其其要要注注意意无无菌菌操操作作，防防止止杂杂菌菌和和噬噬菌菌体体的的污污染。染。概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或 氧对发酵的抑制现象）氧对发酵的抑制现象）。本质本质：巴斯德效应的本质是巴斯德效应的本质是能荷调节能荷调节。意义：合理利用能源意义：合理利用能源通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）缺氧（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失 巴斯德效应巴斯德效应(The Pasteur Effect)及其本质及其本质现象：现象：三磷酸腺苷三磷酸腺苷(ATP)(ATP)是为许多反应提供能量的高能磷酸化物是为许多反应提供能量的高能磷酸化物,细细胞中的胞中的ATPATP、ADPADP和和AMPAMP含量处于相对平衡的状态含量处于相对平衡的状态细胞中的能细胞中的能量状态量状态.能荷（能荷（Energy Charge）,EC,EC 能荷表示细胞中的能量状态能荷表示细胞中的能量状态,能荷（能荷（ECEC）可用下式来表示：）可用下式来表示：系统中只有系统中只有ATPATP时，时，ECEC值为值为1 1；只有；只有AMPAMP时，时，ECEC值等于值等于0 0。EC=ATP+ADP/2ATP+ADP+AMP能荷不仅能调节能荷不仅能调节分解代谢分解代谢形成形成ATPATP的的酶活性，酶活性，也能调节也能调节合成代谢合成代谢利用利用ATPATP的酶的酶的活性。的活性。细胞能荷对酶活性的调节细胞能荷对酶活性的调节柠檬酸和柠檬酸和ATPATP都是磷酸都是磷酸果糖激酶活性的抑制剂，果糖激酶活性的抑制剂，从而限制了葡萄糖的利从而限制了葡萄糖的利用速度。用速度。有氧条件下，大量合成有氧条件下，大量合成ATPATP，细胞能荷增加，细胞能荷增加异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶受到受到ATPATP抑制，导抑制，导致柠檬酸的积累致柠檬酸的积累在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼吸链产生吸链产生ATPATP，细胞能荷较低。，细胞能荷较低。ADPADP和和AMPAMP激活磷酸果糖激酶，使利激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生产酒精的速度加快。用葡萄糖生产酒精的速度加快。细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵2CO2葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等菌种：运动发酵单胞菌等途径：途径：EDED利用利用运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌等细菌生产酒精的优缺点等细菌生产酒精的优缺点优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少;代谢副产物少；发酵温度高；代谢副产物少；发酵温度高；缺点：缺点：pH5pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低较易染菌；耐乙醇力较酵母低B B、乳酸发酵、乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖 产生乳酸，称为乳酸发酵。产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所 不同，将乳酸发酵又分为不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵同型乳酸发酵、异型乳异型乳 酸发酵酸发酵和和双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经PPKPPK途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵:（经（经PHKPHK途径途径）同型乳酸发酵同型乳酸发酵2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮葡萄糖葡萄糖3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADP乳酸乳球菌乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）植物乳杆菌植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）异型乳酸发酵异型乳酸发酵磷酸戊糖酮缩酶磷酸戊糖酮缩酶途径途径PPKPPK乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH乙酰乙酰CoACoA乙乙醛醛乙乙醇醇葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖ATP ADP-CO2NADP+NADPHNADP+NADPH3-3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛乳酸乳酸 2ADP 2ATPNAD+NADH+H+丙酮酸丙酮酸NADH+H+NAD+双歧发酵双歧发酵 磷酸己糖酮磷酸己糖酮缩酶缩酶途径途径PHKPHK 6-6-磷酸果糖磷酸果糖4-4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖2 2木酮糖木酮糖-5-5-磷酸磷酸2 2甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸2 2乳酸乳酸2 2乙酸乙酸乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶磷酸戊磷酸戊糖解酮酶糖解酮酶逆逆HMPHMP途途径径同同EMPEMP乙酸激酶乙酸激酶2 2乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰磷酸6-6-磷酸磷酸-果糖果糖2 2葡萄糖葡萄糖 2 2葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸Lactobacillus debruckii：德氏乳杆菌：德氏乳杆菌,是一种传统酸奶中细菌，为益生菌是一种传统酸奶中细菌，为益生菌Leuconostoc mesenteroides：肠膜明串珠菌：肠膜明串珠菌 Lactobacillus brevis：短乳杆菌短乳杆菌 C、混合酸发酵、混合酸发酵概念：大肠杆菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过概念：大肠杆菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMPEMP途径途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H H2 2和和COCO2 2等等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。混合酸发酵。发酵途径：发酵途径：葡萄糖葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸羧化酶草酰乙酸草酰乙酸琥珀酸琥珀酸乳酸脱氢酶乳酸乳酸甲酸甲酸草酰草酰oA乙醛脱氢酶乙醛乙醛乙醇乙醇乙酰磷酸乙酰磷酸乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶甲酸氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶乙醇脱氢酶D、2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、概念：肠杆菌、沙门氏菌、和欧沙门氏菌、和欧文氏菌属中的一文氏菌属中的一些细菌具有些细菌具有-乙乙酰乳酸合成酶酰乳酸合成酶系系而进行丁二醇发而进行丁二醇发酵。酵。发酵途径：发酵途径：EMPv概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的生物氧化作用。受体的生物氧化作用。v一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的呼吸一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的呼吸.v无机氧化物：如无机氧化物：如NONO3 3-、NO NO2 2-、SOSO4 42-2-、S S2 2O O3 32-2-等。等。v有机氧化物：延胡索有机氧化物：延胡索酸。酸。v在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细 胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底 物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼 吸产生的能量多。吸