第六章发酵机理说课材料.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章,微,生,物,的,代谢,第 六 章,微生物发酵机理,第一节 微生物基础物质代谢,第二节 厌氧发酵产物的合成,第三节 好氧发酵产物的合成,第一节 微生物基础物质代谢,生物氧化,异养微生物的生物氧化,自养微生物的生物氧化,能量转换,分解代谢的三个阶段：,第一阶段,是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；,第二阶段,是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶,A,、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些,ATP,、,NADH,及,FADH,2,；,第三阶段,是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成,CO,2,，并产生,ATP,、,NADH,及,FADH,2,。第二和第三阶段产生的,ATP,、,NADH,及,FADH,2,通过电子传递链被氧化，可产生大量的,ATP,。,微,生,物,的,营,养,和,代,谢,合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。,在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量用于合成代谢、微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。,微生物产生和利用能量及其与代谢的关系图,生物氧化:,分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为,生物氧化,，是一个产能代谢过程。不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。,异养微生物的生物氧化:,异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分为,有氧呼吸,和,无氧呼吸,两种方式。,发酵,(fermentation),是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。,发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。,生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为,糖酵解,(,glycolysis,),，,主要分为四种途径：,EMP,途径、,HMP,途径、,ED,途径、磷酸解酮酶途径,。,EMP途径(,糖酵解途径):,大致分为两个阶段。,第一阶段,可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：,甘油醛-3-磷酸,。,第二阶段,发生氧化还原反应，合成,ATP,并形成两分子的,丙酮酸,。,EMP途径,可为微生物的生理活动提供,ATP和NADH,，其,中间产物,又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖,。,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-磷酸甘油醛丙酮酸,总反应式：,葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸+2NADH,2,+2ATP,CoA 丙酮酸脱氢酶,乙酰CoA，进入TCA,EMP途径关键步骤,磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化,阶段。一个HMP途径循环的结果为：,一般认为HMP途径不是产能途径，而是,为生物合成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢产物,。多数微生物中具有HMP途径.,（二）HMP途径,（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径),HMP,途径：,葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和,CO,2,。,磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，,磷酸戊糖经转酮转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借,EMP,途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。,称为,不完全,HMP,途径,。,由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成,CO,2,和水），称,完全,HMP,途径。,HMP途径降解葡萄糖的三个阶段,HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H,+,形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径,1.,葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO,2,2.,核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸,3.,上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸,HMP途径关键步骤,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-,磷酸核糖参与核酸生成,3.,5-,磷酸核酮糖,6-,磷酸果糖,+3-,磷酸甘油醛,(,进入,EMP,）,HMP途径的重要意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖,-,磷酸。,产生大量,NADPH,2,，,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。,与,EMP,途径在果糖,-1,，,6-,二磷酸和甘油醛,-3-,磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。,途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。,途径中存在,37,碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用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、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。,HMP,途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。,1952年在Pseudomonas saccharophila,中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。,ED途径可不依赖于,EMP和HMP途径而单独存在，,是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,（三）ED途径,ED途径,ATP ADP NADP,+,NADPH,2,葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸,激酶,（,与EMP途径连接,）,氧化酶,(与HMP途径连接),EMP途径 3-磷酸-甘油醛,脱水酶,2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸,EMP途径 丙酮酸,醛缩酶,有氧时与TCA环连接,无氧时进行细菌发酵,ED途径的特点,葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经,EMP途径,转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。,ED,途径的特征反应是,关键中间代谢物,2-,酮,-3-,脱氧,-6-,磷酸葡萄糖酸（,KDPG,）,裂解为丙酮酸和,3-,磷酸甘油醛。,ED,途径的特征酶是,KDPG,醛缩酶,.,反应步骤简单，产能效率低,.,此途径,可与,EMP,途径、,HMP,途径和,TCA,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要。,好氧时与,TCA,循环相连，厌氧时进行乙醇发酵,.,ED途径的总反应,ATP,C,6,H,12,O,6,ADP,KDPG,ATP 2ATP NADH,2,NADPH,2,2丙酮酸,6ATP 2乙醇,(有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）,关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解,催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶,相关的发酵生产：细菌酒精发酵,优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。,缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,ATP,有氧时经呼吸链,6ATP,无氧时,进行发酵 2乙醇,2ATP,NADH+H,+,NADPH+H,+,2丙酮酸,ATP,C,6,H,12,O,6,KDPG,ED途径的总反应（续）,（四）磷酸酮解途径,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。,进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。,磷酸酮解酶途径有两种：,磷酸戊糖酮解途径（PK）途径,磷酸己糖酮解途径（HK）途径,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,ATP,ADP,NAD,+,NADH+H,+,CO,2,乳酸,乙醇,异构化作用,NAD,+,NADH+H,+,磷酸戊糖酮解酶,CoA,Pi,2ADP+Pi,2ATP,-2H,-2H,-2H,NAD,+,NADH+H,+,磷酸戊糖酮解途径,磷酸戊糖酮解途径的特点,分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;,几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO,2,磷酸己糖解酮途径,2葡萄糖,2葡萄糖-6-磷酸,6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖,4-磷酸-赤藓糖 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途径,同EMP,乙酸激酶,磷酸己糖酮解途径的特点,有两个磷酸酮解酶参加反应；,在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；,每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；,许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。,丙酮酸在进入三羧酸循环之,先要脱羧生成乙酰,CoA，,乙酰,CoA,和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。,循环的结果是乙酰,CoA,被彻底氧化成,CO,2,和,H,2,O，,每氧化1分子的乙酰,CoA,可产生12分子的,ATP，,草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,1、,循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO,2,并重新生成1分子草酰乙酸；,2、,整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD,+,还原为NADH+H,+，,另一步为FAD还原；,3、,为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。,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；,5、,生物体提供能量的主要形式；,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 柠檬酸发酵；Glu发酵等。,TCA循环的重要特点,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD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、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。,根据,递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.,发酵作用,：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模,式,；,呼吸作用,：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：,有氧呼吸,最终电子受体是分子氧O,2,;,无氧呼吸,最终电子受体是O,2,以外的无机氧化物，如NO,3,-,、SO,4,2-,等.,二、递氢、受氢和ATP的产生,概念：,在,生物氧化中,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谢产物的一类低效产能反应。在,发酵工业上,，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。,发酵途径：,葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有,EMP,、,HMP,、,ED,和,PK,途径。,发酵类型：,在上述途径中均有还原型氢供体,NADH+H,+,和,NADPH+H,+,产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受,NADH+H,+,和,NADPH+H,+,的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。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、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。,1、发酵作用,酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵,混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵,丙酮酸的发酵产物,C,6,H,12,O,6,2CH,3,COCOOH,2CH,3,CHO,2CH,3,CH,2,OH,NAD,NADH,2,-2CO,2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,酵母菌的乙醇发酵：,概念,菌种,途径,特点,发生条件,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,（一）乙醇发酵,当,发酵液处在,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2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,CH,3,CHO+H,2,O+NAD,+,CH,3,COOH+NADH+H,+,CH,3,CHO+NADH+H,+,CH,3,CH,2,OH+NAD,+,此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成,-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO,2,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）。,意义：,合理利用能源,机理：,通风对酵母代谢的影响,通风,（有氧呼吸）,缺氧,（发酵）,酒精生成量,耗糖量/单位时间,细胞的繁殖,低（接近零）,少,旺盛,高,多,很弱至消失,巴斯德效应(The Pasteur effect),现象：,细菌的乙醇发酵,葡萄糖,2-酮-3-脱氧-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,2CO,2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种,：,运动发酵单胞菌等,途径：,ED,酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵,脱羧酶 脱氢酶,丙酮酸 乙醛 乙醇,通过,EMP,途径产生乙醇，总反应式为：,C,6,H,12,O,6,+2ADP+2Pi 2C,2,H,5,OH+2CO,2,+2ATP,细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵,通过,ED,途径产生乙醇，总反应如下：,葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO,2,+ATP,细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵,通过,HMP,途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：,葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+,乙醇,+CO,2,+ATP,同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵,异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵,利用Z.mobilis等细菌生产酒精,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；,缺点：,pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低,（二）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，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。,同型乳酸发酵：（经,EMP,途径）,异型乳酸发酵,：,（经,HMP,途径）,双歧杆菌发酵:（经,HK,途径磷酸己糖解酮酶途径,）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2(1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸,2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD,+,2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis,Lactobacillus plantarum,概念,菌种,途径,特点,异型乳酸发酵,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,+,NADH,NAD,+,NADH,ATP,ADP,乙醇,乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,概念,菌种,途径,特点,-CO,2,（三）混合酸发酵,概念,：大肠埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌,的一些肠道细菌通过,EMP,途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、,H,2,和,CO,2,等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。,葡萄糖,琥珀酸 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 CO,2,H,2,乙酸,丙酮酸甲酸裂解酶,乳酸脱氢酶,甲酸-氢裂解酶,磷酸转乙酰酶,乙酸激酶,PEP羧化酶,乙醛脱氢酶,+2H,pH6.2,发酵途径：,（四）2,3-丁二醇发酵,概念：,肠杆菌属、沙雷氏菌属、和欧文氏菌属中的一些细菌具有,-乙酰乳酸合成酶,系而进行丁二醇发酵。,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-羟基丁酮,2,3-丁二醇,CO,2,H,2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脱羧酶,2,3-丁二醇脱氢酶,EMP,发酵途径：,概念:,是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；,是最普遍、最重要的生物氧化方式。,途径：,EMP,TCA循环,特点：,必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,2、有氧呼吸,由此可见，,TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,电子传递与氧化呼吸链,定义：,由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生,ATP,形式的能量。,部位,：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上,成员：,电子传递是从,NAD,到,O,2,，,电子传递链中的电子传递体主要包括,FMN,、,CoQ,、,细胞色素,b,、,c,1,、,c,、,a,、,a,和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如,下：,MH,2,NAD FMN C,0,Q b,(-0.32v)(0.0v),C,1,C a a,3,O,2,H,2,O,(+0.26)(+0.28)(+0.82v),呼吸链中NAD,+,/NADH的E,0,值最小，而O,2,/H,2,O的E,0,值最大，所以，电子的传递方向是：NADH O,2,上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H,+,和FADH,2,的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。,电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。,呼吸链的功能：,一是传递电子；,二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP这就是电子产地磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。,典型的呼吸链,自EMP,2NADH,2,自乙酰CoA,2NADH,2,自TCA,6NADH,2,自TCA,2FADH,2,高能水平,低氧化还原势,氧化态还原态,还原态氧化态,氧化态还原态,还原态 醌氧化态,氧化态还原态,脱氢酶,NADFADH,2,H,2,O,NADH,2,FAD1/2O,2,+2H,+,低能水平,高氧化还原势,FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a,3,氧化酶,典型的呼吸链,原核生物呼吸链的特点,存在于细胞膜上,呼吸链中的氧还载体取代性强，如,CoQ,可被,MK,取代,呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减,有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别，如,E.Coli,在缺氧时，呼吸链分为两支，即,Cyt.b,556,Cyt.o,;Cyt.b,558,Cyt.d,NAD,：,含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态,NDAH+H,+,。,FAD,和,FMN,：,黄素蛋白的辅基，,铁硫蛋白（,Fe-S,）,：,传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链,的“,2Fe+2S,”,中心每次仅能传递一个电子。,泛醌（辅酶,Q,）,：,脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多,1015,倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。,细胞色素系统,：位于呼吸链后端，功能是传递电子。,微生物中重要的呼吸链组分,细胞色素系统,功能：,从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中。,分类：,线粒体的电子传递链至少含有,5,种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为,cyt.a,，,cyt.a,3,，,cyt.b,，,cyt.c,和,cyt.o,等。细胞色素,b c c,1,a a,3,整合在一起存在。,Cyta,a,3,以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。细胞色素,a a,3,含有两个必需的铜原子。由还原型,a,3,将电子直接传递给分子氧。,电子从,CoQ,传到,b c c,1,，,Fe-S,旦白,a a,3,。,结构组成：,以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。,cyt.a,3,即细胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化,4,个电子还原氧的反应，激活分子氧。,ATP,的结构和生成,2.,ATP,的生成方式:,微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化学能.ATP是生物体内能量的载体或流通形式.,当微生物获得能量后,都是先将获得的能量转换成,ATP.,当需要能量时,ATP,分子上的高能键水解,重新释放出能量.,光合磷酸化,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,电子传递磷酸化,1.结构:,光合磷酸化:,利用光能合成,ATP,的反应.,光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。,光合微生物:藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。,细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如,H,2,、H,2,S,等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。,氧化磷酸化,：,利用化合物氧化过程中释放的能量生成,ATP,的反应。,氧化磷酸化生成,ATP,的方式有两种,：,底物水平磷酸化,不需氧,电子传递磷酸化,需氧。,底物水平磷酸化：,底物水平磷酸化是,在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给,ADP,，,使其生成,ATP,。,这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。,底物水平磷酸化举例,由于脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。这种高能连接的磷酸可以转给ADP，产生ATP分子。在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。,在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。,呼吸链中的电子传递体主要由各种辅基和辅酶组成，最重要的电子传递体是泛琨（即辅酶Q）和细胞色素系统。在不同种类的微生物中细胞色素的成员是不同的。,通过呼吸链生成的ATP数量主要是根据呼吸链成员的多少而不同，而呼吸链的组成因微生物种类而异，如酵母菌可生成3个ATP，而细菌大约只生成1个ATP磷酸化作用是在电子自供体向最终受体的传递过程中发生的。从氧化营养物质产生的一对电子或氢原子向最终电子受体转移时，中间经过一系列电子传递体，每个电子传递体构成一个氧化还原系统，这一系列电子传递体在不同生物中有其自己一定的排列次序，构成一条电子传递链，因而称为呼吸链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量生成ATP。,电子传递磷酸化,一个NAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子。它分别在三个位置，各产生一个ATP。如图41所示，第一个ATP大约在辅酶1和黄素蛋白之间；第二个ATP大约在细胞色素b和cl之间；第三个ATP大约在细胞色素c和a之间。,电子传递磷酸化举例,回补途径,TCA,循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；,生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；,回补方式：通过某些化合物的,CO,2,固定作用，,一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和,-,酮戊二酸，,通过乙醛酸循环,通过某些化合物的CO,2,固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补：,丙酮酸羧化酶,：,CO,2,+丙酮酸+ATP+H,2,O,Mg+,草酰乙酸+ADP+Pi,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,:,CO,2,+PEP+H,2,O 草酰乙酸+H,3,PO,4,苹果酸酶,:,CO,2,+丙酮酸+NADPH+H,+,苹果酸+NADP,+,为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长，异养微生物至少要具备上述几种酶之种的一个酶。,CO,2,固定作用补充TCA环的中间产物,乙醛酸循环,草酰乙酸,柠檬酸,琥珀酸,异柠檬酸,苹果酸,延胡索酸,乙醛酸,乙酰CoA,乙酰CoA,乙酸,乙酸,乙醛酸循环,能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA；,然后在,异柠檬酸裂解酶,和,苹果酸合成酶,的作用下进入乙醛酸循环。,乙醛酸循环的主要反应：,异柠檬酸 琥珀酸+乙醛酸,乙醛酸+乙酸 苹果酸,琥珀酸+乙酸 异柠檬酸,净反应：2乙酸 苹果酸,回补顺序,谷氨酸,+NH,3,谷氨酸脱氢酶,-酮戊二酸氧化酶,柠檬酸发酵,菌种：,能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。,发酵机理：,细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。,工艺流程：,发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；pH23时，发酵产物主要是柠檬酸；pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；,可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。,谷氨酸发酵,谷氨酸发酵菌种：,Corynebacterium pekinense,Corynebacterium glutamicum,Brevibacterium flavu,发酵机理：,谷氨酸以,-酮戊二酸为碳架；当,以糖质为发酵原料时，合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛酸循环等；,谷氨酸产生菌,的,-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而,谷氨酸脱氢酶的活力要很高；,生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。,生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。,概念：,以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。,一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸.,无机氧化物：如,NO,3,-,、NO,2-,、SO,4,2,-,、S,2,O,3,2-,等。,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。,如：,以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出1796.14,KJ,自由能,。,3、无氧呼吸,微生物发酵机理调控,微生物代谢过程中的自我调节,酶活性的调节,酶合成的调节,代谢调控理论的应用,微生物代谢过程中的自我调节,微生物代谢调节系统的特点：,精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。,成因：,细胞体积小，所处环境多变。,举例：,大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。,解决方式：,组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。,微生物自我调节代谢的方式,1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞,2.通过酶的定位控制酶与底物的接触,3.控制代谢物流向:,重点,1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞,如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。,2.通过酶的定位控制酶与底物的接触,1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使某种特异的功能；,2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使,功能：,与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；,蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；,同核苷酸吸收有关的酶在,G,-,菌的周质区。,3.控制代谢物流向：,(通过酶促反应速度来调节),1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如:,两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成,以NAD为辅基 Glu分解,2)通过调节酶的活性或酶的合成量。,关键酶:某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。,粗调：调节酶的合成量,细调：调节现有酶分子的活性,3)通过调节产能代谢速率。,一、酶活性的调节,通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。,（一）调节方式：,包括两个方面：,1、酶活性的激活：,在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。,如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进,2、酶活性的抑制,：,包括：竞争性抑制和反馈抑制。,概念：,反馈,：,指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。,凡使反应速度加快的称,正反馈,；,凡使反应速度减慢的称,负反馈（反馈抑制）,；,反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。,特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除,1.直线式代谢途径中的反馈抑制,：,苏氨酸脱氨酶,苏氨酸,-酮丁酸 异亮氨酸,反馈抑制,其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成,2.分支代谢途径中的反馈抑制：,在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。,（二）反馈抑制的类型,（1）同功酶调节isoenzyme,定义：,催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。,意义：,在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。,某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。,举例：,大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节,（2）协同反馈抑制concerted feedback inhibition,定义：,分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。,举例：,谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）,多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）,天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。,（3）合作反馈抑制cooperative feedback inhibition,定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。,举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。,（4）积累反馈抑制cumulative feedback inhibition,定义：,每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,Try 16%,CTP 14%,氨甲酰磷酸,13%,AMP 41%,积累反馈抑制E.coli谷氨酰胺合成酶的调节,（5）顺序反馈抑制sequential feedback inhibition,一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。,举例：,枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节,在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如AMP与GMP，Thr与Lys、Met，由于两种酶对底物的Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。,（6）优先合成,(三)酶活力调节的机制,变构酶理论：,变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。其上,具有两个以上立体专一性不同的接受部位，,一个是活性中心，另一个是调节中心。,活性位点:,与底物结合,变构位点:,与,抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合,与,激活剂结合,构象变化,促进与底物结合,变构酶,(一)、生物合成途径的代谢调控；,1、,终产物阻遏（end product repression),终产物阻遏该途径所有酶的合成。,2、反馈（feedback)或变构抑制(allosteric inhibition)：,终产物对该合成途径第一酶合成的抑制,A B C D,E1,E2,E3,Gene1,Gene2,Gene3,终产物反馈抑制,mRNA合成被阻遏,DNA,mRNA,总结,1、酶的诱导,（enzyme induction):,底物或其结构类似物活化与降解有关的酶。,乳糖操纵子学说。,2、分解代谢产物阻遏,（catabolite repression),：,葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。,(二)、分解途径的代谢调控：,三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用,工业发酵的目的：,大量积累人们所需要的微生物代谢产物。,代谢的人工控制：,人为地打破微生物发酵机理控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。,人工控制代谢的手段：,改变微生物遗传特性(遗传学方法）；,控制发酵条件（生物化学方法）；,改变细胞膜透性；,1.1营养缺陷型菌株的应用,末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C。,1.遗传学方法,（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物,A,a,B,b,C,c,D,d,E,(2)分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物,A B C,D,E,F,G,分支途径赖氨酸发酵:谷氨酸棒杆菌的Hom,分支途径肌苷酸发酵（IMP合成途径的代谢调控）,调控理论的实践应用,1.2 抗反馈控制突变株的应用,抗反馈控制突变株,是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。,抗反馈控制突变株可以从,终产物结构类似物抗性突变株,和,营养缺陷性回复突变株,中获得。,获得方法及其原理：,目标产物,结构类似物,赖氨酸,S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC),苏氨酸,-氨基-羟基戊酸（AHV),异亮氨酸,乙硫氨酸,精氨酸,D-精氨酸,苯丙氨酸,对氟苯丙氨酸,1.3选育组成型突变株和超产突变株,如果调节基因发生突变，以至产生无效的阻遏物而不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成结构基因不受控制的转录，酶 的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的突变株称为 组成型突变株。少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高的多的酶，这种突变株称为超产突变株。,D,A B C,E F,（二）生物化学方法,添加前体绕过反馈控制点：,亦能使某种代谢产物大量产生,(-),(-),(-),2.添加诱导剂：,从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物，,3.发酵与分离过程耦合,：,4.控制发酵的培养基成分：,（三）控制细胞膜渗透性,使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。,1.用生理学手段,直接抑制膜的合成或使膜受缺损,如:在Glu发酵中把生物素浓度控制在,亚适量,可大量分泌Glu；,控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性；,当培养液中生物素含量较高时采用,适量添加青霉素,的方法；,再如：产氨短杆菌的核苷