微生物代谢学时.pptx

第第7 7章章 微生物的代谢微生物的代谢微生物的代谢类型，及其能量代谢，分解代谢和合成微生物的代谢类型，及其能量代谢，分解代谢和合成代谢代谢 ;主要发酵代谢途径，微生物代谢的主要调节机制，主要发酵代谢途径，微生物代谢的主要调节机制，及其代谢调控在发酵工业中的应用。及其代谢调控在发酵工业中的应用。第一节微生物的能量代谢第一节微生物的能量代谢第二节微生物的分解代谢与合成代谢第二节微生物的分解代谢与合成代谢第三节第三节 微生物发酵的途径微生物发酵的途径新陈代谢（新陈代谢（MetabolismMetabolism）一般泛指生物与周围环境进行一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量物质交换和能量交换交换的过程。的过程。生物小分子合成生物大分子生物小分子合成生物大分子 合成代谢合成代谢 （同化）（同化）耗能耗能新陈代谢新陈代谢 能量代谢能量代谢 物质物质 代代 谢谢 产能产能 分解代谢分解代谢 （异化）（异化）生物大分子分解为生物小分子生物大分子分解为生物小分子 新陈代谢的共同特点：新陈代谢的共同特点：（1 1）在温和条件下进行）在温和条件下进行(由酶催化由酶催化)；（2 2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性；陈代谢具有严格的顺序性；(3(3）对内外环境具有高度的调节功能和适）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。应功能。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 有机物（化能异养菌）有机物（化能异养菌）能源能源 日日 光（光能自养菌）光（光能自养菌）通用能源通用能源 无机物（化能自养菌）无机物（化能自养菌）一、化能异养的微生物氧化和产能一、化能异养的微生物氧化和产能(一）发酵一）发酵1 1 在发酵工业上，指利用好氧或厌氧微生物来在发酵工业上，指利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类方式。生产有用代谢产物的一类方式。2 2 在生物氧化或能量代谢中在生物氧化或能量代谢中:是指无氧条件下将有机物氧化释放，同时是指无氧条件下将有机物氧化释放，同时释放能量，并产生各种不同代谢产物。底释放能量，并产生各种不同代谢产物。底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传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。的一类低效产能反应。生物体内葡萄糖被降解生物体内葡萄糖被降解主要分四种途径：主要分四种途径：EMP HMP ED PKEMP HMP ED PK和和HKHK：EMPEMP途径，又称糖酵解途径途径，又称糖酵解途径HMPHMP途径，又称己糖途径，又称己糖-磷酸途径磷酸途径EDED途径，又称途径，又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸裂解途径裂解途径PK PK 磷酸戊糖解酮酶，磷酸戊糖解酮酶，HKHK磷酸已糖解酮酶磷酸已糖解酮酶1 1、葡萄糖的、葡萄糖的 酵解作用酵解作用 （简称：EMP途径）又称：又称：Embden-Meyerhof-ParnasEmbden-Meyerhof-Parnas途径途径：n六碳的葡萄糖分子经过十多步酶催化的反应，分裂六碳的葡萄糖分子经过十多步酶催化的反应，分裂为两分子三碳的丙酮酸，同时使两分子腺苷二磷酸为两分子三碳的丙酮酸，同时使两分子腺苷二磷酸(ADP)(ADP)与无机磷酸与无机磷酸 (Pi)(Pi)结合生成两分子结合生成两分子腺苷三磷酸腺苷三磷酸(ATP)(ATP)。反应式反应式：C6H12O6+2 NAD+2 ADP+2 H3PO4 2 NADH+2 C3H4O3（丙酮酸）（丙酮酸）+2 ATP+2 H2O+2 H+糖酵解（小结）糖酵解（小结）反应物质：反应物质：葡萄糖葡萄糖 -葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 -果糖果糖-6-6-磷酸磷酸 -果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸 -二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸 -甘甘油醛油醛-3-3-磷酸磷酸 -1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 -3-3-磷磷酸甘油酸酸甘油酸 -2-2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 -磷酸烯醇丙磷酸烯醇丙酮酸酮酸 -丙酮酸丙酮酸 -乙酰辅酶乙酰辅酶A A参与的酶：参与的酶：六碳糖激酶六碳糖激酶 -磷酸葡萄糖异构酶磷酸葡萄糖异构酶 -磷酸磷酸果糖激酶果糖激酶 -醛醛縮縮酶酶 -丙糖磷酸丙糖磷酸异构异构酶酶 -甘油醛甘油醛-3-3-磷酸去氢酶磷酸去氢酶 -磷酸甘油酸激磷酸甘油酸激酶酶 -磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶 -烯醇化酶烯醇化酶 -丙丙酮酸激酶酮酸激酶 -丙酮酸去氢酶丙酮酸去氢酶过程：糖酵解可分为两个阶段：过程：糖酵解可分为两个阶段：准备阶段，即葡萄糖或糖原等经磷酸化及异构准备阶段，即葡萄糖或糖原等经磷酸化及异构化等过程，生成化等过程，生成-1-1，6-6-二磷酸果糖。二磷酸果糖。产能阶段。产能阶段。1,6-1,6-二磷酸果糖分解成两分子磷酸二磷酸果糖分解成两分子磷酸丙糖。后者以辅酶丙糖。后者以辅酶进行氧化，并陆续释出磷进行氧化，并陆续释出磷酸形成酸形成ATP,ATP,同时产生丙酮酸。同时产生丙酮酸。通常丙酮酸接受辅酶通常丙酮酸接受辅酶传递的氢还原为乳酸等。传递的氢还原为乳酸等。（此阶段可以不需耗氧）（此阶段可以不需耗氧）无氧参与时，丙酮酸接受辅酶无氧参与时，丙酮酸接受辅酶传递的氢还传递的氢还原为乳酸等（原为乳酸等（通常称为发酵）形成：乙醇、通常称为发酵）形成：乙醇、乳酸、混合酸等。乳酸、混合酸等。如：如：酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇混合酸发酵混合酸发酵 通过通过EMPEMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、乙醇、乙酸、H H2 2和和COCO2 2等多种代谢产物，由于代谢产等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。v发酵途径：磷酸烯醇式丙酮酸发酵途径：磷酸烯醇式丙酮酸调节调节：有三个基本上不可逆的步骤：有三个基本上不可逆的步骤：（1 1）己糖激酶）己糖激酶（2 2）6-6-磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶（3 3）丙酮酸激酶催化）丙酮酸激酶催化 其中以其中以6-6-磷酸果糖激酶最重要，它催化的反应磷酸果糖激酶最重要，它催化的反应是许多细胞中糖酵解的限速步骤，缺氧或各种是许多细胞中糖酵解的限速步骤，缺氧或各种激素主要通过影响该酶的活性而实现其对糖酵激素主要通过影响该酶的活性而实现其对糖酵解的调节。解的调节。生理意义：生理意义：释放的自由能转移到释放的自由能转移到ATPATP中。也是果中。也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途径。解途径。2 HMP2 HMP途径途径降解葡萄糖的三个阶段降解葡萄糖的三个阶段(1).(1).葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-5-磷磷酸和酸和CO2CO2(2).(2).核酮糖核酮糖-5-5-磷酸发生同分异构化或表异构化磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖而分别产生核糖-5-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-5-磷酸磷酸(3).(3).上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发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生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMPHMP途径关键步骤：途径关键步骤：1.葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2.6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3.5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-磷酸果糖磷酸果糖+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMP 耗能阶段耗能阶段C6 2C3 产能阶段产能阶段 4 4 ATP 2ATP2C3 2 丙酮酸丙酮酸 2NADH2C 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 HMP途径的总反应途径的总反应6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+12CO2+PiHMP途径的总反应途径的总反应HMP途径的生理意义1 1为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸磷酸2 2产生大量的产生大量的NADPHNADPH2 2，一方面参与脂肪酸、，一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量吸链产生大量的能量3 3四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成成4 4在反应中存在在反应中存在3-73-7碳糖，使具有该途径的微生碳糖，使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛。物的碳源谱更广泛。5 5通过该途径可产生许多发酵产物，如核苷酸、通过该途径可产生许多发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等。氨基酸、辅酶、乳酸等。又称又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPGKDPG）裂）裂解途径。解途径。目前仅在微目前仅在微生物中生物中发现发现。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，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和酸和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分子葡萄糖产分子葡萄糖产生生2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子分子ATPATP。3 ED途径途径ED途径途径 ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸 激酶激酶 （与与EMP途径连接途径连接）氧化酶氧化酶 (与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 有氧时与有氧时与TCA环连接环连接 无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵 ED途径ED途径途径ED途径的特点途径的特点ED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-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘磷酸甘油醛。油醛。ED途径的特征酶是途径的特征酶是KDPG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EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循环相连循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不接，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。同中间代谢物的需要。好氧时与好氧时与TCA循环相连，厌循环相连，厌氧时进行乙醇发酵氧时进行乙醇发酵.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）ED途径的总反应途径的总反应4 WD途径（分为PK和HK)nWD途径又称磷酸解酮酶途径，它们催化的反应分别为：n 5-磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸）n 磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶）n 乙酰磷酸 磷酸甘油醛（磷酸-4-赤藓糖）n 乙酸 丙酮酸 与HMP途径相连n PK 乳酸乳酸 HKn 磷酸戊糖解酮酶 磷酸已糖解酮酶n许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式(二）呼吸二）呼吸 葡萄糖酵解后如果有氧或其他外源电子受体存在，底物分子可以完全氧化为二氧化碳，并释放大量的能量（ATP).1 1 有氧呼吸有氧呼吸 将电子传递给氧生成水。一个葡萄糖好氧呼吸后产生38个ATP.（1 1）丙酮酸）丙酮酸 三羧酸循环（三羧酸循环（TCA)TCA)（2 2）电子）电子 电子传递链电子传递链三羧酸循环（三羧酸循环（TCA)TCA)nTCATCA循环就是三羧酸循环，也叫柠檬酸循环循环就是三羧酸循环，也叫柠檬酸循环（1 1）三羧酸循环准备阶段：）三羧酸循环准备阶段：底物为丙酮酸，合成乙酰底物为丙酮酸，合成乙酰CoACoA（2 2）三羧酸循环：）三羧酸循环：乙酰乙酰CoACoA与草酰乙酸的反应开始，乙酰与草酰乙酸的反应开始，乙酰CoACoA每每循环一次放出的能量可以合成循环一次放出的能量可以合成1010分子分子ATPATP。总反应式：总反应式：C6H12O66O2+38(ADP+Pi)6CO2+6H2O+38ATP TCA的的生物学意义生物学意义1 1、是生物体代谢糖的主要方式，具有普遍性。、是生物体代谢糖的主要方式，具有普遍性。2 2、生物体提供能量的主要形式，其产能效率达、生物体提供能量的主要形式，其产能效率达到到4242。3 3、为糖、脂、蛋白质三大物质的转化、为糖、脂、蛋白质三大物质的转化枢纽枢纽。4 4、TCATCA可作为多种化合物的碳骨架，以供细胞可作为多种化合物的碳骨架，以供细胞合成之用。合成之用。5 5、TCATCA循环为人类利用生物发酵生产所需产品循环为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。提供主要的代谢途径。如如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；GluGlu发酵等。发酵等。（2 2）电子传递与氧化呼吸链）电子传递与氧化呼吸链1 1）部位：电子传递链在真核细胞发生在线）部位：电子传递链在真核细胞发生在线粒体内膜上，在原核细胞发生在质膜上。粒体内膜上，在原核细胞发生在质膜上。2 2）成员）成员 ：电子传递是从：电子传递是从NADNAD到到OO2 2，电子传递链中的电子传递体主要包括：电子传递链中的电子传递体主要包括：FMN FMN 、CoQCoQ、细胞色素、细胞色素b b、c c 1 1 c c a a a a和一些铁硫旦白。和一些铁硫旦白。在电子传递链中，各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，在传递过程中释放的能。2 2无氧呼吸无氧呼吸（anaerobic respirationanaerobic respiration）v概念：一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。v无氧呼吸的类型无氧呼吸的类型 硝酸盐呼吸：硝酸盐呼吸：NONO3 3-NO NO2 2-,NO,N,NO,N2 2 无机盐呼吸无机盐呼吸 硫酸盐呼吸：硫酸盐呼吸：SOSO4 42-2-SO SO3 32-2-,S,S3 3OO6 62-2-,S,S2 2OO3 32-2-,H,H2 2S S 硫硫 呼呼 吸：吸：S S0 0 S S-2-2 碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸 COCO2 2,HCO,HCO3 3-CH CH3 3COOHCOOH CO CO2 2,HCO,HCO3 3-CH CH4 4 延胡索酸呼吸：延胡索酸延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸琥珀酸无氧呼吸n如：n(1)硫酸盐还原细菌：nSO42-+8e-+8H+S2-+4H2On(2)产甲烷细菌能在氢、乙酸和甲醇等物质的氧化过程中，以CO2作为最终的电子受体，变成甲烷n 4H2+CO2 CH4+2H2O二二 自养微生物的生物氧化和产能代谢自养微生物的生物氧化和产能代谢n自氧微生物和异养微生物在生物氧化的本质是自氧微生物和异养微生物在生物氧化的本质是相同的。即都包括脱氢、递氢和受氢三阶段。相同的。即都包括脱氢、递氢和受氢三阶段。其间经过磷酸化反应相偶联，产生其间经过磷酸化反应相偶联，产生ATP.ATP.n一些微生物可以从氧化无机物获得能量，这类一些微生物可以从氧化无机物获得能量，这类微生物就是好氧型的自养型微生物。它们属于微生物就是好氧型的自养型微生物。它们属于氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细菌等。氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细菌等。n光能自养细菌：光合作用通过环式关和磷酸化光能自养细菌：光合作用通过环式关和磷酸化作用产生作用产生ATPATP。这类细菌主要。这类细菌主要是第二节第二节 微生物的分解代谢与合成代谢微生物的分解代谢与合成代谢一、分解代谢：大分子物质的降解一、分解代谢：大分子物质的降解（一）淀粉的分解：（一）淀粉的分解：1 1 液化型淀粉酶液化型淀粉酶（又称（又称-淀粉酶）淀粉酶）任意分解淀粉的任意分解淀粉的-1,4-1,4糖苷键，不能分糖苷键，不能分解解-1,6-1,6糖苷键。糖苷键。淀粉经该酶作用以后，粘度很快下降。淀粉经该酶作用以后，粘度很快下降。最终产物为：糊精、麦芽糖和少量葡萄最终产物为：糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。糖。n2 2 糖化型淀粉酶糖化型淀粉酶 可细分为好几种，其共同特点将淀粉水可细分为好几种，其共同特点将淀粉水解为解为麦芽糖或葡萄糖麦芽糖或葡萄糖（1 1）-淀粉酶（淀粉淀粉酶（淀粉1,4-1,4-麦芽糖苷酶）不麦芽糖苷酶）不能作用于也不能越过能作用于也不能越过-1,6-1,6糖苷键，终产糖苷键，终产物为麦芽糖和极限糊精物为麦芽糖和极限糊精（2 2）糖化酶（淀粉糖化酶（淀粉1,41,4、1,6-1,6-葡萄糖苷酶）：葡萄糖苷酶）：此酶对此酶对-1,4-1,4-糖苷键能作用，对糖苷键能作用，对-1,6-1,6-糖苷糖苷键也能分解，所以最终产物几乎全是葡萄键也能分解，所以最终产物几乎全是葡萄糖。糖。（3 3）异淀粉酶（淀粉）异淀粉酶（淀粉1,6-1,6-糊精酶）：糊精酶）：此酶可以分解淀粉中的此酶可以分解淀粉中的-1,6-1,6-糖苷键，生糖苷键，生成较短的直链淀粉。异淀粉酶用于水解由成较短的直链淀粉。异淀粉酶用于水解由-淀粉酶和淀粉酶和-淀粉酶产生的极限糊精。淀粉酶产生的极限糊精。（二）、纤维素的分解（二）、纤维素的分解 纤维素的葡萄糖由纤维素的葡萄糖由-1,4-1,4糖苷键组成糖苷键组成的大分子化合物。它广泛存在于自然界，的大分子化合物。它广泛存在于自然界，是植物细胞壁的主要组成成分。人和动是植物细胞壁的主要组成成分。人和动物均不能消化纤维素。物均不能消化纤维素。生产纤维素酶的菌种常有绿色木霉、生产纤维素酶的菌种常有绿色木霉、康氏木霉、某些放线菌和细菌。康氏木霉、某些放线菌和细菌。纤维素的分解：n作用的酶类有：作用的酶类有：C C、Cx(Cx1Cx(Cx1、Cx2)Cx2)、纤维二糖、纤维二糖酶（酶（-葡萄糖苷酶）葡萄糖苷酶）n总反应：总反应：C C1 1酶酶 Cx1Cx1Cx2Cx2酶酶n天然纤维素天然纤维素水合纤维素分子水合纤维素分子n 纤维二糖酶纤维二糖酶 n葡萄糖葡萄糖+纤维二糖纤维二糖葡萄糖葡萄糖 （三）、果胶质的分解（三）、果胶质的分解n果胶果胶是植物细胞的间隙物质，使邻近的是植物细胞的间隙物质，使邻近的细胞壁相连，是细胞壁相连，是半乳糖醛酸以半乳糖醛酸以-1,4-1,4糖苷糖苷键结合成直链状分子化合物键结合成直链状分子化合物。其羧基大。其羧基大部分形成甲基酯，而不含甲基酯的称为部分形成甲基酯，而不含甲基酯的称为果胶酸。果胶酸。天然不溶的果胶称为原果胶。天然不溶的果胶称为原果胶。果胶酶含有不同的酶系，主要有果胶酶含有不同的酶系，主要有果胶果胶酯酶酯酶和和半乳糖醛酸酶半乳糖醛酸酶两种。果胶酶广泛两种。果胶酶广泛存在于植物、霉菌、细菌和酵母中。主存在于植物、霉菌、细菌和酵母中。主要以霉菌生产的果胶酶。要以霉菌生产的果胶酶。反应式如下：原果胶酶原果胶酶 原果胶原果胶 可溶性果胶可溶性果胶果胶酯酶果胶酯酶聚半乳糖醛酸酶聚半乳糖醛酸酶 果胶果胶甲醇甲醇+果胶酸果胶酸半乳糖醛酸半乳糖醛酸（四）、蛋白质的分解（四）、蛋白质的分解 微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至体外，将其分解为大小不等的多肽或氨基体外，将其分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再进入细胞。通式如酸等小分子化合物后再进入细胞。通式如下：下：蛋白酶蛋白酶 肽酶肽酶蛋白质蛋白质 多肽多肽 氨基酸氨基酸 n产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、霉菌等中均有。霉菌等中均有。（五）氨基酸的分解（五）氨基酸的分解微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。1 1 脱氨作用脱氨作用脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同，脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同，也不一样。主要有以下几种：也不一样。主要有以下几种：氧化脱氨。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一类氧化脱氨。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一类是氨基氧化酶，以是氨基氧化酶，以FADFAD或或FMNFMN为辅基；另一类是氨基酸脱为辅基；另一类是氨基酸脱氢酶，以氢酶，以NADNAD或或NADPNADP作为氢的载体，交给分子态氧。作为氢的载体，交给分子态氧。反应式如下：反应式如下：2R-CHNH2-COOH2R-CHNH2-COOH+O2O2 2R-CO-2R-CO-COOHCOOH+2NH3 2NH3 还原脱氨。还原脱氨。还原脱氨在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸。能进行还还原脱氨在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸。能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌：原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌：NADH2NADH2 NAD NAD HOOC-CHNH2-COOHHOOC-CHNH2-COOH CH3COOHCH3COOH+NH3NH3+CO2 CO2 水解脱氨。水解脱氨。不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。同种氨基酸水解不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物：之后也可形成不同的产物：水解酶水解酶 R-CHNH2R-CHNH2-COOH-COOH+H2OH2O R-CHOH-COOH R-CHOH-COOH+NH3 NH3 减饱和脱氨（直接脱氨）。减饱和脱氨（直接脱氨）。氨基酸在脱氨的同时，其氨基酸在脱氨的同时，其.键减饱和，结果键减饱和，结果生成不饱和酸。例如天门冬氨酸减饱和脱氨生成生成不饱和酸。例如天门冬氨酸减饱和脱氨生成延胡索酸，反应式如下：延胡索酸，反应式如下：天门冬氨酸裂解酶天门冬氨酸裂解酶 HOO-CH2-CHNH2-COOHHOOC-CH=CH-COOH+NH3 2 2脱羧作用脱羧作用n氨基酸脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中。氨基酸脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中。不同的氨基酸由相应的氨基酸脱羧酶催化脱羧，不同的氨基酸由相应的氨基酸脱羧酶催化脱羧，生成减少一个碳原子的胺和二氧化碳，通式如下：生成减少一个碳原子的胺和二氧化碳，通式如下：氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶 R-CHNH2-COOHR-CHNH2-COOH R-CH2-NH2 R-CH2-NH2+CO2 CO2 一元氨基酸脱羧后变成一元胺；二元氨基酸脱羧一元氨基酸脱羧后变成一元胺；二元氨基酸脱羧后变成二元胺。这类物质统称为尸碱，有毒性。后变成二元胺。这类物质统称为尸碱，有毒性。（六）核酸的分解（六）核酸的分解 核酸是由许多核苷酸以核酸是由许多核苷酸以3 3，5-5-磷酸二酯键连接而磷酸二酯键连接而成的大分子化合物。水解核糖核酸的为核酸酶成的大分子化合物。水解核糖核酸的为核酸酶总反应：总反应：核苷酶核苷酶 嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶 核苷核苷 核糖或脱氧核糖核糖或脱氧核糖 核酸酶核酸酶 核苷酸酶核苷酸酶 核酸核酸 核苷酸核苷酸 水水 水水 磷酸磷酸（七）（七）脂肪和脂肪酸的分解脂肪和脂肪酸的分解脂肪的分解脂肪的分解 脂肪是脂肪酸的甘油三酯。在脂肪酶作用下，脂肪是脂肪酸的甘油三酯。在脂肪酶作用下，可水解生成甘油和脂肪酸，反应式如下：可水解生成甘油和脂肪酸，反应式如下：CH2OCOR1 脂肪酶脂肪酶CH2OHR1-COOH CH2OCOR2+3H2O CH2OH+R2-COOH CH2OCOR3 CH2OHR3-COOH 脂肪酸的分解脂肪酸的分解 微生物分解脂肪酸主要是通过微生物分解脂肪酸主要是通过-氧化途径。氧化途径。-氧化是由于脂肪酸氧化断裂发生在氧化是由于脂肪酸氧化断裂发生在-碳原碳原子上而得名。在氧化过程中，能产生大量的能子上而得名。在氧化过程中，能产生大量的能量，最终产物是乙酰辅酶。而乙酰辅酶量，最终产物是乙酰辅酶。而乙酰辅酶A A是是进入三羧酸循环的基本分子单元进入三羧酸循环的基本分子单元 二、合成代谢（生物大分子的合成）二、合成代谢（生物大分子的合成）n微生物合成代谢的三大要素：微生物合成代谢的三大要素：n能量（能量（ATP)ATP)、n还原力（还原力（NADH2NADH2、NADPH2)NADPH2)、n小分子前体物质。小分子前体物质。n1 CO1 CO2 2的固定：的固定：将空气中的将空气中的COCO2 2 同化成细胞物质的过程。同化成细胞物质的过程。(P207)(P207)（1 1）卡尔文循环）卡尔文循环（Calvin cycle):Calvin cycle):没循环一次没循环一次3 3个个1 1，5-5-二磷酸核酮糖、二磷酸核酮糖、3 3个个COCO2 2、的的9 9个个ATPATP和和 6 6个个NAD(P)HNAD(P)H2 2，生成一个己糖需循环两次。生成一个己糖需循环两次。（2 2）还原性三羧酸循环固定）还原性三羧酸循环固定COCO2 2：每循环一次，每循环一次，固定固定4 4个，合成一个草酰乙酸，消耗个，合成一个草酰乙酸，消耗3 3个个ATPATP、2 NADPH2 NADPH2 2、1 1个个 FADHFADH2 22 氮固定：氮固定：固氮微生物固氮微生物 凡能使氮还原成氨，氨进而合成细胞内有凡能使氮还原成氨，氨进而合成细胞内有机氮化物的微生物，称为固氮微生物：机氮化物的微生物，称为固氮微生物：自生固氮、共生固氮、联合固氮自生固氮、共生固氮、联合固氮固氮机理固氮机理NN2 2+6H+6H+6e+6e-+nATP 2NH +nATP 2NH3 3+nADP+nPi+nADP+nPi固氮条件：固氮酶、固氮条件：固氮酶、电子供体、电子供体、能量能量3 3 糖类合成糖类合成（1 1）单糖的合成）单糖的合成1 1）通过）通过EMPEMP途径逆行合成途径逆行合成6-6-磷酸葡萄糖，再转化。磷酸葡萄糖，再转化。2 2）糖异生作用：是由非糖物质合成新的葡萄糖分子）糖异生作用：是由非糖物质合成新的葡萄糖分子的过程。重要物质是磷酸烯醇式丙酮酸，它可在的过程。重要物质是磷酸烯醇式丙酮酸，它可在不同于糖酵解的过程酶作用下，逆向形成不同于糖酵解的过程酶作用下，逆向形成6-6-磷酸磷酸葡萄糖。葡萄糖。（2 2）糖原的合成）糖原的合成 糖原：糖原：UDP-UDP-葡萄糖醛酸（葡萄糖醛酸（UDP-GUDP-G葡萄糖醛酸核苷葡萄糖醛酸核苷酸）的聚合物酸）的聚合物 反应：（反应：（UDP-G)n+Gm UDPn+Gm+nUDP-G)n+Gm UDPn+Gm+n(3)(3)肽聚糖的合成肽聚糖的合成 :（P210)P210)肽聚糖的合成是组成细菌和放线菌细胞壁的骨架结构。肽聚糖的合成是组成细菌和放线菌细胞壁的骨架结构。1 1）由葡萄糖合成由葡萄糖合成N-N-乙酰葡萄糖胺和乙酰葡萄糖胺和N-N-乙酰胞壁酸。乙酰胞壁酸。(细胞质细胞质)2 2）由由N-N-乙酰胞壁酸合成乙酰胞壁酸合成“P P”核苷酸核苷酸(park)(park)核苷酸核苷酸这一过程需要这一过程需要4 4步反步反应应(膜上进行膜上进行)它们都需要尿嘧啶二磷酸（它们都需要尿嘧啶二磷酸（UDPUDP）作为糖的载体，另外还有合成）作为糖的载体，另外还有合成D-D-丙氨丙氨酰胺酰胺-D-D-丙氨酸的两步反应，这些反应都可被环丝氨酸所抑制。丙氨酸的两步反应，这些反应都可被环丝氨酸所抑制。3)3)合成完整的新的肽聚糖合成完整的新的肽聚糖.(.(膜外进行膜外进行)抑制肽聚糖合成的抗菌素抑制肽聚糖合成的抗菌素:衣霉素衣霉素:抑制十一异戊烯二糖抑制十一异戊烯二糖-五肽的形成五肽的形成环丝氨酸环丝氨酸:印象印象park park 核苷酸的合成万古霉素核苷酸的合成万古霉素:抑制肽聚糖分子的延长杆菌抑制肽聚糖分子的延长杆菌肽肽:使太聚糖受阻使太聚糖受阻-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）:竞争抑制竞争抑制转肽酶活性中心转肽酶活性中心氨基酸的合成4 脂肪酸的合成：脂肪酸的合成：微生物可以利用乙酰微生物可以利用乙酰CoACoA与二氧化碳等物与二氧化碳等物质合成脂肪酸。（质合成脂肪酸。（P214)P214)（氨基酸、蛋白质、核酸的合成略）（氨基酸、蛋白质、核酸的合成略）三、微生物的初级代谢与次级代谢三、微生物的初级代谢与次级代谢（一）微生物的初级代谢：（一）微生物的初级代谢：n1 1 初级代谢：指微生物从外界吸收各种营初级代谢：指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需的物质和能量的过成维持生命活动所需的物质和能量的过程。程。（初级代谢差错回导致细胞死亡）（初级代谢差错回导致细胞死亡）2 2 初级代谢的调控：初级代谢的调控：1）酶活性的调节：（酶分子水平的调节）酶活性的调节：（酶分子水平的调节）酶活性的激活：最常见的是前体激活。即代谢途径中后酶活性的激活：最常见的是前体激活。即代谢途径中后面的反应可以被该途径较前面的一个产物所促进。面的反应可以被该途径较前面的一个产物所促进。酶活性的抑制：主要是反馈抑制。主要表现为代谢途径酶活性的抑制：主要是反馈抑制。主要表现为代谢途径中末端产物过量，该产物反过来抑制途径中第一个酶的中末端产物过量，该产物反过来抑制途径中第一个酶的活性。活性。直线代谢中的反馈抑制直线代谢中的反馈抑制:分支代谢途径中的反馈抑制：分支代谢途径中的反馈抑制：同功酶调节、协同反馈抑制、累积反馈抑制、顺序反馈同功酶调节、协同反馈抑制、累积反馈抑制、顺序反馈抑制抑制2)2)酶合成的调节：酶合成的调节：诱导：凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。诱导：凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。（酶可以分为诱导酶和组成酶）、（酶可以分为诱导酶和组成酶）、低物诱导、中间产物诱导低物诱导、中间产物诱导 3 3）阻遏：凡能阻碍酶生物合成的现象。）阻遏：凡能阻碍酶生物合成的现象。末端产物阻遏、分解代谢物阻遏。末端产物阻遏、分解代谢物阻遏。酶合成调节的机制酶合成调节的机制（基因调控）（基因调控）（二）微生物的次级代谢（二）微生物的次级代谢1 1 次级代谢：以初级代谢产物为前体，合成一些次级代谢：以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确对微生物的生命活动无明确“功能功能”的物质的的物质的过程，为次级产物代谢。过程，为次级产物代谢。2 2 微生物的次级代谢产物微生物的次级代谢产物（1 1）抗生素：）抗生素：（2 2）毒素：分为内毒素和外毒素）毒素：分为内毒素和外毒素（3 3）激素：）激素：（4 4）色素：）色素：3 3 微生物次级代谢的调节：微生物次级代谢的调节：（1 1）初级代谢对次级代谢的调节：次级代）初级代谢对次级代谢的调节：次级代谢产物的生物合成是初级代谢产物生物谢产物的生物合成是初级代谢产物生物成和的延伸或分支。次级代谢产物以初成和的延伸或分支。次级代谢产物以初级代谢产物为前体，因此，次级代谢必级代谢产物为前体，因此，次级代谢必然回受到初级代谢的调节。然回受到初级代谢的调节。（2 2）分解代谢产物的调控：）分解代谢产物的调控：（3 3）诱导作用及终产物的反馈抑制：）诱导作用及终产物的反馈抑制：第三节第三节 微生物发酵的途径微生物发酵的途径一、发酵的方式一、发酵的方式1 1 分批发酵：分批发酵：操作简单、周期短、染菌的机会小，生产操作简单、周期短、染菌的机会小，生产过程、产品质量易掌握。缺点；存在基过程、产品质量易掌握。缺点；存在基质抑制问题。出现二次生长。质抑制问题。出现二次生长。2 2 补料分批发酵补料分批发酵3 3 连续发酵连续发酵补料发酵二、常见食品微生物发酵的代谢途径二、常见食品微生物发酵的代谢途径1 1酒精发酵酒精发酵 进行酒精发酵的微生物主要是酵母菌，如进行酒精发酵的微生物主要是酵母菌，如啤酒酵母啤酒酵母(SaccharomycesSaccharomycescerevisiaecerevisiae)等，等，此外还有少数细菌如发酵单胞菌此外还有少数细菌如发酵单胞菌(ZymononasZymononasmobilismobilis)，嗜糖假单胞菌，嗜糖假单胞菌(PseudomonasPseudomonasSaccharophilaSaccharophila)，解淀粉欧，解淀粉欧文氏菌文氏菌(EruiniaEruiniaamylovoraamylovora)等。等。酵母菌在无氧条件下，将葡萄糖经酵母菌在无氧条件下，将葡萄糖经EMPEMP途径途径分解为分解为2 2分子丙酮酸，然后在酒精发酵的关分子丙酮酸，然后在酒精发酵的关键酶键酶丙酮酸脱羧酶的作用下脱羧生成丙酮酸脱羧酶的作用下脱羧生成乙醛和乙醛和CO2CO2，最后乙醛被还原为乙醇。，最后乙醛被还原为乙醇。酒精发酵是酵母菌正常的发酵形式，又称酒精发酵是酵母菌正常的发酵形式，又称第一型发酵，如果改变正常的发酵条件，第一型发酵，如果改变正常的发酵条件，可使酵母进行可使酵母进行第二型发酵第二型发酵和和第三型发酵第三型发酵而而产生甘油。产生甘油。酒精（乙醇）发酵酒精（乙醇）发酵同型酒精发酵：产物中仅有乙醇一种有机物同型酒精发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵分子的酒精发酵异型酒精发酵：除主产物乙醇外，还存在有异型酒精发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵其它有机物分子的发酵v酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱氢酶脱氢酶 脱羧酶脱羧酶丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇v细菌细菌(Zymomonas mobilisZymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过EDED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO+2CO2 2+ATP+ATP 通过通过WDWD途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi +ADP+Pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO+CO2 2+ATP+ATP2 2 柠檬酸发酵柠檬酸发酵 柠檬酸发酵广泛被用于制造柠檬酸盐、香精、柠檬酸发酵广泛被用于制造柠檬酸盐、香精、饮料、糖果、发泡缓冲剂等，在食品工业中起重要饮料、糖果、发泡缓冲剂等，在食品工业中起重要的作用。的作用。能够累积柠檬酸的霉菌以曲霉属能够累积柠檬酸的霉菌以曲霉属(AspergillusAspergillus)，青，青霉属霉属(PenicilliumPenicillium)和桔霉属和桔霉属(CitromycesCitromyces)为主。其中以为主。其中以黑曲霉黑曲霉(Asp.Asp.nigerniger)、米曲霉、米曲霉(Asp.oryzaeAsp.oryzae)，灰绿青霉，灰绿青霉(Pen.Pen.glaucumglaucum)，淡黄青霉，淡黄青霉(Pen.luteumPen.luteum)，光桔霉，光桔霉(CitromycesCitromycesglaberglaber)等产酸量最高。等产酸量最高。(1)(1)柠檬酸由柠檬酸由TCATCA循环所积累循环所积累(2)(2)由葡萄糖经由葡萄糖经EMPEMP途径形成丙酮酸，再由两分子途径形成丙酮酸，再由两分子丙酮酸之间发生羧基转移，形成草酰乙酸和乙丙酮酸之间发生羧基转移，形成草酰乙酸和乙酰酰CoA,CoA,草酰乙酸和乙酰草酰乙酸和乙酰CoACoA再缩和成柠檬酸。再缩和成柠檬酸。关于柠檬酸发酵途径曾有多种论点，但目前关于柠檬酸发酵途径曾有多种论点，但目前大多数学者认为柠檬酸