工业微生物的代谢调控和代谢产物

TCA循环的特点有：
① 氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运 转（NAD+和 FAD 再生时需氧）； ② 每分子丙酮酸可产4个NADH＋H+、1个FADH2 和GTP， 总共相当于15个ATP，因此产能效率极高； ③ TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，
可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类
的发酵生产紧密相关。
（二）递氢和受氢
贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能，经上
述的4条途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链） 等方式传递，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体 （hydrogen acceptor或receptor）相结合而释放出其中 的能量。
根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把 生物氧化区分成3种类型 。
乙醇发酵需在厌氧条件下进行。如果变
成好氧条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解 的速度减慢——巴斯德效应。
巴斯德效应产生的原因
在好氧条件下: (1)丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用， 进入TCA循环。 (2)高含量的ATP及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激
酶活性，减慢葡萄糖酵解速度。
B.pH的作用
乙醇发酵所需的pH是弱酸性的，pH3.5～4.5。 如果将发酵过程的pH值控制在微碱性（pH7.6左右） 和厌氧条件下，酵母的乙醇发酵－→甘油发酵，得到的产 物主要是甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2 ——酵母菌的第三型发酵。
真核微生物，TCA循环的反应在线粒体内进行，其
中的大多数酶定位在线粒体的基质中；
原核微生物，例如细菌中，大多数酶都存在于细
胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体 或细菌中都是结合在膜上的。
整个TCA循环的总反应式为： 丙酮酸＋4NAD+ ＋FAD＋GDP＋Pi＋3H2O→3CO2 ＋FADH2 ＋GTP ＋4(NADH＋H+)
类生物氧化反应，即：
（2）微生物的发酵类型
不同的微生物通过发酵作用，积累的代谢产物是 不一样的。根据主要代谢产物将微生物发酵分为以下 几个类型。
① 乙醇发酵 ② 乳酸发酵 ③ 丙酸发酵
④ 混合酸发酵
⑤ 丁二醇发酵
⑥ 丁酸型发酵
① 乙醇发酵
酒精发酵是最古老的一种发酵，它在化工、 医药及食品行业的用途广泛。
生 物 氧 化 的 形 式
某物质与氧结合 脱氢
失去电子
生 物 氧 化 的 过 程
脱氢（或电子）
递氢（或电子） 受氢（或电子）
生 物 氧 化 的 功 能
产能（ATP） 产还原力［H］
生 物 产小分子中间代谢物 氧 化 的 类 型
呼吸
无氧呼吸
发酵
以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在脱氢
阶段主要可通过4条途径完成其脱氢反应，并伴随 还原力[H]和能量的产生。
转换成对一切生命活动都能利用的通用能源（universal
energy source）------ATP。
化能异养微生物
最 初 能 源
有机物
化能自养微生物
还原态无机物 日光
光能营养微生物
通 用 能 源
（ATP）
化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化（biological oxidation）： 就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的 总称。
① 硝酸盐呼吸（nitrate respiration）又称反硝化 作用（denitrification） ② 硫酸盐呼吸（sulfate respiration） ③ 硫呼吸（sulphur respiration） ④ 铁呼吸（iron respiration） ⑤ 碳酸盐呼吸（carbonate respiration） ⑥ 延胡索酸呼吸（fumarate respiration）
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2. 发酵（fermentation） （1）定义 广义的发酵
泛指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用 代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。
狭义的发酵
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[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源
性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一
初级代谢的产物称为初级代谢产物，具体包括： ① 供机体进行生物合成的各种小分子前体物、 单体和多聚体物质，例如丙酮酸、各种氨基酸、
核苷酸等。
② 在能量代谢和代谢调节中起作用的各种物质， 例如ATP。
次级代谢：微生物在一定的生长时期（一般是稳
定生长时期），以初级代谢产物为前体，合成一些对
微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。
这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成 的生物氧化作用，是一种高效产能方式。
（2）无氧呼吸（anaerobic respiration）
又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为
外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。 特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢， 最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷 酸化产能反应。 这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低 的特殊呼吸。
[H]
一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的 统一性和明显的多样性。
根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体
的作用不同，可分为：
初级代谢 次级代谢
初级代谢：把营养物质转变成细胞的结构物质，
或对机体具生理活性的物质，或为机体生长提供能量
的物质的一类代谢类型。
初级代谢对生命活动是必须的，它存在于一切生物体内。
酵母菌的第一型发酵
酵母菌只有在pH3.5～4.5（弱酸性）和厌氧 条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为酵母菌
的第一型发酵。
EMP途径 1分子
葡萄糖
NAD+ NADH2
2×丙酮酸
丙 酮 酸 脱 羧 酶
关键酶
NAD+ NADH2
2×CO2
2分子 2×乙醇
乙醇脱氢酶
2×乙醛
乙醇发酵对环境条件的变化十分敏感 A.O2的作用
Pseudomonas saccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，故名
。这是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代
途径，为微生物所特有。
ED途径特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速 获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。
ED途径的总反应式为： C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ATP ＋NADPH＋H+＋NADH＋H+
EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产
能效率虽低，但其生理功能极其重要： ① 供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力； ② 是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸
循环（TCA）、HMP途径和ED途径等；
③ 微生物合成提供多种中间代谢物； ④ 通过逆向反应进行多糖合成。 从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、 乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。
EMP途径的总反应式为：
C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2NADH
＋2H+＋2ATP＋2H2O
在其终产物中，2NADH＋H+
在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应
产生6ATP；
在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还
原丙酮酸的脱羧产物——乙醛还原成乙醇。
1、EMP途径（糖酵解）
＋12H+＋12CO2＋Pi
2、HMP途径
HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义
，具体表现在：
① 供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN) 和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、 色氨酸和组氨酸）的原料；
从微生物发酵生产的角度来看，通过HMP途径可
提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅 酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。
3. ED途径（Entner-Doudoroff pathway）
ED途径又称 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG） 裂解途径。最早由Entner和Doudoroff两人（1952）在
产品需要的是甘油，一定要控制好pH。
C.培养基成分的作用
酵母菌在亚适量的NaHSO3（3％）作用下可
次级代谢并不普遍存在于生物界，也不存在于整 个生长时期，即次级代谢并非生命活动所必须的。但
次级代谢产物对人类是很重要的，例如抗生素、
生长刺激素、色素、生物碱等。
微生物的能量代谢
一切生命活动都是耗能反应，
能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。
研究能量代谢的根本目的，是追踪生物体如何把外界环 境中的多种形式的最初能源（primary energy sources）
有氧呼吸（aerobic respiration）： 以分子氧作为最终电子受体
无氧呼吸（anaerobic respiration）：
以氧化型化合物作为最终电子受体
（1）好氧呼吸（aerobic respiration）
是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特 点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力[H] 形式存在）经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接 受，产生了水并释放出ATP形式的能量。
4. TCA循环（tricarboxylic acid cycle）
三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或 柠檬酸循环（citric acid cycle），这是一个广泛
存在于各种生物体中的重要生物化学反ຫໍສະໝຸດ ，在各种好氧微生物中普遍存在。
是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻
底氧化、脱羧、形成CO2、H2O和NADH2的过 程。
能量（一般以腺苷三磷酸即ATP形式存在）和还原 力（reducing power，或称还原当量，一般用[H] 来表示）的作用。