第六章微生物发酵机理

三、微生物的能量代谢
微生物能量代谢的中心任务是把外界环境中多种形式的 最初能源转换成生命活动能使用的通用能源——ATP。 1、微生物的厌氧发酵
ATP生成靠底物水平磷酸化
异样微生物最主要的能源和碳源是糖类，特别是葡萄糖。 葡萄糖的分解途径主要有：EMP途径、HMP途径、ED途 径和PK途径等四种。 EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸；产生2分 子ATP和2分子NADH。 HMP途径将一分子6-磷酸葡萄糖转变为1分子3-磷酸甘油醛， 3分子CO2和6分子NADPH。
1954年，Shu提出葡萄糖80%经EMP途径代谢； 1954-1955年，Ramakrishman等发现黑曲霉中 存在TCA循环。
（二）黑曲霉柠檬酸生物合成途径
黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸其生物合成途径是，葡 萄糖经EMP、HMP途径降解生成经CO2固定化反应生成草酰乙 酸，草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸。
1mol的G产生1mol的乳酸，理论转化率是50%。另外有比例较高的乙醇、乙
酸和二氧化碳等。
Bifidus 途径（双歧途径）：双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum)进行的 乳酸发酵有两个磷酸酮解酶参与。在没有氧化作用和脱氢作用下，2分子G分 解为3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛，转化为乳酸，转化率为50%。
（2）杂醇油的形成途径：
氨基酸氧化脱氨作用:
氨基酸将氨基传递给a-酮戊二酸，然后经酸、醛 途径生成相应的醇。
已证实：天冬氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、蛋氨 酸、色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等
由葡萄糖直接形成：
（3）影响杂醇油形成的条件
①菌种
不同菌种差异较大：40ppm—200ppm ②培养基组成 数量：存在氨基酸会增加高级醇生成量； N含量低，无法将葡萄糖转化得到的酮酸转化为氨基酸， 进一步合成蛋白质，酮酸脱羧还原成高级醇； 质量：氨基酸组成影响生成的杂醇油种类 ③发酵条件：温度，通风
乙醇、乳酸、乙醛、丙酸、甘油、5-丁酸、丁醇、琥珀酸、醋酸等
一、酒精生成机制
C6H12O6+2ADP+3H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP+104.6KJ 理论转化率：2×46.05/180.1=51.1%
（一）酵母菌酒精发酵
1、机制
2、巴斯德效应
定义：
在好气条件下，酵母菌发酵能力下降（细胞内糖代谢 降低，乙醇积累减少）；不仅存在于酵母中，也存在于具 有呼吸和发酵能力的其他细胞中。
第三节 好氧发酵产物合成机制
好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵过程中需要不 断地通入一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬酸的 发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸的发酵、利用黄单孢菌进 行黄原胶－多糖的发酵等等． 糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径）和三羧 酸环（糖的最后氧化途径）。
+2ATP
3、糖酵解有10多个反应组成，每个反应都在酶的作用下完成。
4、其他糖类作为碳源和能源时，是通过葡萄糖或其他中间产物 并入糖酵解途径的。
5、在不同的有机体和不同条件下，H的受体不同，丙酮酸的去 路也不同。
糖酵解中的能量变化
糖酵解调节机制
• 调节主要是通过己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶等三 个激酶完成。 • ATP含量高：抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，减少糖酵解；
（二）细菌的酒精发酵（alcoholic fermentation of bacteria) 菌种为运动发酵单孢菌（Zymomonas Mobilis）。少数假 单胞杆菌（Pseudomonas），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri） 也能利用G经ED途径进行酒精发酵。 总反应式为 C6H12O6+ADP+H3PO4 → 2C2H5OH+2CO2+ATP 产物和酵母菌的酒精发酵相同，产能水平各异。 在末端假单胞菌中能使2分子丙酮酸脱羧，然后还原乙醛生 成2分子乙醇和2分子CO2；而在其他假单胞菌中氢载体再氧化后
C6H12O6+NaHSO 3 → CHOH +CH3- C - OSO2Na +CO2 CH2 OH OH
1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP
积余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸盐不能加得太多，否则会使酵
母菌因得不到能量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以使获得
一些能量，供生命活动所需。 2ATP CO2 NaHSO 3
在有氧条件条件下：
丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰COA，进入TCA 循环，形成各种代谢物。NADH2经呼吸链将氢传递给氧生 成水。 乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2化合物加以利用，形成脂 肪等。
一、柠檬酸发酵机制 （一）柠檬酸合成途径的发现
1940年，Krebs: TCA；
1953年，Jagnnathan证实黑曲霉中存在EMP途 径所有酶；
第六章 微生物发酵机理
微生物发酵机理：是指微生物通过其代谢活动，利用 基质合成人们所需要的产物的内在规律。 代谢控制发酵：人为地改变微生物的代谢调控机制，使有 用中间代谢产物过量积累。
第一节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢 微生物碳素营养物质主要包括淀粉、纤维素等， 其中最重要的是淀粉及其水解产物——葡萄糖 （原因？）。 不同类型的微生物对葡萄糖分解方式和途径也不一 样： 1、碳源的厌氧分解（酒精、乳酸、丙酮和丁醇等） 2、碳源的有氧分解（柠檬酸、谷氨酸和抗生素等）
缺点：
二、甘油发酵机制（切断乙醛受氢）
（一）亚硫酸盐法甘油发酵
酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠等盐类，它能与乙
醛起加成作用，生成难溶的结晶状亚硫酸纳加成物，这样就使 乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在α 磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）催化下生成α - 磷酸甘油，后者 在α - 磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成α - 甘油。 CH2OH H
ATP转化为ADP、AMP：解除抑制，同时ADP、AMP激活
已糖激酶和磷酸果糖激酶，其产物6-磷酸葡萄糖、1，6-二磷 酸果糖、3-磷酸甘油醛又激活丙酮酸激酶； 无机磷也是调节者，它能解除6-磷酸葡萄糖对己糖激酶的抑 制，加快糖酵解。
柠檬酸、脂肪酸和乙酰CoA通过抑制丙酮酸的转化来抑制糖
酵解途径。
从丙酮酸出发可以得到
第二节 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解途径
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD 2CH3COCOOH +2ATP+2NADH2
糖酵解途径的特点
1、广泛存在于各种细胞中，每个反应都不需要氧参与。
2、分为两个阶段：
6C（葡萄糖） 3C（3-磷酸甘油醛）：消耗2ATP 丙酮酸：生成4ATP 3C（3-磷酸甘油醛）
CH2OH
2C6H12O6+H2O 2CHOH +C2H5O H+CH3COOH+2CO2
CH2 OH
碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，也不产生ATP ，
所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。
三、乳酸发酵机制
（一）同型乳酸发酵：进行乳酸发酵的主要是细菌。它们利用 糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。发酵产物
生长期与产酸期都存在EMP与HMP途径，前者 EMP:HMP=2:1，后者EMP:HMP=4：1
（三）柠檬酸生物合成的代谢调节
要积累柠檬酸： 想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力； 必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活，
ＴＣＡ环阻断。
保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，
丙酮酸
CO2 CO2
二氧化碳固定反应对柠檬酸
积累有重要意义。
乙酰COA
草酰乙酸
1、糖酵解及调节EMP
• 第一个调节的酶是磷酸果糖激酶（PFK）：
PFK：AMP、无机磷、NH4+对该酶有活化作用 ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用 • 第二个调节的酶是丙酮酸激酶（PK） PK 被NH4+ 、K+激活
黑曲霉发酵中，在缺锰的条件下，由于蛋白质和 核酸合成受阻，，细胞内的NH4+异常高，而减 少柠檬酸对PFK的抑制,加强EMP途径。
2、微生物的呼吸 呼吸作用与发酵作用的不同之处在于：电子载体不是 将电子交给葡萄糖降解的中间产物，而是交给电子传 递链，经逐步释放出能量后再交给最终电子受体，因 此呼吸作用的产能效率更高。
3、光能微生物的能量代谢
光合细菌中存在菌绿素 通过环式光合磷酸化作用产生ATP。
4、化能自养微生物的能量代谢
化能自养细菌是从无机物的氧化中得到能量（ATP）和 还原力（NADH和NADPH），然后通过卡尔文循环反应 同化CO2。
3-磷酸甘油醛→→丙酮酸→乙醛→乙醛亚硫酸加成物 葡萄糖EMP →1.6-二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮 该过程也称酵母菌的II型发酵。 C6 C3 C3 × 甘油 乙醇 Pi 2H α - 磷酸甘油→甘油 Pi
（二）碱法甘油发酵 酒精酵母在碱性（ＰＨ７.６以上）的条件下，发酵产生的 乙醛不能作为受氢体，而是２分子乙醛之间发生歧化反应，相 互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。此时，由３－磷酸甘油 醛脱氢生成的 NADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成 甘油．
原理：
1、糖代谢进入TCA环 → 柠檬酸↑ 、ATP↑ → 抑制磷酸激 酶的合成 → 6-P-葡萄糖↑（积累）→ 反馈抑制己糖激酶 → 抑制葡萄糖进入细胞内 → 葡萄糖利用降低 2、磷酸果糖激酶活性下降 → 1，6二磷酸果糖 →丙酮酸 激酶活性 → 磷酸烯醇式丙酮酸积累 → 反馈抑制已糖激酶， 降低糖酵解速度
同型乳酸发酵的特点：1mol的G产生2mol乳酸，理论转化率
是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
（二）异型乳酸发酵 发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、乙醇、二氧化碳、氢 的，称为异型乳酸发酵。如一些明串菌株（Leuconostoc）及乳