微生物的代谢

脱羧
乙醛
还原
乙醇
比起传统的酵母酒精发酵的优点：（近年来正在开发的工业） （1） 代谢速率高；（2）产物转化率高；（3）菌体生成少；
（4）代谢副产物少；（5）发酵温度较高；（6） 不必定期供氧
相比的缺点：（1）生长PH为5，较易染菌（而酵母菌为PH3）；（2）细菌 耐乙醇力较酵母低（前者为7.0%,后者为8~10%）
合成代谢
ATP
[H]
第一节 微生物能量代谢
——将最初能源转换成通用的ATP过程 一、概述
（一）化能异养微生物的生物氧化与产能
过程：脱氢（或电子） 递氢（或电子） 受氢（或电子） 功能：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。
葡萄糖降解代谢途径
生物氧化： 发酵作用 呼吸作用（有氧或无氧呼吸） 产能过程
ED途径：
——2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff ：嗜糖假单胞
过程： （4步反应） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖
6-磷酸-葡糖酸 KDPG
6-磷酸-葡萄糖-脱水酶
特点:
a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶 d 、可与EMP、HMP、和TCA循环等代谢途径相联。
6-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊 糖途径。 甘油醛-3-磷酸出路： a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA 途径 b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。 总反应式： 6 6-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O → 5 6-磷酸葡萄糖 + 6CO2+12NADPH+12H++Pi
1）EMP途径（糖酵解途径、三磷酸己糖途径）
葡萄糖
10 步反应
丙酮酸
有氧：EMP途径与TCA途径连接； 无氧：还原一些代谢产物， (专性厌氧微生物)产能的唯一途径。 产能（底物磷酸化产能： （1） 1，3— P--甘油醛 3 —P --甘油酸 + ATP； （2） PEP 丙酮酸 + ATP 是多种微生物所具有的代谢途径，其产能低，但生理功能重要。
化，并能产生大量NADPH2形式的还原力及多种中
间代谢产物。
HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）
分为两个阶段：
1、3个分子6-磷酸葡萄糖在 6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷 酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下 经氧化脱羧生成6个分子 NADPH+H+，3个分子CO2和3个 分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在转酮酶 和转醛酶催化下使部分碳链 进行相互转换，经三碳、四 碳、七碳和磷酸酯等，最终 生成2分子6-磷酸果糖和1分 子3-磷酸甘油醛。
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+2NADH2 + 2ATP CoA ↓丙酮酸脱氢酶
乙酰CoA， 进入TCA
2）HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）
葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧
发酵（fermentantion）:
1、定义
广义：利用好氧或厌氧微生物生产有用代谢产品或食品、饮料 的一种生产方式。 狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢 （电子）受体的产能过程。 特点： 1）通过底物水平磷酸化产ATP； 2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中； 3）产能率低； 4）产多种发酵产物。
氢供体（氧化）氨基酸： Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、 Try等。 氢受体（还原）氨基酸： Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。
乙酸 + ATP
氧化
丙氨酸
NAD+
-NH3
丙酮酸
乙酰-CoA
NADH 甘氨酸
NADH NAD+ -NH3
还原 甘氨酸
乙酸
葡萄糖分子经转化成1， 6—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， 即磷酸二羟丙酮和3-磷 酸甘油醛。 3-磷酸甘油 醛被进一步氧化生成2 分子丙酮酸，
1分子葡萄糖可降解成2 分子3-磷酸甘油醛，并 消耗2分子ATP。2分子 3-磷酸甘油醛被氧化生 成2分子丙酮酸，2分子 NADH2和4分子ATP。
KDPG醛缩酶 3--磷酸--甘油醛 + 丙酮酸
细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。
细菌酒精发酵：
在ED途径中所产生的丙酮酸对Zymomonas mobilis(运动发酵单胞菌)这 类微好氧菌来说，可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。这种经 ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同， 称为细菌酒精发酵。 即：丙酮酸
2、发酵类型
1） 乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵
1G
（EMP） 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2
2 乙醇 + 2 ATP
条件：pH 3.5~4.5 , 厌氧 菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等） i、加入NaHSO4 NaHSO4 + 乙醛 磺化羟乙醛（难溶） ii、弱碱性（pH 7.5） 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 （歧化反应） 磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘——甘油发酵
产气肠杆菌： V.P.试验（+），甲基红（-） E.coli： V.P.试验（-），甲基红（+）
4）丙酮-丁醇发酵
——严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产品。 （丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1） ——丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum)
2丙酮酸
2乙酰-CoA
2 丙酮酸
（丙酮酸甲酸解酶）
甲酸 + 乙酰-- CoA
无丙酮酸脱羧酶 而有乙醛脱氢酶
乙醛 乙醇
2）乳酸发酵
同型乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌等） —— EMP途径（丙酮酸 乳酸）
异型乳酸发酵（PK途径）
肠膜明串株菌（PK） 产能 ：1ATP 双歧双歧杆菌（PK、HK） 产能：2G 5 ATP即 1G 2.5ATP
EMP途径的特点：
葡萄糖分子经转化成1，6—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，即磷酸二羟丙酮和3-磷 酸甘油醛。 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸， 1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子 ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子 NADH2和4分子ATP。
缩合
乙酰-乙酰 CoA
（CoA转移酶）
丙酮 +CO2
丁醇
5）氨基酸的发酵产能（stickland反应）
以一种氨基酸作底物脱氢，而另一种氨基酸作氢受体而实现生 物氧化产能的独特发酵类型，成为Stickland反应。 此反应的产能效率低，每分子氨基酸产1ATP。 发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双酶梭菌等。 特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低 （1ATP）
3)混合酸、丁二醇发酵
a 混合酸发酵： ——肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）
CO2 + H2
乳酸脱氢酶 乳酸 丙酮酸甲酸解酶 乙酰-CoA +甲酸
1G 丙酮酸
磷酸转乙酰基酶 乙酸激酶
E.coli与志贺氏菌的区别： 葡萄糖发酵试验： PEP羧化酶 E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2 + H2 （甲酸氢解酶、H+） 志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。
原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：Kreb 循环、电子传递。
电子传递链
电子传递链载体:
NADH脱氢酶 黄素蛋白 辅酶Q（CoQ） 铁-硫蛋白及细胞色素 类蛋白 在线粒体内膜中以4 个载体复合物的形式从 低氧化还原势的化合物 到高氧化还原势的分子 氧或其他无机、有机氧 化物逐级排列。
---亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）
b、细菌型乙醇发酵 (发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌) 同型酒精发酵 1G 2 丙酮酸 乙醇 + 1ATP
（ED）
代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pH较高， 较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.
异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）
1G
呼吸（respiration）:
——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载 体（呼吸链、电子传递链）最终传递给外源O2或其他氧化型化 合物并产生较多ATP的生物氧化过程。 有氧呼吸（aerobic respiration） 无氧呼吸（anaerobic respiration）
1 有氧呼吸
微生物的代谢
第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物特有的合成代谢途径
第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物
第四节 微生物代谢与生产实践
代谢概论
代谢（metabolism）：
细胞内发生的各种化学反应的总称
分解代谢(catabolism)
代谢
合成代谢(anabolism)
分解代谢
复杂分子
（有机物）
简单小分子
EMP途径的特点：
1. 供应ATP形式的能量和NADH2。
2.是连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括TCA、 HMP、ED等
3.为生物合成提供多种中间代谢产物； 4.通过逆向反应可进行多糖合成。 若从EMP与人类生产实践关系来看，则它与乙醇、 乳酸、甘油、丙酮和丁酸等的关系密切。
EMP途径关键步骤：
（二）微生物氧化的方式（递氢和受氢）