第三章 微生物产能代谢

Acetate CO2 Totals
7 89
14 89 584
0 +2 178 178
Carbon Recovery
7 89 179 89 93
C1 Balance
C= mm compound number of C atoms
1mmol 2Oxidation
Oxidation –Reduction
e. 混合酸和丁二醇发酵
CO2
metha
eth
H2 O
lac
Pyr
Ac Ac
ald
acA
CO2 CO2
ala
3-羟丁酮
ATP
2，3-
oaa
succ
丁二醇
Tab.11-4 (p426) Examples of Mixed-Acid Fermentations
Products Lactate Ethanol Acetate Formate Escherichia coli 108.8 41.3 32.0 1.6 Enterobacter aerogenes 53.4 59.4 10.1 5.5 Salmonella typhi 121.7 25.4 25.6 39.33
2,5-dkGla
3.2.3.3. 单糖分解途径
9. 不完全氧化
① 例如，发生在Acetobacter…
② 与直接氧化的区别：需要电子载体… ③ 工程意义：a. 醋酸发酵的终止， b. L-山梨糖的发酵
3.2.6. 其它有机物的分解
1. 脂肪烃类的分解
2. 芳香烃的分解
3. 一碳化合物的氧化
4. 二碳化合物的氧化
-淀粉酶 淀 粉 酶 淀 粉 酶 淀 粉 酶
糖化淀粉酶
糖化淀粉酶
2. 果胶的分解
a. 果胶分子的基本结构 b. 来源于微生物的果胶酶： ①果胶酶的酶切位点：内切 型果胶酶与外切型果胶酶 ②分泌果胶酶的微生物
c. 果胶分解的工程意义
Fig. 10-7
3. 纤维素的分解
a. 纤维素分子的基本结构：
Fig.11-1. (p413) Major pathways of fermentation product from pyruvate. Numbers in parentheses are the oxidation values calculated on the basis of the number of oxygen atoms less one-half the number of hydrogen atoms as shown in Table 11-1
5. 分解以上有机物的微生物群落
6. 有机物分解的生理与工程意义
1. 脂肪烃类的分解 ① 脂肪烃的分解的三种启始羟化方式：a. 单 末端氧化，b. 双末端氧化，c. 亚末端氧化 ② 脂肪烃的分解的二个生化前提：a. O2 b. 羟化酶（单氧酶） ③ 脂肪烃的分解的基本过程：
O
2
醇 E
H2 O
醛
酸
β-氧化
3.2.3.3. 单糖分解途径
8. 葡萄糖的直接氧化途径
① 碳架结构变化：
② 特点：a. 不需要激酶，但需要葡萄糖氧 化酶；b. 需要氧气，c. 终产物为酮基葡萄 糖酸。
③ 分布：例如Acetobacter & Pseudomonas
图3—16 葡萄糖的直接氧化途径
Glc
Glt
Gla
2-kGla
b. 来源于微生物的纤维素酶：
①纤维素酶的酶切位点：内切 型纤维素酶与外切型纤维素酶 ②分泌纤维素酶的微生物
c. 纤维素分解的意义
三种基本纤维素酶的作用
C 1 酶 Cx 酶 Cx 酶
C x 酶
Cx 酶
C x 酶
葡 萄 糖 苷 酶
3.2.3.2. 单糖分解的意义
1. 生理意义
①在途径中产生细胞必需的碳架结构
p352
3.2.3.3. 单糖分解途径
2. HMP途径
① 经典途径
② Williams等发现的新途径。
③ 生理功能：a. 提供多种碳架，b. 产 生NADPH2，c. 产生Ru5P。 ④ 分布广泛。
⑤ 与EMP的联系。
图3—10 HMP非氧化阶段的修正
Ru5P
Xu5P
R5P
A5P
GAP
D HAP
0
-0.2
-0.4 -0.6
-0.8
Fig. 9-6. Electode potentials
E0´
of some important biological systems . E0´ oxidation-reduction potential in volts.
3.2. 能量来自有机物
3.2.1. 大分子的降解 3.2.2. 二糖的分解 3.2.3. 单糖的分解 3.2.4. 脂肪和脂肪酸的分解 3.2.5. 含氮化合物的分解 3.2.6. 内源性代谢物的分解 3.2.7. 其它有机物的分解
烃
H
aca
2. 芳香烃的分解的三阶段
① 芳香烃的分解启始：从各类芳 香烃长途或短途到邻苯二酚。
② 邻苯二酚的分解：在双氧酶的 催化下，邻位裂解（产物？）或 间位裂解（产物？）方式
③ 邻苯二酚的邻位裂解或间位裂 解产物的继续分解
3. 一碳化合物的氧化 ① 还原态一碳化合物的基本类别：a. CH4 b. CHO c. CH+N d. CO ② 一碳化合物的氧化的基本过程： ③ 氧化一碳化合物的微生物
Observed C1
Calculated C1 89/93 = 0.96
C1 = expected amount for each C1 observed
Ⅱ. 丙酮酸代谢——TCA循环（呼吸） a. TCA循环:过程及其在细胞中的部位 b. 呼吸：电子传递与H的终局氧化，有 氧或无氧呼吸（最终电子受体）， 氧化磷酸化，呼吸链和细菌呼吸链 的多样性。
c. 丁酸型发酵 产生菌为专性厌氧细菌。
终产物主要有丁酸、丙酮、 丁醇和异丙醇。 发酵途径：
图3—29 丁酸型发酵
Py r CO2
act
act
丁醇
acac
acac
CO2
丁醛
but
acac
lacto ne
d. 丙酸发酵—由丙酮酸生成丙酸的途径
Pyr CO2
pia
oaa
mdp
mal
pia
succ
fum succ
Tab.11-1 (p414) Fermentation Balance for Lactobacillus pentoaceticus
Compound Glucose Lactate Glycerol Ethanol Mmol 100 96 7 86 Mmol Carbon1 600 288 21 172 Oxidation Value2 0 0 -1 -2 7 172 86 Oxidized products Reduced products C1 Observed C1 Calculated3
7. 丙酮酸代谢 Ⅰ. 丙酮酸代谢的意义：①生理意义， ② 工程意义。 Ⅱ. 丙酮酸代谢的途径： ①发酵:a. 乙 醇发酵，b. 乳酸发酵，c. 丁酸型发酵， d. 丙酸发酵，e. 混合酸和丁二醇发酵； ② TCA （呼吸）
a. 乙醇发酵 酵母的乙醇发酵——现象、产物与机理： 第一型发酵（在pH4.5-3.5时，产物为乙 醇。 ），第二型发酵（在3%的NaHSO3 时，产物为甘油和乙醇。），第三型发酵 （在pH7.6时，产物为乙醇、乙酸和甘 油。 ） ，高渗发酵（例如当环境中的 NaCl为0.5-1.0mol/L时，产物主要为甘 油。）
第三章 微生物产能代谢
3.1. 产能代谢的基本原理
3.2. 能量来自有机物
3.3. 能量来自无机物 3.4. 能量来Leabharlann Baidu可见光
3.1.产能代谢的基本原理
p373
细菌呼吸链的特点
1.电子供体多样，
2.电子受体多样，
3.细胞色素多样，
4.呼吸链组分与含量可以随环境等变化而改变， 5.末端氧化酶多样， 6.呼吸链可以分支， 7.电子传递方式多样， 8.细菌呼吸链定位在细胞质膜上， 9.P/O值通常小于1。
4. WD途径
① 碳架结构变化：a. PK途径， b. HK途径。
② 特点：a. 特征酶为磷酸解酮酶，b. 特征反 应…。 ③ 生理意义：a. 仅分布在少数细菌中， b. PK途径为戊糖分解的重要途径， c. H K途径 为己糖分解的重要途径。
图3—14
PK途径
arb
xyl
R5P
xu
Ru
Ru5P
value = (number of O atoms) - (number of H atoms/2)
3Calculated
mmol product
mmol substrate 584/600 = 97.4%
Oxidation product
Reduction product 178/179 = 1.0
CO2
H2 Succinate Acetoin
54.0
45.2 18.0 0
126.9
44.2 6.0 0.4
0
0 10.8 0
2,3-Butanediol
O-R balance
0
0.99
34.6
99.5 0.99
0
93.3 0.97
Carbon recovery (%) 100.0
Amounts are expressed as millimoles per 100 mmol glucose used
细菌的乙醇发酵：经ED途径
图3—15
酵母的高渗发酵途径
FDP
CO2
DHAP GAP
Pyr
CO2
CO2
CH3 H3C CO COH COOH
AD
Gly CO2
CO CH3
CO CH3
HCOH HCOH CH3 CH3
Eth
b. 乳酸发酵 同型乳酸发酵：经过EMP途径… 异型乳酸发酵：经过PK途径… 双歧乳酸发酵：经过HK途径…
3.2.1. 大分子的降解
1. 多糖的分解 ①淀粉的分解
②果胶的分解
③纤维素的分解
2.其它大分子有机物的分解
1. 淀粉的分解
a. 淀粉分子的基本结构
b. 微生物分泌的淀粉酶：
①淀粉酶的酶切位点：内切型淀粉 酶与外切型淀粉酶 ②分泌淀粉酶的微生物
c. 淀粉分解的生物学意义或工程意义
图 3—2 四种淀粉酶的作用位点
3.2.3.3. 单糖分解途径
6. 其它单糖分解途径 ① 3或4 碳糖的分解途径… ② 戊糖的分解途径： a. HMP， b. PK， c. 其它途径，例如：嗜糖 假单胞菌分解阿拉伯糖的途径…
③ 其它己糖分解途径：a. mannose, b. galactose。
3.2.3.3. 单糖分解途径
②产生化学能（量）与还原力 ③提供胞内小分子碳架结构转化的途径
2. 工程意义
从单糖分解的各种途径中获得人类所需 产物
3.2.3.3. 单糖分解途径
1. EMP（糖酵解）途径 ① 碳架结构变化 ② 生理意义：a. ATP, b. NADH2, c. 小分 子碳架，d. 生糖。 ③ 分布广泛。
④ 歧路：（兼性）好氧菌中的丙酮醛支 路。
Methylene blue(ox/red) Pyruvate+aminonium/alanine Pyruvate/lactate Lipoid acid(ox/red) Cystine/cysteine H+/H2 Acetate/acetaldehyde Succinate/α -ketoglutarate
O8P
E4P F6P G6P
ODP
3.2.3.3. 单糖分解途径
3. ED途径
① 碳架结构的变化
② 特点：a. KDPG, b. 特征酶： KDPG醛缩酶，c. ATP。 ③ 分布：主要限于Pseudomonas
图3—12
Glu
ED途径
G6P
6PG
KDPG
GAP
Pyr
3.2.3.3. 单糖分解途径
Ferric/ferrous
+0.8
Oxygen/water
+0.6
+0.4
Nitrate-nitrite Cytochrome a (Ferric/ferrous)
Oxygen/hydrogen peroxide Cytochrome c (Ferric/ferrous)
+0.2
Crotony/-SCoA/butyryl-SCoA Cytochrome b2 (Ferric/ferrous) Fumarate/succinate FMN/FMNH2 Acetldehyde/ethanol NAD+/NADH2 Ferredoxin(ox/red) CO2/HCOOH Acetate+CO2/pyruvate
Xu5P
Ru5P
act
ATP
act
GAP Pyr lac
图3—15
HK途径
F6P
act
ATP
act
E4P
F6P
GAP
lac
Xu5P Pyr
GAP
Ru
Ru5P
3.2.3.3. 单糖分解途径
5. 从Glc到Pyr四条途径的总结
① 途径的差异，
② 不同途径的同细胞分布现象。
③ 如何确定？a. 特征酶，b. 放 射性同位素标记。