6章 微生物的代谢

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第三节 发酵
广义的“发酵”，是指利用微生物生产有用 代谢产物的一种生产方式。
狭义的“发酵”是指在能量代谢或生物氧化 中以自身代谢产物作为最终氢（电子）受体 的产能过程。
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发酵类型
酒精发酵 丙酮-丁醇发酵 甘油发酵 乳酸发酵
混合酸发酵
丁二醇发酵
氨基酸发酵——Stickland反应
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酒精发酵
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（一）酶合成调节的类型
诱导 凡是促进酶生物合成的现象称为诱导。 阻遏
能够阻碍酶生物合成的现象则称为阻遏。
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诱导
诱 导 酶促分解底物或产物诱使微生物细 胞合成代谢途径中有关酶的过程。
诱导酶 诱导物
通过诱导而产生的酶。
诱导（促进）降解酶合成的物质。 乳糖
β-半乳糖苷酶
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诱导物同时或几乎同时 协同诱导 诱导几种酶的合成称为 做协同诱导。 诱导
通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝
化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水 质变坏与地球上氮素循环的中断。
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第五节 代谢的调节
酶合成的调节
调节的是酶分子的合成量 遗传学水平
酶活性的调节
调节的是已有酶分子的活性 酶化学水平
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本节内容
一、酶合成的调节
二、酶活性的调节
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一、酶合成的调节
酶合成的调节是一种通过调节酶的合 成量进而调节代谢速率的调节机制。 酶基因表达（基因转录和翻译水平）的调节。
长短不等的碳链，这些中间产物都可作为生物合成的前体。 （3）在特殊情况下，HMP也可为细胞提供能量。按氧 化1分子葡萄糖计算，可产生30分子ATP，扣除开始消耗的 约1分子，净的29分子ATP，与TCA循环相当。
（4）HMP途径是戊糖代谢的主要途径
戊糖一般都是以磷酸戊糖形式进入HMP途径，并进一步 与EMP、TCA循环等途径联结。
3-磷酸甘油醛
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④转醛反应
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⑤转酮反应
转酮酶
4-磷酸赤藓糖
5-磷酸木酮糖
6-磷酸果糖
3-磷酸甘油醛
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2、总反应式 3分子6-磷酸葡萄糖参加反应如下：
3 G6P +3H2O+6NADP+→3CO2+2 F6P+3-磷酸甘油醛＋6NADPH+6H+
6分子6-磷酸葡萄糖参加反应如下：
6 G6P +6H2O+12NADP+→6CO2+4 F6P+2 3-磷酸甘油醛＋12NADPH+12H+
第六章 微生物的代谢
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本章内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 概述 糖代谢途径 发酵 呼吸 代谢的调节 次级代谢
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第一节 概述
代谢（metalsolism）是细胞内 发生的各种化学反应的总称，它主
要由分解代谢(catabolism)和合成代
谢(anabolism)两个过程组成。
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磷酸二羟基丙酮 3-磷酸甘油脱氢酶 3-磷酸甘油 甘油磷酸酶
甘油
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亚硫酸盐法
亚硫酸氢钠能与乙醛起加成反应生成难溶 的结晶状加成物 1分子葡萄糖理论上之可生成一分子甘油. 甘油发酵时，菌体得不到ATP收益。因此， 用此法进行甘油发酵时，必须控制亚硫酸 的量。
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碱法
将酵母酒精发酵的发酵醪pH值调至碱性，保持 pH7.6以上，则2分子乙醛之间发生歧化反应，1分 子被还原生成乙醇，1分子被氧化生成乙酸。 碱法甘油发酵也不能为细胞提供ATP。
酵母型乙酵发酵 细菌型乙醇发酵
代谢途径：EMP途径
丙酮酸脱羧酶
乙醇脱氢酶
1分子葡萄糖形成2分子乙醇，产生2分子ATP。
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酒精发酵
酵母型乙酵发酵 细菌型乙醇发酵
代谢途径：ED途径
1分子葡萄糖生成2分子乙醇，产生1分子ATP。
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甘油发酵
EMP途径 葡萄糖 1,6-二磷酸果糖
3-磷酸甘油醛 NADH 乙醛 乙醇脱氢酶 乙醇
① 特征性反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解 成丙酮酸和3-磷酸甘油醛；
② 特征酶为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸醛缩酶；
③ 1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸，但来源不同； ④产能效率低，1分子葡萄糖经过ED途径分解只 产生1分子的ATP。
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磷酸解酮酶途径
磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型 乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该 途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶 的不同将此途径分为PK途径和HK途径。把具 有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径，把具有磷 酸己糖解酮酶的叫HK途径。
分解代谢过程中产
生的中间产物或环
境中的小分子营养
物质。
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第二节 糖代谢途径
糖酵解途径（EMP）
戊糖磷酸途径（HMP） 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径（ED）
磷酸解酮酶途径 三羧酸（TCA）循环
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糖酵解途径（EMP）
1、己糖激酶 2、磷酸葡萄糖异构酶 3、磷酸果糖激酶 4、醛缩酶 5、磷酸丙糖异构酶 6、3-磷酸甘油醛脱氢酶 7、磷酸甘油酸激酶 8、磷酸甘油酸变位酶 9、烯醇化酶 10、丙酮酸激酶
顺序诱导是先后诱导合 成分解底物的酶和分解 顺序诱导 其后各中间代谢产物的 酶。
A
E1
B
E2
C
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阻遏
微生物细胞阻断代谢中有关酶合成的过程。
终产物阻遏 阻遏 分解代谢产物阻遏
合成代谢
分解代谢
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终产物阻遏
由于终产物的过量积累而导致生物合成 途径中酶合成的阻遏称为终产物阻遏。
常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构 元件生物合成的时候。在正常情况下，当微生物 细胞中的氨基酸、嘌呤和嘧啶过量时，与这些物 质合成有关的许多酶就停止合成。
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（2）非氧化阶段——分子重排阶段
5-磷酸核酮糖经异构化形成5-磷酸核糖，5-磷
酸核酮糖经差向异构形成5-磷酸木酮糖，在通过转
醛和转酮反应使6-磷酸葡萄糖再生。
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①5-磷酸核酮糖异构化为5-磷酸核糖
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②5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸木酮糖
ห้องสมุดไป่ตู้
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③转酮反应
转酮酶
5-磷酸核糖
5-磷酸木酮糖
7-磷酸景天庚酮糖
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ED途径
少数缺乏完整EMP途径的细菌的一条替
代途径，为微生物所特有。 此途径最初由N.Entner和M.Doudoroff两人 在嗜糖假单胞菌中发现，故得名。
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内酯酶 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 6-磷酸葡 萄糖酸脱 水酶
2-酮-3-脱氧-6-磷酸 葡萄糖酸醛缩酶
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ED途径的特点：
乙酰磷酸
乙酸激酶
CO2
H2
乙酸
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丁二醇发酵
葡萄糖
EMP
乳酸 丙酮酸 肠杆菌属、沙 雷氏菌属和欧 文氏菌属中一 乙醛 乙酰CoA 甲酸 些细菌的葡萄 -乙酰乳酸合成酶 糖发酵产物中 CO2 H2 有大量2，3- 乙醇 乙酰乳酸 丁二醇、更多 -乙酰乳酸脱羧酶 H2和CO2和少 二乙酰 3-羟基丁酮 量乳酸、乙醇 2,3-丁二醇脱氢酶 等。
有氧呼吸 （呼吸）
电子传递和氧化磷酸化
氧化三甲胺呼吸
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硝酸盐呼吸
以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程， 也称反硝化作用。能够进行反硝化作用的细菌 称为反硝化细菌（硝酸盐还原细菌）。
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反硝化细菌是一种兼性厌氧菌，无氧但环境 中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其 细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞 进行有氧呼吸。
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1、戊糖磷酸途径的主要反应
戊糖磷酸途径的起始反应物6-磷酸葡萄糖经
氧化分解后生成5碳糖、CO2、无机磷酸和
NADPH。全部反应可划分为两个阶段：氧化阶
段和非氧化阶段。
总反应式： 6-磷酸葡萄糖＋12NADP+＋7H2O→6CO2＋12NADPH＋12H+＋Pi
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（1）氧化阶段
葡萄糖脱氢脱羧形成五碳糖，形成NADPH。 ①6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的作用下形 成6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯。 ②6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯在专一的内酯酶的作用 下水解，形成6-磷酸葡萄糖酸。 ③6-磷酸葡萄糖酸在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的作用下，形 成5-磷酸核酮糖。
总反应式如下：
6 G6P+7H2O+12NADP+→6CO2+5 G6P+12NADPH+12H++Pi 6-磷酸葡萄糖+7H2O+12NADP+→6CO2+12NADPH+12H++Pi
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3、HMP途径的生理意义 （1）产生大量的NADPH作为生物合成所需的还原力
（2）HMP途径中生成的C3、C4、C5、C6、C7等各种
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混合酸发酵
PEP羧化酶
葡萄糖
琥泊酸
草酰乙酸
磷酸烯醇式丙酮酸
乳酸脱氢酶 +2H
一些细菌发酵葡 萄糖生成乳酸、 甲酸、乙酸、琥 乙醛 珀酸、乙醇、 CO2和H2等产物。 因为产物中有多 乙醇 种有机酸，故称 混合酸发酵。
乳酸
乙醛脱氢酶
丙酮酸
丙酮酸甲酸裂解酶
乙酰 CoA
磷酸转乙酰酶
甲酸
甲酸-氢裂解酶 pH﹤6.2
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PK途径
磷酸戊糖酮解酶
关键反应为5-磷酸木酮糖裂解成乙酰磷酸和 3-磷酸甘油醛 关键酶：磷酸戊糖酮解酶
1葡萄糖经磷酸戊糖酮解酶途径产生乳酸、乙醇、ATP和NADH＋H+各1分子。 25
HK途径
特征酶：磷酸己糖酮 解 1分子葡萄糖经HK途 径生成1分子乳酸、 1.5分子乙酸以及2.5 分子ATP。
通过EMP途径，1分子葡萄糖转变成2分子丙酮 酸，产生2分子 ATP和2分子NADH+。
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磷酸戊糖途径
它为循环途径开始时需要有6分子葡萄糖以6磷酸葡萄糖 的形式参与，循环一次用去1分子葡萄糖，产生大量NADPH+H+ 形式的还原力。
HMP途径主要是提供生物合成所需的大量还原力(NADPH＋
H+）和各种不同长度的碳架原料。
分解代谢
分解代谢是指细胞将大分子物质降
解成小分子物质，并在这个过程中产生
能量。
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大分子降解为 小分子单体 小分子单体降 解为乙酰CoA
乙酰CoA完全 氧化为CO2和 H2O。
5
合成代谢
合成代谢是指细胞利用简单的小分
子物质合成复杂大分子的过程，在这个 过程中要消耗能量。
6
合成代谢所利用的
小分子物质来源于
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分解代谢产物阻遏
指细胞内同时有两种分解底物（碳源或 氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻 遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。分解 代谢产物阻遏导致所谓“二次生长”现象。 葡萄糖效应
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（二）酶合成调节的机制
操纵子学说
操纵子是指由启动基因(称启动子）、操 纵基因和结构基因组成的一个完整的基 因表达单位，其功能是转录mRNA。
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反硝化作用的生态学作用：
土壤及水环境 好氧性机体的呼吸作用
氧被消耗而造成局部的厌氧环境
硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸 土壤中植物能利用的氮 （硝酸盐NO3-）还原成 氮气而消失，从而降低 了土壤的肥力。 松土，排除过多的水分，保 证土壤中有良好的通气条件。 反硝化作用在氮素循环中的重要作用 硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常
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异型乳酸发酵
发酵终产物中除了乳酸外还有些乙醇、乙酸等 产物的发酵。
代谢途径：PK途径
1分子葡萄糖净产 生1分子ATP
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双歧发酵
双歧杆菌所具有的发酵类型 代谢途径：HK途径
每1分子葡萄糖产 2.5分子ATP。
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丙酮-丁醇发酵
代谢途径：EMP途径
丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰CoA，乙酰CoA 双双缩合成为乙酰乙酰CoA，其中部分脱 CoA、脱羧生成丙酮；而另一部分生成丁 醇。
2,3-丁二醇
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氨基酸发酵——Stickland反应
两个氨基酸之间的一个氨基酸作为氢（电子） 供体，另一个氨基酸作为氢（电子）受体时的 氧化还原脱氨基反应。 它是微生物在厌氧条件下的一类特殊发酵。 Stickland反应产能效率很低，每分子氨基酸仅 产生1分子ATP。
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第四节 呼吸
呼吸是指从葡萄糖或其它有机基质 脱下的电子（氢）经过一系列载体最终
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乳酸发酵
乳酸细菌能发酵葡萄糖产生乳酸。其中
大多数属于乳杆菌。有三种类型乳酸发酵同
型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。
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同型乳酸发酵
代谢途径：ＥＭＰ途径 葡萄糖经EMP途径 生成的丙酮酸，直 接作为氢受体被 NADH还原，全部 生成乳酸的一种发 酵。
进行同型乳酸发酵的有乳酸乳球菌、植物乳杆菌等。
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操纵子学说，1961年，法国巴斯德研 究所Jacob和Monod提出，此二人因此获 得了1965年的诺贝尔奖。
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操纵子
调节基因 控制操纵子
启动基因
操纵基因
结构基因
编码阻遏蛋白 或激活蛋白
RNA聚合 阻遏蛋白 酶识别、 的特异性 结合并起 结合的部 始mRNA 位。 转录的一 段DNA 碱基序列。
传递给分子氧或其它氧化型化合物并产
生ATP的过程。
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呼吸
硝酸盐呼吸 无氧呼吸也需要电子传递体， 硫酸盐呼吸 也伴随有磷酸化作用，也能产 无机盐呼吸 硫呼吸 生较多的能量用于生命活动。 铁呼吸 无氧呼吸的最终电子受体不是 碳酸盐呼吸 氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、 无氧呼吸
S2O32-、CO2等无机物，或延 胡索酸等有机物。所以生成的 延胡索酸呼吸 能量不如有氧呼吸产生的多。 有机物呼吸 甘氨酸呼吸