生物化学工程基础(第三章代谢作用与发酵)

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，生 成1分子的乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。 ED途径------脱氧酮糖酸途径 由部分EMP途径、部分HMP途径组成。
ED途径的 三个阶段
1、G 氧化分解 6--磷酸葡萄糖酸 +NADP· H（HMP） 2、6--磷酸葡萄糖酸
e.g. Bacillus subtilis -----------amylase
Corynebacterium 265-----inosinic acid
Asp.niger Uv06---------citric acid
C.glutamicum As1299-----glutamic acid
（2） 厌氧性发酵(anaerobic fermentation) ：
H CH2OH
2
蔗糖
HO
OH
α-D-葡萄糖苷-（1→2）-β-D-果糖
CH2OH OH O H OH H H
1
CH2OH H O H
4
O H OH H H OH
OH H
乳糖
H
OH
β-D-半乳糖苷-（1→4）-β-D-葡萄糖
3.多糖
定义： 水解产物含6个以上单糖 常见的多糖 淀粉、糖原、纤维素等
淀粉(starch)
磷酸二羟丙酮
该过程也称酵母菌的II型发酵。
α - 磷酸甘油→甘油
Pi
Q:为什么果酒中的甘油含量较高？
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。
2. 异型乳酸发酵
发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、乙醇、二
氧化碳等，称为异型乳酸发酵。如一些明串菌株（
Leuconostoc）及乳酸杆菌（Lactobacillus）。
6-磷酸葡萄糖酸途径：
第三章 代谢作用与发酵

fermentation :广 义的讲就是利用
微生物或生物化
学的手段，将各 种物质加以改变，
然源自文库利用由此取
得的能量及代谢 中间体，而得到 各种有用的物质。
第一节 生物体内的糖类
一、糖的概念
糖即碳水化合物，是多羟基醛与多羟基酮及其衍生物或多 聚物.它主要是由绿色植物经光合作用形成的,主要是由C、H、 O构成的。
二、糖的分类
根据水解后产生单糖残基的多少分为四大类
单糖
寡糖
多糖
1.单糖：不能再水解的糖
1
CHO
H C OH HO C H H C OH H C OH
6 5 4
2
3
H HO H H
CH2OH
CHO C OH C H C OH C OH CH2OPO3H2
D-葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
1 2
CH2OH C O
4. 发酵过程的某些反应需辅酶和辅助因子。
返
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，但产能水平各异。
丁醇（梭状芽孢杆菌）、丙酸丁酸（细菌）
第一节
厌氧发酵机制与代谢调控
微生物发酵过程即为生 物反应过程，是指由微生物 在生长繁殖过程中所引起的 生化反应过程。
一、酵母菌的酒精发酵
Q： 酒精酵母的呼吸作 用？
巴斯德
(Louis Pasteur)
( 四) 酒精生成机制 (1 ) 葡萄糖（glucose） EMP
在无氧条件下：
在乳酸菌中受乳酸脱氢酶的作用，丙酮酸作
为受氢体而被还原为乳酸，即同型乳酸发酵；
在酵母菌中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用
生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体 被还原为乙醇，即酒精发酵；
在梭状芽孢杆菌中，丙酮酸脱羧生成乙酰
COA，然后经一系列变化生成丁酰COA、丁醛，两者 作为受氢体被还原生成丁醇，生成物中还有丙酮、 乙醇，所以称为丙酮-丁醇发酵。
生物体内氧化分步骤进行
淀粉
葡萄糖 丙酮酸 ATP
CO2+H2O
三羧酸循环一定需要氧才能 进行。在三羧酸循环中脱下的氢 ，形成NADH 和 FADH2，然后 再逐步传递给氧。
微生物的代谢途径：
淀粉 葡萄糖
EMP
完全氧化 TCA
O2
CO2+H2O 不定向代谢
控制
不完全氧化
产物
丙酮酸
-O2
乙醇（酵母、细菌）、甘油（酵母） 乳酸（乳酸菌）、己酸（细菌 ）
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 OH
C6H12O6+NaHSO 3 → CHOH +CH3- C -H OSO2Na+CO2 CH2 OH
2.双糖
双糖：由两个相同或不同的单糖组成,常见的
有乳糖、蔗糖、麦芽糖等.
麦芽糖
HOH2C H HO O H OH H H
1
CH2OH H O OH H OH H
4
O H OH H
H OH
α-D-葡萄糖苷-（1→4）-α-D-葡萄糖
HOH2C H O H OH H H
1
1
H O
CH2OH O
H OH OH H
丙酮酸（pyruvic acid）
己糖磷酸化作用 EMP 六碳糖转变为三碳糖 磷酸丙糖 丙酮酸 (2) 丙酮酸 乙醇 丙酮酸（pyruvic acid ）脱羧 乙醛（acetaldehyde） 乙醛 还原 乙醇 （alcohol）
酵母菌在无氧的条件下，通过以上12步反应，1分子G生成２ 分子的乙醇，２分子的CO2和 2分子ATP。
好氧发酵罐
厌氧发酵罐
糖酵解途径及特点 EMP途径大致可分 1，6-二磷酸果
糖的生成；
1，6-二磷酸果 糖分解为两个磷酸
丙糖；
磷酸丙糖转化为 丙酮酸；
glycolysis
1. 动物、植物、微生物细胞中G分解产生能量的共同途
径
2. EMP的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷酸果 糖激酶（该酶受ATP、柠檬酸的抑制，为AMP所激活） ；丙酮酸激酶；3-磷酸甘油醛脱氢酶（受碘乙酸抑制） ；烯醇化酶（受氟化物抑制）。 3. 当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数几步反 应转化为糖酵解途径的中间产物，然后沿着糖酵解途径 进行降解。 4. 丙酮酸的不同去路。反应中生成的NADH2不能积存， 必须被重新氧化为NAD后，才能继续不断地推动全部反 应。
在发酵过程中不需要供给无菌空气。
e.g.
lactic acid bacteria --------lactic acid
Bacillus clostridium -------acetone-butanol
（3）兼性发酵 (facultative fermentation) ：
在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧 条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行 好氧发酵，大量繁殖菌体细胞。
肌糖原：
人体内糖原的贮存量有限， 含量为肌肉重量的 1-2%(总量为200-400g) 一般不超过500g.
糖原颗粒
肝细胞中的糖原颗粒
纤维素
作为植物的骨架
β-1,4-糖苷键
4.结合糖
糖与非糖物质的结合物
常见的结合糖有：
糖脂：是糖与脂类的结合物
糖蛋白：是糖与蛋白质的结合物
第二节 发酵的类型
根据微生物的种类不同，可分为好氧性 发酵、厌氧性发酵和兼性厌氧性发酵。 （1）好氧性发酵(aerobic fermentation)： 在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气， 满足微生物呼吸需要。
5
核糖
5-磷酸核糖
核酮糖
——戊酮糖
CH2OH C O H C OH H C OH CH2OH
2 3 4 5
1
CH2OH C O H C OH H C OH CH2OPO3H2
5-磷酸核酮糖
核酮糖
甘油醛
——丙醛糖
1
CHO
CHO HC OH
2
HC OH
3
CH2OH
甘油醛
CH2OPO3H2
3-磷酸甘油醛
分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛，转化为乳酸，转化率 为50%。 苹果酸－乳酸发酵也是由乳酸菌引起的，它是一种生 物降酸作用。
在水果酒的生产中，除进行酒精发酵外，还必须进行苹果 酸－乳酸发酵作用，只有在这种情况下，葡萄酒才能获得成熟。
四、 甘油合成机制
1. 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，
6---P--葡萄糖酸脱水酶
三碳糖
6---P--葡萄糖酸
2--酮--3--脱氧--6-- P--葡萄糖酸
2--酮--3--脱氧--6-- P--葡萄糖酸
3、氧化产能阶段 3--P--甘油醛 EMP 丙酮酸
丙酮酸+3--P--甘油醛
总反应式
C6H12O6+NADP++ NAD++ ADP+ Pi
2CH3COCOOH+ NAD · 2H++ NADP · 2H +ATP
CH2OH
HO
O CH2OH
蓝色:
α-1,4-糖苷键 红色: α-1,6-糖苷键
O
O
直链淀粉
O
支链淀粉
O O
CH2
O
CH2OH O
OH
O
O
O
HO
糖原(glycogen)
非还原端
还原端
糖原在体内的作用
糖原是体内糖的贮存形式
糖原贮存的主要器官是肝脏和肌肉组织
肝糖原：
含量可达肝重的5%(总量为90-100g)
HO C H
4
3
H C OH H C OH
6 5
CH2OH
D-果糖
CH2OH C O HO C H H C OH H C OH CH2OPO3H2
6-磷酸果糖
CHO H C OH
2 3 4
1
CHO H C OH
H C OH H C OH H C OH H C OH CH OPO H 2 3 2 CH2OH
2CH3COCOOH
4ATP
2ATP 2CO2
Mg2+
2CH3CHO
NADH+H+
NAD+
C6H12O6
2C2H5OH
1. 从Ｇ－－乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。 2. 有脱氢反应，脱下的氢有辅酶１携带。还原型 NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。 3. 从Ｇ－－乙醇，净得２ATP 。
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，在TCA循环中脱氢，并氧化形成CO2和 H2O，
或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递给
氧生成水。 • 另外，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。
在好氧条件下
丙酮酸进入
TCA环，进行代
谢，产生各种好 氧代谢产物如柠 檬酸、氨基酸、 酶制剂、抗生素 等 ，或完全氧化 获得能量。
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。
C6H12O6 PK
p -OH2C-CHOH-CHO EMP
CH3CHOHCOOH
Bifidus 途径（双歧途径）：
双歧杆菌（Bifidobacterium ）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
转
细菌酒精发酵的特点 优点：

代谢速度快； 发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高； 厌氧且耐高温； 能利用多种糖类
缺点：

发酵工艺技术要求高
三、
乳酸发酵机制
1. 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。发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发 酵，如乳链球菌（Streptococcus lactics）、乳酪链球 菌（ Streptococcus cremoris）、干酪乳杆菌（ lactobacillus casei）、保加利亚乳杆菌（Lac. bulgaricus）等。
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
3-磷酸甘油醛→→丙酮酸→乙醛→乙醛亚硫酸钠加成物
葡萄糖→1.6-二磷酸果糖 Pi 2H
二羟丙酮
——丙酮糖
1
CH2OH C=O CH2OH
二羟丙酮
CH2OH C=O CH2OPO3H2
磷酸二羟丙酮
2
3
葡萄糖在体内的作用
葡萄糖是体内糖代谢的中心
（1）葡萄糖是食物中糖(如淀粉)的消化产物
（2）葡萄糖在生物体内可转变成其它的糖， 如核糖、果糖、半乳糖、糖原等； （3）葡萄糖是哺乳动物及胎儿的主要供能物质 （4）葡萄糖可转变为氨基酸和脂肪酸的碳骨架