第六章发酵机理课件.ppt

1、第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢第二节第二节 厌氧发酵产物的合成厌氧发酵产物的合成第三节第三节 好氧发酵产物的合成好氧发酵产物的合成第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢l生物氧化生物氧化l异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化l自养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化l能量转换能量转换 v代谢代谢(metabolism)(metabolism)是细胞内发生的各种是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由化学反应的总称，它主要由分解代谢分解代谢(catabolism)(catabolism)和和合成代谢合成代谢(anabolism)(anabolism)两个两个

2、过程组成。过程组成。v分解代谢分解代谢是指细胞将大分子物质降解成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。小分子物质，并在这个过程中产生能量。v合成代谢合成代谢是指细胞利用简单的小分子物是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。中要消耗能量。v分解代谢的三个阶段：分解代谢的三个阶段：|第一阶段第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；糖及脂肪酸等小分子物质；|第二阶段第二阶段是将第一阶段产物进一步降是将第一阶

3、段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶解成更为简单的乙酰辅酶A A、丙酮酸、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些物，在这个阶段会产生一些ATPATP、NADHNADH及及FADHFADH2 2；|第三阶段第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成产物完全降解生成COCO2 2，并产生，并产生ATPATP、NADHNADH及及FADHFADH2 2。第二和第三阶段产生的第二和第三阶段产生的ATPATP、NADHNADH及及FADHFADH2 2通过电子传递链被氧化，可产生通过电子传递链被氧化，可产生大量的大

4、量的ATPATP。微微生生物物的的营营养养和和代代谢谢v合成代谢所利用的小分子物质源于分解合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。代谢过程中产生的中间产物或环境。v在代谢过程中，微生物通过分解代谢产在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量用于合成代谢、微成化学能，这些能量用于合成代谢、微生物的运动和运输，另有部分能量以热生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。或光的形式释放到环境中去。微生微生物产物产生和生和利用利用能量能量及其及其与代与代谢的谢的关系关系图图n生物氧化

5、生物氧化:分解代谢实际上是物质在生分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为个过程也称为生物氧化生物氧化，是一个产能，是一个产能代谢过程。代谢过程。不同类型微生物进行生物氧化所利用不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。过生物氧化来进行产能代谢。n异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化:异养微生物氧化有机物的方式，根异养微生物氧

6、化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同据氧化还原反应中电子受体的不同可分为可分为有氧呼吸有氧呼吸和和无氧呼吸无氧呼吸两种方两种方式。式。u发酵发酵(fermentation)(fermentation)是指微生物细胞将有机是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。产生各种不同的代谢产物。u发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最

7、为重要。萄糖最为重要。u生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解为糖酵解(glycolysis)(glycolysis)，主要分为四种途径：，主要分为四种途径：EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径、途径、EDED途径、磷酸解途径、磷酸解酮酶途径酮酶途径。nEMPEMP途径途径(糖酵解途径糖酵解途径):):大致分为两个大致分为两个阶段。阶段。l第一阶段第一阶段可认为是不涉及氧化还原反可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：两分子的主要中间代谢产物：甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸。

8、l第二阶段第二阶段发生氧化还原反应，合成发生氧化还原反应，合成ATPATP并形成两分子的并形成两分子的丙酮酸丙酮酸。nEMP途径途径可为微生物的生理活动提供可为微生物的生理活动提供ATPATP和和NADHNADH，其，其中间产物中间产物又可为微又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖定条件下可逆转合成多糖。O O2 2H H2 2H H2 2N NA AD DH H2 2A AT TP P2 2丙丙酮酮酸酸2 2N NA AD D2 2A AD DP P2 2P Pi i葡葡萄萄糖糖2 21.葡萄糖磷酸化葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖二磷酸果

9、糖(耗能耗能)2.1.6二磷酸果糖二磷酸果糖2分子分子3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸总反应式：总反应式：葡萄糖葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP 2丙酮酸丙酮酸+2NADH2+2ATP CoA 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 乙酰乙酰CoA，进入进入TCAEMPEMP途径关键步骤途径关键步骤磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。一个阶段。一个HMPHMP途径循环的结果为：途径循环的结果为：6 6N NA AD DP PH H3 3C CO O磷磷酸酸3 3甘甘油油醛醛P Pi i葡葡萄萄糖糖2 2一般认为一般认为HMPHMP途径不

10、是产能途径，途径不是产能途径，而是而是为生物合成提供大量的还原为生物合成提供大量的还原力力(NADPH)(NADPH)和中间代谢产物和中间代谢产物。多。多数微生物中具有数微生物中具有HMPHMP途径途径.（二）（二）HMPHMP途径途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径)HMPHMP途径：途径：葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸后，在后，在6-6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成催化下，裂解成5-5-磷酸戊糖和磷酸戊糖和COCO2 2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖经转酮磷酸戊糖经转

11、酮转醛酶系催转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMPEMP途径的一些酶，进一步转化为途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。丙酮酸。称为称为不完全不完全HMPHMP途径途径。由六个葡萄糖分子参加反应，由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了萄糖分子，消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖（彻底氧化成（彻底氧化成COCO2 2 和水），称和水），称完完全全HMPHMP途径。途径。HMPHMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段HMPHMP是一条葡萄糖

12、不经是一条葡萄糖不经EMPEMP途径和途径和TCATCA循环途循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+HNADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径物的代谢途径1.1.葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-5-磷酸磷酸和和COCO2 22.2.核酮糖核酮糖-5-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖分别产生核糖-5-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-5-磷酸磷酸3.3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架

13、重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMPHMP途径关键步骤途径关键步骤1.葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2.2.6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 5-5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 5-5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3.3.5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-6-磷酸果糖磷酸果糖+3-+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMPEMP）HMPHMP途径的重要意义途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。磷酸。产生大量产生大量NADPHNADPH2 2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合

14、成提，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与与EMPEMP途径在果糖途径在果糖-1-1，6-6-二磷酸和甘油醛二磷酸和甘油醛-3-3-磷酸处连接，可磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。以调剂戊糖供需关系。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。碱基合成、及多糖合成。途径中存在途径中存在3737碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。用的碳源谱更为更为广泛。通过该途径可

15、产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMPHMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。动对其中间产物的需要量相关。又称又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPGKDPG）裂解途径。裂解途径。19521952年在年在Pseudomonas saccharophilaPseudomonas saccharophila中发现，中发现，后来证明存在于多种细菌

16、中（革兰氏阴性后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。菌中分布较广）。EDED途径可不依赖于途径可不依赖于EMPEMP和和HMPHMP途径而单独存在，是少数缺乏途径而单独存在，是少数缺乏完整完整EMPEMP途径的微生物的一种替代途径，途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。未发现存在于其它生物中。（三）（三）EDED途径途径EDED途径途径 ATP ADP NADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸 激酶激酶 （与与EMP途径连接途径连接）氧化酶氧化酶(与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛

17、 脱水酶脱水酶 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 EMP途径途径 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 有氧时与有氧时与TCA环连接环连接 无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵 EDED途径的特点途径的特点葡萄糖经转化为葡萄糖经转化为2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸后，磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-3-磷酸磷酸甘油醛，甘油醛，3-3-磷酸甘油醛再经磷酸甘油醛再经EMPEMP途径途径转化成为丙转化成为丙酮酸。结果是酮酸。结果是1 1分子葡萄糖产生分子葡萄糖产生2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分分

18、子子ATPATP。EDED途径的特征反应是途径的特征反应是关键中间代谢物关键中间代谢物2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPGKDPG）裂解为丙酮酸和）裂解为丙酮酸和3-3-磷酸磷酸甘油醛。甘油醛。EDED途径的特征酶是途径的特征酶是KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低.此途径此途径可与可与EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径和途径和TCATCA循环相连循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。不同中间代谢物的需要。好氧时与好氧时与TCATC

19、A循环相连，循环相连，厌氧时进行乙醇发酵厌氧时进行乙醇发酵.EDED途径的总反应途径的总反应 ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸丙酮酸 6ATP 2乙醇乙醇 (有氧时经过呼吸链有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）（无氧时进行细菌乙醇发酵）关键反应：关键反应：2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸的裂解磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：催化的酶：6-6-磷酸脱水酶，磷酸脱水酶，KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成优点：代谢速率高，产物转

20、化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。期供氧。缺点：缺点：pH5pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低ATP 有氧时经呼吸链6ATP 无氧时 进行发酵 2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸ATP C6H12O6 KDPGED途径的总反应（续）途径的总反应（续）（四）磷酸酮解途径（四）磷酸酮解途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸

21、己糖裂解为它不能够将磷酸己糖裂解为2 2个三碳糖。个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（磷酸戊糖酮解途径（PKPK）途径）途径 磷酸己糖酮解途径（磷酸己糖酮解途径（HKHK）途径）途径 葡萄糖葡萄糖 6-P-葡萄糖葡萄糖6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 5-P-核酮糖核酮糖 5-P-木酮糖木酮糖3-P-甘油醛甘油醛 丙酮酸丙酮酸乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰乙酰CoA 乙醛乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇异构化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解途径磷酸戊糖酮解途径磷酸戊

22、糖酮解途径的特点磷酸戊糖酮解途径的特点分解分解1分子葡萄糖只产生分子葡萄糖只产生1分子分子ATP，相当于，相当于EMP途径的一半途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2磷酸己糖解酮途径磷酸己糖解酮途径 2葡萄糖葡萄糖 2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸 6-磷酸果糖磷酸果糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖 乙酰磷酸乙酰磷酸2木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸2甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸 2乙酰磷酸乙酰磷酸2乳酸乳酸2乙酸乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊磷酸己糖解酮酶戊逆逆HMP途径途径同同EMP乙酸激酶乙酸激酶磷酸己糖酮解途径的特点磷酸己糖

23、酮解途径的特点有两个磷酸酮解酶参加反应；有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分分子葡萄糖分解为子葡萄糖分解为3分子乙酸和分子乙酸和2分子分子3-磷酸磷酸-甘甘油醛，油醛，3-磷酸磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生生成成ATP的反应相偶联；的反应相偶联；每分子葡萄糖产生每分子葡萄糖产生2.5分子的分子的ATP；许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。即采取此方式。丙酮酸在进入三羧丙酮酸在进

24、入三羧酸循环之先要脱羧酸循环之先要脱羧生成乙酰生成乙酰CoACoA，乙乙酰酰CoACoA和草酰乙酸和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。入三羧酸循环。循环的结果是乙酰循环的结果是乙酰CoACoA被彻底氧化成被彻底氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，每氧化每氧化1 1分子的乙酰分子的乙酰CoACoA可可产生产生1212分子的分子的ATPATP，草酰乙酸参与反应草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。而本身并不消耗。1、循环一次的结果是乙酰循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化的乙酰基被氧化为为2分子分子CO2,并重新生成并重新生成1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2、整个循环有四

25、步氧化还原反应，其中三步反整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将应中将NAD+还原为还原为NADH+H+，另一步为另一步为FAD还还原；原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；合成的前体；5、生物体提供能量的主要形式；生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如的代谢途径。如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；Glu发酵等。发酵等。TCATCA循环的重要特点循环的重要特点经上述脱氢途径生成

26、的经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式式；呼吸作用呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；：有外援的最终电子受体的生

27、物氧化模式；呼吸作用又可分为两类：呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸有氧呼吸最终电子受体是分子氧最终电子受体是分子氧O O2 2;无氧呼吸无氧呼吸最终电子受体是最终电子受体是O O2 2以外的无机氧化物，如以外的无机氧化物，如NONO3 3-、SOSO4 42-2-等等.二、递氢、受氢和二、递氢、受氢和ATPATP的产生的产生v概念：概念：在在生物氧化中生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工

28、业上发酵工业上，发酵是指任何，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。v发酵类型：发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解

29、过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。1 1、发酵作用、发酵作用酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3C

30、H2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：概念概念菌种菌种途径途径特点特点发生条件发生条件该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。（一）乙醇发酵（一）乙醇发酵当当发酵液处在发酵液处在碱性碱性条件下，酵母的乙醇发酵条件下，酵母的乙醇发酵会改为会改为甘油发酵甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果体，结果2 2分子乙醛间发生歧化反应，生成分子乙醛间发生歧化反应，生成1 1分分子乙醇和子乙醇和1 1分子乙酸；分子乙酸；CHCH

31、3 3CHO+HCHO+H2 2O+NADO+NAD+CH CH3 3COOH+NADH+HCOOH+NADH+H+CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+CH CH3 3CHCH2 2OH+NADOH+NAD+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-3-磷酸甘油醛脱磷酸甘油醛脱下的氢而生成下的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。生成甘油。2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO2概念：概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制

32、现象）。氧对发酵的抑制现象）。意义：意义：合理利用能源合理利用能源机理：机理：通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风通风（有氧呼吸）（有氧呼吸）缺氧缺氧（发酵）（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失巴斯德效应巴斯德效应(The Pasteur effect)(The Pasteur effect)现象：现象：细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO2

33、2H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 通过通过EMPEMP途径产生乙醇，总反应式为：途径产生乙醇，总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6+2ADP+2Pi 2C+2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP 细菌细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过ED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+AT

34、P细菌细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵发酵利用利用ZlisZlis等细菌生产酒精等细菌生产酒精优点：优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少；代谢副产物少；发酵温度高；缺点：缺点：pH5较易

35、染菌；耐乙醇力较酵母低（二）乳酸发酵（二）乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵:（经（经HKHK途径途径磷酸己糖解酮酶途磷酸己糖解酮酶途径径）

36、葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点异型乳酸发酵异型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖6-磷磷酸葡酸葡萄糖萄糖6-磷酸磷酸葡萄葡萄糖酸糖酸5-磷磷酸木酸木酮糖酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念概念菌种菌种

37、途径途径特点特点-CO2（三）混合酸发酵（三）混合酸发酵v概念概念：大肠埃希氏菌、沙门氏菌、：大肠埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌志贺氏菌的一些肠道细菌通过的一些肠道细菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和和CO2等多等多种代谢产物，由于代谢产物中含有种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。酵。葡萄糖葡萄糖琥珀酸琥珀酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2

38、 H2 乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH6.2发酵途径：发酵途径：（四）（四）2,3-2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵概念：概念：肠杆菌属、沙雷氏菌属、和欧文肠杆菌属、沙雷氏菌属、和欧文氏菌属中的一些细菌具有氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合乙酰乳酸合成酶成酶系而进行丁二醇发酵。系而进行丁二醇发酵。葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶EMP发酵途径：发

39、酵途径：概念概念:是以分子氧作为最终电子是以分子氧作为最终电子(或氢或氢)受体的氧化受体的氧化过程；过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：途径：EMP,TCA循环循环特点：特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如传递体，如NAD,FAD,辅酶辅酶Q和各种细胞色素组成）和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。最后才传递到氧。2 2、有氧呼

40、吸、有氧呼吸 由此可见，由此可见，TCA循环与电子传递是有循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。氧呼吸中两个主要的产能环节。电子传递与氧化呼吸链电子传递与氧化呼吸链定义：定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形形式的能量。式的能量。部位部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上在线粒体内膜上成员：成员：电子传递是从电子传递是从N

41、AD到到O2，电子传递链中的，电子传递链中的电子传递体主要包括电子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素、细胞色素b、c 1、c、a、a和一些铁硫旦白。这些电子传递体和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：列，电子传递次序如下：MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v)(0.0v)C1C a a3 O2 H2O (+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中呼吸链中NAD+/NADH的的E0值最小，而值最小，而O2/H2O的的E0值最大，值最大，所以，电子的传递方向是：所以，电

42、子的传递方向是：NADH O2上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。成。NADH+H+和和FADH2的氧化，都有大量的自的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。至转移到分子氧。电子传递伴随电子传递伴随ADP磷酸化成磷酸化成ATP全过程，故又称全过程，故又称为氧化呼吸链。为氧化呼吸链。呼吸链的功能：呼吸链的功能：一是传递电子；一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合二是将电子传递

43、过程中释放的能量合成成ATP这就是电子产地磷酸化作这就是电子产地磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。用（或称氧化磷酸化作用）。典型的呼吸链典型的呼吸链自自EMP2NADH2自乙酰自乙酰CoA2NADH2自自TCA6NADH2自自TCA2FADH2高能水平高能水平低氧化还原势低氧化还原势氧化态氧化态还原态还原态还原态还原态氧化态氧化态氧化态氧化态还原态还原态还原态还原态 醌醌氧化态氧化态氧化态氧化态还原态还原态 脱氢酶脱氢酶NAD FADH2H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平低能水平高氧化还原势高氧化还原势FPFe-SCyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3 氧化酶氧化酶典型

44、的呼吸链典型的呼吸链原核生物呼吸链的特点原核生物呼吸链的特点存在于细胞膜上呼吸链中的氧还载体取代性强，如CoQ可被MK取代呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别，如E.Coli在缺氧时，呼吸链分为两支，即Cyt.b556 Cyt.o;Cyt.b558 Cyt.d：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态NDAH+H+。：黄素蛋白的辅基，：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还

45、原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“2Fe+2S”中心每次仅能传递一个电子。：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。：位于呼吸链后端，功能是传递电子。微生物中重要的呼吸链组分微生物中重要的呼吸链组分细胞色素系统细胞色素系统功能：功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中。推到线

46、粒体膜或细胞膜外的溶液中。分类：分类：线粒体的电子传递链至少含有线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和和cyt.o等。细胞色素等。细胞色素b c c1 a a3整合在一起存在。整合在一起存在。Cyta a3以复合物形式存在，称为以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。细胞色素细胞色素氧化酶。细胞色素a a3含有两个必需的铜含有两个必需的铜原子。由还原型原子。由还原型a3将电子直接传递给分子氧。将电子直接传递给分子氧。电子从电子从CoQ传到传到b c c1，F

47、e-S旦白旦白,a a3。结构组成：结构组成：以血红素为辅基，通过其卟啉分子中以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。心铁原子的价电荷的变化而传递电子。cyt.a3即细即细胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化胞色素氧化酶是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，激活分子氧。个电子还原氧的反应，激活分子氧。ATPATP的结构和生成的结构和生成2.ATPATP的生成方的生成方式式:微生物能量代谢活动中所涉及的主要是微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高（高能分子）形式的化学能能分子）形式的化学能.ATP是生物体内能量的载是生物体内能量的载体或流通

48、形式体或流通形式.当微生物获得能量后当微生物获得能量后,都是先将获都是先将获得的能量转换成得的能量转换成ATP.ATP.当需要能量时当需要能量时,ATPATP分子上的分子上的高能键水解高能键水解,重新释放出能量重新释放出能量.光合磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化电子传递磷酸化1.结构结构:光合磷酸化光合磷酸化:利用光能合成利用光能合成ATPATP的反应的反应.光合磷酸化作用将光能转变成化学能光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用以用于从二氧化碳合成细胞物质于从二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。主要是光合微生物。光合微生物光合微生物:藻类、蓝细

49、菌、光合细菌（包藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如其他光合色素，只能裂解无机物（如H H2 2、H H2 2S S等）等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。或简单有机物，进行不产氧的光合作用。氧化磷酸化氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量利用化合物氧化过程

50、中释放的能量生成生成ATPATP的反应。的反应。氧化磷酸化生成氧化磷酸化生成ATPATP的方式有两种的方式有两种：底物水平磷酸化底物水平磷酸化不需氧不需氧电子传递磷酸化电子传递磷酸化需氧。需氧。底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给的酶作用把高能键磷酸根转移给ADPADP，使其生成，使其生成ATPATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底