课程名称：微生物学 班级：生物工程1101 (第十三讲) 章节标题：第五章傲生物的新陈代谢 第一节微生物的能量代谢 目的要求：1.了解培养基对微生物功能的区分 2.了解一些鉴别培养基的区分 3.掌握微生物代谢的特点 4.掌握生物发酵的概念、特点及分类 教学重点：1.培养基对微生物功能的区分 2.生物发酵 教学难点：生物发酵的各种途径 教学方法：多媒体讲授及讨论法 内容提要及课时分配 1.培养基对微生物功能的区分 30分钟 2.微生物代谢的特点 20分钟 3.微生物发酵的概念、特点及分类 45分钟 4.小结 5分钟 主讲教师：赵萌萌 授课日期：2013年4月9日 兰州交通大学化学与生物工程学院
第五章微生物的新陈代谢 代谢(metabolism):细胞内发生的各种化学反应的总称。包括分解代谢和 能量代谢。 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。一般可将分解代谢分为三个阶段： 第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及 脂肪酸等小分子物质： 第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙削酸以 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ATP、NADH(还原 型辅酶，烟酰胺酰嘌呤二核苷酸)及FAD2（黄素腺嘌呤二核苷酸)： 第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2,并产生ATP、 NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧 化，产生大量的ATP。 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。合成代谢所利用的小分子物质来源于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。 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 换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有 部分能量以热或光的形式释放到环境中去。微生物产生和利用能量及其与代谢的 关系。 无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成 的，前一步反应的产物是后续反应的底物。细胞通过各种方式有效地调节相关的 酶促反应，来保证整个代谢途径的协调性与完整性，从而使细胞的生命活动得以 正常进行。 某些微生物在代谢过程中除了产生其生命活动所必需的初级代谢产物和能 量外，还会产生一些次级代谢产物，这些次级代谢产物除了有利于这些微生物的 生存外，还与人类的生产与生活密切相关，也是微生物学的一个重要研究领域。 微生物的代谢与其它生物的代谢在本质上是类似的，统一的，但是有明显存 在着多样性。它们具有3个特点：
代谢旺盛 代谢极为多样化 代谢的严格调节和灵活性 第一节微生物的能量代谢 一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成 对一切生命活动都能使用的通用能源-一ATP。这就是产能代谢， 一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化：是发生在活细胞内的一切产能氧化反应的总称。亦即分解代谢。 在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高 能化合物（如ATP)中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环 境中。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 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。 异养微生物将有机物氧化，根据氧化还原反应中电子受体的不同，可将微生 物细胞内发生的生物氧化反应分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼 吸和厌氧呼吸两种方式。 (一)发酵(fermentation) 发酵广义上：是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生 产方式。 在生物氧化或能量代谢中狭义的发酵：仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所 产生的还原力[川不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的 一类低效产能反应。这一过程由于产生的电子不经过呼吸链传递，因此也不需 要外界提供电子受体。 发酵的种类有很多，可以用来发酵的底物有糟类、有机酸、氨基酸等，其中 以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙制酸的过程称为糖酵 解，主要分为4种途径。 1、发酵途径 (I)WMP途径(Embdem-Meyerhof-Parnas pathway)-又称糖酵解途径 整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP
EP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，也是酵母菌等真菌及大多数细 菌所具有的代谢逸径。在有氧条件下，EP-TCA两途径接通，并通过后者将丙制酸 彻底氧化，形成C02、H20及ATP。无氧时，丙铜酸或丙酮酸的脱发产物乙醛被还 原，形成乳酸或乙醇等发酵产物。（据报道，一些人因酵母菌感染也会导致酒精中 毒。这些人其实根本没有饮用任何酒精饮料，却经常呈醉酒状态。检查结果表明， 生长在这些人胸道内的酵母菌能进行酒精发酵，他们制造出来的酒精足以让人大 醉。这些都是酵母菌在无氧条件下的发酵产物。) 生理功能： 供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力 连接其他几个重要代谢途径的桥梁 为生物合成提供多种中间代谢物 通过逆向反应可进行多糖合成 (2)HMP途径(hexose monophosphate pathway) 已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径。（碳架重排途径）这是一条葡萄 糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH-+H+形式的还 原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。 BP途径的重要意义： 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸 产生大量的NADP2形式的还原力，可以用于脂肪酸、固醇等的生物合成 通过MP途径与本途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来为 生物合成提供更多的戊糖。 作为光能和化能自养微生物固定Co2的中介(Calvin循环) 由于在反应中存在着C3一C7的各种糖，使具有P途径的微生物的碳源利 用范围更广。 通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和 乳酸等 酵母菌对葡萄糖的利用，其中87%是走EMP途径，13%是走HMP途径：青莓 菌23%是走ENP途径，77%是走HMP途径。 (3)ED途径(Entner-Doudoroff Pathway)-又称2-耐-3-脱氧-6磷酸葡萄
糖(KDPG)裂解途径。该途径是在细菌中发现的另一条分解葡萄糖形成丙酮酸和 3-磷酸甘油醛的逸径。它是少数缺乏完整P途径的微生物所具有的一种替代途 径。 其特点：是葡萄糖只经过5步反应就可获得P需10步反应才能得到的丙 酮酸：产能效率低(1分子葡萄糖仅形成1ATP):反应中有1个关键中间产物KDPG。 (4)PK途径（磷酸解酮酶途径） 在肠膜明串珠菌中 特征性酶为5-磷酸木糖裂解酶，催化5-磷酸木制糖裂解成3磷酸甘油醛 和乙酰磷酸 1分子葡萄糖经PK途径产生1分子乳酸和1分子乙醇，放出1分子C02 在双岐杆菌中 特征性酶为6-磷酸果糖裂解酶 催化6-磷酸果糖裂解为4-磷酸赤藓糖与乙酰磷酸 2分子葡萄糖经PK途径形成3分子乙醇和2分子乳酸 2、发酵类型 葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过EMP、HWP、ED及PK途径形成 多种中间代谢物。那么，这些中间代谢产物在不同的微生物细胞中及不同的环境 条件下，会进一步转化，形成各种不同的发酵产物 (1)乙醇发酵 ①酒精发酵已有三个类型 通过EMP途径的酵母酒精发酵 通过HWP途径（异型乳酸发酵）的细菌酒精发酵 正常的乙醇发酵在弱酸性条件下进行，称为I型发酵。1分子葡萄糖经发酵 产生2分子乙醇和2C02: 乙醇发酵特点： ①发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍有机物，因此只释放出一小部分能量。 ②膨体系不完全，只有脱氢酶，没有氧化酶。 ③产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP,细菌1ATP。也就是丙酮酸直接接 受糖酵解过程中脱下H使之还原成乙醇的过程
除酵母菌外，细菌也能利用EWP和ED途径进行乙醇发酵。 如果在发酵培养基中加入适量亚硫酸氢钠，则乙醇发酵转变为甘油发酵，形 成大量甘油和少量乙醇，该发酵称为Ⅱ型发酵。其机理为：NaHS03与乙醛结合形 成复合物，封闭了乙醛，使它不能用作受氢体。磷酸二羟丙削代替乙醛作为受氢体 形成α一磷酸甘油，在α一磷酸甘油酯酶的催化下，脱去磷酸，生成甘油。 将发酵液pH控制在弱碱性(pH7.6),酵母菌的乙醇发酵转向甘油发酵，发酵 主产物为甘油，伴随产生少量乙醇、乙酸和C02,该发酵称为Ⅲ型发酵，其机理为： 微碱性环境中，乙醛不能用作受氢体，在两个乙醛分子间发生岐化反应，1分子 乙醛被氧化为乙酸，另1分子乙醛被还原为乙醇。与此同时，磷酸二羟丙附代替乙 醛作为受氢体，被还原为甘油。由于在这种类型的甘油发酵中不产生ATP,故细胞 没有足够能量进行正常的生理活动，因而认为这是一种在静息细胞内进行的发 酵。该发酵中有乙酸产生，乙酸崇积会导致H下降，使甘油发酵重新回到乙醇发 酵。因此，利用该途径生产甘油时，需不断调节p,维持pH在微碱性。 通过D途径的发酵就是指细菌的酒精发酵。 (2)乳酸发酵 乳酸发酵指某些细菌在厌氧条件下利用葡萄糖生成乳酸及少量其它产物的 过程。能进行乳酸发酵的细菌被称为乳酸菌。常见的乳酸菌有乳杆菌、乳链球菌 明串珠菌及双岐杆菌等。乳酸菌虽然多是一些兼性厌氧细菌，但乳酸发酵却是在 严格厌氧条件下完成的。 ①同型乳酸发酵 -乳酸菌通过EMP和PK途径进行乳酸发酵。利用EMP途径发酵葡萄糖得到的产物 只有乳酸。乳酸为唯一产物的乳酵发酵称为同型乳酸发酵。 ②异型乳酸发酵（通过P途径）(hetero lactic fermentation) 一些异型发酵乳酸杆菌因缺乏ENP途径中的若干重要酶一醛缩酶和异构 酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HP途径。-PK途径发酵葡萄糖形成的产物 除乳酸外还有乙醇和乙酸。产物为乳酸和其它物质的乳酸发酵称为异型乳酸发 酵。肠膜明串珠菌和双岐杆菌所进行的乳酸发酵属于异型乳酸发酵。 Leuconostoc mesenteroids(肠膜明串珠菌)的发酵途径 葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和C02
核糖的发酵产物为乳酸和乙酸 果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、C02和甘露醇 ③双歧发酵 可把葡萄糖发酵为乳酸和乙酸(2葡萄糖→2乳酸+3乙酸+5ATP)两种产物 的发酵。由于乳酸发酵的产物中有乳酸，可以引起乳类和其它食品的酸化。泡菜、 酸菜、青贮饲料等等都是利用乳酸发酵制得的。它们都是由于乳酸菌的活动，积 累乳酸、酸化环境，抑制其它微生物的生长，使蔬菜等得以保存。乳酪、酸牛奶 也是乳酸发酵制品。工业上也常用德氏乳杆菌生产乳酸