食品微生物 第七章 微生物的代谢学习资料

第四章微生物的代谢根据微生物代谢过程中产生的代谢产物在微生物体内的作用不同，又可将代谢分成初级代谢与次级代谢两种类型。初级代谢是指能使营养物质转换成细胞结构物质、维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢。初级代谢的产物成为初级代谢产物。次级代谢是指某些微生物进行的非细胞结构物质和维持其正常生命活动的非必须物质的代谢。如一些微生物积累发酵产物的代谢过程（抗生素、毒素、色素等）。

微生物同其他生物一样都是具有生命的，新陈代谢作用贯穿于它们生命活动的始终，新陈代谢作用包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）。微生物细胞直接同生活环境接触，微生物不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，即同化作用，这是其生长、发育的物质基础；同时，又把衰老的细胞物质和从外界吸收的营养物质进行分解变成简单物质，并产生一些中间产物作为合成细胞物质的基础原料，最终将不能利用的废物排出体外，一部分能量以热量的形式散发，这便是异化作用。在上述物质代谢的过程中伴随着能量代谢的进行，在物质的分解过程中，伴随着能量代谢。这些能量一部分以热的形式散失，一部分以高能磷酸键的形式贮存在三磷酸腺苷（ATP）中，这些能量主要用于维持微生物的生理活动或供合成代谢需要。第一节微生物的能量代谢微生物在生命活动中需要能量，它主要是通过生物氧化而获得能量。所谓生物氧化就是指细胞内一切代谢物所进行的氧化作用。它们在氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能磷酸键形式储藏在ATP分子内，供需要时用。一、微生物的呼吸（生物氧化）类型根据在底物进行氧化时，脱下的氢和电子受体的不同，微生物的呼吸可以分为三个类型，即：好氧呼吸、厌氧呼吸、发酵。（一）好氧呼吸(aerobicrespiration)以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程，称为好氧呼吸。许多异养微生物在有氧条件下，以有机物作为呼吸底物，通过呼吸而获得能量。以葡萄糖为例，通过EMP途径和TCA循环被彻底氧化成二氧化碳和水，生成38个ATP，化学反应式为：

C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi-------→6CO2+6H2O+38ATP（二）厌氧呼吸(anaerobicrespiration)以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程，称为厌氧呼吸。能起这种作用的化合物有硫酸盐、硝酸盐和碳酸盐。这是少数微生物的呼吸过程。例如脱氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水，而把硝酸盐还原成亚硝酸盐（故称反硝化作用），反应式如下：

C6H12O6+12NO3–-------→6CO2+6H2O+12NO2–+429000卡（三）发酵作用(fermentation)如果电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程称为发酵作用。在发酵过程中，有机物既是被氧化了基质，又是最终的电子受体，但是由于氧化不彻底，所以产能比较少。酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵，只释放2.26×105J热量，其中只有9.6×104J贮存于ATP中，其余又以热的形式丧失，反应式如下：

C6H12O6+2ADP+2Pi--------→2C2H5OH+2CO2+2ATP二、呼吸链微生物从呼吸底物脱下的氢和电子向最终电子受体的传递过程中，要经过一系列的中间传递体，并有顺序地进行，它们相互“连控”如同链条一样，故称为呼吸链（生物氧化链）。它主要由脱氢酶、辅酶Q和细胞色素等组分组成。它主要存在于真核生物的线粒体中；在原核生物中，则和细胞膜、中间体结合在一起。它的功能是传递氢和电子，同时将电子传递过程中释放的能量合成ATP。三、ATP的产生

生物氧化的结果不仅使许多还原型辅酶Ⅰ得到了再生，而且更重要的是为生物体的生命活动获得了能量。ATP的产生就是电子从起始的电子供体经过呼吸链至最终电子受体的结果。利用光能合成ATP的反应，称为光合磷酸化。利用生物氧化过程中释放的能量，合成ATP的反应，称为氧化磷酸化，生物体内氧化磷酸化是普遍存在的，有机物降解反应和生成物合成反应通过氧化还原而偶联起来，使能量得到产生、保存和释放。微生物通过氧化磷酸化生成ATP的方式有两种：（一）底物水平磷酸化

在底物水平磷酸化中，异化作用的中间产物的高能磷酸转移给ADP，形成ATP，如下述反应：磷酸烯醇丙酮酸+ADP------→丙酮酸+ATP（二）电子传递磷酸化在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子,将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。一个NAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子。它分别在三个位置，各产生一个ATP。第1个ATP大约在辅酶Ⅰ和黄素蛋白之间；第2个ATP大约在细胞色素b和c1之间；在第3个ATP大约在细胞色素c和a之间。第二节微生物的分解代谢地球上最丰富的有机物是纤维素，半纤维素，淀粉等糖类物质，自然界中微生物赖以生存的主要也是糖类物质，人们培养微生物，进行食品加工和工业发酵等也是以糖类物质为主要的碳源和能源物质。因此，微生物的糖代谢是微生物代谢的一个重要方面，掌握这方面的知识，对于认识自然界不同的微生物类群，以及搞好微生物的培养利用都是重要的基础知识。一、微生物糖代谢的途径

微生物糖代谢的主要途径有：

EMP途径（Embden-Meverhef-ParnusPathway），HMP途径（Hexose-Mono-PhosphatePathway），E.D途径（Entner-DoudorofPathway），

Pk途径（Phosphoketolasepathway），等四种。（一）EMP途径

EMP途径也称已糖双磷酸降解途径或糖酵解途径。这个途径的特点是当葡萄糖转化成1.6-二磷酸果糖后，在果糖二磷酸醛缩酶作用下，裂解为两个3Ｃ化合物，再由此转化为2分子丙酮酸。EMP途径的过程由以下10个连续反应组成：

(己糖激酶)⑴葡萄糖+ATP---------------→6-磷酸葡萄糖+ADP

（磷酸己糖异构酶）⑵6-磷酸葡萄糖---------------→

6-磷酸果糖

(磷酸己糖激酶)

⑶6-磷酸果糖+ATP------------→1,6-磷酸果糖+ADP

（醛缩酶）⑷1,6-二磷酸果糖-------------→磷酸二羟丙酮+3-磷酸甘油醛

（磷酸丙糖异构酶）⑸磷酸二羟丙酮----------------→

3-磷酸甘油醛

（3-磷酸甘油醛脱氢酶）⑹3-磷酸甘油醛+NAD+H3PO4----------→1,3-二磷酸甘油酸+NADH

（3-磷酸甘油酸激酶）⑺1,3-二磷酸甘油酸+ADP-----------------→3-磷酸甘油酸+ATP

（磷酸甘油酸变位酶）⑻3-磷酸甘油酸-----------------→

2-磷酸甘油酸

（烯醇化酶）⑼2-磷酸甘油酸-----------------→磷酸烯醇式丙酮酸+H2O

(丙酮酸激酶)⑽磷酸烯醇式丙酮酸+ADP-----------------→丙酮酸+ATP

总反应式为：

C6H12O6＋2NAD+2(ADP+Pi)-----→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2关于EMP途径的讨论

EMP途径是生物体内6－磷酸葡萄糖转变为丙酮酸的最普遍的反应过程，EMP途径的关键酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶，许多微生物都具有EMP途径。但EMP途径往往是和HMP途径同时存在于同一种微生物中，以EMP途径作为唯一降解途径的微生物极少，只有在含有牛肉汁酵母膏复杂培养基上生长的同型乳酸细菌可以利用EMP作为唯一降解途径。EMP途径的生理作用主要是为微生物代谢提供能量（即ATP），还原剂（即NADH2）及代谢的中间产物如丙酮酸等。

在EMP途径的反应过程中所生成的NADH2不能积累，必须被重新氧化为NAD后，才能保证继续不断地推动全部反应的进行。NADH2重新氧化的方式，因不同的微生物和不同的条件而异。厌氧微生物及兼厌氧性微生物在无氧条件下，NADH2的受氢体可以是丙酮酸，如乳酸细菌所进行的乳酸发酵，也可以是丙酮酸的降解产物——乙醛，如酵母的酒精发酵等。好氧性微生物和在有氧条件下的兼厌氧性微生物经EMP途径产生的丙酮酸进一步通过三羧酸循环，被彻底氧化，生成CO2，氧化过程中脱下的氢和电子经电子传递链生成H2O和大量ATP。三羧酸循环（TricarboxylicAcidCycle，TCA）的总反应式为：

C6H12O6＋6O2+38(ADP+Pi)---→6CO2+6H2O+38ATP（二）HMP途径

也称已糖单磷降解途径或磷酸戊糖循环。这个途径的特点是当葡萄糖经一次磷酸化脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶作用下，再次脱氢降解为1分子CO2和1分子磷酸戊糖。磷酸戊糖的进一步代谢较复杂，由3分子磷酸已糖经脱氢脱羧生成的3分子磷酸戊糖,3分子磷酸戊糖之间，在转酮酶和转醛酶的作用下，又生成2分子磷酸己糖和一分子磷酸丙糖，磷酸丙糖再经EMP途径的后半部反应转为丙酮酸，这个反应过程称为HMP途径。反应步骤可分为以下十一步反应：

己糖激酶⑴葡萄糖+ATP-------------→6-磷酸葡萄糖+ADP

磷酸葡萄糖脱氢酶⑵6-磷酸葡萄糖+NADP--------------→6-磷酸葡萄糖内酯+NADPH2

内酯酶⑶6-磷酸葡萄糖内酯+H2O-------------→6-磷酸葡萄糖酸

磷酸葡萄糖酸脱氢酶⑷6-磷酸葡萄糖酸+NADP-------------→5-磷酸核酮糖+NADPH2+CO2

⑸5-磷酸核酮糖

磷酸核糖异构酶

磷酸木酮糖表异构酶5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖⑹

转酮酶7-磷酸景天庚酮糖+3-磷酸甘油醛

转醛酶⑺6-磷酸果糖+4-磷酸赤鲜糖

转醛酶⑻4-磷酸赤鲜糖+5-磷酸木酮糖----------→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛⑼3-磷酸甘油醛---→磷酸二羟丙酮+3-磷酸甘油醛---→1,6-二磷酸果糖磷酸酯酶⑽1,6-二磷酸果糖---------→6-磷酸果糖+H3PO4⑾6-磷酸果糖---------→6-磷酸葡萄糖

完全HMP途径的总反应式为：6-磷酸葡萄糖+7H2O+12NADP---------→6CO2+12NADPH2+H3PO4HMP途径的关键酶系是6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶和转酮——转醛酶系，其中6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化磷酸已糖酸的脱氢脱羧，而转酮——转醛酶系则作用于三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖及七碳糖的相互转化。反应到（8）步反应为止，为不完全HMP途径。所生成的3-磷酸甘油醛经过EMP途径的后半部分，转化成丙酮酸。关于HMP途径的讨论HMP途径的另一特点是只有NADP参与反应。在有氧条件下，HMP途径所产生的NADPH2在转氢酶的作用下，可将氢转给NAD，形成NADH2，经呼吸链，将电子和氢交给分子态氧形成水，并由电子传递磷酸化作用形成ATP。但是一般认为HMP途径不是主要的产能途径，而是为细胞的生物合成提供供氢体（NADPH2）。另外，HMP途径还为细胞生物合成提供大量的Ｃ3、Ｃ4、Ｃ5、Ｃ6和Ｃ7等前体物质，特别是磷酸戊糖，它是合成核酸，某些辅酶以及合成组氨酸，芳香族氨酸，对氨基苯甲酸等化合物的重要底物。此外，HMP途径与化能自养菌和光合细菌的碳代谢有密切联系。因此，HMP途径的生理功能是多方面的，在微生物代谢中占有重要的地位。HMP途径普遍存在于微生物细胞中，通常是和EMP途径同时存在一种微生物中。能以HMP途径作为唯一降解途径的微生物，目前发现的只有亚氧化醋酸杆菌（Acetobactersuboxydans）。

（三）ED途径也称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径，在醛缩酶（KDPGaldolase）的作用下，裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经EMP途径的后半部反应转化为丙酮酸。

葡萄糖

↓+ATP6-磷酸葡萄糖

↓-2H6-磷酸葡萄糖酸

↓-H2O2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸

↙↘3-磷酸甘油醛------→丙酮酸↘？

总反应式为：C6H12O6＋ADP+Pi+NADP+NAD→2CH3COCOOH+ATP+NADPH2+NADH2ED途径的关键酶系是6-磷酸葡萄糖脱水酶和2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶；ED途径是糖类的一个厌氧降解途径，它在细菌中，特别是革兰氏阴性细菌中分布很广，在好氧菌中分布不普遍。例如嗜糖假单胞杆菌（Pseudomonassaccharophila），发酵假单胞菌（Zymomonasmobilos）以及铜绿色假单胞杆菌（Pseudomonasaeruginasa）等中都具有ED途径。这个途径多数情况下是与HMP途径同时存在于一种微生物中，但也可以独立存在于某些细菌中。（四）磷酸解酮酶途径也称PK途径。在微生物降解已糖的过程中，除了EMP、HMP和E.D途径外，还有一条途径即磷酸解酮酶途径（PhosphoketolasePathway）该途径为少数细菌所独有。磷酸解酮酶有两种，一种是戊糖磷酸解酮酶，一种是己糖磷酸解酮酶；有些异型乳酸发酵的微生物，肠膜明串球菌（Leuconostocmesenteulides），短乳酸杆菌（Lactobacillusbrevie），甘露乳酸杆菌（Lactobacillusmanitopoeum）等，是通过戊糖磷酸解酮酶途径进行异型乳酸发酵的，反应途径如下：

葡萄糖↓→+ATP6-磷酸葡萄糖↓2H6-磷酸葡萄糖酸↓2H5-磷酸木酮糖↙↘3-磷酸甘油醛乙酰磷酸↓+Pi-Pi↓2H(EMP途径)乙醛↓-ATP↓2HCO2

乳酸乙醇总反应式为：

C6H12O6＋ADP+Pi→CH3CHOHCOOH＋CH3CH2OH＋CO2+ATP这个途径的特点是降解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半，另一特点是几乎产生等量的乳酸，乙醇和CO2。戊糖磷酸解酮途径的关键酶系是磷酸木酮糖解酮酶，它催化5-磷酸木酮糖裂解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸的反应。二、多糖的分解多糖的种类很多，这里主要讨论淀粉、纤维素、果胶质的分解。（一）淀粉的分解

淀粉是多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。淀粉酶是水解淀粉糖苷键一类酶的总称，它的种类有以下几种：1．液化型淀粉酶（又称α-淀粉酶）淀粉-----→极限糊精2．糖化型淀粉酶其将淀粉水解为麦芽糖或葡萄糖，故称为糖化型淀粉酶。（1）β-淀粉酶（淀粉1,4-麦芽糖苷酶）。淀粉-----→麦芽糖（2）糖化酶（淀粉1,4、1,6-葡萄糖苷酶）。淀粉-----→葡萄糖3．异淀粉酶（淀粉1,6-糊精酶）。淀粉-----→直链淀粉此酶可以分解淀粉中的α-1,6-糖苷键，生成较短的直链淀粉。微生物产生的淀粉酶广泛用于粮食加工、食品工业、发酵、纺织、医药、轻工、化工等行业。(二)纤维素的分解

纤维素酶是一类纤维素水解酶的总称。它由c1酶、cx酶和纤维二糖酶组成，其水解过程如下：

C1酶Cx1Cx2酶纤维二糖酶天然纤维素------→水合纤维素分子--------→纤维二糖--------→葡萄糖生产纤维素酶的菌种常有绿色木霉、康氏木霉、某些放线菌和细菌。我国采用绿色木霉、木素木霉为菌种，进行了研究、试制。纤维素酶在为开辟食品及发酵工业原料新来源，提高饲料的营养价值，综合利用农村的农付产品方面将会起着积极的作用，具有重要的经济意义。(三)果胶质的分解

果胶是植物细胞的间隙物质，使邻近的细胞壁相连，是半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键结合成直链状分子化合物。其羧基大部分形成甲基酯，而不含甲基酯的称为果胶酸。果胶在浆果中最丰富。它的一个重要特点是在酸和糖存在下，可以形成果冻。食品厂利用这一性质来制造果浆、果冻等食品；但对果汁加工、葡萄酒生产引起榨汁困难。

果胶酯酶

聚半乳糖醛酸酶果胶-----------→甲醇+果胶酸---------------→半乳糖醛酸三、蛋白质的分解（一）蛋白质的分解

蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大、结构复杂的化合物。它们不能直接进入细胞。微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至体外，将其分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再进入细胞。通式如下：

蛋白酶

蛋白质多肽、氨基酸产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、霉菌等中均有。不同的菌种可以产生不同的蛋白酶，例如黑曲霉主要生产酸性蛋白酶。短小芽孢杆菌用于生产碱性蛋白酶。不同的菌种也可生产功能相同的蛋白酶，同一个菌种也可产生多种性质不同的蛋白酶。

（二）氨基酸的分解

微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。

1．脱氨作用脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同，也不一样。主要有以下几种：(1)氧化脱氨。在酶催化下，氨基酸在氧化脱氢的同时释放游离氨，这一过程即氧化脱氨。这种脱氨方式须在有氧气条件下进行。专性厌氧菌不能进行氧化脱氨。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一类是氨基氧化酶，以FAD或FMN为辅基；另一类是氨基酸脱氢酶，以NAD或NADP作为氢的载体，交给分子态氧。反应式如下：2R-CHNH2-COOH+O2

---------→2R-CO-COOH+2NH3

（2）还原脱氨。还原脱氨在无氧条件下进行，脱氨生成饱和脂肪酸。能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。腐败的蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由相应的氨基酸生成。如大肠杆菌可使甘氨酸还原脱氨成乙酸，反应式如下：

NADH2NADHOOC-CHNH2-COOH------------→CH3COOH+NH3+CO2（3）水解脱氨。不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物，反应通式如下：

水解酶

R-CHNH2-COOH+H2O------------→R-CHOH-COOH+NH3

有些细菌可以水解色氨酸生成吲哚，吲哚可以与二甲基氨基苯甲醛反应生成红色的玫瑰吲哚，因此可根据细菌能否分解色氨酸产生吲哚来鉴定菌种（4）减饱和脱氨（直接脱氨）。氨基酸在脱氨的同时，其α.β键减饱和，结果生成不饱和酸。例如天门冬氨酸减饱和脱氨生成延胡索酸，反应式如下：

天门冬氨酸裂解酶

HOO-CH2-CHNH2-COOH-----------------→HOOC-CH=CH-COOH+NH3（5）氧化—还原偶联脱氨（Stickland反应）。Stickland发现在某些梭菌中存在由两种氨基酸参与的脱氨基反应，一种氨基酸被氧化，在脱氨的同时脱下氢和电子，同时另一种氨基酸被还原，得到氢和电子的同时脱下氨基。丙氨酸和甘氨酸的偶联反应如下：

CH3CHNH2COOHCH2NH2COOHNADNADH2

CH3COCOOH+NH3CH3COOH+NH3

该偶联反应不是在任意两种氨基酸之间发生的，下表列出了对应的氨基酸2．脱羧作用

氨基酸脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中。不同的氨基酸由相应的氨基酸脱羧酶催化脱羧，生成减少一个碳原子的胺和二氧化碳，通式如下：

氨基酸脱梭酶

R-CHNH2-COOH-------------→R-CH2-NH2+CO2脱羧酶具有高度专一性，需要磷酸吡哆醛为辅酶，大多数是诱导酶。一元氨基酸脱羧后变成一元胺；二元氨基酸脱羧后变成二元胺。这类物质统称为尸碱，有毒性。肉类蛋白质腐败后常生成二元胺，故不能食用。例如赖氨酸脱羧后变成尸胺，反应式如下：

赖氨酸脱梭酶

H2N(CH2)4CHNH2COOH-------------→H2N(CH2)4CH2NH2+CO2四、脂肪和脂肪酸的分解（一）脂肪的分解脂肪是脂肪酸的甘油三酯。在脂肪酶作用下，可水解生成甘油和脂肪酸，反应式如下:

CH2OCOR1脂肪酶CH2OHR1-COOHCH2OCOR2+3H2OCH2OH+R2-COOHCH2OCOR3CH2OHR3-COOH

能产生脂肪酶的微生物很多，有根霉、圆柱形假丝酵母、小放线菌、白地霉等。脂肪酶目前主要用于油脂工业、食品工业、纺织工业上。常用作消化剂、乳品增香、制造脂肪酸、绢丝的脱脂等。（二）脂肪酸的分解微生物分解脂肪酸主要是通过β-氧化途径。β-氧化是由于脂肪酸氧化断裂发生在β-碳原子上而得名。在氧化过程中，能产生大量的能量，最终产物是乙酰辅酶Ａ。而乙酰辅酶A是进入三羧酸循环的基本分子单元。

第三节微生物发酵的代谢途径

由于微生物种类繁多，能在不同条件下对不同物质或对基本相同的物质进行不同的发酵。而不同微生物对不同物质发酵时可以得到不同的产物，不同的微生物对同一种物质进行发酵，或同一种微生物在不同条件下进行发酵都可得到不同的产物，这些都取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件，现将食品工业中常见的微生物及其发酵途径介绍如下：☆概念：在生物氧化中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代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，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。☆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有EMP、HMP、ED和PK途径。☆发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+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过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+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、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。一发酵作用①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵丙酮酸的发酵产物

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶①酵母菌的乙醇发酵：※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。A、乙醇发酵★当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成

-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（或pH7）Saccharomyces

cerevisiae厌氧发酵酵母菌的一型和二型发酵原理（磺化羟基乙醛）概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）酒精生成量耗糖量/单位时间细胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效应(ThePasteureffect)现象：巴斯德效应（Pasteureffect）机理巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵母菌进行酒精发酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧条件下，酵母菌进行呼吸作用，糖的消耗速度较低，酒精产量也降低。呼吸抑制发酵作用的的现象巴斯德效应的本质是能荷调节。三磷酸腺苷(ATP)是为许多反应提供能量的高能磷酸化物,细胞中的ATP、ADP和AMP含量处于相对平衡的状态——细胞中的能量状态能荷（Energycharge）能荷（Energycharge）来表示细胞中的能量状态。能荷（EC）可用下式来表示：

系统中只有ATP时，EC值为1；只有AMP时，EC值等于0。在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼吸链产生ATP，细胞能荷较低。ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生产酒精的速度加快。②细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED利用Z.mobilis等细菌生产酒精优点：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：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低☆酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵

~脱羧酶~脱氢酶丙酮酸乙醛乙醇通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

☆细菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇发酵通过ED途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP☆细菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇发酵通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+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B、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。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆菌发酵:（经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸①同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcus

lactisLactobacillusplantarum②异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2磷酸戊糖酮解途径PK磷酸己糖解酮途径HK

2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶③双歧发酵C、混合酸发酵概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。发酵途径：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

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+2HpH﹤6.2产气产酸D、2,3-丁二醇发酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇

乙酰乳酸二乙酰3-羟基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有

-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。发酵途径：EMP第四章微生物的代谢根据微生物代谢过程中产生的代谢产物在微生物体内的作用不同，又可将代谢分成初级代谢与次级代谢两种类型。初级代谢是指能使营养物质转换成细胞结构物质、维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢。初级代谢的产物成为初级代谢产物。次级代谢是指某些微生物进行的非细胞结构物质和维持其正常生命活动的非必须物质的代谢。如一些微生物积累发酵产物的代谢过程（抗生素、毒素、色素等）。

微生物同其他生物一样都是具有生命的，新陈代谢作用贯穿于它们生命活动的始终，新陈代谢作用包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）。微生物细胞直接同生活环境接触，微生物不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，即同化作用，这是其生长、发育的物质基础；同时，又把衰老的细胞物质和从外界吸收的营养物质进行分解变成简单物质，并产生一些中间产物作为合成细胞物质的基础原料，最终将不能利用的废物排出体外，一部分能量以热量的形式散发，这便是异化作用。在上述物质代谢的过程中伴随着能量代谢的进行，在物质的分解过程中，伴随着能量代谢。这些能量一部分以热的形式散失，一部分以高能磷酸键的形式贮存在三磷酸腺苷（ATP）中，这些能量主要用于维持微生物的生理活动或供合成代谢需要。第四节微生物独特的合成代谢

所谓合成代谢，是指微生物利用能量将简单的无机或有机的小分子前体物质同化成高分子或细胞结构物质；合成代谢时，必须具备三个条件，那就是代谢能量、小分子前体物质和还原基,只有具备了这三个基本条件，合成代谢才能进行。微生物的合成代谢，有其独特的代谢途径，但多数代谢过程与高等生物相同或类似，如蛋白质的合成、核酸的合成。由于微生物蛋白质的合成和核酸的合成基本同一般生物的生化过程，限于篇幅，这里省略。第四节微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、微生物结构大分子——肽聚糖的生物合成四、微生物次生代谢物的合成一、自养微生物的CO2固定

各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条。两类自养生物固定CO2的条件和途径二、生物固氮

生物固氮作用：将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。（一）固氮微生物80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类：

1、自生固氮微生物

2、共生固氮微生物

3、联合固氮微生物1、自生固氮菌独立生活状况下能够固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大约只能固定10~20毫克氮。2、共生固氮菌

与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗

1克葡萄糖大约能固定280毫克氮。3、联合固氮菌

联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简单共生现象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。通常在水域环境中，共生性固氮系统不常见。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的作用，在无氧区主要是梭菌的作用。1、生物固氮反应的6要素固氮酶ATP的供应还原力及其传递载体还原底物—N2镁离子严格的厌氧微环境（二）固氮的生化机制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮总反应：ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-

Fd.2e-

Fd(Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo2NH3N22、固氮的生化途径氧障呼吸无氧呼吸发酵光合作用NAD(P)H+H+1）Fd向氧化型的固二氮酶还原酶的Fe提供1个e，变为还原型2）还原型的固二氮酶还原酶与ATP-Mg结合，改变构象3）固二氮酶在Mo上与分子氮结合，并与固二氮酶还原酶-ATP-Mg结合，形成完整的固氮酶4）电子转移，形成氧化型固二氮酶还原酶，同时形成ADP5）连续6次，固二氮酶放出2个NH3（三）好氧菌固氮酶避害机制

固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长期进化过程中，已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。1、好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（1）呼吸保护固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮酶。（2）构象保护在高氧分压条件下，Azotobacter

vinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。2、蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制蓝细菌光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高⑴分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。⑵非异形胞蓝细菌固氮酶的保护:能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到；通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，以便于进行固氮反应；通过提高过氧化物酶和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。3、豆科植物根瘤菌的抗氧保护机制只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；根瘤菌还能在根毛皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形状各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，膜的内外有能与O2结合的豆血红蛋白。肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。＊微生物结构大分子——肽聚糖的合成肽聚糖的合成合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移。合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。肽聚糖的合成过程依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖肽聚糖的合成第一阶段：在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。

这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-