微生物生理学.第四章第二节(GAI)

1、,复习思考： 在酵母菌的三型发酵中，盐分都起到什么作用？,I型发酵：NaCl过量，使乙醇发酵变为甘油发酵； II型发酵：NaHSO3的加入，使酵母生成甘油； III型发酵：Na2CO3调节发酵液的pH,回忆思考： 细菌走EMP途径进行乙醇发酵和酵母菌的乙醇发酵有什么不同？,第二节 微生物的呼吸作用,呼吸作用 发酵作用 电子 NAD(P)H 分子氧或者其它 基质本身未完全氧化的 外源电子受体 中间产物,有氧呼吸 无氧呼吸,一、有氧呼吸（aerobic respiration）,1、葡萄糖的有氧分解途径,（1）与EMP途径的异同 前半部分完全相同：生成两分子丙酮酸； 丙酮酸去向不同：,发酵中，丙酮

2、酸在厌氧条件下，可以形成各种发酵产物。,有氧呼吸中，丙酮酸进入三羧酸循环，被彻底氧化生成二氧化碳和水，并释放出大量能量。,丙酮酸进入三羧酸循环之前首先经丙酮酸脱氢酶（pyruvic acid dehydrogenase）催化脱羧生成乙酰CoA 。,（2）关于丙酮酸脱氢酶,是一种多酶复合物。由24个分子的丙酮酸脱氢酶（E1）、24个分子的二氢硫辛酸转乙酰酶和12个分子的二氢硫辛酸脱氢酶（E3）组成。 是一种在好氧条件下合成的酶。 丙酮酸在进入三羧酸循环之前，首先经丙酮酸脱氢酶催化脱羧生成乙酰CoA。 乙酰CoA在柠檬酸合成酶的催化下与草酰乙酸缩合成柠檬酸进入三羧酸循环。,在厌氧条件下，其活性受到

3、NADH抑制,2020/8/23,1-32,8,磷酸烯醇式丙酮酸,H2O,CoA-SH+H,柠檬酸,异柠檬酸,NAD,NADH+CO2,酮戊二酸,谷氨酸,NAD+H2O,NADH+NH4+H,琥珀酰辅酶A,NADH+CO2,CoA-SH+NAD,GDP+Pi,GTP+CoA-SH,琥珀酸,延胡索酸,FAD,FADH2,苹果酸,H2O,NAD,NADH+H,GTP,GDP+CO2,（3）三羧酸循环,大家思考： 从葡萄糖分解开始到最后生成二氧化碳和水，总共产生多少ATP？,2NADH 6ATP 基质水平磷酸化 2ATP 2NADH 6ATP 2丙酮酸 2NADPH 6ATP 2乙酰COA 2FAD

4、H 4ATP 葡萄糖 4NADH 12ATP 基质水平磷酸化 2ATP,为细胞提供生理活动的能量。 为细胞生物合成提供多种碳骨架和还原力。 三羧酸循环是糖、蛋白质和脂肪酸代谢的 桥梁。,2、三羧酸循环的生理功能,（1）柠檬酸 是三羧酸循环中的一个中间体，它可以广泛的应用于饮料、食品和某些工业部门。可以通过黑曲霉的工业发酵方式由葡萄糖过量合成。,3、有氧呼吸与柠檬酸的过量合成,柠檬酸过量合成途径分析： 1、由乙酰辅酶A和草酰乙酸缩合； 2、酶谱分析 柠檬酸合成酶、顺乌头酸酶、柠檬酸脱氢酶活性高； 丙酮酸羧化酶、异柠檬酸裂解酶活性也高。 3、TCA循环受阻,葡萄糖,黑曲霉的柠檬酸合成途径,4、厌氧

5、微生物获得它们所需的TCA循环中间代谢产物的途径,在厌氧条件下，一些兼性厌氧微生物和厌氧微生物不进行TCA循环，但这些微生物在他们的合成代谢活动中也需要TCA循环的各种中间产物。,其中一条支路以还原途径起作用，它将草酰乙酸与琥珀酸之间的正常反应途径逆转；另一条支路则是草酰乙酸和a-酮戊二酸之间进行的一系列氧化反应，即经氧化途径由柠檬酸合成a-酮戊二酸，经还原途径由草酰乙酸还原为琥珀酸。,在厌氧条件下，TCA被分成两条分叉的生物合成支路：,2H,CO2,草酰乙酸,2H,苹果酸,延胡索酸,琥珀酸,乙酰CoA,柠檬酸,异柠檬酸,2H,酮戊二酸,CO2,PEP羧化酶,在厌氧时，该反应被切断,丙酮酸脱氢

6、酶和a酮戊二酸脱氢酶的缺乏,5、回补途径,TCA循环中的一些主要成分，如草酰乙酸、琥珀酰CoA等是氨基酸、核苷酸、含卟啉环化合物合成的前体物质，在微生物生长过程中这些前体物质会不断消耗，因此需要不断的补充才能保证TCA循环的正常运行，即所谓的回补途径。,（1）乙醛酸循环, 有些微生物能利用乙酸或能够产生乙酸的物质生长，甚至以乙酸作为唯一能源进行生长。 利用乙酸生长的微生物体内含有乙酸激酶和磷酸转乙酰酶，可使乙酸转变成乙酰CoA。 细胞内含有异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶，前者催化异柠檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸，后者催化乙醛酸和乙酰CoA缩合生成苹果酸。,A、存在的证据,（1）柠檬酸合成酶 （2）顺

7、乌头酸酶 （3）异柠檬酸裂解酶 （4）苹果酸合成酶,B、循环途径,草酰乙酸,柠檬酸,乙酰辅酶A,乙酸,异柠檬酸,琥珀酸,乙醛酸,2H,延胡索酸,苹果酸,乙酰辅酶A,乙酸,（1）,（2）,（3）,（4）,C、循环中酶的特点, 如果有葡萄糖或其他容易被利用的糖存在时，乙醛酸循环中一些酶将受到抑制，这是一种代谢产物的阻遏作用。 乙醛酸循环中的酶在厌氧时失去作用，乙醛酸循环是不能进行的。,D、厌氧微生物能否利用乙酸？,、在厌氧条件下，许多细菌可以通过铁氧还蛋白催化的逆反应，由乙酰CoA合成丙酮酸，丙酮酸又可以被相应的酶催化的羧化反应生成草酰乙酸。因此，一些具有铁氧还蛋白的菌能在厌氧条件下利用乙酸。,、

8、克氏梭菌（Clostridium kluyveri）的乙醇乙酸发酵,在所有的梭菌发酵中，该菌只能在乙醇和乙酸的混合物作为能源时生长。,CH3CH2OH,NAD+,NADH,CH3CHO,FD,FDH2,CoA,NADH,NAD+,2H+,H2,CH3COCoA,CH3COCoA+乙酸+2NADH+2H+,丁酸+CoA+2NAD+H2O,（2） 羟天门冬氨酸途径,在脱氮小球菌里，乙酸可以通过转氨作用生成甘氨酸，然后又与另一个乙酸分子缩合生成羟天门冬氨酸，再经脱水生成草酰乙酸和氨。这条乙酸经羟天门冬氨酸到草酰乙酸的途径称为羟天门冬氨酸途径 。,乙酸,甘氨酸,乙酸, 羟天门冬氨酸,草酰乙酸,氨,（3

9、）其他的酶促羧化反应,A、丙酮酸羧化酶,在酵母菌以及球形节杆菌中，补偿作用由丙酮酸羧化酶催化完成。,CO2+CH3COCOOH+ATP+H2O,Mg2+,O=CCOOH CH2COOH,ADPPi,B、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,CO2,O HOOCCH2CCOOH+Pi,磷酸烯醇式丙酮酸,草酰乙酸,C、PEP羧基磷酸转移酶催化的反应,PEP+CO2+Pi 草酰乙酸+PPi,D、苹果酸酶,E、PEP羧化激酶,6、不完全氧化,TCA循环的一系列代谢变化，可使糖类彻底氧化成水和二氧化碳，但某些微生物则能使糖类发生部分氧化，例如醋酸菌属（Acetobacter）的细菌。下面以醋酸发酵为例来说明。,醋酸发

10、酵,乙醇在醋酸杆菌的作用下氧化为乙酸的过程。,醋酸发酵的步骤,第一：先由乙醇脱氢酶催化乙醇氧化为乙醛,第二：再经乙醛吸水形成水合乙醛,第三：水合乙醛在乙醛脱氢酶作用下生成醋酸,醋酸发酵全过程：,乙醇, O2,H2O,乙醛,丙酮酸,葡萄糖,葡萄糖酸,H2O,水合乙醛,NADP+,NADPH+H+,ETS,（电子传递链）,O2,醋酸,由于醋酸的生成，会改变体系的pH，我们要采取什么措施？,大家思考： 在实际醋酸生产中，从微生物发酵角度看，包括哪几个阶段？每个阶段由哪种微生物完成？,糖化：曲霉菌（甘薯曲霉AS3.324 、黑曲霉AS3.4309(UV-11)、宇佐美曲霉AS3.758 ） 酒精发酵：

11、 生产上一般采用子囊菌亚门酵母属中的酵母，但不同的酵母菌株，其发酵能力不同，产生的滋味和香气也不同。北方地区常用1300酵母，上海香醋选用工农501黄酒酵母。K字酵母适用于以高梁、大米、甘薯等为原料而酿制普通食醋。AS2.109、AS2.399适用于淀粉质原料，而AS2.1189、AS2.1190适用于糖蜜原料。 醋酸发酵：醋酸菌,关于醋酸杆菌,醋酸杆菌属： 39温度下可以生长，增殖的最适温度在30以上，主要作用是将酒精氧化为醋酸。在缺少乙醇的醋酸中，会继续把醋酸氧化成H2O和CO2，也能微弱氧化葡萄糖为葡萄糖酸。,葡萄糖氧化杆菌属： 能在低温下生长，增殖的最适温度在30以下，主要作用是将葡萄

12、糖氧化为葡萄糖酸，但不能继续把醋酸氧化为H2O和CO2。,醋酸菌的特性：,A、G-，有鞭毛，无芽孢，两端浑圆的杆状菌。,B、好氧，必须供给充足的氧气才能进行正常的发酵。在实施液体静止培养时，会在液面上形成菌膜，但葡萄糖氧化杆菌属不形成菌膜。在含有较高浓度乙醇和醋酸的环境中，醋酸杆菌对缺氧非常敏感，中断供氧会造成菌体死亡。,C、醋酸菌生长最适温度为28-33，醋酸菌不耐热，在60 下经10分钟即死亡。生长最适pH为3.5-6.5。一般的醋酸杆菌菌株在1.5-2.5%的醋酸浓度中，生长停止，（最高达7-9%）；耐酒精浓度为5-12%；耐食盐浓度低，为1-1.5%。,二、无氧呼吸（anaerobic respiration ）,在呼吸过程中，如果基质氧化放出的电子经呼吸链交给除氧以外的外源电子受体，则称为无氧呼吸。,1. 概念：,大多为无机物、特别是无机氧化物为最终电子受体。 呼吸链完整，或不完整或不清楚。 基质氧化彻底生成H2O和CO2或不彻底。,2. 特点:,代表:,硝酸盐还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原。,（1）硝酸盐还原（反硝化作用）,以硝酸盐为最终电子受体，能进行此反应的菌叫硝酸盐还原菌。,A、反应与种类,B、呼吸链种类,比一般细菌的呼吸链短，只能产生两个ATP。,硝酸盐还原菌的呼吸链,请思考： 从微生物学的角度解释铲地保肥