04 第四章 微生物的代谢.ppt

第1页：第四章 微生物的代谢

第四章 微生物的代谢：微生物的新陈代谢包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用），物质代谢过程中伴随着能量代谢。

初级代谢

能使营养物质转换成细胞结构物质、维持正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢，其产物称为初级代谢产物。

次级代谢

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需物质的代谢，如抗生素、毒素、色素等发酵产物的积累过程。

分解过程中释放的能量一部分以热的形式散失，一部分以高能磷酸键形式贮存在ATP中，供微生物生理活动或合成代谢需要。

第2页：微生物的能量代谢

第一节 微生物的能量代谢：微生物在生命活动中需要的能量主要通过生物氧化获得。所谓生物氧化是指细胞内一切代谢物所进行的氧化作用，氧化过程中产生大量能量并分段释放，以高能磷酸键形式储藏在ATP分子内供需要时使用。

第3页：微生物的呼吸类型

一、微生物的呼吸（生物氧化）类型：根据底物氧化时脱下的氢和电子受体的不同，呼吸分为好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵三个类型。

发酵过程中有机物既是被氧化的基质又是最终电子受体，因氧化不彻底产能较少。

第4页：生物氧化链

二、生物氧化链：微生物从呼吸底物脱下的氢和电子向最终电子受体传递时，要经过一系列中间传递体并有顺序地进行，相互「连控」如同链条，故称为呼吸链（生物氧化链）。

• 主要由脱氢酶、辅酶Q和细胞色素等组分组成
• 真核生物主要存在于线粒体中；原核生物则与细胞膜、中间体结合在一起
• 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

第5页：ATP的产生

三、ATP的产生：生物氧化的结果不仅使许多还原型辅酶Ⅰ得到再生，更重要的是为生命活动获得能量。ATP的产生是电子从起始电子供体经呼吸链至最终电子受体的结果。

• 利用光能合成ATP称光合磷酸化；利用生物氧化释放的能量合成ATP称氧化磷酸化，后者在生物体内普遍存在
• （一）底物水平磷酸化：异化作用中间产物的高能磷酸转移给ADP形成ATP，如磷酸烯醇丙酮酸＋ADP → 丙酮酸＋ATP
• （二）电子传递磷酸化：通过呼吸链传递电子，将氧化释放的能量与ADP磷酸化偶联形成ATP；一个NAD分子经呼吸链氧化可产生3个ATP，分别位于辅酶Ⅰ与黄素蛋白之间、细胞色素b与c1之间、细胞色素c与a之间

第6页：微生物的分解代谢

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同样以糖类为主要碳源和能源。因此微生物的糖代谢是微生物代谢的重要方面。

第7页：微生物糖代谢的途径

一、微生物糖代谢的途径：主要途径有四种。

• EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnas Pathway）
• HMP途径（Hexose-Mono-Phosphate Pathway）
• ED途径（Entner-Doudoroff Pathway）
• PK途径（Phosphoketolase Pathway）

第8页：EMP途径

（一）EMP途径：也称己糖双磷酸降解途径或糖酵解途径。特点是葡萄糖转化成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，再转化为2分子丙酮酸。过程由以下10个连续反应组成。

• ⑴葡萄糖＋ATP →（己糖激酶）6-磷酸葡萄糖＋ADP
• ⑵6-磷酸葡萄糖 →（磷酸己糖异构酶）6-磷酸果糖
• ⑶6-磷酸果糖＋ATP →（磷酸己糖激酶）1,6-磷酸果糖＋ADP
• ⑷1,6-二磷酸果糖 →（醛缩酶）磷酸二羟丙酮＋3-磷酸甘油醛
• ⑸磷酸二羟丙酮 →（磷酸丙糖异构酶）3-磷酸甘油醛
• ⑹3-磷酸甘油醛＋NAD＋H₃PO₄ →（3-磷酸甘油醛脱氢酶）1,3-二磷酸甘油酸＋NADH₂
• ⑺1,3-二磷酸甘油酸＋ADP →（3-磷酸甘油酸激酶）3-磷酸甘油酸＋ATP
• ⑻3-磷酸甘油酸 →（磷酸甘油酸变位酶）2-磷酸甘油酸
• ⑼2-磷酸甘油酸 →（烯醇化酶）磷酸烯醇式丙酮酸＋H₂O
• ⑽磷酸烯醇式丙酮酸＋ADP →（丙酮酸激酶）丙酮酸＋ATP

总反应式：C₆H₁₂O₆＋2NAD＋2(ADP＋Pi) → 2CH₃COCOOH＋2ATP＋2NADH₂

第9页：关于EMP途径的讨论

关于EMP途径的讨论

• EMP是生物体内6-磷酸葡萄糖转变为丙酮酸最普遍的反应过程，关键酶是磷酸己糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶；多数情况下与HMP途径同时存在于同一种微生物中，只有在含牛肉汁酵母膏的复杂培养基上生长的同型乳酸细菌可将其作为唯一降解途径
• 生成的NADH₂不能积累，必须重新氧化为NAD才能推动反应持续进行
• 厌氧及兼性厌氧微生物在无氧条件下，NADH₂的受氢体可以是丙酮酸（乳酸发酵）或乙醛（酒精发酵）
• 好氧微生物及有氧条件下的兼性厌氧微生物，丙酮酸经三羧酸循环彻底氧化生成CO₂，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（TCA）总反应式：C₆H₁₂O₆＋6O₂＋38(ADP＋Pi) → 6CO₂＋6H₂O＋38ATP

第10页：HMP途径

（二）HMP途径：也称己糖单磷降解途径或磷酸戊糖循环。特点是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；3分子磷酸戊糖在转酮酶和转醛酶作用下又生成2分子磷酸己糖和1分子磷酸丙糖。反应步骤可分为十一步。

• ⑴葡萄糖＋ATP →（己糖激酶）6-磷酸葡萄糖＋ADP
• ⑵6-磷酸葡萄糖＋NADP →（磷酸葡萄糖脱氢酶）6-磷酸葡萄糖内酯＋NADPH₂
• ⑶6-磷酸葡萄糖内酯＋H₂O →（内酯酶）6-磷酸葡萄糖酸
• ⑷6-磷酸葡萄糖酸＋NADP →（磷酸葡萄糖酸脱氢酶）5-磷酸核酮糖＋NADPH₂＋CO₂
• ⑸5-磷酸核酮糖 →（异构酶/表异构酶）5-磷酸核糖、5-磷酸木酮糖
• ⑹～⑼转酮酶与转醛酶催化生成7-磷酸景天庚酮糖、6-磷酸果糖、4-磷酸赤藓糖、3-磷酸甘油醛等
• ⑽1,6-二磷酸果糖 →（磷酸酯酶）6-磷酸果糖＋H₃PO₄
• ⑾6-磷酸果糖 → 6-磷酸葡萄糖

完全HMP途径总反应式：6-磷酸葡萄糖＋7H₂O＋12NADP → 6CO₂＋12NADPH₂＋H₃PO₄

第11页：关于HMP途径的讨论

关于HMP途径的讨论

• 关键酶系是6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（催化脱氢脱羧）和转酮—转醛酶系（催化三碳至七碳糖相互转化）；反应到第⑻步为止为不完全HMP途径
• 只有NADP参与反应；有氧条件下NADPH₂可经转氢酶将氢转给NAD，再经呼吸链形成水并产生ATP
• HMP途径不是主要产能途径，主要为细胞生物合成提供供氢体（NADPH₂）以及C3、C4、C5、C6、C7等前体物质，特别是合成核酸、某些辅酶及组氨酸、芳香族氨基酸、对氨基苯甲酸的重要底物磷酸戊糖
• HMP途径与化能自养菌和光合细菌的碳代谢有密切联系，普遍存在于微生物细胞中；目前发现只有亚氧化醋酸杆菌能以HMP途径作为唯一降解途径

第12页：ED途径

（三）ED途径：也称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径，在醛缩酶（KDPG aldolase）作用下裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛，后者再经EMP途径后半部反应转化为丙酮酸。

• 途径：葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖酸 → 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸 → 丙酮酸＋3-磷酸甘油醛
• 总反应式：C₆H₁₂O₆＋ADP＋Pi＋NADP＋NAD → 2CH₃COCOOH＋ATP＋NADPH₂＋NADH₂
• 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
• 是糖类的厌氧降解途径，在细菌尤其是革兰氏阴性菌中分布很广，如嗜糖假单胞杆菌、发酵假单胞菌、铜绿色假单胞杆菌

第13页：PK途径

（四）PK途径：也称磷酸解酮酶途径，为少数细菌所独有。磷酸解酮酶有两种：戊糖磷酸解酮酶和己糖磷酸解酮酶。

• 进行异型乳酸发酵的微生物如肠膜明串球菌、短乳酸杆菌、甘露乳酸杆菌等通过戊糖磷酸解酮酶途径发酵
• 途径：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＋乙酰磷酸 → 乳酸＋乙醇
• 总反应式：C₆H₁₂O₆＋ADP＋Pi → CH₃CHOHCOOH＋CH₃CH₂OH＋CO₂＋ATP
• 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，且几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO₂

第14页：多糖的分解

二、多糖的分解：主要讨论淀粉、纤维素、果胶质的分解。

（一）淀粉的分解：淀粉是多种微生物的碳源原料，是葡萄糖的多聚物，分直链淀粉和支链淀粉。微生物分泌的淀粉酶催化其水解，主要类型如下。

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：纤维素酶由C₁酶、C_x酶和纤维二糖酶组成，水解过程为天然纤维素 → 水合纤维素分子 → 纤维二糖 → 葡萄糖。生产菌种常有绿色木霉、康氏木霉及某些放线菌和细菌。

（三）果胶质的分解：果胶是植物细胞间隙物质，为半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键结合成的直链状分子，羧基大部分形成甲基酯，不含甲基酯者称果胶酸；在酸和糖存在下可形成果冻。果胶经果胶酯酶生成甲醇和果胶酸，再经聚半乳糖醛酸酶生成半乳糖醛酸。

第15页：蛋白质的分解

三、蛋白质的分解（一）：蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大、结构复杂的化合物，不能直接进入细胞。微生物利用蛋白质时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后再进入细胞。

• 通式：蛋白质 →（蛋白酶）多肽、氨基酸
• 产酶菌种很多，细菌、放线菌、霉菌中均有；不同菌种可产生不同蛋白酶，如黑曲霉主要产酸性蛋白酶，短小芽孢杆菌用于生产碱性蛋白酶；同一菌种也可产生多种性质不同的蛋白酶

第16页：氨基酸的分解

（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：①氧化脱氨，需在有氧条件下进行，专性厌氧菌不能进行，催化酶有以FAD或FMN为辅基的氨基酸氧化酶和以NAD或NADP为氢载体的氨基酸脱氢酶，通式2R-CHNH₂-COOH＋O₂ → 2R-CO-COOH＋2NH₃；②还原脱氨，在无氧条件下进行并生成饱和脂肪酸，见于专性厌氧菌和兼性厌氧菌；③水解脱氨，通式R-CHNH₂-COOH＋H₂O → R-CHOH-COOH＋NH₃，有些细菌水解色氨酸生成吲哚，与二甲基氨基苯甲醛反应生成红色玫瑰吲哚，可用于菌种鉴定；④减饱和脱氨（直接脱氨），生成不饱和酸，如天冬氨酸裂解生成延胡索酸；⑤氧化—还原偶联脱氨（Stickland反应），由两种氨基酸参与，一种被氧化脱氨、另一种被还原脱氨
• 2．脱羧作用：常见于腐败细菌和真菌中，通式R-CHNH₂-COOH →（氨基酸脱羧酶）R-CH₂-NH₂＋CO₂；脱羧酶需磷酸吡哆醛为辅酶，多数为诱导酶；一元氨基酸脱羧生成一元胺，二元氨基酸脱羧生成二元胺，统称尸碱，有毒性；如赖氨酸脱羧生成尸胺

说明：原文在Stickland反应处提到「下表列出了对应的氨基酸」，但源文本未提取到该表内容，此处未予补全，建议对照原图补充。

第17页：脂肪和脂肪酸的分解

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，在脂肪酶作用下水解生成甘油和脂肪酸（CH₂OCOR₁等＋3H₂O → 甘油＋R-COOH）；产脂肪酶的微生物有根霉、圆柱形假丝酵母、小放线菌、白地霉等；脂肪酶用于油脂工业、食品工业、纺织工业，可作消化剂、乳品增香、制造脂肪酸、绢丝脱脂等
• （二）脂肪酸的分解：微生物分解脂肪酸主要通过β-氧化途径，脂肪酸的氧化断裂发生在β-碳原子上

第18页：微生物发酵的代谢途径

第三节 微生物发酵的代谢途径：微生物种类繁多，能在不同条件下对不同物质或基本相同的物质进行不同发酵。不同微生物对同一种物质发酵，或同一种微生物在不同条件下发酵都可得到不同产物，这取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件。以下介绍食品工业中常见的微生物及其发酵途径。

第19页：醋酸发酵

一、醋酸发酵：参与醋酸发酵的微生物主要是细菌，统称醋酸细菌。

• 好氧性醋酸细菌：如纹膜醋酸杆菌、氧化醋酸杆菌、巴氏醋酸杆菌、氧化醋酸单胞菌等，在有氧条件下将乙醇直接氧化为醋酸（脱氢加水过程），总反应式CH₃CH₂OH＋O₂ → CH₃COOH＋H₂O＋117千卡，是制醋工业的基础
• 厌氧性醋酸细菌：如热醋酸梭菌、胶醋酸杆菌等；热醋酸梭菌通过EMP途径发酵葡萄糖产生3M醋酸，总反应式C₆H₁₂O₆＋4(ADP＋Pi) → 3CH₃COOH＋4ATP，是我国酿造糖醋的主要途径
• 醋酸发酵液可供食用，也可提纯制成重要化工原料冰醋酸

第20页：柠檬酸发酵

二、柠檬酸发酵：能够累积柠檬酸的霉菌以曲霉属（Aspergillus）、青霉属（Penicillium）和桔霉属（Citromyces）为主，其中黑曲霉、米曲霉、灰绿青霉、淡黄青霉、光桔霉等产酸量最高。柠檬酸发酵广泛用于制造柠檬酸盐、香精、饮料、糖果、发泡缓冲剂等，在食品工业中起重要作用。

第21页：酒精发酵

三、酒精发酵：酒精发酵是酿酒工业的基础，与白酒、果酒、啤酒及酒精生产密切相关。进行酒精发酵的微生物主要是酵母菌（如啤酒酵母），此外发酵单胞菌、嗜糖假单胞菌、解淀粉欧文氏菌等少数细菌也能进行。

• 第一型发酵：酵母菌在无氧条件下将葡萄糖经EMP途径分解为2分子丙酮酸，在丙酮酸脱羧酶作用下脱羧生成乙醛和CO₂，乙醛被还原为乙醇；总反应式C₆H₁₂O₆＋2ADP＋2Pi → 2CH₃CH₂OH＋2CO₂＋2ATP
• 第二型发酵：加入亚硫酸氢钠，其与乙醛加成生成难溶的磺化羟乙醛，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作受氢体生成α-磷酸甘油，再脱磷酸生成甘油；总反应式C₆H₁₂O₆＋NaHSO₃ → 甘油＋磺化羟乙醛
• 第三型发酵：控制发酵液呈碱性，两分子乙醛发生歧化反应，一分子氧化为乙酸、另一分子还原为乙醇，磷酸二羟丙酮作受氢体最终形成甘油；总反应式2C₆H₁₂O₆ → 2甘油＋乙酸＋乙醇＋2CO₂

第22页：乳酸发酵

四、乳酸发酵：产生大量乳酸的细菌称为乳酸细菌。发酵产物只有乳酸的称同型乳酸发酵，产物中除乳酸外还有乙醇、乙酸及CO₂等的称异型乳酸发酵。

• （一）同型乳酸发酵：由链球菌属、乳酸杆菌属等引起，基质主要是己糖，经EMP途径降解为丙酮酸后不经脱羧，直接被乳酸脱氢酶还原为乳酸；总反应式C₆H₁₂O₆＋2ADP＋2Pi → 2CH₃CHOHCOOH＋2ATP
• （二）异型乳酸发酵：基本通过磷酸解酮酶（PK）途径进行，肠膜明串球菌、短乳杆菌等将1分子葡萄糖发酵产生1分子乳酸、1分子乙醇和1分子CO₂，只产生1分子ATP；总反应式C₆H₁₂O₆＋ADP＋Pi → CH₃CHOHCOOH＋CH₃CH₂OH＋CO₂＋ATP
• 乳酸发酵广泛用于泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青贮饲料，乳酸积累可抑制其他微生物生长，使蔬菜、牛奶及饲料得以保存

第23页：微生物独特的合成代谢

第四节 微生物独特的合成代谢：合成代谢是指微生物利用能量将简单的无机或有机小分子前体物质同化成高分子或细胞结构物质。合成代谢必须具备三个条件：代谢能量、小分子前体物质和还原基。微生物的合成代谢有其独特途径，多数过程与高等生物相同或类似（如蛋白质与核酸的合成），本章主要要求了解微生物独特的肽聚糖生物合成代谢途径。