06-第五章-微生物的代谢和发酵-食品微生物学-江南大学

2019/12/8southernyangtzeuniversity1第五章微生物的代谢和发酵MicrobialMetabolismandfermentation2019/12/8southernyangtzeuniversity22010-2-8southernyangtzeuniversity2本章重要内容•代谢概论•微生物的代谢•微生物的代谢调控与发酵生产•代谢调控在发酵工业中的应用2019/12/8southernyangtzeuniversity3第一节代谢概论2019/12/8southernyangtzeuniversity42010-2-8southernyangtzeuniversity4新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。新陈代谢=分解代谢+合成代谢分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。2019/12/8southernyangtzeuniversity52010-2-8southernyangtzeuniversity5分解代谢和合成代谢的关系2019/12/8southernyangtzeuniversity62010-2-8southernyangtzeuniversity6能量与代谢关系示意图2019/12/8southernyangtzeuniversity72010-2-8southernyangtzeuniversity7代谢的类型按物质转化方式分：•分解代谢：•合成代谢：•能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化•物质代谢：物质在体内转化的过程.按代谢产物在机体中作用不同分：•初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型；•产物：氨基酸、核苷酸等.•次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；•产物：抗生素、色素、激素、生物碱等2019/12/8southernyangtzeuniversity8第二节微生物的能量代谢2019/12/8southernyangtzeuniversity92010-2-8southernyangtzeuniversity9能量代谢是新陈代谢中的核心问题。其任务，是生物体把外界环境中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—ATP有机物日光通用能源（ATP）还原态无机物化能异养菌光能营养菌化能自养菌2019/12/8southernyangtzeuniversity102010-2-8southernyangtzeuniversity10生物氧化与普通氧化反应的区别比较项目燃烧生物氧化步骤一步式快速反应多步式梯级反应条件激烈温和催化剂无酶产能形式热、光大部分为ATP能量利用率低高2019/12/8southernyangtzeuniversity112010-2-8southernyangtzeuniversity11生物氧化•生物氧化的功能–产能（ATP）–产还原力[H]–产小分子中间代谢产物•生物氧化过程–底物脱氢（或脱电子):该底物称作电子供体或供氢体–递氢（电子）:需中间传递体，如NAD、FAD等–氢受体接受氢（或电子）2019/12/8southernyangtzeuniversity122010-2-8southernyangtzeuniversity12化能异养微生物的生物氧化和产能•底物脱氢–EMP途径–HMP途径–ED途径–TCA循环•递氢与受氢–呼吸–无氧呼吸–发酵2019/12/8southernyangtzeuniversity132010-2-8southernyangtzeuniversity13一、底物脱氢的四条主要途径•EMP途径糖酵解途径(Glycolysis)己糖二磷酸途径(Hexosediphosphatepathway)•HMP途径•ED途径•PK途径2019/12/8southernyangtzeuniversity142010-2-8southernyangtzeuniversity141.底物脱氢的途径2019/12/8southernyangtzeuniversity152010-2-8southernyangtzeuniversity15EMP途径葡萄糖的酵解作用(又称：Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称：EMP途径)2019/12/8southernyangtzeuniversity162010-2-8southernyangtzeuniversity16EMP途径的意义•具有EMP途径的微生物–多种微生物的代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢产物作为合成原料•EMP途径的生理功能–ATP和还原力NADH2–连接其他代谢途径的桥梁：TCA、HMP、ED–中间代谢产物–逆向反应进行多糖合成•EMP途径与人类的关系–乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇发酵2019/12/8southernyangtzeuniversity172010-2-8southernyangtzeuniversity17EMP途径关键步骤1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸2019/12/8southernyangtzeuniversity182010-2-8southernyangtzeuniversity18EMP途径简图及总反应式2019/12/8southernyangtzeuniversity192010-2-8southernyangtzeuniversity19HMP途径•戊糖磷酸途径HexoseMonophosphatePathway•从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。•HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。•HMP途径的特点–葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化–产生大量的NADPH+H+形式的还原力–重要中间代谢产物的形成2019/12/8southernyangtzeuniversity202010-2-8southernyangtzeuniversity202019/12/8southernyangtzeuniversity212010-2-8southernyangtzeuniversity21HMP途径的三个阶段2019/12/8southernyangtzeuniversity222010-2-8southernyangtzeuniversity22具有HMP途径的微生物•多数好氧菌和兼性厌氧菌•只有HMP途径而无EMP途径的微生物–Acetobactersuboxydans–Gluconobacteroxydans–Acetomonasoxydans2019/12/8southernyangtzeuniversity232010-2-8southernyangtzeuniversity23ED（Entner-DoudoroffPathway）途径•ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。•ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。•ED途径不如EMP途径经济：–1molATP/1molGlucose•ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广•Pseudomonassaccharophila•Pseudomonasaeruginosa•Pseudomonasfluorescens•Pseudomonaslindneri•Z.mobilis•Alcaligeneseutrophus2019/12/8southernyangtzeuniversity242010-2-8southernyangtzeuniversity242019/12/8southernyangtzeuniversity252010-2-8southernyangtzeuniversity25ED途径的意义•ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在–少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径•细菌酒精发酵（运动发酵单胞菌):[ED途径]C6H12O6+ADP2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O–优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。–缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低2019/12/8southernyangtzeuniversity262010-2-8southernyangtzeuniversity26（四）磷酸酮解途径•磷酸酮解酶途径：–磷酸戊糖酮解途径（PK）途径–磷酸己糖酮解途径（HK）途径•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。•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己糖裂解为2个三碳糖。2019/12/8southernyangtzeuniversity272010-2-8southernyangtzeuniversity27•磷酸戊糖酮解途径的特点:–分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;–几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2•磷酸己糖酮解途径的特点：–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，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-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ADP生成ATP的反应相偶联；–每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；–许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。2019/12/8southernyangtzeuniversity282010-2-8southernyangtzeuniversity28二、递氢和受氢•根据递氢和氢受体的不同，将生物氧化分为•A.呼吸•B.无氧呼吸•C.发酵2019/12/8southernyangtzeuniversity292010-2-8southernyangtzeuniversity29化能异养微生物的生物氧化和产能•生物氧化的方式•发酵（fermentation)有氧呼吸•呼吸作用（aerobicrespiration）硝酸盐呼吸无氧呼吸碳酸盐呼吸（anaerobicrespiration）硫酸盐呼吸2019/12/8southernyangtzeuniversity302010-2-8southernyangtzeuniversity30(一)发酵定义：没有最终外源电子受体的生物氧化方式。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。特点：底物水平磷酸化是发酵过程中唯一获取能量的方式，因而产能效率很低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。2019/12/8southernyangtzeuniversity312010-2-8southernyangtzeuniversity31发酵的类型根据发酵产物的种类有•乙醇发酵–⑴由EMP途径中丙酮酸出发的：酵母型酒精发酵–⑵通过HMP途径的发酵的：细菌的异型酒精发酵–⑶通过ED途径的发酵：细菌的同型酒精发酵•乳酸发酵–⑴由EMP途径中丙酮酸出发的：细菌的同型乳酸发酵–⑵通过HMP途径：细菌的异型乳酸发酵•丙酸发酵•丁酸发酵•混合酸发酵•丁二醇发酵•乙酸发酵。2019/12/8southernyangtzeuniversity322010-2-8southernyangtzeuniversity32常见的六条发酵途径1.酒精发酵2.同型乳酸发酵