第五章 发酵机制

1. 第五章 发酵机制

2. 第一节 发酵过程中的相关概念 发酵机制的主题内容？ 研究发酵机制的目的？ 研究发酵机制的方法？

3. 一、发酵过程中的代谢问题 --------代谢 代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。

4. 分解代谢(catabolism) 代谢 合成代谢(anabolism) 　代谢（metabolism）： 细胞内发生的各种化学反应的总称 分解代谢 复杂分子 （有机物） [H] 简单小分子 ATP 合成代谢

6. 发酵本身是一种代谢过程，(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。因此发酵过程总是和分解代谢偶联的。发酵本身是一种代谢过程，(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。因此发酵过程总是和分解代谢偶联的。 但在发酵条件下,有机化合物常常只是部分地被氧化，因此，在释放出一小部分能量的同时伴随大量发酵终端产物的生成。

7. 二、发酵过程中的生物氧化问题 --------生物氧化 生物氧化是一个逐步分解并释放能量的过程，是一个产能代谢过程。

8. 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。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。

10. 微生物的生物氧化与产能 过程：脱氢（或电子） 递氢（或电子）  受氢（或电子） 功能：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。 葡萄糖降解代谢途径 生物氧化：发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）

11. 生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种 生物氧化的功能为： 产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物 微生物直接利用 生物 氧化 能量 储存在高能化合物（如ATP）中 以热的形式被释放到环境中 自养微生物利用无机物 异养微生物利用有机物

12. 第二节 微生物代谢（发酵）主要途径 一、 EMP 途径

13. ①活化 ②异构 ③活化 G 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 1，6-二磷酸果糖 1 4 6 1 P P 5 O C H C H O ④裂解 2 O 2 2 H 5 2 H O ⑤异构 3 6 4 3 P P P P P P P P P P P P 磷酸二羟丙酮 O H 磷酸甘油醛 H O ⑩产能 ⑦产能 ⑧异构 ⑨脱水 C O H H C O H OH O H C 2 1，3-二磷酸甘油酸 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 + ⑥脱氢

14. Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2P ATP ADP ATP ADP 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 E1:己糖激酶 NAD+ E2: 6-磷酸果糖激酶-1 NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 E3: 丙酮酸激酶 ADP ATP 3-磷酸甘油酸 乳 酸 NAD+ 2-磷酸甘油酸 NADH+H+ ATP ADP 丙 酮 酸 磷酸烯醇式丙酮酸 E1 E2 代谢途径 E3

15. 反 应 ATP 产生的能量 过程中ATP的消耗和产生 -1 葡 萄 糖 → 6-磷酸葡萄糖 6 - 磷酸果糖 → 1,6-二磷酸果糖 -1 1,3-二磷酸甘油酸 → 3-磷酸甘油酸 2× 1 2× 1 磷酸烯醇式丙酮酸 → 丙 酮 酸 葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+ +2H2O

16. 有氧时，2NADH进入线粒体经呼吸链氧化,原核生物又可产生6分子ATP,真核生物又可产生4分子的ATP再加上由底物水平的磷酸化形成的2个ATP，故共可产生原核2+6=8分子ATP；真核2+4=6分子ATP有氧时，2NADH进入线粒体经呼吸链氧化,原核生物又可产生6分子ATP,真核生物又可产生4分子的ATP再加上由底物水平的磷酸化形成的2个ATP，故共可产生原核2+6=8分子ATP；真核2+4=6分子ATP • 原核生物中,其电子传递链存在于质膜上,无需穿棱过程，而真核生物线粒体内膜是不能穿过NADH需要一个磷酸甘油穿棱系统。 • 无氧时，2NADH还原丙酮酸，生成2分子乳酸或乙醇，故净产生2分子ATP

17. EMP 的调控 • 细胞对酵解速度的调控是为了满足细胞对能量及碳骨架的需求。 • 在代谢途径中，催化不可逆反应的酶所处的部位是控制代谢反应的有力部位。 • 糖酵解中有三步反应不可逆，分别由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化，因此这三种酶对酵解速度起调节作用。

18. 二、HMP 途径

19. 3×6-磷酸葡萄糖+ 6 NADP+ 2× 6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛+6(NADPH+H+ ) + 3CO2 一、磷酸戊糖途径的概念 1.概念：以6-磷酸葡萄糖开始，在6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化下形成6-磷酸葡萄糖酸，进而代谢生成以磷酸戊糖为中间代谢物的过程，称为磷酸戊糖途径，简称PPP途径。又称磷酸已糖旁路 2.反应部位：胞浆

20. 二、磷酸戊糖途径的过程 第一阶段： 氧化反应 生成NADPH和CO2 第二阶段： 非氧化反应 一系列基团转移反应 (生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖)

21. 6-磷酸葡萄糖 + 2 NADP+ 5-磷酸核糖 + 2(NADPH+H+) + CO2 3×6-磷酸葡萄糖+ 6 NADP+ 2× 6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛+6(NADPH+H+ ) + 3CO2 3×5-磷酸核糖 2×6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛 磷酸戊糖途径二个阶段的反应式

22. 3NADPH 5-磷酸 木酮糖 3×5-磷 酸核酮糖 3CO2 5-磷酸 核糖 7-磷酸 景天糖 3-磷酸 甘油醛 3×6-磷酸 葡萄糖酸 3H2O 6-磷酸 果糖 5-磷酸 木酮糖 4-磷酸 赤藓糖 3×6-磷酸葡 萄糖酸内酯 3-磷酸 甘油醛 6-磷酸 果糖 3NADPH 3×6-磷 酸葡萄糖 磷酸戊糖途径总反应图 糖酵解途径

23. 6-磷酸葡萄糖(C6)×3 3NADP+ 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 3NADP+3H+ 6-磷酸葡萄糖酸内酯(C6)×3 6-磷酸葡萄糖酸(C6)×3 3NADP+ 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 3NADP+3H+ 3CO2 5-磷酸核酮糖(C5) ×3 5-磷酸核糖 C5 5-磷酸木酮糖 C5 5-磷酸木酮糖 C5 7-磷酸景天糖 C7 3-磷酸甘油醛 C3 4-磷酸赤藓糖 C4 6-磷酸果糖 C6 3-磷酸甘油醛 C3 6-磷酸果糖 C6 磷酸戊糖途径 第一阶段 第二阶段

24. CO2 C6 C5 C3 C3 C6 糖的分解代谢 CO2 C4 C4 C6 C5 C6 C7 C7 CO2 C6 C5 C3 C原子数目变化示意图

25. 磷酸戊糖途径小结 • 反应部位： • 胞浆 • 反应底物： • 6-磷酸葡萄糖 • 重要反应产物： • NADPH、5-磷酸核糖 • 限速酶： • 6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)

26. 磷酸戊糖途径的生物学意义 1、磷酸戊糖途径也是普遍存在的糖代谢的一种方式 2、产生大量的NADPH，为细胞的各种合成反应提供还原力 3、该途径的反应起始物为6-磷酸葡萄糖，不需要 ATP参与起始反应，因此磷酸戊糖循环可在低ATP浓度下进行。 4、此途径中产生的5-磷酸核酮糖是辅酶及核苷酸生物合成的必需原料。 5、磷酸戊糖途径是机体内核糖产生的唯一场所。

27. 磷酸戊糖途径的调节 • 磷酸戊糖途径的速度主要受生物合成时NADPH的需要所调节。 • NADPH反馈抑制6-P-葡萄糖脱氢酶的活性。

28. 三、ED 途径

29. ED途径(Entner-Doudoroff pathway)是1952年Entner和Doudoroff两人在研究嗜糖假单胞菌(Pseudomonas saccharvphila)时发现的。 在ED途径中，6-磷酸葡萄糖首先脱氢产生6-磷酸葡萄糖酸，接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。然后3-磷酸甘油醛进人EMP途径转变成丙酮酸。 1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和1分子NADH(图4-5)。 所以，ED途径中2个丙酮酸的来历不同，这2个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖的第1位和第4位碳原子。

30. ED途径中的特征性酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶，它催化2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂解生成一个丙酮酸和一个3-磷酸甘油醛。ED途径中的特征性酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶，它催化2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂解生成一个丙酮酸和一个3-磷酸甘油醛。 ED途径可不依赖于EMP途径和HMP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言，ED途径不如EMP途径经济。但其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得EMP途径须经10步反应才能获得的丙酮酸。

32. 四、 WD途径

33. WD途径以发现者名字Warburg、Dickens、Horecker命名的。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，所以又称磷酸解酮酶途径(phosphoketolase pathway)。根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的途径称为PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的途径叫HK途径。

34. PK途径是肠膜明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。首先将葡萄糖磷酸化，再将它氧化成6-磷酸葡萄糖酸，接着6-磷酸葡萄糖酸进一步氧化脱羧生成磷酸戊糖。PK途径关键性的反应是磷酸戊糖解酮酶催化的反应，使5-磷酸木酮糖裂解为乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，最终产物是乳酸、乙醇和CO2，并产生1分子的ATP。借助PK途径，微生物在厌氧条件下不仅可以利用葡萄糖，而且可以利用D-核糖、D-木糖和L-阿拉伯糖。PK途径是肠膜明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。首先将葡萄糖磷酸化，再将它氧化成6-磷酸葡萄糖酸，接着6-磷酸葡萄糖酸进一步氧化脱羧生成磷酸戊糖。PK途径关键性的反应是磷酸戊糖解酮酶催化的反应，使5-磷酸木酮糖裂解为乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，最终产物是乳酸、乙醇和CO2，并产生1分子的ATP。借助PK途径，微生物在厌氧条件下不仅可以利用葡萄糖，而且可以利用D-核糖、D-木糖和L-阿拉伯糖。

35. 双歧杆菌分解葡萄糖的途径是HK途径，特征酶是磷酸己糖解酮酶。该酶催化的反应是6-磷酸果糖裂解为4-磷酸赤藓糖和乙酰磷酸。1分子葡萄糖经HK途径最终产生1分子乳酸、1．5分子乙酸和2．5分子的ATP。由于肠膜明串珠菌和两歧双歧杆菌细胞内分别不存在或仅具有微量的1，6-二磷酸果糖醛缩酶和6一磷酸葡萄糖脱氢酶，说明这两种细菌基本上不具有EMP、HMP和ED三条途径。双歧杆菌分解葡萄糖的途径是HK途径，特征酶是磷酸己糖解酮酶。该酶催化的反应是6-磷酸果糖裂解为4-磷酸赤藓糖和乙酰磷酸。1分子葡萄糖经HK途径最终产生1分子乳酸、1．5分子乙酸和2．5分子的ATP。由于肠膜明串珠菌和两歧双歧杆菌细胞内分别不存在或仅具有微量的1，6-二磷酸果糖醛缩酶和6一磷酸葡萄糖脱氢酶，说明这两种细菌基本上不具有EMP、HMP和ED三条途径。

38. 以上四种途径(EMP途径、HMP途径、ED途径和WD途径)都是葡萄糖先经磷酸化然后逐步被降解的。而有些微生物，如假单胞菌属、气杆菌属和醋杆菌属等某些菌没有己糖激酶，不能将葡萄糖磷酸化，但具有葡萄糖氧化酶，这样就采用葡萄糖直接氧化途径。以上四种途径(EMP途径、HMP途径、ED途径和WD途径)都是葡萄糖先经磷酸化然后逐步被降解的。而有些微生物，如假单胞菌属、气杆菌属和醋杆菌属等某些菌没有己糖激酶，不能将葡萄糖磷酸化，但具有葡萄糖氧化酶，这样就采用葡萄糖直接氧化途径。

40. 丙酮酸的代谢 ---常见初级发酵产物 乳酸、乙酸、乙醇、TCA中间体、甲酸等等

41. 第三节 主要初级发酵产物

42. 一、乙醇发酵和甘油发酵 1．酵母菌发酵 酵母菌属的一些菌种利用葡萄糖进行发酵，根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌发酵分为以下三种类型。

43. (1)酵母菌的第一型发酵(乙醇发酵) 酵母菌的乙醇发酵是一种研究最早、发酵机制最清楚的发酵类型。在厌氧条件下，酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为2个丙酮酸，然后在乙醇发酵的关键酶-------丙酮酸脱羧酶的催化下，丙酮酸脱羧生成乙醛，接着在醇脱氢酶的作用下，EMP途径中生成的NADH将乙醛还原成乙醇。每分子葡萄糖发酵生成2个乙醇和2个C02，并净得2个ATP，即

44. 这是酵母的正常乙醇发酵，又称酵母的第一型发酵这是酵母的正常乙醇发酵，又称酵母的第一型发酵

45. (2)酵母菌的第二型发酵(甘油发酵) 在进行乙醇发酵的酵母代谢时，若在培养基中加入亚硫酸氢钠，则发酵就会从乙醇发酵转向甘油发酵。这是因为亚硫酸氢钠可与乙醛发生加成反应生成难溶的磺化羟基乙醛，致使乙醛不能作为NADH2的受氢体，所以不能形成乙醇，而迫使用磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成a-磷酸甘油。a-磷酸甘油进一步在a-磷酸甘油酯酶作用下水解脱磷酸而生成甘油，这称为酵母的第二型发酵。

46. 由上述反应式可以看出，利用亚硫酸盐发酵生产甘油时，每分子葡萄糖只产生1分子甘油，不产生ATP，为了提供维持菌体生长所需要的能量，必须控制亚硫酸氢钠的加入量(亚适量水平)，以保证一部分的糖可进行乙醇发酵，否则酵母菌将因为得不到能量而停止生长。由上述反应式可以看出，利用亚硫酸盐发酵生产甘油时，每分子葡萄糖只产生1分子甘油，不产生ATP，为了提供维持菌体生长所需要的能量，必须控制亚硫酸氢钠的加入量(亚适量水平)，以保证一部分的糖可进行乙醇发酵，否则酵母菌将因为得不到能量而停止生长。

47. (3)酵母菌的第三型发酵(甘油发酵) 在弱碱性条件下(pH 7．6)，酵母菌的乙醇发酵也会转向甘油发酵，这就是酵母菌的第三型发酵。 此时，乙醛因得不到足够的氢而积累，2个乙醛分子间会发生歧化反应，1分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另一个则作为还原剂被氧化为乙酸。 因此，第三型发酵除了有第二型发酵的甘油外，还有乙醇和乙酸。

49. 2．细菌的乙醇发酵 不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。如运动发酵单胞菌(zymomonas mobilis)和厌氧发酵单胞菌(Zymomonas anaerobia)是利用ED途径分解葡萄糖为丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛又被还原生成乙醇。由于发酵是经ED途径，所以每分子葡萄糖只能产生1分子ATP，产能是酵母乙醇发酵的一半，产生的乙醇仍是2分子。 对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌和兼性厌氧的肠杆菌则是利用EMP途径进行乙醇发酵。

50. 二、乳酸发酵（结合实例） 许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。它们的营养要求较复杂，培养时一般要补充一些动植物的组织液或酵母浸出液。由于乳酸分子中含有一个不对称碳原子，因此发酵产物就有D-乳酸、L-乳酸和DL-乳酸。它们是由具有不同立体专一性的乳酸脱氢酶作用的结果。根据产物的不同，乳酸发酵有三种类型，即同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。