第五章 微生物代谢与调控
1、代谢概论
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
丙酮酸的发酵产物
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
A、乙醇发酵
①酵母菌的乙醇发酵：
2ATP
C6H12O6
EMP
NAD NADH2
2CH3COCOOH
-2CO2
2CH3CHO
乙醇脱氢酶
2CH3CH2OH
※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。
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。
能荷（Energy charge）
HMP途径的总反应
耗能阶段
• C6
产能阶段
2C3
• 2C3
C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi
4 ATP 2ATP 2 丙酮酸 2NADH2
2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O
HMP途径的重要意义
•为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 •产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提 供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。 •与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可 以调剂戊糖供需关系。 •途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、 碱基合成、及多糖合成。 •途径中存在 3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利 用的碳源谱更为更为广泛。 •通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干 氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 •HMP 途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活 动对其中间产物的需要量相关。
（5）生物体提供能量的主要形式； （6）为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途 径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。
中间代谢产物
葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 核糖-5-磷酸 赤藓糖-4-磷酸 磷酸烯醇式丙酮 酸 丙酮酸 3-磷酸甘油酸 a-酮戊二酸 草酰乙酸 乙酰辅酶A
分解代谢起源
葡萄糖 半乳糖 多糖 EMP途径 HMP途径 HMP途径 EMP途径
（与EMP途径连接） ~~氧化酶
6-磷酸-葡萄酸
(与HMP途径连接) ~~脱水酶
EMP途径
3-磷酸-甘油醛
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
EMP途径
丙酮酸
~~醛缩酶
有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵
ED途径的特点
葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮 糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸 甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产 生2分子丙酮酸，1分子ATP。 •ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸 葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的 特征酶是KDPG醛缩酶. •反应步骤简单，产能效率低. • 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相 协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。 好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.
TCA循环的重要特点 （1）循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2, 并重新生成1分子草酰乙酸；
（2）整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将 NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；
（3）为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。
（4）循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前 体；
葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布
菌名 酿酒酵母 产朊假丝酵母 灰色链霉菌 产黄青霉 大肠杆菌 铜绿假单胞菌 嗜糖假单胞菌 枯草杆菌 氧化葡萄糖杆菌 真养产碱菌 运动发酵单胞菌 藤黄八叠球菌 EMP（%） 88 66~81 97 77 72 — — 74 — — — 70 HMP（%） 12 19~34 3 23 28 29 — 26 100 — — 30 ED（%） — — — — — 71 100 — — 100 100 —
由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖， 有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究 竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。
TCA循环
丙酮酸在进入三羧酸循 环之先要脱羧生成乙酰 CoA，乙酰CoA和草酰乙 酸缩合成柠檬酸再进入 三羧酸循环。 循环的结果是乙酰CoA 被彻底氧化成CO2和H2O， 每氧化1分子的乙酰CoA 可产生12分子的ATP， 草酰乙酸参与反应而本 身并不消耗。
EMP途径 ED途径 EMP途径 三羧酸循环 三羧酸循环
丙酮酸脱羧 脂肪氧 化
2.1.2递氢、受氢和ATP的产生
★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还 原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体 （氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 ★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微 生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.
•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
一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢 的核心问题。 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的 最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。 这就是产能代谢。
在生物合成中的作用
核苷糖类 戊糖 多糖贮藏物 核苷酸 脱氧核糖核苷酸 芳香氨基酸 芳香氨基酸 葡萄糖异生 CO2固定 胞壁酸合成 糖的运输 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 CO2固定 丝氨酸 甘氨酸 半胱氨酸 谷氨酸 脯氨酸 精氨酸 赖氨酸 天冬氨酸 赖氨酸 蛋氨酸 苏氨酸 异亮 氨酸 脂肪酸 类异戊二烯 甾醇
化能异养微生物 化能自养微生物
有机物 最初 能源 还原态无机物
通用能源 （ATP）
日光
光能营养微生物
2、微生物的能量代谢 生物氧化的概念 生物氧化就是发生在或细胞内的一切产能性氧化反应的总称 生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的 化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高 能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。 生物氧化的方式：
通风（有氧呼吸） 酒精生成量 低（接近零） 耗糖量/单位时间 少 细胞的繁殖 旺盛
缺氧（发酵） 高 多 很弱至消失
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
巴斯德效应（Pasteur effect）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。
ED途径
又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。 存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径 可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整 EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生 物中。
ATP ADP NADP+ NADPH2
葡萄糖
~~激酶
6-磷酸-葡萄糖
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。
分解代谢
复杂分子
（有机物）
合成代谢
简单小分子
ATP
[H]
按物质转化方式分：
分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。
合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分 子的过程。在这个过程中要消耗能量。
物质代谢：物质在体内转化的过程. •能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化 . 按代谢产物在机体中作用不同分：
ED途径的总反应
•
• • ATP • • •
ATP ADP
C6H12O6 KDPG
2ATP NADH2
NADPH2 2丙酮酸
6ATP
(有氧时经过呼吸链)
Hale Waihona Puke 2乙醇（无氧时进行细菌乙醇发酵）
关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶 相关的发酵生产：细菌酒精发酵 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
★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+ CH3CHO+NADH+H+ CH3COOH+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
②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）
③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）
底物脱氢的途径
(1)、EMP途径 (2)、HMP (3)、ED (4)、TCA
2.1化能异养微的生物氧化
2.1.1底物脱氢的途径
葡萄糖的酵解作用 ( 又称：EmbdenMeyerhof-Parnas途 径，简称：EMP途径)