第7章 发酵机制

2）碳源的有氧分解
有氧分解葡萄糖时，出现异常代谢，就有可能导致 代谢途径中某一中间产物的积累，而成为人类所需的发 酵产品。在发酵工业中，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵以 及很多的抗生素发酵生产，就是人为干扰微生物菌体内 葡萄糖分解代谢，而造成一些中间产物或次级代谢产物 的积累。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢
微生物发酵 主要产品
微生物 菌体
微生物酶
微生物 代谢产物
微生物的 生物转化
厌氧发 酵产物
好氧发 酵产物
酒精
丙酮丁醇
氨基酸
蛋白质
柠檬酸
核苷酸
抗生素
ATP 葡萄糖 ⑴
己糖激酶
ADP
⑵
葡萄糖-6-磷酸
乳酸
+ ⑿ +2H
果糖-6-磷酸 乙醇 ⒁ 2NAD+
磷酸果糖 激酶
⑶
ATP Mg2+ ADP
果糖-1，6-二磷酸 ⑷ 二羟丙酮 ⑸ 甘油醛3-磷酸 磷酸
1）糖酵解（EMP）途径是单糖分解的一条重要途径 它存在于各种细胞中，它是葡萄糖有氧、无氧分解 的共同途径。
2）EMP途径的每一步都是由酶催化的，其关键酶有 已糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。
3）当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数几 步反应转化为糖酵解途径的中间产物，这时从葡萄 糖合成细胞组成成分的标准反应数序列同样有效。
1 微生物发酵机理
1.2 厌氧发酵产物的合成机制
绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为能源和碳源。 因此，葡萄糖的分解代谢、能量转化规律，具有 生物学意义。 糖酵解(glycolysis)：葡萄糖经过1，6二磷酸果糖生
成3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再降解生成丙酮酸并产 生ATP的代谢过程称为糖降解。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解的特点：
自养微生物对CO2的固定
卡尔文循环（Calvin cycle） 还原性三羧酸循环途径
厌氧乙酰-CoA途径 羟基丙酸途径
卡尔文循环（Calvin个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将 3个CO2固定,并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。 还原反应
Purple Nonsulfur Bacterial Photosynthesis
Green Sulfur Bacterial Photosynthesis
化能自养微生物的能量代谢
CO2为主要或唯一碳源，以还原态无机 化合物（NH4+、NO2-、H2S、H2和Fe2+ 等）的生物氧化获得能量和还原力[H]的 微生物称为化能自养微生物。 氢细菌 硝化细菌 硫细菌 铁细菌
糖酵解途径（EMP途径）从葡萄糖到丙酮酸共有十步 反应，分别由十种酶催化。分为三个阶段： 1）由葡萄糖到葡萄糖经过1，6二磷酸果糖，该过程包 括三步反应，是需能过程，消耗2个分子ATP。
2） 1，6二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛，包括两步 反应。 3） 3-磷酸甘油醛经过5步反应生成丙酮酸，这是氧化 产能步骤。
分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的
大分子 的过程。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 微生物的碳素营养物质主要包括淀粉、纤维素、 半纤维素、几丁质和果胶多糖类及其水解产物，其 中最重要的是淀粉（？）及其水解产物——葡萄糖。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 1）碳源的厌氧分解 兼性和专性厌氧菌均能在无氧的条件下，对葡萄 糖进行分解，并可生成多种多样的代谢产物。正是 利用微生物的这些转化特性，形成了许多工业发酵
产品，如酒精、乳酸、丙酮与丁醇等。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢
发 酵 工 程
第五章 第六章 第七章 第九章 第十章 第十一章
第八章 发酵动力学
第十二章 展望
第七章 微生物发酵机制
1 微生物基础物质代谢 2 厌氧发酵产物的合成机制
3 好氧发酵产物合成机制
微生物发酵机理：是指微生物通过其代谢活 动,利用基质合成人们所需要的产物的内在规 律。 发酵机理研究的内容: 研究微生物的生理代
发酵工程
南阳师范学院 生命科学与技术学院
2009-2010
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
第一章
第二章 第三章
发酵工程总论
发酵设备 发酵工业原料及其处理
第四章
发酵工业灭菌
发酵菌种的制备 发酵工业放大 微生物发酵机制 发酵过程工艺控制 发酵染菌及防治 发酵工业废物、废水处理和资源化技术
microbes）
一切生命活动都是耗能反应，因此在微生物生理活 动中能量代谢是至关重要的。
微生物能量代谢的中心任务是：微生物如何把外界环境 中多种形式的最初能源转换成生命活动能使用的通用能 源—ATP。 研究微生物能量代谢的机制实质上就是追踪多种形式的 最初能源如何转化并释放出ATP的过程。微生物可以直 接从外界获得能量，还可以通过异化，将吸收进体内的 物质降解或氧化，从而获得能量。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制
糖酵解的特点：
在缺氧条件下，细胞进行无氧酵解，仅获得有 限的能量以维持生命活动，丙酮酸继续进行代 谢可产生酒精、乳酸等厌氧代谢产品。
在有氧条件下，细胞进行有氧代谢生成丙酮酸 后，进入TCA循环，其发酵产品有柠檬酸、氨 基酸及其他有机酸等。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制
乙醇发酵
乳酸发酵
混合酸与丁二醇发酵 丙酮-丁醇发酵
不 同 发 酵 产 物
乙醇发酵 包括酵母型乙醇发酵和细菌型乙醇发酵两种 乳酸发酵 同型乳酸发酵：由葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸， 直接作为氢受体被NADH+H+还原而全部生成乳酸的 一种发酵。 异型乳酸发酵：发酵产物中除了乳酸还有一些乙醇 （或乙酸）和CO2 等的发酵。 混合酸与丁二醇发酵——以EMP途径为基础的发酵 产物中有多种有机酸的发酵。 丙酮-丁醇发酵 Stickland反应：以一种氨基酸作底物，而以另一 种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵 类型。
⑵ 磷酸葡萄糖异构（glucosephosphate isomerase） ⑶ 磷酸果糖激酶（phosphofructokinase） ⑷ 醛缩酶（aldolase） ⑸ 磷酸丙糖异构酶（triose phosphofructokinase） ⑹ 磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde phosphate dehydrogenase） ⑺ 磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase） ⑻ 磷酸甘油酸变位酶（phosphoglyceromutase） ⑼ 烯醇化酶（enolase） ⑾ 非酶促反应 ⑽ 丙酮酸激酶（pyruvate kinase） ⑿ 乳酸脱氢酶（alcohol dehydrogenase）
产能途径（四种）
EMP（Embden-Meyerhof-parans）途径
（糖酵解途径或二磷酸己糖途径）
HMP途径（Hexose monophosphate）途径 （磷酸戊糖途径或旁路）属循环途径 ED途径（Entner-Doundoroff）途径 （2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解途径）
Stickland 反应
Respiration 呼吸
Aerobic respiration 有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体 的呼吸。
Anaerobic respiration 无氧呼吸：以氧以外的其他氧化型 化合物作为最终电子受体的呼吸。
巴斯德效应：由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要比在 发酵中产生的多，所以在有氧条件下，兼性厌氧微生物终止 厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵的现象称为巴 斯德效应。 Respiration chain 呼吸链：指从葡萄糖或其他氧化型化合 物上脱下的氢（电子）经过一系列按照氧化还原势由低到高 顺序排列的氢（电子）传递体，定向有序的传递系统。
丙酮酸 ⑾ 2CO2
乙醛 +2H
+
烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽
丙酮酸激 酶
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O 2-磷酸甘油酸
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
糖酵解和酒精发酵的全过程


⑴ 己糖激酶（hexokinase）
TCA 三羧酸循环
Glycolysis 糖酵解途径
HMP途径
ED途径
TCA Cycle
发酵类型
由于在各种发酵途径中均有还原性氢供体—— NADH+H+产生，但产生的量并不多，若不及时将它们 氧化再生。葡萄糖分解产能将会中断，这样，微生 物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢 （电子）受体来接受NADH+H+和NADH +H+的氢（电 子），于是产生各种各样的发酵产物。 根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙 酸和琥珀酸发酵、丁酸发酵、丙酮-丁醇发酵、混合 酸与丁二醇发酵以及乙酸发酵等。主要讨论与四种 发酵途径有关的发酵。
3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛（通过逆向 EMP途径产生）。
CO2受体的再生
1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄 糖，其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖1,5-二磷酸分子。
Calvin cycle
还原性三羧酸循环途径
4C
厌氧乙酰-CoA途径
羟基丙酸途径
Amphibolic
光合细菌类群 细菌光合色素 细菌光合作用
产氧光合细菌