第五章

發酵機制與代謝調控第一節厭氧發酵機制與代謝調控第二節好氧發酵與代謝調控發酵機制發酵機制：微生物通過其代謝活動，利用基質（底物）合成人們所需要的代謝產物的內在規律代謝控制發酵：

人為的改變微生物的代謝調控機制，使有用的代謝產物過量的積累。發酵方式對氧需要或不需要好氧厭氧培養基液態或固態液態發酵固態發酵發酵是在培養基表面還是在深層進行表面發酵深層發酵發酵是間歇還是連續分批發酵連續發酵菌種是否被固定在載體上游離發酵固定化發酵菌種是單一還是混合的菌種單一純種發酵混合發酵相關的代謝途徑EMP途徑糖酵解

(glycolysis)EMP途徑①葡萄糖

1,6-二磷酸果糖②1,6-二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛③3-磷酸甘油醛

2-磷酸甘油酸④2-二磷酸甘油酸

丙酮酸第一節厭氧發酵機制與代謝調控在無氧條件下，丙酮酸去向（1）在酵母中，產生乙醇；酒精發酵（2）在乳酸菌中，產生乳酸；同型乳酸發酵（3）在梭狀芽孢桿菌中，產生乙酰CoA、丁醛、丁醇、丙酮、乙醇；丙酮丁醇發酵。第一節厭氧發酵機制與代謝調控一、酵母菌的酒精發酵二、細菌的酒精發酵三、乳酸發酵（同型、異型）四、甘油發酵（亞硫酸鹽法、堿法）第一節厭氧發酵機制與代謝調控一、酵母菌的酒精發酵1.乙醇生成機制以丙酮酸脫羧產生的乙醛作為H受體產生乙醇。丙酮酸丙酮酸脫羧酶CO2+乙醛（酵母菌酒精發酵Ⅰ型）NADH+H

NADH+乙醇+焦磷酸硫胺素、Mg2＋乙醇脫氫酶葡萄糖生成乙醇總反應式：C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP2CH3COCOOH

丙酮酸脫羧酶

4ATPCO22CH3CHONADH+H+2ADP乙醇脫氫酶NAD+C6H12O62C2H5OH巴斯德效應葡萄糖分解為乙醇的過程中，并無氧氣參與，是一個無氧呼吸過程。但在好氧條件下，酵母發酵能力降低，乙醇的積累減少，實質是糖代謝降低——巴斯德效應。巴斯德效應機制：磷酸果糖激酶是第一個限速酶，它是一種變構酶，受ATP、檸檬酸及其他一些高能化合物的抑制，受AMP、ADP的激活。在好氧條件下，糖代謝進入三羧酸循環，產生檸檬酸等，并通過氧化磷酸化生成大量的ATP。ATP反饋抑制此酶的活性。細胞內檸檬酸生成量的增加，反饋阻遏磷酸果糖激酶的合成，這種阻遏作用由于ATP存在而加強。由于磷酸果糖激酶受抑制，導致6-磷酸果糖積累，反應平衡時，醛糖：酮糖為7:3，導致6-磷酸葡萄糖積累，6-磷酸葡萄糖抑制己糖激酶，從而抑制葡萄糖進入細胞。二、細菌的酒精發酵ED途徑：又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑ED途徑總反應式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATPED途徑中的關鍵反應KDPG2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸ED途徑1952年在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假單胞菌）中發現，后來證明存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發現存在于其它生物中。少數假單胞桿菌（Pscudomonas),如林氏假單胞菌（Ps.lindneri)能利用葡萄糖經ED途徑進行酒精發酵。細菌酒精發酵在末端假單胞菌中能使2分子丙酮酸脫羧，然后還原乙醛生成2分子乙醇和2分子CO2。而在其他假單胞菌中氫載體氧化后，生成1分子乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。ED途徑總反應式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP細菌的酒精發酵特點20世紀70年代出現代謝速度快發酵周期短酒精產率高（比酵母菌）厭氧和耐高溫代謝副產物少能利用各種糖類但耐酒精度比酵母菌低pH5（酵母菌pH3），較易染菌三、乳酸發酵1.同型乳酸發酵通過EMP途徑，由丙酮酸還原生成乳酸。發酵產物中只有乳酸。進行同型乳酸發酵的細菌主要有乳鏈球菌、乳酪桿菌、保加利亞桿菌、德氏乳桿菌。2.異型乳酸發酵通過HMP(PK)途徑，產物中除乳酸外，還有乙醇、乙酸等有機化合物的發酵。進行異型乳酸發酵的有腸膜明串珠菌、葡聚糖明串珠菌。1.同型乳酸發酵無氧條件下，葡萄糖先經經EMP途徑得到丙酮酸2.異型乳酸發酵HMP途徑——戊糖磷酸途徑異型乳酸發酵HMP途徑在微生物分類研究中，通常把發酵1mol葡萄糖產生的乳酸少于1.8mol，同時還產生較多乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等產品的乳酸菌稱為異型乳酸菌。同型乳酸菌的微生物已經用來發酵產生乳酸。異型乳酸發酵的微生物，例如雙歧桿菌，已經用于發酵生產活菌飲料，并越來越受重視。異型乳酸發酵四、甘油發酵1.亞硫酸鹽法甘油發酵正常情況酵母菌在無氧條件下：丙酮酸→乙醛→乙醇當加入NaHSO3,乙醛+NaHSO3,→CH3CHOSO2Na(難溶結晶狀加成物）OH乙醛不能作為受氫體，而迫使磷酸二羥丙酮作為受氫體，生成α-磷酸甘油，α-磷酸甘油經脫磷酸而有甘油累積。亞硫酸鹽法甘油發酵CH2OPCH2OPCH2OHC=O+NADH+H+→CHOH→CHOHCH2OHCH2OHCH2OHCH2OHOHC6H12O6+NaHSO3→CHOH+C3CHOSO2Na+CO2CH2OHα-磷酸甘油磷酸二羥丙酮亞硫酸鹽法甘油發酵1mol葡萄糖只產生1mol甘油，不產生ATP，整個過程無ATP結余，可見在甘油發酵過程中亞硫酸氫鈉不能加太多，否則會使酵母菌因得不到能量而終止發酵，必須留一部分酒精發酵，以便獲得一些能量，供生命活動所需。在果酒發酵中，由于利用亞硫酸作為殺菌劑，故副產物甘油量較大，甘油具有調味功能，使酒口感圓潤。2.堿法甘油發酵正常情況酵母菌在無氧條件下：丙酮酸→乙醛→乙醇酒精酵母，發酵液保持堿性，pH7.6以上，發酵產生的乙醛不能作為受氫體，而是2分子乙醛之間發生歧化反應，相互氧化還原，生成等量的乙醇和乙酸。此時，由3-磷酸甘油醛脫氫生成的NADH2用來還原磷酸二羥丙酮，并進而生成甘油。不產生ATP。

CH2OH3C6H12O6+H2O

→2CHOH+C2H5OH+CH3COOH+CO2CH2OH五、丙酸和丁酸發酵

葡萄糖（EMP途徑）乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→蘋果酸→富馬酸→琥珀酸→丙酸+CO2乙酸+CO2丙酸發酵：先經過EMP途徑，再經Wood-Werk-man途徑第二節好氧發酵與代謝調控一、檸檬酸發酵二、醋酸發酵三、氨基酸發酵四、核苷酸發酵五、抗生素發酵1.代謝途徑TCA循環提供微生物生命活動的大量能量（38個ATP)。中間代謝產物是一些重要的細胞物質。如各種氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂類等生物合成前體物。是糖類有氧降解的主要途徑，也是脂肪、蛋白質降解的必經途徑。徹底氧化成CO2和H2O。提供各種碳架原料。一、檸檬酸發酵p1192.檸檬酸積累的代謝調節

（1）糖酵解及丙酮酸代謝的調節以下酶要強①檸檬酸合成酶②丙酮酸羧化酶③磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶以下酶要弱④順烏頭酸水合酶⑤草酰乙酸水解酶⑥異檸檬酸脫氫酶⑦異檸檬酸裂解酶葡萄糖丙酮酸檸檬酸乙酰-CoA草酰乙酸EMP途徑氧化脫羧羧化