第7章微生物生理学

第五节 专一性发酵途径
一、酵母菌三型发酵
1. 乙醇发酵、EMP、乙醇 厌氧、 pH < 7 丙酮酸脱羧酶 乙醛受氢体（3-7） 2．甘油发酵 正常的乙醇发酵条件，但加入NaHSO3，产甘油（少 量乙醇） 乙醛与亚硫酸氢钠起加成反应（不能作受氢体） 3．三型发酵（产甘油、乙醇、乙酸） 在一型发酵基础上，pH变为7.6（升高），2个乙醛 分子间进行歧化反应。
酵母菌很多优点，乙醇耐受力强。pH低不易染菌，安全菌株。 但局限于不能利用淀粉及寡糖和戊糖。通过基因工程手段将 木糖还原酶，木糖醇脱氢酶，木酮糖激酶转入酵母。可利用 木糖生产乙醇。
2. 运动发酵单胞菌工程菌构建。
运动发酵单胞菌是安全菌株，转化率高，生产率 是酵母菌的2.5倍.但只能利用葡萄糖、果糖和蔗 糖。 将木糖异构酶、木酮糖激酶、转酮酶、转醛酶转 入运动发酵单胞菌后可 利用木糖产生乙醇，转化 率86％。
3．双歧发酵途径 两歧双歧杆菌 途径包括：HMP、PK、EMP各途径的一部 分。 特征酶：6－P果糖酮解酶、乙酸激酶（另： 5－P木酮糖酮解酶，乳酸脱氢酶） 产物乳酸和乙酸。
第七章结束
（Fig 6-1）能荷对糖代谢的调节
三、巴斯德效应
EMP
已知酵母菌，利用葡萄糖 受关键酶控制：（1）已糖激酶（HK） （2）磷酸果糖激酶（PFK） （3）丙酮酸激酶（PK）
乙醇
如以上酶的活性受到抑制，乙醇发酵途径就会受阻，最重要 的是磷酸果糖激酶，它受ATP和TCA环中间产物抑制，受 ADP、AMP、Pi激活，当氧气供应充足时，丙酮酸→TCA产 生大量ATP和TCA环中间产物。 机理是能荷调节，外界因素（O2），内部决定因素（PFK）
6

[ 能源：ATP ]
丙酮酸羧化酶
（4）丙酮酸+CO2+ATP
草酰乙酸+NAD+Pi
乙酰CoA羧化
（5）乙酰CoA+ATP
丙二酰CoA+ADP+Pi
[ 分子内能 ]
PEP羧化酶
（6）PEP+CO2
草酰乙酸+Pi
PEP羧化激酶
（7）PEP+CO2+GDP

草酰乙酸+GTP
( PEP：磷酸烯醇式丙酮酸)

CO2固定反应，不仅自养微生物存在，而且 异养微生物中也存在。
[ 能源：NAD(P)H ]
苹果酸酶
（1）丙酮酸+CO2+NAD(P)H +NAD(P) （2）α－酮戊二酸+CO2+NAD(P)H 檬酸+NAD(P)
苹果 酸
异柠檬酸酶
异柠
磷酸葡萄糖酸脱H
（3）5－磷酸核酮糖+CO2+NAD(P)H －P葡萄糖酸
第四节 能量与糖代谢调节
一、能荷：（Energy charge） [ATP] + 0.5 ×[ADP] 能荷（%）= [ATP] + [ADP] + [AMP]
×100%
分子：含有两个高能磷酸键的腺苷酸分子数 分母：腺苷酸分子数的总数 能荷：指在细胞内每单位腺苷部分所含高能磷酸键 平均数量的一半。
1.柠檬酸合成酶
2.异柠檬酸脱H酶
3.酮戊二酸脱H酶
4.苹果酸脱H酶
三、总反应式 C6H12O6 + 6O2 +38ADP + 38Pi ——→ 6CO2 + 6H2O + 38ATP 四、厌氧微生物获得 TCA 环中间代谢物的途 径 氧化支路和还原支路
第三节 CO2固定反应和乙醛酸循环
一、异养微生物的CO2同化
3. 大肠杆菌工程菌构建。
大肠杆菌生长迅速，底物广。将运动发酵单胞菌的 丙酮酸脱羧酶，醇脱氢酶基因在不同启动子控制 下引入大肠杆菌，构建了乙醇合成途径。
二、乳酸三型发酵
1．同型乳酸发酵（3-8） 菌株：乳酸杆菌属，乳酸链球菌属 经EMP途径生成丙酮酸，再被还原成乳酸。 特征酶，乳酸脱氢酶。 产物单一，只有乳酸。 2．异型乳酸发酵 菌株：短乳酸杆菌，肠膜明串珠菌。 经磷酸酮解途径。 特征酶：磷酸酮解酶，乳酸脱氢酶。 产物除乳酸外，还有乙醇。
第一节 葡萄糖分解的四种途径

一、E M P途径
10步 丙酮酸, 不可逆反应3步
（一）从葡萄糖
葡萄糖激酶 （1）葡萄糖+ATP
6－磷酸葡萄糖+ADP
磷酸果糖激酶 （2）6－磷酸果糖+ATP 1.6二磷酸果糖 丙酮酸激酶 （3）磷酸烯醇丙酮酸+ADP 丙酮酸+ATP
（三）受到调节
（1 ）葡糖激酶: 激活. 受6－磷酸葡糖反馈抑制, Pi的
1．由磷酸己糖生成戊糖
6－P葡萄糖 + NADP 6－P葡萄糖酸 + NADPH + H+ 6－P葡萄糖脱氢酶
6－P葡萄糖酸 + NADP 5－P核酮糖 + NADPH + H+ + CO2 6－P葡萄糖酸脱氢酶
2．磷酸戊糖之间通过基团转移反应，重新合 成己糖 TK：转酮醇酶 TA：转醛醇酶 TK 、 TA 酶催化的反应是 HMP 途径中的特 有反应 特征酶
（三）产物
一个循环 1分子葡萄糖———→1分子 3－P甘油醛 3分子CO2 6分子NADPH2 彻底氧化 1分子葡萄糖——————→6分子CO2 完全分解 12分子 NADPH2 12分子NADPH2经呼吸链产生36个ATP。


三、E D途径
（一）ED途径的特点 由 HMP 和 EMP 的各一部分组成，只有两步反应是 ED特有的。 特征酶： （1）6－磷酸葡萄糖酸脱水酶。 （ 2 ） 2 －酮－ 3 －脱氧－ 6 －磷酸葡萄糖酸醛缩酶 （KDPG） 关键酶：KDPG醛缩酶 催化的反应：KDPG的3.3裂解

（二）产物
1分子葡萄糖 2丙酮酸 （细菌乙醇发酵） 1 ATP 1 NADPH 菌株：运动发酵单胞菌 丙酮酸 乙醇 (微生物特有途径)
四、磷酸酮解途径
磷酸酮解途径又称 PK 途径 肠膜明串珠菌,乳酸杆菌属 特征酶：磷酸木酮糖酮解酶 产物 : 乳酸、乙醇、CO.
五、各代谢途径利用的比例
第二节 TCA循环与中间产物积累
有些细菌以乙酸为基质，用于细胞生长. 细胞中存在乙酸激酶，磷酸转乙酰酶。将乙 酸转变成乙酰CoA后，进入乙醛酸循环。
乙酸激酶 (1)乙酸 乙酰磷酸 磷酸转乙酰酶 乙酰CoA
( 2)乙醛酸循环 关键酶：异柠檬酸裂解酶，苹果酸合成酶
乙醛酸循环是TCA 环的变体.,是TCA环中间产物的回补方式. 乙醛酸循环
（2）磷酸果糖激酶: 受ATP、O2、柠檬酸抑制 （3）丙酮酸激酶: 受ATP、乙酰COA抑制
E M P途径
EMP的总反应式 为: C6H12O6+2NAD+ 2ADP+2Pi 2CH3COCOOH +2NADH+2H +2ATP+2H2O
二、己糖单磷酸途径
（一）HMP途径（Fig3-4）
分为两个阶段：
第七章 糖、能量代谢与调节
有机物在机体内进行生物氧化， 根据氧化还原反应中，电子受体不同 分为三类：
碳原子 一类、发酵：有机物————→发酵产物 ↓电子流向 物质内部的氧化还原作用 碳原子 二类、有氧呼吸：有机物————→CO2 ↓电子流向 O2 碳原子 三类、厌氧呼吸：有机物————→CO2 ↓电子流向 NO3 －1 SO4 －2 CO3－2 Fe+3等

HMPFra Baidu bibliotek径
（二）代谢途径特点
1 ．在 HMP 途径中形成了 C3 、 C4 、 C5 、 C6 、 C7等中间产物。 2 ．通过转酮醇酶和转醛醇酶作用，使 C6 糖再生。 3 ．葡萄糖直接脱 H 和脱羧，不必经过 C3 糖阶段。 4 ． 需 要 NADP 参 与 反 应 ， 产 生 大 量 NADPH2。
3－P甘油酸 3－P甘油酸
（2）固定的CO2的还原 3－P甘油酸经EMP途径逆反应，生成3－P 甘油醛，需要NADPH，3－P甘油酸激酶和 3－P甘油酸脱H酶。 （3）CO2受体再生
→→→葡萄糖 3－P甘油醛 ——
→→5－P核酮糖
激酶
1.5－二磷酸核酮糖

特征性的酶：（关键酶） ① 1.5－二磷酸核酮糖羧化酶 ② 5－磷酸核酮糖激酶 受到的调节 ①、② 均受到NADH激活， 受到AMP、 PEP抑制。
二、自养微生物CO2的固定
自养微生物 除以上固定CO2的反应外，具有以下 特定的途径。 1．卡尔文循环途径（Calvin cycle）（光合细菌， 紫色硫细菌）固定CO2的途径分为三个阶段： CO2的固定，CO2的还原，CO2受体再生。
（1）CO2的固定

1.5－二磷酸核酮糖 + CO2
羧化酶 C6——
二、能荷调节
细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者 比例来调节其代谢活动，称能荷调节。 能荷对糖代谢的调节（Fig 6-1） 当能荷低时，由于胞内AMP、ADP浓度 高，它激活糖类分解酶，并解除ATP对酶的 抑制作用，使糖类分解加快。 当能荷高时，胞内ATP浓度高，它抑制 与糖分解有关的关键酶活性，激活与糖元 合成有关的酶。
一、丙酮酸脱H酶复合体 丙酮酸脱H酶

丙酮酸
乙酰CoA（有氧）
复合体 此酶在好氧条件下才合成 受到NADH，乙酰CoA和ATP抑制
二、乙酰CoA经TCA被彻底氧化
第一个控制点 1、柠檬酸合成酶（是限速反应的酶） 受到： ATP，NADH，琥珀酰CoA抑制 AMP激活 2．异柠檬酸脱H酶，是第二个控制点 受：ADP，NAD，Mg2+激活 受：ATP，NADH抑制 3．α－酮戊二酸脱H酶（第三个调节酶） 它与丙酮酸脱H酶体系相似 受琥珀酰CoA,NADH，ATP抑制 4．苹果酸脱H酶（第4个调节酶） 受：草酰乙酸反馈抑制
1.乙醇发酵
2.甘油发酵

三型发酵
燃料乙醇产生菌代谢工程研究
2004年巴西燃料乙醇产量1200万吨,美国1000万吨，2010 年生物燃料应占5.75﹪,2020年应占20﹪。 燃料乙醇产业化,要具备良好的菌株。（微生物学报2006.46.4) .菌株必须具备3点: 高浓度乙醇耐受力,高乙醇转化率(90﹪),较高的生产 力 (1g∕L∕h )。 代谢工程菌高产乙醇 1. 利用淀粉,戊糖及纤维素的工程酵母构建。
2．固定CO2的乙酰COA途径
此途径也称还原性三羧酸循环。某些光合细 菌如绿硫细菌，此类绿菌属缺少卡尔文循 环，具有乙酰COA途径。


特征酶：丙酮酸合成酶 α－酮戊二酸合成酶 特点：此途径只能固定CO2和贮存，不能将 CO2直接转变成糖。需铁氧还蛋白参与羧化 反应
固定CO2的乙酰COA途径
3．乙醛酸循环