发酵食品微生物学

第七章微生物的能量与物质代谢第一节微生物的产能代谢第二节微生物的耗能代谢第三节微生物的代谢调控与次级代谢新陈代谢，简称代谢（metabolism）：是微生物细胞与外界环境不断进行物质交换的过程，它是细胞内各种化学反应的总和。代谢包括两部分：合成代谢（同化作用）：耗能代谢物质代谢能量代谢分解代谢（异化作用）：产能耗能产能复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]微生物能量代谢能量代谢的核心任务，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。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）第一节微生物的产能代谢微生物的产能代谢：是指物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这是一个产能代谢的过程，又称为生物氧化。微生物产生能量的去处：微生物直接利用；贮存在高能化合物中；以热的形式释放到环境中脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段一、异养微生物的生物氧化生物氧化的过程：脱氢（或电子）；递氢（或电子）；受氢（或电子）生物氧化的功能：产能（ATP）；产还原力[H]；小分子中间代谢产物生物氧化的类型：发酵、呼吸（无氧呼吸和有氧呼吸）异养微生物的生物氧化（一）发酵(Fermentation)有机物氧化释放的电子直接交给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。有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸（一）发酵(Fermentation)发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）糖酵解是发酵的基础主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。1、发酵途径(1)EMP途径（Embden-Meyerhofpathway）葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-果糖1、6-二磷酸-果糖磷酸二羟丙酮3-磷酸-甘油醛1、3-二磷酸-甘油酸3-磷酸-甘油酸2-磷酸-甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ATPADPATPADPATPADPADPATPNAD++PiNADH+H+(1)EMP途径（Embden-Meyerhofpathway）总反应式为：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H20(2)HMP途径（hexosemonophoshatepathway）总反应式为：66－磷酸葡萄糖＋12NADP＋＋6H2056－磷酸葡萄糖＋12NADPH＋12H＋＋12CO2＋PiA）葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄糖酸5-磷酸-核糖5-磷酸-核酮糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤藓糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖3-磷酸-甘油醛EMP途径丙酮酸C）5-磷酸-木酮糖B）6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖图HMP途径的三阶段（TK为转羟乙醛酶，TA为转二羟丙酮基酶）ATPADPNADP+NADPH+H+NADP+NADPH+H+CO2TKTATK(3)ED途径（Entner-Doudoroffpathway）又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。葡萄糖6-磷酸-葡萄糖ATPADP6-磷酸-葡萄糖酸2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）NADP+NADPH+H+3-磷酸-甘油醛丙酮酸EMP途径丙酮酸H2OH2O总反应式为：C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP＋＋NAD＋2CH3COCOOH＋ATP＋NADPH＋H＋＋NADH＋H＋(4)磷酸解酮酶途径特征性酶是磷酸解酮酶，分为：磷酸戊糖解酮酶途径（PK途径）（Phospho-pentose-ketolasepathway）磷酸己糖解酮酶途径（HK途径）（Phospho-hexose-ketolasepathway）葡萄糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖D-核糖L-阿拉伯糖D-木糖磷酸戊糖解酮酶3-磷酸-甘油醛乙酰磷酸EMP途径丙酮酸乳酸乙酸乙醛乙醇图磷酸戊糖解酮酶（PK）途径5-磷酸-木酮糖ATPADPPi葡萄糖ATPADP6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸已糖解酮酶4-磷酸赤藓糖乙酰磷酸3-磷酸-甘油醛乳酸5-磷酸-木酮糖乙酸磷酸戊糖解酮酶乙酸图磷酸己糖解酮酶（HK）途径磷酸戊糖解酮酶途径（PK途径）总反应式为：C6H12O6＋ADP＋Pi＋NAD＋CH3CHOHCOOH＋CH3CH2OH＋CO2＋ATP＋NADH＋H＋磷酸己糖解酮酶途径（HK途径）总反应式为2C6H12O62CH3CHOHCOOH＋3CH3COOH2.发酵类型(1)乙醇发酵a)酵母菌的乙醇发酵(如酿酒酵母)厌氧EMP丙酮酸乙醛2乙醇+2CO2+2ATPb)异型乙醇发酵:(如肠膜明串珠菌)HMP乙醇+乳酸+CO2+ATPc)同型乙醇发酵:（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇ED(厌氧)乙醇+2CO2+ATP区别：微生物不同；途径不同；产能不同；碳原子来源不同乙醇发酵——酵母菌、根霉、曲霉等EMP丙酮酸脱羧酶NADHC6H12O6CH3CCOOHCH3CHOCH3CH2OH(2)乳酸发酵（乳酸细菌）O乳酸脱氢酶OHCH3C-COOH+NADH+H+CH3-CH-COOH+NAD+A、同型乳酸发酵：葡萄糖经发酵后只生成乳酸B、异型乳酸发酵：葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还有乙醇、CO2等多种发酵产物C、双歧发酵：异型乳酸发酵的双歧杆菌途径，产物除乳酸外，还有乙酸。细菌同型乳酸发酵异型乳酸发酵细菌同型乳酸发酵异型乳酸发酵乳杆菌属：肠球菌属：德氏乳杆菌+-粪肠球菌+-保加利亚乳杆菌+-乳酸乳球菌+-干酪乳杆菌+-明串珠菌属：植物乳杆菌+-肠膜明串珠菌-+弯曲乳杆菌++芽孢乳杆菌属：短乳杆菌--菊糖芽孢乳杆菌+-发酵乳杆菌-+双歧杆菌属：+双歧双歧杆菌--乳酸发酵细菌及类型(2)乳酸发酵厌氧条件下，乳酸菌进行同一微生物,利用不同底物,可进行不同形式的乳酸发酵不同微生物,可进行不同形式的乳酸发酵乳酸菌：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串珠菌、双歧杆菌等。同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较类型途径产物产能/葡萄糖菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillusdebruckii（德氏乳杆菌）异型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides（肠膜明串珠菌）异型HMP1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillusbrevis（短乳杆菌）(3)混合酸(mixedacidsfermentation)和丁二醇发酵(butanediolfermentation)肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵EMP丙酮酸乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸、乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、丙酮、CO2、H2等(3)混合酸(mixedacidsfermentation)和丁二醇发酵(butanediolfermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。(4)丁酸发酵:专性厌氧菌不同菌，通过EMP途径，产物不同，可分为：a.丁酸发酵：丁酸梭菌丁酸b.丙酮-丁醇发酵：丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌丙酮、丁醇c.丁醇-异丙醇发酵：丁酸梭菌丙酮还原为异丙醇由葡萄糖开始的各种类型发酵的总结类型途径（或条件）微生物ATP（mol／L）／葡萄糖（mol／L）乙醇发酵EMP酿酒酵母2EMP解淀粉欧文氏菌2ED运动发酵单胞菌1甘油发酵EMP，ED，EMP（3％NaHSO3）酿酒酵母少量/0EMP（pH7.6）酿酒酵母0同型乳酸发酵EMP粪肠球菌2异型乳酸发酵PK肠膜状明串珠菌1HMP＋PK双歧双歧杆菌2.5混合酸发酵EMP大肠杆菌2.5丁二酸发酵EMP产气肠杆菌2丙酮－丁醇发酵丙酮－丁醇梭菌2丁酸发酵EMP丁酸梭菌3丙酮发酵琥珀酸－丙酸途径丙酸细菌2丙烯酸途径3(二)呼吸作用微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。有氧呼吸（aerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以氧化型化合物作为最终电子受体呼吸与发酵的根本区别：电子载体不是将电子直接传给GLC分子降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量最后再交给最终电子受体。(二)呼吸作用1.有氧呼吸葡萄糖丙酮酸糖酵解作用三羧酸循环发酵各种发酵产物被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。无氧有氧EMPTCA电子传递链C6H12O6＋6O26CO2+6H2O丙酮酸在进入三羧酸循环之前要脱羧生成乙酰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。2FADH2(二)呼吸作用2.无氧呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。2.无氧呼吸2.无氧呼吸2.无氧呼吸厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。方式电子受体产物获能(卡)微生物类型条件发酵有机物各种中间代谢产物54好氧菌，厌氧菌,兼性厌氧菌无O2或有O2有氧呼吸O2CO2688好氧菌,兼性厌氧菌有O2无氧呼吸无机物CO2429厌氧菌,兼性厌氧菌无O2二、自养微生物的生物氧化还原CO2时ATP和[H]的来源CO2NH4+,NO2-,H2S,S(最初能源)S，H2，Fe2+（无机氢供体）ATPATP[CH2O]顺呼吸链传递耗[H]产ATP逆呼吸链传递耗ATP产[H]一些微生物通过氧化无机物获得能量，这类微生物就是好氧型的自养微生物。4、氢的氧化：利用分子氢氧化产生能量（氢细菌）H2+1/2O2→H2O+⊿2、硫的氧化：以还原态的硫化物为能源（硫杆菌）S2-+2O2→SO42-+⊿1、氨的氧化：以NH4+、NO2-为能源NH4++3/2O2→NO2-+H2O+2H++⊿亚硝化细菌NO2-+1/2O2→NO3-+⊿硝化细菌3、铁的氧化（铁细菌）2Fe++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+⊿无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位H2NH4+S2-SO32-S2O3-Fe2+NO2-NADFPATPQ,Cyt.bCyt.cc1ATPCyt.a1.aa3ATPO2(NO3)注：正向传递可产生ATP,而逆向传递消耗ATP，并产生还原力[H]呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）