第四章微生物的代謝根據(jù)微生物代謝過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物在微生物體內(nèi)的作用不同，又可將代謝分成初級代謝與次級代謝兩種類型。初級代謝是指能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)、維持微生物正常生命活動的生理活性物質(zhì)或能量的代謝。初級代謝的產(chǎn)物成為初級代謝產(chǎn)物。次級代謝是指某些微生物進行的非細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)和維持其正常生命活動的非必須物質(zhì)的代謝。如一些微生物積累發(fā)酵產(chǎn)物的代謝過程（抗生素、毒素、色素等）。

微生物同其他生物一樣都是具有生命的，新陳代謝作用貫穿于它們生命活動的始終，新陳代謝作用包括合成代謝（同化作用）和分解代謝（異化作用）。微生物細(xì)胞直接同生活環(huán)境接觸，微生物不停地從外界環(huán)境吸收適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)合成新的細(xì)胞物質(zhì)和貯藏物質(zhì)，并儲存能量，即同化作用，這是其生長、發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；同時，又把衰老的細(xì)胞物質(zhì)和從外界吸收的營養(yǎng)物質(zhì)進行分解變成簡單物質(zhì)，并產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物作為合成細(xì)胞物質(zhì)的基礎(chǔ)原料，最終將不能利用的廢物排出體外，一部分能量以熱量的形式散發(fā)，這便是異化作用。在上述物質(zhì)代謝的過程中伴隨著能量代謝的進行，在物質(zhì)的分解過程中，伴隨著能量代謝。這些能量一部分以熱的形式散失，一部分以高能磷酸鍵的形式貯存在三磷酸腺苷（ATP）中，這些能量主要用于維持微生物的生理活動或供合成代謝需要。第一節(jié)微生物的能量代謝微生物在生命活動中需要能量，它主要是通過生物氧化而獲得能量。所謂生物氧化就是指細(xì)胞內(nèi)一切代謝物所進行的氧化作用。它們在氧化過程中能產(chǎn)生大量的能量，分段釋放，并以高能磷酸鍵形式儲藏在ATP分子內(nèi)，供需要時用。一、微生物的呼吸（生物氧化）類型根據(jù)在底物進行氧化時，脫下的氫和電子受體的不同，微生物的呼吸可以分為三個類型，即：好氧呼吸、厭氧呼吸、發(fā)酵。（一）好氧呼吸(aerobicrespiration)以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程，稱為好氧呼吸。許多異養(yǎng)微生物在有氧條件下，以有機物作為呼吸底物，通過呼吸而獲得能量。以葡萄糖為例，通過EMP途徑和TCA循環(huán)被徹底氧化成二氧化碳和水，生成38個ATP，化學(xué)反應(yīng)式為：

C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi-------→6CO2+6H2O+38ATP（二）厭氧呼吸(anaerobicrespiration)以無機氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程，稱為厭氧呼吸。能起這種作用的化合物有硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸鹽。這是少數(shù)微生物的呼吸過程。例如脫氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水，而把硝酸鹽還原成亞硝酸鹽（故稱反硝化作用），反應(yīng)式如下：

C6H12O6+12NO3–-------→6CO2+6H2O+12NO2–+429000卡（三）發(fā)酵作用(fermentation)如果電子供體是有機化合物，而最終電子受體也是有機化合物的生物氧化過程稱為發(fā)酵作用。在發(fā)酵過程中，有機物既是被氧化了基質(zhì)，又是最終的電子受體，但是由于氧化不徹底，所以產(chǎn)能比較少。酵母菌利用葡萄糖進行酒精發(fā)酵，只釋放2.26×105J熱量，其中只有9.6×104J貯存于ATP中，其余又以熱的形式喪失，反應(yīng)式如下：

C6H12O6+2ADP+2Pi--------→2C2H5OH+2CO2+2ATP二、呼吸鏈微生物從呼吸底物脫下的氫和電子向最終電子受體的傳遞過程中，要經(jīng)過一系列的中間傳遞體，并有順序地進行，它們相互“連控”如同鏈條一樣，故稱為呼吸鏈（生物氧化鏈）。它主要由脫氫酶、輔酶Q和細(xì)胞色素等組分組成。它主要存在于真核生物的線粒體中；在原核生物中，則和細(xì)胞膜、中間體結(jié)合在一起。它的功能是傳遞氫和電子，同時將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP。三、ATP的產(chǎn)生

生物氧化的結(jié)果不僅使許多還原型輔酶Ⅰ得到了再生，而且更重要的是為生物體的生命活動獲得了能量。ATP的產(chǎn)生就是電子從起始的電子供體經(jīng)過呼吸鏈至最終電子受體的結(jié)果。利用光能合成ATP的反應(yīng)，稱為光合磷酸化。利用生物氧化過程中釋放的能量，合成ATP的反應(yīng)，稱為氧化磷酸化，生物體內(nèi)氧化磷酸化是普遍存在的，有機物降解反應(yīng)和生成物合成反應(yīng)通過氧化還原而偶聯(lián)起來，使能量得到產(chǎn)生、保存和釋放。微生物通過氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種：（一）底物水平磷酸化

在底物水平磷酸化中，異化作用的中間產(chǎn)物的高能磷酸轉(zhuǎn)移給ADP，形成ATP，如下述反應(yīng)：磷酸烯醇丙酮酸+ADP------→丙酮酸+ATP（二）電子傳遞磷酸化在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子,將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來，形成ATP。一個NAD分子，通過呼吸鏈進行氧化，可以產(chǎn)生3個ATP分子。它分別在三個位置，各產(chǎn)生一個ATP。第1個ATP大約在輔酶Ⅰ和黃素蛋白之間；第2個ATP大約在細(xì)胞色素b和c1之間；在第3個ATP大約在細(xì)胞色素c和a之間。第二節(jié)微生物的分解代謝地球上最豐富的有機物是纖維素，半纖維素，淀粉等糖類物質(zhì)，自然界中微生物賴以生存的主要也是糖類物質(zhì)，人們培養(yǎng)微生物，進行食品加工和工業(yè)發(fā)酵等也是以糖類物質(zhì)為主要的碳源和能源物質(zhì)。因此，微生物的糖代謝是微生物代謝的一個重要方面，掌握這方面的知識，對于認(rèn)識自然界不同的微生物類群，以及搞好微生物的培養(yǎng)利用都是重要的基礎(chǔ)知識。一、微生物糖代謝的途徑

微生物糖代謝的主要途徑有：

EMP途徑（Embden-Meverhef-ParnusPathway），HMP途徑（Hexose-Mono-PhosphatePathway），E.D途徑（Entner-DoudorofPathway），

Pk途徑（Phosphoketolasepathway），等四種。（一）EMP途徑

EMP途徑也稱已糖雙磷酸降解途徑或糖酵解途徑。這個途徑的特點是當(dāng)葡萄糖轉(zhuǎn)化成1.6-二磷酸果糖后，在果糖二磷酸醛縮酶作用下，裂解為兩個3Ｃ化合物，再由此轉(zhuǎn)化為2分子丙酮酸。EMP途徑的過程由以下10個連續(xù)反應(yīng)組成：

(己糖激酶)⑴葡萄糖+ATP---------------→6-磷酸葡萄糖+ADP

（磷酸己糖異構(gòu)酶）⑵6-磷酸葡萄糖---------------→

6-磷酸果糖

(磷酸己糖激酶)

⑶6-磷酸果糖+ATP------------→1,6-磷酸果糖+ADP

（醛縮酶）⑷1,6-二磷酸果糖-------------→磷酸二羥丙酮+3-磷酸甘油醛

（磷酸丙糖異構(gòu)酶）⑸磷酸二羥丙酮----------------→

3-磷酸甘油醛

（3-磷酸甘油醛脫氫酶）⑹3-磷酸甘油醛+NAD+H3PO4----------→1,3-二磷酸甘油酸+NADH

（3-磷酸甘油酸激酶）⑺1,3-二磷酸甘油酸+ADP-----------------→3-磷酸甘油酸+ATP

（磷酸甘油酸變位酶）⑻3-磷酸甘油酸-----------------→

2-磷酸甘油酸

（烯醇化酶）⑼2-磷酸甘油酸-----------------→磷酸烯醇式丙酮酸+H2O

(丙酮酸激酶)⑽磷酸烯醇式丙酮酸+ADP-----------------→丙酮酸+ATP

總反應(yīng)式為：

C6H12O6＋2NAD+2(ADP+Pi)-----→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2關(guān)于EMP途徑的討論

EMP途徑是生物體內(nèi)6－磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬淖钇毡榈姆磻?yīng)過程，EMP途徑的關(guān)鍵酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛縮酶，許多微生物都具有EMP途徑。但EMP途徑往往是和HMP途徑同時存在于同一種微生物中，以EMP途徑作為唯一降解途徑的微生物極少，只有在含有牛肉汁酵母膏復(fù)雜培養(yǎng)基上生長的同型乳酸細(xì)菌可以利用EMP作為唯一降解途徑。EMP途徑的生理作用主要是為微生物代謝提供能量（即ATP），還原劑（即NADH2）及代謝的中間產(chǎn)物如丙酮酸等。

在EMP途徑的反應(yīng)過程中所生成的NADH2不能積累，必須被重新氧化為NAD后，才能保證繼續(xù)不斷地推動全部反應(yīng)的進行。NADH2重新氧化的方式，因不同的微生物和不同的條件而異。厭氧微生物及兼厭氧性微生物在無氧條件下，NADH2的受氫體可以是丙酮酸，如乳酸細(xì)菌所進行的乳酸發(fā)酵，也可以是丙酮酸的降解產(chǎn)物——乙醛，如酵母的酒精發(fā)酵等。好氧性微生物和在有氧條件下的兼厭氧性微生物經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生的丙酮酸進一步通過三羧酸循環(huán)，被徹底氧化，生成CO2，氧化過程中脫下的氫和電子經(jīng)電子傳遞鏈生成H2O和大量ATP。三羧酸循環(huán)（TricarboxylicAcidCycle，TCA）的總反應(yīng)式為：

C6H12O6＋6O2+38(ADP+Pi)---→6CO2+6H2O+38ATP（二）HMP途徑

也稱已糖單磷降解途徑或磷酸戊糖循環(huán)。這個途徑的特點是當(dāng)葡萄糖經(jīng)一次磷酸化脫氫生成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶作用下，再次脫氫降解為1分子CO2和1分子磷酸戊糖。磷酸戊糖的進一步代謝較復(fù)雜，由3分子磷酸已糖經(jīng)脫氫脫羧生成的3分子磷酸戊糖,3分子磷酸戊糖之間，在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶的作用下，又生成2分子磷酸己糖和一分子磷酸丙糖，磷酸丙糖再經(jīng)EMP途徑的后半部反應(yīng)轉(zhuǎn)為丙酮酸，這個反應(yīng)過程稱為HMP途徑。反應(yīng)步驟可分為以下十一步反應(yīng)：

己糖激酶⑴葡萄糖+ATP-------------→6-磷酸葡萄糖+ADP

磷酸葡萄糖脫氫酶⑵6-磷酸葡萄糖+NADP--------------→6-磷酸葡萄糖內(nèi)酯+NADPH2

內(nèi)酯酶⑶6-磷酸葡萄糖內(nèi)酯+H2O-------------→6-磷酸葡萄糖酸

磷酸葡萄糖酸脫氫酶⑷6-磷酸葡萄糖酸+NADP-------------→5-磷酸核酮糖+NADPH2+CO2

⑸5-磷酸核酮糖

磷酸核糖異構(gòu)酶

磷酸木酮糖表異構(gòu)酶5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖⑹

轉(zhuǎn)酮酶7-磷酸景天庚酮糖+3-磷酸甘油醛

轉(zhuǎn)醛酶⑺6-磷酸果糖+4-磷酸赤鮮糖

轉(zhuǎn)醛酶⑻4-磷酸赤鮮糖+5-磷酸木酮糖----------→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛⑼3-磷酸甘油醛---→磷酸二羥丙酮+3-磷酸甘油醛---→1,6-二磷酸果糖磷酸酯酶⑽1,6-二磷酸果糖---------→6-磷酸果糖+H3PO4⑾6-磷酸果糖---------→6-磷酸葡萄糖

完全HMP途徑的總反應(yīng)式為：6-磷酸葡萄糖+7H2O+12NADP---------→6CO2+12NADPH2+H3PO4HMP途徑的關(guān)鍵酶系是6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶和轉(zhuǎn)酮——轉(zhuǎn)醛酶系，其中6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶催化磷酸已糖酸的脫氫脫羧，而轉(zhuǎn)酮——轉(zhuǎn)醛酶系則作用于三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖及七碳糖的相互轉(zhuǎn)化。反應(yīng)到（8）步反應(yīng)為止，為不完全HMP途徑。所生成的3-磷酸甘油醛經(jīng)過EMP途徑的后半部分，轉(zhuǎn)化成丙酮酸。關(guān)于HMP途徑的討論HMP途徑的另一特點是只有NADP參與反應(yīng)。在有氧條件下，HMP途徑所產(chǎn)生的NADPH2在轉(zhuǎn)氫酶的作用下，可將氫轉(zhuǎn)給NAD，形成NADH2，經(jīng)呼吸鏈，將電子和氫交給分子態(tài)氧形成水，并由電子傳遞磷酸化作用形成ATP。但是一般認(rèn)為HMP途徑不是主要的產(chǎn)能途徑，而是為細(xì)胞的生物合成提供供氫體（NADPH2）。另外，HMP途徑還為細(xì)胞生物合成提供大量的Ｃ3、Ｃ4、Ｃ5、Ｃ6和Ｃ7等前體物質(zhì)，特別是磷酸戊糖，它是合成核酸，某些輔酶以及合成組氨酸，芳香族氨酸，對氨基苯甲酸等化合物的重要底物。此外，HMP途徑與化能自養(yǎng)菌和光合細(xì)菌的碳代謝有密切聯(lián)系。因此，HMP途徑的生理功能是多方面的，在微生物代謝中占有重要的地位。HMP途徑普遍存在于微生物細(xì)胞中，通常是和EMP途徑同時存在一種微生物中。能以HMP途徑作為唯一降解途徑的微生物，目前發(fā)現(xiàn)的只有亞氧化醋酸桿菌（Acetobactersuboxydans）。

（三）ED途徑也稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑，在醛縮酶（KDPGaldolase）的作用下，裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑的后半部反應(yīng)轉(zhuǎn)化為丙酮酸。

葡萄糖

↓+ATP6-磷酸葡萄糖

↓-2H6-磷酸葡萄糖酸

↓-H2O2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸

↙↘3-磷酸甘油醛------→丙酮酸↘？

總反應(yīng)式為：C6H12O6＋ADP+Pi+NADP+NAD→2CH3COCOOH+ATP+NADPH2+NADH2ED途徑的關(guān)鍵酶系是6-磷酸葡萄糖脫水酶和2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶；ED途徑是糖類的一個厭氧降解途徑，它在細(xì)菌中，特別是革蘭氏陰性細(xì)菌中分布很廣，在好氧菌中分布不普遍。例如嗜糖假單胞桿菌（Pseudomonassaccharophila），發(fā)酵假單胞菌（Zymomonasmobilos）以及銅綠色假單胞桿菌（Pseudomonasaeruginasa）等中都具有ED途徑。這個途徑多數(shù)情況下是與HMP途徑同時存在于一種微生物中，但也可以獨立存在于某些細(xì)菌中。（四）磷酸解酮酶途徑也稱PK途徑。在微生物降解已糖的過程中，除了EMP、HMP和E.D途徑外，還有一條途徑即磷酸解酮酶途徑（PhosphoketolasePathway）該途徑為少數(shù)細(xì)菌所獨有。磷酸解酮酶有兩種，一種是戊糖磷酸解酮酶，一種是己糖磷酸解酮酶；有些異型乳酸發(fā)酵的微生物，腸膜明串球菌（Leuconostocmesenteulides），短乳酸桿菌（Lactobacillusbrevie），甘露乳酸桿菌（Lactobacillusmanitopoeum）等，是通過戊糖磷酸解酮酶途徑進行異型乳酸發(fā)酵的，反應(yīng)途徑如下：

葡萄糖↓→+ATP6-磷酸葡萄糖↓2H6-磷酸葡萄糖酸↓2H5-磷酸木酮糖↙↘3-磷酸甘油醛乙酰磷酸↓+Pi-Pi↓2H(EMP途徑)乙醛↓-ATP↓2HCO2

乳酸乙醇總反應(yīng)式為：

C6H12O6＋ADP+Pi→CH3CHOHCOOH＋CH3CH2OH＋CO2+ATP這個途徑的特點是降解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當(dāng)于EMP途徑的一半，另一特點是幾乎產(chǎn)生等量的乳酸，乙醇和CO2。戊糖磷酸解酮途徑的關(guān)鍵酶系是磷酸木酮糖解酮酶，它催化5-磷酸木酮糖裂解為3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸的反應(yīng)。二、多糖的分解多糖的種類很多，這里主要討論淀粉、纖維素、果膠質(zhì)的分解。（一）淀粉的分解

淀粉是多種微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直鏈淀粉和支鏈淀粉之分。微生物對淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化進行的。淀粉酶是水解淀粉糖苷鍵一類酶的總稱，它的種類有以下幾種：1．液化型淀粉酶（又稱α-淀粉酶）淀粉-----→極限糊精2．糖化型淀粉酶其將淀粉水解為麥芽糖或葡萄糖，故稱為糖化型淀粉酶。（1）β-淀粉酶（淀粉1,4-麥芽糖苷酶）。淀粉-----→麥芽糖（2）糖化酶（淀粉1,4、1,6-葡萄糖苷酶）。淀粉-----→葡萄糖3．異淀粉酶（淀粉1,6-糊精酶）。淀粉-----→直鏈淀粉此酶可以分解淀粉中的α-1,6-糖苷鍵，生成較短的直鏈淀粉。微生物產(chǎn)生的淀粉酶廣泛用于糧食加工、食品工業(yè)、發(fā)酵、紡織、醫(yī)藥、輕工、化工等行業(yè)。(二)纖維素的分解

纖維素酶是一類纖維素水解酶的總稱。它由c1酶、cx酶和纖維二糖酶組成，其水解過程如下：

C1酶Cx1Cx2酶纖維二糖酶天然纖維素------→水合纖維素分子--------→纖維二糖--------→葡萄糖生產(chǎn)纖維素酶的菌種常有綠色木霉、康氏木霉、某些放線菌和細(xì)菌。我國采用綠色木霉、木素木霉為菌種，進行了研究、試制。纖維素酶在為開辟食品及發(fā)酵工業(yè)原料新來源，提高飼料的營養(yǎng)價值，綜合利用農(nóng)村的農(nóng)付產(chǎn)品方面將會起著積極的作用，具有重要的經(jīng)濟意義。(三)果膠質(zhì)的分解

果膠是植物細(xì)胞的間隙物質(zhì)，使鄰近的細(xì)胞壁相連，是半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵結(jié)合成直鏈狀分子化合物。其羧基大部分形成甲基酯，而不含甲基酯的稱為果膠酸。果膠在漿果中最豐富。它的一個重要特點是在酸和糖存在下，可以形成果凍。食品廠利用這一性質(zhì)來制造果漿、果凍等食品；但對果汁加工、葡萄酒生產(chǎn)引起榨汁困難。

果膠酯酶

聚半乳糖醛酸酶果膠-----------→甲醇+果膠酸---------------→半乳糖醛酸三、蛋白質(zhì)的分解（一）蛋白質(zhì)的分解

蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的分子巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。它們不能直接進入細(xì)胞。微生物利用蛋白質(zhì)，首先分泌蛋白酶至體外，將其分解為大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再進入細(xì)胞。通式如下：

蛋白酶

蛋白質(zhì)多肽、氨基酸產(chǎn)生蛋白酶的菌種很多，細(xì)菌、放線菌、霉菌等中均有。不同的菌種可以產(chǎn)生不同的蛋白酶，例如黑曲霉主要生產(chǎn)酸性蛋白酶。短小芽孢桿菌用于生產(chǎn)堿性蛋白酶。不同的菌種也可生產(chǎn)功能相同的蛋白酶，同一個菌種也可產(chǎn)生多種性質(zhì)不同的蛋白酶。

（二）氨基酸的分解

微生物對氨基酸的分解，主要是脫氨作用和脫羧基作用。

1．脫氨作用脫氨方式隨微生物種類、氨基酸種類以及環(huán)境條件的不同，也不一樣。主要有以下幾種：(1)氧化脫氨。在酶催化下，氨基酸在氧化脫氫的同時釋放游離氨，這一過程即氧化脫氨。這種脫氨方式須在有氧氣條件下進行。專性厭氧菌不能進行氧化脫氨。微生物催化氧化脫氨的酶有兩類：一類是氨基氧化酶，以FAD或FMN為輔基；另一類是氨基酸脫氫酶，以NAD或NADP作為氫的載體，交給分子態(tài)氧。反應(yīng)式如下：2R-CHNH2-COOH+O2

---------→2R-CO-COOH+2NH3

（2）還原脫氨。還原脫氨在無氧條件下進行，脫氨生成飽和脂肪酸。能進行還原脫氨的微生物是專性厭氧菌和兼性厭氧菌。腐敗的蛋白質(zhì)中常分離到飽和脂肪酸便是由相應(yīng)的氨基酸生成。如大腸桿菌可使甘氨酸還原脫氨成乙酸，反應(yīng)式如下：

NADH2NADHOOC-CHNH2-COOH------------→CH3COOH+NH3+CO2（3）水解脫氨。不同氨基酸經(jīng)水解脫氨生成不同的產(chǎn)物。同種氨基酸水解之后也可形成不同的產(chǎn)物，反應(yīng)通式如下：

水解酶

R-CHNH2-COOH+H2O------------→R-CHOH-COOH+NH3

有些細(xì)菌可以水解色氨酸生成吲哚，吲哚可以與二甲基氨基苯甲醛反應(yīng)生成紅色的玫瑰吲哚，因此可根據(jù)細(xì)菌能否分解色氨酸產(chǎn)生吲哚來鑒定菌種（4）減飽和脫氨（直接脫氨）。氨基酸在脫氨的同時，其α.β鍵減飽和，結(jié)果生成不飽和酸。例如天門冬氨酸減飽和脫氨生成延胡索酸，反應(yīng)式如下：

天門冬氨酸裂解酶

HOO-CH2-CHNH2-COOH-----------------→HOOC-CH=CH-COOH+NH3（5）氧化—還原偶聯(lián)脫氨（Stickland反應(yīng)）。Stickland發(fā)現(xiàn)在某些梭菌中存在由兩種氨基酸參與的脫氨基反應(yīng)，一種氨基酸被氧化，在脫氨的同時脫下氫和電子，同時另一種氨基酸被還原，得到氫和電子的同時脫下氨基。丙氨酸和甘氨酸的偶聯(lián)反應(yīng)如下：

CH3CHNH2COOHCH2NH2COOHNADNADH2

CH3COCOOH+NH3CH3COOH+NH3

該偶聯(lián)反應(yīng)不是在任意兩種氨基酸之間發(fā)生的，下表列出了對應(yīng)的氨基酸2．脫羧作用

氨基酸脫羧作用常見于許多腐敗細(xì)菌和真菌中。不同的氨基酸由相應(yīng)的氨基酸脫羧酶催化脫羧，生成減少一個碳原子的胺和二氧化碳，通式如下：

氨基酸脫梭酶

R-CHNH2-COOH-------------→R-CH2-NH2+CO2脫羧酶具有高度專一性，需要磷酸吡哆醛為輔酶，大多數(shù)是誘導(dǎo)酶。一元氨基酸脫羧后變成一元胺；二元氨基酸脫羧后變成二元胺。這類物質(zhì)統(tǒng)稱為尸堿，有毒性。肉類蛋白質(zhì)腐敗后常生成二元胺，故不能食用。例如賴氨酸脫羧后變成尸胺，反應(yīng)式如下：

賴氨酸脫梭酶

H2N(CH2)4CHNH2COOH-------------→H2N(CH2)4CH2NH2+CO2四、脂肪和脂肪酸的分解（一）脂肪的分解脂肪是脂肪酸的甘油三酯。在脂肪酶作用下，可水解生成甘油和脂肪酸，反應(yīng)式如下:

CH2OCOR1脂肪酶CH2OHR1-COOHCH2OCOR2+3H2OCH2OH+R2-COOHCH2OCOR3CH2OHR3-COOH

能產(chǎn)生脂肪酶的微生物很多，有根霉、圓柱形假絲酵母、小放線菌、白地霉等。脂肪酶目前主要用于油脂工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)上。常用作消化劑、乳品增香、制造脂肪酸、絹絲的脫脂等。（二）脂肪酸的分解微生物分解脂肪酸主要是通過β-氧化途徑。β-氧化是由于脂肪酸氧化斷裂發(fā)生在β-碳原子上而得名。在氧化過程中，能產(chǎn)生大量的能量，最終產(chǎn)物是乙酰輔酶Ａ。而乙酰輔酶A是進入三羧酸循環(huán)的基本分子單元。

第三節(jié)微生物發(fā)酵的代謝途徑

由于微生物種類繁多，能在不同條件下對不同物質(zhì)或?qū)鞠嗤奈镔|(zhì)進行不同的發(fā)酵。而不同微生物對不同物質(zhì)發(fā)酵時可以得到不同的產(chǎn)物，不同的微生物對同一種物質(zhì)進行發(fā)酵，或同一種微生物在不同條件下進行發(fā)酵都可得到不同的產(chǎn)物，這些都取決于微生物本身的代謝特點和發(fā)酵條件，現(xiàn)將食品工業(yè)中常見的微生物及其發(fā)酵途徑介紹如下：☆概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。☆發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。☆發(fā)酵類型：在上述途徑中均有還原型氫供體——NADH+H+和NADPH+H+產(chǎn)生，但產(chǎn)生的量并不多，如不及時使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。一發(fā)酵作用①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌的乙醇發(fā)酵：※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。A、乙醇發(fā)酵★當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成

-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（或pH7）Saccharomyces

cerevisiae厭氧發(fā)酵酵母菌的一型和二型發(fā)酵原理（磺化羥基乙醛）概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源通風(fēng)對酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細(xì)胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)現(xiàn)象：巴斯德效應(yīng)（Pasteureffect）機理巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)：厭氧條件下酵母菌進行酒精發(fā)酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧條件下，酵母菌進行呼吸作用，糖的消耗速度較低，酒精產(chǎn)量也降低。呼吸抑制發(fā)酵作用的的現(xiàn)象巴斯德效應(yīng)的本質(zhì)是能荷調(diào)節(jié)。三磷酸腺苷(ATP)是為許多反應(yīng)提供能量的高能磷酸化物,細(xì)胞中的ATP、ADP和AMP含量處于相對平衡的狀態(tài)——細(xì)胞中的能量狀態(tài)能荷（Energycharge）能荷（Energycharge）來表示細(xì)胞中的能量狀態(tài)。能荷（EC）可用下式來表示：

系統(tǒng)中只有ATP時，EC值為1；只有AMP時，EC值等于0。在厭氧條件下，酵母菌無法通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP，細(xì)胞能荷較低。ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生產(chǎn)酒精的速度加快。②細(xì)菌的乙醇發(fā)酵葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運動發(fā)酵單胞菌等途徑：ED利用Z.mobilis等細(xì)菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低☆酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵

~脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

☆細(xì)菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP☆細(xì)菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機物分子的酒精發(fā)酵異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機物分子的發(fā)酵B、乳酸發(fā)酵乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)HK途徑—磷酸己糖解酮酶途徑）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcus

lactisLactobacillusplantarum②異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2磷酸戊糖酮解途徑PK磷酸己糖解酮途徑HK

2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途徑同EMP乙酸激酶③雙歧發(fā)酵C、混合酸發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.2產(chǎn)氣產(chǎn)酸D、2,3-丁二醇發(fā)酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇

乙酰乳酸二乙酰3-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具有

-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：EMP第四章微生物的代謝根據(jù)微生物代謝過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物在微生物體內(nèi)的作用不同，又可將代謝分成初級代謝與次級代謝兩種類型。初級代謝是指能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)、維持微生物正常生命活動的生理活性物質(zhì)或能量的代謝。初級代謝的產(chǎn)物成為初級代謝產(chǎn)物。次級代謝是指某些微生物進行的非細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)和維持其正常生命活動的非必須物質(zhì)的代謝。如一些微生物積累發(fā)酵產(chǎn)物的代謝過程（抗生素、毒素、色素等）。

微生物同其他生物一樣都是具有生命的，新陳代謝作用貫穿于它們生命活動的始終，新陳代謝作用包括合成代謝（同化作用）和分解代謝（異化作用）。微生物細(xì)胞直接同生活環(huán)境接觸，微生物不停地從外界環(huán)境吸收適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)合成新的細(xì)胞物質(zhì)和貯藏物質(zhì)，并儲存能量，即同化作用，這是其生長、發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；同時，又把衰老的細(xì)胞物質(zhì)和從外界吸收的營養(yǎng)物質(zhì)進行分解變成簡單物質(zhì)，并產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物作為合成細(xì)胞物質(zhì)的基礎(chǔ)原料，最終將不能利用的廢物排出體外，一部分能量以熱量的形式散發(fā)，這便是異化作用。在上述物質(zhì)代謝的過程中伴隨著能量代謝的進行，在物質(zhì)的分解過程中，伴隨著能量代謝。這些能量一部分以熱的形式散失，一部分以高能磷酸鍵的形式貯存在三磷酸腺苷（ATP）中，這些能量主要用于維持微生物的生理活動或供合成代謝需要。第四節(jié)微生物獨特的合成代謝

所謂合成代謝，是指微生物利用能量將簡單的無機或有機的小分子前體物質(zhì)同化成高分子或細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)；合成代謝時，必須具備三個條件，那就是代謝能量、小分子前體物質(zhì)和還原基,只有具備了這三個基本條件，合成代謝才能進行。微生物的合成代謝，有其獨特的代謝途徑，但多數(shù)代謝過程與高等生物相同或類似，如蛋白質(zhì)的合成、核酸的合成。由于微生物蛋白質(zhì)的合成和核酸的合成基本同一般生物的生化過程，限于篇幅，這里省略。第四節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定二、生物固氮三、微生物結(jié)構(gòu)大分子——肽聚糖的生物合成四、微生物次生代謝物的合成一、自養(yǎng)微生物的CO2固定

各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途徑有4條。兩類自養(yǎng)生物固定CO2的條件和途徑二、生物固氮

生物固氮作用：將大氣中分子態(tài)氮通過微生物固氮酶的催化而還原成氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上僅次于光合作用的生物化學(xué)反應(yīng)。（一）固氮微生物80余屬，全部為原核生物（包括古生菌），主要包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌。根據(jù)固氮微生物與高等植物及其他生物的關(guān)系，可將它們分為以下3類：

1、自生固氮微生物

2、共生固氮微生物

3、聯(lián)合固氮微生物1、自生固氮菌獨立生活狀況下能夠固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能獨立地進行固氮，但并不將氨釋放到環(huán)境中，而是合成氨基酸，組成自身蛋白質(zhì)。自生固氮微生物的固氮效率較低，每消耗1克葡萄糖大約只能固定10~20毫克氮。2、共生固氮菌

與其它生物形成共生體，在共生體內(nèi)進行固氮的微生物。只有在與其他生物緊密地生活在一起的情況下，才能固氮或才能有效地固氮；并將固氮產(chǎn)物氨，通過根瘤細(xì)胞酶系統(tǒng)的作用，及時運送給植物體各部，直接為共生體提供氮源。共生體系的固氮效率比自生固氮體系高得多，每消耗

1克葡萄糖大約能固定280毫克氮。3、聯(lián)合固氮菌

聯(lián)合固氮作用是固氮微生物與植物之間存在的一種簡單共生現(xiàn)象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。這些固氮微生物僅存在于相應(yīng)植物的根際，不形成根瘤，但有較強的專一性，固氮效率比在自生條件下高。通常在水域環(huán)境中，共生性固氮系統(tǒng)不常見。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧區(qū)主要是藍(lán)細(xì)菌的作用，在無氧區(qū)主要是梭菌的作用。1、生物固氮反應(yīng)的6要素固氮酶ATP的供應(yīng)還原力及其傳遞載體還原底物—N2鎂離子嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境（二）固氮的生化機制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮總反應(yīng)：ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-

Fd.2e-

Fd(Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo2NH3N22、固氮的生化途徑氧障呼吸無氧呼吸發(fā)酵光合作用NAD(P)H+H+1）Fd向氧化型的固二氮酶還原酶的Fe提供1個e，變?yōu)檫€原型2）還原型的固二氮酶還原酶與ATP-Mg結(jié)合，改變構(gòu)象3）固二氮酶在Mo上與分子氮結(jié)合，并與固二氮酶還原酶-ATP-Mg結(jié)合，形成完整的固氮酶4）電子轉(zhuǎn)移，形成氧化型固二氮酶還原酶，同時形成ADP5）連續(xù)6次，固二氮酶放出2個NH3（三）好氧菌固氮酶避害機制

固氮酶的兩個蛋白組分對氧極其敏感，一旦遇氧就很快導(dǎo)致不可逆的失活。固氮生化反應(yīng)都必須受活細(xì)胞中各種“氧障”的嚴(yán)密保護。大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長期進化過程中，已進化出適合在不同條件下保護固氮酶免受氧害的機制。1、好氧性自生固氮菌的抗氧保護機制（1）呼吸保護固氮菌科的菌種能以極強的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細(xì)胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，保護固氮酶。（2）構(gòu)象保護在高氧分壓條件下，Azotobacter

vinelandii（維涅蘭德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一個無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象。2、藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護機制藍(lán)細(xì)菌光照下會因光合作用放出的氧而使細(xì)胞內(nèi)氧濃度急劇增高⑴分化出特殊的還原性異形胞：缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)Ⅱ，脫氫酶和氫化酶的活性高，維持很強的還原態(tài)；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸強度高，可消耗過多的氧。⑵非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護:能通過將固氮作用與光合作用進行時間上的分隔來達(dá)到；通過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下的細(xì)胞失去能產(chǎn)氧的光合系統(tǒng)II，以便于進行固氮反應(yīng)；通過提高過氧化物酶和SOD的活性來除去有毒過氧化合物。3、豆科植物根瘤菌的抗氧保護機制只有當(dāng)嚴(yán)格控制在微好氧條件下時，才能固氮；根瘤菌還能在根毛皮層細(xì)胞內(nèi)迅速分裂繁殖，隨后分化為膨大而形狀各異、不能繁殖、但有很強固氮活性的類菌體。許多類菌體被包在一層類菌體周膜中，膜的內(nèi)外有能與O2結(jié)合的豆血紅蛋白。肽聚糖：絕大多數(shù)原核微生物細(xì)胞壁所含有的獨特成分；在細(xì)菌的生命活動中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質(zhì)基礎(chǔ)。是在抗生素治療上有特別意義的物質(zhì)。＊微生物結(jié)構(gòu)大分子——肽聚糖的合成肽聚糖的合成合成機制復(fù)雜，步驟多，且合成部位幾經(jīng)轉(zhuǎn)移。合成過程中須要有能夠轉(zhuǎn)運與控制肽聚糖結(jié)構(gòu)元件的載體（UDP和細(xì)菌萜醇）參與。肽聚糖的合成過程依發(fā)生部位分成三個階段：細(xì)胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸細(xì)胞膜階段：合成肽聚糖單體細(xì)胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖肽聚糖的合成第一階段：在細(xì)胞質(zhì)中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。

這一階段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖經(jīng)一系列反應(yīng)生成的；自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸開始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是與糖載體UDP結(jié)合的；葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-