化能异养型微生物-的生物氧化课件

化能异养型微生物

的生物氧化

2022/11/111张星元：发酵原理2.3.1氧化还原反应

2.3.2微生物进行生物氧化的细胞器

及ATP合成酶

2.3.3生物氧化过程中辅酶的关键作

用

2.3.4化能异养型微生物生物氧化的

方式2022/11/112张星元：发酵原理

化能异养型微生物将有机营养物质储存的化学能，转化成可以被自身直接利用的能量形式（ATP或质子运动势Δp等）的代谢过程，叫做化能异养型微生物的产代谢能的代谢，一般称产能代谢。2022/11/113张星元：发酵原理

化能异养型微生物产能代谢，始于能源化合物（还原性有机化合物）的生物氧化（即能源化合物释放电子）。生物氧化归根到底属于氧化还原反应。2022/11/114张星元：发酵原理2.3.1氧化还原反应

2022/11/115张星元：发酵原理通常把在氧化还原反应中失去电子而被氧化的物质称为还原剂，把得到电子而被还原的物质称为氧化剂。在一个氧化还原反应中，氧化剂获得的电子总数必然等于还原剂失去的电子总数。2022/11/117张星元：发酵原理对于组成和结构比较复杂的化合物，特别是有机化合物，可以采用“氧化数

”这个概念来讨论氧化还原反应。用氧化数来表示物质中元素的表观电荷数，这样就可以把氧化和还原分别定义为反应物质中元素的氧化数的升高和下降。元素的氧化数升高，说明它已被氧化了；元素的氧化数下降，说明它已被还原了。2022/11/118张星元：发酵原理在有机体生命活动中，参与氧化还原反应的往往是有机化合物，或者反应的一方是有机化合物，采用氧化数这个概念来讨论氧化还原反应比较方便。在有机体生命活动中，氢元素不论是以氢离子的形式存在于细胞内外的溶液中，还是与其他原子共价相连的形式，存在于组成细胞的有机化合物分子中，其氧化数均规定为+1。2022/11/119张星元：发酵原理在活细胞内进行的涉及电子从一个分子到另一个分子转移的产能反应，总称为生物氧化。在一般的氧化还原反应中，还原剂将电子直接交给氧化剂并放出能量；在生物氧化过程中，还原剂首先将电子交给一级电子载体，再由一级电子载体将电子转交给氧化剂，并把化学能转化成生物可以直接利用的能量形式——代谢能。

2022/11/1110张星元：发酵原理

在生物氧化过程中，尽管还原剂释放的电子并不直接交给氧化剂，但是最终还是转交给氧化剂，同样完成了氧化和还原这两个“半反应”。因此生物氧化本质上还是氧化还原反应。因为细胞内的这些氧化还原反应向着能源化合物氧化降解和放能的方向进行，因而有生物氧化之称。2022/11/1111张星元：发酵原理生物氧化与一般的氧化还原反应相比较，氧化还原的本质是一样的，但进行的过程和结果大不一样。生物氧化是按一定顺序进行的、酶催化的、受到严密控制的逐级释放能量的过程，以这种方式释放的能量中的一部分可直接用来支撑生命活动。因此，没有生物氧化就没有代谢能，没有代谢能的支撑就没有生命活动。2022/11/1112张星元：发酵原理2.3.2微生物进行生物氧化的

细胞器及ATP合成酶

2022/11/1113张星元：发酵原理2.3.2.1线粒体的膜与原核细胞的质膜

2.3.2.2ATP合成酶2022/11/1114张星元：发酵原理

微生物细胞可直接利用的能量供体（以ATP为代表）的生成依赖于微生物细胞内进行的生物氧化（呼吸和发酵）。而经生物氧化生成的ATP又为一切生物学过程及时、准确地提供代谢能。2022/11/1115张星元：发酵原理微生物的呼吸和发酵作用在细胞特定部位或特定的细胞器里进行。在这些细胞部位和细胞器里包含着各种氧化还原酶（包括它们的辅酶和辅基）、电子传递链、输送蛋白和ATP合成酶。2022/11/1116张星元：发酵原理2.3.2.1线粒体的膜与原核细胞的质膜2022/11/1117张星元：发酵原理与呼吸关系最密切的细胞器是线粒体，对于原核细胞则是细胞质膜。线粒体内膜和原核细胞的质膜包含电子传递链、ATP酶，以及与呼吸有关的输送蛋白。2022/11/1118张星元：发酵原理根据NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2022/11/1119张星元：发酵原理根据NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2022/11/1120张星元：发酵原理2022/11/1121张星元：发酵原理真核微生物才有线粒体，前图大致描绘了其结构和功能。线粒体的外膜上镶嵌着一些起非特异性孔道作用的蛋白质，它们允许相对分子质量小于10000道尔顿的溶质通过，但像细胞色素那样大的分子是不能通过的。2022/11/1122张星元：发酵原理

线粒体内膜含有较多的蛋白质，它不但对溶质的通过具有选择性，而且具有不同形式的能量之间的转换功能。它实际上依靠载体让离子和分子通过，是控制各种生理物质进出线粒体的屏障。2022/11/1123张星元：发酵原理

内膜中的蛋白质包括电子传递链的多肽成员、各种输送蛋白质和ATP合成酶等。还有一些酶（如以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶）与内膜内侧相连，而已经观察到的内膜内侧的球状突起物则是ATP合成酶的具催化功能的亚单位。2022/11/1124张星元：发酵原理线粒体基质中包含线粒体的DNA和核糖体，以及与蛋白质合成、氨基酸分解代谢、脂肪酸β-氧化有关的酶和TCA环的酶（其中琥珀酸脱氢酶与内膜相联）。线粒体内外膜之间的膜间腔内也含有特殊的酶，如腺苷酸激酶。

2022/11/1125张星元：发酵原理与代谢有关的底物、产物以及还原力在细胞质和线粒体基质之间的传递，对真核微生物的代谢是非常重要的。这主要是因为酵解和PP环（磷酸戊糖循环）发生在细胞质，而脂肪酸的β-氧化（脂肪酸的降解）以及乙酰基的降解（TCA环的氧化过程）发生在线粒体的基质中。2022/11/1126张星元：发酵原理由胞质中的酵解作用产生的丙酮酸，如果要经TCA环氧化，则必须首先进入线粒体。电子传递磷酸化作用要求将磷酸根（Pi）和ADP送入线粒体，而线粒体中通过电子传递磷酸化生成的ATP，又必须被送出线粒体，才能参与细胞质中进行的需要ATP的反应。2022/11/1127张星元：发酵原理根据对原核细胞的研究，得知原核细胞的质膜是不对称的。NADH和分子氧与膜发生作用的位置只能在膜的内侧，同样，与膜结合的以FAD为辅酶的脱氢酶也在膜内侧，这些都是由电子传递链多肽成员在膜上的定位决定的。因为原核细胞的糖酵解和TCA环均在同一细胞空间进行，所以在原核细胞中NADH的释放电子和氧分子的接受电子不存在什么空间障碍。2022/11/1128张星元：发酵原理对于真核细胞，由于NADH不能跨过线粒体内膜，要借助所谓的穿梭系统，其中最简单的系统是3-磷酸甘油/磷酸二羟丙酮穿梭系统。线粒体的3-磷酸甘油脱氢酶的催化位点位于线粒体内膜的外表面，因此3-磷酸甘油的重新氧化并没有必要跨过线粒体内膜。2022/11/1129张星元：发酵原理细菌的细胞膜也有与线粒体内膜类似电子传递磷酸化的功能，特别是化能异养型细菌。细菌细胞质膜上也有电子传递链、ATP合成酶和输送蛋白。但由于细菌所处的环境远远没有线粒体所处的真核细胞的内环境稳定，细菌的电子传递链的组成变化较线粒体大。

2022/11/1130张星元：发酵原理化能异养型细菌的呼吸链与线粒体的呼吸链的主要差别图。

2022/11/1131张星元：发酵原理2.3.2.2ATP合成酶

2022/11/1132张星元：发酵原理ATP合成酶镶嵌在真核细胞的线粒体内膜，及细菌的细胞质膜，膜上的ATP合成酶呈球状突起，伸向线粒体基质或细菌细胞质。ATP合成酶实际上是多个多肽组成的复合体。这复合体由两部分构成，在电镜下看到的球状突起体是ATP合成酶的催化部分

，在线粒体中称为F1。ATP合成酶复合体的其余部分F0埋在膜里，作为向F1运送质子的跨膜通道（又有“质子阱”之称）。2022/11/1133张星元：发酵原理头部（F1）：为水溶性的球蛋白，从线粒体内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。由3α、3β、γ、δ、ε等9个亚基组成。α和β亚基上均有核苷酸结合位点，其中β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。γ和ε亚基有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”，共同旋转以调节三个β亚基的催化位点的开放和关闭。

基部（F0

）

：是嵌于膜内的疏水蛋白的复合体，形成一个跨膜质子通道。由a、b、c三种亚基构成。a亚基、b亚基的二聚体与F1的δ亚基一起组成了“定子”。

基质内膜胞液－－－+++2022/11/1134张星元：发酵原理

在真核微生物细胞中，由于ATP合成酶的F1球体位于线粒体内膜基质一侧，因此，通过电子传递磷酸化作用生成的所有ATP，都在线粒体基质里。这些ATP中的大部分必须转移到线粒体外，因为细胞需要ATP的过程大多是在线粒体外进行。2022/11/1135张星元：发酵原理线粒体内ATP的不断合成是通过ATP向外，ADP向内，以及与OH—离子相平衡的等摩尔的磷酸向内迁移（H2PO4-／OH-反向通道输送）来实现的。H2PO4-／OH-和ATP/ADP载体系统的综合效应是：每合成1个ATP分子即引起1个质子的额外的流入（相当于1个OH-离子的流出），该质子的电荷被用于驱动ADP3-和ATP4-的交换。线粒体内膜的内外，腺苷酸总浓度保持不变。2022/11/1136张星元：发酵原理

F0的功能是作为质子通道，它允许质子借助它而跨膜，并把质子交给ATP合成酶的催化部位F1，F1则起催化ADP的磷酸化或ATP的水解的作用。寡霉素能与F0的一个叫做寡霉素敏感授予蛋白（OSCP）的组分结合，使质子阱阻塞，从而控制ATP合成酶的作用；然而，寡霉素对细菌的ATP合成酶没有影响，因为细菌ATP合成酶复合体中没有OSCP。2022/11/1137张星元：发酵原理2.3.3生物氧化过程中

辅酶的关键作用

2022/11/1138张星元：发酵原理生物氧化本质上是氧化还原反应，因为发生了电子从一个分子到另一个分子转移。但又不同于一般的氧化还原反应，主要表现在：

①生物氧化是按一定顺序进行的、由酶催化的逐级放能的过程；

②还原性化合物（还原剂）首先把电子交给一级电子载体，而不是直接交给最终电子受体（氧化剂），而在普通的氧化还原反应中还原剂直接向氧化剂移交电子。2022/11/1139张星元：发酵原理

在化能异养型微生物细胞的生物氧化过程中，除了脱氢酶和氧化酶以外，它们的辅酶和辅基的作用也是不可替代的。脱氢酶的辅酶包括NAD和NADP。

NAD主要在供能途径的氧化还原反应（生物氧化）中起作用，NADP通常是在生物合成反应中起作用。在供能反应中，NAD+（氧化型的NAD）是反应物，而在合成反应中，NADPH（还原型的NADP）是反应物。2022/11/1140张星元：发酵原理2.3.3.1生物氧化的一级电子载体

2.3.3.2辅酶的再生和回用2022/11/1141张星元：发酵原理2.3.3.1生物氧化的一级电子载体2022/11/1142张星元：发酵原理

在生物氧化的过程中，还原剂（能源化合物或其降解物）把电子交给电子载体，经一个或多个电子载体，最后移交给氧化剂（最终电子受体）。

2022/11/1143张星元：发酵原理所谓载体，一般是指运载工具，其最基本的功能是：

①“接纳（可装）”、

②“排空（可卸）”、

③“贯通（可运货）”。

所谓电子载体就是“电子搭乘的载体”。2022/11/1144张星元：发酵原理微生物以不同的方式进行生物氧化，在生物氧化的过程中，还原剂放出的电子“搭乘”电子载体，电子载体的种类和“转乘”的次数不同。还原剂放出的电子首次搭乘的电子载体叫做一级电子载体，接下来搭乘的电子载体叫做二级电子载体……，依此类推。最后一级的电子载体将电子交给最终电子受体，完成这一轮生物氧化过程。2022/11/1145张星元：发酵原理生物氧化的一级电子载体主要包括：

①脱氢酶的辅酶：烟酰胺酰腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺酰腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）,

②氧化酶（黄素蛋白）的辅基：腺嘌呤黄素二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）。2022/11/1146张星元：发酵原理对于化能异养型微生物细胞来说，作为还原剂的有机化合物不论以何种方式进行生物氧化，其释放的电子，经各级电子载体逐级传递，直到这些电子被它们的最终电子受体接受的全过程中，只有一个步骤是有共性的，而且均是必不可少的，这就是，还原剂释放的电子首先要被生物氧化过程的一级电子载体接受。

2022/11/1147张星元：发酵原理

把还原剂放出的电子首先交给一级电子载体（脱氢酶或氧化酶的辅酶）是生物氧化的共性，也是生物氧化反应与一般的氧化还原反应的一个重大的区别。2022/11/1148张星元：发酵原理具有相同起讫点的氧化还原反应，例如，乙醇（酒精）完全氧化，生成二氧化碳和水，这个过程可以经两条不同的路径来实现：①一般的氧化还原反应；②生物氧化反应。这两条路径起讫点相同，但过程不同，自由能释放的情况及代谢能捕获的情况大相径庭。因此，点燃茅台酒（一般的氧化还原反应）可以照明和取暖，适量饮用茅台酒（生物氧化反应）可以支持生命活动。2022/11/1149张星元：发酵原理在脱氢反应的过程中，能源化合物（还原剂）首先将电子交给一级电子载体——脱氢酶的辅酶，即NAD的氧化形式NAD+，使它转化为其还原形式NADH。

那么，一级电子载体怎样支持生物氧化的持续进行呢？（认辨、接纳、运送、排空）2022/11/1150张星元：发酵原理2.3.3.2辅酶的再生和回用

2022/11/1151张星元：发酵原理在工业发酵领域，辅酶的再生和回用的概念的提出和应用，有利于对代谢能支撑假说的深入理解。2022/11/1152张星元：发酵原理

NAD和NADP是脱氢酶的辅酶，FAD和FMN是氧化酶的辅基，ATP是激酶的辅酶。在脱氢酶的辅酶中，NAD主要在供能途径的氧化还原反应（生物氧化）中起作用，NADP通常用于生物合成反应。因此，在分析辅酶在生物氧化中的关键作用时，当然把NAD作为首选对象。2022/11/1153张星元：发酵原理NAD是以NAD+的形式参加脱氢反应的，它作为一级电子受体直接从脱氢酶的底物（还原剂）接受一对电子被还原成NADH。

NADH中的“H”实际上是氢负离子（hydrideion），也就是一个氢离子和一对电子（H++2e-）。

2022/11/1154张星元：发酵原理NADH卸下（卸载）这一对电子并释放出氢离子而被再生成NAD+。然后，NAD+才能与脱氢酶的酶蛋白形成脱氢酶复合物，一起参与下一轮的脱氢酶的反应，这就是辅酶的回用。脱氢的辅酶NAD就是这样不断地“使用，再生，回用，再生，回用……”，持续地支持脱氢反应。2022/11/1155张星元：发酵原理

在微生物细胞的产能代谢中，还原型辅酶NADH上的一对电子主要以两种不同的方式卸载。2022/11/1156张星元：发酵原理在有外源电子受体的情况下，负载电子的NADH将电子交给电子传递链而再生为空载的电子载体NAD+，卸载电子后，空载的电子载体NAD+将继续投入下一轮的电子运载工作（作为脱氢酶的辅酶接受能源化合物或其还原性降解物分子释放的电子）；NADH交给电子传递链的电子经电子传递链传到最终电子受体，完成生物氧化。2022/11/1157张星元：发酵原理还原性化合物（电子供体）2e-2e-2e-2e-2e-电子传递链外源电子受体NADHNADHNAD+微生物呼吸过程中的电子传递和脱氢酶辅酶的再生与回用空NADH=NAD+〔H∶〕-〔H∶〕-+2e-=H+2022/11/1158张星元：发酵原理

在没有外源电子受体的情况下，NADH将电子直接交给内源电子受体（代谢中间化合物），在完成还原反应的同时NADH被再生（被氧化）为空载的电子载体NAD+。卸载电子后，空载的电子载体NAD+将继续投入下一轮的电子的运载工作。2022/11/1159张星元：发酵原理还原性化合物（电子供体）2e-2e-2e-2e-内源电子受体（生成发酵产物）NADHNADHNAD+空微生物发酵过程中的电子传递和脱氢酶辅酶的再生和回用2022/11/1160张星元：发酵原理因此，在化能异养型微生物进行生物氧化（不论是发酵还是呼吸）的过程中，脱氢酶的辅酶作为一级电子载体，起到了从脱氢酶的底物（能源化合物或其还原性降解物分子）直接接受电子的关键作用。2022/11/1161张星元：发酵原理细胞或细胞器的空间内NAD+是有限的，如果作为电子载体的辅酶NAD+不能得到再生，就不能被回用，有效的电子载体就会愈来愈少，脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶的再生必须及时，使有限的辅酶分子得到正常的周转，以保证生物氧化作用的持续进行。2022/11/1162张星元：发酵原理2.3.4化能异养型微生物

生物氧化的方式

2022/11/1163张星元：发酵原理目前发酵工业上使用的工业微生物绝大多数是化能异养型微生物。根据化能异养型微生物在生物氧化时有没有外源的最终电子受体，以及最终的外源电子受体是不是分子氧，可将化能营养型微生物的生物氧化分成发酵、有氧呼吸和无氧呼吸三类，它们在本质上都是氧化还原反应。2022/11/1164张星元：发酵原理生物氧化还原型的辅酶携带的电子有没有外源电子受体有无发酵呼吸还原型的辅酶携带的电子的最终电子受体是不是分子氧是不是有氧呼吸无氧呼吸生物氧化的特点和分类(1)(2)⑴还原剂将电子直接交给氧化型的辅酶，形成还原型的辅酶；⑵还原型的辅酶将电子交给电子传递链，并通过电子传递链最终把电子交给最终电子受体；⑶还原型的辅酶将电子交给内源的电子受体。(3)2022/11/1165张星元：发酵原理2.3.4.1发酵

2022/11/1166张星元：发酵原理在没有外源最终电子受体的条件下，化能异养型微生物的能源有机化合物或其还原性降解物，通过将一个内源的（已经经过该细胞代谢的）有机化合物还原而自身被氧化的生物学过程称为发酵。2022/11/1167张星元：发酵原理发酵过程中的碳架流与电子流2022/11/1168张星元：发酵原理

在发酵过程中，一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链的电子传递过程，而是通过底物水平磷酸化来获得ATP；在发酵过程中，一般是一级电子载体NAD首先接受能源有机化合物（或其某降解物）释放的电子，然后以NADH的形式直接将电子交给内源的电子受体，将它还原成发酵产物，从而完成氧化还原反应。

2022/11/1169张星元：发酵原理在厌氧条件下，化能异养型微生物经EMP、ED、PK或不完全的HMP途径，首先将葡萄糖降解为PYR，并生成NAD（P）H。进一步的代谢主要是一些使用NADH的还原过程和生物氧化降解过程，或者说是从PYR开始的发酵过程。

2022/11/1170张星元：发酵原理生成能量代谢副产物的亚网络（“R”

标注还原反应）

2022/11/1171张星元：发酵原理许多细菌、真菌（特别是酵母菌）和某些原生动物都能进行发酵模式的生物氧化作用，发酵可能是这些微生物专一的或可选择的生物氧化模式。注意，发酵过程中所用的能源有机化合物以及所形成的发酵产物的性质，可能会因不同的微生物种而有很大变化，这常常是微生物的重要分类学特征。2022/11/1172张星元：发酵原理

微生物的发酵途径，因不同的微生物物种、不同的能源化合物、不同的环境条件而五花八门，体现了微生物生命活动的多样性。

2022/11/1173张星元：发酵原理

比较了解的发酵大致有以下几种，大多与传统的发酵工业生产有关：

①酵母菌的酒精发酵，②酵母菌的甘油发酵(添加NaHSO3)，③酵母菌的甘油发酵(歧化反应)，④细菌的酒精发酵，⑤细菌的同型乳酸发酵，⑥细菌的异型乳酸发酵，⑦双歧发酵途径。以上7种发酵有一个共同的特点，那就是发酵中被氧化的和被还原的有机化合物均为葡萄糖的降解产物。2022/11/1174张星元：发酵原理

Stickland反应是另一种情况下的发酵，在这种发酵中，一种氨基酸的氧化与另一种氨基酸的还原通过NAD相耦联。

而所谓琥珀酸发酵，实际上是一种以外源有机化合物为最终电子受体的无氧呼吸，实际上不是发酵。通常所说的甲烷发酵实际上也是无氧呼吸。2022/11/1175张星元：发酵原理2.3.4.2有氧呼吸

2022/11/1176张星元：发酵原理⑴PYR通过TCA环被进一步氧化

⑵NADH和NADPH分子上的“H”的去向2022/11/1177张星元：发酵原理

当有外源的（没有经过该细胞代谢的）电子受体存在时，生物氧化就以电子传递的方式发生。电子传递分为在有氧条件下进行的电子传递和在无氧条件下进行的电子传递。2022/11/1178张星元：发酵原理在有氧条件下，一级电子载体NADH上的电子经电子传递链一直传到末级电子载体（电子传递链最后一个成员细胞色素氧化酶），然后，末级电子载体把电子交给最终电子受体分子氧，把分子氧还原成水，这就是有氧呼吸。2022/11/1179张星元：发酵原理

在有氧呼吸中，外源的最终电子受体是分子氧，而电子供体（或称呼吸底物）是微生物进行生物氧化的能源化合物（或其降解产物）。化能异养型微生物的能源化合物为有机化合物。化能自养型微生物的能源化合物是还原态的无机化合物，如H2、H2S、S、NH3、Fe2+、NO22-等。在有氧呼吸过程中，化能异养型微生物电子流动和碳元素的流动方向如图所示：2022/11/1180张星元：发酵原理化能异养型微生物有氧呼吸过程中电子流动和碳架流方向2022/11/1181张星元：发酵原理

在有分子氧的条件下能够生长的需氧微生物、兼性厌氧微生物营有氧呼吸。它们发生有氧呼吸的基本条件是有分子氧存在，有合适的呼吸底物存在。

2022/11/1182张星元：发酵原理

化能异养型微生物的有氧呼吸有两种形式。典型的一种是，呼吸底物的氧化不与分子氧的还原作用直接偶联，而是让其自身氧化过程中放出的电子经过电子传递链最后才传递到分子氧（以分子氧为最终电子受体的电子传递链又称呼吸链）。2022/11/1183张星元：发酵原理另一种非典型的是：呼吸底物脱下的氢和电子借助黄素蛋白转移给分子氧，参与这类反应的氧化酶都是以FAD或FMN为辅基的黄素蛋白，因此这种加氧呼吸又称黄素蛋白水平呼吸。2022/11/1184张星元：发酵原理在有分子氧的条件下，化能异养型微生物可经EMP途径、不完全的HMP途径ED途径、PK途径首先将葡萄糖降解为PYR，同时生成代谢能、NADH和NADPH；继而这些还原性化合物和还原型辅酶在有分子氧的条件下进行下述反应：2022/11/1185张星元：发酵原理⑴PYR通过TCA环被进一步氧化

PYR在进入TCA环前，先要被转化成乙酰辅酶A（AcCoA）。AcCoA的C-C键比较稳定，难于打断。尽管羰基的存在可使C-C键变弱而发生α裂解或β裂解，但在AcCoA的乙酰基中，谈不上β裂解，若要进行α裂解在能量上又不经济；而TCA环是大自然选择的一种巧妙的、可用来降解乙酰基的途径。

2022/11/1186张星元：发酵原理

TCA环——降解乙酰基的途径PYR，丙酮酸；AcCoA，乙酰辅酶A；CTA，柠檬酸；ICA，α-KG，α-酮戊二酸；ScCoA，琥珀酰辅酶A；SCA，琥珀酸；FMA，延胡索酸；MLA，苹果酸；OAA，草酰乙酸。原始底物再生底物2022/11/1187张星元：发酵原理

化能异养型微生物在有氧呼吸中，葡萄糖先降解为PYR，PYR被氧化脱羧生成AcCoA后，AcCoA与草酰乙酸（OAA）合成柠檬酸（CTA），进入TCA环；经异柠檬酸（ICA）、α-酮戊二酸（α-KG）、琥珀酸（SCA）、苹果酸（MLA）等4次脱氢，以及α-KG的脱羧和ICA经草酰琥珀酸的β裂解等2次脱羧，还有琥珀酰辅酶A（ScCoA）的1次底物水平磷酸化，最后又回复成OAA；至此乙酰基全部被氧化。

2022/11/1188张星元：发酵原理这样每分子PYR经TCA环生成3分子二氧化碳、4分子NAD（P）H（ICA脱氢时，细菌细胞质中形成NADPH，真核微生物线粒体中形成NADH）、1分子FADH2和1分子ATP（在大肠杆菌中为ATP，在哺乳动物中为GTP）。2022/11/1189张星元：发酵原理鉴于以上情况，可把AcCoA看作是TCA环的原始底物，把OAA看作再生底物。再生底物不足，势必影响TCA环的正常运转，进而影响AcCoA中乙酰基的降解。细胞（真核微生物的线粒体）内OAA最初的生成及其量的维持，与TCA环的再生底物的回补及乙醛酸循环密切相关。2022/11/1190张星元：发酵原理微生物的需氧生长往往会导致TCA环的再生底物或其前体的外流（参与氨基酸等的合成），从而威胁到乙酰基的降解。为维持再生底物的量，必须进行回补。除了细胞内转氨基酶所催化的反应能直接或间接提供OAA等，也可使TCA环得到回补外，TCA环再生底物的回补主要来自二氧化碳固定和乙醛酸环。

2022/11/1191张星元：发酵原理

二氧化碳固定有以下3个反应，它们分别由丙酮酸羧化酶（PC），磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）及苹果酸酶（ME）催化：

PYR+CO2→OAA

PEP+CO2→OAA

PYR+CO2→MLA（→OAA）

化能异养型微生物要在己糖或EMP途径的中间代谢物上进行需氧生长，至少需具备以上3个反应之一，以获得TCA环的再生底物。

2022/11/1192张星元：发酵原理

AcCoA作为原始底物进入TCA环，经过TCA环及与其配套的电子传递链被分子氧氧化成CO2。2022/11/1193张星元：发酵原理乙醛酸环可看作是AcCoA的另一个去向，一个借助于TCA环的某些反应而实现按合成方向进行的循环。因为乙醛酸是该循环中的“2C”中间物，故称为乙醛酸环（glyoxylatecycle，简称GOA环）。通过乙醛酸环，可把“2C”水平的AcCoA合成“4C”水平的化合物SCA，从而对TCA环进行回补。2022/11/1194张星元：发酵原理2022/11/1195张星元：发酵原理乙醛酸环一共涉及到5个酶。在真核微生物中，它们都集中在一起，存在于特殊细胞器乙醛酸循环体（glyoxysomes）中。环中第①、②、⑤3个酶即TCA环中相应的酶，所不同的是，在真核微生物中乙醛酸循环体中进行这些反应的柠檬酸合成酶和顺乌头酸酶是具有细胞器专一性的同功酶，它们和线粒体中TCA环中催化同样反应的酶在物理和酶学性质上都有差别。2022/11/1196张星元：发酵原理酶③、④是乙醛酸环特有的酶，它们分别是异柠檬酸裂合酶（IL）和苹果酸合成酸（MS）。当微生物细胞中同时有IL和MS起作用时，乙醛酸环与TCA环等同时运行。

乙醛酸环的酶受葡萄糖或其分解代谢物的阻遏。动物（高等动物）细胞中不存在乙醛酸环。2022/11/1197张星元：发酵原理乙醛酸环对生长在“2C”底物如乙酸或乙醇上的细菌、真菌、藻类和原生动物来说是必须具备的代谢途径。

乙酸或乙醇经下列反应先转变成AcCoA，以参与乙醛酸环代谢：

⑴乙醇→乙醛→乙酸

⑵乙酸＋HSCoA＋ATP→

AcCoA＋AMP＋PPi2022/11/1198张星元：发酵原理⑵NADH和NADPH分子上的“H”的去向

“H”指的是氢负离子([H∶]-，hydrideion)，它包含一个氢离子（质子）和一对电子：

NADH→NAD++[H∶]-

NADPH→NADP++[H∶]-

[H∶]-→H++2e-

2022/11/1199张星元：发酵原理

在有分子氧存在的条件下，需氧微生物和兼性厌氧微生物降解葡萄糖可生成NADH和NADPH。在细胞代谢中，辅因子NADH和NADPH有两种不同的用途。2022/11/11100张星元：发酵原理NADH主要涉及通过氧化磷酸化反应生成代谢能，NADH分子上的一对电子经呼吸链传递给分子氧，在此过程中释放能量的一部分被捕获生成ATP等形式的代谢能；而NADPH主要用于还原性生物合成。因此，NAD+作为供能反应的底物，而NADPH用做生物合成反应的底物，因而NADH/NAD+的比率和NADPH/NADP+的比率在不同的水平上受到调节。2022/11/11101张星元：发酵原理在细菌中,NADH/NAD+的比率为0.03~0.08，而NADPH/NADP+的比率为0.7~1.0(Ingraham等人,1983)。在酵母中这两个比值分别为0.25~0.30和0.58~0.75。然而，这两种辅酶可在尼克酰胺核苷酸转氢酶的作用下相互转化，它通过下面的反应进行催化实