《生物发酵与代谢机制》课件

生物发酵与代谢机制本课程将深入探讨生物发酵与代谢机制的基本原理、途径和应用从微生物代谢的基础知识到工业发酵的实际应用，我们将系统学习各种代谢途径，包括糖酵解、三羧酸循环、电子传递链以及各类发酵方式通过理解这些基本机制，我们可以更好地把握微生物的能量获取方式、物质转化规律，以及如何利用这些原理指导工业发酵生产无论是在食品工业、医药制造还是环境保护领域，这些知识都具有重要的应用价值第一章绪论课程概述学习目标本课程主要介绍生物发酵与代谢机制的基本原理、经典代谢途径通过本课程的学习，学生将能够理解微生物代谢的基本原理，掌以及工业应用我们将从微生物的能量获取、物质转化到发酵工握主要代谢途径的反应步骤与调控机制，熟悉不同发酵类型的特艺的设计与优化，全面了解生物发酵的科学基础与技术应用点，并具备分析解决发酵工业实际问题的能力本课程将为从事生物技术、食品工业和医药制造领域的研究与应用打下坚实基础发酵的定义传统发酵生理学和生化意义12从历史角度看，发酵最初是指在从生物化学角度，发酵是指在厌缺氧条件下，微生物分解有机物氧条件下，微生物通过糖酵解产产生气泡的过程这一概念源于生的代谢过程，同时将ATP拉丁文（沸腾），最早重新氧化为，以维持fervere NADH NAD+应用于酿造啤酒和葡萄酒等传统糖酵解的持续进行在这一过程工艺中，人们观察到液体表面会中，有机物被部分氧化，最终产产生气泡并伴随温度升高的现象物通常是有机酸、醇类等还原性物质工业发酵3在现代生物技术中，发酵的定义已经扩展为使用微生物（包括细菌、真菌、酵母等）或其酶系统，在有氧或无氧条件下，将原料转化为目标产品的生物转化过程广义的工业发酵包括酶制剂、抗生素、氨基酸、有机酸等多种产品的生产发酵工业的发展历史天然发酵阶段1人类最早利用发酵可追溯到公元前年，古代埃及、美索不达米亚和中国已7000开始使用发酵技术制作面包、酒类和酱油等食品这一时期的发酵完全依赖环境中自然存在的微生物，工艺不稳定，产品质量波动大，但奠定了发酵技术的基础纯培养技术的建立2世纪后期，巴斯德揭示了微生物在发酵中的作用，汉森发明了单细胞分离技19术，使得纯种培养成为可能这一突破极大提高了发酵过程的可控性和产品的稳定性，标志着发酵工业从经验阶段向科学阶段的跨越通气搅拌发酵技术3世纪年代，青霉素的工业化生产促进了通气搅拌式发酵技术的发展，解决2040了好氧发酵中的氧传递问题此后，随着基因工程、代谢工程等现代生物技术的兴起，发酵工业进入了定向改造微生物、精准控制代谢的新时代发酵工业的特点反应条件温和发酵过程通常在常温常压、中性值附近进pH行，能耗低，对设备要求相对较低温和的生物催化剂的应用反应条件也使得发酵工艺更加环保，减少了2对环境的负面影响，符合绿色化学的发展方发酵工业使用微生物细胞或酶作为催化向剂，这些生物催化剂具有高效、专一的特点，能在温和条件下催化复杂的生化1产品种类多样反应与化学催化剂相比，生物催化剂的立体选择性和区域选择性更高，可实发酵工业可生产多种类型的产品，包括初级现特定结构产物的精准合成代谢产物（如氨基酸、有机酸）、次级代谢3产物（如抗生素、生物碱）、酶制剂、生物燃料等随着合成生物学的发展，发酵产品的种类还在不断扩展，为化工、医药、食品、能源等多个领域提供支持第二章微生物的代谢概述代谢网络复杂性代谢多样性代谢产物的应用微生物代谢是一个高度复杂、精密调控的网不同微生物具有各异的代谢能力，这种多样微生物代谢产生的各类物质为人类提供了丰络系统，涉及数百至数千种酶催化的生化反性是微生物适应各种生态环境的基础从利富的资源，从食品添加剂到医药原料，从工应这些反应相互关联、协同运作，形成有用简单无机物的自养菌到分解复杂有机物的业酶制剂到生物燃料，这些都源于微生物的序的代谢网络，使微生物能够高效地合成细异养菌，从需氧微生物到厌氧微生物，各种代谢活动了解和掌握微生物代谢的基本规胞组分、获取能量并维持生命活动代谢类型的存在使微生物能够占据几乎所有律，是开发利用这些资源的关键地球环境微生物代谢的基本概念同化代谢同化代谢是指微生物利用外源营养物质合成自身细胞组分的过程这些反应通常需要消耗能量（）和还原力（），属于还原性生物合成过程通过同化代谢，简单ATP NADPH的前体物质被转化为复杂的生物分子，如糖类、蛋白质、脂质和核酸等蛋白质合成需要氨基酸•核酸合成需要碱基和磷酸•多糖合成需要单糖单元•异化代谢异化代谢是指微生物分解营养物质以获取能量的过程这些反应通常产生能量（）ATP和还原力（、₂），属于氧化性分解过程通过异化代谢，复杂的有机物被NADH FADH分解为简单的小分子，同时释放出化学能，这些能量被捕获并储存在等高能化合物ATP中糖酵解分解葡萄糖•三羧酸循环氧化乙酰•CoA电子传递链产生大量•ATP微生物的代谢类型自养型异养型自养型微生物能够利用无机碳源（如₂）合成有机物，不需要异养型微生物需要从环境中获取有机碳源作为碳源和能源大多CO外源性有机碳源根据能量来源不同，自养型微生物又可分为光数细菌、真菌和原生动物属于异养型异养微生物可进一步分为合自养型和化能自养型光合自养型微生物如蓝藻、光合细菌利专性异养型（只能利用有机物）和兼性异养型（能同时利用有机用光能固定₂；化能自养型微生物如硝化细菌、硫杆菌利用无物和无机物）在自然界和工业发酵中，异养型微生物起着重要CO机物氧化释放的能量固定₂作用，参与物质循环和有机物转化CO微生物的能量代谢的作用底物水平磷酸化能量代谢的多样性ATP三磷酸腺苷是微生物细底物水平磷酸化是生成的不同微生物具有不同的能量代ATP ATP胞中最重要的高能化合物，被一种方式，发生在特定的代谢谢方式，包括有氧呼吸、厌氧称为能量货币分子含反应中，如糖酵解和三羧酸循呼吸和发酵有氧呼吸使用ATP有两个高能磷酸键，水解时释环在这些反应中，含高能磷₂作为最终电子受体，能量O放大量能量（每摩尔约酸键的代谢中间体直接将磷酸效率最高；厌氧呼吸使用其他

30.5）这些能量被用于驱动各基团转移给，形成无机物（如₃⁻、₄⁻）kJ ADP ATP NO SO²种生物合成反应、主动转运、例如，在糖酵解过程中，作为电子受体；发酵则使用有1,3-细胞运动等需要能量的生理过二磷酸甘油酸和磷酸烯醇丙酮机物作为电子受体，能量效率程的持续生成和消耗构酸的转化都会通过底物水平磷较低，但允许微生物在缺氧环ATP成了微生物能量代谢的核心酸化产生境中生存ATP氧化磷酸化电子传递链电子传递链是一系列膜结合蛋白复合体和电子载体，按照氧化还原电位递增的顺序排列从和₂获取的高能电子沿着这条链传递，最终被₂NADH FADH O接受形成₂电子传递过程中释放的能量被用于将质子从膜内侧泵至外侧，H O形成质子梯度质子动力势质子动力势是指膜两侧质子浓度和电势差的组合，也称为质子电化学梯度根据的化学渗透理论，这种梯度代表着储存的能量，可以用于驱动Mitchell ATP合成质子动力势由两部分组成化学梯度（Δ）和电势梯度（Δψ），两pH者共同决定了质子跨膜返回的驱动力大小合成ATP质子沿着浓度梯度通过合酶复合体回流到膜内侧的过程中，释放的能量被ATP用于催化和无机磷酸结合生成这一过程称为氧化磷酸化，是有氧生ADP ATP物获取能量的主要方式每个通过完整的电子传递链可产生约个NADH

2.5，而每个₂可产生约个ATP FADH

1.5ATP第三章糖酵解途径糖酵解是几乎所有生物体共有的代谢途径，也是微生物能量代谢的中心环节通过一系列精密调控的酶促反应，将一分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸，同时产生分子和分子这一过程不需要氧气参与，既可以作为有氧呼吸的前奏，也可以在厌氧条件下与发酵途2ATP2NADH径偶联，为微生物提供基本的能量需求糖酵解概述定义和意义糖酵解是指葡萄糖通过一系列酶促反应被分解为丙酮酸的代谢途径这一途径在进化上高度保守，从细菌到人类几乎所有生物都具备对于微生物而言，糖酵解是获取能量的基本途径，也是多种代谢中间体的来源，连接着多条代谢支路，在细胞生理活动中占据核心位置主要步骤糖酵解途径由个酶促反应组成，可分为三个阶段第一阶段为投资阶段，10消耗个将葡萄糖转化为个三碳糖；第二阶段为回收阶段，生成个2ATP24ATP和个；第三阶段为最终氧化阶段，生成个丙酮酸整个过程净产生2NADH2个和个，实现了从葡萄糖到丙酮酸的转化2ATP2NADH调控机制糖酵解途径受到精密调控，关键调控点包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶等几个不可逆反应调控方式包括底物水平调节、产物反馈抑制、别构调节和转录水平调控等多种机制，确保糖酵解速率与细胞能量需求相匹配葡萄糖的磷酸化己糖激酶的作用1催化葡萄糖磷酸化反应消耗ATP2每分子葡萄糖消耗一分子ATP反应不可逆性3确保葡萄糖进入代谢磷酸化的意义4增加分子极性，阻止细胞外流葡萄糖的磷酸化是糖酵解的第一步，也是糖代谢的入口反应己糖激酶催化与葡萄糖第位碳原子上的羟基反应，形成葡萄糖磷酸这一反应具有很大的ATP6-6-负自由能变化，在生理条件下几乎不可逆，保证了葡萄糖一旦进入细胞就能被有效利用磷酸化使葡萄糖分子带负电荷，增加了极性，无法通过细胞膜自由扩散，有效地将葡萄糖困在细胞内部同时，磷酸化还活化了葡萄糖分子，使其更容易被后续酶所识别和催化在许多微生物中，己糖激酶的活性受到精细调控，是控制糖酵解速率的重要节点果糖二磷酸的形成-1,6-葡萄糖磷酸异构化磷酸果糖激酶催化-6-在磷酸己糖异构酶的催化下，葡萄糖磷酸转1磷酸果糖激酶使用将果糖磷酸磷酸化为-6-ATP-6-化为果糖磷酸2果糖二磷酸-6--1,6-的消耗调节点功能ATP4投资阶段的第二分子被消耗，为后续能量此反应是糖酵解的主要调控点，受多种代谢物ATP3收获做准备影响果糖二磷酸的形成标志着糖酵解的投资阶段结束这一过程分两步首先，葡萄糖磷酸在磷酸己糖异构酶的作用下转化为果糖磷酸，这是-1,6--6--6-一个可逆反应；然后，磷酸果糖激酶催化与果糖磷酸反应，生成果糖二磷酸ATP-6--1,6-磷酸果糖激酶催化的反应是糖酵解最重要的调控点之一该酶受多种代谢物的调节高浓度时抑制酶活性，而、和果糖二磷酸则ATP AMPADP-2,6-激活酶活性这种复杂的调控机制使微生物能够根据能量状态灵活调整糖酵解速率，确保代谢平衡三碳化合物的氧化果糖二磷酸的甘油醛磷酸脱氢二磷酸甘油酸的-1,6--3-1,3-裂解酶形成果糖二磷酸醛缩酶催甘油醛磷酸脱氢酶催化二磷酸甘油酸是糖酵-1,6--3-1,3-化果糖二磷酸裂解为甘油醛磷酸的氧化，同解的第一个高能中间产物，-1,6--3-两种三碳化合物磷酸二时将无机磷酸掺入，形成其位置的酰基磷酸键C-1羟丙酮和甘油醛磷酸二磷酸甘油酸这一具有高的水解自由能变化-3-1,3-这一反应打开了六碳环，反应将醛基氧化为酸基，（约）这

49.3kJ/mol将葡萄糖分子一分为二，同时将释放的能量部分储种高能键的形成为后续通是糖酵解由投资阶段转向存在高能磷酸键中甘油过底物水平磷酸化生成收获阶段的关键步骤磷醛磷酸脱氢酶使用创造了条件每分子-3-ATP酸二羟丙酮随后被三磷酸作为电子受体，生葡萄糖经过这一系列反应，NAD+异构酶转化为甘油醛磷成，这是糖酵解中最终生成两分子二磷-3-NADH1,3-酸产生还原力的步骤酸甘油酸和两分子NADH的生成ATP投资阶段-2磷酸甘油酸激酶4丙酮酸激酶2净产生4糖酵解过程中的生成主要发生在两个反应步骤磷酸甘油酸激酶和丙酮酸激ATP酶催化的反应磷酸甘油酸激酶催化二磷酸甘油酸向磷酸甘油酸的转化，1,3-3-同时将高能磷酸基团转移给，形成这是底物水平磷酸化的典型例子，ADP ATP不依赖于电子传递链由于每分子葡萄糖生成两分子二磷酸甘油酸，因此这一步骤可以产生两分子1,3-加上后续丙酮酸激酶反应产生的两分子，减去前期消耗的两分子，ATP ATP ATP糖酵解的净产量为两分子虽然产量不高，但这种快速获取能量的方式使微ATP生物能够在厌氧环境中生存丙酮酸的形成磷酸烯醇丙酮酸的形成1烯醇酶催化磷酸甘油酸脱水2-丙酮酸激酶反应2催化磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸生成ATP3高能磷酸键能量转移给ADP能量平衡4糖酵解净产生和2ATP2NADH丙酮酸的形成是糖酵解的最后步骤首先，磷酸甘油酸在烯醇酶的催化下脱水，形成不稳定的高能中间体磷酸烯醇丙酮酸这一反应将能量集中在一个高能磷酸烯醇基团2-中，为后续的生成做准备ATP随后，丙酮酸激酶催化磷酸烯醇丙酮酸向丙酮酸的转化，同时将磷酸基团转移给，形成这是糖酵解中第二个底物水平磷酸化过程丙酮酸激酶反应是糖酵解的ADPATP又一个调控点，受、丙氨酸等代谢物的抑制，和果糖二磷酸的激活，确保糖酵解与能量需求相协调ATP-1,6-第四章三羧酸循环8循环步骤三羧酸循环由个主要反应步骤组成，每个步骤都由特定酶催化83脱羧反应循环中有个反应涉及₂的释放，贡献了循环的不可逆性3CO12ATP当量每循环一周可产生约个当量，远高于糖酵解的能量效率12ATP4还原当量每循环一周产生分子、分子₂和分子或3NADH1FADH1GTP ATP三羧酸循环循环，也称为柠檬酸循环或克雷布斯循环，是有氧生物能量代谢的核心途径该循环不仅是主要的能量产生途径，还是多种生物合TCA成反应的中间体来源，连接了碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢作为一个闭合的循环系统，它通过一系列精密设计的反应，高效地将乙酰辅酶A完全氧化为₂，同时将释放的能量捕获在还原性辅酶中CO三羧酸循环概述定义和意义循环特性1三羧酸循环是一系列酶促反应组成的闭合代谢途径每循环一周，一分子乙酰完全氧化为₂CoA CO2代谢连接能量捕获4连接糖类、脂质和氨基酸代谢，是代谢网络的枢纽循环过程中产生多种还原性辅酶为电子传递链提供3电子三羧酸循环是有氧条件下微生物能量代谢的主要途径，也是糖、脂肪和蛋白质等多种营养物质的共同代谢终点该循环接收来自糖酵解的丙酮酸，以乙酰辅酶的形式进入，通过一系列酶促反应将其彻底氧化为₂，同时产生、₂和等高能分子A CO NADH FADHGTP除了能量代谢功能外，三羧酸循环还是多种代谢中间体的来源，为氨基酸、卟啉、核苷酸等生物分子的合成提供骨架因此，该循环在微生物生理中具有双重角色既是分解代谢的主要通道，也是合成代谢的重要支撑循环中几乎所有中间体都可以被引出用于生物合成，又可以通过厌氧补充反应重新填充，确保循环的连续运行乙酰辅酶的形成A丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体是由多种酶和辅酶组成的巨大分子机器，分子量约⁶道尔顿，是已知

4.6×10最大的酶复合体之一该复合体由三种主要成分组成丙酮酸脱羧酶、二氢硫辛酰基转E1E2移酶和二氢硫辛酰基脱氢酶，以及五种辅酶、硫辛酸、辅酶、和⁺E3TPP AFAD NAD负责丙酮酸的脱羧•E1催化乙酰基转移•E2恢复硫辛酸的氧化态•E3的释放CO₂丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸的氧化性脱羧，将丙酮酸的羧基以₂形式释放这是一个不CO可逆反应，标志着丙酮酸碳骨架的第一个碳原子被完全氧化₂的释放使反应具有很大的热CO力学驱动力，确保了糖酵解产物向三羧酸循环的单向流动在微生物发酵工业中，这一步也是许多代谢工程的关键调控点丙酮酸的羧基转化为₂•CO反应的不可逆性提供代谢方向性•₂释放量是微生物代谢活跃度的指标•CO柠檬酸的合成柠檬酸合酶的作用柠檬酸合酶催化乙酰辅酶与草酰乙酸缩合形成柠檬酸的反应这是一个缩合A反应，乙酰辅酶的乙酰基与草酰乙酸结合，形成六碳化合物柠檬酸这一反A应从热力学上看是可逆的，但在生理条件下，由于后续反应迅速消耗柠檬酸，使得整个过程向前进行水分子的加入在柠檬酸合成过程中，一个水分子参与了反应，使得乙酰辅酶的甲基碳原子A与草酰乙酸形成新的碳碳键这一步骤在化学上相当于醛缩合反应，但在生-物体内由特异性的酶催化，具有很高的区域选择性和立体选择性，确保只产生特定构型的柠檬酸循环入口的意义柠檬酸的合成是三羧酸循环的第一步，也是循环的入口反应这一反应将来自不同代谢途径的两碳单位乙酰辅酶引入循环，使得碳水化合物、脂肪和某A些氨基酸的代谢产物能够通过共同的途径被完全氧化，体现了代谢途径的汇聚性异柠檬酸的氧化脱羧异柠檬酸的形成异柠檬酸脱氢酶的生成NADH柠檬酸经过丙烯酸酶的催化，先脱水形成异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸的氧化脱羧在异柠檬酸氧化脱羧过程中，⁺接受NAD顺丙烯酸，然后再加水形成异柠檬酸这反应，将异柠檬酸转变为α酮戊二酸，同电子被还原为，这是三羧酸循环中-NADH一过程的实质是羟基的转位，目的是将羟时释放一分子₂，并产生一分子产生的第一个还原当量携带高能CONADH基转移到适合进行后续氧化脱羧反应的位这是三羧酸循环中的第一个脱羧电子，可以通过电子传递链传递给氧，同NADH置这一转位反应虽然看似多余，但对于反应，也是第一个产生还原当量的步骤时通过氧化磷酸化产生约个因

2.5ATP后续反应的进行至关重要，体现了代谢途该酶在细胞内受到多种代谢物的调节，是此，这一步骤不仅减少了碳原子数量，还径的精密设计三羧酸循环的重要调控点捕获了部分化学能酮戊二酸的氧化脱羧α-酮戊二酸脱氢酶第二个碳原子的释琥珀酰辅酶的形成α-A复合体放α酮戊二酸脱氢酶复合体α酮戊二酸脱氢酶复合体反应产物琥珀酰辅酶是--A是一个多酶复合体，结构催化的反应释放第二个一个高能硫酯，携带高能和功能与丙酮酸脱氢酶复₂分子，这是三羧酸硫酯键，为后续反应提供CO合体类似它由三种酶组循环中的第二个脱羧反应能量驱动琥珀酰辅酶A成α酮戊二酸脱羧通过这一反应，原始六碳的硫酯键能量有部分来自E1-酶、二氢硫辛酰基转化合物的第二个碳原子被α酮戊二酸的氧化，这是E2-移酶和二氢硫辛酰基完全氧化为₂，剩余一种能量保存的策略，使E3CO脱氢酶，以及相同的五种的四碳单位继续在循环中得下一步反应底物水平磷辅酶该复合体催化α酮传递这一不可逆反应为酸化成为可能琥珀酰辅-戊二酸的氧化性脱羧，生循环提供了热力学驱动力，酶也可以用于某些生物A成琥珀酰辅酶、₂和同时也是循环流量的重要合成途径，如卟啉合成A CO调控点NADH琥珀酸的氧化琥珀酸的氧化是三羧酸循环的第六步反应，由琥珀酸脱氢酶催化，将琥珀酸转化为延胡索酸琥珀酸脱氢酶是一种特殊的脱氢酶，它是三羧酸循环中唯一一个嵌入线粒体内膜或原核生物细胞膜的酶，同时也是电子传递链的复合物II在反应过程中，琥珀酸失去两个氢原子，形成碳碳双键，产生延胡索酸失去的电子被接受，形成₂与不同，-FAD FADH NADH₂不会从酶上释放出来，而是直接将电子传递给辅酶，进入电子传递链每分子₂通过氧化磷酸化可产生约个，低FADH QFADH

1.5ATP于的能量产量，这是因为₂在电子传递链中的进入点靠后，跳过了第一个质子泵复合体NADH FADH草酰乙酸的再生延胡索酸的水合延胡索酸在延胡索酸酶的催化下加水形成苹果酸这是一个可逆反应，延胡索酸的碳碳-双键被水分子加成，生成苹果酸这一反应为碳链上添加了一个羟基，为后续的氧化反应做准备虽然这一步骤不直接产生高能分子，但它是循环继续进行的必要环节苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶催化苹果酸的氧化，生成草酰乙酸和这是三羧酸循环的最后NADH一个氧化还原反应，也是循环中产生的第三个苹果酸脱氢酶是一种⁺NADH NAD依赖型脱氢酶，将苹果酸的羟基氧化为酮基，形成草酰乙酸这一反应在生理条件下是可逆的，但由于后续反应持续消耗草酰乙酸，整体上向前进行循环的完成随着草酰乙酸的再生，三羧酸循环完成了一个周期新生成的草酰乙酸可以与下一分子乙酰辅酶结合，开始新的循环周期循环的这种自我更新特性使得只需A少量草酰乙酸就能催化大量乙酰辅酶的氧化，体现了催化循环的高效性在微A生物代谢调控中，草酰乙酸的浓度往往是限制循环速率的因素之一三羧酸循环的能量平衡₂NADH FADHGTP/ATP三羧酸循环每完成一个周期，一分子乙酰辅酶完全氧化为两分子₂，同时产生三分子、一分子₂和一分子或在有氧条件下，这些还原当量通过电子传递链被氧化，产生大量A CONADH FADHGTP ATP每分子可产生约个，每分子₂可产生约个，再加上底物水平磷酸化产生的个或，总共可产生约个当量ATP NADH

2.5ATP FADH

1.5ATP1GTP ATP10ATP如果考虑丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸转化为乙酰辅酶的反应产生个，从一个丙酮酸分子开始计算，完整的氧化过程可产生约个当量这远高于糖酵解产生的个，体现了有氧A1NADH

12.5ATP2ATP代谢的高能效正是这种高效的能量获取方式，使得好氧微生物在相同底物条件下比厌氧微生物具有更强的生长能力第五章电子传递链和氧化磷酸化电子传递链和氧化磷酸化是有氧生物能量代谢的最后阶段，也是产生大部分的关键过程在该过程中，来自糖酵解和三羧酸循环的高ATP能电子通过一系列氧化还原反应，最终传递给氧气，同时释放的能量被用于泵送质子到膜的另一侧，形成质子梯度这种质子梯度代表着储存的能量，被称为质子动力势，可以通过合酶驱动的合成这种将氧化还原能转化为质子梯度再转化为化ATP ATP学能的方式，被称为化学渗透理论，是生物能量学的核心原理通过这一高效的能量转换机制，微生物能够从有限的营养物质中获取最大的能量产出电子传递链概述组成和结构能量转换原理电子传递链主要由四个大型蛋白质复合体组成复合物脱氢酶、电子传递链的核心原理是电子沿着氧化还原电位不断降低能量释放的方INADH复合物琥珀酸脱氢酶、复合物细胞色素复合体和复合物细向传递，释放的能量被用于泵送质子⁺从膜内侧到外侧，形成跨膜质IIIII bc1IV H胞色素氧化酶这些复合体嵌入在能量转换膜中真核生物的线粒体内子梯度这种梯度代表着储存的能量，被称为质子动力势，包括化学梯c膜或原核生物的细胞膜，通过可移动的电子载体辅酶和细胞色素相度Δ和电势梯度Δψ两部分质子动力势驱动合酶催化和Q cpHATP ADPPi互连接结合形成，完成能量的最终转换ATP复合物和接收电子并传递给辅酶电子能量转化为质子梯度•I II Q•复合物将电子从辅酶传递给细胞色素质子梯度驱动合成•III Q c•ATP复合物将电子从细胞色素传递给氧整个过程遵循化学渗透理论•IV c•复合物I脱氢酶电子的传递能量转换效率NADH复合物，即脱氢将两个高能电子复合物是电子传递链中I NADHNADH I酶，是电子传递链中最转移给复合物中的产生质子梯度最多的复I大的蛋白质复合体，分黄素单核苷酸，合体，每对电子可泵送FMN4子量约，由然后电子通过一系列铁个质子，对合成贡850kDa45ATP个不同的亚基组成该硫簇传递，最终献最大许多抗生素和Fe-S复合体呈形结构，到达辅酶结合位点，抑制剂如鱼藤酮靶向L Q一部分嵌入膜中，另一将辅酶还原为泛醌醇复合物，阻断电子传递Q I部分伸向膜内侧空间这一过程释放的能量足和能量转换在微生物复合物催化的氧以驱动质子泵送，对能代谢工程中，调控复合I NADH化和辅酶泛醌的还原量转换至关重要在某物的活性是优化能量产QI反应，同时将个质子从些微生物中，复合物可出和生物合成平衡的关4I膜内侧泵送到外侧能被其他类型的键策略之一NADH脱氢酶替代复合物II琥珀酸脱氢酶1三羧酸循环和电子传递链的连接点结构特点2最小的电子传递链复合体，仅有个亚基4辅基组成3含有、铁硫簇和血红素FAD b能量特性4不泵送质子，能量效率低于复合物I复合物琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环和电子传递链的交叉点，既催化循环中琥珀酸氧化为延胡索酸的反应，又将获得的电子通过和铁硫簇传递给辅酶与复合物不IIFAD QI同，复合物在电子传递过程中不泵送质子，这是因为琥珀酸氧化释放的自由能变化相对较小，不足以驱动质子跨膜转运II复合物接收的电子直接进入辅酶池，跳过了复合物，这意味着从₂获得的电子只能通过复合物和泵送质子，产生的比从获得的电子少，这解释了IIQI FADH III IVATP NADH为什么每分子₂只能产生约个，而每分子可产生约个在某些微生物中，复合物还可以参与厌氧呼吸，使用延胡索酸作为电子受体FADH

1.5ATP NADH

2.5ATP II复合物III细胞色素复合体bc11电子从辅酶传递到细胞色素Q c二聚体结构2由个亚基组成的对称二聚体11辅基系统3含有细胞色素、和铁硫蛋白b c1质子泵功能4每对电子泵送个质子4复合物细胞色素复合体是电子传递链的中心环节，负责将电子从脂溶性载体辅酶传递给水溶性载体细胞色素这一过程涉及一个复杂的反应循环，称为循环III bc1Q c Q在循环中，每个完全还原的辅酶泛醌醇释放两个电子一个电子通过高电位链传递给细胞色素，另一个电子通过低电位链返回辅酶池Q QcQ循环的特殊设计使得复合物能够在传递一对电子的同时泵送四个质子，大大提高了能量转换效率这一过程的核心是铁硫蛋白的大幅度构象变化，它从膜内侧靠近辅酶Q III结合位点，接收电子后摆动到膜外侧，将电子传递给细胞色素复合物是许多抗真菌药物和抗菌素的作用靶点，如链佐星和抗霉素Qc1III A复合物IV细胞色素氧化酶氧的还原质子泵c复合物细胞色素氧化酶是电子传递链的最复合物催化氧气₂接受四个电子和四个质在催化氧还原的同时，复合物还将四个额外的IV cIV OIV后一个复合体，催化电子从细胞色素传递给氧子，生成两个水分子₂这一反应的挑战质子从膜内侧泵送到外侧，为质子梯度做出贡献c2HO气的反应该复合体在真核生物中由个亚基在于需要避免有害中间体如超氧阴离子、过氧这些质子与参与水形成的质子不同，而是通过主13组成，在原核生物中结构更为简单其关键特征化氢的释放复合物通过将四个电子和四个动泵送机制跨膜转运复合物对氧亲和力很高，IV IV是含有两个血红素和两个铜中心，形成电子传质子同时传递给一个氧分子，确保氧的完全还原，能在极低氧浓度下运行，确保电子传递链的持续a递通路，将四个电子逐一传递给一个氧分子避免了活性氧自由基的产生运转化学渗透理论假说质子梯度的形成1Mitchell2化学渗透理论由于电子传递链复合体、和在电Peter MitchellI III IV年提出，解释了电子传递与子传递过程中将质子从膜内侧基1961合成之间的偶联机制该理论质或细胞质泵送到膜外侧膜间隙ATP指出，电子传递过程中释放的能量或周质，形成质子浓度梯度ΔpH不是直接用于合成，而是先转和电势差Δψ这两者共同构成质ATP化为跨膜质子梯度，这种间接的能子动力势Δ，是合成的直接p ATP量耦联方式被称为化学渗透偶联驱动力质子动力势的大小通常为因这一发现获得了，相当于每摩尔质子Mitchell1978180-200mV年诺贝尔化学奖的自由能23-25kJ能量转换原理3质子动力势是一种储存能量的形式，类似于蓄电池质子沿着其电化学梯度流回膜内侧时释放能量，这种能量被合酶捕获并用于催化和无机磷酸结ATP ADP合生成这一过程实现了氧化还原能电子能量到化学能的转换，是ATPATP生物能量学的核心原理合酶ATP结构和功能旋转催化机制催化效率合酶合酶是一个复杂的蛋白合酶采用独特的旋转催化机制质子沿合酶是一个高效的分子机器，旋转速度ATP F0F1-ATPATP ATP质复合体，由两个主要部分组成嵌入膜中着浓度梯度通过部分的亚基和交可达每秒数百转，每转可合成个分子F0a c-ring3ATP的部分和突出膜面的部分部分形界处，驱动旋转与中心轴（对应部分的个催化位点）根据化学γF0F1F0c-ring c-ringF13成跨膜质子通道，由亚基环和亚亚基相连，因此亚基随之在部分的渗透理论，通常需要个质子的跨膜流动γc c-ring aF13-4基组成；部分具有催化活性，由₃₃六聚体中旋转亚基的旋转使亚基才能合成个分子合酶还可以逆F1αβγβ1ATP ATP₃₃亚基组成两部分通过中心轴依次经历松弛、紧密和开放向运行，水解泵送质子，在某些厌氧条αβγδεγloose tightATP亚基和外周杆₂δ亚基连接，共同构成一三种构象，实现的结合、合成和件下用于维持质子梯度bopen ATP个分子马达释放比P/ONADH

2.5₂FADH

1.5葡萄糖完全氧化

2.5比是指每对电子通过电子传递链被氧化过程中生成的数量这一参数是评估氧化磷酸化效率的重要指标理论上，通过复合物、和传递电P/O ATP NADH IIII IV子，每对电子可泵送个质子复合物泵个，泵个，泵个；而₂通过复合物、和传递电子，仅泵送个质子复合物不泵质子10I4III4IV2FADHIIIIIIV6II考虑到合酶通常需要约个质子合成个，的比约为，₂的比约为这解释了为什么三羧酸循环中产生的能量高于ATP41ATPNADHP/O

2.5FADH P/O

1.5NADH₂对于葡萄糖的完全氧化，综合考虑糖酵解、丙酮酸脱氢和三羧酸循环产生的所有还原当量，整体比约为，表明每消耗一个氧原子可产生约FADH P/O

2.5个比的具体值可能因微生物种类、生长条件和膜渗透性等因素而略有差异

2.5ATP P/O第六章发酵代谢发酵代谢是微生物在缺氧条件下获取能量的重要途径与有氧呼吸相比，发酵不使用氧气作为最终电子受体，而是利用内源性有机分子通常是糖酵解的中间产物或产物作为电子受体，形成各种还原性发酵产物，如乳酸、乙醇、丁醇等尽管发酵的能量效率较低，每分子葡萄糖仅产生个，但它使微生物能够在厌氧环境中生存，具有重要的生态和进化意义同时，2-3ATP微生物发酵产生的各种产物也被人类广泛应用于食品、饮料、医药和能源等领域，成为现代生物技术的重要基础本章将系统介绍几种主要的发酵类型及其代谢机制发酵代谢概述定义和特点发酵在生物化学意义上是指在厌氧条件下，微生物利用有机物作为电子受体重新氧化NADH的代谢过程发酵的核心特点是电子在细胞内部循环，最终受体是内源性有机分子，不涉及外部电子受体如氧气和电子传递链发酵代谢通常始于糖酵解，产生丙酮酸和，然后NADH通过不同的还原反应再生，同时形成特征性发酵产物NAD+与呼吸的区别发酵与呼吸的本质区别在于电子受体的性质和能量产出呼吸使用外源性电子受体如₂、O₃⁻、₄⁻，并通过电子传递链产生质子梯度，可获得较多；而发酵使用内源性NOSO²ATP有机电子受体，没有质子梯度形成，仅来自底物水平磷酸化，产量有限从能量角度看，ATP发酵是将有机物部分氧化，保留部分能量在还原性产物中；而呼吸可将有机物完全氧化为₂和₂，释放最大能量CO HO生理意义发酵对微生物的最重要意义是允许在缺氧条件下继续进行糖酵解，获取能量通过将NADH重新氧化为，发酵确保了糖酵解可以持续进行尽管能量效率低下，但发酵使微生物能NAD+够适应各种厌氧环境，如沉积物、消化道、发酵食品等对某些微生物而言，发酵还是产生特定代谢产物的途径，这些产物可能具有抑制竞争者的作用，帮助微生物占据生态位乳酸发酵同型发酵异型发酵工业应用同型乳酸发酵是由嗜热链球菌、乳酸乳球异型乳酸发酵由双歧杆菌、片球菌等微生乳酸发酵在食品工业中应用广泛，用于生菌等乳酸菌执行的代谢途径，其特点是将物执行，其特点是产生多种发酵产物在产酸奶、奶酪、泡菜等发酵食品其产物几乎所有的丙酮酸超过转化为单一这种发酵中，只有部分丙酮酸被转化为乳乳酸不仅赋予食品特殊风味，还能抑制腐90%产物乳酸这一过程由乳酸脱氢酶催化，酸，其余部分被转化为乙酸、乙醇、二氧败菌生长，延长保质期在工业上，乳酸该酶使用将丙酮酸还原为乳酸，同化碳等异型乳酸菌通常使用磷酸酮缩酶也是重要的化工原料，用于生产乳酸聚合NADH时再生同型乳酸菌具有糖酵解的途径替代糖酵解的部分反应，产生更多物等生物可降解材料乳酸发酵还NAD+PLA所有酶，但缺乏醛脱氢酶和丙酮酸脱羧酶，例如，双歧杆菌可通过这一途径从用于废物处理和生物控制，如青贮饲料制ATP使其只能进行乳酸发酵每分子葡萄糖产生个，比典型糖备和有机肥料生产

2.5ATP酵解的个更高效2ATP乙醇发酵丙酮酸脱羧乙醛的还原工业重要性乙醇发酵的第一步是丙酮酸的脱羧，由丙酮酸脱羧乙醇发酵的第二步是乙醛的还原，由醇脱氢酶催化，乙醇发酵是人类最古老的生物技术应用之一，在酿酶催化，将丙酮酸转化为乙醛和二氧化碳这一反将乙醛还原为乙醇，同时氧化为⁺造啤酒、葡萄酒和蒸馏酒等领域有着悠久历史现NADHNAD应不仅释放₂，也激活了碳链，为后续的还原这一反应是乙醇发酵的关键，它再生了糖酵解所需代工业上，乙醇发酵还被用于生产生物燃料乙醇，CO反应做准备丙酮酸脱羧酶是依赖于硫胺素焦磷酸的⁺，使糖酵解能够持续进行醇脱氢酶是作为可再生能源的来源酵母尤其是酿酒酵母是NAD的酶，需要⁺作为辅因子在酵母和某一种锌依赖性的脱氢酶，在多种微生物中存在，但乙醇发酵的主要执行者，能够在高糖、低氧环境中TPP Mg²些细菌中，丙酮酸脱羧酶的表达受氧气抑制，确保在酵母中表达最为丰富高效产乙醇，最终浓度可达12-15%只在缺氧条件下进行乙醇发酵丙酮丁醇发酵-代谢途径1丙酮丁醇发酵主要由梭菌属细菌如产丁梭菌执行，是一种双相发酵过程在第-一阶段酸生成相，葡萄糖被分解为乙酸、丁酸等有机酸，同时产生₂和₂；CO H关键酶系统在第二阶段溶剂生成相，这些有机酸被进一步转化为丙酮、丁醇和乙醇，通常2比例约为这一过程涉及复杂的代谢重编程，受到、营养状态和基因调3:6:1pH丙酮丁醇发酵涉及多种特异性酶，包括硫解磷酸裂解酶将葡萄糖转化为丙酮酸、-控的影响丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶产生乙酰和₂、乙酰乙酰转移酶形-CoA COCoA成乙酰乙酰、以及一系列脱氢酶和还原酶，将中间体逐步转化为最终产物CoA其中，醇醛脱氢酶是关键酶，催化醛类化合物还原为相应醇类-产物比例调控3丙酮丁醇发酵产物比例的调控是工业应用的关键问题影响因素包括值低-pH促进溶剂生成、氧化还原电位还原环境有利于醇类生成、金属离子⁺促pHFe²进丁醇生成、以及碳氮比高比增加丁醇产量等通过代谢工程，可以改变C/N关键酶的表达水平或引入异源代谢途径，优化产物比例例如，敲除乙酰乙酸脱羧酶可减少丙酮生成，增加丁醇产量混合酸发酵主要产物代谢分支12混合酸发酵主要由肠杆菌科细菌如大肠在混合酸发酵中，丙酮酸可通过多种途杆菌、沙门氏菌执行，其特点是同时产径代谢丙酮酸甲酸裂解酶将丙酮酸1-生多种发酵产物，包括乙酸、甲酸、乳裂解为甲酸和乙酰，甲酸可进一步CoA酸、琥珀酸、乙醇，以及气体产物₂分解为₂和₂；丙酮酸脱氢酶复CO COH2和₂这种多样的产物谱反映了微生物合体将丙酮酸氧化为乙酰和₂；H CoACO拥有多种丙酮酸代谢途径，能够适应不乳酸脱氢酶将丙酮酸还原为乳酸乙3同的生长条件，并最大化能量获取产酰可进一步转化为乙酸产生或CoAATP物比例会因菌株、培养条件和环境因素乙醇氧化，形成能量产生和氧化NADH而异还原平衡的双重调控网络代谢调控3混合酸发酵的产物分布受多层次调控环境因素，如、氧浓度、底物类型等；代谢1pH2流量分配，由关键酶活性和底物浓度决定；基因表达调控，如全局调节因子厌氧响3FNR应和氧化还原响应的作用例如，在严格厌氧条件下，大肠杆菌更倾向于产生氢气和ArcA乙酸；而在微氧条件下，乳酸和琥珀酸产量增加这种代谢灵活性使肠杆菌能够在多变的肠道环境中生存第七章氨基酸代谢氨基酸结构与分类工业生产意义代谢网络复杂性氨基酸是蛋白质的基本构建单元，也是细胞氨基酸是重要的工业产品，广泛应用于食品氨基酸代谢是细胞代谢网络中高度复杂的部代谢网络中的重要中间体标准氨基酸共有添加剂、饲料补充剂、医药原料等领域全分，与糖代谢、脂质代谢、核苷酸代谢等多种，根据侧链结构可分为非极性如丙氨球氨基酸市场规模超过百亿美元，其中谷氨个系统相互连接氨基酸既可作为蛋白质合20酸、缬氨酸、极性非带电如丝氨酸、天冬酸钠味精、赖氨酸和蛋氨酸需求最大微成的前体，也可作为能量来源或其他生物分酰胺、酸性天冬氨酸、谷氨酸和碱性赖生物发酵是工业化生产氨基酸的主要方法，子的前体不同氨基酸的合成和分解途径各氨酸、精氨酸四类微生物可以合成所有通过筛选高产菌株、代谢调控和发酵工艺优不相同，但遵循一定的共性原则，形成有机氨基酸，而高等动物只能合成部分非必需氨化，可实现高效、环保的生产过程统一的代谢网络基酸氨基酸代谢概述生物合成分解代谢1微生物通过复杂的代谢途径合成各种氨基酸氨基酸被降解为循环中间体或其他代谢物TCA2调控机制代谢整合43通过多层次调控确保氨基酸的供需平衡氨基酸代谢与糖、脂质和核苷酸代谢相互连接氨基酸代谢是微生物代谢网络中的重要组成部分，包括合成代谢和分解代谢两个方面合成代谢负责生产满足蛋白质合成和其他生理需求的氨基酸，分解代谢则将多余的氨基酸降解为中心代谢途径的中间体，提供能量或碳骨架氨基酸代谢的核心是氮素代谢，包括氨的固定、转氨基作用、氧化脱氨基作用等过程根据生物合成途径的前体物质，种氨基酸可分为六大家族α酮戊二酸家族谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、脯氨酸、丙酮酸家族丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、20-磷酸甘油酸家族丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、草酰乙酸家族天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、磷酸烯醇丙酮酸家族芳香族氨基3-酸和核糖磷酸家族组氨酸、色氨酸-5-氨基酸的通用代谢途径转氨基作用转氨基作用是氨基酸代谢中最基本的反应类型，涉及氨基从氨基酸转移到α酮酸的过-程，由转氨酶也称氨基转移酶催化这种反应需要吡哆醛磷酸作为辅基，通过PLP形成希夫碱中间体实现氨基的转移转氨基作用在氨基酸合成和分解中都起关键作用，允许细胞在不同氨基酸间重新分配氨基，灵活适应代谢需求氧化脱氨基作用氧化脱氨基作用是将氨基酸转化为相应α酮酸、氨和的过程，主要由谷氨酸脱-NADH氢酶催化这一反应通常与转氨基作用偶联其他氨基酸先通过转氨基作用将氨基转移给α酮戊二酸形成谷氨酸，然后谷氨酸再通过氧化脱氨基作用释放氨，并再生α酮--戊二酸这种途径不仅实现了氨基的移除，还产生了可用于能量代谢的NADH氨的同化与排泄微生物处理氨的策略因种类而异许多细菌直接将氨释放到环境中；而真菌和某些细菌将氨与谷氨酸结合形成谷氨酰胺，作为无毒储氮形式；还有些微生物如尿素循环生物将氨转化为尿素或尿酸排出在固氮微生物中，氨是通过固氮酶固定₂产生的，N可直接用于氨基酸合成这些多样的氨代谢策略反映了微生物对不同生态位的适应谷氨酸的代谢合成途径谷氨酸是氨基酸代谢的中心枢纽，其合成主要有三条途径谷氨酸脱氢酶途径，将α酮戊二1-酸与氨结合，同时氧化；谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺氧化途径，先形成谷氨酰胺，再NADPH2-释放氨基；谷氨酸合酶途径，使用乙酰磷酸作为能量来源不同微生物优先使用不同途3AcP径，这与其生态环境和能量代谢有关谷氨酸脱氢酶途径在氨丰富环境中占主导•谷氨酰胺合成酶途径在氨限制条件下更重要•谷氨酸合酶途径在某些特化微生物中存在•工业生产谷氨酸是产量最大的氨基酸，主要用于生产味精谷氨酸钠工业生产主要采用短棒状杆菌发酵法，通过代谢调控实现谷氨酸的过量分泌关键策略包Corynebacterium glutamicum括限制生物素浓度，改变细胞膜通透性；抑制α酮戊二酸脱氢酶复合体活性，增加α酮12--戊二酸可用性；降低谷氨酸分解代谢，减少回收利用3全球年产量超过万吨•300主要生产国为中国、日本和东南亚国家•发酵技术不断优化，产量和效率持续提高•赖氨酸的代谢合成途径1赖氨酸合成有两条主要途径二氨基庚二酸途径，常见于细菌和植物，从天冬氨酸出1DAP发，经过九步反应形成赖氨酸；α氨基己二酸途径，存在于真菌和部分细菌中，从α2-AAA-酮戊二酸和乙酰开始，经过七步反应生成赖氨酸这两条途径的存在反映了进化上的趋同CoA适应，满足了不同生物合成赖氨酸的需求关键酶系统2途径的关键酶包括天冬酰半醛脱氢酶、二氢双吡啶羧酸合酶和脱羧酶；途径的关DAP DAPAAA键酶包括高烯丙基还原酶和直链氨基酸氨基转移酶这些酶的活性和表达水平直接影响赖-CoA氨酸合成效率在工业生产菌株中，通常通过突变或基因工程手段增强这些关键酶的活性，或消除反馈抑制作用，以提高赖氨酸产量反馈抑制3赖氨酸合成途径受到严格的反馈抑制调控在途径中，天冬酰激酶高丝氨酸脱氢酶是主要DAP-调控点，受到赖氨酸和苏氨酸的协同抑制；在途径中，高烯丙基还原酶是关键调控点，AAA-CoA受到赖氨酸的直接抑制工业生产中，通常采用反馈抑制抗性突变株，如氨乙基半胱S-2--L-氨酸抗性突变株，这些突变导致调控酶对赖氨酸的感受性降低，从而允许赖氨酸过量积AEC累色氨酸的代谢色氨酸合酶1催化最终合成步骤吲哚甘油磷酸合酶-3-2形成吲哚环结构邻氨基苯甲酸合成酶3生成芳香族前体莽草酸变位酶4芳香族氨基酸共同途径关键酶合酶DAHP5芳香族氨基酸合成的入口酶色氨酸属于芳香族氨基酸家族，合成途径与苯丙氨酸和酪氨酸共享前期步骤其合成始于磷酸烯醇丙酮酸和赤藓糖磷酸缩合形成脱氧阿拉伯庚酮磷酸，经过莽草酸途径形成PEP-4-E4P3--D--7-DAHP邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸与磷酸核糖缩合，经过一系列反应生成吲哚甘油磷酸，最后与丝氨酸结合形成色氨酸5--3-色氨酸生物合成的调控极为精细，包括多层次的反馈抑制和转录调控在大肠杆菌中，操纵子包含个基因，受到色氨酸阻遏蛋白的负调控，和频繁转录终止衰减机制的控制当色氨酸丰富trp5TrpR时，阻遏蛋白与操纵子结合，抑制转录；同时，高浓度色氨酸导致翻译核糖体快速通过领导肽区域，形成终止茎环结构，提前终止转录这种双重控制确保色氨酸合成与细胞需求精确匹配第八章脂质代谢脂质是生物体内重要的结构和功能分子，包括磷脂、甘油三酯、固醇类等多种类型在微生物中，脂质主要作为膜结构组分、能量储存物质和信号分子脂质代谢包括合成代谢和分解代谢两个方面，涉及多种复杂的酶促反应和调控机制脂肪酸的合成和氧化是脂质代谢的核心过程脂肪酸合成是一个构建性过程，从乙酰辅酶和丙二酰辅酶出发，通过脂肪酸合酶复合体β-A A逐步延长碳链；而氧化则是一个分解性过程，通过螺旋式反应循环逐步从脂肪酸中释放乙酰辅酶单元这两个过程在空间和时间上分β-A离，受到严格调控，确保能量利用的高效性脂质代谢概述脂肪酸的合成氧化β-脂肪酸合成是一个构建性过程，从乙酰辅酶开始，通过多轮延长氧化是脂肪酸分解的主要途径，通过一系列氧化、水合、再氧化βA-反应逐步形成长链脂肪酸这一过程需要消耗和还原力和硫解离反应，逐步从脂肪酸尾部释放两碳单位乙酰辅酶每ATPA，是典型的同化代谢微生物脂肪酸合成通常采用型轮氧化产生一分子₂、一分子和一分子乙酰辅酶，βNADPH II-FADHNADHA系统，各反应步骤由独立的酶催化；而真核生物则使用型系统，后者可进入三羧酸循环进一步氧化产生能量由于每分子脂肪酸I所有反应在一个大型多功能酶复合体上完成脂肪酸合成的产物含有大量还原当量，β氧化是一个高效的能量获取途径，特别适合-主要用于膜脂合成和能量储存长期能量储存脂肪酸的生物合成乙酰辅酶羧化酶A脂肪酸合成的第一步是乙酰辅酶的羧化，由乙酰辅酶羧化酶催化，生成丙二酰辅酶A AA这一反应需要和₃⁻参与，生物素作为辅基乙酰辅酶羧化酶是一个含有多ATP HCOA个功能域的酶，包括生物素羧化载体蛋白、生物素羧化酶和转羧化酶该酶是脂肪酸合成的限速步骤，受多种因素调控，包括细胞内脂肪酸水平和能量状态脂肪酸合酶复合体脂肪酸合酶是催化脂肪酸延长反应的酶系统在大多数细菌中，各反应步骤由独立的酶催化型系统；而在真核生物和部分细菌中，所有反应在一个大型多功能酶复II合体上完成型系统合成循环包括四个主要步骤缩合活性乙酰基与丙二酰基结I合、还原β酮基还原为β羟基、脱水形成αβ不饱和酰基和再还原形成饱和酰基--,-每轮循环碳链延长两个碳原子长链脂肪酸的形成脂肪酸合成通常持续进行多轮循环，直到达到特定长度通常为个碳原子16-18链长的决定因素包括脂肪酸合酶的构象特性和末端硫解酯酶的底物特异性合成完成的脂肪酸以游离脂肪酸或酰基辅酶的形式释放，然后被用于合成磷脂、甘A油三酯等复杂脂质，或通过进一步的酶促反应引入不饱和键或其他修饰脂肪酸的氧化β-脱氢反应活化和转运酰基脱氢酶催化形成反式烯酰2CoA-2-CoA1脂肪酸β氧化的前奏是脂肪酸的活化和转运-水合作用烯酰水合酶加水形成羟酰CoA L-3-CoA35硫解裂解再脱氢β酮硫解酶释放乙酰并缩短碳链-CoA4羟酰脱氢酶氧化形成酮酰3-CoA3-CoA脂肪酸进入β氧化前，需先被脂酰合成酶激活，形成脂酰这一反应消耗，实际上消耗了两个高能磷酸键→活化的脂肪酸在原-CoA CoAATPATPAMP+PPi核生物直接进入β氧化；而在真核生物中，还需通过肉毒碱穿梭系统转运到线粒体-β氧化是一个循环过程，每轮循环通过四个连续反应将酰基碳链缩短两个碳原子，同时产生一分子乙酰、一分子和一分子₂这些产物-CoA CoANADH FADH可通过三羧酸循环和氧化磷酸化进一步氧化，产生大量以棕榈酰为例，完全β氧化需要轮循环，生成分子乙酰、分子₂和分ATP CoAC16-78CoA7FADH7子，理论上可产生个，远高于葡萄糖氧化产生的个NADH108ATP30-32ATP甘油三酯的代谢合成和分解能量储存12甘油三酯是由甘油和三个脂肪酸分子形甘油三酯是极佳的能量储存形式，每克成的中性脂质，主要用于能量储存甘可提供约能量，是碳水化合物的两38kJ油三酯的合成始于甘油磷酸，经过脂倍多这是因为脂肪酸高度还原，含有-3-酰转移酶的催化逐步加入三个脂肪酸分大量键，氧化时可释放更多能量许C-H子，形成甘油三酯分解过程则是由脂多微生物在营养丰富时合成甘油三酯储肪酶催化，逐步水解甘油三酯释放脂肪存能量，在营养匮乏时分解利用一些酸和甘油这些过程在微生物中对于适菌种如放线菌和分枝杆Rhodococcus应环境变化、调节能量平衡至关重要菌可积累大量甘油三酯，占干重的20-，形成明显的脂滴结构50%工业应用3微生物甘油三酯代谢的工业应用包括生物柴油生产、油脂生物合成和脂肪酶开发油脂积累微生物如油脂酵母和某些微藻能高效合成甘油三酯，可利oleaginous microorganisms用废弃生物质或工业副产品生产生物燃料微生物脂肪酶广泛应用于食品加工、洗涤剂和有机合成，具有特异性高、反应条件温和等优点通过代谢工程，可以改造微生物生产特定组成的油脂，满足不同工业需求第九章代谢调控酶活性调节基因表达调控代谢网络调控酶活性的调节是代谢调控最迅速的响应层次，基因表达调控是代谢调控的较慢响应层次，通代谢网络调控是最高层次的调控，涉及多条代能在秒或分钟级别发挥作用这类调控包括底常需要分钟到小时才能显现效果这类调控包谢途径之间的协调与平衡这包括碳代谢与氮物水平调节底物浓度影响反应速率、产物反括转录调控如操纵子结构、阻遏蛋白系统、代谢的平衡、异化代谢与同化代谢的平衡、能馈抑制终产物抑制其合成途径、别构调节调转录后调控如核糖开关、小和翻译调控量产生与消耗的平衡等全局调节因子如RNA节分子结合到非活性位点和共价修饰如磷酸如翻译起始效率在原核生物中，操纵子是受体蛋白、亮氨酸响应蛋白CRPcAMPLrp化、乙酰化别构调节尤其重要，允许代谢途基因表达调控的关键单元，使功能相关的基因和整合宿主因子可同时影响多个操纵子的IHF径对信号分子做出快速响应，调整代谢流量以协调的方式表达，如乳糖操纵子、色氨酸操表达，实现全局代谢重编程，以适应环境变化纵子等代谢调控的基本原理酶活性调节基因表达调控酶活性调节是最直接的代谢调控方式，可迅速响应代谢需求的变基因表达调控涉及对基因表达速率的控制，主要包括转录水1化主要包括底物水平调节，酶的反应速率随底物浓度变化平调控，如通过阻遏蛋白、激活蛋白、启动子效率等控制1mRNA遵循动力学；竞争性抑制，抑制剂与底物合成；转录后调控，如通过核糖开关、小、稳定性等Michaelis-Menten22RNA RNA竞争活性位点；非竞争性抑制，抑制剂与酶的其他位点结合，控制有效量；翻译水平调控，如通过核糖体结合位3mRNA3RBS改变酶的构象；共价修饰，如磷酸化、乙酰化、腺苷酰化等，点可及性、翻译效率、蛋白质稳定性等控制蛋白质合成这些机4改变酶的活性；蛋白质蛋白质相互作用，如通过调节蛋白形成制允许微生物根据环境条件调整酶的表达，优化代谢网络的性能5-复合物改变活性反馈抑制别构效应终产物抑制多价反馈抑制别构效应是指调节分子效终产物抑制是一种特殊的多价反馈抑制是指一个酶应物结合到酶的非活性位反馈抑制形式，指代谢途受到多种终产物的共同调点，引起酶的构象变化，径的最终产物抑制该途径控这包括累积抑制多个从而影响其催化活性这早期的关键酶这种机制产物各自独立抑制，效果种调控机制基于蛋白质的确保当终产物积累到足够叠加、协同抑制多个产构象灵活性，使酶能够感水平时，其合成途径被关物共同作用，效果增强和知细胞代谢状态并做出相闭，避免资源浪费典型顺序抑制某产物抑制后，应调整别构酶通常有两例子如氨基酸生物合成途酶对其他产物敏感性增加种构象状态态紧张状径，如组氨酸抑制磷多价反馈抑制常见于分支TATP态，低活性和态松弛状酸核糖转移酶，苏氨酸抑代谢途径，如天冬氨酸激R态，高活性，效应物的结制天冬氨酸激酶，色氨酸酶受赖氨酸和苏氨酸协同合可稳定某一状态，从而抑制邻氨基苯甲酸合成酶抑制，合酶受三种DAHP调节酶活性等芳香族氨基酸的累积抑制基因表达调控操纵子模型1操纵子是原核生物基因表达调控的基本单位，由和于年提出典型的操纵子Jacob Monod1961包括结构基因编码功能蛋白的基因、启动子聚合酶结合位点、操纵基因调控蛋白结合RNA位点和终止子转录终止信号操纵子使功能相关的基因集中在一起，受到协调调控，能够根据环境条件高效地开启或关闭特定代谢途径，这是微生物适应能力的重要基础阻遏蛋白2阻遏蛋白是操纵子调控的关键成分，可分为两类负调控型阻遏蛋白在与效应物结合后结合到操纵基因，阻止聚合酶启动转录如乳糖操纵子的；正调控型阻遏蛋白在与效应物结RNALacI合后才能结合到操纵基因，促进聚合酶启动转录如阿拉伯糖操纵子的阻遏蛋白通RNAAraC常含有结合域和效应物结合域，能够感知特定代谢物并调整基因表达DNA复杂调控网络3实际的基因表达调控通常比经典操纵子模型更复杂，涉及多层次的调控机制这包括全局调控因子如、、多重启动子、启动子强度差异、转录衰减、小调控、核糖开关等这CRP LrpRNA些机制相互作用，形成复杂的调控网络，使微生物能够精细调整代谢网络，应对各种环境挑战例如，大肠杆菌糖代谢面临葡萄糖时优先使用葡萄糖，这一现象称为分类代谢阻遏，涉及复合物、转运蛋白磷酸化和多种操纵子的协同调控CRP-cAMP代谢通量分析定义和方法代谢通量分析是研究代谢网络中物质和能量流动的定量方法它通过Metabolic FluxAnalysis,MFA测量和计算不同代谢途径间的物质流动速率，揭示代谢网络的动态特性主要方法包括约束基础通1量分析，基于稳态质量平衡和可测量通量约束；同位素示踪通量分析，使用或等标记底物，213C15N通过同位素分布模式推断通量；通量平衡分析，基于代谢物浓度动态变化测量反应速率3稳态假设简化了数学处理•同位素标记提供内部通量信息•代谢组学数据增强通量分析精度•应用案例代谢通量分析在工业微生物研究中应用广泛，帮助识别代谢瓶颈和优化目标产物生产典型案例包括氨基酸生产菌株优化，如通过发现谷氨酸产生菌中磷酸戊糖途径通量过高，通过减弱该途径113C-MFA提高产量；重组蛋白表达优化，通过通量分析发现能量代谢限制，调整供氧策略提高产量；生物燃23料生产改进，针对乙醇生产酵母，识别氧化还原平衡瓶颈，引入替代电子接受途径提高产量识别非直观的代谢瓶颈•指导菌株改造策略设计•优化发酵过程控制参数•第十章工业发酵过程工业发酵是将微生物代谢原理应用于大规模生产的过程，包括上游过程菌种选育、培养基开发、发酵过程种子培养、放大培养、工艺参数控制和下游处理分离、纯化、制剂三个主要阶段现代工业发酵结合了生物技术、化学工程和自动化控制等多学科知识，实现了高效、稳定的生物转化过程随着代谢工程和合成生物学的发展，工业发酵的应用范围不断扩大，从传统的酒精、抗生素、氨基酸生产，扩展到酶制剂、生物燃料、高值化学品和生物材料等新领域未来，随着人工智能、高通量筛选和精准发酵控制技术的进步，工业发酵将在生物经济中发挥更加重要的作用，推动化工、医药、食品、能源等产业的绿色转型工业发酵的基本流程上游过程上游过程包括菌种选育和培养基开发两个核心环节菌种选育是通过诱变、筛选、基因工程等方法获得高产、稳定的工业菌株现代菌种改造技术综合运用代谢工程、基因组编辑、合成生物学等手段，定向改造微生物的代谢网络，提高目标产物产量，减少副产物生成培养基开发则致力于优化营养成分配比，降低成本，提高发酵效率工业培养基通常采用价格低廉的原料，如玉米浆、豆粕、糖蜜等，并根据菌种特性添加特定营养元素和前体物质发酵过程发酵过程是工业发酵的核心环节，包括种子培养、放大培养和主发酵三个阶段种子培养从保存的菌种出发，经过逐级扩大培养，获得足量的活力良好的菌体；放大培养则将种子液逐步转移到更大的发酵设备中，最终进入生产用发酵罐主发酵过程中，需要严格控制温度、、溶氧、搅拌、通气等关键参数，并根据发酵类型采用适当的操pH作策略，如分批培养、补料分批培养或连续培养现代发酵工艺通常结合在线监测技术和反馈控制系统，实现精准的过程控制下游处理下游处理是将发酵液中的目标产物分离、纯化并制成最终产品的过程根据产物特性，下游处理可能包括固液分离过滤、离心、提取溶剂萃取、吸附、浓缩蒸发、膜分离、纯化结晶、色谱分离和干燥等步骤下游处理通常占总生产成本的，是发酵工业的重要成本控制点现代下游处理技术注重工艺集成和绿色化，如采用膜分50-80%离技术替代传统溶剂萃取，发展连续化分离工艺替代批次操作，以提高效率、降低能耗和减少污染总结与展望课程回顾发酵工业的未来发展学科交叉融合本课程系统介绍了生物发酵与代谢机制的基本原理和发酵工业正处于快速发展时期，未来趋势包括精生物发酵与代谢研究正日益与其他学科深度融合，形1应用从微生物的基本代谢途径糖酵解、三羧酸循环、准发酵，利用基因组编辑、合成生物学等技术定制微成新的增长点与系统生物学结合，构建全细胞代谢电子传递链到各类发酵类型乳酸发酵、乙醇发酵、丙生物，实现特定产物的高效生产；智能发酵，结合模型，指导理性菌株设计；与合成生物学结合，创建2酮丁醇发酵等，从氨基酸、脂质等重要生物分子的代人工智能、大数据和自动化控制技术，优化发酵过程人工代谢途径，生产非天然产物；与材料科学结合，-谢到代谢调控机制，再到工业发酵过程，构建了完整控制；集成生物制造，将多种生物转化过程集成在开发生物材料和智能响应系统；与环境科学结合，发3的知识体系这些知识不仅揭示了微生物能量获取和一个系统中，实现连续、高效的生产；可持续发酵，展生物修复和污染物转化技术这种交叉融合将为解4物质转化的基本规律，也为工业应用提供了理论基础利用农业废弃物、工业副产品等可再生资源作为原料，决能源、环境、健康等全球性挑战提供新思路，推动发展节能、减排的绿色工艺生物经济发展。