《發(fā)酵工程》教學設計專業(yè)和班級：20XX級生物科學班學號：姓名：內容：第3章微生物的基礎代謝一學情分析(選)：大四的生物科學專業(yè)的學生，已修完必修課程，具有一定的生物學知識、科學素養(yǎng)以及操作能力。二教材分析(選)：生物技術是當前優(yōu)先發(fā)展的高新技術之一，它的快速發(fā)展和有效應用已給當前的工農業(yè)生產(chǎn)、人民健康、社會進步帶來了明顯的影響，并對人類和社會的加速發(fā)展帶來了積極的效益。由于生物技術發(fā)展勢頭很快，因此作為生物工程專業(yè)的主要專業(yè)課的生物工藝學的教材亟須不斷加以更新。本書由27位老、中、青年教師或專職科研骨干人員，歷時兩年編寫完成本書以產(chǎn)品生產(chǎn)中共性工藝技術的理論和實踐為綱，同時選取若干典型生產(chǎn)過程具體介紹，內容包括成熟的和較新的生物過程的基本原理。全書分上下兩冊，上冊包括緒論和生物反應過程篇（共12章），下冊包括生物質分離和純化原理篇（共11章）以及典型生物過程篇（共6章）。本次課程所用教材為上冊。三教學目標：1、掌握糖酵解途徑三羧酸循環(huán)TCA和乙醛酸循環(huán)的過程、關鍵酶、反應式2、了解磷酸戊糖途徑（HMP,PPP）、磷酸戊糖途徑過程及其意義3、比較糖酵解途徑三羧酸循環(huán)TCA和乙醛酸循環(huán)4、掌握酵母菌發(fā)酵機制、發(fā)酵產(chǎn)物5、了解酵母型酒精發(fā)酵、細菌的酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵內容6、養(yǎng)成自主學習的習慣，學會主動思考四教學重點和難點糖酵解途徑三羧酸循環(huán)TCA和乙醛酸循環(huán)的過程、關鍵酶、反應式酵母的酒精發(fā)酵機制五課時安排5課時六教學方法以講授法為主，學生自主學習為輔七教學內容1．糖酵解途徑（EMP）及三羧酸循環(huán)(TCA)1.1糖酵解途徑（EMP）1.1.1定義：糖酵解是指在氧氣不足條件下，葡萄糖或糖原分解為丙酮酸或乳酸的過程，此過程中伴有少量ATP的生成。這一過程是在細胞質中進行，不需要氧氣，每一反應步驟基本都由特異的酶催化。在缺氧條件下丙酮酸則可在乳酸脫氫酶的催化下，接受磷酸丙糖脫下的氫，被還原為乳酸。而有氧條件下的糖的氧化分解，稱為糖的有氧氧化，丙酮酸可進一步氧化分解生成乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。1.1.2三大階段：1,6-二磷酸果糖的生成，消耗2ATP；1,6-二磷酸果糖降解為3-磷酸甘油醛；3-磷酸甘油醛經(jīng)五步反應轉化為丙酮酸，產(chǎn)生4ATP;1.1.3特點：廣泛存在，是動植物、微生物細胞中G分解產(chǎn)生能量的共同途徑；不需氧;每一步都是由酶催化的，三個關鍵酶;丙酮酸的去路因不同生物和條件而異；1.1.4講解糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程（圖解）強調：當以其他糖類作為碳源和能源時，先通過少數(shù)幾步反應轉化為糖酵解途徑的中間產(chǎn)物，然后沿著糖酵解途徑進行降解。丙酮酸的不同去路:反應中生成的NADH2不能積存，必須被重新氧化為NAD后，才能繼續(xù)不斷地推動全部反應。在不同的機體，在不同的環(huán)境下（如氧氣的有無），氫的受體不同，丙酮酸的去路也不同。1.2三羧酸循環(huán)(TCA)1.2.1定義：是一個由一系列酶促反應構成的循環(huán)反應系統(tǒng)，在該反應過程中，首先由乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合生成含有3個羧基的檸檬酸，經(jīng)過4次脫氫，2次脫羧，生成四分子還原當量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的這一循環(huán)反應過程成為三羧酸循環(huán)。是需氧生物體內普遍存在的代謝途徑，因為在這個循環(huán)中幾個主要的中間代謝物是含有三個羧基的檸檬酸，所以叫做三羧酸循環(huán)，又稱為檸檬酸循環(huán)。三羧酸循環(huán)一定需要氧才能進行。在三羧酸循環(huán)中脫下的氫，形成NADH和FADH2，然后再逐步傳遞給氧。1.2.2講解三羧酸循環(huán)的過程（詳細講）：在線粒體中，TCA循環(huán)中的酶是以多種酶組成的復合體形式存在，這種酶復合體被稱為代謝區(qū)室（metabolons），它在細胞內能夠有效地將代謝中間產(chǎn)物從一種酶傳遞給另一種酶。這些復合體具有高效介導中間產(chǎn)物流通的功能，因此也可影響代謝的速率。真核生物的線粒體和原核生物的細胞質是三羧酸循環(huán)的場所。它是呼吸作用過程中的一步，但在需氧型生物中，它先于呼吸鏈發(fā)生。厭氧型生物則首先遵循同樣的途徑分解高能有機化合物，例如糖酵解，但之后并不進行三羧酸循環(huán)，而是進行不需要氧氣參與的發(fā)酵過程。2.乙醛酸循環(huán)2.1定義：植物細胞內脂肪酸氧化分解為乙酰CoA之后，在乙醛酸體(glyoxysome)內生成琥珀酸、乙醛酸和蘋果酸；此琥珀酸可用于糖的合成，該過程稱為乙醛酸循環(huán)(glyoxylicacidcycle,GAC)。動物和人類細胞中沒有乙醛酸體，無法將脂肪酸轉變?yōu)樘?。植物和微生物有乙醛酸體。油料植物種子(花生、油菜、棉籽等)萌發(fā)時存在著能夠將脂肪轉化為糖的乙醛酸循環(huán)。水稻盾片中也分離出了乙醛酸循環(huán)中的兩個關鍵酶——異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶。動物和人類細胞中沒有乙醛酸體，無法將脂肪酸轉變?yōu)樘?。植物和微生物有乙醛酸體。2.2反應方程式：2乙酰輔酶A+NAD++2H?O→琥珀酸+2輔酶A+NADH+H+2.3強調：乙醛酸循環(huán)和三羧酸循環(huán)中存在著某些相同的酶類和中間產(chǎn)物。但是，它們是兩條不同的代謝途徑。乙醛酸循環(huán)是在乙醛酸體中進行的，是與脂肪轉化為糖密切相關的反應過程。這個過程依賴于線粒體、乙醛酸體及細胞質的協(xié)同作用。而三羧酸循環(huán)是在線粒體中完成的，是與糖的徹底氧化脫羧密切相關的反應過程。3.磷酸戊糖途徑（HMP、PPP）3.1分類己糖磷酸途徑：HexoseMonophosphatePathway（HMP）磷酸戊糖途徑：PentosePhosphatePathway（PPP）3.2定義：是G分解的另一條途徑，在6-P-G上直接氧化，再分解產(chǎn)生5-P-核糖。G分解的主要途徑是EMP和TCA，但并非唯一途徑，HMP也是G分解的途徑，只是在6-P-G上直接氧化3.3特點：葡萄糖直接氧化脫氫和脫羧，不必經(jīng)過糖酵解和三羧酸循環(huán)，脫氫酶的輔酶不是NAD+而是NADP+，產(chǎn)生的NADPH作為還原力以供生物合成用，而不是傳遞給O2，無ATP的產(chǎn)生和消耗。3.4反應式：A式：66-P-G＋12NADP＋＋6H2O46-P-F＋23-P-G＋6CO2＋12（NADPH＋H＋）23-P-G1,6-DPG＋H2O6-P-F＋Pi6-P-F6-P-G因此得到B式：6-P-G＋12NADP＋＋7H2O6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi3.5補充：HMP要循環(huán)一輪，必須有6個6-P-G同時進入循環(huán)，但最終只有1個6-P-G被徹底分解為6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi。3.6意義：（1）產(chǎn)生大量的NADPH，為細胞的各種合成反應提供還原劑（力），比如參與脂肪酸和固醇類物質的合成。（2）在紅細胞中保證谷胱甘肽的還原狀態(tài)。（防止膜脂過氧化；維持血紅素中的Fe2+;）（6-磷酸-葡萄糖脫氫酶缺陷癥——貧血病）（3）該途徑的中間產(chǎn)物為許多物質的合成提供原料，如：5-P-核糖核苷酸（4）非氧化重排階段的一系列中間產(chǎn)物及酶類與光合作用中卡爾文循環(huán)的大多數(shù)中間產(chǎn)物和酶相同，因而磷酸戊糖途徑可與光合作用聯(lián)系起來，并實現(xiàn)某些單糖間的互變。（5）PPP途徑是由葡萄糖直接氧化起始的可單獨進行氧化分解的途徑。因此可以和EMP、TCA相互補充、相互配合，增加機體的適應能力4.磷酸解酮酶途徑KDpathway4.1定義：磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發(fā)酵過程中分解已糖和戊糖的途徑。該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶，根據(jù)解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把具有磷酸已糖解酮酶的稱為HK途徑。

4.2磷酸己糖酮解途徑的特點：

①有兩個磷酸酮解酶參加反應；

②在沒有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脫氫酶的參與下轉變?yōu)槿樗?；乙酰磷酸生成乙酸的反應則與ADP生成ATP的反應相偶聯(lián)；

③每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；

④許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。

4.3磷酸戊糖酮解途徑的特點:

①分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當于EMP途徑的一半;

②幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2。強調：戊糖磷酸解酮途徑的關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。5.2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑（ED）5.1定義：ED途徑是在研究嗜糖假單胞菌時發(fā)現(xiàn)的，在ED途徑中，葡萄糖-6-磷酸首先脫氫產(chǎn)生葡萄糖酸-6-磷酸，接著在脫水酶和醛縮酶的作用下，產(chǎn)生一個分子甘油醛-3-磷酸和一個分子丙酮酸。然后甘油醛-3-磷酸進入EMP途徑轉變成丙酮酸。一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成兩分子丙酮酸、一分子ATP、一分子NADPH和NADH。

ED途徑在革蘭代陰性菌中分布廣泛，特別是假單胞菌和固氮的某些菌株較多存在。

ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，但對于靠底物水平磷酸化獲得ATP的厭氧菌而言，ED途徑不如EMP途徑。

5.2過程：葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸2-酮-3-3脫氧-6磷酸葡萄糖酸3-磷酸-甘油醛EMP途徑丙酮酸EMP途徑5.3補充：關鍵反應：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸葡萄糖酸脫水酶，KDPG醛縮酶優(yōu)點：代謝速率高，產(chǎn)物轉化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5，較易染菌；細菌對乙醇耐受力低6.丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物6.1分類：酵母型酒精發(fā)酵、同型乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、2,3—丁二醇發(fā)酵、丁酸發(fā)酵6.1.1酵母型酒精發(fā)酵6.1.2細菌的酒精發(fā)酵定義：菌種為運動發(fā)酵單孢菌（ZymomonasMobilis），少數(shù)假單胞桿菌(Pseudomonas），如林氏假單胞菌（Ps.lindneri）能利用G經(jīng)ED途徑進行酒精發(fā)酵反應式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP優(yōu)點：代謝速度快；產(chǎn)物轉化率高；發(fā)酵周期短，比酵母菌的酒精產(chǎn)率高；厭氧且耐高溫；能利用多種糖類菌體生成少代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點：發(fā)酵工藝技術要求高pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低6.1.3乳酸發(fā)酵定義：乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應的可發(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。分類：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）6.1.4混合酸發(fā)酵定義：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。6.1.5甘油發(fā)酵定義：當發(fā)酵液處在堿性條件下（pH7.6以上），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，結果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應，生成1分子乙醇和1分子乙酸反應式：2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO27.巴斯德效應7.1定義：在厭氧條件下,向高速發(fā)酵的培養(yǎng)基中通入氧氣,則葡萄糖消耗減少,抑制發(fā)酵產(chǎn)物積累的現(xiàn)象稱為巴斯德效應。即呼吸抑制發(fā)酵的作用7.2意義：合理利用能源7.3效應原理：在厭氧條件下,向高速發(fā)酵的培養(yǎng)基中通入氧氣,則葡萄糖消耗減少,抑制發(fā)酵產(chǎn)物積累的現(xiàn)象稱為巴斯德效應。即呼吸抑制發(fā)酵的作用。相比起足氧的情況，酵母在缺氧的情況下消耗更多的葡萄糖，生物細胞和組織中的糖發(fā)酵為氧所抑制，這種現(xiàn)象是巴斯德（L．Pasteur）1861年在研究酵母的酒精發(fā)酵量和氧分壓之間的關系中發(fā)現(xiàn)的，故稱巴斯德效應。由于從呼吸（完全氧化）所得的能量，遠大于等量糖發(fā)酵所得的能量，因此為了獲得對維持生命活動所需的能量，在有氧情況下與無氧下相比，只消耗少量的糖即足。生物體根據(jù)氧的有無，來調節(jié)糖的分解量，而使能量得到節(jié)制。8．氨基酸的生物合成8.1定義：微生物和植物能在體內合成所有的氨基酸，動物有一部分氨基酸不能在體內合成（必需氨基酸）。必需氨基酸一般由碳水化合物代謝的中間物，經(jīng)多步反應（6步以上）而進行生物合成的，非必需氨基酸的合成所需的酶約14種，而必需氨基酸的合成則需要更多的，約有60種酶參與。生物合成的氨基酸除作為蛋白質的合成原料外，還用于生物堿、木質素等的合成。另一方面，氨基酸在生物體內由于氨基轉移或氧化等生成酮酸而被分解，或由于脫羧轉變成胺后被分解。8.2分類（