8.4: 发酵
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- 200190
学习目标
- 定义发酵并解释为什么它不需要氧气
- 描述发酵途径及其最终产物，并举例说明使用这些途径的微生物
- 比较和对比发酵和厌氧呼吸
由于以下一种或多种情况，许多细胞无法进行呼吸：
- 细胞缺少足够数量的适当、无机的最终电子受体来进行细胞呼吸。
- 该细胞缺乏在电子传输系统中制造适当复合物和电子载体的基因。
- 该细胞缺乏在克雷布斯循环中产生一种或多种酶的基因。
尽管缺乏合适的无机最终电子受体取决于环境，但其他两个条件是由基因决定的。 因此，许多原核生物，包括临床上重要的链球菌属的成员，即使在有氧气的情况下也永远无法呼吸。 相反，许多原核生物是兼性的，这意味着，如果环境条件发生变化，为呼吸提供合适的无机最终电子受体，则含有呼吸所需的所有基因的生物将转向细胞呼吸以进行葡萄糖代谢，因为呼吸允许每个葡萄糖分子产生更多的 ATP。
如果不发生呼吸，则必须将 NADH 再氧化为 NAD +，然后重复用作糖酵解的电子载体，糖酵解是细胞产生任何 ATP 的唯一机制。 一些生命系统通过称为发酵的过程使用有机分子（通常是丙酮酸）作为最终的电子受体。 发酵不涉及电子传输系统，除了在糖酵解期间通过底物级磷酸化产生的ATP之外，不会直接产生任何额外的ATP。 进行发酵的生物称为发酵罐，在糖酵解过程中，每种葡萄糖最多产生两个 ATP 分子。 表\(\PageIndex{1}\)比较了有氧呼吸、厌氧呼吸和发酵中最终的电子受体和合成 ATP 的方法。 请注意，显示的糖酵解的 ATP 分子数量假设为 Embden-Meyerhof-Parnas 途径。 显示了底物级磷酸化 (SLP) 与氧化磷酸化 (OP) 产生的 ATP 分子的数量。
| 新陈代谢类型 | 示例 | 最终电子受体 | ATP 合成所涉及的途径（磷酸化类型） | ATP 分子的最大产量 |
|---|---|---|---|---|
| 有氧呼吸 | 铜绿假单胞菌 | \(\ce{O2}\) |
EMP 糖酵解 (SLP) 克雷布斯循环 (SLP) 电子传输和化学渗透 (OP)： |
2 2 34 |
| 总计 | 38 | |||
| 厌氧呼吸 | Paracoccus denitrificans |
\(\ce{NO3-}\),\(\ce{SO4^{-2}}\)\(\ce{Fe^{+3}}\),\(\ce{CO2}\), 其他无机物 |
EMP 糖酵解 (SLP) 克雷布斯循环 (SLP) 电子传输和化学渗透 (OP)： |
2 2 1—32 |
| 总计 | 5 — 36 | |||
| 发酵 | 白色念珠菌 |
有机物 （通常是丙酮酸） |
EMP 糖酵解 (SLP) 发酵 |
2 0 |
| 总计 | 2 |
微生物发酵过程受到人类的操纵，并被广泛用于生产各种食品和其他商业产品，包括药品。 微生物发酵也可用于鉴定用于诊断目的的微生物。
某些细菌（例如酸奶和其他变酸食品中的细菌）以及氧气消耗期间肌肉中的动物发酵，就是乳酸发酵。 乳酸发酵的化学反应如下：
\[\ce{Pyruvate + NADH \leftrightarrow lactic\: acid + NAD+}\]
多个革兰氏阳性属的细菌，包括乳酸杆菌、Leuconost oc和链球菌，统称为乳酸菌（LAB），各种菌株在食品生产中很重要。 在酸奶和奶酪生产过程中，乳酸发酵所产生的高酸性环境会使牛奶中所含的蛋白质变性，使其凝固。 当乳酸是唯一的发酵产物时，该过程据说是同乳酸发酵；酸奶生产中使用的德尔布鲁氏乳杆菌和嗜热杆菌就是这种情况。 但是，许多细菌进行杂乳酸发酵，产生乳酸、乙醇和/或乙酸的混合物，结果是二氧化碳，因为它们使用分支的磷酸戊糖途径而不是 EMP 途径进行糖酵解。 一种重要的杂乳发酵罐是 Leuconostoc mesenteroides，它用于对黄瓜和卷心菜等蔬菜进行酸化，分别生产泡菜和酸菜。
乳酸菌在医学上也很重要。 体内产生低 pH 值环境会抑制这些区域病原体的建立和生长。 例如，阴道微生物群主要由乳酸菌组成，但是当这些细菌减少时，酵母菌会增殖，从而导致酵母菌感染。 此外，乳酸菌对维持胃肠道健康很重要，因此是益生菌的主要成分。
另一个熟悉的发酵过程是酒精发酵，它会产生乙醇。 乙醇发酵反应如图所示\(\PageIndex{1}\)。 在第一次反应中，丙酮酸脱羧酶从丙酮酸中去除羧基，释放二氧化碳气体，同时产生双碳分子乙醛。 第二种反应由乙醇脱氢酶催化，将电子从 NADH 转移到乙醛，产生乙醇和 NAD +。 酵母酿酒酵母对丙酮酸的乙醇发酵用于生产酒精饮料，还会使面包产品因二氧化碳的产生而增加。 在食品工业之外，植物产品的乙醇发酵在生物燃料生产中很重要。
除了乳酸发酵和酒精发酵外，原核生物中还存在许多其他发酵方法，所有这些方法都是为了确保糖酵解的充足的 NAD + 供应（表\(\PageIndex{2}\)）。 没有这些途径，就不会发生糖酵解，也不会从葡萄糖分解中获得 ATP。 应该注意的是，除同乳酸发酵外，大多数形式的发酵都会产生气体，通常是二氧化碳和/或氢气。 这些不同类型的发酵途径中有许多也用于食品生产，每种途径都会产生不同的有机酸，从而形成特定发酵食品的独特风味。 例如，丙酸发酵过程中产生的丙酸有助于形成瑞士奶酪的独特风味。
几种发酵产品在食品行业之外具有重要的商业意义。 例如，丙酮和丁醇等化学溶剂是在丙酮-丁醇-乙醇发酵过程中产生的。 抗生素（例如青霉素）、疫苗和维生素中使用的复杂有机药物化合物是通过混合酸发酵生产的。 实验室使用发酵产物来区分各种细菌，用于诊断目的。 例如，众所周知，肠道细菌具有进行混合酸发酵的能力，从而降低pH值，而pH值可以通过pH指示剂进行检测。 同样，也可以检测到丁二醇发酵过程中细菌产生的乙酰素。 还可以在倒置的达勒姆管中看到发酵产生的气体，该管将产生的气体捕获在肉汤培养物中。
微生物也可以根据它们可以发酵的基质进行区分。 例如，大肠杆菌可以发酵乳糖，形成气体，而它的一些革兰氏阴性亲属则不能。 发酵糖醇山梨醇的能力用于鉴定大肠杆菌的致病性肠出血 O157: H7 菌株，因为与其他大肠杆菌菌株不同，它无法发酵山梨醇。 最后，甘露醇发酵将甘露醇发酵的金黄色葡萄球菌与其他非甘露醇发酵葡萄球菌区分开来。
| 路径 | 终端产品 | 微生物示例 | 商业产品 |
|---|---|---|---|
| 丙酮-丁醇-乙醇 | 丙酮、丁醇、乙醇、二氧化碳 | acetobutylicum 梭菌 | 商用溶剂、汽油替代品 |
| 酒精 | 乙醇、二氧化碳 | 念珠菌、酵母菌 | 啤酒、面包 |
| 丁二醇 | 甲酸和乳酸；乙醇；乙酰素；2,3 丁二醇；CO 2；氢气 | 克雷伯氏菌、肠杆菌 | 霞多丽葡萄酒 |
| 丁酸 | 丁酸、二氧化碳、氢气 | 丁酸梭菌 | 黄油 |
| 乳酸 | 乳酸 | 链球菌、乳酸杆菌 | 酸菜、酸奶、奶酪 |
| 混合酸 | 醋酸、甲酸、乳酸和琥珀酸；乙醇、二氧化碳、氢气 | 埃希里奇菌、志贺氏菌 | 醋、化妆品、药品 |
| 丙酸 | 乙酸、丙酸、二氧化碳 | 丙酸杆菌、双歧杆菌 | 瑞士奶酪 |
练习\(\PageIndex{1}\)
新陈代谢多功能微生物何时会进行发酵而不是细胞呼吸？
使用 API 测试面板识别细菌
鉴定微生物分离物对于正确诊断和适当治疗患者至关重要。 科学家已经开发出根据细菌的生化特性识别细菌的技术。 通常，他们要么检查使用特定的碳源作为发酵或其他代谢反应的底物，要么识别发酵产物或反应中存在的特定酶。 过去，微生物学家使用单独的试管和试板进行生化测试。 但是，科学家，尤其是临床实验室的科学家，现在更频繁地使用塑料的、一次性的、多重测试试剂盒，其中包含许多微型反应管，每个反应管通常都包含特定的基质和pH指示剂。 在测试小组中接种了少量相关微生物样本并进行孵育后，科学家可以将结果与包含已知微生物特定生化反应预期结果的数据库进行比较，从而可以快速识别样本微生物。 这些测试面板使科学家能够通过同时进行大量测试来降低成本，同时提高效率和可重复性。
许多商用微型生化测试面板涵盖了许多临床上重要的细菌和酵母组。 最早和最受欢迎的测试面板之一是 20 世纪 70 年代发明的分析概况索引 (API) 面板。 一旦对给定菌株进行了一些基本的实验室表征，例如确定该菌株的革兰形态，就可以使用包含10到20种不同生化测试的合适试纸来区分该微生物组中的菌株。 目前，各种 API 试纸可用于快速、轻松地鉴定 600 多种细菌，包括有氧和厌氧细菌，以及大约 100 种不同类型的酵母。 根据存在代谢终端产物时反应的颜色，由于 pH 指示剂的存在，可根据结果生成代谢特征（图\(\PageIndex{2}\)）。 然后，微生物学家可以将样本的概况与数据库进行比较，以识别特定的微生物。
临床重点：第 2 部分
汉娜的许多症状与几种不同的感染一致，包括流感和肺炎。 但是，她的反应迟钝以及光敏度和脖子僵硬表明中枢神经系统可能受到影响，这可能表明脑膜炎。 脑膜炎是大脑和脊髓周围脑脊液（CSF）的感染，会导致脑膜发炎，脑膜是覆盖大脑的保护层。 脑膜炎可由病毒、细菌或真菌引起。 尽管所有形式的脑膜炎都很严重，但细菌性脑膜炎尤其严重。 细菌性脑膜炎可能由几种不同的细菌引起，但脑膜炎奈瑟菌是一种革兰氏阴性的豆状双球菌，是一种常见的病因，5％至10％的患者在1至2天内死亡。
鉴于汉娜的病情可能很严重，她的医生建议她的父母带她去冈比亚首都班珠尔的医院，在那里对她进行可能的脑膜炎检查和治疗。 驱车前往医院3小时后，汉娜立即住院。 医生采集了血液样本并进行了腰椎穿刺以测试她的脑脊液。 他们还立即开始给她服用抗生素头孢曲松疗程，这是治疗脑膜炎球菌引起的脑膜炎的首选药物，无需等待实验室检测结果。
练习\(\PageIndex{2}\)
- 如何使用生化测试来确认脑膜炎杆菌的身份？
- 为什么汉娜的医生决定在不等待检测结果的情况下服用抗生素？
关键概念和摘要
- 发酵使用有机分子作为最终电子受体，从 NADH 中再生 NAD +，从而使糖酵解得以继续。
- 发酵不涉及电子传输系统，发酵过程也不会直接产生 ATP。 发酵罐产生的ATP很少，在糖酵解期间，每个葡萄糖分子只有两个ATP分子。
- 微生物发酵过程已被用于食品和药品的生产以及微生物的鉴定。
- 在乳酸发酵过程中，丙酮酸接受来自 NADH 的电子，然后还原为乳酸。 进行同乳发酵的微生物仅产生乳酸作为发酵产物；进行杂乳发酵的微生物会产生乳酸、乙醇和/或乙酸以及二氧化碳的混合物。
- 正常微生物群产生的乳酸会阻止某些身体部位病原体的生长，对胃肠道的健康很重要。
- 在乙醇发酵过程中，丙酮酸首先被脱羧化（释放二氧化碳）为乙醛，然后乙醛接受来自 NADH 的电子，将乙醛还原为乙醇。 乙醇发酵用于生产酒精饮料、制造面包产品和生产生物燃料。
- 途径发酵产物（例如丙酸发酵）为食品提供独特的风味。 发酵用于生产化学溶剂（丙酮-丁醇-乙醇发酵）和药物（混合酸发酵）。
- 特定类型的微生物可以通过其发酵途径和产物来区分。 微生物也可以根据它们能够发酵的基质进行区分。