發(fā) 第五章 發(fā)酵機(jī)制與代謝調(diào)控2

第五章

發(fā)酵機(jī)制與代謝調(diào)控第一節(jié)厭氧發(fā)酵機(jī)制與代謝調(diào)控第二節(jié)好氧發(fā)酵與代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制發(fā)酵機(jī)制：微生物通過其代謝活動，利用基質(zhì)（底物）合成人們所需要的代謝產(chǎn)物的內(nèi)在規(guī)律代謝控制發(fā)酵：

人為的改變微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，使有用的代謝產(chǎn)物過量的積累。發(fā)酵方式對氧需要或不需要好氧厭氧培養(yǎng)基液態(tài)或固態(tài)液態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵發(fā)酵是在培養(yǎng)基表面還是在深層進(jìn)行表面發(fā)酵深層發(fā)酵發(fā)酵是間歇還是連續(xù)分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵菌種是否被固定在載體上游離發(fā)酵固定化發(fā)酵菌種是單一還是混合的菌種單一純種發(fā)酵混合發(fā)酵相關(guān)的代謝途徑EMP途徑糖酵解

(glycolysis)EMP途徑①葡萄糖

1,6-二磷酸果糖②1,6-二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛③3-磷酸甘油醛

2-磷酸甘油酸④2-二磷酸甘油酸

丙酮酸第一節(jié)厭氧發(fā)酵機(jī)制與代謝調(diào)控在無氧條件下，丙酮酸去向（1）在酵母中，產(chǎn)生乙醇；酒精發(fā)酵（2）在乳酸菌中，產(chǎn)生乳酸；同型乳酸發(fā)酵（3）在梭狀芽孢桿菌中，產(chǎn)生乙酰CoA、丁醛、丁醇、丙酮、乙醇；丙酮丁醇發(fā)酵。第一節(jié)厭氧發(fā)酵機(jī)制與代謝調(diào)控一、酵母菌的酒精發(fā)酵二、細(xì)菌的酒精發(fā)酵三、乳酸發(fā)酵（同型、異型）四、甘油發(fā)酵（亞硫酸鹽法、堿法）第一節(jié)厭氧發(fā)酵機(jī)制與代謝調(diào)控一、酵母菌的酒精發(fā)酵1.乙醇生成機(jī)制以丙酮酸脫羧產(chǎn)生的乙醛作為H受體產(chǎn)生乙醇。丙酮酸丙酮酸脫羧酶CO2+乙醛（酵母菌酒精發(fā)酵Ⅰ型）NADH+H

NADH+乙醇+焦磷酸硫胺素、Mg2＋乙醇脫氫酶葡萄糖生成乙醇總反應(yīng)式：C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP2CH3COCOOH

丙酮酸脫羧酶

4ATPCO22CH3CHONADH+H+2ADP乙醇脫氫酶NAD+C6H12O62C2H5OH巴斯德效應(yīng)葡萄糖分解為乙醇的過程中，并無氧氣參與，是一個(gè)無氧呼吸過程。但在好氧條件下，酵母發(fā)酵能力降低，乙醇的積累減少，實(shí)質(zhì)是糖代謝降低——巴斯德效應(yīng)。巴斯德效應(yīng)機(jī)制：磷酸果糖激酶是第一個(gè)限速酶，它是一種變構(gòu)酶，受ATP、檸檬酸及其他一些高能化合物的抑制，受AMP、ADP的激活。在好氧條件下，糖代謝進(jìn)入三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生檸檬酸等，并通過氧化磷酸化生成大量的ATP。ATP反饋抑制此酶的活性。細(xì)胞內(nèi)檸檬酸生成量的增加，反饋?zhàn)瓒袅姿峁羌っ傅暮铣?，這種阻遏作用由于ATP存在而加強(qiáng)。由于磷酸果糖激酶受抑制，導(dǎo)致6-磷酸果糖積累，反應(yīng)平衡時(shí)，醛糖：酮糖為7:3，導(dǎo)致6-磷酸葡萄糖積累，6-磷酸葡萄糖抑制己糖激酶，從而抑制葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞。二、細(xì)菌的酒精發(fā)酵ED途徑：又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑ED途徑總反應(yīng)式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATPED途徑中的關(guān)鍵反應(yīng)KDPG2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸ED途徑1952年在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假單胞菌）中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。少數(shù)假單胞桿菌（Pscudomonas),如林氏假單胞菌（Ps.lindneri)能利用葡萄糖經(jīng)ED途徑進(jìn)行酒精發(fā)酵。細(xì)菌酒精發(fā)酵在末端假單胞菌中能使2分子丙酮酸脫羧，然后還原乙醛生成2分子乙醇和2分子CO2。而在其他假單胞菌中氫載體氧化后，生成1分子乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。ED途徑總反應(yīng)式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP細(xì)菌的酒精發(fā)酵特點(diǎn)20世紀(jì)70年代出現(xiàn)代謝速度快發(fā)酵周期短酒精產(chǎn)率高（比酵母菌）厭氧和耐高溫代謝副產(chǎn)物少能利用各種糖類但耐酒精度比酵母菌低pH5（酵母菌pH3），較易染菌三、乳酸發(fā)酵1.同型乳酸發(fā)酵通過EMP途徑，由丙酮酸還原生成乳酸。發(fā)酵產(chǎn)物中只有乳酸。進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵的細(xì)菌主要有乳鏈球菌、乳酪桿菌、保加利亞桿菌、德氏乳桿菌。2.異型乳酸發(fā)酵通過HMP(PK)途徑，產(chǎn)物中除乳酸外，還有乙醇、乙酸等有機(jī)化合物的發(fā)酵。進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵的有腸膜明串珠菌、葡聚糖明串珠菌。1.同型乳酸發(fā)酵無氧條件下，葡萄糖先經(jīng)經(jīng)EMP途徑得到丙酮酸2.異型乳酸發(fā)酵HMP途徑——戊糖磷酸途徑異型乳酸發(fā)酵HMP途徑在微生物分類研究中，通常把發(fā)酵1mol葡萄糖產(chǎn)生的乳酸少于1.8mol，同時(shí)還產(chǎn)生較多乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等產(chǎn)品的乳酸菌稱為異型乳酸菌。同型乳酸菌的微生物已經(jīng)用來發(fā)酵產(chǎn)生乳酸。異型乳酸發(fā)酵的微生物，例如雙歧桿菌，已經(jīng)用于發(fā)酵生產(chǎn)活菌飲料，并越來越受重視。異型乳酸發(fā)酵四、甘油發(fā)酵1.亞硫酸鹽法甘油發(fā)酵正常情況酵母菌在無氧條件下：丙酮酸→乙醛→乙醇當(dāng)加入NaHSO3,乙醛+NaHSO3,→CH3CHOSO2Na(難溶結(jié)晶狀加成物）OH乙醛不能作為受氫體，而迫使磷酸二羥丙酮作為受氫體，生成α-磷酸甘油，α-磷酸甘油經(jīng)脫磷酸而有甘油累積。亞硫酸鹽法甘油發(fā)酵CH2OPCH2OPCH2OHC=O+NADH+H+→CHOH→CHOHCH2OHCH2OHCH2OHCH2OHOHC6H12O6+NaHSO3→CHOH+C3CHOSO2Na+CO2CH2OHα-磷酸甘油磷酸二羥丙酮亞硫酸鹽法甘油發(fā)酵1mol葡萄糖只產(chǎn)生1mol甘油，不產(chǎn)生ATP，整個(gè)過程無ATP結(jié)余，可見在甘油發(fā)酵過程中亞硫酸氫鈉不能加太多，否則會使酵母菌因得不到能量而終止發(fā)酵，必須留一部分酒精發(fā)酵，以便獲得一些能量，供生命活動所需。在果酒發(fā)酵中，由于利用亞硫酸作為殺菌劑，故副產(chǎn)物甘油量較大，甘油具有調(diào)味功能，使酒口感圓潤。2.堿法甘油發(fā)酵正常情況酵母菌在無氧條件下：丙酮酸→乙醛→乙醇酒精酵母，發(fā)酵液保持堿性，pH7.6以上，發(fā)酵產(chǎn)生的乙醛不能作為受氫體，而是2分子乙醛之間發(fā)生歧化反應(yīng)，相互氧化還原，生成等量的乙醇和乙酸。此時(shí)，由3-磷酸甘油醛脫氫生成的NADH2用來還原磷酸二羥丙酮，并進(jìn)而生成甘油。不產(chǎn)生ATP。

CH2OH3C6H12O6+H2O

→2CHOH+C2H5OH+CH3COOH+CO2CH2OH五、丙酸和丁酸發(fā)酵

葡萄糖（EMP途徑）乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→蘋果酸→富馬酸→琥珀酸→丙酸+CO2乙酸+CO2丙酸發(fā)酵：先經(jīng)過EMP途徑，再經(jīng)Wood-Werk-man途徑第二節(jié)好氧發(fā)酵與代謝調(diào)控一、檸檬酸發(fā)酵二、醋酸發(fā)酵三、氨基酸發(fā)酵四、核苷酸發(fā)酵五、抗生素發(fā)酵1.代謝途徑TCA循環(huán)提供微生物生命活動的大量能量（38個(gè)ATP)。中間代謝產(chǎn)物是一些重要的細(xì)胞物質(zhì)。如各種氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂類等生物合成前體物。是糖類有氧降解的主要途徑，也是脂肪、蛋白質(zhì)降解的必經(jīng)途徑。徹底氧化成CO2和H2O。提供各種碳架原料。一、檸檬酸發(fā)酵p1192.檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)

（1）糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)以下酶要強(qiáng)①檸檬酸合成酶②丙酮酸羧化酶③磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶以下酶要弱④順烏頭酸水合酶⑤草酰乙酸水解酶⑥異檸檬酸脫氫酶⑦異檸檬酸裂解酶葡萄糖丙酮酸檸檬酸乙酰-CoA草酰乙酸EMP途徑氧化脫羧羧化