微生物工程第三章 糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物積累機(jī)制

1、第三章第三章 糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物積累機(jī)制糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物積累機(jī)制 第一節(jié)第一節(jié) 糖酵解途徑的特點(diǎn)及調(diào)節(jié)機(jī)制糖酵解途徑的特點(diǎn)及調(diào)節(jié)機(jī)制一、糖酵解途徑的特點(diǎn)v廣泛存在，不需要氧；v兩個(gè)階段：消耗ATP階段和產(chǎn)生ATP階段；v主要有激酶、變位酶、異構(gòu)酶、脫氫酶等多種酶參與反應(yīng)；v其他糖類作為碳源時(shí)，先通過(guò)少數(shù)幾步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為葡萄糖或糖酵解的中間產(chǎn)物，這時(shí)從葡萄糖合成細(xì)胞基體的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)序列同樣有效，不必修改；二、丙酮酸的不同去路：無(wú)氧條件下同型乳酸發(fā)酵酒精發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵有氧條件下徹底氧化l作為C2化合物參與生物合成，生成脂肪、聚乙酰和類異戊二烯等。三、糖酵解的調(diào)節(jié)機(jī)制1、調(diào)節(jié)機(jī)制：能荷調(diào)節(jié)2、調(diào)節(jié)點(diǎn)：三

2、個(gè)不可逆反應(yīng)，只參與糖酵解，不參與糖異生。己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶3、其他調(diào)節(jié)機(jī)制檸檬酸脂肪酸乙酰輔酶Av概念：q在生物氧化中發(fā)酵是指無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。q在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。q發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。四、發(fā)酵作用四、發(fā)酵作用v 在上述途徑中均有還原型氫供體NADH+H+和NADPH+H+產(chǎn)生，但產(chǎn)生的量并不多，如不及時(shí)使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會(huì)中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過(guò)

3、程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來(lái)接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。Fermentations:A. In the absence of oxygen, NADH is not usually oxidized by the electron transport chain because no external electron acceptor is availableB. However, NADH must still be oxidiz

4、ed to replenish the supply of NAD+ for use in glycolysisC. Fermentations are reactions that regenerate NAD+ from NADH in the absence of oxygen1. Fermentations involve pyruvate or pyruvate derivatives as electron acceptors2. Fermentations may or may not produce additional ATP for the cellD. Alcoholic

5、 fermentations produce ethanol and CO2E. Lactic acid fermentations produce lactic acid (lactate)1. Homolactic fermenters reduce almost all pyruvate to lactate2. Heterolactic fermenters form substantial amounts of products other than lactateF. Formic acid fermentation produces either mixed acids or b

6、utanediol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)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物第二節(jié)酒精發(fā)酵機(jī)制第二節(jié)酒精發(fā)酵機(jī)制一、乙醇生成機(jī)制葡萄糖經(jīng)糖酵解生成丙酮酸丙酮酸脫羧生成乙醛乙醛脫氫生成乙醇 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶酵母菌的乙醇發(fā)酵：酵母菌的乙醇發(fā)酵：概念概念菌種菌種途徑途徑特點(diǎn)特點(diǎn)發(fā)生條件發(fā)生條件該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。以及厭氧的條件下發(fā)生。2、概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或概念：有氧條件

7、下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源意義：合理利用能源通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）通風(fēng)（有氧呼吸） 缺氧（發(fā)酵）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/單位時(shí)間單位時(shí)間細(xì)胞的繁殖細(xì)胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失二、巴斯德效應(yīng)二、巴斯德效應(yīng)(The Pasteur effect )1、現(xiàn)象：、現(xiàn)象：3、巴斯德效應(yīng)的機(jī)制：（1）PFK的調(diào)節(jié)PFK受ATP、檸檬酸、其他高能化合物的抑制與AMP、ADP的激活有氧條件下，大量生成檸檬酸、ATP，反饋?zhàn)瓒鬚FK的合成和活性；F

8、-P積累，導(dǎo)致磷酸葡萄糖積累；G-P反饋抑制己糖激酶，導(dǎo)致葡萄糖利用率降低（2）丙酮酸激酶的活性降低好氣條件下，,二磷酸果糖減少，丙酮酸激酶活性降低，導(dǎo)致磷酸烯醇式丙酮酸積累，己糖激酶的活性被反饋抑制。 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖 1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA檸檬酸檸檬酸草酰乙酸磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶(PFK)丙酮酸激酶丙酮酸激酶己糖激酶己糖激酶 -ATP、檸檬酸、檸檬酸 -ADP,AMP 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,6-二二-磷酸磷酸-果糖果糖巴斯德效應(yīng)（

9、續(xù)）巴斯德效應(yīng)（續(xù)）三、酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成（一）、雜醇油：碳原子數(shù)大于的脂肪族醇類（高級(jí)醇）的總稱。1、酒精發(fā)酵中高級(jí)醇形成途徑（1）氨基酸氧化脫氨作用：轉(zhuǎn)氨基在-酮酸之間進(jìn)行亮氨酸異戊醇纈氨酸異丁醇異亮氨酸活性戊醇酪氨酸酪醇苯丙氨酸苯乙醇（2）由葡萄糖直接生成糖代謝-酮酸（C原子較低的）-酮酸（C原子較高的）-酮酸脫羧、加氨形成少一個(gè)碳原子的高級(jí)醇或-酮酸纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸等相應(yīng)的醇。（3）正丙醇的形成蘇氨酸-氨基-2-丁烯酸-丁酮酸醛正丙醇2、影響雜醇油形成的條件菌種：與脫氫酶的活性有關(guān)培養(yǎng)基組成：與分支氨基酸的存在有關(guān)發(fā)酵條件：高溫、通風(fēng)有利于高級(jí)醇的生成細(xì)菌的乙醇發(fā)酵細(xì)菌的乙

10、醇發(fā)酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脫氧脫氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等ED途徑:(Enter-Doudorff Pathway) 2-酮酮-3-脫氧脫氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸裂解途徑葡萄糖酸裂解途徑v酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵 脫羧酶 脫氫酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通過(guò)EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP v細(xì)菌(Zymomonas mobilis)的乙醇發(fā)酵 通過(guò)ED途徑產(chǎn)生乙醇，

11、總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP細(xì)菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇發(fā)酵 通過(guò)HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機(jī)物分子的酒精發(fā)酵異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機(jī)物分子的發(fā)酵利用Z.mobilis等細(xì)菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少 代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點(diǎn)：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低第四節(jié)第四節(jié) 乳酸發(fā)酵機(jī)制乳酸發(fā)酵機(jī)制乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)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

12、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。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）葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮2( 1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸） 2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念概念菌種菌種途徑途徑特點(diǎn)特點(diǎn)異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木

13、酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念、菌種、途徑、特點(diǎn)概念、菌種、途徑、特點(diǎn)-CO2雙歧發(fā)酵雙歧發(fā)酵兩個(gè)關(guān)鍵酶 ：6-磷酸果糖酮解酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮解酶； l雙歧反應(yīng) 2葡萄糖3乙酸2甘油醛-3-P；（非氧化脫氫） 甘油醛-3-P甘油酸-3-PPEP丙酮酸乳酸（氧化脫氫） l總反應(yīng)式 葡萄糖2ADP2Pi乳酸乙酸CO22ATP l理論轉(zhuǎn)化率：50% l主要菌種：兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）同型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵的比較同

14、型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵的比較Lactobacillus brevis2ATP1乳酸乳酸1乙酸乙酸1CO2HMP異型異型Leuconostoc mesenteroides1ATP1乳酸乳酸1乙醇乙醇1CO2HMP異型異型Lactobacillus debruckii2ATP2乳酸乳酸EMP同型同型菌種代表菌種代表產(chǎn)產(chǎn)能能/葡萄糖葡萄糖產(chǎn)物產(chǎn)物途徑途徑類型類型v概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過(guò)EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)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(jī)酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。v發(fā)酵途徑：CO2H2甲酸-氫裂解酶丙酮酸甲酸裂解酶琥

15、珀酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖丙酮酸乳酸乙酰輔酶A甲酸乙醛乙酰磷酸乙酸乙酸PEP羧化酶乳酸脫氫酶乙醛脫氫酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶+2HpH6.2（四）（四）2,3-丁二醇發(fā)酵丁二醇發(fā)酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羥基丁酮羥基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：概念：腸桿菌、腸桿菌、沙雷氏菌、和沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具的一些細(xì)菌具有有 -乙酰乳酸乙酰乳酸合成酶合成酶系而進(jìn)系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。行丁二醇發(fā)酵。EMP 第三節(jié) 甘

16、油的合成機(jī)制 一、酵母的第型發(fā)酵乙醇脫氫酶活性強(qiáng)，乙醛為氫受體，生成乙醇乙醛NADHH+乙醇NAD+ 二、酵母的第型發(fā)酵（亞硫酸鹽法甘油發(fā)酵） 磷酸二羥丙酮為氫受體，生成甘油 乙醛亞硫酸氫鈉乙醛亞硫酸氫鈉加成物 磷酸二羥丙酮NADHH+-磷酸甘油NAD+ -磷酸甘油H2O甘油Pi 三、酵母的第型發(fā)酵（堿法甘油發(fā)酵）堿性條件，歧化反應(yīng)，生成甘油、乙醇、乙酸和CO2 2乙醛乙醇乙酸 磷酸二羥丙酮NADHH+-磷酸甘油NAD+ -磷酸甘油H2O甘油Pi 第四節(jié) 乳酸發(fā)酵機(jī)制 一、同型乳酸發(fā)酵 概念：乳酸菌在厭氧條件下利用葡萄糖，經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸后，在乳酸脫氫酶作用下將丙酮酸還原為乳酸的過(guò)程。總

17、反應(yīng)式：葡萄糖2ADP2Pi2乳酸2ATP+135561.6J 理論轉(zhuǎn)化率：100% 主要菌種：乳酸鏈球菌（Streptococcus Lactis）酪乳桿菌（Lactobacillus Casei） 保加利亞乳桿菌（Lac. bulgaricus） 德氏乳桿菌（Lac. delbrickii） 二、異型乳酸發(fā)酵 1、概念：葡萄糖經(jīng)HMP 途徑或雙歧途徑，生成乳酸、CO2、乙醇或乙酸的過(guò)程。 2、生物合成途徑 （1）HMP途徑 6-P-G5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖乙酰磷酸3-磷酸甘油醛 乙酰磷酸乙酰CoA乙醛乙醇 3-磷酸甘油酸丙酮酸乳酸 主要菌種腸膜狀明串珠菌（Lac. msenteroides）甘露醇乳桿菌