微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應(yīng)用

第三章微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應(yīng)用微生物代謝調(diào)節(jié)的基本概念和相關(guān)的酶微生物的代謝調(diào)控作用代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的應(yīng)用本章內(nèi)容微生物代謝調(diào)節(jié)的基本概念和相關(guān)的酶第一節(jié)

一、新陳代謝

二、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶一、新陳代謝新陳代謝：簡(jiǎn)稱代謝，是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化的總稱。新陳代謝分解代謝(catabolism)合成代謝

(anabolism)復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]++分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過(guò)分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用，即異化作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程，即同化作用。同一種物質(zhì)，其分解代謝和合成代謝途徑一般是不相同的。他們并不是簡(jiǎn)單的可逆反應(yīng)，而往往是通過(guò)不同的中間反應(yīng)或不同的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣可以使生物體增加體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量，并使其對(duì)代謝活動(dòng)的調(diào)控具有更大的靈活性和應(yīng)變能力。生物機(jī)體的分解代謝和合成代謝不只是采取不同的途徑，甚至同一種物質(zhì)的兩種過(guò)程是在細(xì)胞的不同部位進(jìn)行（蛋白質(zhì)、核酸等）。按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分類初級(jí)代謝：提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動(dòng)所必需的代謝物的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物，包括：氨基酸、核苷酸等。次級(jí)代謝：在一定生長(zhǎng)階段出現(xiàn)非生命活動(dòng)所必需的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，包括：抗生素、色素、激素、生物堿等。初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物的不同初級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物生長(zhǎng)繁殖是否必需

是

否產(chǎn)生階段

始終產(chǎn)生

生長(zhǎng)到一定階段后產(chǎn)生菌種特異性

無(wú)

有分布

位置

細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外

種類

氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等

激素、毒素、色素、抗生素生物體內(nèi)的新陳代謝是靠生物催化劑——酶來(lái)催化。酶是推動(dòng)生物體內(nèi)全部代謝活動(dòng)的工具。由于酶作用的專一性，每一種化學(xué)反應(yīng)都有特殊的酶參與反應(yīng)。每種特殊的酶都有其調(diào)節(jié)機(jī)制。它們使錯(cuò)綜復(fù)雜的新陳代謝過(guò)程成為高度協(xié)調(diào)的、高度整合在一起的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。二、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶1、同工酶能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)不同的一組酶，存在于生物的同一種屬或同一個(gè)體的不同組織中，甚至是同一組織或細(xì)胞中。2、別構(gòu)酶又稱變構(gòu)酶，具有變構(gòu)作用（別構(gòu)作用）的酶稱為別構(gòu)酶。迄今所有已知的別構(gòu)酶都是寡聚酶，即含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的亞基。特點(diǎn)：多亞基、兩中心（活性中心、調(diào)節(jié)中心）。調(diào)節(jié)中心——結(jié)合調(diào)節(jié)因子或效應(yīng)物?；钚灾行摹Y(jié)合底物?；钚灾行暮驼{(diào)節(jié)中心是通過(guò)構(gòu)象的變化而相互聯(lián)系的。蛋白激酶A的激活3、多功能酶指在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)多肽鏈，但具有兩種或兩種以上的催化活力或結(jié)合功能的蛋白質(zhì)。第二節(jié)微生物的代謝調(diào)控作用一、誘導(dǎo)作用二、分解代謝物調(diào)節(jié)三、反饋調(diào)節(jié)四、能荷調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞中的酶組成酶——細(xì)胞中始終存在的酶誘導(dǎo)酶——環(huán)境中某種物質(zhì)誘導(dǎo)下產(chǎn)生的酶1、酶合成的調(diào)節(jié)：大腸桿菌對(duì)葡萄糖和乳糖的利用差異。基因處于打開狀態(tài)基因有條件的表達(dá)2、酶活性的調(diào)節(jié)通過(guò)改變已有酶的催化活性來(lái)調(diào)節(jié)代謝的速率。

代謝產(chǎn)物和酶結(jié)合，致使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。但這種變化是可逆的，當(dāng)代謝產(chǎn)物和酶脫離后，酶結(jié)構(gòu)就會(huì)復(fù)原，又恢復(fù)原有活性。意義：微生物細(xì)胞內(nèi)一般不會(huì)積累大量的代謝產(chǎn)物。酶合成的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)的比較酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)機(jī)制特點(diǎn)意義誘導(dǎo)酶的合成酶的活性對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控以反饋的方式調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程較慢快速、精細(xì)避免物質(zhì)和能量的浪費(fèi)避免代謝產(chǎn)物的積累一、誘導(dǎo)作用微生物在誘導(dǎo)物的作用下，產(chǎn)生誘導(dǎo)酶從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物質(zhì)的分解和利用的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)作用。乳糖操縱子模型。二、分解代謝物調(diào)節(jié)分解代謝物阻遏作用細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖生長(zhǎng)，從而出現(xiàn)二次生長(zhǎng)曲線。三、反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)是指代謝過(guò)程的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)代謝過(guò)程早期階段的關(guān)鍵酶的反饋抑制作用。抑制酶的活性稱為反饋抑制；抑制酶的合成稱為反饋?zhàn)瓒?。（一）反饋?zhàn)瓒羧樘遣倏v子——酶合成的誘導(dǎo)色氨酸操縱子——酶合成的阻遏

——通過(guò)輔阻遏物來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)（二）反饋抑制分類：

——協(xié)同反饋抑制

——合作反饋抑制

——積累反饋抑制

——順序反饋抑制1、協(xié)同反饋抑制是指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。2、合作反饋抑制又稱增效反饋抑制，是指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)可以起到比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。90%3、積累反饋抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無(wú)協(xié)同效應(yīng)，亦無(wú)拮抗作用。4、順序反饋抑制一種終產(chǎn)物的積累，導(dǎo)致前面一中間產(chǎn)物的積累，通過(guò)后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。四、能荷調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)ATP、ADP、AMP之間的比例實(shí)際上是在不斷的變動(dòng)的，細(xì)胞通過(guò)改變這三者的比例來(lái)調(diào)節(jié)其代謝活動(dòng)，稱為能荷調(diào)節(jié)或腺苷酸調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)形成ATP的分解代謝酶類活性，也調(diào)節(jié)利用ATP的生物合成酶類的活性。第三節(jié)代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的應(yīng)用一、發(fā)酵工藝條件的控制二、菌種遺傳特性的調(diào)控三、控制細(xì)胞膜的滲透性代謝控制發(fā)酵：就是人為地在DNA分子水平上改變和控制微生物的代謝活動(dòng)，使目的產(chǎn)物大量生成、積累。方法：——物理化學(xué)誘變

——抗反饋調(diào)節(jié)突變法

——控制發(fā)酵條件，改變細(xì)胞的滲透性一、發(fā)酵工藝條件的控制

目的：為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個(gè)最適的環(huán)境，使我們需要的代謝活動(dòng)得以最充分的表達(dá)。溫度pH培養(yǎng)基溶氧泡沫控制因子發(fā)酵產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換氧氣乳酸或琥珀酸（通氣不足）←→谷氨酸（通氣充足）NH4+α-酮戊二酸（缺乏）←→谷氨酸（適量）←→谷氨酰胺（過(guò)量）pHN-乙酰谷氨酰胺（酸性）←→谷氨酸（中性或微堿性）磷酸纈氨酸（高濃度）←→谷氨酸生物素乳酸或琥珀酸（豐富）←→谷氨酸（缺乏）表3-2谷氨酸產(chǎn)生菌的發(fā)酵條件與產(chǎn)物之間的關(guān)系表3-3培養(yǎng)條件對(duì)黑曲霉檸檬酸發(fā)酵的影響控制條件發(fā)酵效果通氣量通氣量大有利于檸檬酸形成，通氣量小不利于檸檬酸形成溫度28~30℃或較低，適于檸檬酸形成，溫度高適于機(jī)體生長(zhǎng)NH4NO3濃度低于1g/L，適于檸檬酸形成；大于1g/L，適于菌絲生長(zhǎng)HPO42-濃度低于0.1g/L，適于檸檬酸形成；大于0.1g/L，適于菌絲生長(zhǎng)pH2~3，適于檸檬酸形成；大于3，適于菌絲生長(zhǎng)Zn2+,Fe2+,Mg2+各低于1mg/L時(shí)，適于檸檬酸形成Cu2+0.1~1.0mg/L，適于檸檬酸形成溫度pH變化原因：基質(zhì)代謝、產(chǎn)物形成、菌體自溶。對(duì)發(fā)酵的影響：影響酶活性、影響代謝方向、影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離?？刂品椒ǎ孩僭诨A(chǔ)培養(yǎng)基中加入維持pH的物質(zhì)；②通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH；③當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。培養(yǎng)基要求：

——滿足機(jī)體生長(zhǎng)的需要；

——利于代謝產(chǎn)物的形成；

——避免使用容易引起分解代謝產(chǎn)物阻遏的成分或避免使用高量的這種物質(zhì)。二、菌種遺傳特性的調(diào)控反饋抑制作用的解除，其實(shí)質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物或其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末端產(chǎn)物。反饋?zhàn)瓒糇饔玫慕獬?，其?shí)質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變，使調(diào)節(jié)蛋白改變或不發(fā)生，調(diào)節(jié)蛋白不再與末端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同操縱基因結(jié)合，從而解除了末端產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏作用。利用基因重組技術(shù)篩選新菌種——人胰島素。三、控制細(xì)胞膜的滲透性1、通過(guò)生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜的滲透性——直接抑制膜的合成或使膜受缺損。在谷氨酸發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌谷氨酸；控制生物素含量可改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜透性；當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法。2、通過(guò)細(xì)胞膜缺損突變控制其滲透性——油酸缺陷型、甘油缺陷型用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸的產(chǎn)量。甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應(yīng)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過(guò)量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。思考題什么叫新陳代謝，并說(shuō)明初級(jí)代謝和次級(jí)代謝的區(qū)別。什么是別構(gòu)酶，什么是別構(gòu)效應(yīng)。比較反饋抑制和反饋?zhàn)瓒舻奶攸c(diǎn)。用乳糖操縱子模型解釋大腸桿菌的二次生長(zhǎng)曲線。什么是巴斯德效應(yīng)，從代謝的角度解釋之。以酵母菌為菌種驗(yàn)證巴斯德效應(yīng)。樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識(shí)。6月-246月-24Tuesday,June4,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。15:00:2815:00:2815:006/4/20243:00:28PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。6月-2415:00:2815:00Jun-2404-Jun-24加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。15:00:2815:00:2815:00Tuesday,June4,2024安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。6月-246月-2415:00:2815:00:28June4,2024踏實(shí)肯干，努力奮斗。2024年6月4日3:00下午6月-246月-24追求至善憑技術(shù)開拓市場(chǎng)，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。04六月20243:00:28下午15:00:286月-24嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。六月243:00下午6月-2415:00June4,2024作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2024/6/415:00:2815:00:2804June2024好的事情馬上就會(huì)到來(lái)，一切都是最好的安排。3:00:28下午3:00下午15:00:286月-24一馬當(dāng)先，全員舉績(jī)，梅開二度，業(yè)績(jī)保底。6月-246月-2415:0015:00:2815:00:28Jun-24牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實(shí)。2024/6/415:00:28Tuesday,June4,2024相信相信得力量。6月-242024/6/415:00:286月-24謝謝大家！生活中的辛苦阻撓不了我對(duì)生活的熱愛。6月-246月-24Tuesday,June4,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。15:00:2815:00:2815:006/4/20243:00:28PM做一枚螺絲釘，那里需要那里上。6月-2415:00:2815:00Jun-2404-Jun-24日復(fù)一日的努力只為成就美好的明天。15:00:2815:00:2815:00Tuesday,June4,2024安全放在第一位，防微杜漸。6月-246月-2415:00:2815:00:28June4,2024加強(qiáng)自身建設(shè)，增強(qiáng)個(gè)人的休養(yǎng)。2024年6月4日3:00下午6月-246月-24精益求精，追求卓越，因?yàn)橄嘈哦鴤ゴ蟆?4六月20243:00:28下午15:00:286月-24讓自己更加強(qiáng)大，更加專業(yè)，這才能讓自己更好。六月243:00下午6月-2415:00June4,2024這些年的努