发酵机制及发酵动力学第三节糖代谢产物的发酵机制

发酵机制及发酵动力学第三节糖代谢产物的发酵机制第三节糖代谢产物的发酵机制一、厌氧发酵代谢产物发酵机制葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过EMP、HMP、ED及PK途径形成多种中间代谢物。在不同的微生物细胞中及不同的环境条件下,这些中间代谢物进一步转化，形成各种不同的发酵产物。根据发酵产物的不同，发酵类型主要有乙醇发酵、甘油发酵、乳酸发酵、丙酮丁醇发酵、混合发酵等。一、厌氧发酵代谢产物发酵机制（一）乙醇和甘油发酵酵母菌的乙醇发酵（Ⅰ型发酵）酵母菌的甘油发酵（Ⅱ型发酵）酵母菌的甘油发酵（Ⅲ型发酵）细菌的乙醇发酵一、厌氧发酵代谢产物发酵机制（二）乳酸发酵同型乳酸发酵乳链球菌（StreptococcusLactis）、乳酸乳杆菌（

Lactobacilluscasei）等进行异型乳酸发酵肠膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroids）进行

双歧发酵两歧双歧杆菌（Bifidobacteriumbifidum）等进行

一、厌氧发酵代谢产物发酵机制（三）丙酮-丁醇发酵（四）混合酸与丁二醇发酵以上两种类型的发酵产物较多，除了利用其生产化工原料外，还经常被用来进行病原微生物的检测。二、好氧发酵代谢产物发酵机制微生物好氧发酵糖类物质可生成多种有机酸，其中柠檬酸是最常见的一种。黑曲霉的柠檬酸发酵机制直到Kerbs(1940年)提出三羧酸循环学说才被人们逐渐认识。黑曲霉的柠檬酸发酵机制见图3-6.图3-6黑曲霉的柠檬酸发酵机制1-丙酮酸脱氢酶；2-柠檬酸合成酶；3-乌头酸水合酶；4-异柠檬酸脱氢酶；5-α-酮-戊二酸脱氢酶；6-琥珀酸脱氢酶；7-富马酸酶；8-苹果酸脱氢酶；9-丙酮酸羧化酶；10-磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶。关键问题：柠檬酸是如何积累的？第四节氨基酸和核酸的发酵机制一、氨基酸发酵机制微生物细胞内氨基酸的来源直接从培养基中吸收转氨基作用合成以糖分解代谢中间体为碳骨架合成转氨基作用谷氨酸+丙酮酸→α-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+草酰乙酸→α-酮戊二酸+天冬氨酸Transamination指把氨基从一个化合物转移到其他化合物上的反应过程。是布朗斯坦和克里茨曼（A．E．Braunstein与M．G．Kritzmann，1937）提出的。在生物体内通常为以磷酸吡哆醛为辅酶的转氨酶所催化，此反应一般是可逆的。微生物可经氨化作用补充新的谷氨酸从糖代谢中间体合成各种氨基酸一、氨基酸发酵机制（一）谷氨酸的发酵途径(谷氨酸棒杆菌)谷氨酸的生物合成途径就是经过酵解途径（EMP）和单磷酸己糖途径（HMP）生成丙酮酸。一方面丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA；另一方面经CO2固定作用生成草酰乙酸；两者合并成柠檬酸进入三羧酸循环，由三羧酸循环的中间产物α-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶催化下，还原氨基化合成谷氨酸。图3-7谷氨酸棒杆菌的谷氨酸生物合成NH3谷氨酸发酵的关键：生物素亚适量NH3充足代谢流强化谷氨酸棒杆菌将氨基导入谷氨酸有三种方式细胞外生物素一、氨基酸发酵机制（二）天冬氨酸族氨基酸生物合成途径

(大肠杆菌)在细菌中，天冬氨酸的合成是葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸经CO2固定和氧化脱羧进入三羧酸循环，生成草酰乙酸，再经氨基化反应生成天冬氨酸。图3-8大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成途径1-天冬氨酸激酶；2-天冬氨酸-β-半醛脱氢酶；3-高丝氨酸脱氢酶；4-琥珀酰高丝氨酸合成酶；5-胱硫醚合成酶；6-胱硫醚酶；7-蛋氨酸合成酶；8-高丝氨酸激酶；9-苏氨酸合成酶；10-苏氨酸脱氢酶；11-乙酰羟酸合成酶；12-二羟基酸还原异构酶；13-二羟基酸脱水酶；14-转氨酶；15-二氢吡啶二羧酸合成酶；16-二氢吡啶二羧酸还原酶；17-N-琥珀酰-ε-酮-L-氨基庚二酸合成酶；18-琥珀酰二氨基庚二酸转氨酶；19-琥珀酰二氨基庚二酸脱酰基酶；20-二氨基庚二酸差向异构酶；21-二氨基庚二酸脱羧酶。一、氨基酸发酵机制（二）天冬氨酸族氨基酸生物合成途径在酵母和霉菌等真菌中，天冬氨酸族的赖氨酸是以另外的方式合成的，参见教材P91图3-9.工业生产赖氨酸目前不采用酵母等真菌主要是有两个原因：膜透性问题代谢途径没有分支一、氨基酸发酵机制（三）分支链氨基酸发酵机制(大肠杆菌)L-苏氨酸丁酮酸活性乙醛+中间物1中间物2中间物3L-异亮氨酸缩合反应还原酮基转氨丙酮酸活性乙醛+中间物1中间物2中间物3L-缬氨酸转氨缩合反应还原酮基脱水形成新酮基L-亮氨酸脱水形成新酮基酶1-合成酶酶2-还原酶酶3-脱水酶酶4-转氨酶一、氨基酸发酵机制（四）精氨酸族氨基酸的发酵机制(谷氨酸棒杆菌)中间物1中间物2中间物3L-鸟氨酸中间物4L-谷氨酸L-瓜氨酸L-精氨酸中间物5发酵策略：营养缺陷型结构类似物抗性突变株二、核苷酸发酵机制（一）嘧啶核苷酸的生物合成(枯草芽孢杆菌)

一方面糖经过EMP、TCA途径生成天冬氨酸；另一方面，NH3、CO2与ATP生成氨甲酰磷酸，二者缩合通过几步反应生成乳清酸，后者再与PRPP结合，最后生成UMP，再由UMP生成UTP、CTP和TTP.图3-9枯草芽孢杆菌嘧啶核苷酸的生物合成dUMPdTMP甲基-THFAUTPCTP谷氨酰胺谷氨酸UMP发酵策略：营养缺陷型结构类似物抗性突变株添加前体物二、核苷酸发酵机制（二）嘌呤核苷酸的生物合成与嘧啶核苷酸的生物合成途径相比，嘌呤核苷酸生物合成途径要复杂的多，整个生物合成的过程可以分成三个阶段：第一阶段是由5-磷酸核糖与ATP反应开始到5-氨基咪唑核苷酸(AIR)合成；第二阶段是从5-氨基咪唑核苷酸开始到次黄嘌呤核苷酸(IMP)合成；第三阶段是由次黄嘌呤核苷酸开始到鸟嘌呤核苷酸(GMP)与腺嘌呤核苷酸(AMP)合成。葡萄糖5-磷酸核糖PRPPATP通过5步反应，分别由谷氨酰胺、甘氨酸和THFA提供骨架原子合成嘌呤5元环部分AIRAIR5’-IMP再通过5步反应，分别由CO2、天冬氨酸、谷氨酰胺、和THFA提供骨架原子合成嘌呤6元环部分

各种微生物合成IMP的途径是一致的，但是，从IMP分别生成AMP和GMP的途径是不同的。在枯草杆菌中，IMP是嘌呤核苷酸的中心，分出两条环行路线，在这里AMP与GMP是可以互相转换的。在产氨短杆菌中，其合成途径与枯草杆菌不同，从IMP开始分出的两条路线不是环行，而是单向分支，AMP与GMP不能相互转换。IMPXMPGMPSAMPAMP图3-10产氨短杆菌嘌呤核苷酸的生物合成PRPPPRAIMPAMPGMP肌苷发酵策略：切断支路代谢，解除反馈抑制，改变细胞膜透性本节结束谢谢二、核苷酸发酵机制

脱氧核苷酸是在核苷酸合成后在二磷酸水平还原合成的，参见教材P93.

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OH2NAD2NADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵※该乙醇发酵过程只在以及厌氧的条件下发生。2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NAD﹢NADH+H﹢NADH+H＋NAD﹢H2OPi葡萄糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3α-磷酸甘油甘油酵母菌Ⅱ型发酵葡萄糖1、6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醇磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油甘油NADH+HNADH﹢﹢2ADP2ATPCO2乙酸加Na2CO3或NaOH酵母菌Ⅲ型发酵NAD﹢NADH+H葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H←ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：EDKDPG醛缩酶1mol葡萄糖产:2mol乙醇2molCO21molATP细菌的乙醇发酵葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP乳酸脱氢酶异型乳酸发酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2EMPHMPHMP同型乳酸发酵后半段磷酸戊糖解酮酶乙醇脱氢酶1mol葡萄糖产:1mol乳酸1mol乙醇1molCO21molATPPKHK磷酸解酮酶途径。图示两种解酮酶。此即双歧杆菌进行的双歧乳酸发酵。1mol葡萄糖产:1mol乳酸乙酸CH3CH2CH3CHNH2CHCOOHCH3CH3CHNH2CHCOO