发 第五章 发酵机制与代谢调控2

第五章

发酵机制与代谢调控第一节厌氧发酵机制与代谢调控第二节好氧发酵与代谢调控发酵机制发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律代谢控制发酵：

人为的改变微生物的代谢调控机制，使有用的代谢产物过量的积累。发酵方式对氧需要或不需要好氧厌氧培养基液态或固态液态发酵固态发酵发酵是在培养基表面还是在深层进行表面发酵深层发酵发酵是间歇还是连续分批发酵连续发酵菌种是否被固定在载体上游离发酵固定化发酵菌种是单一还是混合的菌种单一纯种发酵混合发酵相关的代谢途径EMP途径糖酵解

(glycolysis)EMP途径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

丙酮酸第一节厌氧发酵机制与代谢调控在无氧条件下，丙酮酸去向（1）在酵母中，产生乙醇；酒精发酵（2）在乳酸菌中，产生乳酸；同型乳酸发酵（3）在梭状芽孢杆菌中，产生乙酰CoA、丁醛、丁醇、丙酮、乙醇；丙酮丁醇发酵。第一节厌氧发酵机制与代谢调控一、酵母菌的酒精发酵二、细菌的酒精发酵三、乳酸发酵（同型、异型）四、甘油发酵（亚硫酸盐法、碱法）第一节厌氧发酵机制与代谢调控一、酵母菌的酒精发酵1.乙醇生成机制以丙酮酸脱羧产生的乙醛作为H受体产生乙醇。丙酮酸丙酮酸脱羧酶CO2+乙醛（酵母菌酒精发酵Ⅰ型）NADH+H

NADH+乙醇+焦磷酸硫胺素、Mg2＋乙醇脱氢酶葡萄糖生成乙醇总反应式：C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP2CH3COCOOH

丙酮酸脱羧酶

4ATPCO22CH3CHONADH+H+2ADP乙醇脱氢酶NAD+C6H12O62C2H5OH巴斯德效应葡萄糖分解为乙醇的过程中，并无氧气参与，是一个无氧呼吸过程。但在好氧条件下，酵母发酵能力降低，乙醇的积累减少，实质是糖代谢降低——巴斯德效应。巴斯德效应机制：磷酸果糖激酶是第一个限速酶，它是一种变构酶，受ATP、柠檬酸及其他一些高能化合物的抑制，受AMP、ADP的激活。在好氧条件下，糖代谢进入三羧酸循环，产生柠檬酸等，并通过氧化磷酸化生成大量的ATP。ATP反馈抑制此酶的活性。细胞内柠檬酸生成量的增加，反馈阻遏磷酸果糖激酶的合成，这种阻遏作用由于ATP存在而加强。由于磷酸果糖激酶受抑制，导致6-磷酸果糖积累，反应平衡时，醛糖：酮糖为7:3，导致6-磷酸葡萄糖积累，6-磷酸葡萄糖抑制己糖激酶，从而抑制葡萄糖进入细胞。二、细菌的酒精发酵ED途径：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径ED途径总反应式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATPED途径中的关键反应KDPG2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸ED途径1952年在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。少数假单胞杆菌（Pscudomonas),如林氏假单胞菌（Ps.lindneri)能利用葡萄糖经ED途径进行酒精发酵。细菌酒精发酵在末端假单胞菌中能使2分子丙酮酸脱羧，然后还原乙醛生成2分子乙醇和2分子CO2。而在其他假单胞菌中氢载体氧化后，生成1分子乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。ED途径总反应式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP细菌的酒精发酵特点20世纪70年代出现代谢速度快发酵周期短酒精产率高（比酵母菌）厌氧和耐高温代谢副产物少能利用各种糖类但耐酒精度比酵母菌低pH5（酵母菌pH3），较易染菌三、乳酸发酵1.同型乳酸发酵通过EMP途径，由丙酮酸还原生成乳酸。发酵产物中只有乳酸。进行同型乳酸发酵的细菌主要有乳链球菌、乳酪杆菌、保加利亚杆菌、德氏乳杆菌。2.异型乳酸发酵通过HMP(PK)途径，产物中除乳酸外，还有乙醇、乙酸等有机化合物的发酵。进行异型乳酸发酵的有肠膜明串珠菌、葡聚糖明串珠菌。1.同型乳酸发酵无氧条件下，葡萄糖先经经EMP途径得到丙酮酸2.异型乳酸发酵HMP途径——戊糖磷酸途径异型乳酸发酵HMP途径在微生物分类研究中，通常把发酵1mol葡萄糖产生的乳酸少于1.8mol，同时还产生较多乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等产品的乳酸菌称为异型乳酸菌。同型乳酸菌的微生物已经用来发酵产生乳酸。异型乳酸发酵的微生物，例如双歧杆菌，已经用于发酵生产活菌饮料，并越来越受重视。异型乳酸发酵四、甘油发酵1.亚硫酸盐法甘油发酵正常情况酵母菌在无氧条件下：丙酮酸→乙醛→乙醇当加入NaHSO3,乙醛+NaHSO3,→CH3CHOSO2Na(难溶结晶状加成物）OH乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，生成α-磷酸甘油，α-磷酸甘油经脱磷酸而有甘油累积。亚硫酸盐法甘油发酵CH2OPCH2OPCH2OHC=O+NADH+H+→CHOH→CHOHCH2OHCH2OHCH2OHCH2OHOHC6H12O6+NaHSO3→CHOH+C3CHOSO2Na+CO2CH2OHα-磷酸甘油磷酸二羟丙酮亚硫酸盐法甘油发酵1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP结余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸氢钠不能加太多，否则会使酵母菌因得不到能量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以便获得一些能量，供生命活动所需。在果酒发酵中，由于利用亚硫酸作为杀菌剂，故副产物甘油量较大，甘油具有调味功能，使酒口感圆润。2.碱法甘油发酵正常情况酵母菌在无氧条件下：丙酮酸→乙醛→乙醇酒精酵母，发酵液保持碱性，pH7.6以上，发酵产生的乙醛不能作为受氢体，而是2分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。此时，由3-磷酸甘油醛脱氢生成的NADH2用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油。不产生ATP。

CH2OH3C6H12O6+H2O

→2CHOH+C2H5OH+CH3COOH+CO2CH2OH五、丙酸和丁酸发酵

葡萄糖（EMP途径）乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→苹果酸→富马酸→琥珀酸→丙酸+CO2乙酸+CO2丙酸发酵：先经过EMP途径，再经Wood-Werk-man途径第二节好氧发酵与代谢调控一、柠檬酸发酵二、醋酸发酵三、氨基酸发酵四、核苷酸发酵五、抗生素发酵1.代谢途径TCA循环提供微生物生命活动的大量能量（38个ATP)。中间代谢产物是一些重要的细胞物质。如各种氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂类等生物合成前体物。是糖类有氧降解的主要途径，也是脂肪、蛋白质降解的必经途径。彻底氧化成CO2和H2O。提供各种碳架原料。一、柠檬酸发酵p1192.柠檬酸积累的代谢调节

（1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节以下酶要强①柠檬酸合成酶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顺乌头酸水合酶⑤草酰乙酸水解酶⑥异柠檬酸脱氢酶⑦异柠檬酸裂解酶葡萄糖丙酮酸柠檬酸乙酰-CoA草酰乙酸EMP途径氧化脱羧羧化