《第三章 发酵学第二假说()发酵原理 张星元》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 发酵学第二假说()发酵原理 张星元（208页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020 5 25 1 第二节微生物代谢网络的向心板块 2020 5 25 2 代谢网络中 胞外碳架物质跨膜并注入中心板块所流经的途径统称向心途径 向心途径群组成代谢网络的向心板块 2020 5 25 3 3 2 1向心途径在代谢网络及其在细胞机器工作模式中的位置3 2 2微生物的分解代谢途径和代谢网络的向心途径 2020 5 25 4 3 2 1向心途径在代谢网络和细胞机器工作模式中的位置 2020 5 25 5 碳架物质从向心板块注入中心板块 前述中心代谢途径上的12个前体代谢物的大平台 时所流经的代谢途径统称向心途径 与整个代谢网络一样 向心途径的变化也取决于遗传与环境条件 本课程讨论的
2、内容建立在微生物细胞相对稳定的代谢基础上 在工业发酵的细胞机器工作模式中 向心途径首当其冲 是工业发酵载流路径的一部分 2020 5 25 6 向心途径在细胞机器工作模式中的位置 向心途径 中心代谢途径 离心途径 2020 5 25 7 3 2 2微生物的合成代谢途径和代谢网络中的向心途径 2020 5 25 8 化能异养型微生物可以广泛地利用各种各样的有机物进行生长和繁殖 在发酵工业上发酵生产的原料大多是农副产品 微生物必须能合成并分泌能分解这些原料的酶 把原料转化成可以进入细胞的有机营养物质 2020 5 25 9 各种有机营养物质 包括经水解酶降解形成的有机营养物质 大多以主动输送的方式
3、进入原核生物的细胞 以促进扩散和主动输送的方式进入真核微生物的细胞 这几种输送方式均需借助于细胞的蛋白质 载体蛋白或酶 2020 5 25 10 进入细胞的营养物质若是中心代谢途径的起始物或中间产物 即可纳入中心代谢途径进行代谢 进入细胞的营养物质若不是中心代谢途径的起始物或中间产物 则需经向心途径的胞内部分 转化成中心代谢途径的起始物或中间产物 才可纳入中心代谢途径进行代谢 2020 5 25 11 化能异养型微生物细胞借助于微生物的向心途径将有机化合物降解或转化成中心途径上对应的的化合物 从而使这两种途径衔接起来 微生物的向心途径一般依次包括三个部分 1 胞外降解途径 胞外酶催化 2 跨膜
4、系统 有载体蛋白参与 3 胞内向心途径 2020 5 25 12 原料化合物经向心途径注入中心途径 向心途径与中心途径的接合点 接口 原则上可以是中心途径上的任意化合物 实际上主要是12个代谢前体物 如果进入细胞的营养物质已经是中心代谢途径的起始物或中间产物 则胞内向心途径就缩成一个 点 这个点也就是向心途径与中心途径的接口 代谢网络的向心途径往往是分解代谢途径 但它们是以中心大平台 或者更精确地说是以中心途径上对应的化合物为终点的 2020 5 25 13 2020 5 25 14 2020 5 25 15 3 2 2 1胞外降解途径 胞外酶催化多聚物的水解3 2 2 2有载体蛋白参与的跨膜
5、系统3 2 2 3化能异养型微生物对各种有机化合物的利用3 2 2 4细胞内源化合物的氧化降解3 2 2 5关于质粒编码的降解代谢活性 2020 5 25 16 3 2 2 1胞外降解途径 胞外酶对多聚物的水解微生物可以分泌胞外酶 大多数情况下是水解酶 把多聚物水解成可以进入细胞的分子 这些胞外酶游离于微生物细胞外 有些仍与细胞相联 细胞还会分泌一些附着物 使某些疏水化合物结合到细胞表面 以便于降解 多聚物水解不会产生可被生物利用的能量 但多聚物水解是向心途径的第一步 2020 5 25 17 可作为营养的多聚物包括 淀粉 纤维素 果胶类物质 果胶酸 果胶 原果胶质 几丁质 甲壳质 半纤维素
6、hemicellulose 木质素 1ignin 蛋白质和多肽 核酸等等种类 化能异养型微生物能分泌一系列胞外酶将外源性多聚有机化合物降解 还有些有机化合物虽然不是多聚物 也需要首先被微生物的胞外酶水解以后才能被微生物吸收 例如许多微生物能分泌脂肪酶 它能将甘油三脂水解成脂肪酸和甘油 2020 5 25 18 3 2 2 2有载体蛋白参与的跨膜系统 第二章2 2 2已有叙述 2020 5 25 19 3 2 2 3化能异养型微生物对各种有机化合物的利用微生物通过一定的机制从培养基中吸收有机化合物 进入细胞的有机化合物再经过一段代谢途径的代谢作用 将碳架物质注入中心代谢途径 这些有机化合物可以是
7、碳水化合物 烃类化合物 含氮有机化合物或其他有机化合物 2020 5 25 20 微生物通过一定的机制从培养基中吸收有机化合物 进入细胞的有机化合物再经过一段代谢途径的代谢作用 将碳架物质注入中心代谢途径 这些有机化合物可以是碳水化合物 烃类化合物 含氮有机化合物或其他有机化合物 2020 5 25 21 二糖的吸收和降解关于二糖的吸收和降解 研究得最清楚的要数乳糖 大肠杆菌若要在以乳糖为碳源的培养基中生长 首先要诱导出3种酶 乳糖透性酶 半乳糖苷酶和 半乳糖苷乙酰基转移酶 2020 5 25 22 乳糖透性酶实际上是乳糖的载体蛋白 用于乳糖的主动输送 将乳糖送入细胞 半乳糖苷酶将乳糖水解成葡
8、萄糖和半乳糖 半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是催化AcCoA将乳糖及其它半乳糖苷乙酰化的反应 它可将未能代谢的乳糖及与乳糖结构类似的分子乙酰化 并将其排出细胞 因此 这个酶的生物学功能可能是起解毒作用 2020 5 25 23 乳糖水解生成的葡萄糖被磷酸化而进入酵解途径 水解生成的半乳糖又在细胞中诱导出参与半乳糖进一步代谢的3种酶 在这3种酶的协同作用下 使半乳糖转化成G 6 P 即可注入酵解途径 2020 5 25 24 二糖的降解一般在细胞内发生 有如下两种降解方式 一种是被相应的二糖水解酶水解成单糖 如蔗糖酶将蔗糖水解成葡萄糖和果糖 乳糖酶 半乳糖苷酶 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 麦芽糖酶将
9、麦芽糖水解成两份葡萄糖 另一种分解方式是在相应的磷酸化酶的作用下 使二糖经磷酸化裂解 phosphorylyticcleavage 得到1分子单糖和1分子磷酸葡萄糖 2020 5 25 25 这种方式的裂解比起第一种方式更为经济 由这种方式产生磷酸葡萄糖即可以糖的磷酸酯的形式进入中心代谢途径 而且 此过程不消耗ATP 而游离的单糖大多需经激活 消耗高能键而被磷酸化 后才能进入葡萄糖的降解途径 2020 5 25 26 己糖和戊糖的降解作为化能异养型微生物的碳源与能源 果糖像葡萄糖一样 受己糖激酶催化而被ATP激活 生成F 6 P 或者借助由PEP参加的磷酸转移酶系统进入细胞 生成F 1 P 然
10、后又在1 磷酸果糖激酶 该酶受果糖诱导 的催化下形成F 1 6 2P F 6 P和F 1 6 2P均为EMP途径中间产物 可按EMP途径进一步降解 2020 5 25 27 甘露糖在甘露糖激酶的催化下 生成6 磷酸甘露糖 再由6 磷酸甘露糖异构酶催化 生成F 6 P 进入EMP途径 也有例外 如果没有甘露糖激酶 也可以以另外的方式实现甘露糖的磷酸化 2020 5 25 28 半乳糖诱导3种酶的合成 半乳糖激酶 葡萄糖 1 磷酸半乳糖尿苷酰转移酶和UDP Glc差向异构酶 半乳糖在这些酶的顺序催化下 先生成1 磷酸半乳糖 然后再生成G 1 P G 1 P经G 6 P磷酸葡萄糖变位酶作用生成G 6
11、 P 即可进入酵解途径 在嗜糖假单胞菌中 半乳糖可被直接氧化成半乳糖酸内酯 然后进入与ED途径类似的途径 最终产物与ED途径相同 2020 5 25 29 戊糖 如核糖 木糖和阿拉伯糖 虽然可以被不少微生物利用 但常有适应现象 即它们或以自己独立的途径降解 或经转化后进入葡萄糖降解途径 如核糖在激酶催化下生成R 5 P 即可进入HMP和PK途径 阿拉伯糖在异构酶的催化下生成核酮糖 然后再磷酸化生成Ru 5 P 即可进入HMP或PK途径 2020 5 25 30 木质纤维水解物中有40 是木糖 木糖可以经木糖醇而转化为木酮糖 也可以在木糖异构酶催化下直接生成木酮糖 木酮糖经激酶催化生成Xu 5
12、P 即可进入HMP或PK途径 2020 5 25 31 己糖醛酸的降解果胶类物质在胞外酶作用下降解成半乳糖醛酸 半乳糖醛酸经进一步代谢即可转化成ED途径的中间产物KDPG 即可进入ED途径 这样的作用在假单胞菌 气单胞菌和土壤杆菌中比较明显 2020 5 25 32 甘露 糖 醇的降解在不同的微生物中 可能经不同的途径将甘露醇转化为EMP途径的中间产物F 6 P 2020 5 25 33 丙酸的降解在需氧条件下 大肠杆菌的丙酸降解至今未有明确的结论 其丙酸代谢的第一步是生成丙酰CoA 后者与乙醛酸缩合成 羟基戊二酸 然后又裂解成乳酸和乙酸 乙酸经AcCoA进入TCA环或 和 DCA环 而乳酸经
13、乳酰CoA 丙酮酰CoA 转化成羟基丙酮醛 此化合物的进一步代谢情况尚待研究 但已知当丙酸浓度较高时 丙酸主要经乙酸代谢 2020 5 25 34 葡萄糖酸的降解某些微生物能利用葡萄糖酸作为唯一碳源 葡萄糖酸可经6 磷酸葡萄糖酸脱羧 生成5 磷酸核酮糖而进入HMP途径 也可以经2 5 二酮葡萄糖酸 继续代谢生成 KG而进入TCA环 在假单胞菌中 葡萄糖酸经6 磷酸葡萄糖酸进入ED途径 2020 5 25 35 山梨 糖 醇的降解山梨 糖 醇先被转化成果糖 然后生成F 6 P而进入EMP途径 苹果酸的降解在需氧情况下 苹果酸按TCA环氧化方向生成OAA 然后OAA脱羧生成PYR 然后按需氧途径降
14、解 在弱氧化醋酸杆菌中 苹果酸经草酰苹果酸生成 KG而进入TCA环 以便用于氨基酸合成 2020 5 25 36 草酸的降解草酸先被转化成乙醛酸 然后经甘油酸途径生成3 P GA进入EMP途径 乙醇酸 羟基乙酸 和乙醛酸的降解乙醇酸先被氧化成乙醛酸 后者直接与AcCoA反应 生成苹果酸进入TCA环 DCA环 或者乙醛酸经甘油酸途径 生成3 P GA而进入EMP途径 2020 5 25 37 乙醇和乙酸的降解乙醇经乙醛氧化成乙酸 乙酸在乙酰硫激酶的催化下 与CoA ATP作用 生成AcCoA而进入TCA环 2020 5 25 38 脂肪酸的降解脂肪和脂肪酸也可以作为微生物的碳源和能源 但脂肪不能
15、进入细胞 细胞内贮藏的脂肪也不可直接进入糖的降解途径 因此要在有关酶的作用下先行水解 脂肪在微生物细胞合成的脂肪酶 胞外酶对胞外的脂肪 胞内酶对胞内脂肪 的作用下 水解成甘油和脂肪酸 甘油经3 磷酸甘油或经二羟基丙酮转化成磷酸二羟丙酮 DHAP 进入EMP途径 2020 5 25 39 绝大多数细菌对脂肪酸的分解能力很弱 然而一经诱导 它们的脂肪酸氧化活性就会增强 如大肠杆菌就有一个可被诱导合成的 用来降解脂肪酸的酶系 并且 C6 C16脂肪酸靠酰基CoA合成酶参与的基团转移机制进入细胞 2020 5 25 40 脂肪酸的 氧化是在原核细胞的细胞质和真核细胞的线粒体内进行的 若脂肪酸分子的碳原
16、子数为偶数 最终得AcCoA 若脂肪酸分子的碳原子数为奇数 则同时也得到丙酰CoA AcCoA直接进入TCA环降解 丙酰CoA则可以经甲基丙二酸单酰CoA 然后甲基丙二酸单酰CoA分子重排 形成ScCoA而进入TCA环 2020 5 25 41 脂肪族烃的降解微生物对烃的降解 首先需要氧 因此 在烃上生长是专性需氧的过程 在甲烷上生长的过程 需特殊的途径 因此甲烷氧化细菌不能在其它烃上生长 微生物对其它脂肪族烃的代谢情况大致是这样的 能够在C5 C8脂肪族烃中生长的细菌相对较少 如分支细菌 黄杆菌 诺卡氏菌等 2020 5 25 42 然而 能利用长链的脂肪族烃的微生物比较多 分布也比较广 其中特别是能利用C10 C18正烷烃的微生物 而且这些正烷烃被利用的速度特别快 能在长链脂肪族烃上生长的微生物包括谷氨酸棒状杆菌 荧光假单胞菌 铜绿假单胞菌 嗜石油诺卡氏菌 简单节杆菌 解脂假丝酵母 球拟酵母 粉红头孢等微生物 值得注意的是酵母和丝状真菌也能利用这类基质 大肠杆菌 产气肠杆菌和枯草芽孢杆菌不能在这类基质上生长 2020 5 25 43 脂肪族烃是水不溶性基质 因此 微生物对它们的吸收
