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1、第三章 嫌气发酵机制,微生物细胞的调节机制 糖酵解途径特点及调节机制 酒精发酵机制 甘油发酵机制 乳酸发酵机制,重点： 糖酵解途径的特点及调节机制；酒精发酵机制；甘油的合成机制；乳酸发酵机制；同型乳酸发酵； 难点：糖酵解的调节机制；巴斯德效应；酒精发酵中副产物的生成；异型乳酸发酵；,第一节 微生物细胞调节机制,酶的调节：酶合成的调节酶活性的调节 细胞膜渗透性调控 能荷调节,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：人为地改变微生物的代谢调控机制，过量积累中间产物。 发酵机制研究的内容：1.微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产物合成途径及
2、代谢调节机制）；2.环境因素（营养条件、培养条件等）对代谢的影响及改变代谢的措施；,微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调节代谢流等。 其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。,一、酶的调节,（一）酶活性的调节,酶活性的调节：酶分子水平上的一种代谢调节，通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。 酶活性的激活：在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间
3、产物所促进。 酶活性的抑制：主要是反馈抑制，表现在某代谢途径的终产物过量时，该产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。,1.反馈抑制的类型,a直线式代谢途径中的反馈抑制b分支代谢途径中的反馈抑制。在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。,同功酶调节: 同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支代谢途径中，
4、如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。,协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。,合作反馈抑制：系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。,累积反馈抑制：每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。,顺序反馈抑制：当酶E过多时，可抑制CD，这时由于C的浓度过大而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增高。由于G过多就抑制了CF，结果造成
5、C的浓度进一步增高。C过多又对AB间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。这种通过逐步有顺序的方式达到的调节，称为顺序反馈抑制,（二）酶合成的调节,酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量，进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节:是一类较间接而缓慢的调节方式,其优点是通过阻止酶的过量合成节约生物合成的原料和能量。 在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且密切配合、协调进行的。 能促进酶生物合成的现象，称为诱导。 能阻碍酶生物合成的现象，称为阻遏。,1.酶合成调节的类型,诱导酶：细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。
6、 诱导物：是指能促进诱导酶产生的物质。它可以是该酶的底物也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。,（1）诱导,a.相关概念,同时诱导：即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例：乳糖可同时诱导E.Coli合成-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶,b.诱导类型,顺序诱导：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。,在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少末端产物的生成外，还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在
7、内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量。阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。,（2）阻遏,末端产物阻遏: 指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。,每种末端产物仅专一地阻遏合成它的分支代谢途径的酶； 代谢途径分支点以前的“公共酶” 受所有分支途径末端产物的多价阻遏作用。,分解代谢物阻遏：细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。分解代谢物的阻遏作用
8、，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的结果，而是通过甲碳源（或氮源等）在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。因此，分解代谢物的阻遏作用，就是指代谢反应链中，某些中间代谢物或末端代谢物的过量累积而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象。,外界物质的吸收或代谢产物的分泌都需经细胞膜的运输，如发生障碍，则胞内合成代谢物不能分泌出来，影响发酵产物收获，或胞外营养物不能进入胞内，也影响产物合成，使产量下降。例：在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。如果输入硫化物能力增加，硫源供应允足，合成青霉素的量就增多。采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的
9、代谢产物迅速渗漏到细胞外。这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。,二、控制细胞膜的渗透性,三、能荷调节（磷酸盐调节）,磷酸盐通过调节胞内能荷效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)，进而影响产物合成。,能荷=(ATP + ADP)(ATP + ADP + AMP),已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。,四、代谢调控在发酵工业中的应用,利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株：,抗反馈调节突变株：就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株
10、，或兼而有之的菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。,营养缺陷型突变株：在直线式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中间代谢物而不能累积最终代谢物。但在分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，就可以使某一分支途径的末端产物得到累积。,第二节 糖酵解途径及调节机制,C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD 2CH3COCOOH +2ATP+2NADH2,一、糖酵解途径,1、广泛存在于各种细胞中，每个反应都不需要氧参与。 2、分为两个阶段：6C（葡萄糖） 3C（3-磷酸甘油醛）：消耗2ATP3C（3-磷酸甘油醛） 丙酮酸：生成4
11、ATP 3、糖酵解有10多个反应组成，每个反应都在酶的作用下完成。 4、其他糖类作为碳源和能源时，是通过葡萄糖或其他中间产物并入糖酵解途径的。 5、在不同的有机体和不同条件下，H的受体不同，丙酮酸的去路也不同。,+2ATP,二、糖酵解途径的特点,糖酵解中的能量变化,乙醇、乳酸、乙醛、丙酸、甘油、5-丁酸、丁醇、琥珀酸、醋酸等,从丙酮酸出发可以得到,调节主要是通过己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶等三个激酶完成，所催化的三个反应是不可逆的，只参与糖酵解，不参与糖的新生。激酶活性受细胞能荷调节：能荷=(ATP+ADP)(ATP+ADP+AMP) ATP含量高：抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，减少糖酵
12、解；ATP转化为ADP、AMP：解除抑制，同时ADP、AMP激活已糖激酶和磷酸果糖激酶，其产物6-磷酸葡萄糖、1，6-二磷酸果糖、3-磷酸甘油醛又激活丙酮酸激酶；无机磷也是调节者，它能解除6-磷酸葡萄糖对己糖激酶的抑制，加快糖酵解。柠檬酸、脂肪酸和乙酰CoA通过抑制丙酮酸的转化来抑制糖酵解途径。,三、糖酵解调节机制,己糖激酶：产物变构抑制,*磷酸果糖激酶：限速酶，受能荷调节,丙酮酸激酶受ATP、丙氨酸、乙酰CoA等反馈抑制,C6H12O6+2ADP+3H3PO42CH3CH2OH+2CO2+2ATP+104.6KJ,理论转化率：246.05/180.1=51.1%,第三节 酒精发酵机制,一、酒
13、精生成机制,二、巴斯德效应,1、糖代谢进入TCA环 柠檬酸 、ATP 抑制磷酸激酶的合成 6-P-葡萄糖（积累） 反馈抑制己糖激酶 抑制葡萄糖进入细胞内 葡萄糖利用降低2、磷酸果糖激酶活性下降 1，6二磷酸果糖 丙酮酸激酶活性 磷酸烯醇式丙酮酸积累 反馈抑制已糖激酶，降低糖酵解速度,在好气条件下，酵母菌发酵能力下降（细胞内糖代谢降低，乙醇积累减少）；不仅存在于酵母中，也存在于具有呼吸和发酵能力的其他细胞中。,定义：,原理：,三、酒精发酵中的副产物,主产物：乙醇、CO2 酵母酒精发酵 醇类（杂醇油） 醛类（糠醛）酸类（琥珀酸）酯类,副产物,影响：消耗糖分，带来杂质，提高或降低产品质量。,1、杂醇
14、油,C原子数大于2的脂肪族醇类的统称；高沸点、颜色呈黄色或棕色，具有特殊气味。酒类风味物质，质量指标，适量。杂醇油的产量一般为0.3一0.7 。,酒中常见的杂醇油,2、杂醇油的形成途径：,氨基酸将氨基传递给a-酮戊二酸，然后经酸、醛途径生成相应的醇。（见P52）已证实：天冬氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等,氨基酸氧化脱氨作用:,两种杂醇油的形成,由葡萄糖直接形成：,3、影响杂醇油形成的条件,不同菌种差异较大：40ppm200ppm,菌种,发酵条件：温度，通风,数量：存在氨基酸会增加高级醇生成量；N含量低，无法将葡萄糖转化得到的酮酸转化为氨基酸，进一步合成蛋白质，酮酸脱
15、羧还原成高级醇；,培养基组成,质量：氨基酸组成影响生成的杂醇油种类,第三节 甘油的合成机制,抗不良环境当环境渗透压升高，酿酒酵母将合成并在胞内积累甘油以维持细胞内外的渗透压平衡；当在缺氧条件下生长时，酿酒酵母将合成并在胞内积累甘油以维持细胞的氧化还原平衡。存在于胞浆中的3-磷酸甘油脱氢酶，以NAD+为辅酶，催化磷酸二羟丙酮生成3-磷酸甘油，然后3-磷酸甘油磷酸酶催化3-磷酸甘油生成甘油。,1、甘油发酵的细胞保护机理：,磷酸二羟丙酮代替乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵。 C6H12O6 + NaHSO3 甘油 + 乙醛酸钠 + CO2,2、酵母型发酵：,酵母菌在碱性条件(pH7.6)
16、下，由于乙醛生成等量的乙酸和乙醇，因此乙醛作为氢受体的作用被抑制，这时磷酸二羟丙酮成为氢受体，发酵总产物为甘油、乙酸、乙醇。 2C6H12O6 + H2O 2甘油 + 乙酸 + 乙醇 + 2CO2,3、酵母型发酵：,4、发酵法生产甘油（二步法）,根据微生物机理将甘油发酵划分为前期的好氧发酵和后期厌氧发酵两个阶段： 以淀粉质为原料，酵母菌在含糖25%左右条件下先进行好氧发酵； 当残糖降至约2%时，停止供氧，补充营养，使耐高渗压酵母菌开始后期的厌氧发酵，进一步消耗残糖，生成酒精和少量甘油，从而避免了将产物甘油作为碳源消耗，使发酵液中的甘油浓度达12%以上，而残糖浓度降低到0.5%左右。,讨论：试从不同角度比较，通过哪一种途径发酵生产甘油更好？,第四节 乳酸发酵机制,分子结构中含有不对称碳原子，具有旋光性，分子量为90.08，粘稠状液体，无色，澄明，微具黄色，无嗅，味微酸，有较强吸湿性。可以与水、酒精和乙醚以任意比例混合。,
