第三章 发酵机制

第三节 甘油的合成机制
一、亚硫酸盐法甘油发酵(酵母第二型发酵) 菌种:酵母菌
合成条件:酒精发酵中加入亚硫酸氢钠可使乙醛生 成难溶的乙醛亚硫酸氢钠复合物,从而转变为甘 油发酵;
C6 H12O6 NaHSO4 C3 H8OH CH3CH OH）OSO2 Na CO2 （
二、碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)
柠檬酸对线粒体内顺乌头酸水合酶的合成有诱导作培养基细胞质线粒体葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰coa草酰乙酸顺乌头酸水合酶顺乌头酸水合酶a异柠檬酸专一的径异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶培养基中的葡萄糖类物质进入细胞质以后经糖酵解途径生成丙酮酸其中16二磷酸果糖激酶是调控酶
第三章 发酵机制
发酵机制:是指微生物通过其代谢活动,利用基质合 成人们所需要的产物的内在规律。 第一节 糖厌气性产物发酵机制 一、糖酵解途径的特点及调节机制: 1、糖酵解途径广泛存在于各种细胞中,它的任何一 个反应均不需要氧;
2、双歧途径:在没有氧化作用和脱氢作用下,2分子 葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛, 接着在磷酸甘油脱氢酶和乳酸脱氢酶参与下,3磷酸甘油醛转化为乳酸。
第五节 柠檬酸发酵机制
一、柠檬酸的生物合成途径 菌种:柠檬酸产生菌或黑曲霉; 总反应式: 2C6 H12O6 3O2 2C6 H8O7 4H2O 理论转化率:106.7%; 合成条件: (1)菌体有活性很强的柠檬酸合成酶; (2)有足够的底物来源(要有活性很强 的丙酮酸脱羧酶和催化CO2固定的酶) (3)顺乌头酸水合酶阻遏失活或很微 弱。
第二节 酒精发酵机制
一、酒精生成的机制 菌种:酵母菌、末端假单胞菌(包括林氏及噬糖假单 胞菌) 激活剂:无机磷化合物、AMP、ADP、 Mg2+ 、 K+ 、 TPP,1,6—二磷酸果糖; 抑制剂:柠檬酸、长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、 Ala;
C6 H12O6 2 ADP 2H3 PO4 2C2 H5OH 2CO2 2 ATP 104.6 kJ
B 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活性的一种反 馈调节方式。
C 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 制共同途径中第一个酶的活性,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。
D 增效反馈抑制 也叫合作反馈抑制,系指两种末端产物同时存在 时,可以起着比一种末端产物单独存在时大得多 的反馈抑制作用;
二、柠檬酸生物合成的代谢调节 1、第一个调节位点---磷酸果糖激酶(PFK);
反馈抑制剂:柠檬酸、长链脂肪酸、ATP、Ala、 NADH+H+;
激活剂:无机磷化合物、ADP、AMP、NH4+、 Mg2+、 NAD+; 当黑曲霉在缺Mn2+的培养基中培养时,可提高细胞 内NH4+浓度,PFK不受柠檬酸的抑制,柠檬酸增产; 2、第二个调节位点---柠檬酸合成酶; 菌种为革兰氏阴性菌:柠檬酸合成酶由四个亚单 位组成,受NADH+H+抑制; 菌种为革兰氏阳性菌:柠檬酸合成酶由两个亚单 位组成,受ATP反馈抑制;
2、降低反馈作用物的浓度 控制反馈作用物浓度能克服反馈抑制和阻遏,使 氨基酸的生物合成反应顺利进行。例如利用营 养缺陷型突变株进行氨基酸发酵必须限制最终 氨基酸的量,这样就将反馈作用物浓度控制在反 馈抑制的浓度之下。
3、消除终产物的反馈抑制与阻遏作用:是通过使用 抗氨基酸结构类似物突变株的方法来进行的;它 解除了氨基酸结构类似物对氨基酸合成途径中 关键酶活性的反馈抑制作用,终产物能大量积累。
二、异型乳酸发酵 1、6－磷酸葡萄糖酸途径
菌种:肠膜状明串珠菌、葡聚糖明串珠菌、甘露醇乳 杆菌、番茄乳杆菌、短乳杆菌等。
C6 H12O6 ADP H3 PO4 CH3CHOHCOOH CH 3CH 2OH ATP CO2
激活剂:无机磷化合物、ADP、Mg2+、K+、NAD+; 抑制剂:柠檬酸、长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、 Ala,NADH+H+; 理论转化率:90.05/180.1×100%=50% 实际收率:50%×95%=47.5% 若原料为戊糖,则同型乳酸发酵和异型乳酸发酵都 生成乳酸和醋酸。
酒精理论转化率:46.05×2/180.1=51.1% 但在生产中有5%的葡萄糖用于生成酵母菌体和 副产物,故实际转化率为:51.1×95%=48.5%
二、酒精发酵中副产物的生成 1、杂醇油的生成:杂醇油主要是由正丙醇、异丁醇、 异戊醇和活性戊醇(2-甲基-1-丁醇)组成。 (1)酒精发酵中高级醇形成途径: A、氨基酸氧化脱氨作用:亮氨酸产生异戊醇,缬氨 酸产生异丁醇,异亮氨酸产生活性戊醇等。
合成条件:在碱性(pH>7.6)条件下酵母进行发酵,所 生成的乙醛也不能作为受氢体,两个乙醛分子发 生歧化反应,相互氧化还原,生成等量的乙醇和乙 酸;这时,磷酸二羟丙酮又成为NADH+H+的受氢 体,总的产物为甘油、乙醇、乙酸和CO2。
2C6 H12O6 H2O 2C3 H8OH C2 H5OH CH3COOH 2CO2
第六节 氨基酸发酵机制
一、氨基酸发酵的代谢调控 1、控制旁路代谢 有些氨基酸发酵需要控制旁路代谢 来实现。例如,L-异亮氨酸的生物 合成途径是通过L-苏氨酸完成的,但是L-苏氨酸脱 氢酶受异亮氨酸的抑制,当异亮氨酸积累到某种 程度反应停止。为了打破这种调节机制,可采用 粘质赛杆菌以D－苏氨酸为底物进行发酵,D－苏 氨酸脱氢酶不受异亮氨酸的抑制,就可大量积累 异亮氨酸。
E 顺序反馈抑制 每个分枝产物抑制分枝后第一个酶,这种通过逐 步有顺序的抑制达到调节目的的方式,称为顺序 反馈抑制;
② 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
5、细胞透性和柠檬酸积累的关系 柠檬酸向细胞外分泌是一种主动运输过程,细胞 若经过处理后透性增大,可减少细胞内柠檬酸的 积累,降低细胞内柠檬酸的浓度, 避免反馈抑制; 三、乙醛酸循环和醋酸发酵柠檬酸 1958年Kornberg认为在黑曲霉中 存在异柠檬酸裂解酶,柠檬酸在由 顺乌头酸水合酶催化生成异柠檬酸 以后,能够被异柠檬酸裂解酶催化 生成乙醛酸和琥珀酸,乙醛酸和琥 珀酸都能够进一步生成苹果酸后再 生成草酰乙酸,这样保证了柠檬酸能顺利合成。
代谢途径的末端产物(即终产物)过量时,这个产物 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,避免终产物的过多 累积;
A 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;它们虽共存于一个个体 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,在分支代谢 途径中,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。
B、由葡萄糖直接生成: 酵母通过糖代谢生成的中间产物α-酮酸与活性 乙醛缩合,再经过还原、异构、脱水作用形成相 应的C原子较高的α-酮酸,它然后脱羧、加氨形 成少一个碳原子的高级醇;
CH3CH ( R)COCOOH CH 3CH (R)C (CH 2CO)COOH CH3CH 2 ( R)CH 2OHCH 2CH 3
第四节 乳酸发酵机制
乳酸发酵有同型乳酸发酵和异型乳酸发酵两种 一、同型乳酸发酵 菌种:乳酸链球菌、酪乳杆菌,保加利亚乳杆菌,德氏 乳杆菌等;
C6 H12O6 2 ADP 2H3 PO4 2CH3CHOHCOOH 2ATP 135.56kJ
激活剂:无机磷化合物、ADP、Mg2+、K+、NAD+; 抑制剂:柠檬酸、长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、 Ala,NADH+H+; 理论转化率:90.05×2/180.1=100% 实际收率:100%×95%=95% 在此乳酸脱氢酶有五种同功酶,即A4、A3B、A2 B2 、AB3 、B4 五种形式、各种酶都有特定的Km 值。
二、糖酵解中间产物(丙酮酸)的不同去路 1、在有氧条件下,丙酮酸进入线粒体,脱氢和脱羧生 成乙酰CoA,在TCA循环中脱氢,并氧化形成CO2和 H2O,糖酵解生成的NADH+H+经呼吸链将氢传递 给氧生成H2O。 2、在无氧条件下,丙酮酸有三种去向: (1)在乳酸菌中受乳酸脱氢酶作用,丙酮酸作为受氢 体被还原为乳酸; (2)在酵母菌中受丙酮酸脱羧酶作用丙酮酸脱羧生成 乙醛,再在乙醇脱氢酶作用下,乙醛为受氢体生成 乙醇; (3)在梭状杆菌中,丙酮酸脱羧生成乙酰CoA,然后经 一系列变化生成丁酰CoA、乙酰乙酰CoA,再进一 步被还原为丙酮、丁醇。
酶的调节分为酶活性调节和酶合成的调节
① 酶活性的调节 酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢 调节,它是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;
酶活性的激活是指在分解代谢途径中,后面的反
应可被前面的中间产物或添加物所促进;
酶活性的抑制:主要是反馈抑制,它主要表现在某
2、糖酵解一般可分为两个阶段: (1)由葡萄糖等六碳糖开始生成三碳糖(3--磷酸甘油 醛),消耗两个ATP;其中己糖激酶与磷酸果糖激酶 是别构调控酶,它们受能荷的控制; ATP、柠檬酸、 脂肪酸能加强抑制效应,而AMP、ADP、Mg2+或 无机磷可消除抑制,增强酶活性; (2)由三碳糖(3--磷酸甘油醛)开始生成丙酮酸,生成4 个ATP。其中丙酮酸激酶是一个别构调控 酶,Mg2+、K+及1,6－二磷酸果糖活化此酶,而长链 脂肪酸、乙酰CoA和Ala能抑制该酶活性; 3、糖酵解每一步都是由酶催化进行的; 4、其他糖类可转化为葡萄糖或糖酵解中间产物,再 生成丙酮酸。
培养基 细胞质 线粒体 葡萄糖→ → 葡萄糖→ →丙酮酸→ →丙酮酸 ↙ ↘ 乙酰CoA 草酰乙酸 ↓ ↙ ↑T 柠檬酸 ← ← ← 柠檬酸← ← ←← ←柠檬酸 ↑C 〒顺乌头酸水合酶↓顺乌头酸水合酶↑A 异柠檬酸← ← ← 异柠檬酸 ↑途 ↓对NAD+专一的 〒 对NADP+专一的↑径 ↓异柠檬酸脱氢酶↓异柠檬酸脱氢酶 ↑ α -酮戊二酸 → → → α -酮戊二酸→
培养基中的葡萄糖类物质进入细胞质以后,经糖
酵解途径生成丙酮酸,其中1,6－二磷酸果糖激酶 是调控酶; 丙酮酸进入线粒体脱羧生成乙酰CoA, 部分羧化生成草酰乙酸,二者缩合生成柠檬酸,进 入TCA循环;线粒体内顺乌头酸水合酶受柠檬酸 诱导,一部分柠檬酸生成异柠檬酸,另一部分柠檬 酸经细胞质(细胞质内顺乌头酸水合酶阻遏,柠檬 酸不能分解)到达细胞外;线粒体内对NADP+专一 的异柠檬酸脱氢酶受柠檬酸阻遏后异柠檬酸不 能分解而进入细胞质内,对NAD+专一的异柠檬酸 脱氢酶受柠檬酸激活,催化异柠檬酸水解生成α 酮戊二酸,α -酮戊二酸进入线粒体,经TCA循环生 成草酰乙酸,提供柠檬酸合成的原料来源;
3、第三个调节位点---异柠檬酸脱氢酶: 在线粒体内,异柠檬酸脱氢酶的辅酶是NADP+,柠 檬酸浓度增加,脱氢酶受抑制,异柠檬酸不能分解; 在细胞质内,异柠檬酸脱氢酶的辅酶是NAD+,脱氢 酶受柠檬酸、AMP、ADP激活,ATP抑制,柠檬酸 浓度增加,脱氢酶激活,异柠檬酸能分解; 4、第四个调节位点---顺乌头酸水合酶: 细胞质内顺乌头酸水合酶受Glu和α -酮戊二酸阻遏; 柠檬酸对线粒体内顺乌头酸水合酶的合成有诱导作 用。
C、正丙-丁酮酸,经 脱羧生成醛再还原生成正丙醇。
CH3CH 2CH ( NH 2 )COOH CH 3CH C ( NH 2 )COOH CH3CH 2COCOOH CH 3CH 2CH 2OH
(2)影响杂醇油形成的条件 A、菌种:选择杂醇油生成量少的菌种,如支链氨基 酸营养缺陷型突变菌株; B、培养基组成:选择含氮量高而分枝链氨基酸少的 培养基; C、发酵条件:发酵温度不宜过高,通风越低越好; 2、琥珀酸的生成:培养基中应降低谷氨酸的量。 3、酯类的生成:由于发酵产物中有醇类和酸类,因此 易反应生成酯类; 4、糠醛、甲醇的生成:糠醛是淀粉原料在高压高温 下蒸煮时,由糖脱水生成的;甲醇是原料中的果胶 质受果胶酯酶的水解生成的。