微生物的代谢调控理论及其在食品发酵中的应用.pptx
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发酵调控PPT课件
6、选育△-6脱氢酶活力强的突变株 △-6脱氢酶是生物合成r-亚麻酸关键酶之一。其活性高低直接与r-亚麻酸含量的高低密切有关，可采用选育呼吸缺陷型相反的方法，即呼吸增强型，通过诱变后菌株涂在含有TTC的一种无色的氧化还原剂的生长培养基上，若△-6脱氢酶强，即可将TTC还原成红色的物质，红色越强，表明菌体细胞内△-6脱氢酶越强，r-亚麻酸的积累量也就越多。
三、产物降解酶缺失突变株
为了使产物在发酵液中稳定地存在，以提高发酵单位，可通过诱变获得缺乏降解产物酶的突变株，其方法是诱变处理后，如图所示：
四、增加前体物的合成
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成，有利于目的产物的大量积累。
（一）选育抗代谢类似物的突变株（Analogue Resistance Mutant）
通常微生物生长需要各种代谢物。如维生素、嘌呤、氨基酸等。在正常情况下，代谢终产物如氨基酸A过量存在时，就会抑制或阻遏它自身生物合成酶。同时也能整合到蛋白质中去。只有当氨基酸A 浓度足够高时，A与调节酶的调节部位或调节基因编码的阻遏蛋白结合，产生反馈抑制或阻遏作用。当细胞中的A参与蛋白质合成，而使细胞中A的浓度下降到一定程度时，A就会从调节酶的调节部位或阻遏蛋白上脱落下来，从而解除反馈调节，又重新可以合成新的A。当A的浓度再次上升到一定值时，反馈调节再次发生…….。
(二)高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
图3-9 高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
1、出发菌株 多采用被孢霉（Mortierella）毛霉（Mucor）红酵母（Rhodotorula）小克银汉霉（Cunninghamella）等产油脂高的真菌作出发菌株。
2、切断或减弱支路代 a-亚麻酸-、花生四烯酸-、二十碳五烯酸- 花生四烯酸L、二十碳五烯酸L
三、产物降解酶缺失突变株
为了使产物在发酵液中稳定地存在，以提高发酵单位，可通过诱变获得缺乏降解产物酶的突变株，其方法是诱变处理后，如图所示：
四、增加前体物的合成
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成，有利于目的产物的大量积累。
（一）选育抗代谢类似物的突变株（Analogue Resistance Mutant）
通常微生物生长需要各种代谢物。如维生素、嘌呤、氨基酸等。在正常情况下，代谢终产物如氨基酸A过量存在时，就会抑制或阻遏它自身生物合成酶。同时也能整合到蛋白质中去。只有当氨基酸A 浓度足够高时，A与调节酶的调节部位或调节基因编码的阻遏蛋白结合，产生反馈抑制或阻遏作用。当细胞中的A参与蛋白质合成，而使细胞中A的浓度下降到一定程度时，A就会从调节酶的调节部位或阻遏蛋白上脱落下来，从而解除反馈调节，又重新可以合成新的A。当A的浓度再次上升到一定值时，反馈调节再次发生…….。
(二)高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
图3-9 高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
1、出发菌株 多采用被孢霉（Mortierella）毛霉（Mucor）红酵母（Rhodotorula）小克银汉霉（Cunninghamella）等产油脂高的真菌作出发菌株。
2、切断或减弱支路代 a-亚麻酸-、花生四烯酸-、二十碳五烯酸- 花生四烯酸L、二十碳五烯酸L
第四节微生物的代谢调节与发酵生产ppt课件
• 使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反响抑制。 • 1. 用生理学手段—— 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 • 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； • 控制生物素的含量可改动细胞膜的成分，进而改动膜透性； • 当培育液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； • 2. 利用膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型 • 用谷氨酸消费菌的油酸缺陷型； • 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易呵
在微生物的长期进化过程中，在每种微生物的基因组上， 虽然潜在着合成各种分解酶的才干，但是除了一部分是属于 经常以较高浓度存在的“常规部队〞即组成酶(constitutive enzyme)外，大量的都是属于只需当其分解底物或有关诱导物 存在时才会合成的“机动部队〞即诱导酶(induced enzyme或 inducible enzyme)。
二、代谢调理在发酵工业中的运用
工业发酵的目的是大量积累人们所需求的微生物代 ห้องสมุดไป่ตู้产物。
在发酵工业中，调理微生物生命活动的方法很多，包括 生理程度、代谢途径程度和基因调控程度上的各种调理。 代谢调理是指在代谢途径程度上对酶活性和酶合成的调理， 目的是使微生物累积更多的为人类所需的有益代谢产物。 以下举3类经过调理初生代谢途径而提高发酵消费效率的 实例。
〔一〕运用营养缺陷型菌株解除正常的反响调理的
1. 赖氨酸发酵
2.肌苷酸发酵
〔二〕运用抗反响调理的突变株解除反响调理
★抗反响控制突变株——是 指对反响抑制不敏感或对阻 遏有抗性，或两者兼有之的 菌株。 ★抗反响控制突变株可以从 终产物构造类似物抗性突变 株和营养缺陷性回复突变株 中获得。
〔三〕控制细胞膜浸透性
据估计，诱导酶的总量约占细胞总蛋白质含量的10%。经过 代谢调理，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足 本人生长、繁衍所需求的一切中间代谢物，并做到既不缺乏、 也不剩余或浪费任何代谢物的高效“经济核算〞。
在微生物的长期进化过程中，在每种微生物的基因组上， 虽然潜在着合成各种分解酶的才干，但是除了一部分是属于 经常以较高浓度存在的“常规部队〞即组成酶(constitutive enzyme)外，大量的都是属于只需当其分解底物或有关诱导物 存在时才会合成的“机动部队〞即诱导酶(induced enzyme或 inducible enzyme)。
二、代谢调理在发酵工业中的运用
工业发酵的目的是大量积累人们所需求的微生物代 ห้องสมุดไป่ตู้产物。
在发酵工业中，调理微生物生命活动的方法很多，包括 生理程度、代谢途径程度和基因调控程度上的各种调理。 代谢调理是指在代谢途径程度上对酶活性和酶合成的调理， 目的是使微生物累积更多的为人类所需的有益代谢产物。 以下举3类经过调理初生代谢途径而提高发酵消费效率的 实例。
〔一〕运用营养缺陷型菌株解除正常的反响调理的
1. 赖氨酸发酵
2.肌苷酸发酵
〔二〕运用抗反响调理的突变株解除反响调理
★抗反响控制突变株——是 指对反响抑制不敏感或对阻 遏有抗性，或两者兼有之的 菌株。 ★抗反响控制突变株可以从 终产物构造类似物抗性突变 株和营养缺陷性回复突变株 中获得。
〔三〕控制细胞膜浸透性
据估计，诱导酶的总量约占细胞总蛋白质含量的10%。经过 代谢调理，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足 本人生长、繁衍所需求的一切中间代谢物，并做到既不缺乏、 也不剩余或浪费任何代谢物的高效“经济核算〞。
《微生物的代谢调节》PPT课件
分布
线粒体 胞液
内质网、胞液 内质网 细胞核
精选ppt
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多酶体系 蛋白质合成 多种水解酶 尿素合成 血红素合成
分布 内质网、胞液
溶酶体 线粒体、胞液 线粒体、胞液
• 酶的隔离分布的意义 —— 避免了各种代谢途径互相干扰。
精选ppt
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•代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速 度及方向由其中的关键酶决定 。 •关键酶催化的反应具有以下特点：
在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及 神经递质对靶细胞直接发生影响，或通过某些激素 的分泌来调节某些细胞的代谢及功能，并通过各种 激素的互相协调而对机体精选代ppt谢进行综合调节。 10
• 体内调节可发生在不同的层次上，一般分 为三种类型：
• 1．细胞水平的调节---通过对细胞内 酶的调节来实现。
• 代谢途径有关酶类常常组成多酶体系，分布于 细胞的某一区域 。
精选ppt
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多酶体系在细胞内的分布
多酶体系 三羧酸循环 氧化磷酸化
糖酵解 磷酸戊糖途径
糖异生 糖原合成
分布 线粒体 线粒体 胞液 胞液 胞液 胞液
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多酶体系
脂酸 氧化 脂酸合成 胆固醇合成 磷脂合成 DNA、RNA合成
• 酶量变化的调节
• 细胞内酶的浓度的改变也可以改变代谢 速度。其中主要是对基因表达的调节， 活化基因则合成相应的酶，酶量增加； 钝化基因则基因关闭，停止酶的合成， 酶量降低。这种调节方式为迟缓调节， 所需时间较长，但作用时间持久
精选ppt
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细胞结构对代谢途径的分割控制
精选ppt
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（一）细胞内酶的隔离分布
• 2．激素水平的调节---协调不同细胞、 组织与器官之间的代谢。
代谢调节与发酵工程ppt课件
要想控制发酵，使其按人的意志转 移，目前还不能完全办到。 因影响发酵的因素实在太多。 有些因素还是未知的，且其主要影 响因素也会变化。
发酵条件的影响及其控制
因此了解发酵工艺条件对过程的影 响和掌握菌的生理代谢和过程变化 的规律，可以帮助人们有效地控制 微生物的生长和生产。
发酵条件的影响及其控制
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种 的特性和发酵条件(包括培养基)。为此， 了解生产菌种与环境条件，如培养基、 罐温、pH、氧的供需等的相互作用，菌 的生长生理，代谢规律和产物合成的代 谢调控机制将会使发酵的控制从感性到 理性认识的转化。
代谢工程
• 代谢工程（metabolic engineering），又 称途径工程，是由美国学者 Bailey J E (1991)首先提出[8]。他把代谢工程定义为， 用重组 DNA 技术操纵细胞的酶运输和调 节 功 能 来 改 进 细 胞 的 活 性 。 Stephanopoulos等认为，代谢工程是一种 提高菌体生物量或代谢物产量的理性化 方法。
代谢工程
• 代谢工程的要素是将分析方法运用 于与物流的定量化，用分子生物技 术来控制物流以实现所需的遗传改 造。
微生物次级代谢与调节
• 次级代谢产物是某些微生物在生命 循环的某一个阶段产生的物质，它 们一般是在产生菌生长中止后合成 的。微生物产生的次级代谢物有抗 生素、毒素、色素和生物碱等。
微生物次级代谢的特征
• 次级代谢产物一般不在产生菌的生长期 产生，而在随后的生产期形成。 • 种类繁多，含有不寻常的化学键，如氨 基糖、苯醌、香豆素、环氧化合物、麦 角生物碱、吲哚衍生物、吩嗪、吡咯、 喹啉、萜烯、四环类抗生素等。 • 一种菌可以产生结构相近的一簇抗生素。 例如，产黄青霉能产生至少10个具有不 同特性的青霉素。
发酵条件的影响及其控制
因此了解发酵工艺条件对过程的影 响和掌握菌的生理代谢和过程变化 的规律，可以帮助人们有效地控制 微生物的生长和生产。
发酵条件的影响及其控制
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种 的特性和发酵条件(包括培养基)。为此， 了解生产菌种与环境条件，如培养基、 罐温、pH、氧的供需等的相互作用，菌 的生长生理，代谢规律和产物合成的代 谢调控机制将会使发酵的控制从感性到 理性认识的转化。
代谢工程
• 代谢工程（metabolic engineering），又 称途径工程，是由美国学者 Bailey J E (1991)首先提出[8]。他把代谢工程定义为， 用重组 DNA 技术操纵细胞的酶运输和调 节 功 能 来 改 进 细 胞 的 活 性 。 Stephanopoulos等认为，代谢工程是一种 提高菌体生物量或代谢物产量的理性化 方法。
代谢工程
• 代谢工程的要素是将分析方法运用 于与物流的定量化，用分子生物技 术来控制物流以实现所需的遗传改 造。
微生物次级代谢与调节
• 次级代谢产物是某些微生物在生命 循环的某一个阶段产生的物质，它 们一般是在产生菌生长中止后合成 的。微生物产生的次级代谢物有抗 生素、毒素、色素和生物碱等。
微生物次级代谢的特征
• 次级代谢产物一般不在产生菌的生长期 产生，而在随后的生产期形成。 • 种类繁多，含有不寻常的化学键，如氨 基糖、苯醌、香豆素、环氧化合物、麦 角生物碱、吲哚衍生物、吩嗪、吡咯、 喹啉、萜烯、四环类抗生素等。 • 一种菌可以产生结构相近的一簇抗生素。 例如，产黄青霉能产生至少10个具有不 同特性的青霉素。
《微生物代谢调控》PPT课件
失副生产物生物合成完途整版径课件中ppt的某个酶）
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选育生产代谢拮抗物菌株
• 代谢拮抗物：与代谢产物结构相似，同样能与阻 遏物以及变构酶相结合，可是它们往往不能代替 正常的氨基酸而合成为蛋白质，它们在细胞中的 浓度不会降低，因此与阻遏物以及变构酶的结合 是不可逆的。这就使得有关的酶不可逆地停止了 合成，或是酶的催化作用不可逆地被抑制。
如：温度敏感性突变 抑制性突变 链霉素依赖性突变 低温敏感性突变 ……
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3
温度敏感突变株
• 温度敏感突变株：在正常培养温度下，菌体生
长良好，当温度提高到一定程度时（如30℃提高 到40℃），停止生长，而只产酸的菌株。
• 典型应用：谷氨酸发酵
谷氨酸敏感突变株的突变位置是发生在决定与
谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜结构的基因上，
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正亮氨酸积累机制
Nle来自Nva，是Met 生物合成的假反馈控制剂
，添加Met，可回复生长 ，积累Nle。
通过选育自我抗性，即
赋予Nle抗性，可以育出 在不添加Met的培养基中 生产Nle的菌株。
在该抗性菌株中，蛋氨
酸合成酶已被去阻方法：提取法、化学合成法、发酵法 发酵法：添加前体发酵、直接发酵法 直接发酵法：借助微生物具有合成自身所需氨基酸
氨酸产生菌细胞膜允许谷氨酸从细胞内渗透到细胞外。
• 谷氨酸温度敏感突变株发酵：仅需通过转换培养温度就可
以完成谷氨酸生产菌由生长型细胞向产酸型细胞的转变，避免
了因原料影响而造成产酸不稳定的现象，且发酵稳定，发酵周
期短，设备利用率高。另外生物素可以大过量，从而强化二氧
化碳固定反应，提高糖酸转化率
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02微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用
☆别构酶：也称变构酶，它是代谢过程 中的关键酶。通过效应物（调节物） 和酶的别构中心的结合来调节其活性， 从而调节酶反应速度和代谢过程。
变 构 调 节
☆多功能酶：一般是指在结构上只有 一条多肽链，但具有两种或两种以 上的催化活力或结合功能的蛋白质。
3
反馈调节
• 反馈调节主要是指代谢过程的中间产 物，或终产物对于代谢早期阶段上关 键酶的抑制作用。 • 微生物通过反馈调节作用，按照自身 的要求来改变自己的代谢。
葡萄糖 ↓ 丙酮酸 ↓ 丙氨酸←天冬氨酸→→→赖氨酸
在乳糖发酵短杆菌中赖氨酸、丙氨酸的 生物合成途径及其调节
◆丙酮酸和天冬氨酸是赖氨酸和丙氨酸生 物合成中共用的前体物。 ◆虽然丙氨酸并不抑制赖氨酸的生物合成， 但是丙氨酸的形成意味着赖氨酸前体物丙 酮酸和天冬氨酸的减少。 ◆因此育成丙氨酸缺陷型，切断丙氨酸的 生物合成，就会提高赖氨酸的产量。
⑴切断了生物合成苏氨酸和蛋氨酸的支路 代谢，使天冬氨酸半醛这一中间产物全 部转入赖氨酸的合成; ⑵通过限量添加高丝氨酸，可使蛋氨酸、 苏氨酸生成有限，因而解除了苏氨酸、 赖氨酸对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制， 使赖氨酸得以积累。
例3
鸟氨酸发酵
• 利用营养缺陷型菌株发酵生产中间产 物，如可以利用谷氨酸棒杆菌的瓜氨 酸营养缺陷型（缺少转氨甲酰酶）进 行发酵大量累积鸟氨酸。
所谓代谢控制发酵，就是人为地 在DNA分子水平上改变和控制微生物 的代谢活动，使目的产物大量生成、 积累。
★ 改变微生物代谢调节的方法：
☆采用物理化学诱变，获得营养缺 陷型，这是氨基酸生产菌育种的 最有效的方法。
营养缺陷型：指某菌种失去合成某种物 质的能力，即合成途径中某一步发生突 变，使合成反应不能完成，最终产物不 能积累到引起反馈调节的浓度，从而有 利于中间产物或另一分支途径的末端产 物得以积累。
(推荐)《微生物代谢的调节》PPT课件
次级代谢：某些生物为避免在初级代谢过 程中某些中间产物积累所造成不利作用而 产生的一类有利于生存的代谢类型。
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次级代谢产物
热原质 毒素与侵袭性酶 细菌素 色素 抗生素 维生素
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热原质
能引起机体发热的物质。 分为内源性热原质（机体自身产生）和外
源性热原质（内毒素、外毒素、G-的外膜 成分等）。 在250℃下作用30min或180 ℃下作用4hr， 或强酸强碱强氧化剂30min才能破坏热原质 或使其致热效应消失。 注射液、生物制品、抗生素以及输液用的 蒸馏水均不能含有热原质。
发酵作用：在厌氧条件下，以有机物为基 质并以其中间降解产物为氢和电子受体的 氧化过程。
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（三）微生物的物质代谢
1．微生物的分解代谢： 微生物在生命活动中，能将复杂的大分子物质
分解为小分子的可溶性物质，并有能量转变过程， 这种物质转变称为分解代谢。大多数微生物都能分 解糖和蛋白质，少数微生物能分解脂类。 2．微生物的合成代谢 微生物的细胞物质主要是由蛋白质、核酸、碳 水化合物和类脂等组成。合成这些大分子有机化合 物需要大量能量和原料。能量来自营养物质的分解， 至于原料，可以是微生物从外界吸收的小分子化合 物，但更多的是从营养物质分解中获得。微生物种 类很多，合成途径也比较复杂和多种多样。下一页
12
糖的分解
糖类是异养微生物的主要碳素来源和 能量来源，包括各种多糖、双糖和单糖。 多糖必须在细胞外由相应的胞外酶水解， 才能被吸收利用；双糖和单糖被微生物吸 收后，立即进入分解途径，被降解成简单 的含碳化合物，同时释放能量，供应细胞 合成所需的碳源和能源。
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蛋白质及氨基酸的分解
细菌分解蛋白质的酶有两类，一类为蛋白酶， 另一类为肽酶，前者为胞外酶，能将蛋白质分解为 多肽和二肽。肽类可进入微生物细胞中，肽酶为胞 内酶，将进入细胞内的肽水解为游离的氨基酸，供 菌体利用。
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次级代谢产物
热原质 毒素与侵袭性酶 细菌素 色素 抗生素 维生素
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热原质
能引起机体发热的物质。 分为内源性热原质（机体自身产生）和外
源性热原质（内毒素、外毒素、G-的外膜 成分等）。 在250℃下作用30min或180 ℃下作用4hr， 或强酸强碱强氧化剂30min才能破坏热原质 或使其致热效应消失。 注射液、生物制品、抗生素以及输液用的 蒸馏水均不能含有热原质。
发酵作用：在厌氧条件下，以有机物为基 质并以其中间降解产物为氢和电子受体的 氧化过程。
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（三）微生物的物质代谢
1．微生物的分解代谢： 微生物在生命活动中，能将复杂的大分子物质
分解为小分子的可溶性物质，并有能量转变过程， 这种物质转变称为分解代谢。大多数微生物都能分 解糖和蛋白质，少数微生物能分解脂类。 2．微生物的合成代谢 微生物的细胞物质主要是由蛋白质、核酸、碳 水化合物和类脂等组成。合成这些大分子有机化合 物需要大量能量和原料。能量来自营养物质的分解， 至于原料，可以是微生物从外界吸收的小分子化合 物，但更多的是从营养物质分解中获得。微生物种 类很多，合成途径也比较复杂和多种多样。下一页
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糖的分解
糖类是异养微生物的主要碳素来源和 能量来源，包括各种多糖、双糖和单糖。 多糖必须在细胞外由相应的胞外酶水解， 才能被吸收利用；双糖和单糖被微生物吸 收后，立即进入分解途径，被降解成简单 的含碳化合物，同时释放能量，供应细胞 合成所需的碳源和能源。
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蛋白质及氨基酸的分解
细菌分解蛋白质的酶有两类，一类为蛋白酶， 另一类为肽酶，前者为胞外酶，能将蛋白质分解为 多肽和二肽。肽类可进入微生物细胞中，肽酶为胞 内酶，将进入细胞内的肽水解为游离的氨基酸，供 菌体利用。
微生物的代谢调控理论
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。 • 凡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，则称为阻遏。
酶合成调节与酶活性调节的比较
• 与调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合 成（即产酶量）而实现代谢调节的方式是一类 较间接而缓慢的调节方式。 • 其优点则是通过阻止酶的过量合成，有利于节 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。
• 操纵子分两类: • 一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一 种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转 译出大量诱导酶，出现诱导现象。 • 另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物 （一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻 遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去阻 遏作用才能启动。
• 效应物 • 是一类低分子量的信号物质（如糖类及 其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括 诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节 蛋白相结合以使后者发生变构作用，并 进一步提高或降低与操纵基因的结合能 力。
• （三）多功能酶：分子组成只有一条多 肽链，但具有两种或两种以上催化活力 的酶。
• 一个终产物的过量，在使共同途径第一步反应 受到部分抑制的同时，分支途径第一步反应也 受到抑制，使代谢沿着其他分支进行。因此， 一个产物的过量不致干扰其他产物的生成。
第二节 微生物代谢的协调作用
一、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 性的激活和抑制两个方面。
一、发酵工艺条件的控制
关于微生物的代谢及其调控课件
33
（13）其他一些复杂化合物的降解
前面所述的各种降解途径均是由染色体 DNA 编码的。 近来发现在恶臭假单胞菌和一些相关的种的微生物细胞 中含有降解性质粒，它们包含某些特殊的降解代谢的酶 （酶系）合成的遗传信息。
首先发现的是编码樟脑降解酶系的质粒，后来还发现恶 臭假单胞菌的烷烃氧化作用，受正辛烷质粒的控制，这 个质粒为可诱导的烷烃羟化酶和伯醇脱氢酶编码，而染 色体DNA则为用于伯醇、脂肪醛和脂肪酸降解的组成 型的氧化酶编码。
芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨 酸、奎尼酸等）。大多先被转变成儿茶酚（ 邻 苯二酚 ）和原儿茶酸（3，4-二羟苯甲酸）。
儿茶酚和原儿茶酸再经邻位分解 （ 3- 氧代己酸 途径 ） 降解成SCA和AcCoA； 或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途径） 降成PYR和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶酸可 称为芳香族化合物分解的“中心代谢物”。
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。
木糖转化成木酮糖再生成 Xu-5-P进入 HMP途径
来苏糖转化成 Xu-5-P进入PP环
23
（4）己糖醛酸的降解
果胶酸经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再进一
步转化成 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。 葡萄糖醛酸 果糖醛酸 甘露糖醛酸 转化成KDPG 经ED途径代谢 木糖醛酸 葡萄糖酸 经磷酸化生成 6-P-GA进入HMP途径
纤维素酶包括Cx酶（内切β-1,4键）、C1酶（外 切β-1,4键）及Cb酶（ β-1,4葡萄糖苷酶）等组分。
纤维素经Cx酶处理产物为纤维糊精和纤维寡糖， 经C1酶处理产物为葡萄糖和纤维二糖，经Cb酶处 理产物为葡萄糖
（13）其他一些复杂化合物的降解
前面所述的各种降解途径均是由染色体 DNA 编码的。 近来发现在恶臭假单胞菌和一些相关的种的微生物细胞 中含有降解性质粒，它们包含某些特殊的降解代谢的酶 （酶系）合成的遗传信息。
首先发现的是编码樟脑降解酶系的质粒，后来还发现恶 臭假单胞菌的烷烃氧化作用，受正辛烷质粒的控制，这 个质粒为可诱导的烷烃羟化酶和伯醇脱氢酶编码，而染 色体DNA则为用于伯醇、脂肪醛和脂肪酸降解的组成 型的氧化酶编码。
芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨 酸、奎尼酸等）。大多先被转变成儿茶酚（ 邻 苯二酚 ）和原儿茶酸（3，4-二羟苯甲酸）。
儿茶酚和原儿茶酸再经邻位分解 （ 3- 氧代己酸 途径 ） 降解成SCA和AcCoA； 或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途径） 降成PYR和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶酸可 称为芳香族化合物分解的“中心代谢物”。
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。
木糖转化成木酮糖再生成 Xu-5-P进入 HMP途径
来苏糖转化成 Xu-5-P进入PP环
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（4）己糖醛酸的降解
果胶酸经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再进一
步转化成 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。 葡萄糖醛酸 果糖醛酸 甘露糖醛酸 转化成KDPG 经ED途径代谢 木糖醛酸 葡萄糖酸 经磷酸化生成 6-P-GA进入HMP途径
纤维素酶包括Cx酶（内切β-1,4键）、C1酶（外 切β-1,4键）及Cb酶（ β-1,4葡萄糖苷酶）等组分。
纤维素经Cx酶处理产物为纤维糊精和纤维寡糖， 经C1酶处理产物为葡萄糖和纤维二糖，经Cb酶处 理产物为葡萄糖
3第三章微生物的代谢调控理论及其在食品发酵与酿造中的应用(精)
第一步反应的酶，5-磷 酸核糖-1-焦磷酸(PRPP) 的酰胺基转移酶，可被 各种嘌呤核苷酸产物(如 AMP、GMP)所抑制。例 如，一定量的GMP或 AMP仅能抑制5-磷酸核 糖-1-焦磷酸酰胺基转移 酶活力的10％，而当二 者混合时，则可抑制其 酶活力的50％。因为这 些嘌呤核苷酸与5-磷酸 核糖-1-焦磷酸并无结构 相似性，又因该酶是一 种调节酶，GMP和AMP 可能分别结合在该酶的 不同部位上。
（2） 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。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
（3）合作反馈抑制
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。
2.1 无分支代谢途径的调节
无分支代谢途径的调节通常是在线形的代谢途径 中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。 例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合成异亮氨 酸(IIeu)时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步反应 的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用。
2.2 有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代 谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分 支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时 每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑 制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种：
一、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
酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应 可被较前面的中间产物所促进 酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代 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
（2） 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。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
（3）合作反馈抑制
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。
2.1 无分支代谢途径的调节
无分支代谢途径的调节通常是在线形的代谢途径 中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。 例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合成异亮氨 酸(IIeu)时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步反应 的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用。
2.2 有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代 谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分 支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时 每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑 制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种：
一、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
酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应 可被较前面的中间产物所促进 酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代 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
微生物的代谢调控理论及其在食品发酵与酿造中的应用
▪ 与微生物代谢调节有关的酶有同功酶、 别构酶、多功能酶。
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同工酶的定义：（一）同功酶
指具有不同分子结构但催化相同反应的一组酶。 每组同工酶中各种酶的异同： 相同点：催化相同的化学反应,大多数是寡聚酶。
不同点：体外：理化性质 体内：催化特性、分布的部位、生物学功能
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（一）同工酶
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17
（二）别 构 酶
使酶活性升高的变构叫正变构，此时的变 构剂叫正变构剂(正调节物)；
使酶活性降低的变构叫负变构，此时的变 构剂叫负变构剂(负调节物)。
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18
变构酶的特点：
已知的变构酶都是寡聚酶。
变构酶分子上除了活性中心外，还有调节中 心。这两个中心处在酶蛋白的不同部位，有 的在不同的亚基上，有的在同一亚基上。 变构酶的 v-[S] 的关系不符合米氏方程，所以 其曲线不是双曲线型。
②举例： 氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。
③特征： 不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的。
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6
3.次级代谢产物
①定义： 微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分 复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是 微生物生长和繁殖所必需的物质。
②举例： 抗生素、毒素、激素、色素等。
例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合成异亮氨 酸(IIeu)时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步 反应的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用。
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2.2 有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代 谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分 支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时 每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑 制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种：（1） 同工酶调节；（2）协同反馈抑制；（3）合作反馈 抑制；（4）累积反馈抑制；（5）顺序反馈抑制
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同工酶的定义：（一）同功酶
指具有不同分子结构但催化相同反应的一组酶。 每组同工酶中各种酶的异同： 相同点：催化相同的化学反应,大多数是寡聚酶。
不同点：体外：理化性质 体内：催化特性、分布的部位、生物学功能
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（一）同工酶
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（二）别 构 酶
使酶活性升高的变构叫正变构，此时的变 构剂叫正变构剂(正调节物)；
使酶活性降低的变构叫负变构，此时的变 构剂叫负变构剂(负调节物)。
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变构酶的特点：
已知的变构酶都是寡聚酶。
变构酶分子上除了活性中心外，还有调节中 心。这两个中心处在酶蛋白的不同部位，有 的在不同的亚基上，有的在同一亚基上。 变构酶的 v-[S] 的关系不符合米氏方程，所以 其曲线不是双曲线型。
②举例： 氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。
③特征： 不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的。
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3.次级代谢产物
①定义： 微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分 复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是 微生物生长和繁殖所必需的物质。
②举例： 抗生素、毒素、激素、色素等。
例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合成异亮氨 酸(IIeu)时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步 反应的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用。
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2.2 有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代 谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分 支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时 每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑 制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种：（1） 同工酶调节；（2）协同反馈抑制；（3）合作反馈 抑制；（4）累积反馈抑制；（5）顺序反馈抑制
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生长繁殖 是否必需 产生阶段
菌种特异性
分布 位置
初级代谢 产物 是
始终产生 无
细胞内
次级代谢 产物 否
生长到一定阶段后产生 有
细胞内或细胞外
种类
氨基酸、核苷酸、 多糖、脂类、维生 素等
激素、毒素、 色素、抗生素
❖ 生物体内的新陈代谢是靠生物催化剂——酶来催化。
❖ 酶是推动生物体内全部代谢活动的工具。
❖ 由于酶作用的专一性，每一种化学反应都有特殊的酶 参与反应。每种特殊的酶都有其调节机制。它们使错 综复杂的新陈代谢过程成为高度协调的、高度整合在 一起的化学反应网络。
二、与代谢调节有关的酶
1、同工酶
❖能催化同一种化学反应，但酶蛋白的分子结构不 同的一组酶，存在于生物的同一种属或同一个体 的不同组织中，甚至是同一组织或细胞中。
❖ 代谢控制发酵：就是人为地在DNA分子水平上改 变和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生 成、积累。
按代谢产物在机体中作用不同分类
❖ 初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活 动所必需的代谢物的代谢类型；合成的产物称为 初级代谢产物，包括：氨基酸、核苷酸等。
❖ 次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必 需的代谢类型；合成的产物称为次级代谢产物， 包括：抗生素、色素、激素、生物碱等。
初级代谢产物和次级代谢产物的不同
——协同反馈抑制 ——合作反馈抑制 ——积累反馈抑制 ——顺序反馈抑制
1、协同反馈抑制
❖ 是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。
2、合作反馈抑制
❖ 又称增效反馈抑制，是指两种末端产物同时存在时 可以起到比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。
90%
3、积累反馈抑制
❖ 每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同 途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时 它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协 同效应，亦无拮抗作用。
4、顺序反馈抑制
❖ 一种终产物的积累，导致前面一中间产物的积累， 通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成 终止。
新陈代谢
分解代谢 (catabolism) 合成代谢 (anabolism)
复杂分子 （有机物）
分解代谢 合成代谢
简单小分子 + ATP + [H]
❖ 分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶 系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP） 形式的能量和还原力的作用，即异化作用。
❖ 合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单 小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂 的大分子的过程，即同化作用。
四、能荷调节
❖ 细胞内ATP、ADP、AMP之间的比例实际上是在 不断的变动的，细胞通过改变这三者的比例来调节 其代谢活动，称为能荷调节或腺苷酸调节。
❖ 调节形成ATP的分解代谢酶类活性，也调节利用 ATP的生物合成酶类的活性。
第三节
代谢调控在食品发酵中的应用
一、发酵工艺条件的控制 二、菌种遗传特性的调控 三、控制细胞膜的渗透性
2、别构酶
❖ 又称变构酶，具有变构作用（别构作用）的酶称为别 构酶。迄今所有已知的别构酶都是寡聚酶，即含有两 个或两个以上的亚基。
❖ 特点：多亚基、两中心（活性中心、调节中心）。 ❖ 调节中心——结合调节因子或效应物。 ❖ 活性中心——结合底物。 ❖ 活性中心和调节中心是通过构象的变化而相互联系的。
❖ 同一种物质，其分解代谢和合成代谢途径一般是不 相同的。他们并不是简单的可逆反应，而往往是通 过不同的中间反应或不同的酶来实现的。这样可以 使生物体增加体内化学反应的数量，并使其对代谢 活动的调控具有更大的灵活性和应变能力。
❖ 生物机体的分解代谢和合成代谢不只是采取不同的 途径，甚至同一种物质的两种过程是在细胞的不同 部位进行（蛋白质、核酸等）。
❖ 乳糖操纵子模型。
二、分解代谢物调节
分解代谢物阻遏作用
❖细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源） 存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用 慢的底物的有关酶合成的现象。
❖ 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源 而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄 糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利 用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖生长，从而出现二次生长曲线。
第三章 微生物的代谢调 控理论及其在食品发酵中 的应用
本章内容
❖ 微生物代谢调节的基本概念和相关的酶 ❖ 微生物的代谢调控作用 ❖ 代谢调控在食品发酵中的应用
第一节
微生物代谢调节的基本概念和 相关的酶
一、新陈代谢
二、与代谢调节有关的酶
一、新陈代谢
❖ 新陈代谢：简称代谢，是营养物质在生物体内所 经历的一切化学变化的总称。
三、反馈调节
❖ 反馈调节是指代谢过程的中间产物或终产 物对代谢过程早期阶段的关键酶的反馈抑 制作用。
❖ 抑制酶的活性称为反馈抑制；抑制酶的合 成称为反馈阻遏。
（一）反 馈 阻 遏
❖ 乳糖操纵子——酶合成的诱导 ❖ 色氨酸操纵子——酶合成的阻遏
——通过辅阻遏物来进行调节
（二）反 馈 抑 制
❖ 分类：
蛋白激酶A的激活
3、多功能酶
❖ 指在结构上只有一个多肽链，但具有两 种或两种以上的催化活力或结合功能的 蛋白质。
第二节 微生物的代谢调控作用
一、诱导作用 二、分解代谢物调节 三、反馈调节 四、能荷调节
酶的调节
酶合成的调节 酶活性的调节
1、酶合成的调节：大肠杆菌对葡萄糖和乳糖的利用 差异。
微生物 细胞中 的酶
酶合成的调节和酶活性的调节的比较
酶合成的调节
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
酶活性的调节
调节对象 诱导酶的合成
酶的活性
调节机制 对基因表达 的调控
特点
较慢
以反馈的方式调节 反应过程
快速、精细
意义
避免物质和能 量的浪费
避免代谢产物的积累
一、诱导作用
❖ 微生物在诱导物的作用下，产生诱导酶 从而实现对某些物质的分解和利用的现 象称为诱导作用。
组成酶——细胞中始终存在的酶 基因处于打开状态
诱导酶——环境中某种物质诱导下产生的酶 基因有条件的表达
2、酶活性的调节
通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率。
代谢产物和酶结合，致使 酶的结构发生改变。但这种 变化是可逆的，当代谢产物 和酶脱离后，酶结构就会复 原，又恢复原有活性。
意义：微生物细胞内一般不 会积累大量的代谢产物。