甘油发酵的代谢与调控

丙酮酸
乙醛
乙醇
乙酸
NADH+H+
a-磷酸甘油 NAD+
甘油
展望
• 关于HOG途径对细胞生理功能的影响极其作 用机制的探索是一个重要的研究方向。 • 通过定点突变或其他分子生物学方法研究N 端氨基酸残基的功能将进一步揭示GPD基因 的生理功能。 • 在借鉴酿酒酵母研究基础上，开展非酿酒 酵母，特别是工业应用酵母如产甘油假丝 酵母的CgGPD基因结构与特殊功能及其催化 机理之间的关系
• 由于酿酒酵母细胞缺乏转运酶活力，胞质 中的NAD+/NADH无法穿过线粒体膜，所以 为了维持胞内氧化还原平衡，还原性辅酶 必须在相应的区室内重新氧化成NAD+。因 此当酵母细胞处于厌氧环境中时通过诱导 GPD2和GPP1表达由DHAP到G3P的生化反应 促使细胞合成甘油消耗NADH成为调节胞内 氧化还原平衡的最主要且最重要的方式之 一。
• 某些调控因子能够对已经磷酸化的HOG1进 行去磷酸化，从而也会降低GPD基因的表达， 细胞的甘油合成能力随之下降，同时胞内 过量的甘油也通过甘油通道蛋白迅速输送 到胞外，从而控制胞内甘油水平。因此， 细胞通过HOG信号途径能够精确调控自身甘 油合成能力和积累水平。
• 实际上甘油发酵过程中，仍有一些乙醇生 成，因为亚硫酸氢钠不能加入太多，否则 会使酵母中毒而导致发酵终止。因此，未 被亚硫酸氢钠结合的部分乙醛还可以转化 为乙醇。同时，酵母进行第二类发酵未能 获得能量，必须依靠部分酒精发酵以获得 能量。
甘油合成参与细胞厌氧条件下的氧 化还原调节
• 无论是有氧还是无氧环境中，酿酒酵母为 了维持正常的生理代谢和生长繁殖必须保 持胞内的氧化还原势处于平衡状态。一般 而言，胞内氧化还原势主要由NAD+/NADH 和NADP+/NADPH来决定，但由于前者所占 比重要高于后者。在酿酒酵母中，超过200 的代谢反应都需要这些辅酶的参与，因此 这些辅酶在细胞中发挥着重要的功能。
• 当ห้องสมุดไป่ตู้母在碱性（PH7.6）条件下进行发酵， 所生成的乙醛不能作为受氢体，两个乙醛 分子起歧化反应，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+受氢体，总的产物为甘油、乙 醇、乙酸和CO2。
2ATP 2ADP
3-磷酸甘油醛
NAD+ 葡萄糖→→→ 1,6二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮 NADH+H+
• 现今能用于发酵甘油生产的菌种主要是： 酿酒酵母、耐高渗压酵母。
在酵母中，乙醇脱氢酶活力很强，在该酶的作用下， 乙醛作为受氢体而被还原成乙醇。因此在乙醇发酵 中，甘油的生产量很少。如果改变发酵条件或加入 某种抑制剂，阻止乙醛作为受氢体，就可以积累大 量的甘油。例如： O OH C H + NaHSO3 C OH CH3 OSO2Na CH3 这样使乙醛不能作为受氢体，必须由磷酸二羟丙酮 作为受氢体，生成大量甘油，即转为甘油发酵，也 叫做酵母的第二型发酵。
• 细胞通过HOG信号途径能够精确调控自身甘 油合成能力和积累水平来应对外界环境渗 透压的改变。主要表现在两个方面，一 ,GPD1是极其典型的HOG途径的靶基因， GPD1基因的表达能够使细胞过量合成并积 累甘油。另一方面，HOG在细胞中的持续激 活会使细胞生长受损甚至致死，因此细胞 同时拥有下调HOG活性的调控机。
甘油发酵的代谢与调控
• 甘油又称丙三醇，它作为一种重要的化工 原料广泛地应用于化学、医药、食品、化 妆品、烟草等工业中。就其工业化生产而 言，我国目前主要由化工合成、油脂水解 液或肥皂液提取法，及以淀粉、糖类或农 副产品为原料经微生物作用的发酵法。发 酵法以其原料来源丰富、设备要求简单等 因素而具有广阔的前景。
2ATP
NaHSO3
2ADP
3-磷酸甘油醛 2ATP 2ADP 丙酮酸
CO2
乙醛 乙醛HSO3
NAD+
葡萄糖→→→ 1,6二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮
NADH+H+
乙醇
a-磷酸甘油 H2O
甘油
NADH+H+
NAD+
高渗环境中的酵母胞内渗透压的调节
• 当酵母细胞处于渗透压胁迫状态时，GPD1 和GPP2在短时间内诱导表达，促使代谢流 迅速转向甘油合成途径并大量在胞内积累 以平衡外界渗透压，从而保护细胞免受渗 透脱水的损伤。当GPD1基因缺失后，突变 株表现出渗透压极为敏感，在高渗透压培 养环境中不能正常生长，同时细胞的甘油 合成能力显著下降。而GPD2基因的缺失对 细胞的耐渗透压能力和渗透压胁迫条件下 的甘油合成能力没有显著影响。
• 甘油的合成，作为葡萄糖代谢的一个重要 的分支途径，还受到许多其它胞内代谢中 间产物的影响，比如ATP,ADP,NAD+和1,6-二 磷酸果糖等。代谢控制分析研究发现，当 胞内ATP/ADP升高5倍时，流向甘油的碳代 谢流量减少10﹪，而当期比率由1.72下降至 0.85时流向甘油的碳代谢流量增长约10﹪， 有趣的是，当NAD+/NADH下降同样的幅度 时，通向甘油的代谢流量仅提高1﹪。
MAKP信号转导途径
• 酿酒酵母像其他真菌、植物和动物等真核 生物一样拥有典型的有丝分裂原激活蛋白 激酶（MAPK）信号转导途径，目前所知的 酵母细胞MAPK途径中存在至少5种MAPK级 联体系，主要包括信息素应答途径、单倍 体侵袭和二倍体假菌丝形成途径、细胞完 整性途径、HOG途径和孢子形成途径。