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文檔簡介
關于發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學第1頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第三章發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學第一節(jié)發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產物代謝第二節(jié)微生物代謝調節(jié)機制第三節(jié)糖代謝產物的發(fā)酵機制第四節(jié)氨基酸和核苷酸發(fā)酵機制第五節(jié)抗生素發(fā)酵機制第六節(jié)微生物發(fā)酵動力學第2頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月本章要求掌握初級與次級代謝的產物掌握微生物代謝調節(jié)的方式掌握酶活性被抑制的方式了解發(fā)酵產物的發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學第3頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產物初級代謝及產物
多糖、蛋白質、核酸和氨基酸等。次級代謝及產物抗生素、毒素、激素和色素等。對數生長期形成的產物是細胞自身生長所必需的,稱為初級代謝產物或中間代謝產物。各種次級代謝產物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產生的,來自于中間代謝產物和初級代謝產物。第4頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)代謝調節(jié)方式與機制一、調節(jié)方式代謝途徑區(qū)域化代謝流向的調控代謝速度的調控細胞透性的調節(jié)能荷調節(jié)酶量(粗調)酶活(細調)酶合成的誘導酶合成的阻遏酶活性的激活酶活性的抑制第5頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(一)代謝途徑區(qū)域化原核微生物細胞雖然沒有復雜的具有膜結構的細胞器,但也劃分出不同的區(qū)域,對于某一代謝途徑有關的酶系集中在某一區(qū)域,以保證這一代謝途徑酶促反應的順利進行,避免了其他途徑的干擾;真核微生物細胞里,各種酶系被細胞器隔離分布,使其代謝活動只能在特定的部位上進行,如與呼吸產能有關的酶系集中于線粒體內膜上,DNA合成的某些酶位于細胞核里。第6頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(二)代謝流向的調控微生物在不同條件下可以通過控制各代謝途徑中某個酶促反應的速率來控制代謝物的流向,從而保持機體代謝的平衡。1、由一個關鍵酶控制的可逆反應同一個酶可以通過不同的輔基(或輔酶)控制代謝物的流向;谷氨酸脫氫酶+NADP+
催化谷氨酸的合成谷氨酸脫氫酶+NAD+
催化谷氨酸的分解第7頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、由兩種酶控制的逆單向反應在生物體代謝的關鍵部位的某些反應,是由兩種不同的酶來催化的。即在一個“可逆”反應中,其中一個酶催化正反應,另一種酶則催化逆反應。如:葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖+H2O葡萄糖+Pi己糖激酶6-磷酸葡萄糖酯酶微生物體內利用兩種完全不同的酶,能十分精確地控制正反應和逆反應。(二)代謝流向的調控第8頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(三)代謝速度的調控1、酶合成的調節(jié)(粗調)
通過酶量的變化來控制代謝的速率。從本質上看,酶合成的調節(jié)是在基因表達水平上起作用的。①酶合成的誘導(inductionofenzymesynthesis)協同誘導:一種誘導劑可以同時誘導產生若干種酶的現象。順序誘導:一種誘導劑誘導產生的酶的反應產物可繼續(xù)誘導產生下一個酶,這種連續(xù)誘導產生一系列酶的現象稱為順序誘導。第9頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月②酶合成的阻遏(repressionofenzymesynthesis)終點產物反饋阻遏:合成代謝過程中,相關酶的合成被過量終點產物所阻遏。分解代謝物阻遏:可被組成酶快速利用的基質,阻遏了分解難利用基質的酶的合成。1、酶合成的調節(jié)(粗調)如:二次生長現象。在啟動序列上游有兩個位點,RNA聚合酶的結合位點和cAMP-CAP結合位點。當沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時,形成cAMP-CAP
,該復合物結合在啟動序列后,RNA聚合酶才能與啟動序列結合,酶的合成才能開始;當葡萄糖存在時,葡萄糖降解物抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性,導致cAMP濃度降低,cAMP與CAP的結合受阻,CAP不能被活化而無法結合至啟動子,導致RNA聚合酶無法與啟動序列結合,因此乳糖操縱子表達下降。
第10頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月③酶合成調節(jié)的遺傳機制:操縱子學說1、酶合成的調節(jié)(粗調)乳糖操縱子操縱子是指基因組DNA分子的一個片段,這個片斷由啟動子、調節(jié)基因、操縱基因和結構基因組成。誘導型操縱子:效應物存在導致基因表達。阻遏型操縱子:效應物存在導致基因表達的關閉。第11頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第12頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月PRPOzya半乳糖苷酶半乳糖苷滲透酶半乳糖苷轉乙酰基酶乳糖操縱子的誘導機制第13頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、酶活性的調節(jié)(細調)
一定數量的酶,通過其分子構象或分子結構的改變來調節(jié)其催化反應的速率。酶活調節(jié)的影響因素包括:底物和產物的性質和濃度、壓力、pH、離子強度、輔助因子以及其他酶的存在等等。特點是反應快速。①酶活性的激活(activation)前體激活:代謝途徑中后面的酶促反應,可被該途徑中較前面的一個中間產物所促進。代謝中間產物的反饋激活:代謝中間產物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用。第14頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、酶活性的調節(jié)(細調)②酶活性的抑制(inhibition):大多是反饋抑制A.無分支代謝途徑的調節(jié):通常是在線形的代謝途徑中末端產物對催化第一步反應的酶活性有抑制作用。ABCDX
Ea
Eb
Ec
抑制第15頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月B.有分支代謝途徑的調節(jié):在有兩種或兩種以上的末端產物的分支代謝途徑中,調節(jié)方式較為復雜。分述如下:2、酶活性的調節(jié)(細調)酶的順序反饋抑制ABC
EaDEYFGZ
Eb
Ec抑制抑制抑制兩個末端產物,不能直接抑制途徑中的第一個酶Ea,而是分別抑制分支點后的Eb和Ec,造成中間產物C的積累,高濃度的C再反饋抑制Ea。第16頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月同工酶的反饋抑制途徑中的第一個反應(AB)被兩個不同的酶所催化,一個酶被Y抑制,另一個酶被Z抑制。只有當Y和Z同時過量才能完全阻止A轉變?yōu)锽。另兩個控制點(CD),(CF),分別受Y或Z的抑制。同工酶是能催化同一生化反應,但它們的結構稍有不同,可分別被相應的末端產物抑制的一類酶。ABC
E2DEYFGZE1E3E4抑制抑制抑制抑制第17頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月協同反饋抑制末端產物Y和Z單獨過量,對途徑中第一個酶E1無抑制作用,只有Y和Z同時過量,才能對E1具有抑制作用。另兩個控制點的酶E2和E3分別被Y和Z所抑制。ABC
E1DEYFGZE3E2抑制抑制抑制第18頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月累積反饋抑制末端產物Y和Z單獨過量時,各自對途徑中第一個酶E1僅產生較小的抑制作用,一種末端產物過量并不影響其他末端產物的形成。只有當Y和Z同時過量,才能對E1產生較大的抑制作用。ABC
E1DEYFGZ40%30%58%第19頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月超相加反饋抑制末端產物Y和Z單獨過量時,各自對途徑中第一個酶E1僅產生較小的抑制作用,一種末端產物過量并不影響其他末端產物的形成。當Y和Z同時過量,對E1產生的抑制作用則超過各種末端產物單獨過量時的抑制的總和。ABC
E1DEYFGZ15%20%90%第20頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月②酶活性調節(jié)的分子機制主要有兩種理論解釋:別構調節(jié)理論(酶分子構象的改變)酶分子的化學修飾理論(酶分子結構的改變)別構酶除了具有與底物結合的催化中心外,還具有與調節(jié)劑結合的調節(jié)中心。當酶與調節(jié)劑以非共價鍵結合后,酶蛋白的構象發(fā)生變化,引起催化中心改變,從而引起酶活性的變化。酶的共價修飾是酶蛋白在修飾酶催化下,可與某些物質發(fā)生共價鍵的結合或解離,從而導致調節(jié)酶的活化或抑制,以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化(高活性)和去磷酸化(低活性)。第21頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(四)細胞透性的調節(jié)細胞質膜的透性直接影響物質的吸收和代謝產物的分泌,從而影響到細胞內代謝的變化。第22頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月對利用ATP的途徑(合成代謝)的酶活性或形成ATP的途徑(分解代謝)的酶活性的調節(jié)。(五)能荷調節(jié)第23頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月二、微生物代謝調控機制微生物在正常情況下,通過細胞內的自我調節(jié),維持各個代謝途徑的相互協調,使其代謝產物既不缺少又不會過多的積累。而人類利用微生物進行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產物,因此對微生物的代謝必須進行人工控制。一、積累代謝產物的有效措施(一)反饋抑制作用的解除:實質是使代謝途徑中的關鍵酶(別構酶)的調節(jié)亞基的結構基因發(fā)生突變,使末端產物或其類似物不再與別構中心結合,從而解除反饋抑制,積累末端產物;第24頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(二)反饋阻遏作用的解除:實質是使調節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變,使調節(jié)蛋白改變或不發(fā)生,調節(jié)蛋白不再與末端產物相結合,或結合后的復合物不能同操縱基因結合,從而解除了末端產物對酶合成的阻遏;(三)遺傳障礙:使某酶蛋白結構基因突變,使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改變,可以解除末端產物對途徑中的第一個酶的反饋抑制,積累中間產物;(四)使細胞膜透性增大:如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型,通過控制甘油或生物素或油酸濃度以控制細胞膜的透性,使胞內代謝產物外漏,緩解反饋抑制或阻遏作用。第25頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月二、人工控制微生物代謝的手段(一)生物合成途徑的遺傳控制1、代謝缺陷型菌株2、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸3、產物降解酶缺失突變株4、細胞膜組分的缺失突變代謝調節(jié)控制育種通過特定突變型的選育,達到改變代謝通路、降低支路代謝總產物的產生或切斷代謝途徑及提高細胞膜的透性,使代謝流向目的產物積累方向進行。第26頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月1、代謝缺陷型菌株直線型合成途徑中的營養(yǎng)缺陷型突變株,這類菌株不能積累末端產物,只能積累中間產物;在分支代謝途徑中,可利用營養(yǎng)缺陷型來合成某種末端產物。第27頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、抗代謝類似物的突變菌株菌體通常需要各種代謝物如維生素、氨基酸等合成菌體需要的成分,如果有與代謝物結構相似的物質(即抗代謝物)存在,則可能產生兩種結果:抗代謝物和代謝物競爭同一個酶,使代謝物不能進一步合成菌體需要的成分;抗代謝物代替代謝物合成生理上無活性的化合物。通過誘變篩選出對抗代謝物相對應的代謝物不敏感,因此可以解除代謝物的反饋抑制作用。第28頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月AspAsp-PAsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例:黃色短桿菌抗α-氨基-β-羥基戊酸(AHV)菌株能積累蘇氨酸AK1和HSDH的調節(jié)亞基的結構基因突變,不能與蘇氨酸的結構類似物(AHV)結合,當然也不會同蘇氨酸結合,所以能解除蘇氨酸對AK1和HSDH的反饋抑制,因而積累蘇氨酸。Asp:天門冬氨酸;Asp-P:天門冬氨酰磷酸;Asa:天門冬氨酸半醛;Hse:高絲氨酸;Thr:蘇氨酸;Met:甲硫氨酸;Lys:賴氨酸;AK:天門冬氨酸激酶;HSDH:高絲氨酸脫氫酶第29頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月3、產物降解酶缺失突變株有的代謝產物由于相應降解酶的存在而在發(fā)酵液中不能穩(wěn)定存在,因此可通過誘變獲得缺乏降解產物的酶的菌株使發(fā)酵單位提高。將誘變處理后的菌種接種到完全培養(yǎng)基上,生成的菌落再以影印法分別接種到含葡萄糖培養(yǎng)基和以產物作為唯一碳源的培養(yǎng)基上。在后一種培養(yǎng)基上不能生長的菌落就是缺乏產物降解酶的變異株。第30頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月4、細胞膜組分的缺失突變以前經常提到反饋抑制和反饋阻遏,都是由于末端產物的濃度過高引起的。利用細胞膜組分的缺失突變使細胞膜的透性增大,可使代謝產物易于分泌到胞外,從而達到解除末端產物抑制或阻遏的目的。第31頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月例1:谷氨酸棒桿菌(生物素缺陷型)生產谷氨酸PEPPyrAcCoAOAAα
kgGluMalPCPEP:磷酸烯醇式丙酮酸;Pyr:丙酮酸;AcCoA:乙酰輔酶A;OAA:草酰乙酸;α
kg:α-酮戊二酸;Glu:谷氨酸;Mal:蘋果酸;PC:丙酮酸羧化酶生物素是丙酮酸羧化酶的輔酶,生物素在低于亞適濃度之前,增加生物素有利于丙酮酸的羧化產生草酰乙酸,進而有利于谷氨酸的合成;生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰輔酶A羧化酶的輔酶,該酶催化乙酰輔酶A羧化生成丙二酸單酰輔酶A,再經一系列轉化合成脂肪酸,而脂肪酸又是構成細胞膜磷脂的主要成分,因此生物素可間接地影響細胞膜的透性。生物素對谷氨酸合成的影響第32頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月例2:溶烷棒桿菌GL-21(甘油缺陷型)生產谷氨酸磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油磷酯PGDH該菌株的α-磷酸甘油脫氫酶(PGDH)缺失,因此不能正常合成α-磷酸甘油和磷酯。影響了細胞膜結構的合成而使得細胞膜透性增大,有利于谷氨酸在菌體外積累。第33頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(二)微生物發(fā)酵條件的控制當菌株確定后,環(huán)境條件合適與否是發(fā)酵成敗的重要因素,環(huán)境條件既影響微生物的生長,又影響代謝的速度和方向及產物的形成和積累。主要的有溫度、pH、氧氣含量、離子濃度等多種因素(見第六章)。第34頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)糖代謝產物的發(fā)酵機制一、厭氧發(fā)酵代謝產物發(fā)酵機制葡萄糖在微生物細胞中進行厭氧分解時,通過EMP(糖酵解途徑)、HMP(磷酸戊糖途徑)、ED(2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑)及PK(磷酸酮解酶途徑)和HK(磷酸己糖解酮酶途徑)形成多種中間代謝產物,進一步轉化形成不同的發(fā)酵產物。第35頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月由表可見,在微生物細胞中,有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖,有的只有一種。在某一具體條件下,擁有多條途徑的某種微生物究竟經何種途徑代謝,對發(fā)酵產物影響很大。葡萄糖三條降解途徑在不同微生物中的分布菌名EMP(%)HMP(%)ED(%)釀酒酵母8812—產朊假絲酵母66~8119~34—灰色鏈霉菌973—產黃青霉7723—大腸桿菌7228—銅綠假單胞菌—2971嗜糖假單胞菌——100枯草桿菌7426—氧化葡萄糖桿菌—100—真養(yǎng)產堿菌——100運動發(fā)酵單胞菌——100藤黃八疊球菌7030—第36頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月分解代謝起源中間代謝產物在生物合成中的作用葡萄糖半乳糖多糖EMP途徑HMP途徑HMP途徑EMP途徑EMP途徑ED途徑EMP途徑三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧脂肪氧化葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A核苷糖類戊糖多糖貯藏物核苷酸脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖異生CO2固定胞壁酸合成糖的運輸丙氨酸纈氨酸亮氨酸CO2固定絲氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸賴氨酸天冬氨酸賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸脂肪酸類異戊二烯甾醇第37頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月
C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶1、酵母菌的乙醇發(fā)酵(Ⅰ型發(fā)酵)※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。(一)酵母菌發(fā)酵(通過EMP途徑進行)第38頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、酵母菌的Ⅱ型發(fā)酵★當培養(yǎng)基中加入適量NaHSO3,酵母的乙醇發(fā)酵會轉變?yōu)楦视桶l(fā)酵。原因:該條件下NaHSO3與乙醛結合成難溶的復合物磺化羥基乙醛,乙醛不能作為受氫體,迫使磷酸二羥丙酮擔任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油,后者經-磷酸甘油酯酶催化,生成甘油。結果:形成大量甘油和少量乙醇。第39頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、酵母菌的Ⅱ型發(fā)酵丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉(pH7)Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵(磺化羥基乙醛)酵母菌的二型發(fā)酵第40頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月★當發(fā)酵液處在弱堿性(pH7.6)條件下,酵母的乙醇發(fā)酵也會改為甘油發(fā)酵。原因:微堿性條件下乙醛因得不到足夠的氫而積累,結果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應,生成1分子乙醇和1分子乙酸;CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+
此時也由磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成-磷酸甘油,后者經-磷酸甘油酯酶催化,生成甘油。這種發(fā)酵方式不產生能量,只在非生長情況下進行。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO23、酵母菌的Ⅲ型發(fā)酵第41頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月3.酵母菌的Ⅲ型發(fā)酵丙酮酸CO22個乙醛H不足乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵酵母菌的三型發(fā)酵(pH7.6
)乙酸+第42頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月概念:有氧條件下,發(fā)酵作用受抑制的現象(或氧對發(fā)酵的抑制現象)。意義:合理利用能源通風對酵母代謝的影響通風(有氧呼吸)缺氧(發(fā)酵)酒精生成量耗糖量/單位時間細胞的繁殖低(接近零)少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(Pasteureffect)現象:第43頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月巴斯德效應(Pasteureffect)機理巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時發(fā)現:厭氧條件下酵母菌進行酒精發(fā)酵,葡萄糖的消耗速度很快;而在有氧條件下,酵母菌進行呼吸作用,脫氫產生的NADH進入電子傳遞鏈產生大量ATP,而不能用于乙醛的還原,這樣乙醇的產量就會降低。同時由于ATP濃度的升高,抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性,從而葡萄糖的利用也降低,糖的消耗速度較低,酒精產量也降低。呼吸抑制發(fā)酵作用的的現象巴斯德效應的本質是能荷調節(jié)第44頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(二)細菌的乙醇發(fā)酵葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種:運動發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌等途徑:ED第45頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月利用Z.mobilis等細菌生產酒精優(yōu)點:代謝速率高;產物轉化率高;菌體生成少代謝副產物少;發(fā)酵溫度高;不必定期供氧。缺點:pH5較易染菌;耐乙醇能力(7%)較酵母(8-10%)低。第46頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(三)乳酸菌發(fā)酵乳酸細菌是一群能利用葡萄糖及其他相應的可發(fā)酵的糖產生乳酸的細菌的統(tǒng)稱,產生乳酸的過程稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同,代謝途徑不同,生成的產物有所不同,將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵:(經EMP途徑)異型乳酸發(fā)酵:(經HMP途徑)雙歧桿菌發(fā)酵:(經HK途徑—磷酸己糖酮解酶途徑)菌種包括:乳桿菌屬(Lactobacillus)、鏈球菌屬(Streptococcus)、明串珠菌屬(Leuconostoc)、片球菌屬(Pediococcus)、和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)。第47頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸)2乳酸
2丙酮酸1、同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPStreptococcuslactis(乳鏈球菌)Lactobacilluscasei(乳酸乳桿菌)Lactobacillusdelbruckii(德氏乳桿菌)
第48頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月2、異型乳酸發(fā)酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2一些異型發(fā)酵乳酸桿菌例如Leuconostocmesenteroides(腸膜明串珠菌等,因缺乏EMP途徑中的若干重要酶——醛縮酶和異構酶,因此其葡萄糖的降解依賴HMP途徑。第49頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第50頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月磷酸己糖解酮酶途徑HK
2葡萄糖
2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途徑同EMP乙酸激酶3、雙歧發(fā)酵第51頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(四)混合酸發(fā)酵概念:埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產物,由于代謝產物中含有多種有機酸,故將其稱為混合酸發(fā)酵。葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2
乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.2產氣產酸第52頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月(五)2,3-丁二醇發(fā)酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇-乙酰乳酸二乙酰3-羥基丁酮
2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念:腸桿菌、沙雷氏菌和歐文氏菌屬中的一些細菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。EMP第53頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月二、好氧發(fā)酵代謝產物的發(fā)酵機制(一)檸檬酸1874年首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結晶成固體;1913年首次實現利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。1953年,Jagnnathan等證實了黑曲霉中存在EMP途徑的所有酶;1954年,Shu提出葡萄糖分解代謝中約80%走EMP途徑;1958年,MeDomough等發(fā)現黑曲霉還存在HMP途徑的酶,但HMP途徑主要存在于孢子形成階段;1954-1955年,Ramakrishman和Martin研究發(fā)現黑曲霉中存在三羧酸循環(huán);第54頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月淀粉葡萄糖6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖磷酸丙糖磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸乙酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸α-酮戊二酸琥珀酸富馬酸CO2Fe2+CO2CO21檸檬酸生物合成途徑檸檬酸合成酶①①:丙酮酸羧化酶;②:順烏頭酸水合酶②異檸檬酸脫氫酶第55頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月①Mn抑制蛋白合成NH4解除磷酸果糖激酶的代謝調節(jié),促進EMP途徑的暢通有一條呼吸活力強的不產生ATP的側系呼吸鏈②由于丙酮酸羧化酶是組成型酶,不被調節(jié)控制。2+﹢缺乏2、檸檬酸生物合成的代謝調節(jié)第56頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月③丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA和CO2固定兩個反應的平衡,以及檸檬酸合成酶不被調節(jié),增強了合成檸檬酸的能力。
④由于順烏頭酸水合酶在催化時建立了以下平衡:檸檬酸:順烏頭酸:異檸檬酸=90:3:7
同時控制Fe2+含量時,順烏頭酸酶活力降低,使檸檬酸積累。
當銅離子0.3mg/L,鐵離子2mg/L和pH2.0情況下,順烏頭酸水合酶、NAD和NADP-異檸檬酸脫氫酶均不出現活力,發(fā)酵中檸檬酸正是在這個pH條件下積累的。
第57頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月⑤隨著檸檬酸積累,pH降低到一定程度時,使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活,更有利于檸檬酸的積累及排出細胞外。第58頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)氨基酸和核酸的發(fā)酵機制一、氨基酸發(fā)酵機制1EMP途徑、HMP途徑
谷氨酸生產菌存在著兩種代謝途徑:EMP、HMP;EMP/HMP=10/90。2TCA、DCA和CO2固定作用
a.TCA環(huán)(三羧酸循環(huán))
b.DCA環(huán)(乙醛酸循環(huán))
c.CO2固定
PEP+CO2+GDP
草酰乙酸+GDP
CO2
丙酮酸
蘋果酸
草酰乙酸
CO2
NAD+NADH+H+PEP羧化酶蘋果酸酶蘋果酸脫氫酶第59頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月3、氨的導入
①α-酮戊二酸還原氨基化→谷氨酸
氨的導入有三種方式
③谷氨酸合成酶途徑二細胞膜通透性控制
①α-酮戊二酸脫氫酶活性極低或缺失
③細胞膜對谷氨酸的通透性高
②由天冬氨酸或丙酮酸通過氨基轉移,將氨基轉給α-酮戊二酸②谷氨酸脫氫酶活性很高,不被低濃度的谷氨酸抑制谷氨酸生產菌的主要生化特點第60頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖6-磷酸葡萄糖NADPH2乙酰輔酶A6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核糖3-磷酸甘油醛果糖-1,6-二磷酸蘋果酸③丙酮酸CO2異檸檬酸CO2②草酰乙酸順烏頭酸CO2乳酸NAD+NADH2⑨檸檬酸NADP+CO2NADH2⑧NAD+草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸谷氨酸NADPH2NADP+⑤NADP+NADPH2④乙醛酸乙酰輔酶ACO2⑥CO2⑦葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑EMP途徑HMP途徑TCA循環(huán)乙醛酸循環(huán)谷氨酸發(fā)酵機制天冬氨酸磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶第61頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月D-蘇氨酸L-蘇氨酸α-酮基丁酸L-異亮氨酸L-蘇氨酸脫氫酶反饋抑制D-蘇氨酸脫氫酶分支鏈氨基酸發(fā)酵:異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸第62頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-γ-半醛N-乙酰鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精氨酸負反饋控制N-乙酰谷氨酸激酶Arg-Cit
-降低反饋作用物的濃度鳥氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機制第63頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖5-磷酸核糖ATPADPMg2+,HPO42-PRPP合成酶磷酸核糖焦磷酸(PRPP)谷氨酰胺+H2O谷氨酸+HP2O73-5-磷酸核糖酸(PRA)Mg2+GAR合成酶甘氨酸ATPADP+Pi甘氨酰胺核苷酸(GAR)N10-甲酰THFAH2OTHFA甲酰甘氨酰胺核苷酸(FGAR)磷酸核糖甘氨酰胺轉甲酰酶GlnH2OGLUADPATP+Pi甲酰甘氨咪核苷酸(FGAM)Mg2+K+ATPADP+Pi5-氨基咪唑核苷酸(AIR)CO2AIR羧化酶5-氨基-4-甲酸咪唑核苷酸(CAIR)5-氨基-4-(N-琥珀基)甲酰胺核苷酸(CAIR)ASPATPADP+PiMg2+SAICAR合成酶延胡索酸腺苷酸琥珀酸裂解酶5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸(AICAR)5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸(FAICAR)N10-甲酰THFAH2OIMP環(huán)化脫水酶次黃嘌呤核苷酸(IMP)THFAPRPP轉酰胺酶GMP、IMPAMP、GDP、ADP核苷酸發(fā)酵第64頁,課件共78頁,創(chuàng)作于2023年2月IMP腺苷琥珀酸(SAMP)SAMP裂解酶延胡索酸AMPSAMP合成酶GDP+PiGTP+天冬氨酸黃嘌呤核苷-磷酸(XMP)
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