微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應(yīng)用

第三章微生物的代謝調(diào)控實(shí)際及其在食品發(fā)酵中的運(yùn)用微生物代謝調(diào)理的根本概念和相關(guān)的酶微生物的代謝調(diào)控作用代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的運(yùn)用本章內(nèi)容微生物代謝調(diào)理的根本概念和相關(guān)的酶第一節(jié)一、新陳代謝

二、與代謝調(diào)理有關(guān)的酶一、新陳代謝新陳代謝：簡(jiǎn)稱代謝，是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所閱歷的一切化學(xué)變化的總稱。新陳代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子〔有機(jī)物〕分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]++分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子經(jīng)過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸〔ATP〕方式的能量和復(fù)原力的作用，即異化作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP方式的能量和復(fù)原力一同合成復(fù)雜的大分子的過程，即同化作用。同一種物質(zhì)，其分解代謝和合成代謝途徑普通是不一樣的。他們并不是簡(jiǎn)單的可逆反響，而往往是經(jīng)過不同的中間反響或不同的酶來實(shí)現(xiàn)的。這樣可以使生物體添加體內(nèi)化學(xué)反響的數(shù)量，并使其對(duì)代謝活動(dòng)的調(diào)控具有更大的靈敏性和應(yīng)變才干。生物機(jī)體的分解代謝和合成代謝不只是采取不同的途徑，甚至同一種物質(zhì)的兩種過程是在細(xì)胞的不同部位進(jìn)展〔蛋白質(zhì)、核酸等〕。按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分類初級(jí)代謝：提供能量、前體、構(gòu)造物質(zhì)等生命活動(dòng)所必需的代謝物的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物，包括：氨基酸、核苷酸等。次級(jí)代謝：在一定生長(zhǎng)階段出現(xiàn)非生命活動(dòng)所必需的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，包括：抗生素、色素、激素、生物堿等。初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物的不同初級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物生長(zhǎng)繁殖是否必需

是

否產(chǎn)生階段

始終產(chǎn)生

生長(zhǎng)到一定階段后產(chǎn)生菌種特異性

無

有分布

位置

細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外

種類

氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等

激素、毒素、色素、抗生素生物體內(nèi)的新陳代謝是靠生物催化劑——酶來催化。酶是推進(jìn)生物體內(nèi)全部代謝活動(dòng)的工具。由于酶作用的專注性，每一種化學(xué)反響都有特殊的酶參與反響。每種特殊的酶都有其調(diào)理機(jī)制。它們使錯(cuò)綜復(fù)雜的新陳代謝過程成為高度協(xié)調(diào)的、高度整合在一同的化學(xué)反響網(wǎng)絡(luò)。二、與代謝調(diào)理有關(guān)的酶1、同工酶能催化同一種化學(xué)反響，但酶蛋白的分子構(gòu)造不同的一組酶，存在于生物的同一種屬或同一個(gè)體的不同組織中，甚至是同一組織或細(xì)胞中。2、別構(gòu)酶又稱變構(gòu)酶，具有變構(gòu)作用〔別構(gòu)作用〕的酶稱為別構(gòu)酶。迄今一切知的別構(gòu)酶都是寡聚酶，即含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的亞基。特點(diǎn)：多亞基、兩中心〔活性中心、調(diào)理中心〕。調(diào)理中心——結(jié)合調(diào)理因子或效應(yīng)物?；钚灾行摹Y(jié)合底物?；钚灾行暮驼{(diào)理中心是經(jīng)過構(gòu)象的變化而相互聯(lián)絡(luò)的。蛋白激酶A的激活3、多功能酶指在構(gòu)造上只需一個(gè)多肽鏈，但具有兩種或兩種以上的催化活力或結(jié)合功能的蛋白質(zhì)。第二節(jié)微生物的代謝調(diào)控作用一、誘導(dǎo)作用二、分解代謝物調(diào)理三、反響調(diào)理四、能荷調(diào)理酶的調(diào)理酶合成的調(diào)理酶活性的調(diào)理微生物細(xì)胞中的酶組成酶——細(xì)胞中一直存在的酶誘導(dǎo)酶——環(huán)境中某種物質(zhì)誘導(dǎo)下產(chǎn)生的酶1、酶合成的調(diào)理：大腸桿菌對(duì)葡萄糖和乳糖的利用差別?；蛱幱诜_形狀基因有條件的表達(dá)2、酶活性的調(diào)理經(jīng)過改動(dòng)已有酶的催化活性來調(diào)理代謝的速率。代謝產(chǎn)物和酶結(jié)合，致使酶的構(gòu)造發(fā)生改動(dòng)。但這種變化是可逆的，當(dāng)代謝產(chǎn)物和酶脫離后，酶構(gòu)培育會(huì)復(fù)原，又恢復(fù)原有活性。意義：微生物細(xì)胞內(nèi)普通不會(huì)積累大量的代謝產(chǎn)物。酶合成的調(diào)理和酶活性的調(diào)理的比較酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)機(jī)制特點(diǎn)意義誘導(dǎo)酶的合成酶的活性對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控以反響的方式調(diào)理反響過程較慢快速、精細(xì)防止物質(zhì)和能量的浪費(fèi)防止代謝產(chǎn)物的積累一、誘導(dǎo)作用微生物在誘導(dǎo)物的作用下，產(chǎn)生誘導(dǎo)酶從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物質(zhì)的分解和利用的景象稱為誘導(dǎo)作用。乳糖支配子模型。二、分解代謝物調(diào)理分解代謝物阻遏作用細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物〔碳源或氮源〕存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的景象。大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁衍。當(dāng)培育基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先運(yùn)用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停頓生長(zhǎng)，經(jīng)過短時(shí)間的順應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁衍生長(zhǎng)，從而出現(xiàn)二次生長(zhǎng)曲線。三、反響調(diào)理反響調(diào)理是指代謝過程的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)代謝過程早期階段的關(guān)鍵酶的反響抑制造用。抑制酶的活性稱為反響抑制；抑制酶的合成稱為反響阻遏?！惨弧撤答?zhàn)瓒羧樘侵渥印负铣傻恼T導(dǎo)色氨酸支配子——酶合成的阻遏——經(jīng)過輔阻遏物來進(jìn)展調(diào)理〔二〕反饋抑制分類：——協(xié)同反響抑制——協(xié)作反響抑制——積累反響抑制——順序反響抑制1、協(xié)同反響抑制是指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)才干抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反響調(diào)理方式。2、協(xié)作反響抑制又稱增效反響抑制，是指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)可以起到比一種末端產(chǎn)物大得多的反響抑制造用。90%3、積累反響抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制造用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應(yīng)，亦無拮抗作用。4、順序反響抑制一種終產(chǎn)物的積累，導(dǎo)致前面一中間產(chǎn)物的積累，經(jīng)過后者反響抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。四、能荷調(diào)理細(xì)胞內(nèi)ATP、ADP、AMP之間的比例實(shí)踐上是在不斷的變動(dòng)的，細(xì)胞經(jīng)過改動(dòng)這三者的比例來調(diào)理其代謝活動(dòng)，稱為能荷調(diào)理或腺苷酸調(diào)理。調(diào)理構(gòu)成ATP的分解代謝酶類活性，也調(diào)理利用ATP的生物合成酶類的活性。第三節(jié)代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的運(yùn)用一、發(fā)酵工藝條件的控制二、菌種遺傳特性的調(diào)控三、控制細(xì)胞膜的浸透性代謝控制發(fā)酵：就是人為地在DNA分子程度上改動(dòng)和控制微生物的代謝活動(dòng)，使目的產(chǎn)物大量生成、積累。方法：——物理化學(xué)誘變——抗反響調(diào)理突變法——控制發(fā)酵條件，改動(dòng)細(xì)胞的浸透性一、發(fā)酵工藝條件的控制目的：為消費(fèi)菌發(fā)明一個(gè)最適的環(huán)境，使我們需求的代謝活動(dòng)得以最充分的表達(dá)。溫度pH培育基溶氧泡沫控制因子發(fā)酵產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換氧氣乳酸或琥珀酸（通氣不足）←→谷氨酸（通氣充足）NH4+α-酮戊二酸（缺乏）←→谷氨酸（適量）←→谷氨酰胺（過量）pHN-乙酰谷氨酰胺（酸性）←→谷氨酸（中性或微堿性）磷酸纈氨酸（高濃度）←→谷氨酸生物素乳酸或琥珀酸（豐富）←→谷氨酸（缺乏）表3-2谷氨酸產(chǎn)生菌的發(fā)酵條件與產(chǎn)物之間的關(guān)系表3-3培育條件對(duì)黑曲霉檸檬酸發(fā)酵的影響控制條件發(fā)酵效果通氣量通氣量大有利于檸檬酸形成，通氣量小不利于檸檬酸形成溫度28~30℃或較低，適于檸檬酸形成，溫度高適于機(jī)體生長(zhǎng)NH4NO3濃度低于1g/L，適于檸檬酸形成；大于1g/L，適于菌絲生長(zhǎng)HPO42-濃度低于0.1g/L，適于檸檬酸形成；大于0.1g/L，適于菌絲生長(zhǎng)pH2~3，適于檸檬酸形成；大于3，適于菌絲生長(zhǎng)Zn2+,Fe2+,Mg2+各低于1mg/L時(shí)，適于檸檬酸形成Cu2+0.1~1.0mg/L，適于檸檬酸形成溫度pH變化緣由：基質(zhì)代謝、產(chǎn)物構(gòu)成、菌體自溶。對(duì)發(fā)酵的影響：影響酶活性、影響代謝方向、影響培育基某些成分和中間代謝物的解離?？刂品椒ǎ孩僭诟着嘤袇⑴c維持pH的物質(zhì)；②經(jīng)過補(bǔ)料調(diào)理pH；③當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。培養(yǎng)基要求：——滿足機(jī)體生長(zhǎng)的需求；——利于代謝產(chǎn)物的構(gòu)成；——防止運(yùn)用容易引起分解代謝產(chǎn)物阻遏的成分或防止運(yùn)用高量的這種物質(zhì)。二、菌種遺傳特性的調(diào)控反響抑制造用的解除，其本質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶的調(diào)理亞基的構(gòu)造基因發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物或其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反響抑制，積累末端產(chǎn)物。反響阻遏作用的解除，其本質(zhì)是使調(diào)理基因或支配基因發(fā)生突變，使調(diào)理蛋白改動(dòng)或不發(fā)生，調(diào)理蛋白不再與末端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同支配基因結(jié)合，從而解除了末端產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏作用。利用基因重組技術(shù)挑選新菌種——人胰島素。三、控制細(xì)胞膜的浸透性1、經(jīng)過生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜的浸透性——直接抑制膜的合成或使膜受缺損。在谷氨酸發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌谷氨酸；控制生物素含量可改動(dòng)細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改動(dòng)膜透性；當(dāng)培育液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法。2、經(jīng)過細(xì)胞膜缺損突變控制其浸透性——油酸缺陷型、甘油缺陷型用谷氨酸消費(fèi)菌的油酸缺陷型，培育過程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸的產(chǎn)