微生物的代謝調控理論及其在食品發(fā)酵中的應用

第三章微生物的代謝調控理論及其在食品發(fā)酵中的應用微生物代謝調節(jié)的基本概念和相關的酶微生物的代謝調控作用代謝調控在食品發(fā)酵中的應用本章內容微生物代謝調節(jié)的基本概念和相關的酶第一節(jié)

一、新陳代謝

二、與代謝調節(jié)有關的酶一、新陳代謝新陳代謝：簡稱代謝，是營養(yǎng)物質在生物體內所經歷的一切化學變化的總稱。新陳代謝分解代謝(catabolism)合成代謝

(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]++分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用，即異化作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程，即同化作用。同一種物質，其分解代謝和合成代謝途徑一般是不相同的。他們并不是簡單的可逆反應，而往往是通過不同的中間反應或不同的酶來實現(xiàn)的。這樣可以使生物體增加體內化學反應的數(shù)量，并使其對代謝活動的調控具有更大的靈活性和應變能力。生物機體的分解代謝和合成代謝不只是采取不同的途徑，甚至同一種物質的兩種過程是在細胞的不同部位進行（蛋白質、核酸等）。按代謝產物在機體中作用不同分類初級代謝：提供能量、前體、結構物質等生命活動所必需的代謝物的代謝類型；合成的產物稱為初級代謝產物，包括：氨基酸、核苷酸等。次級代謝：在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需的代謝類型；合成的產物稱為次級代謝產物，包括：抗生素、色素、激素、生物堿等。初級代謝產物和次級代謝產物的不同初級代謝產物次級代謝產物生長繁殖是否必需

是

否產生階段

始終產生

生長到一定階段后產生菌種特異性

無

有分布

位置

細胞內細胞內或細胞外

種類

氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等

激素、毒素、色素、抗生素生物體內的新陳代謝是靠生物催化劑——酶來催化。酶是推動生物體內全部代謝活動的工具。由于酶作用的專一性，每一種化學反應都有特殊的酶參與反應。每種特殊的酶都有其調節(jié)機制。它們使錯綜復雜的新陳代謝過程成為高度協(xié)調的、高度整合在一起的化學反應網絡。二、與代謝調節(jié)有關的酶1、同工酶能催化同一種化學反應，但酶蛋白的分子結構不同的一組酶，存在于生物的同一種屬或同一個體的不同組織中，甚至是同一組織或細胞中。2、別構酶又稱變構酶，具有變構作用（別構作用）的酶稱為別構酶。迄今所有已知的別構酶都是寡聚酶，即含有兩個或兩個以上的亞基。特點：多亞基、兩中心（活性中心、調節(jié)中心）。調節(jié)中心——結合調節(jié)因子或效應物。活性中心——結合底物?；钚灾行暮驼{節(jié)中心是通過構象的變化而相互聯(lián)系的。蛋白激酶A的激活3、多功能酶指在結構上只有一個多肽鏈，但具有兩種或兩種以上的催化活力或結合功能的蛋白質。第二節(jié)微生物的代謝調控作用一、誘導作用二、分解代謝物調節(jié)三、反饋調節(jié)四、能荷調節(jié)酶的調節(jié)酶合成的調節(jié)酶活性的調節(jié)微生物細胞中的酶組成酶——細胞中始終存在的酶誘導酶——環(huán)境中某種物質誘導下產生的酶1、酶合成的調節(jié)：大腸桿菌對葡萄糖和乳糖的利用差異?；蛱幱诖蜷_狀態(tài)基因有條件的表達2、酶活性的調節(jié)通過改變已有酶的催化活性來調節(jié)代謝的速率。

代謝產物和酶結合，致使酶的結構發(fā)生改變。但這種變化是可逆的，當代謝產物和酶脫離后，酶結構就會復原，又恢復原有活性。意義：微生物細胞內一般不會積累大量的代謝產物。酶合成的調節(jié)和酶活性的調節(jié)的比較酶合成的調節(jié)酶活性的調節(jié)調節(jié)對象調節(jié)機制特點意義誘導酶的合成酶的活性對基因表達的調控以反饋的方式調節(jié)反應過程較慢快速、精細避免物質和能量的浪費避免代謝產物的積累一、誘導作用微生物在誘導物的作用下，產生誘導酶從而實現(xiàn)對某些物質的分解和利用的現(xiàn)象稱為誘導作用。乳糖操縱子模型。二、分解代謝物調節(jié)分解代謝物阻遏作用細胞內同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關酶合成的現(xiàn)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繁殖。當培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經過短時間的適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖生長，從而出現(xiàn)二次生長曲線。三、反饋調節(jié)反饋調節(jié)是指代謝過程的中間產物或終產物對代謝過程早期階段的關鍵酶的反饋抑制作用。抑制酶的活性稱為反饋抑制；抑制酶的合成稱為反饋阻遏。（一）反饋阻遏乳糖操縱子——酶合成的誘導色氨酸操縱子——酶合成的阻遏

——通過輔阻遏物來進行調節(jié)（二）反饋抑制分類：

——協(xié)同反饋抑制

——合作反饋抑制

——積累反饋抑制

——順序反饋抑制1、協(xié)同反饋抑制是指分支代謝途徑中的幾個末端產物同時過量時才能抑制共同途徑中的第一個酶的一種反饋調節(jié)方式。2、合作反饋抑制又稱增效反饋抑制，是指兩種末端產物同時存在時可以起到比一種末端產物大得多的反饋抑制作用。90%3、積累反饋抑制每一分支途徑末端產物按一定百分比單獨抑制共同途徑中前面的酶，所以當幾種末端產物共同存在時它們的抑制作用是積累的，各末端產物之間既無協(xié)同效應，亦無拮抗作用。4、順序反饋抑制一種終產物的積累，導致前面一中間產物的積累，通過后者反饋抑制合成途徑關鍵酶的活性，使合成終止。四、能荷調節(jié)細胞內ATP、ADP、AMP之間的比例實際上是在不斷的變動的，細胞通過改變這三者的比例來調節(jié)其代謝活動，稱為能荷調節(jié)或腺苷酸調節(jié)。調節(jié)形成ATP的分解代謝酶類活性，也調節(jié)利用ATP的生物合成酶類的活性。第三節(jié)代謝調控在食品發(fā)酵中的應用一、發(fā)酵工藝條件的控制二、菌種遺傳特性的調控三、控制細胞膜的滲透性代謝控制發(fā)酵：就是人為地在DNA分子水平上改變和控制微生物的代謝活動，使目的產物大量生成、積累。方法：——物理化學誘變

——抗反饋調節(jié)突變法

——控制發(fā)酵條件，改變細胞的滲透性一、發(fā)酵工藝條件的控制

目的：為生產菌創(chuàng)造一個最適的環(huán)境，使我們需要的代謝活動得以最充分的表達。溫度pH培養(yǎng)基溶氧泡沫控制因子發(fā)酵產品的轉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谷氨酸產生菌的發(fā)酵條件與產物之間的關系表3-3培養(yǎng)條件對黑曲霉檸檬酸發(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，溫度高適于機體生長NH4NO3濃度低于1g/L，適于檸檬酸形成；大于1g/L，適于菌絲生長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pH2~3，適于檸檬酸形成；大于3，適于菌絲生長Zn2+,Fe2+,Mg2+各低于1mg/L時，適于檸檬酸形成Cu2+0.1~1.0mg/L，適于檸檬酸形成溫度pH變化原因：基質代謝、產物形成、菌體自溶。對發(fā)酵的影響：影響酶活性、影響代謝方向、影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離?？刂品椒ǎ孩僭诨A培養(yǎng)基中加入維持pH的物質；②通過補料調節(jié)pH；③當補料與調pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調pH。培養(yǎng)基要求：

——滿足機體生長的需要；

——利于代謝產物的形成；

——避免使用容易引起分解代謝產物阻遏的成分或避免使用高量的這種物質。二、菌種遺傳特性的調控反饋抑制作用的解除，其實質是使代謝途徑中的關鍵酶的調節(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。反饋阻遏作用的解除，其實質是使調節(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作用。利用基因重組技術篩選新菌種——人胰島素。三、控制細胞膜的滲透性1、通過生理學手段控制細胞膜的滲透性——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變細胞膜的成分，進而改變膜透性；當培養(yǎng)液中生物素含量較高時采用適量添加青霉素的方法。2、通過細胞膜缺損突變控制其滲透性——油酸缺陷型、甘油缺陷型用谷氨酸生產菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸的產量。甘油缺陷型菌株的細胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。思考題什么叫新陳代謝，并說明初級代謝和次級代謝的區(qū)別。什么是別構酶，什么是別構效應。比較反饋抑制和反饋阻遏的特點。用乳糖操縱子模型解釋大腸桿菌的二次生長曲線。什么是巴斯德效應，從代謝的角度解釋之。以酵母菌為菌種驗證巴斯德效應。樹立質量法制觀念、提高全員質量意識。6月-246月-24Tuesday,June4,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。15:00:2815:00:2815:006/4/20243:00:28PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。6月-2415:00:2815:00Jun-2404-Jun-24加強交通建設管理，確保工程建設質量。15:00:2815:00:2815:00Tuesday,June4,2024安全在于心細，事故出在麻痹。6月-246月-2415:00:2815:00:28June4,2024踏實肯干，努力奮斗。2024年6月4日3:00下午6月-246月-24追求至善憑技術開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務樹立形象。04六月20243:00:28下午15:00:286月-24嚴格把控質量關，讓生產更加有保障。六月243:00下午6月-2415:00June4,2024作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2024/6/415:00:2815:00:2804June2024好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。3:00:28下午3:00下午15:00:286月-24一馬當先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。6月-246月-2415:0015:00:2815:00:28Jun-24牢記安全之責，善謀安全之策，力務安全之實。2024/6/415:00:28Tuesday,June4,2024相信相信得力量。6月-242024/6/415:00:286月-24謝謝大家！生活中的辛苦阻撓不了我對生活的熱愛。6月-246月-24Tuesday,June4,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。15:00:2815:00:2815:006/4/20243:00:28PM做一枚螺絲釘，那里需要那里上。6月-2415:00:2815:00Jun-2404-Jun-24日復一日的努力只為成就美好的明天。15:00:2815:00:2815:00Tuesday,June4,2024安全放在第一位，防微杜漸。6月-246月-2415:00:2815:00:28June4,2024加強自身建設，增強個人的休養(yǎng)。2024年6月4日3:00下午6月-246月-24精益求精，追求卓越，因為相信而偉大。04六月20243:00:28下午15:00:286月-24讓自己更加強大，更加專業(yè)，這才能讓自己更好。六月243:00下午6月-2415:00June4,2024這些年的努