第七章 糖代谢与控制PPT幻灯片课件.ppt

第七章糖代谢与控制 目的 掌握糖代谢途径 糖代谢的调节方式 掌握D 核糖 柠檬酸发酵的生物合成途径 D 核糖 柠檬酸发酵的发酵机制 D 核糖 柠檬酸发酵的代谢控制育种 内容 EMP途径 HMP途径 ED途径 TCA循环 糖代谢的调节 D 核糖 柠檬酸发酵代谢控制重点 糖代谢的调节 D 核糖 柠檬酸发酵代谢控制难点 糖代谢的调节 D 核糖 柠檬酸发酵代谢控制育种 学时 3 1 第一节糖代谢与调节 一 糖分解途径微生物对糖进行分解代谢 主要的有氧降解和无氧降解两大类型有氧降解可分两条途径 1 EMP途径丙酮酸TCA循环 2 HMP途径 有氧降解的最终产物为CO2和H2O 无氧降解一般也经EMP和HMP途径两种方式 其产物为有机酸 醇 气体 CO2和H2 2 二 糖酵解途径 EMP途径 糖酵解途径是指细胞在胞浆中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程 此过程中伴有少量ATP的生成 在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸称为糖酵解 有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环 生成CO2和H2O 糖酵解分为两个阶段共10个反应 每个分子葡萄糖经第一阶段共5个反应 消耗2个分子ATP为耗能过程 第二阶段5个反应生成4个分子ATP为释能过程 3 葡萄糖 6 磷酸 葡萄糖 6 磷酸 果糖 1 6 二磷酸 果糖 磷酸二羟丙酮 3 磷酸 甘油醛 第一阶段 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 2 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 第二阶段 己糖激酶 磷酸葡萄糖异构酶 磷酸果糖激酶 醛缩酶 磷酸丙糖异构酶 磷酸甘油醛脱氢酶 磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激酶 4 在细胞液阶段的过程中 一个分子的葡萄糖或糖原中的一个葡萄糖单位 可氧化分解产生2个分子的丙酮酸 在生理条件下有三步是不可逆的单向反应 催化这三步反应的酶活性较低 是整个糖的有氧氧化过程的关键酶 其活性大小 对糖的氧化分解速度起决定性作用 在此阶段经底物水平磷酸化产生四个分子ATP 5 经过糖酵解途径 一个分子葡萄糖可氧化分解产生2个分子丙酮酸 在此过程中 经底物水平磷酸化可产生4个分子ATP 如与第一阶段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消 每分子葡萄糖降解至丙酮酸净产生2分子ATP 如从糖原开始 因开始阶段仅消耗1分子ATP 所以每个葡萄糖单位可净生成3分子ATP 6 丙酮酸在无氧条件下生成乳酸 氧供应不足时从糖酵解途径生成的丙酮酸转变为乳酸 缺氧时葡萄糖分解为乳酸称为糖酵解 因它和酵母菌生醇发酵非常相似 丙酮酸转变成乳酸由乳酸脱氢酶催化丙酮酸乳酸脱氢酶乳酸在这个反应中丙酮酸起了氢接受体的作用 由3 磷酸甘油醛脱氢酶反应生成的NADH H 缺氧时不能经电子传递链氧化 正是通过将丙酮酸还原成乳酸 使NADH转变成NAD 糖酵解才能继续进行 7 三 途径HMP途径的生物化学过程 葡萄糖首先经EMP途径的第一步反应进行磷酸化 生成6 磷酸葡糖 然而进入HMP途径 反应在细胞质中进行 HMP途径的反应比较复杂 通常可以分为两个阶段 第一阶段由磷酸已糖生成磷酸戊糖 第二阶段由磷酸戊糖重新组成磷酸己糖 8 6 磷酸 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸 内酯 6 磷酸葡萄糖酸 5 磷酸 核酮糖 6 6 6 6 5 磷酸 核糖 2 5 磷酸 木酮糖 5 磷酸 木酮糖 2 2 7 磷酸 景天庚酮糖 3 磷酸 甘油醛 2 2 6 磷酸 果糖 4 磷酸 赤藓糖 2 2 6 磷酸 果糖 2 3 磷酸 甘油醛 2 6 磷酸 葡萄糖 4 6 磷酸葡萄糖 氧化阶段 1 NADPH NADPH 6 6 CO2 6 Pi 1 H 6 H 6 非氧化阶段 HO2 6 9 HMP途径的反应过程可以看作有6分子6 磷酸葡糖同时参加反应 经过脱氢 氧化脱羧作用生成6分子二氧化碳和6分子磷酸戊糖 脱下的氢则转移给NADP 生成12分了NADPH2 6分子磷酸戊糖经异构化及分子间基团转移作用 生成4分子6 磷酸果糖和2分子3 磷酸甘油醛 又通过反应 8 一 9 最终又生成5分子6 磷酸葡糖由此可以看出 6分子6 磷酸葡糖经由HMP途径代谢的结果 重新又生成5分子6 磷酸葡糖 可以认为只有1分子6 磷酸葡糖被彻底分解 生成6分子二氧化碳 同时产生12分子NADPH2 10 HMP途径总反应式可归结为 66 磷酸葡糖十7H20十12NADP56 磷酸葡糖十6CO2十12NADPH2十H3P04或6 磷酸葡糖十7H2O十12NADP6C02十12NADPH2十H3P04在有氧条件下 NADPH2上的氢可经转氢酶的作用转给NAD 然后经呼吸链 最终传递给分子氧 同时由电子传递磷酸化产生ATP 12NADPH2十12NAD12NADP十12NADH212NADH2十60212NAD十12H20由电子传递磷酸化产生36ATP 即 36ADP十36H3P0436ATP十36H20 11 HMP途径的最终反应式可写成6 磷酸葡糖十602十36ADP十35H3P046C02十36ATP十41H20如反应从葡萄糖开始时 因 葡萄糖十ATP6 磷酸葡糖十ADP故上式可写成 C6H12O6十602十35ADP十35H3P046C02十35ATP十41H20 12 四 ED途径 脱氧酮糖酸途径 ED途径 也称为2 酮 3 脱氧 6 磷酸葡萄糖酸裂解途径 这个途径的关键步骤是2 酮3 脱氧 6 磷酸葡萄糖酸的3 3裂解 即分解成为2个3碳化合物 ED途径只有1分子丙酮酸来自3 磷酸甘油醛 所以只能产生2分子ATP 扣除激活葡萄糖所消耗的1分子ATP 净得1分子ATP 较酵母菌酒精发酵时少产生1分子ATP 13 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸 2 酮 3 脱氧 6 磷酸葡萄糖酸 3 磷酸甘油醛 丙酮酸 丙酮酸 乳酸 乙醛 乙醛 2乙醇 或 2H 脱水酶 H2O ATP 2ATP 2H Pi 2CO2 14 五 糖的有氧氧化 TCA循环 葡萄糖在有氧条件下 氧化分解生成二氧化碳和水的过程称为糖的有氧氧化 有氧氧化是糖分解代谢的主要方式 大多数组织中的葡萄糖均进行有氧氧化分解供给机体能量 糖的有氧氧化分两个阶段进行 第一阶段是由葡萄糖生成的丙酮酸 在细胞液中进行 第二阶段是上述过程中产生的NADH H 和丙酮酸在有氧状态下 进入线粒体中 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA进入三羧酸循环 进而氧化生成CO2和H2O 同时NADH H 等可经呼吸链传递 伴随氧化磷酸化过程生成H2O和ATP 15 1 丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸脱氢酶系CH3 CO COOH HS COACH3CO SCOA CO2NAD NADH 16 2 三羧酸循环 TCA循环 乙酰CoA进入由一连串反应构成的循环体系 被氧化生成H2O和CO2 由于这个循环反应开始于乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸 因此称之为三羧酸循环或柠檬酸循环 17 乙酰 CoA 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 草酰琥珀酸 酮戊二酸 琥珀酰 CoA 琥珀酸 延胡索酸 苹果酸 草酰乙酸 柠檬酸合成酶 缩合 异柠檬酸脱氢酶 氧化脱羧 顺乌头酸酶 脱水 顺乌头酸酶 水化 酮戊二酸脱氢酶系 氧化脱羧 琥珀酰 CoA合成酶 底物水平磷酸化 琥珀酸脱氢酶 氧化 延胡索酸酶 加水 苹果酸脱氢酶 氧化 NADH CO2 NADH CO2 GTP FADH2 NADH H2O H2O H2O H2O 18 三羰酸循环总结 乙酰CoA 3NADH FAD GDP Pi 2H2O 2CO2 3NADH FADH GTP 3H CoASH CO2的生成 循环中有两次脱羧基反应 反应3和反应4 两次都同时有脱氢作用 但作用的机理不同 由异柠檬酸脱氢酶所催化的 氧化脱羧 辅酶是NAD 它们先使底物脱氢生成草酰琥珀酸 然后在Mn2 或Mg2 的协同下 脱去羧基 生成 酮戊二酸 酮戊二酸脱氢酶系所催化的 氧化脱羧反应和前述丙酮酸脱氢酶系所催经的反应基本相同 应当指出 通过脱羧作用生成CO2 是机体内产生CO2的普遍规律 由此可见 机体CO2的生成与体外燃烧生成CO2的过程截然不同 19 三羧酸循环的四次脱氢 其中三对氢原子以NAD 为受氢体 一对以FAD为受氢体 分别还原生成NADH H 和FADH 它们又经线粒体内递氢体系传递 最终与氧结合生成水 在此过程中释放出来的能量使ADP和Pi结合生成ATP 凡NADH H 参与的递氢体系 每2H氧化成一分子H2O 生成3分子ATP 而FADH2参与的递氢体系则生成2分子ATP 再加上三羧酸循环中有一次底物磷酸化产生一分子ATP 那么 一分子CH2CO SCoA参与三羧酸循环 直至循环终末共生成12分子ATP 乙酰CoA中乙酰基的碳原子 乙酰CoA进入循环 与四碳受体分子草酰乙酸缩合 生成六碳的柠檬酸 在三羧酸循环中有二次脱羧生成2分子CO2 与进入循环的二碳乙酰基的碳原子数相等 但是 以CO2方式失去的碳并非来自乙酰基的两个碳原子 而是来自草酰乙酸 20 三羧酸循环的中间产物 从理论上讲 可以循环不消耗 但是由于循环中的某些组成成分还可参与合成其他物质 而其他物质也可不断通过多种途径而生成中间产物 所以说三羧酸循环组成成分处于不断更新之中 21 六 乙醛酸循环乙醛酸循环是TCA循环的一段支路或TCA循环的变体乙醛酸循环的关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶 1 异柠檬酸裂解异柠檬酸裂解酶异柠檬酸乙醛酸 琥珀酸 2 苹果酸合成苹果酸合成酶Mg 乙醛酸 乙酰CoA苹果酸 22 七 CO2固定反应 伍德 沃克曼反应 CO2固定作用主要通过以下几种途径完成 1 磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下 生成草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸 CO2 GDP IDP 草酰乙酸 GTP ITP 2 丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下生成草酰乙酸 丙酮酸 CO2 ATP草酰乙酸 GDP3 丙酮酸在苹果酸酶催化下进行还原羧化反应 生成苹果酸 苹果酸在苹果酸脱氢酶的作用下 生成草酰乙酸 23 八 糖代谢的调节 一 能荷调节糖代谢的调节主要受细胞内能量水平的控制 糖代谢最重要的生理功能是以ATP的形式供给能量 生物合成时 能荷低 ATPADPAMP糖分解酶激活能荷高时AMPADPATP糖分解酶抑制 二 生物素调节生物素主要影响糖解速度生物素充分糖解速度显著提高 比丙酮酸氧化速度提高更快 造成乳酸积累 生物素缺乏NAD水平降低 引起四碳二羧酸氧化能力下降 乙醛酸循环关键酶受阻遏 代谢流向谷氨酸 24 D 葡萄糖 D 葡萄糖酸 D 葡萄糖 6 磷酸 6 磷酸 D 葡萄糖 D 核酮糖 5 磷酸 D 木酮糖 5 磷酸 D 核糖 5 磷酸 D 核糖 一 D 核糖发酵的生物合成途径 第二节D 核糖发酵 25 二 D 核糖发酵的发酵机制D 核糖发酵的发酵必须选育丧失转酮酶活力的突变株 26 三 D 核糖发酵的代谢控制育种1 出发菌株的选择芽孢杆菌属细菌转酮酶缺陷突变株具普遍性 一般采用芽孢杆菌属细菌做出发菌株2 转酮酶缺陷突变株的分离分离转酮酶缺陷突变株 可采用以下遗传标记不利用D 葡萄糖酸或L 阿拉伯糖的突变株莽草酸缺陷突变株L 色氨酸缺陷 L 酪氨酸缺陷 L 苯丙氨酸缺陷 COQ缺陷 VK缺陷 27 3 其它标记高葡萄糖脱氢酶活性丧失孢子形成能力4 利用基因工程技术育种芽孢杆菌属细菌转酮酶基因克隆PUB110氯霉素酰基转移酶插入到转酮酶基因转化致枯草芽孢杆菌中5 发酵控制C源 葡萄糖 山梨醇甘油 淀粉N源 酵母 牛肉膏 酵母膏 蛋白胨 玉米浆等发酵条件 好气 PH中性 37 28 第三节柠檬酸发酵 葡萄糖 一 柠檬酸的生物合成途径 丙酮酸 草酰乙酸 乙酰COA 柠檬酸 TCA EMP 柠檬酸合成酶 29 二 柠檬酸发酵机制为了积累柠檬酸 必须柠檬酸合成酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 丙酮酸羧化酶强乌头酸酶 异柠檬酸脱氢酶 异柠檬酸裂解酶弱 30 三 柠檬酸发酵的代谢控制育种1 出发菌株的选择能产生柠檬酸的微生物较多 在工业上应用的主要有以糖质为原料曲霉属 黑曲霉 泡盛酒曲霉 温氏曲霉 甘薯酒曲霉 米曲霉 棒曲霉 金黄曲霉 硫球曲霉等 以石油为原料酵母菌 解脂假丝酵母等 2 选择透明圈大的突变株在平板培养中 形成透明圈大的柠檬酸产量高3 选择显色圈大的突变株在平板培养中加入PH指示剂 显色圈大 柠檬酸产量高 31 4 选育耐高渗透压的突变株菌体要高产柠檬酸 必须能在高糖 高柠檬酸的培养基中生长 A选育在含16 25 的甘薯粉的平板上生长良好的突变株 B选育在含10 20 柠檬酸的平板上生长良好的突变株 5 选育不分解柠檬酸的突变株A选育在以柠檬酸为唯一碳源的培养基上不生长或生长微弱的突变株 B选育乌头酸酶活性低的突变株 32 6 选育形态突变株黑曲霉的形态突变与柠檬酸产量之间有一定的关系A选育菌落直径小 菌落凸起 孢子着生稀疏的菌株 B选育菌丝 孢子颜色浅的突变株 C选育孢子紧密而细小的突变株 D选育在葡萄糖合成培养基上孢子生长或少弱的突变株 7 选育单氟乙酸 三氟乙酸 或2 4 二硝基酚敏感突变株 单氟乙酸单氟柠檬酸 乌头酸酶竞争性抑制 三氟乙酸 2 4 二硝基酚可抑制乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶8 选育某些氨基酸缺陷突变株 谷氨酸缺陷 精氨酸缺陷突变株 有助于柠檬酸产量提高