甘油发酵的代谢与调控PPT课件

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 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 OOHCH NaHSO3COHCH3OSO2NaCH3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 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 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 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 2ATPNaHSO32ADPCO23 磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醛HSO32ATP2ADPNAD NADH H 乙醇葡萄糖 1 6二磷酸果糖磷酸二羟丙酮a 磷酸甘油甘油H2ONADH 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 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 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 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 当酵母在碱性 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 2ATP2ADP3 磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙酸NAD NADH H 乙醇葡萄糖 1 6二磷酸果糖磷酸二羟丙酮a 磷酸甘油甘油NADH H NAD 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