微生物工程第三章 糖嫌气性发酵产物积累机制

1、第三章第三章 糖嫌气性发酵产物积累机制糖嫌气性发酵产物积累机制 第一节第一节 糖酵解途径的特点及调节机制糖酵解途径的特点及调节机制一、糖酵解途径的特点v广泛存在，不需要氧；v两个阶段：消耗ATP阶段和产生ATP阶段；v主要有激酶、变位酶、异构酶、脱氢酶等多种酶参与反应；v其他糖类作为碳源时，先通过少数几步反应转化为葡萄糖或糖酵解的中间产物，这时从葡萄糖合成细胞基体的标准反应序列同样有效，不必修改；二、丙酮酸的不同去路：无氧条件下同型乳酸发酵酒精发酵丙酮丁醇发酵有氧条件下彻底氧化l作为C2化合物参与生物合成，生成脂肪、聚乙酰和类异戊二烯等。三、糖酵解的调节机制1、调节机制：能荷调节2、调节点：三

2、个不可逆反应，只参与糖酵解，不参与糖异生。己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶3、其他调节机制柠檬酸脂肪酸乙酰辅酶Av概念：q在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。q在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。q发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。四、发酵作用四、发酵作用v 在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过

3、程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。Fermentations:A. In the absence of oxygen, NADH is not usually oxidized by the electron transport chain because no external electron acceptor is availableB. However, NADH must still be oxidiz

4、ed to replenish the supply of NAD+ for use in glycolysisC. Fermentations are reactions that regenerate NAD+ from NADH in the absence of oxygen1. Fermentations involve pyruvate or pyruvate derivatives as electron acceptors2. Fermentations may or may not produce additional ATP for the cellD. Alcoholic

5、 fermentations produce ethanol and CO2E. Lactic acid fermentations produce lactic acid (lactate)1. Homolactic fermenters reduce almost all pyruvate to lactate2. Heterolactic fermenters form substantial amounts of products other than lactateF. Formic acid fermentation produces either mixed acids or b

6、utanediol酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物第二节酒精发酵机制第二节酒精发酵机制一、乙醇生成机制葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸丙酮酸脱羧生成乙醛乙醛脱氢生成乙醇 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：概念概念菌种菌种途径途径特点特点发生条件发生条件该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。2、概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或概念：有氧条件

7、下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源意义：合理利用能源通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）通风（有氧呼吸） 缺氧（发酵）缺氧（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失二、巴斯德效应二、巴斯德效应(The Pasteur effect )1、现象：、现象：3、巴斯德效应的机制：（1）PFK的调节PFK受ATP、柠檬酸、其他高能化合物的抑制与AMP、ADP的激活有氧条件下，大量生成柠檬酸、ATP，反馈阻遏PFK的合成和活性；F

8、-P积累，导致磷酸葡萄糖积累；G-P反馈抑制己糖激酶，导致葡萄糖利用率降低（2）丙酮酸激酶的活性降低好气条件下，,二磷酸果糖减少，丙酮酸激酶活性降低，导致磷酸烯醇式丙酮酸积累，己糖激酶的活性被反馈抑制。 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖 1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA柠檬酸柠檬酸草酰乙酸磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶(PFK)丙酮酸激酶丙酮酸激酶己糖激酶己糖激酶 -ATP、柠檬酸、柠檬酸 -ADP,AMP 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,6-二二-磷酸磷酸-果糖果糖巴斯德效应（

9、续）巴斯德效应（续）三、酒精发酵中副产物的生成（一）、杂醇油：碳原子数大于的脂肪族醇类（高级醇）的总称。1、酒精发酵中高级醇形成途径（1）氨基酸氧化脱氨作用：转氨基在-酮酸之间进行亮氨酸异戊醇缬氨酸异丁醇异亮氨酸活性戊醇酪氨酸酪醇苯丙氨酸苯乙醇（2）由葡萄糖直接生成糖代谢-酮酸（C原子较低的）-酮酸（C原子较高的）-酮酸脱羧、加氨形成少一个碳原子的高级醇或-酮酸缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等相应的醇。（3）正丙醇的形成苏氨酸-氨基-2-丁烯酸-丁酮酸醛正丙醇2、影响杂醇油形成的条件菌种：与脱氢酶的活性有关培养基组成：与分支氨基酸的存在有关发酵条件：高温、通风有利于高级醇的生成细菌的乙醇发酵细菌的乙

10、醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等ED途径:(Enter-Doudorff Pathway) 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸裂解途径葡萄糖酸裂解途径v酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 脱羧酶 脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP v细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，

11、总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵 通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵利用Z.mobilis等细菌生产酒精优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少 代谢副产物少；发酵温度高；缺点：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低第四节第四节 乳酸发酵机制乳酸发酵机制乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢

12、途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆菌发酵: （经HK途径磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2( 1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸） 2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点异型乳酸发酵异型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木

13、酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念、菌种、途径、特点概念、菌种、途径、特点-CO2双歧发酵双歧发酵两个关键酶 ：6-磷酸果糖酮解酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮解酶； l双歧反应 2葡萄糖3乙酸2甘油醛-3-P；（非氧化脱氢） 甘油醛-3-P甘油酸-3-PPEP丙酮酸乳酸（氧化脱氢） l总反应式 葡萄糖2ADP2Pi乳酸乙酸CO22ATP l理论转化率：50% l主要菌种：两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较同

14、型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较Lactobacillus brevis2ATP1乳酸乳酸1乙酸乙酸1CO2HMP异型异型Leuconostoc mesenteroides1ATP1乳酸乳酸1乙醇乙醇1CO2HMP异型异型Lactobacillus debruckii2ATP2乳酸乳酸EMP同型同型菌种代表菌种代表产产能能/葡萄糖葡萄糖产物产物途径途径类型类型v概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。v发酵途径：CO2H2甲酸-氢裂解酶丙酮酸甲酸裂解酶琥

15、珀酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖丙酮酸乳酸乙酰辅酶A甲酸乙醛乙酰磷酸乙酸乙酸PEP羧化酶乳酸脱氢酶乙醛脱氢酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶+2HpH6.2（四）（四）2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：概念：肠杆菌、肠杆菌、沙雷氏菌、和沙雷氏菌、和欧文氏菌属中欧文氏菌属中的一些细菌具的一些细菌具有有 -乙酰乳酸乙酰乳酸合成酶合成酶系而进系而进行丁二醇发酵。行丁二醇发酵。EMP 第三节 甘

16、油的合成机制 一、酵母的第型发酵乙醇脱氢酶活性强，乙醛为氢受体，生成乙醇乙醛NADHH+乙醇NAD+ 二、酵母的第型发酵（亚硫酸盐法甘油发酵） 磷酸二羟丙酮为氢受体，生成甘油 乙醛亚硫酸氢钠乙醛亚硫酸氢钠加成物 磷酸二羟丙酮NADHH+-磷酸甘油NAD+ -磷酸甘油H2O甘油Pi 三、酵母的第型发酵（碱法甘油发酵）碱性条件，歧化反应，生成甘油、乙醇、乙酸和CO2 2乙醛乙醇乙酸 磷酸二羟丙酮NADHH+-磷酸甘油NAD+ -磷酸甘油H2O甘油Pi 第四节 乳酸发酵机制 一、同型乳酸发酵 概念：乳酸菌在厌氧条件下利用葡萄糖，经EMP途径生成丙酮酸后，在乳酸脱氢酶作用下将丙酮酸还原为乳酸的过程。总

17、反应式：葡萄糖2ADP2Pi2乳酸2ATP+135561.6J 理论转化率：100% 主要菌种：乳酸链球菌（Streptococcus Lactis）酪乳杆菌（Lactobacillus Casei） 保加利亚乳杆菌（Lac. bulgaricus） 德氏乳杆菌（Lac. delbrickii） 二、异型乳酸发酵 1、概念：葡萄糖经HMP 途径或双歧途径，生成乳酸、CO2、乙醇或乙酸的过程。 2、生物合成途径 （1）HMP途径 6-P-G5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖乙酰磷酸3-磷酸甘油醛 乙酰磷酸乙酰CoA乙醛乙醇 3-磷酸甘油酸丙酮酸乳酸 主要菌种肠膜状明串珠菌（Lac. msenteroides）甘露醇乳杆菌