《发酵工程》 教学设计

《发酵工程》教学设计专业和班级：20XX级生物科学班学号：姓名：内容：第3章微生物的基础代谢一学情分析(选)：大四的生物科学专业的学生，已修完必修课程，具有一定的生物学知识、科学素养以及操作能力。二教材分析(选)：生物技术是当前优先发展的高新技术之一，它的快速发展和有效应用已给当前的工农业生产、人民健康、社会进步带来了明显的影响，并对人类和社会的加速发展带来了积极的效益。由于生物技术发展势头很快，因此作为生物工程专业的主要专业课的生物工艺学的教材亟须不断加以更新。本书由27位老、中、青年教师或专职科研骨干人员，历时两年编写完成本书以产品生产中共性工艺技术的理论和实践为纲，同时选取若干典型生产过程具体介绍，内容包括成熟的和较新的生物过程的基本原理。全书分上下两册，上册包括绪论和生物反应过程篇（共12章），下册包括生物质分离和纯化原理篇（共11章）以及典型生物过程篇（共6章）。本次课程所用教材为上册。三教学目标：1、掌握糖酵解途径三羧酸循环TCA和乙醛酸循环的过程、关键酶、反应式2、了解磷酸戊糖途径（HMP,PPP）、磷酸戊糖途径过程及其意义3、比较糖酵解途径三羧酸循环TCA和乙醛酸循环4、掌握酵母菌发酵机制、发酵产物5、了解酵母型酒精发酵、细菌的酒精发酵、乳酸发酵内容6、养成自主学习的习惯，学会主动思考四教学重点和难点糖酵解途径三羧酸循环TCA和乙醛酸循环的过程、关键酶、反应式酵母的酒精发酵机制五课时安排5课时六教学方法以讲授法为主，学生自主学习为辅七教学内容1．糖酵解途径（EMP）及三羧酸循环(TCA)1.1糖酵解途径（EMP）1.1.1定义：糖酵解是指在氧气不足条件下，葡萄糖或糖原分解为丙酮酸或乳酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸则可在乳酸脱氢酶的催化下，接受磷酸丙糖脱下的氢，被还原为乳酸。而有氧条件下的糖的氧化分解，称为糖的有氧氧化，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。1.1.2三大阶段：1,6-二磷酸果糖的生成，消耗2ATP；1,6-二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛；3-磷酸甘油醛经五步反应转化为丙酮酸，产生4ATP;1.1.3特点：广泛存在，是动植物、微生物细胞中G分解产生能量的共同途径；不需氧;每一步都是由酶催化的，三个关键酶;丙酮酸的去路因不同生物和条件而异；1.1.4讲解糖酵解和酒精发酵的全过程（图解）强调：当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数几步反应转化为糖酵解途径的中间产物，然后沿着糖酵解途径进行降解。丙酮酸的不同去路:反应中生成的NADH2不能积存，必须被重新氧化为NAD后，才能继续不断地推动全部反应。在不同的机体，在不同的环境下（如氧气的有无），氢的受体不同，丙酮酸的去路也不同。1.2三羧酸循环(TCA)1.2.1定义：是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，在该反应过程中，首先由乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成含有3个羧基的柠檬酸，经过4次脱氢，2次脱羧，生成四分子还原当量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的这一循环反应过程成为三羧酸循环。是需氧生物体内普遍存在的代谢途径，因为在这个循环中几个主要的中间代谢物是含有三个羧基的柠檬酸，所以叫做三羧酸循环，又称为柠檬酸循环。三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，然后再逐步传递给氧。1.2.2讲解三羧酸循环的过程（详细讲）：在线粒体中，TCA循环中的酶是以多种酶组成的复合体形式存在，这种酶复合体被称为代谢区室（metabolons），它在细胞内能够有效地将代谢中间产物从一种酶传递给另一种酶。这些复合体具有高效介导中间产物流通的功能，因此也可影响代谢的速率。真核生物的线粒体和原核生物的细胞质是三羧酸循环的场所。它是呼吸作用过程中的一步，但在需氧型生物中，它先于呼吸链发生。厌氧型生物则首先遵循同样的途径分解高能有机化合物，例如糖酵解，但之后并不进行三羧酸循环，而是进行不需要氧气参与的发酵过程。2.乙醛酸循环2.1定义：植物细胞内脂肪酸氧化分解为乙酰CoA之后，在乙醛酸体(glyoxysome)内生成琥珀酸、乙醛酸和苹果酸；此琥珀酸可用于糖的合成，该过程称为乙醛酸循环(glyoxylicacidcycle,GAC)。动物和人类细胞中没有乙醛酸体，无法将脂肪酸转变为糖。植物和微生物有乙醛酸体。油料植物种子(花生、油菜、棉籽等)萌发时存在着能够将脂肪转化为糖的乙醛酸循环。水稻盾片中也分离出了乙醛酸循环中的两个关键酶——异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。动物和人类细胞中没有乙醛酸体，无法将脂肪酸转变为糖。植物和微生物有乙醛酸体。2.2反应方程式：2乙酰辅酶A+NAD++2H₂O→琥珀酸+2辅酶A+NADH+H+2.3强调：乙醛酸循环和三羧酸循环中存在着某些相同的酶类和中间产物。但是，它们是两条不同的代谢途径。乙醛酸循环是在乙醛酸体中进行的，是与脂肪转化为糖密切相关的反应过程。这个过程依赖于线粒体、乙醛酸体及细胞质的协同作用。而三羧酸循环是在线粒体中完成的，是与糖的彻底氧化脱羧密切相关的反应过程。3.磷酸戊糖途径（HMP、PPP）3.1分类己糖磷酸途径：HexoseMonophosphatePathway（HMP）磷酸戊糖途径：PentosePhosphatePathway（PPP）3.2定义：是G分解的另一条途径，在6-P-G上直接氧化，再分解产生5-P-核糖。G分解的主要途径是EMP和TCA，但并非唯一途径，HMP也是G分解的途径，只是在6-P-G上直接氧化3.3特点：葡萄糖直接氧化脱氢和脱羧，不必经过糖酵解和三羧酸循环，脱氢酶的辅酶不是NAD+而是NADP+，产生的NADPH作为还原力以供生物合成用，而不是传递给O2，无ATP的产生和消耗。3.4反应式：A式：66-P-G＋12NADP＋＋6H2O46-P-F＋23-P-G＋6CO2＋12（NADPH＋H＋）23-P-G1,6-DPG＋H2O6-P-F＋Pi6-P-F6-P-G因此得到B式：6-P-G＋12NADP＋＋7H2O6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi3.5补充：HMP要循环一轮，必须有6个6-P-G同时进入循环，但最终只有1个6-P-G被彻底分解为6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi。3.6意义：（1）产生大量的NADPH，为细胞的各种合成反应提供还原剂（力），比如参与脂肪酸和固醇类物质的合成。（2）在红细胞中保证谷胱甘肽的还原状态。（防止膜脂过氧化；维持血红素中的Fe2+;）（6-磷酸-葡萄糖脱氢酶缺陷症——贫血病）（3）该途径的中间产物为许多物质的合成提供原料，如：5-P-核糖核苷酸（4）非氧化重排阶段的一系列中间产物及酶类与光合作用中卡尔文循环的大多数中间产物和酶相同，因而磷酸戊糖途径可与光合作用联系起来，并实现某些单糖间的互变。（5）PPP途径是由葡萄糖直接氧化起始的可单独进行氧化分解的途径。因此可以和EMP、TCA相互补充、相互配合，增加机体的适应能力4.磷酸解酮酶途径KDpathway4.1定义：磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解已糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径，把具有磷酸已糖解酮酶的称为HK途径。

4.2磷酸己糖酮解途径的特点：

①有两个磷酸酮解酶参加反应；

②在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；

③每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；

④许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。

4.3磷酸戊糖酮解途径的特点:

①分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;

②几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2。强调：戊糖磷酸解酮途径的关键酶系是磷酸木酮糖解酮酶，它催化

5-磷酸木酮糖裂解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸的反应。5.2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径（ED）5.1定义：ED途径是在研究嗜糖假单胞菌时发现的，在ED途径中，葡萄糖-6-磷酸首先脱氢产生葡萄糖酸-6-磷酸，接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生一个分子甘油醛-3-磷酸和一个分子丙酮酸。然后甘油醛-3-磷酸进入EMP途径转变成丙酮酸。一分子葡萄糖经ED途径最后生成两分子丙酮酸、一分子ATP、一分子NADPH和NADH。

ED途径在革兰代阴性菌中分布广泛，特别是假单胞菌和固氮的某些菌株较多存在。

ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言，ED途径不如EMP途径。

5.2过程：葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸2-酮-3-3脱氧-6磷酸葡萄糖酸3-磷酸-甘油醛EMP途径丙酮酸EMP途径5.3补充：关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸葡萄糖酸脱水酶，KDPG醛缩酶优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低6.丙酮酸的发酵产物6.1分类：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6.1.1酵母型酒精发酵6.1.2细菌的酒精发酵定义：菌种为运动发酵单孢菌（ZymomonasMobilis），少数假单胞杆菌(Pseudomonas），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri）能利用G经ED途径进行酒精发酵反应式：C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP优点：代谢速度快；产物转化率高；发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高；厌氧且耐高温；能利用多种糖类菌体生成少代谢副产物少；发酵温度高；缺点：发酵工艺技术要求高pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低6.1.3乳酸发酵定义：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。分类：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）6.1.4混合酸发酵定义：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。6.1.5甘油发酵定义：当发酵液处在碱性条件下（pH7.6以上），酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸反应式：2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO27.巴斯德效应7.1定义：在厌氧条件下,向高速发酵的培养基中通入氧气,则葡萄糖消耗减少,抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应。即呼吸抑制发酵的作用7.2意义：合理利用能源7.3效应原理：在厌氧条件下,向高速发酵的培养基中通入氧气,则葡萄糖消耗减少,抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应。即呼吸抑制发酵的作用。相比起足氧的情况，酵母在缺氧的情况下消耗更多的葡萄糖，生物细胞和组织中的糖发酵为氧所抑制，这种现象是巴斯德（L．Pasteur）1861年在研究酵母的酒精发酵量和氧分压之间的关系中发现的，故称巴斯德效应。由于从呼吸（完全氧化）所得的能量，远大于等量糖发酵所得的能量，因此为了获得对维持生命活动所需的能量，在有氧情况下与无氧下相比，只消耗少量的糖即足。生物体根据氧的有无，来调节糖的分解量，而使能量得到节制。8．氨基酸的生物合成8.1定义：微生物和植物能在体内合成所有的氨基酸，动物有一部分氨基酸不能在体内合成（必需氨基酸）。必需氨基酸一般由碳水化合物代谢的中间物，经多步反应（6步以上）而进行生物合成的，非必需氨基酸的合成所需的酶约14种，而必需氨基酸的合成则需要更多的，约有60种酶参与。生物合成的氨基酸除作为蛋白质的合成原料外，还用于生物碱、木质素等的合成。另一方面，氨基酸在生物体内由于氨基转移或氧化等生成酮酸而被分解，或由于脱羧转变成胺后被分解。8.2分类（