第五章——微生物的代谢调控理论及其在食品发酵中的应用

第五章微生物的代谢调控理论及其在食品发酵中的应用目的要求掌握微生物代谢过程中相关的调控理论及其在食品发酵中的应用。本章重点、难点：微生物代谢调节的生化基础，诱导作用，分解代谢物的调节，反馈调节和能荷调节。微生物代谢调节的基本概念和相关的酶微生物的代谢调控作用代谢调控在食品发酵中的应用本章内容微生物代谢调节的基本概念和相关的酶第一节一、新陈代谢二、与代谢调节有关的酶一、新陈代谢新陈代谢：简称代谢，是营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称。新陈代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]++分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用，即异化作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程，即同化作用。同一种物质，其分解代谢和合成代谢途径一般是不相同的。他们并不是简单的可逆反应，而往往是通过不同的中间反应或不同的酶来实现的。这样可以使生物体增加体内化学反应的数量，并使其对代谢活动的调控具有更大的灵活性和应变能力。生物机体的分解代谢和合成代谢不只是采取不同的途径，甚至同一种物质的两种过程是在细胞的不同部位进行（蛋白质、核酸等）。按代谢产物在机体中作用不同分类初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必需的代谢物的代谢类型；合成的产物称为初级代谢产物，包括：氨基酸、核苷酸等。次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；合成的产物称为次级代谢产物，包括：抗生素、色素、激素、生物碱等。初级代谢产物和次级代谢产物的不同初级代谢产物次级代谢产物生长繁殖是否必需是否产生阶段始终产生生长到一定阶段后产生菌种特异性无有分布位置细胞内细胞内或细胞外种类氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等激素、毒素、色素、抗生素生物体内的新陈代谢是靠生物催化剂——酶来催化。酶是推动生物体内全部代谢活动的工具。由于酶作用的专一性，每一种化学反应都有特殊的酶参与反应。每种特殊的酶都有其调节机制。它们使错综复杂的新陈代谢过程成为高度协调的、高度整合在一起的化学反应网络。二、与代谢调节有关的酶1、同工酶能催化同一种化学反应，但酶蛋白的分子结构不同的一组酶，存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中，甚至是同一组织或细胞中。乳酸脱氢酶(LDH)2、别构酶又称变构酶，具有变构作用（别构作用）的酶称为别构酶。迄今所有已知的别构酶都是寡聚酶，即含有两个或两个以上的亚基。特点：多亚基、两中心（活性中心、调节中心）。调节中心——结合调节因子或效应物。活性中心——结合底物。活性中心和调节中心是通过构象的变化而相互联系的。蛋白激酶A的激活3、多功能酶指在结构上只有一个多肽链，但具有两种或两种以上的催化活力或结合功能的蛋白质。第二节微生物的代谢调控作用一、诱导作用二、分解代谢物调节三、反馈调节四、能荷调节酶的调节酶合成的调节酶活性的调节微生物细胞中的酶组成酶——细胞中始终存在的酶诱导酶——环境中某种物质诱导下产生的酶1、酶合成的调节：大肠杆菌对葡萄糖和乳糖的利用差异。基因处于打开状态基因有条件的表达乳糖代谢基因乳糖代谢基因2、酶活性的调节通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率。代谢产物和酶结合，致使酶的结构发生改变。但这种变化是可逆的，当代谢产物和酶脱离后，酶结构就会复原，又恢复原有活性。意义：微生物细胞内一般不会积累大量的代谢产物。酶合成的调节和酶活性的调节的比较酶合成的调节酶活性的调节调节对象调节机制特点意义诱导酶的合成酶的活性对基因表达的调控以反馈的方式调节反应过程较慢快速、精细避免物质和能量的浪费避免代谢产物的积累一、诱导作用微生物在诱导物的作用下，产生诱导酶从而实现对某些物质的分解和利用的现象称为诱导作用。乳糖操纵子模型。二、分解代谢物调节分解代谢物阻遏作用细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖生长，从而出现二次生长曲线。三、反馈调节反馈调节是指代谢过程的中间产物或终产物对代谢过程早期阶段的关键酶的反馈抑制作用。抑制酶的活性称为反馈抑制；抑制酶的合成称为反馈阻遏。（一）反馈阻遏乳糖操纵子——酶合成的诱导色氨酸操纵子——酶合成的阻遏——通过辅阻遏物来进行调节（二）反馈抑制分类：——协同反馈抑制——合作反馈抑制——积累反馈抑制——顺序反馈抑制1、协同反馈抑制是指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。2、合作反馈抑制又称增效反馈抑制，是指两种末端产物同时存在时可以起到比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。90%3、积累反馈抑制每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。4、顺序反馈抑制一种终产物的积累，导致前面一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。四、能荷调节细胞内ATP、ADP、AMP之间的比例实际上是在不断的变动的，细胞通过改变这三者的比例来调节其代谢活动，称为能荷调节或腺苷酸调节。调节形成ATP的分解代谢酶类活性，也调节利用ATP的生物合成酶类的活性。巴斯德效应从有氧条件转入无氧条件时，酵母菌的发酵作用增强；反之，从无氧转入有氧时，酵母菌的发酵作用受到抑制，这种氧气抑制酒精发酵的现象叫做巴斯德效应。现象通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）酒精生成量低（接近零）高耗糖量/单位时间少多细胞的繁殖旺盛很弱至消失丙酮酸激酶己糖激酶磷酸果糖激酶EMP途径的限速酶：己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）。HK：受G-6-P的反馈抑制；PFK：受ATP、柠檬酸和异柠檬酸的抑制；受ADP、AMP、无机磷和果糖-1,6-二磷酸的促进。怎样解释巴斯德效应？O2充足，TCA循环产物渗出线粒体对PFK产生抑制作用。O2充足，胞质中的ADP和无机磷进入线粒体，从而降低了PFK和HK的活性。PFK活性下降导致F-6-P积累，从而导致G-6-P积累，对HK进行反馈抑制。第三节代谢调控在食品发酵中的应用一、发酵工艺条件的控制二、菌种遗传特性的调控三、控制细胞膜的渗透性代谢控制发酵：就是人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生成、积累。方法：——物理化学诱变——抗反馈调节突变法——控制发酵条件，改变细胞的渗透性一、发酵工艺条件的控制目的：为生产菌创造一个最适的环境，使我们需要的代谢活动得以最充分的表达。温度pH培养基溶氧泡沫控制因子发酵产品的转换氧气乳酸或琥珀酸（通气不足）←→谷氨酸（通气充足）NH4+α-酮戊二酸（缺乏）←→谷氨酸（适量）←→谷氨酰胺（过量）pHN-乙酰谷氨酰胺（酸性）←→谷氨酸（中性或微碱性）磷酸缬氨酸（高浓度）←→谷氨酸生物素乳酸或琥珀酸（丰富）←→谷氨酸（缺乏）表3-2谷氨酸产生菌的发酵条件与产物之间的关系表3-3培养条件对黑曲霉柠檬酸发酵的影响控制条件发酵效果通气量通气量大有利于柠檬酸形成，通气量小不利于柠檬酸形成温度28~30℃或较低，适于柠檬酸形成，温度高适于机体生长NH4NO3浓度低于1g/L，适于柠檬酸形成；大于1g/L，适于菌丝生长HPO42-浓度低于0.1g/L，适于柠檬酸形成；大于0.1g/L，适于菌丝生长pH2~3，适于柠檬酸形成；大于3，适于菌丝生长Zn2+,Fe2+,Mg2+各低于1mg/L时，适于柠檬酸形成Cu2+0.1~1.0mg/L，适于柠檬酸形成温度pH变化原因：基质代谢、产物形成、菌体自溶。对发酵的影响：影响酶活性、影响代谢方向、影响培养基某些成分和中间代谢物的解离。控制方法：①在基础培养基中加入维持pH的物质；②通过补料调节pH；③当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH。培养基要求：——满足机体生长的需要；——利于代谢产物的形成；——避免使用容易引起分解代谢产物阻遏的成分或避免使用高量的这种物质。二、菌种遗传特性的调控反馈抑制作用的解除，其实质是使代谢途径中的关键酶的调节亚基的结构基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别构中心结合，从而解除反馈抑制，积累末端产物。反馈阻遏作用的解除，其实质是使调节基因或操纵基因发生突变，使调节蛋白改变或不发生，调节蛋白不再与末端产物相结合，或结合后的复合物不能同操纵基因结合，从而解除了末端产物对酶合成的阻遏作用。利用基因重组技术筛选新菌种——人胰岛素。三、控制细胞膜的渗透性1、通过生理学手段控制细胞膜的渗透性——直接抑制膜的合成或使膜受缺损。在谷氨酸发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌谷氨酸；控制生物素含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性；当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法。2、通过细胞膜缺损突变控制其渗透性——油酸缺陷型、甘油缺陷型用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸的产量。甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。思考题什么叫新陈代谢，并说明初级代谢和次级代谢的区别。什么是别构酶，什么是别构效应。比较反馈抑制和反馈阻遏的特点。用乳糖操纵子模型解释大肠杆菌的二次生长曲线。什么是巴斯德效应，从代谢的角度解释之。以酵母菌为菌种验证巴斯德效应。