发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-3第三章发酵生物化学基础

1第三章发酵生物化学基础2本章主要内容第一节糖的微生物代谢（复习）第二节脂类和脂肪酸的微生物代谢（复习）第三节氨基酸和核酸的微生物代谢（复习）第四节微生物的次级代谢第五节芳香族化合物的微生物代谢第六节H2和CO2等的微生物代谢第七节微生物的光合作用第八节常见发酵产品的发酵机制（自学)3微生物产物A.遗传特征:菌种种类、DNA特征B.环境条件：微生物生长及反应的环境发酵机制：微生物利用基质，通过代谢合成人们所需的产物的内在规律内在规律：代谢途径、代谢调控规律、环境因素的影响4工业发酵的工作模式Basicpatternofindustrialfermentation5ABCDEFGHIJKL1BiochemicalPathways2345678910大量新生物化学合成途径的解析，为发酵生产创造了前所未有的特殊机会。6第一节糖的微生物代谢•糖酵解（Glycolysis）•anaerobic-occursincytosolwithreleaseofsmallamountofenergy;nooxygenrequired.•aerobic-occursinmitochondria(线粒体)withreleaseofmuchenergy;oxygendependent7OverviewofGlycolysis89AerobicPathways10葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸：此阶段在细胞胞液(cytoplasm)中进行，一分子葡萄糖(glucose)分解后净生成2分子丙酮酸(pyruvate)，2分子ATP，和2分子（NADH+H+）。无氧酵解的全部反应过程在胞液(cytoplasm)中进行，一分子葡萄糖经无氧酵解可净生成两分子ATP。两分子（NADH+H+）在有氧条件下可进入线粒体(mitochondrion)产能，共可得到2×2或者2×3分子ATP。故这一阶段可净生成6或8分子ATP。111.活化(activation)——己糖磷酸酯的生成：活化阶段是指葡萄糖经磷酸化和异构反应生成1,6-双磷酸果糖(FBP，FDP)的反应过程。该过程共由三步化学反应组成。⑴葡萄糖(glucose)磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)；⑵G-6-P异构为6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate,F-6-P）；⑶F-6-P再磷酸化为1,6-双磷酸果糖(fructose-1,6-biphosphate,F-1,6-BP）12己糖激酶/葡萄糖激酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶-1ATPADPATPADP**(1)(2)(3)132.裂解（lysis)——磷酸丙糖的生成：一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互变的磷酸丙糖（triosephosphate)，包括两步反应：⑷F-1,6-BP裂解为3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)和磷酸二羟丙酮(dihydroxyacetonephosphate)；⑸磷酸二羟丙酮异构为3-磷酸甘油醛。14磷酸丙糖异构酶醛缩酶(4)(5)153.放能(releasingenergy——丙酮酸的生成：3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱水及放能等反应生成丙酮酸，包括六步反应。⑹3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸（glycerate-1,3-diphosphate)；⑺1,3-二磷酸甘油酸脱磷酸,将其交给ADP生成ATP；⑻3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸；16(6)(7)(8)ATPADP磷酸甘油酸变位酶3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶NAD++PiNADH+H+17⑼2-磷酸甘油酸(glycerate-2-phosphate)脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)；⑽磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）将高能磷酸基交给ADP生成ATP；⑾烯醇式丙酮酸自发转变为丙酮酸(pyruvate)。18烯醇化酶丙酮酸激酶⑼⑽⑾*ATPADP自发H2O1920糖酵解的生理意义1.在无氧和缺氧条件下，作为糖分解供能的补充途径。2.在有氧条件下，作为某些组织细胞主要的供能途径。21磷酸戊糖途径的反应过程磷酸戊糖途径(pentosephosphatepathway)的总反应式：G-6-P+12NADP++7H2O→6CO2+12NADPH+12H++H3PO4即六分子G-6-P可生成6分子CO2，4分子F-6-P，2分子3-磷酸甘油醛和12分子NADPH。22葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸D葡糖酸δ内酯6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核糖酸5-磷酸木酮糖5-磷酸核糖3-磷酸甘油醛7-磷酸景天庚酮糖4-磷酸赤藓糖6-磷酸果糖NADPNADPH3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖ATPADPNADPNADPHCO2PPP（戊糖磷酸途径）HMP（单磷酸己糖途径）磷酸戊糖途径(pentosephosphatepathway)是指从G-6-P脱氢反应开始，经一系列代谢反应生成磷酸戊糖等中间代谢物，然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径。23该旁路途径的起始物是G-6-P，返回的代谢产物是3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)和6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate)，其重要的中间代谢产物是5-磷酸核糖和NADPH。整个代谢途径在胞液(cytoplasm)中进行。关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶(glucose-6-phosphatedehydro-genase)。24磷酸戊糖途径的生理意义1.是体内生成NADPH的主要代谢途径：NADPH在体内可用于：⑴作为供氢体，参与体内的合成代谢：如参与合成脂肪酸、胆固醇，一些氨基酸。⑵参与羟化反应：作为加单氧酶的辅酶，参与对代谢物的羟化。⑶使氧化型谷胱甘肽还原。⑷维持巯基酶的活性。[⑸维持红细胞膜的完整性：由于6-磷酸葡萄糖脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病，表现为溶血性贫血。]252.是体内生成5-磷酸核糖的唯一代谢途径体内合成核苷酸和核酸所需的核糖或脱氧核糖均以5-磷酸核糖的形式提供，这是体内唯一的一条能生成5-磷酸核糖的代谢途径。磷酸戊糖途径是体内糖代谢与核苷酸及核酸代谢的交汇途径。261.不完全氧化途径2.5C63C5;2C63C4;3.5C63C7;2.完全氧化C63CO2+C3碎片3.核糖5-磷酸是合成核糖的必要原料,体内核糖的分解也是这一途径4.赤藓糖4-磷酸、景天庚酮糖7-磷酸是芳香组氨基酸合成的前体5.生成NADPH+H+可提供生物合成代谢所需的氢6.将戊糖代谢与己糖代谢联系起来PPP途径的特点：27葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸D葡糖酸δ内酯6-磷酸葡萄糖酸2-酮-3-脱氧-6磷酸葡萄糖酸NADPNADPHATPADP3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸ViaEMP6-磷酸果糖4-磷酸赤藓糖5-磷酸木酮糖6-磷酸果糖7-磷酸景天庚酮糖3-磷酸甘油醛5-磷酸木酮糖5-磷酸核糖Entner-Douderoff途径（ED）28葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖二磷酸果糖磷酸二羟基丙酮3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸6-磷酸D葡糖酸δ内酯葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸PPPEDEMP5-磷酸木酮糖5-磷酸核糖5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天庚酮糖3-磷酸甘油醛4-磷酸赤藓糖6-磷酸果糖4-磷酸赤藓糖乙酰磷酸PK29各种微生物葡萄糖分解代谢四条途径的分布情况途径EMPPPPEDPK特征酶磷酸果糖激酶6-磷酸葡KDPG磷酸酮缩酶微生物萄糖脱氢酶醛缩酶Zymomonas－－＋－Ps.aeruginosa(＋)＋＋－Ps.douderoff(＋)－＋－Gluconobacteroxydans(＋)＋－－E.coli＋＋＋－S.typhimurium＋＋－－B.subtilis＋＋－－Rhodopseudomonascapsulate＋－＋－30Thiobacillusnovellus(＋)(＋)－＋ThiobacillusA2＋＋＋－Bifidobacteriumbifidum－－－＋S.cerevisiae＋＋－－A.nidulans＋＋－－Rhodotorulagracilis(＋)＋－－Candidautilis＋＋－－Penicilliuchrysogenum＋＋－－31AlternativeSubstratesforGlycolysis•Othersubstratesinclude:–Fructose-entersdirectlyasfructose6-phosphate–Galactose-entersasglucose6-phosphate–Maltose-disaccharideofglucose-entersasglucose–Sucrose-disaccharideofglucoseandfructose3233葡萄糖的厌氧代谢糖的无氧酵解是指葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸后，在无氧条件下继续降解并释放出能量的过程。NADH2在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各种不同的代谢产物。34Fermentationreactions•Thereare2typesoffermentationreactions:–Alcoholicfermentation–Lactatefermentation3536一.酒精发酵机制•yieldsCO2andethanol•regeneratesNAD+•occursinanaerobicorganisms,likeyeast.•Reaction:PYRUVATE+2NADH---2C2H5OH+2CO2+2NAD+371.酵母的酒精发酵（EMP途径，酵母菌的Ⅰ型发酵）C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2CO2+2ATP2.细菌的酒精发酵(假单胞菌，ED途径）C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP两者途径不同，产能水平也不同38AlcoholicFermentation39酒精发酵中副产物的生成1.杂醇油（高级醇）的生成2.琥珀酸的生成3.酯类的生成4.糠醛、甲醇等的生成401.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母菌的Ⅱ型发酵）二.甘油的发酵机制412.碱法甘油发酵（酵母菌的Ⅲ型发酵）42三.乳酸的发酵机制分为：同型乳酸发酵异型乳酸发酵两者发酵菌种不同，发酵机制不同，发酵产物也不同。43LactateFermentation•yieldslactate•regeneratesNAD+•occursinaerobicorganismswhencellsbecometemporarilyanaerobic•Reaction:PYRUVATE+2NADH---2CH3CHOHCOO-+2NAD+44LacticAcidFermentation45同型乳酸发酵利用EMP途径生成的丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH，使NADH重新氧化为NAD+，以确保反应的继续进行。乳酸脱氢酶NAD+NADH+H+4647异型乳酸发酵两条途径：1.6-磷酸葡萄糖酸途径（HMP途径）2.双歧途径（Bifidus途径）4849四、巴斯德效应巴斯德效应是指糖的有氧氧化可以抑制糖的无氧酵解的现象。有氧时，由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产能，故糖的无氧酵解代谢受抑制。50其他厌氧代谢产物的发酵1.丙酸发酵2.丁酸型发酵3.己酸的发酵4.沼气（甲烷）发酵51甲烷形成的微生物学过程•从有机物质厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌所能完成的，是由很多细菌参与联合作用的结果。52乙酸H2甲酸CO2纤维素糖乳酸VFA第一阶段第二阶段产H2，乙酸细菌第三阶段产甲烷细菌CH4+CO2发酵性细菌53葡萄糖的好氧代谢葡萄糖在有氧条件下彻底氧化分解生成CO2和H2O，并释放出大量能量的过程称为糖的有氧氧化（aerobicoxidation)。绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化途径获得能量。此代谢过程在细胞胞液和线粒