第五章——微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應(yīng)用.ppt

1、第五章 微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應(yīng)用,目 的 要 求,掌握微生物代謝過(guò)程中相關(guān)的調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應(yīng)用。 本章重點(diǎn)、難點(diǎn)：微生物代謝調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)，誘導(dǎo)作用，分解代謝物的調(diào)節(jié)，反饋調(diào)節(jié)和能荷調(diào)節(jié)。,微生物代謝調(diào)節(jié)的基本概念和相關(guān)的酶 微生物的代謝調(diào)控作用 代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的應(yīng)用,本 章 內(nèi) 容,微生物代謝調(diào)節(jié)的基本概念和相關(guān)的酶,第一節(jié),一、新陳代謝二、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶,一、新陳代謝,新陳代謝：簡(jiǎn)稱代謝，是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化的總稱。,分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過(guò)分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用，即

2、異化作用。 合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程，即同化作用。,同一種物質(zhì)，其分解代謝和合成代謝途徑一般是不相同的。他們并不是簡(jiǎn)單的可逆反應(yīng)，而往往是通過(guò)不同的中間反應(yīng)或不同的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣可以使生物體增加體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量，并使其對(duì)代謝活動(dòng)的調(diào)控具有更大的靈活性和應(yīng)變能力。 生物機(jī)體的分解代謝和合成代謝不只是采取不同的途徑，甚至同一種物質(zhì)的兩種過(guò)程是在細(xì)胞的不同部位進(jìn)行（蛋白質(zhì)、核酸等）。,按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分類,初級(jí)代謝：提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動(dòng)所必需的代謝物的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物，包括：氨

3、基酸、核苷酸等。 次級(jí)代謝：在一定生長(zhǎng)階段出現(xiàn)非生命活動(dòng)所必需的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，包括：抗生素、色素、激素、生物堿等。,初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物的不同,生物體內(nèi)的新陳代謝是靠生物催化劑酶來(lái)催化。 酶是推動(dòng)生物體內(nèi)全部代謝活動(dòng)的工具。 由于酶作用的專一性，每一種化學(xué)反應(yīng)都有特殊的酶參與反應(yīng)。每種特殊的酶都有其調(diào)節(jié)機(jī)制。它們使錯(cuò)綜復(fù)雜的新陳代謝過(guò)程成為高度協(xié)調(diào)的、高度整合在一起的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。,二、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶,1、同工酶 能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)不同的一組酶，存在于生物的同一種屬或同一個(gè)體的不同組織中，甚至是同一組織或細(xì)胞中。,乳酸脫氫酶(LDH),2

4、、別構(gòu)酶,又稱變構(gòu)酶，具有變構(gòu)作用（別構(gòu)作用）的酶稱為別構(gòu)酶。迄今所有已知的別構(gòu)酶都是寡聚酶，即含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的亞基。 特點(diǎn)：多亞基、兩中心（活性中心、調(diào)節(jié)中心）。 調(diào)節(jié)中心結(jié)合調(diào)節(jié)因子或效應(yīng)物。 活性中心結(jié)合底物。 活性中心和調(diào)節(jié)中心是通過(guò)構(gòu)象的變化而相互聯(lián)系的。,蛋白激酶A的激活,3、多功能酶,指在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)多肽鏈，但具有兩種或兩種以上的催化活力或結(jié)合功能的蛋白質(zhì)。,第二節(jié),微生物的代謝調(diào)控作用,一、誘導(dǎo)作用 二、分解代謝物調(diào)節(jié) 三、反饋調(diào)節(jié) 四、能荷調(diào)節(jié),微生物細(xì)胞中的酶,組成酶細(xì)胞中始終存在的酶,誘導(dǎo)酶環(huán)境中某種物質(zhì)誘導(dǎo)下產(chǎn)生的酶,1、酶合成的調(diào)節(jié)：大腸桿菌對(duì)葡萄糖和乳糖的利用

5、差異。,基因處于打開(kāi)狀態(tài),基因有條件的表達(dá),乳糖代謝基因,乳糖代謝基因,2、酶活性的調(diào)節(jié),通過(guò)改變已有酶的催化活性來(lái)調(diào)節(jié)代謝的速率。,代謝產(chǎn)物和酶結(jié)合，致使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。但這種變化是可逆的，當(dāng)代謝產(chǎn)物和酶脫離后，酶結(jié)構(gòu)就會(huì)復(fù)原，又恢復(fù)原有活性。,意義：微生物細(xì)胞內(nèi)一般不會(huì)積累大量的代謝產(chǎn)物。,酶合成的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)的比較,誘導(dǎo)酶的合成,酶的活性,對(duì)基因表達(dá) 的調(diào)控,以反饋的方式調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程,較慢,快速、精細(xì),避免物質(zhì)和能量的浪費(fèi),避免代謝產(chǎn)物的積累,一、誘導(dǎo)作用,微生物在誘導(dǎo)物的作用下，產(chǎn)生誘導(dǎo)酶從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物質(zhì)的分解和利用的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)作用。 乳糖操縱子模型。,二、分解代謝物調(diào)節(jié),

6、分解代謝物阻遏作用 細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。,大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖生長(zhǎng)，從而出現(xiàn)二次生長(zhǎng)曲線。,三、反饋調(diào)節(jié),反饋調(diào)節(jié)是指代謝過(guò)程的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)代謝過(guò)程早期階段的關(guān)鍵酶的反饋抑制作用。 抑制酶的活性稱為反饋抑制；抑制酶的合成稱為反饋?zhàn)瓒簟?（一）反 饋 阻 遏,乳糖操縱子酶合成的誘導(dǎo) 色氨酸操縱子酶合成的阻遏 通過(guò)輔阻遏物來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),（

7、二）反 饋 抑 制,分類： 協(xié)同反饋抑制 合作反饋抑制 積累反饋抑制 順序反饋抑制,1、協(xié)同反饋抑制,是指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。,2、合作反饋抑制,又稱增效反饋抑制，是指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)可以起到比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。,3、積累反饋抑制,每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無(wú)協(xié)同效應(yīng)，亦無(wú)拮抗作用。,4、順序反饋抑制,一種終產(chǎn)物的積累，導(dǎo)致前面一中間產(chǎn)物的積累，通過(guò)后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。,四、能荷調(diào)

8、節(jié),細(xì)胞內(nèi)ATP、ADP、AMP之間的比例實(shí)際上是在不斷的變動(dòng)的，細(xì)胞通過(guò)改變這三者的比例來(lái)調(diào)節(jié)其代謝活動(dòng)，稱為能荷調(diào)節(jié)或腺苷酸調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)形成ATP的分解代謝酶類活性，也調(diào)節(jié)利用ATP的生物合成酶類的活性。,巴斯德效應(yīng),從有氧條件轉(zhuǎn)入無(wú)氧條件時(shí)，酵母菌的發(fā)酵作用增強(qiáng)；反之，從無(wú)氧轉(zhuǎn)入有氧時(shí)，酵母菌的發(fā)酵作用受到抑制，這種氧氣抑制酒精發(fā)酵的現(xiàn)象叫做巴斯德效應(yīng)。,EMP途徑的限速酶：己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）。 HK：受G-6-P的反饋抑制； PFK：受ATP、檸檬酸和異檸檬酸的抑制；受ADP、AMP、無(wú)機(jī)磷和果糖-1, 6-二磷酸的促進(jìn)。 怎樣解釋巴斯德效應(yīng)？

9、,O2充足，TCA循環(huán)產(chǎn)物滲出線粒體對(duì)PFK產(chǎn)生抑制作用。 O2充足，胞質(zhì)中的ADP和無(wú)機(jī)磷進(jìn)入線粒體，從而降低了PFK和HK的活性。 PFK活性下降導(dǎo)致F-6-P積累，從而導(dǎo)致G-6-P積累，對(duì)HK進(jìn)行反饋抑制。,第三節(jié),代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的應(yīng)用,一、發(fā)酵工藝條件的控制 二、菌種遺傳特性的調(diào)控 三、控制細(xì)胞膜的滲透性,代謝控制發(fā)酵：就是人為地在DNA分子水平上改變和控制微生物的代謝活動(dòng)，使目的產(chǎn)物大量生成、積累。 方法：物理化學(xué)誘變 抗反饋調(diào)節(jié)突變法 控制發(fā)酵條件，改變細(xì)胞的滲透性,一、發(fā)酵工藝條件的控制,目的：為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個(gè)最適的環(huán)境，使我們需要的代謝活動(dòng)得以最充分的表達(dá)。,溫度 pH

10、 培養(yǎng)基 溶氧 泡沫,表3-2 谷氨酸產(chǎn)生菌的發(fā)酵條件與產(chǎn)物之間的關(guān)系,表3-3 培養(yǎng)條件對(duì)黑曲霉檸檬酸發(fā)酵的影響,溫 度,pH,變化原因：基質(zhì)代謝、產(chǎn)物形成、菌體自溶。 對(duì)發(fā)酵的影響：影響酶活性、影響代謝方向、影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離。 控制方法：在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入維持pH的物質(zhì)；通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH；當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。,培 養(yǎng) 基,要求： 滿足機(jī)體生長(zhǎng)的需要； 利于代謝產(chǎn)物的形成； 避免使用容易引起分解代謝產(chǎn)物阻遏的成 分或避免使用高量的這種物質(zhì)。,二、菌種遺傳特性的調(diào)控,反饋抑制作用的解除，其實(shí)質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物

11、或其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末端產(chǎn)物。 反饋?zhàn)瓒糇饔玫慕獬?，其?shí)質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變，使調(diào)節(jié)蛋白改變或不發(fā)生，調(diào)節(jié)蛋白不再與末端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同操縱基因結(jié)合，從而解除了末端產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏作用。 利用基因重組技術(shù)篩選新菌種人胰島素。,三、控制細(xì)胞膜的滲透性,1、通過(guò)生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜的滲透性直接抑制膜的合成或使膜受缺損。 在谷氨酸發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌谷氨酸；控制生物素含量可改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜透性； 當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法。,2、通過(guò)細(xì)胞膜缺損突變控制其滲透性油酸缺陷型、甘油缺陷型 用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸的產(chǎn)量。 甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野