深刻了解发酵过程主原料C源及N源的代谢,其意义在于对华体会体育最新地址 进行合理配置、并从能量、营养的角度对发酵过程进行精确调控。
碳源代谢包括:糖代谢/甘油代谢/甲醇代谢/油脂代谢
氮源代谢包括:脱氨基/转氨基
一、C源代谢
发酵工业上,碳源主要用来供给菌种生命活动所需的能量,构成菌体细胞及代谢产物。常用的碳源主要有糖类、油脂及有机酸。
1、糖代谢途径
(1)EMP 途径
EMP途径及糖酵解途径。葡萄糖分子经转化成1,6—二磷酸果糖后,在醛缩酶的催化下,裂解成两个三碳化合物分子,即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛; 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸。
1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛,并消耗2分子ATP;2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸,2分子NADH2和4分子ATP。糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普遍途径,通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP,为微生物活动提供部分能量,尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式;同时,糖酵解途径为其他代谢途径提供中间产物(提供碳骨架),如6-磷酸葡萄糖是磷酸戊糖途径的底物。
(2)HMP途径
HMP途径即磷酸戊糖途径。葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后,在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下,裂解成5-磷酸戊糖和CO2。
磷酸戊糖进一步通过不完全HMP途径和完全HMP途径进一步代谢。
不完全HMP途径:磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化,又生成磷酸己糖和磷酸丙糖(3-磷酸甘油醛),磷酸丙糖借EMP途径的一些酶,进一步转化为丙酮酸。
完全HMP途径:由六个葡萄糖分子参加反应,经一系列反应,最后回收五个葡萄糖分子,消耗了1分子葡萄糖(彻底氧化成CO2 和水)。
HMP途径意义:
A、为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸(与核苷酸类发酵密切相关);
B、产生大量NADPH2,一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力,另一方面可通过呼吸链产生大量的能量;
C、与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接,可以调剂戊糖供需关系
D、途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成(芳香族氨基酸发酵代谢相关);
E、途径中存在3-7碳的糖,使具有该途径微生物的所能利用的碳源谱更为广泛;
F、通过该途径可产生许多种重要的发酵产物,如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)等
G、HMP途径在总的能量代谢中占一定比例,且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。
(3)ED途径
ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG)裂解途径, ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在,是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径,未发现存在于其它生物中。
ED途径在假单胞菌及其它革兰氏阴性菌发酵代谢中常见。
ED途径首先是葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后,经脱氧酮糖酸醛缩酶催化,裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛, 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸,1分子ATP。ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶。
此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接,可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连,厌氧时进行乙醇发酵。
(4)其它糖代谢途径
糖酵解也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途径。果糖及甘露糖通过己糖激酶的催化作用可转变成果糖-6-磷酸,果糖还可以通过一系列酶的作用转变成3-磷酸甘油醛。半乳糖可以在一些酶催化下转变成1-磷酸葡萄糖。
2、甘油代谢途径
甘油到磷酸二羟丙酮的分解代谢包括两步酶促反应。 在甘油激酶(GK)的催化下,甘油被磷酸化形成3-磷酸甘油,3-磷酸甘油在3-磷酸甘油脱氢酶的催化下氧化成磷酸二羟丙酮, 进一步返回至糖酵解途径。此外,甘油还可以在甘油氢化酶的作用下生成D-甘油醛,后进一步生成D-甘油酸和3-磷酸甘油醛;也可以在甘油脱水酶的作用下,单向地生成2-羟基丙醛。
3、甲醇代谢图
甲醇首先被醇氧化酶氧化成甲醛和过氧化氢。甲醛随后进入两条代谢途径,小部分进入分解代谢,大部分进入合成代谢。在分解代谢中,甲醛首先被甲醛脱氢酶(FLD1p)氧化为甲酸盐,并进一步被甲酸盐脱氢酶(FDH)氧化为二氧化碳,同时以电子 NADH 的形式释放能量,同时也避免了细胞内部甲醇积累过多而产生毒害作用。在合成代谢中,甲醛在二羟基丙酮合成酶的作用下与 5-磷酸木棉糖结合生成三磷酸甘油醛(GAP),GAP 随后进入糖酵解和 TCA 循环。
甲醇代谢路径对毕赤酵母甲醇诱导型工艺优化至关重要。
4、油脂代谢
发酵工业中使用油脂已有较长的历史,在发酵工业中油脂具有多种用途,可以作为碳源、消沫剂、氧载体等, 能够有效提高相应代谢物产量。油脂通常以酯形式存在,首先需要在脂肪酶的催化下形成甘油和脂肪酸,甘油经甘油途径进入糖酵解途径被利用,脂肪酸先被乙酰辅酶 A 硫酯活化,进入β-氧化途径,每循环一次脂肪酸链掉下两个碳碎片为乙酰辅酶A,剩余的脂酰辅酶A化合物重新进入降解循环,降解产物乙酰辅酶A可以作为产物合成的前体。
二、氮源代谢
氮源主要用来构成菌体细胞物质和含氮代谢物。常用的氮源可分为有机氮源和无机氮源。
无机氮源包括:氨水、硫酸铵、尿素、硝酸钠、硝酸铵和磷酸二氢铵等。铵盐中的铵氮可以直接被菌体利用来合成细胞中的含氮物质,硝基氮必须先还原成氨后,才能被进一步利用。
有机氮源通常含有丰富的蛋白质、多肽和游离的氨基酸。
常见的有机氮源:黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、蛋白胨、鱼粉、蚕蛹粉等。蛋白质首先需要在蛋白酶的作用下分解成多肽片段,多肽通过多肽水解酶进一步分解成氨基酸,氨基酸通过脱氨基或转氨基等作用被利用。
三、三羧酸循环
三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中,在细菌中存在于细胞质中;只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。
1、三羧酸循环说明
丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA,乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O,每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP,草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。
2、三羧酸循环与糖、油脂、蛋白分解代谢联系图
【三羧酸循环特点】
(1)循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸;
(2)整个循环有四步氧化还原反应,其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+,另一步为FAD还原
【三羧酸与发酵代谢的关系】
(1)三羧酸循环与氨基酸类发酵代谢密切相关;
(2)三羧酸循环协调C源(糖、脂)和N源(蛋白)互通有无,是及其重要的转化中心枢纽;
(4)循环中的某些中间产物是一些重要发酵制品的合成的前体;
(5)是为微生物细胞繁殖及工作提供能量的主要形式。
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