第三章微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵中的應用微生物代謝調(diào)節(jié)的基本概念和相關的酶微生物的代謝調(diào)控作用代謝調(diào)控在食品發(fā)酵中的應用本章內(nèi)容微生物代謝調(diào)節(jié)的基本概念和相關的酶第一節(jié)

一、新陳代謝

二、與代謝調(diào)節(jié)有關的酶一、新陳代謝新陳代謝：簡稱代謝，是營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學變化的總稱。新陳代謝分解代謝(catabolism)合成代謝

(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]++分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用，即異化作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程，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。他們并不是簡單的可逆反應，而往往是通過不同的中間反應或不同的酶來實現(xiàn)的。這樣可以使生物體增加體內(nèi)化學反應的數(shù)量，并使其對代謝活動的調(diào)控具有更大的靈活性和應變能力。生物機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)的兩種過程是在細胞的不同部位進行（蛋白質(zhì)、核酸等）。按代謝產(chǎn)物在機體中作用不同分類初級代謝：提供能量、前體、結(jié)構物質(zhì)等生命活動所必需的代謝物的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為初級代謝產(chǎn)物，包括：氨基酸、核苷酸等。次級代謝：在一定生長階段出現(xiàn)非生命活動所必需的代謝類型；合成的產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物，包括：抗生素、色素、激素、生物堿等。初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物的不同初級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物生長繁殖是否必需

是

否產(chǎn)生階段

始終產(chǎn)生

生長到一定階段后產(chǎn)生菌種特異性

無

有分布

位置

細胞內(nèi)細胞內(nèi)或細胞外

種類

氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等

激素、毒素、色素、抗生素生物體內(nèi)的新陳代謝是靠生物催化劑——酶來催化。酶是推動生物體內(nèi)全部代謝活動的工具。由于酶作用的專一性，每一種化學反應都有特殊的酶參與反應。每種特殊的酶都有其調(diào)節(jié)機制。它們使錯綜復雜的新陳代謝過程成為高度協(xié)調(diào)的、高度整合在一起的化學反應網(wǎng)絡。二、與代謝調(diào)節(jié)有關的酶1、同工酶能催化同一種化學反應，但酶蛋白的分子結(jié)構不同的一組酶，存在于生物的同一種屬或同一個體的不同組織中，甚至是同一組織或細胞中。2、別構構酶又稱變變構酶酶，具具有變變構作作用（（別構構作用用）的的酶稱稱為別別構酶酶。迄迄今所所有已已知的的別構構酶都都是寡寡聚酶酶，即即含有有兩個個或兩兩個以以上的的亞基基。特點：多亞亞基、、兩中中心（（活性性中心心、調(diào)調(diào)節(jié)中中心））。調(diào)節(jié)中中心——結(jié)合調(diào)調(diào)節(jié)因因子或或效應應物。?；钚灾兄行摹Y(jié)合底底物。?；钚灾兄行暮秃驼{(diào)節(jié)節(jié)中心心是通通過構構象的的變化化而相相互聯(lián)聯(lián)系的的。蛋白激激酶A的激活活3、多功功能酶酶指在結(jié)結(jié)構上上只有有一個個多肽肽鏈，，但具具有兩兩種或或兩種種以上上的催催化活活力或或結(jié)合合功能能的蛋蛋白質(zhì)質(zhì)。第二節(jié)節(jié)微生物物的代代謝調(diào)調(diào)控作作用一、誘誘導作作用二、分分解代代謝物物調(diào)節(jié)節(jié)三、反反饋調(diào)調(diào)節(jié)四、能能荷調(diào)調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)微生物物細胞胞中的的酶組成酶酶———細胞胞中中始始終終存存在在的的酶酶誘導導酶酶———環(huán)境境中中某某種種物物質(zhì)質(zhì)誘誘導導下下產(chǎn)產(chǎn)生生的的酶酶1、酶酶合合成成的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)：：大腸腸桿桿菌菌對對葡葡萄萄糖糖和和乳乳糖糖的的利利用用差差異異。?；蛞蛱幪幱谟诖虼蜷_開狀狀態(tài)態(tài)基因因有有條條件件的的表表達達2、酶酶活活性性的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)通過過改改變變已已有有酶酶的的催催化化活活性性來來調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)代代謝謝的的速速率率。。代謝謝產(chǎn)產(chǎn)物物和和酶酶結(jié)結(jié)合合，致致使使酶酶的的結(jié)結(jié)構構發(fā)發(fā)生生改改變變。。但但這這種種變變化化是是可逆逆的，，當當代代謝謝產(chǎn)產(chǎn)物物和和酶酶脫脫離離后后，，酶酶結(jié)結(jié)構構就就會會復復原原，，又又恢恢復復原原有有活活性性。。意義義：：微微生生物物細細胞胞內(nèi)內(nèi)一一般般不不會會積積累累大大量量的的代代謝謝產(chǎn)產(chǎn)物物。。酶合合成成的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)和和酶酶活活性性的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)的的比比較較酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)機制特點意義誘導導酶酶的的合合成成酶的的活活性性對基因因表達達的調(diào)調(diào)控控以反反饋饋的的方方式式調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)反應應過過程程較慢慢快速速、、精精細細避免免物物質(zhì)質(zhì)和和能能量量的的浪浪費費避免免代代謝謝產(chǎn)產(chǎn)物物的的積積累累一、、誘誘導導作作用用微生生物物在在誘誘導導物物的的作作用用下下，，產(chǎn)產(chǎn)生生誘誘導導酶酶從從而而實實現(xiàn)現(xiàn)對對某某些些物物質(zhì)質(zhì)的的分分解解和和利利用用的的現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為誘導導作作用用。乳糖糖操操縱縱子子模模型型。。二、、分分解解代代謝謝物物調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)分解解代代謝謝物物阻阻遏遏作作用用細胞胞內(nèi)內(nèi)同同時時有有兩兩種種分分解解底底物物（（碳碳源源或或氮氮源源））存存在在時時，，利利用用快快的的那那種種分分解解底底物物會會阻阻遏遏利利用用慢慢的的底底物物的的有有關關酶酶合合成成的的現(xiàn)現(xiàn)象象。。大腸桿菌可可以利用葡葡萄糖、乳乳糖、麥芽芽糖、阿拉拉伯糖等作作為碳源而而生長繁殖殖。當培養(yǎng)養(yǎng)基中有葡葡萄糖和乳乳糖時，細細菌優(yōu)先使使用葡萄糖糖，當葡萄萄糖耗盡，，細菌停止止生長，經(jīng)經(jīng)過短時間間的適應，，就能利用用乳糖，細細菌繼續(xù)呈呈指數(shù)式繁繁殖生長，，從而出現(xiàn)現(xiàn)二次生長長曲線。三、反饋調(diào)調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)是指代謝過過程的中間間產(chǎn)物或終終產(chǎn)物對代代謝過程早早期階段的的關鍵酶的的反饋抑制制作用。抑制酶的活活性稱為反饋抑制；抑制酶的的合成稱為為反饋阻遏。（一）反饋饋阻遏遏乳糖操縱子子——酶合成的誘誘導色氨酸操縱縱子——酶合成的阻阻遏——通過輔阻遏遏物來進行行調(diào)節(jié)（二）反饋饋抑制制分類：——協(xié)同反饋抑抑制——合作反饋抑抑制——積累反饋抑抑制——順序反饋抑抑制1、協(xié)同反饋饋抑制是指分支代代謝途徑中中的幾個末末端產(chǎn)物同同時過量時時才能抑制制共同途徑徑中的第一一個酶的一一種反饋調(diào)調(diào)節(jié)方式。。2、合作反饋饋抑制又稱增效反反饋抑制，，是指兩種種末端產(chǎn)物物同時存在在時可以起起到比一種種末端產(chǎn)物物大得多的的反饋抑制制作用。90%3、積累反饋饋抑制每一分支途途徑末端產(chǎn)產(chǎn)物按一定定百分比單單獨抑制共共同途徑中中前面的酶酶，所以當當幾種末端端產(chǎn)物共同同存在時它它們的抑制制作用是積積累的，各各末端產(chǎn)物物之間既無無協(xié)同效應應，亦無拮拮抗作用。。4、順序反饋饋抑制一種終產(chǎn)物物的積累，，導致前面面一中間產(chǎn)產(chǎn)物的積累累，通過后后者反饋抑抑制合成途途徑關鍵酶酶的活性，，使合成終終止。四、能荷調(diào)調(diào)節(jié)細胞內(nèi)ATP、ADP、AMP之間的比例例實際上是是在不斷的的變動的，，細胞通過過改變這三三者的比例例來調(diào)節(jié)其其代謝活動動，稱為能荷調(diào)節(jié)或腺苷酸調(diào)節(jié)節(jié)。調(diào)節(jié)形成ATP的分解代謝謝酶類活性性，也調(diào)節(jié)節(jié)利用ATP的生物合成成酶類的活活性。第三節(jié)代謝調(diào)控在在食品發(fā)酵酵中的應用用一、發(fā)酵工工藝條件的的控制二、菌種遺遺傳特性的的調(diào)控三、控制細細胞膜的滲滲透性代謝控制發(fā)發(fā)酵：就是人為為地在DNA分子水平上上改變和控控制微生物物的代謝活活動，使目目的產(chǎn)物大大量生成、、積累。方法：——物理化學誘誘變——抗反饋調(diào)節(jié)節(jié)突變法——控制發(fā)酵條條件，改變變細胞的滲滲透性一、發(fā)酵工工藝條件的的控制目的：為生產(chǎn)菌創(chuàng)創(chuàng)造一個最最適的環(huán)境境，使我們們需要的代代謝活動得得以最充分分的表達。。溫度pH培養(yǎng)基溶氧泡沫控制因子發(fā)酵產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換氧氣乳酸或琥珀酸（通氣不足）←→谷氨酸（通氣充足）NH4+α-酮戊二酸（缺乏）←→谷氨酸（適量）←→谷氨酰胺（過量）pHN-乙酰谷氨酰胺（酸性）←→谷氨酸（中性或微堿性）磷酸纈氨酸（高濃度）←→谷氨酸生物素乳酸或琥珀酸（豐富）←→谷氨酸（缺乏）表3-2谷氨酸產(chǎn)生生菌的發(fā)酵酵條件與產(chǎn)產(chǎn)物之間的的關系表3-3培養(yǎng)條件對對黑曲霉檸檸檬酸發(fā)酵酵的影響控制條件發(fā)酵效果通氣量通氣量大有利于檸檬酸形成，通氣量小不利于檸檬酸形成溫度28~30℃或較低，適于檸檬酸形成，溫度高適于機體生長NH4NO3濃度低于1g/L，適于檸檬酸形成；大于1g/L，適于菌絲生長HPO42-濃度低于0.1g/L，適于檸檬酸形成；大于0.1g/L，適于菌絲生長pH2~3，適于檸檬酸形成；大于3，適于菌絲生長Zn2+,Fe2+,Mg2+各低于1mg/L時，適于檸檬酸形成Cu2+0.1~1.0mg/L，適于檸檬酸形成溫度度pH變化原因：基質(zhì)代謝謝、產(chǎn)物形形成、菌體體自溶。對發(fā)酵的影影響：影響酶活活性、影響響代謝方向向、影響培培養(yǎng)基某些些成分和中中間代謝物物的解離。?？刂品椒椒ǎ孩僭诨A礎培養(yǎng)養(yǎng)基中中加入入維持持pH的物質(zhì)質(zhì)；②通過補補料調(diào)調(diào)節(jié)pH；③當補料料與調(diào)調(diào)pH發(fā)生矛矛盾時時，加加酸堿堿調(diào)pH。培養(yǎng)養(yǎng)基基要求：：——滿足機機體生生長的的需要要；——利于代代謝產(chǎn)產(chǎn)物的的形成成；——避免使使用容容易引引起分分解代代謝產(chǎn)產(chǎn)物阻阻遏的的成分分或或避免免使用用高量量的這這種物物質(zhì)。。二、菌菌種遺遺傳特特性的的調(diào)控控反饋抑抑制作作用的的解除除，其實實質(zhì)是是使代代謝途途徑中中的關關鍵酶酶的調(diào)調(diào)節(jié)亞亞基的的結(jié)構基基因發(fā)生突突變，，使末末端產(chǎn)產(chǎn)物或或其類類似物物不再再與別別構中中心結(jié)結(jié)合，，從而而解除除反饋饋抑制制，積積累末末端產(chǎn)產(chǎn)物。。反饋阻阻遏作作用的的解除除，其實實質(zhì)是是使調(diào)節(jié)基基因或或操縱縱基因因發(fā)生突突變，，使調(diào)調(diào)節(jié)蛋蛋白改改變或或不發(fā)發(fā)生，，調(diào)節(jié)節(jié)蛋白白不再再與末末端產(chǎn)產(chǎn)物相相結(jié)合合，或或結(jié)合合后的的復合合物不不能同同操縱縱基因因結(jié)合合，從從而解解除了了末端端產(chǎn)物物對酶酶合成成的阻阻遏作作用。。利用基因重重組技術篩篩選新新菌種種——人胰島島素。。三、控控制細細胞膜膜的滲滲透性性1、通過過生理理學手手段控控制細細胞膜膜的滲滲透性性——直接抑抑制膜膜的合合成或或使膜膜受缺缺損。。在谷氨氨酸發(fā)發(fā)酵中中把生物素素濃度控控制在在亞適量量可大量量分泌泌谷氨氨酸；；控制制生物物素含含量可可改變變細胞胞膜的的成分分，進進而改改變膜膜透性性；當培養(yǎng)液液中生物物素含量量較高時時采用適適量添加加青霉素的方法。。