微生物應用工業微生物應用工業Ch4. Ch4. 微生物之發酵代謝微生物之發酵代謝

微生物應用工業微生物應用工業Ch4. Ch4. 微生物之發酵代謝微生物之發酵代謝

阮雪芬阮雪芬2003 Nov2003 Nov

NTUTNTUT

代謝作用• 生物為了要營生活作用和合成細胞成分 ,

以進行生長並延續生命 , 必須不斷地由外部獲得能量 . 因此 , 再生物體內營化學變化的總和 , 稱為代謝作用 .

代謝作用• 代謝作用分二種 :

– 合成作用 ( 同化作用 ,Assinilation; 組成代謝 ,Anabolism)

– 分解作用 ( 異化作用 ,Dissimilation; 分解代謝 ,Catabolism)

• 微生物的質能代謝機構 ,Fig 4-1.

呼吸與發酵• 呼吸 (Resipiration): 生物使用分子狀態

之氧 , 以氧化基質獲得能量之反應 ; 專用於高等生物

• 發酵 (Fermentation): Pasteur 下的定義”酵母在無氧狀態下的呼吸” ; 專用於微生物

• 呼吸和發酵皆是生物獲得能量的方式

發酵• 依是否需要氧而分 :

– 好氣性發酵 (Aerobic fermentation); 氧化發酵 (Oxidative fermentation)

• 定義 : 有機化合物受分子狀氧 , 進行不完全氧化之反應• 發酵細菌的醋酸發酵• 黴菌的有機酸發酵

– 厭氣性發酵 (Anaerobic fermentation); 厭氧呼吸(Anaerobic respiration)

• 定義 : 發酵係一種能供給能量之氧化還原反應 , 這種反應中有機化合物擔任了氫供與體和氫受容體兩方面任務之反應

• 酵母的酒精發酵

呼吸與發酵• 呼吸 : 比較進化獲得能量的方法

– C6H13O6 + 6O2 6CO2 + H2O, 36ATP• 發酵

– C6H12O6 2CH3CHOHCOOH, 2ATP• Fig 4-2• 腐敗 (Putrefaction): 微生物分解有機物

的一種作用

微生物的增殖與能源• 高能鍵結合形式 :Fig4-4.

– 高能鍵物質係一種含氮 , 硫或磷之化合物• ATP, Adenosine triphosphate: Fig4-5.• AMP, Adenosine monophosphate• ATP ADP + Pi + H (6000 cal/mole)

微生物的氧化代謝與電子傳遞

• 氧化作用 : Fig4-6H+-----Electron acceptor

AH2

ANAD FAD Cyt b Cyt c Cyt a Cyt a3

1/2O2

O2-

ATP ATPATP

微生物的氧化代謝與電子傳遞

• G0 = -nF E0

• CHCOCOOH + NADH +H+

CH3CHOHCOOH ( 乳酸 )+ NAD+

• CH3CHO + NADH +H+

CH3CH2OH ( 乙醇 )+ NAD+

碳水化合物的代謝作用• Fig 4-10• EMP pathway: Anaerobic

fermentation• TCA cycle: Aerobic fermentation

Anaerobic Fermentation

• Glycolysis• Entner-Doudoroff (ED) pathway• Heterolactic fermentation• Acetone-butanol and butyric acid fer

mentation• Mixed organic acid fermentation• Hexose-monophosphate shunt (HMP)

Aerobic fermentation• Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle)• Glyoxylic acid cycle

Glycolysis• 又稱 Embden-Meyerhof-Pernas pathway,

簡稱 EMP 路徑 (Fig4-11)• 在厭氧條件下 , 由於微生物所引起之碳水化合

物之代謝作用 .• 包括 :

– 酵母的酒精發酵– 乳酸菌的乳酸發酵– 大腸菌的發酵

酒精發酵• Pyruvic acid CH3HO Ethanol

• Pyruvic acid CH3HO Glycerin

Decarboxylase Dehydrogenase

Na2SO3

正常乳酸發酵• Pyruvic acid Lactic acid

Lactic dehydrogenase

高等生物的解糖作用與乳酸發酵不同處

• 解糖作用– 基質為肝糖– 乳酸為 L 型

• 乳酸發酵– 葡萄糖– 依菌種而不定 , 有 D

型 ,L 型及 DL 型

Enter-Doudoroff pathway• 簡稱 ED pathway• Fig4-13

Heterolactic Fermentation

• 乳酸菌利用葡萄糖發酵的結果• 除生成乳酸之外 , 尚能伴生乙醇和 CO2

• Fig4-14• 一部份路徑與 EMP 路徑相同

Acetone-butanol and Butyric Acid Fermentation

• Fig 4-16

Hexose-monophosphate shunt (HMP)

• Fig4-17• Fig 4-18• EMP pathway and HMP pathway,

Fig4-19 • Radioactive isotope tracer method

Aerobic Fermentation -Tricarboxylic acid cycle (TC

A cycle)• Fig4-22• 1 Pyruvic acid 3 CO2 + 15 ATP• 1 Glucose 38 ATP (Table 4-4)

Aerobic Fermentation - Glyoxylic acid cycle

• The relationship between Glyoxylic acid cycle and TCA cycle (Fig4-23)

脂質的代謝• 脂肪脂肪酸 + 甘油• Fig4-24: 脂肪的 beta 氧化路徑

其他碳水化合物之代謝作用• 芳香族化合物之代謝作用

– 以甲皖或甲醇為碳源之氧化途徑 : CH4 CH3OH HCHO CO2

• C1- 化合物之代謝路徑– 有兩種 :

• Serine• Allulose

– Fig 4-26

氮的代謝作用

氮的代謝作用• 多數黴菌可資化 NO3

- or NH4+ 等無機氮

化合物 , 但有些則不能• 可資化 NO3

- or NH4+ 等無機氮化合物的

黴菌有 :Rhizopus & Mucor• 不可資化 NO3

- or NH4+ 等無機氮化合物

的黴菌有 :Aspergillus & Penicillium

胺基酸的生合成• Alpha-ketoglutaric acid + NH3

L-glutamic acid• Fumalic acid + NH3

L-aspartic acid• Pyruvic acid + NH3

L-alanin

Glutaric acid dehydrogenase

Aspartase

L-alanin dehydrogenase

TCA cycle

EMP pathway

胺基酸的生合成• Transaminase: See Page 190• Glutamic acid 生合成路徑 : Fig 4-27• 比較重要的胺基酸生合成四種

– Glutamic acid series– Aspartic acid series– Pyruvic acid series– Aromatic acid series

胺基酸的生合成• 一些碳水化合物的中間產物用於生合成各種胺基酸及核酸之路徑 : Fig 4-28

胺基酸之生分解• 可分三種形式

– 脫離胺基 (-NH2) 反應– 脫離梭基 (-CO) 反應– 脫離胺基及梭基併行反應

• 分解生成物呈毒物例子 :– Histidine Histamine– Tyrosine Tyramine– Arginine Argmatin– Tryptophan Tryptanine Oxytryptamine

Nucleotide 之合成代謝• Fig 4-29

代謝控制• 又稱代謝調節•陰性回饋調節機構

A B C D E酵素 I 酵素 II 酵素 III 酵素 IV

I R I R I R I R

I: Native feedback inhibitionR: Native feedback repression

代謝控制•陰性回饋阻害 : 微細調節作用 ,感應快

– Allosteric enzyme– Fig 4-31

•陰性回饋調節 :粗略調節作用 ,感應慢

代謝產物之蓄積

胺基酸的生產• 在微生物系中所發現的種種酵素活性控制方式 ,

Fig 4-33– Unbranched pathway to one product– Branched pathways to several products

• Multivalent feedback• Cooperative feedback• Reversal of inhibition• Inhibition by branch-point compounds• Iso-enzymes with specific effects

胺基酸的生產• Ornithine 發酵

Glutamate Ornithine, Fig 4-35• Lysine, methionine, threonine 發酵

Asparate Lysine,Fig 4-36• Glutamic acid 發酵

Glucose Glutamate,Fig 4-37Biotin cell membrane 有較高的通透性 ,Glutamate會流失至培養基中

Nucleic acids 關連物質之生產

• Phosphatase• Fig 4-38

抗生素的生產•鏈黴菌

– Aminotransferate enzyme was produced in low glucose.

•青黴素 , Fig 4-39

Amphibolic Pathway• Fig 4-40