微生物應用工業 Ch4. 微生物之發酵代謝 阮雪芬 2003 Nov NTUT

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 –C 6 H 13 O 6 + 6O 2  6CO 2 + H 2 O, 36ATP 發酵 –C 6 H 12 O 6  2CH 3 CHOHCOOH, 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 : Fig4-6 H  Electron acceptor AH2 A NAD FAD Cyt bCyt cCyt aCyt a3 1/2O 2 O 2- ATP

微生物的氧化代謝與電子 傳遞 G 0 = -nF E 0 CHCOCOOH + NADH +H + CH 3 CHOHCOOH ( 乳酸 )+ NAD + CH 3 CHO + NADH +H + CH 3 CH 2 OH ( 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 fermentation 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  CH 3 HO  Ethanol Pyruvic acid  CH 3 HO  Glycerin Decarboxylase Dehydrogenase Na 2 SO 3

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 CO 2 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 (TCA cycle) Fig Pyruvic acid  3 CO 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 : CH 4  CH 3 OH  HCHO  CO 2 C 1 - 化合物之代謝路徑 – 有兩種 : Serine Allulose –Fig 4-26

氮的代謝作用

多數黴菌可資化 NO 3 - or NH 4 + 等無機氮 化合物, 但有些則不能 可資化 NO 3 - or NH 4 + 等無機氮化合物的 黴菌有 :Rhizopus & Mucor 不可資化 NO 3 - or NH 4 + 等無機氮化合物 的黴菌有 :Aspergillus & Penicillium

胺基酸的生合成 Alpha-ketoglutaric acid + NH 3 L-glutamic acid Fumalic acid + NH 3 L-aspartic acid Pyruvic acid + NH 3 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 (-NH 2 ) 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 BC D E 酵素 I 酵素 II 酵素 III 酵素 IV I R I: Native feedback inhibition R: 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 4-37 Biotin  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