發(fā)酵工藝：發(fā)酵工業(yè)常用碳、氮源代謝路線圖

東營菌物科學(xué) 2018-04-03

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深刻了解發(fā)酵過程主原料C源及N源的代謝，其意義在于對培養(yǎng)基進(jìn)行合理配置、并從能量、營養(yǎng)的角度對發(fā)酵過程進(jìn)行精確調(diào)控。

碳源代謝包括：糖代謝/甘油代謝/甲醇代謝/油脂代謝

氮源代謝包括：脫氨基/轉(zhuǎn)氨基

一、C源代謝

發(fā)酵工業(yè)上，碳源主要用來供給菌種生命活動所需的能量，構(gòu)成菌體細(xì)胞及代謝產(chǎn)物。常用的碳源主要有糖類、油脂及有機酸。

有關(guān)發(fā)酵常用碳源參見《發(fā)酵工程》已發(fā)布：

發(fā)酵原料：常用20種發(fā)酵碳源之比較分析

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1、糖代謝途徑

（1）EMP 途徑

EMP途徑及糖酵解途徑。葡萄糖分子經(jīng)轉(zhuǎn)化成1，6—二磷酸果糖后，在醛縮酶的催化下，裂解成兩個三碳化合物分子，即磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛； 3-磷酸甘油醛被進(jìn)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體內(nèi)糖分解代謝的普遍途徑，通過糖酵解使葡萄糖降解生成ATP，為微生物活動提供部分能量，尤其對厭氧生物是獲得能量的主要方式；同時，糖酵解途徑為其他代謝途徑提供中間產(chǎn)物（提供碳骨架），如6-磷酸葡萄糖是磷酸戊糖途徑的底物。

（2）HMP途徑

HMP途徑即磷酸戊糖途徑。葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。

磷酸戊糖進(jìn)一步通過不完全HMP途徑和完全HMP途徑進(jìn)一步代謝。

不完全HMP途徑：磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮—轉(zhuǎn)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途徑的一些酶，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸。

完全HMP途徑：由六個葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2 和水）。

HMP途徑意義：

A、為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸（與核苷酸類發(fā)酵密切相關(guān)）；

B、產(chǎn)生大量NADPH₂，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另一方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量；

C、與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系

D、途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成（芳香族氨基酸發(fā)酵代謝相關(guān)）；

E、途徑中存在3-7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用的碳源譜更為廣泛；

F、通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等

G、HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細(xì)胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。

（3）ED途徑

ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑， ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。

ED途徑在假單胞菌及其它革蘭氏陰性菌發(fā)酵代謝中常見。

ED途徑首先是葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途徑的特征反應(yīng)是關(guān)鍵中間代謝物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途徑的特征酶是KDPG醛縮酶。

此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進(jìn)行乙醇發(fā)酵。

（4）其它糖代謝途徑

糖酵解也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途徑。果糖及甘露糖通過己糖激酶的催化作用可轉(zhuǎn)變成果糖-6-磷酸，果糖還可以通過一系列酶的作用轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油醛。半乳糖可以在一些酶催化下轉(zhuǎn)變成1-磷酸葡萄糖。

2、甘油代謝途徑

甘油到磷酸二羥丙酮的分解代謝包括兩步酶促反應(yīng)。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-磷酸甘油脫氫酶的催化下氧化成磷酸二羥丙酮，進(jìn)一步返回至糖酵解途徑。此外，甘油還可以在甘油氫化酶的作用下生成D-甘油醛，后進(jìn)一步生成D-甘油酸和3-磷酸甘油醛；也可以在甘油脫水酶的作用下，單向地生成2-羥基丙醛。

3、甲醇代謝圖

甲醇首先被醇氧化酶氧化成甲醛和過氧化氫。甲醛隨后進(jìn)入兩條代謝途徑，小部分進(jìn)入分解代謝，大部分進(jìn)入合成代謝。在分解代謝中，甲醛首先被甲醛脫氫酶（FLD1p）氧化為甲酸鹽，并進(jìn)一步被甲酸鹽脫氫酶（FDH）氧化為二氧化碳，同時以電子 NADH 的形式釋放能量，同時也避免了細(xì)胞內(nèi)部甲醇積累過多而產(chǎn)生毒害作用。在合成代謝中，甲醛在二羥基丙酮合成酶的作用下與 5-磷酸木棉糖結(jié)合生成三磷酸甘油醛（GAP），GAP 隨后進(jìn)入糖酵解和 TCA 循環(huán)。

甲醇代謝路徑對畢赤酵母甲醇誘導(dǎo)型工藝優(yōu)化至關(guān)重要。

4、油脂代謝

發(fā)酵工業(yè)中使用油脂已有較長的歷史，在發(fā)酵工業(yè)中油脂具有多種用途，可以作為碳源、消沫劑、氧載體等, 能夠有效提高相應(yīng)代謝物產(chǎn)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，甘油經(jīng)甘油途徑進(jìn)入糖酵解途徑被利用，脂肪酸先被乙酰輔酶 A 硫酯活化，進(jìn)入β-氧化途徑，每循環(huán)一次脂肪酸鏈掉下兩個碳碎片為乙酰輔酶A，剩余的脂酰輔酶A化合物重新進(jìn)入降解循環(huán)，降解產(chǎn)物乙酰輔酶A可以作為產(chǎn)物合成的前體。

二、氮源代謝

氮源主要用來構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)和含氮代謝物。常用的氮源可分為有機氮源和無機氮源。

無機氮源包括：氨水、硫酸銨、尿素、硝酸鈉、硝酸銨和磷酸二氫銨等。銨鹽中的銨氮可以直接被菌體利用來合成細(xì)胞中的含氮物質(zhì)，硝基氮必須先還原成氨后，才能被進(jìn)一步利用。

有機氮源通常含有豐富的蛋白質(zhì)、多肽和游離的氨基酸。

常見的有機氮源：黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉、玉米漿、蛋白胨、魚粉、蠶蛹粉等。蛋白質(zhì)首先需要在蛋白酶的作用下分解成多肽片段，多肽通過多肽水解酶進(jìn)一步分解成氨基酸，氨基酸通過脫氨基或轉(zhuǎn)氨基等作用被利用。

有關(guān)常用氮源參見《發(fā)酵工程》已發(fā)布：

發(fā)酵原料：不同類型的N源深刻影響發(fā)酵工藝的優(yōu)化進(jìn)程

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三、三羧酸循環(huán)

三羧酸循環(huán)又稱TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的呼吸代謝中起關(guān)鍵作用。其中大多數(shù)酶在真核生物中存在于線粒體基質(zhì)中，在細(xì)菌中存在于細(xì)胞質(zhì)中；只有琥珀酸脫氫酶是結(jié)合于細(xì)胞膜或線粒體膜上。

1、三羧酸循環(huán)說明

丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO₂和H₂O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。