1、關(guān)于發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)第1頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四第三章 發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)第一節(jié) 發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物代謝第二節(jié) 微生物代謝調(diào)節(jié)機制第三節(jié) 糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制第四節(jié) 氨基酸和核苷酸發(fā)酵機制第五節(jié) 抗生素發(fā)酵機制第六節(jié) 微生物發(fā)酵動力學(xué)第2頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四本章要求掌握初級與次級代謝的產(chǎn)物掌握微生物代謝調(diào)節(jié)的方式掌握酶活性被抑制的方式了解發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)第3頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四第一節(jié) 發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物初級代謝及產(chǎn)物 多糖、蛋白質(zhì)、核酸和氨基酸等。次級代

2、謝及產(chǎn)物 抗生素、毒素、激素和色素等。對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。第4頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié)方式與機制一、調(diào)節(jié)方式代謝途徑區(qū)域化代謝流向的調(diào)控代謝速度的調(diào)控細胞透性的調(diào)節(jié)能荷調(diào)節(jié)酶量（粗調(diào)）酶活（細調(diào)）酶合成的誘導(dǎo)酶合成的阻遏酶活性的激活酶活性的抑制第5頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（一）代謝途徑區(qū)域化原核微生物細胞雖然沒有復(fù)雜的具有膜結(jié)構(gòu)的細胞器，但也劃分出不同的區(qū)域，對于

3、某一代謝途徑有關(guān)的酶系集中在某一區(qū)域，以保證這一代謝途徑酶促反應(yīng)的順利進行，避免了其他途徑的干擾；真核微生物細胞里，各種酶系被細胞器隔離分布，使其代謝活動只能在特定的部位上進行，如與呼吸產(chǎn)能有關(guān)的酶系集中于線粒體內(nèi)膜上，DNA合成的某些酶位于細胞核里。第6頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（二）代謝流向的調(diào)控微生物在不同條件下可以通過控制各代謝途徑中某個酶促反應(yīng)的速率來控制代謝物的流向，從而保持機體代謝的平衡。1、由一個關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng) 同一個酶可以通過不同的輔基（或輔酶）控制代謝物的流向；谷氨酸脫氫酶 + NADP+ 催化谷氨酸的合成谷氨酸脫氫酶 + NAD+ 催化谷

4、氨酸的分解第7頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、由兩種酶控制的逆單向反應(yīng) 在生物體代謝的關(guān)鍵部位的某些反應(yīng)，是由兩種不同的酶來催化的。即在一個“可逆”反應(yīng)中，其中一個酶催化正反應(yīng)，另一種酶則催化逆反應(yīng)。如： 葡萄糖+ATP 6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖+H2O 葡萄糖+Pi己糖激酶6-磷酸葡萄糖酯酶微生物體內(nèi)利用兩種完全不同的酶，能十分精確地控制正反應(yīng)和逆反應(yīng)。（二）代謝流向的調(diào)控第8頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（三）代謝速度的調(diào)控1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)） 通過酶量的變化來控制代謝的速率。從本質(zhì)上看，酶合成的調(diào)節(jié)是在基因表達水平上起作用的。 酶

5、合成的誘導(dǎo)（induction of enzyme synthesis）協(xié)同誘導(dǎo)：一種誘導(dǎo)劑可以同時誘導(dǎo)產(chǎn)生若干種酶的現(xiàn)象。順序誘導(dǎo)：一種誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶的反應(yīng)產(chǎn)物可繼續(xù)誘導(dǎo)產(chǎn)生下一個酶，這種連續(xù)誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列酶的現(xiàn)象稱為順序誘導(dǎo)。第9頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四 酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis ）終點產(chǎn)物反饋阻遏：合成代謝過程中，相關(guān)酶的合成被過量終點產(chǎn)物所阻遏。分解代謝物阻遏：可被組成酶快速利用的基質(zhì)，阻遏了分解難利用基質(zhì)的酶的合成。1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）如：二次生長現(xiàn)象。在啟動序列上游有兩個位點，RNA聚合酶的結(jié)合

6、位點和cAMP-CAP結(jié)合位點。當(dāng)沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時， 形成cAMP-CAP ，該復(fù)合物結(jié)合在啟動序列后，RNA聚合酶才能與啟動序列結(jié)合，酶的合成才能開始；當(dāng)葡萄糖存在時，葡萄糖降解物抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性， 導(dǎo)致cAMP濃度降低，cAMP與CAP的結(jié)合受阻，CAP不能被活化而無法結(jié)合至啟動子，導(dǎo)致RNA聚合酶無法與啟動序列結(jié)合，因此乳糖操縱子表達下降。 第10頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制：操縱子學(xué)說1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）乳糖操縱子操縱子是指基因組DNA分子的一個片段，這個片斷由啟動子、調(diào)節(jié)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成。誘導(dǎo)型操縱子：

7、效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達。阻遏型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達的關(guān)閉。第11頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四第12頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四PRPOzya半乳糖苷酶半乳糖苷滲透酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；溉樘遣倏v子的誘導(dǎo)機制第13頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、酶活性的調(diào)節(jié)（細調(diào)） 一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。酶活調(diào)節(jié)的影響因素包括：底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度、壓力、pH、離子強度、輔助因子以及其他酶的存在等等。特點是反應(yīng)快速。 酶活性的激活（activation）前體激活：代謝途徑中后面的酶

8、促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個中間產(chǎn)物所促進。代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：代謝中間產(chǎn)物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用。第14頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、酶活性的調(diào)節(jié)（細調(diào)） 酶活性的抑制（inhibition）：大多是反饋抑制A. 無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。A B C D X Ea Eb Ec 抑制第15頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四B. 有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式較為復(fù)雜。分述如下：2、酶活性的調(diào)節(jié)（細調(diào)）酶的順序反饋抑制A

9、B C EaD E YF G Z Eb Ec抑制抑制抑制兩個末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個酶Ea，而是分別抑制分支點后的Eb和Ec，造成中間產(chǎn)物C的積累，高濃度的C再反饋抑制Ea。第16頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四同工酶的反饋抑制途徑中的第一個反應(yīng)（A B）被兩個不同的酶所催化，一個酶被Y抑制，另一個酶被Z抑制。只有當(dāng)Y和Z同時過量才能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)锽。另兩個控制點（C D），（C F），分別受Y或Z的抑制。同工酶是能催化同一生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的一類酶。A B C E2D E YF G ZE1E3E4抑制抑制抑制抑制第1

10、7頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四協(xié)同反饋抑制末端產(chǎn)物Y和Z單獨過量，對途徑中第一個酶E1無抑制作用，只有Y和Z同時過量，才能對E1具有抑制作用。另兩個控制點的酶E2和E3分別被Y和Z所抑制。A B C E1D E YF G ZE3E2抑制抑制抑制第18頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四累積反饋抑制末端產(chǎn)物Y和Z單獨過量時，各自對途徑中第一個酶E1僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。只有當(dāng)Y和Z同時過量，才能對E1產(chǎn)生較大的抑制作用。A B C E1D E YF G Z40%30%58%第19頁，共78頁，2022年，5月

11、20日，3點2分，星期四超相加反饋抑制末端產(chǎn)物Y和Z單獨過量時，各自對途徑中第一個酶E1僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。當(dāng)Y和Z同時過量，對E1產(chǎn)生的抑制作用則超過各種末端產(chǎn)物單獨過量時的抑制的總和。A B C E1D E YF G Z15%20%90%第20頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四 酶活性調(diào)節(jié)的分子機制主要有兩種理論解釋：別構(gòu)調(diào)節(jié)理論（酶分子構(gòu)象的改變）酶分子的化學(xué)修飾理論（酶分子結(jié)構(gòu)的改變）別構(gòu)酶除了具有與底物結(jié)合的催化中心外，還具有與調(diào)節(jié)劑結(jié)合的調(diào)節(jié)中心。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑以非共價鍵結(jié)合后，酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，引起催化中心改變，

12、從而引起酶活性的變化。酶的共價修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質(zhì)發(fā)生共價鍵的結(jié)合或解離，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活性）和去磷酸化（低活性）。第21頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（四）細胞透性的調(diào)節(jié)細胞質(zhì)膜的透性直接影響物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌，從而影響到細胞內(nèi)代謝的變化。第22頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四對利用ATP的途徑（合成代謝）的酶活性或形成ATP的途徑（分解代謝）的酶活性的調(diào)節(jié)。（五）能荷調(diào)節(jié)第23頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四二、微生物代謝調(diào)控機制 微

13、生物在正常情況下，通過細胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個代謝途徑的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既不缺少又不會過多的積累。而人類利用微生物進行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)物，因此對微生物的代謝必須進行人工控制。 一、積累代謝產(chǎn)物的有效措施（一）反饋抑制作用的解除：實質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶（別構(gòu)酶）的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物或其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末端產(chǎn)物；第24頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（二）反饋阻遏作用的解除：實質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變，使調(diào)節(jié)蛋白改變或不發(fā)生，調(diào)節(jié)蛋白不再與末端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同操縱基因結(jié)合

14、，從而解除了末端產(chǎn)物對酶合成的阻遏；（三）遺傳障礙：使某酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改變，可以解除末端產(chǎn)物對途徑中的第一個酶的反饋抑制，積累中間產(chǎn)物；（四）使細胞膜透性增大：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型，通過控制甘油或生物素或油酸濃度以控制細胞膜的透性，使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物外漏，緩解反饋抑制或阻遏作用。第25頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四二、人工控制微生物代謝的手段（一）生物合成途徑的遺傳控制1、代謝缺陷型菌株2、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸3、產(chǎn)物降解酶缺失突變株4、細胞膜組分的缺失突變代謝調(diào)節(jié)控制育種通過特定突變型的選育，達到改變代

15、謝通路、降低支路代謝總產(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷代謝途徑及提高細胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進行。第26頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四1、代謝缺陷型菌株 直線型合成途徑中的營養(yǎng)缺陷型突變株，這類菌株不能積累末端產(chǎn)物，只能積累中間產(chǎn)物； 在分支代謝途徑中，可利用營養(yǎng)缺陷型來合成某種末端產(chǎn)物。第27頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、抗代謝類似物的突變菌株菌體通常需要各種代謝物如維生素、氨基酸等合成菌體需要的成分，如果有與代謝物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)（即抗代謝物）存在，則可能產(chǎn)生兩種結(jié)果：抗代謝物和代謝物競爭同一個酶，使代謝物不能進一步合成菌體需要的成分；抗代

16、謝物代替代謝物合成生理上無活性的化合物。通過誘變篩選出對抗代謝物相對應(yīng)的代謝物不敏感，因此可以解除代謝物的反饋抑制作用。第28頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四Asp Asp-P AsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例：黃色短桿菌抗-氨基-羥基戊酸（AHV）菌株能積累蘇氨酸AK1和HSDH的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因突變，不能與蘇氨酸的結(jié)構(gòu)類似物（AHV）結(jié)合，當(dāng)然也不會同蘇氨酸結(jié)合，所以能解除蘇氨酸對AK1和HSDH的反饋抑制，因而積累蘇氨酸。Asp：天門冬氨酸；Asp-P：天門冬氨酰磷酸；Asa：天門冬氨酸半醛；Hse：高絲氨酸；Thr：蘇氨酸；Met：甲硫

17、氨酸；Lys：賴氨酸；AK：天門冬氨酸激酶；HSDH：高絲氨酸脫氫酶第29頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四3、產(chǎn)物降解酶缺失突變株有的代謝產(chǎn)物由于相應(yīng)降解酶的存在而在發(fā)酵液中不能穩(wěn)定存在，因此可通過誘變獲得缺乏降解產(chǎn)物的酶的菌株使發(fā)酵單位提高。將誘變處理后的菌種接種到完全培養(yǎng)基上，生成的菌落再以影印法分別接種到含葡萄糖培養(yǎng)基和以產(chǎn)物作為唯一碳源的培養(yǎng)基上。在后一種培養(yǎng)基上不能生長的菌落就是缺乏產(chǎn)物降解酶的變異株。第30頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四4、細胞膜組分的缺失突變以前經(jīng)常提到反饋抑制和反饋阻遏，都是由于末端產(chǎn)物的濃度過高引起的。利用細胞膜組

18、分的缺失突變使細胞膜的透性增大，可使代謝產(chǎn)物易于分泌到胞外，從而達到解除末端產(chǎn)物抑制或阻遏的目的。第31頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四例1：谷氨酸棒桿菌（生物素缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸PEP Pyr AcCoAOAA kg GluMalPCPEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Pyr：丙酮酸；AcCoA：乙酰輔酶A；OAA：草酰乙酸； kg： -酮戊二酸；Glu：谷氨酸；Mal：蘋果酸；PC：丙酮酸羧化酶生物素是丙酮酸羧化酶的輔酶，生物素在低于亞適濃度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化產(chǎn)生草酰乙酸，進而有利于谷氨酸的合成；生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰輔酶A羧化酶的輔酶，該酶催化

19、乙酰輔酶A羧化生成丙二酸單酰輔酶A，再經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化合成脂肪酸，而脂肪酸又是構(gòu)成細胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可間接地影響細胞膜的透性。生物素對谷氨酸合成的影響第32頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四例2：溶烷棒桿菌GL-21（甘油缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸磷酸二羥丙酮 -磷酸甘油 磷酯PGDH該菌株的-磷酸甘油脫氫酶（PGDH）缺失，因此不能正常合成-磷酸甘油和磷酯。影響了細胞膜結(jié)構(gòu)的合成而使得細胞膜透性增大，有利于谷氨酸在菌體外積累。第33頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（二）微生物發(fā)酵條件的控制當(dāng)菌株確定后，環(huán)境條件合適與否是發(fā)酵成敗的重要因素，環(huán)境條件

20、既影響微生物的生長，又影響代謝的速度和方向及產(chǎn)物的形成和積累。主要的有溫度、pH、氧氣含量、離子濃度等多種因素(見第六章）。第34頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四第三節(jié) 糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制一、 厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機制 葡萄糖在微生物細胞中進行厭氧分解時，通過EMP（糖酵解途徑）、HMP（磷酸戊糖途徑）、ED （ 2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑）及PK（磷酸酮解酶途徑）和HK （磷酸己糖解酮酶途徑）形成多種中間代謝產(chǎn)物,進一步轉(zhuǎn)化形成不同的發(fā)酵產(chǎn)物。第35頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四由表可見，在微生物細胞中，有的同時存在多條途徑來降

21、解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經(jīng)何種途徑代謝，對發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。葡萄糖三條降解途徑在不同微生物中的分布菌名EMP（%）HMP（%）ED（%）釀酒酵母8812產(chǎn)朊假絲酵母66811934灰色鏈霉菌973產(chǎn)黃青霉7723大腸桿菌7228銅綠假單胞菌2971嗜糖假單胞菌100枯草桿菌7426氧化葡萄糖桿菌100真養(yǎng)產(chǎn)堿菌100運動發(fā)酵單胞菌100藤黃八疊球菌7030第36頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四分解代謝起源中間代謝產(chǎn)物在生物合成中的作用葡萄糖 半乳糖 多糖EMP途徑HMP途徑HMP途徑EMP途徑EMP途徑 ED途徑EMP途徑三羧

22、酸循環(huán)三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧 脂肪氧化葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A核苷糖類戊糖 多糖貯藏物核苷酸 脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸 葡萄糖異生 CO2固定胞壁酸合成 糖的運輸丙氨酸 纈氨酸 亮氨酸 CO2固定絲氨酸 甘氨酸 半胱氨酸谷氨酸 脯氨酸 精氨酸 賴氨酸天冬氨酸 賴氨酸 蛋氨酸 蘇氨酸 異亮氨酸脂肪酸 類異戊二烯 甾醇第37頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP

23、乙醇脫氫酶1、酵母菌的乙醇發(fā)酵（型發(fā)酵）該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。（一）酵母菌發(fā)酵（通過EMP途徑進行）第38頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、酵母菌的型發(fā)酵當(dāng)培養(yǎng)基中加入適量NaHSO3，酵母的乙醇發(fā)酵會轉(zhuǎn)變?yōu)楦视桶l(fā)酵。原因：該條件下NaHSO3與乙醛結(jié)合成難溶的復(fù)合物磺化羥基乙醛，乙醛不能作為受氫體，迫使磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成 -磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。結(jié)果：形成大量甘油和少量乙醇。第39頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、酵母菌的型發(fā)酵丙酮酸CO2乙醛NADH

24、NAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（pH7）Saccharomyces cerevisiae厭氧發(fā)酵（磺化羥基乙醛）酵母菌的二型發(fā)酵第40頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四當(dāng)發(fā)酵液處在弱堿性（pH7.6）條件下，酵母的乙醇發(fā)酵也會改為甘油發(fā)酵。原因：微堿性條件下乙醛因得不到足夠的氫而積累，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此時也由磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶

25、催化，生成甘油。 這種發(fā)酵方式不產(chǎn)生能量，只在非生長情況下進行。2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO23、酵母菌的型發(fā)酵第41頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四3.酵母菌的型發(fā)酵丙酮酸CO22個乙醛H不足乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油Saccharomyces cerevisiae厭氧發(fā)酵酵母菌的三型發(fā)酵（ pH7.6 ）乙酸第42頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源通風(fēng)對酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細胞的繁殖低（接近零

26、）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(Pasteur effect)現(xiàn)象：第43頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四巴斯德效應(yīng)（Pasteur effect）機理 巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)：厭氧條件下酵母菌進行酒精發(fā)酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧條件下，酵母菌進行呼吸作用，脫氫產(chǎn)生的NADH進入電子傳遞鏈產(chǎn)生大量ATP，而不能用于乙醛的還原，這樣乙醇的產(chǎn)量就會降低。同時由于ATP濃度的升高，抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，從而葡萄糖的利用也降低，糖的消耗速度較低，酒精產(chǎn)量也降低。 呼吸抑制發(fā)酵作用的的現(xiàn)象 巴斯德效應(yīng)的本質(zhì)是能荷調(diào)節(jié) 第44頁，共78頁，2022年

27、，5月20日，3點2分，星期四（二）細菌的乙醇發(fā)酵葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸乙醇 乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運動發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌等途徑：ED第45頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四利用Z.mobilis等細菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少 代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；不必定期供氧。缺點：pH5較易染菌；耐乙醇能力（7%）較酵母（8-10%）低。第46頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（三）乳酸菌發(fā)酵乳酸細菌是一群能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸的細菌的統(tǒng)

28、稱，產(chǎn)生乳酸的過程稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑）雙歧桿菌發(fā)酵: （經(jīng)HK途徑磷酸己糖酮解酶途徑） 菌種包括：乳桿菌屬（Lactobacillus）、鏈球菌屬（Streptococcus）、明串珠菌屬（Leuconostoc）、片球菌屬（Pediococcus）、和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）。第47頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2( 1,3-二-磷酸甘油酸） 2乳酸 2丙酮酸

29、1、同型乳酸發(fā)酵2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPStreptococcus lactis (乳鏈球菌)Lactobacillus casei（乳酸乳桿菌）Lactobacillus delbruckii（德氏乳桿菌） 第48頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四2、異型乳酸發(fā)酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇 乙醛 乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2 一些異型發(fā)酵乳酸桿菌例如Leuconostoc mesenteroides（腸膜明串珠菌等，因缺乏E

30、MP途徑中的若干重要酶醛縮酶和異構(gòu)酶，因此其葡萄糖的降解依賴HMP途徑。 第49頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四第50頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四磷酸己糖解酮酶途徑HK 2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖 乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途徑同EMP乙酸激酶3、雙歧發(fā)酵第51頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（四）混合酸發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲

31、酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。 葡萄糖琥泊酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸 丙酮酸 乙醛 乙酰 CoA 甲酸 乙醇 乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH6.2產(chǎn)氣 產(chǎn)酸第52頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四（五）2, 3-丁二醇發(fā)酵 葡萄糖 乳酸 丙酮酸乙醛 乙酰CoA 甲酸乙醇 -乙酰乳酸 二乙酰 3-羥基丁酮 2,3-丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌和歐文氏

32、菌屬中的一些細菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。EMP第53頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制（一）檸檬酸1874年首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結(jié)晶成固體；1913年首次實現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。1953年，Jagnnathan等證實了黑曲霉中存在EMP途徑的所有酶；1954年，Shu提出葡萄糖分解代謝中約80走EMP途徑；1958年，MeDomough等發(fā)現(xiàn)黑曲霉還存在HMP途徑的酶，但HMP途徑主要存在于孢子形成階段；19541955年，Ramakrishman和Martin研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉中存在三羧酸循環(huán)；第54頁，共78頁，20

33、22年，5月20日，3點2分，星期四淀粉葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖磷酸丙糖磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸乙酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸-酮戊二酸琥珀酸富馬酸CO2Fe2+CO2CO21 檸檬酸生物合成途徑檸檬酸合成酶：丙酮酸羧化酶； ：順烏頭酸水合酶異檸檬酸脫氫酶第55頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四 Mn抑制蛋白合成NH4解除磷酸果糖激酶的代謝調(diào)節(jié)，促進EMP途徑的暢通有一條呼吸活力強的不產(chǎn)生ATP的側(cè)系呼吸鏈 由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調(diào)節(jié)控制。2+ 缺乏2、檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)第56頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四 丙

34、酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA和CO2固定兩個反應(yīng)的平衡，以及檸檬酸合成酶不被調(diào)節(jié)，增強了合成檸檬酸的能力。 由于順烏頭酸水合酶在催化時建立了以下平衡： 檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7 同時控制Fe2+含量時，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。 當(dāng)銅離子0.3mg/L，鐵離子2mg/L和pH2.0情況下，順烏頭酸水合酶、NAD和NADP-異檸檬酸脫氫酶均不出現(xiàn)活力，發(fā)酵中檸檬酸正是在這個pH條件下積累的。 第57頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四隨著檸檬酸積累，pH降低到一定程度時，使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活，更有利于檸檬酸的積累及排出細胞外。第58頁，共78頁

35、，2022年，5月20日，3點2分，星期四第四節(jié) 氨基酸和核酸的發(fā)酵機制一、氨基酸發(fā)酵機制1 EMP途徑、HMP途徑 谷氨酸生產(chǎn)菌存在著兩種代謝途徑：EMP、HMP ；EMP/HMP=10/90。2 TCA、DCA和CO2固定作用 a.TCA環(huán)（三羧酸循環(huán)） b.DCA環(huán)（乙醛酸循環(huán)） c.CO2固定 PEP+CO2+GDP 草酰乙酸+GDP CO2 丙酮酸 蘋果酸 草酰乙酸 CO2 NAD+ NADH+H+PEP羧化酶蘋果酸酶蘋果酸脫氫酶第59頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四3、氨的導(dǎo)入 -酮戊二酸還原氨基化谷氨酸 氨的導(dǎo)入有三種方式 谷氨酸合成酶途徑二 細胞膜通透性控

36、制 -酮戊二酸脫氫酶活性極低或缺失 細胞膜對谷氨酸的通透性高 由天冬氨酸或丙酮酸通過氨基 轉(zhuǎn)移，將氨基轉(zhuǎn)給-酮戊二酸谷氨酸脫氫酶活性很高， 不被低濃度的谷氨酸抑制谷氨酸生產(chǎn)菌的 主要生化特點第60頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四葡萄糖6-磷酸葡萄糖NADPH2乙酰輔酶A6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核糖3-磷酸甘油醛果糖-1，6-二磷酸蘋果酸丙酮酸CO2異檸檬酸CO2草酰乙酸順烏頭酸CO2乳酸NAD+ NADH2檸檬酸NADP+CO2NADH2NAD+草酰琥珀酸酮戊二酸琥珀酸延胡索酸谷氨酸NADPH2NADP+NADP+NADPH2乙醛酸乙酰輔酶ACO2CO2葡萄糖

37、生物合成谷氨酸的代謝途徑EMP途徑HMP途徑TCA循環(huán)乙醛酸循環(huán)谷氨酸發(fā)酵機制天冬氨酸磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶第61頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四D-蘇氨酸L-蘇氨酸-酮基丁酸L-異亮氨酸L-蘇氨酸脫氫酶反饋抑制D-蘇氨酸脫氫酶分支鏈氨基酸發(fā)酵：異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸第62頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-半醛N-乙酰鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精氨酸負反饋控制N-乙酰谷氨酸激酶Arg-Cit - 降低反饋作用物的濃度鳥氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機制第63頁，共78頁，2022年，5月20日，3點

38、2分，星期四葡萄糖5-磷酸核糖ATPADPMg2+，HPO42-PRPP合成酶磷酸核糖焦磷酸（PRPP）谷氨酰胺+H2O谷氨酸+HP2O73-5-磷酸核糖酸（PRA）Mg2+GAR合成酶甘氨酸ATPADP+Pi甘氨酰胺核苷酸（GAR）N10-甲酰THFAH2OTHFA甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）磷酸核糖甘氨酰胺轉(zhuǎn)甲酰酶GlnH2OGLUADPATP+Pi甲酰甘氨咪核苷酸（FGAM）Mg2+K+ATPADP+Pi5-氨基咪唑核苷酸（AIR）CO2AIR羧化酶5-氨基-4-甲酸咪唑核苷酸（CAIR）5-氨基-4-（N-琥珀基）甲酰胺核苷酸（CAIR)ASPATPADP+PiMg2+SAICAR合成酶延胡索酸腺苷酸琥珀酸裂解酶5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸（AICAR）5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸（FAICAR）N10-甲酰THFAH2OIMP環(huán)化脫水酶次黃嘌呤核苷酸(IMP)THFAPRPP轉(zhuǎn)酰胺酶GMP、IMPAMP、GDP、ADP核苷酸發(fā)酵第64頁，共78頁，2022年，5月20日，3點2分，星期四IMP腺苷琥珀酸（SAMP）SAMP裂解酶延胡索酸AMPSAMP合成酶GDP+PiGTP+天冬氨酸黃嘌呤核苷-磷酸（XMP）NAD+NADH鳥嘌呤核苷酸（GMP）GMP還原酶XMP氨化酶谷氨酰胺谷氨酸+AMP+PPi+ATP+H2OAMP脫氨酶IMP脫氫酶ADPATP