发酵工程课件第六章.ppt

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1、第六章第六章 发酵机制及发酵动力学发酵机制及发酵动力学第一节第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢第二节第二节 微生物代谢调节机制微生物代谢调节机制第三节第三节 糖代谢产物的发酵机制糖代谢产物的发酵机制第四节第四节 氨基酸和核苷酸发酵机制氨基酸和核苷酸发酵机制第五节第五节 抗生素发酵机制抗生素发酵机制第六节第六节 微生物发酵动力学微生物发酵动力学本章要求本章要求w掌握初级与次级代谢的产物掌握初级与次级代谢的产物w掌握微生物代谢调节的方式掌握微生物代谢调节的方式w掌握酶活性被抑制的方式掌握酶活性被抑制的方式w了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学了解发酵产物的发

2、酵机制及发酵动力学第一节第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢w初级代谢及产物初级代谢及产物 多糖、蛋白质、核酸和氨基酸等。多糖、蛋白质、核酸和氨基酸等。w次级代谢及产物次级代谢及产物 抗生素、毒素、激素和色素等。抗生素、毒素、激素和色素等。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和长时期即稳定期所产生的，来自于中间代

3、谢产物和初级代谢产物。初级代谢产物。第二节第二节 代谢调节方式与机制代谢调节方式与机制一、调节方式一、调节方式w代谢途径区域化代谢途径区域化w代谢流向的调控代谢流向的调控w代谢速度的调控代谢速度的调控w细胞透性的调节细胞透性的调节w能荷调节能荷调节酶量（粗调）酶量（粗调）酶活（细调）酶活（细调）酶酶合成合成的的诱导诱导酶酶合成合成的的阻遏阻遏酶酶活性活性的的激活激活酶酶活性活性的的抑制抑制原核微生物细胞原核微生物细胞虽然没有复杂的具有膜结构的细胞器，虽然没有复杂的具有膜结构的细胞器，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集中在某一区域，

4、以保证这一代谢途径酶促反应的顺利集中在某一区域，以保证这一代谢途径酶促反应的顺利进行，避免了其他途径的干扰；进行，避免了其他途径的干扰；真核微生物细胞真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布，使里，各种酶系被细胞器隔离分布，使其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于合成的某些酶位于细胞核里。细胞核里。微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。

5、率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。1、由一个关键酶控制的可逆反应、由一个关键酶控制的可逆反应 同一个酶可以通过不同的辅基（或辅酶）控制代谢物的同一个酶可以通过不同的辅基（或辅酶）控制代谢物的流向；流向；谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶 +NADP+催化谷氨酸的合成催化谷氨酸的合成谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶 +NAD+催化谷氨酸的分解催化谷氨酸的分解2、由两种酶控制的逆单向反应、由两种酶控制的逆单向反应 在生物体代谢的关键部位的某些反应，是由两种不同的在生物体代谢的关键部位的某些反应，是由两种不同的酶来催化的。即在一个酶来催化的。即在一个“可逆可逆”反应中，其中一个酶催反应中，其中一个酶催化正

6、反应，另一种酶则催化逆反应。化正反应，另一种酶则催化逆反应。如：如：葡萄糖葡萄糖+ATP 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖+H2O 葡萄糖葡萄糖+Pi己糖激酶己糖激酶6-磷酸葡萄糖酯酶磷酸葡萄糖酯酶微生物体内利用两种完全不同的酶，能十分精确地微生物体内利用两种完全不同的酶，能十分精确地控制正反应和逆反应。控制正反应和逆反应。1、酶合成的调节（粗调）、酶合成的调节（粗调）通过酶量的变化来控制代谢的速率。从本质上看，酶通过酶量的变化来控制代谢的速率。从本质上看，酶合成的调节是在基因表达水平上起作用的。合成的调节是在基因表达水平上起作用的。酶合成的诱导（酶合成的诱导（inductio

7、n of enzyme synthesis）协同诱导：协同诱导：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。顺序诱导：顺序诱导：一种诱导剂诱导产生的酶的反应产物可继续诱一种诱导剂诱导产生的酶的反应产物可继续诱导产生下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为导产生下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为顺序诱导。顺序诱导。酶合成的阻遏（酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis）终点产物反馈阻遏：终点产物反馈阻遏：合成代谢过程中，相关酶的合成被过合成代谢过程中，相关酶的合成被过量终点产物所阻遏。量终点产物所阻遏。分解代

8、谢物阻遏：分解代谢物阻遏：可被组成酶快速利用的基质，阻遏了分可被组成酶快速利用的基质，阻遏了分解难利用基质的酶的合成。解难利用基质的酶的合成。1、酶合成的调节（粗调）、酶合成的调节（粗调）如：二次生长现象。在启动序列上游有两个位点，如：二次生长现象。在启动序列上游有两个位点，RNA聚合酶的结合位聚合酶的结合位点和点和cAMP-CAP结合位点。当没有葡萄糖及结合位点。当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，浓度较高时，形成形成cAMP-CAP，该复合物结合在启动序列后，该复合物结合在启动序列后，RNA聚合酶才能与启动序列聚合酶才能与启动序列结合，酶的合成才能开始；当葡萄糖存在时，葡萄糖降解物抑制腺苷酸

9、结合，酶的合成才能开始；当葡萄糖存在时，葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性，环化酶的活性，导致导致cAMP浓度降低，浓度降低，cAMP与与CAP的结合受阻，的结合受阻，CAP不不能被活化而无法结合至启动子，导致能被活化而无法结合至启动子，导致RNA聚合酶无法与启动序列结合，聚合酶无法与启动序列结合，因此乳糖操纵子表达下降。因此乳糖操纵子表达下降。酶合成调节的遗传机制：操纵子学说酶合成调节的遗传机制：操纵子学说1、酶合成的调节（粗调）、酶合成的调节（粗调）乳糖操纵子乳糖操纵子操纵子是指基因组操纵子是指基因组DNA分子的一个片段，这个片断分子的一个片段，这个片断由启动子、调节基因、操纵基因和结构基

10、因组成。由启动子、调节基因、操纵基因和结构基因组成。诱导型操纵子：效应物存在导致基因表达。诱导型操纵子：效应物存在导致基因表达。阻遏型操纵子：效应物存在导致基因表达的关闭。阻遏型操纵子：效应物存在导致基因表达的关闭。PRP Ozya半乳糖苷酶半乳糖苷渗透酶半乳糖苷转乙酰基酶乳糖操纵子的诱导机制乳糖操纵子的诱导机制2、酶活性的调节（细调）、酶活性的调节（细调）一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。酶活调节的影响因素包括：底物和产节其催化反应的速率。酶活调节的影响因素包括：底物和产物的性质和浓度、压力、物的性质和浓度、压

11、力、pH、离子强度、辅助因子以及其他离子强度、辅助因子以及其他酶的存在等等。特点是反应快速。酶的存在等等。特点是反应快速。酶活性的激活（酶活性的激活（activation）前体激活：前体激活：代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。前面的一个中间产物所促进。代谢中间产物的反馈激活：代谢中间产物的反馈激活：代谢中间产物对该代谢途径的代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用。前面的酶起激活作用。2、酶活性的调节（细调）、酶活性的调节（细调）酶活性的抑制（酶活性的抑制（inhibition）：）：大多是反馈抑制大多是反馈抑制A.无

12、分支代谢途径无分支代谢途径的调节：通常是在线形的代谢途径的调节：通常是在线形的代谢途径中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。A B C D X Ea Eb Ec 抑制抑制B.有分支代谢途径有分支代谢途径的调节：在有两种或两种以上的末的调节：在有两种或两种以上的末端产物的分支代谢途径中，调节方式较为复杂。分述如端产物的分支代谢途径中，调节方式较为复杂。分述如下：下：2、酶活性的调节（细调）、酶活性的调节（细调）A B C EaD E YF G Z Eb Ec抑制抑制抑制抑制抑制抑制两个末端产物，不能直接抑制途径中的第一个酶两个末端产物，不能直

13、接抑制途径中的第一个酶Ea，而是而是分别抑制分支点后的分别抑制分支点后的Eb和和Ec，造成中间产物造成中间产物C的积累，高的积累，高浓度的浓度的C再反馈抑制再反馈抑制Ea。途径中的第一个反应（途径中的第一个反应（A B）被两个不同的酶所催化，一被两个不同的酶所催化，一个酶被个酶被Y抑制，另一个酶被抑制，另一个酶被Z抑制。只有当抑制。只有当Y和和Z同时过量同时过量才能完全阻止才能完全阻止A转变为转变为B。另两个控制点（另两个控制点（C D），（），（C F），），分别受分别受Y或或Z的抑制。的抑制。同工酶是能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别同工酶是能催化同一生化反应，但它们的结构稍

14、有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。被相应的末端产物抑制的一类酶。A B C E2D E YF G ZE1E3E4抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制末端产物末端产物Y和和Z单独过量，对途径中第一个酶单独过量，对途径中第一个酶E1无抑制作用，无抑制作用，只有只有Y和和Z同时过量，才能对同时过量，才能对E1具有抑制作用。另两个控制具有抑制作用。另两个控制点的酶点的酶E2和和E3分别被分别被Y和和Z所抑制。所抑制。A B C E1D E YF G ZE3E2抑制抑制抑制抑制抑制抑制末端产物末端产物Y和和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产仅产生较小的抑制作

15、用，一种末端产物过量并不影响其他末端产生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产物的形成。只有当物的形成。只有当Y和和Z同时过量，才能对同时过量，才能对E1产生较大的抑产生较大的抑制作用。制作用。A B C E1D E YF G Z40%30%58%末端产物末端产物Y和和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产仅产生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产物的形成。当物的形成。当Y和和Z同时过量，对同时过量，对E1产生的抑制作用则超过产生的抑制作用则超过各种末端产物单独过量时的抑制的总和。

16、各种末端产物单独过量时的抑制的总和。A B C E1D E YF G Z15%20%90%酶活性调节的分子机制酶活性调节的分子机制主要有两种理论解释：主要有两种理论解释：别构调节理论别构调节理论别构调节理论别构调节理论（酶分子构象的改变）（酶分子构象的改变）酶分子的化学修饰理论酶分子的化学修饰理论酶分子的化学修饰理论酶分子的化学修饰理论（酶分子结构的改变）（酶分子结构的改变）别构酶除了具有与底物结合的催化中心外，还具有与调节别构酶除了具有与底物结合的催化中心外，还具有与调节剂结合的调节中心。当酶与调节剂以非共价键结合后，酶剂结合的调节中心。当酶与调节剂以非共价键结合后，酶蛋白的构象发生变化，引

17、起催化中心改变，从而引起酶活蛋白的构象发生变化，引起催化中心改变，从而引起酶活性的变化。性的变化。酶的共价修饰是酶蛋白在修饰酶催化下，可与某些物质发酶的共价修饰是酶蛋白在修饰酶催化下，可与某些物质发生共价键的结合或解离，从而导致调节酶的活化或抑制，生共价键的结合或解离，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活以控制代谢的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活性）和去磷酸化（低活性）。性）和去磷酸化（低活性）。细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。谢的

18、变化。w对利用对利用ATPATP的途径（合成代谢）的酶活性或形成的途径（合成代谢）的酶活性或形成ATPATP的途径（分解代谢）的酶活性的调节。的途径（分解代谢）的酶活性的调节。二、微生物代谢调控机制二、微生物代谢调控机制 微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径的相互协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微的相互协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微生物进行发酵则需要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢生物进行发酵则需要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢必须进行人工控

19、制。必须进行人工控制。一、一、积累代谢产物的有效措施积累代谢产物的有效措施（一）（一）反馈抑制作用的解除反馈抑制作用的解除：实质是使代谢途径中的关键酶（别构：实质是使代谢途径中的关键酶（别构酶）的调节亚基的结构基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别酶）的调节亚基的结构基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别构中心结合，从而解除反馈抑制，积累末端产物；构中心结合，从而解除反馈抑制，积累末端产物；（二）（二）反馈阻遏作用的解除反馈阻遏作用的解除：实质是使调节基因或操纵基因发生：实质是使调节基因或操纵基因发生突变，使调节蛋白改变或不发生，调节蛋白不再与末端产物相结合，突变，使调节蛋白改变或不发

20、生，调节蛋白不再与末端产物相结合，或结合后的复合物不能同操纵基因结合，从而解除了末端产物对酶合或结合后的复合物不能同操纵基因结合，从而解除了末端产物对酶合成的阻遏；成的阻遏；（三）（三）遗传障碍遗传障碍：使某酶蛋白结构基因突变，使酶蛋白缺失或酶蛋：使某酶蛋白结构基因突变，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改变，可以解除末端产物对途径中的第一个酶的反馈抑白的活性中心改变，可以解除末端产物对途径中的第一个酶的反馈抑制，积累中间产物；制，积累中间产物；（四）（四）使细胞膜透性增大使细胞膜透性增大：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型，通过控制甘油或生物素或油酸浓

21、度以控制细胞膜的透性，酸缺陷型，通过控制甘油或生物素或油酸浓度以控制细胞膜的透性，使胞内代谢产物外漏，缓解反馈抑制或阻遏作用。使胞内代谢产物外漏，缓解反馈抑制或阻遏作用。二、人工控制微生物代谢的手段二、人工控制微生物代谢的手段1、代谢缺陷型菌株、代谢缺陷型菌株2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸3、产物降解酶缺失突变株、产物降解酶缺失突变株4、细胞膜组分的缺失突变、细胞膜组分的缺失突变代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高通路、降低支路代谢总产物的产

22、生或切断代谢途径及提高细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。1、代谢缺陷型菌株、代谢缺陷型菌株 直线型合成途径中的营养缺陷型突变株，这类菌株不直线型合成途径中的营养缺陷型突变株，这类菌株不能积累末端产物，只能积累中间产物；能积累末端产物，只能积累中间产物；在分支代谢途径中，可利用营养缺陷型来合成某种末在分支代谢途径中，可利用营养缺陷型来合成某种末端产物。端产物。2 2、抗代谢类似物的突变菌株、抗代谢类似物的突变菌株菌体通常需要各种代谢物如维生素、氨基酸等合成菌体需菌体通常需要各种代谢物如维生素、氨基酸等合成菌体需要的成分，如果有与代谢物结构

23、相似的物质（即抗代谢物）要的成分，如果有与代谢物结构相似的物质（即抗代谢物）存在，则可能产生两种结果：抗代谢物和代谢物竞争同一存在，则可能产生两种结果：抗代谢物和代谢物竞争同一个酶，使代谢物不能进一步合成菌体需要的成分；抗代谢个酶，使代谢物不能进一步合成菌体需要的成分；抗代谢物代替代谢物合成生理上无活性的化合物。物代替代谢物合成生理上无活性的化合物。通过诱变筛选出对抗代谢物相对应的代谢物不敏感，因此通过诱变筛选出对抗代谢物相对应的代谢物不敏感，因此可以解除代谢物的反馈抑制作用。可以解除代谢物的反馈抑制作用。Asp Asp-P AsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例：例：黄色

24、短杆菌抗黄色短杆菌抗-氨基氨基-羟基戊酸（羟基戊酸（AHV）菌株）菌株能积累苏氨酸能积累苏氨酸AK1和和HSDH的调节亚基的结构基因突变，不能与苏氨酸的的调节亚基的结构基因突变，不能与苏氨酸的结构类似物（结构类似物（AHV）结合，当然也不会同苏氨酸结合，所）结合，当然也不会同苏氨酸结合，所以能解除苏氨酸对以能解除苏氨酸对AK1和和HSDH的反馈抑制，因而积累苏氨的反馈抑制，因而积累苏氨酸。酸。Asp：天门冬氨酸；天门冬氨酸；Asp-P：天门冬氨酰磷酸；天门冬氨酰磷酸；Asa：天门冬氨酸半醛；天门冬氨酸半醛；Hse：高丝氨酸；高丝氨酸；Thr：苏氨酸；苏氨酸；Met：甲硫氨酸；甲硫氨酸；Lys：

25、赖氨酸；：赖氨酸；AK：天门冬氨酸激酶；天门冬氨酸激酶；HSDH：高丝氨酸脱氢酶高丝氨酸脱氢酶3、产物降解酶缺失突变株、产物降解酶缺失突变株有的代谢产物由于相应降解酶的存在而在发酵液中不能稳定存在，因有的代谢产物由于相应降解酶的存在而在发酵液中不能稳定存在，因此可通过诱变获得缺乏降解产物的酶的菌株使发酵单位提高。此可通过诱变获得缺乏降解产物的酶的菌株使发酵单位提高。将诱变处理后的菌种接种到完全培养基上，生成的菌落再将诱变处理后的菌种接种到完全培养基上，生成的菌落再以影印法分别接种到含葡萄糖培养基和以产物作为唯一碳以影印法分别接种到含葡萄糖培养基和以产物作为唯一碳源的培养基上。在后一种培养基上不

26、能生长的菌落就是缺源的培养基上。在后一种培养基上不能生长的菌落就是缺乏产物降解酶的变异株。乏产物降解酶的变异株。4、细胞膜组分的缺失突变、细胞膜组分的缺失突变以前经常提到以前经常提到反馈抑制反馈抑制和和反馈阻遏反馈阻遏，都是由于末端，都是由于末端产物的浓度过高引起的。利用细胞膜组分的缺失突产物的浓度过高引起的。利用细胞膜组分的缺失突变使细胞膜的透性增大，可使代谢产物易于分泌到变使细胞膜的透性增大，可使代谢产物易于分泌到胞外，从而达到解除末端产物抑制或阻遏的目的。胞外，从而达到解除末端产物抑制或阻遏的目的。例例1：谷氨酸棒杆菌（生物素缺陷型）生产谷氨酸：谷氨酸棒杆菌（生物素缺陷型）生产谷氨酸PE

27、P Pyr AcCoAOAA akg GluMalPCPEP：磷酸烯醇式丙酮酸；：磷酸烯醇式丙酮酸；Pyr：丙酮酸；：丙酮酸；AcCoA：乙酰辅酶：乙酰辅酶A；OAA：草酰乙酸；：草酰乙酸；kg：-酮戊二酸；酮戊二酸；Glu：谷氨酸；：谷氨酸；Mal：苹果：苹果酸；酸；PC：丙酮酸羧化酶：丙酮酸羧化酶生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化产生草酰乙酸，进而前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化产生草酰乙酸，进而有利于谷氨酸的合成；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辅酶生物素是催化脂肪

28、酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的羧化酶的辅酶，该酶催化乙酰辅酶辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再，再经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可间接地影响细胞膜的透性。的主要成分，因此生物素可间接地影响细胞膜的透性。生物素对谷氨酸合成的影响生物素对谷氨酸合成的影响例例2：溶烷棒杆菌：溶烷棒杆菌GL-21（甘油缺陷型）生产谷氨酸（甘油缺陷型）生产谷氨酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 磷酯磷酯PGDH该菌株的该菌株的-磷酸甘油脱氢酶（磷酸甘油脱氢酶（PGDH）缺

29、失，因此不能）缺失，因此不能正常合成正常合成-磷酸甘油和磷酯。影响了细胞膜结构的合成磷酸甘油和磷酯。影响了细胞膜结构的合成而使得细胞膜透性增大，有利于谷氨酸在菌体外积累。而使得细胞膜透性增大，有利于谷氨酸在菌体外积累。当菌株确定后，环境条件合适与否是发酵成败的重当菌株确定后，环境条件合适与否是发酵成败的重要因素，环境条件既影响微生物的生长，又影响代要因素，环境条件既影响微生物的生长，又影响代谢的速度和方向及产物的形成和积累。谢的速度和方向及产物的形成和积累。主要的有温度、主要的有温度、pH、氧气含量、离子浓度等多种因、氧气含量、离子浓度等多种因素。素。第三节第三节 糖代谢产物的发酵机制糖代谢产

30、物的发酵机制一、一、厌氧发酵代谢产物发酵机制厌氧发酵代谢产物发酵机制 葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过EMPEMP（糖酵（糖酵解途径）、解途径）、HMPHMP（磷酸戊糖途径）、（磷酸戊糖途径）、ED ED（2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷磷酸葡萄糖酸裂解途径）及酸葡萄糖酸裂解途径）及PKPK（磷酸酮解酶途径）和（磷酸酮解酶途径）和HK HK（磷酸（磷酸己糖解酮酶途径）形成多种中间代谢产物。己糖解酮酶途径）形成多种中间代谢产物。由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解

31、葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布菌名菌名EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母酿酒酵母8812产朊假丝酵母产朊假丝酵母66811934灰色链霉菌灰色链霉菌973产黄青霉产黄青霉7723大肠杆菌大肠杆菌7228铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌2971嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌100枯草杆菌枯草杆菌7426氧化葡萄糖杆菌氧化葡萄糖杆菌100真养产碱菌真养产碱菌10

32、0运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌100藤黄八叠球菌藤黄八叠球菌7030分解代谢起源分解代谢起源中间代谢产物中间代谢产物在生物合成中的作用在生物合成中的作用葡萄糖葡萄糖 半乳糖半乳糖 多糖多糖EMP途径途径HMP途径途径HMP途径途径EMP途径途径EMP途径途径 ED途径途径EMP途径途径三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧丙酮酸脱羧 脂肪氧化脂肪氧化葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸核糖核糖-5-磷酸磷酸赤藓糖赤藓糖-4-磷酸磷酸磷酸烯醇式丙酮磷酸烯醇式丙酮酸酸丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸a-酮戊二酸酮戊二酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰辅酶乙酰辅酶A核苷糖类核苷糖

33、类戊糖戊糖 多糖贮藏物多糖贮藏物核苷酸核苷酸 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸芳香氨基酸芳香氨基酸 葡萄糖异生葡萄糖异生 CO2固定固定胞壁酸合成胞壁酸合成 糖的运输糖的运输丙氨酸丙氨酸 缬氨酸缬氨酸 亮氨酸亮氨酸 CO2固定固定丝氨酸丝氨酸 甘氨酸甘氨酸 半胱氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酸 脯氨酸脯氨酸 精氨酸精氨酸 赖氨酸赖氨酸天冬氨酸天冬氨酸 赖氨酸赖氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 苏氨酸苏氨酸 异亮氨异亮氨酸酸脂肪酸脂肪酸 类异戊二烯类异戊二烯 甾醇甾醇 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶1、

34、酵母菌的乙醇发酵（、酵母菌的乙醇发酵（型发酵型发酵）该乙醇发酵过程只在以及厌氧的条件下发生。该乙醇发酵过程只在以及厌氧的条件下发生。（一）酵母菌发酵（通过（一）酵母菌发酵（通过EMPEMP途径进行）途径进行）2、酵母菌的、酵母菌的型型发酵发酵当培养基中加入适量当培养基中加入适量NaHSO3，酵母的乙醇发酵会转变为甘，酵母的乙醇发酵会转变为甘油发酵。油发酵。原因：该条件下原因：该条件下NaHSO3与与乙醛结合成难溶的复合物磺化羟基乙醛结合成难溶的复合物磺化羟基乙醛，乙醛不能作为受氢体，迫使磷酸二羟丙酮担任受氢体接乙醛，乙醛不能作为受氢体，迫使磷酸二羟丙酮担任受氢体接受受3-3-磷酸甘油醛脱下的氢

35、而生成磷酸甘油醛脱下的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。甘油酯酶催化，生成甘油。结果：形成大量甘油和少量乙醇。结果：形成大量甘油和少量乙醇。当发酵液处在弱碱性（）条件下，酵母的乙醇发酵也会改当发酵液处在弱碱性（）条件下，酵母的乙醇发酵也会改为甘油发酵。为甘油发酵。原因：微碱性条件下乙醛因得不到足够的氢而积累，结果原因：微碱性条件下乙醛因得不到足够的氢而积累，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和分子乙醇和1分子乙酸；分子乙酸；CHCH3 3CHO+HCHO+H2 2O+NADO+NAD+CH CH3 3COOH+N

36、ADH+HCOOH+NADH+H+CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+CH CH3 3CHCH2 2OH+NADOH+NAD+此时也由磷酸二羟丙酮作为受氢体接受氢而生成此时也由磷酸二羟丙酮作为受氢体接受氢而生成-磷酸磷酸甘油，后者经甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。这种发酵方式不产生能量，只在非生长情况下进行。这种发酵方式不产生能量，只在非生长情况下进行。2 2葡萄糖葡萄糖 2 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO+2CO2 23、酵母菌的、酵母菌的型型发酵发酵概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧概念：有氧条件下，发酵作用受抑制

37、的现象（或氧对发酵的抑制现象）对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源意义：合理利用能源通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）缺氧（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失巴斯德效应巴斯德效应(Pasteur effect)现象：现象：巴斯德效应（巴斯德效应（Pasteur effectPasteur effect）机理）机理 巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵母菌进行巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵母菌进行酒精发酵，葡萄糖的

38、消耗速度很快；而在有氧条件下，酵母菌酒精发酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧条件下，酵母菌进行呼吸作用，脱氢产生的进行呼吸作用，脱氢产生的NADH进入电子传递链产生大量进入电子传递链产生大量ATP，而不能用于乙醛的还原，这样乙醇的产量就会降低。同时由，而不能用于乙醛的还原，这样乙醇的产量就会降低。同时由于于ATP浓度的升高，抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，从浓度的升高，抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，从而葡萄糖的利用也降低，糖的消耗速度较低，酒精产量也降低。而葡萄糖的利用也降低，糖的消耗速度较低，酒精产量也降低。呼吸抑制发酵作用的的现象呼吸抑制发酵作用的的现象 巴斯德效应的本质是能荷调

39、节巴斯德效应的本质是能荷调节 （二）细菌的乙醇发酵（二）细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌、嗜菌种：运动发酵单胞菌、嗜糖假单胞菌等糖假单胞菌等途径：途径：EDED利用等细菌生产酒精优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少 代谢副产物少；发酵温度高；不必定期供氧代谢副产物少；发酵温度高；不必定期供氧缺点：缺点：pH5pH5较易染菌；耐乙醇能力（较易染菌；耐乙醇能力（7%7%）较酵

40、母（）较酵母（8-8-10%10%）低）低（三）乳酸菌发酵（三）乳酸菌发酵乳酸细菌是一群能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产乳酸细菌是一群能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸的细菌的统称，产生乳酸的过程称为乳酸发酵。生乳酸的细菌的统称，产生乳酸的过程称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）

41、双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵:（经（经HKHK途径途径磷酸己糖酮解酶途径磷酸己糖酮解酶途径）菌种包括：乳杆菌属（菌种包括：乳杆菌属（Lactobacillus）、链球菌属）、链球菌属（Streptococcus）、明串珠菌属（）、明串珠菌属（Leuconostoc）、片球菌属）、片球菌属（Pediococcus）、和双歧杆菌属（）、和双歧杆菌属（Bifidobacterium）。）。葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸1、同型乳酸发酵、同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPStr

42、eptococcus lactis(乳链球菌乳链球菌)Lactobacillus casei（乳酸乳杆菌）（乳酸乳杆菌）Lactobacillus delbruckii（德氏乳杆菌）（德氏乳杆菌）2、异型乳酸发酵、异型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2 一些异型发酵乳酸杆菌例如一些异型发酵乳酸杆菌例如Leuconostoc mesenteroides（肠（肠膜明串珠菌等，因缺

43、乏膜明串珠菌等，因缺乏EMP途径中的若干重要酶途径中的若干重要酶醛缩酶和醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解依赖异构酶，因此其葡萄糖的降解依赖HMP途径。途径。磷酸己糖解酮磷酸己糖解酮酶酶途径途径HK 2葡萄糖葡萄糖 2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸6-磷酸果糖磷酸果糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖 乙酰磷酸乙酰磷酸2木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸2甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸 2乙酰磷酸乙酰磷酸2乳酸乳酸2乙酸乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊磷酸己糖解酮酶戊逆逆HMP途径途径同同EMP乙酸激酶乙酸激酶3、双歧发酵、双歧发酵（四）混合酸发酵（四）混合酸发酵v概念：埃

44、希概念：埃希氏菌、沙门氏氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属的一些菌通属的一些菌通过过EMP途径将途径将葡萄糖转变成葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸、H2和和CO2等多种代等多种代谢产物，由于谢产物，由于代谢产物中含代谢产物中含有多种有机酸，有多种有机酸，故将其称为混故将其称为混合酸发酵。合酸发酵。葡萄糖葡萄糖琥泊酸琥泊酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP

45、羧化酶乙醛脱氢酶+2H产气 产酸（五）（五）2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、概念：肠杆菌、沙雷氏菌和欧沙雷氏菌和欧文氏菌属中的文氏菌属中的一些细菌具有一些细菌具有-乙酰乳酸合乙酰乳酸合成酶成酶系而进行系而进行丁二醇发酵。丁二醇发酵。EMP二、好氧发酵代谢产物的发酵机制二、好氧发酵代谢产物的发酵机制（一）柠檬酸（一）柠檬酸18741874年首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶

46、成固体；年首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶成固体；19131913年年首次实现利用黑曲霉发酵生成柠檬酸。首次实现利用黑曲霉发酵生成柠檬酸。19531953年年，JagnnathanJagnnathan等证实了黑曲霉中存在等证实了黑曲霉中存在EMPEMP途径的所途径的所有酶；有酶；19541954年年，ShuShu提出葡萄糖分解代谢中约提出葡萄糖分解代谢中约8080走走EMPEMP途径；途径；19581958年年，MeDomoughMeDomough等发现黑曲霉还存在等发现黑曲霉还存在HMPHMP途径的酶，途径的酶，但但HMPHMP途径主要存在于孢子形成阶段；途径主要存在于孢子形成阶段；19541

47、95419551955年年，RamakrishmanRamakrishman和和MartinMartin研究发现黑曲霉研究发现黑曲霉中存在三羧酸循环；中存在三羧酸循环；淀粉淀粉葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸果糖磷酸果糖1 1，6-6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸丙糖磷酸丙糖磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸富马酸富马酸CO2CO2Fe2+CO2CO2CO2CO21 柠柠檬檬酸酸生生物物合合成成途途径径 MnMn抑制蛋白抑制蛋白合成合成NHNH4 4解除磷酸果糖激酶解除磷酸果糖激

48、酶的代谢调节，促进的代谢调节，促进EMPEMP途径的畅通途径的畅通有一条呼吸活力强的不产生有一条呼吸活力强的不产生ATPATP的的侧系呼吸链侧系呼吸链 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。2+缺乏缺乏2、柠檬酸生物合成的代谢调节、柠檬酸生物合成的代谢调节 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoACoA和和COCO2 2固定两个反应的固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。檬酸的能力。由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡：由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡

49、：柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90=90：3 3：7 7 同时控制同时控制FeFe2+2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。酸积累。当铜离子，铁离子当铜离子，铁离子2mg/L和情况下，和情况下，顺乌头酸水合酶、顺乌头酸水合酶、NAD和和NADP-异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶均不出现活力，发酵中柠均不出现活力，发酵中柠檬酸正是在这个檬酸正是在这个pH条件下积累的。条件下积累的。随着柠檬酸积累，随着柠檬酸积累，pHpH降低到一定程度时，降低到一定程度时，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，更有利于柠

50、檬酸的积累及排出细胞外。更有利于柠檬酸的积累及排出细胞外。第四节第四节 氨基酸和核酸的发酵机制氨基酸和核酸的发酵机制一、氨基酸发酵机制一、氨基酸发酵机制1 EMP1 EMP途径、途径、HMPHMP途径途径 谷氨酸生产菌存在着两种代谢途径：EMP、HMP；EMP/HMP=10/90。2 TCA2 TCA、DCADCA和和CO2CO2固定作用固定作用 环（三羧酸循环）环（乙醛酸循环）2固定 PEP+CO2+GDP 草酰乙酸+GDP CO2 丙酮酸 苹果酸 草酰乙酸 CO2 NAD+NADH+H+PEPPEP羧化酶羧化酶苹果酸酶苹果酸酶苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶3 3、氨的导入、氨的导入 -酮戊二酸还