1、精選ppt第六章第六章 發酵機制及發酵動力學發酵機制及發酵動力學第一節第一節 發酵工程微生物的基本代謝及產物代謝發酵工程微生物的基本代謝及產物代謝第二節第二節 微生物代謝調節機制微生物代謝調節機制第三節第三節 糖代謝產物的發酵機制糖代謝產物的發酵機制第四節第四節 氨基酸和核苷酸發酵機制氨基酸和核苷酸發酵機制第五節第五節 抗生素發酵機制抗生素發酵機制第六節第六節 微生物發酵動力學微生物發酵動力學精選ppt本章要求本章要求w 掌握初級與次級代謝的產物掌握初級與次級代謝的產物w 掌握微生物代謝調節的方式掌握微生物代謝調節的方式w 掌握酶活性被抑制的方式掌握酶活性被抑制的方式w 了解發酵產物的發酵機制

2、及發酵動力學了解發酵產物的發酵機制及發酵動力學精選ppt第一節第一節 發酵工程微生物的基本代謝及產物代謝發酵工程微生物的基本代謝及產物代謝w 初級代謝及產物初級代謝及產物 多糖、蛋白質、核酸和氨基酸等。多糖、蛋白質、核酸和氨基酸等。w 次級代謝及產物次級代謝及產物 抗生素、毒素、激素和色素等。抗生素、毒素、激素和色素等。對數生長期形成的產物是細胞自身生長所必需的，對數生長期形成的產物是細胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產物或中間代謝產物。稱為初級代謝產物或中間代謝產物。各種次級代謝產物都是在微生物生長緩慢或停止生各種次級代謝產物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩定期所產生的，來自于中間代謝

3、產物和長時期即穩定期所產生的，來自于中間代謝產物和初級代謝產物。初級代謝產物。精選ppt第二節第二節 代謝調節方式與機制代謝調節方式與機制一、調節方式一、調節方式w 代謝途徑區域化代謝途徑區域化w 代謝流向的調控代謝流向的調控w 代謝速度的調控代謝速度的調控w 細胞透性的調節細胞透性的調節w 能荷調節能荷調節酶量（粗調）酶量（粗調）酶活（細調）酶活（細調）酶酶合成合成的的誘導誘導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精選ppt（一）代謝途徑區域化（一）代謝途徑區域化原核微生物細胞原核微生物細胞雖然沒有復雜的具有膜結構的細胞器，雖然沒有復雜的具有膜結構的細胞器，

4、但也劃分出不同的區域，對于某一代謝途徑有關的酶系但也劃分出不同的區域，對于某一代謝途徑有關的酶系集中在某一區域，以保證這一代謝途徑酶促反應的順利集中在某一區域，以保證這一代謝途徑酶促反應的順利進行，避免了其他途徑的干擾；進行，避免了其他途徑的干擾；真核微生物細胞真核微生物細胞里，各種酶系被細胞器隔離分布，使里，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，如與呼吸產能有其代謝活動只能在特定的部位上進行，如與呼吸產能有關的酶系集中于線粒體內膜上，關的酶系集中于線粒體內膜上，DNA合成的某些酶位于合成的某些酶位于細胞核里。細胞核里。精選ppt（二）代謝流向的調控（二）代謝流向的調控

5、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的速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的速率來控制代謝物的流向，從而保持機體代謝的平衡。率來控制代謝物的流向，從而保持機體代謝的平衡。1、由一個關鍵酶控制的可逆反應、由一個關鍵酶控制的可逆反應 同一個酶可以通過不同的輔基（或輔酶）控制代謝物的同一個酶可以通過不同的輔基（或輔酶）控制代謝物的流向；流向；谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶 + NADP+ 催化谷氨酸的合成催化谷氨酸的合成谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶 + NAD+ 催化谷氨酸的分解催化谷氨酸的分解精選ppt2、由兩種酶控制的逆單向反應、由兩種酶控制的逆單向反應 在生物體代謝

6、的關鍵部位的某些反應，是由兩種不同的在生物體代謝的關鍵部位的某些反應，是由兩種不同的酶來催化的。即在一個酶來催化的。即在一個“可逆可逆”反應中，其中一個酶催反應中，其中一個酶催化正反應，另一種酶則催化逆反應。化正反應，另一種酶則催化逆反應。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體內利用兩種完全不同的酶，能十分精確地微生物體內利用兩種完全不同的酶，能十分精確地控制正反應和逆反應。控制正反應和逆反應。精選ppt（三）代謝速度的調控（三）代謝速度的調控1、酶合成的調節（粗調）、

7、酶合成的調節（粗調） 通過酶量的變化來控制代謝的速率。從本質上看，酶通過酶量的變化來控制代謝的速率。從本質上看，酶合成的調節是在基因表達水平上起作用的。合成的調節是在基因表達水平上起作用的。 酶合成的誘導（酶合成的誘導（induction of enzyme synthesis）協同誘導：協同誘導：一種誘導劑可以同時誘導產生若干種酶的現象。一種誘導劑可以同時誘導產生若干種酶的現象。順序誘導：順序誘導：一種誘導劑誘導產生的酶的反應產物可繼續誘一種誘導劑誘導產生的酶的反應產物可繼續誘導產生下一個酶，這種連續誘導產生一系列酶的現象稱為導產生下一個酶，這種連續誘導產生一系列酶的現象稱為順序誘導。順序誘

8、導。精選ppt 酶合成的阻遏（酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis ）終點產物反饋阻遏：終點產物反饋阻遏：合成代謝過程中，相關酶的合成被過合成代謝過程中，相關酶的合成被過量終點產物所阻遏。量終點產物所阻遏。分解代謝物阻遏：分解代謝物阻遏：可被組成酶快速利用的基質，阻遏了分可被組成酶快速利用的基質，阻遏了分解難利用基質的酶的合成。解難利用基質的酶的合成。1、酶合成的調節（粗調）、酶合成的調節（粗調）如：二次生長現象。在啟動序列上游有兩個位點，如：二次生長現象。在啟動序列上游有兩個位點，RNA聚合酶的結合位聚合酶的結合位點和點和cAMP-CAP結合位點。當沒有

9、葡萄糖及結合位點。當沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時，濃度較高時， 形成形成cAMP-CAP ，該復合物結合在啟動序列后，該復合物結合在啟動序列后，RNA聚合酶才能與啟動序列聚合酶才能與啟動序列結合，酶的合成才能開始；當葡萄糖存在時，葡萄糖降解物抑制腺苷酸結合，酶的合成才能開始；當葡萄糖存在時，葡萄糖降解物抑制腺苷酸環化酶的活性，環化酶的活性， 導致導致cAMP濃度降低，濃度降低，cAMP與與CAP的結合受阻，的結合受阻，CAP不不能被活化而無法結合至啟動子，導致能被活化而無法結合至啟動子，導致RNA聚合酶無法與啟動序列結合，聚合酶無法與啟動序列結合，因此乳糖操縱子表達下降。因此乳糖操縱子表達下

10、降。 精選ppt酶合成調節的遺傳機制：操縱子學說酶合成調節的遺傳機制：操縱子學說1、酶合成的調節（粗調）、酶合成的調節（粗調）乳糖操縱子乳糖操縱子操縱子是指基因組操縱子是指基因組DNA分子的一個片段，這個片斷分子的一個片段，這個片斷由啟動子、調節基因、操縱基因和結構基因組成。由啟動子、調節基因、操縱基因和結構基因組成。誘導型操縱子：效應物存在導致基因表達。誘導型操縱子：效應物存在導致基因表達。阻遏型操縱子：效應物存在導致基因表達的關閉。阻遏型操縱子：效應物存在導致基因表達的關閉。精選pptPRP Ozya半乳糖苷酶半乳糖苷滲透酶半乳糖苷轉乙酰基酶乳糖操縱子的誘導機制乳糖操縱子的誘導機制精選pp

11、t2、酶活性的調節（細調）、酶活性的調節（細調） 一定數量的酶，通過其分子構象或分子結構的改變來調一定數量的酶，通過其分子構象或分子結構的改變來調節其催化反應的速率。酶活調節的影響因素包括：底物和產節其催化反應的速率。酶活調節的影響因素包括：底物和產物的性質和濃度、壓力、物的性質和濃度、壓力、pH、離子強度、輔助因子以及其他離子強度、輔助因子以及其他酶的存在等等。特點是反應快速。酶的存在等等。特點是反應快速。 酶活性的激活（酶活性的激活（activation）前體激活：前體激活：代謝途徑中后面的酶促反應，可被該途徑中較代謝途徑中后面的酶促反應，可被該途徑中較前面的一個中間產物所促進。前面的一個

12、中間產物所促進。代謝中間產物的反饋激活：代謝中間產物的反饋激活：代謝中間產物對該代謝途徑的代謝中間產物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用。前面的酶起激活作用。精選ppt2、酶活性的調節（細調）、酶活性的調節（細調） 酶活性的抑制（酶活性的抑制（inhibition）：）：大多是反饋抑制大多是反饋抑制A. 無分支代謝途徑無分支代謝途徑的調節：通常是在線形的代謝途徑的調節：通常是在線形的代謝途徑中末端產物對催化第一步反應的酶活性有抑制作用。中末端產物對催化第一步反應的酶活性有抑制作用。A B C D X Ea Eb Ec 抑制抑制精選pptB. 有分支代謝途徑有分支代謝途徑的調節：在有兩種或兩種以上

13、的末的調節：在有兩種或兩種以上的末端產物的分支代謝途徑中，調節方式較為復雜。分述如端產物的分支代謝途徑中，調節方式較為復雜。分述如下：下：2、酶活性的調節（細調）、酶活性的調節（細調）酶的順序反饋抑制酶的順序反饋抑制A B C EaD E YF G Z Eb Ec抑制抑制抑制抑制抑制抑制兩個末端產物，不能直接抑制途徑中的第一個酶兩個末端產物，不能直接抑制途徑中的第一個酶Ea，而是而是分別抑制分支點后的分別抑制分支點后的Eb和和Ec，造成中間產物造成中間產物C的積累，高的積累，高濃度的濃度的C再反饋抑制再反饋抑制Ea。精選ppt同工酶的反饋抑制同工酶的反饋抑制途徑中的第一個反應（途徑中的第一個反

14、應（A B）被兩個不同的酶所催化，一被兩個不同的酶所催化，一個酶被個酶被Y抑制，另一個酶被抑制，另一個酶被Z抑制。只有當抑制。只有當Y和和Z同時過量同時過量才能完全阻止才能完全阻止A轉變為轉變為B。另兩個控制點（另兩個控制點（C D），（），（C F），），分別受分別受Y或或Z的抑制。的抑制。同工酶是能催化同一生化反應，但它們的結構稍有不同，可分別同工酶是能催化同一生化反應，但它們的結構稍有不同，可分別被相應的末端產物抑制的一類酶。被相應的末端產物抑制的一類酶。A B C E2D E YF G ZE1E3E4抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制精選ppt協同反饋抑制協同反饋抑制末端產物末端產物Y和

15、和Z單獨過量，對途徑中第一個酶單獨過量，對途徑中第一個酶E1無抑制作用，無抑制作用，只有只有Y和和Z同時過量，才能對同時過量，才能對E1具有抑制作用。另兩個控制具有抑制作用。另兩個控制點的酶點的酶E2和和E3分別被分別被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精選ppt累積反饋抑制累積反饋抑制末端產物末端產物Y和和Z單獨過量時，各自對途徑中第一個酶單獨過量時，各自對途徑中第一個酶E1僅產僅產生較小的抑制作用，一種末端產物過量并不影響其他末端產生較小的抑制作用，一種末端產物過量并不影響其他末端產物的形成。只有當物的形成。只有當Y和和Z同時過量，

16、才能對同時過量，才能對E1產生較大的抑產生較大的抑制作用。制作用。A B C E1D E YF G Z40%30%58%精選ppt超相加反饋抑制超相加反饋抑制末端產物末端產物Y和和Z單獨過量時，各自對途徑中第一個酶單獨過量時，各自對途徑中第一個酶E1僅產僅產生較小的抑制作用，一種末端產物過量并不影響其他末端產生較小的抑制作用，一種末端產物過量并不影響其他末端產物的形成。當物的形成。當Y和和Z同時過量，對同時過量，對E1產生的抑制作用則超過產生的抑制作用則超過各種末端產物單獨過量時的抑制的總和。各種末端產物單獨過量時的抑制的總和。A B C E1D E YF G Z15%20%90%精選ppt

17、酶活性調節的分子機制酶活性調節的分子機制主要有兩種理論解釋：主要有兩種理論解釋：（酶分子構象的改變）（酶分子構象的改變）（酶分子結構的改變）（酶分子結構的改變）別構酶除了具有與底物結合的催化中心外，還具有與調節別構酶除了具有與底物結合的催化中心外，還具有與調節劑結合的調節中心。當酶與調節劑以非共價鍵結合后，酶劑結合的調節中心。當酶與調節劑以非共價鍵結合后，酶蛋白的構象發生變化，引起催化中心改變，從而引起酶活蛋白的構象發生變化，引起催化中心改變，從而引起酶活性的變化。性的變化。酶的共價修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質發酶的共價修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質發生共價鍵的結合或解離

18、，從而導致調節酶的活化或抑制，生共價鍵的結合或解離，從而導致調節酶的活化或抑制，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）。性）和去磷酸化（低活性）。精選ppt（四）細胞透性的調節（四）細胞透性的調節細胞質膜的透性直接影響物質的吸收和細胞質膜的透性直接影響物質的吸收和代謝產物的分泌，從而影響到細胞內代代謝產物的分泌，從而影響到細胞內代謝的變化。謝的變化。精選pptw 對利用對利用ATPATP的途徑（合成代謝）的酶活性或形成的途徑（合成代謝）的酶活性或形成ATPATP的途徑（分解代謝）的酶活性的調節。的途徑（分解代

19、謝）的酶活性的調節。（五）能荷調節（五）能荷調節精選ppt二、微生物代謝調控機制二、微生物代謝調控機制 微生物在正常情況下，通過細胞內的自我調節，維持各個代謝途徑微生物在正常情況下，通過細胞內的自我調節，維持各個代謝途徑的相互協調，使其代謝產物既不缺少又不會過多的積累。而人類利用微的相互協調，使其代謝產物既不缺少又不會過多的積累。而人類利用微生物進行發酵則需要微生物積累較多的代謝產物，因此對微生物的代謝生物進行發酵則需要微生物積累較多的代謝產物，因此對微生物的代謝必須進行人工控制。必須進行人工控制。 一、一、積累代謝產物的有效措施積累代謝產物的有效措施（一）（一）反饋抑制作用的解除反饋抑制作用

20、的解除：實質是使代謝途徑中的關鍵酶（別構：實質是使代謝途徑中的關鍵酶（別構酶）的調節亞基的結構基因發生突變，使末端產物或其類似物不再與別酶）的調節亞基的結構基因發生突變，使末端產物或其類似物不再與別構中心結合，從而解除反饋抑制，積累末端產物；構中心結合，從而解除反饋抑制，積累末端產物；精選ppt（二）（二）反饋阻遏作用的解除反饋阻遏作用的解除：實質是使調節基因或操縱基因發生：實質是使調節基因或操縱基因發生突變，使調節蛋白改變或不發生，調節蛋白不再與末端產物相結合，突變，使調節蛋白改變或不發生，調節蛋白不再與末端產物相結合，或結合后的復合物不能同操縱基因結合，從而解除了末端產物對酶合或結合后的復

21、合物不能同操縱基因結合，從而解除了末端產物對酶合成的阻遏；成的阻遏；（三）（三）遺傳障礙遺傳障礙：使某酶蛋白結構基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋：使某酶蛋白結構基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改變，可以解除末端產物對途徑中的第一個酶的反饋抑白的活性中心改變，可以解除末端產物對途徑中的第一個酶的反饋抑制，積累中間產物；制，積累中間產物；（四）（四）使細胞膜透性增大使細胞膜透性增大：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油：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，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，使胞內代謝產物外漏，緩解

22、反饋抑制或阻遏作用。使胞內代謝產物外漏，緩解反饋抑制或阻遏作用。精選ppt二、人工控制微生物代謝的手段二、人工控制微生物代謝的手段（一）生物合成途徑的遺傳控制（一）生物合成途徑的遺傳控制1、代謝缺陷型菌株、代謝缺陷型菌株2、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸3、產物降解酶缺失突變株、產物降解酶缺失突變株4、細胞膜組分的缺失突變、細胞膜組分的缺失突變代謝調節控制育種通過特定突變型的選育，達到改變代謝代謝調節控制育種通過特定突變型的選育，達到改變代謝通路、降低支路代謝總產物的產生或切斷代謝途徑及提高通路、降低支路代謝總產物的產生或切斷代謝途徑及提高細胞膜的透性，使代

23、謝流向目的產物積累方向進行。細胞膜的透性，使代謝流向目的產物積累方向進行。精選ppt1、代謝缺陷型菌株、代謝缺陷型菌株 直線型合成途徑中的營養缺陷型突變株，這類菌株不直線型合成途徑中的營養缺陷型突變株，這類菌株不能積累末端產物，只能積累中間產物；能積累末端產物，只能積累中間產物； 在分支代謝途徑中，可利用營養缺陷型來合成某種末在分支代謝途徑中，可利用營養缺陷型來合成某種末端產物。端產物。精選ppt2 2、抗代謝類似物的突變菌株、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，如果有與代謝物結構相似的物質（即抗代

24、謝物）要的成分，如果有與代謝物結構相似的物質（即抗代謝物）存在，則可能產生兩種結果：抗代謝物和代謝物競爭同一存在，則可能產生兩種結果：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；抗代謝個酶，使代謝物不能進一步合成菌體需要的成分；抗代謝物代替代謝物合成生理上無活性的化合物。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的代謝物不敏感，因此通過誘變篩選出對抗代謝物相對應的代謝物不敏感，因此可以解除代謝物的反饋抑制作用。可以解除代謝物的反饋抑制作用。精選pptAsp Asp-P AsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例：例：黃色短桿菌抗

25、黃色短桿菌抗-氨基氨基-羥基戊酸（羥基戊酸（AHV）菌株）菌株能積累蘇氨酸能積累蘇氨酸AK1和和HSDH的調節亞基的結構基因突變，不能與蘇氨酸的的調節亞基的結構基因突變，不能與蘇氨酸的結構類似物（結構類似物（AHV）結合，當然也不會同蘇氨酸結合，所）結合，當然也不會同蘇氨酸結合，所以能解除蘇氨酸對以能解除蘇氨酸對AK1和和HSDH的反饋抑制，因而積累蘇氨的反饋抑制，因而積累蘇氨酸。酸。Asp：天門冬氨酸；天門冬氨酸；Asp-P：天門冬氨酰磷酸；天門冬氨酰磷酸；Asa：天門冬氨酸半醛；天門冬氨酸半醛；Hse：高絲氨酸；高絲氨酸；Thr：蘇氨酸；蘇氨酸；Met：甲硫氨酸；甲硫氨酸；Lys：賴氨酸；

26、：賴氨酸；AK：天門冬氨酸激酶；天門冬氨酸激酶；HSDH：高絲氨酸脫氫酶高絲氨酸脫氫酶精選ppt3、產物降解酶缺失突變株、產物降解酶缺失突變株有的代謝產物由于相應降解酶的存在而在發酵液中不能穩定存在，因有的代謝產物由于相應降解酶的存在而在發酵液中不能穩定存在，因此可通過誘變獲得缺乏降解產物的酶的菌株使發酵單位提高。此可通過誘變獲得缺乏降解產物的酶的菌株使發酵單位提高。將誘變處理后的菌種接種到完全培養基上，生成的菌落再將誘變處理后的菌種接種到完全培養基上，生成的菌落再以影印法分別接種到含葡萄糖培養基和以產物作為唯一碳以影印法分別接種到含葡萄糖培養基和以產物作為唯一碳源的培養基上。在后一種培養基上

27、不能生長的菌落就是缺源的培養基上。在后一種培養基上不能生長的菌落就是缺乏產物降解酶的變異株。乏產物降解酶的變異株。精選ppt4、細胞膜組分的缺失突變、細胞膜組分的缺失突變以前經常提到以前經常提到反饋抑制反饋抑制和和反饋阻遏反饋阻遏，都是由于末端，都是由于末端產物的濃度過高引起的。利用細胞膜組分的缺失突產物的濃度過高引起的。利用細胞膜組分的缺失突變使細胞膜的透性增大，可使代謝產物易于分泌到變使細胞膜的透性增大，可使代謝產物易于分泌到胞外，從而達到解除末端產物抑制或阻遏的目的。胞外，從而達到解除末端產物抑制或阻遏的目的。精選ppt例例1：谷氨酸棒桿菌（生物素缺陷型）生產谷氨酸：谷氨酸棒桿菌（生物素

28、缺陷型）生產谷氨酸PEP 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：乙酰輔酶：乙酰輔酶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：蘋果：蘋果酸；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輔酶，生物素在低于亞適濃度之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生草酰乙酸，進而前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化產生草酰乙酸，進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

29、酶乙酰輔酶生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰輔酶A羧化酶的羧化酶的輔酶，該酶催化乙酰輔酶輔酶，該酶催化乙酰輔酶A羧化生成丙二酸單酰輔酶羧化生成丙二酸單酰輔酶A，再，再經一系列轉化合成脂肪酸，而脂肪酸又是構成細胞膜磷脂經一系列轉化合成脂肪酸，而脂肪酸又是構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。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生物素對谷氨酸合成的影響精選ppt例例2：溶烷棒桿菌：溶烷棒桿菌GL-21（甘油缺陷型）生產谷氨酸（甘油缺陷型）生產谷氨酸磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 磷酯磷酯PGDH該菌株的該菌株的-磷酸甘油

30、脫氫酶（磷酸甘油脫氫酶（PGDH）缺失，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。影響了細胞膜結構的合成磷酸甘油和磷酯。影響了細胞膜結構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。而使得細胞膜透性增大，有利于谷氨酸在菌體外積累。精選ppt（二）微生物發酵條件的控制（二）微生物發酵條件的控制當菌株確定后，環境條件合適與否是發酵成敗的重當菌株確定后，環境條件合適與否是發酵成敗的重要因素，環境條件既影響微生物的生長，又影響代要因素，環境條件既影響微生物的生長，又影響代謝的速度和方向及產物的形成和積累。謝的速度和方向及產物的形成和積累。主要的有溫度、主要的有溫度、pH、氧氣含

31、量、離子濃度等多種因、氧氣含量、離子濃度等多種因素。素。精選ppt第三節第三節 糖代謝產物的發酵機制糖代謝產物的發酵機制一、一、 厭氧發酵代謝產物發酵機制厭氧發酵代謝產物發酵機制 葡萄糖在微生物細胞中進行厭氧分解時，通過葡萄糖在微生物細胞中進行厭氧分解時，通過EMPEMP（糖酵（糖酵解途徑）、解途徑）、HMPHMP（磷酸戊糖途徑）、（磷酸戊糖途徑）、ED ED （ 2- 2-酮酮-3-3-脫氧脫氧-6-6-磷磷酸葡萄糖酸裂解途徑）及酸葡萄糖酸裂解途徑）及PKPK（磷酸酮解酶途徑）和（磷酸酮解酶途徑）和HK HK （磷酸（磷酸己糖解酮酶途徑）形成多種中間代謝產物。己糖解酮酶途徑）形成多種中間代謝

32、產物。由表可見，在微生物細胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，由表可見，在微生物細胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，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何種途徑代謝，對發酵產物影響很大。竟經何種途徑代謝，對發酵產物影響很大。葡萄糖三條降解途徑在不同微生物中的分布葡萄糖三條降解途徑在不同微生物中的分布菌名菌名EMP（%）HMP（%）ED（%）釀酒酵母釀酒酵母8812產朊假絲酵母產朊假絲酵母66811934灰色鏈霉菌灰色鏈霉菌973產黃青霉產黃青霉7723大腸桿菌大腸桿菌7228銅綠假單胞菌銅綠假單胞菌2

33、971嗜糖假單胞菌嗜糖假單胞菌100枯草桿菌枯草桿菌7426氧化葡萄糖桿菌氧化葡萄糖桿菌100真養產堿菌真養產堿菌100運動發酵單胞菌運動發酵單胞菌100藤黃八疊球菌藤黃八疊球菌7030分解代謝起源分解代謝起源中間代謝產物中間代謝產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途徑途徑HMP途徑途徑HMP途徑途徑EMP途徑途徑EMP途徑途徑 ED途徑途徑EMP途徑途徑三羧酸循環三羧酸循環三羧酸循環三羧酸循環丙酮酸脫羧丙酮酸脫羧 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-磷酸磷酸赤蘚糖赤蘚糖-4-磷酸磷酸磷酸烯醇式丙酮磷酸

34、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輔酶乙酰輔酶A核苷糖類核苷糖類戊糖戊糖 多糖貯藏物多糖貯藏物核苷酸核苷酸 脫氧核糖核苷酸脫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 葡萄糖異生葡萄糖異生 CO2固定固定胞壁酸合成胞壁酸合成 糖的運輸糖的運輸丙氨酸丙氨酸 纈氨酸纈氨酸 亮氨酸亮氨酸 CO2固定固定絲氨酸絲氨酸 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 賴氨酸賴氨酸天冬氨酸天冬氨酸 賴氨酸賴氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 蘇氨酸蘇氨酸 異亮氨異亮氨酸酸脂肪酸脂肪酸 類異戊二烯類異戊二烯 甾醇甾醇 C6H12O62

35、CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶1、酵母菌的乙醇發酵（、酵母菌的乙醇發酵（型發酵）型發酵）該乙醇發酵過程只在該乙醇發酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發生。以及厭氧的條件下發生。（一）酵母菌發酵（通過（一）酵母菌發酵（通過EMPEMP途徑進行）途徑進行）2、酵母菌的、酵母菌的型發酵型發酵當培養基中加入適量當培養基中加入適量NaHSO3，酵母的乙醇發酵會轉變為甘，酵母的乙醇發酵會轉變為甘油發酵。油發酵。原因：該條件下原因：該條件下NaHSO3與與乙醛結合成難溶的復合物磺化羥基乙醛結合成難溶的復合物磺化羥基乙

36、醛，乙醛不能作為受氫體，迫使磷酸二羥丙酮擔任受氫體接乙醛，乙醛不能作為受氫體，迫使磷酸二羥丙酮擔任受氫體接受受3-3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成磷酸甘油醛脫下的氫而生成 - -磷酸甘油，后者經磷酸甘油，后者經 - -磷酸磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。甘油酯酶催化，生成甘油。結果：形成大量甘油和少量乙醇。結果：形成大量甘油和少量乙醇。當發酵液處在弱堿性（當發酵液處在弱堿性（pH7.6）條件下，酵母的乙醇發酵）條件下，酵母的乙醇發酵也會改為甘油發酵。也會改為甘油發酵。原因：微堿性條件下乙醛因得不到足夠的氫而積累，結果原因：微堿性條件下乙醛因得不到足夠的氫而積累，結果2分子乙醛間發生歧化反應，生成分子乙

37、醛間發生歧化反應，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+NADH+HCOOH+NADH+H+ +CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+ + CH CH3 3CHCH2 2OH+ NADOH+ NAD+ + 此時也由磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成此時也由磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成 - -磷酸磷酸甘油，后者經甘油，后者經 - -磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。 這種發酵方式不產生能量，只在非生長情況下進行。這種發酵方式不產生能量，只在非生長情

38、況下進行。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、酵母菌的型發酵型發酵概念：有氧條件下，發酵作用受抑制的現象（或氧概念：有氧條件下，發酵作用受抑制的現象（或氧對發酵的抑制現象）對發酵的抑制現象）。意義：合理利用能源意義：合理利用能源通風對酵母代謝的影響通風對酵母代謝的影響通風（有氧呼吸）通風（有氧呼吸）缺氧（發酵）缺氧（發酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/ /單位時間單位時間細胞的繁殖細胞的繁殖低（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應巴斯德效應( (Pasteur effect)現象：現象：巴斯德效

39、應（巴斯德效應（Pasteur effectPasteur effect）機理）機理 巴斯德在研究酵母的酒精發酵時發現：厭氧條件下酵母菌進行巴斯德在研究酵母的酒精發酵時發現：厭氧條件下酵母菌進行酒精發酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧條件下，酵母菌酒精發酵，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，脫氫產生的進行呼吸作用，脫氫產生的NADH進入電子傳遞鏈產生大量進入電子傳遞鏈產生大量ATP，而不能用于乙醛的還原，這樣乙醇的產量就會降低。同時由，而不能用于乙醛的還原，這樣乙醇的產量就會降低。同時由于于ATP濃度的升高，抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，從濃度的升高，抑制磷酸果糖

40、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，酒精產量也降低而葡萄糖的利用也降低，糖的消耗速度較低，酒精產量也降低。 呼吸抑制發酵作用的的現象呼吸抑制發酵作用的的現象 巴斯德效應的本質是能荷調節巴斯德效應的本質是能荷調節 （二）細菌的乙醇發酵（二）細菌的乙醇發酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脫氧脫氧-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菌種：運動發酵單胞菌、嗜菌種：運動發酵單胞菌、嗜糖假單胞菌等糖假單胞菌等途徑：途徑：EDED利用Z.mobilis等細菌生產酒精優點：代謝速率

41、高；產物轉化率高；菌體生成少優點：代謝速率高；產物轉化率高；菌體生成少 代謝副產物少；發酵溫度高；不必定期供氧代謝副產物少；發酵溫度高；不必定期供氧缺點：缺點：pH5pH5較易染菌；耐乙醇能力（較易染菌；耐乙醇能力（7%7%）較酵母（）較酵母（8-8-10%10%）低）低（三）乳酸菌發酵（三）乳酸菌發酵乳酸細菌是一群能利用葡萄糖及其他相應的可發酵的糖產乳酸細菌是一群能利用葡萄糖及其他相應的可發酵的糖產生乳酸的細菌的統稱，產生乳酸的過程稱為乳酸發酵。生乳酸的細菌的統稱，產生乳酸的過程稱為乳酸發酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產物有所不同，將由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產物有所不同，將

42、乳酸發酵又分為同型乳酸發酵、異型乳酸發酵和雙歧桿菌乳酸發酵又分為同型乳酸發酵、異型乳酸發酵和雙歧桿菌發酵。發酵。同型乳酸發酵：（經同型乳酸發酵：（經EMPEMP途徑）途徑）異型乳酸發酵異型乳酸發酵：（經（經HMPHMP途徑）途徑）雙歧桿菌發酵雙歧桿菌發酵: : （經（經HKHK途徑途徑磷酸己糖酮解酶途徑磷酸己糖酮解酶途徑） 菌種包括：乳桿菌屬（菌種包括：乳桿菌屬（Lactobacillus）、鏈球菌屬）、鏈球菌屬（Streptococcus）、明串珠菌屬（）、明串珠菌屬（Leuconostoc）、片球菌屬）、片球菌屬（Pediococcus）、和雙歧桿菌屬（）、和雙歧桿菌屬（Bifidobac

43、terium）。）。葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮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、同型乳酸發酵、同型乳酸發酵2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPStreptococcus lactis (乳鏈球菌乳鏈球菌)Lactobacillus casei（乳酸乳桿菌）（乳酸乳桿菌）Lactobacillus delbruckii（德氏乳桿菌）（德氏乳桿菌） 2、異型乳酸發酵、異型乳酸發酵葡萄糖葡萄糖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

44、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 一些異型發酵乳酸桿菌例如一些異型發酵乳酸桿菌例如Leuconostoc mesenteroides（腸（腸膜明串珠菌等，因缺乏膜明串珠菌等，因缺乏EMP途徑中的若干重要酶途徑中的若干重要酶醛縮酶和醛縮酶和異構酶，因此其葡萄糖的降解依賴異構酶，因此其葡萄糖的降解依賴HMP途徑。途徑。 精選ppt磷酸己糖解酮磷酸己糖解酮酶酶途徑途徑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-赤蘚糖赤蘚糖 乙酰磷酸乙酰磷酸2木

45、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途徑途徑同同EMP乙酸激酶乙酸激酶3、雙歧發酵、雙歧發酵（四）混合酸發酵（四）混合酸發酵v概念：埃希概念：埃希氏菌、沙門氏氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌菌、志賀氏菌屬的一些菌通屬的一些菌通過過EMP途徑將途徑將葡萄糖轉變成葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸、H2和和CO2等多種代等多種代謝產物，由于謝產物，由于代謝產物中含代謝產物中含有多種有機酸，有多種有機酸，故將其稱為混故將其稱為混合酸發酵。

46、合酸發酵。 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脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH6.2產氣 產酸（五）（五）2, 3-丁二醇發酵丁二醇發酵 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-羥基丁酮羥基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇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、概念：腸桿菌、

47、沙雷氏菌和歐沙雷氏菌和歐文氏菌屬中的文氏菌屬中的一些細菌具有一些細菌具有 -乙酰乳酸合乙酰乳酸合成酶成酶系而進行系而進行丁二醇發酵。丁二醇發酵。EMP精選ppt二、好氧發酵代謝產物的發酵機制二、好氧發酵代謝產物的發酵機制（一）檸檬酸（一）檸檬酸18741874年首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結晶成固體；年首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結晶成固體；19131913年年首次實現利用黑曲霉發酵生成檸檬酸。首次實現利用黑曲霉發酵生成檸檬酸。 19531953年年，JagnnathanJagnnathan等證實了黑曲霉中存在等證實了黑曲霉中存在EMPEMP途徑的所途徑的所有酶；有酶； 19541954年年，Sh

48、uShu提出葡萄糖分解代謝中約提出葡萄糖分解代謝中約8080走走EMPEMP途徑；途徑； 19581958年年，MeDomoughMeDomough等發現黑曲霉還存在等發現黑曲霉還存在HMPHMP途徑的酶，途徑的酶，但但HMPHMP途徑主要存在于孢子形成階段；途徑主要存在于孢子形成階段； 1954195419551955年年，RamakrishmanRamakrishman和和MartinMartin研究發現黑曲霉研究發現黑曲霉中存在三羧酸循環；中存在三羧酸循環；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

49、酮酸乙酰乙酰CoACoA蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸檸檬酸檸檬酸順烏頭酸順烏頭酸異檸檬酸異檸檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸富馬酸富馬酸CO2CO2Fe2+CO2CO2CO2CO21 檸檬酸生物合成途徑檸檬酸生物合成途徑 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酶的代謝調節，促進的代謝調節，促進EMPEMP途徑的暢通途徑的暢通有一條呼吸活力強的不產生有一條呼吸活力強的不產生ATPATP的的側系呼吸鏈側系呼吸鏈 由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調節控制。由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調節控制。2+ 缺乏缺乏2、檸檬酸生物合成的代謝調節、檸檬酸生物合成的代謝

50、調節 丙酮酸氧化脫羧生成乙酰丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoACoA和和COCO2 2固定兩個反應的固定兩個反應的平衡，以及檸檬酸合成酶不被調節，增強了合成檸平衡，以及檸檬酸合成酶不被調節，增強了合成檸檬酸的能力。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：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：異檸檬酸檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90=90：3 3：7 7 同時控制同時控制FeFe2+2+含量時，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬含量時，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。酸積累。 當銅離子當銅離子0.3mg/L，鐵離子，鐵離子2mg/L和和pH2.0情況下，情況下，順烏頭

51、順烏頭酸水合酶、酸水合酶、NAD和和NADP-異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶均不出現活力，均不出現活力，發酵中檸檬酸正是在這個發酵中檸檬酸正是在這個pH條件下積累的。條件下積累的。 隨著檸檬酸積累，隨著檸檬酸積累，pHpH降低到一定程度時，降低到一定程度時，使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活，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。更有利于檸檬酸的積累及排出細胞外。第四節第四節 氨基酸和核酸的發酵機制氨基酸和核酸的發酵機制一、氨基酸發酵機制一、氨基酸發酵機制1 EMP1 EMP途徑、途徑、HMPHMP途徑途徑 谷氨酸生產菌存在著兩種代謝途徑：EMP、HMP ；EMP/H

52、MP=10/90。2 TCA2 TCA、DCADCA和和CO2CO2固定作用固定作用 a.TCA環（三羧酸循環） b.DCA環（乙醛酸循環） 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+PEPPEP羧化酶羧化酶蘋果酸酶蘋果酸酶蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶3 3、氨的導入、氨的導入 -酮戊二酸還原氨基化谷氨酸 氨的導入有三種方式氨的導入有三種方式 谷氨酸合成酶途徑二二 細胞膜通透性控制細胞膜通透性控制 -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 葡萄糖葡萄糖6- 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖NADPHNADPH2 2乙酰輔酶乙酰輔酶A A6- 6-磷酸果糖磷酸果糖6- 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5- 5-磷酸核糖磷酸核糖3- 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛果糖果糖-1 -1，6- 6-二磷酸二磷酸蘋果酸蘋果酸丙酮酸丙酮酸COCO2 2異檸檬酸異檸檬酸COCO2 2草酰乙酸草酰乙酸順烏頭酸順烏頭酸COCO2 2乳酸乳酸NADNAD+ + NADHNADH2 2檸檬酸檸檬酸NADPNADP