Presentation報告題目登記小組成員匯報內容題目分類(在topic1-4*中選擇或任選分類)從本節課程開始到周四晚上截止，請每組選擇一名代表，將本組報告的題目發送的我的郵箱（Yk_36_）中，請按照下面的內容填寫，將按照郵件發送到本人郵件的時間來確定先后順序。內容填寫不完全者或匯報內容與指定的topic內容不符合者視為登記不成功，將回復郵件告知。注*：Topics：1、新型發酵工業原料的應用和開發（來源、應用范圍、工業預處理及配套政策）；2、計算機技術、自動化技術及傳感技術在發酵工業中的應用；3、與發酵工業相適應的菌種的開發（菌種的獲取、改造和工藝初步優化）；4、發酵工藝的優化實例。以上每個題目限報4組，也可以在其他與本課程相關的內容中自由選題。第七章發酵機制及發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學發酵機制是指微生物通過其代謝活動，利用基質合成人們所需要的產物的內在規律。由于微生物的種類、遺傳特性和環境條件不同，微生物所能積累的代謝產物不同，主要有微生物菌體、微生物酶和代謝產物。微生物代謝產物很多，主要有酒精、丙酮丁醇、有機酸、氨基酸、核苷酸類、蛋白質、抗生素、維生素、脂肪、多糖類等。微生物具有極其精確的代謝控制系統，能確保細胞內所有生化反應有條不紊的進行并制止中間產物和終產物的過量積累。必須人為改變微生物的代謝調控機制，使有用中間代謝產物過量積累，同時利用環境因素對代謝方向產生影響，這就是發酵機制的研究內容。發酵動力學是研究發酵過程中菌體生長、基質消耗、產物生成的動態平衡及其內在規律。其研究內容包括微生物生長過程中質量和能量的平衡，發酵過程中菌體生長速率、基質消耗速率和產物生成速率的相互關系。研究發酵動力學的目的在于設計和優化發酵動力學模型，并以此為依據，利用計算機來設計程序，模擬最適合的工藝流程和發酵工藝參數，從而使生產控制達到最優化。第七章發酵機制及發酵動力學本章主要內容第一節發酵工業微生物的基本代謝情況第二節微生物代謝調控機制第三節重要發酵產物的發酵機制第四節微生物發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學本章主要內容第一節發酵工業微生物的基本代謝情況第二節微生物代謝調控機制第三節重要發酵產物的發酵機制第四節微生物發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學第一節發酵工業微生物的基本代謝和調控機制一、發酵工程微生物的基本代謝及產物（一）微生物初級代謝及產物初級代謝是指微生物從外界吸收各種營養物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所需要的物質和能量的過程。初級代謝產物：由初級代謝過程所產生的產物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由這些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白質、酯類和核酸等）。第七章發酵機制及發酵動力學（二）微生物的次級代謝及產物次級代謝是指微生物在一定的生長時期，以初級代謝產物為前體物質，合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質的過程。這一過程的產物，即為次級代謝產物。次級代謝產物大多是一類分子結構比較復雜的化合物，包括：抗生素、毒素、激素、色素等。抗生素：是由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物。抑制細菌細胞壁合成，破壞細胞質膜，作用于呼吸鏈以干擾氧化磷酸化，抑制蛋白質和核酸合成等方式抑制微生物生長。毒素：細菌毒素和真菌毒素。細菌毒素又分為內毒素和外毒素。激素：微生物能產生刺激動物生長或性器官發育的激素類物質，稱激素，如赤霉素、生長素等。第七章發酵機制及發酵動力學二、微生物的代謝途徑及

途徑上相關物質的前體來源（一）自養微生物的生物氧化、產能和CO2固定（略）（二）化能異養微生物的生物氧化和產能

生物氧化就是發生在活細胞內的一系列產能性氧化反應的總稱。生物氧化的形式包括某物質與氧結合、脫氫或失去電子三種；生物氧化的過程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個階段；生物氧化的功能則有產能（ATP）、產還原力[H]和產小分子中間代謝物三種。以下我們按底物（基質）脫氫的三個階段以及各階段的類型和細節的順序來討論化能異養微生物的生物氧化及其產能效應。第七章發酵機制及發酵動力學底物脫氫的四條主要途徑

——獲得發酵產物的主要來源

1、EMP途徑（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）2、HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）3、ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）4．三羧酸循環（tricarboxylicacidcycle）第七章發酵機制及發酵動力學1、EMP途徑（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑（hexosedipho-sphatepathway）:第七章發酵機制及發酵動力學EMP途徑是絕大多數生物所共有的基本代謝途徑，因而也是酵母菌、真菌和多數細菌所具有的代謝途徑。在有氧條件下，EMP途徑與TCA途徑連接，并通過后者把丙酮酸徹底氧化成CO2和H2O。第七章發酵機制及發酵動力學由EMP途徑中丙酮酸出發的發酵從丙酮酸出發的6條發酵途徑及其相互聯系總結在無氧條件下，丙酮酸或其進一步代謝后所產生的乙醛等產物被還原，從而形成乳酸或乙醇等發酵產物。EMP途徑與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要發酵產物的生產有著密切的關系。第七章發酵機制及發酵動力學2、HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）

即已糖一磷酸途徑，有時也稱戊糖磷酸途徑、Warburg-Dickens途徑或磷酸葡萄糖酸途徑。第七章發酵機制及發酵動力學這是一條葡萄糖不經EMP途徑和TCA途徑而得到徹底氧化，并能產生大量NADPH＋H+形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣，例如它們可以利用戊糖作碳源。通過本途徑而產生的重要發酵產物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發酵）等。第七章發酵機制及發酵動力學3、ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。ED途徑是少數缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑，在其他生物中還沒有發現。其特點是葡萄糖只經過4步反應即可快速獲得由EMP途徑須經10步才能獲得的丙酮酸。第七章發酵機制及發酵動力學經ED途徑發酵產生乙醇的過程與傳統的由酵母菌通過EMP途徑生產乙醇不同，因此稱作細菌酒精發酵。利用Z.mobilis等細菌以生產酒精，是近年來正在開發的工業，它比傳統的酵母酒精發酵有許多優點：（1）代謝速率高，（2）產物轉化率高，（3）菌體生成少，（4）代謝副產物少，（5）發酵溫度較高，以及（6）不必定期供氧等。當然，細菌酒精發酵也有其缺點，主要是其生長PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），其次是細菌耐乙醇力較酵母菌為低（前者約為7.0％，后者則為8～10％）。第七章發酵機制及發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學4．三羧酸循環（tricarboxylicacidcycle）又稱TCA循環、Krebs循環或檸檬酸循環。這是一種循環方式的反應順序，它在絕大多數異養微生物的氧化性（呼吸）代謝中起著關鍵性的作用。在真核微生物中，TCA循環的反應在線粒體內進行，其中的大多數酶定位在線粒體的基質中；在原核生物例如細菌中，大多數酶都存在于細胞質內。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細菌中都是結合在膜上的。第七章發酵機制及發酵動力學TCA第七章發酵機制及發酵動力學三羧酸循環在微生物代謝中的樞紐地位第七章發酵機制及發酵動力學遞氫和受氫過程在生物體中，貯存在葡萄糖等有機物中的化學能，經上述的多種途徑脫氫后，經過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結合，以釋放其化學潛能。根據遞氫特別是受氫過程中氫受體性質的不同，可以把生物氧化區分成呼吸（有氧呼吸）、無氧呼吸和發酵三種類型。第七章發酵機制及發酵動力學1．呼吸（respiration）呼吸是一種最普遍和最重要的生物氧化方式，其特點是底物按常規方式脫氫后，經完整的呼吸鏈[RC，respiratorychain，又稱電子傳遞鏈（ETC，electrontransportchain）]遞氫，最終由分子氧接受氫并產生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進行，因此又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。第七章發酵機制及發酵動力學2．無氧呼吸（anaerobicrespiration）無氧呼吸又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進行的產能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規途徑脫氫后，經部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態的無機物（個別是有機物延胡索酸）受氫。根據呼吸鏈末端的最終氫受體的不同，可把無氧呼吸分成以下多種類型：第七章發酵機制及發酵動力學3．發酵（fermentation）“發酵”這一名詞用得十分普遍。在發酵工業上，發酵是指任何利用好氧或厭氧微生物來生產有用代謝產物的一類生產方式；而在生物氧化或能量代謝中，發酵僅是指在無氧條件下，底物脫氫后所產生的還原力[H]不經過呼吸鏈傳遞而直接交給某一內源氧化性中間代謝產物的一類低效產能反應，即：第七章發酵機制及發酵動力學本章主要內容第一節發酵工業微生物的基本代謝情況第二節微生物代謝調控機制第三節重要發酵產物的發酵機制第四節微生物發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調節系統，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復雜的新陳代謝反應。微生物細胞的代謝調節方式很多，例如可調節營養物質透過細胞膜而進入細胞的能力，通過酶的定位以限制它與相應底物的接近，以及調節代謝流等。其中以調節代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調”，即調節酶的合成量，二是“細調”，即調節現成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協調，以達到最佳調節效果。利用微生物代謝調控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調控的變異菌株，可為發酵工業提供生產有關代謝產物的高產菌株。有關的實際例子將在本節后部分進行介紹。第七章發酵機制及發酵動力學一、酶活性的調節

酶活性的調節是指通過對已存在的酶的活性的改變，影響代謝速率。這是一種快速調節，依靠酶分子結構的改變而實現，主要方式有反饋抑制和酶的共價修飾兩種，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。1、酶活性的激活最常見的酶活性的激活是前體激活，它常見于分解代謝途徑，即代謝途徑中后面的反應可以被該途徑較前面的而一個產物所促進。2、酶活性的抑制酶活性的抑制主要是反饋抑制。反饋抑制是指合成途徑的末端產物（即終產物）過量時，這個產物對該途徑前段的某一個酶活性的抑制現象。通常抑制的是反應途徑的第一個酶（第一步反應往往是限速步驟）。第七章發酵機制及發酵動力學1）直線代謝途徑中的反饋抑制這是一種最簡單的反饋抑制類型，過量的終產物抑制途徑的第一個酶，就能很好的控制整個反應過程。第七章發酵機制及發酵動力學（1）同工酶調節：其特點是在分支途徑中第一個酶有幾種結構不同的一組同工酶，每一分支代謝產生的終產物只對一種同工酶具有反饋抑制作用，只有當幾種種產物同時過量時，才能完全阻止反應的進行。2）分支代謝途徑中的反饋抑制在有兩種或兩種以上的末端產物的分支代謝途徑中，為避免在一個分支上的產物過多，影響另一分支上產物的供應，微生物有下列多種調節方式：第七章發酵機制及發酵動力學（2）協同反饋抑制：在分支代謝途徑中，幾種末端產物同時都過量時，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用，若某一末端產物單獨過量則對途徑的第一個酶無抑制作用。（3）累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產物過量時都能對共同途徑中第一個酶起抑制作用，而且各種末端產物的抑制作用互不干擾。當各種末端產物同時過量時，它們的抑制作用是累加的。第七章發酵機制及發酵動力學（4）順序反饋抑制：分支代謝途徑中的兩個末端產物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應步驟，造成分支點上中間產物的積累，這種高濃度的中間產物再反饋抑制第一個酶的活性，因此，只有當兩個末端產物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑制作用。第七章發酵機制及發酵動力學二、酶合成的調節

酶合成的調節是指酶在數量上和種類上的調節。這是一種緩慢調節，通過改變酶分子合成的速度實現代謝途徑的變化。這種調節共有兩種方式：一種是指酶生成的誘導，是指促進細胞內酶的合成；另一種是代謝產物對酶生成的阻遏，是指細胞內酶的合成停止，包括分解代謝降解物阻遏和合成代謝終產物的反饋阻遏。1、誘導

根據酶的生成是否與環境中所存在的該酶底物或其有關物的關系，可把酶劃分成組成酶和誘導酶兩類。

組成酶，如EMP途徑的有關酶類。

誘導酶則是細胞為適應外來底物或其結構類似物而臨時合成的一類酶，例如E．coli在含乳糖培養基中所產生的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。能促進誘導酶產生的物質稱為誘導物。又可分為同時誘導和順序誘導。第七章發酵機制及發酵動力學藍白斑篩選原理野生型大腸桿菌產生的β-半乳糖苷酶可以將無色化合物X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)切割成半乳糖和深藍色的物質5-溴-4-靛藍。有色物質可以使整個培養菌落產生顏色變化，而顏色變化是鑒定和篩選的最直觀有效的方法。藍白斑篩選的宿主菌：為β-半乳糖苷酶缺陷型菌株。這種宿主菌的染色體基因組中編碼β-半乳糖苷酶的基因突變，造成其編碼的β-半乳糖苷酶失去正常N段一個146個氨基酸的短肽（即α肽鏈），從而不具有生物活性，即無法作用于X-gal產生藍色物質。第七章發酵機制及發酵動力學藍白斑篩選的載體：具有一段稱為lacz'的基因，lacz'中包括：一段β-半乳糖苷酶的啟動子；編碼α肽鏈的區段；一個多克隆位點(MCS)。MCS位于編碼α肽鏈的區段中，是外源DNA的選擇性插入位點，但其本身不影響載體編碼α肽鏈的功能活性。第七章發酵機制及發酵動力學雖然上述缺陷株基因組無法單獨編碼有活性的β-半乳糖苷酶，但當菌體中含有帶lacz'的質粒后，質粒lacz'基因編碼的α肽鏈和菌株基因組表達的Ｎ端缺陷的β-半乳糖苷酶突變體互補，具有與完整β-半乳糖苷酶相同的作用X-gal生成藍色物質的能力，這種現象即α-互補。操作中，添加IPTG(異丙基硫代-β-Ｄ-半乳糖苷)以激活lacz'中的β-半乳糖苷酶的啟動子，在含有X-gal的固體平板培養基中菌落呈現藍色。插入失活：當外源DNA（即目的片斷）與含lacz'的載體連接時，會插入進MCS，使α肽鏈讀碼框破壞，這種重組質粒不再表達α肽鏈，將它導入宿主缺陷菌株則無α互補作用，不產生活性β-半乳糖苷酶，即不可分解培養基中的X-gal產生藍色，培養表型即呈現白色菌落。第七章發酵機制及發酵動力學2、阻遏

在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關鍵酶在內的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產物的合成。阻遏的類型主要有末端代謝產物阻遏和分解代謝產物阻遏兩種。（1）末端產物阻遏（end-productrepression）指由某代謝途徑末端產物的過量累積而引起的阻遏。

直線式反應途徑：即產物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏，例如精氨酸的生物合成途徑（圖6-59）。

分支代謝途徑：每種末端產物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產物的阻遏，此即稱多價阻遏作用。也就是說，任何單獨一種末端產物的存在，都沒有影響，只有當所有末端產物都同時存在時，才能發揮出阻遏功能。第七章發酵機制及發酵動力學（2）分解代謝物阻遏指細胞內同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關酶合成的現象。現在知道，分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結果，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產生的中間代謝物所引起的阻遏作用。因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現象。

例如，有人將E．coli培養在含乳糖和葡萄糖的培養基上，發現該菌可優先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗盡后才開始利用乳糖，這就產生了在兩個對數生長期中間隔開一個生長延滯期的“二次生長現象”。培養物濁度培養時間a葡萄糖耗盡bβ-半乳糖苷酶誘導大腸桿菌的“二次生長”現象培養物濁度培養時間a葡萄糖耗盡bβ-半乳糖苷酶誘導大腸桿菌的“二次生長”現象第七章發酵機制及發酵動力學三、代謝調控在發酵工業中的應用

這里將討論如何控制微生物的正常代謝調節機制，使其累積更多為人們所需要的有用代謝產物。包括三個方面：（一）應用營養缺陷型菌株以解除正常的反饋調節（二）應用抗反饋調節的突變株解除反饋調節（三）控制細胞膜的滲透性第七章發酵機制及發酵動力學（一）應用營養缺陷型菌株以解除正常的反饋調節在分支代謝途徑中，通過解除某種反饋調節，就可以使某一分支途徑的末端產物得到累積。

舉例1：賴氨酸發酵工業上選育了Corynebacteriumglutamicum（谷氨酸棒桿菌）的高絲氨酸缺陷型菌株作為賴氨酸的發酵菌種。這個菌種由于不能合成高絲氨酸脫氫酶（HSDH）。第七章發酵機制及發酵動力學舉例2：肌苷酸（IMP）的生產第七章發酵機制及發酵動力學（二）應用抗反饋調節的突變株解除反饋調節

抗反饋調節突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或對阻遏有抗性的組成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產物。第七章發酵機制及發酵動力學（三）控制細胞膜的滲透性

細胞內的代謝產物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過反饋阻遏限制了它們的進一步合成。采取生理學或遺傳學方法，可以改變細胞膜的透性，使細胞內的代謝產物迅速滲漏到細胞外。1．通過生理學手段控制細胞膜的滲透性第七章發酵機制及發酵動力學2．通過細胞膜缺損突變而控制其滲透性應用谷氨酸產生菌的油酸缺陷型菌株，在限量添加油酸的培養基中，也能因細胞膜發生滲漏而提高谷氨酸的產量。利用石油發酵產生谷氨酸的解烴棒桿菌的甘油缺陷型突變株，由于缺乏a-磷酸甘油脫氫酶，故無法合成甘油和磷脂。第七章發酵機制及發酵動力學本章主要內容第一節發酵工業微生物的基本代謝情況第二節微生物代謝調控機制第三節重要發酵產物的發酵機制（一）糖代謝產物的發酵機制（二）氨基酸和核酸發酵機制（三）抗生素發酵機制第四節微生物發酵動力學第七章發酵機制及發酵動力學一、糖代謝產物的發酵機制（一）乙醇發酵1、以EMP途徑為基礎的酵母乙醇發酵酵母的乙醇發酵和酒精、白酒、葡萄酒、啤酒等各種酒類生產關系密切。丙酮酸脫羧酶是酵母菌乙醇發酵的關鍵酶。總反應式為：葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP第七章發酵機制及發酵動力學酵母乙醇發酵過程的三種形式Ⅰ型發酵：正常的乙醇發酵在弱酸性條件下進行，產生2分子的乙醇和2分子CO2。這又稱為酵母的“同型酒精發酵”。Ⅱ型發酵：在發酵培養基中添加適量NaHSO3，則乙醇發酵轉變為甘油發酵，形成大量甘油和少量乙醇。其機理：NaHSO3與乙醛形成復合物，封閉了乙醛，由磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，形成α-磷酸甘油，在α-磷酸甘油酯酶的催化下脫去磷酸，形成甘油。Ⅲ型發酵：將發酵液pH值控制在弱堿性（pH7.6），酵母的乙醇發酵轉向甘油發酵，主產物為甘油，