發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

關(guān)于發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)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(jī)制第三節(jié)糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制第四節(jié)氨基酸和核苷酸發(fā)酵機(jī)制第五節(jié)抗生素發(fā)酵機(jī)制第六節(jié)微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)第2頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三本章要求掌握初級(jí)與次級(jí)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(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)第3頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第一節(jié)發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物初級(jí)代謝及產(chǎn)物

多糖、蛋白質(zhì)、核酸和氨基酸等。次級(jí)代謝及產(chǎn)物抗生素、毒素、激素和色素等。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的，稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來(lái)自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物。第4頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第二節(jié)代謝調(diào)節(jié)方式與機(jī)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(xì)胞透性的調(diào)節(jié)能荷調(diào)節(jié)酶量（粗調(diào)）酶活（細(xì)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（一）代謝途徑區(qū)域化原核微生物細(xì)胞雖然沒(méi)有復(fù)雜的具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，但也劃分出不同的區(qū)域，對(duì)于某一代謝途徑有關(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(jìn)行，避免了其他途徑的干擾；真核微生物細(xì)胞里，各種酶系被細(xì)胞器隔離分布，使其代謝活動(dòng)只能在特定的部位上進(jìn)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(xì)胞核里。第6頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（二）代謝流向的調(diào)控微生物在不同條件下可以通過(guò)控制各代謝途徑中某個(gè)酶促反應(yīng)的速率來(lái)控制代謝物的流向，從而保持機(jī)體代謝的平衡。1、由一個(gè)關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng)同一個(gè)酶可以通過(guò)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+

催化谷氨酸的分解第7頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、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(lái)催化的。即在一個(gè)“可逆”反應(yīng)中，其中一個(gè)酶催化正反應(yīng)，另一種酶則催化逆反應(yīng)。如：葡萄糖+ATP6-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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（三）代謝速度的調(diào)控1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）

通過(guò)酶量的變化來(lái)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(dá)水平上起作用的。①酶合成的誘導(dǎo)（inductionofenzymesynthesis）協(xié)同誘導(dǎo)：一種誘導(dǎo)劑可以同時(shí)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(gè)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三②酶合成的阻遏（repressionofenzymesynthesis）終點(diǎn)產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒簦汉铣纱x過(guò)程中，相關(guān)酶的合成被過(guò)量終點(diǎn)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(zhǎng)現(xiàn)象。在啟動(dòng)序列上游有兩個(gè)位點(diǎn)，RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)和cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有葡萄糖及cAMP濃度較高時(shí)，形成cAMP-CAP

，該復(fù)合物結(jié)合在啟動(dòng)序列后，RNA聚合酶才能與啟動(dòng)序列結(jié)合，酶的合成才能開(kāi)始；當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，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(wú)法結(jié)合至啟動(dòng)子，導(dǎo)致RNA聚合酶無(wú)法與啟動(dòng)序列結(jié)合，因此乳糖操縱子表達(dá)下降。

第10頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三③酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機(jī)制：操縱子學(xué)說(shuō)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(gè)片段，這個(gè)片斷由啟動(dòng)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：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達(dá)。阻遏型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達(dá)的關(guān)閉。第11頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第12頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(jī)制第13頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）

一定數(shù)量的酶，通過(guò)其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)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(qiáng)度、輔助因子以及其他酶的存在等等。特點(diǎn)是反應(yīng)快速。①酶活性的激活（activation）前體激活：代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：代謝中間產(chǎn)物對(duì)該代謝途徑的前面的酶起激活作用。第14頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）②酶活性的抑制（inhibition）：大多是反饋抑制A.無(wú)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(duì)催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。ABCDX

Ea

Eb

Ec

抑制第15頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(xì)調(diào)）酶的順序反饋抑制ABC

EaDEYFGZ

Eb

Ec抑制抑制抑制兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶Ea，而是分別抑制分支點(diǎn)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三同工酶的反饋抑制途徑中的第一個(gè)反應(yīng)（AB）被兩個(gè)不同的酶所催化，一個(gè)酶被Y抑制，另一個(gè)酶被Z抑制。只有當(dāng)Y和Z同時(shí)過(guò)量才能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)锽。另兩個(gè)控制點(diǎn)（CD），（CF），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。ABC

E2DEYFGZE1E3E4抑制抑制抑制抑制第17頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三協(xié)同反饋抑制末端產(chǎn)物Y和Z單獨(dú)過(guò)量，對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1無(wú)抑制作用，只有Y和Z同時(shí)過(guò)量，才能對(duì)E1具有抑制作用。另兩個(gè)控制點(diǎn)的酶E2和E3分別被Y和Z所抑制。ABC

E1DEYFGZE3E2抑制抑制抑制第18頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三累積反饋抑制末端產(chǎn)物Y和Z單獨(dú)過(guò)量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過(guò)量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。只有當(dāng)Y和Z同時(shí)過(guò)量，才能對(duì)E1產(chǎn)生較大的抑制作用。ABC

E1DEYFGZ40%30%58%第19頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三超相加反饋抑制末端產(chǎn)物Y和Z單獨(dú)過(guò)量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過(guò)量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。當(dāng)Y和Z同時(shí)過(guò)量，對(duì)E1產(chǎn)生的抑制作用則超過(guò)各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)的抑制的總和。ABC

E1DEYFGZ15%20%90%第20頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三②酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)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(jià)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，從而引起酶活性的變化。酶的共價(jià)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(jià)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（四）細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)胞內(nèi)代謝的變化。第22頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三對(duì)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、微生物代謝調(diào)控機(jī)制微生物在正常情況下，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個(gè)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(huì)過(guò)多的積累。而人類利用微生物進(jìn)行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)物，因此對(duì)微生物的代謝必須進(jìn)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(shí)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（二）反饋?zhàn)瓒糇饔玫慕獬簩?shí)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，從而解除了末端產(chǎn)物對(duì)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(duì)途徑中的第一個(gè)酶的反饋抑制，積累中間產(chǎn)物；（四）使細(xì)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(guò)控制甘油或生物素或油酸濃度以控制細(xì)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、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(xì)胞膜組分的缺失突變代謝調(diào)節(jié)控制育種通過(guò)特定突變型的選育，達(dá)到改變代謝通路、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(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。第26頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、代謝缺陷型菌株直線型合成途徑中的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)缺陷型來(lái)合成某種末端產(chǎn)物。第27頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、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(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)酶，使代謝物不能進(jìn)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(wú)活性的化合物。通過(guò)誘變篩選出對(duì)抗代謝物相對(duì)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三AspAsp-PAsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例：黃色短桿菌抗α-氨基-β-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(huì)同蘇氨酸結(jié)合，所以能解除蘇氨酸對(duì)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、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(guò)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(zhǎng)的菌落就是缺乏產(chǎn)物降解酶的變異株。第30頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三4、細(xì)胞膜組分的缺失突變以前經(jīng)常提到反饋抑制和反饋?zhàn)瓒?，都是由于末端產(chǎn)物的濃度過(guò)高引起的。利用細(xì)胞膜組分的缺失突變使細(xì)胞膜的透性增大，可使代謝產(chǎn)物易于分泌到胞外，從而達(dá)到解除末端產(chǎn)物抑制或阻遏的目的。第31頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三例1：谷氨酸棒桿菌（生物素缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸PEPPyrAcCoAOAAα

kgGluMalPCPEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Pyr：丙酮酸；AcCoA：乙酰輔酶A；OAA：草酰乙酸；α

kg：α-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(jìn)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(xì)胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可間接地影響細(xì)胞膜的透性。生物素對(duì)谷氨酸合成的影響第32頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三例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α-磷酸甘油磷酯PGDH該菌株的α-磷酸甘油脫氫酶（PGDH）缺失，因此不能正常合成α-磷酸甘油和磷酯。影響了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的合成而使得細(xì)胞膜透性增大，有利于谷氨酸在菌體外積累。第33頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（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)境條件既影響微生物的生長(zhǎng)，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(jiàn)第六章）。第34頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三節(jié)糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制一、厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制葡萄糖在微生物細(xì)胞中進(jìn)行厭氧分解時(shí)，通過(guò)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成不同的發(fā)酵產(chǎn)物。第35頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三由表可見(jiàn)，在微生物細(xì)胞中，有的同時(shí)存在多條途徑來(lái)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竟經(jīng)何種途徑代謝，對(duì)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66~8119~34—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(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌——100藤黃八疊球菌7030—第36頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(yùn)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶1、酵母菌的乙醇發(fā)酵（Ⅰ型發(fā)酵）※該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。（一）酵母菌發(fā)酵（通過(guò)EMP途徑進(jìn)行）第38頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、酵母菌的Ⅱ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(huì)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、酵母菌的Ⅱ型發(fā)酵丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（pH7）Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵（磺化羥基乙醛）酵母菌的二型發(fā)酵第40頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三★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(huì)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(shí)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)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。這種發(fā)酵方式不產(chǎn)生能量，只在非生長(zhǎng)情況下進(jìn)行。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO23、酵母菌的Ⅲ型發(fā)酵第41頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.酵母菌的Ⅲ型發(fā)酵丙酮酸CO22個(gè)乙醛H不足乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵酵母菌的三型發(fā)酵（pH7.6

）乙酸＋第42頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源通風(fēng)對(duì)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(shí)間細(xì)胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(Pasteureffect)現(xiàn)象：第43頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三巴斯德效應(yīng)（Pasteureffect）機(jī)理巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)：厭氧條件下酵母菌進(jìn)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(jìn)行呼吸作用，脫氫產(chǎn)生的NADH進(jìn)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(huì)降低。同時(shí)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（二）細(xì)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(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌等途徑：ED第45頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三利用Z.mobilis等細(xì)菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：pH5較易染菌；耐乙醇能力（7%）較酵母（8-10%）低。第46頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（三）乳酸菌發(fā)酵乳酸細(xì)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(xì)菌的統(tǒng)稱，產(chǎn)生乳酸的過(guò)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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三葡萄糖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1、同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPStreptococcuslactis(乳鏈球菌)Lactobacilluscasei（乳酸乳桿菌）Lactobacillusdelbruckii（德氏乳桿菌）

第48頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、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+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2一些異型發(fā)酵乳酸桿菌例如Leuconostocmesenteroides（腸膜明串珠菌等，因缺乏EMP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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第50頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（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(guò)EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、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(jī)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CO2H2

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+2HpH﹤6.2產(chǎn)氣產(chǎn)酸第52頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（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CO2H2-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、沙雷氏菌和歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。EMP第53頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)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(shí)現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。1953年，Jagnnathan等證實(shí)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；1954－1955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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三淀粉葡萄糖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α-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①①：丙酮酸羧化酶；②：順烏頭酸水合酶②異檸檬酸脫氫酶第55頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三①M(fèi)n抑制蛋白合成NH4解除磷酸果糖激酶的代謝調(diào)節(jié)，促進(jìn)EMP途徑的暢通有一條呼吸活力強(qiáng)的不產(chǎn)生ATP的側(cè)系呼吸鏈②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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三③丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA和CO2固定兩個(gè)反應(yīng)的平衡，以及檸檬酸合成酶不被調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了合成檸檬酸的能力。

④由于順烏頭酸水合酶在催化時(shí)建立了以下平衡：檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7

同時(shí)控制Fe2+含量時(shí)，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(gè)pH條件下積累的。

第57頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三⑤隨著檸檬酸積累，pH降低到一定程度時(shí)，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(xì)胞外。第58頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第四節(jié)氨基酸和核酸的發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制1EMP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。2TCA、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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、氨的導(dǎo)入

①α-酮戊二酸還原氨基化→谷氨酸

氨的導(dǎo)入有三種方式

③谷氨酸合成酶途徑二細(xì)胞膜通透性控制

①α-酮戊二酸脫氫酶活性極低或缺失

③細(xì)胞膜對(duì)谷氨酸的通透性高

②由天冬氨酸或丙酮酸通過(guò)氨基轉(zhuǎn)移，將氨基轉(zhuǎn)給α-酮戊二酸②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(diǎn)第60頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三葡萄糖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③丙酮酸CO2異檸檬酸CO2②草酰乙酸順烏頭酸CO2乳酸NAD+NADH2⑨檸檬酸NADP+CO2NADH2⑧NAD+草酰琥珀酸α－酮戊二酸琥珀酸延胡索酸谷氨酸NADPH2NADP+⑤NADP+NADPH2④乙醛酸乙酰輔酶ACO2⑥CO2⑦葡萄糖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(jī)制天冬氨酸磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶第61頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三D-蘇氨酸L-蘇氨酸α-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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-γ-半醛N-乙酰鳥(niǎo)氨酸鳥(niǎo)氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精氨酸負(fù)反饋控制N-乙酰谷氨酸激酶Arg-Cit

-降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛萨B(niǎo)氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機(jī)制第63頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三葡萄糖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(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(niǎo)嘌呤核苷酸（