發(fā)酵工程發(fā)酵機制

發(fā)酵工程發(fā)酵機制第1頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵機制：微生物通過其代謝活動，利用基質（底物）合成人們所需要的代謝產(chǎn)物的內(nèi)在規(guī)律積累的產(chǎn)物轉化產(chǎn)物微生物酶代謝產(chǎn)物嫌氣發(fā)酵：酒精、甘油、乳酸、丙酮、丁醇等好氣發(fā)酵：有機酸、氨基酸、蛋白質、核苷酸、抗生素、維生素等微生物菌體第2頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物：次級代謝產(chǎn)物：★初級代謝產(chǎn)物：

微生物因生長和繁殖需要而合成的必須的物質，包括糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸、以及由這些物質聚合而成的高分子化合物，如多糖、蛋白質、酯類和核酸等。

★次級代謝產(chǎn)物：

指微生物由初級代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物出發(fā)合成的一些功能不明確、化學結構特殊、對細胞的生長繁殖并非重要的產(chǎn)物，包括抗生素、色素和毒素等。第3頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月代謝控制發(fā)酵：人為的改變微生物的代謝調控機制，使有用的代謝產(chǎn)物過量的積累。發(fā)酵機制研究的內(nèi)容：1.微生物的生理代謝規(guī)律（就是各種代謝產(chǎn)物合成途徑及代謝調節(jié)機制）；2.環(huán)境因素對代謝方向的影響及改變微生物代謝方向的措施；第4頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物積累機制嫌氣發(fā)酵產(chǎn)物：酒精發(fā)酵、甘油發(fā)酵、同型乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵、混合酸發(fā)酵等

生物丁醇設備第5頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、糖酵解途徑及調節(jié)機制葡萄糖經(jīng)EMP途徑：C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2第6頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖ATP6-P-葡萄糖6-P-果糖1.6-二P果糖3-P-甘油醛3-P-甘油酸丙酮酸乙酰CoA琥珀酸CoA草酰乙酸乳酸乙醇GTPATPADPCitAlaNADH2NADATPATPF·APEPNADHADPADPADPATPcAMPATP抑制PEP：磷酸烯醇丙酮酸Ala：丙氨酸F·A：脂肪酸Cit：檸檬酸圖：糖酵解和糖新生的控制己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶1.6-二P果糖第7頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月1、糖酵解途徑（EMP）的特點：①.除蘭綠藻之外的幾乎所有生物葡糖分解的共同途徑,廣泛存在于各種細胞中，每個反應都不需氧。②分為兩個階段③糖酵解有10多個反應，都在酶的作用下完成：a.激酶b.變位酶c.異構酶d.脫氫酶④.其他糖類（如淀粉、乳糖等）作為碳源和能源時，通過葡萄糖或其他中間產(chǎn)物并入EMP途徑。第8頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3-磷酸甘油醛1·3-二磷酸甘油酸NAD+＋HNADH2所形成的NADH2要迅速被氧化成NAD，以使糖酵解反應繼續(xù)進行。釋放出的H2被不同受體接受，從而形成不同的產(chǎn)物。⑤.丙酮酸去路不同（不同微生物利用丙酮酸，生成不同代謝產(chǎn)物）第9頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月在無氧條件下，丙酮酸主要發(fā)生如下變化：（1）乳酸菌：乳酸——同型乳酸發(fā)酵（2）酵母：乙醇——酒精發(fā)酵（3）梭狀芽孢桿菌：先后生成丁酰CoA、丁醛、丁醇、丙酮、乙醇——丙酮丁醇發(fā)酵。第10頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、糖酵解調節(jié)機制調節(jié)點主要是三個激酶：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶，所催化的三個反應是不可逆的，只參與糖酵解，不參與糖的新生。而激酶的活性是受細胞能荷調節(jié)的。第11頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月[(ATP)+1/2(ADP)]/[(ATP)+(ADP)+(AMP)]

為一定的比例，該比例叫能荷。當體系中ATP含量高時，ATP抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，使酵解減少。當需要能量時，ATP分解為ADP、AMP，這樣ATP減少，ADP增加、AMP增加→能荷降低→激酶活性增大；無機磷也是調節(jié)者，它能解除6-磷酸葡萄糖對己糖激酶的抑制，加快糖酵解。第12頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖ATP6-P-葡萄糖6-P-果糖1.6-二P果糖3-P-甘油醛3-P-甘油酸丙酮酸乙酰CoA琥珀酸CoA草酰乙酸乳酸乙醇GTPADPAMPATPADPCitAlaNADH2NADATPATPF·APEPNADHADPADPADPATPcAMPATP抑制激活PEP：磷酸烯醇丙酮酸Ala：丙氨酸F·A：脂肪酸Cit：檸檬酸圖：糖酵解和糖新生的控制第13頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、酒精發(fā)酵機制1、乙醇產(chǎn)生的機理（酵母菌Ⅰ型發(fā)酵）以丙酮酸脫羧產(chǎn)生的乙醛作為H受體產(chǎn)生乙醇。第14頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、巴斯德效應

在厭氧條件下,向高速發(fā)酵的培養(yǎng)基中通入氧氣,則葡萄糖消耗減少,抑制發(fā)酵產(chǎn)物積累的現(xiàn)象稱為巴斯德效應。即呼吸抑制發(fā)酵的作用。

原因、機制：

假說一:至今最為有力的假說：

即發(fā)酵系統(tǒng)中的一種酶——磷酸果糖激酶的反應為ATP和檸檬酸所抑制，但由于氧的供給而發(fā)生呼吸作用（進入TCA），結果使ATP和檸檬酸的濃度增大（有氧進行檸檬酸循環(huán)，產(chǎn)生檸檬酸和相對更多的ATP），使這個酶受到抑制，因而發(fā)酵作用也受到抑制。第15頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月假說二：由呼吸引起ADP（ADP→ATP）量的降低，導致對此物質必需的發(fā)酵系統(tǒng)的磷酸甘油酸激酶和磷酸丙酮酸激酶的反應降低,因而發(fā)酵過程減弱。

假說三：由于呼吸引起NADH量的降低，使丙酮酸還原為乳酸的反應減弱，使得發(fā)酵過程減弱。第16頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成酵母菌酒精發(fā)酵主產(chǎn)物：乙醇、CO2副產(chǎn)物40多種醇（雜醇油）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酯甲醇第17頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）雜醇油的生成

是碳原子數(shù)大于2的脂肪族醇類的統(tǒng)稱，主要由正丙醇、異丁醇、異戊醇和活性戊醇組成，這些高級醇是構成酒類風味的重要組成成分之一，當其過量時會影響產(chǎn)品質量，是酒類產(chǎn)品中質量指標之一，應予以控制。a.氨基酸氧化脫氨作用試驗證明轉氨基是在相應氨基酸與α-酮戊二酸間進行①

酒精發(fā)酵中高級醇的形成途徑第18頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月亮氨酸+-酮戊二酸異戊醇第19頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月b、由葡萄糖直接生成酵母通過糖代謝生成－酮酸，然后發(fā)生下述反應：－酮酸（碳原子低的）活性乙醛ɑ－酮酸（碳原子高的）還原、異構、脫水醇＋纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸醇第20頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月c、由蘇氨酸生成正丙醇

蘇氨酸ɑ－氨基－2－丁烯酸脫水酶ɑ－丁酮酸脫氨脫羧醛正丙醇還原第21頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月②、影響雜醇油形成的條件◆菌種◆培養(yǎng)基組成◆發(fā)酵條件第22頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）琥珀酸的生成在發(fā)酵液中加入谷氨酸，可增加琥珀酸的產(chǎn)量（3）酯類的生成（4）糠醛、甲醇等的生成第23頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月4、酒精發(fā)酵工藝淀粉質原料：薯類原料（紅薯干、山芋干、木薯干、馬鈴薯等）；谷物原料（玉米、小麥、大麥、稻米等）糖質原料：廢糖蜜；甜菜；甘蔗；甜高梁等；纖維質原料：木材加工下腳料；森林工業(yè)下腳料；農(nóng)作物秸桿；甘蔗渣；廢甜菜絲等⑴酒精的原料：

第24頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月酒精酵母（Saccharomycescerevisiae）；其它潛力的酒精發(fā)酵微生物：粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe

)：

適合纖維、半纖維水解液的酒精發(fā)酵，有些菌株具有強絮凝性，可用于高強度清液酒精發(fā)酵。發(fā)酵運動單胞菌（Zymomonasmobilis）：

1911敗壞的蘋果酒分離得

糖吸收速率比酵母快1~2倍；酒精得率比酵母高；絮凝性顆粒酒精發(fā)酵強度是常規(guī)的10倍以上，是清液酒精發(fā)酵最有競爭力的菌種

⑵常用菌種：

第25頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅰ、α-淀粉酶：水解淀粉使生成糊精Ⅱ、外切-1，4-α-葡萄糖苷酶：從多糖非還原末端切割α-1，4-葡萄糖苷鍵，生成葡萄糖；行業(yè)稱糖化酶Ⅲ、纖維素酶：水解纖維素生成葡萄糖和其它纖維二糖；Ⅳ、果膠酶：使果膠質分解，醪液黏度明顯下降，在濃醪發(fā)酵工藝有重要意義；⑶酒精生產(chǎn)常用酶制劑：

第26頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月⑷淀粉質原料酒精生產(chǎn)工藝：

②預處理：

除雜：用磁鐵、風選、篩選，除去原料中金屬、石塊、泥土、草屑等雜質；粉碎：錘碎機、萬能磨碎機，粉碎至預定細度，過1~2mm篩；第27頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

將粉碎了的原料加水制成粉漿，加熱，使粉漿中淀粉糊化，為進一步將淀粉變成可發(fā)酵性糖作準備；粉漿制備（生產(chǎn)上叫“拌料”）中溫蒸煮：加入高溫液化酶，蒸汽加熱105℃，45min③水熱處理：

糖化酶，將糊化了的淀粉變成可發(fā)酵性糖；④糖化：

第28頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)酵方法：A間歇發(fā)酵（大多數(shù)淀粉質原料酒精廠采用）糖化醪冷卻到28~30℃，泵入發(fā)酵罐，接入10%酒母（或0.15%活化的酒用活性干酵母），保溫28~30℃，60h,進行酒精發(fā)酵，然后蒸餾。B連續(xù)發(fā)酵在一組發(fā)酵罐中進行，發(fā)酵開始時，糖化醪加入發(fā)酵罐首罐同時加入足夠數(shù)量的酒母，滿罐后進行間歇發(fā)酵，當發(fā)酵至主發(fā)酵后期，開始不斷地流加糖化醪，發(fā)酵醪開始從首罐流往隨后的發(fā)酵罐，當發(fā)酵醪從最后一個發(fā)酵罐流出時，發(fā)酵已經(jīng)結束，送去蒸餾。C高強度酒精發(fā)酵：包括固定化酵母、細菌酒精發(fā)酵、濃醪發(fā)酵等幾種技術；⑤發(fā)酵：

第29頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月目的：將酒精等揮發(fā)性物質與酒糟分開，得到粗酒精蒸氣（稱為蒸餾）；

粗酒精蒸氣經(jīng)過精餾達到增濃、除雜，得成品酒精（如工業(yè)酒精、食用酒精、精餾酒精、高純度酒精、無水酒精等）（稱為精餾）蒸餾工藝：三塔流程（醪塔、精塔、甲醇塔和一系列冷卻設備。⑥蒸餾：

第30頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、甘油的合成機制

在酵母菌中，乙醇脫氫酶活性很強，乙醛作為氫受體被還原成乙醇，所以，乙醇發(fā)酵中甘油的生成量很少。1.加入某種抑制劑：阻止乙醛作為氫受體時，磷酸二羥丙酮替代乙醛作為氫受體形成甘油。NaHSO3可作為抑制劑：乙醛+NaHSO3

乙醛·亞硫酸氫鈉（磺化乙醛）↓第31頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NAD﹢NADH+H﹢NADH+H＋NAD﹢H2OPi酵母菌Ⅱ型發(fā)酵葡萄糖1.6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3α-磷酸甘油甘油第32頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.改變發(fā)酵條件：酵母菌在堿性（pH7.6）條件下，兩分子乙醛發(fā)生歧化反應，生成等量的乙酸和乙醇；這時磷酸二羥丙酮成為氫受體。這樣，發(fā)酵產(chǎn)生的總的產(chǎn)物為甘油、乙醇、乙酸。

（酵母菌Ⅲ型發(fā)酵）第33頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖1、6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醇磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油甘油NADH+HNADH﹢﹢酵母菌Ⅲ型發(fā)酵2ADP2ATPCO2乙酸加Na2CO3或NaOH第34頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月四、乳酸發(fā)酵機制乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：乳酸菌異型乳酸發(fā)酵：如腸膜明串珠菌、兩歧雙歧桿菌1、同型乳酸發(fā)酵多數(shù)乳酸菌不具有脫羧酶，丙酮酸不能脫羧生成乙醛，而能在乳酸脫氫酶作用下作為氫受體被還原成乳酸。第35頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2、異型乳酸發(fā)酵：分兩種途徑1、6-磷酸葡糖酸途徑（磷酸酮解途徑）2、雙歧途徑（磷酸酮解途徑，與上不同）葡萄糖2ATP4ATP2ADP4ADP3-磷酸甘油醛1·3-二磷酸甘油酸丙酮酸乳酸2NADNADNADH+H2NADH+H++第36頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖ATPADP6－磷酸葡萄糖1NADNADH＋H＋6－磷酸葡萄糖酸2NADNADH＋H＋5－磷酸核酮糖35－磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰乙酰CoANADH＋H＋NAD乙醛NADH＋H＋NAD乙醇3－磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADH＋H＋NADNADH＋H＋48576圖：6－磷酸葡萄糖酸途徑（腸膜明串珠菌）己糖激酶6－磷酸葡萄糖脫氫酶6－磷酸葡萄糖酸脫氫酶4.5－磷酸核酮糖－3－差向異構酶5.磷酸解酮酶6.磷酸轉乙酰酶7.乙醛脫氫酶8.醇脫氫酶第37頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖ATPADP6－磷酸果糖6－磷酸果糖ADPPi4－磷酸赤蘚糖3－磷酸甘油醛7－磷酸景天庚酮糖5－磷酸木酮糖5－磷酸核糖乙酰磷酸ATP乙酸5－磷酸木酮糖5－磷酸核酮糖乙酰磷酸2分子3－磷酸甘油醛乳酸ADPATPNAD＋NADH＋H＋NAD＋NADH＋H＋ADPATP3分子乙酸Bifidus途徑（雙歧途徑）（兩歧雙歧桿菌）13245676-磷酸果糖解酮酶轉二羥基丙酮基酶轉羥乙醛基酶5－磷酸核糖異構酶5－磷酸核酮糖－3－差向異構酶5－磷酸木酮糖磷酸酮解酶乙酸激酶第38頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)檸檬酸發(fā)酵機制

檸檬酸又名枸櫞酸，有機酸中第一大酸，由于物理性能、化學性能、衍生物的性能，是廣泛應用于食品、醫(yī)藥、日化等行業(yè)最重要的有機酸。

。

天然檸檬酸在自然界中分布很廣，天然的檸檬酸存在于植物如檸檬、柑橘、菠蘿等果實和動物的骨骼、肌肉、血液中。人工合成的檸檬酸是用砂糖、糖蜜、淀粉、葡萄等含糖物質發(fā)酵而制得的，可分為無水和水合物兩種。純品檸檬酸為無色透明結晶或白色粉末，無臭，有一種誘人的酸味。第39頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月用途1）食品工業(yè)：溫和爽快的酸味，普遍用于各種飲料、汽水、葡萄酒、糖果、點心、餅干、罐頭、果汁、乳制品等食品的制造。

2）化工、制藥和紡織業(yè)：

化學分析用試劑、色譜分析試劑及生化試劑；、絡合劑，掩蔽劑；檸檬酸和改性檸檬酸可制成一種無甲醛防皺整頓劑，用于純棉織物的防皺整理。不僅防皺效果好，而且成本低第40頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3）化妝品行業(yè)：屬于果酸的一種，主要作用是加快角質更新，常用于乳液、乳霜、洗發(fā)精、美白用品、抗老化用品、青春痘用品等。

4）其它行業(yè)：“西餐之王”，殺菌及芽孢；仔豬斷奶；煤炭煙氣脫硫

檸檬酸的生產(chǎn)：

1874年首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結晶成固體；1913年首次實現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。第41頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、檸檬酸合成途徑葡萄糖丙酮酸檸檬酸乙酰-CoA草酰乙酸EMP途徑氧化脫羧羧化第42頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、糖酵解及丙酮酸代謝的調節(jié)1、正常情況下，檸檬酸、ATP對磷酸果糖激酶有抑制作用，而AMP、無機磷、NH4+

對該酶則有激活作用，特別是NH4+

還能解除檸檬酸、ATP對磷酸果糖激酶的抑制作用。銨離子濃度與檸檬酸生成速度有密切關系，正是由于細胞內(nèi)NH4+

濃度升高，使磷酸果糖激酶對細胞內(nèi)積累的大量檸檬酸不敏感。二、檸檬酸生物合成的代謝調節(jié)第44頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月淀粉葡萄糖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草酰乙酸檸檬酸CO2CO2CO2NH4+PiK+AMPATP第45頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.比較底物錳充足、錳缺乏時分批培養(yǎng)物的最大活力時發(fā)現(xiàn)，錳缺乏時黑曲霉的組成（合成）代謝受損傷，這與檸檬酸的積累有關。

錳缺乏時，細胞內(nèi)NH4＋濃度高，氨基酸濃度高（蛋白合成受阻，導致升高）。因此，錳離子效應是通過NH4＋升高而減少檸檬酸對磷酸果糖激酶的抑制來實現(xiàn)的。第46頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3.現(xiàn)已證明，某些真菌的丙酮酸激酶是酵解途徑的第2個調節(jié)點，但關于黑曲霉未被證實。第47頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月TCA循環(huán)在檸檬酸積累中所起作用可歸納為：（1）大量生成草酰乙酸是積累檸檬酸的關鍵（2）丙酮酸羧化酶和檸檬酸合成酶基本上不受代謝調節(jié)的控制或其控制極微弱，而且這兩個反應的平衡保證了草酰乙酸的提供，增加了檸檬酸的合成能力（二）三羧酸循環(huán)的調節(jié)第48頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）TCA循環(huán)的阻斷微弱（即順烏頭酸水合酶、異檸檬酸脫氫酶、-酮戊二酸脫氫酶活力降低），導致循環(huán)中間代謝物積累。由于各種酶處于平衡狀態(tài)，使檸檬酸積累，當檸檬酸濃度超過一定水平時，就通過抑止異檸檬酸脫氫酶活力來提高自身的積累。第49頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月∴綜合上述，檸檬酸的積累機制歸納：②

由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調節(jié)控制。（三）檸檬酸的積累機制：第50頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

③丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA和CO2固定兩個反應的平衡，以及檸檬酸合成酶不被調節(jié)，增強了合成檸檬酸的能力。

④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。

第51頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤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52頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、乙醇和醋酸發(fā)酵檸檬酸機制（乙醛酸循環(huán)）由于丙酮酸脫羧生成乙酰CoA

的反應是不可逆的，因此，以乙醇和醋酸為原料能生成乙酰CoA

，卻不能再生成丙酮酸進而生成草酰乙酸，草酰乙酸的供給只能由不同于糖生成檸檬酸的途徑——乙醛酸循環(huán)來完成1958年，Kornberg等發(fā)現(xiàn)生長在標記醋酸和異檸檬酸上的黑曲霉生成了標記蘋果酸，從而證明黑曲霉中存在乙醛酸循環(huán)。即乙酸或乙醇或烴類合成檸檬酸的途徑。

第53頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月乙醇乙酸乙酰CoACoA烴類β-氧化草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸琥珀酸乙醛酸乙酰CoA蘋果酸富馬酸乙醛酸循環(huán)第54頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)谷氨酸的發(fā)酵機制一、谷氨酸的生物合成途徑及調節(jié)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=9/1。2、TCA、DCA和CO2固定作用

1）.TCA環(huán)（三羧酸循環(huán)）

2）.DCA環(huán)（乙醛酸循環(huán)）

3）.CO2固定

第55頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：谷氨酸棒桿菌的谷氨酸生物合成途徑

谷氨酸的生物合成包括EMP、HMP、TCA、乙醛酸循環(huán)（DCA）和CO2固定作用等。在谷氨酸發(fā)酵中，DCA循環(huán)一方面可以作為TCA循環(huán)有缺陷時草酰乙酸的補充，特別是以醋酸和乙醇為原料的谷氨酸發(fā)酵，它是草酰乙酸的唯一補充來源

+NH4+第56頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、氨的導入

①α-酮戊二酸還原氨基化成谷氨酸

氨的導入有三種方式

③谷氨酸合成酶途徑二、細胞膜通透性控制②由天冬氨酸或丙氨酸通過轉氨基作用將氨基轉給α-酮戊二酸生成

與谷氨酸合成過程的暢通和酶活性調節(jié)相比，細胞膜的通透性對于谷氨酸發(fā)酵更為重要。以下實驗現(xiàn)象證實了這一點：

第57頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）將黃色短桿菌№.2247菌株分別接種于生物素貧乏（3ug/L）和生物素豐富（30ug/L）的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，然后分析培養(yǎng)基和菌體細胞內(nèi)氨基酸的含量，結果（表5-3）表明：a.在生物素貧乏的培養(yǎng)基中積累大量谷氨酸，而在生物素豐富的培養(yǎng)基中幾乎不積累；

b.生物素貧乏的細胞內(nèi)谷氨酸含量少，而且容易被洗出，在生物素豐富的細胞內(nèi)含有大量谷氨酸，而且不易被洗出，只有用表面活性劑處理才能洗出。

（2）在生物素豐富時，添加表面活性劑可以促進谷氨酸分泌。用溶菌酶消化細胞壁得到的類原生質體仍不能分泌谷氨酸，只有當細胞在低滲溶液中吸水破裂后才能排出谷氨酸。注：生物素是脂肪酸合成中乙酰CoA羧化酶的輔酶，催化→丙二酰CoA→脂肪酸合成→磷脂→細胞膜第58頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月谷氨酸的分泌受細胞膜控制，而影響細胞膜的谷氨酸通透性主要是細胞膜的磷脂含量

∴根據(jù)控制機制可將控制因素分為兩類：①生物素、表面活性劑、高級脂肪酸、油脂及甘油的作用；生物素缺陷型谷氨酸產(chǎn)生菌生物素過量情況下添加表面活性劑②青霉素的作用：干擾壁的合成，使膜處于不完全保護狀態(tài)，滲透壓使膜損傷細菌的谷氨酸排出控制機制參見后（p74圖5-7）。第59頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第60頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、谷氨酸高產(chǎn)菌的選育

生物素缺陷型：生物素是脂肪酸合成中乙酰CoA羧化酶的輔酶，催化→丙二酰CoA→脂肪酸合成→磷脂→細胞膜油酸缺陷型甘油缺陷型溫度敏感缺陷型:有磷脂合成障礙其他突變型（營養(yǎng)缺陷型、抗藥突變株等）第61頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月四、L-谷氨酸工業(yè)發(fā)酵工藝2010年全國谷氨酸產(chǎn)量在171萬噸，折算成味精產(chǎn)量在214萬噸左右

第62頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月五、其它氨基酸的發(fā)酵機制（略）（賴氨酸生物合成途徑及代謝調節(jié)機制（一）、賴氨酸生物合成途徑（二）、細菌中賴氨酸生物合成的調節(jié)機制黃色短桿菌賴氨酸生物合成機制要簡單些（誘變育種容易一些，實際應用較多）

第一限制性必需氨基酸，廣泛用于食品、飼料和醫(yī)藥工業(yè)，在平衡氨基酸組成方面起重要作用；2000年全世界L-賴氨酸產(chǎn)量40余萬噸，其中發(fā)酵法生產(chǎn)占95%賴氨酸第63頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：黃色短桿菌賴氨酸生物合成調節(jié)機制。第64頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸乙酰CoA草酰乙酸天冬氨酸檸檬酸α-酮戊二酸谷氨酸反饋抑制優(yōu)先合成增強反饋抑制逆轉反饋抑制①②③圖：黃色短桿菌谷氨酸、天冬氨酸生物合成調節(jié)機制第65頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、賴氨酸生產(chǎn)菌的育種途徑出發(fā)菌株的選擇—

代謝調節(jié)比較簡單的細菌（如黃色短桿菌、谷氨酸棒桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌等）1、優(yōu)先合成的轉換：滲漏缺陷型的選育

高絲氨酸脫氫酶滲漏突變株（Hse-）：

高絲氨酸脫氫酶活性低，則優(yōu)先合成賴氨酸。2、切斷支路代謝：營養(yǎng)缺陷型的選育高絲氨酸缺陷型菌株：減少高絲氨酸形成支路，而只合成賴氨酸第66頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、抗結構類似物突變株（代謝調節(jié)突變株）

賴氨酸類似物中，以AEC效果最佳。

通過誘變，使編碼天冬氨酸激酶的結構基因發(fā)生突變，使天冬氨酸激酶對賴氨酸及結構類似物不敏感（解除終產(chǎn)物對該酶的反饋抑制，從而大量積累賴氨酸），既使蘇氨酸過量，該激酶也不與賴氨酸或類似物結合，但酶的活性中心不變。

S-（2-氨酸乙基）-L-半胱氨酸第67頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月4、解除代謝互鎖

在乳糖發(fā)酵短桿菌中，賴氨酸的生物合成與亮氨酸之間存在代謝互鎖，賴氨酸生物合成分支的第一個酶（DDP合成酶）受亮氨酸的阻遏。解除這一代謝互鎖的方法:第68頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月①選育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的賴氨酸的生產(chǎn)菌為出發(fā)菌株，經(jīng)誘變得抗AEC兼亮氨酸缺陷型菌株②選育抗亮氨酸結構類似物突變株從遺傳上解除亮氨酸對DDP合成酶的阻遏③選育對苯醌或喹啉衍生物敏感株5.增加前體物的合成和阻塞副產(chǎn)物的生成前體：丙酮酸、草酰乙酸、天冬氨酸關鍵酶：天冬氨酸激酶第69頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月方法：①選育丙氨酸缺陷型②選育抗天冬氨酸結構類似物突變株③選育適宜的活性比突變株CO2固定酶TCA循環(huán)酶6.改善細胞膜的透過性7.選育溫度敏感突變株8.應用細胞工程和遺傳工程育種9.防止高產(chǎn)菌株回復突變第70頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)核(苷)酸類物質的生物合成機制

肌苷酸（IMP）、鳥苷酸（GMP）、黃苷酸等嘌呤核苷大量用于食品添加劑根據(jù)GB2760—1996，中國已批準了鮮味劑6種。即谷氨酸鈉、5’一鳥苷酸二鈉、5’肌苷酸二鈉、5’一呈味核苷酸二鈉、琥珀酸二鈉、L一丙氨酸。

嘧啶核苷主要用于生產(chǎn)抗腫瘤、抗病毒藥物中間體第71頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）枯草芽孢桿菌嘌呤核苷酸合成途徑

P166第72頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、發(fā)酵法生產(chǎn)肌苷生化特性：

能順利滲透細胞壁；直接參與糖代謝；毒性很低；參與生物體的核苷和核苷酸代謝

藥理作用：

對心臟缺氧狀態(tài)下促進產(chǎn)生ATP，使血中ATP提高，部分阻止心肌梗死的發(fā)生；對放射線引起的白血球減少的影響；對肝臟協(xié)同解毒作用；第73頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月肌苷用途：

①生成肌苷酸鈉，作助鮮劑

②治療藥物和醫(yī)藥中間體

③血液保存劑

第74頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)抗生素的生物合成機制初級代謝產(chǎn)物

指微生物因生長和繁殖需要而合成的必須的物質，包括糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸、以及由這些物質聚合而成的高分子化合物，如多糖、蛋白質、酯類和核酸等。

次級代謝產(chǎn)物

指微生物由初級代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物出發(fā)合成的一些功能不明確、化學結構特殊、對細胞的生長繁殖并非重要的產(chǎn)物，包括抗生素、色素和毒素等。一、抗生素的生物合成第75頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第76頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月抗生素合成的途徑主要有三條：

（1）大多數(shù)抗生素的化學結構不同但合成途徑相似：先合成多聚乙酰（Polyketide），然后經(jīng)環(huán)化，再作為各種抗生素的前體而合成不同的抗生素，如四環(huán)素、紅霉素及利福霉素等。（2）有的抗生素的各部分前體是初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸或糖等，合成時將這些前體連接即成，如β-內(nèi)酰胺類抗生素和氨基環(huán)醇類抗生素。（3）非核蛋白質多肽裝配過程，這是許多桿菌抗生素合成的特征。

第77頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、抗生素生物合成的代謝調節(jié)機制

（一）細胞生長期到抗生素產(chǎn)生期的過渡（二）酶的誘導作用（三）分解代謝產(chǎn)物的調節(jié)控制（四）磷酸鹽的調節(jié)（五）NH4+的抑制作用（六）初級代謝調節(jié)對次級代謝的作用（七）次級代謝的反饋抑制

（八）次級代謝的能荷調節(jié)第78頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)微生物多糖

葡聚糖，海藻酸、黃原膠、普魯蘭、可得蘭、香菇多糖、小核菌多糖

第79頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月胞內(nèi)多糖：主要以糖原的形式存在，貯能細胞壁多糖：是結構多糖，此外還有莢膜多糖胞外多糖：許多微生物能產(chǎn)生，生物學