第三章 發(fā)酵機(jī)制及

第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)編輯課件3.1發(fā)酵工程微生物的根本代謝及產(chǎn)物〔自學(xué)〕；3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制；3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制〔重點(diǎn)〕；3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制〔重點(diǎn)〕；3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制；3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)〔難點(diǎn)〕。第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)主要內(nèi)容編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)微生物發(fā)酵機(jī)制〔發(fā)酵機(jī)理〕：微生物通過(guò)其代謝活動(dòng)，利用基質(zhì)合成人們所需要的產(chǎn)物的內(nèi)在規(guī)律。主要內(nèi)容：微生物的生理代謝規(guī)律；環(huán)境因素對(duì)代謝方向的影響；改變微生物代謝方向的措施。概述

發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：研究發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動(dòng)態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.1發(fā)酵工程微生物的根本代謝及產(chǎn)物一、微生物初級(jí)代謝及產(chǎn)物

初級(jí)代謝：微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)分解代謝和合成代謝，生產(chǎn)維持生命活動(dòng)所需要的物質(zhì)和能量的過(guò)程，產(chǎn)物為初級(jí)代謝產(chǎn)物，如：糖，氨基酸，脂肪酸等。二、微生物次級(jí)代謝及產(chǎn)物

次級(jí)代謝：微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前提物質(zhì)，合成一些對(duì)微生物生命活動(dòng)無(wú)明確功能的物質(zhì)的過(guò)程，產(chǎn)物即為次級(jí)代謝產(chǎn)物。如抗生素、毒素、激素、色素等。簡(jiǎn)介編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕酶活性的調(diào)節(jié)指一定數(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)其催化反響的速率。1.酶活性的激活在激活劑的作用下，使原來(lái)無(wú)活性的酶變成有活性，或使原來(lái)活性低的酶提高了活性的現(xiàn)象。前體激活，指代謝途徑中后面的酶促反響，可被該途徑中較前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。

代謝調(diào)節(jié)是指微生物的代謝速度和方向按照微生物的需要而改變的一種作用。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕酶活性的調(diào)節(jié)2.酶活性的抑制

由于某些物質(zhì)的存在，降低酶活性，稱(chēng)為抑制。反響抑制是指代謝的末端產(chǎn)物對(duì)酶(往往是代謝途徑中的第一個(gè)酶)活性的抑制。1〕直線代謝途徑中的反響抑制蘇氨酸α-酮丁酸異亮氨酸蘇氨酸脫氫酶編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕酶活性的調(diào)節(jié)2.酶活性的抑制2〕分支代謝途徑中的反響抑制共同特點(diǎn)是每個(gè)分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶，同時(shí)每個(gè)末端產(chǎn)物又對(duì)整個(gè)途徑的第一個(gè)酶有局部的抑制作用，〔1〕同工酶調(diào)節(jié)同功酶是指能催化同一生化反響，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(lèi)酶。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕酶活性的調(diào)節(jié)2.酶活性的抑制2〕分支代謝途徑中的反響抑制〔2〕協(xié)同反響抑制在分支代謝系統(tǒng)中，幾種末端產(chǎn)物同時(shí)都過(guò)量，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶具有抑制作用，如果末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量那么對(duì)途徑中的第一個(gè)酶無(wú)抑制作用。Asp：天門(mén)冬氨酸；Asp-Pi：天門(mén)冬酰磷酸；Asa：天門(mén)冬氨酸半醛Thr：蘇氨酸；Lys：賴(lài)氨酸；AK：天門(mén)冬氨酸激酶編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕酶活性的調(diào)節(jié)2.酶活性的抑制2〕分支代謝途徑中的反響抑制〔3〕累積反響在分支代謝途徑中各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)，它們各自能對(duì)途徑中的第一個(gè)反響的酶僅產(chǎn)生較小的抑制作用。大腸桿菌編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕酶活性的調(diào)節(jié)2.酶活性的抑制2〕分支代謝途徑中的反響抑制〔4〕順序反響抑制分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶，只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過(guò)量時(shí)，才能對(duì)途徑中的第一個(gè)酶有抑制作用。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔二〕酶合成的調(diào)節(jié)酶在數(shù)量和種類(lèi)上的調(diào)節(jié)1.誘導(dǎo)凡能促進(jìn)酶合成的現(xiàn)象。

組成酶是細(xì)胞固有的酶，其合成受相應(yīng)基因控制，與底物、底物結(jié)構(gòu)類(lèi)似物及環(huán)境條件無(wú)關(guān)，它主要用于調(diào)節(jié)初級(jí)代謝。

誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來(lái)底物或底物結(jié)構(gòu)類(lèi)似物而臨時(shí)合成的酶。

編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔二〕酶合成的調(diào)節(jié)2.阻遏但凡能阻遏酶生物合成的現(xiàn)象。〔1〕終產(chǎn)物阻遏指某代謝途徑末端產(chǎn)物過(guò)量累積引起的阻遏。在直線反響途徑中，末端產(chǎn)物阻遏較為簡(jiǎn)單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使這些酶不能合成?！?〕分解代謝產(chǎn)物阻遏指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種底物(碳源或氮源)時(shí)，易利用底物會(huì)阻遏難利用底物分解酶系的合成。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制一、微生物初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔三〕能量負(fù)荷調(diào)節(jié)能荷：即指細(xì)胞中ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可為代謝反響供能的高能磷酸鍵的量度。

能荷調(diào)節(jié)是通過(guò)ATP、ADP和AMP分子對(duì)某些酶分子進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)行的。

例如EMP中，磷酸果糖激酶，受ATP的強(qiáng)烈抑制，但受ADP和AMP促進(jìn)。丙酮酸激酶也是如此。

在TCA中，丙酮酸脫氫酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶等，都受ATP的抑制和ADP的促進(jìn)。呼吸鏈的氧化磷酸化速度同樣受ATP抑制和ADP促進(jìn)。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制二、微生物次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔一〕初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)

次級(jí)代謝產(chǎn)物是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為母體衍生出來(lái)的，因此次級(jí)代謝必然會(huì)受到初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)。

〔二〕分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制

碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代謝產(chǎn)物，對(duì)其他代謝中的酶(包括分解酶和合成酶)的調(diào)節(jié)。葡萄糖是菌體生長(zhǎng)良好的碳源和能源，但對(duì)青霉素、頭孢菌素、卡那霉素、新霉素、絲裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用。例如青霉素的合成會(huì)受到賴(lài)氨酸的強(qiáng)烈抑制，而賴(lài)氨酸合成的前體a-氨基己二酸可以緩解賴(lài)氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。這是因?yàn)閍-氨基己二酸是合成青霉素和賴(lài)氨酸的共同前體。

編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制二、微生物次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)〔三〕誘導(dǎo)作用及終產(chǎn)物的反響抑制〔四〕磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用〔五〕次級(jí)代謝中細(xì)胞膜通透性調(diào)節(jié)如在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生菌細(xì)胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的上下。如果輸入硫化物能力增加，硫源供給允足，合成青霉素的量就增多。

已發(fā)現(xiàn)過(guò)量磷酸鹽對(duì)四環(huán)素、氨基糖苷類(lèi)和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗生素的合成產(chǎn)生阻抑作用

編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制三、微生物發(fā)酵中的代謝調(diào)控

代謝調(diào)控：在發(fā)酵工業(yè)中，為了大量積累人們所需要的某一產(chǎn)物，常人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)的自動(dòng)代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，使代謝朝人們所希望的方向進(jìn)行。〔1〕改變細(xì)胞膜的通透性當(dāng)控制物理、化學(xué)條件或者篩選細(xì)胞膜、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組成的突變株以改進(jìn)物質(zhì)的進(jìn)出速率。影響代謝過(guò)程時(shí)，都有可能造成代謝產(chǎn)物的過(guò)量生產(chǎn)。

如：谷氨酸發(fā)酵中，生物素控制在亞適量改變膜的通透性，提高產(chǎn)量；應(yīng)用谷氨酸生產(chǎn)菌油酸缺陷性菌株，限量添加油酸，提高谷氨酸的產(chǎn)量。乙酰輔酶A丙二酸單酰CoA脂肪酸乙酰CoA羧化酶單稀不飽和脂肪酸細(xì)菌磷脂編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.2微生物代謝調(diào)控機(jī)制三、微生物發(fā)酵中的代謝調(diào)控〔二〕改變微生物的遺傳特性1.利用營(yíng)養(yǎng)缺陷性菌株2.選育抗反響調(diào)節(jié)的突變株獲得在抗代謝物同時(shí)也能夠正常生長(zhǎng)的菌株。編輯課件葡萄糖糖酵解作用丙酮酸發(fā)酵有氧無(wú)氧各種發(fā)酵產(chǎn)物三羧酸循環(huán)被徹底氧化生成CO2和水，釋放大量能量。第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔一〕酵母菌的酒精發(fā)酵1.乙醇的生成機(jī)制編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔一〕酵母菌的酒精發(fā)酵1.乙醇的生成機(jī)制巴氏德效應(yīng)：在好氧條件下，酵母發(fā)酵能力降低。實(shí)際是細(xì)胞內(nèi)糖代謝降低。

學(xué)說(shuō)：磷酸果糖激酶-變構(gòu)酶，受ATP、檸檬酸及其他高能化合物所抑制，受AMP、ADP激活。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔一〕酵母菌的酒精發(fā)酵2.酵母菌酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成主要產(chǎn)物為乙醇和CO2，也有40多種副產(chǎn)物〔主要是醇、醛、酯和酸等〕?！?〕雜醇油的生成

雜醇油：碳原子數(shù)大于2的脂肪族醇類(lèi)的統(tǒng)稱(chēng)，主要正丙醇、異丁醇、異戊醇和活性戊醇。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔一〕酵母菌的酒精發(fā)酵2.酵母菌酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成〔1〕雜醇油的生成形成途徑〔兩種〕：①氨基酸氧化脫氨作用②由葡萄糖直接生成α-酮酸（碳原子較低）活性乙醛縮合、還原異構(gòu)、脫水α-酮酸（碳原子較高）脫羧加氫高級(jí)醇加氨纈氨酸亮氨酸異亮氨酸糖代謝編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔一〕酵母菌的酒精發(fā)酵2.酵母菌酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成〔2〕琥珀酸的生成與谷氨酸的存在有關(guān)系，當(dāng)在發(fā)酵醪中參加谷氨酸時(shí)，可增加琥珀酸的產(chǎn)量。受氫體是磷酸甘油醛，產(chǎn)物還有甘油。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔一〕酵母菌的酒精發(fā)酵2.酵母菌酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成〔3〕酯類(lèi)的生成在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的醇和酸類(lèi)，經(jīng)酯化反響生成各種酯類(lèi)〔叫生化酯類(lèi)〕?！?〕糠醛和甲醇的生成糠醛：淀粉原料在高溫高壓蒸煮時(shí)，由糖脫水形成；甲醛：原料中的果膠質(zhì)受果膠酯酶的水解生成。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔二〕甘油發(fā)酵機(jī)制1.硫酸亞鹽法甘油發(fā)酵〔Ⅱ型發(fā)酵〕在酵母菌發(fā)酵液中參加亞硫酸氫鈉，乙醛與其加成反響，乙醛不能做為受氫體，迫使硫酸二羥丙酮作為受氫體。1mol葡萄糖只產(chǎn)生1mol甘油，不產(chǎn)ATP，整個(gè)過(guò)程不積累ATP，所以在發(fā)酵過(guò)程中不能參加太多的亞硫酸氫鈉，否那么發(fā)酵將終止。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔二〕甘油發(fā)酵機(jī)制2.堿法甘油發(fā)酵〔Ⅲ型發(fā)酵〕酒精酵母的發(fā)酵液保持在堿性〔pH7.6以上〕，乙醛不能作為正常的受氫體，2分子乙醛之間發(fā)生歧化反響，生成等量的乙醇和乙酸；NADH用來(lái)復(fù)原磷酸二羥丙酮，生產(chǎn)甘油。

產(chǎn)品有甘油、乙醇、乙酸，不產(chǎn)生ATP，此法只在酵母的費(fèi)生長(zhǎng)情況下進(jìn)行發(fā)酵。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3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〔三〕乳酸發(fā)酵〔自學(xué)〕

提示：在微生物學(xué)分類(lèi)研究中，，通常把發(fā)酵1mol葡萄糖產(chǎn)生的乳酸少于1.8mol，同時(shí)還產(chǎn)生較多的乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等產(chǎn)品的乳酸菌稱(chēng)為異型乳酸菌。〔四〕其他發(fā)酵〔自學(xué)〕丙酮-丁醇發(fā)酵；由乙醇、乙酸生成己酸機(jī)制〔己酸乙酯是濃香型大曲酒的主體香氣成分〕；甲烷發(fā)酵〔甲烷發(fā)酵過(guò)程中的甲烷菌和非甲烷菌均稱(chēng)為沼氣菌〕；等。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制1.TCA循環(huán)

聯(lián)系各種物質(zhì)代謝的樞紐。

黑曲霉可以由糖類(lèi)、乙醇和醋酸發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制2.檸檬酸的生物合成途徑要積累檸檬酸，必須解決的兩個(gè)問(wèn)題：第一，設(shè)法阻斷代謝途徑，即使檸檬酸不再繼續(xù)代謝，實(shí)現(xiàn)積累；第二，代謝途徑被阻斷部位之后的產(chǎn)物必須有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充機(jī)制，滿(mǎn)足代謝活動(dòng)的最低需求，維持細(xì)胞生長(zhǎng)，才能維持發(fā)酵繼續(xù)。1-檸檬酸合成酶；2-順烏頭酸酶；3-丙酮酸羧化酶；3，-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制2.檸檬酸的生物合成途徑草酰乙酸補(bǔ)充途徑：①丙酮酸(PYR)+ATP+CO2

草酰乙酸+ADP+Pi丙酮酸羧化酶②磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）+ADP+CO2+Pi草酰乙酸+ATPPEP羧化酶葡萄糖生產(chǎn)檸檬酸的總反應(yīng)式：2C6H12O6+3O22C6H8O7+4H2O對(duì)糖的理論轉(zhuǎn)化率為106.7%，以含一個(gè)結(jié)晶水計(jì)為116.7%。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制3.檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)〔1〕糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)黑曲霉生長(zhǎng)時(shí)EMP/HMP為2:1，產(chǎn)生檸檬酸時(shí)EMP/HMP為4:1，EMP的調(diào)節(jié)對(duì)檸檬酸發(fā)酵非常重要。EMP途徑中，第一個(gè)調(diào)節(jié)酶為磷酸果糖激酶〔PFK〕，AMP、無(wú)機(jī)磷、NH4+對(duì)PFK有活化作用；ATP有抑制作用，NH4+能有效解除ATP、檸檬酸對(duì)PFK的抑制。

錳，可減少HMP和TCA循環(huán)中有關(guān)酶的活性，提高胞內(nèi)NH4+的濃度，解除檸檬酸對(duì)PFK的抑制作用，使之增產(chǎn)。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制3.檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)〔1〕糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)CO2固定反響，丙酮酸即可脫羧生成乙酰輔酶A，又可固定CO2生成草酰乙酸，保持反響的平衡時(shí)獲得檸檬酸高產(chǎn)的手段?！?〕TCA的調(diào)節(jié)檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸順烏頭酸酶Fe2+順烏頭酸酶Fe2+使用絡(luò)合劑去除反響液中的Fe2+，抑制酶活，造成檸檬酸積累。當(dāng)菌體生長(zhǎng)到足夠數(shù)量時(shí)，參加亞鐵氰化鉀使鐵生成絡(luò)合物。選育順烏頭酸酶缺失或活力很低的菌株，可積累檸檬酸。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制3.檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)〔3〕及時(shí)補(bǔ)加草酰乙酸給培養(yǎng)液中添加草酰乙酸，不經(jīng)濟(jì)。使用回補(bǔ)途徑旺盛的菌種，保證草酰乙酸的及時(shí)添加。檸檬酸積累機(jī)理總述①錳抑制了蛋白質(zhì)的合成，導(dǎo)致胞內(nèi)NH4+濃度升高和一條呼吸活性強(qiáng)的側(cè)系呼吸鏈不產(chǎn)生ATP，解除了對(duì)磷酸果糖激酶的代謝調(diào)節(jié)，促進(jìn)EMP途徑的暢通。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.3糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制〔一〕檸檬酸發(fā)酵機(jī)制3.檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)檸檬酸積累機(jī)理總述②由組成型的丙酮酸羧化酶源源不斷地提供草酰乙酸。③控制Fe2+含量，順烏頭酸酶活性低，是檸檬酸積累，在催化時(shí)建立如下平衡：檸檬酸:順烏頭酸:異檸檬酸=90:3:7。④丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A和CO2固定兩個(gè)反響平衡，以及檸檬酸合成酶不被調(diào)節(jié)，增強(qiáng)合成檸檬酸的能力。⑤檸檬酸積累多，pH低，在低pH時(shí)，順烏頭酸酶和異檸檬酸酶失活，進(jìn)一步促進(jìn)檸檬酸的積累。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制

典型的代謝調(diào)控發(fā)酵，關(guān)鍵取決于其控制機(jī)制是否被解除，是否打破微生物正常代謝調(diào)節(jié)，人為地控制微生物的代謝?！惨弧嘲被岚l(fā)酵的代謝控制1.控制發(fā)酵的環(huán)境條件編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制2.控制細(xì)胞滲透性

如：谷氨酸發(fā)酵中，生物素控制在亞適量改變膜的通透性，提高產(chǎn)量；應(yīng)用谷氨酸生產(chǎn)菌油酸缺陷性菌株，限量添加油酸，提高谷氨酸的產(chǎn)量。乙酰輔酶A丙二酸單酰CoA脂肪酸乙酰CoA羧化酶單稀不飽和脂肪酸細(xì)菌磷脂

一類(lèi)是生物素、油酸、表面活性劑：引起細(xì)胞膜脂肪酸成分的改變；另一類(lèi)是青霉素，抑制細(xì)胞壁的合成。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制3.控制旁路代謝4.降低反響作用物的濃度

利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株進(jìn)行氨基酸發(fā)酵必須限制所要求的氨基酸量。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制5.消除終產(chǎn)物的反響抑制和阻遏作用

通過(guò)使用抗氨基酸結(jié)構(gòu)類(lèi)似物突變株的方法實(shí)現(xiàn)。S-（β-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC）是Lys的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制6.促進(jìn)ATP的積累，以利于氨基酸的生物合成

上述氨基酸發(fā)酵的代謝控制方法，是氨基酸發(fā)酵工藝控制和選育氨基酸高產(chǎn)菌株的依據(jù)。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制〔一〕谷氨酸的發(fā)酵機(jī)制

大多生物素缺陷性菌種，高產(chǎn)菌喪失或微弱的α-酮戊二酸脫氫酶活力；CO2固定反應(yīng)的酶系強(qiáng)；谷氨酸脫氫酶的活力很強(qiáng)；NADPH2再氧化能力弱；過(guò)量的銨離子。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制〔二〕鳥(niǎo)氨酸、瓜氨酸、精氨酸的發(fā)酵機(jī)制鳥(niǎo)氨酸、瓜氨酸采用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株；精氨酸選用抗反響調(diào)節(jié)突變株。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制〔三〕天冬氨酸族氨基酸的生物合成途徑1.蘇氨酸發(fā)酵機(jī)制1-天冬氨酸激酶；2-高絲氨酸脫氫酶；3-二氫吡啶-2，6-二羧酸復(fù)原酶；4-高絲氨酸激酶；5-O-琥珀酰-高絲氨酸轉(zhuǎn)琥珀酰酶；6-半胱氨酸脫硫化氫酶；7-蘇氨酸脫氫酶；8-天冬氨酸半醛脫氫酶；9-二氫吡啶-2，6-二羧酸合成酶；Met-、Lys-、IIe-突變株；抗蘇氨酸和賴(lài)氨酸結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制〔一〕天冬氨酸族氨基酸的生物合成途徑2.賴(lài)氨酸發(fā)酵機(jī)制選育高絲氨酸缺陷性突變株；抗賴(lài)氨酸和蘇氨酸結(jié)構(gòu)類(lèi)似物突變株。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.4氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制二、核苷酸發(fā)酵機(jī)制〔自學(xué)〕在研究氨基酸發(fā)酵的根底上開(kāi)展起來(lái)的由一個(gè)典型的代謝控制發(fā)酵。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制一、次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制一、次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系前體聚合結(jié)構(gòu)修飾不同組分的組裝編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制二、抗生素生產(chǎn)菌的主要代謝調(diào)節(jié)機(jī)制1.誘導(dǎo)調(diào)節(jié)參與次級(jí)代謝的酶，有些是誘導(dǎo)酶。如：甘露鏈霉素甘露鏈霉素酶鏈霉素+甘露糖誘導(dǎo)物：α-甲基甘露糖苷和甘露聚糖2.反響調(diào)節(jié)一面是抗生素的積累能起反響調(diào)節(jié)作用；另一方面初級(jí)代謝產(chǎn)物的形成受到反響調(diào)節(jié)也能影響抗生素的生成。如：纈氨酸是青霉素合成的前體，其生物合成受到反響調(diào)節(jié)，必然會(huì)對(duì)青霉素的次級(jí)代謝產(chǎn)生影響。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制二、抗生素生產(chǎn)菌的主要代謝調(diào)節(jié)機(jī)制3.C、N及其分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)如：葡萄糖是菌種生長(zhǎng)良好的碳源和能源，但對(duì)青霉素、卡那霉素、新霉素、絲裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用。在抗生素生成中使用黃豆餅就是由于他緩慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止和減弱氮代謝分解產(chǎn)物的阻遏作用。4.磷酸鹽的調(diào)節(jié)間接作用：調(diào)節(jié)胞內(nèi)能荷；直接作用：磷酸鹽自身影響。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制二、抗生素生產(chǎn)菌的主要代謝調(diào)節(jié)機(jī)制5.細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)6.營(yíng)養(yǎng)器和分化期的關(guān)系編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.5抗生素發(fā)酵機(jī)制三、常見(jiàn)抗生素的生物合成機(jī)制1.青霉素、頭孢菌素的生物合成機(jī)制其他自學(xué)編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：研究發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動(dòng)態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律目的：進(jìn)行最正確發(fā)酵生產(chǎn)工藝條件的控制；設(shè)計(jì)合理的發(fā)酵過(guò)程，是以發(fā)酵動(dòng)力學(xué)為依據(jù)；為工廠的實(shí)驗(yàn)比較放大，為分批發(fā)酵過(guò)渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵過(guò)程反響速度的描述XS〔底物〕─→X〔菌體〕＋P〔產(chǎn)物〕基質(zhì)的消耗速度：(g.L-1.s-1)基質(zhì)的消耗比速：(h-1、s-1)單位時(shí)間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物〔菌體〕的量稱(chēng)為比速，是生物反響中用于描述反響速度的常用概念編輯課件第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵過(guò)程反響速度的描述XS〔底物〕─→X〔菌體〕＋P〔產(chǎn)物〕基質(zhì)的消耗比速：(h-1)菌體的生長(zhǎng)比速：(h-1)產(chǎn)物的形成比速：(h-1)編輯課件時(shí)間菌體濃度延遲期指數(shù)生長(zhǎng)期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長(zhǎng)期:倍增時(shí)間：td減速期:靜止期：;衰亡期:一、分批發(fā)酵中微生物的生長(zhǎng)曲線第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)編輯課件一、分批發(fā)酵中微生物的生長(zhǎng)曲線第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

對(duì)上式積分得：

假設(shè)μ為常數(shù)，那么：此式可在△t=td時(shí)求得，td即在X2=2X1時(shí)所需時(shí)間，

于是td=ln2/μ=0.693/μ

對(duì)數(shù)期：編輯課件二、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

現(xiàn)代細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的奠基人Monod在1942年便指出，在培養(yǎng)基中無(wú)抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：S為限制性基質(zhì)濃度(g/L)；Ks為飽和常數(shù)(g/L)，其值等于比生長(zhǎng)速率為最大比生長(zhǎng)速率一半時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。編輯課件二、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)Monod方程是典型的均衡生長(zhǎng)模型，其根本假設(shè)如下：③細(xì)胞的生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單的單一反響，細(xì)胞得率為一常數(shù)。②培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，而其它組分為過(guò)量不影響細(xì)胞的生長(zhǎng)；①細(xì)胞的生長(zhǎng)為均衡式生長(zhǎng)，因此描述細(xì)胞生長(zhǎng)的唯一變量是細(xì)胞的濃度；編輯課件二、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)限制性基質(zhì)濃度對(duì)比生長(zhǎng)速率的影響當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時(shí)，S<<Ks，此時(shí)若提高限制性基質(zhì)濃度，可以明顯提高細(xì)胞的生長(zhǎng)速率。此時(shí)有：細(xì)胞比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度為一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。編輯課件二、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)當(dāng)S>>Ks時(shí)，μ=μm，假設(shè)繼續(xù)提高基質(zhì)濃度，細(xì)胞生長(zhǎng)速率根本不變。此時(shí)細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，為零級(jí)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。將Monod方程式變?yōu)闉橹本€方程。不同的菌種，不同的培養(yǎng)基，Ks和是不同的。編輯課件二、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)微生物限制生長(zhǎng)基質(zhì)Ksμm（hr）大腸桿菌葡萄糖0.22/大腸桿菌乳糖0.58/啤酒酵母乳糖2.6~3.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56/纖維素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.16~0.330.13青霉菌氧氣0.0070.35Ks和μm值隨菌種、限制性基質(zhì)種類(lèi)的變化編輯課件二、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)μm值根本接近，是同一個(gè)數(shù)量級(jí)。Ks和μm值不僅隨菌種而異，對(duì)不同的限制性基質(zhì)也不同。Ks的意義：Ks越小，那么S增加少許，μ增加很大，所以Ks越小，μ就越敏感。Ks可以表示菌體細(xì)胞與基質(zhì)親和力的關(guān)系。Monod方程雖然表述簡(jiǎn)單，但它缺乏以完整地說(shuō)明復(fù)雜的生化反響過(guò)程，并且已發(fā)現(xiàn)它在某些情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，因此人們又提出了另外一些方程〔見(jiàn)P100〕。編輯課件三、分批培養(yǎng)中微生物細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)第三章發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)3.6微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)〔一〕得率系數(shù)及其估算得率：是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。菌體得率系數(shù)或細(xì)胞得率系數(shù)Yx/s：消耗1克基質(zhì)生成菌體的克數(shù)。定義式：=Yx/s=生成菌體的質(zhì)量消耗基質(zhì)的質(zhì)量ΔX-ΔS單位:g/g或g/mol

某一瞬間菌體得率稱(chēng)為微分菌體得率（或瞬間菌體得率）。定義式：