1、第三章第三章 發(fā)酵機制及發(fā)酵動發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)力學(xué)黃小龍黃小龍農(nóng)農(nóng)學(xué)院學(xué)院生物技術(shù)系生物技術(shù)系第三章第三章 發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物代謝發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物代謝第二節(jié)第二節(jié) 微生物代謝調(diào)節(jié)機制微生物代謝調(diào)節(jié)機制第三節(jié)第三節(jié) 糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制第四節(jié)第四節(jié) 氨基酸和核苷酸發(fā)酵機制氨基酸和核苷酸發(fā)酵機制第五節(jié)第五節(jié) 抗生素發(fā)酵機制抗生素發(fā)酵機制第六節(jié)第六節(jié) 微生物發(fā)酵動力學(xué)微生物發(fā)酵動力學(xué)本章要求本章要求w 掌握初級與次級代謝的產(chǎn)物掌握初級與次級代謝的產(chǎn)物w 掌握微生物代謝調(diào)節(jié)的方式掌握微生物代謝調(diào)節(jié)的

2、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(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)了解發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物w 初級代謝及產(chǎn)物初級代謝及產(chǎn)物 多糖、蛋白質(zhì)、核酸和氨基酸等。多糖、蛋白質(zhì)、核酸和氨基酸等。w 次級代謝及產(chǎn)物次級代謝及產(chǎn)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(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長所必需的，對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生各種次級代謝產(chǎn)物都是在

3、微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。初級代謝產(chǎn)物。第二節(jié)第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié)方式與機制代謝調(diào)節(jié)方式與機制一、調(diào)節(jié)方式一、調(diào)節(jié)方式w 代謝途徑區(qū)域化代謝途徑區(qū)域化w 代謝流向的調(diào)控代謝流向的調(diào)控w 代謝速度的調(diào)控代謝速度的調(diào)控w 細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)w 能荷調(diào)節(jié)能荷調(diào)節(jié)酶量（粗調(diào)）酶量（粗調(diào)）酶活（細(xì)調(diào)）酶活（細(xì)調(diào)）酶酶合成合成的的誘導(dǎo)誘導(dǎo)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（一）代謝途徑區(qū)域化（一）代謝途徑區(qū)域化原核微生物細(xì)胞原核微生物細(xì)胞雖然沒有復(fù)雜的具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)

4、胞器，雖然沒有復(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，對于但也劃分出不同的區(qū)域，對于某一代謝途徑有關(guān)的酶系某一代謝途徑有關(guān)的酶系集中在某一區(qū)域集中在某一區(qū)域，以保證這一代謝途徑酶促反應(yīng)的順利，以保證這一代謝途徑酶促反應(yīng)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(xì)胞真核微生物細(xì)胞里，各種酶系被里，各種酶系被細(xì)胞器隔離分細(xì)胞器隔離分布，使布，使其代謝活動只能在特定的部位上進行，如與呼吸產(chǎn)能有其代謝活動只能在特定的部位上進行，如與呼吸產(chǎn)能有關(guān)的酶系集中于關(guān)的酶系集中于線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜上，上，DNA合成的某些酶位于合成的某些酶位于細(xì)胞核細(xì)胞核里。里。（二）代謝

5、流向的調(diào)控（二）代謝流向的調(diào)控微生物在不同條件下可以通過控制各代謝途徑中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(yīng)的速某個酶促反應(yīng)的速率率來控制代謝物的流向，從而保持機體代謝的平衡。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(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng)、由一個關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng) 同一個酶可以通過不同的同一個酶可以通過不同的輔基（或輔酶）輔基（或輔酶）控制代謝物的控制代謝物的流向；流向；谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶 + NADP+ 催化谷氨酸的催化谷氨酸的合成合成谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶 + NAD+ 催化谷氨酸的催化谷氨酸的分解分解2、由兩種酶控制的逆單向反應(yīng)、由兩種酶控制的逆單

6、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催化的。即在一個酶來催化的。即在一個“可逆可逆”反應(yīng)中，其中一個酶催反應(yīng)中，其中一個酶催化正反應(yīng)，另一種酶則催化逆反應(yīng)。化正反應(yīng)，另一種酶則催化逆反應(yīng)。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(nèi)利用兩種完全不同的酶，能十分精確地微生物體內(nèi)利用兩種完全不同的酶，能十分精確地控制控制正反應(yīng)和逆反應(yīng)正反應(yīng)和逆反應(yīng)。（二）代謝流向的調(diào)控（二）代謝流向的調(diào)控（三）代謝速度的調(diào)

7、控（三）代謝速度的調(diào)控1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)） 通過通過酶量的變化酶量的變化來控制代謝的速率。從本質(zhì)上看，酶來控制代謝的速率。從本質(zhì)上看，酶合成的調(diào)節(jié)是在合成的調(diào)節(jié)是在基因表達水基因表達水平上起作用的。平上起作用的。 酶合成的誘導(dǎo)（酶合成的誘導(dǎo)（induction of enzyme synthesis）協(xié)同誘導(dǎo)：協(xié)同誘導(dǎo)：一種誘導(dǎo)劑可以同時誘導(dǎo)產(chǎn)生若干種酶的現(xiàn)象。一種誘導(dǎo)劑可以同時誘導(dǎo)產(chǎn)生若干種酶的現(xiàn)象。順序誘導(dǎo)：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)生下一個酶，這種連續(xù)誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列酶的現(xiàn)象稱為導(dǎo)產(chǎn)生下一個酶，這

8、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)。順序誘導(dǎo)。 酶合成的阻遏（酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis ）終點產(chǎn)物反饋阻遏：終點產(chǎn)物反饋阻遏：合成代謝過程中，相關(guān)酶的合成被過合成代謝過程中，相關(guān)酶的合成被過量終點產(chǎn)物所阻遏。量終點產(chǎn)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(zhì)，阻遏了分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。解難利用基質(zhì)的酶的合成。1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）如：二次生長現(xiàn)象。在啟動序列上游有兩個位點，如：二次生長現(xiàn)象。在啟動序列上游有兩個位點，RNA聚合酶的結(jié)合位聚合酶的結(jié)合位點

9、和點和cAMP-CAP結(jié)合位點。當(dāng)沒有葡萄糖及結(jié)合位點。當(dāng)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(fù)合物結(jié)合在啟動序列后，該復(fù)合物結(jié)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(jié)合，酶的合成才能開始；當(dāng)葡萄糖存在時，結(jié)合，酶的合成才能開始；當(dāng)葡萄糖存在時，葡萄糖降解物葡萄糖降解物抑制腺苷酸抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，環(huán)化酶的活性， 導(dǎo)致導(dǎo)致cAMP濃度降低濃度降低，cAMP與與CAP的結(jié)合受阻，的結(jié)合受阻，CAP不能被活化而無法結(jié)合至啟動子，導(dǎo)致不能被活化而無法結(jié)合至啟動子，導(dǎo)致RNA聚合酶無法與啟動序列結(jié)合，聚合酶無法與啟動序列結(jié)合，因此因此

10、乳糖操縱子表達下降乳糖操縱子表達下降。 酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制：操縱子學(xué)說酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制：操縱子學(xué)說1、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）乳糖操縱子乳糖操縱子操縱子操縱子是指基因組是指基因組DNA分子的一個片段，這個片斷分子的一個片段，這個片斷由由啟動子、調(diào)節(jié)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因啟動子、調(diào)節(jié)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成。組成。誘導(dǎo)型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達。誘導(dǎo)型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達。阻遏型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達的關(guān)閉。阻遏型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達的關(guān)閉。PRP Ozya半乳糖苷酶半乳糖苷滲透酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶乳糖操縱子的誘導(dǎo)機制乳糖操縱子的誘

11、導(dǎo)機制2、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)） 一定數(shù)量的酶，通過其一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)來調(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：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)底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度、壓力、物的性質(zhì)和濃度、壓力、pH、離子強度、輔助因子離子強度、輔助因子以及其以及其他酶的存在等等。特點是反應(yīng)快速。他酶的存在等等。特點是反應(yīng)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(yīng)，可被該途徑中較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中間產(chǎn)物所促進。前面的

12、一個中間產(chǎn)物所促進。代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：代謝中間產(chǎn)物對該代謝途徑的代謝中間產(chǎn)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。2、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)） 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(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途的調(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。徑中末端產(chǎn)物對催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。A B C D X Ea Eb Ec 抑制抑制B. 有分支代謝途徑有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：在有兩種或兩種以上的末的調(diào)節(jié)：在有

13、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：下：2、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）、酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）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(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個酶兩個末端產(chǎn)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(chǎn)物造成中間產(chǎn)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。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(yīng)（途徑中的第一個反應(yīng)（A B）被兩個不同的酶

14、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(dāng)抑制。只有當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)锽。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(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別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。被相應(yīng)的末端產(chǎn)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協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制末端產(chǎn)物末端產(chǎn)物Y和和Z單獨過量，對途徑中第一個酶單獨過

15、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累積反饋抑制累積反饋抑制末端產(chǎn)物末端產(chǎn)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(chǎn)僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。只有當(dāng)物的形成。只有當(dāng)Y和和Z同時過量，才能對同時過量，才能對E1產(chǎn)生較大的抑產(chǎn)生較大

16、的抑制作用。制作用。A B C E1D E YF G Z40%30%58%超相加反饋抑制超相加反饋抑制末端產(chǎn)物末端產(chǎn)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(chǎn)僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。當(dāng)物的形成。當(dāng)Y和和Z同時過量，對同時過量，對E1產(chǎn)生的抑制作用則超過產(chǎn)生的抑制作用則超過各種末端產(chǎn)物單獨過量時的抑制的總和。各種末端產(chǎn)物單獨過量時的抑制的總和。A B C E1D E YF G Z15%20%90% 酶活性調(diào)節(jié)的分子機制酶活性調(diào)節(jié)的分子機制主要有兩種理論解釋：主要有

17、兩種理論解釋：（酶分子構(gòu)象的改變）（酶分子構(gòu)象的改變）（酶分子結(jié)構(gòu)的改變）（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)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)合的劑結(jié)合的調(diào)節(jié)中心調(diào)節(jié)中心。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑以非共價鍵結(jié)合后，酶。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑以非共價鍵結(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。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(zhì)發(fā)酶的共價修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質(zhì)發(fā)生生共價鍵的結(jié)合或解離共價鍵的結(jié)合或解離，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的

18、活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化磷酸化（高活（高活性）和性）和去磷酸化去磷酸化（低活性）。（低活性）。（四）細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)（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)代代謝產(chǎn)物的分泌，從而影響到細(xì)胞內(nèi)代謝的變化。謝的變化。w 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(diào)節(jié)。的途徑（分解代謝）的酶活性的調(diào)節(jié)。（五）能荷調(diào)節(jié)（五）能荷調(diào)節(jié)二、微生物代謝調(diào)控機制二、微生物代謝調(diào)控

19、機制 微生物在正常情況下，通過細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個代謝途徑微生物在正常情況下，通過細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個代謝途徑的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既不缺少又不會過多的積累不缺少又不會過多的積累。而人類利用微。而人類利用微生物進行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)物，因此對微生物的代謝生物進行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)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(chǎn)物的有效措施積累代謝產(chǎn)物的有效措施（一）（一）反饋抑制作用的解除反饋抑制作用的解除：實質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶（別構(gòu)：實質(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

20、發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物或其類似物不再與別酶）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；構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末端產(chǎn)物；（二）（二）反饋阻遏作用的解除反饋阻遏作用的解除：實質(zhì)是使：實質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生發(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，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)物對酶合或結(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)物對酶合成的阻遏；成的阻遏；（三）（三）遺傳障礙遺傳障礙：使某：使某

21、酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋，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(chǎn)物對途徑中的第一個酶的反饋抑制，積累中間產(chǎn)物；制，積累中間產(chǎn)物；（四）（四）使細(xì)胞膜透性增大使細(xì)胞膜透性增大：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油：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(xì)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(xì)胞膜的透性，使使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物外漏，緩解反饋抑制或阻遏作用胞內(nèi)代謝產(chǎn)物外漏，緩解反饋抑制或阻遏作用。二、人工控制微生物代謝的手段二、人工控制微生物

22、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(chǎn)物降解酶缺失突變株、產(chǎn)物降解酶缺失突變株4、細(xì)胞膜組分的缺失突變、細(xì)胞膜組分的缺失突變代謝調(diào)節(jié)控制育種通過特定突變型的選育，達到改變代謝代謝調(diào)節(jié)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(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷代謝途徑及提高通路、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)物積累方向進行。細(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進行。1、代謝缺陷型菌株、代謝缺陷型菌株 直線型合成

23、途徑中的營養(yǎng)缺陷型突變株，這類菌株不直線型合成途徑中的營養(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；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，可利用營養(yǎng)缺陷型來合成某種末在分支代謝途徑中，可利用營養(yǎng)缺陷型來合成某種末端產(chǎn)物。端產(chǎn)物。2 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，如果有要的成分，如果有與代謝物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)與代謝物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)（即抗代謝物）（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爭同一存在，則可能產(chǎn)生兩種結(jié)果：抗代謝

24、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。通過誘變篩選出對通過誘變篩選出對抗代謝物相對應(yīng)的代謝物抗代謝物相對應(yīng)的代謝物不敏感，因此不敏感，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。Asp Asp-P AsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例：例：黃色短桿菌抗黃色短桿菌抗-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(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因突變，不能與蘇氨酸的的調(diào)節(jié)

25、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（結(jié)構(gòu)類似物（AHV）結(jié)合，當(dāng)然也不會同結(jié)合，當(dāng)然也不會同蘇氨酸蘇氨酸結(jié)合，所結(jié)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；：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3、產(chǎn)物降解酶缺失突變株、產(chǎn)物降解酶缺失突變株有的代謝產(chǎn)物由于相應(yīng)

26、降解酶的存在而在發(fā)酵液中不能穩(wěn)定存在，因有的代謝產(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，因此可通過誘變獲得缺乏降解產(chǎn)物的酶的菌株使發(fā)酵單位提高。此可通過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)基上不能生長的菌落就是缺源的培養(yǎng)基上。在后一種培養(yǎng)基上不能生長的菌落就是缺乏產(chǎn)物降解酶的變異株。乏產(chǎn)物降解酶的變異株。4、細(xì)胞膜組分的缺失突變、細(xì)胞膜組分的缺失突變以

27、前經(jīng)常提到以前經(jīng)常提到反饋抑制反饋抑制和和反饋阻遏反饋阻遏，都是，都是由于末端由于末端產(chǎn)物的濃度過高引起的產(chǎn)物的濃度過高引起的。利用。利用細(xì)胞膜組分的缺失突細(xì)胞膜組分的缺失突變使細(xì)胞膜的透性增大變使細(xì)胞膜的透性增大，可使代謝產(chǎn)物易于分泌到，可使代謝產(chǎn)物易于分泌到胞外，從而達到解除末端產(chǎn)物抑制或阻遏的目的。胞外，從而達到解除末端產(chǎn)物抑制或阻遏的目的。例例1：谷氨酸棒桿菌（生物素缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸：谷氨酸棒桿菌（生物素缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸PEP Pyr AcCoAOAA kg 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；O

28、AA：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生物素是是丙酮酸羧化酶的輔酶丙酮酸羧化酶的輔酶，生物素在低于亞適濃度之，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，進而前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化產(chǎn)生草酰乙酸，進而有利于有利于谷氨酸谷氨酸的合成；的合成；生物素生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰輔酶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(jīng)一系列轉(zhuǎn)化合

29、成脂肪酸，而脂肪酸又是構(gòu)成細(xì)胞膜磷脂經(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，因此的主要成分，因此生物素生物素可可間接地影響細(xì)胞膜的透性間接地影響細(xì)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例例2：溶烷棒桿菌：溶烷棒桿菌GL-21（甘油缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸（甘油缺陷型）生產(chǎn)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-磷酸甘油和磷酯磷酸甘油和磷酯。影響了。影響了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的合成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的合成而使得細(xì)胞膜透性增大而使得細(xì)胞膜透性增

30、大，有利于谷氨酸在菌體外積累。，有利于谷氨酸在菌體外積累。（二）微生物發(fā)酵條件的控制二）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，又影響代要因素，環(huán)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(chǎn)物的形成和積累。謝的速度和方向及產(chǎn)物的形成和積累。主要的有溫度、主要的有溫度、pH、氧氣含量、離子濃度等多種因、氧氣含量、離子濃度等多種因素素(見第六章見第六章）。）。第三節(jié)第三節(jié) 糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制一、一、 厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機制厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機制 葡萄糖在微生物細(xì)

31、胞中進行厭氧分解時，通過葡萄糖在微生物細(xì)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）形成多種己糖解酮酶途徑）形成多種中間代謝產(chǎn)物中間代謝產(chǎn)物, ,進一步轉(zhuǎn)化形成不進一步轉(zhuǎn)化形成不同的同的發(fā)酵產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)物。由表可見，在微生物細(xì)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(xì)胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一

32、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(jīng)何種途徑代謝，對發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。竟經(jīng)何種途徑代謝，對發(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(chǎn)朊假絲酵母產(chǎn)朊假絲酵母66811934灰色鏈霉菌灰色鏈霉菌973產(chǎn)黃青霉產(chǎn)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2971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(yǎng)產(chǎn)堿菌真養(yǎng)產(chǎn)堿菌100運動發(fā)酵單胞菌運

33、動發(fā)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(chǎn)物中間代謝產(chǎn)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(huán)三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)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

34、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 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶1、酵母菌的乙醇發(fā)酵（

35、、酵母菌的乙醇發(fā)酵（型發(fā)酵型發(fā)酵）該乙醇發(fā)酵過程只在該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。以及厭氧的條件下發(fā)生。（一）酵母菌發(fā)酵（通過（一）酵母菌發(fā)酵（通過EMPEMP途徑進行）途徑進行）2、酵母菌的、酵母菌的型型發(fā)酵發(fā)酵當(dāng)培養(yǎng)基中加入適量當(dāng)培養(yǎng)基中加入適量NaHSO3，酵母的乙醇發(fā)酵會轉(zhuǎn)變?yōu)椋湍傅囊掖及l(fā)酵會轉(zhuǎn)變?yōu)楦矢视桶l(fā)酵油發(fā)酵。原因：該條件下原因：該條件下NaHSO3與與乙醛乙醛結(jié)合成難溶的復(fù)合物結(jié)合成難溶的復(fù)合物磺化羥基磺化羥基乙醛乙醛，乙醛不能作為，乙醛不能作為受氫體受氫體，迫使，迫使磷酸二羥丙磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接酮擔(dān)任受氫體接受受3-3-磷酸甘油醛脫下的氫而磷

36、酸甘油醛脫下的氫而生成生成 - -磷酸甘油磷酸甘油，后者經(jīng)，后者經(jīng) - -磷酸磷酸甘油酯酶催化，生成甘油酯酶催化，生成甘油甘油。結(jié)果：形成結(jié)果：形成大量甘油大量甘油和和少量乙醇少量乙醇。2、酵母菌的、酵母菌的型型發(fā)酵發(fā)酵丙酮酸丙酮酸COCO2 2乙醛乙醛NADHNAD+乙醇乙醇磷酸磷酸二羥基丙酮二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油磷酸甘油甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（的亞硫酸氫鈉（pH7）Saccharomyces cerevisiae厭氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵（磺化羥基乙醛磺化羥基乙醛）酵母菌的二型發(fā)酵酵母菌的二型發(fā)酵當(dāng)發(fā)酵液處在弱堿性（當(dāng)發(fā)酵液處在弱堿性（pH7.6）條件下，酵母的乙醇發(fā)酵）條件下，酵母的

37、乙醇發(fā)酵也會改為也會改為甘油發(fā)酵甘油發(fā)酵。原因：微堿性條件下原因：微堿性條件下乙醛乙醛因得不到足夠的氫而積累，結(jié)果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)，生成分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，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+ + 此時也由此時也由磷酸二羥丙酮作為受氫體磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成接受氫而生成 - -磷酸

38、磷酸甘油甘油，后者經(jīng)，后者經(jīng) - -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(fā)酵方式不產(chǎn)生能量，只在非生長情況下進行。這種發(fā)酵方式不產(chǎn)生能量，只在非生長情況下進行。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、酵母菌的型型發(fā)酵發(fā)酵3.酵母菌的酵母菌的型型發(fā)酵發(fā)酵丙酮酸丙酮酸COCO2 22個乙醛個乙醛H不足不足乙醇乙醇磷酸磷酸二羥基丙酮二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油磷酸甘油甘油甘油Saccharomyces cerevisiae厭氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵酵母菌的三型發(fā)酵酵母菌的三型發(fā)酵（ pH7.6 ）乙酸乙酸概念：有氧條件下

39、，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源意義：合理利用能源通風(fēng)對酵母代謝的影響通風(fēng)對酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）缺氧（發(fā)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(xì)胞的繁殖細(xì)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(yīng)巴斯德效應(yīng)(Pasteur effect)(Pasteur effect)現(xiàn)象：現(xiàn)象：巴斯德效應(yīng)（巴斯德效應(yīng)（Pasteur effectPasteur effect）機理）機理 巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時發(fā)

40、現(xiàn)：厭氧條件下酵母菌進行巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)：厭氧條件下酵母菌進行酒精發(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，酵母菌進行呼吸作用，脫氫產(chǎn)生的進行呼吸作用，脫氫產(chǎn)生的NADH進入電子傳遞鏈產(chǎn)生大量進入電子傳遞鏈產(chǎn)生大量ATP，而不能用于乙醛的還原，而不能用于乙醛的還原，這樣乙醇的產(chǎn)量就會降低。同時由，這樣乙醇的產(chǎn)量就會降低。同時由于于ATP濃度的升高濃度的升高，抑制，抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，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)量也降從而葡萄糖的利用也降低，糖的消耗速度較低

41、，酒精產(chǎn)量也降低。低。 呼吸抑制發(fā)酵作用的的現(xiàn)象呼吸抑制發(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)巴斯德效應(yīng)的本質(zhì)是能荷調(diào)節(jié) （二）細(xì)菌的乙醇發(fā)酵（二）細(xì)菌的乙醇發(fā)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(fā)酵單胞菌、嗜菌種：運動發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌等糖假單胞菌等途徑：途徑：EDED利用利用Z.mobilisZ.mobilis等細(xì)菌生產(chǎn)酒精等細(xì)菌生產(chǎn)酒精優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少 代謝副

42、產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；不必定期供氧。代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；不必定期供氧。缺點：缺點：pH5pH5較易染菌；較易染菌；耐乙醇能力（耐乙醇能力（7%7%）較酵母）較酵母（8-10%8-10%）低。）低。（三）乳酸菌發(fā)酵（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)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)生乳酸的過程稱為乳酸發(fā)酵。生乳酸的細(xì)菌的統(tǒng)稱，產(chǎn)生乳酸的過程稱為乳酸發(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)酵和雙歧桿菌乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸

43、發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMPEMP途徑）途徑）異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)（經(jīng)HMPHMP途徑）途徑）雙歧桿菌發(fā)酵雙歧桿菌發(fā)酵: : （經(jīng)（經(jīng)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（Bifidobacterium）。）。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

44、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(fā)酵、同型乳酸發(fā)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(fā)酵、異型乳酸發(fā)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酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙

45、醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2 一些異型發(fā)酵乳酸桿菌例如一些異型發(fā)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(gòu)酶，因此其葡萄糖的降解依賴異構(gòu)酶，因此其葡萄糖的降解依賴HMP途徑。途徑。 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

46、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(fā)酵、雙歧發(fā)酵（四）混合酸發(fā)酵（四）混合酸發(fā)酵v概念：概念：埃希埃希氏菌、沙門氏氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌菌、志賀氏菌屬屬的一些菌通的一些菌通過過EMP途徑將途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成葡萄糖轉(zhuǎn)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(chǎn)物，由于謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含代謝產(chǎn)物中含有多種有機酸，有多種有機酸，故將其稱為故將其稱為混混合酸發(fā)酵合酸發(fā)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

47、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(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH6.2產(chǎn)氣 產(chǎn)酸（五）（五）2, 3-丁二醇發(fā)酵丁二醇發(fā)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合成酶 -乙酰乳酸脫羧酶乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶丁二醇脫氫酶概念：概念：腸桿菌、腸桿菌、沙雷氏菌和歐沙雷氏菌和歐文氏菌屬文氏菌

48、屬中的中的一些細(xì)菌具有一些細(xì)菌具有 -乙酰乳酸合乙酰乳酸合成酶成酶系系而進行而進行丁二醇發(fā)酵。丁二醇發(fā)酵。EMP二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物的發(fā)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(jié)晶成固體；年首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結(jié)晶成固體；19131913年年首次實現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。首次實現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)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，ShuShu提出葡萄糖分解代謝中約提出葡萄糖分解代謝

49、中約8080走走EMPEMP途徑；途徑； 19581958年年，MeDomoughMeDomough等發(fā)現(xiàn)黑曲霉還存在等發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)黑曲霉研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉中存在三羧酸循環(huán)；中存在三羧酸循環(huán)；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酮酸乙酰乙酰CoACoA蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰

50、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檸檬酸合成酶檸檬酸合成酶：丙酮酸羧化酶；：丙酮酸羧化酶； ：順烏頭酸水合酶：順烏頭酸水合酶異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶 MnMn抑制蛋白抑制蛋白合成合成NHNH4 4解除解除磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶的代謝調(diào)節(jié)，促進的代謝調(diào)節(jié)，促進EMPEMP途徑的暢通途徑的暢通有一條呼吸活力強的不產(chǎn)生有一條呼吸活力強的不產(chǎn)生ATPATP的的側(cè)系呼吸鏈側(cè)系呼吸鏈 由于由于丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶是是組成型酶組成型酶，不被調(diào)節(jié)控制。，不被調(diào)節(jié)

51、控制。2+ 缺乏缺乏2、檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)、檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié) 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(yīng)的固定兩個反應(yīng)的平衡，以及平衡，以及檸檬酸合成酶檸檬酸合成酶不被調(diào)節(jié)，增強了合成檸不被調(diào)節(jié)，增強了合成檸檬酸的能力。檬酸的能力。 由于由于順烏頭酸水合酶順烏頭酸水合酶在催化時建立了以下平衡：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 同時同時控制控制FeFe2+2+含量含量時，順烏頭酸酶活力降低，使檸時，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。檬酸積累。 當(dāng)當(dāng)銅離子銅離子0.3

52、mg/L，鐵離子，鐵離子2mg/L和和pH2.0情況下，情況下，順烏頭順烏頭酸水合酶、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(xiàn)活力，均不出現(xiàn)活力，發(fā)酵中檸檬酸正是在這個發(fā)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降低到降低到一定程度時，一定程度時，使使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活，更有利于更有利于檸檬酸的積累及排出細(xì)胞外檸檬酸的積累及排出細(xì)胞外。第四節(jié)第四節(jié) 氨基酸和核酸的發(fā)酵機制氨基酸和核酸的發(fā)酵機制一、氨基酸發(fā)酵機制一、氨基酸發(fā)酵機制1 EMP1 EMP途徑、途徑、HMPHMP途徑

53、途徑 谷氨酸生產(chǎn)菌存在著兩種代謝途徑：谷氨酸生產(chǎn)菌存在著兩種代謝途徑：EMPEMP、HMP HMP ；EMP/HMP=10/90EMP/HMP=10/90。2 TCA2 TCA、DCADCA和和COCO2 2固定作用固定作用 a.TCAa.TCA環(huán)（環(huán)（三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)） b.DCAb.DCA環(huán)（環(huán)（乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)） c.COc.CO2 2固定固定 PEP+COPEP+CO2 2+GDP+GDP 草酰乙酸草酰乙酸+GDP+GDP COCO2 2 丙酮酸丙酮酸 蘋果酸蘋果酸 草酰乙酸草酰乙酸 COCO2 2 NAD+ NADH+HNAD+ NADH+H+ +PEPPEP羧化酶羧化酶蘋果

54、酸酶蘋果酸酶蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶3 3、氨的導(dǎo)入、氨的導(dǎo)入 -酮戊二酸還原氨基化酮戊二酸還原氨基化谷氨酸谷氨酸 氨的導(dǎo)入有三種方式氨的導(dǎo)入有三種方式 谷氨酸合成酶途徑谷氨酸合成酶途徑二二 細(xì)胞膜通透性控制細(xì)胞膜通透性控制 -酮戊二酸脫氫酶活性極低或缺失酮戊二酸脫氫酶活性極低或缺失 細(xì)胞膜對谷氨酸的通透性高細(xì)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

55、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+ +COCO2 2NADHNADH2 2NADNAD+ +草酰琥珀酸草酰琥珀酸酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸谷氨酸谷氨酸NADPHNADPH2 2NADPNADP+ +NADPNADP+ +NADPHNADPH2 2乙醛酸乙醛酸乙酰輔酶乙酰輔酶A ACOCO2 2COCO2 2葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑徑EMPEMP途徑途徑HMPHMP途徑途徑TCA循環(huán)循環(huán)乙醛酸循環(huán)乙醛酸

56、循環(huán)谷氨酸發(fā)酵機制谷氨酸發(fā)酵機制天冬氨酸天冬氨酸磷酸烯醇式磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶D-蘇氨酸蘇氨酸L-蘇氨酸蘇氨酸-酮基丁酸酮基丁酸L-異亮氨酸異亮氨酸L-L-蘇氨酸蘇氨酸脫氫酶脫氫酶反饋抑制反饋抑制D-D-蘇氨酸蘇氨酸脫氫酶脫氫酶分支鏈分支鏈氨基酸氨基酸發(fā)酵發(fā)酵：異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸：異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸谷氨酸谷氨酸N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸N-乙酰乙酰-谷氨酰磷酸谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸-半醛半醛N-乙酰鳥氨酸乙酰鳥氨酸鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精胺琥珀酸精氨酸精氨酸負(fù)反饋控制負(fù)反饋控制N-乙酰谷乙酰谷氨酸激酶氨酸激酶Arg-Cit - 降低反饋作用物的濃

57、度降低反饋作用物的濃度鳥氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機制鳥氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機制葡萄糖葡萄糖5-磷酸磷酸核糖核糖ATPATPADPADPMgMg2+2+，HPOHPO4 42-2-PRPPPRPP合成酶合成酶磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（PRPP）谷氨酰胺谷氨酰胺+H2O谷氨酸谷氨酸+HP2O73-5-磷酸核糖酸磷酸核糖酸（PRA）Mg2+GAR合成酶合成酶甘氨酸甘氨酸ATPADP+Pi甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸（GAR）N10-甲酰甲酰THFAH2OTHFA甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）磷酸核糖甘氨酰磷酸核糖甘氨酰胺轉(zhuǎn)甲酰酶胺轉(zhuǎn)甲酰酶GlnH2OGLUADPATP+Pi甲酰甘氨甲酰甘氨咪核苷酸咪核苷酸（FGAM）Mg2+K+ATPADP+Pi5-氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸（AIR）CO2AIR羧化酶羧化酶5-氨基氨基-4-甲甲酸咪唑核苷酸酸咪唑核苷酸（CAIR）5-氨基氨基-4-（N-琥珀基）琥珀基）甲