發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

1、發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)l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l第二節(jié)第二節(jié) 微生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制微生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制l第三節(jié)第三節(jié) 糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制l第四節(jié)第四節(jié) 氨基酸和核苷酸發(fā)酵機(jī)制氨基酸和核苷酸發(fā)酵機(jī)制l第五節(jié)第五節(jié) 抗生素發(fā)酵機(jī)制抗生素發(fā)酵機(jī)制l第六節(jié)第六節(jié) 微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)l掌握初級(jí)與次級(jí)代謝的產(chǎn)物掌握初級(jí)與次級(jí)代謝的產(chǎn)物l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)的方式l掌握酶活性被抑制的方式掌握酶活性被抑制的方式l了解發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)了解發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)l初級(jí)代謝及產(chǎn)物初級(jí)

2、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。l次級(jí)代謝及產(chǎn)物次級(jí)代謝及產(chǎn)物 抗生素、毒素、激素和色素等?？股亍⒍舅?、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，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(chēng)為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。稱(chēng)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。初級(jí)代謝產(chǎn)物。一、調(diào)節(jié)方式一、調(diào)節(jié)方式l代謝途徑區(qū)域化代謝途徑區(qū)域化l代謝流向的調(diào)控代謝流向的調(diào)控

3、l代謝速度的調(diào)控代謝速度的調(diào)控l細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)l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)）酶合成的誘導(dǎo)酶合成的誘導(dǎo)酶合成的阻遏酶合成的阻遏酶活性的激活酶活性的激活酶活性的抑制酶活性的抑制（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(méi)有復(fù)雜的具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，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；進(jìn)行，避免了其他途徑的

4、干擾；真核微生物細(xì)胞真核微生物細(xì)胞里，各種酶系被細(xì)胞器隔離分布，使里，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，關(guān)的酶系集中于線粒體內(nèi)膜上，DNA合成的某些酶位于合成的某些酶位于細(xì)胞核里。細(xì)胞核里。（二）代謝流向的調(diào)控（二）代謝流向的調(diào)控微生物在不同條件下可以通過(guò)控制各代謝途徑中某個(gè)酶促反應(yīng)的速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。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)、由一個(gè)關(guān)鍵酶

5、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；流向；谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶 + NADP+ 催化谷氨酸的合成催化谷氨酸的合成谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶 + NAD+ 催化谷氨酸的分解催化谷氨酸的分解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(lái)催化的。即在一個(gè)酶來(lái)催化的。即在一個(gè)“可逆可逆”反應(yīng)中，其中一個(gè)酶催反應(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)。化正反應(yīng)，另一種酶則催化逆反應(yīng)。如：如： 葡萄糖葡萄糖

6、+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，能十分精確地控制正反應(yīng)和逆反應(yīng)?？刂普磻?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)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(guò)酶量的變化來(lái)控制代謝的速率。從本質(zhì)上看，酶通過(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。合成的調(diào)節(jié)是在基因表達(dá)水平上起作用的。 酶合成的誘導(dǎo)（酶合成的誘導(dǎo)（induct

7、ion of enzyme synthesis）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。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(chēng)為導(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(chēng)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(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)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。量終點(diǎn)產(chǎn)物所阻遏

8、。分解代謝物阻遏：可被組成酶快速利用的基質(zhì)，阻遏了分分解代謝物阻遏：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。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(zhǎng)現(xiàn)象。在啟動(dòng)序列上游有兩個(gè)位點(diǎn)，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)合位聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)和點(diǎn)和cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有葡萄糖及結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有葡萄糖及cAMP濃度較高時(shí)，濃度較高時(shí)， 形成形成cAMP-CAP ，該復(fù)合物結(jié)合在啟動(dòng)序列后，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

9、物抑制腺苷酸結(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，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不不能被活化而無(wú)法結(jié)合至啟動(dòng)子，導(dǎo)致能被活化而無(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，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。因此乳糖操縱子表達(dá)下降。 酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機(jī)制：操縱子學(xué)說(shuō)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)）、酶合成的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）乳糖操縱子乳糖操縱子操縱子是指基因組操縱子是指基因組DNA分子的一個(gè)片段，這個(gè)片斷分子的一個(gè)片段，這個(gè)片斷由啟動(dòng)子、調(diào)節(jié)基因、

10、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成。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)。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。阻遏型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達(dá)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(jī)制乳糖操縱子的誘導(dǎo)機(jī)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(guò)其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)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)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、

11、物的性質(zhì)和濃度、壓力、pH、離子強(qiáng)度、輔助因子以及其他離子強(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。酶的存在等等。特點(diǎn)是反應(yīng)快速。 酶活性的激活（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)。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。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

12、制大多是反饋抑制A. 無(wú)分支代謝途徑無(wú)分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途徑的調(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。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。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(gè)

13、末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶Ea，而是而是分別抑制分支點(diǎn)后的分別抑制分支點(diǎn)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(gè)反應(yīng)（途徑中的第一個(gè)反應(yīng)（A B）被兩個(gè)不同的酶所催化，一被兩個(gè)不同的酶所催化，一個(gè)酶被個(gè)酶被Y抑制，另一個(gè)酶被抑制，另一個(gè)酶被Z抑制。只有當(dāng)抑制。只有當(dāng)Y和和Z同時(shí)過(guò)量同時(shí)過(guò)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(gè)控制點(diǎn)（另兩個(gè)控制點(diǎn)（C D），（），（C F），），分別受分別受Y或或Z的抑制。的抑制。同工酶是

14、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(lèi)酶。被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的一類(lèi)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(dú)過(guò)量，對(duì)途徑中第一個(gè)酶單獨(dú)過(guò)量，對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1無(wú)抑制作用，無(wú)抑制作用，只有只有Y和和Z同時(shí)過(guò)量，才能對(duì)同時(shí)過(guò)量，才能對(duì)E1具有抑制作用。另兩個(gè)控制具有抑制作用。另兩個(gè)控制點(diǎn)的酶點(diǎn)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

15、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(dú)過(guò)量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶單獨(dú)過(guò)量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1僅產(chǎn)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)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)物的形成。只有當(dāng)Y和和Z同時(shí)過(guò)量，才能對(duì)同時(shí)過(guò)量，才能對(duì)E1產(chǎn)生較大的抑產(chǎn)生較大的抑制作用。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(dú)過(guò)量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶單獨(dú)過(guò)量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1僅產(chǎn)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)生較小的抑制作用，一種

16、末端產(chǎn)物過(guò)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(shí)過(guò)量，對(duì)同時(shí)過(guò)量，對(duì)E1產(chǎn)生的抑制作用則超過(guò)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。各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)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(jī)制酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制主要有兩種理論解釋?zhuān)褐饕袃煞N理論解釋?zhuān)海阜肿訕?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，酶劑結(jié)合的調(diào)節(jié)中心。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑以

17、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(jià)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(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，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）。性）和去磷酸化（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

18、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。l對(duì)利用對(duì)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的的途徑（分解代謝）的酶活性的調(diào)節(jié)。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(jī)制二、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(lèi)利用微的相互協(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(lèi)利用微生物進(jìn)行發(fā)酵則需要微生物積累較

19、多的代謝產(chǎn)物，因此對(duì)微生物的代謝生物進(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。必須進(jìn)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(shí)質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶（別構(gòu)：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(lèi)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(lèi)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?zhàn)瓒糇饔玫慕獬答佔(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：實(shí)質(zhì)是

20、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，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；成的阻遏；（三）（三）遺傳障礙遺傳障礙：使某酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋：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；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

21、：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(guò)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(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。使胞內(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(lèi)似物的突變積累氨基酸、利用抗代謝類(lèi)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

22、育種通過(guò)特定突變型的選育，達(dá)到改變代謝代謝調(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。細(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。1、代謝缺陷型菌株、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(lèi)菌株不直線型合成途徑中的營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株，這類(lèi)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(yíng)養(yǎng)缺陷型來(lái)合成某種末在分支代謝途徑中，可利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型來(lái)合成某種末端產(chǎn)物。端產(chǎn)物。2 2、抗代謝

23、類(lèi)似物的突變菌株、抗代謝類(lèi)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，如果有與代謝物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)（即抗代謝物）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。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，因此通過(guò)誘變篩選出對(duì)抗代謝物相對(duì)應(yīng)

24、的代謝物不敏感，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)亞基的結(jié)構(gòu)基因突變，不能與蘇氨酸的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物（結(jié)構(gòu)類(lèi)似物（AHV）結(jié)合，當(dāng)然也不會(huì)同蘇氨酸結(jié)合，所）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)以能解除蘇氨酸對(duì)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(mén)冬氨酸；：天門(mén)冬氨酸；A

25、sp-P：天門(mén)冬氨酰磷酸；：天門(mén)冬氨酰磷酸；Asa：天門(mén)冬氨酸半醛；：天門(mén)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(lài)氨酸；：賴(lài)氨酸；AK：天門(mén)冬氨酸激酶；天門(mén)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)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(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。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

26、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(zhǎng)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(zhǎng)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前經(jīng)常提到反饋抑制和反饋?zhàn)瓒?，都是由于末端以前?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)物易于分泌到變使細(xì)胞膜的透性增大，可使代謝產(chǎn)物易于分

27、泌到胞外，從而達(dá)到解除末端產(chǎn)物抑制或阻遏的目的。胞外，從而達(dá)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；OAA：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(píng)果：蘋(píng)果酸；酸；PC：丙酮酸羧化酶：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

28、有利于丙酮酸的羧化產(chǎn)生草酰乙酸，進(jìn)而前，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；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，因此生物素可間接地影響細(xì)胞膜的透性。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)谷氨酸合成的影響生物素對(duì)谷氨酸合成的影響例例2：溶烷棒桿菌：溶烷棒桿

29、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。影響了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的合成磷酸甘油和磷酯。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。而使得細(xì)胞膜透性增大，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(zhǎng)，又影響代要因素，環(huán)境條

30、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。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(jiàn)第六章）。見(jiàn)第六章）。一、一、 厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制厭氧發(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)葡萄糖在微生物細(xì)胞中進(jìn)行厭氧分解時(shí)，通過(guò)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）

31、和HK HK （磷酸（磷酸己糖解酮酶途徑）形成多種中間代謝產(chǎn)物己糖解酮酶途徑）形成多種中間代謝產(chǎn)物, ,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成不進(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成不同的發(fā)酵產(chǎn)物。同的發(fā)酵產(chǎn)物。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，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。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

32、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(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌運(yùn)動(dòng)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

33、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(lèi)核苷糖類(lèi)戊糖戊糖 多糖貯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(yùn)輸糖的運(yùn)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

34、精氨酸 賴(lài)氨酸賴(lài)氨酸天冬氨酸天冬氨酸 賴(lài)氨酸賴(lài)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(lèi)異戊二烯類(lèi)異戊二烯 甾醇甾醇 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在以及厭氧的條件下發(fā)生。該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在以及厭氧的條件下發(fā)生。（一）酵母菌發(fā)酵（通過(guò)（一）酵母菌發(fā)酵（通過(guò)EMPEMP途徑進(jìn)行）途徑進(jìn)行）2、酵母菌的、酵母菌的型發(fā)酵型發(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(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦剩湍傅囊掖及l(fā)酵會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦视桶l(fā)酵。油發(fā)酵。原因：該條件下原因：該

35、條件下NaHSO3與與乙醛結(jié)合成難溶的復(fù)合物磺化羥基乙醛結(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)任受氫體接受受3-3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成磷酸甘油醛脫下的氫而生成 - -磷酸甘油，后者經(jīng)磷酸甘油，后者經(jīng) - -磷酸磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。甘油酯酶催化，生成甘油。結(jié)果：形成大量甘油和少量乙醇。結(jié)果：形成大量甘油和少量乙醇。2、酵母菌的、酵母菌的型發(fā)酵型發(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

36、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（）條件下，酵母的乙醇發(fā)酵也會(huì)改當(dāng)發(fā)酵液處在弱堿性（）條件下，酵母的乙醇發(fā)酵也會(huì)改為甘油發(fā)酵。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+

37、+CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+ + CH CH3 3CHCH2 2OH+ NADOH+ NAD+ + 此時(shí)也由磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成此時(shí)也由磷酸二羥丙酮作為受氫體接受氫而生成 - -磷酸磷酸甘油，后者經(jīng)甘油，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(zhǎng)情況下進(jìn)行。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 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、酵母菌的型發(fā)酵型發(fā)酵3.酵母菌的酵母菌的型發(fā)酵型發(fā)酵丙酮酸丙酮酸COCO2 22個(gè)乙醛個(gè)乙

38、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（ ）乙酸乙酸概念：有氧條件下，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(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）對(duì)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(duì)酵母代謝的影響通風(fēng)對(duì)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(shí)間單位時(shí)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現(xiàn)象：

39、現(xiàn)象：巴斯德效應(yīng)（巴斯德效應(yīng)（Pasteur effectPasteur effect）機(jī)理）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，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，從濃度的升高

40、，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) 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(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌、嗜菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌等糖假單胞菌等途徑：途徑：EDED優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌

41、體生成少 代謝副產(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(diǎn)：缺點(diǎn)：pH5pH5較易染菌；耐乙醇能力（較易染菌；耐乙醇能力（7%7%）較酵母）較酵母（8-10%8-10%）低。）低。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(chēng)，產(chǎn)生乳酸的過(guò)程稱(chēng)為乳酸發(fā)酵。生乳酸的細(xì)菌的統(tǒng)稱(chēng)，產(chǎn)生乳酸的過(guò)程稱(chēng)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)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)

42、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二羥丙酮2( 1

43、,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） 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 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2 一些異型發(fā)酵乳酸桿菌

44、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(lài)異構(gòu)酶，因此其葡萄糖的降解依賴(lài)HMP途徑。途徑。 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

45、酶3、雙歧發(fā)酵、雙歧發(fā)酵v概念：埃希概念：埃希氏菌、沙門(mén)氏氏菌、沙門(mén)氏菌、志賀氏菌菌、志賀氏菌屬的一些菌通屬的一些菌通過(guò)過(guò)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(jī)酸，有多種有機(jī)酸，故將其稱(chēng)為混故將其稱(chēng)為混合酸發(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

46、-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2H產(chǎn)氣 產(chǎn)酸 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：腸桿菌、概念：腸桿菌、沙雷氏菌和歐沙雷氏菌和歐文氏菌屬中的文氏菌屬中的一些細(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而進(jìn)行系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。丁二醇發(fā)酵。EMP（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

47、檸檬汁中提出檸檬酸并結(jié)晶成固體；19131913年首次實(shí)現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。年首次實(shí)現(xiàn)利用黑曲霉發(fā)酵生成檸檬酸。 19531953年，年，JagnnathanJagnnathan等證實(shí)了黑曲霉中存在等證實(shí)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； 195419

48、5419551955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(píng)果酸蘋(píng)果酸草酰乙酸草酰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

49、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解除磷酸果糖激酶解除磷酸果糖激酶的代謝調(diào)節(jié)，促進(jìn)的代謝調(diào)節(jié)，促進(jìn)EMPEMP途徑的暢通途徑的暢通有一條呼吸活力強(qiáng)的不產(chǎn)生有一條呼吸活力強(qiáng)的不產(chǎn)生ATPATP的的側(cè)系呼吸鏈側(cè)系呼吸鏈 由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調(diào)節(jié)控制。由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調(diào)節(jié)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(gè)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

50、成檸檬酸的能力。強(qiáng)了合成檸檬酸的能力。 由于順烏頭酸水合酶在催化時(shí)建立了以下平由于順烏頭酸水合酶在催化時(shí)建立了以下平衡：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(shí)控制同時(shí)控制FeFe2+2+含量時(shí)，順烏頭酸酶活力降低，含量時(shí)，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。使檸檬酸積累。 當(dāng)銅離子，鐵離子當(dāng)銅離子，鐵離子2mg/L和情況下，順烏頭酸水合酶、和情況下，順烏頭酸水合酶、NAD和和NADP-異檸檬酸脫氫酶均不出現(xiàn)活力，發(fā)酵中檸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)檬酸正是在這個(gè)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

51、積累，pHpH降低到一定程度時(shí)，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，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。更有利于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(jī)制氨基酸和核酸的發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制1 EMP1 EMP途徑、途徑、HMPHMP途徑途徑 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 環(huán)（三羧酸循環(huán)）環(huán)（三羧酸循環(huán)） 環(huán)（乙醛酸循

52、環(huán)）環(huán)（乙醛酸循環(huán)） 2 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(píng)果酸蘋(píng)果酸 草酰乙草酰乙酸酸 COCO2 2 NAD+ NADH+HNAD+ NADH+H+ +PEPPEP羧化酶羧化酶蘋(píng)果酸酶蘋(píng)果酸酶蘋(píng)果酸脫氫酶蘋(píng)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酮戊二酸脫氫酶活性極低或缺失低或缺失 細(xì)胞膜對(duì)谷氨酸的通透性細(xì)胞膜對(duì)谷氨酸的

53、通透性高高 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(píng)果酸蘋(píng)果酸丙酮酸丙酮酸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NADPHN

54、ADPH2 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)乙醛酸循環(huán)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

55、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(niǎo)氨酸乙酰鳥(niǎo)氨酸鳥(niǎo)氨酸鳥(niǎo)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?zhàn)饔梦锏臐舛冉档头答佔(zhàn)饔梦锏臐舛萨B(niǎo)氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機(jī)制鳥(niǎo)氨酸、瓜氨酸、精氨酸發(fā)酵機(jī)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