第7章发酵机制.ppt

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1、发酵工程,http:/211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm,南阳师范学院 生命科学与技术学院 2009-2010,第一章 发酵工程总论 第二章 发酵设备 第三章 发酵工业原料及其处理 第四章 发酵工业灭菌 第五章 发酵菌种的制备 第六章 发酵工业放大 第七章 微生物发酵机制 第八章 发酵动力学 第九章 发酵过程工艺控制 第十章 发酵染菌及防治 第十一章 发酵工业废物、废水处理和资源化技术 第十二章 展望,发酵工程,第七章 微生物发酵机制,1 微生物基础物质代谢 2 厌氧发酵产物的合成机制 3 好氧发酵产物合成机制,微生物发酵机理：是指微生物通过其代谢活动,利用基质合

2、成人们所需要的产物的内在规律。 发酵机理研究的内容: 研究微生物的生理代谢规律,就是生物合成各种代谢产物的途径和代谢调节机制,环境因素对代谢方向的影响以及改变微生物代谢方向的措施。,1 微生物基础物质代谢 代谢（Metabolism） ：细胞内发生的各种化学反应的总和。 包括分解代谢和合成代谢两个过程。 分解代谢（Catabolism ）：复杂的有机物分子通过分解代谢酶 系的催化产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和 还原力的作用。 合成代谢（Anabolism） ：在合成代谢酶系的催化下，由简单小 分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂的 大分子 的过程。,1 微生物发酵

3、机理,1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 微生物的碳素营养物质主要包括淀粉、纤维素、半纤维素、几丁质和果胶多糖类及其水解产物，其中最重要的是淀粉（？）及其水解产物葡萄糖。,1 微生物发酵机理,Why ？,1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 1）碳源的厌氧分解 兼性和专性厌氧菌均能在无氧的条件下，对葡萄糖进行分解，并可生成多种多样的代谢产物。正是利用微生物的这些转化特性，形成了许多工业发酵产品，如酒精、乳酸、丙酮与丁醇等。,1 微生物发酵机理,1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 2）碳源的有氧分解 有氧分解葡萄糖时，出现异常

4、代谢，就有可能导致代谢途径中某一中间产物的积累，而成为人类所需的发酵产品。在发酵工业中，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵以及很多的抗生素发酵生产，就是人为干扰微生物菌体内葡萄糖分解代谢，而造成一些中间产物或次级代谢产物的积累。,1 微生物发酵机理,1.1 微生物基础物质代谢 二、微生物对培养基中氮源的代谢 蛋白质量及其分解产物和一些无机含氮物都可以作为微生物氮素营养物质，甚至分子态氮也可用作某些微生物的氮源。 微生物对蛋白质及其水解产物的分解过程如下： 蛋白质被肽酶分解生成氨基酸，脱氨作用生成有机酸，脱羧作用生成胺类。,1 微生物发酵机理,三、微生物的能量代谢（Energy metabolism of

5、 microbes） 一切生命活动都是耗能反应，因此在微生物生理活动中能量代谢是至关重要的。 微生物能量代谢的中心任务是：微生物如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成生命活动能使用的通用能源ATP。 研究微生物能量代谢的机制实质上就是追踪多种形式的最初能源如何转化并释放出ATP的过程。微生物可以直接从外界获得能量，还可以通过异化，将吸收进体内的物质降解或氧化，从而获得能量。,Energy metabolism of microbes 微生物的能量代谢 化能异养微生物的生物氧化与产能 光能微生物的能量代谢 化能自养微生物生物氧化与产能 自养微生物生物对CO2的固定,化能异养微生物的生物氧化与产

6、能 Fermentation 发酵：微生物在厌氧条件下以其自身内部的某些有机物作为末端氢（电子）受体进行的氧化还原过程。 Respiration 呼吸：微生物以分子氧或其他氧化型化合物作为末端氢（电子）受体进行的氧化还原过程。,产能途径（四种） EMP（Embden-Meyerhof-parans）途径 （糖酵解途径或二磷酸己糖途径） HMP途径（Hexose monophosphate）途径 （磷酸戊糖途径或旁路）属循环途径 ED途径（Entner-Doundoroff）途径 （2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解途径） TCA 三羧酸循环,Glycolysis 糖酵解途径,HMP途径,ED途

7、径,TCA Cycle,发酵类型,由于在各种发酵途径中均有还原性氢供体 NADH+H+产生，但产生的量并不多，若不及时将它们氧化再生。葡萄糖分解产能将会中断，这样，微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADH +H+的氢（电子），于是产生各种各样的发酵产物。 根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸和琥珀酸发酵、丁酸发酵、丙酮-丁醇发酵、混合酸与丁二醇发酵以及乙酸发酵等。主要讨论与四种发酵途径有关的发酵。,乙醇发酵 乳酸发酵 混合酸与丁二醇发酵 丙酮-丁醇发酵,不同发酵产物,乙醇发酵 包括酵母型乙醇发酵和细菌型乙醇发酵两种 乳酸发酵 同型乳酸发

8、酵：由葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸，直接作为氢受体被NADH+H+还原而全部生成乳酸的一种发酵。 异型乳酸发酵：发酵产物中除了乳酸还有一些乙醇（或乙酸）和CO2 等的发酵。 混合酸与丁二醇发酵以EMP途径为基础的发酵产物中有多种有机酸的发酵。 丙酮-丁醇发酵 Stickland反应：以一种氨基酸作底物，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。,Stickland 反应,Respiration 呼吸 Aerobic respiration 有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体的呼吸。 Anaerobic respiration 无氧呼吸：以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体

9、的呼吸。 巴斯德效应：由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要比在 发酵中产生的多，所以在有氧条件下，兼性厌氧微生物终止 厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵的现象称为巴 斯德效应。 Respiration chain 呼吸链：指从葡萄糖或其他氧化型化合物上脱下的氢（电子）经过一系列按照氧化还原势由低到高顺序排列的氢（电子）传递体，定向有序的传递系统。,Respiration chain,无氧呼吸,硝酸盐呼吸（nitrate respiration） 硫酸盐呼吸（sulfate respiration） 硫呼吸（sulfur respiration） 碳酸盐呼吸（carbonate respir

10、ation） 其他类型的无氧呼吸,光能微生物的能量代谢 光合细菌类群 细菌光合色素 细菌光合作用,产氧光合细菌 蓝细菌 原绿植物纲 不产氧光合细菌 紫色细菌和绿色细菌,细菌光合色素 叶绿素（chlorophyll） 菌绿素 (bacteriochlorophyll） 辅助色素,细菌光合作用 依靠菌绿素的光合作用 依靠叶绿素的光合作用 依靠菌视紫红质的光合作用,Purple Nonsulfur Bacterial Photosynthesis,Green Sulfur Bacterial Photosynthesis,化能自养微生物的能量代谢 CO2为主要或唯一碳源，以还原态无机化合物（NH4+

11、、NO2-、H2S、H2和Fe2+等）的生物氧化获得能量和还原力H的微生物称为化能自养微生物。 氢细菌 硝化细菌 硫细菌 铁细菌,自养微生物对CO2的固定 卡尔文循环（Calvin cycle） 还原性三羧酸循环途径 厌氧乙酰-CoA途径 羟基丙酸途径,卡尔文循环（Calvin cycle）的三个阶段 羧化反应 3个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2固定,并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。 还原反应 3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛（通过逆向EMP途径产生）。 CO2受体的再生 1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄糖，其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖-1

12、,5-二磷酸分子。,Calvin cycle,还原性三羧酸循环途径,4C,厌氧乙酰-CoA途径,羟基丙酸途径,Amphibolic pathway 两用代谢途径 EMP、HMP和TCA循环 Anaplerotic sequence 代谢物回补顺序 指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗 的中间代谢物的那些反应 Glyoxylate cycle 乙醛酸循环,Glyoxylate cycle 乙醛酸循环,1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为能源和碳源。因此，葡萄糖的分解代谢、能量转化规律，具有生物学意义。 糖酵解(glycolysis)：葡萄糖经过1

13、，6二磷酸果糖生成3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再降解生成丙酮酸并产生ATP的代谢过程称为糖降解。,第八章 微生物发酵机制,1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解的特点： 1）糖酵解（EMP）途径是单糖分解的一条重要途径，它存在于各种细胞中，它是葡萄糖有氧、无氧分解的共同途径。 2）EMP途径的每一步都是由酶催化的，其关键酶有已糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。 3）当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数几步反应转化为糖酵解途径的中间产物，这时从葡萄糖合成细胞组成成分的标准反应数序列同样有效。,1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解的特点： 在缺氧条

14、件下，细胞进行无氧酵解，仅获得有限的能量以维持生命活动，丙酮酸继续进行代谢可产生酒精、乳酸等厌氧代谢产品。 在有氧条件下，细胞进行有氧代谢生成丙酮酸后，进入TCA循环，其发酵产品有柠檬酸、氨基酸及其他有机酸等。,1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解途径（EMP途径）从葡萄糖到丙酮酸共有十步反应，分别由十种酶催化。分为三个阶段： 1）由葡萄糖到葡萄糖经过1，6二磷酸果糖，该过程包括三步反应，是需能过程，消耗2个分子ATP。 2） 1，6二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛，包括两步反应。 3） 3-磷酸甘油醛经过5步反应生成丙酮酸，这是氧化产能步骤。,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,A

15、TP,ADP,果糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛- 3-磷酸,二羟丙酮 磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,2CO2,乙醛,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,糖酵解和酒精发酵的全过程,己糖激酶,磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶, 己糖激酶（hexokinase） 磷酸葡萄糖异构（glucosephosphate isomerase） 磷酸果糖激酶（phosphofructokinase） 醛缩酶（aldo

16、lase） 磷酸丙糖异构酶（triose phosphofructokinase） 磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde phosphate dehydrogenase） 磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase） 磷酸甘油酸变位酶（phosphoglyceromutase） 烯醇化酶（enolase） 丙酮酸激酶（pyruvate kinase） 非酶促反应 乳酸脱氢酶（alcohol dehydrogenase） 丙酮酸脱氢酶（pyruvate decarboxylase） 乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase）,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,

17、ATP,ADP,果糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛- 3-磷酸,二羟丙酮 磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,2CO2,乙醛,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,糖酵解和酒精发酵的全过程,丙酮酸脱羧酶,2ATP,2ADP,厌氧,+,乙醇脱氢酶,总反应式： C6H12O6+2ADP+2H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP,以硫胺素焦磷酸（TPP）为辅酶，并 需要Mg2+,酒精发酵机制,在葡萄糖分解为乙醇的过

18、程中，并无氧的参与，是一个无氧呼吸过程； 过程中脱下的氢由辅酶携带，NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化； 葡萄糖无氧分解时释放的热量，不能直接参与细胞的需能反应； 发酵过程需要辅酶和辅助因子参加。,酒精发酵机制,磷酸果糖激酶是第一个限速酶，它是一种变构酶，受ATP、柠檬酸及其他一些高能化合物的抑制，受AMP、ADP的激活，在好氧条件下，糖代谢进入三羧酸循环。,酒精发酵机制,甘油发酵机制,亚硫酸盐法甘油发酵 碱法甘油发酵,+,NaHSO3,+,NADH+H+,CH2OH,-磷酸甘 油脱氢酶,1 moL 葡萄糖只产生1 moL 甘油，不产生 ATP ，整个过程无 ATP 积累。,亚硫酸盐法甘

19、油发酵,2C6H12O6+H2O,+C2H5OH+CH3COOH+2CO2,碱法甘油发酵,同型乳酸发酵 异型乳酸发酵,乳酸发酵机制,葡萄糖,2ATP,2ADP,3-磷酸甘油醛,2NAD,2NADH+H+,1，3-二磷酸甘油酸,4ATP,4ADP,丙酮酸,乳酸,NAD,NADH+H+,葡萄糖的同型乳酸发酵,同型乳酸发酵的主要细菌 乳酸链球菌（Streptococcus Lactis） 乳酪杆菌（Lactobacillus Casei） 保加利亚乳杆菌（Lacbulgaricus） 德氏乳杆菌（Lac.delbriickii）,乳酸脱氢酶,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,葡萄糖酸-6-磷酸,5-磷酸核酮

20、糖,5-磷酸木酮糖,甘油醛- 3-磷酸,乙酰磷酸,乙酰CoA,乙醛,乙醇,ADP,ATP,NAD,NADH+H+,NAD,NADH+H+,NAD,NADH+H+,ADP,ATP,NAD,NADH+H+,乳酸,NAD,NADH+H+,NAD,NADH+H+,己糖激酶,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,5-磷酸核酮糖- 3-差向异构酶,5-磷酸解酮酶,磷酸转乙酰酶,乙醛脱氢酶,乙醇脱氢酶,丙酮酸,EMP,乳酸脱氢酶,6-磷酸葡萄糖酸途径,丙醇、丁醇发酵,多采用丙酸杆菌属（Propionibacterium）如丙酸杆菌、白喉棒状杆菌、丙酸羧菌等 它是由EMP和Wood-Werkman途径

21、得到的。,丙酮酸,葡萄糖,乳酸,草酰乙酸,苹果酸,富马酸,琥珀酸,丙酸+CO2,乙酸+CO2,甲烷发酵,甲烷发酵的机理是厌氧菌将糖类、脂肪、蛋白质等复杂的有机物最终分解成甲烷和co2。,沼气发酵三个阶段,液化阶段：首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。 产酸阶段：这个阶段是发酵性细菌将小分子化合物将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把其转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。 产甲烷阶段：产甲烷细菌群，利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸、氢和

22、二氧化碳小分子化合物等生成甲烷。,甲烷菌,甲烷菌是严格厌氧菌，不产孢子。采用新的厌氧培养技术，可以分离到20种以上的甲烷菌。1979年Balch将甲烷菌分成三类： 第一类包括甲烷杆菌属和甲烷短杆菌属在内的甲烷杆菌目； 第二类包括甲烷球菌属在内的甲烷球菌目； 第三类为甲烷微生物菌目，分为两科，第一科包括甲烷微菌属、产甲烷菌属、甲烷螺菌属；第二科包括巴氏甲烷八叠球菌等细菌。 各种甲烷菌之间在RNA排列顺序上都很相似，它们都具有嗜盐性，而且比较典型的耐温和耐酸。,古细菌,甲烷菌与真菌的主要区别,甲烷菌能够抵抗破坏真菌细胞壁的抗生素的作用。,复杂有机物,发酵细菌,专性质子还原菌,可溶性简单有机物,纯醋

23、酸菌,醋 酸,CH4 + H2O,H2+HCO3-,CH4 + HCO3-,甲烷菌,甲烷的发酵过程,H+HCO3-,H2O+CO2,H2CO3,产酸菌,挥发性脂肪酸 （丙酸、异丁酸、异戊酸）,1.3 好氧发酵机制,第七章 微生物发酵机制 与发酵动力学,1 微生物发酵机理 1.3 好氧发酵产物合成机制 一、有机酸发酵机制 二、氨基酸发酵机制 三、核苷酸发酵机制 四、抗生素发酵机制,一 有机酸发酵机制,柠檬酸的发酵机制,1 丙酮酸脱氢酶 2 柠檬酸合酶 3 顺乌头酸酶 4 ，5 异柠檬酸脱氢酶 6 -酮戊二酸脱氢酶 7 琥珀酸CoA合成酶 8 琥珀酸脱氢酶 9 延胡索酸酶 10 苹果酸脱氢酶 11

24、 异柠檬酸裂解酶 12 苹果酸合成酶 13 丙酮酸羧化酶 14 苹果酸酶 15 谷氨酸脱氢酶 16乌头酸脱羧酶,一、有机酸发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 1 TCA循环,TCA循环与乙醛酸循环,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索 酸,葡萄糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,ATP,降低,抑制,抑制,激活,激活,关键酶,-酮戊二酸脱氢酶,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头

25、酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,葡萄糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,反馈抑制,CO2,参与嘌呤和嘧啶的合成,脂肪酸,天冬氨酸,参与蛋白 质合成,参与蛋白 质合成,2 柠檬酸的生物合成途径,一、有机酸发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制,1 柠檬酸合酶 2 顺乌头酸酶 3 丙酮酸羧化酶 4 磷酸烯醇式丙酮羧化酶,葡萄糖,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰CoA,CO2,柠檬酸的生物合成途径,实现柠檬酸积累： 一、设法阻断代谢途径，实现柠檬酸

26、的积累 二、代谢途径被阻断部位之后的产物，必须有适当的补充机制,CO2,ATP,ADP,CO2,ADP,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,丙酮酸羧化酶,顺乌头酸酶,阻断,柠檬酸积累的代谢调节,糖酵解及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高 NH4+浓度，高浓度NH4+可有效解除ATP、 柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。 三羧酸循环的调节 及时补加草酰乙酸,（一）柠檬酸发酵机制,柠檬酸积累机理概括如下： 1）由锰缺乏抑制了蛋白质的合成，而导致细胞内的NH4浓度升高和一条呼吸活性强的侧系呼吸链不产生ATP，这两方面的因素分别解除了对磷酸果糖激酶的代谢调节，促进了EMP途径畅通。 2）由组

27、成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。 3）在控制Fe 2+含量的情况下，顺乌头酸酶活性低，从而使柠檬酸积累，顺乌头酸酶在催化时建立如下平衡，柠檬酸：顺乌头酸酶：异柠檬酸=90：3：7。 4）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个反应平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸能力。 5）柠檬酸积累增多，pH低，在低pH时，顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步促进了柠檬酸自身的积累。,一、有机酸发酵机制 （二）醋酸发酵机制 食醋酿造分为固态和液态发酵两大类。传统食醋多为固态发酵。近年来，采用液体深层发酵新工艺，提高了原料利用率。 醋酸的发酵经历三个阶段： 1）原料的液化与糖化

28、； 2）酒精发酵； 3）醋酸发酵。,（1）醋杆菌发酵酒精成醋酸 CH3CH3OH CH3CHO CH3COOH （2）热醋杆菌梭菌生产醋酸 C6H12O6 3CH3CHO 2 C5H10O5 5 CH3COOH,（二）醋酸发酵机制,一、有机酸发酵机制 （三）衣康酸发酵机制,衣康酸及其酯类是制造合成树脂、合成纤维、塑料、柠檬酸、离子交换树脂、表面活性剂和高分子鳌合剂等的良好添加剂和单体原料。 作为交联剂和乳化剂，添加 1% 5% 时，生产的苯乙烯-丁二烯共聚物是质轻、易塑、绝缘、防水、抗蚀性均好的塑料和涂料。 衣康酸和丙烯酸的共聚物是一种高分子鳌合剂，用作水处理中的除垢剂，对防止碱性钙、镁垢的形

29、成非常有效。,衣康酸特性及用途,1） Bentley学说 Bentley（1957）认为，葡萄糖经EMP途径和TCA循环合成柠檬酸之后，再脱水脱羧成衣康酸。衣康酸对糖的转化率为72%。,1.5葡萄糖,丙酮酸,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,衣康酸生物合成学说,2）Shimi学说 Shimi等认为，葡萄糖经EMP途径后由乙醇转化为乙酸和琥珀酸，缩合后脱氢脱羧生成衣康酸。衣康酸对糖的理论转化率为48%。,1.5葡萄糖,EMP,3乙醇,乙酸,琥珀酸,衣康酸,衣康酸生物合成学说,葡萄糖酸发酵机制,真菌葡萄糖酸发酵 细菌葡萄糖酸发酵,黑曲霉（ASP.niger）和青霉（Penicillium）均可以发酵葡萄糖

30、为葡萄糖酸,葡萄糖（环式）,葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸-内酯+H2O2,自发水解,葡萄糖酸,主要细菌有葡萄糖酸杆菌，另外还有数种假单胞菌（Pseudoncones)、芽生菌（Pulluaria)、微球菌（Micrococcus）,葡萄糖（醛式）,葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸,葡萄糖（环式）,自发,葡萄糖（醛式）,葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸,糖酵解与三羧酸循环途径的调节,丙酮酸,G,细胞液,柠檬酸,乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,线粒体,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,PEP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,NADH,O2,ATP ADP+Pi

31、,AMP + ATP 2ADP,Pi,Pi,PEP 羧激酶,己糖激酶,丙酮酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸 脱氢酶,糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系,糖代谢与脂类代谢的相互联系,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,糖代谢,脂肪酸,乙酰CoA,琥珀酸,糖,(植物),乙醛酸循环,-氧化,糖异生,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,脂肪酸,乙酰CoA,氨基酸碳架,氨基酸,蛋白质,蛋白质,氨基酸,酮酸或乙酰CoA,脂肪酸,脂肪,（生酮氨基酸）,脂肪代谢和糖代谢的关系,延胡索酸,琥珀酸,苹果酸,草酰乙酸,3-磷酸甘油,甘油,乙酰 CoA,三酰甘油,脂肪酸,植物或微生物,糖及营养物,配

32、料,灭 菌,种子罐,发酵罐,消泡剂,过滤器,空气,过滤器,贮槽,蒸发罐,结晶罐,母 液,水和活性炭,脱色罐,结晶罐,干燥,99%以上或 97%的粗衣康酸,蒸发,结晶,离心,二次结晶,粗结晶,过滤器,一些常用发酵法生产的有机酸的来源和用途,二 氨基酸发酵机制,氨基酸发酵的代谢控制,1）控制发酵的环境条件 氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。,谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换,乳酸和琥珀酸,酮戊二酸,（通气不足）,（适中）,（通风过量，转速过快）,NH4+,酮戊二酸,谷氨酸,谷氨酰胺,（适量）,（缺乏）,（过量）,pH值,谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺,谷氨酸,（pH值58，NH4+过

33、多）,（中性或微碱性）,磷酸,缬 氨 酸,谷氨酸,（高浓度磷酸盐）,（磷酸盐适中）,生物素,乳酸或琥珀酸,谷氨酸,（过量）,（限量）,氨基酸发酵的代谢控制,2）控制细胞渗透性 通过改变细胞渗透性，实现谷氨酸的积累。,影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质,生物素,油酸,表面活性剂,其作用是引起细胞膜的脂肪 成分的改变，尤其是改变油 酸的含量，从而改变细胞膜 通透性,一,二 青霉素：抑制细胞壁的合成,3）控制旁路代谢,D-苏氨酸,L-苏氨酸,-酮基丁酸,L-异亮氨酸,L-苏氨酸 脱氢酶,反馈抑制,D-苏氨酸 脱氢酶,黏质赛杆菌由D-苏氨酸生成L-异亮氨 酸的代谢机制,氨基酸发酵的代谢控制,控制反馈作

34、用物浓度是克服反馈抑制和阻遏，使氨基酸的生物合成反应能顺利进行的一种手段。,4）降低反馈作用物的浓度,谷氨酸棒状杆菌的鸟氨 酸发酵代谢控制机制,5）消除终产物的反馈抑制与阻遏,通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法来进行。,谷氨 酸棒状杆菌的L-赖氨酸发酵代谢控制机制,6）促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成,黄色短杆菌的脯氨酸发酵代谢机制,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,NADPH2,乙酰辅酶A,6-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,苹果酸,丙酮酸,CO2,异柠檬酸,CO2,草酰乙酸,顺乌头酸,CO2,乳酸,NAD+ NADH2,柠檬酸,NADP+,

35、CO2,NADH2,NAD+,草酰琥珀酸,酮戊二酸,琥珀酸,延胡索酸,谷氨酸,NADPH2,NADP+,NADP+,NADPH2,乙醛酸,乙酰辅酶A,CO2,CO2,葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径,EMP 途径,HMP 途径,TCA循环,乙醛酸循环,谷氨酸发酵机制,天冬氨酸,磷酸烯醇式 丙酮酸羧化酶,鸟氨酸、瓜氨酸、 精氨酸发酵机制,谷氨酸,N-乙酰谷氨酸,N-乙酰-谷氨酰磷酸,N-乙酰谷氨酸-半醛,N-乙酰鸟氨酸,鸟氨酸,瓜氨酸,精胺琥珀酸,精氨酸,负反馈控制,N-乙酰谷氨酸激酶,Arg-,Cit -,O,=,C,HN,NH,HC,CH,H2C,C,S,H,（CH2）4,C,NH,BCCP赖

36、氨酸残基,生物素羧基载体蛋白 （biotin carboxyl carrier protein BCCP）,生物素,O,=,H,OH,+,H2O,ATP,ADP,CO2,生物素羧化酶,-,酶,BCCP-羧基生物素,BCCP-羧基生物素在转羧酶作用下，形成丙二酰CoA 丙二酰CoA与乙酰CoA缩合并脱羧，生成丁酰CoA，如此反复进行合成高级脂肪酸，再合成磷脂 生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸的生成，从而影响了磷脂的生成，导致磷脂含量不足，使细胞膜结构不完全，从而提高细胞膜的通透性,表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的生物合成，导致形成磷脂含量不足的不完全细胞膜，

37、从而解除了细胞膜对谷氨酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外。,CH2OH,O,CH2OH,O,O,O,CH3-CH-C=O,NH,C,CH3,H,C=O,NH,C,H,-OOC,（CH2）2,C=O,C=O,NH,C,(CH2)4,H,OH,NH,C,=,O,CH3,NH,C,=,O,CH3,L-Ala,D-Glu,NH3+,NH,C,CH3,H,C=O,L-Lys,D-Ala,（Gly）5,NAM,NAG,肽聚糖结构,N,H,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,D-ala,L-ala,D-glu,D-ala,gly5,gly5,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D

38、-glu,DAPA,D-ala,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,gly5,gly5,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,gly5,gly5,细胞壁的粘多肽结构,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,谷氨酸,N-乙酰谷氨酸,N-乙酰-谷氨酰磷酸,N-乙酰谷氨酸半缩醛,N

39、-乙酰鸟氨酸,鸟氨酸,瓜氨酸,精氨酸,反馈抑制,天冬氨酸,天冬氨酰胺磷酸,天冬氨酸半缩醛,高丝氨酸,苏氨酸,赖氨酸,天冬氨酸激酶,协同反 馈抑制,三 核苷酸发酵机制,嘌呤核苷酸的生物合成途径,全合成途径,补救途径,嘌呤核苷酸的代谢调节,葡萄糖,5-磷酸核糖,ATP,ADP,Mg2+，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,ATP,ADP+Pi,甘氨酰胺核苷酸 （GAR）,N10-甲酰THFA,H2O,THFA,甲酰甘氨酰胺核苷酸 （FGAR）,磷酸核糖甘氨酰 胺转甲酰酶

40、,Gln H2O,GLU,ADP,ATP,+Pi,甲酰甘氨 咪核苷酸 （FGAM）,Mg2+,K+,ATP,ADP+Pi,5-氨基咪唑核苷酸 （AIR）,CO2,AIR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),ASP,ATP,ADP+Pi,Mg2+,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THFA,H2O,IMP环化 脱水酶,次黄嘌呤 核苷酸 (IMP),THFA,PRPP 转酰胺酶,GMP、

41、IMP AMP、GDP、ADP,IMP,腺苷琥珀酸 （SAMP）,SAMP 裂解酶,延胡索酸,AMP,SAMP 合成酶,GDP+Pi,GTP+ 天冬氨酸,黄嘌呤 核苷-磷酸 （XMP）,NAD+,NADH,鸟嘌呤核苷酸 （GMP）,GMP 还原酶,XMP 氨化酶,谷氨酰胺,谷氨酸,+AMP+PPi,+ATP+H2O,AMP 脱氨酶,IMP 脱氢酶,ADP,ATP,GDP,GTP,PRPP,谷氨酰胺,PRA,AICAR,谷氨酸,PRATP,咪唑甘油磷酸,组氨酸,嘌呤核苷酸的代谢调节,抗生素发酵机制,代谢产物及特征 初级代谢产物：是指微生物产生的、生长和繁殖所必需的物质。 次级代谢产物：是指由微生

42、物产生的，与微生物生长和繁殖无关的一类物质,次级代谢产物的特征： 次级代谢产物是由微生物产生的，不参与微生物的生长和繁殖。 次级代谢产物的生物合成是与初级代谢产物合成无关的遗传物质有关 次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养增殖期（trophophase）和生产期（idiophase） 一般都产生结构上相类似的多种副组分 生产能力受微量金属离子和磷酸盐等无机离子的影响。,次级代谢酶的底物特异性在某种程度上是比较广泛的。 培养温度过高或菌移植次数过多，会使抗生素的生产能力下降 次级代谢中与一个酶相对应的底物和产物也可以成为其他酶的底物 在多数情况下，增加前体是有效的。,生物合成抗生素与初级代谢的关

43、系 从菌体生化代谢方面分析 次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的 从遗传代谢方面分析 次级代谢产物除与初级代谢产物一样受核内DNA的调剂控制外，还受到与初级代产物合成无关的遗传物质的控制。,葡萄糖,丙糖,丙酮酸,乙酸,草酰乙酸,柠檬酸,-酮戊二酸,谷氨酸,次级代谢产物,天冬氨酸,次级代 谢产物,CO2,CO2,甲羟戊酸,焦磷酸异戊酯,萜 甾体,甾体,丙二酸,丙氨酸,聚酮体,脂肪酸,次级代谢产物,缬氨酸,丝氨酸,甘氨酸,次级代谢产物,氨基糖苷类 抗生素糖苷部分,戊糖,莽草酸,丁糖,芳基次级 代谢产物,芳基 氨基酸,次级代 谢产物,核苷类 抗生素,CO2,CO2,生物甲基化 次级代谢产物,

44、C1,CO2,CO2,核苷,次级代谢 与初级代谢的关系,抗生素生产菌的主要代谢调节机制,受DNA控制的酶合成调节机制,酶的诱导,酶的阻遏,终点产物的阻遏,分解产物的阻遏,酶活性的调节机制,终产物的抑制或活化,利用辅酶的酶活调节,酶原的活化和潜酶的活化,细胞通透性的调节,1）诱导调节 2）反馈调节 3）碳、氮及其代谢产物的调节 碳分解代谢产物调节:是指能迅速被利用的碳源或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶的调节,反馈阻遏：作用于基因水平,反馈抑制：作用于分子水平,抗生素生产菌的主要代谢调节机制,氮代谢的调节：是指迅速被利用的氮源抑制作用于含底物酶的合成 4）磷酸盐的调节 5）细胞膜透性的调节 6）营养期和分化期的关系,直接作用：磷酸盐自身影响抗生素合成,间接作用：磷酸盐调节细胞内其他效应剂，进而影 响抗生素的合成,抗生素生产菌的主要代谢调节机制,第7章 思考题,1.糖酵解（EMP）途径有何意义和特点？ 2.为什么说谷氨酸及其他氨基酸发酵是代谢控制发 酵，生产中该怎样控制？ 3.抗生素产生菌的主要代谢途径有哪几种方式？说 明抗生素的生物合成机制。,