微生物发酵机理PPT课件.ppt

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1、1,第六章,微生物发酵机理,2,3,第一节 厌氧发酵产物的合成机制,4,有氧分解（柠檬酸、氨基酸、抗生素等）,厌氧分解（酒精、乳酸、丙酮、丁醇等）,5,厌氧代谢,6,一、酒精发酵机制,酵母菌的酒精发酵 细菌的酒精发酵,7,（一）酵母菌的酒精发酵,8,酒精发酵中的副产物,杂醇油 琥珀酸 酯类 糠醛、甲醇,9,（二）细菌的酒精发酵,假单孢杆菌 ED途径,10,（三）甘油发酵,1.亚硫酸盐法甘油发酵 （酵母菌的II型发酵）,11,2.碱法甘油发酵 （酵母菌的III型发酵）,12,分为：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵,二、乳酸发酵机制,13,1.同型乳酸发酵,14,2.异型乳酸发酵：（1）6-磷酸葡萄糖酸

2、途径,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,15,（2）双歧途径,两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产乳酸的途径,16,17,在丙酮丁醇菌中，丙酮酸经过一系列的脱羧和缩合等过程而转变为丙酮、丁醇，称为丙酮丁醇发酵。,三、丙酮丁醇发酵机制,18,当培养基中乙醇和乙酸的比率不同时，丁酸和已酸形成的比率也不同。 乙酸多时，主要产物为丁酸； 当培养基中乙醇比乙酸占优势时，主要产物为已酸。,四、由乙醇、乙酸生成已酸机制,19,在大曲酒发酵中，还有一

3、部分是通过芽孢杆菌利用乙酸乙酯为承受体，加入乙醇成为丁酸乙酯，然后再与乙醇反应生成已酸乙酯。,20,第一阶段是复杂有机物，如纤维素、蛋白质、脂肪等，在微生物作用下降解至其基本结构单位-分解成各种脂肪酸、二氧化碳和氢气； 第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成乙酸、二氧化碳和氢气； 第三阶段是在甲烷产生菌的作用下由醋酸和二氧化碳及氢气反应生成甲烷。,五、甲烷发酵机制,21,第二节 好氧发酵产物合成机制,22,一、柠檬酸发酵机制,柠檬酸的工业发酵,1.柠檬酸生物合成途径,23,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,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸,顺乌头

4、酸,异柠檬酸,-酮戊二酸,琥珀酸,富马酸,CO2,Fe,2+,CO2,CO2,存在两个CO2固定系统（需Mg2、K）,*,*,24,（一）、糖酵解及丙酮酸代谢的调节 1、正常情况下，柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶有抑制作用，而AMP、无机磷、铵离子对该酶则有激活作用，特别是还能解除柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶的抑制作用。,2.柠檬酸生物合成的代谢调节,25,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,柠檬酸,CO2,CO2,CO2,NH4,+,Pi,K,+,AMP,ATP,26,2. 锰缺乏时，细胞内NH4 浓度高。因此，锰离子效应是通

5、过NH4升高而减少柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制来实现的。,27,（二）TCA循环的调节,1、TCA环的起始酶：柠檬酸合成酶是一种调节酶。但在黑曲霉中，柠檬酸合成酶没有调节作用，这是黑曲霉TCA环的第一个特点。 2、顺乌头酸酶失活，阻断TCA环是柠檬酸积累的必要条件，顺乌头酸水合酶需要Fe2，加入亚铁氰化物，使铁硫中心的Fe2+生成络合物，使酶失活，就可以积累柠檬酸。 。,28,（三）及时补加草酰乙酸,外加草酰乙酸,选育回补途径旺盛的菌种,29,柠檬酸的积累机制归纳：,Mn,抑制蛋白合成,NH4,解除磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径的畅通,有一条呼吸活力强的不产生ATP的侧系呼吸链, 由于丙

6、酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。,2+,缺乏,30,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。 由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡： 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7 同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。,31,随着柠檬酸积累，pH降低到一定程度时，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，更有利于柠檬酸的积累及排出细胞外。,32,二、醋酸发酵机制,淀粉 糖 酒精 醋酸 1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。 E1 ：乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。 E

7、2 ：乙醛脱氢酶 ，需要NADP作辅酶。 醋杆菌为G-，好氧菌， 1mol乙醇转化为1mol醋酸。,33,2 热醋酸梭菌生产醋酸 热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，该菌没有氢化酶活性，不能利用氢气。可以将CO2还原为醋酸。 CO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类咕啉蛋白形成醋酸的。 C6H12O6 +2H2O 2CH3COOH+2CO2+8H+8e 2CO2+8H+8e CH3COOH+ 2H2O 净反应C6H12O6 3CH3COOH 优点：转化率高，严格厌氧，还可以利用戊糖。 但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。,34,衣康酸发酵机制 衣康酸曲霉（Asp.Itaconi

8、cus） 土曲霉（Asp.terreus） 1.Bentley学说：葡萄糖经糖酵解途径和三羧酸循环合成柠檬酸之后，再脱水脱羧生成衣康酸； 2.Shimi学说：乙酸和琥珀酸先缩合成三羧酸，再脱氢脱羧，生成衣康酸；,衣康酸晶体,35,葡萄糖酸发酵机制 真菌发酵：主要是由葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下生成葡萄糖-内酯，然后再进一步自发生成 葡萄糖酸。 细菌发酵：主要是从环化葡萄糖自发的转为醛式的葡萄糖，然后在葡萄糖氧化酶的作用下生成葡萄糖酸。,36,三、氨基酸发酵机制,氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。 典型的代谢控制发酵,37,(一 )氨基酸发酵的代谢控制 1.控制

9、发酵的环境条件,谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换,38,2.控制细胞渗透性 代谢产物的细胞渗透性是氨甚酸发酵必须考虑的重要因素。 对于谷氨酸发酵来说，生物素是谷氨酸发酵的关键物质。当细胞内的生物素水平高时，谷氨酸不能透过细胞膜，因而得不到谷氨酸。,39,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,40,3.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,41,4.降低反馈作用物的浓度

10、： 利用营养缺陷型突变株,42,5.消除终产物的反馈抑制与阻遏：抗氨基酸结构类似物突变株 6.促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成,43,(二 )谷氨酸 发酵机制,44,谷氨酸产生菌的生化特征,1 生物素缺陷型 2 具有CO2 固定反应的酶系 3.-酮戊二酸脱氢酶酶活性微弱或丧失 4.菌体有强烈的L-谷氨酸脱氢酶活性 5.谷氨酸产生菌体内的NADPH氧化能力欠缺或丧失,45,(三)鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵机制,46,(四) 天冬氨酸族氨基酸生物合成途径,47,1.苏氨酸发酵机制,1.苏氨酸结构类似物抗性突变株(AHV)；2.多重营养缺陷型突变株（Met-、Lys-、Ile-),高丝氨酸脱

11、氢酶,天冬氨酸激酶,48,2.赖氨酸发酵机制,1.高丝氨酸缺陷型突变株(Hom-)；2.抗性结构类似物突变株,49,3.蛋氨酸发酵机制,天冬氨酸激酶,高丝氨酸-O-转乙酰酶,高丝氨酸脱氢酶,1.抗蛋氨酸结构类似物突变株 ； 2.抗苏氨酸结构类似物突变株和抗赖氨酸结构类似物突变株,50,4.异亮氨酸发酵机制,添加前体发酵法 直接发酵法 添加前体物，解除抑制：D-苏氨酸、-氨基丁酸,51,5.缬氨酸发酵机制,1.切断支路代谢，选育异亮氨酸、亮氨酸、生物素缺陷型突变株；2.解除异亮氨酸、缬氨酸合成酶系的反馈阻遏；3.解除缬氨酸对-乙酰乳酸合成酶的反馈抑制,52,四、核苷酸发酵机制,（一）嘌呤核苷酸的

12、生物合成途径 全合成途径 补救合成途径,53,1.全合成途径,54,2.补救合成途径,55,（二）嘌呤核苷酸的代谢调节机制,PRPP转酰胺酶,56,57,（三）肌苷发酵机制,1.选育腺嘌呤缺陷型Ade-和黄嘌呤缺陷型Xan-的双重缺陷型突变株（Ade-+Xan-）; 2. 选育抗腺嘌呤、鸟嘌呤结构类似物突变株；,58,（四）肌苷酸发酵机制,1. 选择肌苷酸酶弱或丧失的菌株为出发菌株； 2. 选育Ade-、Ade-+Xan-或Ade-+G-等，发酵时限量添加腺嘌呤、鸟嘌呤，以解除腺苷酸和鸟苷酸对PRPP转酰胺酶的反馈抑制； 3.遗传性解除AMP类和GMP类对PRPP转酰胺酶的反馈调节，选育抗腺嘌

13、呤结构类似物和抗鸟嘌呤结构类似物突变株； 4.解除细胞膜渗透性障碍。,59,5-GMP发酵时应具备以下条件： 1.选择5-核苷酸酶活性弱或丧失的菌株为出发菌株； 2.切断支路代谢，选育Ade-突变株； 3.解除GMP自身对PRPP转酰胺酶的反馈抑制，以及GMP类和AMP类核苷酸对PRPP转酰胺酶的合作终产物的反馈抑制。 4.解除细胞膜对核苷酸渗透性障碍。,60,（一）次级代谢与初级代谢的关系 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：是指由微生物产生的，与微生物生长和繁殖无关的一类物质,五、抗生素发酵机制,61,次级代谢与初级代谢的关系 1.从菌体生化代谢方面分析

14、 次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的 2.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。,62,（二）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,酶原的活化和潜在酶的活化,细胞通透性的调节,微生物的代谢调节机制,63,组成酶：,不依赖于酶底物或类似物的存在而合成 如葡萄糖转化为丙酮酸过程中的各种酶,诱导酶：,依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成 如大肠杆菌乳糖利用酶,1.诱导

15、调节,64,反馈阻遏：,作用于基因水平，控制酶的合成量，是终产物抑制生物合成途径中的一种或多种酶形成的调节过程。,反馈抑制：,作用于分子水平，控制酶的活性，是合成途径的终点产物抑制该过程中第一步酶的活性作用。,2.反馈调节,65,3.碳、氮及其分解代谢产物的调节 碳分解代谢产物调节：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。 氮分解代谢产物的调节：能迅速被利用的氮源抑制作用于含底物酶的合成。,66,4.磷酸盐的调节,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,67,5.细胞膜透性的调节 改变某些次级代谢产物产生菌的膜通透性来提高其产量 6.营养期和分化期的调节 次级代谢产物是在生长阶段之后的生产阶段合成的,68,次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式：,（三）常见抗生素的生物合成机制,69,1.青霉素、头孢菌素的生物合成机制,70,2.大环内酯类抗生素的生物合成,大环内酯类抗生素是以一个大环内酯为母核，通过糖苷键与糖分子连接的一类有机化合物。 如红霉素、螺旋霉素、麦迪霉素等。,71,红霉内酯的生物合成,72,3.链霉素的生物合成,氨基糖苷类抗生素,链霉素的3个亚单位的碳架直接来源于D-葡萄糖，胍基碳原子部分来自于D-葡萄糖的降解产物,