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1、第四章发酵机制第1页，本讲稿共55页本章的教学内容v第一节 糖嫌气性发酵产物发酵机制v第二节 柠檬酸发酵机制v第三节 氨基酸发酵机制v第四节 抗生素发酵机制第2页，本讲稿共55页第一节 糖嫌气性发酵产物发酵机制糖糖酵酵解解（glycolysis)glycolysis)是是指指葡葡萄萄糖糖经经EMPEMP途途径径生生成成丙丙酮酮酸酸后后，在在无无氧氧条条件件下下继继续续降降解解并并释放放出出能能量量的的过程程。NADHNADH2 2在在此此过过程程中中将将氢氢交交给给不不同同的的有有机机物物，形形成成各种不同的代谢产物。各种不同的代谢产物。第3页，本讲稿共55页糖酵解途径的特点v糖酵解途径广泛存
2、在于各种细胞内，它的任何一个反应均不需要氧；v糖酵解可以分为两个阶段：准备阶段（由葡萄糖生成3-磷酸甘油醛）；第二阶段（由3碳糖生成丙酮酸）。v催化糖酵解反应的酶主要有激酶、变位酶、异构酶和脱氢酶；v其它糖类作为碳源须先转化成葡萄糖或其中间代谢产物才能利用；v不同机体和不同代谢条件下，丙酮酸代谢去路不同。第4页，本讲稿共55页第5页，本讲稿共55页1 1、酒精发酵机制、酒精发酵机制第6页，本讲稿共55页由葡萄糖生成乙醇的总反应式由葡萄糖生成乙醇的总反应式:理论转化率理论转化率:第7页，本讲稿共55页巴斯德效应巴斯德效应A A、定义、定义:在好气条件下在好气条件下,酵母发酵能力降低酵母发酵能力降
3、低(或乙醇的或乙醇的 积累减少积累减少,或细胞内糖代谢降低或细胞内糖代谢降低)的现象。的现象。B B、机制、机制:EMP:EMP途径中磷酸果糖激酶在有氧时受途径中磷酸果糖激酶在有氧时受TCATCA循环循环 中间代谢产物的反馈调节。中间代谢产物的反馈调节。(1).(1).磷酸果糖激酶为变构酶磷酸果糖激酶为变构酶,抑制剂：抑制剂：ATPATP、柠檬酸和、柠檬酸和 其它高能化合物其它高能化合物;激活剂激活剂:AMP:AMP和和ADPADP。(2).(2).好气条件下好气条件下,进入进入TCATCA循环循环,产生的高柠檬酸量反产生的高柠檬酸量反 馈阻碍酶的合成馈阻碍酶的合成,大量的大量的ATPATP反
4、馈抑制酶的活性。反馈抑制酶的活性。(3).6-(3).6-磷酸果糖积累对磷酸果糖积累对EMPEMP途径进行抑制途径进行抑制,导致葡萄糖导致葡萄糖 利用降低。利用降低。第8页，本讲稿共55页酒精发酵中副产物的生成酒精发酵中副产物的生成(1).(1).杂醇油杂醇油 A.A.定义定义:碳原子数大于碳原子数大于2 2的脂肪族醇类的统称。的脂肪族醇类的统称。B.B.组成：正丙醇、异丁醇、异戊醇和活性戊醇等。组成：正丙醇、异丁醇、异戊醇和活性戊醇等。C.C.形成途径形成途径:氨基酸氧化脱氨作用氨基酸氧化脱氨作用;葡萄糖直接生成。葡萄糖直接生成。(2).(2).甲醇甲醇 果胶（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水
5、解生成。果胶（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水解生成。(3).(3).酯类酯类 发酵过程产生的醇类和酸类经酯化生成。发酵过程产生的醇类和酸类经酯化生成。第9页，本讲稿共55页第10页，本讲稿共55页2 2、乳酸发酵机制、乳酸发酵机制 同型乳酸发酵同型乳酸发酵第11页，本讲稿共55页总反应式为总反应式为:理论转化率理论转化率:第12页，本讲稿共55页异型乳酸发酵异型乳酸发酵A.6-A.6-磷酸葡萄糖酸途径磷酸葡萄糖酸途径第13页，本讲稿共55页总反应式为总反应式为:C C6 6H H1212O O6 6CHCH3 3CHOHCOOH+CHCHOHCOOH+CH3 3CHCH2 2OHOH理论转化率
6、理论转化率:(90/180)100%=50%(90/180)100%=50%第14页，本讲稿共55页B.B.双歧途径双歧途径第15页，本讲稿共55页总反应式为总反应式为:2C 2C6 6H H1212O O6 62CH2CH3 3CHOHCOOH+3CHCHOHCOOH+3CH3 3COOHCOOH理论转化率理论转化率:(290)/(2180)100%=50%(290)/(2180)100%=50%第16页，本讲稿共55页第17页，本讲稿共55页3 3、甘油发酵机制、甘油发酵机制A.A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）第18页，本讲稿共55页B.B.碱法
7、甘油发酵碱法甘油发酵(酵母第三型发酵酵母第三型发酵)第19页，本讲稿共55页第二节 柠檬酸发酵机制柠檬酸发酵属于好氧发酵，其发酵机制是在了解了三羧酸循环的基础上才逐渐弄清楚的。第20页，本讲稿共55页1.1.柠檬酸生物合成途径柠檬酸生物合成途径第21页，本讲稿共55页葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:2C 2C6 6H H1212O O6 6+3O+3O2 2 2C 2C6 6H H8 8O O7 7+4H+4H2 2O O 理论转化率为理论转化率为106.7%106.7%2.2.柠檬酸生物合成的代谢调节柠檬酸生物合成的代谢调节(1).(1).糖酵解及丙酮酸代谢的调节糖
8、酵解及丙酮酸代谢的调节 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶(PFK)(PFK)是调节酶是调节酶,柠檬酸和柠檬酸和ATPATP对该酶抑制对该酶抑制,AMP AMP、PiPi和和NHNH4 4+对酶激活对酶激活;NH NH4 4+在细胞内浓度升高在细胞内浓度升高,解除胞内积累的大量柠檬酸对酶的抑解除胞内积累的大量柠檬酸对酶的抑制制;第22页，本讲稿共55页第23页，本讲稿共55页 柠檬酸合成有关酶的调节性质柠檬酸合成有关酶的调节性质 酶酶 激活剂激活剂 抑制剂抑制剂磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶NHNH4 4+、AMPAMP、PiPi柠檬酸、柠檬酸、PEPPEP、ATP(ATP(浓度较浓度较高时高时)丙酮酸激酶丙
9、酮酸激酶NHNH4 4+、K K+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶K K+天冬氨酸、PiPi柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶NHNH4 4+、K K+CoACoA、ATP-MgATP-Mg异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶柠檬酸、柠檬酸、NADPHNADPH、-酮戊二酮戊二酸酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶草酰乙酸第24页，本讲稿共55页第25页，本讲稿共55页第26页，本讲稿共55页结论结论:Mn Mn2+2+缺乏使蛋白质和核酸合成受阻缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞内导致细胞内NHNH4 4+水平升高而减少柠檬酸对水平升高而减少柠檬酸对PFKPFK的抑制，促进了的抑制，促进了EMPEMP途径的畅通。途径的畅通。第
10、27页，本讲稿共55页(2).CO(2).CO2 2固定化反应固定化反应 丙酮酸丙酮酸+CO+CO2 2+ATP +ATP 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi +ADP+Pi 磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸+CO+CO2 2+ADP+Pi +ADP+Pi 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 草酰乙酸草酰乙酸+ATP ATP 结论结论1:1:在组成型的丙酮酸羧化酶作用下在组成型的丙酮酸羧化酶作用下,丙酮酸固定化丙酮酸固定化COCO2 2生成草酰乙酸生成草酰乙酸,保证柠檬酸的积累。保证柠檬酸的积累。结论结论2:2:丙酮酸氧化脱羧生成乙酰丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,C
11、oA,和和COCO2 2 固定两个反应平衡固定两个反应平衡,保持了柠檬酸合成能力保持了柠檬酸合成能力。第28页，本讲稿共55页 (3).(3).三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节 结论结论:在三羧酸循环的发酵过程中在三羧酸循环的发酵过程中,阻断顺乌头酸酶水合酶和异柠檬阻断顺乌头酸酶水合酶和异柠檬酸脱氢酶的催化反应酸脱氢酶的催化反应,建立一种平衡关系，大量积累柠檬酸建立一种平衡关系，大量积累柠檬酸:柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸 =90=90：3 3：7 7 A.A.络合剂络合剂(亚铁氰化钾亚铁氰化钾)除去除去FeFe2+2+,顺乌头酸水合酶的活性顺乌头酸水合酶的活性被抑制。
12、被抑制。B.B.柠檬酸的积累使柠檬酸的积累使pHpH值下降值下降,在低在低pHpH值下值下,顺乌头酸水合酶顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活和异柠檬酸脱氢酶失活,更有利于柠檬酸的积累并排出体外。更有利于柠檬酸的积累并排出体外。第29页，本讲稿共55页第三节、第三节、氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制 (一一)、氨基酸发酵的机制和代谢控制、氨基酸发酵的机制和代谢控制 1 1、氨基酸发酵机制主要包括：谷氨酸族、氨基酸发酵机制主要包括：谷氨酸族(谷、瓜、鸟、精氨酸谷、瓜、鸟、精氨酸等等)、天冬氨酸族、天冬氨酸族(赖、苏、蛋等赖、苏、蛋等)、芳香族、芳香族(苯丙、酪、色氨酸等苯丙、酪、色氨酸等)、分枝链分枝
13、链(亮、异亮、缬氨酸等亮、异亮、缬氨酸等)。2 2、氨基酸发酵代谢控制的一般措施：、氨基酸发酵代谢控制的一般措施：A A、控制发酵的环境条件；、控制发酵的环境条件；B B、控制细胞渗透性；、控制细胞渗透性；C C、控制旁路代谢；、控制旁路代谢；D D、消除终产物的反馈调节作用、消除终产物的反馈调节作用 E E、降低反馈作用物的浓度；、降低反馈作用物的浓度；F F、促进、促进ATPATP的积累的积累(二二)、谷氨酸发酵机制、谷氨酸发酵机制 1.1.谷氨酸生物合成途径：谷氨酸生物合成途径：EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径、途径、TCATCA循环、循环、DCADCA循环、循环、COCO2 2
14、固定作用固定作用第30页，本讲稿共55页第31页，本讲稿共55页第32页，本讲稿共55页2.2.谷氨酸生物合成途径的控制谷氨酸生物合成途径的控制(1).(1).三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节 通过驯育谷氨酸高产菌控制三羧酸循环下列酶的活性通过驯育谷氨酸高产菌控制三羧酸循环下列酶的活性:A.-A.-酮戊二酸脱氢酶应丧失或仅有微弱的活力。酮戊二酸脱氢酶应丧失或仅有微弱的活力。B.COB.CO2 2固定反应的酶系强固定反应的酶系强,使四碳二羧酸全部是由使四碳二羧酸全部是由COCO2 2固定固定 反应提供反应提供,而不走乙醛酸循环而不走乙醛酸循环,以提高对糖的利用率。以提高对糖的利用率。C.C.谷氨
15、酸脱氢酶的活力很强谷氨酸脱氢酶的活力很强,并丧失谷氨酸对谷氨酸脱并丧失谷氨酸对谷氨酸脱 氢酶的反馈抑制和反馈阻遏。氢酶的反馈抑制和反馈阻遏。第33页，本讲稿共55页(2).(2).氨的导入和控制氨的导入和控制 氨的导入主要方式氨的导入主要方式:糖代谢中间体还原氨基化糖代谢中间体还原氨基化;天冬氨酸或丙天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移；谷氨酸合成酶途径。氨酸通过氨基转移；谷氨酸合成酶途径。谷氨酸发酵受谷氨酸发酵受NHNH4 4+的影响。使用生物素缺乏菌的影响。使用生物素缺乏菌,在在NHNH4 4+存在时存在时,葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸;当当
16、NHNH4 4+不存在时不存在时,糖的消耗速度很慢糖的消耗速度很慢,生成物是生成物是-酮戊二酸、酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。丙酮酸、醋酸和琥珀酸。第34页，本讲稿共55页 NADPNADP为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和NADPH+HNADPH+H+为辅酶的为辅酶的 谷氨酸脱氢酶形成共轭反应谷氨酸脱氢酶形成共轭反应,NADP,NADP浓度是实际上的浓度是实际上的 限速因子限速因子,添加氧化还原电位与添加氧化还原电位与NADPNADP相似的氧化还相似的氧化还 原染料原染料,并通以电流可促进还原氨基化作用并通以电流可促进还原氨基化作用,增加谷增加谷 氨酸产量。氨酸产量。第35页
17、，本讲稿共55页(3).(3).控制细胞渗透性控制细胞渗透性 A A、控制生物素、油酸浓度或添加表面活性剂如吐温控制生物素、油酸浓度或添加表面活性剂如吐温8080、阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的改变阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的改变,尤其尤其是改变油酸含量是改变油酸含量,从而改变细胞膜通透性；从而改变细胞膜通透性；B B、加入青霉素或控制、加入青霉素或控制Mn+Mn+、Zn+Zn+浓度。抑制细胞壁的合浓度。抑制细胞壁的合成成,由于细胞膜失去细胞壁的保护由于细胞膜失去细胞壁的保护,细胞膜受到物理损伤细胞膜受到物理损伤,从而使从而使渗透性增强。渗透性增强。C C、生产中菌种
18、选育模型与控制方法、生产中菌种选育模型与控制方法:生物素缺陷型生物素缺陷型;油酸油酸缺陷型缺陷型;甘油缺陷型等。甘油缺陷型等。第36页，本讲稿共55页(4).(4).控制发酵的工艺条件控制发酵的工艺条件 谷氨酸发酵是人工控制发酵条件成功进行大规模生产的典谷氨酸发酵是人工控制发酵条件成功进行大规模生产的典型例子。型例子。主要的影响因子有：溶解氧、主要的影响因子有：溶解氧、NHNH4 4+、pHpH、磷酸生物素、醇、磷酸生物素、醇类和类和NHNH4 4ClCl。第37页，本讲稿共55页 第第四节四节 抗生素发酵机制抗生素发酵机制1 1、抗生素的生物合成类型、抗生素的生物合成类型 A.A.蛋白质衍生
19、物蛋白质衍生物 简单的氨基酸衍生物：环丝氨酸、重氮丝氨酸等；简单的氨基酸衍生物：环丝氨酸、重氮丝氨酸等；寡肽抗生素：青霉素、头孢菌素等；寡肽抗生素：青霉素、头孢菌素等；多肽类抗生素：多粘菌素、杆菌肽等；多肽类抗生素：多粘菌素、杆菌肽等；多肽大环内脂抗生素：放线菌素等；多肽大环内脂抗生素：放线菌素等；含嘌呤和嘧啶碱基的抗生素：曲古霉素、嘌呤霉素等含嘌呤和嘧啶碱基的抗生素：曲古霉素、嘌呤霉素等第38页，本讲稿共55页 B.B.糖类衍生物糖类衍生物 糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等；糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等；与大环内脂连接的糖甙抗生素：红霉素、碳霉素等；与大环内脂连接的糖甙抗生素：红霉素、碳
20、霉素等；其他糖甙抗生素：新生霉素等。其他糖甙抗生素：新生霉素等。C.C.以乙酸为单位的衍生物以乙酸为单位的衍生物 乙酸衍生物的抗生素：四环类抗菌素、灰黄霉素等；乙酸衍生物的抗生素：四环类抗菌素、灰黄霉素等；丙酸衍生物的抗生素：红霉素等；丙酸衍生物的抗生素：红霉素等；多烯和多炔类抗生素：制霉素、曲古霉素等。多烯和多炔类抗生素：制霉素、曲古霉素等。第39页，本讲稿共55页2 2、青霉素、头孢菌素的生物合成机制、青霉素、头孢菌素的生物合成机制 青霉素、头孢菌素的化学结构如下：青霉素、头孢菌素的化学结构如下：第40页，本讲稿共55页第41页，本讲稿共55页3 3、链霉素的生物合成机制、链霉素的生物合成
21、机制 链霉素的化学结构如下：链霉素的化学结构如下：第42页，本讲稿共55页第43页，本讲稿共55页第44页，本讲稿共55页4 4、抗生素生物合成的代谢调节方式、抗生素生物合成的代谢调节方式(1)(1)、细胞生长期到抗生素产生期的过渡、细胞生长期到抗生素产生期的过渡 次级代谢产物是在菌体生长到达相对静止期才产生。在次级代谢产物是在菌体生长到达相对静止期才产生。在细胞生长阶段细胞生长阶段,负责次级代谢产物合成的酶受到阻遏。负责次级代谢产物合成的酶受到阻遏。A.A.诱导因子在生长期末积累或从外源加入诱导因子在生长期末积累或从外源加入;B.B.初级代谢的终点产物耗尽初级代谢的终点产物耗尽;C.C.易被
22、利用的糖源分解代谢物被利用后易被利用的糖源分解代谢物被利用后,便解除了阻遏作用便解除了阻遏作用;D.D.高能化合物高能化合物ATPATP形成减少后，阻遏作用也就解除形成减少后，阻遏作用也就解除;E.E.在生长期，在生长期，RNARNA聚合酶只能启动生长期基因的转录作用；当生长停聚合酶只能启动生长期基因的转录作用；当生长停 止后止后,酶的结构改变酶的结构改变,允许允许RNARNA聚合酶启动生产期基因的转录作用聚合酶启动生产期基因的转录作用,负责抗生素合成的酶开始生成。负责抗生素合成的酶开始生成。第45页，本讲稿共55页(2)(2)酶的诱导作用酶的诱导作用 在抗生素合成期在抗生素合成期,参与次级代
23、谢的有些酶是诱导酶。参与次级代谢的有些酶是诱导酶。需要底物或底物的结构类似物需要底物或底物的结构类似物(外源和内源诱导剂外源和内源诱导剂)。第46页，本讲稿共55页(3)(3)分解代谢产物的调节控制分解代谢产物的调节控制 碳、氮分解代谢产物碳、氮分解代谢产物(如葡萄糖如葡萄糖)阻遏和抑制作用阻遏和抑制作用,抑制抗生抑制抗生素合成。解除分解产物阻遏的方法素合成。解除分解产物阻遏的方法:A.A.选育对葡萄糖代谢产物类似物抗性突变型选育对葡萄糖代谢产物类似物抗性突变型;B.B.培养过程中利用缓慢的碳源培养过程中利用缓慢的碳源,连续流加葡萄糖连续流加葡萄糖;C.C.使用含有慢慢向培养基内渗透营养物质的
24、颗粒。使用含有慢慢向培养基内渗透营养物质的颗粒。第47页，本讲稿共55页第48页，本讲稿共55页（4 4）磷酸盐的调节）磷酸盐的调节 抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的“亚适量亚适量”时时才能合成。才能合成。磷酸盐抑制抗生素合成的机制可能有以下二方面：磷酸盐抑制抗生素合成的机制可能有以下二方面：A.A.抑制或阻遏抗生素生物合成途径中有关酶的活力和合成。抑制或阻遏抗生素生物合成途径中有关酶的活力和合成。B.B.改变代谢途径。改变代谢途径。C.C.磷酸盐可调节细胞内磷酸盐可调节细胞内ATPATP的形成。的形成。第49页，本讲稿共55页(5)(5)次级代谢产物的自身
25、反馈调节次级代谢产物的自身反馈调节 在多种次级代谢产物的发酵中都发现了末端产物的反馈调节在多种次级代谢产物的发酵中都发现了末端产物的反馈调节作用。作用。产生菌抗生素的生产能力与自身抑制所需抗生素浓度呈正产生菌抗生素的生产能力与自身抑制所需抗生素浓度呈正相关性。因此要选育生产能力强的抗反馈调节的突变菌株。相关性。因此要选育生产能力强的抗反馈调节的突变菌株。第50页，本讲稿共55页(6)(6)初级代谢产物的调节初级代谢产物的调节 某些初级代谢产物可以调节次级代谢产物的合成的原因某些初级代谢产物可以调节次级代谢产物的合成的原因:A.A.有一条共同的合成途径有一条共同的合成途径,当初级代谢产物积累时当
26、初级代谢产物积累时,反馈抑反馈抑制了某一步反应的进行制了某一步反应的进行,而最终抑制了次级代谢产物的合成。而最终抑制了次级代谢产物的合成。B.B.初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成,反馈抑制反馈抑制了它自身的合成时了它自身的合成时,必然也同时影响了次级代谢产物的合成。必然也同时影响了次级代谢产物的合成。第51页，本讲稿共55页第52页，本讲稿共55页(7)(7)细胞膜透性的调节细胞膜透性的调节 细胞膜的运输影响胞内合成及代谢物分泌和发酵产物收获。细胞膜的运输影响胞内合成及代谢物分泌和发酵产物收获。在青霉素发酵中在青霉素发酵中,生产菌细胞膜输入硫
27、化物能力的大小影响青霉生产菌细胞膜输入硫化物能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。素发酵单位的高低。第53页，本讲稿共55页(8)(8)次级代谢的能荷调节次级代谢的能荷调节 A.A.能荷调节机制对次级代谢途径的控制是有效的。能荷调节机制对次级代谢途径的控制是有效的。B.B.金霉菌菌株的金霉菌菌株的ATPATP含量在生长期中迅速增加含量在生长期中迅速增加,而在金霉素形成而在金霉素形成期期ATPATP含量迅速下降含量迅速下降,并保持在较低的水平上。低产菌株的并保持在较低的水平上。低产菌株的ATPATP量始终量始终比高产茵株大比高产茵株大2 24 4倍。倍。C.C.高浓度的磷酸盐可增加细胞内高浓度的磷酸盐可增加细胞内ATPATP的形成。的形成。第54页，本讲稿共55页作业题1、葡萄糖转变成三碳糖的途径主要有哪些？它们的关键酶是什么？2、简述柠檬酸发酵的代谢调节机制。3、什么是巴斯德效应，其机理是什么。4、异型乳酸发酵途径有哪些？它们的主要区别是什么？5、分别简述亚硫酸盐法甘油发酵机制和碱法甘油发酵机制6、根据代谢途径的不同，可以把氨基酸分为哪几类氨基酸？简述谷氨酸的发酵调节措施。7、根据合成途径的不同，抗生素分为哪几类？简述抗生素的代谢调节措施。第55页，本讲稿共55页