發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

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1、Presentation 報(bào)告題目登記,從本節(jié)課程開(kāi)始到周四晚上截止，請(qǐng)每組選擇一名代表，將本組報(bào)告的題目發(fā)送的我的郵箱（Yk_36_）中，請(qǐng)按照下面的內(nèi)容填寫(xiě)，將按照郵件發(fā)送到本人郵件的時(shí)間來(lái)確定先后順序。內(nèi)容填寫(xiě)不完全者或匯報(bào)內(nèi)容與指定的topic內(nèi)容不符合者視為登記不成功，將回復(fù)郵件告知。,注*：Topics： 1、新型發(fā)酵工業(yè)原料的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)（來(lái)源、應(yīng)用范圍、工業(yè)預(yù)處理及配套政策）； 2、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及傳感技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用； 3、與發(fā)酵工業(yè)相適應(yīng)的菌種的開(kāi)發(fā)（菌種的獲取、改造和工藝初步優(yōu)化）； 4、發(fā)酵工藝的優(yōu)化實(shí)例。 以上每個(gè)題目限報(bào)4組，也可以在其他與本課程相關(guān)的內(nèi)

2、容中自由選題。,第七章 發(fā)酵機(jī)制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué),發(fā)酵機(jī)制是指微生物通過(guò)其代謝活動(dòng)，利用基質(zhì)合成人們所需要的產(chǎn)物的內(nèi)在規(guī)律。由于微生物的種類(lèi)、遺傳特性和環(huán)境條件不同，微生物所能積累的代謝產(chǎn)物不同，主要有微生物菌體、微生物酶和代謝產(chǎn)物。微生物代謝產(chǎn)物很多，主要有酒精、丙酮丁醇、有機(jī)酸、氨基酸、核苷酸類(lèi)、蛋白質(zhì)、抗生素、維生素、脂肪、多糖類(lèi)等。 微生物具有極其精確的代謝控制系統(tǒng)，能確保細(xì)胞內(nèi)所有生化反應(yīng)有條不紊的進(jìn)行并制止中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物的過(guò)量積累。必須人為改變微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，使有用中間代謝產(chǎn)物過(guò)量積累，同時(shí)利用環(huán)境因素對(duì)代謝方向產(chǎn)生影響，這就是發(fā)酵機(jī)制的研究?jī)?nèi)容。 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究發(fā)酵過(guò)程中菌

3、體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動(dòng)態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。其研究?jī)?nèi)容包括微生物生長(zhǎng)過(guò)程中質(zhì)量和能量的平衡，發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互關(guān)系。研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的在于設(shè)計(jì)和優(yōu)化發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型，并以此為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)程序，模擬最適合的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，從而使生產(chǎn)控制達(dá)到最優(yōu)化。,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況 第二節(jié) 微生物代謝調(diào)控機(jī)制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué),本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況 第二節(jié) 微生物代謝調(diào)控機(jī)制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué),第一節(jié) 發(fā)酵工

4、業(yè)微生物的基本代謝和調(diào)控機(jī)制,一、發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產(chǎn)物 （一）微生物初級(jí)代謝及產(chǎn)物 初級(jí)代謝是指微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動(dòng)所需要的物質(zhì)和能量的過(guò)程。 初級(jí)代謝產(chǎn)物：由初級(jí)代謝過(guò)程所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由這些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白質(zhì)、酯類(lèi)和核酸等）。,（二）微生物的次級(jí)代謝及產(chǎn)物,次級(jí)代謝是指微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，合成一些對(duì)微生物的生命活動(dòng)無(wú)明確功能的物質(zhì)的過(guò)程。這一過(guò)程的產(chǎn)物，即為次級(jí)代謝產(chǎn)物。 次級(jí)代謝產(chǎn)物大多是一類(lèi)分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物，包括：抗生素、毒素、激素、

5、色素等。 抗生素：是由微生物（包括細(xì)菌、真菌、放線菌屬）或高等動(dòng)植物在生活過(guò)程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類(lèi)次級(jí)代謝產(chǎn)物。抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成，破壞細(xì)胞質(zhì)膜，作用于呼吸鏈以干擾氧化磷酸化，抑制蛋白質(zhì)和核酸合成等方式抑制微生物生長(zhǎng)。 毒素：細(xì)菌毒素和真菌毒素。細(xì)菌毒素又分為內(nèi)毒素和外毒素。 激素：微生物能產(chǎn)生刺激動(dòng)物生長(zhǎng)或性器官發(fā)育的激素類(lèi)物質(zhì)，稱(chēng)激素，如赤霉素、生長(zhǎng)素等。,二、微生物的代謝途徑及途徑上相關(guān)物質(zhì)的前體來(lái)源,（一）自養(yǎng)微生物的生物氧化、產(chǎn)能和CO2固定（略） （二）化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能 生物氧化就是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱(chēng)。生物氧化的形式包括某物質(zhì)

6、與氧結(jié)合、脫氫或失去電子三種；生物氧化的過(guò)程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個(gè)階段；生物氧化的功能則有產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H和產(chǎn)小分子中間代謝物三種。以下我們按底物（基質(zhì)）脫氫的三個(gè)階段以及各階段的類(lèi)型和細(xì)節(jié)的順序來(lái)討論化能異養(yǎng)微生物的生物氧化及其產(chǎn)能效應(yīng)。,底物脫氫的四條主要途徑獲得發(fā)酵產(chǎn)物的主要來(lái)源,1、EMP途徑（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway） 2、HMP途徑（hexosemonophosphatepathway） 3、ED途徑（Entner-Doudoroffpathway） 4三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycl

7、e）,1、EMP途徑（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）,又稱(chēng)糖酵解途徑（glycolysis） 或己糖二磷酸途徑（hexosedipho-sphatepathway） :,EMP途徑是絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑，因而也是酵母菌、真菌和多數(shù)細(xì)菌所具有的代謝途徑。在有氧條件下，EMP途徑與TCA途徑連接，并通過(guò)后者把丙酮酸徹底氧化成CO2和H2O。,由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵,從丙酮酸出發(fā)的6條發(fā)酵途徑及其相互聯(lián)系總結(jié),在無(wú)氧條件下，丙酮酸或其進(jìn)一步代謝后所產(chǎn)生的乙醛等產(chǎn)物被還原，從而形成乳酸或乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物。EMP途徑與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇

8、等大量重要發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)有著密切的關(guān)系。,2、HMP途徑（hexosemonophosphate pathway）,即已糖一磷酸途徑，有時(shí)也稱(chēng)戊糖磷酸途徑、Warburg-Dickens途徑或磷酸葡萄糖酸途徑。,這是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPHH+形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。 具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣，例如它們可以利用戊糖作碳源。 通過(guò)本途徑而產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。,3、ED途徑（Entner-Doudoroff pathway）,又稱(chēng)2-酮-3-脫氧-6-磷酸

9、葡糖酸（KDPG）裂解途徑。 ED途徑是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑，在其他生物中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。其特點(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)過(guò)4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步才能獲得的丙酮酸。,經(jīng)ED途徑發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的過(guò)程與傳統(tǒng)的由酵母菌通過(guò)EMP途徑生產(chǎn)乙醇不同，因此稱(chēng)作細(xì)菌酒精發(fā)酵。 利用Z.mobilis等細(xì)菌以生產(chǎn)酒精，是近年來(lái)正在開(kāi)發(fā)的工業(yè)，它比傳統(tǒng)的酵母酒精發(fā)酵有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）代謝速率高，（2）產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，（3）菌體生成少，（4）代謝副產(chǎn)物少，（5）發(fā)酵溫度較高，以及（6）不必定期供氧等。當(dāng)然，細(xì)菌酒精發(fā)酵也有其缺點(diǎn)，主要是其生長(zhǎng)PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），其次

10、是細(xì)菌耐乙醇力較酵母菌為低（前者約為7.0，后者則為810）。,4三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle）,又稱(chēng)TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。 這是一種循環(huán)方式的反應(yīng)順序，它在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化性（呼吸）代謝中起著關(guān)鍵性的作用。在真核微生物中，TCA循環(huán)的反應(yīng)在線粒體內(nèi)進(jìn)行，其中的大多數(shù)酶定位在線粒體的基質(zhì)中；在原核生物例如細(xì)菌中，大多數(shù)酶都存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細(xì)菌中都是結(jié)合在膜上的。,TCA,三羧酸循環(huán)在微生物代謝中的樞紐地位,遞氫和受氫過(guò)程,在生物體中，貯存在葡萄糖等有機(jī)物中的化學(xué)能，經(jīng)上述的多種途徑脫氫后，經(jīng)過(guò)呼吸鏈（或

11、稱(chēng)電子傳遞鏈）等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無(wú)機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。根據(jù)遞氫特別是受氫過(guò)程中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分成呼吸（有氧呼吸）、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵三種類(lèi)型。,1呼吸（respiration） 呼吸是一種最普遍和最重要的生物氧化方式，其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈RC， respiratory chain，又稱(chēng)電子傳遞鏈（ETC，electron transport chain）遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進(jìn)行，因此又稱(chēng)有氧呼吸（aerobic respiration）。,2無(wú)氧呼吸（anaer

12、obicrespiration） 無(wú)氧呼吸又稱(chēng)厭氧呼吸，是一類(lèi)呼吸鏈末端的氫受體為外源無(wú)機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。這是一類(lèi)在無(wú)氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點(diǎn)是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無(wú)機(jī)物（個(gè)別是有機(jī)物延胡索酸）受氫。,根據(jù)呼吸鏈末端的最終氫受體的不同，可把無(wú)氧呼吸分成以下多種類(lèi)型：,3發(fā)酵（fermentation） “發(fā)酵”這一名詞用得十分普遍。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用好氧或厭氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類(lèi)生產(chǎn)方式；而在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵僅是指在無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源

13、氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類(lèi)低效產(chǎn)能反應(yīng)，即：,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況 第二節(jié) 微生物代謝調(diào)控機(jī)制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué),微生物有著一整套可塑性極強(qiáng)和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無(wú)誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。 微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，例如可調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力，通過(guò)酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近，以及調(diào)節(jié)代謝流等。其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個(gè)方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細(xì)調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達(dá)到最佳調(diào)節(jié)效果。 利

14、用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過(guò)人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。有關(guān)的實(shí)際例子將在本節(jié)后部分進(jìn)行介紹。,一、酶活性的調(diào)節(jié),酶活性的調(diào)節(jié)是指通過(guò)對(duì)已存在的酶的活性的改變，影響代謝速率。這是一種快速調(diào)節(jié)，依靠酶分子結(jié)構(gòu)的改變而實(shí)現(xiàn)，主要方式有反饋抑制和酶的共價(jià)修飾兩種，包括酶活性的激活和抑制兩個(gè)方面。 1、酶活性的激活 最常見(jiàn)的酶活性的激活是前體激活，它常見(jiàn)于分解代謝途徑，即代謝途徑中后面的反應(yīng)可以被該途徑較前面的而一個(gè)產(chǎn)物所促進(jìn)。 2、酶活性的抑制 酶活性的抑制主要是反饋抑制。反饋抑制是指合成途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物對(duì)該途徑前

15、段的某一個(gè)酶活性的抑制現(xiàn)象。通常抑制的是反應(yīng)途徑的第一個(gè)酶（第一步反應(yīng)往往是限速步驟）。,1）直線代謝途徑中的反饋抑制 這是一種最簡(jiǎn)單的反饋抑制類(lèi)型，過(guò)量的終產(chǎn)物抑制途徑的第一個(gè)酶，就能很好的控制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程。,（1）同工酶調(diào)節(jié)：其特點(diǎn)是在分支途徑中第一個(gè)酶有幾種結(jié)構(gòu)不同的一組同工酶，每一分支代謝產(chǎn)生的終產(chǎn)物只對(duì)一種同工酶具有反饋抑制作用，只有當(dāng)幾種種產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，才能完全阻止反應(yīng)的進(jìn)行。,2）分支代謝途徑中的反饋抑制 在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支代謝途徑中，為避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多，影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物有下列多種調(diào)節(jié)方式：,（2）協(xié)同反饋抑制：在分支代謝途徑中，幾種末

16、端產(chǎn)物同時(shí)都過(guò)量時(shí)，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶具有抑制作用，若某一末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量則對(duì)途徑的第一個(gè)酶無(wú)抑制作用。,（3）累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)都能對(duì)共同途徑中第一個(gè)酶起抑制作用，而且各種末端產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當(dāng)各種末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，它們的抑制作用是累加的。,（4）順序反饋抑制：分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個(gè)酶，而是分別抑制分支點(diǎn)后的反應(yīng)步驟，造成分支點(diǎn)上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個(gè)酶的活性，因此，只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過(guò)量時(shí)，才能對(duì)途徑中的第一個(gè)酶起到抑制作用。,二、酶合成的調(diào)節(jié),酶合成的調(diào)節(jié)是指酶在數(shù)量上和

17、種類(lèi)上的調(diào)節(jié)。這是一種緩慢調(diào)節(jié)，通過(guò)改變酶分子合成的速度實(shí)現(xiàn)代謝途徑的變化。這種調(diào)節(jié)共有兩種方式：一種是指酶生成的誘導(dǎo)，是指促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)酶的合成；另一種是代謝產(chǎn)物對(duì)酶生成的阻遏，是指細(xì)胞內(nèi)酶的合成停止，包括分解代謝降解物阻遏和合成代謝終產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒簟?1、誘導(dǎo) 根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物 的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類(lèi)。 組成酶，如EMP途徑的有關(guān)酶類(lèi)。 誘導(dǎo)酶則是細(xì)胞為適應(yīng)外來(lái)底物或其結(jié)構(gòu)類(lèi)似物而臨時(shí)合成的一類(lèi)酶，例如Ecoli在含乳糖培養(yǎng)基中所產(chǎn)生的-半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱(chēng)為誘導(dǎo)物。又可分為同時(shí)誘導(dǎo)和順序誘導(dǎo)。,藍(lán)白斑篩選原理

18、,野生型大腸桿菌產(chǎn)生的-半乳糖苷酶可以將無(wú)色化合物X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-D-半乳糖苷)切割成半乳糖和深藍(lán)色的物質(zhì)5-溴-4-靛藍(lán)。有色物質(zhì)可以使整個(gè)培養(yǎng)菌落產(chǎn)生顏色變化，而顏色變化是鑒定和篩選的最直觀有效的方法。 藍(lán)白斑篩選的宿主菌：為-半乳糖苷酶缺陷型菌株。這種宿主菌的染色體基因組中編碼-半乳糖苷酶的基因突變，造成其編碼的-半乳糖苷酶失去正常N段一個(gè)146個(gè)氨基酸的短肽（即肽鏈），從而不具有生物活性，即無(wú)法作用于X-gal產(chǎn)生藍(lán)色物質(zhì)。,藍(lán)白斑篩選的載體：具有一段稱(chēng)為lacz的基因，lacz中包括：一段-半乳糖苷酶的啟動(dòng)子；編碼肽鏈的區(qū)段；一個(gè)多克隆位點(diǎn)(MCS)。MCS位于

19、編碼肽鏈的區(qū)段中，是外源DNA的選擇性插入位點(diǎn)，但其本身不影響載體編碼肽鏈的功能活性。,雖然上述缺陷株基因組無(wú)法單獨(dú)編碼有活性的-半乳糖苷酶，但當(dāng)菌體中含有帶lacz的質(zhì)粒后，質(zhì)粒lacz基因編碼的肽鏈和菌株基因組表達(dá)的端缺陷的-半乳糖苷酶突變體互補(bǔ)，具有與完整-半乳糖苷酶相同的作用X-gal生成藍(lán)色物質(zhì)的能力，這種現(xiàn)象即-互補(bǔ)。操作中，添加IPTG(異丙基硫代-半乳糖苷)以激活lacz中的-半乳糖苷酶的啟動(dòng)子，在含有X-gal的固體平板培養(yǎng)基中菌落呈現(xiàn)藍(lán)色。,插入失活：當(dāng)外源DNA（即目的片斷）與含lacz的載體連接時(shí)，會(huì)插入進(jìn)MCS，使肽鏈讀碼框破壞，這種重組質(zhì)粒不再表達(dá)肽鏈，將它導(dǎo)入宿主

20、缺陷菌株則無(wú)互補(bǔ)作用，不產(chǎn)生活性-半乳糖苷酶，即不可分解培養(yǎng)基中的X-gal產(chǎn)生藍(lán)色，培養(yǎng)表型即呈現(xiàn)白色菌落。,2、阻遏 在微生物的代謝過(guò)程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，除可用前述的反饋抑制的方式，還可通過(guò)阻遏作用來(lái)阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏的類(lèi)型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。 （1）末端產(chǎn)物阻遏（end-productrepression） 指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過(guò)量累積而引起的阻遏。 直線式反應(yīng)途徑：即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏，例如精氨酸的生物合成途徑（圖6-59）。 分支代謝途

21、徑：每種末端產(chǎn)物僅專(zhuān)一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點(diǎn)以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱(chēng)多價(jià)阻遏作用。也就是說(shuō)，任何單獨(dú)一種末端產(chǎn)物的存在，都沒(méi)有影響，只有當(dāng)所有末端產(chǎn)物都同時(shí)存在時(shí)，才能發(fā)揮出阻遏功能。,（2）分解代謝物阻遏 指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。現(xiàn)在知道，分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結(jié)果，而是通過(guò)甲碳源（或氮源等）在其分解過(guò)程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過(guò)量

22、累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現(xiàn)象。 例如，有人將Ecoli培養(yǎng)在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上，發(fā)現(xiàn)該菌可優(yōu)先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗盡后才開(kāi)始利用乳糖，這就產(chǎn)生了在兩個(gè)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中間隔開(kāi)一個(gè)生長(zhǎng)延滯期的“二次生長(zhǎng)現(xiàn)象”。,大腸桿菌的“二次生長(zhǎng)”現(xiàn)象,三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用,這里將討論如何控制微生物的正常代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，使其累積更多為人們所需要的有用代謝產(chǎn)物。 包括三個(gè)方面： （一）應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié) （二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié) （三）控制細(xì)胞膜的滲透性,（一）應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié),在分支代謝途徑中，通過(guò)解除某種反饋調(diào)節(jié)，就可以使某一分支

23、途徑的末端產(chǎn)物得到累積。 舉例1：賴(lài)氨酸發(fā)酵,工業(yè)上選育了Corynebacterium glutamicum（谷氨酸棒桿菌）的高絲氨酸缺陷型菌株作為賴(lài)氨酸的發(fā)酵菌種。這個(gè)菌種由于不能合成高絲氨酸脫氫酶（HSDH）。,舉例2：肌苷酸（IMP）的生產(chǎn),（二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié),抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類(lèi)菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時(shí)解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。,（三）控制細(xì)胞膜的滲透性,細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過(guò)反饋?zhàn)瓒粝拗屏怂鼈兊倪M(jìn)一步合成。采取

24、生理學(xué)或遺傳學(xué)方法，可以改變細(xì)胞膜的透性，使細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏到細(xì)胞外。 1通過(guò)生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜的滲透性,2通過(guò)細(xì)胞膜缺損突變而控制其滲透性 應(yīng)用谷氨酸產(chǎn)生菌的油酸缺陷型菌株，在限量添加油酸的培養(yǎng)基中，也能因細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸的產(chǎn)量。 利用石油發(fā)酵產(chǎn)生谷氨酸的解烴棒桿菌的甘油缺陷型突變株，由于缺乏a-磷酸甘油脫氫酶，故無(wú)法合成甘油和磷脂。,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況 第二節(jié) 微生物代謝調(diào)控機(jī)制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制 （一）糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制 （二）氨基酸和核酸發(fā)酵機(jī)制 （三）抗生素發(fā)酵機(jī)制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué),一、糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制

25、,（一）乙醇發(fā)酵 1、以EMP途徑為基礎(chǔ)的酵母乙醇發(fā)酵 酵母的乙醇發(fā)酵和酒精、白酒、葡萄酒、啤酒等各種酒類(lèi)生產(chǎn)關(guān)系密切。 丙酮酸脫羧酶是酵母菌乙醇發(fā)酵的關(guān)鍵酶。,總反應(yīng)式為：葡萄糖+2ADP+2Pi2乙醇+2CO2+2ATP,酵母乙醇發(fā)酵過(guò)程的三種形式,型發(fā)酵：正常的乙醇發(fā)酵在弱酸性條件下進(jìn)行，產(chǎn)生2分子的乙醇和2分子CO2。這又稱(chēng)為酵母的“同型酒精發(fā)酵”。,型發(fā)酵：在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加適量NaHSO3，則乙醇發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)楦视桶l(fā)酵，形成大量甘油和少量乙醇。其機(jī)理： NaHSO3與乙醛形成復(fù)合物，封閉了乙醛，由磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，形成-磷酸甘油，在-磷酸甘油酯酶的催化下脫去磷酸，形成甘油

26、。,型發(fā)酵：將發(fā)酵液pH值控制在弱堿性（pH7.6），酵母的乙醇發(fā)酵轉(zhuǎn)向甘油發(fā)酵，主產(chǎn)物為甘油，伴隨產(chǎn)生少量乙醇、乙酸和CO2 。,2、細(xì)菌的“同型酒精發(fā)酵”：由Zymomonas mobilis（運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌）等通過(guò)ED途徑進(jìn)行。 葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP 3、細(xì)菌的“異型酒精發(fā)酵”：由Leuconostoc mesenteroides（腸膜狀明串珠菌 ）等通過(guò)HMP途徑進(jìn)行。 葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP 此外，由于這三類(lèi)酒精發(fā)酵所經(jīng)過(guò)的途徑是不同的，所以在發(fā)酵產(chǎn)物乙醇分子上的碳原子來(lái)源也是不同的。如果將葡萄糖分子的不同碳原子進(jìn)行14C標(biāo)記，并測(cè)定1

27、4C在產(chǎn)物中的分布，則上述三條途徑的差別可從圖6-27中看到。,（二）乳酸發(fā)酵,乳酸發(fā)酵指某些細(xì)菌在厭氧條件下利用葡萄糖生產(chǎn)乳酸及少量其他產(chǎn)物的過(guò)程。能進(jìn)行乳酸發(fā)酵的細(xì)菌被稱(chēng)為乳酸菌。乳酸菌雖多是一些兼性厭氧菌，但乳酸發(fā)酵卻是在嚴(yán)格厭氧條件下完成的。 1、同型乳酸發(fā)酵 同型乳酸發(fā)酵的過(guò)程是：葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產(chǎn)物只有乳酸一種，故稱(chēng)為同型乳酸發(fā)酵。 C6H12O62ADP2CH3CHOHCOOH2ATP 德氏乳桿菌屬（Lac.delbriickii）、乳酸鏈球菌屬（Streptococcus Lactis）、酪乳桿菌屬（Lactobacillus Casei）、保加利亞乳桿菌（Lac.bulgaricus）等。 2、異型乳酸發(fā)酵 在腸膜明串珠菌(Leuconostoc Mesenteroides)中，利用HMP途徑分解葡萄糖，產(chǎn)生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乳酸，乙酰磷酸經(jīng)兩次還原變?yōu)橐掖迹浑p歧桿菌經(jīng)PK途徑發(fā)酵葡萄糖形成的產(chǎn)物除乳酸外還有乙醇和乙酸。,（二）氨基酸和核酸的發(fā)酵機(jī)制,