第四章发酵机制

1、第四章 发酵机制本章的教学内容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 抗生素发酵机制第一节 糖嫌气性发酵产物发酵机制糖酵解糖酵解（glycolysis)glycolysis)是指葡萄糖是指葡萄糖经经empemp途径途径生成丙酮酸后，生成丙酮酸后，在无氧条件下在无氧条件下继续降解继续降解并释并释放出能量的过程放出能量的过程。 nadhnadh2 2在此过程中将氢交给不同的有机物，在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各种不同的代谢产物。形成各种不同的代谢产物。糖酵解途径的特点v糖酵解途径广泛存在于各种细胞内，它的任何一个反应均不需要氧；v糖酵解可

2、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。1 1、酒精发酵机制、酒精发酵机制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: : 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

3、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反馈抑制酶的活性。反馈抑制酶的活性。 (3). 6-(3). 6-磷酸

4、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。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）中甲氧基被水解生成。果胶（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水解生成。(3)

5、.(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。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总反应式为总反应式为: : 理论转化率理论转化率: :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理论转化率理论转化率: : (90/180)(90/180)100% =50%100% =50%b. b. 双歧途径双歧途径总反应式为总反应式为 : : 2c 2c

6、6 6h h1212o o6 62ch2ch3 3chohcooh+3chchohcooh+3ch3 3coohcooh理论转化率理论转化率: : (2 (290)/(290)/(2180)180)100% = 50%100% = 50%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）b. b. 碱法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。1.1.柠檬酸生物合成途径柠檬酸生物合成途径葡萄糖生成柠檬酸的总反

7、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对该酶对该酶抑制抑制, 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, ,

8、解除胞内积累的大量柠檬酸解除胞内积累的大量柠檬酸对酶的抑制对酶的抑制; ; 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、 - -酮戊酮戊二酸二酸琥

9、珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶草酰乙酸结论结论: : 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, ,导致细导致细胞内胞内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，的抑制，促进了促进了empemp途径的畅通。途径的畅通。(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

10、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生生成草酰乙酸成草酰乙酸, ,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 ,coa ,和和coco2 2 固定两个反应固定两个反应平衡平衡, ,保持了柠檬酸合成能力保持了柠檬酸合成能力。 (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阻断顺乌头酸酶水合酶和异柠檬酸脱氢酶的催化反应和异柠檬酸脱氢酶的

11、催化反应, , 建立一种平衡关系，大建立一种平衡关系，大量积累柠檬酸量积累柠檬酸: : 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+, ,顺乌头酸水合酶的顺乌头酸水合酶的活性被抑制。活性被抑制。 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, ,顺乌头酸顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活, ,更有利于柠檬酸的积累并更有利于柠檬酸的积累并排出体外。排出体外。第三节、第三节、 氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制 (

12、(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、精谷、瓜、鸟、精氨酸等氨酸等) )、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、苯丙、酪、色氨酸等色氨酸等) )、分枝链、分枝链( (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

13、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固定作用固定作用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. -

14、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。 (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

15、; ;天冬氨天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移；谷氨酸合成酶途径。酸或丙氨酸通过氨基转移；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 - -酮酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。 nadp nadp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

16、+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。(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控制生物素、油酸浓度或添加表面活性剂如吐温温8080、阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的、阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的改变改变, ,尤其

17、是改变油酸含量尤其是改变油酸含量, ,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。抑制细胞壁的浓度。抑制细胞壁的合成合成, ,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, ,细胞膜受到物理损细胞膜受到物理损伤伤, ,从而使渗透性增强。从而使渗透性增强。 c c、生产中菌种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; ; 油酸缺陷型油酸缺陷型; ; 甘油缺陷型等。甘油缺陷型等。(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

18、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。产的典型例子。 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、磷酸生物素、醇类和素、醇类和nhnh4 4clcl。 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：

19、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 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；

20、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。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：3 3、链霉素的生物合成机制、链霉素的生物合成机制 链霉素的化学结构如下：链霉素的化学结构如下：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。次级代谢产物是在菌体生长到达相对静止期才产生。在细胞生长阶段在细胞生长阶段, ,负责次级代谢产物

21、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,

22、,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。 (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) )。(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, ,抑抑制抗生素合成。解除分解产物阻遏的方法制抗生素合成。解除

23、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颗粒。使用含有慢慢向培养基内渗透营养物质的颗粒。（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”时才能合成。时才能合成。 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抑

24、制或阻遏抗生素生物合成途径中有关酶的活力和合成。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。 (5) (5) 次级代谢产物的自身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。反馈调节作用。 产生菌抗生素的生产能力与自身抑制所需抗生素浓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。突变菌株。(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某些初级代谢产物可以调节次级代谢产物的合成的原因原因: : 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