微生物的代谢调控与发酵生产技术培训.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章发酵机制,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第1页,无氧呼吸,无氧呼吸，又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）生物氧化。,这是一类在无氧条件下进行产能效率较低特殊呼吸。,其特点是底物按常规路径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第2页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第3页,（,1,）硝酸盐呼吸,又称反硝化作用。,硝酸盐在微生物生命活动中含有两种功效，其一是在有氧或无氧条件下所进行同化性硝酸盐还原作用，亦即微生物利用硝酸盐作为其氮源营养物作用；,其二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链最终氢受体，这是一个异化性硝酸盐还原作用,共同特点是硝酸盐都要经过一个含钼硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第4页,硫酸盐呼吸 是一个由硫酸盐还原细菌（或称反硫化细菌）把经呼吸链传递氢交给硫酸盐这类末端氢受体一个厌氧呼吸。,这是一个异化性硫酸盐还原作用。经过这一过程，微生物就可在无氧条件下借呼吸链电子传递磷酸化而取得能量。,硫酸盐还原最终产物是,H,2,S,，自然界中大多数,H,2,S,是由这一反应产生。,与硝酸盐还原细菌不一样是，硫酸盐还原细菌都是一些严格依赖于无氧环境专性厌氧细菌,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第5页,（4）碳酸盐呼吸 是一类以CO,2,或重碳酸盐作为无氧呼吸链末端氢受体无氧呼吸。,依据其还原产物不一样，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸碳酸盐呼吸。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第6页,能量转移,几个概念,底物水平磷酸化,氧化磷酸化,光合磷酸化,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第7页,第二节微生物合成代谢,一、糖类生物合成,二、脂肪酸生物合成,三、氨基酸和核苷酸生物合成,氨基酸生物合成方式：氨基化作用；,转氨基作用,；糖代谢中间产物为前体合成氨基酸。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第8页,第三节分解代谢和合成代谢间联络,分解代谢功效在于确保正常合成代谢进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更加好条件，二者相互联络，促进了生物个体生长繁殖和种族繁荣发展。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第9页,中间代谢产物主要性,假如在生物体中只进行能量代谢，则有机能源最终止局只是产生,ATP,、,H,2,O,和,CO,2,，这时便没有任何中间代谢物可供累积，所以，合成代谢也不可能正常进行。,相反，假如要进行正常合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需中间代谢物，结果也势必影响含有循环机制分解代谢正常运转。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第10页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第11页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第12页,一、兼用代谢路径,凡在分解代谢和合成代谢中含有双重功效路径，就称兼用代谢路径。,EMP、HMP和TCA循环是主要兼用代谢路径。,在兼用代谢路径中，合成路径并非分解路径完全逆转。,在分解与合成代谢路径中，在对应代谢步骤中，往往还包含了完全不一样中间代谢物。在真核生物中，合成代谢和分解代谢普通在细胞不一样区域中分隔进行，原核生物因其细胞结构上间隔程度低，故反应控制主要在简单酶分子水平上进行。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第13页,二、代谢物回补次序,所谓回补次序，又称赔偿路径或添补路径，就是指能补充兼用代谢路径中因合成代谢而消耗中间代谢物反应。,这么，当主要产能路径中关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料时，仍可确保能量代谢正常进行。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第14页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第15页,微生物代谢调控与发酵生产,微生物有着一整套可塑性极强和极准确代谢调整系统，以确保上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂新陈代谢反应。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第16页,一、微生物代谢过程中自我调整,1、控制营养物质透过细胞膜进入细胞,2、经过酶定位控制酶与底物接触,3、控制代谢物流向,其中以,调整代谢流,方式最为主要，它包含两个方面，,一是“粗调”，即调整酶合成量，二是“细调”，即调整现成酶分子催化活力,，二者往往亲密配合和协调，以到达最正确调整效果。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第17页,利用微生物代谢调控能力,自然缺损,或经过人为方法,取得突破代谢调控,变异菌株，可为发酵工业提供生产相关代谢产物高产菌株。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第18页,一、酶活性调整,酶活性调整,是指在酶分子水平上一个代谢调整，它是经过改变现成酶分子活性来调整新陈代谢速率，包含,酶活性激活和抑制,两个方面。,（一）调整方式：,1、,酶活性激活：,在代谢路径中后面反应可被较前面反应产物所促进现象；常见于分解代谢路径。,2、,酶活性抑制：,包含：竞争性抑制和反馈抑制。概念：反馈：指反应链中一些中间代谢产物或终产物对该路径关键酶活性影响。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第19页,一、酶活性调整,凡使反应速度加紧称,正反馈,；,凡使反应速度减慢称,负反馈,（反馈抑制）；,反馈抑制,主要表现在某代谢路径末端产物过量时可反过来直接抑制 该路径中第一个酶活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成路径中。,特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除,，,是可逆。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第20页,第一个酶,（有活性）,第一个酶,（无活性）,终产物,终产物（调整物）,结合在调整中心,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第21页,酶活性抑制,主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢路径末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该路径中第一个酶活性，促使整个反应过程减慢或停顿，从而防止了末端产物过多累积。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第22页,反馈抑制类型,1,直线式代谢路径中反馈抑制,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第23页,反馈抑制类型,2、分支代谢路径中反馈抑制：在分支代谢路径中，反馈抑制情况较为复杂，为了防止在 一个分支上产物过多时不致同时影响另一分支上产物供 应，微生物发展出各种调整方式。,主要有：同功酶调整，次序反馈，协同反馈，积累反馈调整等。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第24页,（1）,同功酶调整,同功酶,是指能催化相同生化反应，但酶蛋白分子结构有差异一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特征上却存在着差异。,同功酶主要功效在于其代谢调整。在一个分支代谢路径中，假如在分支点以前一个较早反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第25页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第26页,协同反馈抑制,（concerted feedback inhibition）,定义：分支代谢路径中几个末端产物同时过量时才能抑制 共同路径中第一个酶一个反馈调整方式。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第27页,合作反馈抑制,（cooperative feedback inhibition,）,定义：,系指两种末端产物同时存在时，能够起着比一个末端产物大得多反馈抑制作用。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第28页,积累反馈抑制,（cumulative feedback inhibition）,每一分支路径末端产物按一定百分比单独抑制共同路径中前 面酶，所以当几个末端产物共同存在时它们抑制作用是 积累，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第29页,次序反馈抑制,（sequential feedback inhibition）,一个终产物积累,造成前一中间产物积累，经过后者反馈 抑制合成路径关键酶活性，使合成终止。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第30页,酶活力调整机制,1.变构酶理论：,变构酶为一个变构蛋白，酶分子间构象改变影响酶活。其上含有两个以上立体专一性不一样接收部位，一个是活性中心，另一个是调整中心。,活性位点:,与底物结合,变构位点:,与抑制剂结合,构象改变,不能与底物结合,与激活剂结合,构象改变,促进与底物结合,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第31页,变构酶上有两个位点：,协同效应中，酶有多个调整位点，,只有每一位点与终产物结合才产生反馈。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第32页,同功酶（isoenzyme)理论：,某一产物过量仅抑制对应酶活，对其它产物没影响。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第33页,酶活性能够调控,在代谢路径中调整酶活性,几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条,代谢路径,。在一条代谢路径中，经常是前一个酶促反应产物，便是下一个酶促反应底物。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第34页,共价调整,有时候，酶蛋白分子能够和一个基团形成共价结合，结合结果，使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变。比如，与,磷酸根,结合。,这种调整酶活性情况称为,酶共价调整,。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第35页,竞争性抑制,有酶在碰到一些化学结构与底物相同分子时，这些分子与底物竞争结合酶活性中心，亦会表现出酶活性降低（抑制）。这种情况称为酶,竞争性抑制,。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第36页,竞争性抑制剂,在结构上与,底物相同,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第37页,二、酶合成调整,酶合成调整是一个经过调整酶合成量进而调整代谢速率调整机制，这是一个在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）代谢调整。,凡能促进酶生物合成现象，称为,诱导,。,能妨碍酶生物合成现象，则称为,阻遏,。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第38页,与上述调整酶活性反馈抑制等相比，调整酶合成（即产酶量）而实当代谢调整方式是一类,较间接而迟缓调整方式,。,其,优点,则是经过阻止酶过量合成，有利于节约生物合成原料和能量。,在正常代谢路径中，酶活性调整和酶合成调整二者是同时存在且亲密配合、协调进行。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第39页,（一）酶合成调整类型,1,诱导,依据酶生成是否与环境中所存在该酶底物或其相关物关系，可把酶划分成,组成酶和诱导酶,两类。,诱导酶,是细胞为适应外来底物或其结构类似物而暂时合成一类酶。,能促进诱导酶产生物质称为诱导物，它能够是该酶底物，也能够是难以代谢底物类似物或是底物前体物质。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第40页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第41页,酶诱导合成类型,同时诱导,：即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几个酶合成，它主要存在于短代谢路径中。比如，将乳糖加入到Ecoli培养基中后，即可同时诱导出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶合成；,次序诱导,：即先合成能分解底物酶，再依次合成份解各中间代谢物酶，以到达对较复杂代谢路径分段调整。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第42页,2阻遏,在微生物代谢过程中，当代谢路径中某末端产物过量时，除可用前述反馈抑制方式来抑制该路径中关键酶活性以降低末端产物生成外，还可经过阻遏作用来妨碍代谢路径中包含,关,键酶在内一系列酶生物合成，,从而更彻底地控制代谢和降低末端产物合成。,阻遏作用有利于生物体节约有限养料和能量。,阻遏类型主要有,末端代谢产物阻遏,和,分解代谢产物阻遏,两种。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第43页,（1）末端产物阻遏,指由某代谢路径末端产物过量累积而引发阻遏。对直线式反应路径来说，末端产物阻遏情况较为简单，即产物作用于代谢路径中各种酶，使之合成受阻遏。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第44页,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第45页,对分支代谢路径来说，情况就较复杂。每种末端产物仅专一地阻遏合成它那条分支路径酶。,代谢路径分支点以前“公共酶”仅受全部分支路径末端产物阻遏，此即称,多价阻遏作用。,末端产物阻遏在代谢调整中有着主要作用，它可确保细胞内各种物质维持适当浓度。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第46页,（,2,）分解代谢物阻遏,现象：,当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快底物会阻遏与利用慢底物相关酶合成。,原因：,阻遏并不是因为快速利用底物直接作用结果，而是,由这种底物分解过程中产生中间代谢物引发，,所以称为分解代谢物阻遏,分解代谢产物阻遏,葡萄糖效应,二次生长现象,大肠杆菌利用混合碳源生长时时，发觉葡萄糖会抑制其它糖利用,大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖培养基中，优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数生长久中间第二个生长停滞期,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第47页,1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；,单独加入乳糖时，菌体生长有显著延迟期；,2.同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第48页,（二）酶合成调整机制,酶合成诱导操纵子学说：,操纵子（operon）：是基因表示和控制一个完整单元，其中包含,开启基因(,promoter)、,操纵基因,(operator)和,结构基因,(Structural gene)3部分。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第49页,开启基因,是一个能被依赖于DNARNA多聚酶所识别碱基次序，它既是RNA多聚酶结合部位，也是转录起始点；,操纵基因,是位于开启基因和结构基因之间一段碱基次序，能与阻遏物（一个调整蛋白）相结合，以此来决定结构基因转录是否能进行；,结构基因,则是决定某一多肽DNA模板，可依据其上碱基次序转录出对应mRNA，然后再可经过核糖体而转译出对应酶。一个操纵子转录，就合成了一个mRNA分子。,调整基因,用于编码组成型调整蛋白基因。调整基因普通位于对应操纵子附近。,效应物,是一类低分子量信号物质（如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），,包含诱导物和辅阻遏物,两种，它们可与调整蛋白相结合以使后者发生变构作用，并深入提升或降低与操纵基因结合能力。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第50页,色氨酸操纵子模型,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第51页,操纵子分两类:,一类是,诱导型操纵子,，只有当存在诱导物（一个效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。,另一类是,阻遏型操纵子,，只有当缺乏辅阻遏物（一个效应物）时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵子所编码酶合成，只有经过去阻遏作用才能起动。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第52页,腺苷酸环化酶,乳糖操纵子模型解释分解代谢物阻遏机制,乳糖操纵子开启基因内，除RNA聚合酶结合位点外，还有一个称为CAP-cAMP复合物结合位点,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第53页,cAMP 是环腺苷酸，CAP是降解物基因活化蛋白（又称为cAMP受体蛋白，CRP），当CAP与cAMP结合后，就会被活化。,CAP-cAMP复合物又会激活开启基因，并使RNA 聚合酶与开启基因结合。,乳糖与葡萄糖同时存在时，因为分解葡萄糖酶类属于组成酶，能快速地将葡萄糖降解成某种中间产物（X），X既会阻止ATP环化形成cAMP，同时又会促进cAMP分解成AMP，从而降低了cAMP浓度，继而阻遏了与乳糖降解相关诱导酶合成。,只有当葡萄糖耗尽后，cAMP才能回升到正常浓度，操纵子重新开启，并开始利用乳糖作为碳源，形成菌体二次生长。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第54页,当代谢产生末端代谢产物色氨酸后，色氨酸作为效应物与原阻遏物结合，使后者发生变构效应，并能与操纵基因结合，从而阻止了结构基因表示,酶阻遏色氨酸操纵子模型,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第55页,三、,调控理论应用,食品发酵目标：,大量积累人们所需要微生物代谢产物。,代谢人工控制：,人为地打破微生物代谢控制体系，使代谢朝着人们希望方向进行。,人工控制代谢伎俩：,改变微生物遗传特征(遗传学方法）；,控制发酵条件（生物化学方法）；,改变细胞膜透性。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第56页,(一),遗传学方法,1、筛选抗反馈突变株,如:对诱变后菌种用终产物结构类似物，筛选对终产物积累不敏感细胞株。,产生原因：,1）酶结构发生改变；,2）酶系统发生改变。,所以细胞不受终产物反馈抑制，产生过量产物。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第57页,(一)遗传学方法,2、营养缺点型菌株应用,（1）对于直线式代谢路径：选育营养缺点性 突变株只能积累中间代谢产物,A B C D E,a,b,c,d,=,=,末端产物E对生长乃是必需，所以，应在培养基中限量供 给E，,使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调整,（阻遏或抑制），这么才能有利于菌株积累中间产物C。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第58页,分支代谢路径：,情况较复杂，可利用营养缺点性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利 用双重缺点发酵生产中间产物。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第59页,分支路径赖氨酸生产,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第60页,(2)应用抗反馈调整突变株解除反馈调整,抗反馈调整突变菌株，就是指一个对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性组成型菌株，或兼而有之菌株。,在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量末端代谢产物。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第61页,（二）生物化学方法,1、添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生。,2、添加诱导剂：从提升诱导酶合成量来说,最好诱导剂往往不是该酶底物，而是底物衍生物，,3、发酵与分离过程耦合：,4、控制发酵培养基成份：,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第62页,（三）控制细胞膜渗透性,使胞内代谢产物快速渗漏出去,解除末端产物反馈抑制。,1、用生理学伎俩 直接抑制膜合成或使膜受缺损。,如:在Glu发酵中，生物素引发膜透性下降。把生物素浓度控 制在亚适量可大量分泌Glu。,2、利用膜缺损突变株 油酸缺点型、甘油缺点型。,如:用谷氨酸生产菌油酸缺点型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损膜，使细胞膜发生渗漏而提升谷氨酸产量。,微生物的代谢调控与发酵生产技术培训,第63页,