第四章 发酵机制.ppt

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,本章的教学内容,第一节 糖嫌气性发酵产物发酵机制,第二节 柠檬酸发酵机制,第三节 氨基酸发酵机制,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,（,glycolysis,),是指葡萄糖,经,EMP,途径生成丙酮酸后，,在无氧条件下,继续降解,并释放出能量的过程,。,NADH,2,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。,糖酵解途径的特点,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；,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）。,催化糖酵解反应的酶主要有激酶、变位酶、异构酶和脱氢酶；,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；,不同机体和不同代谢条件下，丙酮酸代谢去路不同。,1,、酒精发酵机制,由葡萄糖生成乙醇的总反应式,:,理论转化率,:,巴斯德效应,A,、定义,:,在好气条件下,酵母发酵能力降低,(,或乙醇的 积累减少,或细胞内糖代谢降低,),的现象。,B,、机制,:EMP,途径中磷酸果糖激酶在有氧时受,TCA,循环,中间代谢产物的反馈调节。,(1).,磷酸果糖激酶为变构酶,抑制剂：,ATP,、柠檬酸和 其它高能化合物,;,激活剂,:AMP,和,ADP,。,(2).,好气条件下,进入,TCA,循环,产生的高柠檬酸量反 馈阻碍酶的合成,大量的,ATP,反馈抑制酶的活性。,(3).6-,磷酸果糖积累对,EMP,途径进行抑制,导致葡萄糖 利用降低。,酒精发酵中副产物的生成,(1).,杂醇油,A.,定义,:,碳原子数大于,2,的脂肪族醇类的统称。,B.,组成：正丙醇、异丁醇、异戊醇和活性戊醇等。,C.,形成途径,:,氨基酸氧化脱氨作用,;,葡萄糖直接生成。,(2).,甲醇 果胶（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水解生成。,(3).,酯类 发酵过程产生的醇类和酸类经酯化生成。,2,、乳酸发酵机制,同型乳酸发酵,总反应式为,:,理论转化率,:,:,异型乳酸发酵,A.6-,磷酸葡萄糖酸途径,总反应式为,:,C,6,H,12,O,6,CH,3,CHOHCOOH+CH,3,CH,2,OH,理论转化率,:,(90/180)100%=50%,B.,双歧途径,总反应式为,:,2C,6,H,12,O,6,2CH,3,CHOHCOOH+3CH,3,COOH,理论转化率,:,(290)/(2180)100%=50%,3,、甘油发酵机制,A.,亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）,B.,碱法甘油发酵,(,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.,柠檬酸生物合成途径,葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为,:2C,6,H,12,O,6,+3O,2,2C,6,H,8,O,7,+4H,2,O,理论转化率为,106.7%2.,柠檬酸生物合成的代谢调节,(1).,糖酵解及丙酮酸代谢的调节 磷酸果糖激酶,(PFK),是调节酶,柠檬酸和,ATP,对该酶抑制,AMP,、,Pi,和,NH,4,+,对酶激活,;NH,4,+,在细胞内浓度升高,解除胞内积累的大量柠檬酸对酶的抑制,;,柠檬酸合成有关酶的调节性质,酶,激活剂,抑制剂,磷酸果糖激酶,NH,4,+,、,AMP,、,Pi,柠檬酸、,PEP,、,ATP(,浓度较高时,),丙酮酸激酶,NH,4,+,、,K,+,丙酮酸羧化酶,K,+,天冬氨酸、,Pi,柠檬酸合成酶,NH,4,+,、,K,+,CoA,、,ATP-Mg,异柠檬酸脱氢酶,柠檬酸、,NADPH,、,-,酮戊二酸,琥珀酸脱氢酶,草酰乙酸,结论,:,Mn,2+,缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞内,NH,4,+,水平升高而减少柠檬酸对,PFK,的抑制，促进了,EMP,途径的畅通。,(2).CO,2,固定化反应,丙酮酸,+CO,2,+ATP,丙酮酸羧化酶,草酰乙酸,+,ADP+Pi,磷酸烯醇丙酮酸,+CO,2,+,ADP+Pi,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,草酰乙酸,+,ATP,结论,1:,在组成型的丙酮酸羧化酶作用下,丙酮酸固定化,CO,2,生成草酰乙酸,保证柠檬酸的积累。,结论,2:,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰,CoA,和,CO,2,固定两个反应平衡,保持了柠檬酸合成能力,。,(3).,三羧酸循环的调节,结论,:,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酸脱氢酶的催化反应,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,=90,：,3,：,7 A.,络合剂,(,亚铁氰化钾,),除去,Fe,2+,顺乌头酸水合酶的活性被抑制。,B.,柠檬酸的积累使,pH,值下降,在低,pH,值下,顺乌头酸水合酶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。,第三节、氨基酸发酵机制,(,一,),、氨基酸发酵的机制和代谢控制,1,、氨基酸发酵机制主要包括：谷氨酸族,(,谷、瓜、鸟、精氨酸等,),、天冬氨酸族,(,赖、苏、蛋等,),、芳香族,(,苯丙、酪、色氨酸等,),、分枝链,(,亮、异亮、缬氨酸等,),。,2,、氨基酸发酵代谢控制的一般措施：,A,、控制发酵的环境条件；,B,、控制细胞渗透性；,C,、控制旁路代谢；,D,、消除终产物的反馈调节作用,E,、降低反馈作用物的浓度；,F,、促进,ATP,的积累,(,二,),、谷氨酸发酵机制,1.,谷氨酸生物合成途径：,EMP,途径、,HMP,途径、,TCA,循环、,DCA,循环、,CO,2,固定作用,2.,谷氨酸生物合成途径的控制,(1).,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,:A.-,酮戊二酸脱氢酶应丧失或仅有微弱的活力。,B.CO,2,固定反应的酶系强,使四碳二羧酸全部是由,CO,2,固定 反应提供,而不走乙醛酸循环,以提高对糖的利用率。,C.,谷氨酸脱氢酶的活力很强,并丧失谷氨酸对谷氨酸脱 氢酶的反馈抑制和反馈阻遏。,(2).,氨的导入和控制,氨的导入主要方式,:,糖代谢中间体还原氨基化,;,天冬氨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,NH,4,+,的影响。使用生物素缺乏菌,在,NH,4,+,存在时,葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸,;,当,NH,4,+,不存在时,糖的消耗速度很慢,生成物是,-,酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。,NADP,为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和,NADPH+H,+,为辅酶的 谷氨酸脱氢酶形成共轭反应,NADP,浓度是实际上的 限速因子,添加氧化还原电位与,NADP,相似的氧化还 原染料,并通以电流可促进还原氨基化作用,增加谷 氨酸产量。,(3).,控制细胞渗透性,A,、,控制生物素、油酸浓度或添加表面活性剂如吐温,80,、阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的改变,尤其是改变油酸含量,从而改变细胞膜通透性；,B,、加入青霉素或控制,Mn,+,、,Zn+,浓度。抑制细胞壁的合成,由于细胞膜失去细胞壁的保护,细胞膜受到物理损伤,从而使渗透性增强。,C,、生产中菌种选育模型与控制方法,:,生物素缺陷型,;,油酸缺陷型,;,甘油缺陷型等。,(4).,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型例子。主要的影响因子有：溶解氧、,NH,4,+,、,pH,、磷酸生物素、醇类和,NH,4,Cl,。,第,四节 抗生素发酵机制,1,、抗生素的生物合成类型,A.,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；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,B.,糖类衍生物,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；其他糖甙抗生素：新生霉素等。,C.,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；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。,2,、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：,3,、链霉素的生物合成机制,链霉素的化学结构如下：,4,、抗生素生物合成的代谢调节方式,(1),、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。在细胞生长阶段,负责次级代谢产物合成的酶受到阻遏。,A.,诱导因子在生长期末积累或从外源加入,;B.,初级代谢的终点产物耗尽,;C.,易被利用的糖源分解代谢物被利用后,便解除了阻遏作用,;D.,高能化合物,ATP,形成减少后，阻遏作用也就解除,;E.,在生长期，,RNA,聚合酶只能启动生长期基因的转录作用；当生长停 止后,酶的结构改变,允许,RNA,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。,(2),酶的诱导作用,在抗生素合成期,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,(,外源和内源诱导剂,),。,(3),分解代谢产物的调节控制,碳、氮分解代谢产物,(,如葡萄糖,),阻遏和抑制作用,抑制抗生素合成。解除分解产物阻遏的方法,:A.,选育对葡萄糖代谢产物类似物抗性突变型,;B.,培养过程中利用缓慢的碳源,连续流加葡萄糖,;C.,使用含有慢慢向培养基内渗透营养物质的颗粒。,（,4,）磷酸盐的调节,抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的“亚适量”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：,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。,B.,改变代谢途径。,C.,磷酸盐可调节细胞内,ATP,的形成。,(5),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相关性。因此要选育生产能力强的抗反馈调节的突变菌株。,(6),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,:A.,有一条共同的合成途径,当初级代谢产物积累时,反馈抑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。,B.,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。,(7),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。在青霉素发酵中,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。,(8),次级代谢的能荷调节,A.,能荷调节机制对次级代谢途径的控制是有效的。,B.,金霉菌菌株的,ATP,含量在生长期中迅速增加,而在金霉素形成期,ATP,含量迅速下降,并保持在较低的水平上。低产菌株的,ATP,量始终比高产茵株大,24,倍。,C.,高浓度的磷酸盐可增加细胞内,ATP,的形成。,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。,