發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學(xué)

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1、Presentation 報告題目登記,從本節(jié)課程開始到周四晚上截止，請每組選擇一名代表，將本組報告的題目發(fā)送的我的郵箱（Yk_36_）中，請按照下面的內(nèi)容填寫，將按照郵件發(fā)送到本人郵件的時間來確定先后順序。內(nèi)容填寫不完全者或匯報內(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)用和開發(fā)（來源、應(yīng)用范圍、工業(yè)預(yù)處理及配套政策）； 2、計算機技術(shù)、自動化技術(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)化實例。 以上每個題目限報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)酵機制及發(fā)酵動力學(xué),發(fā)酵機制是指微生物通過其代謝活動，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、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、有機酸、氨基酸、核苷酸類、蛋白質(zhì)、抗生素、維生素、脂肪、多糖類等。 微生物具有極其精確的代謝控制系統(tǒng)，能確保細胞內(nèi)所有生化反應(yīng)有條不紊的進行并制止中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物的過量積累。必須人為改變微生物的代謝調(diào)控機制，使有用中間代謝產(chǎn)物過量積累，同時利用環(huán)境因素對代謝方向產(chǎn)生影響，這就是發(fā)酵機制的研究內(nèi)容。 發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中菌

3、體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。其研究內(nèi)容包括微生物生長過程中質(zhì)量和能量的平衡，發(fā)酵過程中菌體生長速率、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)酵動力學(xué)的目的在于設(shè)計和優(yōu)化發(fā)酵動力學(xué)模型，并以此為依據(jù)，利用計算機來設(shè)計程序，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)控機制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動力學(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)控機制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動力學(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）微生物初級代謝及產(chǎn)物 初級代謝是指微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所需要的物質(zhì)和能量的過程。 初級代謝產(chǎn)物：由初級代謝過程所產(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)、酯類和核酸等）。,（二）微生物的次級代謝及產(chǎn)物,次級代謝是指微生物在一定的生長時期，以初級代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質(zhì)的過程。這一過程的產(chǎn)物，即為次級代謝產(chǎn)物。 次級代謝產(chǎn)物大多是一類分子結(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（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產(chǎn)物。抑制細菌細胞壁合成，破壞細胞質(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。 毒素：細菌毒素和真菌毒素。細菌毒素又分為內(nèi)毒素和外毒素。 激素：微生物能產(chǎn)生刺激動物生長或性器官發(fā)育的激素類物質(zhì)，稱激素，如赤霉素、生長素等。,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)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。生物氧化的形式包括某物

6、質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或失去電子三種；生物氧化的過程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個階段；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)）脫氫的三個階段以及各階段的類型和細節(jié)的順序來討論化能異養(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)（tricarboxylicacidcyc

7、le）,1、EMP途徑（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）,又稱糖酵解途徑（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),在無氧條件下，丙酮酸或其進一步代謝后所產(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

8、二醇等大量重要發(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，有時也稱戊糖磷酸途徑、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2-酮-3-脫氧-6-

9、磷酸葡糖酸（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，在其他生物中還沒有發(fā)現(xiàn)。其特點是葡萄糖只經(jīng)過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)生乙醇的過程與傳統(tǒng)的由酵母菌通過EMP途徑生產(chǎn)乙醇不同，因此稱作細菌酒精發(fā)酵。 利用Z.mobilis等細菌以生產(chǎn)酒精，是近年來正在開發(fā)的工業(yè)，它比傳統(tǒng)的酵母酒精發(fā)酵有許多優(yōu)點：（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。當然，細菌酒精發(fā)酵也有其缺點，主要是其生長PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），

10、其次是細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；在原核生物例如細菌中，大多數(shù)酶都存在于細胞質(zhì)內(nèi)。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細菌中都是結(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,遞氫和受氫過程,在生物體中，貯存在葡萄糖等有機物中的化學(xué)能，經(jīng)上述的多種途徑脫氫后，經(jīng)過呼吸鏈

11、（或稱電子傳遞鏈）等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）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）、無氧呼吸和發(fā)酵三種類型。,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行，因此又稱有氧呼吸（aerobic respiration）。,2無氧呼吸（ana

12、erobicrespiration） 無氧呼吸又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物（個別是有機物延胡索酸）受氫。,根據(jù)呼吸鏈末端的最終氫受體的不同，可把無氧呼吸分成以下多種類型：,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生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式；而在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵僅是指在無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給某一

13、內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(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)控機制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制 第四節(jié) 微生物發(fā)酵動力學(xué),微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。 微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，例如可調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞膜而進入細胞的能力，通過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，它包括兩個方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細調(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)，以達到最佳調(diào)節(jié)效果。

14、 利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過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)的實際例子將在本節(jié)后部分進行介紹。,一、酶活性的調(diào)節(jié),酶活性的調(diào)節(jié)是指通過對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)的改變而實現(xiàn)，主要方式有反饋抑制和酶的共價修飾兩種，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。 1、酶活性的激活 最常見的酶活性的激活是前體激活，它常見于分解代謝途徑，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產(chǎn)物所促進。 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）過量時，這個產(chǎn)物對

15、該途徑前段的某一個酶活性的抑制現(xiàn)象。通常抑制的是反應(yīng)途徑的第一個酶（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 這是一種最簡單的反饋抑制類型，過量的終產(chǎn)物抑制途徑的第一個酶，就能很好的控制整個反應(yīng)過程。,（1）同工酶調(diào)節(jié)：其特點是在分支途徑中第一個酶有幾種結(jié)構(gòu)不同的一組同工酶，每一分支代謝產(chǎn)生的終產(chǎn)物只對一種同工酶具有反饋抑制作用，只有當幾種種產(chǎn)物同時過量時，才能完全阻止反應(yīng)的進行。,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，為避免在一個分支上的產(chǎn)物過多，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

16、中，幾種末端產(chǎn)物同時都過量時，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用，若某一末端產(chǎn)物單獨過量則對途徑的第一個酶無抑制作用。,（3）累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產(chǎn)物過量時都能對共同途徑中第一個酶起抑制作用，而且各種末端產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當各種末端產(chǎn)物同時過量時，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末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應(yīng)步驟，造成分支點上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個酶的活性，因此，只有當兩個末端產(chǎn)物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑制作用。,二、酶合成的調(diào)節(jié),酶合成的調(diào)節(jié)是指酶

17、在數(shù)量上和種類上的調(diào)節(jié)。這是一種緩慢調(diào)節(jié)，通過改變酶分子合成的速度實現(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)，是指促進細胞內(nèi)酶的合成；另一種是代謝產(chǎn)物對酶生成的阻遏，是指細胞內(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)物的反饋阻遏。 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。 組成酶，如EMP途徑的有關(guān)酶類。 誘導(dǎo)酶則是細胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶，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。能促進誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物。又可分為同時誘導(dǎo)和順序誘導(dǎo)。

18、,藍白斑篩選原理,野生型大腸桿菌產(chǎn)生的-半乳糖苷酶可以將無色化合物X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚--D-半乳糖苷)切割成半乳糖和深藍色的物質(zhì)5-溴-4-靛藍。有色物質(zhì)可以使整個培養(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146個氨基酸的短肽（即肽鏈），從而不具有生物活性，即無法作用于X-gal產(chǎn)生藍色物質(zhì)。,藍白斑篩選的載體：具有一段稱為lacz的基因，lacz中包括：一段-半乳糖苷酶的啟動子；編碼肽鏈的區(qū)段；一個多克隆位點(M

19、CS)。MCS位于編碼肽鏈的區(qū)段中，是外源DNA的選擇性插入位點，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法單獨編碼有活性的-半乳糖苷酶，但當菌體中含有帶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的端缺陷的-半乳糖苷酶突變體互補，具有與完整-半乳糖苷酶相同的作用X-gal生成藍色物質(zhì)的能力，這種現(xiàn)象即-互補。操作中，添加IPTG(異丙基硫代---半乳糖苷)以激活lacz中的-半乳糖苷酶的啟動子，在含有X-gal的固體平板培養(yǎng)基中菌落呈現(xiàn)藍色。,插入失活：當外源DNA（即目的片斷）與含lacz的載體連接時，會插入進MCS，使肽鏈讀碼框破壞，這種重組質(zhì)粒不再

20、表達肽鏈，將它導(dǎo)入宿主缺陷菌株則無互補作用，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 在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式，還可通過阻遏作用來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（

21、圖6-59）。 分支代謝途徑：每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價阻遏作用。也就是說，任何單獨一種末端產(chǎn)物的存在，都沒有影響，只有當所有末端產(chǎn)物都同時存在時，才能發(fā)揮出阻遏功能。,（2）分解代謝物阻遏 指細胞內(nèi)同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會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，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產(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

22、，某些中間代謝物或末端代謝物的過量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始利用乳糖，這就產(chǎn)生了在兩個對數(shù)生長期中間隔開一個生長延滯期的“二次生長現(xiàn)象”。,大腸桿菌的“二次生長”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。 包括三個方面： （一）應(yīng)用營養(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）控制細胞膜的滲透性,（一）應(yīng)用營養(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

23、過解除某種反饋調(diào)節(jié)，就可以使某一分支途徑的末端產(chǎn)物得到累積。 舉例1：賴氨酸發(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氨酸的發(fā)酵菌種。這個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解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。,（三）控制細胞膜的滲透性,細胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過

24、反饋阻遏限制了它們的進一步合成。采取生理學(xué)或遺傳學(xué)方法，可以改變細胞膜的透性，使細胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏到細胞外。 1通過生理學(xué)手段控制細胞膜的滲透性,2通過細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)控機制 第三節(jié) 重要發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵機制 （一）糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制 （二）氨基酸和核酸發(fā)酵機制 （三）抗生素發(fā)酵機制 第四節(jié) 微生物

25、發(fā)酵動力學(xué),一、糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機制,（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行，產(chǎn)生2分子的乙醇和2分子CO2。這又稱為酵母的“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-

26、磷酸甘油酯酶的催化下脫去磷酸，形成甘油。,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、細菌的“同型酒精發(fā)酵”：由Zymomonas mobilis（運動發(fā)酵單胞菌）等通過ED途徑進行。 葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP 3、細菌的“異型酒精發(fā)酵”：由Leuconostoc mesenteroides（腸膜狀明串珠菌 ）等通過HMP途徑進行。 葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP 此外，由于這三類酒精發(fā)酵所經(jīng)過的途徑是不同的，所以在發(fā)酵產(chǎn)物乙醇分子上的碳原子來源也是不同的。如果

27、將葡萄糖分子的不同碳原子進行14C標記，并測定14C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)物的過程。能進行乳酸發(fā)酵的細菌被稱為乳酸菌。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-磷酸進一步轉(zhuǎn)化為乳酸，乙酰磷酸經(jīng)兩次還原變?yōu)橐掖?；雙歧桿菌經(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)酵機制,,,,