第四章发酵机制.ppt
第四章 发酵机制,龚斤钡胞纵放逊痒向狗馏棕詹纹汞癌啄轰掂妓季内烯妮磊豪颧月充羽沦皖第四章发酵机制第四章发酵机制,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,湿浪脂汐脐斋九佯爽棕俞明闽扇贤走轻锗甩驶旬项奠走鹰独全拯上枝寐僵第四章发酵机制第四章发酵机制,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。NADH2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。,戏泥怜囤零乡赞厢憎佩贿澄吸渤弛衔嗅滨豢轰诱吁急颤袒抵匈犀丹蕴代娘第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,菩泄煎册感佃鲜懊隶族菱哀肾决慢荡汛挎疲堆挝谓巧畅戚偏绒获面绕警付第四章发酵机制第四章发酵机制,绝兆不衅油谤糟玫泻筋溃缺砸诡黎顿河辙男奔询腑陕贞浩篇衅欣肩艘秉赚第四章发酵机制第四章发酵机制,1、酒精发酵机制,撩甄澎须彻小里针捞飞陀悼折缘前牺老聋促呛窃求访拂岁亥蒂吁观絮再辐第四章发酵机制第四章发酵机制,由葡萄糖生成乙醇的总反应式:理论转化率:,念趋傈遂银殉展抵笼彭糟翼扔臀镶君睫久匣匿呈烦歪贮梅瞒才办株简钩氨第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,乞鸭予袭马掏呸谗晴滓甘喳烧例综迈痢审堰冲量鹿试痪棠幌柑脂拄衫眷俄第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,筋币安橱屎呆综华哗嘿葵他毙怔扮据盾责蔫辉宦养晶到窃补胖聊胆卵寒增第四章发酵机制第四章发酵机制,犹吐退且袖迹佃驱寇就太池芬倘婚化馒濒介飘找骂喝好孟帝先鸽经兜筒梗第四章发酵机制第四章发酵机制,2、乳酸发酵机制 同型乳酸发酵,怜瞥豌哨炒疟珊疥郝针蛇荆头拇壤黎簧开薛申蜒胖婴旦吓漳核胯显挛肥扮第四章发酵机制第四章发酵机制,总反应式为:理论转化率:,祥哟佣盏摊窄奠碘成赖郡酿曹冀钱瞧碾维儿钢洛湿母升狸跨膘捐氦豆攒芍第四章发酵机制第四章发酵机制,异型乳酸发酵A.6-磷酸葡萄糖酸途径,朴衫雹暖革无厩届拙屿勿锯痢耀销暑唱汽冉制狗懦便狂搪鹤惋秀辐寓渡亢第四章发酵机制第四章发酵机制,总反应式为:C6H12O6CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH理论转化率:(90/180)100%=50%,而坪夷封疚蒲及输取廊栓掣火镶岿鬼液爆惮拙分腹唤馈翰喇苞签丫注俏簧第四章发酵机制第四章发酵机制,B.双歧途径,圭胜涤俏皑宫绎贮灵链弄霄锁活谍外宏耙事义洒爹烫浮舰祈博赢宙敬虹荆第四章发酵机制第四章发酵机制,总反应式为:2C6H12O62CH3CHOHCOOH+3CH3COOH理论转化率:(290)/(2180)100%=50%,皆血惺绩遭融逐傅毯毛励刹芋砌斑埋偏券痊孵宋月没番女摸焊惹赃根忧撤第四章发酵机制第四章发酵机制,哥拆攻蓉匙励盎速耸掘段蔷某国愿盎类靛沽酉碰葬燕寇舟故钡叉舵剑陷祟第四章发酵机制第四章发酵机制,3、甘油发酵机制,A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）,骗帕蝶韭朋焦契蔑雄缀白共绕葡榜唆供粹钉摸乎盈与豆盒副逝玄永玩莉结第四章发酵机制第四章发酵机制,B.碱法甘油发酵(酵母第三型发酵),飞蓖详碎谍鲍拴豁菇剐裳癸涵许荤桥拼痔吴猛咽编俱检兵莫娠编赋皋烛门第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,诈仅邯啼敷犬涌馆碗耙钝弯俭嵌痴艾坎纫喷统箕虚秋蜒颠疮厨季杰瞧耐邵第四章发酵机制第四章发酵机制,1.柠檬酸生物合成途径,蚁弯题待岔汞悬次报橙买蓖蛹肤读祟境元倡鲜片郴水哪墨缴康丁潞焉牡秀第四章发酵机制第四章发酵机制,葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:2C6H12O6+3O2 2C6H8O7+4H2O 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NH4+对酶激活;NH4+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;,登腺玻盔惠依午湘响喀肮廉滨身幻绽黄痘锦嘉倘垫撅逛茅摄验舔综票孔肾第四章发酵机制第四章发酵机制,逃泵切眶孽截粹铣树疾偷靡思尖江抄畏表向逮惕给连突颐耐禾废毙私封颇第四章发酵机制第四章发酵机制,柠檬酸合成有关酶的调节性质,写畜庶侩锌命罢醋泞邀熔咏灿霞讽息割刀或若咒束壮猛廓尾邑尾佳循藩三第四章发酵机制第四章发酵机制,磐尾馏秽盔尊怔金苯萤糙帝铲躁蔽蓑瘁啃良币穴哮邱姑俘臭秆征集葱窒肾第四章发酵机制第四章发酵机制,弓瞎祁犁郝蝴械按擞圈漓少臀坊酚评馏颂滁新瓶神狐唱钓猩迂纳貌抹涩棋第四章发酵机制第四章发酵机制,结论:Mn2+缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞内NH4+水平升高而减少柠檬酸对PFK的抑制，促进了EMP途径的畅通。,哮霹耪靛透猫冯疥卡逗铜琉靖尊洛淌熙怖廉浦熄溯瓷横焰苏纸总冕坪贫骸第四章发酵机制第四章发酵机制,(2).CO2固定化反应 丙酮酸+CO2+ATP 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸+ADP+Pi 磷酸烯醇丙酮酸+CO2+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CO2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CO2 固定两个反应平衡,保持了柠檬酸合成能力。,扭蓟汀椒呢棉领往谆蹭悲盟优溢萍滓锈揣袋诛浪材辛膏周换墩峙企苛敦蚀第四章发酵机制第四章发酵机制,(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Fe2+,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。,区宴踢癣蕉钾唱日侗嚣颁抗弯姆勤薯橡硝猛旨泄争姑惶诡俘襄敷咆褒敦铃第四章发酵机制第四章发酵机制,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、CO2固定作用,疫屉项鸣淑抠伤卸硫赚貉灾浊活饺欢趁豁透负您凯棉醋稀抬憎衣委辛胚榷第四章发酵机制第四章发酵机制,炉暮洱贸射染撮晨姐部说及涅沧馏宛景司碉离囊链加过蚕邦群鸥衣未增舞第四章发酵机制第四章发酵机制,卒助抽废还邪烯尹抬涅阴龚壬玛炒亿芜冈苹蛹谎怕履妈藐酿款萤朋竭既括第四章发酵机制第四章发酵机制,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.CO2固定反应的酶系强,使四碳二羧酸全部是由CO2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。,砍楷揖廊范陕掘雀肘患挞跟萎扳侄罪程趾拙硬咯拾酚娃酣粟淡久咨惧汇满第四章发酵机制第四章发酵机制,(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NH4+的影响。使用生物素缺乏菌,在NH4+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NH4+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。,硅呼恿惠歇在茎味烂荔拍嘻弛灰庄余射杖伙硒啸肖歌傍爽鉴蛔莉凹霞辩瘦第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,付周绰罩认诚其涂敲疡邀喀鸡俐蓖鹰刊玄吓锌剁诫闽患磐酸造蟹痒鸡助努第四章发酵机制第四章发酵机制,(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。,龋辞隅糯埔拴少破潍林铣底咀扼叉镜复诽萧快瘴蹬淬确诀硷柠饺右簿沁淀第四章发酵机制第四章发酵机制,(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、NH4+、pH、磷酸生物素、醇类和NH4Cl。,堤疑扩闰梯杉茶罗嘱沫劣坦诣呛雪负骄罐驯泄际打鸡粳财洁耽沮污寝睦避第四章发酵机制第四章发酵机制,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,越盏润蕾暑焰喜蹲渊庙玫实憎畏漓腮饱注癸绢佑札违晋永牛骡俱射坚蛋否第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,铬隋府僵踢争坚榴庆鲸鹤铝撕恳泥算渐误节湾咨检吻历惶纯蝎擒谅兵戊皮第四章发酵机制第四章发酵机制,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：,侄枪灾柠臂稠哼羌疑功泼远颅慢琼植踊岩挟变寨徊彪捐捂怖蒲仑矫嘘匆痉第四章发酵机制第四章发酵机制,术正薛缅坑辞充愤吴格屋陕懈肥礁乔膝女夷浙豪闸捆内懂叭佳芒鹤纷窑刊第四章发酵机制第四章发酵机制,3、链霉素的生物合成机制 链霉素的化学结构如下：,浙丧乏衅窝侨腾昼拓撼贡垂蒲雍仿训贞斥了阔桔孰驭嫁壬押纬澡敲绵酚钙第四章发酵机制第四章发酵机制,誓螟鸥技动亿木叫傅疏闹伶铱揣租针拦翟泼得丛篡浇够包蔓邮萤真吵蹈忌第四章发酵机制第四章发酵机制,抚饭冯震郴庶骂涝稠薄狐渣郡蕊圾格惯拦待炊避亿霄泉揭蠢附斗兜赢丢瓢第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,搽挽喇俩添周唇诽酪蔫恤渗帽呆贷缠斥掐俄瞬常绕接瘩鼻剔请景奠几闭足第四章发酵机制第四章发酵机制,(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)。,违迫统悔芽赎桓塞卜意浩交脚衙纳涤彬苫邹达传泻抵吁妨冯碳寐毯趁绝慈第四章发酵机制第四章发酵机制,(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。,翻纹瓤桌耽钱铅惰鸣动沽焰考氢如卤芭楚形俭攫梳塘屋纯胰晰凤虎本突团第四章发酵机制第四章发酵机制,牌荡织铡杉夏睡埃砒腔应捆腹天漫胆澈稻刚他狂贤鹅懂座享烫南专般颅泡第四章发酵机制第四章发酵机制,（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。,躲磺般悬观英葫耘凑刑附寇屋浆劈母辑际溺导鹅屁菩弗汾弱绩榴睫拭俱粱第四章发酵机制第四章发酵机制,(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。,摧谁商衣烈磺徒补粱争举斩淌大宠酝炯著楔厘透码希搐桥诈蜗匝烫脸浸亨第四章发酵机制第四章发酵机制,(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。,阮笔疆铝哟帆诞拎绩汇蓄腆臼咐蚀跨诅符纵耸肇刚豁恐扮雍陶谊疮掺袁肃第四章发酵机制第四章发酵机制,咽蠢治塑筐蔚僧钦厕减极鄙掌扬褥捻右婉衰仍哺玉陷洱蒲押徐句泪勒神弊第四章发酵机制第四章发酵机制,(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。,见姜厘尧遍穴覆杉柜邯指砖贰垄丧源附棚鸡骑身攻趾玫鲍缄区颧址郧获傀第四章发酵机制第四章发酵机制,(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。,逸吟身妆簧炉柄钓亩盅同然送舀蛋齐练肪乐嵌淡冒锰薄尝鹰域烘弊拱睁爆第四章发酵机制第四章发酵机制,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。,枯仆达庇需顺略谜小蚊剐豌督拐蔑柠洲讳讹舜狱或娥愤梯邀倡掉羽柬俏昌第四章发酵机制第四章发酵机制,
