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1、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。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。,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
2、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
3、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:C6H12O6CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH理论转化率:(90/180)100%=50%,B.双歧途径,总反应式为:2C6H12O62CH3CHOHCOOH+3CH3COOH理论转化率:(290)/(2180)
4、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: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;,柠檬酸合成有关酶的调节性质,结论:M
5、n2+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。,(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。,(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:
6、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。,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
7、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,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。,(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
8、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。,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
9、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、NH4+、pH、磷酸生物素、醇类和NH4Cl。,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
10、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
11、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
12、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
13、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。,
