《好氧发酵机制》PPT课件.ppt

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1、第四章 好氧发酵机制,2-羟基-丙烷三羧酸,有机酸发酵机制 氨基酸发酵机制 核苷酸发酵机制 抗生素发酵机制,第一节 有机酸发酵机制,柠檬酸的发酵机制,柠檬酸发酵机制 衣康酸发酵机制 葡萄糖酸发酵机制,柠檬酸发酵需要满足的环境条件选择能快速分解代谢的碳源，其浓度要高于50g/L磷酸盐浓度为亚适量用生理酸性无机氮源pH3过量通气，以保持高溶解氧量Mn2+、Fe2+、Zn2+含量要很低，特别是Mn2+的含量,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,葡萄糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,

2、3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,ATP,降低,抑制,抑制,激活,激活,关键酶,-酮戊二酸脱氢酶,葡萄糖,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰CoA,CO2,柠檬酸的生物合成途径,实现柠檬酸积累：一、设法阻断代谢途径，实现柠檬酸的积累二、代谢途径被阻断部位之后的产物，必须有适当的补充机制,CO2,ATP,ADP,CO2,ADP,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,丙酮酸羧化酶,顺乌头酸酶,阻断,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,葡萄糖,苹果酸,

3、草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,反馈抑制,CO2,参与嘌呤和嘧啶的合成,脂肪酸,天冬氨酸,参与蛋白质合成,参与蛋白质合成,柠檬酸积累的代谢调节,糖酵解及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高 NH4+浓度，高浓度NH4+可有效解除ATP和 柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。三羧酸循环的调节 及时补加草酰乙酸,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,ATP,ADP,果糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP

4、,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,2CO2,乙醛,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,糖酵解和酒精发酵的全过程,磷酸果糖激酶,活化,抑制,解除,柠檬酸,葡萄糖,6-磷酸-果糖,1，6-二磷酸-果糖,PEP,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,异柠檬酸,-酮戊二酸,琥珀酸,富马酸,马来酸,草酰乙酸,CO2,PK,PFK,Pi,NH4+,K+,AMP,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡

5、索酸,葡萄糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,CO2,乌头酸脱羧酶,Itaconic acid又称甲叉丁二酸，亚甲基琥珀酸产品为白色粉状结晶或无色结晶,衣康酸及其聚合物添加少量天然物质可制成高效除臭剂，可与氨、胺类碱性恶臭物及硫化氢等酸性恶臭物反应，还可以制成具有除臭功能的纸张、塑料膜等系列产品。,衣康酸与苯乙烯及丁二烯共聚可制成S.B.R乳胶，可用于纸张涂膜，使纸张强韧及印刷图案鲜艳；用于金属、混凝土涂料，易于着色且不受自然条件影响；用于油漆添加剂可提高油漆品质；用于地毯上浆可使合

6、成纤维地毯经久耐用。,衣康酸与丙烯酸或甲基丙烯酸或其酯类聚合制成树脂，可用于表面涂层及乳化漆。作为皮革涂层可增加皮革的可塑性；用作汽车、电器、冷库涂料具有粘着力强、色泽美观且抗恶劣气候等优点；用作电泳涂料具有优良的附着力；加入多价金属氧化物可制成挤压性能好、粘结力强、生理适应性好的牙科粘合剂；添加氯烷基二甲基苄基氯化铵可制成水溶性涂料，用于食品包装材料，可减少包装物表面细菌污染。,衣康酸制成酯类可用于油漆、弱酸性离子交换树脂、润滑油添加剂、粘结剂和增塑剂、粉压塑料以及密封胶。衣康酸用于其它衍生物可用作医药、化妆品试剂、润滑剂、增稠剂、除草剂以及改善丝毛织物性能。衣康酸是生产柠康酸、中康酸、衣康

7、酸酐等的原料。,Bentley学说Shimi学说,1.5葡萄糖,EMP,3乙醇,乙酸,琥珀酸,衣康酸,第二节 氨基酸发酵机制,氨基酸发酵的代谢控制 谷氨酸发酵机制 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸发酵机制,氨基酸发酵的代谢控制,控制发酵的环境条件氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。控制细胞渗透性通过改变细胞渗透性，实现谷氨酸的积累。,控制旁路代谢,D-苏氨酸,L-苏氨酸,-酮基丁酸,L-异亮氨酸,L-苏氨酸脱氢酶,反馈抑制,D-苏氨酸脱氢酶,降低反馈作用物的浓度,控制反馈作用物浓度是克服反馈抑制和阻遏，使氨基酸的生物合成反应能顺利进行的一种手段消除终产物的反馈抑制与阻遏通过使用抗氨基酸结构类似物

8、突变株的方法来进行促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,NADPH2,乙酰辅酶A,6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸核糖,3-磷酸甘油醛,果糖-1，6-二磷酸,苹果酸,丙酮酸,CO2,异柠檬酸,CO2,草酰乙酸,顺乌头酸,CO2,乳酸,NAD+NADH2,柠檬酸,NADP+,CO2,NADH2,NAD+,草酰琥珀酸,酮戊二酸,琥珀酸,延胡索酸,谷氨酸,NADPH2,NADP+,NADP+,NADPH2,乙醛酸,乙酰辅酶A,CO2,CO2,葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径,EMP途径,HMP途径,TCA循环,乙醛酸循环,谷氨酸发酵机制,天冬氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸羧

9、化酶,谷氨酸,N-乙酰谷氨酸,N-乙酰-谷氨酰磷酸,N-乙酰谷氨酸-半醛,N-乙酰鸟氨酸,鸟氨酸,瓜氨酸,精胺琥珀酸,精氨酸,负反馈控制,N-乙酰谷氨酸激酶,Arg-,Cit-,鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸发酵机制,谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换,乳酸和琥珀酸,酮戊二酸,（通气不足）,（适中）,（通风过量，转速过快）,NH4+,酮戊二酸,谷氨酸,谷氨酰胺,（适量）,（缺乏）,（过量）,pH值,谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺,谷氨酸,（pH值58，NH4+过多）,（中性或微碱性）,磷酸,缬 氨 酸,谷氨酸,（高浓度磷酸盐）,（磷酸盐适中）,生物素,乳酸或琥珀酸,谷氨酸,（过量）,（限量）,影响谷

10、氨酸产生菌细胞膜通透性的物质,生物素,油酸,表面活性剂,其作用是引起细胞膜的脂肪成分的改变，尤其是改变油酸的含量，从而改变细胞膜通透性,一,二：青霉素：抑制细胞壁的合成,O,=,C,HN,NH,HC,CH,H2C,C,S,H,（CH2）4,C,NH,BCCP赖氨酸残基,生物素羧基载体蛋白（biotin carboxyl carrier protein BCCP）,生物素,O,=,H,OH,+,H2O,ATP,ADP,CO2,生物素羧化酶,-,酶,BCCP-羧基生物素,BCCP-羧基生物素在转羧酶作用下，形成丙二酰CoA丙二酰CoA与乙酰CoA缩合并脱羧，生成丁酰CoA，如此反复进行合成高级脂肪

11、酸，再合成磷脂生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸的生成，从而影响了磷脂的生成，导致磷脂含量不足，使细胞膜结构不完全，从而提高细胞膜的通透性,表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的生物合成，导致形成磷脂含量不足的不完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外。,CH2OH,O,CH2OH,O,O,O,CH3-CH-C=O,NH,C,CH3,H,C=O,NH,C,H,-OOC,（CH2）2,C=O,C=O,NH,C,(CH2)4,H,OH,NH,C,=,O,CH3,NH,C,=,O,CH3,L-Ala,D-Glu,NH3+,NH,C,CH3,H

12、,C=O,L-Lys,D-Ala,（Gly）5,NAM,NAG,肽聚糖结构,N,H,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,D-ala,L-ala,D-glu,D-ala,gly5,gly5,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,gly5,gly5,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,NAG,NAM,NAG,NAM,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,L-ala,D-glu,DAPA,D-ala,

13、gly5,gly5,细胞壁的粘多肽结构,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,D-ala,谷氨酸,N-乙酰谷氨酸,N-乙酰-谷氨酰磷酸,N-乙酰谷氨酸半缩醛,N-乙酰鸟氨酸,鸟氨酸,瓜氨酸,精氨酸,反馈抑制,天冬氨酸,天冬氨酰胺磷酸,天冬氨酸半缩醛,高丝氨酸,苏氨酸,赖氨酸,天冬氨酸激酶,协同反馈抑制,N-乙酰谷氨酸激酶,第三节 核苷酸发酵机制,嘌呤核苷酸的生物合成途径 嘌呤核苷酸的代谢调节,嘌呤核苷酸的生物合成途径,全合成途径,补救途径,嘌呤核苷酸的代谢调节,HCO3-,C,N,C,C,C,N,N,

14、N,C,嘌呤环合成的原料来源,1,2,3,4,5,6,7,8,9,天冬氨酸,甘氨酸,谷氨酰胺,一碳单位,一碳单位,嘌呤核苷酸的全合成途径,5-磷酸核糖的活化IMP的合成由IMP生成AMP和GMP,葡萄糖,5-磷酸核糖,ATP,ADP,Mg2+，HPO42-PRPP合成酶,磷酸核糖焦磷酸（PRPP）,谷氨酰胺+H2O,谷氨酸+HP2O73-,5-磷酸核糖酸（PRA）,Mg2+,GAR合成酶,甘氨酸,ATP,ADP+Pi,甘氨酰胺核苷酸（GAR）,N10-甲酰THFA,H2O,THFA,甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）,磷酸核糖甘氨酰胺转甲酰酶,GlnH2O,GLU,ADP,ATP,+Pi,甲酰甘氨

15、咪核苷酸（FGAM）,Mg2+,K+,ATP,ADP+Pi,5-氨基咪唑核苷酸（AIR）,CO2,AIR羧化酶,5-氨基-4-甲酸咪唑核苷酸（CAIR）,5-氨基-4-（N-琥珀基）甲酰胺核苷酸（CAIR),ASP,ATP,ADP+Pi,Mg2+,SAICAR合成酶,延胡索酸,腺苷酸琥珀酸裂解酶,5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸（AICAR）,5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸（FAICAR）,N10-甲酰THFA,H2O,IMP环化脱水酶,次黄嘌呤核苷酸(IMP),THFA,PRPP转酰胺酶,GMP、IMPAMP、GDP、ADP,由IMP生成AMP和GMP,5-IMP,SAMP合成酶,SAMP

16、,AMP,IMP脱氢酶,XMP,SAMP裂解酶,XMP氨化酶,GMP,AMP合成酶,GMP合成酶,IMP,腺苷琥珀酸（SAMP）,SAMP裂解酶,延胡索酸,AMP,SAMP合成酶,GDP+Pi,GTP+天冬氨酸,黄嘌呤核苷-磷酸（XMP）,NAD+,NADH,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,GMP还原酶,XMP氨化酶,谷氨酰胺,谷氨酸,+AMP+PPi,+ATP+H2O,AMP脱氨酶,IMP脱氢酶,ADP,ATP,GDP,GTP,PRPP,谷氨酰胺,PRA,AICAR,谷氨酸,PRATP,咪唑甘油磷酸,组氨酸,IMP生物合成中的代谢调节控制,嘌呤核苷酸的代谢调节,抗生素发酵机制,抗生素的定义及特性抗生

17、素是生物在其生产活动过程中产生的，并能在低浓度下有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机物质。,抗生素的分类,根据生物来源,放线菌产生的抗生素,真菌产生的抗生素,细菌产生的抗生素,动物或植物产生的抗生素,抗生素的作用机制抑制细胞壁的合成抑制细胞膜的合成干扰蛋白质的合成抑制核酸的合成抑制生物能作用,次级代谢产物及特征 生物合成抗生素与初级代谢的关系 抗生素生产菌的主要代谢调节机制 抗生素的生产,次级代谢产物及特征初级代谢产物：是指微生物产生的、生长和繁殖所必需的物质。次级代谢产物：是指由微生物产生的，与微生物生长和繁殖无关的一类物质次级代谢产物的特征：次级代谢产物是由微生物产生的，不参与微

18、生物的生长和繁殖。,次级代谢产物的生物合成与初级代谢产物合成无关的遗传物质有关。次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养增殖期（trophophase）和生产期（idiophase）。一般都产生结构上相类似的多种副组分。生产能力受微量金属离子和磷酸盐等无机离子的影响。,次级代谢酶的底物特异性在某种程度上是比较广泛的。培养温度过高或菌移植次数过多，会使抗生素的生产能力下降。次级代谢中与一个酶相对应的底物和产物也可以成为其他酶的底物。在多数情况下，增加前体是有效的。,生物合成抗生素与初级代谢的关系从菌体生化代谢方面分析次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的从遗传代谢方面分析 次级代谢产物除与初级

19、代谢产物一样受核内DNA的调剂控制外，还受到与初级代产物合成无关的遗传物质的控制。,葡萄糖,丙糖,丙酮酸,乙酸,草酰乙酸,柠檬酸,-酮戊二酸,谷氨酸,次级代谢产物,天冬氨酸,次级代谢产物,CO2,CO2,甲羟戊酸,焦磷酸异戊酯,萜甾体,甾体,丙二酸,丙氨酸,聚酮体,脂肪酸,次级代谢产物,缬氨酸,丝氨酸,甘氨酸,次级代谢产物,氨基糖苷类抗生素糖苷部分,戊糖,莽草酸,丁糖,芳基次级代谢产物,芳基氨基酸,次级代谢产物,核苷类抗生素,CO2,CO2,生物甲基化次级代谢产物,C1,CO2,CO2,核苷,抗生素生产菌的主要代谢调节机制,受DNA控制的酶合成调节机制,酶的诱导,酶的阻遏,终点产物的阻遏,分解

20、产物的阻遏,酶活性的调节机制,终产物的抑制或活化,利用辅酶的酶活调节,酶原的活化和潜酶的活化,细胞通透性的调节,诱导调节反馈调节碳、氮及其代谢产物的调节碳分解代谢产物调节:是指能迅速被利用的碳源或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶的调节,反馈阻遏：作用于基因水平,反馈抑制：作用于分子水平,氮代谢的调节：是指迅速被利用的氮源抑制作用于含底物酶的合成磷酸盐的调节细胞膜透性的调节营养期和分化期的关系,直接作用：磷酸盐自身影响抗生素合成,间接作用：磷酸盐调节细胞内其他效应剂，进而影响抗生素的合成,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀

21、酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,葡萄糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,CO2,柠檬酸合成酶,能量,葡萄糖酸发酵机制,真菌葡萄糖酸发酵细菌葡萄糖酸发酵,黑曲霉（ASP.niger）和青霉（penicillium）均可以发酵葡萄糖为葡萄糖酸,葡萄糖（环式）,葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸-内酯+H2O2,自发水解,葡萄糖酸,主要细菌有葡萄糖酸杆菌，另外还有数种假单胞菌（Pseudoncones)、芽生菌（Pulluaria)、微球菌（Micrococcus）,葡萄糖（醛式）,葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸

22、,葡萄糖（环式）,自发,葡萄糖（醛式）,葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸,糖及营养物,配料,灭 菌,种子罐,发酵罐,消泡剂,过滤器,空气,过滤器,贮槽,蒸发罐,结晶罐,母液,水和活性炭,脱色罐,结晶罐,干燥,99%以上或97%的粗衣康酸,蒸发,结晶,离心,二次结晶,粗结晶,过滤器,一些常用发酵法生产的有机酸的来源和用途,无机盐,水解糖,尿素,生长因子,水,种子罐,斜 面,摇瓶培养基,培养基,发酵罐,观察温度,测pH,测 OD,测残糖,测谷氨酸,测残脲,等电点,32保温,搅拌,通风,流加尿素,提取分离液,粗谷氨酸,加水,加碱,中和,淀粉,中和液,加硫酸钠,和活性炭,除铁脱色液,浓缩结晶,味精晶体,干燥,过筛,包装,味精成品,味精小晶体,干燥,磨粉,混盐,包装,粉末味精成品,谷氨酸和味精生产工艺流程,棉花过滤,空气,加压,冷却,除水,HCL或H2SO4,活性炭,糖酵解与三羧酸循环途径的调节,丙酮酸,G,细胞液,柠檬酸,乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,线粒体,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,PEP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,NADH,O2,ATP ADP+Pi,AMP+ATP 2ADP,Pi,Pi,PEP 羧激酶,己糖激酶,丙酮酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸 脱氢酶,