好氧发酵产物积累机制PPT学习教案

1、会计学1好氧发酵产物积累机制好氧发酵产物积累机制第1页/共58页第一节第一节 柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制一、柠檬酸的合成途径 黑曲霉 () 原料：sugar ， alcohol， acetic acid 途径： EMP（HMP） 丙酮酸羧化 TCA环 黑曲霉生长，EMP与HMP途径的比率是2：1，生产柠檬酸时为4：1。 葡萄糖 柠檬酸(citric acid) 理论转化率106.7%第2页/共58页目的目的产物产物提供提供4C化化合物合物TCA循环循环第3页/共58页柠檬酸的生物合成途径柠檬酸的生物合成途径CO2阻断AMPPiNH4+ ATP citrateNH4+ k+激活抑制12第4

2、页/共58页二、二、 柠檬酸生物合成的代谢调节柠檬酸生物合成的代谢调节 积累柠檬酸应采取的措施：积累柠檬酸应采取的措施：想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力；想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力；必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活，必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活，环阻断。环阻断。保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，丙酮酸丙酮酸 二氧化碳固定反应对柠檬酸二氧化碳固定反应对柠檬酸 积累有重要意义。积累有重要意义。 CO2 乙酰乙酰COA草酰乙酸草酰乙酸 CO2 第5页/共58页 第6页/共58页第7页/共58页丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙丙酮酸

3、羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶酮酸羧化酶第8页/共58页第9页/共58页第10页/共58页第11页/共58页第12页/共58页 第二节醋酸发酵机制第二节醋酸发酵机制淀粉淀粉 糖糖 酒精酒精 醋酸醋酸 1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。 CH3CH2 OH E1 CH3CHO E2 CH3COOH E1 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。 E2 乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶 ，需要，需要NADP作辅酶。作辅酶。 醋杆菌为醋杆菌为G-，好氧菌，好氧菌， 1mol

4、乙醇转化为乙醇转化为1mol醋酸，理论转化率是醋酸，理论转化率是130。第13页/共58页 2 热醋酸梭菌生产醋酸热醋酸梭菌生产醋酸 热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还可以将可以将COCO2 2还原为醋酸。还原为醋酸。 COCO2 2是通过甲酰四氢叶酸（是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能和类咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用氢气。利用氢气。 C6H12O6 +2H2O 2CH3COOH+2COCO2 2+8H+8H+ +8e+8e 2COCO2 2+8H+8H+ +8e +8e

5、 CH3COOH+ 2H2O 净反应净反应C6H12O6 3CH3COOH反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理论产率都是理论产率都是100。热醋酸梭菌为产芽孢菌，热醋酸梭菌为产芽孢菌，周生鞭毛，耐高温，最，周生鞭毛，耐高温，最适生长温度适生长温度5560C，转化率高，严格厌氧，还可以利，转化率高，严格厌氧，还可以利用戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸用戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。盐。第14页/共58页第15页/共58页第16页/共58页第17页/共58页第18页/共58页第19页/共58页第20页/

6、共58页第21页/共58页第22页/共58页第23页/共58页第24页/共58页第25页/共58页第26页/共58页代谢类代谢类型型第27页/共58页初级代谢和次级代谢初级代谢和次级代谢初级代谢：初级代谢：与生物生存有关的与生物生存有关的，涉及，涉及能量产生能量产生和和能量消能量消耗耗的代谢类型。产物都是有机体生存的代谢类型。产物都是有机体生存必不可少必不可少的物质，的物质，如单糖、核苷酸、脂肪酸，以及蛋白质、核酸、多糖、如单糖、核苷酸、脂肪酸，以及蛋白质、核酸、多糖、脂类等。脂类等。次级代谢：某些微生物为了避免代谢过程中，某种代谢次级代谢：某些微生物为了避免代谢过程中，某种代谢产物的积累造成

7、的不利作用，而产生的一类产物的积累造成的不利作用，而产生的一类有利于生存有利于生存的代谢类型，通常是在的代谢类型，通常是在生长后期生长后期产生。产物种类很多，产生。产物种类很多，最著名的是最著名的是抗生素抗生素，其它还有氨基糖、香豆素、麦角生其它还有氨基糖、香豆素、麦角生物碱、吲哚衍生物、核苷、肽、喹啉等。物碱、吲哚衍生物、核苷、肽、喹啉等。第28页/共58页第29页/共58页第30页/共58页 二、生物合成抗生素与初级代谢的关系二、生物合成抗生素与初级代谢的关系 1.从代谢方面分析：从代谢方面分析：许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢

8、产物构成的，所以以次级产物是以初级产物为母体衍生出来的次级产物是以初级产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切联系的。独立的，而是与初级代谢途径有密切联系的。 糖代谢的中间体，即可以来合成初级代谢产物，又可以来合糖代谢的中间体，即可以来合成初级代谢产物，又可以来合成次级代谢产物，这种中间体叫成次级代谢产物，这种中间体叫分叉中间体分叉中间体，如丙二酰，如丙二酰Co。G 乙酰乙酰 Co 丙二酰丙二酰 CoA 脂肪酸（初级）脂肪酸（初级）四环素或其他抗生素（次级）四环素或其他抗生素（次级）第31页/共58页由初级代谢产物衍生的次级代谢产物的途径有七

9、由初级代谢产物衍生的次级代谢产物的途径有七种：葡萄糖碳架掺入途径、莽草酸途径、与核苷有关种：葡萄糖碳架掺入途径、莽草酸途径、与核苷有关的途径、聚酮糖途径、由氨基酸衍生的途径、甲羟戊的途径、聚酮糖途径、由氨基酸衍生的途径、甲羟戊酸途径、其它复合途径。酸途径、其它复合途径。第32页/共58页第33页/共58页2.从遗传方面分析：从遗传方面分析：初级产物和次级产物同样都受到核内初级产物和次级产物同样都受到核内DNA的调节的调节控制的。控制的。所不同的是次级代谢产物还受到所不同的是次级代谢产物还受到“与初级代谢产与初级代谢产物合成无关的遗传物质物合成无关的遗传物质”的控制，即受核内遗传物质的控制，即受

10、核内遗传物质（染色体遗传物质）和（染色体遗传物质）和核外遗传物质（质粒）核外遗传物质（质粒）的控制的控制。有一部分代谢产物的形成，取决于由质粒信息产生有一部分代谢产物的形成，取决于由质粒信息产生的酶所控制的代谢途径，这类物质称为质粒产物。由的酶所控制的代谢途径，这类物质称为质粒产物。由于这类物质的形成直接或间接受质粒遗传物质的控制于这类物质的形成直接或间接受质粒遗传物质的控制,因而产生了因而产生了质粒遗传质粒遗传的观点。当然也有只由染色体的观点。当然也有只由染色体DNA控制的抗生素。控制的抗生素。因此，两者在遗传上既有相同的部分，又有不同因此，两者在遗传上既有相同的部分，又有不同的部分。的部分

11、。第34页/共58页 微生物的代谢调节机制可从从DNA水平研水平研究究酶合成的调节机制和从酶化学观点研究从酶化学观点研究酶活性的调节机制两方面着手，可分为：第35页/共58页 微生物体内的次级代谢和初级代谢一样微生物体内的次级代谢和初级代谢一样，都受菌体代谢的调节。次级代谢产物生物，都受菌体代谢的调节。次级代谢产物生物合成的调节与初级代谢产物生物合成的调节合成的调节与初级代谢产物生物合成的调节在某些方面是相同的，也是在某些方面是相同的，也是调节参与生物合调节参与生物合成的酶合成（诱导或阻遏）和控制酶活性（成的酶合成（诱导或阻遏）和控制酶活性（激活或抑制）激活或抑制）。但次级代谢的调节也有其独。

12、但次级代谢的调节也有其独特的一面。以下是影响抗生素合成的主要代特的一面。以下是影响抗生素合成的主要代谢调节机制。谢调节机制。第36页/共58页1 初级代谢对次级代谢的调节初级代谢对次级代谢的调节 次级代谢产物的合成途径并不是独立存在的，而是次级代谢产物的合成途径并不是独立存在的，而是与初级代谢产物合成途径间存在着与初级代谢产物合成途径间存在着紧密的联系紧密的联系。 次级代谢产物往往都是次级代谢产物往往都是以初级代谢产物为母体以初级代谢产物为母体衍衍生而来的，而且催化特殊次级代谢产物合成反应的生而来的，而且催化特殊次级代谢产物合成反应的酶酶也可以从那些初级代谢途径的酶演化而来。因此，微也可以从那

13、些初级代谢途径的酶演化而来。因此，微生物的初级代谢对次级代谢具有调节作用。生物的初级代谢对次级代谢具有调节作用。 第37页/共58页第38页/共58页2 碳代谢物的调节碳代谢物的调节 一般情况下，凡是能被微生物快速利用、促一般情况下，凡是能被微生物快速利用、促进产生菌快速生长的碳源，对次级代谢产物的生进产生菌快速生长的碳源，对次级代谢产物的生物合成都表现出抑制作用。物合成都表现出抑制作用。这种抑制作用并不是这种抑制作用并不是由于快速利用碳源直接作用的结果，而是由于其由于快速利用碳源直接作用的结果，而是由于其代谢过程中产生的中间产物引起的。代谢过程中产生的中间产物引起的。 这种阻遏作用是由于菌体

14、在生长阶段，速效这种阻遏作用是由于菌体在生长阶段，速效碳源（如葡萄糖和柠檬酸等）的分解产物阻遏了碳源（如葡萄糖和柠檬酸等）的分解产物阻遏了次级代谢过程中酶系的合成，只有当这类碳源耗次级代谢过程中酶系的合成，只有当这类碳源耗尽时，才能解除其对参与次级代谢的酶的阻遏，尽时，才能解除其对参与次级代谢的酶的阻遏，菌体才能转入次级代谢产物的合成阶段。菌体才能转入次级代谢产物的合成阶段。第39页/共58页 20世纪世纪40年代初期就发现，青霉素发酵过年代初期就发现，青霉素发酵过程中，虽然程中，虽然葡萄糖葡萄糖被菌体利用最快，但被菌体利用最快，但对青霉对青霉素合成并不适宜素合成并不适宜。而。而乳糖乳糖利用虽

15、然较为缓慢，利用虽然较为缓慢，却能却能提高青霉素产量提高青霉素产量。 已知有许多次级代谢产物，如麦角生物碱已知有许多次级代谢产物，如麦角生物碱、头孢菌素、头孢菌素C、螺旋霉素、紫色杆菌素、嘌呤霉、螺旋霉素、紫色杆菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素、丝裂霉素、杆菌肽、新生霉素素、吲哚霉素、丝裂霉素、杆菌肽、新生霉素、放线菌素和香豆素等的生物合成都受到葡萄、放线菌素和香豆素等的生物合成都受到葡萄糖的阻遏，因而糖的阻遏，因而在这些产物的发酵过程中常采在这些产物的发酵过程中常采用其他碳源用其他碳源。第40页/共58页3 氮代谢物的调节氮代谢物的调节 许多次级代谢产物的生物合成同样受到氮分许多次级代谢产物的生物合

16、成同样受到氮分解产物的影响。对不同氮源的研究发现，解产物的影响。对不同氮源的研究发现，黄豆饼黄豆饼粉等利用较慢的氮源粉等利用较慢的氮源，可以防止和减弱氮代谢物，可以防止和减弱氮代谢物的阻遏作用，的阻遏作用，有利于次级代谢产物的合成有利于次级代谢产物的合成；而以；而以无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮作为氮源无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮作为氮源（铵盐、硝酸盐、某些氨基酸）时，能促进菌体（铵盐、硝酸盐、某些氨基酸）时，能促进菌体的生长，却的生长，却不利于次级代谢产物的合成不利于次级代谢产物的合成。例如，易利用的铵盐有利于灰色链霉菌迅速生长例如，易利用的铵盐有利于灰色链霉菌迅速生长，但对链霉素

17、合成则是最差的氮源。，但对链霉素合成则是最差的氮源。第41页/共58页4 磷酸盐的调节磷酸盐的调节 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节次级代谢产物生物合营养成分，还是调节次级代谢产物生物合成的重要因素。成的重要因素。过量的磷酸盐也象葡萄糖过量的磷酸盐也象葡萄糖一样抑制次级代谢产物的合成一样抑制次级代谢产物的合成，这种抑制，这种抑制作用被称为磷酸盐调节。作用被称为磷酸盐调节。 第42页/共58页 已发现过量磷酸盐对四环素类、氨基糖苷类、已发现过量磷酸盐对四环素类、氨基糖苷类、多烯类和大环内酯类等多烯类和大环内酯类等32种抗生素的生物合成产生种抗生素

18、的生物合成产生阻抑作用。这些次级代谢产物的生物合成只有在阻抑作用。这些次级代谢产物的生物合成只有在适当适当的磷酸盐浓度的磷酸盐浓度下才能进行。下才能进行。磷酸盐浓度磷酸盐浓度 10mmol/L 往往对次级代谢产物的合成有抑制作用往往对次级代谢产物的合成有抑制作用例如，例如， 10mmol/L的磷酸盐就能完全抑制杀假丝菌素的磷酸盐就能完全抑制杀假丝菌素的合成。的合成。第43页/共58页 磷酸盐浓度的高低还能磷酸盐浓度的高低还能调节次级代谢产物合成调节次级代谢产物合成期出现的早晚期出现的早晚，当磷酸盐接近耗尽时，才开始进入，当磷酸盐接近耗尽时，才开始进入次级代谢产物的合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽

19、次级代谢产物的合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就向后拖延。如金霉素、万古霉素时间长，合成期就向后拖延。如金霉素、万古霉素等的发酵都有这些现象。等的发酵都有这些现象。 磷酸盐还能磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗生素的使处于非生长状态的、产抗生素的菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体。第44页/共58页5 ATP调节调节 ATP直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些酶的直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些酶的活性活性。在四环素的生物合成中，。在四环素的生物合成中，ATP水平对四环素合成起水平对四环素合成起调节作用。磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式

20、丙酮酸羧化酶调节作用。磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶作用下生成作用下生成草酰乙酸草酰乙酸，再经羧基转移酶作用生成丙二酰，再经羧基转移酶作用生成丙二酰CoA（四环素合成的前体），此途径在四环素合成期起决（四环素合成的前体），此途径在四环素合成期起决定作用。而定作用。而草酰乙酸草酰乙酸是三羧酸（是三羧酸（TCA）循环中的重要中间）循环中的重要中间产物，产物，催化其形成的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成受催化其形成的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成受ATP和过量磷酸盐的强烈抑制和过量磷酸盐的强烈抑制，从而降低了草酰乙酸的生，从而降低了草酰乙酸的生成，最终降低了四环素生物合成前体丙二酰成，最终降低了

21、四环素生物合成前体丙二酰CoA的浓度，的浓度，影响四环素的生物合成。影响四环素的生物合成。第45页/共58页6 酶的诱导调节酶的诱导调节结构酶结构酶：是菌体生长繁殖所必需的酶系，它的产生一般：是菌体生长繁殖所必需的酶系，它的产生一般不受培养基成分的影响；不受培养基成分的影响； 诱导酶诱导酶：是在一定的诱导物存在下，才能形成。：是在一定的诱导物存在下，才能形成。 在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合成的在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合成的酶为诱导酶，如链霉素生物合成中的转脒基酶、甘露糖酶为诱导酶，如链霉素生物合成中的转脒基酶、甘露糖链霉素酶等。诱导酶需要有诱导物存在才能形成。链霉素酶

22、等。诱导酶需要有诱导物存在才能形成。诱导诱导物起诱导作用，能提高次级代谢产物的产量。物起诱导作用，能提高次级代谢产物的产量。例如，蛋例如，蛋氨酸能提高头孢菌素氨酸能提高头孢菌素C的产量，其原因是蛋氨酸的诱导的产量，其原因是蛋氨酸的诱导作用，而不是作为硫源的供给物。作用，而不是作为硫源的供给物。 诱导酶合成的诱导剂有些需外源加入，而有些是菌诱导酶合成的诱导剂有些需外源加入，而有些是菌体代谢过程中自身产生的。在抗生素的发酵过程中，有体代谢过程中自身产生的。在抗生素的发酵过程中，有的初级代谢产物似乎对次级代谢产物的合成酶也起诱导的初级代谢产物似乎对次级代谢产物的合成酶也起诱导作用。作用。第46页/共

23、58页7 反馈调节反馈调节 反馈调节包括反馈调节包括反馈阻遏和反馈抑制。反馈阻遏和反馈抑制。反馈阻遏（反馈阻遏（feedback repression)：作用于基因水作用于基因水平，控制酶的合成量，是终产物抑制生物合成途径平，控制酶的合成量，是终产物抑制生物合成途径中的一种或多种酶形成的调节过程。中的一种或多种酶形成的调节过程。反馈抑制反馈抑制 (feedback inhibition)：作用于分子水平作用于分子水平，控制酶的活性，是合成途径的终点产物抑制该过，控制酶的活性，是合成途径的终点产物抑制该过程中第一步酶的活性作用。程中第一步酶的活性作用。 两者作用方式各异，功能也有所不同，目的都两

24、者作用方式各异，功能也有所不同，目的都是防止产生过量的物质，保证快速有效地适应变换是防止产生过量的物质，保证快速有效地适应变换了的外界环境，对生长有利。了的外界环境，对生长有利。第47页/共58页第48页/共58页8 细胞膜通透性调节细胞膜通透性调节 次级代谢中也存在着膜通透性调节。菌体次级代谢中也存在着膜通透性调节。菌体吸收外界营养物质或分泌细胞内的代谢物都必须吸收外界营养物质或分泌细胞内的代谢物都必须经过细胞质膜的运输。如果细胞对某种物质不能经过细胞质膜的运输。如果细胞对某种物质不能运输，或是运输功能发生了障碍，将导致细胞内运输，或是运输功能发生了障碍，将导致细胞内合成代谢的产物不能分泌出

25、去，影响发酵产物的合成代谢的产物不能分泌出去，影响发酵产物的生成和收获；或者是细胞外的营养物质不能进入生成和收获；或者是细胞外的营养物质不能进入菌体或进入很少，从而影响产生菌的生长和产物菌体或进入很少，从而影响产生菌的生长和产物的合成，造成产量下降。的合成，造成产量下降。第49页/共58页 在青霉素的发酵中，产生菌细胞膜在青霉素的发酵中，产生菌细胞膜输入硫化输入硫化物的能力物的能力是影响青霉素发酵单位的一个重要因素是影响青霉素发酵单位的一个重要因素。诱变选育出来的青霉素高产菌株中，有些突变。诱变选育出来的青霉素高产菌株中，有些突变株就是因为株就是因为改变了细胞膜的通透性改变了细胞膜的通透性，使硫酸盐更，使硫酸盐更容易透过细胞膜，提高了胞内硫酸盐浓度，进而容易透过细胞膜，提高了胞内硫酸盐浓度，进而促进了青霉素促进了青霉素前体物半胱氨酸前体物半胱氨酸