发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成

第二章工业微生物的生长繁殖与产物的生物合成第二章工业微生物的生长繁殖1有较高的生长繁殖速度和很高的生物合成活动；代谢多样性，尤其是次级代谢产物；适应性强，容易适应多种环境。微生物发酵的重要经济产品微生物细胞：酵母，生物杀虫剂等；生物大分子：酶，多糖，核酸，蛋白质等；代谢产物：氨基酸，维生素，抗生素，色素等；转化产物：乙醇，有机酸，甾体激素转化。微生物发酵产品产业化有较高的生长繁殖速度和很高的生物合成活动；微生物发酵的重要经2微生物的生长繁殖和分化受遗传特性和环境条件的变化的影响。微生物细胞的分化与次级代谢产物的生物合成密切相关。因而需要了解发酵菌株的生长繁殖特性与分化的规律，了解产物合成的基本特性及影响因素，从而更好应用于研究、生产和实践。

——本章学习的目的微生物的生长繁殖和分化受遗传特性和环境条件的变化的影响。3发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成4发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成51、细菌细菌靠简单的横向无性二等分分裂进行生殖，这种生殖方式叫做裂殖。在适宜的环境下，细菌只需20～30min就能繁殖一代。1、细菌62、放线菌营养方式—放线菌的菌丝分为营养菌丝和气生菌丝。它靠营养菌丝吸收营养物质，营腐生生活。生殖方式—当生长发育到一定时期时，气生菌丝顶端长出孢子丝，形成孢子。孢子散落出去，在适宜的条件下，萌发成新的菌丝体。2、放线菌73、霉菌霉菌的生长繁殖：以有性或无性孢子或菌丝片段繁殖，大多数以无性孢子繁殖为主，生长易受环境影响。3、霉菌8发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成9菌丝球菌丝球104、酵母多以出芽繁殖。啤酒酵母正在出芽繁殖4、酵母啤酒酵母正在出芽繁殖11发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成12延滞期对数期稳定期衰亡期时间细菌数目的对数某种细菌的生长曲线二、微生物生长曲线延滞期对数期稳定期衰亡期时间细菌数目的对数某种细菌的生长曲线13延滞期（适应期）特点：菌体体积增大较快，菌体内部代谢活跃。初级代谢产物合成，诱导酶开始合成。延滞期（适应期）特点：菌体体积增大较快，菌体内部代14对数期

特点：细菌个体形态、化学组成和生理特性等均较稳定，代谢旺盛、生长迅速、是研究微生物基本代谢的良好材料。在生产上用作“种子”。平衡生长细菌数量或细胞物质随时间呈对数增加，每个细胞组成成分按比例增大，处于这一时期的细胞数量增加速率与单位体积中细胞数量或质量或细胞成分按比例增加。对数期特点：细菌个体形态、化学组成和生理特性平衡生长15稳定期

特点：活菌数达到最高。代谢产物大量积累，如毒素、抗生素、以及芽胞开始形成。稳定期特点：活菌数达到最高。16衰亡期

特点：细胞呈现多种形态，甚至产生畸形，细胞大小悬殊。细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现解体，产生或释放出一些产物。衰亡期特点：细胞呈现多种形态，甚至产生畸17延滞期的长短与菌种的遗传特性、菌种的生长阶段、培养基的成分等有关。思考：在工业发酵过程中，我们希望缩短延滞期的时间，你认为可能的方法有哪些？延滞期的长短与菌种的遗传特性、菌种的生长阶段、培养基的成分等18①种龄：利用对数生长期的细胞作为“种子”；②培养基成份：尽量减少接种前后培养基组分的差异；③接种量：适当扩大接种量。缩短延滞期一般措施①种龄：利用对数生长期的细胞作为“种子”；缩短延滞期一般措施19微生物发酵过程通常用群体来表示，微生物群体生长速率反映群体生物量的生长速率。在液体培养基中微生物群体的生长包括细胞体积的增大和群体细胞数量的增加。涉及到两个概念：生长速率μx和比生长速率μ。三、微生物的群体生长微生物发酵过程通常用群体来表示，微生物群体生长速率反映群体生201、生长速率和比生长速率生长速率μx表示单位体积、单位时间里生长的菌体量（干重）。比生长速率μ表示单位细胞浓度的菌体生长速率。1、生长速率和比生长速率生长速率μx表示单位体积、单位时间里21分批发酵过程中比生长速率的变化分批发酵过程中比生长速率的变化222、生长曲线的实践意义：微生物发酵的摇瓶实验、中试以及上大罐发酵的理论基础。在微生物的生长过程中，延滞时间、比生长速率和总生长量有重要参考意义。*细菌比生长速率μ与生长基质浓度之间关系：μ=μm[S/(Ks+S)]—Monod公式μm：最大比生长速率；S：基质浓度；Ks：μ为μm一半时的基质浓度。当S很大时，Ks+S=S，μ=μm；当S很小时，Ks+S=Ks，μ=(μm/Ks)S2、生长曲线的实践意义：微生物发酵的摇瓶实验、中试以及上大233连续培养：以一定方式使细菌能以恒定的μ值进行生长，并使这种生长连续下去。细菌的μ值与营养物质浓度有关，通过控制基质浓度来控制细菌的μ值。连续培养在工业生产上可缩短生产周期，但是染菌机会增大。3连续培养：以一定方式使细菌能以恒定的μ值进行生长，并使24第二节微生物的分化第二节微生物的分化25分化的概念分化定义：细胞在一定条件下朝不同方向发展，使其形态结构、生理功能发生一系列变化，最终导致产生不同形态类型的细胞。包括：①从一种营养菌体分化为另一种形态的营养菌体；②孢子形成：芽胞杆菌的内生孢子，啤酒酵母子囊孢子，曲霉菌的分生孢子。细胞的分化受到遗传因素和环境因素的相互作用所控制。细胞的分化潜力决定于遗传因子，但分化同环境条件密切相关。分化的概念分化定义：细胞在一定条件下朝不同方向发展，使其形态26一、微生物的营养体分化一种形态的营养细胞转变为另一种或几种形态的营养细胞。营养体分化与环境条件变化相关，是机体对环境条件的一种应答，当环境条件改变后，一种形态的营养细胞就启动与营养体分化有关的基因表达，代谢方式发生改变。营养体的分化可随环境条件的恢复而逆向进行。一、微生物的营养体分化一种形态的营养细胞转变为另一种或几种形271、成晶节杆菌细胞形态的转变细胞形态受培养基组成的控制，温度、pH和氧气对其无影响。

在新鲜培养上，球形→杆状转变；当条件不适宜时杆状→球形转变。细胞形态取决于细胞壁。节杆菌的杆状细胞与球形细胞的细胞壁厚度不同，杆状细胞的细胞壁无三层结构。在肽聚糖的构成方式上，二种形态的细胞之间存在差异。1、成晶节杆菌细胞形态的转变282根瘤菌的形态分化1)根瘤菌细胞形态转变根瘤菌：杆状、周生鞭毛、G-；从根部进入植物细胞后，杆状细胞发育为膨大的类菌体。不同植物中所形成的类菌体形态不同。2根瘤菌的形态分化293丝状蓝细菌的形态分化[异形胞]1)异形胞的分化：蓝细菌的营养细胞行光合作用，无固氮作用，当缺乏氮源时，特定的营养细胞可以分化为具有固氮作用的异形胞，其存在光合系统Ⅰ，产生ATP供固氮之用。2)静止细胞的分化：营养细胞变为厚壁细胞，对环境因子具有一定抗性，可回复萌发。3丝状蓝细菌的形态分化[异形胞]304毛霉和酵母菌的二型态二型态：在不同生长条件下，真菌营养体呈现二种不同的细胞形态，丝状(M)或酵母状(Y)。M与Y二种形态在一定条件下可互相转换，转变后的细胞结构、代谢途径、生长方式均发生变化。1)毛霉二型态在厌氧条件下毛霉以酵母状细胞生长，出芽繁殖。4毛霉和酵母菌的二型态31二、微生物的孢子形成微生物在非适宜条件下可以产生一种特化细胞spore：细菌芽孢、蓝细菌静止孢子、放线菌孢子、毛霉孢囊孢子、白地霉节孢子、假丝酵母厚垣孢子、粘细菌的粘孢子、腐霉卵孢子、根霉接合孢子、子囊菌的子囊孢子、担子菌的担孢子等。生态学上，孢子是对不良条件反应的结果，具有较高抗性；生理学上，孢子是繁殖体[细菌芽孢除外]。二、微生物的孢子形成微生物在非适宜条件下可以产生一种特32芽孢发育循环芽孢发育循环33第三节微生物代谢产物第三节微生物代谢产物34初级代谢微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。初级代谢微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢35次级代谢相对于初级代谢而言，次级代谢是指微生物在一定的生长时期（一般在稳定期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。次级代谢相对于初级代谢而言，次级代谢是指微生物在一定的生长时36一、微生物合成的初级代谢产物1糖类合成1)单糖合成：EMP的逆行合成6-P-葡萄糖→多糖合成葡萄糖的前体物质：丙酮酸、草酰乙酸、PEP、3-P-甘油醛等。2)多糖合成：同多糖-糖原、纤维素、甲壳质、多聚葡萄糖、多聚果糖等；杂多糖-肽聚糖、脂多糖、透明质酸等。一、微生物合成的初级代谢产物1糖类合成372脂类合成1)脂肪酸合成：[C12-C18]，饱和/不饱和脂肪酸2)脂肪和磷脂合成3)甾醇合成3生物固氮4氨基酸合成NH3来源：吸收、含氮物分解、固氮、NO3-还原；初生氨基酸：α-酮酸的转氨作用，次生氨基酸：以初生氨基酸为前体合成的氨基酸2脂类合成385核苷酸合成6核酸合成7蛋白质合成8其它生物活性物质的合成CoA的合成；烟酰胺合成；黄素核苷酸合成；吡咯环合成等5核苷酸合成39二、微生物合成的次级代谢产物（一）次级代谢产物的基本特征1、次级代谢产物具有种特异性初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。次级代谢只存在于某些生物中，并且代谢途径和代谢产物因不同生物而不同，甚至同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。二、微生物合成的次级代谢产物（一）次级代谢产物的基本特征40不同的微生物可产生不同的次级代谢产物。青霉合成青霉素芽孢杆菌合成杆菌肽链霉菌合成链霉素相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物。不同的微生物可产生不同的次级代谢产物。41产黄青霉在Raulin培养基中合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培养则不产青霉酸。灰黄青霉在Czapek—Dox培养基上培养时合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（fulvicacid）。Raulin培养基（%）：葡萄糖5酒石酸0.27酒石酸铵0.27磷酸氢二铵0.04硫酸镁0.027硫酸铵0.017硫酸锌0.005硫酸亚铁0.005Czapek—Dox培养基（%）：葡萄糖5硝酸钠0.2磷酸氢二钾0.1氯化钾0.05硫酸镁0.05硫酸亚铁0.001产黄青霉在Raulin培养基中合成青霉酸。但在Czapek—422、分批发酵时，产物菌生长周期分为三个时期出现明显的菌体生长期，产物合成期和菌体自溶期。由生长期向生产期过渡时，菌体形态会有所变化。2、分批发酵时，产物菌生长周期分为三个时期433、次级代谢产物往往是母核结构相同的混合物次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物。每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。新霉素有4种、杆菌肽有10多种、多粘菌素有10多种、放线菌素有20多种。3、次级代谢产物往往是母核结构相同的混合物44发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成454、对环境条件变化敏感和代谢不稳定性初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止或改变。次级代谢产物的合成过程是一类由多基因（基因簇）控制的代谢过程；这些基因不仅位于微生物的染色体中，也位于质粒中，且后者的基因在次级代谢产物的合成过程中往往起主导作用。4、对环境条件变化敏感和代谢不稳定性46AzinomycinB生物合成基因簇的克隆AzinomycinB是一种具有良好抗肿瘤活性、功能基团高度密集的复杂天然产物。AzinomycinB生物合成基因簇的克隆Azinomy475、相关酶的专一性不强相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。5、相关酶的专一性不强48三、初级代谢和次级代谢关联紧密初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质。次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某些中间体或产物过量积累。三、初级代谢和次级代谢关联紧密49发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成50四、次级代谢产物的类型1根据产物合成途径区分1)直接由葡萄糖合成的次级代谢产物：链霉素、新霉素等；2)由预苯酸合成芳香族次级代谢产物：氯霉素、新生霉素、四环素等；3)由磷酸戊糖合成的次级代谢产物：狄霉素、嘌呤霉素等；4)由脂肪酸为前体合成的次级代谢产物：聚乙炔、脂肪酸、β-多酮、红霉素等；四、次级代谢产物的类型515)与萜烯和甾体有关的次级代谢产物：烟曲霉素、赤霉素、β-胡萝卜素等；6)与TCA有关的次级代谢产物：α-酮戊二酸→戊烯酸；乌头酸→衣康酸等；7)与氨基酸有关的次级代谢产物：环Ser、氮Ser、口磨氨酸、曲霉酸、支霉粘素、放线菌素、多粘菌素、杆菌肽、麦角生物碱等。5)与萜烯和甾体有关的次级代谢产物：烟曲霉素、赤霉素、β-522根据产物的功能作用区分类型1)抗生素：发现约7000种，产生来源—放线菌、霉菌为主要二大类；2)激素：次级动植物生长，如赤霉素等；3)生物碱：麦角生物碱等；4)毒素：破伤风毒素、白喉毒素、肉毒毒素、黄曲霉素、蘑菇毒素等；2根据产物的功能作用区分类型535)色素：细菌、放线菌和霉菌均可以产生水溶性或脂溶性色素；6)维生素：丙酸菌产生VB12、分枝杆菌产生吡哆素和烟酰胺、假单胞菌产生生物素、霉菌产生VB2和β-胡箩卜素等。5)色素：细菌、放线菌和霉菌均可以产生水溶性或脂溶性色素；54(三)次级代谢的生理功能1次级代谢可以维持初级代谢的平衡；2次级代谢产物是贮存物质的一种形式；3使菌体在生存竞争中占据优势；4与细胞分化有关：产生孢子的微生物一般都产生抗生素，孢子形成抑制剂也抑制抗生素的形成。(三)次级代谢的生理功能55五、次级代谢产物的构建单位和和生物合成五、次级代谢产物的构建单位和和生物合成56（一）次级代谢产物的构建单位1、聚酮体（乙酰辅酶A，丙酰辅酶A，丁酰辅酶A；丙二酰辅酶A，甲基丙二酰辅酶A，甲基丙二酰辅酶A；单一构建单位聚合，多种构建单位聚合,如脂肪酸、四环类抗生素、大环内酯类抗生素的大环类酯的合成）聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。（一）次级代谢产物的构建单位1、聚酮体（乙酰辅酶A，丙酰辅酶572、甲羟戊酸（异戊二烯，甾醇，胡萝卜素，萜类，生物碱的合成）3、糖类和氨基糖（O-糖苷，S-糖苷，N-糖苷，C-糖苷，如链霉素，大环类脂类分子中的糖胺等）4、不常见的氨基酸（D-氨基酸，N甲基氨基酸，二氨基酸5、环多醇和氨基环多醇6、非核酸的嘌呤和嘧啶碱基2、甲羟戊酸（异戊二烯，甾醇，胡萝卜素，萜类，生物碱的合成）58四、次级代谢产物生物合成的基本过程1、构建单位的聚合2、次级代谢产物的修饰3、次级代谢产物合成中的关键酶四、次级代谢产物生物合成的基本过程1、构建单位的聚合59第4节微生物的代谢调节第4节微生物的代谢调节60微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证61一、初级代谢的调控机制微生物细胞的代谢调节方式很多，例如:①调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力；②限制基质的有形接近（代谢库），通过酶的定位以限制它与相应底物的接近；③调节代谢流等。其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。一、初级代谢的调控机制微生物细胞的代谢调节方式很多，例如62工业生产中：利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。工业生产中：63（一）酶活性的调节

酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节代谢产物的合成速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。（一）酶活性的调节酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种64酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物651、反馈抑制的类型

（1）直线式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸脱氨酶苏氨酸α-酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸合成途径中的直线式反馈抑制1、反馈抑制的类型（1）直线式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸脱66在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。（2）分支代谢途径中的反馈抑制在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。（2）分支代谢途径67A、同功酶调节同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。A、同功酶调节68发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成69B、协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。B、协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才70C、累积反馈抑制：每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。C、累积反馈抑制：每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制71D、增效（合作）反馈抑制：系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。D、增效（合作）反馈抑制：系指两种末端产物同时存在时，可以起72E、顺序反馈抑制：当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度过大而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增高。由于G过多就抑制了C→F，结果造成C的浓度进一步增高。C过多又对A→B间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。这种通过逐步有顺序的方式达到的调节，称为顺序反馈抑制。E、顺序反馈抑制：当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度73（二）酶合成的调节

酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。（二）酶合成的调节酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而74与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成（即产酶量）而实现代谢调节的方式是一类较间接而缓慢的调节方式。其优点则是通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且密切配合、协调进行的。与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成（即产酶量）而751、酶合成调节的类型

（1）诱导根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱导酶两类。

诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。

1、酶合成调节的类型（1）诱导76乳糖诱导效应大肠杆菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生长乳糖诱导效应大肠杆菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生长77发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成78酶的诱导合成类型同时诱导，即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到E．coli培养基中后，即可同时诱导出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成；顺序诱导，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。酶的诱导合成类型同时诱导，即当诱导物加入后，微生物能同时或几79（2）阻遏在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少末端产物的生成外，还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。（2）阻遏80A、末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成中。A、末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏81对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。代谢途径分支点以前的“公共酶”仅受所有分支途径末端产物的阻遏，仅一种底物过量无阻遏作用，此即称多价阻遏作用。末端产物阻遏在代谢调节中有着重要的作用，它可保证细胞内各种物质维持适当的浓度。对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每种末端产物仅专一地阻遏合82B、分解代谢物阻遏分解代谢物的阻遏作用，就是指代谢反应链中，某些中间代谢物或末端代谢物的过量累积而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象。细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的结果，而是通过甲碳源（或氮源等）在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。B、分解代谢物阻遏分解代谢物的阻遏作用，就是指代谢反应链中，832、酶合成调节的机制

（1）操纵子:指的是一组功能上相关的基因，它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组成。启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行；2、酶合成调节的机制（1）操纵子:指的是一组功能上相关的84结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译出相应的酶。一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分子。结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转85操纵子分两类:一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去阻遏作用才能起动。

操纵子分两类:86（2）调节基因用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般位于相应操纵子的附近。（3）效应物

是一类低分子量的信号物质（如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因的结合能力。（2）调节基因87（4）调节蛋白

是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；另一则称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。（4）调节蛋白88操纵子及调节基因示意图操纵子及调节基因示意图89乳糖操纵子模型有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合，使其变构，不能与O结合，从而转录进行，合成乳糖酶,分解乳糖。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上，转录不能进行。乳糖操纵子模型有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合，使其90CAP-cAMP对转录的正调节CAP-cAMP对转录的正调节91反馈阻遏与反馈抑制的特点比较调控项目反馈类型反馈阻遏反馈抑制调控水平DNA，mRNA，酶，转录水平酶分子的变构反馈调控信号终产物浓度，分解代谢产物终产物浓度调控方式终产物与阻遏蛋白亲和力终产物与变构部位亲和力调控作用机制阻遏蛋白与操纵基因结合，阻止转录通过变构效应，调节酶活性控制的方式开、关控制酶活性有无与大小控制调控反应速度缓慢、滞后、较粗放的控制迅速与较精确的控制反馈阻遏与反馈抑制的特点比较调控项目反馈类型反馈阻遏反馈抑92（三）能荷调节巴斯德效应：在有氧情况下，由于呼吸作用，酒精产量大大下降，糖的消耗速率大幅减慢。能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]（三）能荷调节巴斯德效应：能荷=[ATP]+1/2[ADP]93

通氧[ATP][柠檬酸]能荷异柠檬酸脱氢酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]基团移位吸收葡萄糖速率通氧[ATP][柠檬酸]能荷异柠檬酸脱氢酶活性磷酸果糖激酶94二、初级代谢调控在发酵工业中的应用

（一）应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节在直线式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中间代谢物而不能累积最终代谢物。但在分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，就可以使某一分支途径的末端产物得到累积。二、初级代谢调控在发酵工业中的应用（一）应用营养缺陷型菌株95A→B→C→D→E→F→G→Y*

[Y*是终产物的结构类似物，为具有反馈作用而不具备生理功能的物质]诱变细胞后直接涂布于含抗代谢物[反馈物质的结构类似物]平板上，挑取生长菌落。A→B→C→D→E→F→G→Y*96筛选高丝氨酸缺陷型的谷氨酸棒杆菌菌株，在补给适量的高丝氨酸（或苏氨酸和甲硫氨酸）的条件下，在含有较高糖分和铵盐的培养基上，能产生大量的赖氨酸。筛选高丝氨酸缺陷型的谷氨酸棒杆菌菌株，在补给适量的高丝氨酸（97（二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。（二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节98钝齿棒杆菌在含苏氨酸和异亮氨酸的结构类似物（α-氨基β-羟基戊酸，AHV）的培养基上时，抑制该菌的正常生长。诱变后获得的抗AHV突变株进行发酵，就能分泌较多的苏氨酸和异亮氨酸。原因是高丝氨酸脱氢酶或苏氨酸脱氢酶和二羧酸脱水酶的结构基因发生突变，不再受苏氨酸或异亮氨酸的反馈抑制。钝齿棒杆菌在含苏氨酸和异亮氨酸的结构类似物（α-氨基β-羟基99（三）控制细胞膜的渗透性

微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并自然地通过反馈阻遏限制了它们的进一步合成。采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。

（三）控制细胞膜的渗透性100在氨基酸生产工业中：1、生物素缺陷型在脂肪酸生物合成途径中，由乙酰辅酶A羧化成丙二酸单酰辅酶A的反应是一个限速步骤，该反应需要生物素作辅酶。选育生物素营养缺陷型菌株，使细胞中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的合成受阻，从而影响到磷脂的合成。在培养时限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度来调节透性。在氨基酸生产工业中：1012、油酸缺陷型油酸缺陷型菌株和甘油缺陷型菌株限制细胞膜磷脂中不饱和脂肪酸的合成，使细胞膜缺损，可提高谷氨酸的产量。3、加入适量的青霉素，引起细胞壁的缺损，在细胞膨压的作用下，有利于代谢产物的外渗。2、油酸缺陷型102第五节次生代谢产物

代谢调控机制第五节次生代谢产物

代谢调控机制103一、微生物次级代谢与初级代谢及生物合成抗生素的关系1．从菌体生化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，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。糖代谢中间体，既可用来合成初级代谢产物，又可用来合成次级代谢产物，这种中间体叫做分支中间体。一、微生物次级代谢与初级代谢及生物合成抗生素的关系1．从菌1042、遗传代谢方面分析初级代谢与次级代谢同样都受到核内DNA的调节控制，而次级代谢产物还受到与初级代谢产物生物合成无关的遗传物质的控制，即受核内遗传物质(染色体遗传物质)和核外遗传物质(质粒)的控制。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。由于这类物质的形成直接或间接受质体遗传物质的控制，因而产生了质体遗传的观点。也有只由染色体DNA控制的抗生素产物。2、遗传代谢方面分析105二、次节代谢产物生物合成的主要调节机制①受DNA控制的酶合成的调节机制，包括酶的诱导和酶的阻遏(有终点产物的阻遏和分解产物的阻遏)。②酶活性的调节机制，包括终点产物的抑制或活化，利用辅酶的酶活调节、酶原的活化。③细胞膜透性的调节。二、次节代谢产物生物合成的主要调节机制①受DNA控制的酶合成106在抗生素的生物合成途径中，一方面抗生素本身的积累就能起反馈调节作用。另一方面初级代谢产物的中间产物是合成次级代谢产物的前体，而初级代谢产物的形成受到反馈调节，也必然影响抗生素的合成。在抗生素的生物合成途径中，一方面抗生素本身的积累就能起反馈调1071初级代谢对次级代谢的调节1)抗生素合成中的调节Lys对产黄青霉产生青霉素具有强烈抑制作用，α-氨基己二酸是Lys和青霉素合成的共同前体，可逆转Lys的反馈抑制作用，刺激青霉素的合成。如选育出对Lys反馈抑制不敏感的菌株或是α-氨基己二酸→Lys阻断，可得到青霉素高产菌株。1初级代谢对次级代谢的调节1082、次生代谢中的诱导作用及产物的反馈作用诱导:1)链霉素合成中A因子的诱导作用；2)Met诱导头孢菌素C的合成：促进胱硫醚-γ-裂解酶将半胱氨酸（CysH）转入头孢菌素C中；3)巴比妥的诱导作用：促进利福霉素的合成.反馈:1)自身反馈作用2)前体物质反馈3)支路产物反馈抑制4)次级代谢产物的自身反馈阻遏2、次生代谢中的诱导作用及产物的反馈作用109麦角生物碱合成中的调节

色氨酸（Trp）是合成麦角碱的前体之一，Trp合成途径中的反馈调节可影响麦角生物碱的合成，Trp也是麦角碱合成的诱导剂，可调节麦角碱的过量生产。麦角生物碱合成中的调节110

3．磷酸盐的调节在抗生素等多种次级代谢产物合成中，高浓度磷酸盐表现出较强的抑制作用，称为磷酸盐调节。磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。其机制按效应剂说有直接作用，即磷酸盐自身影响抗生素合成，和间接作用，即磷酸盐调节胞内其他效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)，进而影响抗生素合成。3．磷酸盐的调节在抗生素等多种次级代谢产物合成中，高浓度磷111发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成112已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。PO43-抑制次生代谢产物合成，表现为：（1）抑制次生代谢产物前体形成；（2）阻遏次生代谢产物合成中某些关键酶的合成；（3）抑制碱性磷酸酶的合成；（4）改变菌体能荷状态。已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多烯大环内酯等32种抗113

4．碳分解代谢产物的调节碳分解代谢产物调节指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶(包括分解酶和合成酶)的调节。分为分解产物阻遏和抑制两种。在次级代谢的生物合成一般是在葡萄糖等速效碳源耗至一定的浓度才开始合成。葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素等都有明显降低产量的作用。4．碳分解代谢产物的调节碳分解代谢产物调节指能迅速被利用的1145．氮分解代谢产物的调节在初级代谢中，氮分解代谢产物调节，即被迅速利用的氮源(铵盐、硝酸盐和某些氨基酸)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸盐还原酶、酰胺酶、脲酶、组氨酸酶)的合成。在次级代谢中，其阻遏作用也确实存在。在抗生素生产中使用黄豆饼粉就是由于它缓慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止或减弱氮分解代谢产物阻遏作用的结果。5．氮分解代谢产物的调节在初级代谢中，氮分解代谢产物调节，即1156、ATP的调节作用四环素的生物合成过程中，菌体内的ATP水平调节四环素的生物合成。其生物合成的前体丙二酰CoA。磷酸烯醇式丙酮酸→草酰乙酸→丙二酰CoAATP对磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和柠檬酸合成酶有抑制作用。6、ATP的调节作用四环素的生物合成过程中，菌体内的AT1167、生长速率调节生长期，次级代谢产物合成酶受抑制或阻遏，次级代谢产物不能合成。控制菌体比生长速率，能提高发酵水平。7、生长速率调节生长期，次级代谢产物合成酶受抑制或阻遏，次级117思考题在工业发酵过程中，缩短延滞期方法有哪些？比生长速率的定义及数学表达式？微生物的分化的定义及类型？次级代谢产物的基本特征？分支代谢途径中的反馈抑制有哪些类型，这几种类型分别是如何调节的？代谢调控在发酵工业中有哪些应用？抗生素的次级代谢调控机制有哪些？这些机制在工业生产有哪些应用？思考题在工业发酵过程中，缩短延滞期方法有哪些？118第二章工业微生物的生长繁殖与产物的生物合成第二章工业微生物的生长繁殖119有较高的生长繁殖速度和很高的生物合成活动；代谢多样性，尤其是次级代谢产物；适应性强，容易适应多种环境。微生物发酵的重要经济产品微生物细胞：酵母，生物杀虫剂等；生物大分子：酶，多糖，核酸，蛋白质等；代谢产物：氨基酸，维生素，抗生素，色素等；转化产物：乙醇，有机酸，甾体激素转化。微生物发酵产品产业化有较高的生长繁殖速度和很高的生物合成活动；微生物发酵的重要经120微生物的生长繁殖和分化受遗传特性和环境条件的变化的影响。微生物细胞的分化与次级代谢产物的生物合成密切相关。因而需要了解发酵菌株的生长繁殖特性与分化的规律，了解产物合成的基本特性及影响因素，从而更好应用于研究、生产和实践。

——本章学习的目的微生物的生长繁殖和分化受遗传特性和环境条件的变化的影响。121发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成122发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成1231、细菌细菌靠简单的横向无性二等分分裂进行生殖，这种生殖方式叫做裂殖。在适宜的环境下，细菌只需20～30min就能繁殖一代。1、细菌1242、放线菌营养方式—放线菌的菌丝分为营养菌丝和气生菌丝。它靠营养菌丝吸收营养物质，营腐生生活。生殖方式—当生长发育到一定时期时，气生菌丝顶端长出孢子丝，形成孢子。孢子散落出去，在适宜的条件下，萌发成新的菌丝体。2、放线菌1253、霉菌霉菌的生长繁殖：以有性或无性孢子或菌丝片段繁殖，大多数以无性孢子繁殖为主，生长易受环境影响。3、霉菌126发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成127菌丝球菌丝球1284、酵母多以出芽繁殖。啤酒酵母正在出芽繁殖4、酵母啤酒酵母正在出芽繁殖129发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成130延滞期对数期稳定期衰亡期时间细菌数目的对数某种细菌的生长曲线二、微生物生长曲线延滞期对数期稳定期衰亡期时间细菌数目的对数某种细菌的生长曲线131延滞期（适应期）特点：菌体体积增大较快，菌体内部代谢活跃。初级代谢产物合成，诱导酶开始合成。延滞期（适应期）特点：菌体体积增大较快，菌体内部代132对数期

特点：细菌个体形态、化学组成和生理特性等均较稳定，代谢旺盛、生长迅速、是研究微生物基本代谢的良好材料。在生产上用作“种子”。平衡生长细菌数量或细胞物质随时间呈对数增加，每个细胞组成成分按比例增大，处于这一时期的细胞数量增加速率与单位体积中细胞数量或质量或细胞成分按比例增加。对数期特点：细菌个体形态、化学组成和生理特性平衡生长133稳定期

特点：活菌数达到最高。代谢产物大量积累，如毒素、抗生素、以及芽胞开始形成。稳定期特点：活菌数达到最高。134衰亡期

特点：细胞呈现多种形态，甚至产生畸形，细胞大小悬殊。细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现解体，产生或释放出一些产物。衰亡期特点：细胞呈现多种形态，甚至产生畸135延滞期的长短与菌种的遗传特性、菌种的生长阶段、培养基的成分等有关。思考：在工业发酵过程中，我们希望缩短延滞期的时间，你认为可能的方法有哪些？延滞期的长短与菌种的遗传特性、菌种的生长阶段、培养基的成分等136①种龄：利用对数生长期的细胞作为“种子”；②培养基成份：尽量减少接种前后培养基组分的差异；③接种量：适当扩大接种量。缩短延滞期一般措施①种龄：利用对数生长期的细胞作为“种子”；缩短延滞期一般措施137微生物发酵过程通常用群体来表示，微生物群体生长速率反映群体生物量的生长速率。在液体培养基中微生物群体的生长包括细胞体积的增大和群体细胞数量的增加。涉及到两个概念：生长速率μx和比生长速率μ。三、微生物的群体生长微生物发酵过程通常用群体来表示，微生物群体生长速率反映群体生1381、生长速率和比生长速率生长速率μx表示单位体积、单位时间里生长的菌体量（干重）。比生长速率μ表示单位细胞浓度的菌体生长速率。1、生长速率和比生长速率生长速率μx表示单位体积、单位时间里139分批发酵过程中比生长速率的变化分批发酵过程中比生长速率的变化1402、生长曲线的实践意义：微生物发酵的摇瓶实验、中试以及上大罐发酵的理论基础。在微生物的生长过程中，延滞时间、比生长速率和总生长量有重要参考意义。*细菌比生长速率μ与生长基质浓度之间关系：μ=μm[S/(Ks+S)]—Monod公式μm：最大比生长速率；S：基质浓度；Ks：μ为μm一半时的基质浓度。当S很大时，Ks+S=S，μ=μm；当S很小时，Ks+S=Ks，μ=(μm/Ks)S2、生长曲线的实践意义：微生物发酵的摇瓶实验、中试以及上大1413连续培养：以一定方式使细菌能以恒定的μ值进行生长，并使这种生长连续下去。细菌的μ值与营养物质浓度有关，通过控制基质浓度来控制细菌的μ值。连续培养在工业生产上可缩短生产周期，但是染菌机会增大。3连续培养：以一定方式使细菌能以恒定的μ值进行生长，并使142第二节微生物的分化第二节微生物的分化143分化的概念分化定义：细胞在一定条件下朝不同方向发展，使其形态结构、生理功能发生一系列变化，最终导致产生不同形态类型的细胞。包括：①从一种营养菌体分化为另一种形态的营养菌体；②孢子形成：芽胞杆菌的内生孢子，啤酒酵母子囊孢子，曲霉菌的分生孢子。细胞的分化受到遗传因素和环境因素的相互作用所控制。细胞的分化潜力决定于遗传因子，但分化同环境条件密切相关。分化的概念分化定义：细胞在一定条件下朝不同方向发展，使其形态144一、微生物的营养体分化一种形态的营养细胞转变为另一种或几种形态的营养细胞。营养体分化与环境条件变化相关，是机体对环境条件的一种应答，当环境条件改变后，一种形态的营养细胞就启动与营养体分化有关的基因表达，代谢方式发生改变。营养体的分化可随环境条件的恢复而逆向进行。一、微生物的营养体分化一种形态的营养细胞转变为另一种或几种形1451、成晶节杆菌细胞形态的转变细胞形态受培养基组成的控制，温度、pH和氧气对其无影响。

在新鲜培养上，球形→杆状转变；当条件不适宜时杆状→球形转变。细胞形态取决于细胞壁。节杆菌的杆状细胞与球形细胞的细胞壁厚度不同，杆状细胞的细胞壁无三层结构。在肽聚糖的构成方式上，二种形态的细胞之间存在差异。1、成晶节杆菌细胞形态的转变1462根瘤菌的形态分化1)根瘤菌细胞形态转变根瘤菌：杆状、周生鞭毛、G-；从根部进入植物细胞后，杆状细胞发育为膨大的类菌体。不同植物中所形成的类菌体形态不同。2根瘤菌的形态分化1473丝状蓝细菌的形态分化[异形胞]1)异形胞的分化：蓝细菌的营养细胞行光合作用，无固氮作用，当缺乏氮源时，特定的营养细胞可以分化为具有固氮作用的异形胞，其存在光合系统Ⅰ，产生ATP供固氮之用。2)静止细胞的分化：营养细胞变为厚壁细胞，对环境因子具有一定抗性，可回复萌发。3丝状蓝细菌的形态分化[异形胞]1484毛霉和酵母菌的二型态二型态：在不同生长条件下，真菌营养体呈现二种不同的细胞形态，丝状(M)或酵母状(Y)。M与Y二种形态在一定条件下可互相转换，转变后的细胞结构、代谢途径、生长方式均发生变化。1)毛霉二型态在厌氧条件下毛霉以酵母状细胞生长，出芽繁殖。4毛霉和酵母菌的二型态149二、微生物的孢子形成微生物在非适宜条件下可以产生一种特化细胞spore：细菌芽孢、蓝细菌静止孢子、放线菌孢子、毛霉孢囊孢子、白地霉节孢子、假丝酵母厚垣孢子、粘细菌的粘孢子、腐霉卵孢子、根霉接合孢子、子囊菌的子囊孢子、担子菌的担孢子等。生态学上，孢子是对不良条件反应的结果，具有较高抗性；生理学上，孢子是繁殖体[细菌芽孢除外]。二、微生物的孢子形成微生物在非适宜条件下可以产生一种特150芽孢发育循环芽孢发育循环151第三节微生物代谢产物第三节微生物代谢产物152初级代谢微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。初级代谢微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢153次级代谢相对于初级代谢而言，次级代谢是指微生物在一定的生长时期（一般在稳定期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。次级代谢相对于初级代谢而言，次级代谢是指微生物在一定的生长时154一、微生物合成的初级代谢产物1糖类合成1)单糖合成：EMP的逆行合成6-P-葡萄糖→多糖合成葡萄糖的前体物质：丙酮酸、草酰乙酸、PEP、3-P-甘油醛等。2)多糖合成：同多糖-糖原、纤维素、甲壳质、多聚葡萄糖、多聚果糖等；杂多糖-肽聚糖、脂多糖、透明质酸等。一、微生物合成的初级代谢产物1糖类合成1552脂类合成1)脂肪酸合成：[C12-C18]，饱和/不饱和脂肪酸2)脂肪和磷脂合成3)甾醇合成3生物固氮4氨基酸合成NH3来源：吸收、含氮物分解、固氮、NO3-还原；初生氨基酸：α-酮酸的转氨作用，次生氨基酸：以初生氨基酸为前体合成的氨基酸2脂类合成1565核苷酸合成6核酸合成7蛋白质合成8其它生物活性物质的合成CoA的合成；烟酰胺合成；黄素核苷酸合成；吡咯环合成等5核苷酸合成157二、微生物合成的次级代谢产物（一）次级代谢产物的基本特征1、次级代谢产物具有种特异性初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。次级代谢只存在于某些生物中，并且代谢途径和代谢产物因不同生物而不同，甚至同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。二、微生物合成的次级代谢产物（一）次级代谢产物的基本特征158不同的微生物可产生不同的次级代谢产物。青霉合成青霉素芽孢杆菌合成杆菌肽链霉菌合成链霉素相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物。不同的微生物可产生不同的次级代谢产物。159产黄青霉在Raulin培养基中合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培养则不产青霉酸。灰黄青霉在Czapek—Dox培养基上培养时合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（fulvicacid）。Raulin培养基（%）：葡萄糖5酒石酸0.27酒石酸铵0.27磷酸氢二铵0.04硫酸镁0.027硫酸铵0.017硫酸锌0.005硫酸亚铁0.005Czapek—Dox培养基（%）：葡萄糖5硝酸钠0.2磷酸氢二钾0.1氯化钾0.05硫酸镁0.05硫酸亚铁0.001产黄青霉在Raulin培养基中合成青霉酸。但在Czapek—1602、分批发酵时，产物菌生长周期分为三个时期出现明显的菌体生长期，产物合成期和菌体自溶期。由生长期向生产期过渡时，菌体形态会有所变化。2、分批发酵时，产物菌生长周期分为三个时期1613、次级代谢产物往往是母核结构相同的混合物次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物。每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。新霉素有4种、杆菌肽有10多种、多粘菌素有10多种、放线菌素有20多种。3、次级代谢产物往往是母核结构相同的混合物162发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成1634、对环境条件变化敏感和代谢不稳定性初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止或改变。次级代谢产物的合成过程是一类由多基因（基因簇）控制的代谢过程；这些基因不仅位于微生物的染色体中，也位于质粒中，且后者的基因在次级代谢产物的合成过程中往往起主导作用。4、对环境条件变化敏感和代谢不稳定性164AzinomycinB生物合成基因簇的克隆AzinomycinB是一种具有良好抗肿瘤活性、功能基团高度密集的复杂天然产物。AzinomycinB生物合成基因簇的克隆Azinomy1655、相关酶的专一性不强相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。5、相关酶的专一性不强166三、初级代谢和次级代谢关联紧密初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质。次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某些中间体或产物过量积累。三、初级代谢和次级代谢关联紧密167发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成168四、次级代谢产物的类型1根据产物合成途径区分1)直接由葡萄糖合成的次级代谢产物：链霉素、新霉素等；2)由预苯酸合成芳香族次级代谢产物：氯霉素、新生霉素、四环素等；3)由磷酸戊糖合成的次级代谢产物：狄霉素、嘌呤霉素等；4)由脂肪酸为前体合成的次级代谢产物：聚乙炔、脂肪酸、β-多酮、红霉素等；四、次级代谢产物的类型1695)与萜烯和甾体有关的次级代谢产物：烟曲霉素、赤霉素、β-胡萝卜素等；6)与TCA有关的次级代谢产物：α-酮戊二酸→戊烯酸；乌头酸→衣康酸等；7)与氨基酸有关的次级代谢产物：环Ser、氮Ser、口磨氨酸、曲霉酸、支霉粘素、放线菌素、多粘菌素、杆菌肽、麦角生物碱等。5)与萜烯和甾体有关的次级代谢产物：烟曲霉素、赤霉素、β-1702根据产物的功能作用区分类型1)抗生素：发现约7000种，产生来源—放线菌、霉菌为主要二大类；2)激素：次级动植物生长，如赤霉素等；3)生物碱：麦角生物碱等；4)毒素：破伤风毒素、白喉毒素、肉毒毒素、黄曲霉素、蘑菇毒素等；2根据产物的功能作用区分类型1715)色素：细菌、放线菌和霉菌均可以产生水溶性或脂溶性色素；6)维生素：丙酸菌产生VB12、分枝杆菌产生吡哆素和烟酰胺、假单胞菌产生生物素、霉菌产生VB2和β-胡箩卜素等。5)色素：细菌、放线菌和霉菌均可以产生水溶性或脂溶性色素；172(三)次级代谢的生理功能1次级代谢可以维持初级代谢的平衡；2次级代谢产物是贮存物质的一种形式；3使菌体在生存竞争中占据优势；4与细胞分化有关：产生孢子的微生物一般都产生抗生素，孢子形成抑制剂也抑制抗生素的形成。(三)次级代谢的生理功能173五、次级代谢产物的构建单位和和生物合成五、次级代谢产物的构建单位和和生物合成174（一）次级代谢产物的构建单位1、聚酮体（乙酰辅酶A，丙酰辅酶A，丁酰辅酶A；丙二酰辅酶A，甲基丙二酰辅酶A，甲基丙二酰辅酶A；单一构建单位聚合，多种构建单位聚合,如脂肪酸、四环类抗生素、大环内酯类抗生素的大环类酯的合成）聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。（一）次级代谢产物的构建单位1、聚酮体（乙酰辅酶A，丙酰辅酶1752、甲羟戊酸（异戊二烯，甾醇，胡萝卜素，萜类，生物碱的合成）3、糖类和氨基糖（O-糖苷，S-糖苷，N-糖苷，C-糖苷，如链霉素，大环类脂类分子中的糖胺等）4、不常见的氨基酸（D-氨基酸，N甲基氨基酸，二氨基酸5、环多醇和氨基环多醇6、非核酸的嘌呤和嘧啶碱基2、甲羟戊酸（异戊二烯，甾醇，胡萝卜素，萜类，生物碱的合成）176四、次级代谢产物生物合成的基本过程1、构建单位的聚合2、次级代谢产物的修饰3、次级代谢产物合成中的关键酶四、次级代谢产物生物合成的基本过程1、构建单位的聚合177第4节微生物的代谢调节第4节微生物的代谢调节178微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证179一、初级代谢的调控机制微生物细胞的代谢调节方式很多，例如:①调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力；②限制基质的有形接近（代谢库），通过酶的定位以限制它与相应底物的接近；③调节代谢流等。其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。一、初级代谢的调控机制微生物细胞的代谢调节方式很多，例如180工业生产中：利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。工业生产中：181（一）酶活性的调节

酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节代谢产物的合成速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。（一）酶活性的调节酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种182酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物1831、反馈抑制的类型

（1）直线式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸脱氨酶苏氨酸α-酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸合成途径中的直线式反馈抑制1、反馈抑制的类型（1）直线式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸脱184在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。（2）分支代谢途径中的反馈抑制在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。（2）分支代谢途径185A、同功酶调节同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。A、同功酶调节186发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成187B、协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。B、协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才188C、累积反馈抑制：每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。C、累积反馈抑制：每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制189D、增效（合作）反馈抑制：系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。D、增效（合作）反馈抑制：系指两种末端产物同时存在时，可以起190E、顺序反馈抑制：当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度过大而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增高。由于G过多就抑制了C→F，结果造成C的浓度进一步增高。C过多又对A→B间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。这种通过逐步有顺序的方式达到的调节，称为顺序反馈抑制。E、顺序反馈抑制：当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度191（二）酶合成的调节

酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。（二）酶合成的调节酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而192与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成（即产酶量）而实现代谢调节的方式是一类较间接而缓慢的调节方式。其优点则是通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且密切配合、协调进行的。与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成（即产酶量）而1931、酶合成调节的类型

（1）诱导根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱导酶两类。

诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。

1、酶合成调节的类型（1）诱导194乳糖诱导效应大肠杆菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生长乳糖诱导效应大肠杆菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生长195发酵工艺学课件第2章微生物生长与产物合成196酶的诱导合成类型同时诱导，即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到E．coli培养基中后，即可同时诱导出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成；顺序诱导，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。酶的诱导合成类型同时诱导，即当诱导物加入后，微生物能同时或几197（2）阻遏在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少末端产物的生成外，还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。（2）阻遏198A、末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成中。A、末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏199对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。代谢途径分支点以前的“公共酶”仅受所有分支途径末端产物的阻遏，仅一种底物过量无阻遏作用，此即称多价阻遏作用。末端产物阻遏在代谢调节中有着重要的作用，它可保证细胞内各种物质维持适当的浓度。对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每种末端产物仅专一地阻遏合200B、分解代谢物阻遏分解代谢物的阻遏作用，就是指代谢反应链中，某些中间代谢物或末端代谢物的过量累积而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象。细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的结果，而是通过甲碳源（或氮源等）在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。B、分解代谢物阻遏分解代谢物的阻遏作用，就是指代谢反应链中，2012、酶合成调节的机制

（1）操纵子:指的是一组功能上相关的基因，它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组成。启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行；2、酶合成调节的机制（1）操纵子:指的是一组功能上相关的202结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译出相应的酶。一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分子。结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转203操纵子分两类:一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去阻遏作用才能起动。

操纵子分两类:204（2）调节基因用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般位于相应操纵子的附近。（3）效应物

是一类低分子量的信号物质（如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因的结合能力。（2）调节基因205（4）调节蛋白

是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；另一则称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。（4）调节蛋白206操纵子及调节基因示意图操纵子及调节基因示意图207乳糖操纵子模型有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合，使其变构，不能与O结合，从而转录进行，合成乳糖酶,分解乳糖。无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上，转录不能进行。乳糖操纵子模型有乳糖时：乳糖作为一