发酵机制及发酵动力学

关于发酵机制及发酵动力学第一页，共七十八页，2022年，8月28日第三章发酵机制及发酵动力学第一节发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢第二节微生物代谢调节机制第三节糖代谢产物的发酵机制第四节氨基酸和核苷酸发酵机制第五节抗生素发酵机制第六节微生物发酵动力学第二页，共七十八页，2022年，8月28日本章要求掌握初级与次级代谢的产物掌握微生物代谢调节的方式掌握酶活性被抑制的方式了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学第三页，共七十八页，2022年，8月28日第一节发酵工程微生物的基本代谢及产物初级代谢及产物

多糖、蛋白质、核酸和氨基酸等。次级代谢及产物抗生素、毒素、激素和色素等。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。第四页，共七十八页，2022年，8月28日第二节代谢调节方式与机制一、调节方式代谢途径区域化代谢流向的调控代谢速度的调控细胞透性的调节能荷调节酶量（粗调）酶活（细调）酶合成的诱导酶合成的阻遏酶活性的激活酶活性的抑制第五页，共七十八页，2022年，8月28日（一）代谢途径区域化原核微生物细胞虽然没有复杂的具有膜结构的细胞器，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集中在某一区域，以保证这一代谢途径酶促反应的顺利进行，避免了其他途径的干扰；真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布，使其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于细胞核里。第六页，共七十八页，2022年，8月28日（二）代谢流向的调控微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。1、由一个关键酶控制的可逆反应同一个酶可以通过不同的辅基（或辅酶）控制代谢物的流向；谷氨酸脱氢酶+NADP+

催化谷氨酸的合成谷氨酸脱氢酶+NAD+

催化谷氨酸的分解第七页，共七十八页，2022年，8月28日2、由两种酶控制的逆单向反应在生物体代谢的关键部位的某些反应，是由两种不同的酶来催化的。即在一个“可逆”反应中，其中一个酶催化正反应，另一种酶则催化逆反应。如：葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖+H2O葡萄糖+Pi己糖激酶6-磷酸葡萄糖酯酶微生物体内利用两种完全不同的酶，能十分精确地控制正反应和逆反应。（二）代谢流向的调控第八页，共七十八页，2022年，8月28日（三）代谢速度的调控1、酶合成的调节（粗调）

通过酶量的变化来控制代谢的速率。从本质上看，酶合成的调节是在基因表达水平上起作用的。①酶合成的诱导（inductionofenzymesynthesis）协同诱导：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。顺序诱导：一种诱导剂诱导产生的酶的反应产物可继续诱导产生下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为顺序诱导。第九页，共七十八页，2022年，8月28日②酶合成的阻遏（repressionofenzymesynthesis）终点产物反馈阻遏：合成代谢过程中，相关酶的合成被过量终点产物所阻遏。分解代谢物阻遏：可被组成酶快速利用的基质，阻遏了分解难利用基质的酶的合成。1、酶合成的调节（粗调）如：二次生长现象。在启动序列上游有两个位点，RNA聚合酶的结合位点和cAMP-CAP结合位点。当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，形成cAMP-CAP

，该复合物结合在启动序列后，RNA聚合酶才能与启动序列结合，酶的合成才能开始；当葡萄糖存在时，葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性，导致cAMP浓度降低，cAMP与CAP的结合受阻，CAP不能被活化而无法结合至启动子，导致RNA聚合酶无法与启动序列结合，因此乳糖操纵子表达下降。

第十页，共七十八页，2022年，8月28日③酶合成调节的遗传机制：操纵子学说1、酶合成的调节（粗调）乳糖操纵子操纵子是指基因组DNA分子的一个片段，这个片断由启动子、调节基因、操纵基因和结构基因组成。诱导型操纵子：效应物存在导致基因表达。阻遏型操纵子：效应物存在导致基因表达的关闭。第十一页，共七十八页，2022年，8月28日第十二页，共七十八页，2022年，8月28日PRPOzya半乳糖苷酶半乳糖苷渗透酶半乳糖苷转乙酰基酶乳糖操纵子的诱导机制第十三页，共七十八页，2022年，8月28日2、酶活性的调节（细调）

一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。酶活调节的影响因素包括：底物和产物的性质和浓度、压力、pH、离子强度、辅助因子以及其他酶的存在等等。特点是反应快速。①酶活性的激活（activation）前体激活：代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。代谢中间产物的反馈激活：代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用。第十四页，共七十八页，2022年，8月28日2、酶活性的调节（细调）②酶活性的抑制（inhibition）：大多是反馈抑制A.无分支代谢途径的调节：通常是在线形的代谢途径中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。ABCDX

Ea

Eb

Ec

抑制第十五页，共七十八页，2022年，8月28日B.有分支代谢途径的调节：在有两种或两种以上的末端产物的分支代谢途径中，调节方式较为复杂。分述如下：2、酶活性的调节（细调）酶的顺序反馈抑制ABC

EaDEYFGZ

Eb

Ec抑制抑制抑制两个末端产物，不能直接抑制途径中的第一个酶Ea，而是分别抑制分支点后的Eb和Ec，造成中间产物C的积累，高浓度的C再反馈抑制Ea。第十六页，共七十八页，2022年，8月28日同工酶的反馈抑制途径中的第一个反应（AB）被两个不同的酶所催化，一个酶被Y抑制，另一个酶被Z抑制。只有当Y和Z同时过量才能完全阻止A转变为B。另两个控制点（CD），（CF），分别受Y或Z的抑制。同工酶是能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。ABC

E2DEYFGZE1E3E4抑制抑制抑制抑制第十七页，共七十八页，2022年，8月28日协同反馈抑制末端产物Y和Z单独过量，对途径中第一个酶E1无抑制作用，只有Y和Z同时过量，才能对E1具有抑制作用。另两个控制点的酶E2和E3分别被Y和Z所抑制。ABC

E1DEYFGZE3E2抑制抑制抑制第十八页，共七十八页，2022年，8月28日累积反馈抑制末端产物Y和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产物的形成。只有当Y和Z同时过量，才能对E1产生较大的抑制作用。ABC

E1DEYFGZ40%30%58%第十九页，共七十八页，2022年，8月28日超相加反馈抑制末端产物Y和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产物的形成。当Y和Z同时过量，对E1产生的抑制作用则超过各种末端产物单独过量时的抑制的总和。ABC

E1DEYFGZ15%20%90%第二十页，共七十八页，2022年，8月28日②酶活性调节的分子机制主要有两种理论解释：别构调节理论（酶分子构象的改变）酶分子的化学修饰理论（酶分子结构的改变）别构酶除了具有与底物结合的催化中心外，还具有与调节剂结合的调节中心。当酶与调节剂以非共价键结合后，酶蛋白的构象发生变化，引起催化中心改变，从而引起酶活性的变化。酶的共价修饰是酶蛋白在修饰酶催化下，可与某些物质发生共价键的结合或解离，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活性）和去磷酸化（低活性）。第二十一页，共七十八页，2022年，8月28日（四）细胞透性的调节细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。第二十二页，共七十八页，2022年，8月28日对利用ATP的途径（合成代谢）的酶活性或形成ATP的途径（分解代谢）的酶活性的调节。（五）能荷调节第二十三页，共七十八页，2022年，8月28日二、微生物代谢调控机制微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径的相互协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微生物进行发酵则需要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢必须进行人工控制。一、积累代谢产物的有效措施（一）反馈抑制作用的解除：实质是使代谢途径中的关键酶（别构酶）的调节亚基的结构基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别构中心结合，从而解除反馈抑制，积累末端产物；第二十四页，共七十八页，2022年，8月28日（二）反馈阻遏作用的解除：实质是使调节基因或操纵基因发生突变，使调节蛋白改变或不发生，调节蛋白不再与末端产物相结合，或结合后的复合物不能同操纵基因结合，从而解除了末端产物对酶合成的阻遏；（三）遗传障碍：使某酶蛋白结构基因突变，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改变，可以解除末端产物对途径中的第一个酶的反馈抑制，积累中间产物；（四）使细胞膜透性增大：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型，通过控制甘油或生物素或油酸浓度以控制细胞膜的透性，使胞内代谢产物外漏，缓解反馈抑制或阻遏作用。第二十五页，共七十八页，2022年，8月28日二、人工控制微生物代谢的手段（一）生物合成途径的遗传控制1、代谢缺陷型菌株2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸3、产物降解酶缺失突变株4、细胞膜组分的缺失突变代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。第二十六页，共七十八页，2022年，8月28日1、代谢缺陷型菌株直线型合成途径中的营养缺陷型突变株，这类菌株不能积累末端产物，只能积累中间产物；在分支代谢途径中，可利用营养缺陷型来合成某种末端产物。第二十七页，共七十八页，2022年，8月28日2、抗代谢类似物的突变菌株菌体通常需要各种代谢物如维生素、氨基酸等合成菌体需要的成分，如果有与代谢物结构相似的物质（即抗代谢物）存在，则可能产生两种结果：抗代谢物和代谢物竞争同一个酶，使代谢物不能进一步合成菌体需要的成分；抗代谢物代替代谢物合成生理上无活性的化合物。通过诱变筛选出对抗代谢物相对应的代谢物不敏感，因此可以解除代谢物的反馈抑制作用。第二十八页，共七十八页，2022年，8月28日AspAsp-PAsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例：黄色短杆菌抗α-氨基-β-羟基戊酸（AHV）菌株能积累苏氨酸AK1和HSDH的调节亚基的结构基因突变，不能与苏氨酸的结构类似物（AHV）结合，当然也不会同苏氨酸结合，所以能解除苏氨酸对AK1和HSDH的反馈抑制，因而积累苏氨酸。Asp：天门冬氨酸；Asp-P：天门冬氨酰磷酸；Asa：天门冬氨酸半醛；Hse：高丝氨酸；Thr：苏氨酸；Met：甲硫氨酸；Lys：赖氨酸；AK：天门冬氨酸激酶；HSDH：高丝氨酸脱氢酶第二十九页，共七十八页，2022年，8月28日3、产物降解酶缺失突变株有的代谢产物由于相应降解酶的存在而在发酵液中不能稳定存在，因此可通过诱变获得缺乏降解产物的酶的菌株使发酵单位提高。将诱变处理后的菌种接种到完全培养基上，生成的菌落再以影印法分别接种到含葡萄糖培养基和以产物作为唯一碳源的培养基上。在后一种培养基上不能生长的菌落就是缺乏产物降解酶的变异株。第三十页，共七十八页，2022年，8月28日4、细胞膜组分的缺失突变以前经常提到反馈抑制和反馈阻遏，都是由于末端产物的浓度过高引起的。利用细胞膜组分的缺失突变使细胞膜的透性增大，可使代谢产物易于分泌到胞外，从而达到解除末端产物抑制或阻遏的目的。第三十一页，共七十八页，2022年，8月28日例1：谷氨酸棒杆菌（生物素缺陷型）生产谷氨酸PEPPyrAcCoAOAAα

kgGluMalPCPEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Pyr：丙酮酸；AcCoA：乙酰辅酶A；OAA：草酰乙酸；α

kg：α-酮戊二酸；Glu：谷氨酸；Mal：苹果酸；PC：丙酮酸羧化酶生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化产生草酰乙酸，进而有利于谷氨酸的合成；生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可间接地影响细胞膜的透性。生物素对谷氨酸合成的影响第三十二页，共七十八页，2022年，8月28日例2：溶烷棒杆菌GL-21（甘油缺陷型）生产谷氨酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油磷酯PGDH该菌株的α-磷酸甘油脱氢酶（PGDH）缺失，因此不能正常合成α-磷酸甘油和磷酯。影响了细胞膜结构的合成而使得细胞膜透性增大，有利于谷氨酸在菌体外积累。第三十三页，共七十八页，2022年，8月28日（二）微生物发酵条件的控制当菌株确定后，环境条件合适与否是发酵成败的重要因素，环境条件既影响微生物的生长，又影响代谢的速度和方向及产物的形成和积累。主要的有温度、pH、氧气含量、离子浓度等多种因素(见第六章）。第三十四页，共七十八页，2022年，8月28日第三节糖代谢产物的发酵机制一、厌氧发酵代谢产物发酵机制葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过EMP（糖酵解途径）、HMP（磷酸戊糖途径）、ED（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径）及PK（磷酸酮解酶途径）和HK（磷酸己糖解酮酶途径）形成多种中间代谢产物,进一步转化形成不同的发酵产物。第三十五页，共七十八页，2022年，8月28日由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布菌名EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母8812—产朊假丝酵母66~8119~34—灰色链霉菌973—产黄青霉7723—大肠杆菌7228—铜绿假单胞菌—2971嗜糖假单胞菌——100枯草杆菌7426—氧化葡萄糖杆菌—100—真养产碱菌——100运动发酵单胞菌——100藤黄八叠球菌7030—第三十六页，共七十八页，2022年，8月28日分解代谢起源中间代谢产物在生物合成中的作用葡萄糖半乳糖多糖EMP途径HMP途径HMP途径EMP途径EMP途径ED途径EMP途径三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧脂肪氧化葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤藓糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰辅酶A核苷糖类戊糖多糖贮藏物核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖异生CO2固定胞壁酸合成糖的运输丙氨酸缬氨酸亮氨酸CO2固定丝氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸赖氨酸天冬氨酸赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸脂肪酸类异戊二烯甾醇第三十七页，共七十八页，2022年，8月28日

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶1、酵母菌的乙醇发酵（Ⅰ型发酵）※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。（一）酵母菌发酵（通过EMP途径进行）第三十八页，共七十八页，2022年，8月28日2、酵母菌的Ⅱ型发酵★当培养基中加入适量NaHSO3，酵母的乙醇发酵会转变为甘油发酵。原因：该条件下NaHSO3与乙醛结合成难溶的复合物磺化羟基乙醛，乙醛不能作为受氢体，迫使磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。结果：形成大量甘油和少量乙醇。第三十九页，共七十八页，2022年，8月28日2、酵母菌的Ⅱ型发酵丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（pH7）Saccharomycescerevisiae厌氧发酵（磺化羟基乙醛）酵母菌的二型发酵第四十页，共七十八页，2022年，8月28日★当发酵液处在弱碱性（pH7.6）条件下，酵母的乙醇发酵也会改为甘油发酵。原因：微碱性条件下乙醛因得不到足够的氢而积累，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此时也由磷酸二羟丙酮作为受氢体接受氢而生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。这种发酵方式不产生能量，只在非生长情况下进行。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO23、酵母菌的Ⅲ型发酵第四十一页，共七十八页，2022年，8月28日3.酵母菌的Ⅲ型发酵丙酮酸CO22个乙醛H不足乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油Saccharomycescerevisiae厌氧发酵酵母菌的三型发酵（pH7.6

）乙酸＋第四十二页，共七十八页，2022年，8月28日概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）酒精生成量耗糖量/单位时间细胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效应(Pasteureffect)现象：第四十三页，共七十八页，2022年，8月28日巴斯德效应（Pasteureffect）机理巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵母菌进行酒精发酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧条件下，酵母菌进行呼吸作用，脱氢产生的NADH进入电子传递链产生大量ATP，而不能用于乙醛的还原，这样乙醇的产量就会降低。同时由于ATP浓度的升高，抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，从而葡萄糖的利用也降低，糖的消耗速度较低，酒精产量也降低。呼吸抑制发酵作用的的现象巴斯德效应的本质是能荷调节第四十四页，共七十八页，2022年，8月28日（二）细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌、嗜糖假单胞菌等途径：ED第四十五页，共七十八页，2022年，8月28日利用Z.mobilis等细菌生产酒精优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少代谢副产物少；发酵温度高；不必定期供氧。缺点：pH5较易染菌；耐乙醇能力（7%）较酵母（8-10%）低。第四十六页，共七十八页，2022年，8月28日（三）乳酸菌发酵乳酸细菌是一群能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸的细菌的统称，产生乳酸的过程称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆菌发酵:（经HK途径—磷酸己糖酮解酶途径）菌种包括：乳杆菌属（Lactobacillus）、链球菌属（Streptococcus）、明串珠菌属（Leuconostoc）、片球菌属（Pediococcus）、和双歧杆菌属（Bifidobacterium）。第四十七页，共七十八页，2022年，8月28日葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸1、同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPStreptococcuslactis(乳链球菌)Lactobacilluscasei（乳酸乳杆菌）Lactobacillusdelbruckii（德氏乳杆菌）

第四十八页，共七十八页，2022年，8月28日2、异型乳酸发酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2一些异型发酵乳酸杆菌例如Leuconostocmesenteroides（肠膜明串珠菌等，因缺乏EMP途径中的若干重要酶——醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解依赖HMP途径。第四十九页，共七十八页，2022年，8月28日第五十页，共七十八页，2022年，8月28日磷酸己糖解酮酶途径HK

2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶3、双歧发酵第五十一页，共七十八页，2022年，8月28日（四）混合酸发酵概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH﹤6.2产气产酸第五十二页，共七十八页，2022年，8月28日（五）2,3-丁二醇发酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇-乙酰乳酸二乙酰3-羟基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、沙雷氏菌和欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。EMP第五十三页，共七十八页，2022年，8月28日二、好氧发酵代谢产物的发酵机制（一）柠檬酸1874年首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶成固体；1913年首次实现利用黑曲霉发酵生成柠檬酸。1953年，Jagnnathan等证实了黑曲霉中存在EMP途径的所有酶；1954年，Shu提出葡萄糖分解代谢中约80％走EMP途径；1958年，MeDomough等发现黑曲霉还存在HMP途径的酶，但HMP途径主要存在于孢子形成阶段；1954－1955年，Ramakrishman和Martin研究发现黑曲霉中存在三羧酸循环；第五十四页，共七十八页，2022年，8月28日淀粉葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖磷酸丙糖磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸乙酰CoA苹果酸草酰乙酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酸富马酸CO2Fe2+CO2CO21柠檬酸生物合成途径柠檬酸合成酶①①：丙酮酸羧化酶；②：顺乌头酸水合酶②异柠檬酸脱氢酶第五十五页，共七十八页，2022年，8月28日①Mn抑制蛋白合成NH4解除磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径的畅通有一条呼吸活力强的不产生ATP的侧系呼吸链②由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。2+﹢缺乏2、柠檬酸生物合成的代谢调节第五十六页，共七十八页，2022年，8月28日③丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。

④由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡：柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7

同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。

当铜离子0.3mg/L，铁离子2mg/L和pH2.0情况下，顺乌头酸水合酶、NAD和NADP-异柠檬酸脱氢酶均不出现活力，发酵中柠檬酸正是在这个pH条件下积累的。

第五十七页，共七十八页，2022年，8月28日⑤随着柠檬酸积累，pH降低到一定程度时，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，更有利于柠檬酸的积累及排出细胞外。第五十八页，共七十八页，2022年，8月28日第四节氨基酸和核酸的发酵机制一、氨基酸发酵机制1EMP途径、HMP途径

谷氨酸生产菌存在着两种代谢途径：EMP、HMP；EMP/HMP=10/90。2TCA、DCA和CO2固定作用

a.TCA环（三羧酸循环）

b.DCA环（乙醛酸循环）

c.CO2固定

PEP+CO2+GDP

草酰乙酸+GDP

CO2

丙酮酸

苹果酸

草酰乙酸

CO2

NAD+NADH+H+PEP羧化酶苹果酸酶苹果酸脱氢酶第五十九页，共七十八页，2022年，8月28日3、氨的导入

①α-酮戊二酸还原氨基化→谷氨酸

氨的导入有三种方式

③谷氨酸合成酶途径二细胞膜通透性控制

①α-酮戊二酸脱氢酶活性极低或缺失

③细胞膜对谷氨酸的通透性高

②由天冬氨酸或丙酮酸通过氨基转移，将氨基转给α-酮戊二酸②谷氨酸脱氢酶活性很高，不被低浓度的谷氨酸抑制谷氨酸生产菌的主要生化特点第六十页，共七十八页，2022年，8月28日葡萄糖6-磷酸葡萄糖NADPH2乙酰辅酶A6-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③丙酮酸CO2异柠檬酸CO2②草酰乙酸顺乌头酸CO2乳酸NAD+NADH2⑨柠檬酸NADP+CO2NADH2⑧NAD+草酰琥珀酸α－酮戊二酸琥珀酸延胡索酸谷氨酸NADPH2NADP+⑤NADP+NADPH2④乙醛酸乙酰辅酶ACO2⑥CO2⑦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化酶第六十一页，共七十八页，2022年，8月28日D-苏氨酸L-苏氨酸α-酮基丁酸L-异亮氨酸L-苏氨酸脱氢酶反馈抑制D-苏氨酸脱氢酶分支链氨基酸发酵：异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸第六十二页，共七十八页，2022年，8月28日谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-γ-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

-降低反馈作用物的浓度鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵机制第六十三页，共七十八页，2022年，8月28日葡萄糖5-磷酸核糖ATPADPMg2+，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ATPADP+Pi甘氨酰胺核苷酸（GAR）N10-甲酰THFAH2OTHFA甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）磷酸核糖甘氨酰胺转甲酰酶GlnH2OGLUADPATP+Pi甲酰甘氨咪核苷酸（FGAM）Mg2+K+ATPADP+Pi5-氨基咪唑核苷酸（AIR）CO2AIR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)ASPATPADP+PiMg2+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THFAH2OIMP环化脱水酶次黄嘌呤核苷酸(IMP)THFAPRPP转酰胺酶GMP、IMPAMP、GDP、ADP核苷酸发酵第六十四页，共七十八页，2022年，8月28日IMP腺苷琥珀酸（SAMP）SAMP裂解酶延胡索酸AMPSAMP合成酶GDP+PiGTP+天冬氨酸黄嘌呤核苷-磷酸（XMP）NAD+NA