第四章发酵机制

第四章发酵机制第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五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

第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五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。第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五糖酵解途径的特点

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。第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

1、酒精发酵机制

第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五由葡萄糖生成乙醇的总反应式:

理论转化率:

第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

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。

第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五酒精发酵中副产物的生成

(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。第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

2、乳酸发酵机制

同型乳酸发酵

第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

总反应式为:

理论转化率:

:第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

异型乳酸发酵

A.6-磷酸葡萄糖酸途径

第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五总反应式为:

C6H12O6→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH

理论转化率:

(90/180)×100%=50%

第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

B.双歧途径

第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五总反应式为:

2C6H12O6→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH

理论转化率:

(2×90)/(2×180)×100%=50%

第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五3、甘油发酵机制A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五B.碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)

第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五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。第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五1.柠檬酸生物合成途径

第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:

2C6H12O6+3O22C6H8O7+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;

第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

柠檬酸合成有关酶的调节性质

酶激活剂抑制剂磷酸果糖激酶NH4+、AMP、Pi柠檬酸、PEP、ATP(浓度较高时)丙酮酸激酶NH4+、K+丙酮酸羧化酶K+天冬氨酸、Pi柠檬酸合成酶NH4+、K+CoA、ATP-Mg异柠檬酸脱氢酶柠檬酸、NADPH、-酮戊二酸琥珀酸脱氢酶草酰乙酸第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五结论:

Mn2+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。

第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五(2).CO2固定化反应

丙酮酸+CO2+ATP丙酮酸羧化酶草酰乙酸+ADP+Pi①

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+

ATP②

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。第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

(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:

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。

第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第三节、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固定作用第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2.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.α-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。

第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五(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α-酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。

第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

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。

第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五(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。

第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

(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。

第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五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

第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

B.糖类衍生物

糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等；

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。

第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2、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：第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五3、链霉素的生物合成机制

链霉素的化学结构如下：第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

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。

第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五(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)。

第四十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

(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的颗粒。

第四十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第四十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（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。

第四十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五(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。第五十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五(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