第六章 微生物发酵机理
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第六章微生物发酵机理
三、微生物的能量代谢
微生物能量代谢的中心任务是把外界环境中多种形式的 最初能源转换成生命活动能使用的通用能源——ATP。 1、微生物的厌氧发酵
ATP生成靠底物水平磷酸化
异样微生物最主要的能源和碳源是糖类，特别是葡萄糖。 葡萄糖的分解途径主要有：EMP途径、HMP途径、ED途 径和PK途径等四种。 EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸；产生2分 子ATP和2分子NADH。 HMP途径将一分子6-磷酸葡萄糖转变为1分子3-磷酸甘油醛， 3分子CO2和6分子NADPH。
1954年，Shu提出葡萄糖80%经EMP途径代谢； 1954-1955年，Ramakrishman等发现黑曲霉中 存在TCA循环。
（二）黑曲霉柠檬酸生物合成途径
黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸其生物合成途径是，葡 萄糖经EMP、HMP途径降解生成经CO2固定化反应生成草酰乙 酸，草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸。
1mol的G产生1mol的乳酸，理论转化率是50%。另外有比例较高的乙醇、乙
酸和二氧化碳等。
Bifidus 途径（双歧途径）：双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum)进行的 乳酸发酵有两个磷酸酮解酶参与。在没有氧化作用和脱氢作用下，2分子G分 解为3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛，转化为乳酸，转化率为50%。
（2）杂醇油的形成途径：
氨基酸氧化脱氨作用:
氨基酸将氨基传递给a-酮戊二酸，然后经酸、醛 途径生成相应的醇。
已证实：天冬氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、蛋氨 酸、色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等
由葡萄糖直接形成：
（3）影响杂醇油形成的条件
①菌种
不同菌种差异较大：40ppm—200ppm ②培养基组成 数量：存在氨基酸会增加高级醇生成量； N含量低，无法将葡萄糖转化得到的酮酸转化为氨基酸， 进一步合成蛋白质，酮酸脱羧还原成高级醇； 质量：氨基酸组成影响生成的杂醇油种类 ③发酵条件：温度，通风
发酵工程 第6章 微生物发酵机理
发酵机理
微生物积累某种代谢产物取决于 微生物种类、遗传性状和培养条件
要控制微生物发酵的方向和质量，首 先要研究微生物的生理代谢规律。
即 ✓生物合成各种代谢产物的途径和代谢调节机制 ✓环境因素对代谢方向的影响 ✓改变微生物代谢方向的措施
第1节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢
微生物的碳源中，最重要的是淀粉及其水解产物葡萄糖。
除化能自养微生物外，几乎所有的微生物能有 EMP途径，由葡萄糖生成2分子丙酮酸，并产生 ATP。
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD 2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2
己糖激酶
葡萄糖 6-P-葡萄糖
ADP
6-P-果糖 磷酸果糖激酶
1.6-二P果糖
ATP ADP
丙酮酸激酶
3-P-甘油醛
三、微生物的能量代谢
一切生命活动都是耗能反应。
微生物能量代谢的中心任务是把外界环境中多种形式的 最初能源转换成生命活动能使用的通用能源——ATP。
微生物能量获得的方式
厌氧发酵 有氧呼吸
微生物的呼吸 无氧呼吸 光能微生物的能量代谢
化能自养微生物的能量代谢
第2节 厌氧发酵产物的合成机制
绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为能源和碳源。
ATP
3-P-甘油酸 PEP
NADH2
Ala
ATP
ADP
F·A Cit
GTP
ATP丙酮酸
草酰乙酸 乳酸乙醇
乙酰CoA
琥珀酸CoA ATP
cAMP
抑制
激活
PEP： 磷酸烯醇 丙酮酸
Ala： 丙氨酸
F·A： 脂肪酸
第六章微生物发酵机理
FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)的生物化学功能： 主要使饱和酰基衍生物脱氢形成α,β-不饱和酰 基衍生物。
R NNO
NH N
O FAD(黄色)
COOH H2C
CH2 HOOC
enzyme
RH NNO
NH N HO FADH2(无色)
COOH HC
CH HOOC
辅酶 A用HSCoA表示；其乙酰 化产物： CH3COSCoA，是一个新陈代谢的调节者，也 可以看作是新陈代谢的钥匙，在生物化学中占 有重要的位置。
ADP AMP
一 乙醇、甘油发酵 1.酵母菌的乙醇发酵：
2ATP
丙酮酸 脱羧酶
乙醇脱 氢酶
C6H12O6
EMP
NAD
NADH2
2CH3COCOOH
-2CO2
2CH3CHO
2CH3CH2OH
葡萄糖生产乙醇的总反应式：
C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH +2ATP+2CO2
巴斯德效应
第六章 微生物发酵机理
主讲：鲍成满
微生物发酵机理：是指微生物通过其代谢活 动，利用基质合成人们所需要的产物的内 在规律。
代谢控制发酵：人为地改变微生物的代谢调 控机制，使有用中间代谢产物过量积累。
第一节 微生物基础物质代谢 第二节 厌氧发酵产物的合成机制 第三节 好氧发酵产物的合成机制
第一节 微生物基础物质代谢
葡萄糖+ADP+Pi
2乙醇+2CO2+ATP
3.甘油发酵
别名：丙三醇, 分子式:
CH2OHCHOHCH2OH
用途： 1 医学方面，用以制取各种制剂、溶剂、吸
湿剂、防冻剂 2 食品中用作甜味剂、烟草剂的保湿剂 3 工业汽车和飞机燃料以及油田的防冻剂
微生物发酵的机理与优化研究
微生物发酵的机理与优化研究微生物发酵是指通过微生物的生长和代谢作用，将有机物转化为有用产物的过程。
这是一种广泛应用于医药、食品、化工等领域的生物技术。
微生物发酵的过程中，微生物与基质之间的相互作用、代谢通路及培养条件等因素都对发酵产物的产量和质量产生重要影响。
因此，深入了解微生物发酵的机理，并对其进行优化研究，对于实现微生物发酵产业的可持续可发展性具有重要意义。
一、微生物发酵机理的探究微生物发酵的机理是通过微生物的代谢过程转化基质成为产物。
基质和产物通过微生物细胞质膜之间进行物质的交换。
微生物产生的代谢产物对其生命过程具有重要影响，可能导致反馈抑制或引起新代谢的启动。
微生物的生长率与代谢产物的浓度之间存在一定的平衡关系，其中代谢产物的浓度过高会抑制微生物生长，对此我们需要在优化研究中寻求平衡点，以达到最佳效果。
二、微生物发酵优化研究的意义微生物发酵是一种极具生物特性的过程，需要综合考虑培养条件、微生物应答性、代谢路径等多方面因素来实现其最优化。
微生物发酵优化的研究可以提高酶的稳定性和酶的活性，这对于提高产量有着至关重要的作用。
微生物发酵主要通过添加营养物质、调节微生物环境、改变发酵过程等手段进行研究。
优化研究的目标是通过改变微生物培养环境、促进微生物代谢产物的积累，从而提高微生物的产量和生产质量，同时此方法也可以提高微生物的抗逆能力和生存能力，从而提升微生物的应用价值。
三、微生物发酵优化的策略微生物发酵的优化方法主要包括试验设计、统计分析和计算建模等方法。
在试验设计中，设计合理的实验方案可以帮助我们发现优化方案的最佳条件，对微生物产量的逐步提升可以起到明显的促进作用。
我们可以通过响应曲面方法等来实现试验设计。
而在统计分析中，使用统计分析方法不仅可以评估各优化方案的效果，还可以帮助我们找到最适合微生物环境的参数。
例如，ANOVA、回归分析等方式可以帮助我们确定各参数对微生物酿造产量的影响大小，以及合适的参数值。
第六章发酵机理
（一）.EMP途径
反应步骤：10步
反应简式：耗能阶段
产能阶段
C6
2C3
2ATP
2NADH+H+ 2丙酮酸 4ATP 2ATP
总反应式： C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi
2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O
特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作 为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸 及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发 酵工业有密切关系。
过生物氧化来进行产能代谢。
异养微生物的生物氧化: 异养微生物氧化有机物的方式，根 据氧化还原反应中电子受体的不同 可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方 式。
发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机 物氧化释放的电子直接交给底物本身未完 全氧化的某种中间产物，同时释放能量并 产生各种不同的代谢产物。
磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径
磷酸戊糖酮解途径
葡萄糖
6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸
5 -P-核酮糖
异构化作用
5 -P-木酮糖
ATP ADP
NAD+ NADH+H+
NAD+ NADH+H+
磷酸戊糖酮解酶
3 -P-甘油醛
NAD+
2ADP+Pi
NADH+H+
2ATP
丙酮酸
-2H
•HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动 对其中间产物的需要量相关。
（三）ED途径
又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG） 裂解途径。
第六章微生物发酵机理2-PPT精选文档
组成型突变株 调节基因发生突变
产生无效的阻遏物而不 能与操纵基因结合
操纵基因突变
突变操纵基因不 能与阻遏物结合
结构基因不受控制地转录，酶的 生成将不再需要诱导剂或不再被 末端产物或分解代谢物阻遏。
组成型突变
5.条件致死 例如在抗生素和酶制剂生产过程中的应用。 6.细胞膜通透性突变体的应用
使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。 1. 用生理学手段—— 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； 控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性； 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； 再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+； Mn2+的作用与 生物素相似。 2. 利用膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸， 合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸 大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下， 也可以获得大量谷氨酸。
7.增加有关基因的数量
增加结构基因或操纵基因的数量 例如，β－半乳糖苷酶、青霉素酶、氯 霉素转酰氨酶等可借助含有相应结构基因 的质粒转移给受体培养物来增加产量；利 用含有对苯丙氨酸的结构基因的转导噬菌 体可使该酶产量增加15倍。 通过操作基因与传统诱变技术和代谢调 控相结合提高产量。
启动基因的突变增加RNA聚合酶和 DNA的亲和力，增加转录速率。
如
A
B
C
D
E
限量添加E，就会造成C大量积累
枯草芽孢杆菌的精氨酸营养缺陷型，鸟氨 酸积累量可到到25g/L.
《微生物发酵机理》课件
新型发酵工艺的开发
总结词
新型发酵工艺的开发是提高微生物发酵效率 和产物质量的关键手段，有助于降低生产成 本，实现可持续发展。
详细描述
随着生物技术的不断进步，新型发酵工艺如 固定化细胞技术、连续发酵技术、高密度发 酵技术等得到了广泛应用。这些新型发酵工 艺能够提高发酵效率、优化产物质量、降低 生产成本，为微生物发酵工业的可持续发展 提供了有力支持。
氨基酸代谢
氨基酸在微生物细胞内经过一系 列的生化反应，最终生成CO2、 NH3等产物的过程。
核苷酸代谢
核苷酸在微生物细胞内经过一系 列的生化反应，最终生成水、氨 、磷酸等产物的过程。
03
微生物发酵过程控制
温度对微生物发酵的影响
温度对微生物发酵的影响是多方面的。在低温条件下，微生物的生长速率降低， 发酵过程变得缓慢；而在高温条件下，微生物细胞可能会受到损伤，导致发酵过 程受阻。因此，选择适宜的温度范围是微生物发酵过程控制的关键之一。
在适宜的温度范围内，温度的升高可以促进微生物的生长和代谢活动，提高发酵 效率。但温度过高可能会导致微生物细胞内的酶失活或细胞死亡，从而影响发酵 过程。因此，需要对温度进行精确控制，以获得最佳的发酵效果。
pH对微生物发酵的影响
pH是影响微生物发酵的重要因素之一。不同的微生物对pH 的要求不同，因此需要了解和控制发酵液的pH值，以满足微 生物的生长和代谢需求。
产物。
微生物发酵的应用
食品工业
用于生产面包、酒类、醋酸、 酸奶等食品。
医药工业
用于生产抗生素、维生素、酶 制剂等生物制品。
农业
用于提高土壤肥力、生物除虫 等。
环境治理
用于废水处理、土壤改良等环 境保护领域。
02
第六章微生物发酵机理(1)
1）真核微生物定位在相应细胞器上；细胞器各行使某种特异的功能； 2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； 蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
3
酶的调节机制
中间代谢 外界
酶的活性调节 酶的合成调节 变构蛋白
效应物 活性改变
系统中只有ATP时，EC值为1；只有AMP时，EC值等于0。
31
巴斯德效应(The Pasteur effect ) 现象： 通风对酵母代谢的影响
通风（有氧呼吸） 酒精生成量 低（接近零） 耗糖量/单位时间 少 细胞的繁殖 旺盛
缺氧（发酵） 高 多 很弱至消失
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
ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利 用葡萄糖生产酒精的速度加快。
34
微生物的代谢调节的特性
1. 酶活性调节与酶量调节的区别和配合
酶量的调节是基因水平，见效慢但 节约生物合成的原料和能量属于粗调； 活性调节在蛋白质水平上，主要是作用 关键酶（一般是途径中的第一或第二个 酶）为调节酶，调节直接、迅速和灵活 属于细调。二者共同调节才能达到更好 效果
预培养基 糖种类 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 不含糖 葡萄糖 + + + + 能发酵 乳糖 + 阿拉伯糖 + -
8
合成诱导例子： 酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色 素，但在无氧时细胞色素消失，再回到有 氧条件下，有会合成细胞色素。 紫色细菌的叶绿素再黑暗中消失，见 光后又会恢复合成能力。 组成酶和诱导酶对不同菌株是不同的： 例如： β－半乳糖苷酶在大肠杆菌K12菌株中 为诱导酶，而在其一个突变菌株中为组成酶
3
酶的调节机制
中间代谢 外界
酶的活性调节 酶的合成调节 变构蛋白
效应物 活性改变
系统中只有ATP时，EC值为1；只有AMP时，EC值等于0。
31
巴斯德效应(The Pasteur effect ) 现象： 通风对酵母代谢的影响
通风（有氧呼吸） 酒精生成量 低（接近零） 耗糖量/单位时间 少 细胞的繁殖 旺盛
缺氧（发酵） 高 多 很弱至消失
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
ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利 用葡萄糖生产酒精的速度加快。
34
微生物的代谢调节的特性
1. 酶活性调节与酶量调节的区别和配合
酶量的调节是基因水平，见效慢但 节约生物合成的原料和能量属于粗调； 活性调节在蛋白质水平上，主要是作用 关键酶（一般是途径中的第一或第二个 酶）为调节酶，调节直接、迅速和灵活 属于细调。二者共同调节才能达到更好 效果
预培养基 糖种类 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 不含糖 葡萄糖 + + + + 能发酵 乳糖 + 阿拉伯糖 + -
8
合成诱导例子： 酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色 素，但在无氧时细胞色素消失，再回到有 氧条件下，有会合成细胞色素。 紫色细菌的叶绿素再黑暗中消失，见 光后又会恢复合成能力。 组成酶和诱导酶对不同菌株是不同的： 例如： β－半乳糖苷酶在大肠杆菌K12菌株中 为诱导酶，而在其一个突变菌株中为组成酶
化学微生物学第六章发酵全解
• 目前，全球范围内使用最为普遍的是VA、VC 和 VE，三都每年市场销售额近20亿美元，其中VE 超过10亿美元，其余为VB族，每个品种都有亿美 元的市值。在各种用途中，维生素作为动物饲料 的市场正以每年2-3％速度增长，在药用和食品领 域都以4-5％的速度增长 。
甾体激素
• 目前世界市场的年销售额为67亿元，今后 仍将以6—10％的速率递增。最近正在兴起 用固定化细胞进展甾体转化，将是一个有 进展前途的新工艺，
用于制备诊断盒、治疗疾病或作为生物药 物的运载工具。纯化抗原类物质，菌种鉴 别。 G、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、 制药工业用酶、工业发酵药物
医药市场
• 抗生素：目前世界各国可用发酵法生产的抗生 素约400种，其中广泛应用的大约120种。l980 年世界总产量约为25000吨。仅青、四、红和头 孢四类抗生素的产值就达42亿美元，最大的发 酵罐为400立方米。
入外源基因等以获得工程菌；
•
(2)发酵或生物转化，是通过优化发酵条件
如温度、养分、供气量等。利用工程菌的生物
合成，加工和修饰等以获得目的产物；
• 下游过程：是运用生物化学、物理学方法分别、 纯化产品，最终将产品推向市场并获得社会或
经济效益。
发酵工程
Continuous centrifuges
发酵工程争论内容
利用微生物的特点
• 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放 线菌，酵母菌和霉菌。
• 利用微生物的特点： (1)对四周环境的温度、压强、渗透压、酸 碱度等条件有极大的适应力量。
• (2)有极强的消化力量。 • (3)有极强的生殖力量。
发酵工程组成
•
从广义上讲，由三局部组成：
• 上游工程、发酵工程、下游工程
甾体激素
• 目前世界市场的年销售额为67亿元，今后 仍将以6—10％的速率递增。最近正在兴起 用固定化细胞进展甾体转化，将是一个有 进展前途的新工艺，
用于制备诊断盒、治疗疾病或作为生物药 物的运载工具。纯化抗原类物质，菌种鉴 别。 G、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、 制药工业用酶、工业发酵药物
医药市场
• 抗生素：目前世界各国可用发酵法生产的抗生 素约400种，其中广泛应用的大约120种。l980 年世界总产量约为25000吨。仅青、四、红和头 孢四类抗生素的产值就达42亿美元，最大的发 酵罐为400立方米。
入外源基因等以获得工程菌；
•
(2)发酵或生物转化，是通过优化发酵条件
如温度、养分、供气量等。利用工程菌的生物
合成，加工和修饰等以获得目的产物；
• 下游过程：是运用生物化学、物理学方法分别、 纯化产品，最终将产品推向市场并获得社会或
经济效益。
发酵工程
Continuous centrifuges
发酵工程争论内容
利用微生物的特点
• 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放 线菌，酵母菌和霉菌。
• 利用微生物的特点： (1)对四周环境的温度、压强、渗透压、酸 碱度等条件有极大的适应力量。
• (2)有极强的消化力量。 • (3)有极强的生殖力量。
发酵工程组成
•
从广义上讲，由三局部组成：
• 上游工程、发酵工程、下游工程
06 发酵原理
06 发酵原理06-发酵原理第六章酿造原则微生物糖代谢的主要途径有：emp途径、hmp途径、ed途径、pk途径。
一、发酵的定义：发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接传递给一些未被底物自身完全氧化的中间有机物，同时释放能量并产生各种代谢物。
发酵机制研究的内容：积累的产物：（1）微生物菌体；（2）酶；（3）代谢产物――厌气发酵、好气发酵。
发酵的类型：根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。
（1）好氧性发酵：在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。
（2）厌氧性发酵：在发酵过程中不需要供给无菌空气。
（3）兼性发酵：它可以在好氧和厌氧条件下生存。
例如，酒精酵母在缺氧条件下通过厌氧发酵积累酒精，而需氧发酵在需氧条件下进行，以大量繁殖细菌细胞。
不同微生物对不同物质发酵时可以得到不同的产物;不同的微生物对同一种物质进行发酵得到不同的产物;同一种微生物在不同条件下进行发酵都可得到不同的产物;这些都取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件。
代谢控制发酵：人为改变微生物的代谢调节机制，使有用代谢物的积累过多。
发酵机理：微生物通过代谢活动合成人体所需代谢物的内在规律。
发酵机理研究内容：1.微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产物合成途径及代谢调节机制）；2.环境因素（营养条件、培养条件等）对代谢的影响及改变代谢的措施；二、糖酵解的定义：糖酵解是葡萄糖无氧降解为丙酮酸，伴随着细胞质中的一系列反应。
酵解与发酵均不需氧的参加，故统称为糖的无氧分解；只是二者的最终产物不同。
糖酵解和发酵的区别：1.相似之处：(1)都要进行以下三个阶段：1,6-二磷酸葡萄糖果糖；果糖1,6-二磷酸甘油醛3-磷酸；丙酮酸甘油醛3-磷酸酯（2）在细胞质中进行不同点：糖酵解就是葡萄糖生成丙酮酸阶段。
根据氢受体的不同，发酵可分为两类：（1）丙酮酸直接接收从甘油醛3-磷酸中去除的一对氢来产生乳酸，称为乳酸发酵。
（2）丙酮酸脱羧基后，乙醛从3-磷酸甘油醛中获得一对氢来生产乙醇，这被称为酒精发酵。
第六章微生物发酵机理PPT课件
9
葡萄糖的分解途径主要有：EMP途径、HMP 途径、ED途径和PK途径等四种。
EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸 ；产生2分子ATP和2分子NADH。
HMP途径将一分子6-磷酸葡萄糖转变为1分子3磷酸甘油醛，3分子CO2和6分子NADPH。
ED途径将1分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸，1分 子ATP，1分子NADPH和1分子NADH。
PK途径将1分子葡萄糖转变为1分子乳酸、1分子 CO2和一分子乙醇或乙酸。
பைடு நூலகம்10
EMP途径
乳酸
(12) +2H+
丙酮酸
ATP
葡萄糖
(1)
己糖激
A酶DP
葡萄糖-6-磷酸 (2)
乙醇
(14) 2NAD+
果糖-6-磷酸 ATP
Mg2+
磷酸果
(3) ADP
糖激酶 果糖-1，6-二磷酸
2CO2 (11)
烯醇式丙酮酸
4-磷酸赤藓糖 C4
6-磷酸果糖 C6
5-磷酸木酮糖 C5
3-磷酸甘油醛 C3
6-磷酸果糖 C6
13
电子载体：
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)，又称辅酶Ⅰ (Co Ⅰ)
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)， 又称辅酶Ⅱ (Co Ⅱ)
磷 酸 戊
3NADP+ 3NADP+3H+
6-磷酸葡萄糖脱氢酶
6-磷酸葡萄糖酸内酯(C6)×3
糖
6-磷酸葡萄糖酸(C6)×3
途
葡萄糖的分解途径主要有：EMP途径、HMP 途径、ED途径和PK途径等四种。
EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸 ；产生2分子ATP和2分子NADH。
HMP途径将一分子6-磷酸葡萄糖转变为1分子3磷酸甘油醛，3分子CO2和6分子NADPH。
ED途径将1分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸，1分 子ATP，1分子NADPH和1分子NADH。
PK途径将1分子葡萄糖转变为1分子乳酸、1分子 CO2和一分子乙醇或乙酸。
பைடு நூலகம்10
EMP途径
乳酸
(12) +2H+
丙酮酸
ATP
葡萄糖
(1)
己糖激
A酶DP
葡萄糖-6-磷酸 (2)
乙醇
(14) 2NAD+
果糖-6-磷酸 ATP
Mg2+
磷酸果
(3) ADP
糖激酶 果糖-1，6-二磷酸
2CO2 (11)
烯醇式丙酮酸
4-磷酸赤藓糖 C4
6-磷酸果糖 C6
5-磷酸木酮糖 C5
3-磷酸甘油醛 C3
6-磷酸果糖 C6
13
电子载体：
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)，又称辅酶Ⅰ (Co Ⅰ)
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)， 又称辅酶Ⅱ (Co Ⅱ)
磷 酸 戊
3NADP+ 3NADP+3H+
6-磷酸葡萄糖脱氢酶
6-磷酸葡萄糖酸内酯(C6)×3
糖
6-磷酸葡萄糖酸(C6)×3
途
发酵工程工艺原理：6 发酵机制1
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（在不同的微生物机体和不同条件下，
H2的受体不同，因而丙酮酸的去路也不同）。
葡萄糖
↓ ↓ EMP ↓ 乙醇 ← 乙醛 ← 丙酮酸 → 乳酸 ↓ 乙酰CoA ↓ 乙酰乙酸CoA
乙酰乙酸 ↓ 丙酮 ↓
异丙醇
乙酰CoA ↓ 丁酸 ↓ 丁醇
二、酒精发酵机制
糖酵解代谢途径可将一分子葡萄糖
分解为两分子丙酮酸，净生成两分 子ATP。
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NANADH+2H+
糖酵解代谢途径有三个关键酶，即
己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果 糖激酶、丙酮酸激酶。
2
三个激酶是糖酵解途径的主要调节点。
糖代谢的调节主要是能荷的控制，即受细 胞内能量水平的控制。
酵母的酒精发酵（EMP途径，酵 母菌的Ⅰ型发酵）
C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2CO2+2ATP
请掌握此概念
巴斯德效应（Pasteur Effect）
在好氧条件下，酵母的发酵能力降低，即由于呼 吸作用的进行使酒精产量大为降低。其机理是因为酵 解过程的控制受末端产物ATP的反馈控制，即有氧时， 由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产生大
当体系中ATP含量高时，磷酸果糖激酶和 丙酮酸激酶的活性受到抑制，酵解减少。
当需能反应加强，ATP分解，减少，其抑 制作用解除，同时ADP、AMP激活己糖激 酶和磷酸果糖激酶，而这两个酶催化的产 物同时又是丙酮酸激酶的激活剂，结果时 糖酵解加快。
第一节 糖嫌气性发酵产物积累机制
糖的无氧酵解（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。
H2的受体不同，因而丙酮酸的去路也不同）。
葡萄糖
↓ ↓ EMP ↓ 乙醇 ← 乙醛 ← 丙酮酸 → 乳酸 ↓ 乙酰CoA ↓ 乙酰乙酸CoA
乙酰乙酸 ↓ 丙酮 ↓
异丙醇
乙酰CoA ↓ 丁酸 ↓ 丁醇
二、酒精发酵机制
糖酵解代谢途径可将一分子葡萄糖
分解为两分子丙酮酸，净生成两分 子ATP。
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NANADH+2H+
糖酵解代谢途径有三个关键酶，即
己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果 糖激酶、丙酮酸激酶。
2
三个激酶是糖酵解途径的主要调节点。
糖代谢的调节主要是能荷的控制，即受细 胞内能量水平的控制。
酵母的酒精发酵（EMP途径，酵 母菌的Ⅰ型发酵）
C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2CO2+2ATP
请掌握此概念
巴斯德效应（Pasteur Effect）
在好氧条件下，酵母的发酵能力降低，即由于呼 吸作用的进行使酒精产量大为降低。其机理是因为酵 解过程的控制受末端产物ATP的反馈控制，即有氧时， 由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产生大
当体系中ATP含量高时，磷酸果糖激酶和 丙酮酸激酶的活性受到抑制，酵解减少。
当需能反应加强，ATP分解，减少，其抑 制作用解除，同时ADP、AMP激活己糖激 酶和磷酸果糖激酶，而这两个酶催化的产 物同时又是丙酮酸激酶的激活剂，结果时 糖酵解加快。
第一节 糖嫌气性发酵产物积累机制
糖的无氧酵解（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。
6微生物发酵机理-精选文档73页
NAD+ NADH
葡萄糖
6-磷酸 葡萄糖
6-磷酸葡 5-磷酸 萄糖酸 -CO2 木酮糖
乙酰磷酸
3-磷酸 -2H 甘油醛
乳酸
2ADP 2ATP
14
（2）双歧途径
两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产乳酸的途径
15
发酵类型 同型乳酸
发酵
异型乳酸 发酵
途径 EMP
HMP 双歧
产物 乳酸
菌种代表
保加利亚乳杆 菌、乳酸链球
27
（三）及时补加草酰乙酸
外加草酰乙酸 选育回补途径旺盛的菌种
28
柠檬酸的积累机制归纳：
①Mn 2+ 缺乏
抑制蛋白
合成
NH4﹢
有一条呼吸活力强的不产生ATP的 侧系呼吸链
解除磷酸果糖激酶 的代谢调节，促进 EMP途径的畅通
② 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。
29
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。
株；
57
（四）肌苷酸发酵机制
1. 选择肌苷酸酶弱或丧失的菌株为出发菌株； 2. 选育Ade-、Ade-+Xan-或Ade-+G-等，发酵时限量
添加腺嘌呤、鸟嘌呤，以解除腺苷酸和鸟苷酸对 PRPP转酰胺酶的反馈抑制； 3.遗传性解除AMP类和GMP类对PRPP转酰胺酶的反馈 调节，选育抗腺嘌呤结构类似物和抗鸟嘌呤结构类似 物突变株； 4.解除细胞膜渗透性障碍。
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。
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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。
2、酶活性的调节（细调）
② 酶活性的抑制（inhibition）：代谢调节过程中所发生 的抑制现象主要是可逆的，大多是反馈抑制
1、酶合成的调节（粗调）
③酶合成调节的遗传机制：操纵子学说
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。
乳糖操纵子的诱导机制
P R PO
z
ya
半乳糖苷 酶
半乳糖 苷渗透 酶
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中 ，调节方式较复杂，其共同特点是每个分支途径的末端 产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对 整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反 馈调节方式有多种:
顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition） 同工酶的反馈抑制（isoenzyme feedback inhibition） 协同反馈抑制（concerted feedback inhibition） 累积反馈抑制（cumulative feedback inhibition） 超相加反馈抑制（cooperative feedback inhibition）
第六章 微生物发酵机理
第一节 微生物基础物质代谢 第二节 厌氧发酵产物的合成机制 第三节 好养发酵产物的合成机制
第一节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢 二、微生物对培养基中氮源的代谢 三、微生物的能量代谢
微生物的代谢调节
在生物进化过程中，微生物细胞形成了 愈来愈完善的代谢调节机制，在代谢繁 殖过程中，能量的利用以及对细胞生长 繁殖过程中所需的各种物质的形成是非 常合理和经济的，细胞经常处于平衡生 长状态，不会有代谢产物的积累。
A反. 馈无抑分制支作代用谢在生途物径体的内调普节通：存通在常，是它在在线维形持的细代胞谢正途常
TD 径代中谢末、端经产济物有对效催地化利第用一代步谢反原应料的、酶以活及性适有应抑环制境作的用变。化，
都具有重要作用。
抑制
A
B
C
Ea
Eb
苏氨酸
α-酮丁酸
D
X
Ec
异亮氨酸
② 酶活性的抑制（inhibition）
（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（induction of enzyme synthesis） 协同诱导：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。
例如，半乳糖可同时诱导产生半乳糖激酶、转移酶和表异 构顺酶序；诱乳导糖：可一同种时诱诱导导剂产诱生导渗产透生酶的，酶β的-半反乳应糖产苷物酶可和继转续乙诱 酰导基产酶生。下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为 顺例序如诱，导荧。光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)降解芳香 族化合物的酶系，就是顺序诱导出来的
其实质是控制酶与底物接触，使各个反应有序地进行。
（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
现代发酵工业要研究的主要内容就是通 过改变培养条件和遗传特性，使微生物 的代谢途径改变或代谢调节失控而获得 某一发酵产物的过量产生。其方法大体 可分为两类：
– 改变产生菌的基因型而改变代谢途径； – 改变控制代谢速率，即影响基因型的表达
第二节 代谢调节方式与机制
代谢调节：微生物代谢速度和方向按照 微生物的需要而改变的一种作用。包括酶 量的调节和酶活性的调节。
谷氨酸脱氢酶 + NAD+
催化谷氨酸的分解
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+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
② 酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis ）
当生化途径的终产物浓度增加时或向生长培养基加 入这种终产物时，酶的合成就被阻遏。
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。
半乳糖苷转 乙酰基酶
2、酶活性的调节（细调）
概念 酶活性调节是指一定数量的酶，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。
影响因素 底物和产物的性质和浓度 环境因子（如压力、pH、离子强度和辅助因子等） 其他的酶存在
调节方式 激活已有酶的活性 抑制已有酶的活性
2、酶活性的调节（细调）
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。
（三）、代谢速度的调控
在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性或酶的数 量来控制代谢物的流量。酶活性和酶量的调节是微生 物代谢调节的核心。
（三）、代谢速度的调控
根据目前的研究结果表明，分解代谢中心途径 中的有关酶调节主要是在酶活性水平上进行， 而外周途径则主要是在酶合成水平上进行调节； 合成代谢途径中的酶调节似乎往往是酶活性与 酶合成的调节同时存在。不论是酶活性调节还 是酶合成调节，它们通常需要某种低分子量的 物质存在。
能荷调节
（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。
微生物代谢的控制：运用人为的方法对微生物 的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期 按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。
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
酶合成的诱导 酶量（粗调）
酶合成的阻遏
酶活性的激活 酶活（细调）
酶活性的抑制
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。
2、酶活性的调节（细调）
② 酶活性的抑制（inhibition）：代谢调节过程中所发生 的抑制现象主要是可逆的，大多是反馈抑制
1、酶合成的调节（粗调）
③酶合成调节的遗传机制：操纵子学说
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。
乳糖操纵子的诱导机制
P R PO
z
ya
半乳糖苷 酶
半乳糖 苷渗透 酶
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中 ，调节方式较复杂，其共同特点是每个分支途径的末端 产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对 整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反 馈调节方式有多种:
顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition） 同工酶的反馈抑制（isoenzyme feedback inhibition） 协同反馈抑制（concerted feedback inhibition） 累积反馈抑制（cumulative feedback inhibition） 超相加反馈抑制（cooperative feedback inhibition）
第六章 微生物发酵机理
第一节 微生物基础物质代谢 第二节 厌氧发酵产物的合成机制 第三节 好养发酵产物的合成机制
第一节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢 二、微生物对培养基中氮源的代谢 三、微生物的能量代谢
微生物的代谢调节
在生物进化过程中，微生物细胞形成了 愈来愈完善的代谢调节机制，在代谢繁 殖过程中，能量的利用以及对细胞生长 繁殖过程中所需的各种物质的形成是非 常合理和经济的，细胞经常处于平衡生 长状态，不会有代谢产物的积累。
A反. 馈无抑分制支作代用谢在生途物径体的内调普节通：存通在常，是它在在线维形持的细代胞谢正途常
TD 径代中谢末、端经产济物有对效催地化利第用一代步谢反原应料的、酶以活及性适有应抑环制境作的用变。化，
都具有重要作用。
抑制
A
B
C
Ea
Eb
苏氨酸
α-酮丁酸
D
X
Ec
异亮氨酸
② 酶活性的抑制（inhibition）
（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（induction of enzyme synthesis） 协同诱导：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。
例如，半乳糖可同时诱导产生半乳糖激酶、转移酶和表异 构顺酶序；诱乳导糖：可一同种时诱诱导导剂产诱生导渗产透生酶的，酶β的-半反乳应糖产苷物酶可和继转续乙诱 酰导基产酶生。下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为 顺例序如诱，导荧。光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)降解芳香 族化合物的酶系，就是顺序诱导出来的
其实质是控制酶与底物接触，使各个反应有序地进行。
（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
现代发酵工业要研究的主要内容就是通 过改变培养条件和遗传特性，使微生物 的代谢途径改变或代谢调节失控而获得 某一发酵产物的过量产生。其方法大体 可分为两类：
– 改变产生菌的基因型而改变代谢途径； – 改变控制代谢速率，即影响基因型的表达
第二节 代谢调节方式与机制
代谢调节：微生物代谢速度和方向按照 微生物的需要而改变的一种作用。包括酶 量的调节和酶活性的调节。
谷氨酸脱氢酶 + NAD+
催化谷氨酸的分解
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+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
② 酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis ）
当生化途径的终产物浓度增加时或向生长培养基加 入这种终产物时，酶的合成就被阻遏。
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。
半乳糖苷转 乙酰基酶
2、酶活性的调节（细调）
概念 酶活性调节是指一定数量的酶，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。
影响因素 底物和产物的性质和浓度 环境因子（如压力、pH、离子强度和辅助因子等） 其他的酶存在
调节方式 激活已有酶的活性 抑制已有酶的活性
2、酶活性的调节（细调）
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。
（三）、代谢速度的调控
在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性或酶的数 量来控制代谢物的流量。酶活性和酶量的调节是微生 物代谢调节的核心。
（三）、代谢速度的调控
根据目前的研究结果表明，分解代谢中心途径 中的有关酶调节主要是在酶活性水平上进行， 而外周途径则主要是在酶合成水平上进行调节； 合成代谢途径中的酶调节似乎往往是酶活性与 酶合成的调节同时存在。不论是酶活性调节还 是酶合成调节，它们通常需要某种低分子量的 物质存在。
能荷调节
（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。
微生物代谢的控制：运用人为的方法对微生物 的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期 按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。
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
酶合成的诱导 酶量（粗调）
酶合成的阻遏
酶活性的激活 酶活（细调）
酶活性的抑制