发酵工程ppt韦革宏杨祥第3章34节

一、厌氧发酵代谢产物发酵机制
（一）乙醇和甘油发酵
1. 酵母菌的乙醇发酵（Ⅰ型发酵） 2. 酵母菌的甘油发酵（Ⅱ型发酵） 3. 酵母菌的甘油发酵（Ⅲ型发酵） 4. 细菌的乙醇发酵
一、厌氧发酵代谢产物发酵机制
（二）乳酸发酵
1. 同型乳酸发酵
乳链球菌（Streptococcus Lactis）、乳酸乳杆菌 （ Lactobacillus casei）等进行
葡萄糖 AIR
ATP
5-磷酸核糖
PRPP
AIR
通过5步反应，分别由谷氨酰胺、甘氨酸 和THFA提供骨架原子合成嘌呤5元环部分
5’-IMP
再通过5步反应，分别由CO2、天冬氨酸、 谷氨酰胺、和THFA提供骨架原子合成嘌 呤6元环部分
各种微生物合成IMP的途径是一致的，但是，从IMP 分别生成AMP和GMP的途径是不同的。在枯草杆菌中， IMP是嘌呤核苷酸的中心，分出两条环行路线，在这里 AMP与GMP是可以互相转换的。在产氨短杆菌中，其合成 途径与枯草杆菌不同，从IMP开始分出的两条路线不是环 行，而是单向分支，AMP与GMP不能相互转换。
关键问题：柠檬酸是如何积累的？
第四节 氨基酸和核酸的发酵 机制
一、氨基酸发酵机制
微生物细胞内氨基酸的来源
1. 直接从培养基中吸收 2. 转氨基作用合成 3. 以糖分解代谢中间体为碳骨架合成
转氨基作用
Transamination 指把氨基从一个化合物转移到其他化合物上的反应过程。 是布朗斯坦和克里茨曼（A．E．Braunstein与M．G．Kritzmann， 1937）提出的。在生物体内通常为以磷酸吡哆醛为辅酶的转氨酶所催化， 此反应一般是可逆的。
谷氨酸棒杆菌将氨基导入谷氨 酸有三种方式
谷氨酸发酵的关键： 1. 生物素亚适量 2. NH3充足 3. 代谢流强化
生物素
NH3
细胞外
一、氨基酸发酵机制
（二）天冬氨酸族氨基酸生物合成途径
(大肠杆菌)
在细菌中，天冬氨酸的合成是葡萄糖经酵解途 径生成丙酮酸，丙酮酸经CO2固定和氧化脱羧 进入三羧酸循环，生成草酰乙酸，再经氨基化 反应生成天冬氨酸。
谷氨酸+丙酮酸→α-酮戊二酸+丙氨酸 谷氨酸+草酰乙酸→α-酮戊二酸+天冬氨酸
NH3 + ATP
谷氨酸
NADP
谷氨酸
谷酰胺合酶 ADP+Pi
谷酰胺
谷氨酸合 酶
α－酮戊 二酸
NADPH2
微生物可经氨化作 用补充新的谷氨酸
从糖代谢中间体合成各种氨基酸
一、氨基酸发酵机制
（一）谷氨酸的发酵途径 (谷氨酸棒杆菌)
二、好氧发酵代谢产物发酵机制
微生物好氧发酵糖类物质可生成多种有机 酸，其中柠檬酸是最常见的一种。
黑曲霉的柠檬酸发酵机制直到Kerbs(1940 年)提出三羧酸循环学说才被人们逐渐认识。
黑曲霉的柠檬酸发酵机制见图3-6.
图3-6 黑曲霉的柠檬酸发酵机制
1-丙酮酸脱氢酶； 2-柠檬酸合成酶； 3-乌头酸水合酶； 4-异柠檬酸脱氢酶； 5-α-酮-戊二酸脱氢酶； 6-琥珀酸脱氢酶； 7-富马酸酶； 8-苹果酸脱氢酶； 9-丙酮酸羧化酶； 10-磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶。
2. 异型乳酸发酵
肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroids）进行
3. 双歧发酵
两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）等进行
一、厌氧发酵代谢产物发酵机制
（三）丙酮-丁醇发酵 （四）混合酸与丁二醇发酵
以上两种类型的发酵产物较多，除了利用其生 产化工原料外，还经常被用来进行病原微生物 的检测。
图3-8 大肠杆菌的天冬氨酸族 氨基酸合成途径
1-天冬氨酸激酶；2-天冬氨酸β-半醛脱氢酶；3-高丝氨酸脱 氢酶；4-琥珀酰高丝氨酸合成 酶；5-胱硫醚合成酶；6-胱硫 醚酶；7-蛋氨酸合成酶；8-高 丝氨酸激酶；9-苏氨酸合成酶； 10-苏氨酸脱氢酶；11-乙酰羟 酸合成酶；12-二羟基酸还原 异构酶；13-二羟基酸脱水酶； 14-转氨酶；15-二氢吡啶二羧 酸合成酶；16-二氢吡啶二羧 酸还原酶；17-N-琥珀酰-ε-酮 -L-氨基庚二酸合成酶；18-琥
谷氨酰胺 谷氨酸
Fra Baidu bibliotek
UTP
CTP
甲基-THFA
dUMP
dTMP
二、核苷酸发酵机制
（二）嘌呤核苷酸的生物合成
与嘧啶核苷酸的生物合成途径相比，嘌呤核苷 酸生物合成途径要复杂的多，整个生物合成的 过程可以分成三个阶段：第一阶段是由5-磷酸 核糖与ATP反应开始到5-氨基咪唑核苷酸(AIR) 合成；第二阶段是从5-氨基咪唑核苷酸开始到 次黄嘌呤核苷酸(IMP)合成；第三阶段是由次 黄嘌呤核苷酸开始到鸟嘌呤核苷酸(GMP)与腺 嘌呤核苷酸(AMP)合成。
中间物3
转氨
酶4-转氨酶
转氨
L-亮氨酸
L-异亮氨酸
L-缬氨酸
一、氨基酸发酵机制
（四）精氨酸族氨基酸的发酵机制 (谷氨酸棒杆菌)
L-谷氨酸
中间物1
中间物2 中间物3 中间物4
发酵策略： 营养缺陷型 结构类似物抗性突变株
L-鸟氨酸 L-瓜氨酸 中间物5 L-精氨酸
二、核苷酸发酵机制
（一）嘧啶核苷酸的生物合成 (枯草芽孢杆菌)
IMP SAMP AMP
图3-10 产氨短杆菌 嘌呤核苷酸的生物合 成
PRPP
XMP
PRA
IMP
GMP
AMP GMP
肌苷发酵策略： 切断支路代谢，解除反馈 抑制，改变细胞膜透性
二、核苷酸发酵机制
脱氧核苷酸是在核苷酸合成后在二磷酸水平还原 合成的，参见教材P93.
酵母菌的乙醇发酵
C6H12O6
EMP 2ATP
谷氨酸的生物合成途径就是经过酵解途径 （EMP）和单磷酸己糖途径（HMP）生成丙 酮酸。一方面丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA； 另一方面经CO2固定作用生成草酰乙酸；两者 合并成柠檬酸进入三羧酸循环，由三羧酸循环 的中间产物α-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶催化 下，还原氨基化合成谷氨酸。
图3-7 谷氨酸棒杆菌的谷氨酸生物合成
珀酰二氨基庚二酸转氨酶； 19-琥珀酰二氨基庚二酸脱酰 基酶；20-二氨基庚二酸差向 异构酶；21-二氨基庚二酸脱
羧酶。
一、氨基酸发酵机制
（二）天冬氨酸族氨基酸生物合成途径
在酵母和霉菌等真菌中，天冬氨酸族的赖氨酸 是以另外的方式合成的，参见教材P91图3-9.
工业生产赖氨酸目前不采用酵母等真菌主要是 有两个原因：
D 磷酸二羟丙 酮
NADH+
H
Pi 甘
α-磷酸甘
油
油
H2O
NA﹢
H＋
D
酵母菌Ⅲ型发酵
加Na2CO3或 NaOH
2ADP 2ATP
3-磷酸 甘油醛
丙 CO2 乙
酮
醛
酸
乙酸
乙 醇
葡 萄 糖
1、6 -二 磷酸果糖
NA ﹢ NADH+
D
H
磷酸二
羟丙酮
α-磷酸 甘油
甘油
NADH+HH﹢ NAD﹢
细菌的乙醇发酵
菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED
葡萄糖
←ATP 2H
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
1mol葡萄糖产: 2mol乙醇 2molCO2 1molATP
3-磷酸甘油醛
丙酮酸
2H
KDPG醛缩酶
2ATP
丙酮酸
2CO2
乙醇
乙醛
2乙醇
同型乳酸发酵
2乳酸
乳酸脱氢酶
2丙酮酸
2ATP 2ADP
葡萄糖
2NAD+ 2NADH
一方面糖经过EMP、TCA途径生成天冬氨酸； 另一方面，NH3、CO2与ATP生成氨甲酰磷酸， 二者缩合通过几步反应生成乳清酸，后者再与 PRPP结合，最后生成UMP，再由UMP生成 UTP、CTP和TTP.
UMP
图3-9 枯草芽孢杆菌嘧啶 核苷酸的生物合成
发酵策略： 营养缺陷型 结构类似物抗性突变株 添加前体物
第三章 发酵机制及发酵动 力学
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、HMP、ED及PK途径形成多种 中间代谢物。在不同的微生物细胞中及不 同的环境条件下,这些中间代谢物进一步转 化，形成各种不同的发酵产物。根据发酵 产物的不同，发酵类型主要有乙醇发酵、 甘油发酵、乳酸发酵、丙酮丁醇发酵、混 合发酵等。
3-磷酸 甘油醛
4ATP 4ADP
2( 1,3-二磷酸甘油酸）
磷酸二羟丙酮
异型乳酸发酵
乙醇脱氢酶
乙醇
乙醛
乙酰CoA
ATP ADP NAD+ NADH
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
EMP
HMP
1mol葡萄糖产:
1mol乳酸1mol乙醇 1molCO21molATP
产气肠杆菌
大肠杆菌的混合 (Enterobacte r
酸发酵
aerogenes)的丁二
(mol/100mol葡萄 醇发酵
糖)
(mol/100mol葡萄
糖)
2.4
17.0
36.5
0.5
10.7
-
49.8
69.5
0.3
66.4
88.0
172.0
75.0
35.4
79.5
2.9
L-苏氨酸
CH3 OH C H
H C NH2 COOH
CH3 CH2 H C CH3 H C NH2
COOH
L-异亮氨酸
CH3 H C CH3 H C NH2
COOH
L-缬氨酸
CH3 H C CH3
CH2 H C NH2
COOH
L-亮氨酸
CH2 NH2 CH2 CH2 H C NH2
COOH
L-鸟氨酸
NH
CH2 NH C CH2 CH2 H C NH2
COOH
NH2
L-瓜氨酸
O
CH2 NH C CH2 CH2 H C NH2
COOH
NH2
L-精氨酸
1. 膜透性问题 2. 代谢途径没有分支
一、氨基酸发酵机制
（三）分支链氨基酸发酵机制 (大肠杆菌)
L-苏氨酸
丁酮酸 + 活性乙醛
丙酮酸 + 活性乙醛
缩合反应 中间物1
还原酮基
中间物2 脱水形成新酮基
酶1-合成酶 酶2-还原酶 酶3-脱水酶
缩合反应 中间物1
还原酮基 中间物2
脱水形成新酮基
中间物3
2NAD 2NADH2
2CH3COCOOH
-2CO2
2CH3CHO
乙醇脱氢酶
2CH3CH2OH
※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。
酵母菌Ⅱ型发酵
NaHSO3
2ATP 2ADP
1.6-
葡
二磷
萄
酸果
糖
糖
2AT 2ADPP
3-磷酸
丙酮酸
甘油醛
CO
2乙 醛
乙醛 HSO3
NA ﹢ NADH﹢+
乙酰磷酸 磷酸戊糖解酮酶
3-磷酸 -2H 甘油醛
乳酸
2ADP 2ATP
同型乳酸发 酵后半段
磷酸解酮酶途径。 图示两种解酮酶。 此即双歧杆菌进行 的双歧乳酸发酵。
1mol葡萄糖产: 1mol乳酸1.5mol乙酸 2.5molATP
HK PK
混合酸发酵与丁二醇发酵的产物
产物
甲酸 乙酸 琥珀酸 乙醇 2,3-丁二醇 CO2 H2 乳酸