代谢控制发酵-第二章 微生物的细胞代谢(一)
代谢控制发酵-第二章 微生物的细胞代谢(一)
二、微生物产能代谢
HMP途径
Ø HMP途径主要生理功能是： ü 供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA
等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香
族、杂环族氨基酸的原料； ü 产还原力：产生大量的NADPH形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固
醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需 ü 作为固定的CO2中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定
二、微生物产能代谢
递氢和受氢
Ø 贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的 途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式传 递，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释 放出其中的能量
Ø 根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化 区分成3种类型（好氧呼吸、无氧呼吸和发酵）
二、微生物产能代谢
呼吸作用
Ø 微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD(P)+、 FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电 子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过 程称为呼吸作用
Ø 以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸；以氧化型化 合物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-）作为最终电子受 体的称为无氧呼吸
Ø 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电 子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系 统，逐步释放出能量后，再交给最终电子受体
代谢体系组成
Ø 体系Ⅰ和Ⅱ分别与体系Ⅲ只发生松散联系，体系Ⅰ具 有相对独立的运转能力，同时体系Ⅰ和Ⅱ可作为一个 整体，具有相对独立的运转能力
Ø 由于细胞的分泌机制，体系Ⅰ的相对独立运转使细胞 有可能分泌如乙醇等代谢副产物；体系Ⅰ和Ⅱ一起相 对运转，使细胞可以分泌氨基酸等生物大分子的前体
代谢控制发酵
《代谢控制发酵》复习题1．名词解释代谢控制发酵：所谓代谢控制发酵就是利用遗传学的方法或其他生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核苷酸的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累发酵。
关键酶：参与代谢调节的酶的总称。
作为一个反应链的限速因子，对整个反应起限速作用。
变构酶：有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，使催化活性改变，称为变构酶。
诱导酶：诱导酶是在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶。
调节子：就是指接受同一调节基因所发出信号的许多操纵子。
温度敏感突变株：通过诱变可以得到在低温下生长，而在高温下却不能生长繁殖的突变株。
碳分解代谢物阻遏：可被迅速利用的碳源抑制作用于含碳底物的酶的合成，就称为碳分解代谢阻遏。
氮分解代谢物阻遏：可被迅速利用的氮源抑制作用于含氮底物的酶的合成，就称为氮分解代谢阻遏。
营养缺陷型突变菌株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养基中外源补加该营养物质才能生长的突变菌株。
渗漏突变株：由于遗传性障碍的不完全缺陷，使它的某一种酶的活性下降而不是完全丧失。
因此，渗漏突变菌株能少量的合成某一种代谢最终产物，能在基本培养基上进行少量的生长。
代谢互锁：从生物合成途径来看，似乎是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较高浓度下才发生，而受这种抑制（阻遏）作用是部分性的，不完全的。
平衡合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶活性远远大于b 酶，结果优先合成E。
E过量后就会抑制a酶，使代谢转向合成G。
G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流转向又合成E，如此循环。
（P45图）优先合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E和G，由于a酶的活性远远大于b酶的活性，结果优先合成E。
E合成达到一定浓度时，就会抑制a酶，使代谢转向合成G。
G合成达到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用。
微生物代谢的控制
微生物代谢的掌控突破微生物的自我代谢调整机制，使代谢产物积累的有效措施有三种：应用营养缺陷型菌株，利用其合成代谢途径中某一步发生的缺陷，解除反馈调整作用，从而使产物大量积累。
选育抗反馈调整的突变菌株，使其不再受正常反馈调整的影响，*终达到产物积累的目的。
更改细胞膜的通透性，使*终代谢产物不能在细胞内大量积累达到引起反馈调整的浓度，从而达到解除反馈调整的目的。
一、发酵过程掌控微生物发酵的过程掌控应当从两个方面来实现：1. 微生物菌体本身的性能掌控2. 微生物发酵环境条件掌控。
（一）发酵过程的一般性规律1.发酵的基本过程原材料的预处理，发酵培育基的制备，**，大型发酵，发酵液的预处理和固液分别，发酵液的纯化，发酵液的精制及成品加工2.发酵过程的一般性规律（1）发酵用培育基供菌种生长、繁殖和合成产物使用。
（2）种子扩大培育供给大量菌体应使用处于对数增长期末期的菌种。
（3）发酵工艺掌控调控发酵条件包括：发酵温度、发酵醪基质浓度、含氧量、酸碱度、发酵时间掌控方法有:通风、供热（冷）、调整培育基发酵掌控要解决的两个问题：发酵代谢途径问题发酵代谢速度问题（二）发酵过程需要过程掌控（三）发酵过程掌控的基本途径发酵原材料的掌控发酵菌体的掌控发酵条件的掌控二、微生物代谢调整与发酵掌控实例分析谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径菌种的选择只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。
培育基的选择发酵罐示意图发酵条件掌控发酵温度：谷氨酸菌*适生长温度35～34℃；*适发酵温度35～37℃发酵pH：7.0～7.2发酵溶解氧:大量氧气三、微生物的纯种发酵与多菌种的协同发酵（一）微生物的纯种发酵1.纯种发酵对生产菌种的要求高产性；无害型；适应性；稳定性2.纯种发酵对生产过程的要求生产过程无菌化3.纯种发酵的生产特点菌种单一，易于生产掌控液态基质，易于自动化掌控产品**，牢靠性强产品风味纯正（二）多菌种的协同发酵（二）多菌种协同发酵的特点多菌种的协同作用发酵界面多而杂且产品风味多样化产品的区域性特征显著设备投入少，生产快捷性强发酵机理不清，生产阅历性强。
第二章 发酵代谢控制的基本原理与方法
例如，在嘌呤核苷酸的 生物合成途径中，催化 第一步反应的酶，5-磷 酸核糖-1-焦磷酸(PRPP) 的酰胺基转移酶，可被 各种嘌呤核苷酸产物(如 AMP、GMP)所抑制。例 如，一定量的GMP或 AMP仅能抑制5-磷酸核 糖-1-焦磷酸酰胺基转移 酶活力的10％，而当二 者混合时，则可抑制其 酶活力的50％。因为这 些嘌呤核苷酸与5-磷酸 核糖-1-焦磷酸并无结构 相似性，又因该酶是一 种调节酶，GMP和AMP 可能分别结合在该酶的 不同部位上。
酶活性的调节
1.酶活性的激活
在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性， 或使原来活性低的酶提高了活性的现象。 代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活。
前体激活是指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是指代谢中间产物对该代谢 途径的前面的酶起激活作用
（2） 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。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
（3）合作反馈抑制
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。
第二章 发酵代谢控制的基本原理和 方法
江苏农林职业技术学院 陈宏州
生物工程系
第一节 微生物的代谢与调节 的生化基础
一、代谢概述
1.新陈代谢 发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总 和，即：新陈代谢=分解代谢+合成代谢 。新陈代谢 又可分为初级代谢和次级代谢。
分解代谢:把复杂的有机物分子分解成简单的化合 物，并释放能量的过程。 合成代谢:由简单化合物合成复杂的大分子的过程。 初级代谢:微生物的生长、分化和繁殖所必需的代 谢活动。 次级代谢:非微生物生命活动所必需的代谢活动.
代谢控制发酵
第一章：微生物代谢小结：1、能量代谢是生物新陈代谢的核心2、化能异养微生物的生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个阶段，依据受体的不同将生物氧化分为三种：呼吸、无氧呼吸和发酵3、化能自养微生物利用无机氧化获得ATP，产能少，生长得率极低4、字样微生物通过光和磷酸化获得ATP，包括循环光合酸化、分循环光和磷酸化和紫膜光合磷酸化三种5、微生物具有固氮作用复习题：1、名词解释：生物氧化：在生物体内，从代谢物脱下的氢及电子﹐通过一系列酶促反应与氧化合成水﹐并释放能量的过程。
有氧呼吸：微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，在经电子传递系统传给外源电子受体，以分子氧作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程无氧呼吸：微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，在经电子传递系统传给外源电子受体，以氧化型化合物作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程发酵：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。
电子传递链（呼吸链）：多种递电子体或递氢体按次序排列的连接情况。
生物氧化过程中各物质氧化脱下的氢，大多由辅酶接受，这些还原性辅酶的氢在线粒体内膜上经一系列递电子体(或递氢体)形成的连锁链，逐步传送到氧分子而生成水。
此种连锁过程与细胞内呼吸过程密切相关。
植物的叶绿体中则存在光合电子传递链以传递电子，完成光合作用中水分解出氧，形成NADPH的过程。
光和磷酸化（循环/非循环）：一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。
生物固氮：生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。
自生/共生/联合固氮菌：自生固氮菌：独立进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸；固氮效率较低。
微生物的代谢调控与发酵生产技术培训
微生物的代谢调控与发酵生产技术培训1. 引言微生物是一类非常重要的生物资源，对于人类的生活和产业发展起着不可忽视的作用。
微生物的代谢调控与发酵生产技术是微生物应用领域的核心内容。
本培训将介绍微生物代谢调控的基本原理和发酵生产技术的关键知识，帮助学员更好地了解微生物的代谢特点，掌握发酵工艺的操作技术，为微生物相关领域的研究和应用提供基础支持。
2. 微生物代谢调控的基本原理2.1 代谢调控的概念和意义代谢调控是指生物体对代谢过程的控制机制，通过对代谢途径中关键酶的调节，微生物能够根据环境变化和能源需求来调整代谢途径的流动，以更高效地利用营养物质并适应外界环境的变化。
2.2 代谢调控的方式代谢调控主要通过转录水平的调节和翻译后修饰来实现。
微生物中常见的代谢调控方式包括基因表达调控、底物浓度调控、反馈抑制调控等。
2.3 代谢网络的建立与调控代谢网络是由一系列相互作用的代谢途径构成的复杂网络系统。
微生物中的代谢网络涉及到多个途径和多个酶的相互作用，需要考虑途径之间的交叉调控和代谢产物之间的协同作用。
3. 发酵生产技术的关键知识3.1 发酵工艺的基本流程发酵工艺是利用微生物对底物进行代谢转化的过程。
发酵生产技术涉及到微生物的选取与培养、发酵条件的控制、产物的提取与纯化等关键步骤。
3.2 常用的发酵微生物常用的发酵微生物包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌等，它们具有不同的生理特点和产物合成能力，可以根据不同的需求选择合适的微生物进行发酵生产。
3.3 发酵条件的调控发酵条件的调控对于发酵过程中微生物的生长和产物的合成起着关键作用。
常见的发酵条件包括pH值、温度、氧气浓度、营养物质浓度等，通过调节这些条件可以控制微生物的生长速率和产物合成速率。
3.4 发酵产物的提取与纯化发酵产物的提取与纯化是发酵生产技术中的最后一个重要步骤。
通过适当的提取和纯化工艺，可以获得高纯度的发酵产物，并去除其中的杂质，以满足不同领域的应用需求。
代谢控制发酵
绪 论
第一节 代谢控制发酵的 研究对象和任务
代谢控制发酵是发酵生理学的重要部分，是生物工程的重要专业基础课。它是利用遗传学或其它生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用的代谢产物大量生成、积累的发酵技术。
一、几个概念
微生物生理学（Microbiol Physiology） 是微生物学的一个分支，是从生理生化的角度研究微生物细胞的形态、结构和功能以及微生物生命活动（及代谢）规律的学科。
发酵生理学 (Fermentation Physiology) 是微生物生理学和生物工艺学（发酵工艺）的交叉分支，它是从生理、生化及发酵工艺角度研究工业微生物细胞的形态、结构和功能以及微生物生命活动（主要是代谢活动）规律的学科。
工业微生物（Inductrial Microbiology） 是指在发酵工业上已经应用或具有潜在应用价值的微生物，它包括细菌、放线菌、酵母菌、霉菌也包括藻类和病毒。其范畴随科学技术的发展而不断扩大。
生理学（Physiology） 研究生物的功能的科学。按生物类别分为：人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学等分科。按生理学研究的观点和水平分有：比较生理学、器官生理学、细胞生理学和分子生理学。
二、 代谢控制发酵的发展 ——代谢工程 （Metabolic engineering )
1. 代谢工程定义 2. 代谢工程研究的内容 3. 代谢工程研究的任务
1. 代谢工程定义
采用重组DNA技术和高精度的分析生物学技术相关的遗传学方法，进行精确目标的基因操作，改变微生物原由调节系统，实现提高目的代谢活性和目的代谢产物量。
发酵(fermentation) （1）早期的概念 微生物在无氧时的代谢进程。有机物是通过另一个有机物还原而将自身氧化的生物学过程，脱氢体和受氢体均是有机物。 （2）利用微生物生长和代谢活动生产多种有用物质。 （3）利用微生物或通过细胞工程、酶工程、基因工程等获得的生命体生产各种有用物质。
代谢控制发酵的原理及应用
代谢控制发酵的原理及应用1. 引言发酵作为一种重要的工业生产过程，广泛应用于食品工业、制药工业、化工工业等领域。
控制发酵过程中的代谢反应是提高发酵产物得率和质量的关键。
本文将介绍代谢控制发酵的原理及其在实际应用中的意义。
2. 代谢控制发酵的原理2.1 代谢途径代谢途径是细胞内各种代谢酶反应所组成的网络。
通过对代谢途径进行控制，可以实现对发酵过程中代谢产物的合成与降解的调控。
•代谢途径的分类：–糖代谢途径：通过调节糖酵解和糖异生途径的活性，实现对碳源代谢的控制。
–脂肪代谢途径：调节脂肪酸合成和降解途径，影响发酵产物的合成。
–氨基酸代谢途径：调控氨基酸的合成和降解，影响蛋白质合成和产物生成。
–核苷酸代谢途径：控制DNA和RNA的合成，对生物体的生长和发育起到重要作用。
2.2 代谢调控策略代谢调控策略是通过对代谢途径内关键酶的调控，实现对代谢产物合成和降解速率的调控。
•调控策略的分类：–底物浓度调控：通过调节底物浓度，影响酶催化反应速率，进而控制代谢产物的生成。
–反馈抑制：通过代谢产物对酶活性的抑制，调节代谢途径内各个酶的活性，从而控制代谢产物的生成。
–遗传调控：通过改变生物体内部基因表达水平，调节代谢途径内酶的含量，进而影响代谢产物的合成速率。
–外部条件调控：例如温度、pH值等环境条件的调控，对代谢产物合成有重要影响。
3. 代谢控制发酵的应用3.1 食品工业在食品工业中，利用代谢控制发酵技术可以实现食品添加剂、发酵食品等的生产。
•食品添加剂的生产：通过控制微生物发酵过程中的代谢途径和代谢产物的合成，可以高效生产食品添加剂，如谷氨酰胺、谷氨酰胺钠等。
•发酵食品的生产：利用代谢控制发酵技术，可以生产出口感好、品质优良的发酵食品，如酸奶、面包等。
3.2 制药工业代谢控制发酵技术在制药工业中有着广泛应用。
•抗生素的生产：通过调控微生物发酵过程中底物浓度、代谢途径和酶活性，可提高抗生素的产量和质量。
•生物药物的生产：通过遗传调控和代谢途径调控，可以实现生物药物的高效合成，如重组人胰岛素和重组人生长激素等。
发酵过程的代谢控制PPT课件
一、温度对生长的影响
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最 高温度、最低温度来表征。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超 过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温 度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死 亡。这就是菌种保藏的原理。
二、温度对发酵的影响
1、温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
后期的补料控制是关键。
3、糖含量
微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。 糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况
反映产物合成的活力 糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡 萄糖。
4、氨基氮和氨氮
氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），单位是 mg/100ml。 如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。 氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。 氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合 成情况。
从检测手段分可分为：直接参数、间接 参数
直接参数：通过仪器或其它分析手段可 以测得的参数，如温度、pH、残糖等
间接参数：将直接参数经过计算得到的 参数，如摄氧率、KLa等
直接参数又可分为在线检测参数和离线 检测参数
在线检测参数指不经取样直接从发酵罐 上安装的仪表上得到的参数，如温度、 pH、搅拌转速；
排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况。
CER表示单位体积发酵液单位时间内释放 的二氧化碳的量
呼吸熵＝ RQ CER
OUR
呼吸熵反映了氧的利用状况
RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的 不同，生长阶段的不同而不同。测定RQ值 一方面可以了解微生物代谢的状况，另一 方面也可以指导补料
第二章：代谢控制发酵的基本思想
• 2．平衡合成的利用
底物 A经分支合成途径生成两种终产物 E与 G，由于酶 a活 性远远大于酶b，结果优先合成E。E过量就会抑制酶a，使 代谢转向合成G。G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制 作用，结果代谢流转向又合成E。
• 3．代谢互锁的利用 • 所谓代谢互锁．就是从生物合成途径来看，似乎 是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较 高浓度下才发生，而且这种抑制作用是部分性的， 不完全的。
第二章：代谢控制发酵的基本思想
• 目的 了解微生物细胞的调节机制、掌握代谢 控制发酵的基本思想及微生物代谢控制 发酵的措施 • 内容 微生物细胞的调节机制、代谢控制发酵 基本思想及微生物代谢控制发酵措施 • 重点 反馈反馈抑制与反馈阻遏、反馈调 节的解除 • 难点 反馈反馈抑制与反馈阻遏 • 学时 3
• 二 酶合成的调节机制 • 1、 反馈阻遏与诱导作用的概念 • 反馈阻遏：在微生物合成体系中，代谢产物抑制 酶的生物合成。 • 诱导作用：在微生物合成体系中，代谢产物诱导 酶的生物合成。
• 2、 反馈阻遏和诱导作用理论（操纵子学说） • A 操纵子由细胞的操纵基因和结构基因组成。 • B 结构基因能转录遗传信息，合成相应的mRNA，进而 翻译合成特定的酶。 • C 操纵基因能控制结构基因作用的发挥 • D 调节基因能产生一种细胞质的阻遏物，该阻遏物与酶 促反应阻遏物（通常是终产物）结合时结构改变。和操 纵基因的亲和力变大，使有关的结构基因不能合成 mRNA，使酶的合成受到阻遏。 • E 诱导物也能和细胞质阻遏物结合，使其结构改变，减 少与操纵基因的亲和力，使操纵基因恢复自由，进而使 结构基因进行转录，合成相应的mRNA，进而翻译合成 特定的酶。
• 七、选育不生成副产物的菌株 工业上，为了选育优秀的生产菌株、除突破微生 物原来的代谢调节外,必要时还应附加如下突变. • (1)有共用前体物的其他分支途径或目的产物是其 他产物生物合成的前体物时，应附加营养缺陷型， 切断其他分支途径或目的产物向其他产物合成的 代谢流。 • (2)存在有目的产物分解途径时，应选育丧失目的 产物分解酶的突变株。 • (3)当有副生产物，持别是有不利于目的产物精制 的副生产物时，应设法切断副生产物的代谢流。 • 八、选育生产代谢拮抗物质的菌株
关于微生物的代谢及其调控课件
（13）其他一些复杂化合物的降解
前面所述的各种降解途径均是由染色体 DNA 编码的。 近来发现在恶臭假单胞菌和一些相关的种的微生物细胞 中含有降解性质粒，它们包含某些特殊的降解代谢的酶 （酶系）合成的遗传信息。
首先发现的是编码樟脑降解酶系的质粒，后来还发现恶 臭假单胞菌的烷烃氧化作用，受正辛烷质粒的控制，这 个质粒为可诱导的烷烃羟化酶和伯醇脱氢酶编码，而染 色体DNA则为用于伯醇、脂肪醛和脂肪酸降解的组成 型的氧化酶编码。
芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨 酸、奎尼酸等）。大多先被转变成儿茶酚（ 邻 苯二酚 ）和原儿茶酸（3，4-二羟苯甲酸）。
儿茶酚和原儿茶酸再经邻位分解 （ 3- 氧代己酸 途径 ） 降解成SCA和AcCoA； 或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途径） 降成PYR和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶酸可 称为芳香族化合物分解的“中心代谢物”。
阿拉伯糖在异构酶的催化下生成核酮糖， 然后再磷酸化生成 Ru-5-P，即可进入 HMP或PK途径。
木糖转化成木酮糖再生成 Xu-5-P进入 HMP途径
来苏糖转化成 Xu-5-P进入PP环
23
（4）己糖醛酸的降解
果胶酸经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再进一
步转化成 ED 途径的中间产物 KDPG，即可进 入 ED 途径。 这样的作用在假单胞菌、气单胞 菌和土壤杆菌中比较明显。 葡萄糖醛酸 果糖醛酸 甘露糖醛酸 转化成KDPG 经ED途径代谢 木糖醛酸 葡萄糖酸 经磷酸化生成 6-P-GA进入HMP途径
纤维素酶包括Cx酶（内切β-1,4键）、C1酶（外 切β-1,4键）及Cb酶（ β-1,4葡萄糖苷酶）等组分。
纤维素经Cx酶处理产物为纤维糊精和纤维寡糖， 经C1酶处理产物为葡萄糖和纤维二糖，经Cb酶处 理产物为葡萄糖
微生物的代谢调控与发酵生产
微生物发酵生产中的环境因素调控
温度
温度对微生物的生长和代谢具有重要影响，不同微生物的最适生长温度不同。通过控制温度，可 以调节微生物的生长和代谢速率。
pH
pH对微生物的生长和代谢具有关键作用，不同微生物对pH的需求不同。通过调节pH，可以优化微 生物的生长和产物合成条件。
溶氧
溶氧是影响好氧微生物生长和产物合成的关键因素。通过控制溶氧水平，可以调节微生物的呼吸 作用和代谢流分配。
产物提取与精制
将种子接入发酵罐，在适宜的温度、 pH、溶氧等条件下进行培养，使菌 株快速繁殖并生产目标产物。
微生物发酵生产中的底物与产物
底物
微生物发酵生产所需的碳源、氮源、磷 源、维生素等营养物质。不同的微生物 对底物的需求不同，选择合适的底物对 提高目标产物的产量和质量至关重要。
VS
产物
通过微生物发酵生产得到的目标产物，如 氨基酸、抗生素、酶制剂、有机酸等。这 些产物在食品、医药、化工等领域具有广 泛的应用谢
通过调控基因的表达，控制酶的合成与代谢，进而影响产物 的合成途径和速率。
1
代谢流分配
2
通过改变代谢途径中关键酶的活性，调控代谢流在不同代谢
节点上的分配，以提高目标产物的产量。
3 生长与产物的关系
研究生长与产物生成之间的相互关系，探索生长与产物合成 的协同机制，为提高产物的产量提供理论依据。
03
微生物发酵生产的过程与调 控
微生物发酵生产的基本流程
菌种筛选与改良
从自然界或已有的菌种资源中筛选具 有优良性状的菌株，通过遗传改良提 高其生产能力。
发酵培养
发酵结束后，通过离心、过滤等方法 收集菌体和发酵液，再进一步提取和 精制目标产物。
微生物的代谢和发酵
ED途径
ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。 ED途径过程： 葡萄糖→ → →KDPG
KDPG
甘油醛-3-磷酸 EMP →丙酮酸 醛缩酶 丙酮酸
ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分 子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。 ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广 ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在 ED途径不如EMP途径经济。
G
EMP
2丙酮酸
丙酮酸 脱羧酶
2乙醛
2乙醇
C6H12O6
2C2H5OH＋2CO2 ＋2ATP
酵母菌乙醇发酵过程中 氢由供体给受体的方式 3-p-甘油醛-H2
2NAD
乙醇
1，3-2P 甘油酸
2NADH2
脱氢酶
乙醛(受氢体)
乙醇发酵特点
发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物 酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。 产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌 1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中 脱下H使之还原成乙醇的过程 。
酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件
厌氧
不含NaHSO3 PH小于7.6
通过ED途径进行的乙醇发酵 （细菌的乙醇发酵）
参与微生物 ：运动发酵单孢菌
发酵途径：ED途径 反应式：C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+ATP
乳酸发酵
两种类型：同型乳酸发酵
异型乳酸发酵
指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛 奶变酸 生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵
微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它 以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间代谢产物 而被微生物利用。
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辅酶－－递能分子
Ø 辅酶（coenzyme）：作为酶的辅助因子的有机分子，本身无 催化作用，但一般在酶促反应中有传递电子、原子或某些功能基 团(如参与氧化还原或运载酰基的基团)的作用
Ø 有许多维生素及其衍生物，如核黄素、硫胺素和叶酸，都属于辅 酶。不同的辅酶能够携带的化学基团也不同：辅酶Ⅰ（NAD）或 辅酶Ⅱ（NADP）携带氢离子，辅酶A携带乙酰基，叶酸携带甲 酰基，S-腺苷基蛋氨酸也可携带甲酰基。
生物素（VH）－－羧化、CO2固定 叶酸－－转移一碳基团
二、微生物产能代谢
生物氧化
Ø 工业微生物绝大多数属于化能异养型，它们是以有机 物作为主要的能源和碳源，最主要的碳源是葡萄糖和 果糖，通过其降解途径获得能源，和提供中间代谢物， 进而合成细胞的大分子化合物，使微生物生长、繁殖
葡萄糖
氨
肽
基
核
糖
聚
脂
二、微生物产能代谢
葡萄糖
丙酮酸
CO2
丙酮酸代谢多样性 TCA循环
乙醛
乙酰辅酶A
甲酸
乳酸
乙醇
乙酸
丙酮 丁醇、丁酸 丙酸
二、微生物产能代谢
HMP途径
氧化阶段
非氧化阶段
二、微生物产能代谢
HMP途径
6葡萄糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O→5葡萄糖-6-磷酸＋ 12NADPH＋12H+＋6CO2＋Pi
代谢要素
氧化还 原电位
一、微生物的代谢体系
N谢体系
FMN、FAD －－电子传递
代谢要素
FMN FAD
一、微生物的代谢体系
泛酸、辅酶A－－促乙酰化
代谢要素
一、微生物的代谢体系
硫胺素（VB1）－－脱羧
代谢要素
吡哆醛（VB6）－－转氨、脱羧、消旋
磷酸己糖解酮酶
磷酸己糖解 酮酶
二、微生物产能代谢
TCA循环
二、微生物产能代谢
TCA循环
C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H+
二、微生物产能代谢
TCA循环
Ø TCA途径的特点和主要生理功能是： ü 氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转
Ø 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电 子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系 统，逐步释放出能量后，再交给最终电子受体
二、微生物产能代谢
HMP途径
Ø HMP途径主要生理功能是： ü 供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA
等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香
族、杂环族氨基酸的原料； ü 产还原力：产生大量的NADPH形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固
醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需 ü 作为固定的CO2中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定
电子受体的不同可分为发酵和呼吸
Ø 有氧呼吸（又称好氧呼吸）：以分子氧作为最终电子 受体的氧化作用
Ø 无氧呼吸（又称厌氧呼吸）：以无机氧化物如NO3、 NO2-、SO42-等中的氧作为最终电子（氢）受体的氧 化作用
Ø 发酵作用：电子供体和电子受体都是有机化合物的氧 化作用
C6H12O6
呼吸链
NAD(P)H2 FADH2
（1）EMP途径 （2）HMP途径 （3）ED途径 （4）磷酸解酮途径 （5）TCA循环
二、微生物产能代谢
EMP途径
二、微生物产能代谢
EMP途径
C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi→2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
二、微生物产能代谢
二、微生物产能代谢
二、微生物产能代谢
p 肠膜明串珠菌没有 醛缩酶(裂解1, 6二磷酸-果糖生成 3-磷酸-甘油醛与α二羟丙酮磷酸) ， 葡萄糖依赖HMP 途径合成5-磷酸木 酮糖，再由磷酸解 酮酶生成3-磷酸甘油醛
p磷酸戊糖解酮酶 (phosphopentosek etolase, PK)
HMP和PK途径
Ø 体系Ⅰ合成的小分子化合物可用作体系Ⅱ中结构单位 的碳架，其质和量强烈地影响体系Ⅱ的运行，因此体 系Ⅰ和Ⅱ的联系是紧密的，而体系Ⅰ与Ⅲ之间几乎只 通过ATP相联系。因此它们之间的联系是松散的。结 构单位（如氨基酸）在细胞内常以游离状态存在，由 此推测体系Ⅱ和Ⅲ也只是保持松散关系
一、微生物的代谢体系
有氧条件下 无氧条件下
大肠杆菌也是一种反硝化细菌，但它只能将NO3-还原成NO2-
大肠杆菌(a)有氧呼吸；(b)硝酸盐呼吸：电子受体是硝酸根离子
二、微生物产能代谢
发酵作用
Ø 发酵（狭义）：指在无氧等外源氢受体的条件下，底物 脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某 一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能 的一类生物氧化反应
代谢
分解代谢
复杂分子
简单小分子
[H]
（有机物）
合成代谢
一、微生物的代谢体系
分解、合成代谢
一、微生物的代谢体系
分解代谢
一、微生物的代谢体系
合成代谢
一、微生物的代谢体系
代谢体系组成
Ⅰ:分解代谢体系
Ⅱ:结构单位物质合 成体系
Ⅲ:复杂生物大分子 物质的合成体系
一、微生物的代谢体系
代谢体系组成
Ø 体系Ⅰ产生的ATP供给体系Ⅱ和Ⅲ使用，但体系Ⅰ中 ATP如何合成并不严重影响体系Ⅱ、 Ⅲ对ATP的使 用。从这个意义上讲可以认为体系Ⅰ与整个合成体系 （包括体系Ⅱ和Ⅲ）之间的联系较为松散
有氧呼吸
1/2O2 H2O
无氧呼吸
NO3-，SO42-，CO2，延胡索酸 NO2-，SO32-，CH4，琥珀酸
HMP途径 ED途径 EMP途径
TCA 循环
CO2
中间代谢物A、B、C 例如：丙酮酸
发酵
AH2、BH2、CH2 发酵产物：乙醇、乳酸等
二、微生物产能代谢
底物脱氢
Ø 以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在脱氢阶段主要 可通过以下途径完成其脱氢反应，并伴随还原力[H]和 能量的产生
代谢控制发酵
Metabolic Control Fermentation
第二章 微生物的细胞代谢
1
微生物的代谢体系
2
微生物产能代谢
3
微生物耗能代谢
一、微生物的代谢体系
基本概念
v代谢（Metabolism）是细胞内发生的各种化学反应 的总称，它主要由分解代谢（Catabolism）和合成 代（Anabolism）两个过程组成
Ø 由于辅酶在酶催化反应中其化学组分发生了变化，因此可以认为 辅酶是一种特殊的底物或者称为“第二底物”。这种所谓的第二 底物可以被许多酶所利用
Ø 在细胞内，反应后的辅酶可以被再生，以维持其胞内浓度在一个 稳定的水平上，辅酶的再生对于维持酶反应体系的稳定是非常必 要的
一、微生物的代谢体系
NAD－－电子受体
（NAD+和 FAD 再生时需氧） ü 每分子丙酮酸可产4个NADH、1个FADH2和GTP，
总共相当于12.5个ATP，因此产能效率极高 ü TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可
为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类的发
酵生产紧密相关
二、微生物产能代谢
TCA循环
TCA循环是糖，脂肪和蛋白质的共同代谢途径， 和互变的联结机构
EMP途径
Ø EMP途径主要生理功能是： ü 提供ATP和NADH ü 是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循
环（TCA）、HMP途径和ED途径等 ü 产生中间产物又可提供微生物合成代谢的碳骨架 ü 可逆转合成多糖 Ø 从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、
乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切
磷酸解酮酶途径
HMP途径
磷酸戊糖解酮酶 EMP途径
p 双歧杆菌没有醛缩酶和 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶， 不能通过EMP途径，但 含有磷酸解酮酶类，这 是双歧途径的关键酶
p磷 酸 戊 糖 解 酮 酶 (phosphopentoseketolase, PK)
p磷 酸 己 糖 解 酮 酶 (phosphohexoseketolase, HK)
呼吸作用
Ø 微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD(P)+、 FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电 子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过 程称为呼吸作用
Ø 以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸；以氧化型化 合物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-）作为最终电子受 体的称为无氧呼吸
一、微生物的代谢体系
酶－－代谢途径纽带
代谢要素
一、微生物的代谢体系
ATP－－能量载体
代谢要素
p 微生物代谢过程中的能量来源主要为有机物的氧化(分解代 谢)、无机物的氧化、光
p 能量消耗主要用于合成代谢、物质运输、微生物运动等
一、微生物的代谢体系
代谢要素
ATP 循环
一、微生物的代谢体系
代谢要素
磷
酸
苷
原
糖
肪
脂
细 胞 色 素
次级 代谢 产物
二、微生物产能代谢
生物氧化
Ø 生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应 的总称
Ø 产能代谢：细胞内化学物质经过一系列的氧化还原反 应而逐步分解，同时释放能量的生物氧化过程
二、微生物产能代谢
生物氧化
Ø 异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中