第二节好氧发酵机制与代谢调控

⑤生产能力受微量金属离子和磷酸盐等无机离子 的影响。
⑥培养温度过高或菌移植次数过多，会使 抗生素的生产能力下降。
6
α－酮戊二酸
TCA循环
乌头酸 脱羧酶
柠檬酸
3
顺乌头酸16
衣康酸
3
11
异柠檬酸
4
草酰琥珀酸
5 15
衣康酸及其酯类是制造合成树脂、合成 纤维、塑料、柠檬酸、离子交换树脂、 表面活性剂和高分子鳌合剂等的良好添 加剂和单体原料。
作为交联剂和乳化剂，添加1%～5%时， 生产的苯乙烯-丁二烯共聚物是质轻、易 塑、绝缘、防水、抗蚀性均好的塑料和 涂料。
食品酸味剂、添加剂、药物、日用化工 及化学辅料等
糖及营养物
配
灭菌
料
种子罐
消泡剂
发 酵 罐
空气 过 滤 器
过滤器 贮
水和活性炭
槽
蒸
发
罐
离心
粗 结
母晶
脱 色 罐
结晶罐
液
离心 蒸发 结晶
结晶罐
过滤器
干燥
99%以上或 97%的粗衣康酸
离心 二次结晶
氨基酸发酵的代谢控制 谷氨酸发酵机制 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸发酵机制
天冬氨酸族氨基酸的生物合成
（天冬氨酸、赖氨酸、高丝氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）
天冬氨酸
天冬氨酸 激酶
天冬氨酰胺磷酸 天冬氨酸半缩醛
协同反 馈抑制
高丝氨酸
蛋氨酸或苏 氨酸
赖氨酸
水解糖
淀 粉
尿素 无机盐 生长因子
培养基
水
发酵罐
斜 面 空气
摇瓶培养基 加压
种子罐
观察温度 测pH 测 OD
测残糖 测谷氨酸
2 次级代谢产物的特征：
①次级代谢产物是由微生物产生的，不参 与微生物的生长和繁殖。
②次级代谢产物的生物合成与初级代谢产物合成 无关的遗传物质有关。
③次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养增殖 期（trophophase）和生产期（idiophase）。
④次级代谢酶的底物特异性在某种程度上是比较 广泛的，一般都产生结构上相类似的多种组分 。
及时补加草酰乙酸
➢发酵液中添加草酰乙酸或使用回补途径旺盛的菌种。
ATP 葡萄糖 ⑴
己糖激酶
ADP
乳酸
葡萄糖-6-磷酸 ⑵ 果糖-6-磷酸 ATP
⑿ +2H+ 丙酮酸
乙醇 ⒁
2NAD+
Mg2+
磷酸果糖激 ⑶
ADP
酶
果糖-1，6-二磷酸
⑾ 2CO2
乙醛 +2H+
⑷
二羟丙酮 磷酸
⑸
甘油醛3-磷酸
烯醇式丙酮酸
2ATP
丙酮酸激
⑽
酶
2(NADH+H+)
⑹ 2Pi 1，3-二磷酸甘油酸
2ADP
⑺
2ADP
磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼
2-磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸 2ATP
2H2O
糖酵解和酒精发酵的全过程
葡萄糖
14
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
1
CO2
13
乙酰辅酶A
2
草酰乙酸
10
苹果酸
乙酰辅酶A
12
9
延胡索酸
乙醛酸
8
琥珀酸
7
琥珀酰辅酶A
嘌呤核苷酸的生物合成途径
全合成途径 补救途径：在发酵液中添加嘌呤、戊糖和磷酸 ，通过酶作用直接合成单核苷酸。 嘌呤核苷酸的代谢调节
天冬氨酸 一碳单位
HCO3-
甘氨酸
C 6 N1 5 C
C2 3 4C N
N 7
8C
9 N H
一碳单位
甘氨酸
嘌呤环合成的原料来源
嘌呤核苷酸的全合成途径 5′-磷酸核糖的活化 IMP（肌苷酸）的合成 由IMP生成AMP和GMP
5-磷酸核糖
糖 生
物
NAD+
NADH2 3-磷酸甘油醛
合 成
乳酸
⑨
丙酮酸 CO2 ② CO2
③
CO2
乙酰辅酶A 磷酸烯醇式
谷 氨 酸
NADPH2
CO2草酰乙酸
天冬氨酸
丙酮酸羧化酶 的
柠檬酸
代 谢
NADP+
⑧
NAD+
NADH2
苹果酸
乙酰辅酶A 乙醛酸循环
TCA循环
顺乌头酸
途 径
⑤
异柠檬酸
乙醛酸
④
NADP+
生物素
乳酸或琥珀酸 （过量）
谷氨酸 （限量）
影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质
生物素
其作用是引起细胞膜的脂肪
一 油酸
成分的改变，尤其是改变油 酸的含量，从而改变细胞膜
表面活性剂 通透性
二：青霉素：抑制细胞壁的合成
BCCP （生物素羧基载体蛋白） -羧基生物素在 转羧酶作用下，形成丙二酰CoA 丙二酰CoA与乙酰CoA缩合并脱羧，生 成丁酰CoA，如此反复进行合成高级脂 肪酸，再合成磷脂
葡萄糖
ATP ADP
谷氨酰胺 谷氨酸 +H2O +HP2O73-
5-磷酸核糖
Mg2+，HPO42PRPP合成酶
磷酸核糖焦磷酸 （PRPP）
5-磷酸核糖酸
PRPP 转酰胺酶
（PRA）
甘氨酸 Mg2+
ATP GAR合成酶
ADP ATP
ADP+Pi
+Pi
甲酰甘氨 GLU
咪核苷酸
（FGAM）
Mg2+
ATP
• ④谷氨酸脱氢酶活力很强，并丧失谷氨酸对谷 氨酸脱氢酶的反馈抑制或阻遏。
3 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸发酵机制
谷氨酸 N-乙酰谷氨酸
N-乙酰谷 氨酸激酶
负
N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸
反
N-乙酰谷氨酸-γ-半醛
馈
N-乙酰鸟氨酸
控
鸟氨酸
制
Cit 瓜氨酸
Arg-
精胺琥珀酸
精氨酸
谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换
XMP XMP氨化酶 GMP
延胡索酸
NADH
GDP+Pi
腺苷琥珀酸
（SAMP）
SAMP 裂解酶
SAMP 合成酶
GTP+ 天冬氨酸
黄嘌呤 核苷-磷酸
NAD+ IMP （XMP）
脱氢酶
XMP
氨化酶
IMP
GMP
AMP
还原酶
脱氨酶
AMP
AICAR
鸟嘌呤核苷酸 （GMP）
ADP ATP
PRA
GDP
谷氨酸
GTP
Gln
N10-甲酰THFA
H2O
THFA
H2O
甲酰甘氨酰胺核苷酸 （FGAR）
磷酸核糖甘氨酰 胺转甲酰酶
甘氨酰胺核苷酸 （GAR）
K+
ADP+Pi CO2
5-氨基咪唑核苷酸
（AIR）
AIR羧化酶
5-氨基-4-甲 酸咪唑核苷酸
（CAIR）
ATP ADP+Pi5-氨基-4-
ASP
（N-琥珀基）
Mg2+ 甲酰胺核苷酸
2
草酰乙酸
限速反应
柠檬酸
10
3
苹果酸 延胡索 12
9
酸酶
延胡索酸
乙醛酸 抑制
顺乌头酸16 衣康酸 异柠檬酸 裂解酶 3
11
异柠檬酸
8
琥珀酸
7
AAMTP
抑 激制 活
4 异柠檬酸 脱氢酶
草酰琥珀酸
琥珀酰辅酶A
异柠檬酸 脱氢酶
5
α-酮戊二 酸脱氢酶
6
α－酮戊二酸 15 谷氨酸
TCA循环（中枢）与乙醛酸循环
1 氨基酸发酵的代谢控制
①控制发酵的环境条件 • 氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条
件的影响。 ②控制细胞渗透性 • 通过改变细胞渗透性，实现谷氨酸的积
累。
③控制旁路代谢
D-苏氨酸
L-苏氨酸
D-苏氨酸 脱氢酶
α-酮基丁酸
L-苏氨酸 脱氢酶
反馈抑制
L-异亮氨酸
④ 降低反馈作用物的浓度
控制反馈作用物浓度是克服反馈抑制和阻遏， 使氨基酸的生物合成反应能顺利进行的一种手 段，如利用瓜氨酸缺陷型生产鸟氨酸。
葡萄糖酸
一些常用发酵法生产的有机酸的来源和用途
有机酸名称
来源
柠檬酸 黑曲霉、酵母等
乳酸 醋酸 葡萄糖酸
德氏乳杆菌、赖氏乳杆菌、米根霉 等
奇异醋杆菌、过氧化醋杆菌、恶臭 醋杆菌、中氧化醋杆菌、醋化醋杆 菌、弱氧化醋杆菌、生黑醋杆菌等
黑曲霉、葡糖酸杆菌、乳氧化葡糖 酸杆菌、产黄青霉等
衣康酸 土曲霉、衣糖酸霉、假丝酵母等
谷氨酰胺 +ATP+H2O
谷氨ห้องสมุดไป่ตู้ +AMP+PPi
PRATP PRPP 谷氨酰胺
咪唑甘油磷酸 IMP生物合成中的代谢调节控制
抗生素发酵机制
次级代谢产物及特征 生物合成抗生素与初级代谢的关系 抗生素生产菌的主要代谢调节机制
1 初级代谢与次级代谢及次级代谢产物的特征
• 次级代谢产物及特征
初级代谢产物：是指微生物产生的、生 长和繁殖所必需的物质。 次级代谢产物：是指由微生物产生的， 与微生物生长和繁殖无关的一类物质
第二节 好氧发酵机制与代谢调控
有机酸发酵机制
氨基酸发酵机制
核苷酸发酵机制 抗生素发酵机制
一、 有机酸发酵机制
柠檬酸发酵机制 衣康酸发酵机制 葡萄糖酸发酵机制
（一）柠檬酸的发酵机制
与EMP、TCA和乙醛酸循环有关
葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸
14
13
丙酮酸
柠檬酸
ATP
1
合成酶
乙酰辅酶A
降低
葡萄糖（环式）
葡萄糖氧化酶
葡萄糖酸-δ-内酯+H2O2
自发水解
葡萄糖酸
细菌葡萄糖酸发酵
主要细菌有葡萄糖酸杆菌，另外还
有数种假单胞菌（Pseudoncones)、 芽生菌（Pulluaria)、微球菌（ Micrococcus）
葡萄糖（醛式）葡萄糖氧化酶 葡萄糖酸
自发
葡萄糖（环式）
葡萄糖（醛式）
葡萄糖氧化酶
延胡索酸
CO2
草酰琥珀酸 NADPH2
琥珀酸 ⑥ CO2
α－酮戊二酸
⑦
NADPH2
谷氨酸
NADP+
谷氨酸产生菌应具用的特点：
• ①为生物素缺陷型（提高细胞膜通透性），发 酵时提供亚适量的生物素；
• ②丧失或仅有微弱的α－酮戊二酸脱氢酶活力 （切断三羧酸循环）；
• ③CO2固定的酶系强，草酰乙酸全部由CO2固 定反应提供（切断乙醛酸循环）；
TCA循环（提供合成物质）与乙醛酸循环
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
磷酸烯醇 式丙酮酸 羧化酶
实现柠檬酸积 累：
一、设法阻断代谢 途径，实现柠檬酸 的积累
二、代谢途径被阻 断部位之后的产物， 必须有适当的补充 机制
ADP ATP ATP CO2 CO2 ADP
CO2
丙酮 乙酰CoA
酸羧 化酶
草酰乙酸
衣康酸和丙烯酸的共聚物是一种高分子 鳌合剂，用作水处理中的除垢剂，对防 止碱性钙、镁垢的形成非常有效。 Bentley学说 Shimi学说
1.5葡萄糖 EMP 3乙醇 乙酸 衣康酸 琥珀酸
真菌葡萄糖酸发酵 细菌葡萄糖酸发酵
真菌葡萄糖酸发酵
黑曲霉（ASP.niger）和青霉（ penicillium）均可以发酵葡萄糖为葡 萄糖酸。
32℃保温 搅拌 流加尿素
冷却 除水
测残脲
通风
棉花过滤
HCL或H2SO4
活性炭
加碱 加水
等电点
提取分离液
粗谷氨酸
中和
中和液
加硫酸钠 和活性炭
除铁脱色液
浓缩结晶
味精小晶体
味精晶体
干燥
干燥
磨粉
过筛
混盐
包装
包装
味精成品
粉末味精成品
谷氨酸和味精生产工艺流程
核苷酸发酵机制
嘌呤核苷酸的生物合成途径
嘌呤核苷酸的代谢调节
SAICAR合成酶 （CAIR)
次黄嘌呤 H2O
THFA
5-甲酰胺基咪唑
腺苷酸琥珀 N10-甲 酸裂解酶 酰THFA
延胡索酸
5-氨基-4-氨甲
核苷酸 IMP环化 -4-氨甲酰核苷酸 (IMP) 脱水酶 （FAICAR）
酰咪唑核苷酸 （AICAR）
由IMP生成AMP和GMP
5′-IMP
AMP SAMP裂解酶 SAMP
⑤消除终产物的反馈抑制与阻遏 通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法来 进行，如利用高丝氨酸缺陷型变异株发酵生产 赖氨酸。
⑥促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成， 如利用异亮氨酸缺陷型变异株发酵生产脯氨酸 （见图5-9）。
葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
2
6-磷酸果糖 6-磷酸葡萄糖酸
葡 萄
果糖-1，6-二磷酸
生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸
的生成，从而影响了磷脂的生成，导致
磷脂含量不足，使细胞膜结构不完全， 从而提高细胞膜的通透性
表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成 有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的 生物合成，导致形成磷脂含量不足的不 完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨 酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外 。
环境因子
发酵产物转换
溶解氧
乳酸和琥珀酸 （通气不足）
谷氨酸
α－酮戊二酸
（适中） （通风过量，转速过快）
NH4+ pH值 磷酸
α－酮戊二酸 （缺乏）
谷氨酸 （适量）
谷氨酰胺 （过量）
谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺
谷氨酸
（pH值5～8，NH4+过多） （中性或微碱性）
缬氨酸
谷氨酸
（高浓度磷酸盐） （磷酸盐适中）
葡萄糖
14
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸 脱氢酶
13
丙酮酸
1
CO2
乙酰辅酶A
2
参与嘌呤和嘧啶的合成 脂肪酸
苹果酸 脱氢酶
草酰乙酸
10
苹果酸
9
延胡索酸
8
琥珀酸
7
天冬氨酸
参与蛋白
乙酰辅酶A 质合成
12
柠檬酸
3
顺乌头酸16 衣康酸
乙醛酸
3
11
异柠檬酸
4
草酰琥珀酸
琥珀酰辅酶A
5
6
α－酮戊二酸 15 谷氨酸
参与蛋白 质合成
柠檬酸
顺乌头
阻断 抑
酸酶
制
剂
苹果酸
顺乌头酸
柠檬酸生物合成途径
柠檬酸积累的代谢调节
糖酵解及丙酮酸代谢的调节
黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可降低HMP和TCA循 环有关酶的活性，更重要的是提高NH4+浓度，高浓度 Mn+可有效解除ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶(PFK)的 抑制。
三羧酸循环的调节
➢用配位剂除去反应液中的NH4+ ，则顺乌头酸酶 被抑制，造成柠檬酸积累。 ➢选育顺乌头酸酶缺失或活力低的菌种，造成柠檬酸积累
苹果酸
黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉、华根 霉、无根根霉、短乳杆菌、产氨短 杆菌等
用途
食品工业和化学工业的酸味剂、增稠剂 、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、螯 合剂等药物、纤维媒染剂、助染剂等 食品工业的酸味剂、防腐剂、还原剂、 制革辅料等。
广泛应用于食品、化工等行业
药物、除锈剂、塑化剂、酸化剂等
制造合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶 、离子交换树脂、表面活性剂和高分子 螯合剂等的添加剂和单体原料