第四章+发酵机制与发酵动力学

(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
酶
磷酸果糖激酶
丙酮酸激酶 丙酮酸羧化酶 柠檬酸合成酶 异柠檬酸脱氢酶
琥珀酸脱氢酶
激活剂
NH4+、AMP、Pi
NH4+、K+ K+ NH4+、K+
抑制剂
柠檬酸、PEP、ATP(浓度 较高时)
天冬氨酸、 Pi CoA、ATP-Mg 柠檬酸、NADPH、-酮 戊二酸 草酰乙酸
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。
A.能荷调节机制对次级代谢途径的控制是有效的。 B.金霉菌菌株的ATP含量在生长期中迅速增加,而在金霉 素形成期ATP含量迅速下降,并保持在较低的水平上。低产 菌株的ATP量始终比高产茵株大2—4倍。 C.高浓度的磷酸盐可增加细胞内ATP的形成。
第五节 发酵反应动力学
➢反应动力学：研究反应速度变 化规律的学科。
(2×90)/(2×180)×100% = 50%
3 、甘油发酵机制
A. 亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）
B. 碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)
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。
1.柠檬酸生物合成途径
葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:
第四章+发酵机制与发酵动力学
单击此处添加副标题内容 单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼，为了最终演示 发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。
第四章 发酵机制与发酵动力学
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 ❖ 第五节 发酵动力学
■比速率
氧消耗的比速率为qo：
qo
1 x
do dt
二氧化碳生成的比速率
为qc：
qc
1 x
dc dt
发酵热生成的比速率：
qHV
1 dHV x dt
■研究方法
• 宏观处理法
– 结构动力学模型（通过研究微观反应 机制建立）
– 非结构动力学模型（不考虑微观反应 机制，只考虑宏观变量之间的关系）
• 质量平衡法（根据质量守恒定律）
物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质 在系统中生成的速度-物质在系统中排除的速度-物质 在系统中消耗的速度
一、发酵过程的速度
➢发酵动力学：研究各种发酵过 程变量在活细胞的作用下变化的 规律，以及各种发酵条件对这些 变量变化速度的影响。并以数学， 工程学的原理，定量描述。
目的
✓ 通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调 控方式；（研究各种物理，化学因素的影响， 为调控提供依据）
✓ 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的 工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
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
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。
(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)。
(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。
（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。
❖ 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。
1、酒精发酵机制
由葡萄糖生成乙醇的总反应式: 理论转化率:
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。
速度
菌体生长速度为∶
rx
dx dt
氧和底物利用速度为∶
ds rs dt
ro
do dt
P、C和HV生成速度为:
rp
dp dt
rc
dc dt
dHv rHv dt
■比速率
细胞生长的比速率为： 1 dx
x dt
底物消耗的比速率为qs∶qs
1 x
ds dt
产物形成的比速率为qp：qp
1 x
dp dt
(2).CO2固定化反应
丙酮酸+CO2 +ATP 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸+ADP+Pi ① 磷酸烯醇丙酮酸+CO2 +ADP+Pi 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
Fra Baidu bibliotek草酰乙酸+ ATP
②
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
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。
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。
(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。
(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 馈抑制了某一步反应的进行,而最终抑制了次级代谢产物 的合成。
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。
(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;
B.初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成,反 馈抑制了它自身的合成时,必然也同时影响了次级代谢产 物的合成。
(7) 细胞膜透性的调节
细胞膜的运输影响胞内合成及代谢物分泌和发酵产物 收获。
在青霉素发酵中,生产菌细胞膜输入硫化物能力的大小 影响青霉素发酵单位的高低。
(8) 次级代谢的能荷调节
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。
2、乳酸发酵机制
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。
青霉素、头孢菌素的化学结构如下：
3、链霉素的生物合成机制
链霉素的化学结构如下：
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
✓ 控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
■发酵动力学研究内容
发酵动力学是以化学热力学（研究反 应方向）和化学动力学（研究反应速 度）为基础，对发酵过程的物质变化 进行描述
具体内容
1. 微生物生长，死亡动力学； 2. 基质消耗动力学； 3. 氧消耗动力学； 4. CO2生成动力学； 5. 产物合成和降解动力学； 6. 代谢热生成动力学。
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。
2 、青霉素、头孢菌素的生物合成机制
(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
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
(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。
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）。
2C6H12O6+3O2
2C6H8O7+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;
柠檬酸合成有关酶的调节性质
同型乳酸发酵
总反应式为: 理论转化率:
异型乳酸发酵
A. 6-磷酸葡萄糖酸途径
总反应式为 :
C6H12O6→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH
理论转化率:
(90/180)×100% =50%
B. 双歧途径
总反应式为 :
2C6H12O6→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH
理论转化率:
衡,保持了柠檬酸合成能力。
(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。