第三章 发酵机制及发酵动力学 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 第二节 微生物代谢调控机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制

Presentation on theme: "第三章 发酵机制及发酵动力学 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 第二节 微生物代谢调控机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制"— Presentation transcript:

1 第三章 发酵机制及发酵动力学 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 第二节 微生物代谢调控机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制
第三章 发酵机制及发酵动力学 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 第二节 微生物代谢调控机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 第五节 抗生素发酵机制 第六节 微生物发酵的动力学

2 第三章 发酵机制及发酵动力学 发酵机制：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：人为的改变微生物的代谢调控机制， 使有用的中间代谢物过量积累的发酵过程。 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；

3 积累的产物 微生物菌体 酶 代谢产物 厌气发酵： 酒精、 甘油、 乳酸、 丙酮、 丁醇等 好气发酵： 有机酸、 氨基酸、 蛋白质、 核苷酸、 抗生素、 维生素等

4 第三章 发酵机制及发酵动力学 发酵动力学： 研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。 研究内容：
微生物生长过程中的质量和能量平衡 发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成 速率的相互关系。

5 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 一、微生物初级代谢及产物 微生物代谢产生的，并是微生物自身生长繁殖所
第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 一、微生物初级代谢及产物 微生物代谢产生的，并是微生物自身生长繁殖所 必需的代谢产物，称为初级代谢产物。 氨基酸、维生素、核苷酸、蛋白质、脂肪酸、 多糖、酶类、低级有机酸和醇 生产菌株：代谢失调的突变菌株 生物合成过程：生物化学、分子生物学

6 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 二、微生物次级代谢及产物 微生物代谢产生的，而与菌体的生长繁殖无明确 关系的代谢产物称为次级代谢产物。
第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 二、微生物次级代谢及产物 微生物代谢产生的，而与菌体的生长繁殖无明确 关系的代谢产物称为次级代谢产物。 次级代谢产物与菌体生长无明确关系。 合成途径复杂，为多基因产物，影响因素很多。

7 第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 微生物合成的次级代谢产物的基本特征： 1.次级代谢产物具有种特异性
第一节 发酵工程微生物的基本代谢产物 微生物合成的次级代谢产物的基本特征： 1.次级代谢产物具有种特异性 分类学上相同的菌种能产生不同结构的抗生素，如灰色链霉素，既能合成氨基环醇类抗生素中的链霉素，又能合成多烯大环内酯类抗生素中的杀假丝菌素； 分类学上不同的微生物也能产生相同的抗生素，如产生头孢菌素c的霉菌和链霉菌。 2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期 生长期、产物合成期、菌体自溶期 三个时期中产生菌对营养成分和环境条件的要求不同，从生长期转化到生产期的过程中，菌体的生理特征和形态学都发生变化（DNA、RNA、蛋白质合成速率明显下降），次级代谢产物大量合成，直到高峰。 3.次级代谢产物多为结构相似的混合物 1）参与次级代谢产物合成的酶系的底物特异性不强，如产黄青霉 菌能合成五种以上具有不同生物活性的青霉素（青霉素G、V、 O、F、X）。 2）代谢树现象：产生菌利用一种或两种以上初级代谢产物合成一 种主要的次级代谢产物，产生菌继续对该产物进行多种化学修 饰而同时合成多种衍生物。 3）代谢网现象:一种次级代谢产物可由两种或两种以上的代谢途径 合成。 4.次级代谢产物的合成受多基因控制 控制次级代谢产物合成的基因有的在染色体上，有的在质粒上， 质粒在次级代谢产物合成中起着重要的作用。在深层培养中， 由于环境的作用，质粒易丢失或丧失功能，导致次级代谢的不 稳定性。

8 次级代谢产物的构建单位的生源说和生物合成
第一节 发酵工程微生物的 　　　　　　　　基本代谢产物 次级代谢产物的构建单位的生源说和生物合成 生源说：次级代谢产物分子中构建单位的各种原子的起源，实际上是有机化学问题。 生物合成：各构建单位在多种酶的作用下合成次级代谢产物的过程，实际上是生物化学问题。 中间产物（C5、C4、C3、C2化合物） 次级代谢产物 初级代谢产物 前体：可被菌体直接并入次级代谢产物分子中，而自身结构无明显改变的物质。 有的作为次级代谢产物的前体，有的经过微生物修饰后作为特殊前体

9 第一节 发酵工程微生物的 　　　　　　　　基本代谢产物 次级代谢产物合成的基本过程 构建单位：聚酮体、甲羟戊酸、糖类和氨基糖、不常见的氨基酸（非蛋白质氨基酸）、环多醇和氨基环多醇、非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱 合成次级代谢产物的前体合成之后，这些前体就被引进途径特殊的次级代谢产物生物合成途径中，经过聚合等反应形成次级代谢产物。这些构建单位可缩合成聚酮体、寡肽、聚乙烯等，这些特殊的产物再经过多种多样的修饰，最终形成次级代谢产物分子。

10 第一节 发酵工程微生物的 　　　　　　　　基本代谢产物 构成次级代谢产物的构建单位的种类和数量是不同的，有的由单一前体构成，绝大多数品种由两种以上的构建单位组成。 新生霉素装配的生源说 来自酪氨酸

11 第一节 发酵工程微生物的 基本代谢产物 重要的次级代谢产物： 1. 抗生素 2. 毒素 细菌毒素： 内毒素 G- 外毒素 G+
第一节 发酵工程微生物的 　　　　　　　　基本代谢产物 重要的次级代谢产物： 1. 抗生素 2. 毒素 细菌毒素： 内毒素 G- 外毒素 G+ 真菌毒素：黄曲霉毒素 3. 激素：刺激动物生长或性器官发育的激素类物质 4. 色素： 水溶性色素 脂溶性色素

12 第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 1、概念
第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 1、概念 初级代谢：在微生物的新陈代谢中，一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程。 次级代谢：是相对与初级代谢而提出的一个概念，指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。

13 第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 2、代谢产物不同
第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 2、代谢产物不同 初级代谢产物：单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等，还有由它们组成的各种大分子聚合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必需物质。 次级代谢产物：由初级代谢产物和中间体形成，分子结构比较复杂，根据其作用可分为抗生素、激素、生物碱、毒素等，通常分泌到胞外。 分叉中间体：菌体代谢过程中产生的某些中间产物，即可用于合成初级代谢产物，又可用于合成次级代谢产物。

14 第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 3、存在范围不同
第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 3、存在范围不同 初级代谢的代谢系统、途径、产物在各类生物中都基本相同，它普遍存在的基本代谢类型。 次级代谢只存在于某些生物中，具有种属特异性。 4、功能不同 初级代谢：能使营养物质转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，是机体生存必不可少的物质，在这些物质的合成过程的任何环节发生障碍，或者导致生长停止或死亡，是最基本的代谢。 次级代谢：对菌体自身的生命活动无明确功能，不参与细胞结构组成，也不是酶活性必需的，也不是机体生长和繁殖所必需的物质。

15 第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 5、合成时期不同 6、对环境的稳定性不同 7、初级代谢与次级代谢的联系
第二节 微生物代谢调控机制 一、次级代谢与初级代谢的关系 5、合成时期不同 初级代谢：自始自终存在与菌体中，同菌体的生长过程呈平行关系，只有微生物大量生长，才能积累大量初级代谢产物。 次级代谢：是菌体生长至对数生长末期或稳定期产生的，它与机体的生长不呈平行关系。 6、对环境的稳定性不同 初级代谢对环境条件变化的敏感性小，遗传稳定性大 次级代谢产物对环境变化敏感，产物合成往往因环境条件变化而停止 7、初级代谢与次级代谢的联系 1）代谢途经上：分叉中间体 2）酶学关系上：催化次级代谢途径中各步反应的酶，既有初级代谢途径中的酶，又有次级代谢特有的酶 3）代谢调节上：初级代谢受菌体调控更为严格，某些初级代谢产物对次级代谢有一定程度的调节作用。

16 第二节 微生物代谢调控机制 微生物的代谢调节包括： 与酶生成有关的诱导作用 分解代谢产物（降解物）的阻遏作用 合成代谢终产物的反馈阻遏作用
第二节 微生物代谢调控机制 微生物的代谢调节包括： 与酶生成有关的诱导作用 分解代谢产物（降解物）的阻遏作用 合成代谢终产物的反馈阻遏作用 与酶活性有关的合成代谢终产物反馈抑制作用 酶的共价修饰作用 RNA合成的氨基酸调节剂能量负荷调节

17 第二节 微生物代谢调控机制 二、微生物初级代谢的调节 三、微生物次级代谢的调节 初级代谢产物对次级代谢产物的调节 四、微生物发酵中的代谢调控
第二节 微生物代谢调控机制 二、微生物初级代谢的调节 酶活性的调节 酶合成的调节 能量负荷调节 三、微生物次级代谢的调节 初级代谢产物对次级代谢产物的调节 分解代谢产物的调节控制 诱导作用及终产物的反馈抑制 四、微生物发酵中的代谢调控 改变细胞膜的通透性 改变微生物的遗传特性 Go Go Go Go Go Go Go Go

18 （一）酶活性的调节 通过改变已有酶的活性来调节代谢速率。 1　酶活性的激活：前体激活，多发生在分解代谢途径，既代谢途经中后面的反应可被该途径较前面的一种代谢中间产物所促进。 2　酶活性的抑制：包括竞争性抑制和反馈抑制（正反馈/负反馈）。反馈抑制指反应途径中某些中间产物或末端产物对该途径中前面反应的影响。 末端产物的反馈抑制作用普遍存在与合成途径，有两种以上的末端产物的分支代谢途径的反馈抑制，作用机制较复杂： 协同反馈抑制 累积反馈抑制 增效反馈抑制 顺序反馈抑制

19 2. 酶活性的抑制 直线代谢途径中的反馈抑制 这是一种最简单的反馈抑制类型。由于终产物合成过多，使得途径中第一个酶的活性受到抑制，因而一系列中间代谢产物无法合成，最终导致终产物的合成完全停止。

20

21 协同反馈抑制 分支途径的几种末端产物同时过量时才抑制共同途径中的第一个酶活性。

22 黄色短杆菌的代谢过程 天冬氨酸 甲硫氨酸 苏氨酸 赖氨酸 中间产物Ⅰ 天冬氨酸激酶 中间产物Ⅱ 抑制 高丝氨酸 脱氢酶

23 累积反馈抑制 每一种末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中的第一个酶活性。

24

25

26 增效反馈抑制 代谢途径中任何一种末端产物过量时，仅部分抑制共同反应途径中的第一个酶活性；但两个末端产物同时过量时，其抑制作用可超过各产物存在的抑制能力的总和。 磷酸核糖焦磷酸 转酰胺酶 6-氨基嘌呤核苷酸 6-酮基嘌呤核苷酸

27 顺序反馈抑制 每个分支末端产物抑制分支后的第一个酶，产生部分抑制作用。

28 Back

29 通过调节酶合成数量来调节微生物的代谢速率。有诱导调节和阻遏调节。 1、酶合成的诱导 根据酶合成与底物的关系分为：组成酶和诱导酶
（二）酶合成的调节 通过调节酶合成数量来调节微生物的代谢速率。有诱导调节和阻遏调节。 1、酶合成的诱导 根据酶合成与底物的关系分为：组成酶和诱导酶 组成酶：是细胞固有的酶，合成受相应基因控制，与底物、底物类似物及环境条件无关，主要用于调节初级代谢。 诱导酶：细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的酶。如大肠杆菌在含乳糖的培养基上产生beta-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶。能促进诱导酶产生的物质为诱导物。底物、底物结构类似物及底物前体都可作为诱导物。 底物类似物是出色的诱导物，它可使酶的合成数量成倍或几十倍的增加，但他们不能充作底物。如甲硫代半乳糖苷或异丙基硫代半乳糖苷不能被微生物作为碳源和氮源，但可诱导半乳糖苷酶系的合成达千倍。

30 (二） 酶合成的调节 酶合成调节的特点： （1）是一种在基因水平上(在原核生物中主要在转录水平上)的代谢调节 ；
（2）与调节酶活性的反馈抑制等相比，是一类较间接而缓慢的调节方式 ； （3）其优点则是通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。

31 (二） 酶合成的调节 诱导物: 能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是底物类似物或是底物的前体物质。

32 (二） 酶合成的调节 1）同时诱导 即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱 导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。 2）顺序诱导：
即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中 间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段 调节。 例如，将乳糖加入到E．coli培养基中后，即可同时诱导出 β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙 酰酶的合成。

33 降解酶类通常是诱导作用和分解代谢产物来调节活性 合成酶主要有反馈调节来控制：
2、酶合成的阻遏 降解酶类通常是诱导作用和分解代谢产物来调节活性 合成酶主要有反馈调节来控制： 反馈阻遏：指代谢的终产物达到一定浓度时，反馈阻遏该代谢途径中的一种酶或几种酶的生物合成。 多价阻遏：在有两种或两种以上末端产物的分支途经中，当分支途经中的几种末端产物同时过量就反馈阻遏其共同途径中的第一个酶的合成，仅一种产物过量无阻遏作用。 单价阻遏 多价阻遏 终产物阻遏 分解产物阻遏 反馈阻遏 反馈抑制 协同反馈抑制 累积反馈抑制 增效反馈抑制 顺序反馈抑制 碳分解产物阻遏 氮分解产物阻遏

34 分解产物阻遏：指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶（降解酶、合成酶）合成的抑制作用。

35 (二） 酶合成的调节 （1）末端产物阻遏 指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。
反馈阻遏是指合成代谢途径末端产物过量时对参与该途径反应所需的一个或多个酶的生成起阻遏作用。 直线式反应途径：产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受 阻遏。如精氨酸的生物合成途径：

36 (二） 酶合成的调节 b. 分支代谢途径（多价阻遏作用）： 每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。
代谢途径分支点以前的“公共酶”仅受所有分支途径末端产物的 阻遏，此即称多价阻遏作用。 芳香族氨基酸、天冬氨酸族和丙酮酸族氨基酸的生物合成中 的反馈阻遏就是最典型的例子。

37 (二） 酶合成的调节 （2）分解代谢物阻遏： 指细胞内同时有两种分解底物(碳源或氮源)存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。 葡萄糖效应： E.coli培养在含乳糖和葡萄糖的培养基上，可优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就产生了在两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次生长现象”。其原因是，葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成，这一现象称葡萄糖效应。

38 Lg 葡萄糖 乳糖 细胞数量 糖浓度 乳糖 葡萄糖 培养时间 / h

39 编码调节蛋白（阻遏物repressor）
酶合成调节的机制——操纵子假说 操纵子（operon） 指的是一组功能上相关的基因，它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组成。 名 称 作用 启动基因 promoter RNA多聚酶的结合部位 操纵基因 operator 与阻遏物结合的碱基序列， 决定结构基因的转录是否能进行 结构基因 structure 编码一个或多个酶的基因， 被转录成对应的mRNA 调节基因regulation gene 编码调节蛋白（阻遏物repressor）

40 操纵子分两类： 一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物(一种效应物)时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象； 另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物(一种效应物)时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵于所编码的酶的合成，只有通过去阻遏作用才能起动，

41 效应物——是一类低分子量的信号物质(如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等)，包括诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步来提高或降低与操纵基因的结合能力。
诱导物——是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因的结合促进转录进行）。 辅阻遏物——是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等；（与调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合,抑制转录进行）。

42 调节蛋白:一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。 阻遏物：能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白； 阻遏物蛋白：只能在有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。 正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。 负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。

43 (三） 能量负荷调节 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源——ATP。
　　新陈代谢： 　　是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合 　　成代谢（anabolism）的总和。 　　 新陈代谢=分解代谢+合成代谢

44

45 (三） 能量负荷调节 能量负荷调节： 对利用ATP的合成代谢的酶活性或形成ATP的分解途径的
解酶相关的代谢反应的变化，由此调节某些产物的生物合成。 细胞内ATP含量很可能是调控抗生素基因表达的一种效应； 磷酸盐的有害作用： 也可能是过量磷酸盐引起高能负荷抑制生物合成，而不是 对磷酸酶的反馈抑制或阻遏。

46 能荷：细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度；
当能荷在0.75以上时，ATP合成受到抑制，合成ATP的酶活性急速下降，而消耗ATP的酶活性急速上升。两系统在0.85处交叉，表明此时两种酶系达到平衡。这种现象存在与许多生长状态的细胞中。

47 第二节 微生物代谢调控机制 三、微生物次级代谢的调节 （一） 初级代谢对次级代谢的调节 （二） 分解代谢产物的调节控制
第二节 微生物代谢调控机制 三、微生物次级代谢的调节 （一）　初级代谢对次级代谢的调节 （二）　分解代谢产物的调节控制 （三）　诱导作用及终产物的反馈抑制

48 （一）初级代谢对次级代谢的调节 许多次级代谢产物的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。因此次级代谢必然会受到初级代谢的调节。 例如青霉素的合成会受到赖氨酸的强烈抑制，而赖氨酸合成的前体 α- 氨基己二酸可以缓解赖氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。这是因为 α- 氨基己二酸是合成青霉素和赖氨酸的共同前体。如果赖氨酸过量，它就会抑制这个反应途径中的第一个酶，减少 α- 氨基己二酸的产量，从而进一步影响青霉素的合成。

49 1　从菌体生化代谢方面分析 许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。 糖代谢中间体，既可用来合成初级代谢产物，又可用来合成次级代谢产物，这种中间体叫做分支中间体。

50 2　从遗传代谢方面分析 　初级代谢与次级代谢同样都受到核内DNA的调 节控制，而次级代谢产物还受到与初级代谢产物生 物合成无关的遗传物质的控制，即受核内遗传物质 (染色体遗传物质)和核外遗传物质(质体)的控制。 　有一部分代谢产物的形成，取决于由质粒信 息产生的酶所控制的代谢途径，这类物质称为质粒 产物。 　由于这类物质的形成直接或间接受质粒遗传　 物质的控制，因而产生了质粒遗传的观点。 　　　也有只由染色体DNA控制的抗生素产物。

51 在抗生素的生物合成途径中，一方面抗生素本身的积累就能起反馈调节作用。
另一方面初级代谢产物的形成受到反馈调节，也必然影响抗生素的合成。

52 （二）碳源代谢产物的调节 碳分解代谢产物调节：指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶(包括分解酶和合成酶)的调节。从而影响次级代谢产物的生物合成。 分为分解产物阻遏和抑制两种。 葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素等都有明显降低产量的作用，就是因为碳分解代谢产物的调节，抑制了相关酶的合成的结果。

53 （三）氮代谢物的调节作用 在次级代谢中，氮分解代谢产物调节。即被迅速利用的氮源(铵盐、硝酸盐、某些氨基酸)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸盐还原酶、酰胺酶、脲酶、组氨酸酶)的合成。从而对次级代谢产物有着较为强烈的调节作用。 如在抗生素生产中使用黄豆饼粉就是由于它缓慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，可防止或减弱氮分解代谢产物阻遏作用。

54 在初级代谢中，氮分解代谢产物调节，即被迅速利用的氮源(氨)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸盐还原酶、酰胺酶、脲酶、组氨酸酶)的合成。
在次级代谢中，其阻遏作用也确实存在。在抗生素生产中使用黄豆饼粉就是由于它缓慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止或减弱氮分解代谢产物阻遏作用的结果。

55 （四）磷酸盐的调节 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。 机制：按效应剂说有直接作用，即磷酸盐自身影响抗生素合成；间接作用，即磷酸盐调节胞内其他效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)，进而影响抗生素合成。 已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。

56 （五） 细胞膜透性的调节 外界物质的吸收或代谢产物的分泌都需经细胞膜的运输，如发生障碍，则胞内合成代谢物不能分泌出来，影响发酵产物收获，或胞外营养物不能进入胞内，也影响产物合成，使产量下降。 如在青霉素发酵中，产生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。如果输入硫化物能力增加，硫源供应允足，合成青霉素的量就增多。

57 （六） 营养期(生长期)和分化期(生产期)的关系
次级代谢的一个特征是次级代谢物通常是在生长阶段(营养期)之后的生产阶段(分化期)合成。 次级代谢产物的形成出现较迟，这或许是抗生素产生菌避免自杀的主要机制之一。 产物的形成是在某些养分从培养基中耗竭时开始的。 易利用的糖、氨(NH3)或磷酸盐的消失导致次级代谢物阻遏作用的解除。

58 第二节 微生物代谢调控机制 四、微生物发酵中的代谢调控 （一）改变细胞膜的通透性 （二）改变微生物的遗传特性 1. 利用营养缺陷菌株
第二节 微生物代谢调控机制 四、微生物发酵中的代谢调控 即通过对微生物代谢的人为控制实现代谢产物的过量生产。 （一）改变细胞膜的通透性 （二）改变微生物的遗传特性 1. 利用营养缺陷菌株 2. 选育抗反馈调节的突变株

59 （一）改变细胞膜的通透性 ☺微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。 ☺细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并自然地通过
　反馈阻遏限制了它们的进一步合成。 ☺采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞 　内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。 ☺这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。

60 （二）改变微生物的遗传特性 1. 利用营养缺陷菌株 应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节
　应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节 　在直线式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中间代谢物而不能累积最终代谢物。但在分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，就可以使某一分支途径的末端产物得到累积。

61 2. 选育抗反馈调节的突变株 抗反馈调节突变菌株： 就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型 菌株，或兼而有之的菌株。
　在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。

62 一、提高初级代谢产物产量的方法 1、使用诱导物 原因：水解酶类大都属诱导酶类。 措施：向培养基中加入诱导物就会增加胞外酶的产量。
如加入槐糖(1，2-β-D-葡二糖)诱导木霉菌的纤维素酶的生成，木糖诱导半纤维素酶和葡萄糖异构酶的生成等。 诱导物的浓度过高及能被迅速利用时，会发生酶合成的阻遏，这在纤维二糖对纤维素酶的产生，木二糖对半纤维素酶产生中都己观察到，这也是使用诱导物时应予注意的。 我们知道，初级和次级代谢产物在遗传控制、合成时期、合成途径等方面是存在差异的，因而获得发酵产物过量生产的方法也不同。由于次级代谢产物的合成远离初级代谢的主要途径，微生物细胞对其合成控制较弱，因此，改变环境条件易于影响其表达，基因型改变后的产量变异幅度也较大，而初级代用产物则与此相反。这在选择提高代谢产物方法时应予考虑。提高初级代谢产物产量的方法主要有以下几种： 1，使用诱导物 与糖类和蛋白质降解有关的水解酶类大都属诱导酶类，因此向培养基中加入诱导物就会增加胞外酶的产量。可考虑先使微生物在廉价的可溶性碳源中迅速生长，形成大量菌体后，再加入诱导物诱导水解酶类生成的方法。 2，除去诱导物——选育组成型产生菌 在发酵工业中，要选择到一种廉价、高效的诱导物是不容易的，分批限量加入诱导物在工艺上也多不便，更为有效的方法是改变菌株的遗传特性，除去对诱导物的需要，即选育组成型突变株。通过诱变处理，使调节基因发生突变，不产生有活性的阻遏蛋白，或者操纵基因发生突变不再能与阻遏物相结合，都可达到此目的。 3，降低分解代谢产物浓度，减少阻遏的发生 高分子的多糖类、蛋白质等的分解代谢产物(如能被迅速利用的单糖、氨基酸以及脂肪酸、磷酸盐等)都会阻遏分解其聚合物的水解酶类的生成。因此用限量流加这类物质或改用难以被水解的底物的方法，都可减少阻遏作用的发生，而获得较高的酶产量。但是由于它并未改变产生菌的遗传特性，只是暂时地改变了酶的合成速率，因此结果往往不稳定。更有效的方法是筛选抗降解物阻遏的突变栋。

63 一、提高初级代谢产物产量的方法 2、除去诱导物——选育组成型产生菌
在发酵工业中，要选择到一种廉价、高效的诱导物是不容易的，分批限量加入诱导物在工艺上也多有不便，更为有效的方法是改变菌株的遗传特性，除去对诱导物的需要，即选育组成型突变株。 通过诱变处理，使调节基因发生突变，不产生有活性的阻遏蛋白，或者操纵基因发生突变不再能与阻遏物相结合，都可达到此目的。

64 一、提高初级代谢产物产量的方法 连续培养法 交替培养法
设计选育组成型突变株的方法的原则是创造一种利于组成型菌株生长而不利于诱导型菌株生长的培养条件，造成对组成型的选择优势以及适当的识别两类菌落的方法，从而把产生的组成型突变株选择出来。 连续培养法 交替培养法 在平板上识别组成型突变株的方法：透明圈、变色圈。

65 一、提高初级代谢产物产量的方法 3、降低分解代谢产物浓度，减少阻遏的发生 原因：
高分子的多糖类、蛋白质等的分解代谢产物(如能被迅速利用的单糖、氨基酸以及脂肪酸、磷酸盐等)都会阻遏分解其聚合物的水解酶类的生成。 措施： 用限量流加这类物质或改用难以被水解的底物的方法，都可减少阻遏作用的发生，而获得较高的酶产量。

66 4、解除分解代谢阻遏——筛选抗分解代谢阻遏突变株
一、提高初级代谢产物产量的方法 4、解除分解代谢阻遏——筛选抗分解代谢阻遏突变株 从遗传学角度来考虑，如调节基因发生突变，使产生的阻遏蛋白失活，不能与末端分解代谢产物结合，称为隐性突变。 或操纵基因发生突变使阻遏蛋白不能与其结合，都能获得抗分解代谢阻遏的突变株，称为显性突变。 这两种方法都能导致酶的过量产生。

67 一、提高初级代谢产物产量的方法 可以直接以末端代谢产物为底物来筛选抗阻遏突变株。如以葡萄糖、甘油为碳源筛选纤维系酶抗阻遏突变株。
更多地是利用选育结构类似物抗性菌株的方法。 选育结构类似物抗性菌株的方法所依据的机制： 结构类似物由于在分子结构上与分解代谢的未端产物相类似。因此，它也能与阻遏蛋白相结合。 如调节基因发生突变而使阻遏蛋白不能与结构类似物结合，即出现抗性菌株。 由于分子结构上的类似，这种抗性菌株产生的阻遏蛋白也不能与正常的分解代谢产物相结合，即同时也具有对相应的分解代谢产物阻遏作用的抗性，而能导致相应酶类的过量生产。（即不产生阻遏了）

68 结构类似物及代谢末端产物 ：

69 一、提高初级代谢产物产量的方法 5、解除反馈抑制——筛选抗反馈抑制突变株 选育对末端产物有抗性的突变株 如天冬氨酸激酶是赖氨酸生物合成途径中的调节酶，由黄色短杆菌分离到对赖氨酸的类似物(2-氨基半胱氨酸)有抗性的突变株，它对天冬氨酸激酶的反馈抑制不敏感，赖氨酸的产量可达57mg／m1。 选育营养缺陷型 如谷氨酸经过乙酰谷氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸而合成精氨酸。选育精氨酸缺陷型，就能得到瓜氨酸的过量生产。

70 6、防止回复突变的产生和筛选负变菌株的回复突变株
一、提高初级代谢产物产量的方法 6、防止回复突变的产生和筛选负变菌株的回复突变株 选育双重营养缺陷型。 可在培养液中加入适量结构类似物，以防止抗结构类似物的高产菌株的回复突变株的增殖。 利用高产株和回复突变株对抗生素敏感性的不同，加适量抗生素防止回复株增殖 。 负变菌株的回复突变株可用来提高代谢产物的过量产生。

71 一、提高初级代谢产物产量的方法 7、改变细胞膜的通透性
微生物细胞吸收作为代谢所需要的底物和离子是依靠定位在细胞膜上的主动输送系统来进行，与产能代谢过程相偶联。输送系统有高度的专一性，这主要取决于其蛋白质的组成，即透性酶。 细胞内形成的代谢产物排出细胞时，也与细胞膜的结构有关。当控制物理、化学条件或者筛选细胞膜、细胞壁结构组成的突变株以改进物质的进出速率。影响代谢过程时，都有可能造成代谢产物的过量生产。

72 一、提高初级代谢产物产量的方法 8、筛选抗生素抗性突变株
抗生素种类繁多，其抑制微生物代谢的机制各不相同，一些主要抗生素的作用机制已比较清楚。筛选抗生素抗性突变体，也能取得由此而改变代谢调节，获得过量生产的结果。 衣霉素可抑制细胞膜糖蛋白的生成。枯草杆菌的衣霉素抗性突变株的α-淀粉酶的产量较亲株提高了5倍（分泌机制改变的结果）。 抗利福平的蜡状芽抱杆菌的无芽孢突变株的β-淀粉酶产量提高了7倍（芽孢形成的延迟利于β-淀粉酶的形成，而抗利福平的突变株往往失去了形成芽孢的能力 ）。

73 一、提高初级代谢产物产量的方法 9、选育条件抗性突变株
因环境不同，能表现为“野生型”菌株的特性和突变型菌株特性的突变被称为条件抗性突变或称为条件致死突变。其中温度敏感型突变常被用于提高代谢产物的产量。 适于在中温条件下(如37°C左右)生长的细菌，经诱变后可得到在较低温度下生长而在较高温度(如37°C以上)不能生长的突变株，即温度敏感型突变株。这是由于某一酶蛋白结构改变后，在高温条件下活力丧失的缘故。如此酶为蛋白质、核苷合成途径上的酶，则此突变株在高温条件下的表型就是营养缺陷型。

74 一、提高初级代谢产物产量的方法 10、调节生长速率
在酶的诱导合成研究中发现，一些物质具有诱导效应及难被利用；与其只能维持较低的生长速率有关。而起阻遏作用的物质则都是易被迅速利用和能维持高的生长速率。估计这是因为诱导、阻遏的发生都与产能代谢有关而造成的。因此，改变培养条件如温度、供氧量等以控制生长速率，也能获得一定效果。 里氏木霉纤维素酶的大量合成是在菌体大量形成时，如控制它的比生长速率近于零，则能在一较长时间内持续合成纤维素酶并获得高产。

75 一、提高初级代谢产物产量的方法 11、加入酶的竞争性抑制剂
生物化学上把底物和抑制剂与酶相结合时呈现的互相排斥现象称为竞争性抑制，即酶与抑制剂结合后就不能与底物相结合，反之亦然。 葡萄糖经不完全氧化(酵解)生成丙酮酸，脱羧生成乙酰辅酶A，进入TCA循环。乙酰辅酶A与草酰乙酸经柠檬酸合成酶催化，把乙酰基由乙酰辅酶A转移至草酰乙酸而成为柠檬酸。柠檬酸又因乌头酸酶的存在而和它的异构体顺乌头酸、异柠檬酸呈平衡。单氟乙酸在微生物细胞内可转变为单氟柠檬酸，此酸与乌头酸酶有竞争性抑制，因此，向培养基中加入单氟乙酸可导致柠檬酸的积累，减少异柠檬酸的生成。由此，筛选不能利用柠檬酸或对单氟乙酸敏感的突变袜，都达到了提高柠檬酸产量和减少异柠檬酸生成的结果。这些突变株的乌头酸酶的活力都比较低。

76 次级代谢物合成过程远较初级代谢产物复杂。 次级代谢产物则需要复杂的营养条件。
二、提高次级代谢产物产量的方法 （一）次级代谢物合成的特点 次级代谢物合成过程远较初级代谢产物复杂。 次级代谢产物则需要复杂的营养条件。 在分批培养条件下，次级代谢产物一般都是在菌体生长的峰值出现后才大量合成。 次级代谢产物是指细胞生长不必需的、无明显生理功能的微生物代谢产物。其结构往往比较复杂，虽对产生菌的生长不是必需的，但在自然环境中对产生菌的存活还是有益的。从分子结构上看，次级代谢产物可分为糖苷类、多肽类、酰基类、核苷类及混杂类。它们均来自初级代谢产物，为其直接衍生物，或者经分子结构上的修饰，或进一步装配、聚合而成。其合成过程远较初级代谢产物复杂。 初级代谢产物的形成一般只需简单的营养条件，在化学成分确定的培养基中即可生成。而次级代谢产物则需要复杂的营养条件，往往需要供给营养成分复杂的天然物质时才能形成。在各种条件下，初级代谢产物都能形成，而次级产物则往往仅在一特定培养条件下才能形成，尤其过量生产。在分批培养条件下，次级代谢产物一般都是在菌体生长的峰值出现后才大量合成。在发酵过程中如何使次级代谢产物进入分化期，即次级代谢产物形成的诱导或引发，是发酵工艺研究中的热门之一。 目前，次级代谢产物的生产都还是沿用分批发酵方法，抗生素类的产物在此条件下又多为在菌体生长速率下降后才积累，但又难以长期持续合成。因此，通过控制培养条件以尽量维持次级代谢产物的合成期，亦是获得过量生产的重要途径。

77 （二）提高次级代谢产物产量的方法 如青霉素G的生产中，苯乙酰-CoA是限速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。
1、补加前体类似物 在合成途径已基本清楚的条件下，向发酵培养基中补加前体是增加次级产物的有效方法。 如青霉素G的生产中，苯乙酰-CoA是限速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。 次级代谢产物形成中并不是所有前体类似物都是限制性因子。加入前体提高产量的效果更取决于总体代谢的调节水平。前体物质本身是否易于得到等，这都是在生产应用中需综合考虑的。 1， 补加前体类似物 在合成途径已基本清楚的条件下，向发酵培养基中补加前体是增加次级产物的有效方法。如青霉素G的生产中，苯乙酰—CoA是限速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。青霉素分子是6—APA环形成后，再形成不同侧链。加入不同的前体就可以得到不同种类的青霉索，补加苯氧乙酸即得到青霉素V。多肽类和放线菌素类抗生索的合成中，也都能通过加入不同前体而得到不同种类的抗生素。这也可以称之为定向合成 。 加入硝酸盐可提高利福霉索的产量，其原因在于它抑制了脂肪酸的合成，使合成脂肪的前体丙二酰-CoA转为利福霉素分子的脂肪环提供前体。 次级代谢产物形成中并不是所有前体类似物都是限制性因子。加入前体提高产量的效果更取决于总体代谢的调节水平。前体物质本身是否易于得到等。这部是在生产应用中需综合考虑的。 2，加入诱导物 把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的物质加入发酵培养基中会增加产量，如加蛋氨酸或硫脲可使顶头孢霉增产头孢霉素C，加入巴比妥可提高利福霉素产量等。但在工业生产中还未普遍应用此技术，而只是在选择培养基组成时给以考虑。 3． 防止碳分解代谢阻退或抑制的发生 青霉索发酵中限量流加葡萄糖(或糖蜜)以减少碳分解阻遏的发生，早已是一项很有效的提高产量的方法。 使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源，葡萄糖与麦芽糖、葡萄糖与蔗糖、葡萄糖与淀粉混合碳源的利用，也都能减少碳分解阻遏的发生。 加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯可使金霉菌对葡萄糖的利用速度减缓，可增加金霉素的产量。 4． 防止氮代谢阻遏的发生 避免使用高浓度的铵盐做氮源以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生索发酵工业生产中比较成熟的经验。在抗生素产生期如补加氮源则会造成发酵逆转，返回生长期，抗生素的产量会大为减少。 使用亚适量(对菌体生长)的磷酸盐，亦是抗生素发酵工业中遵循的原则之一。 为防止碳、氮、磷分解阻遏的发生，应选用黄豆饼粉、蛋白胨类、淀粉类物质为主要原料，而尽量少用易被迅速利用的葡萄糖等。 5． 筛选耐前体或前体类似物的突变抹 加入前体有提高次级产物产量的效果；但过量对菌体又会有毒。筛选对前体育抗性的突变株以减少或消除前体的反馈阻遏，从而可获得高产；如抗苯乙酸的青霉突变株，其青霉素的产量会增加。 半胱氨酸、缬氨酸是 内酰胺类抗生素的前体，筛选上述氨基酸的类似物，三氟亮氨酸、DL—缬氨酸的抗性菌株，其β-内酰胺类抗生索产量会提高。

78 2、加入诱导物 把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的物质加入发酵培养基中会增加产量。 如加蛋氨酸或硫脲可使顶头孢霉增产头孢霉素C，加入巴比妥可提高利福霉素产量等。但在工业生产中还未普遍应用此技术，而只是在选择培养基组成时给以考虑。 6， 选育抗抗生素突变株 链霉素、氯霉素、金霉素筹多种抗生素都具有抑制产生自身菌体蛋白质的能力。一株高产抗生素产生菌，必然应具备对自身所分泌的抗生索的抗性。筛选抗抗生素产生菌也就成了菌种选育中的常用方法。金霉素、链霉素产生菌的抗性菌株产量有数倍增加的实验室结果已有不少报道。 7． 筛选营养缺陷型的回复突变株 次级代谢产物都来自初级代谢产物，因此其营养缺陷型的产量一般都很低，但其回复突变型中却有不少获得高产的例子，其机制尚不清楚，估计是次生产物或其前体合成的反馈抑制被解除。在金霉素产生菌选育中，运用此方法曾获得高产菌株。 8， 抗毒性突变株的选育 重金属离子、羟胺类物质对 -内酰胺类抗生素产生菌有毒，但与抗生素相结合可解毒。选择适当浓度的此类毒性物质使其恰好抑制产生菌生长，在此条件下能生长的菌株，应为抗生素类物质过量产生的突变株。曾由头孢霉素C对重金属离子的抗性突变株中选育到高产菌株。 以上主要是从微生物的代谢调节机制出发探讨获得代谢产物过量生产的方法。但是，微生物代谢产物特别是次级产物形成的途径和调节控制机制是相当复杂的，研究得比较清楚的只是少数。因此，上述方法的应用往往也是经验性的。 在生产实践中为提高微生物产品产量和品质经常使用的方法是诱变后随机筛选和发酵条件的优化。近年来运用遗传工程的方法以获得代谢产物的过量生产是很活跃的研究领域

79 3、防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生 青霉素发酵中限量流加葡萄糖(或糖蜜)以减少碳分解阻遏的发生，是一项很有效的提高产量的方法。
使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源，葡萄糖与麦芽糖、葡萄糖与蔗糖、葡萄糖与淀粉混合碳源的利用，也都能减少碳分解阻遏的发生。 加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯可使金霉菌对葡萄糖的利用速度减缓，可增加金霉素的产量。

80 4、防止氮代谢阻遏的发生 避免使用高浓度的铵盐做氮源以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生素发酵工业生产中比较成熟的经验。在抗生素产生期如补加氮源则会造成发酵逆转，返回生长期，抗生素的产量会大为减少。 使用亚适量(对菌体生长)的磷酸盐，亦是抗生素发酵工业中遵循的原则之一。 为防止氮、磷分解阻遏的发生，应选用黄豆饼粉、蛋白胨类物质为主要原料，而尽量少用易被迅速利用的无机氮源。

81 如抗苯乙酸的青霉突变株，其青霉素的产量会增加。
5、筛选耐前体或前体类似物的突变株 加入前体有提高次级产物产量的效果；但过量对菌体又会有毒。筛选对前体有抗性的突变株以减少或消除前体的反馈阻遏，从而可获得高产。 如抗苯乙酸的青霉突变株，其青霉素的产量会增加。 半胱氨酸、缬氨酸是β-内酰胺类抗生素的前体，筛选上述氨基酸的结构类似物，三氟亮氨酸、D-缬氨酸的抗性菌株，其β-内酰胺类抗生素产量会提高。

82 6、选育抗抗生素突变株 链霉素、氯霉素、金霉素等多种抗生素都具有抑制产生自身菌体蛋白质的能力。
一株高产抗生素产生菌，必然应具备对自身所分泌的抗生素的抗性。 筛选抗抗生素产生菌也就成了菌种选育中的常用方法。 金霉素、链霉素产生菌的抗性菌株产量有数倍增加的实验室结果已有不少报道。

83 7、筛选营养缺陷型的回复突变株 次级代谢产物都来自初级代谢产物，因此其营养缺陷型的产量一般都很低，但其回复突变型中却有不少获得高产的例子，其机制尚不清楚，估计是次级代谢产物或其前体合成的反馈抑制被解除。 在金霉素产生菌选育中，运用此方法曾获得高产菌株。

84 8、抗毒性突变株的选育 重金属离子、羟胺类物质对β-内酰胺类抗生素产生菌有毒，但与抗生素相结合可解毒。选择适当浓度的此类毒性物质使其恰好抑制产生菌生长，在此条件下能生长的菌株，应为抗生素类物质过量产生的突变株。 曾由头孢霉素C对重金属离子的抗性突变株中选育到高产菌株。

85 以上主要是从微生物的代谢调节机制出发探讨获得代谢产物过量生产的方法。但是，微生物代谢产物特别是次级产物形成的途径和调节控制机制是相当复杂的，研究得比较清楚的只是少数。因此，上述方法的应用往往也是经验性的。 在生产实践中为提高微生物产品产量和品质经常使用的方法是诱变后随机筛选和发酵条件的优化。近年来运用遗传工程的方法以获得代谢产物的过量生产是很活跃的研究领域。

86 糖酵解的概述 第三节 糖代谢产物的发酵机制 葡萄糖 “三羧酸循环” “乙醛酸循环” CO2 + H2O 有氧情况 缺氧情况 好氧生物
第三节 糖代谢产物的发酵机制 “三羧酸循环” “乙醛酸循环” CO2 + H2O 糖酵解的概述 有氧情况 缺氧情况 好氧生物 厌氧生物 葡萄糖 “糖酵解” 不需氧 “磷酸戊糖途径” 需氧 “乳酸发酵” 乳酸 丙酮酸 “乳酸发酵”、“乙醇发酵” 乳酸或乙醇 CO2 + H2O

87 糖酵解的代谢途径 Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2P 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 丙 酮 酸
E1 E2 Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2P ATP ADP 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 丙 酮 酸 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 NAD+ NADH+H+ 磷酸烯醇式丙酮酸 糖酵解的代谢途径 E1:己糖激酶 E2: 6-磷酸果糖激酶-1 E3: 丙酮酸激酶 NADH+H+ NAD+ 乳 酸 E3

88

89 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 (一） 乙醇发酵 关键酶：丙酮酸脱羧酶 途 径：EMP

90 第三节 糖代谢产物的发酵机制 Ⅰ型发酵 弱酸 葡萄糖---2乙醇+2CO2 Ⅱ型发酵 NaHSO3 葡萄糖---乙醇+大量甘油
第三节 糖代谢产物的发酵机制 Ⅰ型发酵 弱酸 葡萄糖---2乙醇+2CO2 Ⅱ型发酵 NaHSO3 葡萄糖---乙醇+大量甘油 Ⅲ型发酵 弱碱 甘油+少量乙醇、乙酸、CO2 酵母菌乙醇发酵： EMP 细菌乙醇发酵 : ED

91 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 (二） 乳酸发酵 1. 同型乳酸发酵
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 (二） 乳酸发酵 1. 同型乳酸发酵 利用EMP途径发酵葡萄糖得到的产物只有乳酸。 乳酸为唯一产物的发酵称为同型乳酸发酵。

92 第三节 糖代谢产物的发酵机制 2. 异型乳酸发酵 肠膜明串珠菌因缺乏EMP途径中的若干重要酶-醛缩酶和异构酶，因此葡萄糖降解依赖HMP途径，葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和CO2。 肠膜明串珠菌 双歧杆菌

93 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 (三） 丙酮-丁醇发酵
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 (三） 丙酮-丁醇发酵 丙酮-丁酸梭菌在发酵葡萄糖的过程中，由于丁酸的积累导致发酵液PH下降，会使丁酸发酵转为丙酮-丁醇发酵。

94 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 (四） 混合酸发酵
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 (四） 混合酸发酵 将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、H2、CO2等多种代谢产物，因产物中含有多种有机酸，称为有机酸发酵。 如：大肠杆菌 产酸产气 产气杆菌 丁二醇发酵 志贺氏菌 产酸不产气 V.P.试验 甲基红试验

95 第三节 糖代谢产物的发酵机制 糖的有氧氧化代谢途径可分为： 葡萄糖酵解、丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环 三个阶段。 二、好氧发酵代谢产物发酵机制
第三节 糖代谢产物的发酵机制 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 糖的有氧氧化代谢途径可分为： 葡萄糖酵解、丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环 三个阶段。 在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体生成乙酰CoA，参加TCA循环（柠檬酸循环），被彻底氧化成C2O和H2O。

96 P 三羧酸循环总图 CH2CO～SoA (乙酰辅酶A) 草酰乙酸 柠檬酸 2H NAD+ 苹果酸 异柠檬酸 CO2 延胡索酸 2H 2H
α-酮戊二酸 CO2 2H 琥珀酸 琥珀酰CoA NAD+ FAD CO2 GTP 2H NAD+

97 第三节 糖代谢产物的发酵机制 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸， 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA;
第三节 糖代谢产物的发酵机制 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸， 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA; 丙酮酸羧化作用生成草酰乙酸， 草酰乙酸与乙酰-CoA缩合生成柠檬酸。 如柠檬酸积累，影响草酰乙酸合成。 PYR或PEP羧化提供草酰乙酸。

98 第三节 糖代谢产物的发酵机制 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 丙酮酸羧化酶 丙酮酸羧激酶 柠檬酸生物合成总反应

99 柠檬酸循环的调节 – + – + – 乙酰CoA ① ATP、ADP的影响 柠檬酸 草酰乙酸 ② 产物堆积引起抑制 异柠檬酸 苹果酸
α-酮戊二酸 异柠檬酸 苹果酸 NADH FADH2 GTP ATP 柠檬酸循环的调节 柠檬酸 琥珀酰CoA NADH ATP – + ADP ① ATP、ADP的影响 柠檬酸合酶 ② 产物堆积引起抑制 异柠檬酸 脱氢酶 – ATP ADP + ③ 循环中后续反应中间产物反馈抑制前面反应中的酶 α-酮戊二酸 脱氢酶复合体 – 琥珀酰CoA NADH

100 有氧氧化的调节特点 ⑴ 有氧氧化的调节通过对其关键酶的调节实现。 ⑵ ATP/ADP或ATP/AMP比值全程调节。该比值升高，所有关键酶均被抑制。 ⑶ 氧化磷酸化速率影响三羧酸循环。前者速率降低，则后者速率也减慢。 ⑷ 三羧酸循环与酵解途径互相协调。三羧酸循环需要多少乙酰CoA，则酵解途径相应产生多少丙酮酸以生成乙酰CoA。

101 巴斯德效应 反馈抑制己糖激酶 柠檬酸↑ 在好气条件下，糖代谢进入TCA环 抑制磷酸果糖激酶的合成 ATP↑ 6-P-果糖↑ （积累）
在好气条件下，酵母菌发酵能力降低（细胞内糖代谢降低，乙醇积累减少）；不仅存在于酵母中，也存在于具有呼吸和发酵能力的其他细胞中。 柠檬酸↑ 在好气条件下，糖代谢进入TCA环 抑制磷酸果糖激酶的合成 ATP↑ 6-P-果糖↑ （积累） 6-P-葡糖↑（积累） 反馈抑制己糖激酶 抑制葡糖进入细胞内 葡糖利用降低

102 同时，在好气条件，丙酮酸激酶活性降低 。 丙酮酸激酶活性降低也是由于磷酸果糖激酶活性降低所致。 丙酮酸激酶活性↓ 磷酸稀醇式丙酮酸↑ 反馈抑制己糖激酶活性 糖酵解速度↓

103 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 黑曲霉可以由糖类、乙醇和醋酸发酵生产柠檬酸。 1.TCA 循环 联系各种物质代谢的枢纽。

104 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 2.柠檬酸的生物合成途径 要积累柠檬酸，必须解决的两个问题：
1-柠檬酸合成酶； 2-顺乌头酸酶； 3-丙酮酸羧化酶； 3，-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 要积累柠檬酸，必须解决的两个问题： 第一，设法阻断代谢途径，即使柠檬酸不再继续代谢，实现积累； 第二，代谢途径被阻断部位之后的产物必须有适当的补充机制，满足代谢活动的最低需求，维持细胞生长，才能维持发酵继续。

105 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 2.柠檬酸的生物合成途径
草酰乙酸补充途径： ①丙酮酸(PYR)+ATP+CO 草酰乙酸+ADP+Pi 丙酮酸羧化酶 ②磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）+ADP+CO2+Pi 草酰乙酸+ATP PEP羧化酶 葡萄糖生产柠檬酸的总反应式： 2C6H12O6+3O C6H8O7+4H2O 对糖的理论转化率为106.7%，以含一个结晶水计为116.7%。

106 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 3.柠檬酸积累的代谢调节 （1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节
黑曲霉生长时EMP/HMP为2:1，产生柠檬酸时EMP/HMP为4:1，EMP的调节对柠檬酸发酵非常重要。 EMP途径中，第一个调节酶为磷酸果糖激酶（PFK），AMP、无机磷、NH4+对PFK有活化作用；ATP有抑制作用，NH4+能有效解除ATP、柠檬酸对PFK的抑制。 锰，可减少HMP和TCA循环中有关酶的活性，提高胞内NH4+的浓度，解除柠檬酸对PFK的抑制作用，使之增产。

107 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 3.柠檬酸积累的代谢调节 （1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节
CO2固定反应，丙酮酸即可脱羧生成乙酰辅酶A，又可固定CO2生成草酰乙酸，保持反应的平衡时获得柠檬酸高产的手段。 （2）TCA的调节 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 顺乌头酸酶 Fe2+ 使用络合剂去除反应液中的Fe2+，抑制酶活，造成柠檬酸积累。 当菌体生长到足够数量时，加入亚铁氰化钾（黄血盐）使铁生成络合物。 选育顺乌头酸酶缺失或活力很低的菌株，可积累柠檬酸。

108 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 （一）柠檬酸发酵机制 3.柠檬酸积累的代谢调节 （3）及时补加草酰乙酸
给培养液中添加草酰乙酸，不经济。使用回补途径旺盛的菌种，保证草酰乙酸的及时添加。

109 二、好氧发酵代谢产物发酵机制 柠檬酸积累机理总述
①锰抑制了蛋白质的合成，导致胞内NH4+浓度升高和一条呼吸活性强的侧系呼吸链不产生ATP，解除了对磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径的畅通。 ②由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断地提供草酰乙酸。 ③控制Fe2+含量，顺乌头酸酶活性低，是柠檬酸积累，在催化时建立如下平衡：柠檬酸:顺乌头酸:异柠檬酸=90:3:7。 ④丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A和CO2固定两个反应平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强合成柠檬酸的能力。 ⑤柠檬酸积累多，pH低，在低pH时，顺乌头酸酶和异柠檬酸酶失活，进一步促进柠檬酸的积累。

110 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 微生物生长所需氨基酸来源： 1. 自己接从培养基吸收 2. 通过转氨基作用合成其它氨基酸
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 微生物生长所需氨基酸来源： 1. 自己接从培养基吸收 2. 通过转氨基作用合成其它氨基酸 3. 经氨化作用或经固氮作用生成的氨经特定反应吸收，生成新的氨基酸 4. 从糖分解代谢过程中产生的中间体碳架物质经生化反应合成氨基酸

111 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 典型的代谢调控发酵，关键取决于其控制机制是否被解除，是否打破微生物正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。 （一）氨基酸发酵的代谢控制 1.控制发酵的环境条件

112 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 2.控制细胞渗透性
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 2.控制细胞渗透性 乙酰辅酶A 丙二酸单酰CoA 脂肪酸 乙酰CoA羧化酶 如：谷氨酸发酵中，生物素控制在亚适量改变膜的通透性，提高产量；应用谷氨酸生产菌油酸缺陷性菌株，限量添加油酸，提高谷氨酸的产量。 单稀不饱和脂肪酸 细菌磷脂 一类是生物素、油酸、表面活性剂：引起细胞膜脂肪酸成分的改变； 另一类是青霉素，抑制细胞壁的合成。

113 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 3.控制旁路代谢 4.降低反馈作用物的浓度
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 3.控制旁路代谢 4.降低反馈作用物的浓度 利用营养缺陷型菌株进行氨基酸发酵必须限制所要求的氨基酸量。

114 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 5.消除终产物的反馈抑制和阻遏作用 通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法实现。
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 5.消除终产物的反馈抑制和阻遏作用 S-（β-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC）是Lys的结构类似物。 通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法实现。

115 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 6.促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 （一）氨基酸发酵的代谢控制 6.促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成 上述氨基酸发酵的代谢控制方法，是氨基酸发酵工艺控制和选育氨基酸高产菌株的依据。

116 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （二）谷氨酸的发酵机制
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （二）谷氨酸的发酵机制 大多生物素缺陷性菌种，高产菌丧失或微弱的α-酮戊二酸脱氢酶活力；CO2固定反应的酶系强；谷氨酸脱氢酶的活力很强；NADPH2再氧化能力弱；过量的铵离子。

117 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （三）鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的发酵机制
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （三）鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的发酵机制 鸟氨酸、瓜氨酸采用营养缺陷型菌株；精氨酸选用抗反馈调节突变株。

118 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 共同碳架：TCA中的草酰乙酸 CH2 - COO- CHNH2 CH2 - COO-
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （四）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径 包括：天冬AA(Asp)、天冬酰胺(Asn)、赖(Lys)、苏(Thr)、 甲硫(Met)、异亮(Ile) 共同碳架：TCA中的草酰乙酸 CH2 - COO- CHNH2 CH2 - COO- C=O CH2 - COO- C=O CH2 - COO- CHNH2 转氨 + + 天冬AA

119 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （四）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径 1.苏氨酸发酵机制
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （四）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径 1.苏氨酸发酵机制 Met-、Lys-、IIe-突变株；抗苏氨酸和赖氨酸结构类似物。 1-天冬氨酸激酶；2-高丝氨酸脱氢酶； 3-二氢吡啶-2，6-二羧酸还原酶； 4-高丝氨酸激酶； 5-O-琥珀酰-高丝氨酸转琥珀酰酶； 6-半胱氨酸脱硫化氢酶； 7-苏氨酸脱氢酶； 8-天冬氨酸半醛脱氢酶； 9-二氢吡啶-2，6-二羧酸合成酶；

120 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （四）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （四）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径 （四）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径 2.赖氨酸发酵机制 选育高丝氨酸缺陷型突变株；抗赖氨酸和苏氨酸结构类似物突变株。

121 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （五） 丙氨酸族氨基酸的合成 包括：丙(Ala)、缬(Val)、亮(Leu)
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （五） 丙氨酸族氨基酸的合成 包括：丙(Ala)、缬(Val)、亮(Leu) 共同碳架：EMP中的丙酮酸 CH2 - COOH C=O CH2 - COOH CHNH2 COOH CH3 C=O - COOH 谷丙转氨酶 - CHNH2 + + (GPT) - CH3 - 丙酮酸 谷AA 丙AA α-酮戊二酸

122 氨基酸的生物合成 还原性氨基化作用 氨基转移作用 氨基酸的相互转化作用

123 丙氨酸族其它氨基酸的合成 缬氨酸 转氨基 CO2 2丙酮酸 α-酮异戊酸 缩合 转氨基 α-酮异己酸 亮氨酸 CH3 CH3 -
COO- - COOH α-酮异戊酸

124 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （六）组氨酸族和芳香族氨基酸的合成
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （六）组氨酸族和芳香族氨基酸的合成 包括：组AA(His)、色AA(Trp)、酪AA(Tyr)、苯丙AA(Phe) 组AA族碳架：5-磷酸核酮糖+ATP

125 色氨酸 PEP 4-磷酸赤藓糖 莽草酸 分支酸 预苯酸 酪氨酸 苯丙氨酸 芳香族氨基酸的关系
若将莽草酸看作芳香族氨基酸合成的前体，因此芳香族氨基酸合成时相同的一段过程叫莽草酸途径

126 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 一、氨基酸发酵机制 （七）丝氨酸族氨基酸的生物合成

127 在研究氨基酸发酵的基础上发展起来的由一个典型的代谢控制发酵。
第三章 发酵机制及发酵动力学 3.4 氨基酸和核酸发酵机制 二、核苷酸发酵机制（自学） 在研究氨基酸发酵的基础上发展起来的由一个典型的代谢控制发酵。

128 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 二、核苷酸发酵机制 核苷酸的组成： 碱基、戊糖、磷酸 核苷酸的生物合成： 糖代谢中间体
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 二、核苷酸发酵机制 （ 在研究氨基酸发酵的基础上发展起来的由一个典型的代谢控制发酵。） 核苷酸的组成： 碱基、戊糖、磷酸 核苷酸的生物合成： 糖代谢中间体

129 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 1. 嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶合成的元素来源 氨基甲 酰磷酸 天冬氨酸

130 嘌呤碱合成的元素来源 第四节 氨基酸和核酸发酵机制 2. 嘌呤核苷酸的生物合成 CO2 甘氨酸 天冬氨酸 甲酰基 （一碳单位） 甲酰基
第四节 氨基酸和核酸发酵机制 2. 嘌呤核苷酸的生物合成 嘌呤碱合成的元素来源 CO2 甘氨酸 天冬氨酸 甲酰基 （一碳单位） 甲酰基 （一碳单位） 谷氨酰胺 （酰胺基）

131 第五节 抗生素发酵机制 抗生素为次级代谢产物，以初级代谢产物为前体进行合成，经三个步骤，合成不同类型的抗生素。 第一步：前体聚合。 合成酶
第五节 抗生素发酵机制 抗生素为次级代谢产物，以初级代谢产物为前体进行合成，经三个步骤，合成不同类型的抗生素。 第一步：前体聚合。 合成酶 第二步：结构修饰。 环化、氧化、甲基化、氯化等 第三步：不同组分的装配。

132 第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 (一） 糖或糖代谢产物为前体的合成途径 1. 直接由葡萄糖合成次级代谢产物。
第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 (一） 糖或糖代谢产物为前体的合成途径 1. 直接由葡萄糖合成次级代谢产物。 Aspergillus—曲酸、链霉素 2. 由预苯酸合成芳香族次级代谢产物。 氯霉素、新霉素 3. 由磷酸戊糖合成的次级代谢产物。 狭霉素、嘌呤霉素、杀稻瘟菌素

133 第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （二）与脂肪酸代谢有关的合成途径 以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、β-氧化之后，生成
第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （二）与脂肪酸代谢有关的合成途径 以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、β-氧化之后，生成 比原来脂肪酸碳数少的聚乙炔脂肪酸。 高等植物中、担子菌中 2. 次级代谢产物的合成不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰CoA，再在羧化酶催化下生成丙二酰CoA。 四环类抗生素，如红霉素

134 第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （三）与萜烯和甾体化合物有关的合成途径 主要由霉菌产生。 如烟曲霉素、赤霉素、 β-胡萝卜素

135 第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （四）与TCA环有关的合成途径 1. 从TCA环得到的中间产物进一步合成次级代谢产物。
第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （四）与TCA环有关的合成途径 1. 从TCA环得到的中间产物进一步合成次级代谢产物。 α-酮戊二酸还原：戊烯酸；乌头酸脱羧：衣康酸 2. 由乙酸得到的有机酸与TCA环上的中间产物缩合生成次级代谢产物。 草酰乙酸羰基与十八烷酸的α-亚基缩合：松蕈酸

136 第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （五）与氨基酸代谢有关的合成途径 1.由一个氨基酸形成的次级代谢产物。 放线菌：环丝氨酸
第五节 抗生素发酵机制 一、抗生素的发酵机制 （五）与氨基酸代谢有关的合成途径 1.由一个氨基酸形成的次级代谢产物。 放线菌：环丝氨酸 2. 由两个氨基酸形成的曲霉酸、支霉黏毒。 缬氨酸、半胱氨酸：6-氨基青霉素烷酸 3.由桑以上氨基酸缩合而成的次级代谢产物，氨基酸 之间多以肽链结合成直链状。 镰刀菌、放线菌的多数次级产物：放线菌素

137 第五节 抗生素发酵机制 二、几种抗生素的生物合成 (一）青霉素、头孢菌素的生物合成

138 第五节 抗生素发酵机制 (二）链霉素生物合成 链霉胍、链霉糖、N—甲基-L-氨基葡萄糖

139 第五节 抗生素发酵机制 (三）四环类抗生素的生物合成 乙酸为单体

140 第五节 抗生素发酵机制 (四）红霉素的生物合成 大环内酯类抗生素，由3-4碳单位经多聚乙酰途径头尾缩合而成。催化内酯链缩合的为脂肪缩合酶。

141 第六节 微生物发酵的动力学 发酵过程特点 多相：气相、液相和固相
第六节 微生物发酵的动力学 发酵过程特点 多相：气相、液相和固相 多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。 复杂群体的生命活动

142 微生物反应动力学的描述方法 细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞内与胞外的物质交换，胞外物质传递及反应。

143 反应动力学描述的简化 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，在此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考试每个细胞之间的差别，则建立的模型为概率论模型。 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。

144 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡生长。
如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比例不同，称为非均衡生长。 模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模型。

145 非结构模型 结构模型 确定论模型 概率论模型 最理想情况 不考虑细胞内部结构 各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质 A
细胞之间无差异，是均一的，细胞内有多个组分存在。 B 均衡生长 确定论模型 实际情况： 细胞内多组分； 细胞之间不均一 D 不考虑细胞内部结构 各种细胞不均一 C 均衡生长 概率论模型 对细胞群体的描述模型

146 什么是发酵动力学？ 发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。 主要研究：
1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。

147 研究发酵动力学的目的 认识发酵过程的规律 优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等
提高发酵产量、效率和转化率等

148 发酵动力学的重要性 一条主线： 发酵工艺过程 两个重点： 发酵过程的优化与放大 三个层次： 分子、细胞、反应器 四个目标： 高产、高效、高转化率、低成本 主要方法：基于发酵动力学研究来实现

149 发酵过程放大的两个基本问题： 发酵放大条件的优化 反应器性能优化
核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合成放大过程特征及其对环境的响应特征； 重点研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放大规律。 反应器性能优化 重点研究混合与传质问题，满足发酵最适条件需要 侧重反应器的设计与放大

150 ？ 动力学主要探讨反应速率问题： 生化反应： aA + bB  cC + dD 如何能最快最多的获得目的产物
反应动态平衡 改变条件 破坏平衡 催化剂 温度 酸碱度 浓度 如何确定高产高效 的最佳条件？ ？ 采用反应动力学方法 进行定量研究

151 发酵动力学研究的几个层次（尺度） 分子层次（酶催化与生物转化） 基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征及其影响因素
采用一系列分子水平的方法 细胞层次（代谢网络与细胞工厂） 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析 反应器层次（过程工程） 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 采用一系列优化反应器发酵条件的方法

152 主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：
细胞生长动力学 底物消耗动力学 产物合成动力学 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成 的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因 素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达 到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。

153 发酵动力学研究的基本过程 首先研究微生物生长和产物合成限制因子； 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型； 确定模型参数；
实验验证模型的可行性与适用范围； 根据模型实施最优控制。

154 分批发酵动力学 细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学

155 分批发酵动力学-细胞生长动力学 菌体浓度X t t t t t5 时间 t 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线

156 分批发酵动力学-细胞生长动力学 或 或 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在 单位时间内的增加量来表示（μ、μn）：
X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数； t—生长时间； X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度； N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数； —以细胞浓度表示的比生长速率； —以细胞数量表示的比生长速率。

157 分批发酵动力学-细胞生长动力学 lag: x不变, 即 exp:(假定无抑制作用存在)

158 分批发酵动力学-细胞生长动力学 Decline（开始出现一种底物不足的限制）: (1)若不存在抑制物时 Monod 模型:

159 分批发酵动力学-细胞生长动力学 式中: S—限制性基质浓度，mol/m3
Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越小， µ越小。 ① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓ ∴ 减速期， µ ↓

160 表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系
Monod方程： 比生长素率μ 表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系 限制性底物残留浓度St Ks—底物亲和常数，等于处于1/2μm时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。 残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响

161 酶促反应动力学－米氏方程： 受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程－Monod方程：

162 Monod方程应用： 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值） 实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？）
比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？） 比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率

163 分批发酵动力学-细胞生长动力学 Stationary（不生长或生长率与死亡率相等）: dying: （浓度最大） (比死亡速率 ，s-1)

164 分批发酵动力学-细胞生长动力学 µm x0e µm t (t1<t<t2)
假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动力学可用阶段函数表示如下： x0 （0<t<t1) µm x0e µm t (t1<t<t2) µ = x= x0e µm(t2-t1) e µt (t2<t<t3) xm (t3<t<t4) -a xme -a t (t4<t<t5)

165 分批发酵动力学-细胞生长动力学 其它模型1 在无抑制作用情况下（但有底物限制存在） 式中n为常数 x为细胞浓度

166 分批发酵动力学-细胞生长动力学 培养液中有抑制物的情形 ① 高浓度基质抑制存在的情况下 式中，Kis为抑制常数，抑制作用越强，Kis越小
其它模型2 培养液中有抑制物的情形 ① 高浓度基质抑制存在的情况下 式中，Kis为抑制常数，抑制作用越强，Kis越小

167 分批发酵动力学-细胞生长动力学 其它模型2 ② 高浓度产物抑制的情况下 线性 指数 产物积累一定量才有抑制作用 其中：k，k1，k2为常数

168 A～B区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有：
高浓度底物抑制的情形 B～C区：随S0增加，菌体浓度达最高水平，再增加S0 ，菌体不再增加。 C区：菌体活性受初始高浓度底物及高渗作用抑制，菌体浓度与初始底物浓度成反比。 分批发酵中初始底物浓度对稳定期 菌体浓度的影响 A～B区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有： X为菌体浓度， 为针对底物的细胞得率，初始X0为零； S0为底物初始浓度； St为底物残留浓度。

169 分批发酵动力学 当培养基中存在多种限制性营养物时， Monod方程应改为？

170 分批发酵动力学-基质消耗动力学 得率系数 （1）生长得率系数
指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取决于生物学参数（µ,x ）和化学参数（DO,C/N,磷含量等） （1）生长得率系数 ① Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数； ② Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。

171 分批发酵动力学-基质消耗动力学 产物得率系数： ： 消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。

172 分批发酵动力学-基质消耗动力学 定义：表观得率 专一性得率 *专一性用于生长的底物量△S’不含用于维持能耗及产物形成部分的用量。

173 分批发酵动力学-基质消耗动力学 基质消耗速率与生长、合成关系如下： 表观： 专一性：

174 分批发酵动力学-基质消耗动力学 为了扣除细胞量的影响， 定义：基质比消耗速率 产物比生成速率

175 分批发酵动力学-基质消耗动力学 = 若生长阶段产物生成可以忽略，即

176 分批发酵动力学-基质消耗动力学 图解法求微生物的本征参数YG和m 1/Yx/s m 1/YG 1/ µ

177 分批发酵动力学-产物形成动力学 根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在以下三种关系： 与生长相关→生长偶联型
与生长部分相关→生长部分偶联型 与生长不相关→无关联

178 非相关型 产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图 相关型 部分相关型

179 分批发酵动力学-产物形成动力学 与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵 产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直
接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。

180 与生长部分相关→生长部分偶联型： 柠檬酸、氨基酸发酵
分批发酵动力学-产物形成动力学 与生长部分相关→生长部分偶联型： 柠檬酸、氨基酸发酵 产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的 主流产物（与初生代谢紧密关联）。

181 分批发酵动力学-产物形成动力学 与生长不相关→无关联：抗生素发酵 若考虑到产物可能存在分解时，则 产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞
进行的独特的生物合成反应而生成。

182 分批发酵动力学 应用举例 杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和杀假丝菌素合成的变化 。 杀假丝菌素分批发酵动力学分析

183 糖酵解：是指在氧气不足条件下，葡萄糖分解为丙酮酸或乳酸的过程，此过程中
伴有少量ATP的生成。 TCA循环：即三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle），是需氧生物体内普遍 存在的代谢途径，循环的第一步是由乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠 檬酸。反应物乙酰辅酶A(cetyl-CoA)(一分子辅酶A和一个乙酰相连) 是糖类、脂类、氨基酸代谢的共同的中间产物，进入循环后会被分解 最终生成产物二氧化碳并产生H，H将传递给辅酶--尼克酰胺腺嘌呤 二核苷酸(NAD+) 和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），使之成为 NADH +，H+和FADH2。NADH+，H+ 和 FADH2 携带H进入呼吸 链，呼吸链将电子传递给O2产生水，同时偶联氧化磷酸化产生 ATP，提供能量。 HMP途径：戊糖磷酸途径（Hexose Monophophate Pathway），甘油 发酵：在乙醇发酵过程中，乙醛受到亚硫酸氢钠的封闭，无法作为 受氢体，磷酸二羟丙酮受氢，形成磷酸甘油醛，还原形成磷酸甘 油，脱磷酸形成甘油。

184 同工酶：广义是指生物体内催化相同反应而分子结构不同的酶。
协同反馈抑制：分支途径的几种末端产物同时过量时才抑制共 同途径中的第一个酶活性。 代谢控制发酵：人为的改变微生物的代谢调控机制，使有用的 中间代谢物过量积累的发酵过程。 营养缺陷型：指微生物因丧失合成某些生活必需物质的能力 等不能在无机盐类和碳源组成的基本培养基中 增殖，必须补充一种或一种以上的营养物质才 能生长。

185 初级代谢：P77在微生物的新陈代谢中，一般将微生物从外界吸
收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成 维持生命活动的物质和能量的过程。 次级代谢： P77是相对与初级代谢而提出的一个概念，指微生 物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合 成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的 过程。 反馈抑制：P81反馈抑制指反应途径中某些中间产物或末端产物 对该途径中前面反应的影响。 阻遏： P80凡能阻碍酶生物合成的现象，称为阻遏。 分解代谢阻遏：指细胞内同时有两种分解底物(碳源或氮源)存 在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的 底物的有关酶合成的现象。