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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,#,按照產(chǎn)物與微生物生長繁殖的關(guān)系分成：,初級代謝產(chǎn)物的代謝機(jī)制,次級代謝產(chǎn)物的代謝機(jī)制,按照發(fā)酵過程（微生物獲取能量的形式）分成：,好氧代謝機(jī)制（通風(fēng)發(fā)酵）,嫌氣代謝機(jī)制（厭氣發(fā)酵）,葡萄糖代謝的三個(gè)階段,第一、葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),第二、葡萄糖代謝為三碳糖,四條途徑：,EMP,、,PPP,（,HMP,）、,ED,、,PK,第三、有氧條件下三糖徹底氧化（,丙酮酸氧化脫羧和三羧酸循環(huán),）,無氧條件下繼續(xù)降解并形成不同代謝產(chǎn)物,葡萄糖經(jīng)酵解途徑生成丙酮酸：,此階段在細(xì)胞,胞液,(cytoplasm),中進(jìn)行，一分子

2、葡萄糖,(glucose),分解后凈生成,2,分子丙酮酸,(pyruvate),，,2,分子,ATP,，和,2,分子（,NADH+H,+,）。,糖酵解途徑廣泛存在于各種細(xì)胞中，它的任何一個(gè)反應(yīng)均不需要氧。,1.,活化,(activation),己糖磷酸酯的生成：,活化階段是指葡萄糖經(jīng)磷酸化和異構(gòu)反應(yīng)生成,1,6-,雙磷酸果糖,(FBP,，,FDP),的反應(yīng)過程。該過程共由三步化學(xué)反應(yīng)組成。,己糖激酶,/,葡萄糖激酶,磷酸己糖異構(gòu)酶,磷酸果糖激酶,ATP,ADP,ATP,ADP,*,*,(1),(2),(3),葡萄糖,磷酸化,生成,6-,磷酸葡萄糖,G-6-P,異構(gòu),為,6-,磷酸果糖,F-6-

3、P,再磷酸化,為,1,6-,雙磷酸果糖,2.,裂解（,lysis),磷酸丙糖的生成,：,一分子,F-1,6-BP,裂解為,兩分子,可以互變的磷酸丙糖（,triose phosphate),，包括兩步反應(yīng)：,磷酸丙糖異構(gòu)酶,醛縮酶,(4),(5),F-1,6-BP,裂解,為,3-,磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮,磷酸二羥丙酮,異構(gòu),為,3-,磷酸甘油醛,3.,放能,(releasing energy,丙酮酸的生成：,3-,磷酸甘油醛經(jīng)脫氫、磷酸化、脫水及放能等反應(yīng)生成丙酮酸，包括六步反應(yīng)。,(6),(7),(8),ATP,ADP,磷酸甘油酸變位酶,3-,磷酸甘油醛,脫氫酶,磷酸甘油酸激酶,NAD,+,

4、+Pi,NADH+H,+,3-,磷酸甘油醛,脫氫并磷酸化,生成,1,3-,二磷酸甘油酸,1,3-,二磷酸甘油酸,脫磷酸,將其交給,ADP,生成,ATP,3-,磷酸甘油酸,異構(gòu),為,2-,磷酸甘油酸,烯醇化酶,丙酮酸激酶,*,ATP,ADP,自發(fā),H,2,O,2-,磷酸甘油酸,脫水,生成磷酸烯醇式丙酮酸（,PEP,）,磷酸烯醇式丙酮酸將高能磷酸基交給,ADP,生成,ATP,烯醇式丙酮酸自發(fā),轉(zhuǎn)變,為丙酮酸,Summaries,糖酵解代謝途徑可將一分子葡萄糖分解為,兩分子丙酮酸，凈生成兩分子,ATP,。,C,6,H,12,O,6,+2ADP+2Pi+2NAD,+,2CH,3,COCOOH,+,2A

5、TP,+2NADH+2H,+,糖酵解代謝途徑有三個(gè)關(guān)鍵酶，即,己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶,。,三個(gè)激酶是糖酵解途徑的主要調(diào)節(jié)點(diǎn)。,糖代謝的調(diào)節(jié)主要是能荷的控制，即受細(xì)胞內(nèi)能量水平的控制。,當(dāng)體系中,ATP,含量高時(shí)，磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性受到抑制，酵解減少。,當(dāng)需能反應(yīng)加強(qiáng)，,ATP,分解，減少，其抑制作用解除，同時(shí),ADP,、,AMP,激活己糖激酶和磷酸果糖激酶，而這兩個(gè)酶催化的產(chǎn)物同時(shí)又是丙酮酸激酶的激活劑，結(jié)果時(shí)糖酵解加快。,糖的無氧酵解,（,glycolysis),是指葡萄糖,經(jīng),EMP,途徑生成丙酮酸后，,在無氧條件下,繼續(xù)降解,并釋放出能量的過程,。,

6、NADH,2,在此過程中將氫交給不同的有機(jī)物，形成各種不同的代謝產(chǎn)物（,在不同的微生物機(jī)體和不同條件下，,H,2,的受體不同，因而丙酮酸的去路也不同,）,。,第一節(jié) 糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物積累機(jī)制,葡萄糖,EMP,乙醇乙醛 ,丙酮酸,乳酸,乙酰,CoA,乙酰乙酸,CoA,乙酰乙酸 乙酰,CoA,丙酮 丁酸,異丙醇 丁醇,二、酒精發(fā)酵機(jī)制,酵母的酒精發(fā)酵（,EMP,途徑，酵母菌的,型發(fā)酵）,C,6,H,12,O,6,+2ADP+2H,3,PO,4,2C,2,H,5,OH+2CO,2,+2ATP,細(xì)菌的酒精發(fā)酵,(,假單胞菌，,ED,途徑）,C,6,H,12,O,6,+ADP+H,3,PO,4,2C,2

7、,H,5,OH+2CO,2,+ATP,兩者途徑不同，產(chǎn)能水平也不同,在好氧條件下，酵母的發(fā)酵能力降低，即由于呼吸作用的進(jìn)行使酒精產(chǎn)量大為降低。其機(jī)理是因?yàn)?酵解過程的控制受末端產(chǎn)物,ATP,的反饋控制,，即,有氧時(shí)，由于酵解產(chǎn)生的,NADH,和丙酮酸進(jìn)入線粒體而產(chǎn)生大量,ATP,，,ATP,控制酵解途徑關(guān)鍵酶,磷酸果糖激酶的活性，最后抑制葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致葡萄糖利用降低。同時(shí)在好氧條件下，丙酮酸激酶活性也由于磷酸果糖激酶活性降低而降低，從而降低糖的酵解速度。,即巴斯德效應(yīng),巴斯德效應(yīng),（,Pasteur Effect,）,請掌握此概念,酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的形成,雜醇油,(,高級醇）的生成,雜

8、醇油是碳原子數(shù)大于,2,的脂肪族醇類的統(tǒng)稱。主要由正丙醇、異丁醇、異戊醇和活性戊醇（,2-,甲基,-1-,丁醇）組成。這些高級醇是構(gòu)成酒類風(fēng)味的重要組成物質(zhì)之一，量雖少，但影響很大，當(dāng)其過量時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，需予以控制。其生成機(jī)制如下：,A,氨基酸的氧化脫氨作用,B,由葡萄糖直接生成,酵母通過糖代謝生成的中間產(chǎn)物,-,酮酸，再經(jīng)脫羧、加氫形成少一個(gè)碳原子的高級醇。,雜醇油的形成還受酵母菌種、培養(yǎng)基組成和發(fā)酵條件的影響。,三、乳酸,(Lactic acid),發(fā)酵機(jī)制,化學(xué)名稱,:,-,羥基丙酸。,1,同型乳酸發(fā)酵,主要微生物：乳酸鏈球菌、保加利亞乳桿菌、德氏乳桿菌，工業(yè)上多用后者為菌種。,這種

9、發(fā)酵對糖的理論轉(zhuǎn)化率為,100%,。,2,異型乳酸發(fā)酵,主要微生物,:,腸膜明串珠菌、短乳桿菌和真菌的根霉。,分,、,兩種類型，,型對糖的理論轉(zhuǎn)化率為,50%,。,型,型,型為雙歧途徑，即由兩歧雙歧桿菌分解葡萄生成乳酸的途徑。雙歧桿菌為嚴(yán)格厭氧菌，對營養(yǎng)要求較高。,第二節(jié),檸檬酸發(fā)酵機(jī)制,一、,概況,檸檬酸是一種重要的有機(jī)酸，化學(xué)名稱為,3-,羥基,3-,羧基戊二酸，其結(jié)構(gòu)式為：,檸檬酸發(fā)酵的總反應(yīng)式：,2C,6,H,12,O,6,+3CO,2,2C,6,H,8,O,7,+4H,2,O,理論轉(zhuǎn)化率,106.7%,實(shí)際轉(zhuǎn)化率,8090,%,產(chǎn)酸,12,14%,發(fā)酵時(shí)間,60,80 hr.,1.,

10、發(fā)酵菌種,:,黑曲霉,(,Asp.niger,),和解脂假絲酵母,(,Candida lipolytica,),2.,發(fā)酵原料,:,糖蜜、薯干粉（木薯粉）、葡萄糖母液、玉米（小麥）淀粉（,TD-01,）、玉米粉（,Co827,）,必須解決的兩個(gè)問題：,檸檬酸的代謝途徑及其引起的反饋調(diào)節(jié)是怎樣進(jìn)行的？,什么機(jī)制可以造成檸檬酸積累？,二、,檸檬酸生物,合成途徑,黑曲霉檸檬酸發(fā)酵機(jī)制,1.,由于嚴(yán)格限制供給錳離子等金屬離子,或篩選高濃度錳離子、鋅離子等菌株，降低菌體中糖代謝合成蛋白質(zhì)、脂肪酸和核酸的能力，細(xì)胞中氨離子水平增高以及不產(chǎn),ATP,的側(cè)系呼吸鏈解除對磷酸果糖激酶的反饋抑制，,EMP,代謝流

11、量增大；,2.,組成型的丙酮酸羧化酶不受代謝調(diào)節(jié),保證了草酰乙酸的提供,丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶,A,和二氧化碳固定的平衡保證了前體的供應(yīng),;,檸檬酸合成酶不受調(diào)節(jié)增強(qiáng)了檸檬酸的合成能力,;,3.,順烏頭酸水合酶建立的檸檬酸,:,順烏頭酸,:,異檸檬酸,=90:3:7,的催化平衡趨向檸檬酸的合成,檸檬酸濃度的增加抑制檸檬酸脫氫酶的活力,促進(jìn)了檸檬酸的積累,pH,降低至,2.0,使順烏頭酸水合酶和異檸檬酸脫氫酶失活,更有利于檸檬酸的積累和排除,.,一、概述,1,氨基酸的生產(chǎn)概況,生產(chǎn)氨基酸的大國為日本和德國。,日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵及德國的迪高沙是世界氨基酸生產(chǎn)的三巨頭。它們能生產(chǎn)高品質(zhì)的氨基

12、酸,可直接用于輸液制劑的生產(chǎn)。,日本在全球很多國家建立了合資的氨基酸生產(chǎn)廠家,生產(chǎn)氨基酸和天冬甜精等衍生物。,中國目前的情況：谷氨酸、賴氨酸、其他氨基酸。,河南蓮花味精、山東菱花味精、江蘇菊花味精、,廣東奧桑味精、沈陽紅梅味精,川化味之素,第三節(jié) 氨基酸,(Amino acid),發(fā)酵生產(chǎn),河南省蓮花味精股份有限公司,廣東肇慶星湖生物科技股份有限公司,2,氨基酸的生產(chǎn)方法,（,1,）抽提法（蛋白質(zhì)水解法）,:,將,動(dòng)物,蛋白質(zhì)原料用酸水解，經(jīng)離子交換法處理，將所需氨基酸分離提取。,（,2,）化學(xué)合成法：,采用化工原料合成生產(chǎn)氨基酸的方法。,（,3,）發(fā)酵法：,利用微生物發(fā)酵生產(chǎn),L-,氨基酸,

13、的方法。,（,4,）酶法：,利用從菌體中提取的酶將有機(jī)物轉(zhuǎn)變成所需要的,L-,氨基酸的方法。,（,5,）添加前體法：,利用微生物發(fā)酵氨基酸的前體物質(zhì)生產(chǎn)氨基酸的方法。,3,氨基酸的用途,飼料用氨基酸,食品用氨基酸,生物降解材料,化妝品領(lǐng)域,醫(yī)用氨基酸,二、谷氨酸發(fā)酵機(jī)制,谷氨酸化學(xué)名稱為,-,氨基戊二酸，結(jié)構(gòu)式為：,（一）、,谷氨酸生物合成途徑及調(diào)節(jié)機(jī)制,（二）、細(xì)胞膜的通透性與谷氨酸的積累,谷氨酸從菌體內(nèi)向外排出的控制因子主要有,生物素、油酸、表面活性劑,等。,生物素,作為一種生長因子，是脂肪酸生物合成中乙酰,CoA,羧化酶的輔酶，參與了脂肪酸的合成。當(dāng)生物素不足時(shí)，則不利于不飽和脂肪酸的合

14、成，從而造成細(xì)胞膜成分磷脂的不足，使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)組成不完全，因而增加了細(xì)胞膜的通透性，有利于谷氨酸滲出膜外。因此利用,生物素缺陷型,，限量供給生物素（亞適量）時(shí)，細(xì)胞膜對谷氨酸有良好的通透性。,生物素豐富時(shí)，添加,表面活性劑、高級脂肪酸,可抑制不飽和脂肪酸的合成，造成細(xì)胞膜透性的增加。另外添加,青霉素,也可使細(xì)胞膜在失去細(xì)胞壁保護(hù)后發(fā)生損傷而造成通透。,小結(jié)：,從菌的生理特征上，谷氨酸產(chǎn)生菌應(yīng)具備的條件：,生物素缺陷型，細(xì)胞膜對谷氨酸的通透性好,CO,2,固定酶活性強(qiáng)，丙酮酸脫羧酶活性不能太強(qiáng),-,酮戊二酸脫氫酶的活性微弱或缺損,谷氨酸脫氫酶活力高（此活性不被低濃度產(chǎn)物谷氨酸所抑制）,NADPH

15、+H,+,進(jìn)入呼吸鏈能力弱,異檸檬酸裂解酶活性不能太強(qiáng)，異檸檬酸脫氫酶活性強(qiáng),谷氨酸發(fā)酵研究新進(jìn)展,繼續(xù)選育各種生化突變菌株：轉(zhuǎn)化率提高，或可在富含生物素的培養(yǎng)基中保持較高產(chǎn)酸水平。提高原料利用率，拓寬原料來源或簡化操作工藝。,生物工程新技術(shù)的應(yīng)用：體外,DNA,重組的基因工程和原生質(zhì)體融合技術(shù)和固定化細(xì)胞技術(shù)使產(chǎn)量提高近,1,倍。,改進(jìn)發(fā)酵工藝：開拓原料，改進(jìn)流加工藝，通過電子計(jì)算機(jī)控制發(fā)酵條件。,天冬氨酸族氨基酸生物合成途徑,1,：天冬氨酸激酶；,2,：高絲氨酸脫氫酶,3,：二氫吡啶,-2,，,6-,二羧酸合成酶；,4,：高絲氨酸激酶；,5,：,-,琥珀酰,-,高絲氨酸轉(zhuǎn)琥珀酰酶；,6,：

16、半胱氨酸脫硫化氫酶；,7,：蘇氨酸脫氫酶；,8,：天冬氨酸半醛脫氫酶；,9,：二氫吡啶,-2,，,6-,二羧酸還原酶,賴氨酸發(fā)酵機(jī)制,賴氨酸發(fā)酵,菌種的選育,如再選育丙氨酸缺陷型，抗天冬氨酸結(jié)構(gòu)類似物突變株，谷氨酸敏感等突變株，增加前體物的生物合成，選育亮氨酸缺陷型，抗亮氨酸結(jié)構(gòu)類似物突變株，解除代謝互鎖（,DDP,合成酶的合成受亮氨酸的阻遏，,DDP,還原酶受半光氨酸和丙氨酸的抑制），賴氨酸的產(chǎn)量還會(huì)增加。,蘇,氨酸發(fā)酵,菌種的選育,氨基酸發(fā)酵代謝控制所采取措施,1,、控制發(fā)酵的環(huán)境條件,2,、控制細(xì)胞滲透性,3,、控制旁路代謝,4,、降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛?5,、消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用,6,、促進(jìn),ATP,的積累，以利于氨基酸的生物合 成,（,氨基酸的生物合成需要能量，,ATP,的積累可促進(jìn)氨基酸的生物合成,）,谷氨酸產(chǎn)生菌因環(huán)境條件,改變引起的發(fā)酵轉(zhuǎn)換,谷氨酸發(fā)酵,（,專性需氧菌,）,必須嚴(yán)格控制菌體生長的環(huán)境條件，否則就幾乎不積累谷氨酸,第四節(jié) 菌種改造的策略及措施,高產(chǎn)菌種的代謝特點(diǎn)：,1,表示胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)中通向目的產(chǎn)物的途徑暢通,2,該途徑與環(huán)境的,“,接口,”,寬暢