好氧发酵产物积累机制.pptx
《好氧发酵产物积累机制.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《好氧发酵产物积累机制.pptx(58页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第六章第六章 好氧发酵产物积累机制好氧发酵产物积累机制 好氧性发酵(aerobic fermentation):在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空气,如利用黑曲霉进行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸的发酵、利用黄单孢菌进黄原胶多糖的发酵等等 糖的分解代谢包括糖酵解(糖的共同分解途径)和三羧酸环(糖的最后氧化途径)。在有氧条件条件下:在有氧条件条件下:丙酮酸进入线粒体,脱氢和脱羧生成乙酰COA,在TCA循环中脱氢,并氧化形成CO2和 H2O,或者各种代谢物,NADH2经呼吸链将氢传递给氧生成水。另外,乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2化合物加以利用,形成脂肪等。第一节第一节 柠檬酸的
2、发酵机制柠檬酸的发酵机制一、柠檬酸的合成途径 黑曲霉 (Asp.niger)原料:sugar,alcohol,acetic acid 途径:EMP(HMP)丙酮酸羧化 TCA环 黑曲霉生长,EMP与HMP途径的比率是2:1,生产柠檬酸时为4:1。葡萄糖 柠檬酸(citric acid)理论转化率106.7%R目的目的产物产物提供提供4C化合物化合物TCA循循环环柠柠檬檬酸酸的的生生物物合合成成途途径径CO2阻断AMPPiNH4+ATP citrateNH4+k+激活抑制12二、二、柠檬酸生物合成的代谢调节柠檬酸生物合成的代谢调节 积累柠檬酸应采取的措施:积累柠檬酸应采取的措施:想方设法提高柠檬
3、酸合成反应所需酶的活力;想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力;必须切断柠檬酸的去路;顺乌头酸酶失活,必须切断柠檬酸的去路;顺乌头酸酶失活,环阻断。环阻断。保证中间产物的供给;草酰乙酸的及时供给,保证中间产物的供给;草酰乙酸的及时供给,丙酮酸丙酮酸 二氧化碳固定反应对柠檬酸二氧化碳固定反应对柠檬酸 积累有重要意义。积累有重要意义。CO2 乙酰乙酰COA草酰乙酸草酰乙酸 CO2 1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节糖酵解及丙酮酸代谢的调节n 第一个调节的酶是磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶(PFK):AMP、无机磷、无机磷、NH4+对该酶有活化作用对该酶有活化作用 n ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用、柠檬酸对该
4、酶有抑制作用 Q:PFK在正常生理条件下能被柠檬酸抑制,但在正常生理条件下能被柠檬酸抑制,但在柠檬酸发酵中,柠檬酸浓度很高,为什么在柠檬酸发酵中,柠檬酸浓度很高,为什么EMP途径仍能保持畅通呢?途径仍能保持畅通呢?n由于由于TCA循环降低,循环降低,ATP的生成减少,蛋白的生成减少,蛋白质和核酸合成受阻,细胞内的质和核酸合成受阻,细胞内的NH4+异常高,从异常高,从而而降低降低了柠檬酸对了柠檬酸对PFK的抑制。的抑制。n柠檬酸发酵需要下述环境条件:柠檬酸发酵需要下述环境条件:磷酸盐浓度低;氮源为磷酸盐浓度低;氮源为NH4+盐;盐;pH值低(低值低(低于于2.0););溶氧量高;溶氧量高;Mn2
5、+、Fe2+、Zn2+含量极含量极低。低。n柠檬酸发酵中柠檬酸发酵中黑曲霉黑曲霉对对Mn2+极端敏感。极端敏感。黑曲黑曲霉在缺锰的条件下发酵霉在缺锰的条件下发酵,细胞有生理和代谢的变,细胞有生理和代谢的变化。化。nMn2+的效应可以认为是的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱水平升高而减弱了柠檬酸对了柠檬酸对EMP途径关键酶(途径关键酶(PFK)的抑制。)的抑制。n第二个调节的酶是丙酮酸激酶(第二个调节的酶是丙酮酸激酶(PK)PK 被被NH4+、K+激活激活磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸ATPn二氧化碳的固定反应二氧化碳的固定反应 参与二氧化碳固定反应的酶:参与二氧化碳固定反应的酶:
6、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 2 TCA环的调节环的调节n 柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶,由乙酰柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶,由乙酰辅酶中的高能硫酯键水解释放大量能量,推动合成柠辅酶中的高能硫酯键水解释放大量能量,推动合成柠檬酸。檬酸。n柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸 两步反应均由顺乌头酸酶催化,该酶需要两步反应均由顺乌头酸酶催化,该酶需要Fe+,I 若用络合剂除若用络合剂除去去反应液中的铁,则酶活性被抑制,造成反应液中的铁,则酶活性被抑制,造成柠檬酸的积累。柠檬酸的积累。n II 阻断顺乌头酸酶的催化作用:该酶是个含铁的非
7、血阻断顺乌头酸酶的催化作用:该酶是个含铁的非血红蛋白,以红蛋白,以Fe4S4作为辅基。因此,在菌体生长到足够作为辅基。因此,在菌体生长到足够菌数时,适量加入亚铁氰化钾(黄血盐),使与铁硫中菌数时,适量加入亚铁氰化钾(黄血盐),使与铁硫中心的心的Fe+生成络合物,则该酶失活或活性减少,而积累生成络合物,则该酶失活或活性减少,而积累柠檬酸。柠檬酸。nIII 通过诱变或其他方法,造成生产菌种顺乌头酸酶的通过诱变或其他方法,造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损或活力很低,同样积累柠檬酸缺损或活力很低,同样积累柠檬酸。3 及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸 外加草酰乙酸外加草酰乙酸 选育回补途径旺盛的菌种。选育回
8、补途径旺盛的菌种。柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理n1、由于锰的缺乏,抑制了蛋白质的合成,而导、由于锰的缺乏,抑制了蛋白质的合成,而导致细胞内的致细胞内的NH4+浓度升高,促进了浓度升高,促进了EMP途径的途径的畅通。畅通。n 2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。酰乙酸。n 3、在控制、在控制Fe+含量的情况下,顺乌头酸酶活含量的情况下,顺乌头酸酶活性低,从而使柠檬酸积累。性低,从而使柠檬酸积累。顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡 柠檬酸:顺乌头酸:异柠檬酸柠檬酸:顺乌头酸:异柠檬酸90:3:7n 4、丙酮酸氧化脱
9、羧生成乙酰辅酶和丙酮酸固、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶和丙酮酸固定定CO反应相平衡,以及柠檬酸合成酶不被抑制,增反应相平衡,以及柠檬酸合成酶不被抑制,增强了合成柠檬酸的能力。强了合成柠檬酸的能力。n 5、柠檬酸积累增加,、柠檬酸积累增加,pH降低,在低降低,在低pH条件下,条件下,顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活,从而进一步顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活,从而进一步促进了柠檬酸自身的积累。促进了柠檬酸自身的积累。第二节醋酸发酵机制第二节醋酸发酵机制淀粉淀粉 糖糖 酒精酒精 醋酸醋酸 1.醋杆菌发酵酒精成醋酸醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的,中间产物是乙醛。乙醇向醋酸转化是
10、分两步进行的,中间产物是乙醛。CH3CH2 OH E1 CH3CHO E2 CH3COOH E1 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶,它依赖于或乙醇氧化酶,它依赖于NAD。E2 乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶,需要,需要NADP作辅酶。作辅酶。醋杆菌为醋杆菌为G-,好氧菌,好氧菌,1mol乙醇转化为乙醇转化为1mol醋酸,理论转化率是醋酸,理论转化率是130。2 热醋酸梭菌生产醋酸热醋酸梭菌生产醋酸 热醋酸梭菌在发酵糖类时,由糖到醋酸一步完成,还可热醋酸梭菌在发酵糖类时,由糖到醋酸一步完成,还可以将以将COCO2 2还原为醋酸。还原为醋酸。COCO2 2是通过甲酰四氢叶酸(是通过甲酰四氢叶酸(THF)和
11、类)和类咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性,不能利用氢咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性,不能利用氢气。气。C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+2COCO2 2+8H+8H+8e+8e 2COCO2 2+8H+8H+8e +8e CH3COOH+2H2O 净反应净反应C6H12O6 3CH3COOH反应在厌氧条件下进行的,由己糖或戊糖生成醋酸的理反应在厌氧条件下进行的,由己糖或戊糖生成醋酸的理论产率都是论产率都是100。热醋酸梭菌为产芽孢菌,热醋酸梭菌为产芽孢菌,周生鞭毛,耐高温,最,周生鞭毛,耐高温,最适生长温度适生长温度5560C,转化率高,严格厌氧,还可以利用戊,转化
12、率高,严格厌氧,还可以利用戊糖。但这种方法发酵时需中和剂,因此只适合于醋酸盐。糖。但这种方法发酵时需中和剂,因此只适合于醋酸盐。第三节第三节 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制 氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代代谢控制发酵。谢控制发酵。由发酵所生成的产物由发酵所生成的产物氨基酸,都是氨基酸,都是微生物的中间代谢产物,它的积累是建立于微生物的中间代谢产物,它的积累是建立于对微生物对微生物正常代谢的抑制正常代谢的抑制。也就是说,氨基酸发酵的关键是取。也就是说,氨基
13、酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够被解除,是否能打破微生物决于其控制机制是否能够被解除,是否能打破微生物的正常代谢调节,人为地控制微生物的代谢。的正常代谢调节,人为地控制微生物的代谢。一.谷氨酸生物合成途径 谷氨酸的生物合成途径有谷氨酸的生物合成途径有EMP途径、途径、HMP途径、途径、TCA循环、乙醛酸循环和循环、乙醛酸循环和CO2固定反应。葡萄糖先固定反应。葡萄糖先生成谷氨酸,依次经鸟氨酸,谷氨酸生物合成精氨生成谷氨酸,依次经鸟氨酸,谷氨酸生物合成精氨酸。酸。谷氨酸的生物合成途径如图所示谷氨酸的生物合成途径如图所示。二.谷氨酸生物合成的调节机制三.谷氨酸发酵的代谢控制 谷氨酸发酵的代谢
14、控制一般采取下列措施。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,对专性好氧菌来说,环境条件的影响更大。谷氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件,否则就几乎不积累谷氨酸。下表表示谷氨酸生产菌因环境条件改变而引起的发酵转换,这也就是说氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换的一个典型例子。2控制细胞膜渗透性 在发酵过程中,控制使用那些在发酵过程中,控制使用那些影响细胞膜通透性的物质,有利于代谢产物分泌出来,从而避免了的物质,有利于代谢产物分泌出来,从而避免了末端产物的反馈调节,有利于提高发酵产量。,有利于提高发酵产量。以葡萄糖为原料,利用以葡萄糖为原料,利用谷氨酸棒状
15、杆菌发酵生棒状杆菌发酵生产产谷氨酸时,谷氨酸生产菌为-酮戊二酸脱氢酶缺酮戊二酸脱氢酶缺失突变株,失突变株,当当谷氨酸的合成达到达到50 mg/g(干细胞)(干细胞)时,由于时,由于反馈调节作用,谷氨酸的合成便终止。如作用,谷氨酸的合成便终止。如果果改变细胞膜通透性,使胞内代谢产物,使胞内代谢产物谷氨酸渗透渗透到胞外,有利于提高发酵产量。到胞外,有利于提高发酵产量。所以代谢产物的细胞渗透性是氨甚酸发酵必须考虑的重要因素。对于谷氨酸发酵来说,生物素是谷氨酸发酵的关键物质。当细胞内的生物素水平高时,谷氨酸不能透过细胞膜,因而得不到谷氨酸。谷氨酸发酵生产中,谷氨酸生产菌菌属于生物素缺陷型菌种,生物素作
16、为脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶,参与了脂肪酸的合成,进而影响磷脂的合成。当磷脂合成减少到正常量的一半左右时,细胞变形,谷氨酸向膜外漏出,积累于发酵液中。因而可以通过限量控制生物素的含量,也就是通过控制生物素亚适量,提高细胞膜的渗透性。在发酵的前期,满足细胞的生长,合成完整的细胞膜;中期生物素耗尽,细胞膜合成不完整,完成长菌型细胞向产酸型细胞的转变,细胞膜的渗透性增加,使得谷氨酸渗透到细胞外,在细胞内谷氨酸达不到引起反馈调节的程度,从而使谷氨酸能够源源不断被优先合成。影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质可分为两大类:一类是生物素、油酸和表面活性剂,其作用是引起细胞膜的脂肪酸
17、成分或量的改变,尤其是改变油酸含量,从而改变细胞膜通透性;另一类是青霉素,其作用是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联,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。另外,代谢控制还包括控制支路代谢,消除终产物的反馈抑制和反馈阻遏等等。三、现有谷氨酸生产菌的主要特征 从细菌的鉴定和分类的结果来看,现有谷氨酸生产菌分属于捧状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属,但是它们在形态及生理方面仍有许多共同的特征。归纳起来主要有以下特征。(1)细胞形态为球形,棒形以至短杆形。(2)革兰氏染色阳性,无芽孢,无鞭毛,不能运动。(3)都是需氧型微生物。(4)都是生物素缺陷型。(5)脲酶强阳性。(
18、6)不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白及明胶等。(7)发酵中菌体发生明显的形态变化,同时发生细胞膜渗透性的变化。(8)CO2固定反应酶系活力强。(9)异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱,乙醛酸循坏弱。(10)-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱。(11)还原型辅酶(NADPH2)进入呼吸链能力弱。(12)柠檬酸合成酶、乌头酸梅、异柠檬酸脱氢酶以及谷氨酸脱氢酶活力强。(13)能利用醋酸,不能利用石蜡。(14)具有向环境中泄漏谷氨酸的能力。(15)不分解利用谷氨酸,并能耐高浓度的谷氨酸,产谷氨酸5%以上。第五节第五节 抗生素发酵机制抗生素发酵机制 次级代谢产物次级代谢产物-(secondary metabolit
19、e)分解代谢分解代谢:将从环境中吸收的各种碳源、氮源等:将从环境中吸收的各种碳源、氮源等物质物质降解降解,为细胞的生命活动提供,为细胞的生命活动提供能源能源和和小分子小分子中间体。中间体。如如TCA、EMP和和HMP等等。合成代谢合成代谢:利用分解代谢的能量和中间体:利用分解代谢的能量和中间体合成合成氨氨基酸、核酸等基酸、核酸等单体物质,及单体物质,及蛋白质、核酸、多糖蛋白质、核酸、多糖等等多聚物。多聚物。代代谢谢类类型型初级代谢和次级代谢初级代谢和次级代谢初级代谢:初级代谢:与生物生存有关的与生物生存有关的,涉及,涉及能量产生能量产生和和能量消能量消耗耗的代谢类型。产物都是有机体生存的代谢类
20、型。产物都是有机体生存必不可少必不可少的物质,的物质,如单糖、核苷酸、脂肪酸,以及蛋白质、核酸、多糖、如单糖、核苷酸、脂肪酸,以及蛋白质、核酸、多糖、脂类等。脂类等。次级代谢:某些微生物为了避免代谢过程中,某种代谢次级代谢:某些微生物为了避免代谢过程中,某种代谢产物的积累造成的不利作用,而产生的一类产物的积累造成的不利作用,而产生的一类有利于生存有利于生存的代谢类型,通常是在的代谢类型,通常是在生长后期生长后期产生。产物种类很多,产生。产物种类很多,最著名的是最著名的是抗生素抗生素,其它还有氨基糖、香豆素、麦角生其它还有氨基糖、香豆素、麦角生物碱、吲哚衍生物、核苷、肽、喹啉等。物碱、吲哚衍生物
21、、核苷、肽、喹啉等。一、一、次级代谢产物的特征次级代谢产物的特征 、次级代谢产物是由微生物产生,不参与微生物的生长、次级代谢产物是由微生物产生,不参与微生物的生长与繁殖。与繁殖。、次级代谢产物的生物合成最少也要有一部分取决于与、次级代谢产物的生物合成最少也要有一部分取决于与初级代谢产物无关的遗传物质,并与由这类遗传信息形成初级代谢产物无关的遗传物质,并与由这类遗传信息形成的酶所催化的代谢途径有关。的酶所催化的代谢途径有关。、它的生产大多数是基于、它的生产大多数是基于菌种的特异性菌种的特异性来完成的。来完成的。、次级代谢产物发酵经历两个阶段,即、次级代谢产物发酵经历两个阶段,即营养增殖期和产营养
22、增殖期和产物形成期物形成期。如在菌体活跃增殖阶段几乎不产生抗生素。待。如在菌体活跃增殖阶段几乎不产生抗生素。待到细胞停止生长,进入到恒定期才开始活跃地合成抗生素,到细胞停止生长,进入到恒定期才开始活跃地合成抗生素,成为生产期。成为生产期。、一般都同时产生结构上相类似的多中副组分。、一般都同时产生结构上相类似的多中副组分。、生产能力受微量金属离子(、生产能力受微量金属离子(Fe2+、Fe3+、Mn2+、Co2+、Zn2+)和)和 磷酸盐等无机离子的影响。磷酸盐等无机离子的影响。、在多数条件下,增加前体是有效的。在多数条件下,增加前体是有效的。、次级代谢酶的底物特异性在某种程度上说是比较广的。次级
23、代谢酶的底物特异性在某种程度上说是比较广的。若提供底物结构类似物,则可得到与天然物不同的次级代谢若提供底物结构类似物,则可得到与天然物不同的次级代谢物。物。、培养温度过高或菌种移植次数过多,使抗生素生产能力、培养温度过高或菌种移植次数过多,使抗生素生产能力下降,可能的原因是参与抗生素合成的菌种的质粒脱落。下降,可能的原因是参与抗生素合成的菌种的质粒脱落。、一种产物可由多种中间体和途径来取得。、一种产物可由多种中间体和途径来取得。二、生物合成抗生素与初级代谢的关系二、生物合成抗生素与初级代谢的关系 1.从代谢方面分析:从代谢方面分析: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,所许多抗生
24、素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的,所以以次级产物是以初级产物为母体衍生出来的次级产物是以初级产物为母体衍生出来的,次级代谢途径并不是,次级代谢途径并不是独立的,而是与初级代谢途径有密切联系的。独立的,而是与初级代谢途径有密切联系的。糖代谢的中间体,即可以来合成初级代谢产物,又可以来合成糖代谢的中间体,即可以来合成初级代谢产物,又可以来合成次级代谢产物,这种中间体叫次级代谢产物,这种中间体叫分叉中间体分叉中间体,如丙二酰,如丙二酰Co。G 乙酰乙酰 Co 丙二酰丙二酰 CoA 脂肪酸(初级)脂肪酸(初级)四环素或其他抗生素(次级)四环素或其他抗生素(次级)初级代谢和次级代谢的分叉中间体
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 发酵 产物 积累 机制
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。