第二章 發(fā)酵機(jī)制與發(fā)酵動力學(xué)

1、第二章 發(fā)酵機(jī)制與發(fā)酵動力學(xué)第一節(jié)微生物的生長與分化第二節(jié)微生物的初級代謝和次級代謝第三節(jié)微生物生物合成的調(diào)控機(jī)制第四節(jié)發(fā)酵動力學(xué)的基本概述第五節(jié)發(fā)酵動力學(xué)模式第六節(jié) 發(fā)酵培養(yǎng)方法第一節(jié)微生物的生長與分化在任何生物系統(tǒng)中，生長是生物的所有化學(xué)成分有秩序地增長，也是全部生理活動有秩序地相互作用的結(jié)果。分化則是使生物的細(xì)胞形成和功能因向不同的方向發(fā)展而由一般變?yōu)樘厥獾默F(xiàn)象，是細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)錄或翻譯逐漸受到限制的結(jié)果。研究生長可以了解微生物怎樣分化、繁殖，在各種環(huán)境中怎樣適應(yīng)和保護(hù)自己。為了控制菌體生長，首先要尋求測量各種微生物生長的方法，特別是要尋找含有非細(xì)胞固體物質(zhì)的菌體量測定的可行辦法。其

2、次，要了解微生物生長繁殖的方式與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系；了解各種環(huán)境條件變化對生產(chǎn)菌生長的影響；并設(shè)計合理的發(fā)酵培養(yǎng)基配方和工藝條件。有許多跡象表明，微生物的分化、產(chǎn)孢子的生長分化的調(diào)節(jié)規(guī)律，無疑是發(fā)酵調(diào)控原理的一個重要組成部分。一、微生物的生長繁殖二、微生物的生長曲線三、微生物細(xì)胞的分化一、微生物的生長繁殖1、微生物的生長2、微生物的繁殖 1、微生物的生長 微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)后，通過代謝作用，合成新的細(xì)胞成分，使菌體重量、體積增加的現(xiàn)象，稱為生長。2、微生物的繁殖 微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)后，通過代謝作用，菌體數(shù)量增多的現(xiàn)象稱為繁殖。一、微生物的生長繁殖1、細(xì)菌的生長繁殖2、放線菌的生長繁殖 3、霉菌的生

3、長繁殖 4、酵母的生長繁殖二、微生物的生長曲線1、微生物的生長曲線定義2、微生物生長曲線的劃分 1、微生物的生長曲線定義將一定數(shù)量的細(xì)菌接種于合適的液體培養(yǎng)基中，在適宜溫度下培養(yǎng)，定時取樣計算菌數(shù)，以菌數(shù)的對數(shù)值為縱坐標(biāo)，生長時間為橫坐標(biāo)作圖，繪制所得的曲線稱為生長曲線。2、微生物生長曲線的劃分 、滯留適應(yīng)期； 、對數(shù)生長期； 、最高生長量期； 、衰亡期。三、微生物細(xì)胞的分化1、定義 微生物細(xì)胞的分化指從營養(yǎng)細(xì)胞或菌絲體產(chǎn)生不同形態(tài)的細(xì)胞的過程2、類型、菌體營養(yǎng)細(xì)胞的分化、菌體營養(yǎng)細(xì)胞向孢子的分化第二節(jié)微生物的初級代謝和次級代謝微生物從生活環(huán)境中，吸收其所需的碳源和氮源等營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過菌體的一

4、系列分解作用之后，所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物進(jìn)一步同化為菌體結(jié)構(gòu)的組成部份或以貯存物的形式存放于細(xì)胞里；還有一些代謝產(chǎn)物成為分泌物或排泄物，排放到菌體生長的基質(zhì)中。微生物分解營養(yǎng)物質(zhì)所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，其中很多對人類是非常有用的。因此，過去人們通過傳統(tǒng)發(fā)酵，生產(chǎn)各種產(chǎn)品；而今天，則以發(fā)酵工程向微生物索取各種代謝產(chǎn)物。因此，了解微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的分解以及代謝產(chǎn)物是非常重要的。1、同其它生物一樣，微生物的物質(zhì)代謝也包括分解（異化）和合成（同化）兩種作用。2、分解作用是將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵位嫌袡C(jī)物；3、 合成作用是將簡單化合物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜有機(jī)物。分解代謝為合成代謝提供能量與原料，合成代謝是分解代謝的前提。4、

5、兩者相互依存、對立、偶聯(lián)進(jìn)行。為微生物生長、繁殖提供物質(zhì)基礎(chǔ)。生物體內(nèi)新陳代謝的生化特征:1、代謝必須通過一系列中間步驟（中間代謝），按嚴(yán)格的順序進(jìn)行；2、所有代謝反應(yīng)都是酶促反應(yīng)；3、代謝主要通過活細(xì)胞進(jìn)行；4、代謝過程具有靈敏的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而把代謝水平維持在一定范圍內(nèi)。發(fā)酵產(chǎn)物的一般形成過程第一階段的特點：1、大分子降解階段，也稱為液化階段。2、原料中固有的酶和微生物產(chǎn)生的酶同時水解有機(jī)質(zhì)。3、參與的微生物有淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、果膠分解菌、纖維素分解菌和脂肪分解菌等。第二階段的特點：1、在原料降解的同時，產(chǎn)生各種各樣的代謝產(chǎn)物，稱為第二階段。2、代謝產(chǎn)物形成階段的方向，決定了發(fā)酵

6、產(chǎn)物的最終方向。3、持續(xù)時間較長。第三階段的特點：1、使各種各樣的代謝產(chǎn)物組成基本平衡。2、形成特定的發(fā)酵產(chǎn)品。一、微生物初級代謝初級代謝是一類普遍存在于一切生物中的代謝類型。它是與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型。初級代謝的過程自始自終存在于一切活的機(jī)體之中，它同機(jī)體的生長過程呈平行關(guān)系初級代謝產(chǎn)物是指生物體內(nèi)重要的單體（如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等）以及由這些單體組成的各種大分子聚合物（如多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂類等）。 初級代謝產(chǎn)物通常都是生物體生存必不可少的物質(zhì)，只要在這些物質(zhì)的合成過程中的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生問題，輕則引起生長停止，重則導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生突變或死亡。(一）

7、、營養(yǎng)物質(zhì)的分解異化作用(一)-1、碳水化合物的分解1、多糖的水解2、單糖的分解葡萄糖和果糖（其它單糖也可轉(zhuǎn)化為葡萄糖與果糖）是有機(jī)營養(yǎng)型微生物的主要碳源與能源物質(zhì)，它們在細(xì)胞內(nèi)的分解分為兩步進(jìn)行。1）、葡萄糖降解為丙酮酸葡萄糖降解為丙酮酸的常見的主要途徑EMP途徑，又稱糖酵解途徑HMP途徑，又稱己糖-磷酸途徑葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖進(jìn)一步代謝有兩種結(jié)局，不完全HMP途徑磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸。完全HMP途徑由六個葡萄

8、糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2 和水），HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑1. 葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO22. 核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸HMP途徑的重要意義 為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈 產(chǎn)生大

9、量的能量。 與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。 途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。 途徑中存在37碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛。 通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。 HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細(xì)胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。ED途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonas saccharophila中

10、發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。 ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。 ED途徑的特點葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途徑的特征反應(yīng)是關(guān)鍵中間代謝物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途徑的特征酶是KDPG醛縮酶.反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低.此途徑可與EMP途徑、HMP途徑

11、和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進(jìn)行乙醇發(fā)酵.2）、丙酮酸（有氧或無氧下)繼續(xù)分解（1）、無氧條件下，丙酮酸被不同微生物發(fā)酵為各種產(chǎn)物酵母型酒精發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵2,3丁二醇發(fā)酵丁酸發(fā)酵酵母菌的乙醇發(fā)酵：該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵（2）、有氧條件下，丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)TCA循環(huán)的重要特點1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將

12、NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；5、生物體提供能量的主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如 檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。A、 檸檬酸的發(fā)酵B、檸檬酸代謝調(diào)控特點檸檬酸是微生物好氣代謝途徑的中間產(chǎn)物，正常情況下并不積累。為了積累檸檬酸需要的條件：、檸檬酸合成酶、磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和丙酮酸羧化酶要強(qiáng)大；、烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶、異檸檬酸裂解酶、草酰乙酸水解酶等與檸檬酸和其底物草酰乙酸分解有關(guān)的酶要微弱；、在缺錳時，可減少HMP和TCA循環(huán)中的有關(guān)酶的活性，

13、提高NH+離子的濃度，解除PFK受檸檬酸的抑制。、烏頭酸酶失活是阻斷TCA循環(huán)積累檸檬酸的必要條件之一。該酶需Fe2+ 。C、檸檬酸的調(diào)控機(jī)制-黑曲霉中檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)由于錳的缺乏可以抑制蛋白質(zhì)合成而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)NH4+ 濃度升高和一條呼吸活性強(qiáng)的側(cè)系呼吸鏈不產(chǎn)生ATP，這兩方面的因素分別解除了對磷酸果糖激酶的代謝調(diào)節(jié)，促進(jìn)了EMP途徑暢通。由組成型的丙酮酸羧化酶源源不斷提供草酰乙酸。在控制Fe2+ 含量的情況下，烏頭酸水合酶活性低，從而不能及時轉(zhuǎn)化檸檬酸。一旦檸檬酸濃度升高，就會抑制異檸檬酸脫氫酶，從而進(jìn)一步促進(jìn)了檸檬酸自身的積累。 (二)-2、蛋白質(zhì)的分解 (三)-3、其它有機(jī)物的分解

14、(二）、細(xì)胞物質(zhì)的合成同化作用1、氨基酸的發(fā)酵機(jī)制2、核酸的發(fā)酵機(jī)制3、多糖的發(fā)酵機(jī)制4、脂類的發(fā)酵機(jī)制氨基酸和核酸發(fā)酵是典型的代謝控制發(fā)酵。這種控制發(fā)酵就是利用遺傳學(xué)或其他生物化學(xué)的方法，人為地在脫氧核糖核酸(DNA)的分子水平上，改變和控制微生物的代謝，打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，使有用的產(chǎn)物大量生成和積累。補充復(fù)習(xí)概念-微生物代謝調(diào)控的幾個概念1、酶合成誘導(dǎo)2、酶合成阻遏3、酶活力的調(diào)節(jié)1、酶合成誘導(dǎo)、誘導(dǎo)凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)、組成酶組成酶是細(xì)胞固有的酶類，它的合成是在相應(yīng)的基因控制下進(jìn)行的，不因分解底物或其結(jié)構(gòu)類似物的存在而受到影響。、誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)

15、類似物而臨時合成的一類酶。、誘導(dǎo)物能促使誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物。、正控誘導(dǎo)當(dāng)細(xì)胞中某一成分的存在可使某一細(xì)胞功能得以實現(xiàn)，而當(dāng)某成分的消失應(yīng)會導(dǎo)致功能不能實行的調(diào)節(jié)方式、負(fù)控誘導(dǎo)與正控誘導(dǎo)的現(xiàn)象相反。、關(guān)鍵酶(調(diào)節(jié)酶)代謝途徑中的第一個酶。2、酶合成阻遏、阻遏能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象稱為阻遏。、末端代謝產(chǎn)物阻遏由某種代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。、分解代謝產(chǎn)物阻遏細(xì)胞內(nèi)同時有兩種分解底物存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成現(xiàn)象。3、酶活力的調(diào)節(jié)、同功酶反饋調(diào)節(jié)、協(xié)同反饋調(diào)節(jié)、積累反饋調(diào)節(jié)、順序反饋調(diào)節(jié)、同功酶反饋調(diào)節(jié)同功酶也叫同工酶，是指能催化相同的生化反應(yīng)，

16、但酶的分子結(jié)構(gòu)存在差異的一類酶。同功酶的主要功能在于它的調(diào)節(jié)代謝。、協(xié)同反饋調(diào)節(jié)是指必須由多種末端產(chǎn)物都同時過量時，關(guān)鍵酶的抑制才能起作用。、積累反饋調(diào)節(jié)每一個末端代謝產(chǎn)物只部分抑制共同反應(yīng)途徑中第一個酶的活力，幾種末端產(chǎn)物存在，則抑制量相加，但是互不影響。、順序反饋調(diào)節(jié)末端產(chǎn)物E的過量使C D的反應(yīng)停止。使C更多的合成G，而G的過量則導(dǎo)致CF反應(yīng)停止。結(jié)果造成C的積累，引起AB的反應(yīng)抑制，最終使整個反應(yīng)終止。(二）、細(xì)胞物質(zhì)的合成同化作用1、氨基酸的發(fā)酵機(jī)制2、核酸的發(fā)酵機(jī)制3、多糖的發(fā)酵機(jī)制4、脂類的發(fā)酵機(jī)制1、氨基酸的發(fā)酵機(jī)制 1)、谷氨酸族氨基酸生物合成途徑與谷氨酸、瓜氨酸、鳥氨酸、精

17、氨酸發(fā)酵機(jī)制； 2)、天冬氨酸族氨基酸生物合成途徑與賴氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸發(fā)酵機(jī)制； 3)、分支鏈氨基酸族氨基酸生物合成途徑與纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸發(fā)酵機(jī)制； 4)、芳香族氨基酸生物合成途徑與色氨酸、 苯丙氨酸、酪氨酸的發(fā)酵機(jī)制。谷氨酸發(fā)酵機(jī)制1、谷氨酸比天冬氨酸優(yōu)先合成。谷氨酸合成過量時，谷氨酸抑制谷氨酸脫氫酶的合成，使代謝轉(zhuǎn)向合成天冬氨酸；2、天冬氨酸合成過量后，反饋抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。谷氨酸不積累。3、谷氨酸產(chǎn)生菌為生物素缺陷型，亞適量的生物素改變細(xì)胞膜的通透性，使谷氨酸分泌菌外積累。4、酮戊二酸脫氫酶缺陷或微弱，使酮戊二酸不能繼續(xù)氧化；5、谷氨酸脫氫

18、酶活力很強(qiáng)，加快酮戊二酸的加氨作用成谷氨酸。同時喪失谷氨酸對谷氨酸脫氫酶的反饋抑制和反饋阻遏。6、谷氨酸分泌體外積累，不參與蛋白質(zhì)的合成，菌體不直接利用體外的谷氨酸，使得谷氨酸積累。苯丙氨酸代謝調(diào)節(jié)機(jī)制1、切斷芳香族氨基酸生物合成向酪氨酸和色氨酸的代謝支路，選育色氨酸和酪氨酸雙重缺陷性（phe-tyr-）突變株，2、遺傳性的解除苯丙氨酸自身對預(yù)苯酸脫水酶和分支酸變位酶的反饋抑制和阻遏，3、解除苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸對DAHP合成酶的反饋調(diào)節(jié)，選育苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸多重結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株，4、發(fā)酵中限量添加酪氨酸和色氨酸，保證菌體基本生存。5、最終苯丙氨酸大量積累。二、微生物初級代謝產(chǎn)

19、物 一）、微生物的次級代謝二）、微生物的次級代謝的特點三）、次級代謝產(chǎn)物的合成 一）、微生物的次級代謝 次級代謝是指某些生物為了避免在初級代謝過程中某種中間產(chǎn)物的積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型。次級代謝產(chǎn)物是指由次級代謝合成的產(chǎn)物。它們通常是糖苷類、多肽類或烯萜類等化合物。在微生物中常見的有 色素、抗生素、維生素毒素以及刺激素等。次級代謝產(chǎn)物是指由次級代謝合成的產(chǎn)物。它們通常是糖苷類、多肽類或烯萜類等化合物。在微生物中常見的有色素、抗生素、毒素以及刺激素等。 次級代謝產(chǎn)物對于生物本身來說，不是機(jī)體生存所必需的物質(zhì)，即使在次級代謝過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生問題，也不會導(dǎo)致機(jī)體生長

20、的停止和死亡，而最多只是影響機(jī)體合成某種次級代謝產(chǎn)物的能力。二）、微生物的次級代謝的特點1、不參與微生物的生長和繁殖；2、具有種的特異性；3、分批發(fā)酵時，產(chǎn)生菌生長周期分為三個時期； 、菌體生長期；、產(chǎn)物合成期；、菌體自溶期。4、次級代謝產(chǎn)物不少是結(jié)構(gòu)相似的混合物；5、生產(chǎn)能力受微量金屬離子（Fe+2、 Fe+3、 Mn+2、 Co +2、Zn +2、Ni+2等）和磷酸鹽等無機(jī)離子的影響6、在多數(shù)情況下，增加前體是有效的；7、次級代謝酶的特異性不一定比初級代謝酶高，次級代謝酶的底物特異性在某種程度上說是比較廣。如果供給與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)，則可以得到與天然不同的次級代謝產(chǎn)物。8、培養(yǎng)溫度過高或

21、菌種移植次數(shù)過多，會使抗生素的生產(chǎn)能力下降，其原因可能是參與抗生素合成的菌種的質(zhì)粒脫落的原因。9、次級代謝在其一個系列當(dāng)中與一個酶相對應(yīng)的底物也可以成為其他酶的底物。一個產(chǎn)物可由多種中間體和途徑來取得。三）、次級代謝產(chǎn)物的合成（一）、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位（二）、次級代謝產(chǎn)物合成的基本過程（一）、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位1、聚酮體2、甲羥戊酸3、糖類和氨基糖4、不常見的氨基酸5、環(huán)多糖和氨基環(huán)多糖6、非核酸的嘌呤和嘧啶的生物合成1、聚酮體許多次級代謝產(chǎn)物是由乙酸、丙酸、丁酸單位和某些短鏈脂肪酸通過聚酮體途徑衍生形成的。 如：大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的內(nèi)酯環(huán) 四環(huán)類抗生素的苯駢體等等。2、甲羥戊酸甲羥戊酸

22、(MVA，3-甲基-3,5-二羥基戊酸)。也是某些種類次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位。由乙酸綜合形成。 如：赤霉素、生物堿、梭鏈孢酸、甾醇、胡蘿卜素等等。3、糖類和氨基糖次級代謝產(chǎn)物中不少是由糖類和氨基糖作為其合成的前體物質(zhì)。 如：大環(huán)內(nèi)酯類抗生素； 冬蟲夏草素3-脫氧-D-紅戊糖等等。4、不常見的氨基酸在次級代謝中不少產(chǎn)物含有異常的200余種非蛋白質(zhì)氨基酸。 如：D-氨基酸、N-甲基氨基酸等等。 青霉素、頭孢菌素等等。5、環(huán)多糖和氨基環(huán)多糖不少次級代謝產(chǎn)物的前體是由環(huán)多糖和氨基環(huán)多糖構(gòu)成的。 如：鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素等等。6、非核酸的嘌呤和嘧啶的生物合成 在次級代謝產(chǎn)物中出現(xiàn)的非核酸嘌呤堿基是

23、由合成核酸用嘌呤和嘧啶經(jīng)過化學(xué)修飾而形成的。如：嘌呤霉素(3-脫氧嘌呤核苷酸類抗生素)。（二）、次級代謝產(chǎn)物合成的基本過程1、構(gòu)建單位的聚合2、次級代謝產(chǎn)物的最終修飾3、次級代謝產(chǎn)物生物合成中的關(guān)鍵酶 第三節(jié)微生物生物合成的調(diào)控機(jī)制一、次級代謝與初級代謝的關(guān)系初級代謝與次級代謝在生物體內(nèi)是密不可分的兩種代謝途徑，因此在研究次級代謝過程中必須與初級代謝緊密聯(lián)系，才能深入了解次級代謝產(chǎn)物的合成、調(diào)控機(jī)制。二、初級代謝產(chǎn)物合成中的主要調(diào)控機(jī)制一）、酶活性的調(diào)節(jié)二）、酶合成的調(diào)節(jié)三）、能荷調(diào)節(jié) 一）、酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)就是指通過調(diào)節(jié)已有酶的活性來調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)控機(jī)制。1、酶活性的激活酶活性激活

24、也叫前體激活。即代謝途徑中后面的反應(yīng)可以被該途徑較前面的一種代謝中間產(chǎn)物所促進(jìn)。如：異檸檬酸脫氫酶的活性受到檸檬酸的激活。（粗糙脈孢霉）2、酶活性的抑制反饋抑制是指反應(yīng)途徑中某些中間產(chǎn)物或末端產(chǎn)物對該途徑中前面反應(yīng)的影響。正反饋負(fù)反饋、協(xié)同反饋抑制、累積反饋抑制、增效反饋抑制、順序反饋抑制二）、酶合成的調(diào)節(jié)1、酶合成誘導(dǎo)、組成酶-某些酶的合成不依賴于環(huán)境中物質(zhì)中存在。稱為組成酶。如糖酵解途徑中的各種酶。、誘導(dǎo)酶-某些酶只有在它們的催化的底物（或底物的結(jié)構(gòu)類似物質(zhì)）存在時才能起作用的酶類。如大腸桿菌乳糖酶。2、酶合成的阻遏合成酶主要由反饋調(diào)節(jié)來控制代謝過程。1）、反饋抑制2）、反饋阻遏1）、反饋

25、抑制反饋抑制是指代謝反應(yīng)途徑中某些中間產(chǎn)物或末端產(chǎn)物對該途徑中前面的反應(yīng)的促進(jìn)或降低的作用。、正反饋促進(jìn)反應(yīng)加速作用的反饋抑制稱為正反饋。、負(fù)反饋降低反應(yīng)速度作用的反饋抑制稱為負(fù)反饋。2）、反饋阻遏、多價阻遏在兩種或兩種以上末端產(chǎn)物分支途徑中，當(dāng)分支途徑中的幾種末端產(chǎn)物同時過量時，則反饋阻遏其中共同途徑中的第一個酶的合成。僅一種產(chǎn)物過量無阻遏作用。、分解產(chǎn)物的阻遏被菌體能夠迅速利用的底物或其分解產(chǎn)物對許多酶（降解酶、合成酶）合成的抑制作用。A、碳分解產(chǎn)物阻遏B、氮分解產(chǎn)物阻遏三）、能荷調(diào)節(jié)能荷是指細(xì)胞中ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可供利用的高能磷酸鍵的量度。能荷調(diào)節(jié)就是指細(xì)胞通過改變ATP、A

26、DP、AMP三者比例來調(diào)節(jié)其代謝活動。 三、次級代謝產(chǎn)物合成中的主要調(diào)控機(jī)制在自然生態(tài)條件下，微生物具有合成次級代謝產(chǎn)物的能力，只是含量甚少，不易被發(fā)現(xiàn)。由于次級代謝產(chǎn)物在微生物生命活動中有一定的生理功能，所以次級代謝必然處于微生物的總體調(diào)節(jié)控制之中。但是次級代謝途徑比初級代謝復(fù)雜，它的生物合成途徑的調(diào)控機(jī)制目前還不是很清楚。一）、酶合成的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)二）、反饋調(diào)節(jié)三）、磷酸鹽調(diào)節(jié)四）、ATP的調(diào)節(jié)五）、碳分解產(chǎn)物的調(diào)節(jié)六）、氮分解產(chǎn)物的調(diào)節(jié) 七）、產(chǎn)生菌生長速率的調(diào)節(jié) 一）、酶合成的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（誘導(dǎo)酶）1、內(nèi)源誘導(dǎo)酶2、外源誘導(dǎo)酶1、內(nèi)源誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)物是由菌體代謝過程中產(chǎn)生的，此類誘導(dǎo)酶稱為內(nèi)源誘導(dǎo)

27、酶。2、外源誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)物為外部加入稱為外源誘導(dǎo)酶。二）、反饋調(diào)節(jié)1、次級代謝產(chǎn)物自身反饋抑制2、前體物質(zhì)的自身反饋抑制3、支路產(chǎn)物反饋抑制4、次級代謝產(chǎn)物自身反饋阻遏1、次級代謝產(chǎn)物自身反饋抑制、近年來發(fā)現(xiàn)青霉素、鏈霉素等多種次級代謝產(chǎn)物能調(diào)節(jié)自身的生物合成。、抑制抗生素自身合成所需要的濃度與產(chǎn)生菌的生產(chǎn)能力表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。2、前體物質(zhì)的自身反饋抑制次級代謝產(chǎn)物均從初級代謝產(chǎn)物衍生來的，合成次級代謝產(chǎn)物的前體的自身反饋抑制，必然影響次級代謝產(chǎn)物的合成。如青霉素合成的前體物質(zhì)纈氨酸調(diào)控機(jī)制。3、支路產(chǎn)物反饋抑制初級代謝的末端產(chǎn)物能反饋抑制共用途徑中某些酶的活性，影響次級代謝產(chǎn)物生物合成。如賴氨

28、酸反饋抑制產(chǎn)黃青霉菌合成青霉素的調(diào)控機(jī)制。4、次級代謝產(chǎn)物自身反饋阻遏 此類型不多見，氯霉素的合成調(diào)控機(jī)制。三）、磷酸鹽調(diào)節(jié)在抗生素等多種次級代謝產(chǎn)物合成中，高濃度磷酸鹽表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用。這種調(diào)節(jié)作用稱為磷酸鹽調(diào)節(jié)。1、磷酸鹽能促進(jìn)初級代謝，抑制菌體的次級代謝。2、過量磷酸鹽抑制次級代謝產(chǎn)物前體的生物合成。3、磷酸鹽阻抑次級代謝中的磷酸酯酶第四節(jié)發(fā)酵動力學(xué)的基本概述發(fā)酵過程是非常復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，它要受到內(nèi)外環(huán)境條件的制約。因而要想取得良好的發(fā)酵成果，就必須研究各種發(fā)酵過程變量在活細(xì)胞作用下的變化規(guī)律，以及各種發(fā)酵條件對這些變量變化速度的影響。發(fā)酵動力學(xué)的定義：發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中

29、菌體生長、 基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律的學(xué)科。一、發(fā)酵動力學(xué)研究的內(nèi)容二、發(fā)酵動力學(xué)研究的方法三、發(fā)酵動力學(xué)與過程優(yōu)化控制一、發(fā)酵動力學(xué)研究的內(nèi)容1、細(xì)胞生長和死亡動力學(xué)2、基質(zhì)消耗動力學(xué)3、氧消耗動力學(xué)4、CO2生成動力學(xué)5、產(chǎn)物合成和降解動力學(xué)6、代謝熱生成動力學(xué) 二、發(fā)酵動力學(xué)研究的方法1、獲得發(fā)酵過程變化的各種理化參數(shù)；2、將各種參數(shù)和現(xiàn)象與發(fā)酵規(guī)律相互聯(lián)系，并找出相互關(guān)系和變化規(guī)律；3、建立各種數(shù)學(xué)模型；4、借助計算機(jī)在線控制，驗證模型可行性和適用范圍。三、發(fā)酵動力學(xué)與過程優(yōu)化控制1、確定最佳發(fā)酵工藝條件2、建立發(fā)酵過程中的菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、PH、溶氧等工藝參數(shù)

30、的控制方案；3、反復(fù)優(yōu)選，設(shè)計出合理的發(fā)酵過程。達(dá)到生產(chǎn)控制的最優(yōu)化。第五節(jié)發(fā)酵動力學(xué)模式一、發(fā)酵過程的特點二、反應(yīng)動力學(xué)描述的簡化三、發(fā)酵動力學(xué)常用的幾個概念四、發(fā)酵動力學(xué)模式一、發(fā)酵過程的特點1、多相：氣相、液相和固相2、多組分：培養(yǎng)基中多種營養(yǎng)成分，多種代謝產(chǎn)物，細(xì)胞內(nèi)也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。3、非線性：細(xì)胞代謝過程用非線性方程描述。4、復(fù)雜群體的生命活動二、反應(yīng)動力學(xué)描述的簡化1、動力學(xué)是對細(xì)胞群體的動力學(xué)行為的描述2、確定論模型：不考慮細(xì)胞之間的差別，而是取性質(zhì)上的平均值，在此基礎(chǔ)上建立的模型稱為確定論模型。3、概率論模型：如果考慮到每個細(xì)胞之間的差別，則建立的模型

31、為概率論模型。4、結(jié)構(gòu)模型：如果在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)構(gòu)模型，一般選取RNA、DNA、糖類及蛋白含量做為過程變量。5、非結(jié)構(gòu)模型：菌體視為單組分的模型稱為非結(jié)構(gòu)模型，6、關(guān)聯(lián)模型：通過物料平衡建立超經(jīng)驗或半經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)模型7、均衡生長：如果細(xì)胞內(nèi)的各種成分均以相同的比例增加，稱為均衡生長。8、非均衡生長：如果由于各組分的合成速率不同而使各組分增加比例不同，稱為非均衡生長。9、非結(jié)構(gòu)模型：生模型的簡化考慮一般采用均衡生長的非結(jié)構(gòu)模型。10、分離化模型：將細(xì)胞作為與培養(yǎng)液分離的生物相處理所建立的模型為分離化模型。在細(xì)胞濃度很高時采用。11、均一化模型：如果把細(xì)胞和培養(yǎng)液視為一相

32、，建立的模型為均一化模型。三、發(fā)酵動力學(xué)常用的幾個概念1得率(或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，Y)：包括生長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。、得率：是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。、生長得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般指碳源)所產(chǎn)生的菌體重量(g)，即Yx/s=XS。、產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)(或mol數(shù))。這里消耗的基質(zhì)是指被微生物實際利用掉的基質(zhì)數(shù)量，即投入的基數(shù)減去殘留的基質(zhì)量(S。一S)。 、轉(zhuǎn)化率：往往是指投入的原料與合成產(chǎn)物數(shù)量之比。 2基質(zhì)比消耗速率(qs ， g(或mo1)g菌體·h)：指每克菌體在一小時內(nèi)消耗營養(yǎng)物質(zhì)的量

33、。它表示細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。 在比較不同微生物的發(fā)酵效率上面這個參數(shù)是非常有用的。3產(chǎn)物比生產(chǎn)速率(qp，g(或mo1)g菌體·h)：指每克菌體在一小時內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速度或能力，可以作為判斷微生物合成代謝產(chǎn)物的效率。4發(fā)酵周期：發(fā)酵周期是指接種開始至培養(yǎng)結(jié)束放罐這段時間。 但在工業(yè)生產(chǎn)上計算勞動生產(chǎn)率時則還應(yīng)把發(fā)酵罐的清洗、投料、滅菌，冷卻等輔助時間也計算在內(nèi)。即從第一罐接種經(jīng)發(fā)酵結(jié)束至第二次接種為止這段時間為一個發(fā)酵周期，這樣才能正確反映發(fā)酵設(shè)備的利用效率。四、發(fā)酵動力學(xué)模式一)、根據(jù)細(xì)胞生長與產(chǎn)物形成有否偶聯(lián)進(jìn)行分類二)、根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的

34、關(guān)系分類三)、根據(jù)反應(yīng)形式分類一)、根據(jù)細(xì)胞生長與產(chǎn)物形成有否偶聯(lián)進(jìn)行分類細(xì)胞濃度(x)或產(chǎn)物濃度對時間作圖時，兩者密切平行，其最大的比生長速率和最大的產(chǎn)物合成比速率出現(xiàn)在同一時刻。一般來說在這種類型的發(fā)酵生產(chǎn)中，控制好最佳生長條件就可獲得產(chǎn)物合成的最適條件。 1生長產(chǎn)物合成偶聯(lián)型：也稱型。這種發(fā)酵類型的特點是： 、微生物的生長和糖的利用與產(chǎn) 物合成直接相關(guān)連。 、產(chǎn)物的形成與生長是平行的。 、產(chǎn)物合成速度與微生物生長速度呈線性關(guān)系，而且生長與營養(yǎng)物的消耗成準(zhǔn)定量關(guān)系。 這種類型的產(chǎn)物主要是葡萄糖代謝的初級中間產(chǎn)物，如乙醇發(fā)酵就屬于此類型。 2生產(chǎn)與產(chǎn)物合成 非偶聯(lián)類型 (型) 產(chǎn)物的合成發(fā)生

35、在生長停止之后(即產(chǎn)生于次級生長開始)。把這類與生長無關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物。產(chǎn)物合成速度與碳源利用也不存在定量關(guān)系。 大多數(shù)抗生素、微生物毒素的發(fā)酵是非偶聯(lián)類型。3生長產(chǎn)物合成半偶聯(lián)類型： 亦稱型 它是介于生長產(chǎn)物合成偶聯(lián)型與生長產(chǎn)物合成非偶聯(lián)之間的中間類型，產(chǎn)物的合成存在著與生長相聯(lián)和不相聯(lián)兩個部分。 該類型的動力學(xué)產(chǎn)物合成比速率的最高時刻要遲于比生長速率最高時刻的到來。檸檬酸、衣康酸、谷氨酸、賴氨酸、丙酮、丁醇等發(fā)酵屬于半偶聯(lián)類型。二)、根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類1、類型 2、類型 3、類型 1、類型 產(chǎn)物的形成直接與基質(zhì)(糖類)的消耗有關(guān)，這是一種產(chǎn)物合成與利用糖類有化學(xué)計量

36、關(guān)系的發(fā)酵，糖提供了生長所需的能量。糖耗速度與產(chǎn)物合成速度的變化是平行的，如利用酵母菌的酒精發(fā)酵和酵母菌的好氣生長。在厭氧條件下，酵母菌生長和產(chǎn)物合成是平行的過程；在通氣條件下培養(yǎng)酵母時，底物消耗的速度和菌體細(xì)胞合成的速度是平行的。這種形式也叫做有生長聯(lián)系的培養(yǎng)。 2、類型 產(chǎn)物的形成間接與基質(zhì)(糖類)的消耗有關(guān)，例如檸檬酸、谷氨酸發(fā)酵等。 微生物生長和產(chǎn)物合成是分開的，糖分既供應(yīng)生長所需能量，又充作產(chǎn)物合成的碳源。 在發(fā)酵過程中有兩個時期對糖的利用最為迅速，一個是最高生長時期，另一個是最大產(chǎn)物合成時期。 如在用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸的過程中，發(fā)酵早期糖被用于滿足菌體生長，直到其他營養(yǎng)成分耗盡為止；然后代謝進(jìn)入使檸檬酸積累的階段，產(chǎn)物積累的數(shù)量與利用糖分?jǐn)?shù)量有關(guān)，這一過程僅得到少量的能量。3、類型 產(chǎn)物的形成與基質(zhì)(糖類)的消耗無關(guān)，例如青霉素、鏈霉素等抗生素發(fā)酵。 即產(chǎn)物是微生物的次級代謝產(chǎn)物，其特征是產(chǎn)物合成與利用碳源無準(zhǔn)量關(guān)系。產(chǎn)物合成在菌體生長停止及底物被消耗完以后才開始。此種培養(yǎng)類型也叫做無生長聯(lián)系的培養(yǎng)。三)、根據(jù)反應(yīng)形式分類1、簡單反應(yīng)型2、并行反應(yīng)型3 、串聯(lián)反應(yīng)型4、分段反應(yīng)型5、復(fù)合型1、簡單反