發(fā)酵工程韋革宏楊祥第3章34節(jié)

第三節(jié)糖代謝產(chǎn)物的發(fā)酵機(jī)制當(dāng)前第1頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制葡萄糖在微生物細(xì)胞中進(jìn)行厭氧分解時(shí)，通過EMP、HMP、ED及PK途徑形成多種中間代謝物。在不同的微生物細(xì)胞中及不同的環(huán)境條件下,這些中間代謝物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，形成各種不同的發(fā)酵產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同，發(fā)酵類型主要有乙醇發(fā)酵、甘油發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵、混合發(fā)酵等。當(dāng)前第2頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制（一）乙醇和甘油發(fā)酵酵母菌的乙醇發(fā)酵（Ⅰ型發(fā)酵）酵母菌的甘油發(fā)酵（Ⅱ型發(fā)酵）酵母菌的甘油發(fā)酵（Ⅲ型發(fā)酵）細(xì)菌的乙醇發(fā)酵當(dāng)前第3頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制（二）乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵乳鏈球菌（StreptococcusLactis）、乳酸乳桿菌（

Lactobacilluscasei）等進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵腸膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroids）進(jìn)行

雙歧發(fā)酵兩歧雙歧桿菌（Bifidobacteriumbifidum）等進(jìn)行

當(dāng)前第4頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、厭氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制（三）丙酮-丁醇發(fā)酵（四）混合酸與丁二醇發(fā)酵以上兩種類型的發(fā)酵產(chǎn)物較多，除了利用其生產(chǎn)化工原料外，還經(jīng)常被用來(lái)進(jìn)行病原微生物的檢測(cè)。當(dāng)前第5頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、好氧發(fā)酵代謝產(chǎn)物發(fā)酵機(jī)制微生物好氧發(fā)酵糖類物質(zhì)可生成多種有機(jī)酸，其中檸檬酸是最常見的一種。黑曲霉的檸檬酸發(fā)酵機(jī)制直到Kerbs(1940年)提出三羧酸循環(huán)學(xué)說才被人們逐漸認(rèn)識(shí)。黑曲霉的檸檬酸發(fā)酵機(jī)制見圖3-6.當(dāng)前第6頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)圖3-6黑曲霉的檸檬酸發(fā)酵機(jī)制1-丙酮酸脫氫酶；2-檸檬酸合成酶；3-烏頭酸水合酶；4-異檸檬酸脫氫酶；5-α-酮-戊二酸脫氫酶；6-琥珀酸脫氫酶；7-富馬酸酶；8-蘋果酸脫氫酶；9-丙酮酸羧化酶；10-磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶。關(guān)鍵問題：檸檬酸是如何積累的？當(dāng)前第7頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)第四節(jié)氨基酸和核酸的發(fā)酵機(jī)制當(dāng)前第8頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制微生物細(xì)胞內(nèi)氨基酸的來(lái)源直接從培養(yǎng)基中吸收轉(zhuǎn)氨基作用合成以糖分解代謝中間體為碳骨架合成當(dāng)前第9頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)轉(zhuǎn)氨基作用谷氨酸+丙酮酸→α-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+草酰乙酸→α-酮戊二酸+天冬氨酸Transamination指把氨基從一個(gè)化合物轉(zhuǎn)移到其他化合物上的反應(yīng)過程。是布朗斯坦和克里茨曼（A．E．Braunstein與M．G．Kritzmann，1937）提出的。在生物體內(nèi)通常為以磷酸吡哆醛為輔酶的轉(zhuǎn)氨酶所催化，此反應(yīng)一般是可逆的。微生物可經(jīng)氨化作用補(bǔ)充新的谷氨酸當(dāng)前第10頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)從糖代謝中間體合成各種氨基酸當(dāng)前第11頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制（一）谷氨酸的發(fā)酵途徑(谷氨酸棒桿菌)谷氨酸的生物合成途徑就是經(jīng)過酵解途徑（EMP）和單磷酸己糖途徑（HMP）生成丙酮酸。一方面丙酮酸氧化脫羧生成乙酰-CoA；另一方面經(jīng)CO2固定作用生成草酰乙酸；兩者合并成檸檬酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，由三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物α-酮戊二酸，在谷氨酸脫氫酶催化下，還原氨基化合成谷氨酸。當(dāng)前第12頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)圖3-7谷氨酸棒桿菌的谷氨酸生物合成NH3谷氨酸發(fā)酵的關(guān)鍵：生物素亞適量NH3充足代謝流強(qiáng)化谷氨酸棒桿菌將氨基導(dǎo)入谷氨酸有三種方式細(xì)胞外生物素當(dāng)前第13頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制（二）天冬氨酸族氨基酸生物合成途徑

(大腸桿菌)在細(xì)菌中，天冬氨酸的合成是葡萄糖經(jīng)酵解途徑生成丙酮酸，丙酮酸經(jīng)CO2固定和氧化脫羧進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成草酰乙酸，再經(jīng)氨基化反應(yīng)生成天冬氨酸。當(dāng)前第14頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)圖3-8大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成途徑1-天冬氨酸激酶；2-天冬氨酸-β-半醛脫氫酶；3-高絲氨酸脫氫酶；4-琥珀酰高絲氨酸合成酶；5-胱硫醚合成酶；6-胱硫醚酶；7-蛋氨酸合成酶；8-高絲氨酸激酶；9-蘇氨酸合成酶；10-蘇氨酸脫氫酶；11-乙酰羥酸合成酶；12-二羥基酸還原異構(gòu)酶；13-二羥基酸脫水酶；14-轉(zhuǎn)氨酶；15-二氫吡啶二羧酸合成酶；16-二氫吡啶二羧酸還原酶；17-N-琥珀酰-ε-酮-L-氨基庚二酸合成酶；18-琥珀酰二氨基庚二酸轉(zhuǎn)氨酶；19-琥珀酰二氨基庚二酸脫?；?；20-二氨基庚二酸差向異構(gòu)酶；21-二氨基庚二酸脫羧酶。當(dāng)前第15頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制（二）天冬氨酸族氨基酸生物合成途徑在酵母和霉菌等真菌中，天冬氨酸族的賴氨酸是以另外的方式合成的，參見教材P91圖3-9.工業(yè)生產(chǎn)賴氨酸目前不采用酵母等真菌主要是有兩個(gè)原因：膜透性問題代謝途徑?jīng)]有分支當(dāng)前第16頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制（三）分支鏈氨基酸發(fā)酵機(jī)制(大腸桿菌)當(dāng)前第17頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)L-蘇氨酸丁酮酸活性乙醛+中間物1中間物2中間物3L-異亮氨酸縮合反應(yīng)還原酮基轉(zhuǎn)氨丙酮酸活性乙醛+中間物1中間物2中間物3L-纈氨酸轉(zhuǎn)氨縮合反應(yīng)還原酮基脫水形成新酮基L-亮氨酸脫水形成新酮基酶1-合成酶酶2-還原酶酶3-脫水酶酶4-轉(zhuǎn)氨酶當(dāng)前第18頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)一、氨基酸發(fā)酵機(jī)制（四）精氨酸族氨基酸的發(fā)酵機(jī)制(谷氨酸棒桿菌)當(dāng)前第19頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)中間物1中間物2中間物3L-鳥氨酸中間物4L-谷氨酸L-瓜氨酸L-精氨酸中間物5發(fā)酵策略：營(yíng)養(yǎng)缺陷型結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株當(dāng)前第20頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、核苷酸發(fā)酵機(jī)制（一）嘧啶核苷酸的生物合成(枯草芽孢桿菌)

一方面糖經(jīng)過EMP、TCA途徑生成天冬氨酸；另一方面，NH3、CO2與ATP生成氨甲酰磷酸，二者縮合通過幾步反應(yīng)生成乳清酸，后者再與PRPP結(jié)合，最后生成UMP，再由UMP生成UTP、CTP和TTP.當(dāng)前第21頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)圖3-9枯草芽孢桿菌嘧啶核苷酸的生物合成dUMPdTMP甲基-THFAUTPCTP谷氨酰胺谷氨酸UMP發(fā)酵策略：營(yíng)養(yǎng)缺陷型結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株添加前體物當(dāng)前第22頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)二、核苷酸發(fā)酵機(jī)制（二）嘌呤核苷酸的生物合成與嘧啶核苷酸的生物合成途徑相比，嘌呤核苷酸生物合成途徑要復(fù)雜的多，整個(gè)生物合成的過程可以分成三個(gè)階段：第一階段是由5-磷酸核糖與ATP反應(yīng)開始到5-氨基咪唑核苷酸(AIR)合成；第二階段是從5-氨基咪唑核苷酸開始到次黃嘌呤核苷酸(IMP)合成；第三階段是由次黃嘌呤核苷酸開始到鳥嘌呤核苷酸(GMP)與腺嘌呤核苷酸(AMP)合成。當(dāng)前第23頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)當(dāng)前第24頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)當(dāng)前第25頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)葡萄糖5-磷酸核糖PRPPATP通過5步反應(yīng)，分別由谷氨酰胺、甘氨酸和THFA提供骨架原子合成嘌呤5元環(huán)部分AIRAIR5’-IMP再通過5步反應(yīng)，分別由CO2、天冬氨酸、谷氨酰胺、和THFA提供骨架原子合成嘌呤6元環(huán)部分

各種微生物合成IMP的途徑是一致的，但是，從IMP分別生成AMP和GMP的途徑是不同的。在枯草桿菌中，IMP是嘌呤核苷酸的中心，分出兩條環(huán)行路線，在這里AMP與GMP是可以互相轉(zhuǎn)換的。在產(chǎn)氨短桿菌中，其合成途徑與枯草桿菌不同，從IMP開始分出的兩條路線不是環(huán)行，而是單向分支，AMP與GMP不能相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)前第26頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)IMPXMPGMPSAMPAMP圖3-10產(chǎn)氨短桿菌嘌呤核苷酸的生物合成PRPPPRAIMPAMPGMP肌苷發(fā)酵策略：切斷支路代謝，解除反饋抑制，改變細(xì)胞膜透性當(dāng)前第27頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)本節(jié)結(jié)束謝謝二、核苷酸發(fā)酵機(jī)制

脫氧核苷酸是在核苷酸合成后在二磷酸水平還原合成的，參見教材P93.當(dāng)前第28頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)

C6H12O62CH3COCOOH

2CH3CHO2CH3CH2OH2NAD2NADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶酵母菌的乙醇發(fā)酵※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。當(dāng)前第29頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NAD﹢NADH+H﹢NADH+H＋NAD﹢H2OPi葡萄糖1.6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3α-磷酸甘油甘油酵母菌Ⅱ型發(fā)酵當(dāng)前第30頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)葡萄糖1、6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醇磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油甘油NADH+HNADH﹢﹢2ADP2ATPCO2乙酸加Na2CO3或NaOH酵母菌Ⅲ型發(fā)酵NAD﹢NADH+H當(dāng)前第31頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H←ATP2ATP菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等途徑：EDKDPG醛縮酶1mol葡萄糖產(chǎn):2mol乙醇2molCO21molATP細(xì)菌的乙醇發(fā)酵當(dāng)前第32頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP乳酸脫氫酶當(dāng)前第33頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期六\2點(diǎn)異型乳酸發(fā)酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙