發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學

第三章發(fā)酵機制及發(fā)酵動力學1發(fā)酵機制是指微生物通過其代謝活動，利用基質合成人們所需要的產物的內在規(guī)律。由于微生物的種類、遺傳特性和環(huán)境條件不同，微生物所能積累的代謝產物不同，主要有微生物菌體、微生物酶和代謝產物。微生物代謝產物很多，主要有酒精、丙酮丁醇、有機酸、氨基酸、核苷酸類、蛋白質、抗生素、維生素、脂肪、多糖類等。微生物具有極其精確的代謝控制系統(tǒng)，能確保細胞內所有生化反應有條不紊的進行并制止中間產物和終產物的過量積累。必須人為改變微生物的代謝調控機制，使有用中間代謝產物過量積累，同時利用環(huán)境因素對代謝方向產生影響，這就是發(fā)酵機制的研究內容。發(fā)酵動力學是研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質消耗、產物生成的動態(tài)平衡及其內在規(guī)律。其研究內容包括微生物生長過程中質量和能量的平衡，發(fā)酵過程中菌體生長速率、基質消耗速率和產物生成速率的相互關系。研究發(fā)酵動力學的目的在于設計和優(yōu)化發(fā)酵動力學模型，并以此為依據，利用計算機來設計程序，模擬最適合的工藝流程和發(fā)酵工藝參數，從而使生產控制達到最優(yōu)化。2本章主要內容第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況第二節(jié)微生物代謝調控機制第三節(jié)重要發(fā)酵產物的發(fā)酵機制第四節(jié)微生物發(fā)酵動力學3第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝和調控機制一、發(fā)酵工程微生物的基本代謝及產物（一）微生物初級代謝及產物初級代謝是指微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所需要的物質和能量的過程。初級代謝產物：由初級代謝過程所產生的產物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由這些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白質、酯類和核酸等）。4（二）微生物的次級代謝及產物次級代謝是指微生物在一定的生長時期，以初級代謝產物為前體物質，合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質的過程。這一過程的產物，即為次級代謝產物。次級代謝產物大多是一類分子結構比較復雜的化合物，包括：抗生素、毒素、激素、色素等?？股兀菏怯晌⑸铮ò毦?、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物。抑制細菌細胞壁合成，破壞細胞質膜，作用于呼吸鏈以干擾氧化磷酸化，抑制蛋白質和核酸合成等方式抑制微生物生長。毒素：細菌毒素和真菌毒素。細菌毒素又分為內毒素和外毒素。激素：微生物能產生刺激動物生長或性器官發(fā)育的激素類物質，稱激素，如赤霉素、生長素等。5本章主要內容第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況第二節(jié)微生物代謝調控機制第三節(jié)重要發(fā)酵產物的發(fā)酵機制第四節(jié)微生物發(fā)酵動力學6微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復雜的新陳代謝反應。微生物細胞的代謝調節(jié)方式很多，例如可調節(jié)營養(yǎng)物質透過細胞膜而進入細胞的能力，通過酶的定位以限制它與相應底物的接近，以及調節(jié)代謝流等。其中以調節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調”，即調節(jié)酶的合成量，二是“細調”，即調節(jié)現成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調，以達到最佳調節(jié)效果。利用微生物代謝調控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產有關代謝產物的高產菌株。有關的實際例子將在本節(jié)后部分進行介紹。7一、酶活性的調節(jié)

酶活性的調節(jié)是指通過對已存在的酶的活性的改變，影響代謝速率。這是一種快速調節(jié)，依靠酶分子結構的改變而實現，主要方式有反饋抑制和酶的共價修飾兩種，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。1、酶活性的激活最常見的酶活性的激活是前體激活，它常見于分解代謝途徑，即代謝途徑中后面的反應可以被該途徑較前面的而一個產物所促進。2、酶活性的抑制酶活性的抑制主要是反饋抑制。反饋抑制是指合成途徑的末端產物（即終產物）過量時，這個產物對該途徑前段的某一個酶活性的抑制現象。通常抑制的是反應途徑的第一個酶（第一步反應往往是限速步驟）。81）直線代謝途徑中的反饋抑制這是一種最簡單的反饋抑制類型，過量的終產物抑制途徑的第一個酶，就能很好的控制整個反應過程。9（1）同工酶調節(jié)：其特點是在分支途徑中第一個酶有幾種結構不同的一組同工酶，每一分支代謝產生的終產物只對一種同工酶具有反饋抑制作用，只有當幾種種產物同時過量時，才能完全阻止反應的進行。2）分支代謝途徑中的反饋抑制在有兩種或兩種以上的末端產物的分支代謝途徑中，為避免在一個分支上的產物過多，影響另一分支上產物的供應，微生物有下列多種調節(jié)方式：10（2）協(xié)同反饋抑制：在分支代謝途徑中，幾種末端產物同時都過量時，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用，若某一末端產物單獨過量則對途徑的第一個酶無抑制作用。（3）累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產物過量時都能對共同途徑中第一個酶起抑制作用，而且各種末端產物的抑制作用互不干擾。當各種末端產物同時過量時，它們的抑制作用是累加的。11（4）順序反饋抑制：分支代謝途徑中的兩個末端產物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應步驟，造成分支點上中間產物的積累，這種高濃度的中間產物再反饋抑制第一個酶的活性，因此，只有當兩個末端產物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑制作用。12二、酶合成的調節(jié)酶合成的調節(jié)是指酶在數量上和種類上的調節(jié)。這是一種緩慢調節(jié)，通過改變酶分子合成的速度實現代謝途徑的變化。這種調節(jié)共有兩種方式：一種是指酶生成的誘導，是指促進細胞內酶的合成；另一種是代謝產物對酶生成的阻遏，是指細胞內酶的合成停止，包括分解代謝降解物阻遏和合成代謝終產物的反饋阻遏。1、誘導

根據酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關物的關系，可把酶劃分成組成酶和誘導酶兩類。

組成酶，如EMP途徑的有關酶類。

誘導酶則是細胞為適應外來底物或其結構類似物而臨時合成的一類酶，例如E．coli在含乳糖培養(yǎng)基中所產生的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。能促進誘導酶產生的物質稱為誘導物。又可分為同時誘導和順序誘導。13藍白斑篩選原理野生型大腸桿菌產生的β-半乳糖苷酶可以將無色化合物X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)切割成半乳糖和深藍色的物質5-溴-4-靛藍。有色物質可以使整個培養(yǎng)菌落產生顏色變化，而顏色變化是鑒定和篩選的最直觀有效的方法。藍白斑篩選的宿主菌：為β-半乳糖苷酶缺陷型菌株。這種宿主菌的染色體基因組中編碼β-半乳糖苷酶的基因突變，造成其編碼的β-半乳糖苷酶失去正常N段一個146個氨基酸的短肽（即α肽鏈），從而不具有生物活性，即無法作用于X-gal產生藍色物質。14藍白斑篩選的載體：具有一段稱為lacz'的基因，lacz'中包括：一段β-半乳糖苷酶的啟動子；編碼α肽鏈的區(qū)段；一個多克隆位點(MCS)。MCS位于編碼α肽鏈的區(qū)段中，是外源DNA的選擇性插入位點，但其本身不影響載體編碼α肽鏈的功能活性。15雖然上述缺陷株基因組無法單獨編碼有活性的β-半乳糖苷酶，但當菌體中含有帶lacz'的質粒后，質粒lacz'基因編碼的α肽鏈和菌株基因組表達的Ｎ端缺陷的β-半乳糖苷酶突變體互補，具有與完整β-半乳糖苷酶相同的作用X-gal生成藍色物質的能力，這種現象即α-互補。操作中，添加IPTG(異丙基硫代-β-Ｄ-半乳糖苷)以激活lacz'中的β-半乳糖苷酶的啟動子，在含有X-gal的固體平板培養(yǎng)基中菌落呈現藍色。插入失活：當外源DNA（即目的片斷）與含lacz'的載體連接時，會插入進MCS，使α肽鏈讀碼框破壞，這種重組質粒不再表達α肽鏈，將它導入宿主缺陷菌株則無α互補作用，不產生活性β-半乳糖苷酶，即不可分解培養(yǎng)基中的X-gal產生藍色，培養(yǎng)表型即呈現白色菌落。162、阻遏

在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關鍵酶在內的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產物的合成。阻遏的類型主要有末端代謝產物阻遏和分解代謝產物阻遏兩種。（1）末端產物阻遏（end-productrepression）指由某代謝途徑末端產物的過量累積而引起的阻遏。

直線式反應途徑：即產物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏，例如精氨酸的生物合成途徑（圖6-59）。

分支代謝途徑：每種末端產物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產物的阻遏，此即稱多價阻遏作用。也就是說，任何單獨一種末端產物的存在，都沒有影響，只有當所有末端產物都同時存在時，才能發(fā)揮出阻遏功能。17（2）分解代謝物阻遏指細胞內同時有兩種分解底物（碳源或氮源）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酶合成的現象?，F在知道，分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結果，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產生的中間代謝物所引起的阻遏作用。因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現象。

例如，有人將E．coli培養(yǎng)在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上，發(fā)現該菌可優(yōu)先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗盡后才開始利用乳糖，這就產生了在兩個對數生長期中間隔開一個生長延滯期的“二次生長現象”。培養(yǎng)物濁度培養(yǎng)時間a葡萄糖耗盡bβ-半乳糖苷酶誘導大腸桿菌的“二次生長”現象培養(yǎng)物濁度培養(yǎng)時間a葡萄糖耗盡bβ-半乳糖苷酶誘導大腸桿菌的“二次生長”現象18三、微生物發(fā)酵中的代謝調控這里將討論如何控制微生物的正常代謝調節(jié)機制，使其累積更多為人們所需要的有用代謝產物。包括三個方面：（一）應用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調節(jié)（二）應用抗反饋調節(jié)的突變株解除反饋調節(jié)（三）控制細胞膜的滲透性19（一）應用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調節(jié)在分支代謝途徑中，通過解除某種反饋調節(jié)，就可以使某一分支途徑的末端產物得到累積。

舉例1：賴氨酸發(fā)酵工業(yè)上選育了Corynebacteriumglutamicum（谷氨酸棒桿菌）的高絲氨酸缺陷型菌株作為賴氨酸的發(fā)酵菌種。這個菌種不能合成高絲氨酸脫氫酶（HSDH）。20舉例2：肌苷酸（IMP）的生產21（二）應用抗反饋調節(jié)的突變株解除反饋調節(jié)抗反饋調節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或對阻遏有抗性的組成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產物。22（三）控制細胞膜的滲透性細胞內的代謝產物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過反饋阻遏限制了它們的進一步合成。采取生理學或遺傳學方法，可以改變細胞膜的透性，使細胞內的代謝產物迅速滲漏到細胞外。1．通過生理學手段控制細胞膜的滲透性232．通過細胞膜缺損突變而控制其滲透性應用谷氨酸產生菌的油酸缺陷型菌株，在限量添加油酸的培養(yǎng)基中，也能因細胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸的產量。利用石油發(fā)酵產生谷氨酸的解烴棒桿菌的甘油缺陷型突變株，由于缺乏a-磷酸甘油脫氫酶，故無法合成甘油和磷脂。24本章主要內容第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)微生物的基本代謝情況第二節(jié)微生物代謝調控機制第三節(jié)重要發(fā)酵產物的發(fā)酵機制（一）糖代謝產物的發(fā)酵機制（二）氨基酸和核酸發(fā)酵機制（三）抗生素發(fā)酵機制第四節(jié)微生物發(fā)酵動力學25一、糖代謝產物的發(fā)酵機制（一）乙醇發(fā)酵（厭氧發(fā)酵代謝產物）1、以EMP途徑為基礎的酵母乙醇發(fā)酵酵母的乙醇發(fā)酵和酒精、白酒、葡萄酒、啤酒等各種酒類生產關系密切。丙酮酸脫羧酶是酵母菌乙醇發(fā)酵的關鍵酶?？偡磻綖椋浩咸烟?2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP26酵母乙醇發(fā)酵過程的三種形式Ⅰ型發(fā)酵：正常的乙醇發(fā)酵在弱酸性條件下進行，產生2分子的乙醇和2分子CO2。這又稱為酵母的“同型酒精發(fā)酵”。Ⅱ型發(fā)酵：在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加適量NaHSO3，則乙醇發(fā)酵轉變?yōu)楦视桶l(fā)酵，形成大量甘油和少量乙醇。其機理：NaHSO3與乙醛形成復合物，封閉了乙醛，由磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，形成α-磷酸甘油，在α-磷酸甘油酯酶的催化下脫去磷酸，形成甘油。Ⅲ型發(fā)酵：將發(fā)酵液pH值控制在弱堿性（pH7.6），酵母的乙醇發(fā)酵轉向甘油發(fā)酵，主產物為甘油，伴隨產生少量乙醇、乙酸和CO2。272、細菌的“同型酒精發(fā)酵”：由Zymomonasmobilis（運動發(fā)酵單胞菌）等通過ED途徑進行。葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP3、細菌的“異型酒精發(fā)酵”：由Leuconostocmesenteroides（腸膜狀明串珠菌）等通過HMP途徑進行。葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP此外，由于這三類酒精發(fā)酵所經過的途徑是不同的，所以在發(fā)酵產物——乙醇分子上的碳原子來源也是不同的。如果將葡萄糖分子的不同碳原子進行14C標記，并測定14C在產物中的分布，則上述三條途徑的差別可從圖6-27中看到。28（二）乳酸發(fā)酵

乳酸發(fā)酵指某些細菌在厭氧條件下利用葡萄糖生產乳酸及少量其他產物的過程。能進行乳酸發(fā)酵的細菌被稱為乳酸菌。乳酸菌雖多是一些兼性厭氧菌，但乳酸發(fā)酵卻是在嚴格厭氧條件下完成的。

1、同型乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵的過程是：葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。

C6H12O6＋2ADP→2CH3CHOHCOOH＋2ATP

德氏乳桿菌屬（Lac.delbriickii）、乳酸鏈球菌屬（StreptococcusLactis）、酪乳桿菌屬（LactobacillusCasei）、保加利亞乳桿菌（Lac.bulgaricus）等。

2、異型乳酸發(fā)酵在腸膜明串珠菌(LeuconostocMesenteroides)中，利用HMP途徑分解葡萄糖，產生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸進一步轉化為乳酸，乙酰磷酸經兩次還原變?yōu)橐掖迹浑p歧桿菌經PK途徑發(fā)酵葡萄糖形成的產物除乳酸外還有乙醇和乙酸。29

同型乳酸發(fā)酵

30

總反應式為:

理論轉化率:

:31

異型乳酸發(fā)酵

A.6-磷酸葡萄糖酸途徑

32總反應式為:

C6H12O6→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH

理論轉化率:

(90/180)×100%=50%

33三檸檬酸發(fā)酵機制（好氧發(fā)酵代謝產物）

檸檬酸發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵，其發(fā)酵機制是在了解了三羧酸循環(huán)的基礎上才逐漸弄清楚的。341.檸檬酸生物合成途徑

35葡萄糖生成檸檬酸的總反應式為:

2C6H12O6+3O22C6H8O7+4H2O

理論轉化率為106.7%

2.檸檬酸生物合成的代謝調節(jié)

(1).糖酵解及丙酮酸代謝的調節(jié)

磷酸果糖激酶(PFK)是調節(jié)酶,檸檬酸和ATP對該酶抑制,AMP、Pi和NH4+對酶激活;

NH4+在細胞內濃度升高,解除胞內積累的大量檸檬酸對酶的抑制;

3637

檸檬酸合成有關酶的調節(jié)性質

酶

激活劑

抑制劑磷酸果糖激酶NH4+、AMP、Pi檸檬酸、PEP、ATP(濃度較高時)丙酮酸激酶NH4+、K+丙酮酸羧化酶K+天冬氨酸、Pi檸檬酸合成酶NH4+、K+CoA、ATP-Mg異檸檬酸脫氫酶檸檬酸、NADPH、-酮戊二酸琥珀酸脫氫酶草酰乙酸383940結論:

Mn2+缺乏使蛋白質和核酸合成受阻,導致細胞內NH4+水平升高而減少檸檬酸對PFK的抑制，促進了EMP途徑的暢通。

41(2).CO2固定化反應

丙酮酸+CO2+ATP丙酮酸羧化酶草酰乙酸+ADP+Pi①

磷酸烯醇丙酮酸+CO2+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶

草酰乙酸+

ATP②

結論1:

在組成型的丙酮酸羧化酶作用下,丙酮酸固定化CO2生成草酰乙酸,保證檸檬酸的積累。

結論2:

丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA,和CO2固定兩個反應平衡,保持了檸檬酸合成能力。42

(3).三羧酸循環(huán)的調節(jié)

結論:

在三羧酸循環(huán)的發(fā)酵過程中,阻斷順烏頭酸酶水合酶和異檸檬酸脫氫酶的催化反應,建立一種平衡關系，大量積累檸檬酸:

檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7

A.絡合劑(亞鐵氰化鉀)除去Fe2+,順烏頭酸水合酶的活性被抑制。

B.檸檬酸的積累使pH值下降,在低pH值下,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并排出體外。

43二、氨基酸發(fā)酵機制

(一)、氨基酸發(fā)酵的機制和代謝控制

1、氨基酸發(fā)酵機制主要包括：谷氨酸族(谷、瓜、鳥、精氨酸等)、天冬氨酸族(賴、蘇、蛋等)、芳香族(苯丙、酪、色氨酸等)、分枝鏈(亮、異亮、纈氨酸等)。

2、氨基酸發(fā)酵代謝控制的一般措施：

A、控制發(fā)酵的環(huán)境條件；B、控制細胞滲透性；

C、控制旁路代謝；D、消除終產物的反饋調節(jié)作用

E、降低反饋作用物的濃度；F、促進ATP的積累

(二)、谷氨酸發(fā)酵機制

1.谷氨酸生物合成途徑：

EMP途徑、HMP途徑、TCA循環(huán)、DCA循環(huán)、CO2固定作用4445462.谷氨酸生物合成途徑的控制

(1).三羧酸循環(huán)的調節(jié)

通過馴育谷氨酸高產菌控制三羧酸循環(huán)下列酶的活性:

A.α-酮戊二酸脫氫酶應喪失或僅有微弱的活力。

B.CO2固定反應的酶系強,使四碳二羧酸全部是由CO2固定

反應提供,而不走乙醛酸循環(huán),以提高對糖的利用率。

C.谷氨酸脫氫酶的活力很強,并喪失谷氨酸對谷氨酸脫

氫酶的反饋抑制和反饋阻遏。

47(2).氨的導入和控制

氨的導入主要方式:糖代謝中間體還原氨基化;天冬氨酸或丙氨酸通過氨基轉移；谷氨酸合成酶途徑。

谷氨酸發(fā)酵受NH4+的影響。使用生物素缺乏菌,在NH4+存在時,葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸;

當NH4+不存在時,糖的消耗速度很慢,生成物是α-酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。

48

NADP為輔酶的異檸檬酸脫氫酶和NADPH+H+為輔酶的

谷氨酸脫氫酶形成共軛反應,NADP濃度是實際上的

限速因子,添加氧化還原電位與NADP相似的氧化還

原染料,并通以電流可促進還原氨基化作用,增加谷

氨酸產量。

49(3).控制細胞滲透性

A、控制生物素、油酸濃度或添加表面活性劑如吐溫80、陽離子表面活性劑。引起細胞膜的脂肪酸成分的改變,尤其是改變油酸含量,從而改變細胞膜通透性；

B、加入青霉素或控制Mn+、Zn+濃度。抑制細胞壁的合成,由于細胞膜失去細胞壁的保護,細胞膜受到物理損傷,從而使?jié)B透性增強。

C、生產中菌種選育模型與控制方法:生物素缺陷型;油酸缺陷型;甘油缺陷型等。

50

(4).控制發(fā)酵的工藝條件

谷氨酸發(fā)酵是人工控制發(fā)酵條件成功進行大規(guī)模生產的典型例子。

主要的影響因子有：溶解氧、NH4+、pH、磷酸生物素、醇類和NH4Cl。

51三、抗生素發(fā)酵機制

1、抗生素的生物合成類型

A.蛋白質衍生物

簡單的氨基酸衍生物：環(huán)絲氨酸、重氮絲氨酸等；

寡肽抗生素：青霉素、頭孢菌素等；

多肽類抗生素：多粘菌素、桿菌肽等；

多肽大環(huán)內脂抗生素：放線菌素等；

含嘌呤和嘧啶堿基的抗生素：曲古霉素、嘌呤霉素等

522、青霉素、頭孢菌素的生物合成機制

青霉素、頭孢菌素的化學結構如下：53543、鏈霉素的生物合成機制

鏈霉素的化學結構如下：555657

4、抗生素生物合成的代謝調節(jié)方式

(1)、細胞生長期到抗生素產生期的過渡

次級代謝產物是在菌體生長到達相對靜止期才產生。在細胞生長階段,負責次級代謝產物合成的酶受到阻遏。

A.誘導因子在生長期末積累或從外源加入;

B.初級代謝的終點產物耗盡;

C.易被利用的糖源分解代謝物被利用后,便解除了阻遏作用;

D.高能化合物ATP形成減少后，阻遏作用也就解除;

E.在生長期，RNA聚合酶只能啟動生長期基因的轉錄作用；當生長停

止后,酶的結構改變,允許RNA聚合酶啟動生產期基因的轉錄作用,

負責抗生素合成的酶開始生成。

58(2)酶的誘導作用

在抗生素合成期,參與次級代謝的有些酶是誘導酶。

需要底物或底物的結構類似物(外源和內源誘導劑)。

59

(3)分解代謝產物的調節(jié)控制

碳、氮分解代謝產物(如葡萄糖)阻遏和抑制作用,抑制抗生素合成。解除分解產物阻遏的方法:

A.選育對葡萄糖代謝產物類似物抗性突變型;

B.培養(yǎng)過程中利用緩慢的碳源,連續(xù)流加葡萄糖;

C.使用含有慢慢向培養(yǎng)基內滲透營養(yǎng)物質的顆粒。

6061（4）磷酸鹽的調節(jié)

抗生素只有在磷酸鹽含量控制在生長的“亞適量”時才能合成。

磷酸鹽抑制抗生素合成的機制可能有以下二方面：

A.抑制或阻遏抗生素生物合成途徑中有關酶的活力和合成。

B.改變代謝途徑。

C.磷酸鹽可調節(jié)細胞內ATP的形成。

62(5)次級代謝產物的自身反饋調節(jié)

在多種次級代謝產物的發(fā)酵中都發(fā)現了末端產物的反饋調節(jié)作用。

產生菌抗生素的生產能力與自身抑制所需抗生素濃度呈正相關性。因此要選育生產能力強的抗反饋調節(jié)的突變菌株。63(6)初級代謝產物的調節(jié)

某些初級代謝產物可以調節(jié)次級代謝產物的合成的原因:

A.有一條共同的合成途徑,當初級代謝產物積累時,反饋抑制了某一步反應的進行,而最終抑制了次級代謝產物的合成。

B.初級代謝產物直接參與次級代謝產物的生物合成,反饋抑制了它自身的合成時,必然也同時影響了次級代謝產物的合成。

6465(7)細胞膜透性的調節(jié)

細胞膜的運輸影響胞內合成及代謝物分泌和發(fā)酵產物收獲。

在青霉素發(fā)酵中,生產菌細胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的高低。

66(8)次級代謝的能荷調節(jié)

A.能荷調節(jié)機制對次級代謝途徑的控制是有效的。

B.金霉菌菌株的ATP含量在生長期中迅速增加,而在金霉素形成期ATP含量迅速下降,并保持在較低的水平上。低產菌株的ATP量始終比高產茵株大2—4倍。

C.高濃度的磷酸鹽可增加細胞內ATP的形成。

67第四節(jié)微生物發(fā)酵的動力學分批發(fā)酵動力學補料分批發(fā)酵動力學連續(xù)發(fā)酵動力學68一、分批發(fā)酵動力學分批培養(yǎng)的不同階段微生物分批培養(yǎng)的生長動力學方程分批培養(yǎng)時基質的消耗速率分批培養(yǎng)中產物的生成速率分批培養(yǎng)過程的生產率691、分批培養(yǎng)的不同階段分批發(fā)酵隨著微生物生長和繁殖，細胞量、底物、代謝產物的濃度等均不斷發(fā)生變化，微生物的生長可以分為四個階段：延滯期、對數生長期、穩(wěn)定期和衰亡期。702、微生物分批培養(yǎng)的生長動力學方程分批培養(yǎng)發(fā)酵過程中，雖然培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質隨時間的變化而變化，但是通常在特定條件下，其比生長速率往往是恒定的。Monod方程71Monod方程特定溫度、pH值、營養(yǎng)物類型、營養(yǎng)物濃度等條件下，微生物細胞的比生長速率與限制性營養(yǎng)物的濃度之間存在如右關系式。μ——比生產率，1/hμm——最大比生產率1/hKs——飽和常數，g/LS——生長限制基質濃度，g/LMonod方程式適用于條件：

適用于單一基質限制及不存在抑制性物質的情況，其他營養(yǎng)是過量的，且沒有抑制物的生成。72Monod方程Ks代表當比生長速度為最大比生長速度一半時限制性營養(yǎng)物質的濃度。Ks越大，表示微生物對營養(yǎng)物質的吸收親和力越小，反之越大。一般微生物的Ks值都較小。比生長速率與基質濃度的關系73例：乙醇為唯一碳源進行面包酵母培養(yǎng)，獲得如下數據：S(g/L)0.400.330.180.100.0710.0490.0380.0200.014μ(h-1)0.1610.1690.1690.1490.1330.1350.1120.09090.0735求μmax和KS。解：莫諾方程可變形為計算S/μ，繪制曲線。74S(g/L)0.400.330.180.100.0710.0490.0380.0200.014μ(h-1)0.1610.1690.1690.1490.1330.1350.1120.09090.0735S/μ(gh/L)2.481.951.070.670.530.360.340.220.1975由圖中可知：直線截距=0.095,斜率為=5.7865,76微生物底物