及發(fā)酵動力學

及發(fā)酵動力學第1頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三目的與要求：熟悉微生物發(fā)酵機制。了解微生物反應(yīng)過程中的代謝調(diào)控理論。掌握代謝控制發(fā)酵的基本方法，在實踐中實現(xiàn)代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)。熟悉微生物發(fā)酵動力學

第2頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三本章內(nèi)容第一節(jié)微生物的生長第二節(jié)微生物的基本代謝及產(chǎn)物第三節(jié)微生物代謝調(diào)控機制第四節(jié)微生物代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生

第五節(jié)微生物發(fā)酵動力學第3頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)微生物的生長一、微生物的種類及作用二、微生物的營養(yǎng)類型三、微生物的生長與分化四、微生物生長的測定第4頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三一、微生物的種類及作用微生物的種類（可分為三大類）：Ⅰ、非細胞型微生物:病毒。Ⅱ、原核細胞型微生物:僅有原始細胞核。如細菌、放線菌等。Ⅲ、真核細胞型微生物:霉菌、酵母菌和單細胞藻類，原生動物。第5頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三微生物的作用：

微生物是生物反應(yīng)過程的催化劑，催化原料轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品。微生物如同一個微小的容器，原料中的反應(yīng)物透過微生物細胞周圍的細胞壁和細胞膜進入微生物體內(nèi)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。第6頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三二、微生物的營養(yǎng)類型微生物營養(yǎng)類型的分類：（根據(jù)微生物對碳源和能源的需求不同）光能自養(yǎng)、光能異養(yǎng)、化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)營養(yǎng)物質(zhì)是微生物生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，根據(jù)微生物的營養(yǎng)類型提供合適的碳源、能源，以實現(xiàn)其生長繁殖。工業(yè)上應(yīng)用的微生物絕大多數(shù)屬于化能異養(yǎng)型，他們以外界有機化合物為碳源，在細胞內(nèi)代謝得到化學能和生物合成材料，實現(xiàn)生長繁殖。第7頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三三、微生物的生長與分化1、微生物的生長繁殖2、微生物的生長曲線3、微生物細胞的分化第8頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三1、微生物的生長繁殖生長——代謝過程中同化作用的速度超過異化作用時，細胞的原生質(zhì)總量不斷增加。繁殖——細胞分裂而出現(xiàn)細胞個體數(shù)目的增加。細菌的生長繁殖——無性二等分分裂法放線菌的生長繁殖——無性孢子進行霉菌的生長繁殖——無性孢子和有性孢子進行酵母菌的生長繁殖——發(fā)芽形式進行第9頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三微生物細胞在生長過程中的變化：使微生物自身變化：其形態(tài)、組成、活性都處在動態(tài)變化過程中，使其經(jīng)歷生長、繁殖、維持、死亡等階段。使環(huán)境變化：使反應(yīng)系統(tǒng)中的環(huán)境條件也處在動態(tài)變化之中。第10頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三2、微生物的生長曲線細菌數(shù)目的對數(shù)倍增速率0+-abce時間細菌的典型生長曲線穩(wěn)定期死亡期對數(shù)生長期延滯期倍增速率第11頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三3、微生物細胞的分化定義：從營養(yǎng)菌絲體產(chǎn)生不同形態(tài)類型細胞的過程。分為：菌體營養(yǎng)細胞的分化和孢子的形成。微生物細胞的分化使細胞的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，而細胞的分化受到遺傳性和環(huán)境因素的相互作用所控制。第12頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三四、微生物生長的測定群體的重量細胞數(shù)不是測定細胞個體的重量或大小第13頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三1、計數(shù)器計數(shù)法濁度計比濁法：

測定稀的細胞懸液的透光量，間接測出細胞數(shù)量的生長。計數(shù)器計數(shù)法：

在顯微鏡下用血球計數(shù)器直接數(shù)出酵母菌或霉菌孢子數(shù)目，以及用細菌計數(shù)片直接測出細菌數(shù)的生長。第14頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三采用血球計數(shù)板測定細胞個數(shù)的程序

第15頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三2、測定細胞重量細胞干重稱量法:

直接測定單位體積培養(yǎng)物的細胞干重，由此代表菌體細胞物質(zhì)總量的生長。細胞堆積容積測量法:

用錐形刻度管測量經(jīng)離心的細胞沉淀物的容積，由此間接表示細胞重量的生長。細胞組成分析法:

測定一種大分子的細胞組成(蛋白質(zhì)、RNA、DNA等)，間接地算出細胞重量的生長。第16頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三營養(yǎng)物消耗分析法:

測定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)物（磷酸鹽、硫酸鹽等）的消耗，由此間接表示細胞重量的生長。產(chǎn)物重量分析法:

測定培養(yǎng)中途形成的二氧化碳、氫、ATP

等產(chǎn)物，由此間接地換算出細胞重量的生長。第17頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)微生物的基本代謝及產(chǎn)物一、微生物代謝的基本類型二、微生物代謝的產(chǎn)物

（p77-78）第18頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三一、微生物代謝的基本類型（一）微生物的代謝微生物的新陳代謝：是指發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。而分解代謝與合成代謝中還包含了初級代謝和次級代謝。

即：新陳代謝=分解代謝+合成代謝第19頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（二）分解代謝定義：是指微生物將從環(huán)境中吸收的各種碳源和氮源中復(fù)雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，降解為簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當量，一般用[H]來表示）的過程。作用：它為細胞生命活動提供能源和小分子中間體。第20頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（三）合成代謝定義：合成代謝與分解代謝正好相反，是指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和[H]形式的還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。作用：利用分解代謝的能量和中間體合成氨基酸、核酸等單體物質(zhì)，以及蛋白質(zhì)、核酸、多糖等多聚物。第21頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（四）分解代謝與合成代謝的關(guān)系第22頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（五）微生物初級代謝（p77）定義：是指微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，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(zhì)和能量的過程。作用特點：初級代謝作用是生命活動的最基本特征，是生物體進行一切生化反應(yīng)的總稱。它為生物提供能量、合成中間體及其關(guān)鍵大分子，如蛋白質(zhì)、核酸等的各種相互關(guān)聯(lián)的代謝網(wǎng)絡(luò)（包括分解與合成），是生物體生長、繁殖必需的代謝。初級代謝主要包括:糖代謝、氮代謝、脂肪代謝、烴代謝等。發(fā)酵獲得大量產(chǎn)物或細胞最有潛力的途徑是已糖和烷烴的分解代謝。第23頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三

分解代謝－微生物通過氧化有機物質(zhì)（如葡萄糖和其它碳水化合物）獲得能量的反應(yīng)基礎(chǔ)物質(zhì)代謝合成代謝－（獲得能量后）合成自新物質(zhì)的反應(yīng)能量通過細胞內(nèi)ATP進行傳遞和轉(zhuǎn)移。工業(yè)生產(chǎn)中,分解己糖或烷烴可獲得大量的細胞和產(chǎn)物，是最重要的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化途徑。第24頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（六）微生物的次級代謝（p77）次級代謝：是指存在于某些生物中，并在它們一定的生長時期內(nèi)出現(xiàn)的，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物無明確功能的物質(zhì)的過程。它是生物（某些植物、微生物）為避免代謝過程中，某種代謝產(chǎn)物的積累造成的不利作用，而產(chǎn)生的一類有利于其生存的代謝類型。它是生物在一些條件下通過突變獲得的一種適應(yīng)生存方式。第25頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（七）初級代謝與次級代謝的關(guān)系初級代謝與次級代謝有一定的聯(lián)系與區(qū)別，初級代謝中產(chǎn)生的一些小分子物質(zhì)是次級代謝途徑中的原料。次級代謝途徑同初級代謝途徑的分解代謝、無定向代謝和組成代謝緊密相關(guān)，其前體通常是正常的或經(jīng)修飾的初級代謝的中間體。

次級代謝產(chǎn)物是以初級代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨立的。如許多抗生素的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級代謝產(chǎn)物構(gòu)成的。糖代謝中間體，既可用來合成初級代謝產(chǎn)物，又可用來合成次級代謝產(chǎn)物，這種中間體叫做分支中間體。第26頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三二、微生物代謝的產(chǎn)物（一）微生物初級代謝的產(chǎn)物（二）微生物次級代謝的產(chǎn)物第27頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（一）微生物初級代謝的產(chǎn)物（p77）微生物初級代謝產(chǎn)物：是指伴隨微生物正常代謝作用所產(chǎn)生的微生物自身繁殖所必需的代謝產(chǎn)物。種類：由單體組成的各種大分子聚合物：蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂肪等。作用：它們都是機體生存不可缺少的物質(zhì)，在這些物質(zhì)的合成中任何環(huán)節(jié)發(fā)生障礙有可能引發(fā)生長停止，甚至導致機體發(fā)生突變式死亡。第28頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三特點：一般不分泌到微生物體外，而只有當微生物細胞生物合成受阻或外源碳源濃度較高的情況下，才會有大量的積累和外流。微生物初級代謝產(chǎn)物的用途：食品、釀造、紡織制革、醫(yī)藥和生化試劑等各個領(lǐng)域。第29頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（二）微生物次級代謝的產(chǎn)物（p77）微生物次級代謝產(chǎn)物：是指由微生物細胞合成的,分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的，而對微生物的生命活動沒有明確功能的物質(zhì)。特點：它既不參與細胞組成,又不是酶的活性基團，也不是細胞的儲存物質(zhì)，它們中的大多數(shù)分泌到微生物的體外。種類：抗生素、生物堿、毒素、激素和色素等。作用:許多與人類的生活和健康長壽有密切的關(guān)系。目前研究最多的是抗生素。第30頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)

微生物的代謝調(diào)控機制一、微生物自身代謝的特點二、微生物的初級代謝調(diào)節(jié)三、微生物的次級代謝調(diào)節(jié)（p78-82）第31頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三一、微生物自身代謝的特點

在生物進化過程中，微生物細胞形成了愈來愈完善的代謝調(diào)節(jié)機制，在代謝繁殖過程中，能量的利用以及對細胞生長繁殖過程中所需的各種物質(zhì)的形成是非常合理和經(jīng)濟的，細胞經(jīng)常處于平衡生長狀態(tài)，不會有代謝產(chǎn)物的積累，從而保證細胞內(nèi)各種物質(zhì)需要的平衡。第32頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三

現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)研究的主要內(nèi)容：

就是通過改變培養(yǎng)條件和遺傳特性，使微生物的代謝途徑改變或代謝調(diào)節(jié)失控而獲得某一發(fā)酵產(chǎn)物的過量產(chǎn)生。

其方法大體可分為兩類：通過微生物育種改變產(chǎn)生菌的基因型從而改變代謝途徑；控制微生物的各種培養(yǎng)條件，影響其代謝過程，改變控制代謝速率，即影響基因型的表達。

第33頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三微生物代謝調(diào)節(jié)：是指微生物的代謝速度和方向按照微生物的需要而改變的一種作用。酶量的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)微生物代謝的控制：是指運用人為的方法對微生物的代謝調(diào)節(jié)進行遺傳改造和條件的控制，以期按照人們的愿望，生產(chǎn)有用的微生物制品。第34頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三二、微生物初級代謝的調(diào)節(jié)

（p79-81）初級代謝調(diào)節(jié)的方式：酶活性的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)能量負荷調(diào)節(jié)第35頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，但由于微生物細胞內(nèi)的所有生化反應(yīng)都是在酶的催化作用下完成的，因此，對酶的調(diào)控是最主要的和最有效的調(diào)控方式。它包括兩個方面：一是調(diào)節(jié)酶的合成量；二是調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的催化活力。第36頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（一）酶活性的調(diào)節(jié)(p79-80)概念酶活性調(diào)節(jié)：是指一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。影響因素底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度環(huán)境因子(如壓力、pH、離子強度和輔助因子等)其他的酶的存在調(diào)節(jié)方式激活已有酶的活性抑制已有酶的活性第37頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三1、酶活性的激活（p79）激活：在激活劑的作用下，使原來無活性的酶變成有活性，或使原來活性低的酶提高了活性的現(xiàn)象。代謝調(diào)節(jié)的激活作用：主要是指代謝物對酶的激活。前體激活：指分解代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個中間產(chǎn)物所促進。代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：指代謝中間產(chǎn)物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用。酶活性的調(diào)節(jié)第38頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三前體激活和反饋激活示意圖ABCDFAB?

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?GCDEE+++例1:糖代謝途徑中丙酮酸積累激活丙酮酸羧化酶例2：乙酰CoA的積累激活PEP羧化酶第39頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三酶

的

反

饋

激

活葡萄糖草酰乙酸丙酮酸羧化酶乙酰CoA活化磷酸烯醇式丙酮酸檸檬酸-酮戊二酸1，6-二磷酸果糖第40頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三2、酶活性的抑制（p79）抑制：由于某些物質(zhì)的存在，降低酶活性的現(xiàn)象。反饋抑制：反饋抑制是指合成途徑的末端產(chǎn)物對前段的某一個酶(往往是代謝途徑的第一個酶)活性的抑制。常見于合成代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，即對合成反應(yīng)的關(guān)鍵酶進行反饋抑制，以減慢或中止生物合成，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。（在酶促反應(yīng)中加入某低分子質(zhì)量的物質(zhì)后，酶活性降低或喪失的現(xiàn)象）。種類：直線代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制酶活性的調(diào)節(jié)第41頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（1）無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。酶活性的調(diào)節(jié)第42頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三如，在大腸桿菌中，由蘇氨酸(Thr)合成異亮氨酸(IIeu)時，當異亮氨酸過量時，異亮氨酸對催化反應(yīng)途徑中的第一步反應(yīng)的蘇氨酸脫氨酶(TD)有抑制作用。蘇氨酸α-酮丁酸異亮氨酸

TD酶活性的調(diào)節(jié)第43頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（2）分支代謝途徑的調(diào)節(jié)（p79-80）在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支合成代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式較復(fù)雜，其共同特點是每個分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點后的第一個酶，同時每個末端產(chǎn)物又對整個途徑的第一個酶有部分的抑制作用。分支代謝的反饋調(diào)節(jié)方式:同工酶的反饋抑制協(xié)同反饋抑制累積反饋抑制順序反饋抑制超相加反饋抑制酶活性的調(diào)節(jié)第44頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三①同工酶的反饋抑制同功酶：是指能催化同一生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的一類酶。特點：途徑中第一個反應(yīng)被兩個不同的酶所催化，一個酶被H抑制，另一個酶被G抑制。只有當H和G同時過量才能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)锽。第45頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三例如，大腸桿菌以天門冬氨酸為前體合成蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(Ileu)、甲硫氨酸(Met)和賴氨酸(Lys)的代謝途徑中有三種天門冬氨酸激酶的同功酶(AKI、AKII和AKIII)和兩種高絲氨酸脫氫酶的同功酶(HSDHI和HSDHII)。其中AKI和HSDHI受到蘇氨酸、異亮氨酸的反饋抑制和阻遏，AKII和HSDHII受甲硫氨酸的反饋抑制和阻遏；AKIII受賴氨酸的反饋抑制和阻遏。

第46頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三②協(xié)同反饋抑制在分支代謝系統(tǒng)中，幾種末端產(chǎn)物同時都過量，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用。如果末端產(chǎn)物單獨過量則對途徑中的第一個酶無抑制作用。第47頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三

例如，莢膜紅假單胞菌中天門冬氨酸族氨基酸生物合成途徑中，天門冬氨酸激酶(AK)是受末端產(chǎn)物賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制。第48頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三③累積反饋抑制在分支代謝途徑中各種末端產(chǎn)物單獨過量時，它們各自能對途徑中的第一個反應(yīng)的酶僅產(chǎn)生較小的抑制作用。一種末端產(chǎn)物單獨過量并不影響其它末端產(chǎn)物的形成，只有當幾種末端產(chǎn)物同時過量時，才對途徑中的第一個酶產(chǎn)生較大的抑制。酶活性的調(diào)節(jié)第49頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三谷氨酰胺由谷氨酸、銨和ATP合成。谷氨酰胺中的酰胺基是色氨酸、組氨酸、氨基甲酰磷酸、6-磷酸葡萄糖胺、CTP、AMP、GMP等化合物生物合成過程中的氮源。谷氨酰胺合成酶被谷氨酰胺代謝的每種末端產(chǎn)物以及丙氨酸和甘氨酸所累積抑制。谷氨酰胺合成酶對這些抑制物中的每一種末端產(chǎn)物均有特異的結(jié)合部位。當上述8種末端產(chǎn)物同時過量都與酶結(jié)合時，谷氨酰胺合成酶的活性將受到最大的抑制。大腸桿菌谷氨酰胺合成酶(GS)活性的調(diào)節(jié)第50頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三④順序反饋抑制分支代謝途徑中的兩個末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應(yīng)步驟，造成分支點上中間代謝產(chǎn)物的積累，該產(chǎn)物再抑制第一個酶的活性。因此，只有當兩個末端產(chǎn)物都過量時，才能對途徑中的第一個酶有抑制作用。酶活性的調(diào)節(jié)第51頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三例如，枯草桿菌在芳香族氨基酸合成中，色氨酸(Try)抑制鄰氨基苯甲酸合成酶(AS)，苯丙氨酸(Phe)抑制預(yù)苯酸脫水酶(PT)，酪氨酸(Tyr)抑制預(yù)苯酸脫氫酶(PD)，預(yù)苯酸和分支酸又部分地抑制7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶(DS)。PEP：磷酸烯醇丙酮酸；E4P：4-磷酸赤蘚糖；DAHP：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸；CA：分支酸；Per：預(yù)苯酸；AA：鄰氨基苯甲酸；HPPA：對羥基苯丙酮酸；PPA：苯丙酮酸；Tyr：酪氨酸；Try：色氨酸；Phe：苯丙氨酸；I：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶；II：鄰氨基苯甲酸合成酶；III：分支酸變位酶；IV：預(yù)苯酸脫氫酶；V：預(yù)苯酸脫水酶第52頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三⑤超相加反饋抑制超相加反饋抑制是一種既不同于協(xié)同反饋抑制又不同于累積反饋抑制。對一個分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物單獨過量時，僅產(chǎn)生對共同途徑的第一個酶部分的抑制。如果每種末端產(chǎn)物都過量時，其抑制作用則超過各種末端產(chǎn)物單獨過量時抑制的總和。酶活性的調(diào)節(jié)第53頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途徑中，催化第一步反應(yīng)的酶，5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)的酰胺基轉(zhuǎn)移酶，可被各種嘌呤核苷酸產(chǎn)物(如AMP、GMP)所抑制。例如，一定量的GMP或AMP僅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸酰胺基轉(zhuǎn)移酶活力的10％，而當二者混合時，則可抑制其酶活力的50％。第54頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（二）酶合成的調(diào)節(jié)

（p80-81）酶合成調(diào)節(jié)的特點：酶合成調(diào)節(jié)的方式：酶合成的誘導酶合成的阻遏第55頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三酶合成調(diào)節(jié)的特點：特點：與調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，是通過調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)，是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其優(yōu)點則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時存在且密切配合、協(xié)調(diào)進行的。第56頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三1、酶合成的誘導酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的誘導：即誘發(fā)酶的合成。凡能促進細胞內(nèi)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導。酶的分類：根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導酶兩類。（1）組成酶此類酶不受底物影響，不論細胞在什么培養(yǎng)基內(nèi)生長都有相當?shù)臐舛?，稱之為組成酶。如分解葡萄糖的EMP途徑中的各種酶。第57頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（2）誘導酶

誘導酶：在一般情況下不合成，只有在其底物或結(jié)構(gòu)類似物存在時才合成的酶稱之為誘導酶。誘導酶是細胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。誘導物：能夠誘導酶合成的物質(zhì)稱之為該酶的誘導物。誘導物可以是基質(zhì)、基質(zhì)的衍生物、該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)，甚至是產(chǎn)物。誘導的作用：使微生物增強了對環(huán)境的適應(yīng)能力，對于酶本身來說，需要時合成，不需要時就不合成，避免了合成原料和能量的浪費。第58頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三酶合成的誘導類型：A同時誘導：即當誘導物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到E．coli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成。B順序誘導：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。第59頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三2、酶合成的阻遏酶合成的阻遏：即阻止酶的合成。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。作用：在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用反饋抑制的方式來抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)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(chǎn)物的合成。酶合成的調(diào)節(jié)第60頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三酶合成反饋阻遏的兩種類型：末端代謝產(chǎn)物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏第61頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（1）末端產(chǎn)物阻遏是由于某代謝途徑末端產(chǎn)物積累過量，而阻止整個代謝途徑酶（一個或多個）合成的現(xiàn)象。酶合成的調(diào)節(jié)第62頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三反饋阻遏的作用：阻遏酶的生成、降低反應(yīng)速度，使終產(chǎn)物的數(shù)量控制在最適合的水平。特點：其調(diào)節(jié)速度比反饋抑制調(diào)節(jié)慢得多。它單獨作用時，代謝還將繼續(xù)進行，直至先前存在的酶由于細胞生長而被稀釋為止。而終產(chǎn)物的反饋抑制可彌補這種不足，使某一代謝途徑的運行立即中止。所以，這兩種作用相輔相成。它們聯(lián)合作用可使細胞合成途徑達到高效調(diào)節(jié)。第63頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三對直線式反應(yīng)途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。第64頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（2）分解代謝物阻遏指細胞內(nèi)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(guān)酶合成的現(xiàn)象。即當培養(yǎng)基中有兩種以上可利用的基質(zhì)時，能夠被微生物先利用的基質(zhì)會阻遏對后利用基質(zhì)有關(guān)酶的合成，使微生物先產(chǎn)生酶分解最易利用的基質(zhì)，在該基質(zhì)耗竭之后才形成分解第二種基質(zhì)的酶。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(jié)果，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。第65頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三如將大腸桿菌培養(yǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中時，大腸桿菌優(yōu)先利用葡萄糖，只有在葡萄糖用完后才去利用乳糖。此現(xiàn)象就是分解代謝產(chǎn)物阻遏酶的合成的例子，即葡萄糖用完后，分解乳糖的酶系才開始誘導合成，乳糖才能開始被利用。原因：葡萄糖代謝阻遏作用實際上并不是葡萄糖本身起到阻遏作用，而是它的分解代謝產(chǎn)物起到的阻遏作用，阻遏了分解乳糖酶系的合成。第66頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（三）能量負荷（也稱腺苷酸）調(diào)節(jié)能量負荷調(diào)節(jié)：是指能荷（ATP）對利用ATP的合成代謝途徑的酶活性或形成ATP的分解代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)。即ATP含量的變化將引起與這些合成酶、分解酶相關(guān)的代謝反應(yīng)的變化，由此來調(diào)節(jié)某些產(chǎn)物的合成。例如：在金霉素的生物合成中，高濃度的ATP能夠控制糖代謝的一些關(guān)鍵分支酶的活性。其中，磷酸果激酶、檸檬酸脫氫酶受到抑制，丙酮酸羧化酶、乙酰輔酶A羧化酶得到激活。第67頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三二、微生物次級代謝的調(diào)節(jié)

（p82）初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)碳代謝物的調(diào)節(jié)作用氮代謝物的調(diào)節(jié)作用磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用次級代謝中的誘導作用及產(chǎn)物的反饋作用次級代謝中細胞膜透性調(diào)節(jié)第68頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三抗生素等次級代謝產(chǎn)物生物合成的調(diào)控機制，調(diào)節(jié)方式有以上幾種，其調(diào)節(jié)機制可能是調(diào)節(jié)參與次級代謝的關(guān)鍵酶的活性，也可能是調(diào)節(jié)酶的合成。這些有待于今后的研究。第69頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（一）初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)許多次級代謝產(chǎn)物的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級代謝產(chǎn)物是以初級代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨立的，而是與初級代謝途徑有密切關(guān)系的。因此次級代謝必然會受到初級代謝的調(diào)節(jié)。例如青霉素的合成會受到賴氨酸的強烈抑制，而賴氨酸合成的前體α-氨基己二酸可以緩解賴氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。這是因為

α-氨基己二酸是合成青霉素和賴氨酸的共同前體。如果賴氨酸過量，它就會抑制這個反應(yīng)途徑中的第一個酶，減少α-氨基己二酸的產(chǎn)量，從而進一步影響青霉素的合成。第70頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（二）碳源代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)：指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代謝產(chǎn)物，對其他代謝中的酶(包括分解酶和合成酶)的調(diào)節(jié)。從而影響次級代謝產(chǎn)物的生物合成。分為分解產(chǎn)物阻遏和抑制兩種。葡萄糖是菌體生長良好的碳源和能源，但對青霉素、頭孢菌素、卡那霉素、新霉素、絲裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用，就是因為碳分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)，抑制了相關(guān)酶的合成的結(jié)果。第71頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（三）氮代謝物的調(diào)節(jié)作用在次級代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)。即被迅速利用的氮源(銨鹽、硝酸鹽、某些氨基酸)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸鹽還原酶、酰胺酶、脲酶、組氨酸酶)的合成。從而對次級代謝產(chǎn)物有著較為強烈的調(diào)節(jié)作用。如在抗生素生產(chǎn)中使用黃豆餅粉就是由于它緩慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，可防止或減弱氮分解代謝產(chǎn)物阻遏作用。第72頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（四）磷酸鹽的調(diào)節(jié)磷酸鹽不僅是菌體生長的主要限制性營養(yǎng)成分，還是調(diào)節(jié)抗生素生物合成的重要參數(shù)。機制：按效應(yīng)劑說有直接作用，即磷酸鹽自身影響抗生素合成；間接作用，即磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其他效應(yīng)劑(如ATP、腺苷酸能量負荷和cAMP)，進而影響抗生素合成。已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對四環(huán)素、氨基糖苷類和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗生素的合成產(chǎn)生阻抑作用。第73頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（四）細胞膜透性的調(diào)節(jié)外界物質(zhì)的吸收或代謝產(chǎn)物的分泌都需經(jīng)細胞膜的運輸，如發(fā)生障礙，則胞內(nèi)合成代謝物不能分泌出來，影響發(fā)酵產(chǎn)物收獲，或胞外營養(yǎng)物不能進入胞內(nèi)，也影響產(chǎn)物合成，使產(chǎn)量下降。如在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生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。如果輸入硫化物能力增加，硫源供應(yīng)允足，合成青霉素的量就增多。第74頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)微生物代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生

（p82-83）提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法高濃度微生物的培養(yǎng)（即通過對微生物代謝的人為控制實現(xiàn)代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)。）第75頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三一、提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法

1、使用誘導物原因：水解酶類大都屬誘導酶類。措施：因此向培養(yǎng)基中加入誘導物就會增加胞外酶的產(chǎn)量。如加入槐糖(1，2-β-D-葡二糖)誘導木霉菌的纖維素酶的生成，木糖誘導半纖維素酶和葡萄糖異構(gòu)酶的生成等。誘導物的濃度過高及能被迅速利用時，會發(fā)生酶合成的阻遏，這在纖維二糖對纖維素酶的產(chǎn)生，木二糖對半纖維素酶產(chǎn)生中都己觀察到，這也是使用誘導物時應(yīng)予注意的。

第76頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三2、除去誘導物——選育組成型產(chǎn)生菌在發(fā)酵工業(yè)中，要選擇到一種廉價、高效的誘導物是不容易的，分批限量加入誘導物在工藝上也多有不便，更為有效的方法是改變菌株的遺傳特性，除去對誘導物的需要，即選育組成型突變株。通過誘變處理，使調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，不產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白，或者操縱基因發(fā)生突變不再能與阻遏物相結(jié)合，都可達到此目的。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第77頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計選育組成型突變株的方法的原則是創(chuàng)造一種利于組成型菌株生長而不利于誘導型菌株生長的培養(yǎng)條件，造成對組成型的選擇優(yōu)勢以及適當?shù)淖R別兩類菌落的方法，從而把產(chǎn)生的組成型突變株選擇出來。連續(xù)培養(yǎng)法交替培養(yǎng)法在平板上識別組成型突變株的方法：透明圈、變色圈。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第78頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三3、降低分解代謝產(chǎn)物濃度，減少阻遏的發(fā)生原因：高分子的多糖類、蛋白質(zhì)等的分解代謝產(chǎn)物(如能被迅速利用的單糖、氨基酸以及脂肪酸、磷酸鹽等)都會阻遏分解其聚合物的水解酶類的生成。措施：用限量流加這類物質(zhì)或改用難以被水解的底物的方法，都可減少阻遏作用的發(fā)生，而獲得較高的酶產(chǎn)量。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第79頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三4、解除分解代謝阻遏——篩選抗分解代謝阻遏突變株從遺傳學角度來考慮，如調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，使產(chǎn)生的阻遏蛋白失活，不能與末端分解代謝產(chǎn)物結(jié)合，稱為隱性突變?；虿倏v基因發(fā)生突變使阻遏蛋白不能與其結(jié)合，都能獲得抗分解代謝阻遏的突變株，稱為顯性突變。這兩種方法都能導致酶的過量產(chǎn)生。提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第80頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三可以直接以末端代謝產(chǎn)物為底物來篩選抗阻遏突變株。如以葡萄糖、甘油為碳源篩選纖維系酶抗阻遏突變株。更多地是利用選育結(jié)構(gòu)類似物抗性菌株的方法。選育結(jié)構(gòu)類似物抗性菌株的方法所依據(jù)的機制：結(jié)構(gòu)類似物由于在分子結(jié)構(gòu)上與分解代謝的未端產(chǎn)物相類似。因此，它也能與阻遏蛋白相結(jié)合。如調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變而使阻遏蛋白不能與結(jié)構(gòu)類似物結(jié)合，即出現(xiàn)抗性菌株。由于分子結(jié)構(gòu)上的類似，這種抗性菌株產(chǎn)生的阻遏蛋白也不能與正常的分解代謝產(chǎn)物相結(jié)合，即同時也具有對相應(yīng)的分解代謝產(chǎn)物阻遏作用的抗性，而能導致相應(yīng)酶類的過量生產(chǎn)。（即不產(chǎn)生阻遏了）

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第81頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)構(gòu)類似物及代謝末端產(chǎn)物：提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第82頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三5、解除反饋抑制——篩選抗反饋抑制突變株選育對末端產(chǎn)物有抗性的突變株如天冬氨酸激酶是賴氨酸生物合成途徑中的調(diào)節(jié)酶，由黃色短桿菌分離到對賴氨酸的類似物(2-氨基半胱氨酸)有抗性的突變株，它對天冬氨酸激酶的反饋抑制不敏感，賴氨酸的產(chǎn)量可達57mg／m1。

選育營養(yǎng)缺陷型如谷氨酸經(jīng)過乙酰谷氨酸、鳥氨酸、瓜氨酸而合成精氨酸。選育精氨酸缺陷型，就能得到瓜氨酸的過量生產(chǎn)。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第83頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三6、防止回復(fù)突變的產(chǎn)生和篩選負變菌株的回復(fù)突變株選育雙重營養(yǎng)缺陷型。可在培養(yǎng)液中加入適量結(jié)構(gòu)類似物，以防止抗結(jié)構(gòu)類似物的高產(chǎn)菌株的回復(fù)突變株的增殖。利用高產(chǎn)株和回復(fù)突變株對抗生素敏感性的不同，加適量抗生素防止回復(fù)株增殖。負變菌株的回復(fù)突變株可用來提高代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生。提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第84頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三7、改變細胞膜的通透性微生物細胞吸收作為代謝所需要的底物和離子是依靠定位在細胞膜上的主動輸送系統(tǒng)來進行，與產(chǎn)能代謝過程相偶聯(lián)。輸送系統(tǒng)有高度的專一性，這主要取決于其蛋白質(zhì)的組成，即透性酶。細胞內(nèi)形成的代謝產(chǎn)物排出細胞時，也與細胞膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)。當控制物理、化學條件或者篩選細胞膜、細胞壁結(jié)構(gòu)組成的突變株以改進物質(zhì)的進出速率。影響代謝過程時，都有可能造成代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第85頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三8、篩選抗生素抗性突變株抗生素種類繁多，其抑制微生物代謝的機制各不相同，一些主要抗生素的作用機制已比較清楚。篩選抗生素抗性突變體，也能取得由此而改變代謝調(diào)節(jié)，獲得過量生產(chǎn)的結(jié)果。衣霉素可抑制細胞膜糖蛋白的生成。枯草桿菌的衣霉素抗性突變株的α-淀粉酶的產(chǎn)量較親株提高了5倍（分泌機制改變的結(jié)果）?？估Ｆ降南灎钛勘U菌的無芽孢突變株的β-淀粉酶產(chǎn)量提高了7倍（芽孢形成的延遲利于β-淀粉酶的形成，而抗利福平的突變株往往失去了形成芽孢的能力）。提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第86頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三9、選育條件抗性突變株因環(huán)境不同，能表現(xiàn)為“野生型”菌株的特性和突變型菌株特性的突變被稱為條件抗性突變或稱為條件致死突變。其中溫度敏感型突變常被用于提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。適于在中溫條件下(如37°C左右)生長的細菌，經(jīng)誘變后可得到在較低溫度下生長而在較高溫度(如37°C以上)不能生長的突變株，即溫度敏感型突變株。這是由于某一酶蛋白結(jié)構(gòu)改變后，在高溫條件下活力喪失的緣故。如此酶為蛋白質(zhì)、核苷合成途徑上的酶，則此突變株在高溫條件下的表型就是營養(yǎng)缺陷型。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第87頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三10、調(diào)節(jié)生長速率在酶的誘導合成研究中發(fā)現(xiàn)，一些物質(zhì)具有誘導效應(yīng)及難被利用；與其只能維持較低的生長速率有關(guān)。而起阻遏作用的物質(zhì)則都是易被迅速利用和能維持高的生長速率。估計這是因為誘導、阻遏的發(fā)生都與產(chǎn)能代謝有關(guān)而造成的。因此，改變培養(yǎng)條件如溫度、供氧量等以控制生長速率，也能獲得一定效果。

里氏木霉纖維素酶的大量合成是在菌體大量形成時，如控制它的比生長速率近于零，則能在一較長時間內(nèi)持續(xù)合成纖維素酶并獲得高產(chǎn)。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第88頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三11、加入酶的競爭性抑制劑生物化學上把底物和抑制劑與酶相結(jié)合時呈現(xiàn)的互相排斥現(xiàn)象稱為競爭性抑制，即酶與抑制劑結(jié)合后就不能與底物相結(jié)合，反之亦然。

葡萄糖經(jīng)不完全氧化(酵解)生成丙酮酸，脫羧生成乙酰輔酶A，進入TCA循環(huán)。乙酰輔酶A與草酰乙酸經(jīng)檸檬酸合成酶催化，把乙?；梢阴］o酶A轉(zhuǎn)移至草酰乙酸而成為檸檬酸。檸檬酸又因烏頭酸酶的存在而和它的異構(gòu)體順烏頭酸、異檸檬酸呈平衡。單氟乙酸在微生物細胞內(nèi)可轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏鷻幟仕幔怂崤c烏頭酸酶有競爭性抑制，因此，向培養(yǎng)基中加入單氟乙酸可導致檸檬酸的積累，減少異檸檬酸的生成。由此，篩選不能利用檸檬酸或?qū)畏宜崦舾械耐蛔円m，都達到了提高檸檬酸產(chǎn)量和減少異檸檬酸生成的結(jié)果。這些突變株的烏頭酸酶的活力都比較低。提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第89頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三二、提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法（一）次級代謝物合成的特點次級代謝物合成過程遠較初級代謝產(chǎn)物復(fù)雜。次級代謝產(chǎn)物則需要復(fù)雜的營養(yǎng)條件。在分批培養(yǎng)條件下，次級代謝產(chǎn)物一般都是在菌體生長的峰值出現(xiàn)后才大量合成。第90頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（二）提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法

提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法1、補加前體類似物在合成途徑已基本清楚的條件下，向發(fā)酵培養(yǎng)基中補加前體是增加次級產(chǎn)物的有效方法。如青霉素G的生產(chǎn)中，苯乙酰-CoA是限速性因子，補加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的產(chǎn)量。

次級代謝產(chǎn)物形成中并不是所有前體類似物都是限制性因子。加入前體提高產(chǎn)量的效果更取決于總體代謝的調(diào)節(jié)水平。前體物質(zhì)本身是否易于得到等，這都是在生產(chǎn)應(yīng)用中需綜合考慮的。第91頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法2、加入誘導物把一些對次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)生有誘導作用的物質(zhì)加入發(fā)酵培養(yǎng)基中會增加產(chǎn)量。如加蛋氨酸或硫脲可使頂頭孢霉增產(chǎn)頭孢霉素C，加入巴比妥可提高利福霉素產(chǎn)量等。但在工業(yè)生產(chǎn)中還未普遍應(yīng)用此技術(shù)，而只是在選擇培養(yǎng)基組成時給以考慮。第92頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三3、防止碳分解代謝阻遏或抑制的發(fā)生青霉素發(fā)酵中限量流加葡萄糖(或糖蜜)以減少碳分解阻遏的發(fā)生，是一項很有效的提高產(chǎn)量的方法。使用寡糖、多糖等緩慢利用的碳源，葡萄糖與麥芽糖、葡萄糖與蔗糖、葡萄糖與淀粉混合碳源的利用，也都能減少碳分解阻遏的發(fā)生。加入影響糖代謝的硫氰酸芐酯可使金霉菌對葡萄糖的利用速度減緩，可增加金霉素的產(chǎn)量。提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第93頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三4、防止氮代謝阻遏的發(fā)生避免使用高濃度的銨鹽做氮源以防止氮代謝阻遏的發(fā)生，是抗生素發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中比較成熟的經(jīng)驗。在抗生素產(chǎn)生期如補加氮源則會造成發(fā)酵逆轉(zhuǎn)，返回生長期，抗生素的產(chǎn)量會大為減少。使用亞適量(對菌體生長)的磷酸鹽，亦是抗生素發(fā)酵工業(yè)中遵循的原則之一。為防止氮、磷分解阻遏的發(fā)生，應(yīng)選用黃豆餅粉、蛋白胨類物質(zhì)為主要原料，而盡量少用易被迅速利用的無機氮源。

提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第94頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三5、篩選耐前體或前體類似物的突變株加入前體有提高次級產(chǎn)物產(chǎn)量的效果；但過量對菌體又會有毒。篩選對前體有抗性的突變株以減少或消除前體的反饋阻遏，從而可獲得高產(chǎn)。如抗苯乙酸的青霉突變株，其青霉素的產(chǎn)量會增加。半胱氨酸、纈氨酸是β-內(nèi)酰胺類抗生素的前體，篩選上述氨基酸的結(jié)構(gòu)類似物，三氟亮氨酸、D-纈氨酸的抗性菌株，其β-內(nèi)酰胺類抗生素產(chǎn)量會提高。提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第95頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三6、選育抗抗生素突變株鏈霉素、氯霉素、金霉素等多種抗生素都具有抑制產(chǎn)生自身菌體蛋白質(zhì)的能力。一株高產(chǎn)抗生素產(chǎn)生菌，必然應(yīng)具備對自身所分泌的抗生素的抗性。篩選抗抗生素產(chǎn)生菌也就成了菌種選育中的常用方法。金霉素、鏈霉素產(chǎn)生菌的抗性菌株產(chǎn)量有數(shù)倍增加的實驗室結(jié)果已有不少報道。

提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第96頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三7、篩選營養(yǎng)缺陷型的回復(fù)突變株次級代謝產(chǎn)物都來自初級代謝產(chǎn)物，因此其營養(yǎng)缺陷型的產(chǎn)量一般都很低，但其回復(fù)突變型中卻有不少獲得高產(chǎn)的例子，其機制尚不清楚，估計是次級代謝產(chǎn)物或其前體合成的反饋抑制被解除。在金霉素產(chǎn)生菌選育中，運用此方法曾獲得高產(chǎn)菌株。

提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第97頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三8、抗毒性突變株的選育重金屬離子、羥胺類物質(zhì)對β-內(nèi)酰胺類抗生素產(chǎn)生菌有毒，但與抗生素相結(jié)合可解毒。選擇適當濃度的此類毒性物質(zhì)使其恰好抑制產(chǎn)生菌生長，在此條件下能生長的菌株，應(yīng)為抗生素類物質(zhì)過量產(chǎn)生的突變株。曾由頭孢霉素C對重金屬離子的抗性突變株中選育到高產(chǎn)菌株。提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法第98頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三以上主要是從微生物的代謝調(diào)節(jié)機制出發(fā)探討獲得代謝產(chǎn)物過量生產(chǎn)的方法。但是，微生物代謝產(chǎn)物特別是次級產(chǎn)物形成的途徑和調(diào)節(jié)控制機制是相當復(fù)雜的，研究得比較清楚的只是少數(shù)。因此，上述方法的應(yīng)用往往也是經(jīng)驗性的。在生產(chǎn)實踐中為提高微生物產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)經(jīng)常使用的方法是誘變后隨機篩選和發(fā)酵條件的優(yōu)化。近年來運用遺傳工程的方法以獲得代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)是很活躍的研究領(lǐng)域。第99頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)微生物發(fā)酵動力學

（p97-103）代謝變化：就是反映發(fā)酵過程中菌體的生長，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。了解的意義：微生物發(fā)酵受許多因素影響，各因素相互制約，因此，了解生產(chǎn)菌種在具有合適的培養(yǎng)基、pH、溫度和通氣攪拌等環(huán)境條件下對基質(zhì)的利用、細胞的生長以及產(chǎn)物合成的代謝變化，有利于人們對發(fā)酵生產(chǎn)的控制。第100頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)酵動力學概述二、分批培養(yǎng)中微生物的生長曲線三、微生物生長速度的動力學方程四、分批發(fā)酵中微生物生長與產(chǎn)物形成的動力學五、分批發(fā)酵動力學分類對實踐的指導意義第101頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)酵動力學概述（p97）（一）發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學：是研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。并以數(shù)學、工程學的原理定量描述。其實質(zhì)是研究微生物的代謝變化規(guī)律。研究的重要方法：是用數(shù)學模型定量地描述發(fā)酵過程中細胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速度等因素的變化，從而達到對發(fā)酵過程有效的控制，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本的目的。第102頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（二）發(fā)酵動力學的作用要進行合理的發(fā)酵過程設(shè)計，必須以發(fā)酵動力學模型作為依據(jù)。目前國內(nèi)外正利用電子計算機，根據(jù)發(fā)酵動力學模型來設(shè)計程序，模擬最優(yōu)化的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，從而使生產(chǎn)控制達到最優(yōu)化。發(fā)酵動力學的研究正在為試驗工廠數(shù)據(jù)的放大、為分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。第103頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三（三）發(fā)酵動力學中常用的幾個術(shù)語（p100-101）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(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。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。-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。第104頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三2．基質(zhì)比消耗速率[qs

，g(或mo1)／g菌體·h]是指每克菌體在一小時內(nèi)消耗營養(yǎng)物質(zhì)的量。它表示細胞對營養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。在比較不同微生物的發(fā)酵效率上這個參數(shù)很有用。第105頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三3．產(chǎn)物比生產(chǎn)速率[qp，g(或mo1)／g菌體·h]是指每克菌體在一小時內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細胞合成產(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。第106頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三無論好氧與厭氧發(fā)酵都可以通過深層培養(yǎng)來實現(xiàn)，因此，本節(jié)主要介紹深層發(fā)酵中的分批發(fā)酵的動力學。第107頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三二、分批培養(yǎng)中微生物的生長曲線（p97）（1）單細胞微生物第108頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三單細胞微生物生長的四個時期：延期期：接種后細胞的數(shù)量沒有增加。對數(shù)期：微生物細胞數(shù)目或重量增加，逐漸達到最大生長速率。穩(wěn)定期：微生物處于生長和死亡的動態(tài)平衡，發(fā)酵體系凈生長速率等于零的時期。此期微生物的次級代謝活躍。衰亡期：營養(yǎng)基質(zhì)耗盡，對生長有害的代謝物大量積累，微生物開始死亡、自溶，總細胞呈負增長。因此，發(fā)酵中一般會在微生物開始自溶之前結(jié)束發(fā)酵。第109頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三延滯期：把微生物從一種培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)接到另一培養(yǎng)基的最初一段時間里，盡管微生物細胞的重量有所增加，但細胞的數(shù)量沒有增加。這段時間稱之為延滯期。第110頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三延滯期細胞特點：細胞本身面臨著一系列的變化，如pH值的改變、營養(yǎng)物質(zhì)供給增加等。因而，延滯期的微生物主要是適應(yīng)新的環(huán)境，讓細胞內(nèi)部對新環(huán)境作出充分反應(yīng)和調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)新的環(huán)境。從生理學的角度來說，延滯期是活躍地進行生物合成的時期。微生物細胞將釋放必需的輔助因子，合成出適應(yīng)新環(huán)境的酶系，為將來的增殖作準備。第111頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三延滯期長短的因素接種物的生理狀態(tài)：如果接種物正處于指數(shù)生長期，則延滯期可能根本就不出現(xiàn)，微生物在新的培養(yǎng)基中迅速開始生長繁殖；如果接種物在原培養(yǎng)基中已將營養(yǎng)成分消耗殆盡，則要花費較長時間來適應(yīng)新培養(yǎng)基。接種物的濃度：對延滯期長短也有一定影響，加大接種濃度可相應(yīng)縮短延滯期。培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件：也可影響延滯期的長短。第112頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三延滯期長短對發(fā)酵結(jié)果的影響接種后延滯期的長短關(guān)系到發(fā)酵周期的長短，而與產(chǎn)物形成速率和產(chǎn)率并無必然聯(lián)系。實際生產(chǎn)過程中，為縮短發(fā)酵周期、提高設(shè)備利用率、提高體積生產(chǎn)率，就必須盡可能地縮短延滯期。第113頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長期的種子；二是擴大接種量。但是，如果要擴大接種量，又往往需要多級擴大制種，這不僅增加了發(fā)酵的復(fù)雜程度，又容易造成雜菌污染，故而應(yīng)從多方面考慮。三是用與培養(yǎng)菌種相同的培養(yǎng)基。

第114頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三對數(shù)生長期：對細菌、酵母等單細胞微生物來講，單位時間內(nèi)其細胞數(shù)目將成倍增加。而對于絲狀微生物而言，單位時間內(nèi)其生物量將加倍。此時，如以細胞數(shù)目或生物量的對數(shù)對時間作一對數(shù)圖，將得一直線，因而這一時期稱作對數(shù)生長期。第115頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三

在分批培養(yǎng)中，營養(yǎng)物濃度較低時，微生物的生長速度和菌體產(chǎn)量常受到某種營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響，隨著營養(yǎng)物濃度的逐漸提高，生長速度不受影響，而只影響最終菌體生長量，如果進一步提高營養(yǎng)物的濃度，則生長速度和菌體產(chǎn)量均不受影響。我們把在較低濃度范圍內(nèi)，影響菌體生長速率和菌體產(chǎn)量的營養(yǎng)物質(zhì)稱為限制性營養(yǎng)物質(zhì)。限制性營養(yǎng)物質(zhì)通常是碳源或能源，如葡萄糖。第116頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三對數(shù)生長期細胞特點：細胞保持均恒生長。不斷吸收培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分以合成自身物質(zhì)，并不斷向培養(yǎng)基中分泌代謝產(chǎn)物。在此期微生物細胞數(shù)目或重量增加，逐漸達到最大生長速率。由于此時培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分遠遠過量，且積累的代謝產(chǎn)物尚不足以抑制微生物本身的生長繁殖，因而微生物的生長速率不受這些因素的影響，而僅與微生物本身的比生長速率μ及發(fā)酵液中的生物量濃度X(g/L)相關(guān)。第117頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三如以細胞重量的增加表示生長速度，則微生物的生長速度可用公式表示（p98）：（3-1）它表明細胞物質(zhì)隨時間而增加。（3-2）說明細胞數(shù)目隨時間增加而增加。

：比生長速率：最大比生長速率：細胞濃度(g/L)：每升細胞數(shù)式（3-1）或（3-2）表明菌體濃度的增長速率與培養(yǎng)液中菌體濃度成比。

第118頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三比生長速率就是菌體繁殖速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯(lián)系。第119頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三從公式可以看出，微生物的生長是無限制的。但實際上，在分批培養(yǎng)中，微生物的生長會導致營養(yǎng)的耗盡，同時微生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，這些都會明顯影響微生物的繼續(xù)生長。最終使微生物的生長速率逐漸衰減，最終會出現(xiàn)微生物凈生長速率為零，微生物進入穩(wěn)定期。第120頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)定期：在細胞生長代謝過程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對微生物生長代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長速率和比生長速率就會逐漸下降，直至完全停止，這時就進入穩(wěn)定期。處于穩(wěn)定期的生物量增加十分緩慢或基本不變；但微生物細胞的代謝還在旺盛地進行著，細胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。第121頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三此時，有的細胞開始老化、裂解，形成芽孢，并向培養(yǎng)基中釋放出新的碳水化合物和蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)可以用來維持生存下來的細胞的緩慢生長。微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級代謝產(chǎn)物，是在進入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。第122頁，共140頁，2023年，2月20日，星期三死亡期：在死亡期，細胞的營養(yǎng)物質(zhì)和能源儲備已消耗殆盡，不能再維持細胞的生長和代謝，因而細胞開始死亡。這時，以生存細胞