第五章好氧发酵机制.ppt

第六章 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）。 1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节 第一个调节的酶是磷酸果糖激酶（PFK）：AMP、无机磷、NH4+对该酶有活化作用 ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用 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？ 　　由于TCA循环降低，ATP的生成减少，蛋白质和核酸合成受阻，细胞内的NH4+异常高，从而降低了柠檬酸对PFK的抑制。 柠檬酸发酵需要下述环境条件： 磷酸盐浓度低；氮源为NH4+盐； pH值低（低于2.0）； 溶氧量高；Mn2+ 、 Fe2+ 、 Zn2+含量极低。 　　柠檬酸发酵中黑曲霉对Mn2+极端敏感。黑曲霉在缺锰的条件下发酵 ，细胞有生理和代谢的变化。 　　Mn2+的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱了柠檬酸对EMP途径关键酶（PFK）的抑制。 　 2 　TCA环的调节 柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶，由乙酰辅酶Ａ中的高能硫酯键水解释放大量能量，推动合成柠檬酸。 　　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Fe++， I 若用络合剂除去反应液中的铁，则酶活性被抑制，造成柠檬酸的积累。 　 II 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Fe4S4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），使与铁硫中心的Fe++ 生成络合物，则该酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。 III 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。 3 及时补加草酰乙酸 　　 外加草酰乙酸　 选育回补途径旺盛的菌种。 柠檬酸积累机理 　1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而导致细胞内的NH4+ 浓度升高，促进了EMP途径的畅通。 2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。 3、在控制Fe++含量的情况下，顺乌头酸酶活性低，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 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸＝90 ：3：7 第三节 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生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。由发酵所生成的产物——氨基酸，都是微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。也就是说，氨基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EMP途径、HMP途径、 TCA循环、乙醛酸循环和CO2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酸。 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，从而避免了末端产物的反馈调节，有利于提高发酵产量。 以葡萄糖为原料，利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸时，谷氨酸生产菌为α-酮戊二酸脱氢酶缺失突变株，当谷氨酸的合成达到50 mg/g（干细胞）时，由于反馈调节作用，谷氨酸的合成便终止。如果改变细胞膜通透性，使胞内代谢产物谷氨酸渗透到胞外，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。