第3章 工业微生物生长代谢调节及发酵动力学

《第3章 工业微生物生长代谢调节及发酵动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 工业微生物生长代谢调节及发酵动力学（143页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 微生物生长代谢调节与发酵动力学 目的与要求：l熟悉微生物发酵机制。l了解微生物反应过程中的代谢调控理论 。l掌握代谢控制发酵的基本方法，在实践 中实现代谢产物的过量生产。l熟悉微生物发酵动力学 本章内容第一节 微生物的生长 第二节 微生物的基本代谢及产物 第三节 微生物代谢调控机制 第四节 微生物代谢产物的过量产生 第五节 微生物发酵动力学第一节 微生物的生长l一、微生物的种类及作用l二、微生物的营养类型l三、微生物的生长与分化l四、微生物生长的测定 一、微生物的种类及作用微生物的种类（可分为三大类）：、非细胞型微生物:病毒。、原核细胞型微生物:仅有原始细胞核。 如细菌、放线菌等。、真

2、核细胞型微生物:霉菌、酵母菌和单 细胞藻类，原生动物。 微生物的作用： 微生物是生物反应过程的催化剂，催 化原料转化为有用的产品 。微生物如同一个微小的容器，原料中的 反应物透过微生物细胞周围的细胞壁和 细胞膜进入微生物体内，把反应物转化 为产物，接着这些产物又被释放出来。二、微生物的营养类型l微生物营养类型的分类：（根据微生物对碳源 和能源的需求不同）l光能自养、光能异养、化能自养、化能异养l营养物质是微生物生命活动的物质基础，因此 ，根据微生物的营养类型提供合适的碳源、能 源，以实现其生长繁殖。l工业上应用的微生物绝大多数属于化能异养型 ，他们以外界有机化合物为碳源，在细胞内代 谢得到化学

3、能和生物合成材料，实现生长繁殖 。三、微生物的生长与分化l1、微生物的生长繁殖l2、微生物的生长曲线l3、微生物细胞的分化1、微生物的生长繁殖l生长代谢过程中同化作用的速度超过异化 作用时，细胞的原生质总量不断增加。l繁殖细胞分裂而出现细胞个体数目的增加 。l细菌的生长繁殖无性二等分分裂法l放线菌的生长繁殖无性孢子进行l霉菌的生长繁殖无性孢子和有性孢子进行l酵母菌的生长繁殖发芽形式进行微生物细胞在生长过程中的变化：l使微生物自身变化：l其形态、组成、活性都处在动态变化过程 中，使其经历生长、繁殖、维持、死亡等 阶段。l使环境变化：l使反应系统中的环境条件也处在动态变化 之中。2、微生物的生长曲

4、线细 菌 数 目 的 对 数倍 增 速 率0+-abce时间 细菌的典型生长曲线稳定期死亡期对数生长期延滞期倍增速率3、微生物细胞的分化l定义：从营养菌丝体产生不同形态类型细胞的过程。l分为：菌体营养细胞的分化和孢子的形成 。l微生物细胞的分化使细胞的结构和功能发 生变化，而细胞的分化受到遗传性和环境 因素的相互作用所控制。四、微生物生长的测定l群体的重量l细胞数l不是测定细胞个体的重量或大小1、计数器计数法l浊度计比浊法： 测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞 数量的生长。l计数器计数法： 在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或 霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出 细菌数的生长。采用血

5、球计数板测定细胞个数的程序 2、测定细胞重量l细胞干重称量法:直接测定单位体积培养物的细胞干重， 由此代表菌体细胞物质总量的生长。l细胞堆积容积测量法:用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物 的容积，由此间接表示细胞重量的生长。l细胞组成分析法:测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、 RNA、DNA等)，间接地算出细胞重量的生长。l营养物消耗分析法:测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此 间接表示细胞重量的生长 。l产物重量分析法: 测定培养中途形成的二氧化碳、氢、ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生 长 。第二节 微生物的基本代谢及产物l一、微生物代谢的基本类型

6、l二、微生物代谢的产物 l（p77-78）一、微生物代谢的基本类型l（一）微生物的代谢l微生物的新陈代谢：是指发生在活细胞中的各 种分解代谢（catabolism）和合成代谢（ anabolism）的总和。l而分解代谢与合成代谢中还包含了初级代谢和 次级代谢。l 即：新陈代谢=分解代谢+合成代谢（二）分解代谢l定义：l是指微生物将从环境中吸收的各种碳源和氮源中 复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，降 解为简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和 还原力（或称还原当量，一般用H来表示）的过 程。l作用：l它为细胞生命活动提供能源和小分子中间体。（三）合成代谢l定义：l合成代谢与分解代谢正好

7、相反，是指在 合成代谢酶系的催化下，由简单小分子 、ATP形式的能量和H形式的还原力一 起合成复杂的大分子的过程。l作用：l利用分解代谢的能量和中间体合成氨基 酸、核酸等单体物质，以及蛋白质、核 酸、多糖等多聚物。（四）分解代谢与合成代谢的关系（五）微生物初级代谢（p77）l定义：是指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分 解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质 和能量的过程。l作用特点：初级代谢作用是生命活动的最基本特征， 是生物体进行一切生化反应的总称。l它为生物提供能量、合成中间体及其关键大分子，如 蛋白质、核酸等的各种相互关联的代谢网络（包括分 解与合成），是生物体生长、繁殖必需

8、的代谢。l初级代谢主要包括:l糖代谢、氮代谢、脂肪代谢、烃代谢等。l发酵获得大量产物或细胞最有潜力的途径是已糖和烷 烃的分解代谢。分解代谢微生物通过氧化有机物质（如葡萄糖和其它碳水化合物）获得能量的反应l基础物质代谢合成代谢（获得能量后）合成自新物质的反应l能量通过细胞内ATP进行传递和转移。l工业生产中, 分解己糖或烷烃可获得大量的细胞和产物，是最重要的产物转化途径。（六）微生物的次级代谢（p77）l次级代谢：是指存在于某些生物中，并在它们 一定的生长时期内出现的，以初级代谢产物为 前体，合成一些对微生物无明确功能的物质的 过程。l它是生物（某些植物、微生物）为避免代谢过 程中，某种代谢产物

9、的积累造成的不利作用， 而产生的一类有利于其生存的代谢类型。它是 生物在一些条件下通过突变获得的一种适应生 存方式。（七）初级代谢与次级代谢的关系l初级代谢与次级代谢有一定的联系与区别，初级 代谢中产生的一些小分子物质是次级代谢途径中 的原料。l次级代谢途径同初级代谢途径的分解代谢、无定 向代谢和组成代谢紧密相关，其前体通常是正常 的或经修饰的初级代谢的中间体。 l次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来 的，次级代谢途径并不是独立的。如许多抗生素 的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的。l糖代谢中间体，既可用来合成初级代谢产物，又 可用来合成次级代谢产物，这种中间体叫做分支 中间体。二、

10、微生物代谢的产物l（一）微生物初级代谢的产物l（二）微生物次级代谢的产物（一）微生物初级代谢的产物（p77）l微生物初级代谢产物：l是指伴随微生物正常代谢作用所产生的微 生物自身繁殖所必需的代谢产物。l种类：l由单体组成的各种大分子聚合物：蛋白质 、核酸、多糖、脂肪等。l作用：l它们都是机体生存不可缺少的物质，在这 些物质的合成中任何环节发生障碍有可能 引发生长停止，甚至导致机体发生突变式 死亡 。l特点：l一般不分泌到微生物体外，而只有当微生 物细胞生物合成受阻或外源碳源浓度较高 的情况下，才会有大量的积累和外流。l微生物初级代谢产物的用途：l食品、酿造、纺织制革、医药和生化试剂 等各个领域

11、。（二）微生物次级代谢的产物（p77）l微生物次级代谢产物：l是指由微生物细胞合成的,分子结构比较复杂的 ，而对微生物的生命活动没有明确功能的物质。l特点：l它既不参与细胞组成,又不是酶的活性基团，也 不是细胞的储存物质，它们中的大多数分泌到微 生物的体外。l种类：l抗生素、生物碱、毒素、激素和色素等。l作用:l许多与人类的生活和健康长寿有密切的关系。目 前研究最多的是抗生素。第三节 微生物的代谢调控机制l一、微生物自身代谢的特点l二、微生物的初级代谢调节l三、微生物的次级代谢调节l（p78-82）一、微生物自身代谢的特点在生物进化过程中，微生物细胞形成了愈 来愈完善的代谢调节机制，在代谢繁殖

12、过 程中，能量的利用以及对细胞生长繁殖过 程中所需的各种物质的形成是非常合理和 经济的，细胞经常处于平衡生长状态，不 会有代谢产物的积累，从而保证细胞内各 种物质需要的平衡。现代发酵工业研究的主要内容：就是通过改变培养条件和遗传特性，使 微生物的代谢途径改变或代谢调节失控 而获得某一发酵产物的过量产生。其方法大体可分为两类：通过微生物育种改变产生菌的基因型 从而改变代谢途径；控制微生物的各种培养条件，影响其 代谢过程，改变控制代谢速率，即影 响基因型的表达。 微生物代谢调节：是指微生物的代谢速度 和方向按照微生物的需要而改变的一种作 用。v酶量的调节v酶活性的调节微生物代谢的控制：是指运用人为

13、的方法对微生物的代谢调节 进行遗传改造和条件的控制，以期按照人 们的愿望，生产有用的微生物制品。二、微生物初级代谢的调节（p79-81）初级代谢调节的方式：酶活性的调节酶合成的调节能量负荷调节l微生物细胞的代谢调节方式很多，但由于 微生物细胞内的所有生化反应都是在酶的 催化作用下完成的，因此，对酶的调控是 最主要的和最有效的调控方式。l它包括两个方面：一是调节酶的合成量； 二是调节现有酶分子的催化活力。（一）酶活性的调节(p79-80)概 念酶活性调节：是指一定数量的酶，通过其分子 构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速 率。 影响因素 底物和产物的性质和浓度 环境因子(如压力、pH、离子强

14、度和辅助因子等) 其他的酶的存在调节方式 激活已有酶的活性 抑制已有酶的活性1、酶活性的激活（p79）激活：在激活剂的作用下，使原来无活性的 酶变成有活性，或使原来活性低的酶提高了 活性的现象。代谢调节的激活作用：主要是指代谢物对酶 的激活。v前体激活：指分解代谢途径中后面的酶促反 应，可被该途径中较前面的一个中间产物所 促进。v代谢中间产物的反馈激活：指代谢中间产物 对该代谢途径的前面的酶起激活作用。酶活性的调节前体激活和反馈激活示意图AB C D FAB GCDE E+例1:糖代谢途径中丙酮酸积累激活丙酮酸羧化酶例2：乙酰CoA的积累激活PEP羧化酶酶 的 反 馈 激 活葡萄糖草酰乙酸丙酮

15、酸羧化酶乙酰CoA活化磷酸烯醇式丙酮酸柠檬酸-酮戊二酸1，6-二磷酸果糖2、酶活性的抑制（p79）抑制：由于某些物质的存在，降低酶活性的现象。反馈抑制：反馈抑制是指合成途径的末端产物对前 段的某一个酶(往往是代谢途径的第一个酶)活性的 抑制。常见于合成代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个 产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，即对合成 反应的关键酶进行反馈抑制，以减慢或中止生物合成，从而 避免了末端产物的过多累积。（在酶促反应中加入某低分子 质量的物质后，酶活性降低或丧失的现象）。种类：v直线代谢途径中的反馈抑制v分支代谢途径中的反馈抑制酶活性的调节（1）无分支代谢途径的调节通常是

16、在线形的代谢途径中末端产物对催化 第一步反应的酶活性有抑制作用。酶活性的调节l如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合 成异亮氨酸(IIeu)时，当异亮氨酸过量 时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一 步反应的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用 。 苏氨酸 -酮丁酸 异亮氨酸TD酶活性的调节（2）分支代谢途径的调节（p79-80）在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途 径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分支途 径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个 末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作 用。分支代谢的反馈调节方式:v同工酶的反馈抑制 v协同反馈抑制 v累积反馈抑制 v顺序反馈抑制v超相加反馈抑制酶活性的调节同工酶的反馈抑制同功酶：是指能催化同一生化反应，但它们的结 构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一 类酶