页数：51页文件大小：6.56 MB来源： 生物工艺学ppt课件
本课件系统讲解好氧发酵机制：从柠檬酸、衣康酸与葡萄糖酸等有机酸发酵入手，深入分析谷氨酸发酵的代谢控制与细胞膜通透性调节，并覆盖核苷酸与抗生素发酵及其代谢调控。
第四章 好氧发酵机制
第一节 有机酸发酵机制
柠檬酸的发酵机制
TCA 循环与乙醛酸循环：葡萄糖 → 磷酸烯醇式丙酮酸 → 丙酮酸 → 乙酰辅酶A，乙酰辅酶A 与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，经顺乌头酸、异柠檬酸、草酰琥珀酸、α-酮戊二酸、琥珀酰辅酶A、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸回到草酰乙酸；乙醛酸循环则由异柠檬酸裂解生成乙醛酸与琥珀酸。
TCA 循环与乙醛酸循环中存在反馈抑制，苹果酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶参与循环运转。
柠檬酸的生物合成途径：葡萄糖 → 磷酸烯醇式丙酮酸 / 丙酮酸 → 乙酰 CoA，乙酰 CoA 与草酰乙酸（由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、丙酮酸羧化酶催化固定 CO₂ 生成）缩合生成柠檬酸，再经顺乌头酸、异柠檬酸转化。
实现柠檬酸积累：
柠檬酸积累的代谢调节：
磷酸果糖激酶受 AMP、无机磷、NH₄⁺ 活化，并可解除柠檬酸对它的抑制。
图中标注葡萄糖经 EMP 途径生成丙酮酸，并可进一步生成乳酸或乙醇的完整路线。
TCA 循环与乙醛酸循环中的衣康酸支路：柠檬酸经顺乌头酸，在乌头酸脱羧酶作用下脱羧生成衣康酸并放出 CO₂。
图中同时标出丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶及循环中 CO₂ 释放的环节。
衣康酸的发酵机制
衣康酸及其酯类是制造合成树脂、合成纤维、塑料、柠檬酸、离子交换树脂、表面活性剂和高分子鳌合剂等的良好添加剂和单体原料。
作为交联剂和乳化剂，添加 1%～5% 时，生产的苯乙烯-丁二烯共聚物是质轻、易塑、绝缘、防水、抗蚀性均好的塑料和涂料。
衣康酸和丙烯酸的共聚物是一种高分子鳌合剂，用作水处理中的除垢剂，对防止碱性钙、镁垢的形成非常有效。
衣康酸生物合成的两种学说：Bentley 学说、Shimi 学说。
计量关系：1.5 分子葡萄糖经 EMP 途径，生成 3 分子乙醇、乙酸、琥珀酸与衣康酸。
第二节 氨基酸发酵机制
氨基酸发酵的代谢控制：
控制旁路代谢：D-苏氨酸与 L-苏氨酸经脱氢酶作用生成 α-酮基丁酸，进而合成 L-异亮氨酸。
葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径：葡萄糖经 EMP 途径与 HMP 途径生成丙酮酸，丙酮酸一部分经 TCA 循环与乙醛酸循环生成 α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再经谷氨酸脱氢酶（需 NADPH₂）氨基化生成谷氨酸；丙酮酸亦可经磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶固定 CO₂ 生成草酰乙酸。
鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵机制：谷氨酸 → N-乙酰谷氨酸 → N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸 → N-乙酰谷氨酸-γ-半醛 → N-乙酰鸟氨酸 → 鸟氨酸 → 瓜氨酸 → 精胺琥珀酸 → 精氨酸。
下表说明谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换。
| 环境因子 | 发酵产物的转换 |
|---|---|
| 溶解氧 | 通气不足→乳酸和琥珀酸；适中→谷氨酸；通风过量、转速过快→α-酮戊二酸 |
| NH₄⁺ | 缺乏→α-酮戊二酸；适量→谷氨酸；过量→谷氨酰胺 |
| pH 值 | pH 5～8 且 NH₄⁺ 过多→谷氨酰胺、N-乙酰谷酰胺；中性或微碱性→谷氨酸 |
| 磷酸盐 | 高浓度→缬氨酸；磷酸盐适中→谷氨酸 |
| 生物素 | 过量→乳酸或琥珀酸；限量→谷氨酸 |
影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质：
生物素的羧化反应：生物素以其羧基载体蛋白（biotin carboxyl carrier protein，BCCP）上的赖氨酸残基共价结合，在生物素羧化酶催化下消耗 ATP 并固定 CO₂，生成 BCCP-羧基生物素（羧基生物素-酶复合物）。
BCCP-羧基生物素在转羧酶作用下形成丙二酰 CoA；丙二酰 CoA 与乙酰 CoA 缩合并脱羧生成丁酰 CoA，如此反复进行合成高级脂肪酸，再合成磷脂。
生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸的生成，从而影响了磷脂的生成，导致磷脂含量不足，使细胞膜结构不完全，从而提高细胞膜的通透性。
表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的生物合成，导致形成磷脂含量不足的不完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外。
肽聚糖结构：由 N-乙酰葡糖胺（NAG）与 N-乙酰胞壁酸（NAM）交替连接成糖链，NAM 上连接由 L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala 组成的四肽尾，并以（Gly）₅ 五肽甘氨酸桥交联，构成网状结构。
细胞壁的粘多肽结构：NAG 与 NAM 交替排列形成骨架，每条肽链为 L-Ala—D-Glu—DAP（二氨基庚二酸）—D-Ala，相邻肽链通过（Gly）₅ 五肽甘氨酸桥交联，构成坚韧的三维网状结构。
谷氨酸族：谷氨酸 → N-乙酰谷氨酸 → N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸 → N-乙酰谷氨酸半缩醛 → N-乙酰鸟氨酸 → 鸟氨酸 → 瓜氨酸 → 精氨酸；精氨酸对该途径起反馈抑制作用。
天冬氨酸族：天冬氨酸 → 天冬氨酰胺 → 磷酸天冬氨酸半缩醛 → 高丝氨酸 → 苏氨酸，另一支路生成赖氨酸；天冬氨酸激酶受协同反馈抑制。
第三节 核苷酸发酵机制
嘌呤核苷酸的全合成途径：5-磷酸核糖 → PRPP（PRPP 合成酶）→ PRA（PRPP 转酰胺酶，由谷氨酰胺提供氨基）→ GAR（GAR 合成酶，加甘氨酸）→ FGAR（磷酸核糖甘氨酰胺转甲酰酶）→ FGAM → AIR → CAIR（AIR 羧化酶）→ SAICAR（SAICAR 合成酶）→ AICAR（腺苷酸琥珀酸裂解酶，释放延胡索酸）→ FAICAR → IMP（IMP 环化脱水酶，即次黄嘌呤核苷酸）。
由 IMP 分出两条支路：
嘌呤核苷酸的代谢调节
抗生素发酵机制
次级代谢产物的特征：次级代谢产物是由微生物产生的，不参与微生物的生长和繁殖。
生物合成抗生素与初级代谢的关系：
由初级代谢产物衍生次级代谢产物的主要路线：
抗生素生产菌的主要代谢调节机制：
TCA 循环与乙醛酸循环中：柠檬酸合成酶受能量状态调节，Fe²⁺（以及由亚铁氰化钾解离出的亚铁离子）对循环关键环节具有调节作用，影响柠檬酸的生成与转化。
葡萄糖酸发酵机制
黑曲霉（Aspergillus niger）和青霉（Penicillium）均可以发酵葡萄糖为葡萄糖酸。
反应式：葡萄糖（环式）—葡萄糖氧化酶→ 葡萄糖酸-δ-内酯 + H₂O₂ —自发水解→ 葡萄糖酸。
主要细菌有葡萄糖酸杆菌，另外还有数种假单胞菌（Pseudomonas）、芽生菌（Pullularia）、微球菌（Micrococcus）。
反应式：葡萄糖（醛式）—葡萄糖氧化酶→ 葡萄糖酸；葡萄糖（环式）可自发转变为醛式后再被氧化。
注：源文件中两处菌属名拼写为 Pseudoncones、Pulluaria，此处按通用学名校正为 Pseudomonas、Pullularia。
糖酵解与三羧酸循环途径的调节：图中以细胞液与线粒体分区，标出 G-6-P、F-6-P、F-1,6-2P、PEP、丙酮酸、乙酰 CoA、柠檬酸、α-酮戊二酸等节点。
糖类、脂类、氨基酸和核苷酸之间的代谢联系：以 6-磷酸葡萄糖、PEP、丙酮酸、乙酰 CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰 CoA、草酰乙酸、核糖-5-磷酸等为枢纽。
衣康酸的提取工艺流程：糖及营养物配料 → 灭菌 → 种子罐 → 发酵罐（加消泡剂，空气经空气过滤器除菌）→ 贮槽 → 蒸发罐 → 结晶罐 → 离心 → 母液 → 水和活性炭脱色罐 → 结晶罐 → 离心 → 干燥，得到 99% 以上或 97% 的粗衣康酸；再经蒸发结晶、离心与二次结晶得粗结晶。
下表列出一些常用发酵法生产的有机酸的来源和用途。
| 有机酸名称 | 来源（生产菌种） | 用途 |
|---|---|---|
| 柠檬酸 | 黑曲霉、酵母等 | 食品工业和化学工业的酸味剂、增稠剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、螯合剂等 |
| 乳酸 | 德氏乳杆菌、赖氏乳杆菌、米根霉等 | 食品工业的酸味剂、防腐剂、还原剂、制革辅料等 |
| 醋酸 | 奇异醋杆菌、过氧化醋杆菌、恶臭醋杆菌、中氧化醋杆菌、醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌、生黑醋杆菌等 | 广泛应用于食品、化工等行业 |
| 葡萄糖酸 | 黑曲霉、葡糖酸杆菌、乳氧化葡糖酸杆菌、产黄青霉等 | 药物、除锈剂、塑化剂、酸化剂等 |
| 衣康酸 | 土曲霉、衣糖酸霉、假丝酵母等 | 制造合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶、离子交换树脂、表面活性剂和高分子螯合剂等的添加剂和单体原料 |
| 苹果酸 | 黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉、华根霉、无根根霉、短乳杆菌、产氨短杆菌等 | 食品酸味剂、添加剂、药物、日用化工及化学辅料等 |
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