发酵过程的生物学基础

一、微生物的概念
微生物(Microorganism, microbe)
是指一大类形体微小、结构简单 的低等生物的总称。
微生物的概念
微生物的概念
三个要点: 小：观察借助光镜；测量单位
为微米或纳米；
简：简单多细胞;单细胞;无细胞结构 低：进化程度低，为原始的生命形式；
微生物的概念
1.微生物小的直观感觉
代谢调节方式
2，代谢途径区域化
原核微生物细胞结构虽然简单，但也划 分出不同的区域，对于某一代谢途径有 关的酶系则集中某一区域，以保证这一 代谢途径的酶促反应顺利进行，避免了 其他途径的干扰。
– 例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上；而与蛋 白质合成有关的酶系则位于核蛋白体上；分 解大分子的水解酶，在革兰氏阴性菌里是位 于壁膜间隙中，而革兰氏阳性菌则将这些水 解酶类，分泌于胞外。
代谢调节的方式 酶合成的调节 酶活性的调节方式 初级代谢的调节 次级代谢的调节
一、代谢调节方式
细胞透性的调节 代谢途径区域化 代谢流向的调控 代谢速度的调控
代谢调节方式
1，细胞透性的调节
细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和 代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代 谢的变化。 细胞质膜的透性的调节是微生物代谢调 节的重要方式，由它控制着营养物质的 吸收和产物分泌。
酶 定 位 的 区 域 化
酵解;磷 细胞质:酵解 磷 戊糖途径;糖原 戊糖途径 糖原 合成;脂肪酸合 合成 脂肪酸合 成;
线粒体:丙酮酸氧化 三羧 线粒体 丙酮酸氧化;三羧 丙酮酸氧化 酸循环;β 氧化 氧化;呼吸链电 酸循环 β-氧化 呼吸链电 子传递;氧化磷酸化 子传递 氧化磷酸化
细胞核:核酸合成 细胞核 核酸合成
第二章
发酵过程的生物学 基础
本章的教学内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 发酵过程与微生物 微生物的营养与培养基的设计 微生物的生长模式及其动力学 环境对微生物的影响 代谢产物的代谢调控 微生物代谢产物的过量产生
第一节 发酵过程与微生物
.微生物的概念 .微生物的种类 .微生物的特点 .微生物与发酵
PEP：磷酸烯醇丙酮酸；E4P：4-磷酸赤藓糖；DAHP：7-磷酸-2-酮-3脱氧庚糖酸；CA：分支酸；Per：预苯酸；AA：邻氨基苯甲酸；HPPA： 对羟基苯丙酮酸；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-脱氧庚糖酸合成酶；II：邻氨基苯甲酸合成酶；III： 分支酸变位酶；IV：预苯酸脱氢酶；V：预苯酸脱水酶
四、微生物的特点
• • • • • • • 体积小； 种类多； 分布广； 繁殖快； 便于培养； 容易发生变异； 在生产中不易受时间、季节、地区的限 制
五、微生物与发酵
• 发酵工程是以微生物的生命活动为中心的 • 微生物的生物学性状和发酵条件决定了其相应 产物的生成 • 工业上用的全部微生物都称为工业微生物，工 业生产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、 酵母菌和霉菌 • 由于发酵工程本身的发展以及基因工程正在进 入发酵过程，病毒、藻类等其它微生物也正在 逐步地变为工业生产菌。
– 例如，谷氨酸脱氢酶以NADP+为辅酶时，主 要是催化谷氨酸的合成，当以NAD+为辅酶 时，则催化谷氨酸的分解。因此微生物可以 通过不同的辅基来控制代谢物的流向。
代谢调节方式
• 由两种酶控制的逆单向反应 逆单向反应是在 生物体代谢的关键部位的某些反应，它是由两 种各自不同的酶来催化的。即在一个“可逆” 反应中，其中一种酶催化正反应，而另一种酶 则催化逆反应。
液体培养基上
均匀混浊； 沉淀生长； 表面生长。
发酵工业常用微生物的形态特征
2.酵母（Yeast) 2.酵母
（1）形态
发酵工业常用微生物的形态特征
（2）结 构
• 典型结构:
细胞壁； 细胞膜； 细胞核； 液 泡； 线粒体； 内质网； 核糖体； 微体； 微丝； 内含物
发酵工业常用微生物的形态特征
三.霉菌 ——形态
葡萄糖
1，6-二磷酸果糖 ， 二磷酸果糖
酶 的 反 馈 激 活
磷酸烯醇式丙酮酸 羧化酶 活化 草酰乙酸
丙酮酸
乙酰CoA 乙酰 α-酮戊二酸 酮戊二酸 拧檬酸
酶活性的调节
（二）抑制
抑制：由于某些物质的存在， 降低酶活 性的现象。 反馈抑制（feedback inhibition） ：反馈 抑制是指代谢的末端产物对酶(往往是代 谢途径中的第一个酶)活性的抑 制。 无分支代谢途径的调节 有分支代谢途径的调节
酵 母 菌
微生物的种类
放线菌的的形态 的形态
三、发酵工业常用微生物的 形态特征
发酵工业常用微生物的形态特征
1.细菌 1.细菌（Bacterium) （1）形态 球
形 杆 形 螺 弧 旋 形 形
发酵工业常用微生物的形态特征
（2）结 构
基本结构:
细胞壁； 细胞膜； 细胞质； 核质体；
特殊结构:
荚膜； 芽孢； 鞭毛；
发酵工业常用微生物的形态特征
（3）培 养 特 征
固体培养基上: 菌落(colony)：指微生
物细胞在一定条件下，在 固体培养基表面形成的肉 眼可见的微生物群体。若 来自一个细胞，则为纯培 养或称克隆( clone)。
菌苔(lawn)：大量细菌
（3）培 养 特 征
– 例如，葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖是由己糖激酶催 化的，而其逆反应则是由6-磷酸葡萄糖酯酶催化的。 6-磷酸果糖转化为1，6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激 酶催化的，逆反应则由1，6-二磷酸果糖酯酶催化。
代谢调节方式
4，代谢速度的调控
在不可逆反应中，微生物通过调节酶的 活性和酶量来控制代谢物的流量。 微生物在不同条件下能按照需要，通过 激活或抑制原有酶的活性或通过诱导或 阻遏酶的合成来自我调节其代谢速度， 使之高度经济有效地利用能量和原料进 行生长繁殖。
二、微生物的种类
1、原核生物
细菌、放线菌、衣原体 支原体、立克次氏体、 蓝细菌；
2、真核生物
真菌（霉菌、酵母菌等）、 原生动物、单细胞藻类；
3、非细胞生物
病毒、类病毒、拟病毒、朊病毒等；
微生物的种类
各种“视野”下的细菌
光镜
暗视野
荧光
透射电镜
超薄切片
冷冻切片
扫描电镜
DNA蛋白质 复合物
微生物的
电镜下的 微生物
代谢调节方式
在真核微生物细胞里，各种酶系被细胞 器隔离分布。
如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜 上；蛋白质的合成酶系位于核蛋白体上； DNA合成的某些酶位于细胞核里。
代谢调节方式
细胞具有复杂的膜结构使其代谢活动只 能在特定的部位上进行，即代谢活动是 区域化的，其实质是控制酶与底物接触， 使各个反应有序地进行。
代谢调节方式
• 例如，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌吸收乳糖是 由渗透酶和环状AMP(cAMP)协同控制来完成 的。cAMP的浓度是由腺苷酸环化酶(AC)的活 性控制的，也就是说，乳糖的吸收受渗透酶和 AMP环化酶的控制，调节蛋白通过磷酸化的形 式和腺苷酸环化酶（AC）或渗透酶结合，分 别使腺苷酸环化酶活化或使渗透酶失活。当有 葡萄糖时，乳糖的渗透酶以无活性状态存在， 而腺苷酸环化酶也以非活性状态存在。
– 改变产生菌的基因型而改变代谢途径； – 改变控制代谢速率，即影响基因型的 表达。
代谢调节(regulation of metablism）是指微生 代谢调节 ） 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。 酶量的调节 酶活性的调节
微生物代谢的控制是指运用人为的方法 微生物代谢的控制 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。
2，有分支代谢途径的调节
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有多种: 顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition） 同工酶的反馈抑制（isoenzyme feedback inhibition） 协同反馈抑制（concerted feedback inhibition） 累积反馈抑制（cumulative feedback inhibition） 超相加反馈抑制（cooperative feedback inhibition）
可见范围 肉眼 微生物的相对大小
真核细胞型
原核细胞型 光学显微镜 电镜 病毒
微生物的概念
2.微生物的 细胞类型
真核细胞的主要 特征:
•有核膜，核仁，染色体; •有细胞器; •核糖体为80S;
微生物的概念
微生物的细胞类型
原核细胞的主要 特征:
•无核膜、核仁、染色体， 仅有裸露的DNA链形成 的核区域，称核质体； •无细胞器； •核糖体为70S；
（2）同工酶的反馈抑制 isoenzyme feedback inhibition
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。 其特点是：途径中第一个反应被两个不同的酶所催 化，一个酶被H抑制，另一个酶被G抑制。只有当H 和G同时过量才能完全阻止A转变为B。
二、酶合成的调节
• 酶合成的诱导 • 酶合成的阻遏
酶合成的调节
1，酶合成的诱导
酶合成的调节
2，酶合成诱导的机制
酶合成的调节
3，酶合成的阻遏
酶合成的调节
4，酶合成阻遏的机制
三、酶活性的调节
概 念 酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构 酶活性调节 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