微生物代谢控制发酵第五章
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微生物学 第五章 微生物的代谢
ED（%） — — — — — 71 100 — — 100 100 —
磷酸解酮酶途径
发酵类型
由于在各种发酵途径中均有还原性氢供体NADH+H+产生，但 产量并不多，若不及时将它们氧化再生，葡萄糖分解产能将会中断， 这样，微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电 子）受体来接受NADH+H+和NADH+H+的氢（电子），于是产生 各种各样的发酵产物。
3. ED途径（Entner-Doundoroff）途径 （2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸 裂解途径）
4. 磷酸解酮酶途径
EMP途径
葡萄糖分子经转化成1，6—二
磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下， 裂解成两个三碳化合物分子，即磷
酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生 成2分子丙酮酸，
合成代谢(anabolism)
是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的 过程，在这个过程中要消耗能量。
合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程 中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。
能量与代谢的关系
分解代谢
微
物质代谢
生
物
的
代
谢
能量代谢
合成代谢 耗能代谢
产能代谢
无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的
2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
酵母菌利用葡萄糖进行三种类型的发酵
当环境中存在亚硫酸氢钠时，由于乙醛和亚硫酸盐结合生成难 溶的磺化羟基乙醛而不能作为NADH2的受氢体，所以不能形成乙 醇，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成α-磷酸甘油进一 步水解脱磷酸而生成甘油，称为酵母的二型发酵；
第十五单元——第五章微生物代谢(二)
第六章
微生物的代谢
二、糖的合成代谢 1. 糖合成的能量来源
包括：化能异养型、化能自养和光能营养微生物的生 物氧化和产能
（1）化能异养型微生物的生物氧化和产能 糖的分解代谢所产生的能量都可以用于糖的生物合 成，本节第一部分已经介绍过。 此外，某些化能异养微生 物（如Closterdium sporogenes 生孢梭菌）能利用一些氨基 酸同时当作碳源、氮源和能源。
嗜盐菌紫膜的光合作用特点：
无O2条件下进行；
不产O2； 最简单的光合磷酸化反应； 无叶绿素和细菌叶绿素，光合色素是紫膜上的 视紫红质。
生物合成三要素（简单小分子， ATP，NADPH） 如何获得？
氧化磷酸化：好氧菌，兼性厌氧菌 底物水平磷酸化：厌氧菌，兼性厌氧菌 光合磷酸化：光合微生物 HMP：化能异养型 耗ATP逆电子链传递：化能自养型， 紫色和绿色光合细菌 光合作用（非循环光合磷酸化）：蓝细菌 异养型：从环境中吸取 自养型：同化CO2
红色部分（红膜）
嗜盐菌 细胞膜 主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体
紫色部分（紫膜） 在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占 细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。
实验发现，在波长为550-600 nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率 最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。
（1）自养微生物的CO2固定
1）Calvin循环（Calvin cycle）
循环中特有酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。循环分三个阶段 ： ①羧化反应 （核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖羧化酶将CO2固定，转变为 2个甘油酸-3-磷酸，重复3次，产生6个C3化合物 ） ②还原反应（甘油酸-3-磷酸被还原成甘油醛-3-磷酸 ） ③CO2受体的再生 （1个甘油醛-3-磷酸逆EMP途径生成葡萄糖，其余5 个再生出3个核酮糖-1,5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子 ）。
微生物的代谢
二、糖的合成代谢 1. 糖合成的能量来源
包括：化能异养型、化能自养和光能营养微生物的生 物氧化和产能
（1）化能异养型微生物的生物氧化和产能 糖的分解代谢所产生的能量都可以用于糖的生物合 成，本节第一部分已经介绍过。 此外，某些化能异养微生 物（如Closterdium sporogenes 生孢梭菌）能利用一些氨基 酸同时当作碳源、氮源和能源。
嗜盐菌紫膜的光合作用特点：
无O2条件下进行；
不产O2； 最简单的光合磷酸化反应； 无叶绿素和细菌叶绿素，光合色素是紫膜上的 视紫红质。
生物合成三要素（简单小分子， ATP，NADPH） 如何获得？
氧化磷酸化：好氧菌，兼性厌氧菌 底物水平磷酸化：厌氧菌，兼性厌氧菌 光合磷酸化：光合微生物 HMP：化能异养型 耗ATP逆电子链传递：化能自养型， 紫色和绿色光合细菌 光合作用（非循环光合磷酸化）：蓝细菌 异养型：从环境中吸取 自养型：同化CO2
红色部分（红膜）
嗜盐菌 细胞膜 主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体
紫色部分（紫膜） 在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占 细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。
实验发现，在波长为550-600 nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率 最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。
（1）自养微生物的CO2固定
1）Calvin循环（Calvin cycle）
循环中特有酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。循环分三个阶段 ： ①羧化反应 （核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖羧化酶将CO2固定，转变为 2个甘油酸-3-磷酸，重复3次，产生6个C3化合物 ） ②还原反应（甘油酸-3-磷酸被还原成甘油醛-3-磷酸 ） ③CO2受体的再生 （1个甘油醛-3-磷酸逆EMP途径生成葡萄糖，其余5 个再生出3个核酮糖-1,5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子 ）。
微生物代谢控制发酵第五章
PGE3、就不能合成，免疫、心脑血管 生殖内分泌等系统就会 出现异常，发生紊乱，从而引起高血脂、高血压、血栓症、动 脉粥样硬化、风湿病、糖尿病、皮肤粗糙、加速衰老化等一系 列疾病。 特别是对脑组织的生长发育相当重要，因为脑重量的20%是由 必需脂肪酸组成的。
γ-亚麻酸 Gamma linolenic Acid （十八碳三烯酸，维生素F，Octadecatrienoic Acid，GLA）
诱变育种（breeding by induced mutation）
指通过人工方法处理均匀而分散的 微生物细胞群，在促进其突变率显著提 高的基础上，采用简便、快速和高效的 筛选方法，从中挑选出少数符合目的突 变株的过程。
在此过程中，诱变和筛选是两个主要环 节。
诱发突变（induced mutation） 物理因素
柠檬酸为无色晶体，常一分子结晶水。易溶于水和乙醇。 具有多元羧酸的性质，易与金属离子形成络合物。
柠檬酸与酒石酸、苹果酸一样，广泛用作食品的酸味剂。 在食品和医学上用作多价螯合剂，也是化学中间体，临床上， 用柠檬酸作矫味剂。许多柠檬酸盐具有特定的生理活性，如： 枸橼酸铁铵（抗贫血药），枸橼酸铋钾（抗溃疡药）等。柠 檬也可用于与碱性药物成盐，成为溶于水的制剂，如枸橼酸 哌嗪（抗蠕虫药）。
用以柠檬酸为唯一碳源的培养基， 选择菌体不生长或生长微弱的突变株。
柠檬酸发酵优良突变株的筛选
6、选育某些氨基酸缺陷的突变株 如：谷氨酸缺陷型、精氨酸缺陷型等
7、选育抗药性突变株 如：寡霉素抗性、萘啶酮酸抗性等
8、选育强化CO2固定反应的突变株 如：将磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因
克隆到高拷贝载体上，使之扩增
1、柠檬酸的发酵机制
2C6H12O6 + 3O2
γ-亚麻酸 Gamma linolenic Acid （十八碳三烯酸，维生素F，Octadecatrienoic Acid，GLA）
诱变育种（breeding by induced mutation）
指通过人工方法处理均匀而分散的 微生物细胞群，在促进其突变率显著提 高的基础上，采用简便、快速和高效的 筛选方法，从中挑选出少数符合目的突 变株的过程。
在此过程中，诱变和筛选是两个主要环 节。
诱发突变（induced mutation） 物理因素
柠檬酸为无色晶体，常一分子结晶水。易溶于水和乙醇。 具有多元羧酸的性质，易与金属离子形成络合物。
柠檬酸与酒石酸、苹果酸一样，广泛用作食品的酸味剂。 在食品和医学上用作多价螯合剂，也是化学中间体，临床上， 用柠檬酸作矫味剂。许多柠檬酸盐具有特定的生理活性，如： 枸橼酸铁铵（抗贫血药），枸橼酸铋钾（抗溃疡药）等。柠 檬也可用于与碱性药物成盐，成为溶于水的制剂，如枸橼酸 哌嗪（抗蠕虫药）。
用以柠檬酸为唯一碳源的培养基， 选择菌体不生长或生长微弱的突变株。
柠檬酸发酵优良突变株的筛选
6、选育某些氨基酸缺陷的突变株 如：谷氨酸缺陷型、精氨酸缺陷型等
7、选育抗药性突变株 如：寡霉素抗性、萘啶酮酸抗性等
8、选育强化CO2固定反应的突变株 如：将磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因
克隆到高拷贝载体上，使之扩增
1、柠檬酸的发酵机制
2C6H12O6 + 3O2
微生物代谢与调控
分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子 的过程。
分解代谢
复杂分子
（有机物）
合成代谢
简单小分子
ATP
[H]
按物质转化方式分：
分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。
合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分 子的过程。在这个过程中要消耗能量。
物质代谢：物质在体内转化的过程. •能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化 . 按代谢产物在机体中作用不同分：
酵母菌的一型和二型发酵原理
3%的亚硫酸氢钠（或pH7）
CO2
NADH
丙酮酸 乙醛 （磺化羟基乙醛） NADH 磷酸二羟基丙酮 NAD+ 磷酸甘油 NAD+ 乙醇
Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵
甘油
巴斯德效应(The Pasteur effect ) 现象： 通风对酵母代谢的影响
EMP途径 ED途径 EMP途径 三羧酸循环 三羧酸循环
丙酮酸脱羧 脂肪氧 化
2.1.2递氢、受氢和ATP的产生
★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还 原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体 （氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 ★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同 ,把微 生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.
（与EMP途径连接） ~~氧化酶
6-磷酸-葡萄酸
(与HMP途径连接) ~~脱水酶
EMP途径
3-磷酸-甘油醛
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
EMP途径
丙酮酸
~~醛缩酶
有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵
分解代谢
复杂分子
（有机物）
合成代谢
简单小分子
ATP
[H]
按物质转化方式分：
分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。
合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分 子的过程。在这个过程中要消耗能量。
物质代谢：物质在体内转化的过程. •能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化 . 按代谢产物在机体中作用不同分：
酵母菌的一型和二型发酵原理
3%的亚硫酸氢钠（或pH7）
CO2
NADH
丙酮酸 乙醛 （磺化羟基乙醛） NADH 磷酸二羟基丙酮 NAD+ 磷酸甘油 NAD+ 乙醇
Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵
甘油
巴斯德效应(The Pasteur effect ) 现象： 通风对酵母代谢的影响
EMP途径 ED途径 EMP途径 三羧酸循环 三羧酸循环
丙酮酸脱羧 脂肪氧 化
2.1.2递氢、受氢和ATP的产生
★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还 原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体 （氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 ★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同 ,把微 生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.
（与EMP途径连接） ~~氧化酶
6-磷酸-葡萄酸
(与HMP途径连接) ~~脱水酶
EMP途径
3-磷酸-甘油醛
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
EMP途径
丙酮酸
~~醛缩酶
有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵
第五章+第四节++微生物的代谢调控
无葡萄糖时：——— cAMP浓度上升，cAMP与CAP(降解物的激 活蛋白)结合,与启动基因结合，转录进行.
酶合成调节的机制(操纵子学说概述)
操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中 包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。
①结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DNA 模板，可根 据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出 相应的酶（编码蛋白质的DNA序列）；
凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制 该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除
酶活力调节的机制
变构酶理论： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化
同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶 的合成，主要存在于短的代谢途径中。
顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间 代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。
组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合 成的酶。如：EMP途径的一些酶。 诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如： 乳糖酶。
微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的 代谢调节能力超过高等生物。
成因：细胞体积小，所处环境多变。
举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正 常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分 子，所以每种酶平均分配不到100个分子。
解决途径：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在， 其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存 在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。
酶合成调节的机制(操纵子学说概述)
操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中 包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。
①结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DNA 模板，可根 据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出 相应的酶（编码蛋白质的DNA序列）；
凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制 该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除
酶活力调节的机制
变构酶理论： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化
同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶 的合成，主要存在于短的代谢途径中。
顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间 代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。
组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合 成的酶。如：EMP途径的一些酶。 诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如： 乳糖酶。
微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的 代谢调节能力超过高等生物。
成因：细胞体积小，所处环境多变。
举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正 常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分 子，所以每种酶平均分配不到100个分子。
解决途径：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在， 其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存 在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。
5第五章 代谢调控育种
⑷利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方法， 解除终产物对关键酶的调节；
⑸应用遗传工程技术，创造理想微生物（即构建目 的工程菌株）。
此外，发酵条件如pH值、NH3的供应、溶氧水平、 营养浓度控制及表面活性剂的使用等也非常重要。
一. 切断支路代谢
1. 营养缺陷突变株的应用
营养缺陷型即菌株发生基因突变，合成途径中某一 步骤发生缺陷，丧失了合成某些物质的能力，必须在 培养基中添加该营养物质才能生长。
第五章 微生物 代谢控制育种
第一节 代谢控制育种的基础
代谢控制发酵理论的建立
代谢控制发酵理论最开始是应用于氨基酸高产菌株 的选育中；随后，核苷类物质发酵生产菌也以代谢控 制理论去选育，并奋起直追成为后起之秀。
随着研究的深入，代谢控制发酵理论的作用，已由 野生型菌株的发酵向高度人为控制的发酵转移，由依 赖于微生物分解代谢的发酵向依赖于生物合成代谢的 发酵，即向代谢产物大量积累的发酵转移。
一个菌株经过突变和回复突变后，某一结构基因 编码的酶会经历失活→恢复活性的过程，但酶的调节 部位的结构常常并没有恢复。所以经过此过程后，该 酶的反馈抑制被解除或削弱。因此可以利用营养缺陷 型的回复突变来获得解除反馈抑制从而提高产量的菌 株。
例如，先将金霉素生产菌绿链霉菌诱变成蛋氨酸 缺陷型，然后再回复突变成原养型，结果其中有85% 的回复突变株的金霉素产量提高了1.2~3.2倍。
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株 以及克隆某些关键酶的基因，也可以使目的产物前体 的合成增加，从而有利于目的产物的大量积累。
1. 在分支合成途径中，切断控制共用酶的非目的终 产物的分支合成途径，增多目的产物的前体，使目的 产物的产量提高。
在谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、黄色短杆菌、 大肠杆菌等微生物中，Lys、Thr、Met的合成关键酶是 天冬氨酸激酶，该酶受Lys、Thr的协同反馈抑制，即 天冬氨酸激酶在Lys或Thr单独存在时不受抑制，仅当 两者同时过量时才引起抑制作用。因此，在Thr限量培 养时，即使Lys过剩，也能进行由天冬氨酸生成天冬酰 磷酸的反应（即第一步反应）。
第五章 发酵机制与代谢调控
高级醇（higher alcohol）
（1）杂醇油的生成 杂醇油是C原子数大于2的脂肪族醇类的统称， 主要由正丙醇、异丁醇（2-甲基-1-丙醇）、异戊醇 （3-甲基-1-丁醇）和活性戊醇（d-戊醇、2-甲基-1丁醇）组成。 氨基酸氧化脱氨作用：早在1907年Ehrlish提出了 高级醇的形成来自氨基酸的氧化脱氨作用。后来 Sentheshani Nuganthan（1960）根据以啤酒酵 母无细胞抽出液研究从氨基酸形成高级醇的机理， 提出以下途径： 转氨基是在α-酮戊二酸间进行。天冬氨酸、异 亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪 氨酸等均有此转氨作用。根据此机制，由缬氨酸产 生异丁醇、异亮氨酸产生活性戊醇、酪氨酸产生酪 醇，苯丙氨酸产生苯乙醇等。
3 酒精发酵中副产物的形成 主产物（product） ：酒精（alcohol）
副产物（by product ）： 二氧化碳（carbon dioxide） 甘油（glycerol） 乙醛（acetaldehyde） 琥珀酸（ succinic acid ） 乙酸（acetic acid） 酯（ester）
（1）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 黄单孢菌进行多糖的发酵等等。
（2） 厌氧性发酵(anaerobic fermentation) ：在发酵 过程中不需要供给无菌空气，如利用乳酸杆菌引起的乳酸 发酵、梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等等。 （3）兼性发酵 (facultative fermentation) ：酵母菌 是兼性厌氧微生物 (facultative aerobe) ，它在缺氧条件 下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧 发酵，大量繁殖菌体细胞。
微生物应用技术-代谢工程
微生物技术应用——代谢工程
代谢工程定义：利用重组DNA技术或其他技术， 有目的地改变生物中已有的代谢网络和表达 调控网络，以更好地理解和利用细胞的代谢 途径，并用于化学转化、能量转移及大分子 装配过程。
➢代谢工程就是利用基因工程技术重新设计代谢系统。 ➢“一种理解并利用代谢过程的方法”。
微生物技术应用——代谢工程
一、代谢工程的产生及沿革
1 半个多世纪微生物生理与育种知识的累积 2 基因工程理论和技术的成熟 3 代谢流定量分析技术的发展 4 生化工程在线检测和建模方法的发展
微生物技术应用——代谢工程
1 半个多世纪微生物生理与育种知识的累积
微生物生理学、遗传育种学和生物化学的发展
用代谢途径操作的手段来改造微生物以获 得期望的性质
19.正常代谢和竞争型细胞经济
微生物在生存竞争中进化的方向是发展其 自身的适应能力和提高细胞运行的经济系数。 经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所 栖身的环境中是富有竞争能力的，并且它们的 代谢中间物在代谢网络中的分布及细胞经济运 行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。 在上述条件下，细胞处于正常代谢状态，细胞 经济体系呈现竞争型细胞经济的特色。
21.细胞经济受到严格的制约
工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品， 导向型细胞经济固然有利于特定的代谢产物的 生产，但竞争型细胞经济向导向型细胞经济的 转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严 格制约（以保证有熵的输出），表现出代谢网 络的刚性。若细胞经济实体的运行状态过度偏 离竞争型运行状态，活细胞的高度有序状态将 走向无序，最终导致细胞经济的崩溃。
11.代谢主流的变动性和选择性
微生物的代谢主流的方向、流量甚至 所流经的途径都可能发生变化。这就是微
微工第5章 氨基酸发酵机制
（一）EMP途径、HMP途径
谷氨酸生产菌存在着两种代谢途径：EMP、 HMP ；EMP/HMP=90/10。
2024/9/4
12
第五章 氨基酸发酵机制
（二）TCA、DCA和CO2固定作用 1.TCA环（三羧酸循环）
P69表5-2：谷氨酸是通过三羧酸循环途 径合成的；为此：
α-酮戊二酸之前的代谢必须畅通； α-酮戊二酸脱氢酶活性丧失或很小；
2024/9/4
19
第五章 氨基酸发酵机制
2024/9/4
✓GA产生菌有强烈的L-谷氨酸脱氢酶活性
20
第五章 氨基酸发酵机制
2024/9/4
21
第五章 氨基酸发酵机制
✓ 谷氨酸合成酶对NH4＋的亲和力比谷氨酸脱 氢酶强得多，当环境中NH4＋浓度很低时， 可由谷氨酸合成酶途径合成谷氨酸。
NAD+ NADH+H+
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第五章 氨基酸发酵机制
PEP的分解和羧化受细胞能量代谢水平调节； PEP羧化酶的Km较高；
2024/9/4
18
第五章 氨基酸发酵机制
（三）氨的导入
氨是氨基酸基本结构之一，氨的导入是氨基 酸合成中的基本过程。
氨的导入有三种方式：
①α-酮戊二酸还原氨基化→谷氨酸(谷氨酸脱 氢酶) ②天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移，将氨基 转给 α-酮戊二酸(ALT, AST) ③谷氨酸合成酶途径，该酶Km仅谷氨酸脱氢 酶的1/10，且不被谷氨酸抑制。
2024/9/4
4
第五章 氨基酸发酵机制
代谢控制发酵工程技术时期的标志事 件：1956年，谷氨酸发酵生产成功
谷氨酸
学名：α-氨基戊二酸 其单钠盐：谷氨酸钠，商品名称味精，是重要的调味品。
发酵制品学第五章代谢调控发酵机制考试能用上--周广麒
• 生物素贫乏时，细胞内的Glu含量少而且容易析出，而培 养基中积累大量的Glu；生物素丰富时，培养基中几乎不 积累Glu，而细胞内却含有大量的Glu，且不易被析出。 这说明生物素对细胞膜通透性有重要影响。
整理课件
15
整理课件
16
石蜡为碳源的磷脂合成途径
表面活性剂拮抗作用部位 油酸缺陷型遗传阻碍部位
第五章 生物产品代谢调控发酵机制
本章主要内容： • 氨基酸代谢调控机制 • 核酸与核苷酸代谢调控机制 • 抗生素代谢调控机制
整理课件
1
§1 氨基酸代谢调控机制
代谢控制发酵是用遗传学或其他生物化学的方法，人为 地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，打破微 生物正常的代谢调节，使有用产物大量生成和积累。
整理课件
12
2. 谷氨酸代谢调节机制
①谷氨酸脱氢酶 ②-酮戊二酸脱氢酶 ③磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 ④柠檬酸合成酶
NH4+
在黄色短杆菌中谷氨酸、天冬氨酸生物合成的调节机制
整理课件
13
▪ 在微生物的代谢中，Glu比Asp优先合成； 合成过量时则抑制谷氨酸脱氢酶，使代谢转向合成Asp； Asp过量时反馈抑制PEP羧化酶的活力，停止合成草酰乙酸。
氨基酸发酵和核酸发酵是典型的代谢控制发酵。
整理课件
2
一、谷氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、精氨酸生物 合成途径及其代谢调节机制
谷氨酸与瓜氨酸、鸟氨酸、精氨酸同属于谷氨酸 族氨基酸，其合成途径是首先由-酮戊二酸生成 谷氨酸，再进一步合成鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸
葡萄糖→→ →谷氨酸→鸟氨酸→瓜氨酸→精氨酸
整理课件
谷氨酸 → N-乙酰谷氨酸 →→→ 鸟氨酸 → 瓜氨酸 →→ 精氨酸
Glu
第五章微生物的代谢与发酵控制
不能合成
甲硫氨酸 苏氨酸
可以大 量积累
赖氨酸
回本章目录
一、发酵过程控制
微生物发酵的过程控制应该从两个方面 来实现：
微生物菌体本身的性能控制； 微生物发酵环境条件控制。
回本章目录
（一）发酵过程的一般性规律 1.发酵的基本过程
原料的预处理 灭菌 发酵培养基的制备 大型发酵
发酵液的预处理和固液分离 发酵液的纯化 发酵液的精制及成 品加工
回本章目录
植物光和磷酸化
回本章目录
光和细菌光和磷酸化
回本章目录
氧化磷酸化可分为：
底物磷酸化； 电子传递磷酸化
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三、微生物的分解代谢
1.蛋白质的分解 2.氨基酸的分解
（1）脱氨作用 （2）脱羧作用
氧化脱氨 还原脱氨 直接脱氨 脱水脱氨 水解脱氨 氧化还原偶联脱氨
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（二）糖类物质的分解代谢
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例人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸
黄色短杆菌的代谢过程
天冬氨酸
抑制 天冬氨酸激酶
高丝氨酸 脱氢酶
中间产物Ⅰ
高丝氨酸
中间产物Ⅱ
甲硫氨酸
苏氨酸
赖氨酸
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人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸
天冬氨酸
人工诱变的 菌种不能产生
天冬氨酸激酶
高丝氨酸 脱氢酶
中间产物Ⅰ
高丝氨酸
中间产物Ⅱ
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二、酶的活性调节
酶活性调节是指对一定数量已存在
的酶分子，通过对其分子构象或结 构的改变来调节其催化的生物化学 反应速率，这种调节能够最大限度 的使微生物细胞对周围环境变化作 出快速反应。
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工业微生物 chap5 微生物的代谢调节与控制
第五章微生物的代谢调节与控制微生物代谢(microbial metabolism) 是微生物最基本的特征之一，包括在微生物细胞中进行的所有生物化学反应。
微生物的代谢作用包括合成代谢(anabolism) 和分解代谢(catabolism)，合成代谢又称同化作用，是指生物体从体内或体外环境中取得原料，合成生物体细胞的结构成分的过程，此过程需要提供能量；分解代谢又称异化作用，它与合成代谢正好相反，是指生物体内所有的分解作用，包括各种营养物质或细胞结构物质降解成简单分子，此过程往往伴随能量的释放。
无论是合成代谢还是分解代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的，前一步反应的产物是后续反应的底物。
而且，合成代谢与分解代谢在生物体中偶联进行，分解代谢为合成代谢提供所需要的能量、中间产物和还原力，而合成代谢则是分解代谢的基础，提供酶、细胞结构、生长繁殖。
微生物可通过氧化还原反应或光合作用产生能量，同时又通过生物合成作用利用这些能量来制造生物体的必需物质，在代谢活动中存在着明显的多样性。
微生物细胞通过各种方式有效地调节相关的酶促反应，来保证整个代谢途经的协调性与完整性，从而使微生物细胞的生命活动得以正常进行。
第一节微生物代谢的多样性一、微生物生物氧化的类型和产能生物氧化(biological oxidation) 就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总和。
生物氧化不同于普通的氧化反应。
首先，它们是由一系列酶在温和的条件下按一定次序催化的多步式梯级反应；第二，生物氧化反应放能是分段逐级进行的；第三，生物氧化反应中释出的能量一部分以化学能的形式储藏在ATP分子等能量载体内。
根据微生物进行生物氧化时有无外界的最终电子受体，可以把微生物生物氧化分为呼吸和发酵两大类。
没有任何外源的最终电子受体的生物氧化类型称为发酵，有外源的最终电子受体的生物氧化类型称为呼吸。
再根据外源最终电子受体是不是分子氧，又可以把呼吸分为有氧呼吸和无氧呼吸。
第五章微生物的代谢与调控
(2)HMP途径(Hexose Monophosphate Pathway))
能产生大量NADPH2形式还原力和重要中间代谢产物 而并非产能的代谢途径。
HMP途径可概括为三个阶段 ①葡萄糖分子通过几步反应产生5-磷酸核酮糖和CO2； ②5-磷酸核酮糖发生同分异构化而分别产生5-磷酸 核糖和5-磷酸木酮糖；
②化合物脱氢； ③失去电子，如Fe2＋离子失去电子变成Fe3
＋离子。 根据最终电子受体(氢受体) 分为： 有氧呼吸、无氧呼吸与发酵
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种
生物氧化的功能为： 产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物
（一） 底物脱氢的4条途径 多数微生物是化能异养型菌，葡萄糖是微
由于发酵作用对有机物的氧化不彻底，发 酵结果是积累有机物，且产生能量较少。
“发酵”在这里是指不需氧的产能代谢。
(2) ．广义的发酵概念
在有氧或无氧条件下，利用好氧或兼性厌氧、 厌氧微生物的新陈代谢活动，将有机物氧化转 化为有用的代谢产物，从而获得发酵产品和工 业原料的过程。
1. 发酵(fermentation)
需氧菌和兼性菌在有氧条件下可以进行有 氧呼吸，同时释放大量的能量。总反应式 为：
C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38Pi——→6CO2 + 6H2O + 38ATP 在电子传递过程中有ATP生成。
电子传递链
电子传递系统具两种功能：
一是从电子供体接受电子(氢)并传递给电子受体； 二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP，(又称氧
产能效率低1分子葡萄糖经ed途径分解只产生1分子atped途径在g菌中分布较广特别是假单胞菌和某些固氮菌中较多存在如嗜糖假单胞菌荧光假单胞菌铜绿假单胞菌林氏假单胞菌和运动发酵单胞菌等ed途径可与emp途径hmp途径和tca循环等各种代谢途径相连接因此可以相互协调以满足微生物对还原力能量和不同中间代谢产物的需要
微生物的代谢与调节
分解代谢的三个阶段
将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂 肪酸等小分子物质。 进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、 及能进入TCA循环的中间产物。 将第二阶段的产物完全降解生成CO2 ， 并将 前面形成的还原力（NADH2）通过呼吸吸链氧 化、 同时形成大量的ATP。
合成代谢和分解代谢的关系
CH2OH
6-磷酸-葡糖酸
CH2OH
5-磷酸-核酮糖
H- C=O H-C-OH H-C-OH H-C-OH CH2OP
HMP 途径
无氧
C=O HO-C-H H-C-OH H-C-OP H
C=O H-C-OH H-C-OH H-C-OP H
5-磷酸-木酮糖
5-磷酸-核酮糖
5-磷酸-核糖 3-磷酸-甘油醛
b :产能阶段
底物水平磷酸化
丙酮酸
ADP ATP
CH2OH OH HO OH OH
o
ATP ADP
CH2OP HO OH
NADH+H+ NAD(P)+
o
CH2OP OH
NADH+H+ NAD(P)+
CH2OH
o
COOH
OH OH
HO
OH
葡萄糖
C=O H-C-OH H-C-OH D CH2OP
6-磷酸-葡萄糖
氧化磷酸化
电子传递
2H+ 递氢体 NAD FAD Q 还原态细胞色素-H2 1/2O
2
基质-H2
细胞色素bca1a3 氧化态细胞色素 氧化酶 H2O
基质
递氢体-H2 脱氢酶
呼吸链respiratory chain 电子传递连 electron transport chain
第五节 微生物的代谢调控与发酵生产
• 其优点则是通过阻止酶的过量合成，有利于节 约生物合成的原料和能量。
• 在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节 两者是同时存在且密切配合、协调进行的。
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15
（一）酶合成调节的类型
• 1．诱导
• 根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物 或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱 导酶两类。
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26
• （4）调节蛋白
• 是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可 与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结
合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构
作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵 基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。
•
调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能
在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因
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22
（二）酶合成调节的机制
• （1）操纵子: 指的是一组功能上相关的基因， 它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组 成。
• 启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识 别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位， 也是转录的起始点；
• 操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段 碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合， 以此来决定结构基因的转录是否能进行；
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30
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31
• （二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
• 抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制 不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而 有之的菌株。
• 在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除， 或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌 大量的末端代谢产物。
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• 在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节 两者是同时存在且密切配合、协调进行的。
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（一）酶合成调节的类型
• 1．诱导
• 根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物 或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱 导酶两类。
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• （4）调节蛋白
• 是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可 与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结
合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构
作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵 基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。
•
调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能
在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因
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（二）酶合成调节的机制
• （1）操纵子: 指的是一组功能上相关的基因， 它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组 成。
• 启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识 别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位， 也是转录的起始点；
• 操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段 碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合， 以此来决定结构基因的转录是否能进行；
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• （二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
• 抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制 不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而 有之的菌株。
• 在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除， 或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌 大量的末端代谢产物。
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VI. 琥珀酰辅酶A 6. 琥珀酰辅酶A合成酶
VII. 琥珀酸 VIII. 延胡索酸
IX. L-苹果酸 X. 草酰乙酸
7. 琥珀酸脱氢酶 8. 延胡索酸酶
9. 苹果酸脱氢酶 10. 柠檬酸合成酶
复水合
H2O
氧化 脱羧
NAD+
氧化脱羧
NAD+
底物水平磷酸化
氧化 水合
CoA-SH
GDP Pi FAD+
氧化 加成
NAD+
NADH+H+
NADH+H+
CO2
GTP CoA-SH FADH2
NADH+H+
XI. 乙酰辅酶A
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20
糖代谢的能荷调节
能 荷 A=TP + 0.5ADP ATP (Energy charge) + ADP + AMP
•需能 •ATP分解 •能荷降低 •激活催化糖类分解的酶 •解除ATP对酶的抑制 •加速糖酵解、TCA循环 •多产生能量
P
P OCH2O CH2OH
②异构
HO
③活化
葡萄糖 H O
6-磷酸葡萄糖
OH 6-磷酸果糖
6
1
P OCH2O CH2O P ④裂解
5 HO 2
1
H2C
2
C
OP
+ O ⑤异构
4
OH
3
3
磷酸二羟丙酮 H 2 C O H
P
⑥脱氢
P OCH2O CH2O P
HO
OH
4 HH C O 5
HCOH
1，6-二磷 酸果糖
丙1酮5 酸
E1
Glu
G-6-P
ATP ADP
F-6-P E2 F-1, 6-2P
ATP ADP
途糖 径酵
解 的 代 谢
E1:己糖激酶
磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛
NAD+
E2: 6-磷酸果糖激酶
NADH+H+
E3: 丙酮酸激酶
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
乳酸
3-磷酸甘油酸
NAD+ NADH+H+
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8
乙醛酸循环
“三羧酸循环”
CH 2 OH
O
HH
H
HO OH H OH
H
OH
有氧情况
CO2 + H2O
“乙醛酸循环”
好氧
生物
“糖酵解” 丙酮酸
缺氧情况 “乳酸发酵”
乳酸
葡
不需氧
厌氧 “乳酸发酵”、“乙醇发酵”
萄
生物
乳酸或乙醇
糖
“磷酸戊糖途径”
需氧
CO2 + H2O
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9
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10
三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）的最 终代谢通路，又是糖类、脂类、氨基酸代谢联系的枢纽。
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19
分子
柠檬酸
1. 乌头酸酶
脱水
辅酶
辅酶
H2O
乌头酸-II. 顺 III. 异柠檬酸 IV. 草酰琥珀酸 酮戊二酸-V. α
2. 乌头酸酶 3. 异柠檬酸脱氢酶 4. 异柠檬酸脱氢酶 5. α-酮戊二酸脱氢酶复合体
•多能 •ATP增加 •能荷升高 •激活糖元合成的酶 •抑制糖分解途径关键酶 •减慢糖酵解、TCA循环 •少产生能量
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21
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22
糖代谢的生物素调节
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23
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24
（2）生物素的调节
生物素是羧化
O
酶的辅酶，它
C
本身就是一种B H N
NH
族维生素B7。
H 2C S
C H (C H 2)4C O O H
各种代谢途径的利用比例
多种代谢途径可以同时存在于一个细胞内，不 同代谢途径在细胞中存在的比例因微生物不同 而异
只有少数细菌以HMP途径作为有氧分解的唯 一途径，如醋酸杆菌等；而有些微生物中只有 EMP或ED途径
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11
教学ppt
12
教学ppt
13
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14
①活化
G
C H2O O
微生物代谢控制发酵
王腾飞
wangtengfei1981@
13教8学6p9pt144397
1
第五章 代谢控制发酵的应用
第一节 糖代谢与控制 糖代谢的途径；糖代谢的调节机制
第二节 柠檬酸发酵机制与代谢调控 柠檬酸的生物合成途径；柠檬酸生物合成中的代谢调节与控 制；柠檬酸发酵的产率；柠檬酸产生菌的育种
生物素，又称为VH或VB7。是附有一个噻吩环的尿素
衍生物。
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25
生物素主要是影响糖代谢的速度
生物素充足时，糖分解速度提高，造成乳酸 积累
生物素缺乏时，丙酮酸氧化能力下降，乙醛 酸途径基本是封闭的
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26
生物素充足时：
苹果酸、草酰乙酸脱羧 反应活跃，琥珀酸氧化能 力增强，倾向于完全氧化， ATP增加，蛋白质合成加剧， 谷氨酸剧减。
2-磷酸甘油酸
ATP ADP
丙酮酸
磷酸烯醇式丙酮酸
E3 教学ppt
16
教学ppt
17
教学ppt
18
TCA
三 羧 酸 循 环 （ Tricarboxylic acid cycle ； TCA cycle）又柠檬酸循环（Citric Acid Cycle），是需 氧生物体内普遍存在的代谢途径，因为在这个循环中几 个主要的中间代谢物是含有三个羧基的柠檬酸，因此得 名；或者以发现者汉斯·阿道夫·克雷伯命名为克雷伯氏 循环，简称克氏循环（Krebs cycle）。
第三节 脂类代谢与控制 脂类代谢与调节；谷氨酸的生物合成途径；谷氨酸代谢调节 机制；谷氨酸生产菌的育种思路
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2
第五章 代谢控制发酵的应用
第四节 氨基酸代谢控制与发酵 赖氨酸的生物合成途径；赖氨酸代谢调节机制；赖氨酸生产 菌的育种思路
第五节 核苷酸类物质的代谢控制与发酵 核苷酸生物合成的调节机制；肌苷发酵的代谢控制育种
脱支酶
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磷酸化酶
G—1—P
6
海藻糖
乳糖
蔗糖
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半乳糖 甘露糖
7
糖酵解途径（EMP） 双磷酸己糖途径（HDP）
CO2固定作用 伍德-沃克曼反应 三羧酸循环（TCA） 柠檬酸循环 克雷布斯循环
单磷酸己糖途径（HMP） 磷酸戊糖循环（PP环）
ED途径 2-酮-3脱氧-6-磷酸葡萄糖酸 裂解途径
6
H2C O
P
磷酸甘油醛
OP
OH
C O ⑦产能 C O ⑧异构
OH C O ⑨脱水
HCOH
HCOH
HH C O P
OH C O ⑩产能
CO P
OH CO CO
H2C O
1，3-二磷酸 甘油酸
P H2C O P
3-磷酸甘油酸
H 2 C OO HH
2教-学磷p酸pt甘油酸
C H2
磷酸烯醇 式丙酮酸
C H3
第六节 抗生素发酵的代谢与控制 抗生素的基本合成途径、关键酶、调控措施。
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3
第一节 糖代谢与控制
淀粉——葡萄糖
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4
α-淀粉酶及β-淀粉酶水解支链淀粉的示意图
教学ppt
5
淀粉降解
☉1. 到分枝前4个G 时，淀粉磷酸化酶 停止降解 ☉2.由转移酶切下 前3个G，转移到另 一个链上 ☉3.脱支酶水解α1，6糖苷键形成直 链淀粉。脱下的Z是 一个游离葡萄糖 ☉4.最后由磷酸化 酶降解形成G-1-P