华理工工业发酵

1第一章1．不同学科对微生物生长的定义的着重点有何不同？什么是分化？细胞生物学家关注单细胞的形态变化，特别是细胞的分裂方式，而生化学者对成千个与生长有关的酶瓜，动力学及代谢途径感兴趣，认为生长是所有化学万分有秩序地相互作用的结果。生物物理学者则认为，细胞是热力学不平衡的开放系统，与其周围环境进行物质与能量的交流，特别表现在熵的溢流上。生化工程师把生长看做是生物催化剂数量的增长，通常以质量和细胞数目的增长来表达细胞的生长。分化则是生物的细胞形态和功能向不同的方向发展，由一般变为特殊的现象。2．有哪些因素会影响微生物的生长？物理影响：温度，搅拌的影响，渗透压对生长的影响，水的活度。化学影响：PH的影响，溶氧的影响，二氧化碳的影响，碳源的影响，氮源的影响，烷醇，有机酸，3．生长得率是什么意思？有哪些表示方法？生长得率的概念是假定所利用的基质与生成的细胞之间的固定化学计量关系。表示生长得率的方法主要有：分子得率系数，碳转化效率，以电子平均数为基准的得率，基于热的产生的得率，以氧耗为基准的得率系数和基于克分子ATP消耗的得率。4．生长得率取决于哪些因素？生长得率取决于许多因素：碳源的性质。基质的分解代谢途径。提供任何复杂基质。菌便函省略若干合成途径。同化其他养分。不利于离子平衡的抑制性物质或其他会对运输系统提出额外要求的培养基组分。生成ATP瓜的效率的变化。菌的生理状态。对于连续培养，限制性基质的性质。连续发酵允许的生长得率，在低生长速率下维持作用的重要性。微生物的遗传特性。5．P/O商是指什么？用来表征什么？P/O商的大小对生长得率有何影响？P/O商是指消耗0.5molO2形成ATP的量。在研究需氧细胞得率方面的一个重要参数是呼吸效率，也是用P/O商表征。P/O商的大小对细胞得率具有重要的影响。现在有数据表明，碳源对P/O商有一些影响，但在细菌中P/O商取决于质子易位的数目。菌丝顶端生长机制：大多数菌丝顶端生长机制都与泡囊在顶端的聚集有关。未分化菌丝在生长调节至少包含三种机制：1，菌丝极化的调节2，分枝启动的调节3，菌丝空间分布的调节。第三章丁二胺又称腐胺，在生理学上有重要意义。它可以调节细胞的渗透压，保证细菌细胞内部的离子强度大致不变。1．试举3个例子说明微生物代谢是受到高度调节的。微生物生长在含有单一有机化合物为能源的合成培养基中，所有大分子单体的合成速率同大分子的合成速率是协调一致的，不会浪费能量去合成那些它们用不着的东西；任何一种单体的合成，如能从外源获得并能进入细胞内，单体的合成自动中止。参与这些单体生成的酶的合成也会停止；微生物只有在某些有机质存在时，才会合成异化这些基质的酶。2．如何才能绕过微生物的固有调节机制大量生产诱导酶？举两种你认为可行的富集方法。只有在需要时才合成所需的酶是微生物的固有调节机制。如不设法绕过这种机制，就难于使需要的诱导酶大量生产。据此，可用诱变方法来消除诱导酶的合成必需依赖诱导物这种障碍。藉强力因素诱变引起的突变，如不是在结构基因上，而是在调节基因或操纵基因上，从而导致调节基因编码合成的阻遏物无活性或操纵基因对活性阻遏物的亲和力衰退，这样，无需诱导物便能生产诱导酶。这种突变作用称为调节性哐组成型突变，具有这种特性的菌株称为组成型突变株。举例：在诱导物为限制性基质的恒化器中筛选取；使用诱导性能很差的基质。23．什么是分解代谢物阻遏？其生长与溶氧曲线有哪些牲性变化？若微生物的培养基中存在一种以上可利用的养分，通常它们总是先分解那些最易利用的基质，只有在该基质耗歆后才开始分解第二种基质。将大肠杆菌培养在含有两种碳源的培养基上，便出现两次旺盛的生长期，称为二次生长。其特征是两个生长期间有一个停滞期。4．试举一例说明耐分解代谢物阻遏的突变株筛选取原理。筛选原理：以一种能引起分解代谢物阻遏的基质作为唯一的氮源，用含有这各氮源的培养基的琼脂平板培养筛选取经诱变的菌株。例如：在葡萄糖-脯氨酸琼脂平板上可筛选出耍分解代谢物阻遏的脯氨酸氧化酶的生产菌株。5．什么是反馈抑制和反馈阻遏？试比较诱导与反馈阻遏作用的分子水平机制。反馈抑制一般针对紧接代谢途径支点后的酶；而阻遏往往影响从支点到终点的酶。降解性酶类通常是通过诱导作用和分解代谢物的调节来控制的。反馈抑制作用是末端代谢产物抑制其合成途径中参与前几步反应的酶活性的作用；反馈阻遏作用是末端代谢产物阻止整个代谢途径酶的合成作用。6．试举两种你认为可行的避开末端代谢产物反馈调节的方法。一类是改变培养环境条件来限制末端代谢产物在细胞内部的积累；另一类是从遗传上改造微生物，使之对末端产物反馈调节作用不敏感。7．叙述用结构类似物筛选耐末端代谢产物调节的突变株的原理。将经诱变处理过的野生型菌株涂布在含有末端代谢产物的结构类似物的琼脂平板上，培养一段时间之后大多数细胞被杀死，而那些发生了抗性突变的菌株则形成菌落，从而得到不受末端代谢产物调节作用的突变株。其机制如下：在正常情况下，细胞中过量末端代谢产物会抑制和阻遏参与其生物合成途径的酶。氨基酸A可用于蛋白质的合成，氨基酸类似物A/，具有与氨基酸A一样的调节作用，但不能用于合成蛋白质。经诱变处理的野生型菌株在含有氨基酸类似物A/的培养基中培养时，因为绝大多数细胞不能合成氨基酸A而死亡，只有那些对类似物A/不敏感的抗性突变菌株能合成氨基酸A，方能形成菌落。在这些突变菌株中，有些可能是由于参与氨基酸合成的酶结构起了变化，对类似物A/不敏感，另一些可能是由于编码参与氨基酸A合成酶的操纵子的控制基因发生了突变，编码出没有活性的调节蛋白而对类似物A/不敏感。由于这些菌株对氨基酸A的合成失去控制，从而能过量地生产氨基酸A。8．叙述分支代谢途径的3种调节方式：同工酶，协同反馈调节和积累反馈调节。同工酶：是几种在一个细胞中催化同一瓜的酶。它们通常催化分去途径中的头一个反应，分别受不同的末端产物的反馈控制。协同反馈调节：在这种调节方式中只有一种酶受反馈调节控制，要抑制或阻遏这种酶需要分支代谢途径中的所有末端产物都过量存在，单个末端产物的积累对该酶的催化活性几乎没有影响。累积反馈调节：在这种调节机制中，分支代谢途径的每一种末端产物的积累只能部分地抑制或阻遏途径的第一个酶，只有在所有的末端产物都过量存在时，才能完全抑制或阻遏该酶。9．赖氨酸生产株同非生产菌株在赖氨酸合成的调节方式有何不同？除了对天冬氨酸激酶反馈抑制作用的型式不同外，赖氨酸产生菌同大肠杆菌在代谢调节方面还有以下不同：赖氨酸产生菌仅有一种受赖氨酸和苏氨酸协同反馈阻遏作用的天冬氨酸激酶，也不存在天冬氨酸半醛脱氢酶受赖氨酸反馈阻遏问题；赖氨酸分支途径的双氢吡啶羧酸合成酶和双氢吡啶羧酸还原酶不受赖氨酸抑制或阻遏；赖氨酸产生菌缺少L-赖氨酸脱羧酶。10，为什么生物素浓度对谷氨酸发酵的成败至关重要？生物素的浓度对于谷氨酸发酵的成败至关重要。一般生物素浓度在2.5至5ug/L间产生的谷氨酸比较多，浓度提高到15ug/L，大大增加生长速率，减少谷氨酸的分泌而积累其他有机酸。311，不同的谷氨酸生产菌种的两个共同特征是什么？a-酮戊二酸脱氢酶的缺乏和对生物素的需求。12，为什么氧不利于酵母EMP途径，而有利于HMS途径？氧可能钝化EMP途径的酶，从而降低EMP途径的物流。葡萄糖一旦被磷酸化为6-磷酸葡萄糖后，可作为6-磷酸葡萄糖异构酶的基质，`经EMP途径或作为6-磷酸葡萄糖脱氢酶的基质，经HMS途径分解。高浓度氧对后一反应明显有利，从而会降低EMP途径的运行速率。13，糖代谢中巴斯德效应与克列勃特里效应有何不同？酵母在有氧条件下的细胞得率比厌氧下高，氧抑制酵母糖发酵生成乙醇的这种作用称为巴斯德效应。Crabtree用瓦氏呼吸计研究好气条件下肿瘤细胞糖代谢对呼吸的影响时发现，生长在木糖上的细胞的呼吸速率总是比生长在葡萄糖上的高，即在有氧条件下葡萄糖发酵为乙醇。这一现象称为克列勃特里效应。14，溶氧对参与三羧酸循环的酶的呼吸链的酶有何影响？/早期的工作主要研究氧对酶的生物合成的影响。三羧酸循环中a-酮戊二酸脱氢酶的合成在缺氧下受阻遏。由于缺乏这种酶，大肠杆菌在厌氧下利用生成琥珀酸的还原途径和导致a-酮戊二酸的分解代谢途径。为了生成琥珀酸，大肠杆菌诱导合成延胡索酸还原酶，故在厌氧下三羧酸循环仍可运行。a-酮戊二酸脱氢酶是大肠杆菌可诱导的酶，一旦有氧时便出现。氧供应的减少也影响电子传递链，因把最终电子受体抽走会导致氢给体和最终受体间的氧还电位差减少，从而自动地使电子传递链失效。在无氧下从代谢偶合中得到的H，通过NAD/（NADH+H）转移给另一具有相似氧还电位的有机化合物。电子传递链的失效意味着ATP形成的减少，最终反映在生物量的减少。15，什么是代谢工程，代谢（物）流分析和代谢控制分析？代谢工程又称途径工程，用重组DNA技术操纵细胞的酶运输和调节功能来改进细胞的活性。代谢流分析是一种计算流经各种途径的物流的技术，用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。代谢控制分析是指通过一途径的物流和以物流控制系数来表示的酶活之间的定量关系。16，代谢网络中的节点是什么？分几类？用哪些方法判断？节点是指代谢网络中存在的分支之处。节点分为柔性，半刚性，刚性。、节点的判断：可用不同试验环境，不同突变株的代谢流分析来确定。具体方法有：动力学模型；代谢物流分析；物料平衡；干扰一一响应试验。第四章次级代谢产物是某些微生物在生命循环的某一个阶段产生的物质，它们一般是在产生菌生长中止后合成的。微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等。4.1.1微生物次级代谢的特征次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而在随后的生产期形成。种类繁多，含有不寻常的化学键。一种菌可以产生结构相近的一簇抗生素。一簇抗生素中各组分的多少取决于遗传与环境因素。一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上完全不同的次级代谢产物，次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感。其合成信息的表达受环境因素调节。微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态学上会发生一些变化。微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因控制的代谢过程。4.1.2次级代谢产物的类型可根据次级代谢产物分子中的主要组分与初级代谢的关系，把次级代谢产物分成五个基本类型：糖类多肽类聚脂酰类核酸碱基类似物类其它类型4.1.3抗生素的生源学(Biogenesis)生源学又称为生物发生学，是指一些天然物质，包括有生命的物质为什么会发生，存在的学问，它对宿主，环境有何作用？抗生素生源学研究一些微生物为什么会产生这类对其它微生物，甚至对其自身有害的物质,其功能是什么？在这方面的了解将有助于解释抗生素的形成机制和控制其生产。4抗生素的生源学的见解：1)合成次级代谢物是作为储藏物。2)作为正常代谢的无用的副产物。3)大分子消化后残留的碎片。4)解除体内有害代谢物的毒性。5)支路代谢物。6)竞争需要用于抑制其它微生物，争夺有限的养分。前六种已经不再接受7)进化遗留所致。8)在自然界具有生态上功能。9)调节功能，至少与形态学，分化方面有关。10)代谢维持产物，其作用主是代谢过程而不是产物本身。有三种用于将初级代谢中间体修饰为次级代谢终产物的生化过程：生物氧化与还原，生物甲基化，生物卤化前体与中间体：前体是指加入到发酵培养基中的某些化合物能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化，且具有促进产物合成的作用。中间体是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，它们均被进一步代谢，最终获得该途径的终产物。(1)短链脂肪酸单体的形成：乙酰CoA+ATP+CO2+H2O®丙二酰CoA+ADP+Pi丙酰CoA+ATP+CO2+H2O®甲基丙二酰-CoA+ADP+Pi丙酰CoA+草酰乙酸®甲基丙二酰-CoA+丙酮酸丙二酰-CoA是由乙酰-CoA羧化酶催化乙酰CoA形成的。甲基丙二酰-CoA可通过丙酰CoA羧化酶或甲基丙二酰-CoA羧基转移酶催化，由丙酰CoA成。短链脂肪酸为前体的抗生素红霉素引物：丙酰CoA单体：2-甲基丙二酰CoA四环素引物：丙二酰胺CoA单体：丙二酰CoA（2）异戊二烯