微生物发酵生理学(罗立新)

  微生物发酵生理学是以微生物生理学为理论基础，从微生物发酵生产的角度，研究发酵工业涉及的原核、真核微生物细胞的代谢活动、生长规律及代谢产物积累的生化过程与控制。它是细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、代谢调控等多学科交叉渗透的一门边缘学科，是生命科学中最前沿的学科之一。
  细胞是微生物个体的基本结构单位，为微生物进行各项代谢活动提供场所和物质基础。在分子水平上研究微生物细胞的结构及其生理功能，不仅揭示了原核细胞和真核细胞在各种细胞结构和功能上的重要差异，而且有助于对它们在基因表达和发酵控制等特性的认识。
  由于分子生物学、分子遗传学、生化工程、微生物基因组学与代谢组学等的发展，以DNA等从分子水平来控制微生物代谢，使发酵工业进入代谢调控阶段，也使以发酵工程为基础的工业生物技术产业取得令人瞩目的成就，有机酸、氨基酸、核苷酸和抗生素等发酵工业迅速发展，发酵产率大幅度提高。因此，研究微生物生长与代谢调节理论是微生物发酵生理学的核心内容。本书编写的目的在于从分子水平阐明微生物的细胞结构与功能、微生物生长规律及其生化变化与控制、发酵产物（氨基酸、有机酸、核苷酸、抗生素）的生物合成与代谢调控，并以此理论指导代谢控制育种与代谢控制发酵方案的实施，从而能更有效地大量生产所需发酵产物，整体提升传统发酵工业的科技水平。
  微生物发酵生理学早在20世纪80年代初期就列入华南理工大学发酵工程专业硕士研究生学位课程，并在发酵工程专业中开出，也是华南理工大学生物化工和发酵工程专业的博士研究生入学考试科目之一。本课程先有陈连就、姚汝华两位国内知名微生物发酵专家授课，后又有周婉冰、杨汝德等微生物发酵工程的老教授讲授，专家们结合自己几十年从事微生物发酵研究和生产实践，广泛搜集了国内外相关研究资料，编写了讲义，由于其内容全面系统，理论实践并重，深受广大师生好评。在本书编写过程中，编者以此讲义为基础，参考了许多国内外相关教材及众多专家学者的最新研究成果，引用了一些重要的结论及相关图表，在此向各位前辈及所有作者表示衷心感谢。
  本书在编写过程中得到杨汝德教授和诸景光、王成、吴琳等研究生在校对和提供素材等方面的帮助，在此谨表示感谢。
  限于编者的学识和水平，书中难免有不妥或错误之处，敬请读者不吝指正。
罗立新
2009年7月于广州华南理工大学

  本书以微生物生理学为理论基础，从微生物发酵生产的视角，研究在发酵工业中应用的原核、真核微生物细胞的代谢活动、生长规律以及代谢物积累的生化过程与控制，并以此理论指导代谢控制育种与代谢控制发酵方案的实施。全书的知识内容与生产、研究结合紧密，系统性强，言简意赅。
  本书可以作为综合、理工、师范、农林等院校发酵工程、生物化工、微生物学、生物制药等生物类专业以及食品、轻工、环境等相关专业的教材或教学参考书。可供修完微生物学、生物化学等基础课程之后的高年级本科生和研究生以及发酵工程领域的专业技术人员使用和参考。

第一章绪论1
第一节微生物发酵生理学研究的对象与范围1
一、研究对象1
二、研究范围1
第二节微生物发酵生理学的历史沿革与发展2
一、微生物发酵生理学的历史沿革2
二、微生物发酵生理学的发展趋势5
复习思考题8
第二章微生物细胞的结构与功能9
第一节微生物的细胞壁结构与功能9
一、原核生物和真核生物细胞结构的比较9
二、细菌细胞壁11
三、酵母菌细胞壁16
四、霉菌细胞壁18
第二节微生物的膜结构与功能20
一、细胞膜的化学组成21
二、细胞膜的结构与功能23
三、细菌质膜——间体系统的功能27
四、真核细胞的其他内膜与功能28
第三节微生物的核结构30
一、原核生物的核质30
二、真核生物的细胞核30
三、染色体外的遗传物质35
四、原核生物与真核生物在遗传结构上的异同35
第四节细胞质及其细胞器36
一、线粒体38
二、叶绿体45
三、核糖核蛋白体46
四、溶酶体47
五、微体48
六、内含物和储藏物49
第五节微生物细胞表面的附属结构50
一、鞭毛与菌毛50
二、荚膜与黏液层52
第六节细胞结构突变与菌种选育54
一、细胞壁缺陷——L型细菌54
二、酵母小菌落突变54
复习思考题56
第三章微生物的营养与生长57
第一节微生物的营养57
一、组成细胞的生物大分子57
二、碳素59
三、氮素60
四、无机元素62
五、生长因子64
六、水的生物学作用65
第二节营养物质通过细胞膜的能力与其性质的关系66
一、细胞膜的通透性66
二、营养物在细胞内外的浓度66
三、营养物的溶解性67
四、营养物的化学结构67
第三节营养物质跨膜运送机制67
一、简单扩散68
二、促进扩散68
三、主动运输69
四、基团移位72
五、膜泡运输74
第四节代谢产物的分泌与控制76
一、氨基酸的分泌77
二、核苷酸的分泌78
三、胞外酶的分泌78
第五节细菌的生长与分化81
一、细菌的细胞周期81
二、细胞分裂及控制82
三、形态分化及芽孢84
第六节真核微生物的生长与分化87
一、真核细胞的细胞周期87
二、酵母菌的生长与分化88
三、霉菌的生长与分化89
第七节微生物生长动力学90
一、群体生长周期91
二、营养物质对生长速率的影响92
三、细胞生长与产物得率94
四、连续培养生长动力学94
五、代谢产物生成动力学 96
第八节极端微生物适应异常环境的机理97
一、极端微生物98
二、极端嗜热菌98
三、极端嗜冷菌103
四、极端嗜酸菌106
五、极端嗜碱菌107
六、极端嗜盐菌109
七、极端嗜压菌112
八、极端微生物与古细菌的关系112
第九节细菌的耐药性与控制113
一、细菌的耐药性113
二、细菌的耐药机制116
三、细菌耐药性的控制策略117
复习思考题120
第四章化能异养型微生物的糖代谢及细胞能学121
第一节生物能学121
一、微生物的产能方式122
二、酶促反应的标准自由能122
三、ATP及其他高能磷酸化合物的作用123
四、电子传递磷酸化作用125
第二节糖的降解及其调节129
一、多糖、双糖的降解129
二、酵解途径130
三、HMP途径131
四、ED途径133
五、磷酸酮糖途径和戊糖的利用133
六、葡萄糖直接氧化途径135
七、三羧酸循环及其回补反应135
八、糖降解的调节138
第三节微生物发酵产物的合成141
一、酵母菌的酒精发酵和甘油发酵141
二、细菌酒精发酵142
三、乳酸发酵143
四、丁酸型发酵145
五、混合酸和丁二醇发酵145
第四节柠檬酸发酵及控制147
一、柠檬酸的生物合成途径148
二、柠檬酸累积与酶的调节149
三、柠檬酸累积与发酵条件的控制151
四、菌丝生长与柠檬酸发酵154
五、由正构石蜡发酵生产柠檬酸155
六、柠檬酸的提取156
第五节糖的生物合成160
一、单糖的生物合成160
二、多糖的生物合成163
三、微生物多糖发酵166
复习思考题167
第五章微生物的代谢调控168
第一节酶合成的诱导与阻遏169
一、酶的诱导合成169
二、终产物阻遏171
三、酶合成的诱导与阻遏的机制173
四、原核细胞中翻译水平上的调节176
五、真核细胞基因表达的复杂性176
第二节分解代谢物阻遏177
一、分解阻遏177
二、cAMP与分解阻遏179
第三节酶活性的调节180
一、酶活性的调节模式180
二、变构酶及其调节机制185
三、共价调节酶及其调节机制186
第四节微生物代谢调节的特性188
一、酶活性调节与酶量调节的区别与配合188
二、终产物反馈调节188
三、酶的激活与抑制的配合188
四、代谢途径中反馈调节的作用点189
第五节代谢调节理论在发酵工业上的应用189
一、改变微生物的遗传特性189
二、发酵条件的控制193
复习思考题195
第六章氨基酸发酵与控制196
第一节谷氨酸发酵的代谢调控197
一、谷氨酸生物合成途径及酶的调节197
二、发酵条件对谷氨酸生物合成的影响201
三、细胞膜透性的控制203
四、谷氨酸高产突变株的选育204
第二节谷氨酸族氨基酸发酵205
一、脯氨酸和谷氨酰胺发酵206
二、鸟氨酸和瓜氨酸发酵208
三、精氨酸代谢调控与菌种选育途径209
第三节天冬氨酸族氨基酸的代谢调控及菌种选育途径211
一、天冬氨酸族氨基酸发酵的代谢控制211
二、赖氨酸发酵及菌种选育途径213
三、苏氨酸发酵及菌种选育途径217
四、高丝氨酸发酵及菌种选育途径219
五、蛋氨酸发酵及菌种选育途径219
六、异亮氨酸发酵及菌种选育途径220
七、天冬氨酸发酵及菌种选育途径221
第四节芳香族氨基酸发酵的代谢调控222
一、芳香族氨基酸的生物合成调节222
二、苯丙氨酸发酵224
三、酪氨酸发酵225
四、色氨酸发酵225
复习思考题226
第七章核苷酸发酵与控制227
第一节核苷酸的生物合成及调节227
一、核苷酸生物合成途径227
二、嘌呤核苷酸生物合成调节机制231
三、嘧啶核苷酸生物合成调节机制234
第二节肌苷发酵234
一、肌苷发酵机制及产生菌的选育234
二、发酵条件的控制236
三、肌苷的分离提取237
第三节肌苷酸发酵238
一、肌苷酸生产方法概述239
二、肌苷酸发酵机制239
三、肌苷酸产生菌的选育途径241
第四节鸟苷与鸟苷酸发酵243
一、鸟苷发酵243
二、鸟苷酸发酵246
复习思考题249
第八章抗生素发酵与控制250
第一节抗生素的生物合成250
一、抗生素的生物合成与初级代谢的关系250
二、抗生素生物合成类型253
三、青霉素和头孢菌素的生物合成253
四、链霉素的生物合成255
第二节抗生素生物合成的主要调节机制257
一、诱导调节257
二、反馈调节258
三、分解代谢产物调节260
四、磷酸盐调节262
五、产生菌细胞生长调节264
六、膜透性调节267
第三节抗生素发酵控制267
一、产生菌的遗传控制267
二、培养基成分和浓度的控制269
三、发酵条件的控制270
复习思考题271
参考文献272
索引274