第二章：代谢控制发酵的基本思想

第二章：代谢控制发酵的基本思想

目的了解微生物细胞的调节机制、掌握代谢控制发酵的基本思想及微生物代谢控制发酵的措施

内容微生物细胞的调节机制、代谢控制发酵基本思想及微生物代谢控制发酵措施

重点反馈反馈抑制与反馈阻遏、反馈调节的解除难点反馈反馈抑制与反馈阻遏学时3第一节：微生物细胞的调节机制微生物细胞的调节主要靠两个因素：参与调节的有关酶的活性和酶量,也就是反馈抑制和反馈阻遏。ABCD终产物氨基酸核苷酸蛋白质DNARNA代谢中间体分解代谢产物基质（C、N）中间产物细胞膜细胞壁培养基氨基酸、核苷酸氨基酸库EaEb

EcEd反馈抑制反馈阻遏遗传缺陷一.酶活性的调节机制1、反馈抑制概念反馈抑制：在一长系列生物合成反应中，其代谢产物抑制途径中一个关键酶的活力的现象。2、反馈抑制理论：A：受反馈抑制的调节酶是变构酶，酶活力的调控实质就是变构酶的变构调节。B：变构酶有与底物结合的活性中心和与终产物结合的调节中心（变构部位）。C：终产物与调节中心结合之后改变了酶的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。D：终产物与调节中心的结合是可逆的，终产物浓度降低，终产物与酶结合随即解离，酶又恢复原有构象。3、变构酶模型A：协调模型（莫诺德模型）a.变构酶一般是具有多亚基四级结构的蛋白。亚基中有活性中心和调节中心。b.变构酶存在两种构象状态，R状态和T状态，两种状态间可逆平衡。c.底物、激活剂、抑制剂可使RT平衡移动。d.变构蛋白有对称性。酶状态改变对称性不变。B：顺序模型（科什兰模型）4、变构酶动力学性质浓度酶活性变构酶酶活性底物浓度的关系普通酶酶活性底物浓度的关系底物浓度一定时,变构抑制剂浓度与变构酶活性关系5、调节类型5.1：单功能途径中酶活性的调节类型

Ⅰ

终产物抑制Ⅱ代谢产物激活

A前体激活B补偿性激活生物合成的终产物是生物合成系统中第一个酶的反馈抑制剂

A可促进终产物的生成

H→I必须供给定量的,H能激活A→B的反应5.2：多功能途径中酶活性的调节类

Ⅰ具有复数效应部位的酶

A多价反馈抑制(协作反馈抑制)当一条代谢途径中有两个以上的终产物时，任何一个终产物都不能单独抑制途径中第一个共同的酶反应，但当两者同时过剩时，它们协同抑制途径中第一个共同的酶反应。

B合作反馈抑制当一条代谢途径中有两个以上的终产物时，任何一个终产物过剩时，只部分地抑制途径中第一个共同的酶反应，只有两者同时过剩时，才能引起强烈的抑制，其抑制程度大于各自单独存在的和。

C积累反馈抑制每个终产物过剩时，只能单独地、部分地抑制途径中第一个共同的酶反应，并且各终产物的抑制作用互不影响，几个终产物同时存在时，它们的抑制作用是积累的。

D终产物抑制的补偿性回复Ⅱ

顺序反馈抑制F积累，停止D→E反应，减少F的进一步合成，更多的D转到G，再由G合成I或K；I积累，停止G→H反应；K积累，停止G→J反应，结果造成G积累，引起G对A→B的反馈抑制，使整个反应途径停止。Ⅲ具有专一性效应物的复数酶酶1和酶2都是催化A→B的同功酶，G过量，酶2停止活动，C不能经过F到G，同时，酶1活性不受影响，A可顺利地到E，从而使G过量，并不干扰E的合成。二酶合成的调节机制1、

反馈阻遏与诱导作用的概念

反馈阻遏：在微生物合成体系中，代谢产物抑制酶的生物合成。诱导作用：在微生物合成体系中，代谢产物诱导酶的生物合成。2、

反馈阻遏和诱导作用理论（操纵子学说）A操纵子由细胞的操纵基因和结构基因组成。B结构基因能转录遗传信息，合成相应的mRNA，进而翻译合成特定的酶。C操纵基因能控制结构基因作用的发挥D调节基因能产生一种细胞质的阻遏物，该阻遏物与酶促反应阻遏物（通常是终产物）结合时结构改变。和操纵基因的亲和力变大，使有关的结构基因不能合成mRNA，使酶的合成受到阻遏。E诱导物也能和细胞质阻遏物结合，使其结构改变，减少与操纵基因的亲和力，使操纵基因恢复自由，进而使结构基因进行转录，合成相应的mRNA，进而翻译合成特定的酶。3、

调节类型A单功能生物合成途径B多功能生物合成途径

Ⅰ单功能生物合成途径

A简单的终产物阻遏

B受阻遏酶产物的诱导作用三反馈抑制和反馈阻遏的比较

第二节：代谢控制发酵的基本思想

代谢控制发酵能否成功，目的产物能否大量积累，起决于微生物细胞自我调节机制能否解除.解除微生物细胞自我调节机制的措施一般有：★

应用营养缺陷型菌株★选育抗反馈调节的突变菌株★选育细胞膜通透性的突变菌株★应用营养缺陷型回复突变菌株或条件突变菌株★应用遗传工程技术，创造工程菌株一.切断支路代谢切断支路代谢可通过选育营养缺陷型突变菌株或渗漏缺陷型突变菌株来达到1．营养缺陷型突变菌株的应用营养缺陷型突变菌株是指原菌株由于基因发生突变，致使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，必须添加该物质才能生长的突变菌株。2．渗漏缺陷型突变菌株的应用渗漏缺陷型是指遗传性障碍不完全的缺陷型。渗漏缺陷型菌株的某种酶活性下降而不完全丧失，可少量合成代谢终产物，但不能合成过量的代谢终产物。二.

解除菌体自身的反馈调节1．选育抗类似物的突变株类似物指的是代谢终产物的类似物，抗类似物突变株又叫代谢拮抗物抗性突变株。代谢拮抗物与代谢终产物结构相似。也能与阻遏蛋白结合，且其结合是不可逆的也就是有关酶不能合成，如果突变株具代谢拮抗物抗性，那它就解除了反馈调节机制。2．酶特性的利用利用某种酶具有底物专一性宽的特性，用该酶对其他底物的活性，育得代谢调节突变株3．营养缺陷型回复突变菌株的应用某营养缺陷型突变菌株经回复突变，在回复其愿有的形状三.增加前体物的合成通过选育某些营养缺陷型突变菌株或结构类似物抗性突变菌株及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体物的合成，有利于目的产物的积累。1．在分支合成途径中，切断除目的产物外的其他合成途径，增加目的产物的前体物的合成，使目的产物产量提高。2．目的产物的生物合成从别的终产物开始时，设法解除目的产物合成的反馈调节和前体物合成的反馈调节。四.去除终产物改变细胞膜的渗透性，使终产物不断的排出到胞外，因而终产物在细胞内不能大量积累

五、特殊调节机制的利用1．多种产物控制机制的利用在多种产物控制机制的利用，只有全部终产物过剩，才能产生完全抑制，利用此特性可设法控制目的产物以外的终产物的供给量，是目的产物得以积累。2．平衡合成的利用底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于酶a活性远远大于酶b，结果优先合成E。E过量就会抑制酶a，使代谢转向合成G。G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流转向又合成E。3．代谢互锁的利用所谓代谢互锁．就是从生物合成途径来看，似乎是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较高浓度下才发生，而且这种抑制作用是部分性的，不完全的。

4．优先合成的变换底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于酶a活性远远大于酶b，结果优先合成E。E过量就会抑制酶a，使代谢转向合成G。G合成达到一定浓度时，就会对酶c产生抑制作用。六、条件突变抹的应用像温度敏感性突变、抑制性突变、链霉素依赖性突变和低温敏感性突变等，因环境条件的不同能显示野生型特性又能显示突变型特性的突变，称为条件致死突变(即条件突变)七、选育不生成副产物的菌株

工业上，为了选育优秀的生产菌株、除突破微生物原来的代谢调节外,必要时还应附加如下突变.(1)有共用前体物的其他分支途径或目的产物是其他产物生物合成的前体物时，应附加营养缺陷型，切断其他分支途径或目的产物向其他产物合成的代谢流。(2)存在有目的产物分解途径时，应选育丧失目的产物分解酶的突变株。(3)当有副生产物，持别是有不利于目的产物精制的副生产物时，应设法切断副生产物的代谢流。八、选育生产代谢拮抗物质的菌株