第5章 微生物代谢调控

第五节发酵过程的代谢调控和代谢工程微生物的新陈代谢

复杂有机分子

简单有机分子

+ATP+还原力[H]

分解代谢酶系合成代谢酶系一代谢调节(regulationofmetabolism）

在大肠杆菌细胞中，同时存在着2500种左右的蛋白，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。

微生物有着一套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应基因调节——酶合成的调节酶代谢调节——酶活性的调节膜透性的调节微生物代谢的调节策略（一）酶合成的调节酶量的调节，基因转录水平的调节酶合成的诱导酶合成的阻遏1、酶合成的诱导某些代谢物可以诱导某些酶的合成，是通过促进为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的诱导。能诱导酶合成的物质叫诱导物。被诱导合成的酶叫诱导酶。（一）乳糖操纵子的结构JacobandMonod的操纵子模型操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。

酶合成的诱导的操纵子模型阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达。诱导物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能阻挡操纵基因，结构基因表达。表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成。

没有乳糖存在时

有乳糖存在时乳糖操纵子

实验：

细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长，优先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽时，在乳糖的诱导下，作用于乳糖的酶才产生，细菌开始利用乳糖。研究表明，上述现象由于葡萄糖降解物引起的，称为分解代谢物阻遏（葡萄糖效应）。

进一步研究发现，此调节基因的产物是环腺苷酸受体蛋白——亦称降解物基因活化蛋白（CAP）细菌乳糖操纵子的作用机制(降解物阻遏)调节基因启动子操纵基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMP复合物mRNA当葡萄糖作唯一碳源时，葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶有抑制作用，则cAMP的浓度降低，CAP-cAMP复合物减少，不能与启动子结合，故转录不得进行。+-半乳糖苷酶-半乳糖苷透过酶-半乳糖苷乙酰基转移酶过去称葡萄糖效应转录3

协调调节2、酶合成的阻遏某些代谢物可以阻止某些酶的合成，是通过阻止为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的阻遏。能阻遏酶合成的物质叫阻遏物。被阻遏物作用而停止合成的酶叫阻遏酶。实验：1.大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时，检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在；2.在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌生长的经济原则：不需要就不合成。色氨酸操纵子阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因表达代谢产物与阻遏蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因结合，结构基因不能表达1.酶活性的激活（二）酶活性的调节在某个酶促反应中，某种低分子量物质加入后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高。

在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。乳酸脱氢酶可被果糖1，6—二磷酸所促进。2.酶活性的抑制反馈抑制（feedbackinhibition）

代谢末端产物过量时，可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应减慢或停止。变构酶理论：

变构酶是一种变构蛋白，具有两个或两个以上的立体专一性不同的接受部位，其中之一与底物结合并具有催化活性，称为活性中心；另一部位可与效应物结合的变构部位，称为调节中心。效应物的结合改变酶的立体构象，并导致酶活性的变化。

（三）微生物代谢调节的模式在微生物的代谢过程中，反馈阻遏和反馈抑制往往共同对代谢起调节作用，它们通过对酶的合成和酶的活性进行调节，使细胞内各种代谢物浓度保持在适当的水平反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢，反馈抑制是酶活性调节，产生效应快

直线式代谢途径中的反馈控制分支代谢途径中的反馈控制同工酶调节协同反馈控制合作（增效）反馈控制累积反馈控制顺序反馈控制反馈控制的类型直线式代谢途径的反馈控制异亮氨酸合成途径中的直线式反馈抑制

末端产物D和F协同反馈控制模式

分支代谢途径的反馈控制末端产物D和F的累积反馈控制模式

顺序反馈控制的模式

大肠杆菌合成苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸中的同工酶调节

E表示末端产物反馈抑制；R表示末端产物反馈阻遏二、代谢产物合成的调控（一）发酵条件的控制1、使用诱导物诱导酶只有在诱导剂存在时才能形成，因此在培养基中加入诱导剂，可以大量合成该类酶。最好的诱导剂不是酶的底物，而是底物的衍生物。不同发酵条件对谷氨酸产生菌代谢方向的影响发酵条件代谢方向通气乳酸或琥珀酸谷氨酸

NH4+

α-酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺pH谷氨酰胺谷氨酸磷酸缬氨酸谷氨酸2、控制细胞膜的渗透性（1）.通过生理学手段控制细胞膜渗透性（2）.通过细胞膜缺损突变控制细胞膜渗透性生物素谷氨酸细胞膜渗透性青霉素谷氨酸油酸缺陷型油酸（3）加入表面活性剂，将脂类从细胞壁中溶解：使细胞壁疏松，通透性增加（4）控制Mn2+

、Zn2+的浓度：干扰细胞膜、细胞壁的合成。3、添加前体绕过反馈控制点：

DABCEF4、发酵与分离过程偶联反馈调节的启动因素是超过菌体正常需求量的末端代谢产物。在发酵的同时将末端代谢产物不断移走。有膜分离、离子交换分离、萃取等5、培养基成分和浓度控制，解除分解代谢阻遏葡萄糖的分解代谢阻遏次级代谢所需酶的合成，只有葡萄糖被消耗到一定浓度，分解代谢物水平降低，次级代谢物才开始大量合成。方法：采用混合碳源培养（速效和迟效）；后期限量流加葡萄糖1、应用营养缺陷型菌株解除反馈调节（二）各种突变株的使用谷氨酸棒杆菌的代谢调节与赖氨酸生产

E：表示反馈抑制；R：表示反馈阻遏

2、抗代谢类似物突变株的使用抗反馈调节突变株：对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性或兼而有之的菌株。反馈抑制或阻遏或两者解除。3、抗生素抗性突变株的应用

三、定向发酵

（一）突变生物合成采用一些诱变剂，如紫外线、γ-射线、激光、高速电子流或一些化学药物如亚硝基胍、溴化乙啶等对药物的产生菌进行诱变，使它们丧失合成某种中间体的能力，因而不能合成原来结构的化合物，成为阻断突变株。在发酵培养这些阻断突变株时添加某种天然或者化学合成的化合物作为中间体，这些突变株能利用这些中间体合成一些新结构的最终化合物，这个过程称为突变生物合成（mutationbiosynthesis