微生物代谢控制发酵-绪论-原理课件

微生物代谢控制发酵（生物工程专业）Welcometothestudyofmicrobiology!微生物代谢控制发酵-绪论-原理

在新世纪，生命科学研究、生物技术的重大突破。将在医药、农业、环境、能源等领域引发新的产业革命，为解决人类生存与发展面临的健康、资源、环境等重大问题提供强有力的手段。微生物代谢控制发酵-绪论-原理生物工程专业20世纪40年代的发酵工学专业50年代的抗生素制造工学专业80年代的生物化学工程专业、生物化工专业90年代发展为生物工程专业生物工程专业正式设立于1998年，在1998年我国颁布的本科专业目录中，明确生物工程专业属于工学：生物工程包含了原来的生物化工（部分）、微生物制药、生物化学工程（部分）、发酵工程等4个专业。生物工程专业的相近专业定为应用理学的生物技术专业。因为生物技术专业培养应用研究型人才，而生物工程专业培养应用型工程技术人才，两者的侧重点不同。微生物代谢控制发酵-绪论-原理生物工程学科的内涵是利用生物体系，应用生物学、化学和工程技术相结合的方法,按照人类的需要改造和设计生物的结构与功能,以便更经济、更有效、大规模地为人类提供所需各种产品的技术，是生物技术成果走向工业化的关键技术。生物工程学科是以基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生化工程为核心,借助于工程学技术，以生物技术研究成果为对象、实现产业化为基本任务的工学学科。生物工程广泛应用于化工、医药、食品、农业、能源、资源和环境等领域，近年来发展迅猛。微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢控制发酵

细胞形态、分类、生理（营养和代谢）有机物种类、合成、分解。基因种类、转录、翻译调控。？Microbiologyrevolvesaroundtwobasicthemes:basicandapplied微生物代谢控制发酵-绪论-原理MetabolicControlFermentation课程性质和任务性质：学位选修课，24学时，2学分。任务：使同学掌握利用微生物生产人类所需要的产品的先进调控技术。微生物代谢控制发酵-绪论-原理课程主要内容和时间安排第一章绪论（2）第二章微生物代谢调节机制（6）第三章微生物代谢控制发酵（6）第四章代谢控制发酵育种的基本技术（4）第五章代谢控制发酵的应用（6）概况原理

技术应用vip_lxviplxl微生物代谢控制发酵-绪论-原理考核方法平时成绩（20%）上课出勤、回答问题、笔记和作业情况。考试成绩（80%）闭卷考试。微生物代谢控制发酵-绪论-原理教材：代谢控制发酵张克旭主编中国轻工业出版社参考教材：生物化学魏述众主编中国轻工业出版社途径工程——第三代基因工程张惠展主编中国轻工业出版社现代工业发酵调控学华东理工大学储炬李友荣主编化学工业出版社微生物生物技术——应用微生物学基础原理科学技术出版社华中农业大学陈守文喻子牛等翻译微生物代谢控制发酵-绪论-原理第一章绪论第一节发酵工业概况代表性发酵产品概况：如，酒精、啤酒、酶制剂、有机酸、氨基酸、抗生素、维生素等。第二节发酵技术的历史进程混合菌种发酵阶段；纯种发酵阶段；深层通风发酵阶段；代谢控制发酵阶段；广泛的生物化学工业阶段（生物炼制）。第三节微生物代谢概述微生物细胞代谢的基本概念；细胞代谢的特点；微生物细胞代谢调节的意义；代谢控制发酵理论的发展；代谢控制发酵理论的应用；代谢工程。微生物代谢控制发酵-绪论-原理第一节发酵工业概况发酵：指通过微生物培养，使某种特定代谢产物大量积累的过程。发酵工程：是基于生物学知识和工程学概念，采用现代生物技术和工程技术手段，利用微生物和动植物细胞的某些特定性状功能，在反应器中为人类生产有用的产品。

掌握生物技术及其产业化的科学原理、工艺过程和工程设计等基础理论，基本技能，能在生物技术与工程领域从事设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理菌种选育发酵工程的内容过程控制产品提纯微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物生物反应器的研究开发，新型发酵装置、生物传感器和使用电子计算机控制的自动化连续发酵的技术；利用微生物控制或参与工业生产，如采矿、冶金等。微生物代谢控制发酵-绪论-原理发酵工业：是以粮食和农副产品为主要原料的发酵加工工业。在各产业部门中，年产值已跃居第一位（600/3600多亿元），成为国民经济的主要文柱产业之一。传统产业主要包括酒精、白酒、啤酒、葡萄酒、淀粉糖、酵母、氨基酸。现代产业主要包括有机酸、多元醇、酶制剂、核苷酸、维生素、抗生素、生物技术药物、疫苗、诊断试剂等行业。微生物代谢控制发酵-绪论-原理产品产量（万吨）备注味精170赖氨酸32主要为饲料柠檬酸72包括盐和酯乳酸8酶制剂53酵母15.5主要为ADY糖醇560特种发酵品80合计：990.5万吨2006年中国发酵工业主要产品产量微生物代谢控制发酵-绪论-原理现代发酵工程规模低值工业品大型化

以规模来取胜（几十数百吨）。如味精、氨基酸、有机酸、抗生素、饲料、食品工业用产品等；高价值转基因产品小型化（几十数百升）。基因工程大肠杆菌、酵母菌高密度培养；动物细胞植物细胞培养；研究中心智能化、全能性。微生物代谢控制发酵-绪论-原理酒精工业的现状2003年世界乙醇总产量约2500万吨，（历史最高产量为2700万吨）其中美洲产量1650万吨，亚洲442万吨，欧洲380万吨，非洲40万吨，大洋洲16万吨。其中：巴西年产量达1100万吨，美国年产发酵乙醇逾400万吨，俄罗斯年产近100万吨乙醇。在世界上乙醇的用途以燃料乙醇为主占66%，食用乙醇14%，工业溶剂11%,其它化学工业9%。微生物代谢控制发酵-绪论-原理2004年我国乙醇实际产量340万吨，生产能力600万吨。2006年的酒精实际产量571万吨。其中，燃料乙醇占132万吨，用玉米生产的燃料乙醇85万吨。到目前为止，乙醇生产企业（包括生产车间）已达1000多个，遍及各省市自治区（西藏除外），其中以山东、四川最多。产量居世界第二位。总体来讲，我国酒精行业发展速度偏快，短期内国内酒精市场供大于求，盈利空间变小，企业生存面临困难。微生物代谢控制发酵-绪论-原理酒精工业的困难与机遇乙醇生产原料占总成本的70%以上，原料是企业的生命线。目前，我国酒精的原料结构相对单一，玉米占总原料的近70%。按3.2吨玉米产1吨酒精计算，每年消耗玉米约1300万吨。2006年全国玉米产量1.44亿吨，当年全国玉米深加工量3589万吨，玉米价格已达到1660元/吨。进口木薯价格仍保持高价上涨态势，原料市场供应紧张。一、原料紧张微生物代谢控制发酵-绪论-原理国家发展和改革委员会2007年9月发布微生物代谢控制发酵-绪论-原理

乙醇工业在为国民经济做出突出贡献的同时又是一个污染十分严重的行业。现行的乙醇生产工艺所造成的污染以水污染最为严重，生产过程的废水主要来自发酵醪蒸馏乙醇后排除的废糟、生产设备的洗涤水、以及蒸煮、糖化发酵、蒸馏工艺的冷却水等。每生产一吨成品乙醇约排放13-16吨乙醇废糟，乙醇废糟为高浓度有机废水，呈酸性，CODCr高达50000-70000mg/L，是乙醇工业最主要的污染源。二、污染严重微生物代谢控制发酵-绪论-原理世界平均水平单位酒精能耗300-400公斤标煤，我国是800公斤。酒精生产企业在节能、自动化、综合利用和废渣废水治理等方面与先进国家尚有很大差距，从另一个角度说，差距也是潜力。三、能耗太高微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理酒精工业技术进步方向1、木质纤维素生产酒精微生物代谢控制发酵-绪论-原理2、清液发酵技术生产酒精3、高浓度发酵技术生产酒精国外的高浓度酒精发酵是常用的技术，酒精浓度达到14-15%，我国同类工艺尚处于试验阶段，酒精浓度也可达到14%，但相关配套工艺存在问题。4、废弃物综合利用技术微生物代谢控制发酵-绪论-原理啤酒工业情况2004年啤酒总产量达到2700万吨，超过美国（2400万吨），德国（1250万吨），跃居世界第一。但人均消费量仅为世界平均水平的70%，为欧美等发达国家的1/6~1/7。工艺技术，产品质量，市场营销等总体水平与啤酒先进国家仍有一定的差距。微生物代谢控制发酵-绪论-原理白酒工业情况1996年白酒产量创历史最高达到800万吨。2004年450万吨。白酒产量明显下降，主要原因是产业政策、消费习惯、社会节奏加快、健康、驾驶等原因限制了白酒的消费。白酒是民族特色产品，其生产工艺为我国独有，具有民族性。微生物代谢控制发酵-绪论-原理黄酒工业情况2003年黄酒产量为130万吨，生产水平居国际领先，有的工艺配方被列为国家无限期秘密。但总的发展趋势缓慢，大厂增产，小厂减产。微生物代谢控制发酵-绪论-原理葡萄酒工业情况2004年葡萄酒产量35万吨，主要有张裕，长城，等主要厂家，中国以白葡萄酒、干白葡萄酒、红葡萄酒为主，相对品种单一，生产技术和产品质量与先进国家相比有一定的差距。微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶制剂工业全年总产量25万吨左右，年销售额7亿元左右。糖化酶16万吨，技术水平30000～35000u/mL，国外最高50000u/mL以上。α-淀粉酶4万吨，6000u/mL，大多由国外引进菌种，其中高温淀粉酶占76%左右。蛋白酶5万吨，技术水平20000～25000u/mL主要是洗涤剂用酶，碱性蛋白酶。微生物代谢控制发酵-绪论-原理其他酶种（小酶种）小酶种主要有纤维素酶、凝乳酶、脂肪酶、果胶酶、葡萄糖异构酶等。国内酶制剂工业的主要困难：（1）技术水平低，产品在价格与质量上不能与国外大型公司的产品相比较，竞争困难。中国的制造成本占销售价的75-80%，国外占销售价的30～35%。（2）品种少，产品结构不合理。微生物代谢控制发酵-绪论-原理国内外工业酶制剂应用领域比较

微生物代谢控制发酵-绪论-原理有机酸工业的产业状况

1柠檬酸

2003年28万吨，世界柠檬酸90万吨，欧洲约为25万吨，美国23万吨，中国2002年出口21万吨。技术水平：国内工业产酸水平12～16%，国外18～20%。

2衣康酸

2003年，8000吨，大部分出口。工业产酸水平8～12%，国外产酸水平14%。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理有机酸工业状况3乳酸

2003年1.3万吨国内主要是DL型乳酸，L-乳酸有少量生产，工业水平9～10%，中试水平12～14%。世界乳酸消费量约为13～15万吨/年，最近因为PLA的发展，乳酸工业迅猛发展，现在由美国道化学公司和卡吉尔合资（CDP）建设年产量14万吨的PLA工厂。据美国玉米种植协会称，每年用于PLA制造玉米量约为1270万吨，相当于美国用于乙醇生产的玉米量。据报道，美国的L-乳酸的发酵水平约为18%。微生物代谢控制发酵-绪论-原理4苹果酸中国最高年产量100吨。主要以反丁烯二酸为原料，用固定化细胞来转化，投料浓度11.3%，转化率90%以上。发酵法生产水平约为9%左右，但后提取工艺尚未解决。世界苹果酸的需求量约为2.4万吨，日本市场需要5500～6000吨/年，主要用于食品加工、化妆品、沐浴剂。直接发酵水平10～12%，固定化细胞转化率也为90%左右。微生物代谢控制发酵-绪论-原理氨基酸工业的产业状况谷氨酸（味精）

2003年世界产量120万吨，我国80万吨。技术水平：产酸9～10%，转化率55-58%。提取收率92%，精制收率95%，总收率87.4%,产酸率12-14%，总收率95%。

2006年，我国味精产量达到170万吨，比2005年提高了25%，出口量达到20多万吨，出口到50多个国家和地区。

世界上味精主要企业有日本的味之素、韩国的CJ集团和大象集团、台湾的味单公司。微生物代谢控制发酵-绪论-原理序号名称产量（万吨）1山东阜丰发酵有限公司24.752河北梅花味精集团公司19.703山东信乐味精有限公司14.204山东菱花味精集团公司13.535山东齐鲁未经集团公司13.046江苏菊花味精集团公司11.157山东铃兰味精工业公司10.018沈阳红梅集团有限公司6.019广州奥桑味精食品公司5.3210重庆飞亚实业公司4.67我国主要味精生产企业（2006年）微生物代谢控制发酵-绪论-原理赖氨酸

2006年，我国生产能力达70万吨。产量30万吨。市场需求量约22万吨。国内技术水平产酸8-10%，转化率35-40%，提取率可达90%。异亮氨酸世界产量约为400吨，日本的生产能力约为350万吨。国外最高产酸水平4-5%，我国的实际生产能力已达80万吨，产酸水平2-2.4%转化率25-30%，提取率60%左右。微生物代谢控制发酵-绪论-原理苯丙氨酸世界产量8000吨，日本产量2500吨，世界最高产酸水平5-6%。我国的生产能力150吨左右，技术水平：最高产酸3.5%，酶法生产月2.5㎏月桂酸生产1㎏苯丙氨酸。苏氨酸2006年，全球饲料中苏氨酸的需求量11万吨/年，中国的需求量2万吨/年。我国的生产能力2万吨左右，产酸水平7-8%，转化率30-35%。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理维生素发酵工业的状况

维生素Vc

实际产量3.5万吨，二步发酵技术由我国发明，居世界领先水平。VB2

实际产量500吨左右，细菌发酵水平为7000mg/L，酵母发酵水平约为4500mg/L。国外细菌发酵水平12-15g/L。医药级收率65%，饲料级收率85%，发酵时间65-72h。VB12

实际产量4吨左右。国外发酵水平：150-160mg/L;发酵时间168h，医药级收率70%，饲料级收率80%，摇瓶条件200r/min。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理β-胡萝卜素（β-carotane）年生产能力10吨左右，国外发酵水平2000-2500mg/L发酵时间96-120h晶体产品收率75-80%。我国发酵生产水平1000-1200mg/L，实验室水平：2000mg/L。微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物多糖与功能性寡糖产业状况黄原胶（xanthangum）我国的实际生产能力达到2.5万吨。世界市场需求3.5万吨左右，国外产糖水平：3.5%,发酵时间48h，转化率70-75%。收率90%。我国的产糖率2.6-3.0%,转化率65-70%。每口油井需要黄原胶3.5吨。主要用途分散剂和食品。微生物代谢控制发酵-绪论-原理β-环状糊精中国实际产量450万吨，酶法转化率70-75%，收率80-85%。国外品种较齐全，有α-、β-、γ-等及其衍生物。低聚异麦芽糖中国实际产量1.5万吨，世界产量3万吨左右。低聚果糖国内实际生产能力600吨，世界的产量4500吨。固定化细胞转化，转化率在50%以上。微生物代谢控制发酵-绪论-原理低聚木糖国内正在建厂生产。以玉米芯和蔗糖渣中的半纤维素为原料用木聚糖水解酶水解而成。国内外工艺一样，但国外应用开发较好，目前世界市场需要400吨，在所有寡聚糖中价格最贵，约2500-3000日元/㎏。微生物代谢控制发酵-绪论-原理海藻糖（Trehalose）国内已经生产，国内是从酵母发酵液中提取，以淀粉为原料酶法生产正在研制中。国外两种工艺都存在，均已工业化生产。酶法生产的产量可以大幅度提高，成本低于前者的70倍。微生物代谢控制发酵-绪论-原理酵母工业

2004年酵母工业总产量约为4.3万吨左右，其中安琪酵母公司3万吨，主要以面包酵母，酿酒活性干酵母为主，药用酵母也呈下降趋势。但近来食用酵母的开发受到重视。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理发酵甘油中国的发酵甘油技术居国际领先水平，产率达10-12%，最高可以达到14-15%，国内实际生产能力约有2000吨左右，由于受到皂化甘油价格的冲击，世界性发酵甘油都处于缓慢发展中。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理木糖醇工业生物加氢生产木糖醇国内有两条路线：Xylose→XylitolGlucose→Arabitol→Xylulose→Xylitol第一路线已经进入较大规模试验，第二路线正在研究，国外与我国的研究进展基本一致，但更重视以葡萄糖为原料的工艺研究。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理核糖工业D-核糖（D-Ribose）已有两家工厂生产，能力400吨左右。发酵产糖量6-8%，转化率35-45%，发酵时间60-80h，提取收率75%。D-核糖有多种用途，但目前主要用来作为半合成VB2的原料，从经济角度，它优于目前的VB2发酵法。微生物代谢控制发酵-绪论-原理第二节发酵工业的历史进程发酵工业的历程几乎与中华文明史同步，在史前就有传说

起源阶段（混合菌种发酵）纯种发酵

深层通风发酵

代谢控制发酵广泛的生物化学工业

微生物代谢控制发酵-绪论-原理起源阶段（混合菌种发酵）起源阶段天然发酵（混合菌种发酵），主要产品：以酒类和酿造产品为主，该阶段的特点是人们不清楚发酵机理，只是靠经验相互传授。主要产品黄酒、白酒、酱品、腐乳、干酪等。微生物代谢控制发酵-绪论-原理纯种发酵--

发酵工业的第一个台阶知识背景：微生物的发现，纯种培养技术的成熟，产品有酒精、乳酸、丙酮丁醇等。特点：参与的微生物已经搞清楚，但发酵的机理不清楚。发酵类型：主要是厌氧发酵。微生物代谢控制发酵-绪论-原理深层通风发酵

发酵工业的第二个台阶知识背景：1929年弗莱明发现青霉素，二次大战对青霉素的大量需求。主要产品：抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等。特点：利用微生物自身代谢的产品，一般为好氧代谢。微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢控制发酵

发酵工业的第三个台阶知识背景：生物化学、微生物遗传学及分析分析方法的进步，同位素的使用，对微生物代谢途径的认识。主要产品：1956年谷氨酸的发酵成功，氨基酸发酵，核苷酸、有机酸发酵等。特点：人为干预了微生物的代谢。微生物代谢控制发酵-绪论-原理广泛的生物化学工业

(发酵工业第四个台阶)知识背景：现代生物技术的发展，分子生物学的应用，基因工程、细胞工程、定向育种技术、工程菌株的构建、克隆技术、动植物细胞发酵等知识的应用。产品：氨基酸、有机酸、细胞生长因子、白细胞介素、激素类药物、疫苗、（乙肝酵母科隆疫苗），甚至器官组织等。克隆——在生物进化中，只能通过有性生殖的生物，但以人为干扰的方式产生同质后代的技术。微生物代谢控制发酵-绪论-原理生物炼制生物炼制是对应于石油炼制而出现的术语。生物炼制是以生物质（农业废弃物、油脂、植物基淀粉和木质纤维素材料）为原料，生产各种化学品、可降解材料、燃料和其它生物能源等。生物炼制的名词是21世纪才出现的，第一届国际生物炼制大会于2005年在比利时的根特举行。生物炼制的内涵早已被科学家重视，它的发展将是一个长期的渐进过程，只有在产品质量、价格等方面竞争过石化产品时，才能被市场所接受。微生物代谢控制发酵-绪论-原理生物炼制目前研究热点乙二醇、丙二醇、丙三醇（甘油）、1，3-丙二醇聚乳酸（PLA）聚丁二酸丁二醇酯，即聚丁烯琥珀酸酯（PBS）微生物代谢控制发酵-绪论-原理第三节微生物代谢概述3.1细胞代谢的基本概念微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢的概念（p1）代谢（Metabolism）：包括合成代谢和分解代谢

，是细胞内发生的各种化学反应的总和。分解代谢（Catabolism）：又称异化作用，是指由复杂的营养物质分解成简单化合物的过程；合成代谢（Anabolism）：又称同化作用，是指由简单的化合物合成复杂的细胞物质的过程。微生物代谢控制发酵-绪论-原理初级代谢（primarymetabolism）：是微生物产生和生长、繁殖所必需的物质（如蛋白质、核酸等）的过程。次级代谢（Secondarymetabolism）：微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。微生物代谢控制发酵-绪论-原理碳源氮源生长因子概念来源常用作用凡能为微生物提供所需C的营养物质凡能为微生物提供所需N的营养物质微生物生长不可缺少的微量有机物无机：CO2、NaHCO3；有机：糖类、脂肪酸、花生粉饼、石油等无机：N2、氨、铵盐、硝酸盐等；有机：尿素、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸等。维生素、氨基酸、碱基、蛋白胨、动植物提取液等糖类尤其是葡萄糖铵盐、硝酸盐维生素用于构成细胞物质和代谢产物。还可以是异养型微生物的主要能源物质主要用于合成蛋白质、核酸以及含N的代谢产物一般是酶和核酸的组成成分微生物代谢控制发酵-绪论-原理生物反应都在温和的条件下进行，大多为酶所催化；反应具有顺序性；具有灵敏的自动调节机制。3.2微生物代谢的特点微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物的生长及代谢生长曲线时间调整期指数期稳定期衰亡期菌体数目代谢特点时间细菌数目的对数增长不明显快速增长活菌数目达到最大（K值）活菌数目急剧减少代谢活跃体积增大大量合成初级代谢产物细胞分裂速率最快个体形态、生理特征较稳定繁殖速率等于死亡速率细胞内大量积累次级代谢产物，某些细菌可形成芽孢繁殖速率小于死亡速率菌体出现多种形态（畸形），细胞解体、释放代谢产物微生物代谢控制发酵-绪论-原理生长曲线时间调整期指数期稳定期衰亡期成因应用时间细菌数目的对数适应新环境适应了环境后，条件适宜、营养物质充足等营养物质消耗、有毒代谢产物积累、PH值的变化，种内斗争加剧生存条件极度恶化，有毒代谢产物积累过，生存斗争最剧烈长短与菌种、培养条件有关可作为菌种也可作科研材料制取代谢产物特别是次级产物微生物代谢控制发酵-绪论-原理分子水平调控3.3微生物代谢调控微生物代谢控制发酵-绪论-原理RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsCellFactory细胞水平调控营养物质、辅助因子、膜的通透性、生长特性微生物代谢控制发酵-绪论-原理反应器水平调控微生物代谢控制发酵-绪论-原理3.4细胞代谢调节的意义（P1）通过代谢调节，将错综复杂的代谢反应相互制约，使其彼此协调，随着细胞内外条件的变化而调节代谢反应的速率、方向和流量，既不使代谢物积累而造成浪费，也不致因代谢物的缺损而供不应求，保持各种代谢物的浓度相对稳定和动态平衡，使细胞正常生长。微生物代谢控制发酵-绪论-原理3.5代谢控制发酵的概念（P2）发酵：指通过微生物培养，使某种特定代谢产物大量积累的过程。代谢控制发酵：利用遗传学的方法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，使有用目的产物大量生成、积累的发酵。微生物代谢控制发酵-绪论-原理3.6代谢控制发酵理论的发展（P2）1956年，谷氨酸发酵成功后，对生产菌株本身的研究逐渐深入，开始形成了代谢控制发酵技术。代谢控制发酵理论使发酵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合成代谢（产物大量积累）的发酵转移。从随机诱变盲目地挑选高产菌株发展到菌种定向选育。微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢控制发酵理论发展的基础（P3）生物化学的发展：代谢途径研究不断深入微生物遗传学的发展：发现了分解代谢途径的操纵子和合成代谢操纵子的调控机制分子生物学的发展：通过转导、转化、接合、原生质体融合等方法获得目的重组子，通过DNA重组技术构建工程菌株设备及工程学的发展：合理控制环境条件、采用过程控制的方法对发酵过程进行最优化控制。微生物代谢控制发酵-绪论-原理3.7代谢控制发酵理论的应用（P5）加速限速步骤的反应速度；改变分支代谢途径流向；构建代谢旁路；改变能量代谢途径；延伸代谢途径；构建新的生物合成途径。微生物代谢控制发酵-绪论-原理分子育种Kelloggetal,1981体外进化Timmisetal,1988途径工程MacQuity,1988Tongetal,1991细胞工程Nerem,1991代谢工程Baley,1991Stephanetal,1991微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢工程：1991，CIT&MIT,Bailey&Stephanopoulos,ScienceTowardascienceofmetabolicengineeringNetworkrigidityandmetabolicengineeringinmetaboliteoverproduction1996,第一次国际代谢工程会议召开。微生物代谢控制发酵-绪论-原理

代谢工程是关于代谢途径的分析与修饰的科学。它是应用分子生物学与反应工程技术不断发展融合的结果，是对细胞（包括微生物、植物、动物、乃至人体细胞）内的代谢途径网络系统分析的基础上进行定向地有目的的改造，以更好的利用细胞代谢进行化学转化、能量转导和超分子组装。微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢工程的用途：几乎跨越了生物技术的全部领域，主要包括：异源蛋白的生产；扩大底物利用范围；生产新物质；对环境有害物质的降解；提高菌体对环境的适应能力；阻断或降低副产物的生成；代谢产品生产速率和生产能力的提高；植物、动物代谢工程；人体和组织代谢工程。微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢工程的方法步骤分析反应工程技术确定决定生理状态的参数阐明代谢网络的控制结构提出待修饰的靶标评价修饰后的生化影响合成应用分子生物学技术宿主细胞中新基因的表达基因的插入、缺失等改造酶量的调节，内源酶的扩增酶活性的调节，解除抑制等

代谢工程的实质是：将通量及其控制进行量化的方法与分子生物学技术结合起来，用以执行所建议的基因修饰任务。微生物代谢控制发酵-绪论-原理代谢工程的核心——代谢控制分析（MCA)通过途径中酶的活性、代谢物、效应物和其它参数所施加的通量控制程度进行定量的表述。代谢工程必须包括实验和理论两种方法来确定细胞的代谢通量。如物质平衡、同位素标记、光谱学方法（如NMR）、质谱学及联用方法（如GC-MS,LC-MS等）。微生物代谢控制发酵-绪论-原理第二章微生物代谢调节机制第一节细胞结构在代谢调节中的作用第二节酶活性调节机制第三节酶量调节机制第四节能荷调节及细胞膜透性调节第五节分支合成代谢途径的反馈调节模式微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物是自然界长期进化的产物，它之所以能生存至今，是因为微生物细胞具有为了生存和竞争而进行自身调节的保障机制。代谢控制发酵的关键，取决于微生物代谢调节机制是否能够被解除，即能否人为地控制微生物的代谢，使有用的目标产物大量生成。微生物代谢控制发酵-绪论-原理

工业发酵是微生物群体活动的动态过程。此过程即伴随异化和同化作用而发生的物质流动；又伴随能量形式的转换而发生的电子流动；还伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动。微生物代谢控制发酵-绪论-原理第一节细胞结构在代谢调节中的作用微生物代谢控制发酵-绪论-原理细胞内酶的隔离分布代谢途径有关酶类常常组成多酶体系，分布于细胞的某一区域。

酶的隔离分布的意义

——避免了各种代谢途径互相干扰。微生物代谢控制发酵-绪论-原理胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成线粒体：脂肪酸β氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化细胞核：核酸的合成、修饰内质网：蛋白质合成，磷脂合成胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成溶酶体：多种水解酶微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理细胞膜的物质转运功能1．单纯扩散(simplediffusion)

O2、CO2等脂溶性气体分子，由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散。

2．易化扩散(facilitateddiffusion)

不溶于脂质的物质，在膜蛋白的介导下，也能由膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散。

3．主动转运(activetransport)

物质（分子或离子）由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧，由细胞膜上的特殊蛋白质参与，必须由被转运的物质外部（膜或细胞）供给能量。

4．出胞（exocytosis）和入胞（endocytosis）

大分子物质或物质团块的跨膜转运。被转运的物质由膜性结构包围后进行转运。Ca2+在物质出胞过程中起重要作用。微生物代谢控制发酵-绪论-原理第二节酶活性调节机制酶（enzyme）是具有生物催化功能的生物大分子。一类是经典的酶，即由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质（P酶）；另一类主要是由RNA或DNA组成的核酸酶（R酶）。现在已经发现的生物体内存在的酶有近8000种，而且每年都有新酶发现。迄今数百种酶已达到了均一纯度，大约有200多种酶得到了结晶。微生物代谢控制发酵-绪论-原理三大营养素共同中间产物共同最终代谢通路糖脂肪蛋白质乙酰CoATCA2H氧化磷酸化ATPCO2三大营养素可在体内氧化供能。1、微生物代谢体系微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理由氨基酸合成嘌呤环甘氨酸再与R-5-P合成核酸微生物代谢控制发酵-绪论-原理天冬氨酸（Asp）=o=o

嘧啶环合成的原料GlnCO2微生物代谢控制发酵-绪论-原理脂肪分解增强ATP增多ATP/ADP比值增高任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他物质的降解。糖分解被抑制

6-磷酸果糖激酶-1被抑制（糖分解代谢限速酶之一）例如微生物代谢控制发酵-绪论-原理从能量供应的角度看，三大营养素可以互相代替，并互相制约。一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。微生物代谢控制发酵-绪论-原理

primarystructurebuildingblock

secondarystructurestructuredomain

tertiarystructuresubunitquaternarystructure2、“酶”相关的基本概念微生物代谢控制发酵-绪论-原理绝大部分酶的化学本质是蛋白质，具有一般蛋白质的结构层次 NH2

H—C—COOH

R

氨基酸结构单元酶的晶体分析表明酶是链长约为100-2500个氨基酸的蛋白质微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶活性中心（多为疏水区）结构中心（维持空间结构、决定酶的专一性、参与活性调节、免疫、分子识别等过程）结合基团催化基团SerHisAspCysTyrGlu微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶的作用机制酸碱催化共价催化邻近和定向效应变形或张力作用金属离子催化多元催化化学结构微生物代谢控制发酵-绪论-原理关键酶（keyenzyme）关键酶是参与代谢调节的酶的总称。作为一个反应链的限速因子，对整个反应起限速作用。代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及方向由其中的关键酶决定。微生物代谢控制发酵-绪论-原理例：糖代谢的关键酶微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理PRPP的合成POH2COHOHOH

O-P-O-PPOH2COHOHO

OPRPP合成酶ATPAMP

R-5-PPRPP微生物代谢控制发酵-绪论-原理①速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶(limitingvelocityenzymes)。②催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向。③这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节。关键酶催化的反应具有以下特点：微生物代谢控制发酵-绪论-原理

快速代谢调节

迟缓代谢调节数秒、数分钟通过改变酶的活性数小时、几天通过改变酶的含量变构调节(allostericregulation)化学修饰调节(chemicalmodification)代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。微生物代谢控制发酵-绪论-原理按照酶在代谢调节中的作用不同进行分类（P8-9）：调节酶：包括变构酶、同工酶、多功能酶静态酶：一般与代谢调节关系不大潜在酶：指酶原、非活性型或与抑制剂结合的酶3、酶活力的调控机制变构调节化学修饰调节激活辅酶调节微生物代谢控制发酵-绪论-原理（1）.变构调节的概念小分子化合物与酶分子活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶的活性，这种调节称为酶的变构调节或别构调节。关键酶的变构调节微生物代谢控制发酵-绪论-原理被调节的酶称为变构酶或别构酶(allostericenzyme)使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂(allostericeffector)

•变构激活剂

allostericeffector

——引起酶活性增加的变构效应剂。•变构抑制剂

allostericeffector

——引起酶活性降低的变构效应剂。微生物代谢控制发酵-绪论-原理（2）.变构调节的机制变构酶催化亚基调节亚基变构效应剂：底物、终产物其他小分子代谢物调节酶一般为变构酶，是具有多亚基四级结构的蛋白质，具有两个活性部位（催化部位和变构部位）。微生物代谢控制发酵-绪论-原理变构效应剂+酶的调节亚基酶的构象改变酶的活性改变（激活或抑制）疏松亚基聚合紧密亚基解聚酶分子多聚化微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理当酶处于T型时，因其调节部位转至聚合体内部而难以与AMP结合，故对AMP不敏感而表现出较高的活性。在第一个AMP分子与调节部位结合后，T型逐步转变成R型，各亚基构象相继发生改变，调节部位相继暴露，与AMP的亲和力逐步增加，酶的活性逐渐减弱。果糖-1,6-二磷酸酶的变构调节（疏松和紧密）Fructose-1，6-disphosphate微生物代谢控制发酵-绪论-原理乙酰CoA羧化酶，它是脂肪酸合成过程中的关键酶。它的每个亚基有不同的功能，分别是：①生物素载体蛋白，它能结合辅基生物素；②生物素羧化酶，它能催化生物素发生羧化反应；③羧基转移酶，它能将生物素上的羧基转移给乙酰CoA形成丙二酰CoA；④调节亚基，它能与柠檬酸或异柠檬酸结合，使原聚体聚合为多聚体。乙酰CoA羧化酶的变构调节（酶分子多聚化）由四种不同亚基构成的原聚体微生物代谢控制发酵-绪论-原理

多聚体催化活性，ATPMg2+可使多聚体解聚为原聚体而使酶失活。长链脂酰-CoA可拮抗柠檬酸的促聚合作用，因此，它们都是该酶的变构抑制剂。微生物代谢控制发酵-绪论-原理

调节酶一般为变构酶，是具有多亚基四级结构的蛋白质，具有两个活性部位（催化部位和变构部位）。天冬氨酸转氨甲酰酶ATCaseAspartatetranscarbamoylase

（3）.变构调节的特点微生物代谢控制发酵-绪论-原理来自E.coli的天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）是研究得最多的一个调节酶它提供了一个生物合成途径的调节中别构反馈抑制的最好的一个例子ArthurPardee等人发现ATCase的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸（CTP）当CTP水平高时，CTP与ATCase结合，降低CTP合成的速度，反之当细胞内CTP水平低时，CTP从ATCase上解离，加快CTP合成速度。他们还发现ATP是酶的别构激活剂。微生物代谢控制发酵-绪论-原理aregulatorysubunitwithCTPbound(theright-handimage)andwithoutCTP(theleft-handimage).微生物代谢控制发酵-绪论-原理调节酶的反应速度与底物浓度（或变构抑制剂浓度）的关系曲线呈S型，有协同性，存在有底物或效应物对反应速度发生影响的阈值。微生物代谢控制发酵-绪论-原理调节酶多处在合成代谢途径上，而且一般在代谢途径的第一步或分支点上，多受终产物的反馈抑制。中间产物不影响调节酶的活力。调节酶后面酶的活性对最终产物是不敏感的。微生物代谢控制发酵-绪论-原理变构酶具有脱敏作用，即经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性。此时，一般发生了变构酶解聚或结构基因突变。调节酶与负效应剂非共价结合而引起的变构作用，对酶活性的控制是一种快速、敏感和高效的调节方式。微生物代谢控制发酵-绪论-原理（4）.变构调节的生理意义①

代谢终产物反馈抑制(feedbackinhibition)反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。乙酰CoA

乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA长链脂酰CoA微生物代谢控制发酵-绪论-原理

②变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促进糖的储存微生物代谢控制发酵-绪论-原理③变构调节使不同的代谢途径相互协调。柠檬酸–+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化

乙酰辅酶A

羧化酶

促进脂酸的合成微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶的化学修饰调节1.化学修饰的概念酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰(covalentmodification)，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化学修饰。微生物代谢控制发酵-绪论-原理2.化学修饰的主要方式磷酸化---去磷酸乙酰化---脱乙酰甲基化---去甲基腺苷化---脱腺苷SH与–S—S–互变微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白微生物代谢控制发酵-绪论-原理Examplesofcovalentmodification微生物代谢控制发酵-绪论-原理ProteinphosphotasesReversetheeffectsofkinases,catalyzehydrolyticremovalofphosphorylgroupsattachedtoproteins微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理3.化学修饰的特点①酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。②具有放大效应，效率较变构调节高。③磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。

同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。微生物代谢控制发酵-绪论-原理丙酮酸脱氢酶的磷酸化共价修饰例1丙酮酸脱氢酶微生物代谢控制发酵-绪论-原理例2谷氨酰胺合成酶图2-35通过共价修饰对GlnS调节的机制

ATase-腺苷酰基转移酶；UTase-尿苷酰基转移酶；UR-脱尿苷酰基酶；

?-KG○1和Gln○1分别表示?-KG和Gln对酶的抑制作用

微生物代谢控制发酵-绪论-原理例3，胶质红假单胞菌中的柠檬酸裂解酶(CL)也是一种共价调节酶

图2-36共价调节酶

酶的可逆共价修饰的作用：

（1）因酶构型的转换是由酶催化的，故可在很短时间内经信号启动，触发生成大量有活性的酶（或改变酶的活性）有效控制细胞的生理代谢。（2）这种修饰作用可更容易控制酶的活性的响应代谢环境的变化，这系统有能随时响应的特性，经常处于活化与钝化状态之间的来回变换。

6H2O

6HAc

脱乙酰基酶

Glu○I

AcS-CL

Hs-CL

无活性

柠檬酸

连接酶

连接酶

（有活性）

（无活性）

6AMP+6PPi

ATP+6HAc

微生物代谢控制发酵-绪论-原理潜在酶的激活微生物代谢控制发酵-绪论-原理调节酶：包括变构酶、同工酶、多功能酶静态酶：一般与代谢调节关系不大潜在酶：指酶原、非活性型或与抑制剂结合的酶变构调节化学修饰调节激活辅酶调节微生物代谢控制发酵-绪论-原理通过辅酶水平的活性调节辅酶是一些小分子有机化合物，主要参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团，多为维生素。与酶结合紧密的辅酶成为辅基，与酶结合疏松的为辅底物。微生物代谢控制发酵-绪论-原理辅酶在酶促反应中的作用特点辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。微生物代谢控制发酵-绪论-原理水溶性维生素与辅酶大多数辅酶的前体主要是水溶性B族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。微生物代谢控制发酵-绪论-原理1、嘧啶环中的两个氮原子来自（）

A.谷氨酰胺B谷氨酸和氨基甲酰磷酸C.谷氨酰胺和天冬酰胺D.天冬氨酸和氨基甲酰磷酸E.谷氨酰胺和谷氨酸2、羧化酶的辅酶含（）

A.生物素B.硫胺素C.核黄素D.尼克酰胺E.叶酸3、下列（）可促进可逆的酶促反应

A.己糖激酶B.磷酸果糖激酶C.磷酸甘油磷酸激酶D.丙酮酸激酶E.糖原磷酸化酶4、下列关于酶的磷酸化叙述错误的是（）

A.磷酸化和去磷酸化都是酶促反应B.磷酸化或去磷酸化可伴有亚基聚合和解聚C.磷酸化只能使酶变为有活性的形式D.磷酸化反应消耗ATPE.磷酸化发生在酶的特定部位。5、常见的酶活性中心的必需基团有()

A.半胱氨酸和胱氨酸的巯基B.组氨酸的咪唑基

C．谷氨酸、天冬氨酸的侧链羧基D．苏氨酸的羟基E.丝氨酸的羟基ACCB\EC微生物代谢控制发酵-绪论-原理第二章微生物代谢调节机制第一节细胞结构在代谢调节中的作用第二节酶活性调节机制第三节酶量调节机制第四节分支合成代谢途径的调节模式第五节能荷调节及细胞膜透性调节微生物代谢控制发酵-绪论-原理本次课程主要内容酶量调节原理；操纵子的概念和类型；操纵子调控机理举例；二次生长现象；降解物阻遏和CRP正调机制；真核细胞的酶量调节。微生物代谢控制发酵-绪论-原理

一、酶量调节原理

基本概念酶量的调节，指微生物合成酶的数量的调节。在微生物生物合成体系中，代谢产物常常抑制或者诱导酶的生物合成，这种酶的数量调节的方式又称为酶合成调控。由代谢终产物抑制酶合成的负反馈作用称为反馈阻遏（feedbackrepression），反之，正反馈称为酶诱导作用（induction）。微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶量的调节是通过控制酶基因的生物合成来进行的基因（Gene）：是一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。基因表达是受调控的。*基因表达(geneexpression)微生物代谢控制发酵-绪论-原理基因表达的规律1、时间特异性或发育阶段特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。微生物代谢控制发酵-绪论-原理2、空间特异性或组织细胞特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。微生物代谢控制发酵-绪论-原理基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1.组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，基本不受环境因素的影响，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。微生物代谢控制发酵-绪论-原理无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutivegeneexpression)。微生物代谢控制发酵-绪论-原理2.可诱导和可阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。

如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。微生物代谢控制发酵-绪论-原理在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。微生物代谢控制发酵-绪论-原理基因表达调节的基本原理1、基因表达的多级调控基因激活转录水平转录后加工mRNA降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质翻译翻译后加工修饰基因表达可在多层次上受到调节微生物代谢控制发酵-绪论-原理2、基因转录调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。三个基本要素：1）特异的DNA调节序列2）调节蛋白3）RNA聚合酶微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶量的调节

诱导阻遏终产物的阻遏分解代谢产物阻遏例如：葡萄糖效应例如：乳糖操纵子例如：色氨酸操纵子微生物代谢控制发酵-绪论-原理二、操纵子的概念和举例

（原核生物基因转录调节）RegulationofProkaryoticGeneTranscription微生物代谢控制发酵-绪论-原理——调节的主要环节在转录水平上进行

（一）原核生物基因转录调节的特点1、σ因子决定RNA聚合酶识别特异性2、主要通过操纵子模式进行调节3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用微生物代谢控制发酵-绪论-原理存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。所谓操纵子（operon）是指原核生物基因组的一个表达调控序列，长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控。

（二）操纵子的概念和特点微生物代谢控制发酵-绪论-原理编码序列

启动序列

操纵序列调节基因(promoter)(operator)典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理（1）酶合成的诱导作用：

在细菌中普通存在，如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳糖，但2～3分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶

（1）β—半乳糖苷酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成半乳糖和葡萄糖

（2）β-半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。

（3）β-半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙酰酶）：这酶的功能不清，可能是将不能代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体外。微生物代谢控制发酵-绪论-原理乳糖究竟如何诱导了这三种酶的合成呢？

1961年法国Monod和Jacob提出了著名的乳糖操纵子(lactoseoperon）模型，这模型的提出犹如当年Watson和Crick发现DNA双螺旋模型一样，受到人们的重视，人们把它看作生物学的第二个里程碑。

这里乳糖是诱导物、诱导了这三种酶的合成，这三种酶就是诱导酶。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理乳糖操纵子调节机制1、乳糖操纵子(lacoperon)的结构与组成

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA微生物代谢控制发酵-绪论-原理结构基因：决定酶蛋白或蛋白质的基因。

操纵基因：转录的开关，可打开或关闭结构基因的转录。

启动子：专管转录起始，上面有RNA聚合酶的结合位点。

调节基因：编码阻遏蛋白的基因。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理乳糖操纵子模型的基本要点：

调节基因启动子操纵基因结构基因A操纵子（operon）BC一群功能相关的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。

一群功能相关的结构基因（structuralgene）和操纵基因（operator）、启动子（promoter）组成了一个操纵子(operon)。

为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基因（regulatorgene）所调节。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理乳糖代谢基因表达调控

（环境中没有乳糖时的基因状态）微生物代谢控制发酵-绪论-原理乳糖代谢基因表达调控

（环境中具有乳糖时的基因状态）微生物代谢控制发酵-绪论-原理（2）酶合成的阻遏作用

最终产物的阻遏：

以E.ColiTrp操纵子为例，Trp操纵子含有5个结构基因，它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为Trp，Trp是辅助遏物（corepressor）。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理色氨酸合成Trp操纵子微生物代谢控制发酵-绪论-原理色氨酸操纵子（trpoperon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。

色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理酶合成的阻遏作用微生物代谢控制发酵-绪论-原理TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?1、色氨酸操纵子（转录衰减作用）色氨酸操纵子微生物代谢控制发酵-绪论-原理色氨酸操纵子转录衰减(attenuation)机制：即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构

trp密码子

UUUU……微生物代谢控制发酵-绪论-原理UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止微生物代谢控制发酵-绪论-原理UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构微生物代谢控制发酵-绪论-原理

分解代谢产物的阻遏：

在基质中当同时存在多种分解代谢物时，某些酶的合成往往被容易分解利用的碳源（如葡萄糖）所阻遏。后来知道这是由于葡萄糖分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物阻遏（cataboliterepression）。这种现象过去称为葡萄糖效应（glucoseeffect）。

1942年，Monod首次发现E.Coli的培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则优先利用葡萄糖，等葡萄糖耗尽后才能利用乳糖，也就是说在大量葡萄糖时，乳糖操纵子还是关闭，葡萄糖阻遏了乳糖代谢有关的酶的合成。微生物代谢控制发酵-绪论-原理GC－＋ATPcAMP5'-AMP腺苷酸环化酶磷酸二酯酶CRPcAMPCRP复合物结构基因分解代谢产物启动子操纵基因分解代谢产物阻遏，即葡萄糖效应的机制：cAMP:环腺苷酸cAMP受体蛋白简称：CRP或CAP抑制激活微生物代谢控制发酵-绪论-原理几点结论分解代谢产物阻遏的实质是：细胞内缺少了cAMP分解代谢产物阻遏作用是发生在转录水平上的cAMP在乳糖操纵子中的作用：是调节mRNA的生成，属于转录水平的调节。微生物代谢控制发酵-绪论-原理

现在知道乳糖操纵子除需诱导物外，还需cAMP和cAMP受体蛋白（CRP），当cAMP与CRP结合成复合物时，这复合物能结合到启动子上，促使转录的起始。

结构基因操纵基因启动子RNA聚合酶CRPcAMP复合物CRP＋cAMP位点活化微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理微生物代谢控制发酵-绪论-原理协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CRP对该系统不能发挥作用；※如无CRP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。微生物代谢控制发酵-绪论-原理2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用

是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操纵子的调控方式。

AraC蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。P1型为阻遏子，P2型为激活子。调节作用分三种情况：1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下，AraC与操纵基因araO2和AraC的一个结合位点araI结合，结合于araO2和araI的两个AraC蛋白之间互相结合，形成一个约210碱基对的一个环，从而使araBAD启动子的转录被抑制，基因araB、A、D不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）微生物代谢控制发酵-绪论-原理2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，CAP-cAMP很丰富，与araI附近的CRP结合位点结合，阿拉伯糖与AraC蛋白结合改变了构象，成为激活子，DNA环被打开，能与CAP-cAMP协同诱导araBAD基因的转录（阳性调控或正调节）3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。微生物代谢控制发酵-绪论-原理由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。

3、原核生物转录的整体调控模式微生物代谢控制发酵-绪论-原理SOS反应

SOS基因紫外线激活RecALexA阻遏蛋白

与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达LexA阻遏蛋白操纵序列DNA微生物代谢控制发酵-绪论-原理

利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞，操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。真核细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上，它们并不组成一个操纵子。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理真核生物基因转录调节RegulationofEukaryoticGeneTranscription微生物代谢控制发酵-绪论-原理一、真核生物基因组结构特点1、真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA

约3×109

碱基对编码基因约有30000个，占总长的6%微生物代谢控制发酵-绪论-原理2、单顺反子单顺反子(monocistron)

即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。3、重复序列单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列4、基因不连续性

：断裂基因真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。

微生物代谢控制发酵-绪论-原理二、真核基因表达调节的特点1、RNA聚合酶活性受转录因子调控：RNA聚合酶有三种，分别转录不同的RNA。2、染色质结构改变参与基因表达的调控：1）对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。微生物代谢控制发酵-绪论-原理2）DNA拓扑结构变化天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋负超螺旋转录方向3）DNA碱基修饰变化真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。微生物代谢控制发酵-绪论-原理4）组蛋白变化①富含Lys组蛋白水平降低②H2A,H2B二聚体不稳定性增加③组蛋白