第二章：代謝控制發(fā)酵的基本思想

目的了解微生物細胞的調節(jié)機制、掌握代謝控制發(fā)酵的基本思想及微生物代謝控制發(fā)酵的措施

內容微生物細胞的調節(jié)機制、代謝控制發(fā)酵基本思想及微生物代謝控制發(fā)酵措施

重點反饋反饋抑制與反饋阻遏、反饋調節(jié)的解除難點反饋反饋抑制與反饋阻遏學時3第一節(jié)：微生物細胞的調節(jié)機制微生物細胞的調節(jié)主要靠兩個因素：參與調節(jié)的有關酶的活性和酶量,也就是反饋抑制和反饋阻遏。ABCD終產物氨基酸核苷酸蛋白質DNARNA代謝中間體分解代謝產物基質（C、N）中間產物細胞膜細胞壁培養(yǎng)基氨基酸、核苷酸氨基酸庫EaEb

EcEd反饋抑制反饋阻遏遺傳缺陷一.酶活性的調節(jié)機制1、反饋抑制概念反饋抑制：在一長系列生物合成反應中，其代謝產物抑制途徑中一個關鍵酶的活力的現(xiàn)象。2、反饋抑制理論：A：受反饋抑制的調節(jié)酶是變構酶，酶活力的調控實質就是變構酶的變構調節(jié)。B：變構酶有與底物結合的活性中心和與終產物結合的調節(jié)中心（變構部位）。C：終產物與調節(jié)中心結合之后改變了酶的構象，從而影響了底物與活性中心的結合。D：終產物與調節(jié)中心的結合是可逆的，終產物濃度降低，終產物與酶結合隨即解離，酶又恢復原有構象。3、變構酶模型A：協(xié)調模型（莫諾德模型）a.變構酶一般是具有多亞基四級結構的蛋白。亞基中有活性中心和調節(jié)中心。b.變構酶存在兩種構象狀態(tài)，R狀態(tài)和T狀態(tài)，兩種狀態(tài)間可逆平衡。c.底物、激活劑、抑制劑可使RT平衡移動。d.變構蛋白有對稱性。酶狀態(tài)改變對稱性不變。B：順序模型（科什蘭模型）4、變構酶動力學性質濃度酶活性變構酶酶活性底物濃度的關系普通酶酶活性底物濃度的關系底物濃度一定時,變構抑制劑濃度與變構酶活性關系5、調節(jié)類型5.1：單功能途徑中酶活性的調節(jié)類型

Ⅰ

終產物抑制Ⅱ代謝產物激活

A前體激活B補償性激活生物合成的終產物是生物合成系統(tǒng)中第一個酶的反饋抑制劑

A可促進終產物的生成

H→I必須供給定量的,H能激活A→B的反應5.2：多功能途徑中酶活性的調節(jié)類

Ⅰ具有復數(shù)效應部位的酶

A多價反饋抑制(協(xié)作反饋抑制)當一條代謝途徑中有兩個以上的終產物時，任何一個終產物都不能單獨抑制途徑中第一個共同的酶反應，但當兩者同時過剩時，它們協(xié)同抑制途徑中第一個共同的酶反應。

B合作反饋抑制當一條代謝途徑中有兩個以上的終產物時，任何一個終產物過剩時，只部分地抑制途徑中第一個共同的酶反應，只有兩者同時過剩時，才能引起強烈的抑制，其抑制程度大于各自單獨存在的和。

C積累反饋抑制每個終產物過剩時，只能單獨地、部分地抑制途徑中第一個共同的酶反應，并且各終產物的抑制作用互不影響，幾個終產物同時存在時，它們的抑制作用是積累的。

D終產物抑制的補償性回復Ⅱ

順序反饋抑制F積累，停止D→E反應，減少F的進一步合成，更多的D轉到G，再由G合成I或K；I積累，停止G→H反應；K積累，停止G→J反應，結果造成G積累，引起G對A→B的反饋抑制，使整個反應途徑停止。Ⅲ具有專一性效應物的復數(shù)酶酶1和酶2都是催化A→B的同功酶，G過量，酶2停止活動，C不能經過F到G，同時，酶1活性不受影響，A可順利地到E，從而使G過量，并不干擾E的合成。二酶合成的調節(jié)機制1、

反饋阻遏與誘導作用的概念

反饋阻遏：在微生物合成體系中，代謝產物抑制酶的生物合成。誘導作用：在微生物合成體系中，代謝產物誘導酶的生物合成。2、

反饋阻遏和誘導作用理論（操縱子學說）A操縱子由細胞的操縱基因和結構基因組成。B結構基因能轉錄遺傳信息，合成相應的mRNA，進而翻譯合成特定的酶。C操縱基因能控制結構基因作用的發(fā)揮D調節(jié)基因能產生一種細胞質的阻遏物，該阻遏物與酶促反應阻遏物（通常是終產物）結合時結構改變。和操縱基因的親和力變大，使有關的結構基因不能合成mRNA，使酶的合成受到阻遏。E誘導物也能和細胞質阻遏物結合，使其結構改變，減少與操縱基因的親和力，使操縱基因恢復自由，進而使結構基因進行轉錄，合成相應的mRNA，進而翻譯合成特定的酶。3、

調節(jié)類型A單功能生物合成途徑B多功能生物合成途徑

Ⅰ單功能生物合成途徑

A簡單的終產物阻遏

B受阻遏酶產物的誘導作用三反饋抑制和反饋阻遏的比較

第二節(jié)：代謝控制發(fā)酵的基本思想

代謝控制發(fā)酵能否成功，目的產物能否大量積累，起決于微生物細胞自我調節(jié)機制能否解除.解除微生物細胞自我調節(jié)機制的措施一般有：★

應用營養(yǎng)缺陷型菌株★選育抗反饋調節(jié)的突變菌株★選育細胞膜通透性的突變菌株★應用營養(yǎng)缺陷型回復突變菌株或條件突變菌株★應用遺傳工程技術，創(chuàng)造工程菌株一.切斷支路代謝切斷支路代謝可通過選育營養(yǎng)缺陷型突變菌株或滲漏缺陷型突變菌株來達到1．營養(yǎng)缺陷型突變菌株的應用營養(yǎng)缺陷型突變菌株是指原菌株由于基因發(fā)生突變，致使合成途徑中某一步驟發(fā)生缺陷，喪失了合成某些物質的能力，必須添加該物質才能生長的突變菌株。2．滲漏缺陷型突變菌株的應用滲漏缺陷型是指遺傳性障礙不完全的缺陷型。滲漏缺陷型菌株的某種酶活性下降而不完全喪失，可少量合成代謝終產物，但不能合成過量的代謝終產物。二.

解除菌體自身的反饋調節(jié)1．選育抗類似物的突變株類似物指的是代謝終產物的類似物，抗類似物突變株又叫代謝拮抗物抗性突變株。代謝拮抗物與代謝終產物結構相似。也能與阻遏蛋白結合，且其結合是不可逆的也就是有關酶不能合成，如果突變株具代謝拮抗物抗性，那它就解除了反饋調節(jié)機制。2．酶特性的利用利用某種酶具有底物專一性寬的特性，用該酶對其他底物的活性，育得代謝調節(jié)突變株3．營養(yǎng)缺陷型回復突變菌株的應用某營養(yǎng)缺陷型突變菌株經回復突變，在回復其愿有的形狀三.增加前體物的合成通過選育某些營養(yǎng)缺陷型突變菌株或結構類似物抗性突變菌株及克隆某些關鍵酶的方法，增加目的產物的前體物的合成，有利于目的產物的積累。1．在分支合成途徑中，切斷除目的產物外的其他合成途徑，增加目的產物的前體物的合成，使目的產物產量提高。2．目的產物的生物合成從別的終產物開始時，設法解除目的產物合成的反饋調節(jié)和前體物合成的反饋調節(jié)。四.去除終產物改變細胞膜的滲透性，使終產物不斷的排出到胞外，因而終產物在細胞內不能大量積累

五、特殊調節(jié)機制的利用1．多種產物控制機制的利用在多種產物控制機制的利用，只有全部終產物過剩，才能產生完全抑制，利用此特性可設法控制目的產物以外的終產物的供給量，是目的產物得以積累。2．平衡合成的利用底物A經分支合成途徑生成兩種終產物E與G，由于酶a活性遠遠大于酶b，結果優(yōu)先合成E。E過量就會抑制酶a，使代謝轉向合成G。G過量后，就會拮抗或逆轉E的反饋抑制作用，結果代謝流轉向又合成E。3．代謝互鎖的利用所謂代謝互鎖．就是從生物合成途徑來看，似乎是受一種完全無關的終產物的控制，它只是在較高濃度下才發(fā)生，而且這種抑制作用是部分性的，不完全的。

4．優(yōu)先合成的變換底物A經分支合成途徑生成兩種終產物E與G，由于酶a活性遠遠大于酶b，結果優(yōu)先合成E。E過量就會抑制酶a，使代謝轉向合成G。G合成達到一定濃度時，就會對酶c產生抑制作用。六、條件突變抹的應用像溫度敏感性突變、抑制性突變、鏈霉素依賴性突變和低溫敏感性突變等，因環(huán)境條件的不同能顯示野生型特性又能顯示突變型特性的突變，稱為條件致死突變(即條件突變)七、選育不生成副產物的菌株

工業(yè)上，為了選育優(yōu)秀的生產菌株、除突破微生物原來的代謝調節(jié)外,必要時還應附加如下突變.(1)有共用前體物的其他分支途徑或目的產物是其他產物生物合成的前體物時，應附加營養(yǎng)缺陷型，切斷其他分支途徑或目的產物向其他產物合成的代謝流。(2)存在有目的產物分解途徑時，應選育喪失目的產物分解酶的突變株。(3)當有副生產物，持別是有不利于目的產物精制的副生產物時，應設法切斷副生產物的代謝流。八、選育生產代謝拮抗物質的菌株