第三章代謝調(diào)節(jié)與代謝工程微生物代謝的特點:微生物在長期的進(jìn)化過程中，形成了一整套完善的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證各種代謝活動經(jīng)濟(jì)而高效地進(jìn)行。微生物代謝的生化反應(yīng)通常是十分復(fù)雜而迅速，需要非常協(xié)調(diào)的進(jìn)行。微生物具有快速適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力，通過啟動或關(guān)閉相關(guān)代謝途徑，平衡代謝產(chǎn)物和反應(yīng)速率來適應(yīng)環(huán)境。

因此，微生物的代謝是受高度調(diào)節(jié)的。微生物代謝高度調(diào)節(jié)證據(jù)：所有大分子單體(前體，如氨基酸)的合成速率同大分子(如蛋白質(zhì))的合成速率協(xié)調(diào)一致，不會浪費能量去合成那些它們用不著的東西；任何一種單體的合成，如能從外源獲得并能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，單體的合成自動中止，參與這些單體生成的酶的合成也會停止；只有在某些有機(jī)基質(zhì)(如乳糖)存在時，才會合成異化這些基質(zhì)的酶；存在兩種有機(jī)基質(zhì)，微生物會先合成那些能異化、更易利用的基質(zhì)的酶，待易利用的基質(zhì)耗竭，才開始誘導(dǎo)分解較難利用的基質(zhì)的酶；養(yǎng)分影響生長速率，從而相應(yīng)改變細(xì)胞大分子的組成(如RNA的含量)。微生物代謝調(diào)節(jié)微生物代謝機(jī)構(gòu)示意圖3.1酶活性的調(diào)節(jié)3.1.1代謝控制的部位微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)方式：可調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力；通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近；調(diào)節(jié)代謝流，該調(diào)節(jié)方式最為重要，它包括調(diào)節(jié)酶的合成量和調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力。3.1.2調(diào)節(jié)方法1.定義：蛋白質(zhì)分子中的一個或者多個氨基酸殘基與一化學(xué)基團(tuán)共價連接或者解開，使其活性改變的作用。2.化學(xué)基團(tuán)：磷酸基、甲基、乙基、腺苷酰基。蛋白質(zhì)的共價部位：氨基酸殘基上的羥基。3.分類：可逆、不可逆。共價修飾1、可逆共價修飾

大多數(shù)共價調(diào)節(jié)是通過特定部位的絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸的側(cè)鏈（-OH）的磷酸化和去磷酸化來調(diào)節(jié)的。磷酸化酶意義：短時間經(jīng)信號啟動，觸發(fā)生成大量的活性酶。更容易控制酶的活性以響應(yīng)環(huán)境代謝的。名稱：變構(gòu)效應(yīng)/別構(gòu)效應(yīng)/副位效應(yīng)定義：是指一種小分子物質(zhì)與一種蛋白質(zhì)分子發(fā)生可逆的相互作用，導(dǎo)致這種蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變這種蛋白質(zhì)與第三種分子的相互作用。別構(gòu)酶：具有別構(gòu)作用的酶成為變構(gòu)酶。變構(gòu)控制協(xié)同作用

定義：是指酶蛋白分子的一個位點與配基的結(jié)合會影響該酶蛋白的另一個位點與基質(zhì)的結(jié)合。正向協(xié)同作用：起始配基的結(jié)合促進(jìn)酶蛋白分子的另一個位置的更多的基質(zhì)的結(jié)合。負(fù)向協(xié)同作用：這種結(jié)合使進(jìn)一步的結(jié)合受阻。締合與解離能進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變的蛋白質(zhì)由多個亞基組成，蛋白質(zhì)活化與鈍化是通過組成它的亞基單位的締合與解離實現(xiàn)的。這類互相轉(zhuǎn)變鈍化是由共價修飾或若干配基締合啟動的。競爭性抑制

一些蛋白質(zhì)的生物活性受代謝物的競爭性抑制。

其他調(diào)節(jié)方式酶合成調(diào)節(jié)：主要指通過調(diào)節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調(diào)節(jié)機(jī)制。這類調(diào)節(jié)是在基因水平（原核生物主要在轉(zhuǎn)錄水平上）上進(jìn)行。

酶的誘導(dǎo)

方式分解代謝物阻遏終產(chǎn)物的調(diào)節(jié)3.2酶合成調(diào)節(jié)凡能促進(jìn)酶合成的現(xiàn)象稱誘導(dǎo)。阻礙酶合成的現(xiàn)象稱阻遏。1、誘導(dǎo)作用定義：培養(yǎng)基中某種基質(zhì)與微生物接觸而增加（誘導(dǎo)）細(xì)胞中其相應(yīng)酶的合成速度。類型：按照酶的合成與環(huán)境影響的關(guān)系來分，若酶的合成速度受基質(zhì)濃度變化的影響很小，這種酶稱為組成酶，反之，稱為誘導(dǎo)酶。若是由于某種原因，調(diào)節(jié)基因或者操縱基因發(fā)生突變后，阻遏物失去同操縱基因結(jié)合的能力或者使突變后的操縱基因失去對阻遏物的親和力。此時即使沒有誘導(dǎo)物，RNA聚合酶也能轉(zhuǎn)錄。這種突變稱為組成性突變。組成型突變株的獲得在誘導(dǎo)物（低濃度）為限制性基質(zhì)的恒化器中篩選將菌株輪番在有、無誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)使用誘導(dǎo)性很差的基質(zhì)使用阻遏誘導(dǎo)作用的抑制劑提高篩選效率分解代謝物的分子機(jī)制Camp-CRP復(fù)合物在啟動基因上的結(jié)合是RNA聚合酶結(jié)合到啟動基因上所必須的。分解代謝物阻遏作用的克服不使用阻遏性碳源。出于經(jīng)濟(jì)問題，必須使用阻遏性碳源，則可用過程補糖的方法。使用不能代謝的誘導(dǎo)物的類似物、或者緩慢補入誘導(dǎo)物、或者只能使用緩慢代謝的誘導(dǎo)物的衍生物。避開末端代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)作用的方法：

1）從遺傳上改造微生物，

使之對末端產(chǎn)物反饋調(diào)節(jié)作用不敏感。

2）改變培養(yǎng)環(huán)境條件，

以限制末端代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)部的積累。

反饋調(diào)節(jié)作用的消除：生產(chǎn)實踐中，為了獲得某一合成途徑的中間產(chǎn)物，常用限制末端產(chǎn)物在胞內(nèi)積累的方法。反饋抑制（2）協(xié)同反饋抑制：只有一種酶受反饋調(diào)節(jié)控制，要抑制或者阻遏這種酶需要分支代謝途徑中的所有末端產(chǎn)物都過量存在，單個末端產(chǎn)物的積累對該酶的催化活性幾乎沒有影響。（3）累積反饋抑制：分支途徑的每一個末端產(chǎn)物的積累只能部分的抑制或者阻遏途徑中的第一個酶，只有在所有的末端產(chǎn)物都過量存在時，才會完全抑制或者阻遏該酶。

（4）順序反饋抑制：分支代謝途徑中的末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應(yīng)步驟，造成分支點上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個酶的活性。（5）聯(lián)合激活或者抑制作用：這是由一種反應(yīng)系列形成的中間產(chǎn)物參與2個完全獨立途徑的調(diào)節(jié)。微生物代謝調(diào)節(jié)的多樣性作業(yè)微生物代謝的特點是什么？酶活性調(diào)節(jié)的實質(zhì)與主要方法是什么？酶合成調(diào)節(jié)方式包括哪些？反饋調(diào)節(jié)包括哪些形式，如何消除反饋調(diào)節(jié)作用？酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制1、別構(gòu)調(diào)節(jié)理論（核心是酶分子構(gòu)象的改變）。2、酶分子的化學(xué)修飾理論（核心是酶分子結(jié)構(gòu)的改變）。酶合成調(diào)節(jié)的分子機(jī)制

基因轉(zhuǎn)錄的改變。3.3代謝調(diào)節(jié)的分子機(jī)制

1、微生物細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)的內(nèi)容

*

調(diào)節(jié)代謝流

*

調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力

*利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。3.4代謝調(diào)節(jié)細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜透性正常，代謝物累積，反饋抑制或阻遏細(xì)胞膜透性改變，代謝產(chǎn)物不斷透出細(xì)胞外，可防止反饋抑制或阻遏

調(diào)節(jié)細(xì)胞膜滲透性的方法生理學(xué)方法遺傳學(xué)方法2、代謝調(diào)節(jié)的方式

1.亞適量的生物素的調(diào)節(jié)：谷氨酸發(fā)酵EffectofBiotinlevelontheproductionofGlutamate生理學(xué)方法亞適量的生物素的調(diào)節(jié)機(jī)制:控制生物素改變膜的成分,進(jìn)而改變膜的透性、谷氨酸的分泌和反饋調(diào)節(jié)2.適量的青霉素機(jī)理:抑制細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶活性，肽聚糖結(jié)構(gòu)中肽橋無法交聯(lián)，造成細(xì)胞壁缺損，利于代謝產(chǎn)物的滲出。注意：低生物素、青霉素只對生長態(tài)（分裂）的細(xì)胞有效，對穩(wěn)定期的細(xì)胞無作用。油酸：含有一個雙鍵的C18不飽和脂肪酸，是細(xì)胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使細(xì)胞膜缺損，細(xì)胞膜的通透性加大。遺傳學(xué)方法

①細(xì)胞膜缺損突變直線式合成途徑中，營養(yǎng)缺陷型菌株只能積累中間代謝產(chǎn)物，不能積累最終代謝產(chǎn)物。分支代謝途徑中，通過解除某種反饋調(diào)節(jié)，可使某一分支途徑的末端產(chǎn)物得到積累。賴氨酸發(fā)酵②營養(yǎng)缺陷型突變株或突變株調(diào)節(jié)代謝AK—天冬氨酸激酶；HSDH—高絲氨酸脫氫酶天冬氨酸人工控制谷氨酸棒桿菌的代謝過程生產(chǎn)賴氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ天冬氨酸激酶中間產(chǎn)物Ⅱ甲硫氨酸蘇氨酸高絲氨酸高絲氨酸脫氫酶不能合成可以大量積累賴氨酸人工誘變的菌種不能產(chǎn)生3.4代謝工程代謝工程又稱途徑工程定義：一般認(rèn)為是通過特定生化反應(yīng)的修飾來定向改善細(xì)胞的特性或者運用重組DNA技術(shù)來改造新的化合物。研究內(nèi)容在微生物體內(nèi)建立新的代謝途徑以獲得新的代謝物(鏈霉菌的聚乙酮）；生成異源蛋白（如人體胰島素、人血清白蛋白）；改進(jìn)已存在的途徑（如抗生素，工業(yè)酶等）。研究方