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代謝調(diào)控發(fā)酵的基本思想

一、微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制在正常情況下，微生物細(xì)胞只合成本身所需要的中間代謝產(chǎn)物，嚴(yán)格防止氨基酸、核苷酸等物質(zhì)的積累。當(dāng)有氨基酸或嘌呤物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后，細(xì)胞立即停止該物質(zhì)的合成，一直到所供應(yīng)的養(yǎng)料消耗到很低濃度，細(xì)胞才能重新開始進(jìn)行合成。細(xì)胞中這種調(diào)節(jié)控制作用主要依靠反饋抑制反饋?zhàn)瓒?第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制微生物細(xì)胞氨基酸、核苷酸的調(diào)節(jié)機(jī)制（模型）2第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制3第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制代謝控制的研究證明，酶的生物合成受基因和代謝物的雙重控制。按操縱子學(xué)說，操縱子由細(xì)胞中的操縱基因和鄰近的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。結(jié)構(gòu)基因能轉(zhuǎn)錄遺傳信息，合成相應(yīng)的信使RNA（mRNA），進(jìn)而再翻譯合成特定的酶；操縱基因則能夠控制結(jié)構(gòu)基因作用的發(fā)揮。細(xì)胞中還有一種調(diào)節(jié)基因，能夠產(chǎn)生一種細(xì)胞質(zhì)阻遏物，細(xì)胞質(zhì)阻遏物與阻遏物（通常是酶反應(yīng)的終產(chǎn)物）結(jié)合時(shí)，由于變構(gòu)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)改變和操縱基因的親和力變大，而使有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因不能合成mRNA，因此，酶的合成受到阻遏。4第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制誘導(dǎo)物也能和細(xì)胞阻遏物結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，減少與操縱基因的親和力，使操縱基因回復(fù)自由，進(jìn)而結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，合成mRNA，再翻譯特定的酶。在微生物中，通過細(xì)胞膜的滲透性進(jìn)行代謝控制也是非常重要的（如Glu發(fā)酵）。5第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制1.調(diào)節(jié)酶——與代謝調(diào)節(jié)密切相關(guān)的酶，常稱為關(guān)鍵酶受反饋抑制的調(diào)節(jié)酶一般都是變構(gòu)酶，酶活力調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。變構(gòu)酶分子除了有與底物結(jié)合的活性中心（即催化部位和活性中心）外，還有一個(gè)與最終產(chǎn)物結(jié)合的部位，稱做調(diào)節(jié)中心（或稱變構(gòu)部位），當(dāng)它與最終產(chǎn)物結(jié)合之后就改變了酶分子的構(gòu)象，從而影響了底物與活性中心的結(jié)合。調(diào)節(jié)酶活力（反饋抑制）比調(diào)節(jié)酶的合成（反饋?zhàn)瓒簦┭杆偌皶r(shí)有效，這是微生物饑餓情況下的一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式。6第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶7第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制最終產(chǎn)物與酶的調(diào)節(jié)中心的結(jié)合是可逆的，因此當(dāng)最終產(chǎn)物的濃度降低時(shí)，最終產(chǎn)物與酶的結(jié)合隨即解離，從而恢復(fù)了酶蛋白的原有的構(gòu)象，使酶與底物可以結(jié)合而發(fā)生催化。調(diào)節(jié)酶包括3個(gè)種類：⑴變構(gòu)酶；⑵同功酶：具有同一種酶的底物專一性，但分子結(jié)構(gòu)不同；⑶多功能酶：能夠催化兩種以上不同反應(yīng)的酶。8第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制關(guān)鍵酶（keyenzyme或switchingenzyme）

——參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總稱——是一個(gè)反應(yīng)鏈的限速因子，對代謝流的質(zhì)和量都起著制約作用；——在代謝流的樞紐處起支柱作用；——一般情況下，與氨基酸生物合成途徑分支點(diǎn)有關(guān)系的分支點(diǎn)酶（branchingenzyme）可以成為關(guān)鍵酶，但關(guān)鍵酶并不都是分支點(diǎn)酶；——其關(guān)鍵效果僅僅在特定的氨基酸生物合成過程中成立，而在其他氨基酸生物合成過程中則不成立（例如，

-乙酰乳酸合成酶在Val

生物合成途徑中起關(guān)鍵作用，而Ile生物合成途徑中起主導(dǎo)性的關(guān)鍵酶卻是蘇氨酸脫氫酶TD，該酶在

-乙酰乳酸合成酶的前一階段）；9第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶10第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制——在每個(gè)氨基酸的生物合成途徑中，都有一種以上的關(guān)鍵酶；——生物合成的途徑越長，關(guān)鍵酶的數(shù)目越多；——對代謝流影響最大的關(guān)鍵酶處于主導(dǎo)的地位，常被配備在由同一前體物出發(fā)去合成多種氨基酸的關(guān)鍵點(diǎn)（keypoint）上（例如，Val-

Ile系的

-乙酰乳酸合成酶AS，或Asp族氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶天冬氨酸激酶AK）；——關(guān)鍵酶所受的反饋調(diào)節(jié)因菌而異（例如，Asp族氨基酸生物合成途徑中的主導(dǎo)關(guān)鍵酶天冬氨酸激酶AK，在大腸桿菌中有3種同功酶，分別受到

Thr

、Met

和Lys

的反饋調(diào)節(jié)，而在谷氨酸棒桿菌中卻是單一的，僅受到Thr

和Lys的協(xié)同反饋控制

）。11第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制大腸桿菌中天冬氨酸族氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制12第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制在黃色短桿菌中賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌等天冬氨酸族氨基酸的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制13第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制模式圖2.反饋抑制——這種調(diào)節(jié)方式可以分為多種類型14第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制在多功能途徑中（Multifunctionnalpathway）的酶活性調(diào)節(jié)類型15第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制⑴協(xié)作反饋抑制或多價(jià)反饋抑制⑵合作反饋抑制（Cooperativefeedbackinhibition）⑶積累反饋抑制（Cumulativefeedbackinhibition）⑷順序反饋抑制（Sequentialfeedbackinhibition）⑸假反饋抑制（Pseudo-feedbackinhibition）16第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制反饋?zhàn)瓒簦╢eedbackrepression）是由代謝終點(diǎn)產(chǎn)物抑制酶合成的負(fù)反饋?zhàn)饔?。微生物可以通過控制酶基因的生物合成來進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是說，在微生物生物合成體系中，常通過代謝產(chǎn)物抑制酶的生物合成或誘導(dǎo)酶的生物合成，來調(diào)節(jié)生物的代謝過程。這類現(xiàn)象是與微生物的遺傳因子密切相關(guān)的。正反饋稱為酶誘導(dǎo)作用（induction）。3.酶合成的調(diào)控17第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制酶阻遏的調(diào)節(jié)類型：18第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制4.反饋抑制與反饋?zhàn)瓒舻谋容^反饋抑制的效果比較直接而快速，因?yàn)椴簧婕暗鞍踪|(zhì)的合成過程，當(dāng)終產(chǎn)物濃度達(dá)到一定水平時(shí)，立即使酶的活力喪失，待最終產(chǎn)物的濃度降低后，酶的活力又重新恢復(fù)。反饋抑制作用不通過調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)。反饋抑制的物質(zhì)基礎(chǔ)是變構(gòu)酶，通過酶的變構(gòu)作用改變酶的活性。變構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)為基因所決定。19第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制反饋?zhàn)瓒羰钦{(diào)節(jié)基因作用的結(jié)果，這是生物不通過基因而適應(yīng)于環(huán)境改變的一種“措施”，這種“措施”對于環(huán)境的改變反應(yīng)比較遲緩。反饋?zhàn)瓒羰菍γ负铣傻淖瓒?，所以效果不如反饋抑制那樣迅速，但可以?jié)約原料，對生物有一定的優(yōu)點(diǎn)。20第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較21第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制二、代謝控制發(fā)酵的基本思路1.切斷支路代謝a.營養(yǎng)缺陷突變株的應(yīng)用b.滲漏突變株的應(yīng)用22第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制a.選育抗類似物突變株b.酶特性的利用c.營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株的應(yīng)用2.解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié)23第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制3.增加前體物的合成通過選育某些營養(yǎng)缺陷型或結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株以及克隆某些關(guān)鍵酶的方法，增加目的產(chǎn)物的前體物的合成，有利于目的產(chǎn)物的大量積累。24第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制4.去除終產(chǎn)物25第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制5.特殊調(diào)節(jié)機(jī)制的利用a.多種產(chǎn)物控制機(jī)制的利用b.平衡合成的利用c.代謝互鎖的利用d.優(yōu)先合成的變換26第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制6.條件突變株的應(yīng)用例如，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)境條件的不同既能顯示野生型特性又能顯示突變型特性的突變，統(tǒng)稱為條件致死突變（即條件突變，conditionallethalmutation）。這主要是在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因上發(fā)生突變。27第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制7.選育不生成副產(chǎn)物的菌株a.有共同前體物的其他分支途徑或目的產(chǎn)物是其他產(chǎn)物生物合成的前體物時(shí)，應(yīng)附加營養(yǎng)缺陷型，切斷其他分支途徑或目的產(chǎn)物向其它產(chǎn)物合成的代謝流；b.存在有目的產(chǎn)物分解途徑時(shí)，應(yīng)選育喪失目的產(chǎn)物分解酶的突變株；c.當(dāng)有副生產(chǎn)物，特別是有不利于目的產(chǎn)物精制的副生產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)設(shè)法切斷副生產(chǎn)物的代謝流（喪失副生產(chǎn)物合成途徑中的某個(gè)酶）。28第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制8.選育生產(chǎn)代謝拮抗物質(zhì)的菌株29第五章生物產(chǎn)品代謝調(diào)控發(fā)酵機(jī)制三、微生物代謝控制發(fā)酵的措施微生物發(fā)酵生產(chǎn)中的代謝控制，總的來講主要有兩條途徑：控制培養(yǎng)條件控制遺傳型改變微生物的遺傳型往往是控制代謝的更為有效的途徑。30