第二章發(fā)酵過程的生物學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)發(fā)酵過程與微生物（自學(xué)）

第二節(jié)微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)（自學(xué)）

第三節(jié)微生物的生長模式及其動力學(xué)（自學(xué)）

第四節(jié)環(huán)境對微生物的影響（自學(xué)）

第五節(jié)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控

在生物進(jìn)化過程中，微生物細(xì)胞形成r愈來愈完善的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，使細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的生

化反應(yīng)能高度有序地進(jìn)行，并對外界環(huán)境的改變迅速作出反應(yīng)，因而在代謝繁殖過程中，能

量的利用以及對細(xì)胞生長繁殖過程中所需的各種物質(zhì)的形成是非常合理和經(jīng)濟(jì)的，需要多少

合成多少，不需要的不合成或合成量很少，細(xì)胞經(jīng)常處于平衡生長狀態(tài)，不會有代謝產(chǎn)物的

積累。從進(jìn)化角度看，代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生，對細(xì)胞能量的利用和細(xì)胞組成物質(zhì)的合成都是

一種浪費(fèi)。在自然環(huán)境中，只有當(dāng)條件改變時才會造成微生物積累某些代謝產(chǎn)物，如在厭氧

條件下酒精、乳酸和醋酸的大量形成。通過改變培養(yǎng)條件和遺傳特性，使微生物的代謝途徑;

改變或代謝調(diào)節(jié)失控而獲得某一發(fā)酵產(chǎn)物的過量產(chǎn)生，正是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)要研究的主要內(nèi)

容。其方法大體可分為兩類，一是改變產(chǎn)生菌的基因型而改變代謝途徑；二是改變控制代謝

速率，即影響基因型的表達(dá)。

代蛔莖是指微生物的代謝速度和方向按照微生物的需要而改變的一種作用。包括酶量

的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)。

RegulateRegulateenzymesynthesis

enzyme

activityAttranslation

Attranscription

SubstraleProduct

▲

o

EnzymeAEnzymeBNoGfizyme

TranslationtI

*NomRNA

Transcription|

GeneAGeneBGoneCGeneD

微生物代謝的控制是指運(yùn)用人為的方法對微生物的中謝調(diào)節(jié)進(jìn)行遺傳改造和條件的控

制，以期按照人們的愿望，生產(chǎn)有用的微生物制品。

一、代謝調(diào)節(jié)方式

1,細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)

細(xì)胞質(zhì)膜的透性直接影響物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌，從而影響到細(xì)胞內(nèi)代謝的變

化。細(xì)胞質(zhì)膜的透性的調(diào)節(jié)是微生物代謝調(diào)節(jié)的重要方式，由它控制著營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

例如，大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌吸收乳糖是由滲透酶和環(huán)狀A(yù)MP(cAMP)協(xié)同控制來

完成的。cAMP的濃度是由腺度酸環(huán)化酶(AC)的活性控制的,也就是說，乳糖的吸收受滲透

酶和AMP環(huán)化酶的控制，調(diào)節(jié)蛋白通過磷酸化的形式和腺昔酸環(huán)化酶(AC)或滲透酶結(jié)

合，分別使腺甘酸環(huán)化的活化或使?jié)B透能失活,當(dāng)有葡萄糖時，乳糖的滲透酶以無活性狀態(tài)

存在，而腺甘酸環(huán)化酶也以非活性狀態(tài)存在。

2,代謝途徑區(qū)域化

原核微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)雖然簡單，但也劃分出不同的區(qū)域，對于某一代謝途徑有關(guān)的酶系

則集中某一區(qū)域，以保證這一代謝途徑的酶促反應(yīng)順利進(jìn)行，避免了其他途徑的干擾。例如

呼吸的酶系集中在細(xì)胞質(zhì)摸上；而與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的前系則位于核蛋白體上；分解大分子

的水解酶，在革蘭氏陰性菌里是位于壁膜間隙中，而革蘭氏陽性菌則將這些水解酶類，分泌

于胞外。

在真核微生物細(xì)胞里，各種酶系被細(xì)胞器隔離分布。如與呼吸產(chǎn)能有關(guān)的酶系集中于線

數(shù)住內(nèi)膜上；蛋白質(zhì)的合成酶系位于核蛋白體上;DNA合成的某些酶位于細(xì)胞核里。

細(xì)胞具有復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)使其代謝活動只能在特定的部位上進(jìn)行，即代謝活動是區(qū)域化

的，其實(shí)質(zhì)是控制酶與底物接觸，使各個反應(yīng)有序地進(jìn)行。3,代謝流向的調(diào)控微生物在不

同條件下可以通過控制各代謝途徑中某個能促反應(yīng)的速率來控制代謝物的流向，從而保持機(jī)

體代謝的平衡。它包括兩種形式：由一個關(guān)鍵酶控制的匕逆反應(yīng)和由兩種酶控制的逆單向反

應(yīng)。(1)由一個關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng)

同一個酶可以通過不同輔基(或輔酶)控制代謝物的流向。例如，谷氨酸脫氫酶以NADP+

為輔酶時，主要是催化谷氨酸的合成，當(dāng)以NAD+為輔醛時，則催化谷氨酸的分解。因此微

生物可以通過不同的輔基來控制代謝物的流向。(2)由兩種能控制的逆單向反應(yīng)

逆單向反應(yīng)是在生物體代謝的關(guān)鍵部位的某些反應(yīng)，它是由兩種各自不同的酶來傕化

的。即在一個“可逆”反應(yīng)中，其中一種酶催化正反應(yīng)，而另一種酶則催化逆反應(yīng)。例如，葡

萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖是由己糖激酶催化的，而其逆反應(yīng)則是由&磷酸葡萄糖酯酹催化

的。6-磷酸果糖轉(zhuǎn)化為1,6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激酶催化的，逆反應(yīng)則由1,6-二磷酸

果糖酯酶催化。4,代謝速度的調(diào)控在不可逆反應(yīng)中，微生物通過調(diào)節(jié)能的活性和酶品來控

制代謝物的流量。微生物在不同條件下能按照需要，通過酶活或抑制原有酶的活性或通過誘

導(dǎo)或阻遏酶的合成來自我調(diào)節(jié)其代謝速度，使之高度經(jīng)濟(jì)有效地利用能量和原科進(jìn)行生長繁

殖。

二、酶合成的調(diào)節(jié)

1,酶合成的誘導(dǎo)

根據(jù)酶合成與底物的關(guān)系將酶分為組成型與誘導(dǎo)型兩類。

組成能是細(xì)胞固有的酶，其合成受相應(yīng)基因控制，與底物、底物結(jié)構(gòu)類似物及環(huán)境條件

無關(guān)，它主要用于調(diào)節(jié)初級代謝。

誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或底物結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的酶。如E.coli在含乳糖

培養(yǎng)基上產(chǎn)生的半乳糖甘酶和半乳糖甘滲透酶就是由乳糖存在而誘導(dǎo)產(chǎn)生的。能促進(jìn)誘

導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物。底物、難以代謝的底物結(jié)構(gòu)類似物及底物前體均可作為誘導(dǎo)物。

一酣合成的誘導(dǎo)分為協(xié)同誘導(dǎo)與順序誘導(dǎo)兩種類型。協(xié)同誘導(dǎo)指一種底物能同時誘導(dǎo)幾種酶

的合成。順序誘導(dǎo)指先合成分解底物的酶，再依次合成分解各中間產(chǎn)物的酶，達(dá)到對復(fù)雜

代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。

2,酶合成的誘導(dǎo)的機(jī)制

在沒有誘導(dǎo)物存在時，調(diào)節(jié)基因R編碼的阻遏蛋白與操縱基因。相結(jié)合，使附著于啟動

基因P上的RNA聚合酶不能通過，從而阻止了RNA聚合醒對結(jié)構(gòu)基因S的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)誘導(dǎo)物存

在時，阻遏蛋白因受誘導(dǎo)物作用而構(gòu)型發(fā)生變化，失去與操縱基因的結(jié)合能力，從操縱基因

上解脫下來，使RNA聚合酶能對結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而翻譯成酶蛋白。

3,酶合成的阻遏

在微生物的代謝過程中，當(dāng)某途徑的末端產(chǎn)物過量時，可通過阻礙該代謝途徑中包括關(guān)

鍵酶在內(nèi)的一系列酹的生物合成，徹底控制代謝和末端產(chǎn)物合成。阻遏作用有利于德生物從

合成源頭節(jié)省有限的養(yǎng)料與能量。

（1）終產(chǎn)物阻遏

末端產(chǎn)物阻遇指某代謝途徑末端產(chǎn)物過最累積引起的阻遏。在直線反應(yīng)途徑中，末端產(chǎn)

物阻遏較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種陋，使這些酶不能合成.

（2）分解代謝產(chǎn)物阻遏

分解代謝物阻遏指細(xì)抱內(nèi)同時存在兩種底物（碳源或氮源）時，易利用底物會阻遏難利用

底物分解酶系的合成。其實(shí)質(zhì)并非易利用底物直接導(dǎo)致，而是易利用底物分解過程中產(chǎn)生的

中間代謝物或末端代謝物的過量累積，阻遏了代謝途徑中一些睡的合成。導(dǎo)致所謂“二次生

長現(xiàn)象”。

4,酶合成的阻遇的機(jī)制

終產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒粼谵D(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行，終產(chǎn)物為輔阻遏物，它可激活由調(diào)節(jié)基因R生成

的無活性阻遏蛋白。輔阻遏物與阻遏蛋白結(jié)合形成活化阻遏物，它能與操縱基因0結(jié)合，阻

止RNA聚合酶對結(jié)構(gòu)基因S的轉(zhuǎn)錄。

三、酶活性的調(diào)節(jié)

1,概念能活性調(diào)節(jié)：是指一定數(shù)量的酣，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其

催化反應(yīng)的速率。

2,影響因素

影響酶活性的因素有：

（1）底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度

（2）環(huán)境因子（如壓力、pH、離子強(qiáng)度和輔助因子等）

（3）其他的酶的存在

3,調(diào)節(jié)方式

酶活性的調(diào)節(jié)方式有兩種：激活已有酶的活性和抑制已有酶的活性

（1）激活激活:在激活劑的作用下，使原來無活性的酶變成有活性，或使原來活性低

的酶提高了活性的現(xiàn)象。

代謝調(diào)節(jié)的激活作用:主要是指代謝物對酶的激活。

前體激活，指代謝途役中后面的酶促反應(yīng)，可被該途經(jīng)中較前面的一個中間產(chǎn)物所促進(jìn)。

代謝中間產(chǎn)物的反饋激活，指代謝中間產(chǎn)物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用（2）

抑制抑制和激活相反。由于某些物質(zhì)的存在，降低酶活性，稱為抑制。抑制可以是不可逆的,

這將造成代謝作用的停止；抑制也有可逆的，當(dāng)抑制劑除去后，酶活性又恢復(fù)。在代謝調(diào)節(jié)

過程中所發(fā)生的抑制現(xiàn)象主要是可逆的，而且大多屬于反饋抑制。

（2）反遺抑制：反饋抑制是指代謝的末端產(chǎn)物對酶（往往是代謝途徑中的第一個醉）活

性的抑制。反饋抑制作用在生物體內(nèi)普通存在，它在維持細(xì)胞正常代謝、經(jīng)濟(jì)有效地利用

代謝原料、以及適應(yīng)環(huán)境的變化，都具有重要作用。包括無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)和有分支代

謝途徑的調(diào)節(jié)。

①無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對催化第一步反應(yīng)的解

活性有抑制作用。例如，在大腸桿菌中，由蘇氨酸（Thr）合成異亮氨酸（lieu）時，異亮氨酸對

催化反應(yīng)途徑中的第一步反應(yīng)的蘇氨酸脫氨酶（TD）有抑制作用。

Startingmaterial

EnzymeAz---------

'\

Firstintfirmfidiate

Enzyme|

Secondintermediate

Enzyme|

Thirdintermediate

Enzyme

Endproduct

蘇氨酸-x—?a-酮丁酸>----?異亮氨酸

②有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)在有兩種或兩種以上的末瑞產(chǎn)物的分支合成代謝途徑中，調(diào)

節(jié)方式較復(fù)雜，其共同特點(diǎn)是每個分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)后的第一個酶，同時每個

末端產(chǎn)物又對整個途徑的第一個酶有部分的抑制作用，分支代謝的反饋調(diào)節(jié)方式有多種：

酶的順序反饋抑制

分支代謝途徑中的兩個末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個酶，只有當(dāng)兩個末端產(chǎn)

物都過量時，才能對途徑中的第一個酶有抑制作用。

SequentialFeedback

例如，枯草桿菌在芳香族氨基酸合成中，色氨酸(Try)抑制鄰氨基苯甲酸合成酶(AS),苯

丙氨酸(Phe)抑制預(yù)苯酸脫水酶(PT),酪氨酸(Tyr)抑制預(yù)苯酸脫氫酶(PD),預(yù)苯酸和分支酸又

酪氨酸；Try：色氨酸；Phe：苯丙氨酸；I：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶；II：鄰氨基

苯甲酸合成酶；山：分支酸變位酶：IV：預(yù)苯酸脫氫醐：V：預(yù)苯酸脫水能

同工酶的反饋抑制

同功酶是指能催化同?生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑

制的一類能。其特點(diǎn)是：途徑中第一個反應(yīng)被兩個不同的酶所催化，一個酶被H抑制.另

一個酶被G抑制。只有當(dāng)H和G同時過量才能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)锽o

例如，大腸桿菌以天門冬氨酸為前體合成蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(lieu)、甲硫氨酸［Met)

和賴氨酸(Lys)的代謝途徑中有三種天門冬氨酸激酶的同功酶(AKI、AKII和AKIII)和兩種高

絲氨酸脫氫酹的同功jW(HSDHl和HSDHII)。其中AK1和HSDHI受到蘇氨酸、異亮氨酸的

反饋抑制和阻遏，AKII和HSDHII受甲硫氨酸的反饋抑制和阻遏；AKIII受賴氨酸的反饋抑

制和阻遏。

|天冬氨麟

r---——叫［［l--——^^一1

IV4-磷酸天冬氨酸

I"~?~天冬氨酸半醛

II

二氫我咤回型絲氨酸

I.二袋酸

?。-陳珀酰同蘇氨酸=一

?型絲氨酸

'-I六氫此嚏

,?；二孩酸1

I胱硫鬃2-酮丁酸

,三氨基庚I1同型平胱氨酸

?二酸

*?

［賴氨醛|號甲研鼻酸

■?異克氨酸

圖6-52E.cod】中天冬氨酸族氨基酸合成中的多種調(diào)節(jié)［虛線表示末端產(chǎn)

物抑制(E)的防反應(yīng)；某些的還受末端產(chǎn)物的陰遏(R)］

協(xié)同反饋抑制

在分支代謝系統(tǒng)中，幾種末端產(chǎn)物同時都過量，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用,

如果末端產(chǎn)物單獨(dú)過量則對途徑中的第一個酶無抑制作用。

MultivalentFeedback

NoEffectEF

Some

Effect

NoEffect、G，*H

例如，莢膜紅假單胞菌中天門冬氨酸族氨基酸生物合成途徑中，天門冬氨酸激睡(AK)

是受末端產(chǎn)物賴敏酸和蘇沃酸的協(xié)同反饋抑制。

Asp：天門冬氨酸；Asp-Pi：天門冬酰磷酸；Asa：天門冬氨酸半醛Thr：蘇氨酸；Lys：

賴氨酸；AK：天門冬氨酸激陋

累積反饋抑制

在分支代謝途徑中各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過易時，它們各自能對途徑中的第一個反應(yīng)的的僅

產(chǎn)生較小的抑制作用。一種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量并不影響其它末端產(chǎn)物的形成，只有當(dāng)幾種末

端產(chǎn)物同時過量時，才對途徑中的第一個酶產(chǎn)生較大的抑制。

例如，大腸桿菌谷氨酰胺合成酶(GS)活性的調(diào)節(jié)是一個典型的累積反饋調(diào)節(jié)的例子。谷

氨酰胺由谷氨酸、錢和ATP合成。谷氨酰胺中的酰胺基是色氨酸、組氨酸、氨基甲酰磷酸、

6—磷酸葡萄糖胺、CTP、AMP、GMP等化合物生物合成過程中的氮源。谷氨酰胺合成酶被

谷氨酰胺代謝的每種末端聲物以及丙氨酸和甘氨酸所累積抑制。谷氨酰胺合成酶對這些抑制

物中的每一種末端產(chǎn)物均有特異的結(jié)合部位。當(dāng)上述8種末端產(chǎn)物同時過量都與酶結(jié)合時，

谷氨酰胺合成酶的活性將受到最大的抑制。

谷氨酸+ATP+NH；

圖5-56谷氨酰胺合成酶的累積反饋抑制

超相加反債抑制超相加反饋抑制是一種既不同于協(xié)同反饋抑制又不同于累積反饋抑制。

對一個分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時，僅產(chǎn)生對共同途徑的第一個酶部分的抑

制。如果每種末端產(chǎn)物都過量時，其抑制作用則超過各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時抑制的總和。

例如，在喋吟核甘酸的生物合成途徑中，催化第一步反應(yīng)的酶，5-磷酸核糖-1-焦磷酸

(PRPP)的酰胺基轉(zhuǎn)移酶，可被各種喋吟核甘酸產(chǎn)物(如AMP、GMP)所抑制。例如，一定量

的GMP或AMP僅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸酰胺基轉(zhuǎn)移前活力的10%,而當(dāng)二者混合時,

則可抑制其酶活力的50%。因?yàn)檫@此喋吟核昔酸與5-磷酸核糖-1-焦磷酸并無結(jié)構(gòu)相似性，

又因該酶是一種調(diào)節(jié)酶，GMP和AMP可能分別結(jié)合在該配的不同部位上。

4,酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制解釋酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制的理?論：

（1）別構(gòu)調(diào)節(jié)理論（其核心是酶分子構(gòu)象的改變）

（2）酶分子的化學(xué)修飾理論（其核心是酶分子結(jié)構(gòu)的改變）。

四、初級代謝的調(diào)節(jié)初級代謝的調(diào)節(jié)方式有：

1，產(chǎn)能代謝的調(diào)節(jié)：能荷調(diào)節(jié)

能荷：即指細(xì)胞中ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可為代謝反應(yīng)供能的高能磷酸鍵的量度

能荷的大小與細(xì)胞中ATP、ADP和AMP的相對含量有關(guān)。當(dāng)細(xì)胞中全部腺甘酸均以

ATP形式存在時，則能荷最大，為100%,即能荷為滿載。當(dāng)全部以AMP形式存在時，則

能荷最小，為零。當(dāng)全部以ADP形式存在時，能荷居中，為50%。若三者并存時，能荷

則隨三者含量的比例不同而表現(xiàn)不同的百分值。

研究證明，細(xì)胞中能荷高時，抑制了ATP的生成，但促進(jìn)了ATP的利用，也就是說，

高能荷可促進(jìn)分解代謝，并抑制合成代謝。相反，低能荷則促進(jìn)合成代謝，抑制分解代謝。

能荷調(diào)節(jié)是通過ATP、ADP和AMP分子對某些睡分子進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)行的。例如糖酵

解中，磷酸果糖激酶是一個關(guān)鍵酶，它受ATP的強(qiáng)烈抑制，但受ADP和AMP促進(jìn)。丙酮

酸激酶也是如此。在三般酸環(huán)中，丙酮酸脫氫酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和酮

戊二酸脫氫酶等，都受ATP的抑制和ADP的促進(jìn)。呼吸鏈的氧化磷酸化速度同樣受ATP

抑制和ADP促進(jìn)。

2,核蛋白體合成的調(diào)節(jié)

3,筑基酸、核昔酸合成代謝的調(diào)節(jié)

五、次級代謝的調(diào)節(jié)次級代謝的調(diào)節(jié)方式有：

1,初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)

許多次級代謝產(chǎn)物的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級代謝產(chǎn)物是

以初級代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨(dú)立的，而是與初級代謝途徑有密

切關(guān)系的。因此次級代謝必然會受到初級代謝的調(diào)節(jié)。例如青霉素的合成會受到賴氨酸的強(qiáng)

烈抑制，而賴氨酸合成的前體a-氨基己二酸可以緩解賴氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素

的合成。這是因?yàn)閍-氨基己二酸是合成青霉素和賴氨酸的共同前體。如果賴氨酸過量，它

就會抑制這個反應(yīng)途徑中的第一個酶，減少a-氨基己二酸的產(chǎn)量，從而進(jìn)一步影響青霉素

的合成。

2,碳代謝物的調(diào)節(jié)作用

碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的碳源（葡萄糖）或其分解代謝產(chǎn)物，對其他代謝中

的酶（包括分解酶和合成酶）的調(diào)節(jié)。分為分解產(chǎn)物阻遏和抑制兩種。

葡萄糖是菌體生長良好的碳源和能源，但對青霉素、頭抱菌素、卡那霉素、新霉素、絲

裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用。

3,氮代謝物的調(diào)節(jié)作用

在初級代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，即被迅速利用的氮源（氨）抑制作用于含底物的酶

（蛋白酶、硝酸鹽還原酹、酰胺隨、腺的、組氨酸酶）的合成。在次級代謝中，其阻遏作用也

確實(shí)存在。在抗生素生產(chǎn)中使用黃豆餅粉就是由于它緩慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，

防止或減弱氮分解代謝產(chǎn)物阻遏作用的結(jié)果。

4,磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用

磷酸鹽不僅是菌體生長的主要限制性營養(yǎng)成分，還是調(diào)節(jié)抗生素生物合成的重要參數(shù)。

其機(jī)制按效應(yīng)劑說有直接作用，即磷酸鹽自身影響抗生素合成，和間接作用，即磷酸鹽調(diào)節(jié)

胞內(nèi)其他效應(yīng)劑（如ATP、腺甘酸能量負(fù)荷和cAMP）,進(jìn)而影響抗生素合成。

已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對四環(huán)素、氨基糖昔類和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗生素的合成產(chǎn)生阻

抑作用。

5,次級代謝中的誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?/p>

6,次級代謝中細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié)

外界物質(zhì)的吸收或代謝產(chǎn)物的分泌都需經(jīng)細(xì)胞膜的運(yùn)輸，如發(fā)生障礙，則胞內(nèi)合成代謝

物不能分泌出來，影響發(fā)酵產(chǎn)物收獲，或胞外營養(yǎng)物不能進(jìn)入胞內(nèi)，也影響產(chǎn)物合成，使產(chǎn)

量下降。

如在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生菌細(xì)胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的高低。

如果輸入硫化物能力增加，硫源供應(yīng)允足，合成青霉素的量就增多。

第六節(jié)微生物代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生

一，提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法

我們知道，初級和次級代謝產(chǎn)物在遺傳控制、合成時期、合成途徑等方面是存在差異的,

因而獲得發(fā)酵產(chǎn)物過量生產(chǎn)的方法也不同。由于次級代謝產(chǎn)物的合成遠(yuǎn)離初級代謝的主要途

徑，微生物細(xì)胞對其合成控制較弱，因此，改變環(huán)境條件易于影響其表達(dá)，基因型改變后的

產(chǎn)量變異幅度也較大，而初級代用產(chǎn)物則與此相反。這在選擇提高代謝產(chǎn)物方法時應(yīng)予考慮。

提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法主要有以下幾種：

1，使用誘導(dǎo)物

與糖類和蛋白質(zhì)降解有關(guān)的水解酶類大都屬誘導(dǎo)酶類，因此向培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物就會

增加胞外酶的產(chǎn)量。如加入槐糖（1,2一°-D一葡二糖）誘導(dǎo)木霉菌的纖維素酶的生成，木糖

誘導(dǎo)半纖維素酶和葡萄糖異構(gòu)酶的生成等。但誘導(dǎo)物的價格往往比較貴，經(jīng)濟(jì)上未必合算。

加入廉價的含有誘導(dǎo)物的原料，如槐豆英等某些種籽皮中含有槐糖，玉米芯富含木聚糖，培

養(yǎng)過程中可陸續(xù)被水解產(chǎn)生槐糖、木糖，這都是經(jīng)常采月的方法。但是，玉米芯等這類不溶

性聚合物的分解過程緩慢，以其為唯一碳源時，培養(yǎng)周期比較長，產(chǎn)品的體積生產(chǎn)率仍難大

幅度提高?？煽紤]先使微生物在廉價的可溶性碳源中迅速生長，形成大量菌體后，再加入誘

導(dǎo)物誘導(dǎo)水解酶類生成的方法。

誘導(dǎo)物的濃度過高及能被迅速利用時，也會發(fā)生酹合成的阻遏，這在纖維二糖對纖維素

酶的產(chǎn)生，木二糖對半纖維素酶產(chǎn)生中都己觀察到，這也是使用誘導(dǎo)物時應(yīng)予注意的。

2,除去誘導(dǎo)物一一選育組成型產(chǎn)生菌

在發(fā)酵工業(yè)中，要選擇到一種廉價、高效的誘導(dǎo)物是不容易的，分批限量加入誘導(dǎo)物在

工藝上也多不便，更為有效的方法是改變菌株的遺傳特性，除去對誘導(dǎo)物的需要，即選育組

成型突變株。通過誘變處理，使調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，不產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白，或者操縱基

因發(fā)生突變不再能與阻遏物相結(jié)合，都可達(dá)到此目的。迄今尚未見由于結(jié)構(gòu)基因發(fā)生改變而

得到組成型的報(bào)道。

已設(shè)計(jì)出多種選育組成型突變株的方法，其主要原則是創(chuàng)造一種利于組成型菌株生長而

不利「誘導(dǎo)型菌株生長的培養(yǎng)條件，造成對組成型的選擇優(yōu)勢以及適當(dāng)?shù)淖R別兩類菌落的方

法，從而把產(chǎn)生的組成型突變株選擇出來。例如把大腸桿菌半乳糖甘酶的誘導(dǎo)型菌株經(jīng)誘變

處理后，先在含乳糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，由于組成型突變株半乳糖苜酶的合成不需誘導(dǎo)即能產(chǎn)

生，因此可較誘導(dǎo)型的出發(fā)菌株較早開始生長，在一定時期內(nèi)菌數(shù)的增加便較快，如持續(xù)進(jìn)

行培養(yǎng)時，由于誘導(dǎo)酶形成后，原菌株生長速率亦逐漸增加，這種選擇性造成的差別就會減

少，可用交替在乳糖、葡萄糖培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)的方法。兩者利用葡萄糖時的生長速率是相

同的，乳糖為碳源造成的組成型菌株的優(yōu)勢生長會持續(xù)下去，最后由平板分離就易于得到組

成型突變株。以乳糖為限制性生長因子進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)時，生長速率較低的誘導(dǎo)型菌株就會被

沖洗掉，也是利用r上述原理。誘導(dǎo)型菌株不經(jīng)誘變處理，利用其自發(fā)突變，用連續(xù)培養(yǎng)方

法，也能得到組成型突變株。

在平板上識別組成型突變株的方法，主要是利用在無誘導(dǎo)物存在時進(jìn)行培養(yǎng)，它能產(chǎn)生

酶，加入適當(dāng)?shù)牡孜镞M(jìn)行反應(yīng)顯示酶活加以識別。經(jīng)常使用酶解后可以有顏色變化的底物，

便于迅速撿出組成型菌落，如甘油培養(yǎng)基平板中培養(yǎng)大胸桿菌時，誘導(dǎo)型菌株不產(chǎn)酹，組成

型菌株可產(chǎn)生半乳糖甘酶，菌落長出后噴布鄰硝基苯半乳糖昔，組成型菌株的菌落由于能水

解它而呈現(xiàn)硝基苯的黃色,誘導(dǎo)型則無顏色變化。另如浚甲基纖維素被內(nèi)切纖維素酹水解后，

由于暴露出更多的還原性末端而能被剛果紅所染色?？捎纱朔奖愕貦z出纖維素酶產(chǎn)生菌。

3,降低分解代謝產(chǎn)物濃度，減少阻遏的發(fā)生

高分子的多糖類、蛋白質(zhì)等的分解代謝產(chǎn)物（如能被迅速利用的單糖、氨基酸以及脂肪

酸、磷酸鹽等）都會阻遏分解其聚合物的水解酸類的生成。因此用限量流加這類物質(zhì)或改用

難以被水解的底物的方法，都可減少阻遏作用的發(fā)生，而獲得較高的酶產(chǎn)量。但是由于它并

未改變產(chǎn)生菌的遺傳特性，只是暫時地改變了酶的合成速率，因此結(jié)果往往不穩(wěn)定。更有效

的方法是篩選抗降解物阻遏的突變棟。

4,解除分解代謝阻遏一一篩選抗分解代謝阻退突變株

從遺傳學(xué)角度來考慮，如調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，使產(chǎn)生的阻遏蛋白失活：不能與末端分解

代謝產(chǎn)物結(jié)合，或操縱基因發(fā)生突變使阻遏蛋白不能與其結(jié)合，都能獲得抗分解代謝阻遏的

突變株。前者為隱性突變，后者為顯性突變，都能由此導(dǎo)致酶的過量產(chǎn)生。

可以直接以末端代謝產(chǎn)物為底物來篩選抗阻遏突變株，如以葡萄糖、甘油為碳源篩選纖

維系酶抗阻遏突變株。但更多地是利用選育結(jié)構(gòu)類似物抗性菌株的方法。

它所依據(jù)的機(jī)制是,結(jié)構(gòu)類似物由F在分子結(jié)構(gòu)上與分解代謝的末端產(chǎn)物相類似，因此、

它也能與阻遏蛋白相結(jié)合，如調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變而使阻遏蛋白不能與結(jié)構(gòu)類似物結(jié)合，即出

現(xiàn)抗性菌株。由于分子結(jié)構(gòu)上的類似，這種抗性菌株產(chǎn)生的阻遏蛋白也不能與正常的分解代

謝產(chǎn)物相結(jié)合，即同時也具有對相應(yīng)的分解代謝產(chǎn)物阻遏作用的抗性，而能導(dǎo)致相應(yīng)命類的

過量生產(chǎn)。

由于結(jié)構(gòu)類似物與正常代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)上的差異，它與阻遏蛋白的結(jié)合往往是不可逆的。

氨基酸類的結(jié)構(gòu)類似物也不能用以合成具有正常功能的蛋白質(zhì)，因此它在細(xì)胞中會達(dá)到較高

的濃度。這都是用結(jié)構(gòu)類似物為底物篩選抗阻遏菌株，較之用正常的分解代謝末端產(chǎn)物更為

有效的原因。

如果結(jié)構(gòu)類似物與調(diào)節(jié)睡相結(jié)合，所獲得的便是抗反饋抑制的抗性菌株。篩選抗阻遏和

抗反饋的雙重突變則更易于獲得高產(chǎn)菌株。對一末端產(chǎn)物的生成途徑了解的愈加清楚，就能

定向選育多重突變株，而得到過量生產(chǎn)。

菌種選育中常用的結(jié)構(gòu)類似物列于表4-L表中的類似物未區(qū)分其在作用機(jī)制上是抗

阻遏或抗反饋，這是由于有的作用機(jī)制尚未完全弄清楚，有的則因菌種而異。

有些陶的合成可為鍍鹽、磷酸鹽類所阻遏，用篩選對這類化合物的結(jié)構(gòu)類似物有抗性的

突變株的方法，也可達(dá)到脫阻遏的效果。如構(gòu)巢曲霉的生白酶的合成可為鐵鹽所阻遏，篩選

抗甲基錢鹽的抗性突變株，其蛋白陋合成即不為錢鹽所阻遏。

表4-1結(jié)構(gòu)類似物及］弋謝末端產(chǎn)物

末端產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物可過量生產(chǎn)的產(chǎn)，

精氨酸D一豆氨酸，D-精氨酸精氨酸

笨丙氨酸對氟苯丙氨酸，唯吩內(nèi)氨酸聚丙氨酸

酪氨酸對氟笨丙氨酸，D-酪笈酸.酪氨酸

色氨酸5■甲基色其酸，C一甲基色氨酸色氨酸

雙氨酸乙/氣酸，N一乙厥亮奴酸，蛋氣酸

3,4-二氫肺氨酸，殘肢腑肺焚酸

^笠酸a-氨基丁酸糠氨:酸

對氨基笨甲酸魂胺對氨基笨甲酸

腺昔酸2-氟腺嗓聆腺苦酸

葡衡糖2-脫鞋葡萄糖E-葡萄博普醯

原露、麥芽糖2-脫氧棉子.蔗糖醐

奸雄二精、初翎糖甘油纖維素陶

5,解除反饋抑制一一篩選抗反饋抑制突變株

如上所述，在生物合成途徑中廣泛存在著反饋抑制調(diào)節(jié)一一末端產(chǎn)物抑制合成途徑（包

括分枝途徑）中第一個的的活力，因此，降低末端產(chǎn)物的濃度就能積累代財(cái)途徑中間體，如

同由培養(yǎng)物中去除阻遏物一樣，這種方法的實(shí)施比較困難，比較有效的方法是選育對末端產(chǎn)

物有抗性的突變株。如天冬氨酸激酶是賴氨酸生物合成途徑中的調(diào)節(jié)前，由黃色短桿菌分離

到對賴氨酸的類似物（2一雙基半胱氨酸）有抗性的突變株，它對天冬氨酸激酶的反饋抑制不

敏感，賴氨酸的產(chǎn)量可達(dá)57mg/ml.

解除反饋抑制的另一種方法是選育營養(yǎng)缺陷型。即篩選喪失了合成途徑中某種酶，而必

需供給某?中間代謝產(chǎn)物才能生長的突變株。限量供給此中間代謝產(chǎn)物就能降低或解除末端

產(chǎn)物的反饋抑制，而獲得另一中間產(chǎn)物的過量產(chǎn)生。這在較簡單的直線式合成途徑中已獲得

不少成功的實(shí)例。

谷氨酸經(jīng)過乙酰谷氨酸、烏氨酸、瓜氮酸而合成精氨酸（圖4一7）。經(jīng)誘變處理后得到的

瓜氨酸營養(yǎng)缺陷型失去了合成催化鳥氨酸合成瓜氨酸的鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶的能力，必需供給

瓜氨酸或精氨酸時，此菌株才能生長?？刂乒┙o亞適晟的精氨酸或瓜氨酸使菌體生長，但又

不致引起反饋抑制時（精氨酸抑制N一乙酰谷氨酸激酶活力），就能使鳥氨酸大量產(chǎn)生。如選

育喪失精氨酸琥珀酸合成酶的精氨酸缺陷型，就能得到瓜氨酸的過量生產(chǎn)。

上述的直線式合成途徑中，用營養(yǎng)缺陷型方法只能使中間代謝產(chǎn)物積累而不能使末端產(chǎn)

物積累。在分枝途徑中則能得到使末端產(chǎn)物過量產(chǎn)生的營養(yǎng)缺陷型突變。谷氨酸棒狀桿菌的

蘇氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸和賴氨酸的合成是與分枝途徑相聯(lián)系的（圖4-8）,篩選高絲氨

酸營養(yǎng)缺陷型后，限量供給蘇氨酸時，就能解除由蘇氨酸和賴氨酸的協(xié)同反饋抑制作川，而

獲得賴氨酸的過量生產(chǎn)。這是因?yàn)閮H有賴氨酸或蘇氨酸存在時，天冬氨酸激酶不被抑制，只

有兩者的協(xié)同效應(yīng)才能造成抑制。在限量供給蘇氨酸的情況下，即使賴氨酸過剩，抑制作用

也很難發(fā)生。

6,防止回復(fù)突變的產(chǎn)生和篩選負(fù)變菌株的回復(fù)突變株

經(jīng)誘變產(chǎn)生的高產(chǎn)菌株。在生產(chǎn)過程中易于發(fā)生回復(fù)突變，使生產(chǎn)不穩(wěn)定。雙重營養(yǎng)

缺陷型發(fā)生回復(fù)突變的機(jī)率較小，易于獲得遺傳性較穩(wěn)定的菌株；如篩選得到的是抗結(jié)構(gòu)類

似物的高產(chǎn)菌株，可在培養(yǎng)液中加入適量結(jié)構(gòu)類似物，以防止回復(fù)突變株的增殖。利用高產(chǎn)

株和回復(fù)突變株對抗生素敏感性的不同，加適量抗生素防止回復(fù)株增殖，也是一類方法。

負(fù)變菌株的回復(fù)突變侏亦可用來提高代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生。

在無阻遏物或末端代謝產(chǎn)物存在條件下選育不產(chǎn)能的負(fù)變株，繼續(xù)進(jìn)行誘變后轉(zhuǎn)接在阻

遏物或末端產(chǎn)物存在的條件下篩選產(chǎn)酶突變株，有可能獲得高產(chǎn)菌株。對其機(jī)制尚缺少深入

研究。有的研究結(jié)果表明，抗阻遏突變株是啟動基因突變的結(jié)果，抗反饋突變株是調(diào)節(jié)前的

變構(gòu)中心發(fā)生了改變而催化中心未改變。

7,改變細(xì)胞膜的通透性

微生物細(xì)胞吸收作為代謝所需要的底物和離子是依靠定位在細(xì)胞膜上的主動物送系統(tǒng)

來進(jìn)行，與產(chǎn)能代謝過程相偶聯(lián)。輸送系統(tǒng)有高度的專一性，這主要取決于其蛋白質(zhì)的組成,

即透性酶。透性酹的合成與由其輸送的陋類一樣，也受著調(diào)節(jié)控制。細(xì)胞內(nèi)形成的代謝產(chǎn)物

排出細(xì)胞時，也與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，有各種類型的排出方式。細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)也

影響物質(zhì)的進(jìn)出。當(dāng)控制物理、化學(xué)條件或者篩選細(xì)胞腴、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組成的突變株以改進(jìn)

物質(zhì)的進(jìn)出速率。影響代謝過程時，都有可能造成代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn).

微生物細(xì)胞分泌到細(xì)胞外的蛋白質(zhì)特別是水解酶類，大多數(shù)是糖蛋白。酶分子中結(jié)合糖

類與隨的催化活力無關(guān)，估計(jì)主要是利于分泌至胞外.同一類酶系中的不合糖類的陋組分，

往往是結(jié)合在細(xì)胞膜上而很少分泌至胞外。加入表面活性劑，則有可能因改變細(xì)胞膜的通透

性而獲得水解的類的高產(chǎn),由于表面活性劑種類繁多，性質(zhì)各異，尚未有規(guī)律可循，如加入

吐溫80可增加里氏木霉纖維素酶產(chǎn)量，但對其它菌株就末得到同樣效果。

8,篩選抗生素抗性突變株

抗生素種類繁多，其抑制微生物代謝的機(jī)制各不相同，一些主要抗生素的作用機(jī)制已比

較清楚。篩選抗生素抗性突變體，也能取得由此而改變代謝調(diào)節(jié)，獲得過量生產(chǎn)的結(jié)果。

衣霉素可抑制細(xì)胞膜犍蛋白的生成。枯草桿菌的衣霉素抗性突變株的。一淀粉酶的產(chǎn)量

較親株提高了5倍，研究結(jié)果表明，是由于分泌機(jī)制改變的結(jié)果?？估Ｆ降南灎钛勘U菌

的無芽胞突變株的。一淀粉酶產(chǎn)策提高了7倍，這是由亍芽胞形成的延遲利于。一淀粉酶的

形成，而抗利福平的突變株往往失去了形成芽抱的能力。谷氨酸捧桿菌的抗青霉素突變株的

谷氨酸產(chǎn)量亦會增加。

對金屬離子的抗性和對有絲分裂的抑制劑抗性的突變株，也被用于改變細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)以

得到代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)。

9,選育條件抗性突變株

因環(huán)境不同，能表現(xiàn)為“野生型”菌株的特性和突變型菌株特性的突變被稱為條件抗性

突變或稱為條件致死突變。其中溫度敏感型突變常被用于提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。

適于在中溫條件下（如37c左右）生長的細(xì)菌，經(jīng)誘變后可得到在較低溫度下生長而在較

高溫度（如37℃以上）不能生長的突變株，即溫度敏感型突變株。這是由于某?酶蛋白結(jié)構(gòu)改

變后，在高溫條件下活力喪失的緣故。如此酶為蛋白質(zhì)、核昔合成途徑上的酶，則此突變株

在高溫條件下的表型就是營養(yǎng)缺陷型。誘變處理乳糖發(fā)酵短桿菌，得到的溫度敏感突變株，

在30℃生長良好，在32c生長微弱，但能在富含生物素的培養(yǎng)基中積累谷氨酸，而野生型

菌株卻受生物素的反饋抑制。在富含生物素的天然培養(yǎng)基中進(jìn)行發(fā)酵時，可先在正常溫度下

進(jìn)行培養(yǎng)以得到大量菌體，適當(dāng)時間后提高溫度，就能獲得谷氨酸的過量生產(chǎn)。經(jīng)多次誘變

后得到的高產(chǎn)菌株，往往是抱子形成能力減弱或喪失，這給保種傳代都帶來困難。篩選在低

溫下能形成芽抱的溫度敏感突變株，就能解決此困難。

10,調(diào)節(jié)生長速率

在酶的誘導(dǎo)合成研究中發(fā)現(xiàn)，一些物質(zhì)具有誘導(dǎo)效應(yīng)及難被利用；與其只能維持較低的

生長速率有關(guān)。而起阻遏作用的物質(zhì)則部是易被迅速利月和能維持高的生長速率。估計(jì)這是

因?yàn)檎T導(dǎo)、阻遏的發(fā)生都與產(chǎn)能代謝有關(guān)而造成的。因此，改變培養(yǎng)條件如溫度、供氧量等

以控制生長速率，也能獲得一定效果。

里氏木霉纖維素酶的大量合成是在菌體大量形成時，如控制它的比生長速率近于零，則

能在一較長時間內(nèi)持續(xù)合成纖維素酶并獲得高產(chǎn)。

11,加入酶的競爭性抑制劑

生物化學(xué)上把底物和抑制劑與酶相結(jié)合時呈現(xiàn)的互用排斥現(xiàn)象稱為競爭性抑制，即能與

抑制劑結(jié)合后就不能與底物相結(jié)合，反之亦然。

他萄糖經(jīng)不完全氧化i酵解）生成丙酮酸，脫叛生成乙酰輔酶A,進(jìn)入三竣酸循環(huán)。乙酰

輔酶A與草酰乙酸經(jīng)檸檬酸合成能催化，把乙酰基由乙酰輔前A轉(zhuǎn)移至草酰乙酸而成為檸

檬酸。檸檬酸又因?yàn)躅^酸醯的存在而和它的異構(gòu)體順烏頭酸、異檸檬酸呈平衡。單氟乙酸在

微生物細(xì)胞內(nèi)可轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏鷻幟仕?，此酸與烏頭酸能有競爭性抑制，因此，向培養(yǎng)基中加入

單氟乙酸可導(dǎo)致檸檬酸的積累，減少異檸檬酸的生成。由此，箍選不能利用檸檬酸或?qū)畏?/p>

乙酸敏感的突變襪，都達(dá)到了提高檸檬酸產(chǎn)量和減少異檸檬酸生成的結(jié)果。這些突變株

的烏頭酸酶的活力都比較低。

二、提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法

次級代謝產(chǎn)物是指細(xì)抱生長不必需的、無明顯生理功能的微生物代謝產(chǎn)物。其結(jié)構(gòu)往往

比較復(fù)雜，雖對產(chǎn)生菌的生長不是必需的，但在自然環(huán)境中對產(chǎn)生菌的存活還是有益的。從

分子結(jié)構(gòu)上看，次級代謝產(chǎn)物可分為糖昔類、多肽類、?；?、核甘類及混雜類。它們均來

自初級代謝產(chǎn)物，為其直接衍生物，或者經(jīng)分子結(jié)構(gòu)上的修飾，或進(jìn)一步裝配、聚合而成。

其合成過程遠(yuǎn)較初級代謝作物復(fù)雜。

初級代謝產(chǎn)物的形成一般只需簡單的營養(yǎng)條件，在化學(xué)成分確定的培養(yǎng)基中即可生成。

而次級代謝產(chǎn)物則需要復(fù)雜的營養(yǎng)條件，往往需要供給營養(yǎng)成分復(fù)雜的天然物質(zhì)時才能形

成。在各種條件下，初級代謝產(chǎn)物都能形成，而次級產(chǎn)物則往往僅在一特定培養(yǎng)條件下才能

形成，尤其過最生產(chǎn)。在分批培養(yǎng)條件下，次級代謝產(chǎn)物一般都是在菌體生長的峰值出現(xiàn)后

才大量合成。在發(fā)酵過程中如何使次級代謝產(chǎn)物進(jìn)入分化期，即次級代謝產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)或

引發(fā)，是發(fā)酵工藝研究中的熱門之一。生理學(xué)上的研究表明，在菌體生長峰值過后，培養(yǎng)基

中可利用的C、N、P、S等主要元素已基本耗完，與這些原料的利用有關(guān)的酶活力趨于下降，

與次級代謝產(chǎn)物形成有關(guān)的酶類逐漸出現(xiàn)。但是，菌體生長與產(chǎn)物合成兩個時期的劃分及相

應(yīng)的這些生理特性的變化還取決于培養(yǎng)條件。'

FI前，次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)都還是沿用分批發(fā)酵方法，抗生素類的產(chǎn)物在此條件下又多

為在菌體生長速率下降后才積累，但又難以長期持續(xù)合成。因此，通過控制培養(yǎng)條件以盡最

維持次級代謝產(chǎn)物的合成期，亦是獲得過量生產(chǎn)的重要途徑。常用的提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量

的方法有以下幾種：

I,補(bǔ)加前體類似物

在合成途徑已基本清楚的條件下，向發(fā)酵培養(yǎng)基中補(bǔ)加前體是增加次級產(chǎn)物的有效方

法。如青霉素G的生產(chǎn)中，苯乙酰一CoA是限速性因子，補(bǔ)加苯乙酸或其衍生物都能增加

青霉素G的產(chǎn)量。青霉素分子是6-APA環(huán)形成后，再形成不同側(cè)鏈。加入不同的前體就可

以得到不同種類的青霉索，補(bǔ)加苯氧乙酸即得到青霉素V。多肽類和放線菌素類抗生索的合

成中，也都能通過加入不同前體而得到不同種類的抗生素。這也可以稱之為定向合成。

加入硝酸鹽可提高利福霍索的產(chǎn)最，其原因在于它抑制了脂肪酸的合成，使合成脂肪

的前體丙二酰-CoA轉(zhuǎn)為利福霉素分子的脂肪環(huán)提供前體。

次級代謝產(chǎn)物形成中并不是所有前體類似物都是限制性因子。加入前體提高產(chǎn)量的效

果更取決于總體代謝的調(diào)節(jié)水平。前體物質(zhì)本身是否易于得到等。這部是在生產(chǎn)應(yīng)用中需綜

合考慮的。

2,加入誘導(dǎo)物

把一些對次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)生有誘導(dǎo)作用的物質(zhì)加入發(fā)酵培養(yǎng)基中會增加產(chǎn)量，如加強(qiáng)氨

酸或硫腺可使頂頭狗霉增產(chǎn)頭抱霉素C,加入巴比妥可提高利福霉素產(chǎn)量等。但在工業(yè)生產(chǎn)

中還未普遍應(yīng)用此技術(shù)，而只是在選擇培養(yǎng)基組成時給以考慮。

3,防止碳分解代謝阻退或抑制的發(fā)生

青霉索發(fā)酵中限量流加葡萄糖（或糖蜜）以減少碳分解阻遏的發(fā)生，早已是一項(xiàng)很有效的

提高產(chǎn)量的方法。

使用寡糖、多糖等緩慢利用的碳源，葡萄糖與麥芽糖、葡萄糖與蔗糖、葡萄糖與淀粉混

合碳源的利用，也都能減少碳分解阻遏的發(fā)生。

加入影響糖代謝的硫虱酸羊酯可使金霉菌對葡萄糖的利用速度減緩，可增加金霉素的產(chǎn)

量。

4,防止氮代謝阻遏的發(fā)生

避免使用高濃度的錢鹽做氮源以防止氮代謝阻遏的發(fā)生，是抗生素發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中比較

成熟的經(jīng)驗(yàn)。在抗生素產(chǎn)生期如補(bǔ)加氮源則會造成發(fā)酵逆轉(zhuǎn)，返回生長期，抗生素的產(chǎn)量會

大為減少。

使用亞適量（對菌體生長）的磷酸鹽，亦是抗生素發(fā)醉工、業(yè)中遵循的原則之一。

為防止碳、氮、磷分解阻遏的發(fā)生，應(yīng)選用黃豆餅粉、蛋白腺類、淀粉類物質(zhì)為主要原

料，而盡量少川易被迅速利用的葡萄糖等。

5,篩選耐前體或前體類似物的突變抹

加入前體有提高次級作物產(chǎn)量的效果；但過量對菌體又會有毒。篩選對附體育抗性的突

變株以減少或消除前體的反饋?zhàn)瓒?，從而可獲得高產(chǎn)；如抗苯乙酸的青霉突變株，其青霉素

的產(chǎn)量會增加。

半胱氨酸、綴氨酸是內(nèi)酰胺類抗生素的前體，篩選上述氨基酸的類似物，三氨亮氨酸、

DL-綴氨酸的抗性菌株，其加內(nèi)酰胺類抗生索產(chǎn)量會提高。

6,選育抗抗生素突變株

鏈霉素、氯霉素、金霉素等多種抗生素都具有抑制產(chǎn)生自身菌體蛋白質(zhì)的能力。一株高

產(chǎn)抗生索產(chǎn)生菌，必然應(yīng)具備對自身所分泌的抗生索的抗性。篩選抗抗生素產(chǎn)生菌也就成了

菌種選育中的常用方法。金霉素、鏈霉素產(chǎn)生菌的抗性菌株產(chǎn)量有數(shù)倍增加的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果已

有不少報(bào)道。

7,篩選營養(yǎng)缺陷型的回復(fù)突變株

次級代謝產(chǎn)物都來自初級代謝產(chǎn)物，因此其營養(yǎng)缺陷型的產(chǎn)量一般都很低，但其回復(fù)突

變型中卻有不少獲得高產(chǎn)的例子，其機(jī)制尚不清楚，估計(jì)是次生產(chǎn)物或其前體合成的反饋抑

制被解除。在金霉素產(chǎn)生菌選育中，運(yùn)用此方法曾獲得高產(chǎn)菌株。

8,抗毒性突變株的選育

重金屬離子、羥胺類物質(zhì)對B-內(nèi)酰胺類抗生素產(chǎn)生菌有毒，但與抗生素相結(jié)合可解毒。

選擇適當(dāng)濃度的此類毒性物質(zhì)使其恰好抑制產(chǎn)生菌生長，在此條件下能生長的菌株，應(yīng)為抗

生素類物質(zhì)過量產(chǎn)生的突變株。曾由頭抱霉素C對重金屬離子的抗性突變株中選育到高產(chǎn)

菌株。

以上主要是從微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制出發(fā)探討獲得代謝產(chǎn)物過量生產(chǎn)的方法。但是，微

生物代謝產(chǎn)物特別是次級育物形成的途徑和調(diào)節(jié)控制機(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的，研究得比較清楚的

只是少數(shù)。因此，上述方法的應(yīng)用往往也是經(jīng)驗(yàn)性的。

在生產(chǎn)實(shí)踐中為提高微生物產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)經(jīng)常使用的方法是誘變后隨機(jī)篩選和發(fā)酵

條件的優(yōu)化。近年來運(yùn)用遺傳工程的方法以獲得代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)是很活躍的研究領(lǐng)域。

三、高濃度微生物的培養(yǎng)

1,為什么要采用高濃度微生物的培養(yǎng)？

微生物液體發(fā)酵大都采用分批培養(yǎng)，這種培養(yǎng)方式的缺點(diǎn)是：發(fā)酵液中最終細(xì)胞濃度不

高。如果通過改進(jìn)工藝技術(shù)，使發(fā)酵液中微生物細(xì)胞增殖很高的濃度，那么，高濃度的細(xì)胞

將會產(chǎn)生高濃度的發(fā)酵產(chǎn)物，這樣就可以大大提高發(fā)酵設(shè)備的利用率，降低生產(chǎn)成本?；?/p>

這種目的，人們開始研究微生物高細(xì)胞濃度的培養(yǎng)技術(shù)。采用高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)，發(fā)酵液

中菌體濃度比分批式培養(yǎng)可高10倍以上。例如用高細(xì)胞濃度連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)，培養(yǎng)大腸桿菌

HBI01（pPAKS2）,可得到95g/L的菌體。用同樣的方法培養(yǎng)酒精酵母可得到219g/L的菌

體。而一?般用分批法培養(yǎng)酵母和細(xì)菌，得到的菌體濃度僅為10g/L左右。2,高細(xì)胞濃度

培養(yǎng)技術(shù)的原理：

采用一定的工藝技術(shù)，保證微生物生長的適宜條件，延長微生物的指數(shù)增殖過程，從而

得到高濃度的細(xì)胞。

3,高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）可大大提高發(fā)醉設(shè)備的利用率

（2）節(jié)省能源4,高濃度細(xì)胞培養(yǎng)的方法（1）流加培養(yǎng)

要保持微生物生長的適宜環(huán)境條件以達(dá)到高菌體濃度，就必須采用恰當(dāng)?shù)牧骷友a(bǔ)料方

式，補(bǔ)充生長所需的