微生物初级代谢产物的代谢调控

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1、微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以确保上千种酶能准确无误、有条不紊和高节系统，以确保上千种酶能准确无误、有条不紊和高度协调地进行极其复杂的新陈代谢反应。度协调地进行极其复杂的新陈代谢反应。在发酵工业中，调节微生物生命活动的方法很多，包在发酵工业中，调节微生物生命活动的方法很多，包括生理水平、代谢途径水平和基因调控水平上的各种括生理水平、代谢途径水平和基因调控水平上的各种调节。调节。3.3.微生物初级代谢产物的代谢调控微生物初级代谢产物的代谢调控微生物细胞内的代谢调节主要通过酶合成量、酶活性微生物细胞内的代谢调节主要通过酶合成量

2、、酶活性及细胞膜透性的控制加以实现。及细胞膜透性的控制加以实现。原则：经济合理地利用和合成所需的各种物质和能量，原则：经济合理地利用和合成所需的各种物质和能量， 使细胞处于平衡生长状态。使细胞处于平衡生长状态。方式：反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、酶的共方式：反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、酶的共 价修饰。价修饰。目的：高浓度地积累人们所期望的产物。目的：高浓度地积累人们所期望的产物。 平衡平衡 打破打破 建新平衡建新平衡高浓度地积累高浓度地积累办法：办法：育种，得到根本改变代谢的基因突变株；育种，得到根本改变代谢的基因突变株； 控制微生物培养条件，影响其代谢过程。控制微生物培养条件，影响

3、其代谢过程。3.1 3.1 酶的合成调节酶的合成调节 酶的合成调节是通过控制酶的合成量来调节代谢酶的合成调节是通过控制酶的合成量来调节代谢 速率的方式。包括速率的方式。包括诱导调节诱导调节和和阻遏调节阻遏调节两种方式。两种方式。 通过酶合成量调节代谢速率是一种间接而缓慢的方通过酶合成量调节代谢速率是一种间接而缓慢的方 式，属于粗放的调节，称之为式，属于粗放的调节，称之为“粗调粗调”。优点：通过阻止酶的过量合成降低代谢速率，优点：通过阻止酶的过量合成降低代谢速率， 节约用于生物合成的原料和能量。节约用于生物合成的原料和能量。 两个概念两个概念: : 组成酶：细胞内总是适量存在的，不依赖于酶底组成

4、酶：细胞内总是适量存在的，不依赖于酶底 物或底物结构类似物的存在而合成的酶。物或底物结构类似物的存在而合成的酶。 诱导酶：依赖于酶底物或底物结构类似物的存在诱导酶：依赖于酶底物或底物结构类似物的存在 而合成的酶。其基因以隐性状态存在于染色体中。而合成的酶。其基因以隐性状态存在于染色体中。 诱导调节（诱导调节（induction） 诱导酶的合成需要诱导剂，它可是底物，也可是底诱导酶的合成需要诱导剂，它可是底物，也可是底物的结构类似物。一种酶可有多种诱导剂，其能力与物的结构类似物。一种酶可有多种诱导剂，其能力与诱导剂的种类和浓度有关。诱导剂的种类和浓度有关。 如在含乳糖培养基上产生的如在含乳糖培养

5、基上产生的-半乳糖苷酶半乳糖苷酶、-半半乳糖苷透性酶和半乳糖苷乙酰基转移酶就是由于乳糖乳糖苷透性酶和半乳糖苷乙酰基转移酶就是由于乳糖的存在而诱导产生的。的存在而诱导产生的。大肠杆菌在加入乳糖前大肠杆菌在加入乳糖前-半乳半乳糖苷酶的分子数为糖苷酶的分子数为5 5个；加入后的个；加入后的1-21-2分钟内就增加到分钟内就增加到50005000个。（诱导作用，非激活作用）个。（诱导作用，非激活作用） 诱导作用的类型：协同诱导和顺序诱导诱导作用的类型：协同诱导和顺序诱导指一种底物能同时诱导几种酶的合成。如将乳糖加入到培指一种底物能同时诱导几种酶的合成。如将乳糖加入到培养基中，细胞同时合成养基中，细胞同

6、时合成-半乳糖苷透过酶、半乳糖苷透过酶、-半乳糖苷半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶酶和半乳糖苷转乙酰酶 。指指先先合合成成分分解解底底物物的的酶酶，再再依依次次合合成成分分解解各各中中间间产产物物的的酶，达到对复杂代谢途径的分段调节。酶，达到对复杂代谢途径的分段调节。协同诱导协同诱导顺序诱导顺序诱导 阻遏调节（阻遏调节（repressionrepression）某种代谢物积累除抑制酶活性外，还可反馈阻遏酶合某种代谢物积累除抑制酶活性外，还可反馈阻遏酶合成，降低反应速度。成，降低反应速度。在微生物的代谢过程中，当某途径在微生物的代谢过程中，当某途径的末端产物过量时，可通过阻碍该代谢途径中包括关键的末

7、端产物过量时，可通过阻碍该代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，彻底控制代谢和末端产酶在内的一系列酶的生物合成，彻底控制代谢和末端产物合成。物合成。方式：末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏方式：末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏末端代谢产物阻遏末端代谢产物阻遏在在直直线线反反应应途途径径中中，末末端端产产物物阻阻遏遏较较为为简简单单，即即产产物物作作用用于于代代谢谢途途径径中中的的第第一一个个酶酶，使使后后续续的的酶酶都都不不能能合合成。成。D DA AB BC CE E- -特点：特点：“公共酶公共酶”仅受所有分支途径末端产物的共同阻遏仅受所有分支途径末端产物的共同阻遏（多价阻遏作用

8、）。只有所有末端产物（多价阻遏作用）。只有所有末端产物同时累积同时累积，才能阻遏，才能阻遏“公共酶公共酶”合成。芳香簇氨基酸、天冬氨酸簇及丙酮酸簇氨基酸合成。芳香簇氨基酸、天冬氨酸簇及丙酮酸簇氨基酸生物合成中的反馈阻遏就属于这种类型。生物合成中的反馈阻遏就属于这种类型。分分支支代代谢谢途途径径的的阻阻遏遏较较为为复复杂杂。每每种种末末端端产产物物仅仅专专一一地地阻遏各自对应的分支途径中酶的合成。阻遏各自对应的分支途径中酶的合成。F F- -A AC CB BD DE EG GH H- - - -分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏细胞内同时存在两种底物细胞内同时存在两种底物( (碳源或氮源碳源或氮源)

9、 )时，易利用底物会时，易利用底物会阻遏难利用底物分解酶系的合成。阻遏难利用底物分解酶系的合成。如培养在含乳糖和葡萄糖的培养基上时形成如培养在含乳糖和葡萄糖的培养基上时形成“二次生长现二次生长现象象”，即葡萄糖存在时阻遏了分解乳糖酶系的合成，此现象，即葡萄糖存在时阻遏了分解乳糖酶系的合成，此现象又称葡萄糖效应。又称葡萄糖效应。实实质质：易易利利用用底底物物分分解解过过程程中中产产生生的的中中间间代代谢谢物物或或末末端端代代谢物的过量累积，阻遏了代谢途径中一些酶的合成。谢物的过量累积，阻遏了代谢途径中一些酶的合成。 酶合成调节的机制操纵子假说酶合成调节的机制操纵子假说操纵子（操纵子（operon

10、operon）：是原核生物基因表达与调控的一）：是原核生物基因表达与调控的一 个完整单位，包括结构基因，调节基因，操个完整单位，包括结构基因，调节基因，操 作子和启动子。作子和启动子。结结构构基基因因(structural (structural genes)genes)：编编码码蛋蛋白白质质的的DNADNA序序列列可可根根据据其其上上的的碱碱基基顺顺序序转转录录出出相相应的应的mRNAmRNA，然后再通过核糖体转译出相应的酶，然后再通过核糖体转译出相应的酶启启动动子子(promoter)(promoter)：被被RNARNA多多聚聚酶酶识识别别的的碱碱基基序序列列，该该序序列列既既是是RNA

11、RNA聚聚合合酶酶的的结结合合部部位，也是转录起始点位，也是转录起始点操作子（操作子（operatoroperator）：位于启动基因和结构）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白（一种基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白（一种调节蛋白）的结合位点，能通过与阻遏物相结调节蛋白）的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行合来决定结构基因的转录是否能进行调节基因（调节基因（regulator generegulator gene）：编码组成）：编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子型调节蛋白的基因，一般远离操纵子, ,但在原但在原核生物中核生物中, ,可以位于操

12、纵子旁边可以位于操纵子旁边诱导物诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等，它们可与调是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等，它们可与调 节蛋白结合，抑制其与操纵基因的结合，从而促进转录的进节蛋白结合，抑制其与操纵基因的结合，从而促进转录的进 行。行。辅阻遏物辅阻遏物是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等，是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等， 它们也可与调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合，从它们也可与调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合，从 而抑制转录的顺利进行。而抑制转录的顺利进行。诱导物与辅阻遏物都属于一类低分子量的信号物质诱导物与辅阻遏物都属于一类低分子量的信号物质- -效应物效应物 ( (

13、如糖类及其衍生物，氨基酸及核苷酸等如糖类及其衍生物，氨基酸及核苷酸等) )，它们均可与调节，它们均可与调节 蛋白结合，使之发生变构，以提高或降低调节蛋白与操纵基蛋白结合，使之发生变构，以提高或降低调节蛋白与操纵基 因的结合能力。因的结合能力。特点：特点： 属于低分子量变构蛋白；属于低分子量变构蛋白； 具有两个结合位点，一个与操作子结具有两个结合位点，一个与操作子结 合，另一位点可与效应物结合。合，另一位点可与效应物结合。类型：类型： 阻遏物阻遏物，它能在没有诱导物时单独与，它能在没有诱导物时单独与 操纵基因结合；操纵基因结合； 阻遏物蛋白阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物存在时，它只能在辅阻遏物存在

14、时 才能与操纵基因结合。才能与操纵基因结合。定义：由调节基因编码产生的特异性调节蛋白。定义：由调节基因编码产生的特异性调节蛋白。酶合成调节的机制酶合成调节的机制负调控负调控: : 是指在没有调节蛋白时基因表达具有转录活性，是指在没有调节蛋白时基因表达具有转录活性， 一旦加入调节蛋白，则基因活性被关闭，转录受到一旦加入调节蛋白，则基因活性被关闭，转录受到 抑制的现象。负调控中的调节蛋白叫阻遏蛋白。抑制的现象。负调控中的调节蛋白叫阻遏蛋白。意意 义：义：负调控实际上是一种保安机制，万一在调节蛋白负调控实际上是一种保安机制，万一在调节蛋白 失活时，酶系统仍然可以合成，使细胞不至于因缺乏失活时，酶系统

15、仍然可以合成，使细胞不至于因缺乏 该酶系统而造成致命的后果。该酶系统而造成致命的后果。 乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控O O 乳糖操纵子的正调控（分解代谢物阻遏）乳糖操纵子的正调控（分解代谢物阻遏）现象：当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮现象：当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮 源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物 有关的酶合成。有关的酶合成。 原因：阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，原因：阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果， 而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引 起的，

16、所以称为分解代谢物阻遏。起的，所以称为分解代谢物阻遏。 葡萄糖效应与二次生长现象葡萄糖效应与二次生长现象 单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期 同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长乳糖操纵子模型解释分解代谢物的阻遏机制乳糖操纵子模型解释分解代谢物的阻遏机制 乳糖与葡萄糖同时存在时，由于分解葡萄糖的酶类属于乳糖与葡萄糖同时存在时，由于分解葡萄糖的酶类属于组成酶，能迅速地将葡萄糖降解成某种中间产物（组成酶，能迅速地将葡萄糖降解成某种中间

17、产物（X X），），X X既会阻止既会阻止ATPATP环化形成环化形成cAMPcAMP，同时又会促进，同时又会促进cAMPcAMP分解成分解成AMPAMP，从而降低了，从而降低了cAMPcAMP的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。诱导酶合成。 只有当葡萄糖耗尽后，只有当葡萄糖耗尽后，cAMPcAMP才能回升到正常浓度，操纵才能回升到正常浓度，操纵子重新开启，并开始利用乳糖作为碳源，形成菌体的二次子重新开启，并开始利用乳糖作为碳源，形成菌体的二次生长。生长。 Trp操纵子操纵子- -末端代谢产物阻遏的机制末端代谢产物阻遏的机制色氨酸操纵子的调节模型色氨

18、酸操纵子的调节模型 Trp操纵子弱化调节机制操纵子弱化调节机制色色氨氨酸酸的的合合成成涉涉及及到到有有7 7个个基基因因的的参参与与。其其中中，trpEtrpE和和trpDtrpD编编码码邻邻氨氨基基苯苯甲甲酸酸合合酶酶，trpCtrpC编编码码吲吲哚哚甘甘油油磷磷酸酸合合酶酶，trpAtrpA和和trpBtrpB则分别编码色氨酸合酶的则分别编码色氨酸合酶的和和亚基。亚基。 trpE trpE基因是第一个被翻译的基因，和基因是第一个被翻译的基因，和trpEtrpE紧邻的是启动子区紧邻的是启动子区和操纵区。另外，前导区和弱化子区分别定名为和操纵区。另外，前导区和弱化子区分别定名为trpLtrpL

19、和和trpatrpa（不是（不是trpAtrpA）。）。 trp trp操纵子中产生阻遏物的基因是操纵子中产生阻遏物的基因是trpRtrpR，该基因距，该基因距trptrp基因簇基因簇很远。很远。色氨酸贫乏时，核糖体停在色氨酸贫乏时，核糖体停在UGG(54-56)UGG(54-56)，聚合酶通过，聚合酶通过，酶合成；酶合成； 色氨酸充足时，转录至色氨酸充足时，转录至UGA(69-71)UGA(69-71)，不利于，不利于RNARNA聚合聚合酶通过，酶不合成。酶通过，酶不合成。3.2 3.2 酶活性的调节酶活性的调节通通过过改改变变现现成成的的酶酶分分子子活活性性来来调调节节新新陈陈代代谢谢的的

20、速速率率的的方方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。包括两种方式：包括两种方式：酶活性的激活酶活性的激活 代代谢谢途途径径中中后后面面的的反反应应可可被被较较前前面面的的反反应应产产物物所所促促进进的的现现象象；常常见见于于分分解解代代谢谢途途径径。如如：粗粗糙糙脉脉孢孢霉霉的的异异柠柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进天门冬氨酸转氨甲酰酶受天门冬氨酸转氨甲酰酶受ATPATP激活，受激活，受CTPCTP抑制（终产物）。抑制（终产物）。酶活性的抑制酶活性的抑制竞争性抑制竞争性抑制 抑抑制制剂剂与与反反应应底底物物竞竞争争，从从

21、而而阻阻止止底底物物与与酶酶的的结结合合。因因此此，酶酶反反应应速速度度下下降降。这这是是一一种种最最常常见见的的可可逆逆抑抑制制作作用用。可可以以通通过过增增加加底底物物浓浓度度来来解解除除这这种种抑抑制制。典典型型的的例例子子：丙丙二二酸酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。对琥珀酸脱氢酶的抑制。反馈抑制（负反馈）反馈抑制（负反馈） 主主要要表表现现为为某某代代谢谢途途径径的的末末端端产产物物过过量量时时可可反反过过来来直直接接抑抑制制该该途途径径中中第第一一个个酶酶的的活活性性。主主要要表表现现在在氨氨基基酸酸、核核苷苷酸酸合合成成途途径中。径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除。

22、特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除。3.2.1 3.2.1 反馈抑制的类型反馈抑制的类型 在在分分支支代代谢谢途途径径中中，反反馈馈抑抑制制的的情情况况较较为为复复杂杂，为为了了避避免免在在一一个个分分支支上上的的产产物物过过多多时时不不致致同同时时影影响响另另一一分分支支上上产产物物的的供供应应，微微生生物物发发展展出出多多种种调调节节方方式式。主主要要有有：同同功功酶的调节，酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。(1)(1)直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸苏氨酸苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶-酮丁酸酮丁酸

23、异亮氨酸异亮氨酸 反馈抑制反馈抑制(2)(2)分支代谢途径中的反馈抑制分支代谢途径中的反馈抑制 同功酶调节同功酶调节isoenzymeisoenzyme 在一个分支代谢途径中，如果分支点以前的一个较早的在一个分支代谢途径中，如果分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。某一产物某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。如大肠杆菌的过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。如大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节。天冬氨酸族氨基酸合成的调节。 协同

24、反馈抑制协同反馈抑制 分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式径中的第一个酶的一种反馈调节方式(一个也不能少一个也不能少)。 如天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨如天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。酸的协同反馈抑制和阻遏。 合作反馈抑制合作反馈抑制 两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。单独作用之和。 如嘌呤核苷酸的合成，磷酸核糖焦磷酸酶受如嘌呤核苷酸的合成，磷酸核糖焦磷酸酶受

25、AMP和和GMP （和（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和和10%。 积累反馈抑制积累反馈抑制 每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。 如如 谷氨酰胺合成酶的调节谷

26、氨酰胺合成酶的调节 顺序反馈抑制顺序反馈抑制 一一种种终终产产物物的的积积累累,导导致致前前一一中中间间产产物物的的积积累累，通通过过后后者者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。如如 枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节 代谢互锁代谢互锁 一一种种氨氨基基酸酸的的合合成成受受到到另另一一种种完完全全无无关关的的氨氨基基酸酸的的控控制制，而而且且只只有有当当该该氨氨基基酸酸浓浓度度大大大大高高于于生生理理浓浓度度时时才才能能显显示抑制作用示抑制作用. . 如如赖赖氨氨酸酸的的生生物物合合成成与与亮亮氨氨酸酸的的生生物

27、物合合成成之之间间存存在在着着代谢互锁代谢互锁 在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如种底物，如AMPAMP与与GMPGMP，ThrThr与与LysLys、MetMet，由于两种酶，由于两种酶对底物的对底物的KmKm值（即对底物的亲和力）不同，故两条支值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。路的一条优先合成。优先合成优先合成3.2.2 3.2.2 酶活力调节的机制酶活力调节的机制变构酶理论变构酶理论 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响影响酶的活性。它具有两个以上立体专一

28、性不同的接受部位，一酶的活性。它具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。个是活性中心，另一个是调节中心。反馈抑制和阻遏的概念反馈抑制和阻遏的概念反反馈馈抑抑制制：是是指指代代谢谢途途径径的的终终产产物物对对催催化化该该途途径径中中的的一一个个反反应应（通通常常是是第第一一个个反反应应）的的酶酶活活力力的的抑抑制制，其其实实质质是是终终产产物物结结合合到到酶酶的的变变构构部部位位，从从而而干干扰扰酶酶和和它它底底物物的的结结合合，当当然然与与此此相反为酶活性的激活。相反为酶活性的激活。反反馈馈阻阻遏遏：是是指指终终产产物物（或或终终产产物物的的结结构构类类似似物物

29、）阻阻止止催催化化该该途途径径的的一一个个或或几几个个反反应应中中的的一一个个或或几几个个酶酶的的合合成成，其其实实质质是是调调节节基基因因的的作作用用，这这是是微微生生物物不不通通过过基基因因突突变变而而适适应应于于环环境境改变的一种措施，当然与此相反有酶合成的诱导。改变的一种措施，当然与此相反有酶合成的诱导。3.3 3.3 细胞膜通透性的调节细胞膜通透性的调节 细胞膜是细胞与外界环境进行物质交换的屏障。细胞细胞膜是细胞与外界环境进行物质交换的屏障。细胞从外部环境中吸收营养物质或将细胞内代谢产物分泌至细从外部环境中吸收营养物质或将细胞内代谢产物分泌至细胞外，都要通过细胞膜。细胞通过对膜透性大

30、小的调节实胞外，都要通过细胞膜。细胞通过对膜透性大小的调节实现对代谢过程的部分调节。现对代谢过程的部分调节。 （1 1）通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性：）通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性： 筛选透性突变株。筛选透性突变株。（2 2）解除反馈抑制解除反馈抑制 当细胞膜完整时，透性小，细胞内的某代谢产物不能当细胞膜完整时，透性小，细胞内的某代谢产物不能及时分泌到细胞外部，在细胞内不断累积，至其浓度达到及时分泌到细胞外部，在细胞内不断累积，至其浓度达到一定程度时发生反馈抑制，导致该代谢产物合成减慢或停一定程度时发生反馈抑制，导致该代谢产物合成减慢或停止。止。 0 02.52.510101.31.3

31、30.830.83.73.7生物素生物素(g/L) (g/L) 谷氨酸谷氨酸(g/L) (g/L) 谷氨酸生产过程发酵液中生物素与谷氨酸含量的关系谷氨酸生产过程发酵液中生物素与谷氨酸含量的关系 此外，加入青霉素等抗生素和吐温此外，加入青霉素等抗生素和吐温8080等脂肪酸衍生等脂肪酸衍生物，都能增大膜的通透性，从而促进细胞内谷氨酸向细物，都能增大膜的通透性，从而促进细胞内谷氨酸向细胞外大量分泌，以解除反馈抑制。胞外大量分泌，以解除反馈抑制。4.4.代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用基本方法：基本方法： 遗传学方法遗传学方法- -改变微生物遗传特性改变微生物遗

32、传特性 生物化学方法生物化学方法- -控制发酵条件控制发酵条件工业发酵的目的工业发酵的目的大量地积累人们所需要的微生大量地积累人们所需要的微生 物代谢产物。物代谢产物。 代谢的人工控制代谢的人工控制人为地打破微生物的代谢控制体人为地打破微生物的代谢控制体 系，就有可能使代谢朝着人们希望的方向进行。系，就有可能使代谢朝着人们希望的方向进行。4.1 遗传学方法遗传学方法营养缺陷型菌株的应用营养缺陷型菌株的应用 对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累 中间代谢产物。典型例子：中间代谢产物。典型例子：利用谷氨酸棒状杆菌的精氨酸缺陷型突变株进行鸟

33、氨酸发酵。利用谷氨酸棒状杆菌的精氨酸缺陷型突变株进行鸟氨酸发酵。 分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性消除协同反分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性消除协同反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物。馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物。 赖氨酸发酵赖氨酸发酵高丝氨酸营养缺陷型菌株生产赖氨酸的合成途径高丝氨酸营养缺陷型菌株生产赖氨酸的合成途径肌苷酸发酵肌苷酸发酵谷氨酸棒状杆菌的腺核苷酸和鸟苷酸的合成途径谷氨酸棒状杆菌的腺核苷酸和鸟苷酸的合成途径反馈抑制反馈抑制渗漏突变株渗漏突变株( (leakage mutant) )的应用的应用 这是一种不完全遗传障碍

34、营养缺陷型，能自己合成微这是一种不完全遗传障碍营养缺陷型，能自己合成微量的某一代谢终产物，但达不到反馈抑制的浓度，所以不量的某一代谢终产物，但达不到反馈抑制的浓度，所以不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。与营养缺陷会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。与营养缺陷型不同的是不需要外源添加渗漏缺陷的物质。型不同的是不需要外源添加渗漏缺陷的物质。 如利用如利用HserHserl l解除（解除（Thr+Lys)Thr+Lys)对天冬氨酸激酶对天冬氨酸激酶(AK)(AK)的的协同反馈抑制：协同反馈抑制： Hser Hserl l细胞能合成细胞能合成HserHser，但合成的量仅能维持细胞的，但合

35、成的量仅能维持细胞的最低生长，胞内的浓度达不到进行反馈调节的浓度。最低生长，胞内的浓度达不到进行反馈调节的浓度。 抗反馈调节突变株的应用抗反馈调节突变株的应用抗反馈抑制突变型抗反馈抑制突变型由于结构基因突变而使变构酶不能和代谢终产物结由于结构基因突变而使变构酶不能和代谢终产物结合，从而失去反馈抑制的突变型。合，从而失去反馈抑制的突变型。抗反馈阻遏突变型抗反馈阻遏突变型由于调节基因突变引起调节蛋白不能和代谢终产物由于调节基因突变引起调节蛋白不能和代谢终产物结合，从而失去阻遏作用的突变型。结合，从而失去阻遏作用的突变型。抗反馈调节突变株：是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗反馈调节突变株：是指一种

36、对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变株，或兼而有之的突变株。抗性的组成型突变株，或兼而有之的突变株。结构类似物结构类似物 analog（抗代谢物（抗代谢物antimetabolite） 是一种与初级代谢产物结构类似但缺乏生理功能的化合物是一种与初级代谢产物结构类似但缺乏生理功能的化合物黄色短杆菌苏氨酸、赖氨酸和异亮氨酸的合成途径及反馈调节黄色短杆菌苏氨酸、赖氨酸和异亮氨酸的合成途径及反馈调节抗结构类似物突变株的应用的典型例子抗结构类似物突变株的应用的典型例子反馈抑制反馈抑制反馈阻遏反馈阻遏结构基因不受控制地转录，酶的生成将不再需要结构基因不受控制地转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不再被末

37、端产物或分解代谢物阻遏。诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏。 调节基因发生突变调节基因发生突变产生无效的阻遏物而不产生无效的阻遏物而不能与操纵基因结合能与操纵基因结合操纵基因突变操纵基因突变突变操纵基因不能突变操纵基因不能与阻遏物结合与阻遏物结合组成型突变组成型突变 组成型突变株的应用组成型突变株的应用1. 1. 添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生2. 2. 控制发酵的培养基成分：控制发酵的培养基成分： 工业生产的酶大多受分解阻遏或分解抑制的控制，因此，工业生产的酶大多受分解阻遏或分解抑制的控制，因此，在培养基中避免使用可阻

38、遏的碳源或氮源。如嗜热芽孢杆菌在培养基中避免使用可阻遏的碳源或氮源。如嗜热芽孢杆菌的的淀粉酶的合成受果糖的阻遏，如采用甘油做碳源，可大淀粉酶的合成受果糖的阻遏，如采用甘油做碳源，可大大促进酶的生产。大促进酶的生产。4.2 生物化学方法生物化学方法通过添加通过添加C C，可大量积累，可大量积累D D3. 3. 限量营养物的添加，或抗生素的加入以增加细胞膜透性限量营养物的添加，或抗生素的加入以增加细胞膜透性 如谷氨酸生产，添加适量生物素，可增加生产菌细胞膜透性，如谷氨酸生产，添加适量生物素，可增加生产菌细胞膜透性，使产物使产物GluGlu不断分泌到胞外。从而解除了过量不断分泌到胞外。从而解除了过量

39、GluGlu对谷氨酸脱氢对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制作用，提供其产量。酶的反馈抑制作用，提供其产量。 如添加青霉素，以抑制细胞壁的合成，造成细胞膜透性增加，如添加青霉素，以抑制细胞壁的合成，造成细胞膜透性增加，GluGlu就能大量分泌到胞外。就能大量分泌到胞外。4. 4. 发酵与分离过程耦合发酵与分离过程耦合5.5.微生物次级代谢产物的代谢调控微生物次级代谢产物的代谢调控次级代谢与初级代谢的关系次级代谢与初级代谢的关系存在范围及产物类型不同存在范围及产物类型不同初级代谢是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。初级代谢是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。次级代谢只存在于某些生物（如植

40、物和某些微生物）中，并且次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，即使同种生物也会由代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，即使同种生物也会由于培养条件的不同而产生不同的次级代谢产物。如产黄青霉在于培养条件的不同而产生不同的次级代谢产物。如产黄青霉在在在RaulinRaulin中培养时可以合成青霉酸。但在中培养时可以合成青霉酸。但在CzapekDoxCzapekDox中培养中培养则不产青霉酸。则不产青霉酸。初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的蛋白质、核酸、多糖、脂

41、类等通常都是机体以及由它们组成的蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发生突变或死上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发生突变或死亡。而次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必亡。而次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍, ,也不会导也不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合

42、成某种次级代谢产物的能力。谢产物的能力。对产生者自身的重要性不同对产生者自身的重要性不同初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长过程呈平行关系；过程呈平行关系；次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。成期二个不同的时期。同微生物生长过程的关系明

43、显不同同微生物生长过程的关系明显不同对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同初级代谢对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而初级代谢对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环条件次级代谢对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环条件变化而停止。变化而停止。相关酶的专一性不同相关酶的专一性不同相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种

44、次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物，类型的次级代谢产物，某些机体内存在二种既有联系又有区别的代谢类型某些机体内存在二种既有联系又有区别的代谢类型初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量；前体物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质。的重要中间体物质。而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免

45、初而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。生的毒害作用。初级代谢与次级代谢的关系初级代谢与次级代谢的关系次级代谢产物生物合成与初级代谢产物的关系次级代谢产物生物合成与初级代谢产物的关系酶合成的诱导调节酶合成的诱导调节 参与次生代谢的酶，参与次生代谢的酶，有些酶也是诱导酶，有些酶也是诱导酶，以底物或底物类似以底物或底物类似物（内源、外源）物（内源、外源）为诱导剂。为诱导剂。反馈调节反馈调节 包括次级代谢物的包括次级代谢物的自身反馈调节、前自身反馈调节、前体物的反

46、馈调节、体物的反馈调节、初级代谢产物的调初级代谢产物的调节节次生代谢的主要调节机制次生代谢的主要调节机制赖氨酸对青霉素生物合成的调节赖氨酸对青霉素生物合成的调节分解代谢产物调节分解代谢产物调节 碳分解产物调节碳分解产物调节 按被菌体利用速度的不同，碳源可分为迅速利用的碳源和按被菌体利用速度的不同，碳源可分为迅速利用的碳源和 缓慢利用的碳源。缓慢利用的碳源。 快速利用的碳源对很多产物的生物合成产生阻遏作用；缓快速利用的碳源对很多产物的生物合成产生阻遏作用；缓 慢利用的碳源，有利于延长代谢产物的合成。慢利用的碳源，有利于延长代谢产物的合成。 在工业上，发酵培养基常采用含迅速和缓慢利用的混合碳在工业

47、上，发酵培养基常采用含迅速和缓慢利用的混合碳 源，来控制菌体的生长和产物的合成。源，来控制菌体的生长和产物的合成。 氮分解产物调节氮分解产物调节 速效氮源速效氮源( (如氨基酸和玉米浆等如氨基酸和玉米浆等) )促进菌体生长，但对某些促进菌体生长，但对某些 抗生素的生物合成产生抑制或阻遏作用，降低产量。抗生素的生物合成产生抑制或阻遏作用，降低产量。 迟效氮源迟效氮源( (黄豆饼粉、花生饼粉等黄豆饼粉、花生饼粉等) )对延长次级代谢产物的对延长次级代谢产物的 分泌期，提高产物的产量有利。但一次投入过多，容易促分泌期，提高产物的产量有利。但一次投入过多，容易促 进菌体生长和养分过早耗尽，缩短产物的分

48、泌期。进菌体生长和养分过早耗尽，缩短产物的分泌期。 在工业上，在工业上，发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混 合氮源。而且，在发酵过程中限量补加氮源来控制其浓度合氮源。而且，在发酵过程中限量补加氮源来控制其浓度 a. a.补加某些具有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母补加某些具有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母 粉、玉米浆、尿素等。粉、玉米浆、尿素等。 b. b.补加氨水或硫酸铵等无机氮源补加氨水或硫酸铵等无机氮源. .当当pHpH偏低又需补氮时，偏低又需补氮时， 可通入氨气；当可通入氨气；当pHpH偏高又需补氮时，可加入生理酸性物偏高又需补氮时，

49、可加入生理酸性物 质如硫酸铵等。质如硫酸铵等。磷酸盐调节磷酸盐调节 磷酸盐在微生物的生长和次级代谢产物合成中起着重要磷酸盐在微生物的生长和次级代谢产物合成中起着重要 的作用，高浓度的磷酸盐对抗生素等次级代谢产物的合的作用，高浓度的磷酸盐对抗生素等次级代谢产物的合 成表现出较强的抑制作用。适合微生物生长的磷酸盐浓成表现出较强的抑制作用。适合微生物生长的磷酸盐浓 度是度是300mmol300mmol，10mmol10mmol的磷酸盐就明显地抑制次级的磷酸盐就明显地抑制次级 代谢产物的合成。代谢产物的合成。 磷酸盐对初级代谢产物合成的调节往往是通过促进生长磷酸盐对初级代谢产物合成的调节往往是通过促进

50、生长 而间接产生的，对次级代谢产物生物合成的调节有多种而间接产生的，对次级代谢产物生物合成的调节有多种 可能的机制，主要包括可能的机制，主要包括抑制酶的活性抑制酶的活性，如在链霉素合成，如在链霉素合成 中，高浓度中，高浓度磷酸盐抑制碱性磷酸脂酶的活性；磷酸盐抑制碱性磷酸脂酶的活性；导致细胞导致细胞 内能荷变化内能荷变化；或；或提高磷酸盐竞争某些必须金属离子的作提高磷酸盐竞争某些必须金属离子的作 用用。细胞生长调节细胞生长调节 在生长期中，负责合成抗生素的酶被全部或部分抑制。进在生长期中，负责合成抗生素的酶被全部或部分抑制。进入生产期后，死亡的细胞数与增殖的细胞数保持相对平衡，入生产期后，死亡的

51、细胞数与增殖的细胞数保持相对平衡，合成菌体成分的代谢很慢，抗生素开始急速形成，直至其合合成菌体成分的代谢很慢，抗生素开始急速形成，直至其合成能力的衰退。成能力的衰退。细胞膜透性的调节细胞膜透性的调节 如谷氨酸生产，添加适量生物素，可增加生产菌细胞膜透如谷氨酸生产，添加适量生物素，可增加生产菌细胞膜透性，使产物性，使产物GluGlu不断分泌到胞外。从而解除了过量不断分泌到胞外。从而解除了过量GluGlu对谷氨对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制作用，提供其产量。酸脱氢酶的反馈抑制作用，提供其产量。次级代谢的调控次级代谢的调控以青霉素以青霉素G G的发酵生产为例的发酵生产为例 青霉素的生物合成与碳源分解代谢产物的关系青霉素的生物合成与碳源分解代谢产物的关系 青霉素的生物合成与赖氨酸的反馈调节青霉素的生物合成与赖氨酸的反馈调节复习题复习题1.1.在化能异养微生物的生物氧化中，其基在化能异养微生物的生物氧化中，其基质脱氢和产能途径主要有哪几条？试比质脱氢和产能途径主要有哪几条？试比较各途径的主要特点。较各途径的主要特点。2.2.试比较有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的异试比较有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点。同点。3.3.微生物调节代谢流的主要方式有哪两类微生物调节代谢流的主要方式有哪两类？反馈抑制有哪几种类型？反馈抑制有哪几种类型？