微生物的代谢调节及控制应用.pptx

1第二章第二章 微生物的代谢调控及应用微生物的代谢调控及应用第一节第一节微生物的代谢调节微生物的代谢调节第二节第二节代谢的控制及应用代谢的控制及应用2第一节第一节 微生物的代谢调节微生物的代谢调节代谢调节部位代谢调节部位酶合成的调节酶合成的调节酶活性的调节酶活性的调节微生物代谢调节的模式微生物代谢调节的模式能荷调节能荷调节次级代谢与次级代谢调节次级代谢与次级代谢调节3 微生物的新陈代谢错综复杂 参与代谢的物质多种多样 同一种物质也会有不同的代谢途径各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。微生物代谢调节体系严密、精确、灵敏，可有微生物代谢调节体系严密、精确、灵敏，可有序而高效运行，并能灵活地适应外界环境，最经济序而高效运行，并能灵活地适应外界环境，最经济地利用环境中的营养物。地利用环境中的营养物。微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点。微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点。4一一 代谢调节部位（调节方式）代谢调节部位（调节方式）微生物的代谢调节主要通过养分的吸收微生物的代谢调节主要通过养分的吸收排泄、限制基质与酶的接近和控制代谢排泄、限制基质与酶的接近和控制代谢流等几个部位实现的，在这方面真核生流等几个部位实现的，在这方面真核生物与原核生物略有区别，主要表现在前物与原核生物略有区别，主要表现在前者有各种各样的细胞器。者有各种各样的细胞器。5其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，两个方面，“粗调粗调”，即调节酶的合成量，即调节酶的合成量，“细调细调”，即调节现成酶分子的催化活力，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。效果。6二二 酶合成的调节酶合成的调节 酶合成的调节是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。71.诱导诱导(Enzyme induction)按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类将酶分为两大类将酶分为两大类将酶分为两大类，一类称为组成酶一类称为组成酶一类称为组成酶一类称为组成酶(Structural(Structural(Structural(Structural enzymes)enzymes)enzymes)enzymes)，它们的合成与环境无关，随菌体形成它们的合成与环境无关，随菌体形成它们的合成与环境无关，随菌体形成它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径稳定。如糖酵解途径稳定。如糖酵解途径稳定。如糖酵解途径(EMP)(EMP)(EMP)(EMP)有关的酶。另一类酶有关的酶。另一类酶有关的酶。另一类酶有关的酶。另一类酶称为称为称为称为诱导酶诱导酶诱导酶诱导酶(Inducible enzyme)(Inducible enzyme)(Inducible enzyme)(Inducible enzyme)或适应性酶，或适应性酶，或适应性酶，或适应性酶，只只只只有在环境中存在诱导剂有在环境中存在诱导剂有在环境中存在诱导剂有在环境中存在诱导剂(Inducer)(Inducer)(Inducer)(Inducer)时，它们才开时，它们才开时，它们才开时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止8诱导酶：诱导酶：在对数生长期的大肠杆菌在对数生长期的大肠杆菌(E.coliE.coli)培养基中培养基中加入乳糖，就会产生与乳糖代谢有关的加入乳糖，就会产生与乳糖代谢有关的-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。这时，细胞生长速度和总的蛋和半乳糖苷透过酶等。这时，细胞生长速度和总的蛋白质合成速度几乎没有改变，这种环境物质促使微生白质合成速度几乎没有改变，这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称为酶的诱导。物细胞中合成酶蛋白的现象称为酶的诱导。培养基中加入乳糖诱导培养基中加入乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成半乳糖苷酶的合成92 酶合成的阻遏酶合成的阻遏(Enzyme repression)在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶(repressible enzyme)。阻遏的生理学功能是节约生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型10末端代谢产物阻遏末端代谢产物阻遏 由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏称为末端代谢产物阻遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成11直线式代谢途径，末端产物阻遏情况较为简单。直线式代谢途径，末端产物阻遏情况较为简单。如大肠杆菌中如大肠杆菌中甲硫氨酸甲硫氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中，酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为甲硫氨酸的大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为甲硫氨酸的三种酶，三种酶，当培养基中加入甲硫氨酸时，这三种酶消失当培养基中加入甲硫氨酸时，这三种酶消失甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成(R)：表示反馈阻遏：表示反馈阻遏12 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有关的酶合成。现在知道，这种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起的，所以称为分解代谢物阻遏。分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏(Catabolite repression)13分解代谢物分解代谢物阻遏阻遏过去被称为过去被称为葡萄糖效应葡萄糖效应培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独加单独加入葡萄糖时，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；入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2.同时加入葡萄糖同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长和乳糖时，菌体呈二次生长14三三.酶活性的调节酶活性的调节 通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。与酶合成调节方式相比，这种调节方式更直接，并且见效快。是发生在蛋白质水平上的调节。15调节酶调节酶:某些酶的活性受到底物或产物或其结构类某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，这些酶称为调节酶。似物的影响，这些酶称为调节酶。激活激活 前馈前馈 抑制抑制 反馈反馈 前馈作用一般是激活酶的活性。在分解代谢前馈作用一般是激活酶的活性。在分解代谢中，后面的反应可被较前面反应的中间产物所促中，后面的反应可被较前面反应的中间产物所促进进.如如:粪链球菌粪链球菌(Streptococcus feacalis)的乳酸脱氢酶的乳酸脱氢酶活性可被活性可被1,6-二磷酸果糖所激活；二磷酸果糖所激活；在粗糙脉孢霉在粗糙脉孢霉(Neurospora crassa)培养时，柠培养时，柠檬酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性。檬酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性。16在微生物代谢调节中在微生物代谢调节中在微生物代谢调节中在微生物代谢调节中 更常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶更常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶更常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶更常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶活的反馈抑制。活的反馈抑制。活的反馈抑制。活的反馈抑制。调节酶的抑制剂通常是调节酶的抑制剂通常是调节酶的抑制剂通常是调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构代谢终产物或其结构代谢终产物或其结构代谢终产物或其结构类似物；类似物；类似物；类似物；效应物的作用是可逆的，效应物的作用是可逆的，效应物的作用是可逆的，效应物的作用是可逆的，一旦效应物浓度降一旦效应物浓度降一旦效应物浓度降一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢复。低，酶活性就会恢复。低，酶活性就会恢复。低，酶活性就会恢复。调节酶常常调节酶常常调节酶常常调节酶常常是催化分支代谢途径一系列反应中是催化分支代谢途径一系列反应中是催化分支代谢途径一系列反应中是催化分支代谢途径一系列反应中第一个反应的酶，第一个反应的酶，第一个反应的酶，第一个反应的酶，这样可避免不必要的能量浪费。这样可避免不必要的能量浪费。这样可避免不必要的能量浪费。这样可避免不必要的能量浪费。17四四.微生物代谢调节的模式微生物代谢调节的模式在微生物合成代谢过程中，反馈阻遏和反馈抑制往往共同对代谢起着调节作用，它们通过对酶的合成和酶的活性进行调节，使细胞内各种代谢物浓度保持在适当的水平。反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快前者的作用往往会影响催化一系列反应的多个酶后者往往只对是一系列反应中的第一个酶起作用18直线式代谢途径的反馈控制直线式代谢途径的反馈控制 大肠杆菌的异亮氨酸合成途径（大肠杆菌的异亮氨酸合成途径（首先发现）首先发现）苏氨酸是合成异亮氨酸的前体苏氨酸是合成异亮氨酸的前体 给给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时，该菌株时，该菌株可以合成异亮氨酸，可以合成异亮氨酸，若若同时添加异亮氨酸同时添加异亮氨酸，就，就不能利用苏氨酸合成异不能利用苏氨酸合成异亮氨酸亮氨酸了。了。原因：原因：异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途径的第一个酶，即径的第一个酶，即L-L-苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶.19大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天门冬氨酸合成胞大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天门冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸嘧啶核苷三磷酸(CTP)时需要七种酶，当时需要七种酶，当CTP达到一达到一定浓度后，便反馈抑制催化第一个反应的酶，即天定浓度后，便反馈抑制催化第一个反应的酶，即天门冬氨酸转氨甲酰酶。门冬氨酸转氨甲酰酶。大肠杆菌大肠杆菌CTP合成途径中的直线式反馈抑制合成途径中的直线式反馈抑制20分支代谢途径的反馈控制分支代谢途径的反馈控制由几种末端代谢产物共同对生物合成途径进行控制的体系较为复杂。即便是同一代谢途径，不同菌种也会有不同的控制模式。这些控制可以是反馈阻遏或反馈抑制单独作用的结果，也可以是两者共同作用的结果。21大肠杆菌合成苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸中的同工酶调节大肠杆菌合成苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸中的同工酶调节E表示末端产物反馈抑制；表示末端产物反馈抑制；R表示末端产物反馈阻遏表示末端产物反馈阻遏22五五.能荷调节能荷调节 能荷指细胞中、AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。能荷调节也称腺苷酸调节，系指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动。它们所含能荷依次递减，上述三者在细胞中的含量不同，表明细胞的能量状态不同。23巴斯德效应巴斯德效应 在厌氧条件下在厌氧条件下在厌氧条件下在厌氧条件下,向高速发酵的培养基中通入向高速发酵的培养基中通入向高速发酵的培养基中通入向高速发酵的培养基中通入氧气氧气氧气氧气,则葡萄糖消耗减少则葡萄糖消耗减少则葡萄糖消耗减少则葡萄糖消耗减少,抑制发酵产物积累的抑制发酵产物积累的抑制发酵产物积累的抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应。即呼吸抑制发酵的作用。现象称为巴斯德效应。即呼吸抑制发酵的作用。现象称为巴斯德效应。即呼吸抑制发酵的作用。现象称为巴斯德效应。即呼吸抑制发酵的作用。1861186118611861年在研究酵母的年在研究酵母的年在研究酵母的年在研究酵母的酒精酒精酒精酒精发酵量和氧分压发酵量和氧分压发酵量和氧分压发酵量和氧分压之间的关系中发现的，故称巴斯德效应之间的关系中发现的，故称巴斯德效应之间的关系中发现的，故称巴斯德效应之间的关系中发现的，故称巴斯德效应 现在，人们将在厌氧型和现在，人们将在厌氧型和现在，人们将在厌氧型和现在，人们将在厌氧型和需氧型需氧型需氧型需氧型能量代谢能量代谢能量代谢能量代谢之间之间之间之间的转换过程总结为巴斯德效应。的转换过程总结为巴斯德效应。的转换过程总结为巴斯德效应。的转换过程总结为巴斯德效应。24 次级代谢是某些生物为了避免代谢过程中，某种代谢产物的积累造成的不利作用，而产生的一类有利于生存的代谢类型，其生产能力常受金属离子的影响。通过次级代谢合成的产物称为次级代谢产物，如抗生素、毒素、色素、激素等。目前由微生物产生的抗生素大约有6000多中，其中有4500种产生由放线菌。六六.次级代谢与次级代谢调节次级代谢与次级代谢调节25微生物的代谢产物微生物的代谢产物内容内容初级代谢产物初级代谢产物次级代谢产物次级代谢产物生长繁殖是否生长繁殖是否生长繁殖是否生长繁殖是否必需必需必需必需是是是是否否否否产生阶段产生阶段产生阶段产生阶段一直产生一直产生一直产生一直产生生长到一定阶段生长到一定阶段生长到一定阶段生长到一定阶段与微生物生长与微生物生长与微生物生长与微生物生长的关系的关系的关系的关系呈平行关系呈平行关系呈平行关系呈平行关系不呈平行关系不呈平行关系不呈平行关系不呈平行关系对环境变化的对环境变化的对环境变化的对环境变化的敏感性敏感性敏感性敏感性强强强强弱弱弱弱种的特异性种的特异性种的特异性种的特异性非特异非特异非特异非特异特异性特异性特异性特异性分布分布分布分布细胞内细胞内细胞内细胞内细胞内外细胞内外细胞内外细胞内外26次级代谢的调节次级代谢的调节酶合成的诱导调节反馈调节碳、氮分解调节磷酸盐调节细胞膜透性调节271.碳、氮分解代谢物调节碳、氮分解代谢物调节 指能迅速被利用的碳源（氮源）及其分解指能迅速被利用的碳源（氮源）及其分解指能迅速被利用的碳源（氮源）及其分解指能迅速被利用的碳源（氮源）及其分解代谢物代谢物代谢物代谢物 ，对其它代谢中的酶的调节。，对其它代谢中的酶的调节。，对其它代谢中的酶的调节。，对其它代谢中的酶的调节。例如例如例如例如:葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青霉素、卡那霉素等都有明显降低其产量但对青霉素、卡那霉素等都有明显降低其产量但对青霉素、卡那霉素等都有明显降低其产量但对青霉素、卡那霉素等都有明显降低其产量的作用。的作用。的作用。的作用。282.磷酸盐的调节磷酸盐的调节 高浓度的磷酸盐：较强的抑制作用抗生素等次级高浓度的磷酸盐：较强的抑制作用抗生素等次级代谢产物的合成代谢产物的合成浓度在浓度在0.30.3300mmol/L300mmol/L：支持细胞的生长支持细胞的生长 10mmol/L10mmol/L及以上：抑制许多抗生素的物合成及以上：抑制许多抗生素的物合成调节机制调节机制：有的是通过抑制酶的作用，：有的是通过抑制酶的作用，有的是导致细胞能荷变化，有的是导致细胞能荷变化，提高磷酸盐竞争某些必需金属离子的作用提高磷酸盐竞争某些必需金属离子的作用293 细胞膜透性的调节细胞膜透性的调节 在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。若输入硫化物能力增大，硫源供应充足，合成青霉素的量就增多。30第二节第二节 代谢的人工控制及应用代谢的人工控制及应用 工业发酵的目的就是大量地积累人们所需要的微生物代谢产物。在正常生理条件下,微生物总是通过其代谢调节系统最经济地吸收利用营养物质用于合成细胞结构，进行生长和繁殖，它们通常不浪费原料和能量，也不积累中间代谢产物。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，这就是所谓代谢的人工控制。主要是通过遗传学和生物化学方法来实现的31一一.遗传学的方法遗传学的方法 通过改变微生物遗传物质可以从根本上打破微生物原有的代谢控制机制，具体包括应用特定的营养缺陷型突变株、渗漏突变菌株、抗反馈调节的突变株、抗分解代谢突变株以及组成型突变菌株。321.1.营养缺陷型突变株的应用营养缺陷型突变株的应用 对于直线式代谢途径，选育末端代谢产物营养缺陷型的突变株只能积累中间代谢产物。如末端产物E对途径第一个酶有反馈阻遏或反馈抑制，而菌株失去了将C转化成D的力，是E的营养缺陷型。假如在培养基中限量添E，菌体得以生长，中间产物C能够大量积累。谷氨酸棒杆菌的精氨酸缺陷型就是一个典型例子,鸟氨酸积累量可达到25克/升。3334 对于分支代谢途径而言，情况比较复杂对于分支代谢途径而言，情况比较复杂。如图所示，分支途径因如图所示，分支途径因E E和和G G对途径第一个酶有协同反对途径第一个酶有协同反馈控制，而突变株失去了馈控制，而突变株失去了将将C C转变成转变成D D的能力的能力，产物，产物E E无无法正常生成法正常生成,从而解除了从而解除了E E和和G G的协同反馈控制。的协同反馈控制。若培养基中若培养基中限量补充限量补充E E和和和和GG，就会造成中间产物就会造成中间产物F F的积累的积累35突突变变株株是是E和和G双双重重缺缺陷陷型型，因因而而需需限量添加限量添加E和和G36末末端端产产物物E和和I对对途途径径第第一一个个酶酶有有协协同同反反馈馈控控制制作作用用，突突变变株株失失去去了了将将C转转变变成成F的的能能力力，所所以以，它它也也是是双双重重营营养养缺缺陷陷菌菌株株。如如果果培培养养基基中中限限量量添添加加G和和I，可以积累末端产物，可以积累末端产物E.37赖氨酸、苏氨酸：合作反馈抑制天冬氨酸激酶赖氨酸、苏氨酸：合作反馈抑制天冬氨酸激酶赖氨酸、苏氨酸：合作反馈抑制天冬氨酸激酶赖氨酸、苏氨酸：合作反馈抑制天冬氨酸激酶 天天天天冬冬冬冬氨氨氨氨酸酸酸酸：除除除除合合合合成成成成赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸外外外外，还还还还作作作作为为为为合合合合成成成成苏苏苏苏氨氨氨氨酸酸酸酸和和和和甲甲甲甲硫硫硫硫氨氨氨氨酸酸酸酸的的的的原原原原料料料料。因因因因此此此此，正正正正常常常常的的的的细细细细胞胞胞胞内内内内难难难难以以以以积积积积累累累累较较较较高高高高浓度的赖氨酸浓度的赖氨酸浓度的赖氨酸浓度的赖氨酸。赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸生生生生产产产产：选选选选育育育育谷谷谷谷氨氨氨氨酸酸酸酸棒棒棒棒杆杆杆杆菌菌菌菌的的的的高高高高丝丝丝丝氨氨氨氨酸酸酸酸缺缺缺缺陷陷陷陷型型型型作作作作为为为为赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸的的的的发发发发酵酵酵酵菌菌菌菌种种种种。该该该该菌菌菌菌种种种种由由由由于于于于不不不不能能能能合合合合成成成成高高高高丝丝丝丝氨氨氨氨酸酸酸酸脱脱脱脱氢氢氢氢酶酶酶酶(HSDH)(HSDH)(HSDH)(HSDH)，故故故故不不不不能能能能合合合合成成成成高高高高丝丝丝丝氨氨氨氨酸酸酸酸，也也也也不不不不能能能能合合合合成成成成苏苏苏苏氨氨氨氨酸酸酸酸和和和和蛋蛋蛋蛋氨氨氨氨酸酸酸酸，在在在在补补补补充充充充适适适适量量量量高高高高丝丝丝丝氨氨氨氨酸酸酸酸(或或或或苏苏苏苏氨氨氨氨酸酸酸酸和蛋氨酸和蛋氨酸和蛋氨酸和蛋氨酸)条件下，菌株能条件下，菌株能条件下，菌株能条件下，菌株能大量产生赖氨酸大量产生赖氨酸大量产生赖氨酸大量产生赖氨酸38 青青青青霉霉霉霉素素素素与与与与初初初初级级级级代代代代谢谢谢谢产产产产物物物物赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸是是是是同同同同一一一一分分分分支支支支代代代代谢谢谢谢途途途途径径径径的的的的两两两两个个个个产产产产物物物物。它它它它们们们们的的的的共共共共同同同同前前前前体体体体是是是是-氨氨氨氨基基基基戊戊戊戊二二二二酸酸酸酸。赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸对对对对合合合合成成成成-氨氨氨氨基基基基戊戊戊戊二二二二酸酸酸酸的的的的酶酶酶酶有有有有反反反反馈馈馈馈阻阻阻阻遏遏遏遏或或或或抑抑抑抑制制制制作作作作用用用用，赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸达达达达到到到到一一一一定定定定浓浓浓浓度度度度后后后后，阻阻阻阻止止止止-氨氨氨氨基基基基戊戊戊戊二二二二酸酸酸酸的的的的合合合合成成成成，也阻止了青霉素的合成。也阻止了青霉素的合成。也阻止了青霉素的合成。也阻止了青霉素的合成。选选选选育育育育赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸营营营营养养养养缺缺缺缺陷陷陷陷型型型型，解解解解除除除除赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸反反反反馈馈馈馈调调调调节节节节，同同同同时时时时，也也也也切切切切断断断断了了了了通通通通向向向向赖赖赖赖氨氨氨氨酸酸酸酸的的的的代代代代谢谢谢谢支支支支路路路路，使使使使大大大大量量量量生生生生成成成成的的的的-氨氨氨氨基戊二酸用于青霉素的合成。基戊二酸用于青霉素的合成。基戊二酸用于青霉素的合成。基戊二酸用于青霉素的合成。392.抗反馈控制突变株的应用抗反馈控制突变株的应用抗反馈控制突变株就是指对抗反馈控制突变株就是指对抗反馈控制突变株就是指对抗反馈控制突变株就是指对反馈抑制不敏感反馈抑制不敏感反馈抑制不敏感反馈抑制不敏感或或或或对对对对阻遏有抗性阻遏有抗性阻遏有抗性阻遏有抗性，或两者兼而有之的菌株。在这类，或两者兼而有之的菌株。在这类，或两者兼而有之的菌株。在这类，或两者兼而有之的菌株。在这类菌株中，反馈调节已经解除，所以能大量积累末菌株中，反馈调节已经解除，所以能大量积累末菌株中，反馈调节已经解除，所以能大量积累末菌株中，反馈调节已经解除，所以能大量积累末端代谢产物。端代谢产物。端代谢产物。端代谢产物。抗反馈抑制突变株可以从抗反馈抑制突变株可以从抗反馈抑制突变株可以从抗反馈抑制突变株可以从结构类似物结构类似物结构类似物结构类似物抗性突抗性突抗性突抗性突变株和变株和变株和变株和营养缺陷型回复突变株营养缺陷型回复突变株营养缺陷型回复突变株营养缺陷型回复突变株中获得。中获得。中获得。中获得。40添添加加了了结结构构类类似似物物的的培培养养基基就就象象一一个个筛筛子子，可可以以将将解解除除了了反反馈馈控控制制的的突突变变株株筛筛选选出出来来。这这些些与与末末端端代代谢谢产产物物结结构构类类似似的的化化合合物物会会干干扰扰正正常常菌菌体体的的代代谢谢，甚甚至至引引起起菌菌体死亡，所以又称为体死亡，所以又称为抗代谢物。抗代谢物。41目标产物目标产物目标产物目标产物结构类似物结构类似物结构类似物结构类似物赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸S-S-S-S-（2 2 2 2氨基乙基）氨基乙基）氨基乙基）氨基乙基）-L-L-L-L半胱氨半胱氨半胱氨半胱氨酸酸酸酸-(AEC)-(AEC)-(AEC)-(AEC)苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸 -氨基氨基氨基氨基-羟基戊酸（羟基戊酸（羟基戊酸（羟基戊酸（AHV)AHV)AHV)AHV)异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸乙硫氨酸乙硫氨酸乙硫氨酸乙硫氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸D-D-D-D-精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸对氟苯丙氨酸对氟苯丙氨酸对氟苯丙氨酸对氟苯丙氨酸42许许多多氨氨基基酸酸、嘌嘌呤呤、嘧嘧啶啶和和维维生生素素的的结结构构类类似似物物已已用用于于氨氨基基酸酸、核核苷苷、核核苷苷酸酸和和维维生生素素高高产产菌株的育种工作。菌株的育种工作。433.渗漏突变菌株的利用渗漏突变菌株的利用 渗漏缺陷型的利用 这是一种不完全的营养缺陷型，它不会产生过量的末端产物，因而可以避开反馈调节。但它又能合成微量的末端产物，用来进行生物合成。这样在培养这类突变体时，可不必在培养基中添加相应的物质，就能积累所需的产物了。444.抗分解代谢阻遏突变株抗分解代谢阻遏突变株 通过突变可以获得抗分解代谢阻遏的突变体。如果这种突变体是用于葡萄糖分解途径的，则该类突变体具有缓慢利用葡萄糖的能力，结果是使整个系列的酶去阻遏。455.组成型产生菌的应用组成型产生菌的应用 在发酵工业中，要选择到一种廉价、高效的诱导物是不容易的，分批限量加入诱导物在工艺上也多不便，更为有效的方法是改变菌株的遗传特性，除去对诱导物的需要，即选育组成型突变株。突变可以除去酶合成时对诱导物的依赖。这样：组成酶突变抹在没有诱导底物存在时，也能照常合成诱导酶。在生产中使用组成酶突变株时，可不必在发酵液中添加诱导物，而且它们产生的诱导酶活性也比原菌株强，其优点是显而易见的。46 二、二、二、二、生物化学方法生物化学方法添加前体绕过反馈控制点添加前体绕过反馈控制点添加前体绕过反馈控制点添加前体绕过反馈控制点不通过遗传学方法也能改变菌株的调节机制，不通过遗传学方法也能改变菌株的调节机制，不通过遗传学方法也能改变菌株的调节机制，不通过遗传学方法也能改变菌株的调节机制，采取添加前体绕过反馈调节点是一种有效的方法，采取添加前体绕过反馈调节点是一种有效的方法，采取添加前体绕过反馈调节点是一种有效的方法，采取添加前体绕过反馈调节点是一种有效的方法，能使某种代谢产物大量积累。如图，在发酵培养基能使某种代谢产物大量积累。如图，在发酵培养基能使某种代谢产物大量积累。如图，在发酵培养基能使某种代谢产物大量积累。如图，在发酵培养基中添加中添加中添加中添加C C C C，可以大量积累，可以大量积累，可以大量积累，可以大量积累D D D D。其原因是。其原因是。其原因是。其原因是D D D D的前体的前体的前体的前体C C C C来来来来自外源，并不会因为自外源，并不会因为自外源，并不会因为自外源，并不会因为D D D D的积累而有很大的波动。由于的积累而有很大的波动。由于的积累而有很大的波动。由于的积累而有很大的波动。由于F F F F对从对从对从对从C C C C到到到到E E E E 的反应有反馈调节，所以，只有少部分的反应有反馈调节，所以，只有少部分的反应有反馈调节，所以，只有少部分的反应有反馈调节，所以，只有少部分的的的的C C C C 用于合成用于合成用于合成用于合成F F F F，大部分外源的，大部分外源的，大部分外源的，大部分外源的C C C C用于合成用于合成用于合成用于合成D D D D。47色氨酸生物合成中,终产物对色氨酸代谢途径的第一个酶有强烈的反馈抑制作用，使色氦酸的合成受阻。而邻氨基苯甲酸是色氦酸合成的一个前体，仅参与色氨酸的最后阶段的合成，如果在发酵中加入邻氨基苯甲酸，虽然色氨酸对第一个酶的反馈抑制仍然在，但对由邻氨基苯甲酸合成色氨酸并无影响，使色氨酸的合成可以不断进行，从而大幅度提高了发酵产量。48添加诱导剂添加诱导剂诱导酶只有在诱导剂存在时才形成，因此，在培养基中加入诱导剂，可以大量合成这类酶。从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，如大肠杆菌-半乳糖苷酶的最有效诱导剂是异丙酰-D-硫代半乳糖苷，它不被-半乳糖苷酶分解。高浓度底物诱导剂的利用速率太快时，也会引起分解代谢物的阻遏。49几种酶的诱导物几种酶的诱导物酶酶微生物微生物基质基质产物诱导物产物诱导物葡萄糖淀葡萄糖淀粉酶粉酶黒黒曲霉曲霉淀粉淀粉麦芽糖麦芽糖异麦芽糖异麦芽糖淀粉酶淀粉酶嗜热芽嗜热芽孢杆菌孢杆菌淀粉淀粉麦芽糊精麦芽糊精脂酶脂酶白地霉白地霉脂质脂质脂肪酸脂肪酸50 因此，对于许多工业发酵生产胞外酶的过程来说，如果以高浓度底物为诱导剂，产量反而不高。用底物的衍生物做诱导剂，因为利用速度缓慢，可以消除分解代谢物的阻遏，显著提高酶的产量。例如利用蔗糖单棕榈酸酯代替蔗糖作诱导剂可以使双孢拟内孢霉的转化酶产量提高约80倍。51此外，酶合成的调节还受反馈调节和分解代谢此外，酶合成的调节还受反馈调节和分解代谢物的调节，受分解代谢物的酶类如下表所示物的调节，受分解代谢物的酶类如下表所示:酶酶菌种菌种阻遏性碳源阻遏性碳源-淀粉酶淀粉酶嗜热芽孢杆菌嗜热芽孢杆菌果糖果糖纤维素酶纤维素酶绿色木酶绿色木酶葡萄糖、甘油葡萄糖、甘油、淀粉、纤维、淀粉、纤维二糖二糖蛋白酶蛋白酶巨大芽孢杆菌巨大芽孢杆菌葡萄糖葡萄糖蛋白酶蛋白酶解脂假丝酵母解脂假丝酵母葡萄糖葡萄糖52 发酵与分离过程耦合发酵与分离过程耦合 反馈调节的启动因素就是超过菌体正常需求量反馈调节的启动因素就是超过菌体正常需求量反馈调节的启动因素就是超过菌体正常需求量反馈调节的启动因素就是超过菌体正常需求量的末端代谢产物，也就是说，的末端代谢产物，也就是说，的末端代谢产物，也就是说，的末端代谢产物，也就是说，只有末端代谢产物的只有末端代谢产物的只有末端代谢产物的只有末端代谢产物的浓度超过一定值后，菌体的反馈调节机制才会发挥浓度超过一定值后，菌体的反馈调节机制才会发挥浓度超过一定值后，菌体的反馈调节机制才会发挥浓度超过一定值后，菌体的反馈调节机制才会发挥作用。作用。作用。作用。如果我们在发酵的同时就如果我们在发酵的同时就如果我们在发酵的同时就如果我们在发酵的同时就将末端代谢产物不将末端代谢产物不将末端代谢产物不将末端代谢产物不断地移走，断地移走，断地移走，断地移走，使发酵体系中末端代谢产物的浓度始终使发酵体系中末端代谢产物的浓度始终使发酵体系中末端代谢产物的浓度始终使发酵体系中末端代谢产物的浓度始终处于较低的水平，那么菌体内代谢途径将始终畅通处于较低的水平，那么菌体内代谢途径将始终畅通处于较低的水平，那么菌体内代谢途径将始终畅通处于较低的水平，那么菌体内代谢途径将始终畅通无阻。无阻。无阻。无阻。与发酵过程耦合的与发酵过程耦合的与发酵过程耦合的与发酵过程耦合的分离手段很多分离手段很多分离手段很多分离手段很多,有膜分离、双有膜分离、双有膜分离、双有膜分离、双水相萃取。水相萃取。水相萃取。水相萃取。53 控制细胞膜的通透性控制细胞膜的通透性 细胞内代谢产物常以较高浓度积累在细胞内，细胞内代谢产物常以较高浓度积累在细胞内，细胞内代谢产物常以较高浓度积累在细胞内，细胞内代谢产物常以较高浓度积累在细胞内，并反馈控制它的进一步合成。采用生理学方法，并反馈控制它的进一步合成。采用生理学方法，并反馈控制它的进一步合成。采用生理学方法，并反馈控制它的进一步合成。采用生理学方法，可以改变细胞膜通透性，使细胞内代谢产物迅可以改变细胞膜通透性，使细胞内代谢产物迅可以改变细胞膜通透性，使细胞内代谢产物迅可以改变细胞膜通透性，使细胞内代谢产物迅速渗透到细胞外，消除反馈控制，有利于提高速渗透到细胞外，消除反馈控制，有利于提高速渗透到细胞外，消除反馈控制，有利于提高速渗透到细胞外，消除反馈控制，有利于提高发酵产量。发酵产量。发酵产量。发酵产量。54 生生生生物物物物素素素素是是是是脂脂脂脂肪肪肪肪酸酸酸酸生生生生物物物物合合合合成成成成中中中中乙乙乙乙酰酰酰酰CoACoACoACoA羧羧羧羧化化化化酶酶酶酶的的的的辅辅辅辅基基基基，该该该该酶酶酶酶催催催催化化化化乙乙乙乙酰酰酰酰CoACoACoACoA的的的的羧羧羧羧化化化化生生生生成成成成丙丙丙丙二二二二酸酸酸酸单单单单酰酰酰酰CoACoACoACoA，进进进进而而而而合合合合成成成成细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜磷磷磷磷脂脂脂脂的的的的主主主主要要要要成成成成分分分分脂脂脂脂肪肪肪肪酸酸酸酸。因因因因此此此此，只只只只要要要要控控控控制制制制生生生生物物物物素素素素的的的的含含含含量量量量就就就就可可可可以以以以改改改改变变变变细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜的的的的成成成成分分分分，进进进进而而而而改改改改变变变变膜膜膜膜的的的的通通通通透透透透性性性性，影影影影响响响响到到到到代代代代谢谢谢谢产产产产物物物物的分泌。的分泌。的分泌。的分泌。如油酸、表面活性剂、甘油如油酸、表面活性剂、甘油如油酸、表面活性剂、甘油如油酸、表面活性剂、甘油。55 在在在在谷谷谷谷氨氨氨氨酸酸酸酸发发发发酵酵酵酵生生生生产产产产中中中中，生生生生物物物物素素素素的的的的浓浓浓浓度度度度对对对对谷谷谷谷氨氨氨氨酸酸酸酸的的的的积积积积累累累累有有有有明明明明显显显显的的的的影影影影响响响响，只只只只有有有有把把把把生生生生物物物物素素素素的的的的浓浓浓浓度度度度控控控控制制制制在在在在适量情况下，才能大量分泌谷氨酸。适量情况下，才能大量分泌谷氨酸。适量情况下，才能大量分泌谷氨酸。适量情况下，才能大量分泌谷氨酸。当当当当生生生生物物物物素素素素含含含含量量量量为为为为2.5mg/ml2.5mg/ml2.5mg/ml2.5mg/ml时时时时，谷谷谷谷氨氨氨氨酸酸酸酸的的的的产产产产量量量量最最最最高，继续增加生物素，谷氨酸产量反而下降。高，继续增加生物素，谷氨酸产量反而下降。高，继续增加生物素，谷氨酸产量反而下降。高，继续增加生物素，谷氨酸产量反而下降。当当当当生生生生物物物物素素素素含含含含量量量量较较较较高高高高时时时时，添添添添加加加加适适适适量量量量的的的的青青青青霉霉霉霉素素素素也也也也有有有有提提提提高高高高谷谷谷谷氨氨氨氨酸酸酸酸产产产产量量量量的的的的效效效效果果果果。其其其其原原原原因因因因是是是是青青青青霉霉霉霉素素素素可可可可抑抑抑抑制制制制细细细细菌菌菌菌细细细细胞胞胞胞壁壁壁壁肽肽肽肽聚聚聚聚糖糖糖糖合合合合成成成成中中中中转转转转肽肽肽肽酶酶酶酶活活活活性性性性，结结结结果果果果引引引引起起起起其其其其结结结结构构构构中中中中肽肽肽肽桥桥桥桥间间间间无无无无法法法法交交交交联联联联，造造造造成成成成细细细细胞胞胞胞壁壁壁壁缺缺缺缺损损损损，这这这这有有有有利利利利于于于于代谢产物渗漏到胞外。代谢产物渗漏到胞外。代谢产物渗漏到胞外。代谢产物渗漏到胞外。56 遗遗遗遗传传传传学学学学方方方方法法法法也也也也能能能能用用用用于于于于改改改改变变变变细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜的的的的通通通通透透透透性性性性。应应应应用用用用谷谷谷谷氨氨氨氨酸酸酸酸生生生生产产产产菌菌菌菌的的的的油油油油酸酸酸酸缺缺缺缺陷陷陷陷型型型型菌菌菌菌株株株株，在在在在限限限限量量量量补补补补充充充充油油油油酸酸酸酸的的的的培培培培养养养养基基基基中中中中，因因因因为为为为油油油油酸酸酸酸是是是是细细细细菌菌菌菌细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜磷磷磷磷脂脂脂脂中中中中重重重重要要要要的的的的脂脂脂脂肪肪肪肪酸酸酸酸，油油油油酸酸酸酸缺缺缺缺陷陷陷陷型型型型突突突突变变变变株株株株不不不不能能能能合合合合成成成成油油油油酸酸酸酸而而而而使使使使细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜缺缺缺缺损损损损,使使使使细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜发发发发生生生生渗渗渗渗漏漏漏漏而提高谷氨酸的产量。而提高谷氨酸的产量。而提高谷氨酸的产量。而提高谷氨酸的产量。57控制发酵的培养基成分：控制发酵的培养基成分：碳源分解调节碳源分解调节氮源分解调节氮源分解调节磷酸盐调节磷酸盐调节58避免使用有阻遏作用的碳源和氮源避免使用有阻遏作用的碳源和氮源 在积累经验之后，在积累经验之后，一些发酵可采用相对来说一些发酵可采用相对来说不引起分解代谢阻遏的碳源或氮源，如乳糖、多不引起分解代谢阻遏的碳源或氮源，如乳糖、多元醇、有机酸和黄豆饼粉元醇、有机酸和黄豆饼粉等。等。举例：举例：用用甘露糖甘露糖代替代替半乳糖半乳糖来培养萤光假单胞来培养萤光假单胞菌由于克服了半乳糖的分解代谢阻遏，结果在细菌由于克服了半乳糖的分解代谢阻遏，结果在细胞中所产生的纤维素酶提高了胞中所产生的纤维素酶提高了15001500倍。倍。流加碳源或氮源流加碳源或氮源 考虑经济效益而必须使用有阻遏作用的碳源考虑经济效益而必须使用有阻遏作用的碳源或氮源时，可使分解代谢产物维持在较低的水平或氮源时，可使分解代谢产物维持在较低的水平上，而不致于产生阻遏。如果上，而不致于产生阻遏。如果缓慢流加葡萄糖，缓慢流加葡萄糖，也能使产量提高也能使产量提高200200倍左右。倍左右。59小测验一l l1 1、发酵工业的兴起，成功建立起发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整套工艺深层通气培养法及整套工艺2 2、我国发酵食品工艺的特色在哪些方面？、我国发酵食品工艺的特色在