工业微生物选育

乳糖操纵子

色氨酸操纵子
3.1.2酶活性的反馈抑制


酶活性调节是通过改变已存在的酶分子活性来 调节代谢速度，包括在酶活性的激活和抑制。 能够激活的物质称为激活剂，抑制酶活性的物 质称为抑制剂。 调节酶活力比调节酶的合成更迅速、及时而有 效。

受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶。 变构酶分子由活性中心和调节中心组成，是一 种变构蛋白。
（2）KNF模式 T态和R可以共存于一个寡聚体中。 一个亚基与底物或效应物结合后，可以使相邻亚 基对后继底物分子的亲和力提高或降低。顺序递 变，直至酶分子中所有亚基都发生同样的构象变 化。
3.1.2.2 动力学性质

协同作用：是配基在酶蛋白的一个部位的结合，会影响 同一分子的另一部位的配基的结合，于是促进作用便为 正向协同，相反使进一步结合受阻则为负向协同。


cAMP可促进诱导酶的大量合成，它是大肠杆 菌可诱导的操纵子转录mRNA时所必须的。 cAMP通过一特殊的蛋白质-cAMP结合蛋白结 合在启动基因上，从而增加该基因对RNA聚合 酶的亲和力，增加转录的频率。

当葡葡糖耗完时，cAMP浓度上升，它与CRP（CAMP 受体蛋白）结合后一起去激活启动基因（P），提高 RNA聚合酶与P的亲和能力，同时由于乳糖的诱导作用 ，乳糖操纵子的转录开始，从而诱导酶的合成。


酶合成的诱导对于微生物是十分有意义的。 从营养的角度看，微生物可以根据所提供的生 长底物，诱导合成相应的酶，以分解生长底物 ，吸收营养，进行代谢活动，从而加强微生物 对环境的适应能力。 从细胞经济的角度看，微生物仅在需要时才合 成某些酶，在不需要时便不合成，这就避免了 生物合成的原料和能量的浪费。
2.工业微生物菌种的分离、选育


微生物资源不仅十分丰富，可挖掘的潜力很大 。 菌种工作包括不断发掘新菌种，还包括围绕提 高产量、改进质量、改革工艺等目的，对现有 菌种进行的改革。
2.1菌种的分离
菌种的来源： 根据资料直接向有关科研单位、高等院校、工 厂或菌种保藏部门索取或购买； 从大自然中分离筛选新的微生物菌种。
实例
3.1.3微生物代谢调节的特性
（1）酶活性调节与酶量调节的区别与配合 区别：酶量的调节是在转录水平上阻遏或诱导 酶的合成，但这种措施对于环境变化的反应比 较迟缓；反馈抑制不涉及蛋白质的合成过程， 这种调节比较直接、迅速和灵活。 配合：当酶量调节与酶活性调节两者共存时， 就能获得最大调节效果。前者称为粗 调，后者 称为细调。

3.微生物的代谢调控机制


微生物分解和合成代谢都是由酶催化反应的。 通过对酶进行协调控制，微生物可最经济地利 用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所 需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不 剩余任何代谢物的高效‚经济核算‛。 微生物细胞具有高度严密的自我调节能力，这 对于微生物在工业上的应用，则有利也有弊。


变构酶正协同作用的S形动力学意味着存在底 物及效应物对反应速度发生影响的阈值，这在 代谢控制上具有很大的生理意义。 既可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度。 又能保证细胞处于一个相对恒定的状态。



与正协同相反，负协同具有表观的双曲线动力 学特点。 酶反应速度对底物浓度变化相对不敏感，这一 点对于细胞内那些和多条代谢途径有联系的酶 反应来说，保证其能恒定正常地工作是十分重 要的。 例如，磷酸甘油醛脱氢酶对底物NAD+的结合 具有负协同效应。

这种阻遏机制对微生物是很有利的，只要有一 个容易同化的底物存在，细胞就不必耗费能量 和原料去合成效率较低的途径的酶系，而使其 代谢作用能更多地用于产生生长所必需的组分 。

值得注意的是，在一种微生物中起分解 代谢物阻遏作用的化合物可能在另一种 微生物中不起作用。
大肠杆菌分解代谢产物的阻遏机制 葡萄糖的分解代谢物抑制腺苷酸环化酶的活性 ，使环状3′，5′-腺苷单磷酸（cAMP）不足 所致。
2.1.1 分离思路


新菌种的分离是要从混杂的各类微生物 中依照生产的要求、菌种的特性，采用 各种筛选方法，快速、准确地把所需要 的菌种挑选出来。 新种分离与筛选的步骤一般为：定方案 、采样、增殖、分离、发酵性能测定等 。
2.1.2菌种纯种分离技术

平板划线分离法
将经增殖的含菌培养物少许于盛有无菌水的试管中 稀释，在固体培养基表面做规则的划线，密集的含菌 样品经多次划线稀释，最后得到由单细胞发育成的菌 落。
变构酶的作用程序如下： 专一性的代谢物（变构效应物）与酶蛋白表面 的特定部位（变构部位）结合→ 酶分子的构象 变化（变构转换）→ 活性中心的修饰→ 抑制 或促进酶活性。 变构中心具有独立性，因此，变构酶经特定处 理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏 感性，即为脱敏作用。
3.1.2.1 变构酶的模型

稀释分离法
1 ml含菌样品于9 ml无菌水中做一系列稀释，分别取 一滴稀释液于平板培养基上，用无菌玻棒涂布器均匀 涂布，形成单菌落。
2.2菌种的选育


选育目的：提供质量优异的菌种，生物 合成目的产物的能力高，能抵抗不良的 培养条件，生产周期短，能简化发酵和 下游处理工艺，方便管理及综合利用。 选育的基本内容：根据微生物遗传变异 的理论，用人工方法造就菌种变异或形 成新的杂种，再按生产要求筛选得到新 的品种或杂种。
实例

③合作反馈抑制又称增效反馈抑制，系指两种 末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产 物大得多的反馈抑制作用。
实例

④顺序反馈抑制
实例
⑤同功酶调节 同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白 分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个 个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特 性上却存在着差别。 在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的 一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，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。
(1) MWC模式 其要点如下： 变构酶是寡聚酶，由多个相同的亚基组成，这些亚基在酶分子中 对称排布。 每个亚基对特定的配体都各有一个结合部位，这些结合部位都是 相等的。 亚基有两种不同的构象状态，分别称为R态（催化状态）和T态（ 抑制状态），R态对底物和激化活剂有较大的亲和力，T态对抑制 剂有较大的亲和力。 酶分子中所有亚基都处于相同的构象状态。当一个亚基从T态转 变为R态时，其它亚基也都同时转变为R态，即所有亚基的构象转 变是同步的。 当酶分子由一种构象状态转变成另一种构象状态时，其分子对称 性保持不变，T态和R态处于动态平衡之中。
（1）末端产物阻遏 指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的 阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏 的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的 各种酶，使之合成受阻遏。

对分支代谢途径来说，情况就较复杂。 多价阻遏作用：每种末端产物仅专一地阻遏合 成它的那条分支途径的酶。代谢途径分支点以 前的‚公共酶‛仅受所有分支途径末端产物的 阻遏。
3.1微生物初级代谢产物的代谢调节

3.1.1诱导酶的产生与反馈阻遏 3.1.2酶活性的反馈抑制
3.1.1诱导酶的产生与反馈阻遏

3.1.1.1 酶的诱导合成 3.1.1.2 酶合成的反馈阻遏
3.1.1.1 酶的诱导合成



组成酶：细胞所固有的，经常存在于细胞内，以恒定 速度和恒定数量生成，不随微生物的代谢状态而变化 的一类酶。 诱导酶：在一般情况下细胞内不生成或数量很少，这 些酶只有在底物或其结构类似物存在时才生成的一类 酶。 组成酶和诱导酶是相对的概念。 酶的诱导合成现象是微生物普遍存在的，许多分解代 谢的酶属于诱导酶类，有些合成酶（如细胞色素）也 是诱导酶类。

积累阻遏：每个分支合成途径的终产物仅部分 地阻遏初始酶的合成，且各阻遏的百分数，不 管第二个阻遏物存在与否，都是一样的。
（2）分解代谢产物阻遏 简称分解阻遏，在微生物代谢中普遍存在，是 微生物在长期进化过程中形成的一种重要的代 谢调节方式。

二次生长现象




‚葡萄糖效应‛:葡萄糖干扰其他碳源利用的现 象。 随后的研究表明，葡萄糖效应并非由葡萄糖直 接造成，而是其某种分解代谢产物所引起的。 分解阻遏不仅仅限于葡萄糖，其他碳源和氮源 也能起相同作用。 分解代谢物的阻遏作用：指代谢反应链中，某 些中间代谢物或末端代谢物的过量累积而阻遏 代谢途径中一些酶合成的现象。
3.1.1.3酶合成的诱导和阻遏的机制

酶的诱导和阻遏以相反方向影响酶的生物合成 ，它们的作用机制是相似的，可以用操纵子模 型来解释，并已得到实验上的证明。
操纵子学说 要点：在染色体的DNA链上有调节基因和操纵子。操纵子 包括一串功能相关联的结构基因、操纵基因和启动子。 结构基因携带遗传信息 ；操纵基因不编码蛋白质，是与调 节蛋白结合的部位，控制结构基因的转录；启动子不编码 蛋白质，是与RNA聚合酶结构的部位，只有RNA聚合酶与 启动子结合后，才能启动结构基因转录。调节基因编码一 种变构蛋白，有两个位点，一个位点与操纵基因结合，另 一位点与称为调节物的特殊小分子物质结合，这种结合是 可逆的，当调节物与调节蛋白结合后，便引起调节蛋白变 构，变构了的调节蛋白能增加或降低与操纵基因结合的能 力。
3.1.2.3 代谢调节的激活作用
主要有两种类型： 一是前体激活，即指代谢途径 中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个 中间产物所促进。

二是代谢中间产物的反馈激活。
3.1.2.4反馈抑制的类型

(1)直线式代谢途径中的反馈抑制
(2)分支代谢途径中的反馈抑制 其共同特点是每个分支途径的末端产物 控制分支点后的第一个酶，同时每个末 端产物又对整个途径的第一个酶有部分 的抑制作用。