第二章 代谢控制发酵的基本思想
代谢控制发酵
第一章绪论1、代谢控制发酵：就是利用遗传学的方法或其他生物化学方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累的发酵。
P22、代谢控制发酵的关键：取决于微生物代谢控制机制是否能够被解除，能否打破微生物正常的代谢调节，人为地控制微生物的代谢。
P23、代谢工程的具体思路：P31、改变代谢流：（1）、加速速度限制反应；（2）、改变分支代谢途径的流向；（3）、构建代谢旁路；（4）、改变能量代谢途径。
2、扩展代谢途径和构建新的代谢途径：（1）、引入外源基因，延伸代谢途径；（2）、利用新的底物，构建新的生物合成途径。
第二章代谢控制发酵的基本思想1、微生物细胞的调节机制：P7-9（1）、通过控制基因的酶生物合成的控制机制：①诱导——促进酶的合成；②阻遏——抑制酶的合成，包括：1）终产物阻遏，2）分解代谢物阻遏。
（2）、酶活性的控制机制：①终产物抑制或激活，②通过辅酶水平的活性调节，③酶原的活化，④潜在酶的活化。
（3）、通过细胞渗透性的控制：（根据酶在代谢调节中作用不同分类）①调节酶：变构酶、同功酶、多功能酶。
②静态酶③潜在酶2、脱敏作用：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。
注：处理方法：①使变构酶解聚，②基因突变。
P153、反馈抑制的调节类型可以分为以下几种：P18-21 图略（1）、单功能途径中酶活性的调节类型：①前体激活，②补偿性激活。
（2）、多功能途径中酶活性的调节类型：①协作反馈抑制或称多价反馈抑制，②合作反馈抑制，③积累反馈抑制，④顺序反馈抑制，⑤假反馈抑制：指结构类似物的反馈抑制，⑥同功酶4、分解代谢物阻遏：当细胞具有一优先利用的底物（通常是，但并不总是葡萄糖）时，很多其他分解反应途径受到阻遏。
P27 (注：根据葡萄糖效应理解)5、突破微生物的自我调节控制机制，使代谢产物大量积累的有效措施：P31 （1）、应用营养缺陷型菌株。
代谢控制发酵的基本思想2
16
小结：
增加前体物合成的途径：
切断分支代谢途径 解除前体物的反馈调节 增强分支点代谢流 增加关键酶的表达
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五、特殊调节机制的利用
1.多种产物控制机制的利用 多种产物控制机制的利用 2.平衡合成的利用 平衡合成的利用 3.代谢互锁的利用 3.代谢互锁的利用 4.优先合成的变换 优先合成的变换
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8
举例：
选育异亮氨酸菌株时 选育异亮氨酸菌株时，苏氨酸是异亮氨酸 异亮氨酸菌株 的前体物。为了积累异亮氨酸， 的前体物。为了积累异亮氨酸，除设法解 除异亮氨酸自身合成的反馈调节外， 除异亮氨酸自身合成的反馈调节外，还需 设法解除苏氨酸的反馈调节， 解除苏氨酸的反馈调节 设法解除苏氨酸的反馈调节，增加异亮氨 酸的产量。 酸的产量。
33
如果该酶是蛋白质， 如果该酶是蛋白质，维生素或核苷酸生 物合成途径上的酶， 物合成途径上的酶，则该突变株高温下 就是一种营养缺陷型。 就是一种营养缺陷型。
例：如果突变位置发生在为亮氨酸合成酶系编码的基 因中，使翻译出来的酶对温度敏感，则高温时就不能 合成亮氨酸，即成为亮氨酸缺陷型。
34
例如：
天冬氨酰磷酸
1/3
天冬氨酰半醛 二氢吡啶二羧酸
高丝氨酸脱氢酶
高丝氨酸
高丝氨酸激酶
O-
酰高丝氨酸 氨酸
氨酸
O-磷酸高丝氨酸 磷酸高丝氨酸 氨酸
TD
氨酸
30
六、条件突变株的应用
像温度敏感性突变、链霉素依赖性突变 和低温敏感性突变等，因环境条件的不 同能显示突变型特性的改变，称为条件 致死突变（conditional lethal mutation）。 主要是蛋白质的结构基因发生突变。
21
山东轻工业学院代谢控制发酵
1、代谢控制发酵指利用遗传学的方法或者其它生物化学的方法（1分），人为地在脱氧核糖核酸（DNA）分子水平上改变和控制微生物的代谢，使目标产物大量生成、积累的发酵（1分）。
2、关键酶是参与代谢调节的酶的总称（1分）。
作为一个反应链的限速因子，对整个反应起限速作用。
常称为调节酶，主要包括变构酶、同功酶和多功能酶（1分）。
3、操纵子是指原核生物基因组的一个表达调控序列（1分），长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控（1分）。
4、巴斯德效应在有氧的条件下（1分），由于进行呼吸作用而使酒精发酵和糖酵解作用受到抑制的现象（1分）。
5、营养缺陷型指原菌株由于发生基因突变（1分），致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养基中补加该营养物质才能生长的突变型菌株（1分）。
10分，每题2分）√，如果是错误的，在其下方加以改正。
即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体√（2分）×（1分）（1分）反馈抑制是在DNA水平上进行控制。
×（1改正：反馈阻遏是在DNA水平上进行控制，反馈抑制控制的是酶蛋白的构象变化。
分）5、渗漏型缺陷是指遗传性障碍不完全的缺陷型，仍能够在基本培养基上进行大量生长。
×（1分）改正：渗漏型缺陷是指遗传性障碍不完全的缺陷型，能够在基本培养基上进行少量生长。
（1分）三、填空题（本题满分20分，每空1分）1、乳糖操纵子中结构基因编码的三个酶分别是β—半乳糖苷酶、β-半乳糖透性酶、β-半乳糖苷转乙酰基酶。
2、微生物细胞代谢的调节机制主要有酶的活性调节和酶的生物合成（酶量）调节。
3、调节酶的催化部位与酶反应底物相结合，催化酶的反应；变构部位能与特异代谢物（变构效应物）相结合，使酶的构象发生改变，从而影响催化部位的活性。
4、变构酶的脱敏作用指该酶经过特定处理后，可使变构酶解聚，或变构酶的编码基因发生突变，失去调节功能，但一般不丧失其催化活性。
江南大学发酵调控基本思想
☞分解代谢物阻遏是由于cAMP的不足造成的。
分解代谢物阻遏作用的分子机制
CAP 基因
R T
CAP 结合 部位
结构基因
P RNA 聚合酶 mRNAZ mRNAY mRNAa O LacZ LacY Laca T
mRNA
基 因 表 达
CAP
cAMP -CAP 葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 腺苷酸环 抑制 化酶 cAMP 磷酸二酯 酶 激活 分解代 谢产物 葡萄糖
图 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； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期； 2. 同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
葡萄糖效应：葡萄糖降解产物对其他分解代谢操纵子 的阻遏作用称为分解代谢物阻遏（降解物阻遏）。 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。 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。
① ②
①
①
3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶(DAHP)
积累反馈抑制（cumulative feedback inhibition）
特点：在累积反馈抑制中，每一个最终产物只单独地、部分地抑制
共同代谢途径中的第一个酶。当几个末端产物同时存在时，它们的
抑制作用时积累的。
大肠杆菌中8种产物对谷氨酰胺合成酶的抑制
关键酶:参与代谢调节的酶的总称，对整个反应起限速 作用。
一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的 分支点酶可以成为关键酶，但是关键酶并不都是分支点酶。
关键酶具有特异性。
关键酶可以是变构酶、同工酶或多功能酶
微生物代谢控制发酵——【发酵工程】
• 渗漏型突变株
•
指遗传性障碍不完全的缺陷型。由于这种突变是它的某一种酶的
活性下降而不是完全丧失，因此，渗漏缺陷型能够少量地合成某一代谢
最终产物，能在基本培养基上进行少量的生长
• 代谢互锁 Metabolic int，受来自另外一种从生物合成途径来看似 乎完全无关的终产物的控制，这种现象叫代谢互锁
枯草芽胞杆菌嘌呤核苷酸生物合成的调节机 制
• 在枯草芽胞杆菌的嘌呤核苷酸生物合成中，有几个部位 受到产物的反馈调节，催化这些步骤的酶都是变构酶。
• PRPP合成5/-磷酸核糖胺途径中的酶受AMP、GMP的反馈抑 制，并且二者在抑制该酶活性中有互相增效的作用。
• IMP是AMP、GMP合成途径的分支点，分别接受AMP和GMP的 反馈调节。即在AMP合成中，专一性酶腺苷琥珀酸合成酶 （SAMP合成酶）仅受AMP系物质的反馈阻遏；在GMP合成 中，专一性酶（IMP脱氢酶）仅受GMP系物质的反馈阻遏 和反馈抑制。
• 代谢控制发酵工程能否获得成功，目的产物产量的高低，取决于微生 物细胞自我调节控制是否能够解除或解除的程度。
• 能否解除微生物的自我调节控制机制，而使代谢产物大量积累是代谢 控制发酵育种的关键。
菌体及终端产物
从
初级代谢产物（如酶类）
易
基因改造
到
次级代谢产物（如抗生素）
难
大分子合成素材性产物
外源基因产物
营养缺陷型应用举例 （二）
• 必需氨基酸： • 赖氨酸（Lys）、色氨酸（Trp）、苯丙氨酸（Phe）、蛋
氨酸（Met）、苏氨酸（Thr）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸 （Ile）、缬氨酸（Val）。
赖氨酸为碱性必需氨基酸。由于谷物食品中的赖氨酸含量甚低， 且在加工过程中易被破坏而缺乏，故称为第一限制性氨基酸。
代谢控制发酵
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代谢控制发酵的未来发展趋势
代谢控制发酵的研究热点和难点
代谢调控机制的研究 微生物代谢网络的研究 代谢工程的应用研究 微生物发酵过程的优化和控制
代谢控制发酵的研究趋势和发展方向
代谢控制发酵技术的深入研究：通过基因工程、蛋白质工程等手段，对代谢途径进行精确调 控，提高发酵产物的产量和纯度。
智能化和自动化技术的应用：利用人工智能、大数据等技术手段，实现代谢控制发酵过程的 智能化和自动化，提高生产效率和产品质量。
代谢控制发酵
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代谢控制发酵的基本概念 代谢控制发酵的研究进展
代谢控制发酵的基本概念
代谢控制发酵的定义
代谢途径：控制微生物生长繁殖的过程 发酵过程：利用微生物生产产品的过程 代谢控制发酵：通过控制代谢途径来优化发酵过程 目的：提高产品产量、质量或降低成本等
代谢控制发酵的目的和意义
目的：通过控制代谢过程，提高微生物产品的产量和收率
生物能源和生物材料的研究：利用代谢控制发酵技术，生产生物能源和生物材料，降低对传 统能源和材料的依赖，促进可持续发展。
拓展应用领域：将代谢控制发酵技术应用于医疗、环保等领域，开发新型药物、生物催化剂 等，推动相关领域的发展。
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意义：实现微生物发酵过程的优化和控制，提高生产效率和产品质量 与传统发酵相比的优势：能够更好地控制发酵过程，提高产品纯度和稳 定性 应用领域：医药、食品、化工等领域
代谢控制发酵的研究进展
代谢控制发酵的研究现状
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代谢控制发酵的应用案例
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代谢控制发酵名词解释
代谢控制发酵名词解释代谢控制发酵是在发酵过程中通过调控代谢途径，使得微生物产物合成提高、副产物减少或消失的一种控制策略。
代谢（Metabolism）指的是一个生物体对外界物质的摄取、吸收、转化和排泄等一系列化学反应的总和。
代谢可分为两个主要部分：合成代谢和能量代谢。
合成代谢是指生物体从较简单的物质合成复杂的有机物质，如蛋白质、核酸、多糖等。
能量代谢则是指生物体通过氧化降解有机物质释放能量。
在酿酒或发酵过程中，发酵菌通过能量代谢将碳源转化为酒精和二氧化碳，同时合成一些副产物或其他附属物质。
控制是指通过调控代谢途径和操作条件，使得发酵过程中所需产物的合成产率和选择性提高，产物分离纯化步骤简化，副产物减少或消失的手段。
代谢控制是通过操作微生物的代谢途径和条件来控制发酵过程中所需产物和副产物的产生和积累情况。
其核心目标是寻找并调控关键代谢途径，使得所需产物的合成路径得到加强、其他途径得到抑制，从而改善产物的产率和质量，减少副产物的生成。
代谢控制包括以下几个主要方面：1.反应物选择性控制：通过调节发酵中的反应物浓度、比例和添加时间，来控制产物和副产物的生成。
这一策略主要是通过供应还原剂、控制氧气浓度、碳源的选择和添加等手段来实现。
2.酶活性和基因表达的调控：通过改变酵母菌或细菌内部关键酶的活性或调节相关基因的表达，并使用遗传工程技术来调控发酵过程中的代谢途径。
例如，通过过表达某一限速酶或降低副产物相关基因的表达，从而提高所需产物的产率。
3.代谢通路调控：通过改变微生物内部代谢途径的通路结构、酶的组合或代谢流量分布，来控制产物的选择性合成。
例如，通过改变代谢通路的路线，将副产物产生的分支途径阻断，从而增加所需产物的合成。
4.发酵条件的优化：通过调节发酵过程中的温度、pH值、搅拌速度、氧气含量等操作参数，来控制发酵过程的代谢行为。
例如，通过调节温度和pH值来改变酵母菌的生长速率和代谢活性，从而影响产物的生成。
代谢控制发酵的原理及应用
代谢控制发酵的原理及应用1. 引言发酵作为一种重要的工业生产过程，广泛应用于食品工业、制药工业、化工工业等领域。
控制发酵过程中的代谢反应是提高发酵产物得率和质量的关键。
本文将介绍代谢控制发酵的原理及其在实际应用中的意义。
2. 代谢控制发酵的原理2.1 代谢途径代谢途径是细胞内各种代谢酶反应所组成的网络。
通过对代谢途径进行控制，可以实现对发酵过程中代谢产物的合成与降解的调控。
•代谢途径的分类：–糖代谢途径：通过调节糖酵解和糖异生途径的活性，实现对碳源代谢的控制。
–脂肪代谢途径：调节脂肪酸合成和降解途径，影响发酵产物的合成。
–氨基酸代谢途径：调控氨基酸的合成和降解，影响蛋白质合成和产物生成。
–核苷酸代谢途径：控制DNA和RNA的合成，对生物体的生长和发育起到重要作用。
2.2 代谢调控策略代谢调控策略是通过对代谢途径内关键酶的调控，实现对代谢产物合成和降解速率的调控。
•调控策略的分类：–底物浓度调控：通过调节底物浓度，影响酶催化反应速率，进而控制代谢产物的生成。
–反馈抑制：通过代谢产物对酶活性的抑制，调节代谢途径内各个酶的活性，从而控制代谢产物的生成。
–遗传调控：通过改变生物体内部基因表达水平，调节代谢途径内酶的含量，进而影响代谢产物的合成速率。
–外部条件调控：例如温度、pH值等环境条件的调控，对代谢产物合成有重要影响。
3. 代谢控制发酵的应用3.1 食品工业在食品工业中，利用代谢控制发酵技术可以实现食品添加剂、发酵食品等的生产。
•食品添加剂的生产：通过控制微生物发酵过程中的代谢途径和代谢产物的合成，可以高效生产食品添加剂，如谷氨酰胺、谷氨酰胺钠等。
•发酵食品的生产：利用代谢控制发酵技术，可以生产出口感好、品质优良的发酵食品，如酸奶、面包等。
3.2 制药工业代谢控制发酵技术在制药工业中有着广泛应用。
•抗生素的生产：通过调控微生物发酵过程中底物浓度、代谢途径和酶活性，可提高抗生素的产量和质量。
•生物药物的生产：通过遗传调控和代谢途径调控，可以实现生物药物的高效合成，如重组人胰岛素和重组人生长激素等。
代谢控制发酵
《代谢控制发酵》复习题1．名词解释代谢控制发酵：所谓代谢控制发酵就是利用遗传学的方法或其他生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核苷酸的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累发酵。
关键酶：参与代谢调节的酶的总称。
作为一个反应链的限速因子，对整个反应起限速作用。
变构酶：有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，使催化活性改变，称为变构酶。
诱导酶：诱导酶是在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶。
调节子：就是指接受同一调节基因所发出信号的许多操纵子。
温度敏感突变株：通过诱变可以得到在低温下生长，而在高温下却不能生长繁殖的突变株。
碳分解代谢物阻遏：可被迅速利用的碳源抑制作用于含碳底物的酶的合成，就称为碳分解代谢阻遏。
氮分解代谢物阻遏：可被迅速利用的氮源抑制作用于含氮底物的酶的合成，就称为氮分解代谢阻遏。
营养缺陷型突变菌株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养基中外源补加该营养物质才能生长的突变菌株。
渗漏突变株：由于遗传性障碍的不完全缺陷，使它的某一种酶的活性下降而不是完全丧失。
因此，渗漏突变菌株能少量的合成某一种代谢最终产物，能在基本培养基上进行少量的生长。
代谢互锁：从生物合成途径来看，似乎是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较高浓度下才发生，而受这种抑制（阻遏）作用是部分性的，不完全的。
平衡合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶活性远远大于b酶，结果优先合成E。
E过量后就会抑制a酶，使代谢转向合成G。
G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流转向又合成E，如此循环。
（P45图）优先合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E和G，由于a酶的活性远远大于b酶的活性，结果优先合成E。
E合成达到一定浓度时，就会抑制a酶，使代谢转向合成G。
G合成达到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用。
第二章：代谢控制发酵的基本思想
• 2．平衡合成的利用
底物 A经分支合成途径生成两种终产物 E与 G，由于酶 a活 性远远大于酶b，结果优先合成E。E过量就会抑制酶a，使 代谢转向合成G。G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制 作用，结果代谢流转向又合成E。
• 3．代谢互锁的利用 • 所谓代谢互锁．就是从生物合成途径来看，似乎 是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较 高浓度下才发生，而且这种抑制作用是部分性的， 不完全的。
第二章：代谢控制发酵的基本思想
• 目的 了解微生物细胞的调节机制、掌握代谢 控制发酵的基本思想及微生物代谢控制 发酵的措施 • 内容 微生物细胞的调节机制、代谢控制发酵 基本思想及微生物代谢控制发酵措施 • 重点 反馈反馈抑制与反馈阻遏、反馈调 节的解除 • 难点 反馈反馈抑制与反馈阻遏 • 学时 3
• 二 酶合成的调节机制 • 1、 反馈阻遏与诱导作用的概念 • 反馈阻遏：在微生物合成体系中，代谢产物抑制 酶的生物合成。 • 诱导作用：在微生物合成体系中，代谢产物诱导 酶的生物合成。
• 2、 反馈阻遏和诱导作用理论（操纵子学说） • A 操纵子由细胞的操纵基因和结构基因组成。 • B 结构基因能转录遗传信息，合成相应的mRNA，进而 翻译合成特定的酶。 • C 操纵基因能控制结构基因作用的发挥 • D 调节基因能产生一种细胞质的阻遏物，该阻遏物与酶 促反应阻遏物（通常是终产物）结合时结构改变。和操 纵基因的亲和力变大，使有关的结构基因不能合成 mRNA，使酶的合成受到阻遏。 • E 诱导物也能和细胞质阻遏物结合，使其结构改变，减 少与操纵基因的亲和力，使操纵基因恢复自由，进而使 结构基因进行转录，合成相应的mRNA，进而翻译合成 特定的酶。
• 七、选育不生成副产物的菌株 工业上，为了选育优秀的生产菌株、除突破微生 物原来的代谢调节外,必要时还应附加如下突变. • (1)有共用前体物的其他分支途径或目的产物是其 他产物生物合成的前体物时，应附加营养缺陷型， 切断其他分支途径或目的产物向其他产物合成的 代谢流。 • (2)存在有目的产物分解途径时，应选育丧失目的 产物分解酶的突变株。 • (3)当有副生产物，持别是有不利于目的产物精制 的副生产物时，应设法切断副生产物的代谢流。 • 八、选育生产代谢拮抗物质的菌株
代谢控制发酵名词解释
代谢控制发酵名词解释
代谢控制发酵是一种生物工程技术，旨在通过调控微生物的代谢过程，使其能够高效地生产目标化合物。
在传统的发酵过程中，微生物通常在一定的培养基中生长并产生代谢产物。
然而，由于微生物的代谢途径是非常复杂的，导致产物的产量和质量难以得到有效控制。
代谢控制发酵的目标是通过对微生物代谢过程的调控，实现产物的高产和高纯度。
这一技术的核心在于通过对微生物的基因组进行工程改造，调节关键酶的表达水平，从而改变代谢途径，提高目标产物的产量。
在代谢控制发酵中，首先需要对微生物的代谢途径进行深入的研究和了解，包括代谢产物的合成途径、限速酶等。
然后，通过基因工程技术对微生物基因组进行改造，例如通过插入外源基因或删除某些基因，从而改变微生物的代谢途径和产物的合成过程。
此外，还可以通过优化培养条件，如调整pH值、温度和培养基组分等，来进一步提高产物的产量和质量。
代谢控制发酵在生物制药、食品工业和能源生产等领域有着广泛的应用。
通过该技术，可以有效提高目标产物的产量和质量，降低生产成本，减少对环境的影响。
同时，代谢控制发酵也为新型生物材料和生物能源的开发提供了新的途径。
总之，代谢控制发酵是一种利用基因工程技术来调控微生物代谢过程的生物工程方法。
它可以通过改变微生物的基因组，调节代谢途径和培养条件，实现高效生
产目标产物的目标。
这一技术的应用前景广阔，对于提高生产效率、降低成本、保护环境等方面都具有重要的意义。
发酵原理和代谢工程的基本概念
通过调节代谢相关基因的表达水平，在
发酵过程中提高产物产量和选择性。
3
催化剂优化
通过选择、改造或设计催化剂来提高反 应速率和产物收率。
发酵原理和代谢工程的未来发展趋势
合成生物学
通过设计和合成新的生物部件和代谢网络，实现更高效、可控的生物转化过程。
系统生物学
利用大规模数据分析和数学建模，揭示微生物的生物过程和代谢网络，为代谢工程的优化提 供更全面的指导。
发酵与代谢工程的关系
1 互为基础
发酵是代谢工程的基础，而代谢工程则依赖发酵的基本原理和技术。
2 相互促进
发酵原理为代谢工程提供理论基础，而代谢工程为发酵技术的改进和优化提供了新的思 路和方法。
发酵理在代谢工程中的应用
1
代谢通量分析
通过定量分析代谢网络中的底物流量，
基因调控
2
确定限制步骤并优化代谢途径。
发酵原理和代谢工程的基 本概念
发酵是一种生物过程，通过微生物的作用将有机物转化为有用的产物。代谢 工程旨在利用生物学原理来改进产物的生产和合成。
本次演讲将介绍发酵和代谢工程的基本概念，探讨两者之间的关系，并讨论 它们在科学和工业领域的未来发展趋势。
发酵的定义和重要性
1 定义
发酵是一种生物过程，利用微生物或酵素将 有机物转化为有用的产物。
3 条件
发酵需要适宜的温度、pH 值和氧气供应，以及其他 环境因素来促进微生物的 生长和代谢。
代谢工程的定义和目的
1 定义
代谢工程是一种利用生物学和工程学原理来 改变生物代谢途径以改进生产过程或产物的 方法。
2 目的
代谢工程的目标是通过优化代谢途径，增加 产物产量、改善产物质量、降低原料成本， 并实现可持续的生产。
第二章 发酵代谢控制的基本原理与方法
例如，在嘌呤核苷酸的 生物合成途径中，催化 第一步反应的酶，5-磷 酸核糖-1-焦磷酸(PRPP) 的酰胺基转移酶，可被 各种嘌呤核苷酸产物(如 AMP、GMP)所抑制。例 如，一定量的GMP或 AMP仅能抑制5-磷酸核 糖-1-焦磷酸酰胺基转移 酶活力的10％，而当二 者混合时，则可抑制其 酶活力的50％。因为这 些嘌呤核苷酸与5-磷酸 核糖-1-焦磷酸并无结构 相似性，又因该酶是一 种调节酶，GMP和AMP 可能分别结合在该酶的 不同部位上。
酶活性的调节
1.酶活性的激活
在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性， 或使原来活性低的酶提高了活性的现象。 代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活。
前体激活是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。
代谢中间产物的反馈激活是指代谢中间产物对该代谢 途径的前面的酶起激活作用
（2） 协同反馈抑制
指分支代谢途径中的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。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
（3）合作反馈抑制
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。
第二章 发酵代谢控制的基本原理和 方法
江苏农林职业技术学院 陈宏州
生物工程系
第一节 微生物的代谢与调节 的生化基础
一、代谢概述
1.新陈代谢 发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总 和，即：新陈代谢=分解代谢+合成代谢 。新陈代谢 又可分为初级代谢和次级代谢。
分解代谢:把复杂的有机物分子分解成简单的化合 物，并释放能量的过程。 合成代谢:由简单化合物合成复杂的大分子的过程。 初级代谢:微生物的生长、分化和繁殖所必需的代 谢活动。 次级代谢:非微生物生命活动所必需的代谢活动.
代谢控制发酵-第二章 微生物的细胞代谢(一)
二、微生物产能代谢
HMP途径
Ø HMP途径主要生理功能是： ü 供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA
等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香
族、杂环族氨基酸的原料； ü 产还原力：产生大量的NADPH形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固
醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需 ü 作为固定的CO2中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定
二、微生物产能代谢
递氢和受氢
Ø 贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的 途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式传 递，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释 放出其中的能量
Ø 根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化 区分成3种类型（好氧呼吸、无氧呼吸和发酵）
二、微生物产能代谢
呼吸作用
Ø 微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD(P)+、 FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电 子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过 程称为呼吸作用
Ø 以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸；以氧化型化 合物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-）作为最终电子受 体的称为无氧呼吸
Ø 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电 子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系 统，逐步释放出能量后，再交给最终电子受体
代谢体系组成
Ø 体系Ⅰ和Ⅱ分别与体系Ⅲ只发生松散联系，体系Ⅰ具 有相对独立的运转能力，同时体系Ⅰ和Ⅱ可作为一个 整体，具有相对独立的运转能力
Ø 由于细胞的分泌机制，体系Ⅰ的相对独立运转使细胞 有可能分泌如乙醇等代谢副产物；体系Ⅰ和Ⅱ一起相 对运转，使细胞可以分泌氨基酸等生物大分子的前体
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图2－3 底物及变构效应物的浓度与酶活性的关系
1－－变构酶酶活性与底物浓度的关系 2－－普通酶酶活性与底物浓度的关系 3－－底物浓度一定时，变构抑制剂浓度与变构酶活性的关系
变构酶的反应速度与底物浓度（或变构抑制剂的 浓度）的关系曲线呈S型，有协同性；当底物或效应物
三、酶活性的调节 酶活性的调节是指一定数量的酶，通过 其分子结构的改变来调节其催化反应的速率。 是微生物饥饿情况下的一种经济的调节模式， 比酶的合成迅速及时而有效。
酶活性调节的影响因素
（1）底物和产物的性质和浓度 （2）环境因子（如浓度、压力、pH、离子 强度和辅助因子等）以及其它酶的存在都 有可能激活或抑制酶的活性。
2、酶合成的阻遏
是指终产物（或终产物的结构类似物） 阻止催化该途径的一个或几个反应中的一个 或几个酶的合成。
阻遏的类型
（一）单个终产物的生物合成途径 1、简单终产物阻遏（simple end-product repression） 当终产物过量时，途径中所有的酶均被阻遏。当终产物浓度降低时，均被解阻遏。
例如，大肠杆菌中的谷氨酰胺合成酶受8种化合物的累计 抑制。
4、顺序反馈抑制
分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接 制途径中的第一个酶，只有当两个末端产物都过量 时，才能对途径中的第一个酶有抑制作用。
例如枯草杆菌芳香族氨基酸合成就是这种调节。
4 图 2-55 在大肠杆菌中芳香族氨基酸生物合成途径与代谢控制 ○DAHP 合成酶○分支酸变位酶○PPA 脱氢酶○PPA 脱水酶○氨茴酸合成酶 1 2 3 4 5
2、别构（变构）酶的作用程序：
专一性代谢物与调节中心结合 酶分子构象变化
活性中心修饰 抑制或促进酶活性
3、变构酶活性调节类型（模型）
（1）莫诺德等人的模型（协同模型） (2) 科仕兰等人的模型或称顺序模型
4、变构酶的反应动力学性质
变构酶的反应动力学不同于普通酶的， 它不符合米氏动力学方程式。 普通酶反应速度和底物浓度的关系为： V=（Vmax[S]）/（Km+[S]） 变构酶反应速度和底物浓度的关系为： V=（Vmax[S]）n/（Km+[S]n）
3、补偿激活（compensatory actiration） A B C D H
E F G 判别特征：若某一化合物的利用取决于另一反应序列（途径）的运行，那么这个化合物 就能激活这个反应序列的第一个酶。 例如 PEP OAA Asp ooo UMP UDP UTP
P R-5-○ ooo ATP ATP 激活 PEP 羧化酶，这个酶催化反应对生成 UTP 很重要。
（2）基因突变： 为变构酶编码的结构基因的突变可引起 脱敏，如诱变育种获得抗类似物突变株中多 发生这种变化，在氨基酸的核苷酸发酵育种 上，已作为突破微生物代谢控制的一个重要 手段利用。
7、变构酶调节的特征
（1）参加与酶活性调节的变构因子是一类能与变 构蛋白分子互补结合的小分子化合物，又称为效 应物或调节性分子。 （2）许多变构酶的反应动力学性质与一般酶不同， 以酶反应初速率与基质浓度作曲线，得到的不是 典型的双曲线，而是带点S形曲线，这种现象称 为正协调作用。
发酵代谢控制
Chapter 2 代谢控制发酵的基本思 想
第一节 微生物细胞的调节机制
一、微生物细胞的代谢调节的主要举措
抑制、激活
1. 酶活性的调节
辅酶水平
酶原活化
潜在酶的活化
2. 酶合成的调节
诱导 阻遏
3.细胞膜透性的调节
二、关键酶
是参与代谢调节的酶的总称。作为一个反应的限 速因子，对整个反应起限速作用。这些酶在代谢 流的枢纽之处形成支柱，不论对代谢流的质和量 都起着制约作用。 关键酶可以是变构酶、同功酶、多功能酶。 关键酶可处于分支点也可不处于分支点。
例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途径中，一定量的GMP 或AMP仅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP)酰胺基转移 酶活力的10％，而当二者混合时，则可抑制其酶活力的50 ％。
3、积累反馈抑制
任一终产物单独过剩时，能独立地对共同途径 的一个多价变构酶产生部分反馈抑制（某个百分比 抑制），并且各终产物的反馈抑制作用互不影响， 指既无协作也无对抗。当多种终产物同时过剩时它 们的反馈抑制作用是累积的。
（一）别构（变构）酶调节
别构（变构）效应是指一种小分子物质与一种 蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的 构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的 相互作用。变构蛋白质是表现变构效应的蛋白（例如 阻遏蛋白），具有变构作用的酶称为变构酶。
1、别构（变构）酶的结构和特性：
（1）别构酶是含多个亚基的四级结构的蛋白质 （一般为四聚体），亚基的结构和功能可以相 同，也可以不同。 （2）别构酶分子中含有两个中心，即活性中心 和调节中心，它们在空间上是分开的，可以在 不同的亚基上，也可以在同一亚基的不同部位 上。 （3）每个别构酶的分子可以结合一个或多个配 体（底物或效应物）理论上结合底物的最大数 目与催化中心的数目相等。结合效应物的最大 数目应与调节中心的数目相等。
（二）抑制 抑制与激活相反，由于某些物质的 存在，降低酶活性，称为抑制。抑制可 以是不可逆的，这将造成代谢作用的停 止；也可以是可逆的，即当抑制剂除去 后酶活性又恢复，在代谢调节过程中所 发生的抑制现象主要是可逆的，而且大 多属于反馈抑制。
酶活性调节机制
酶活性调节机制有多种理论解释， 主要有: （1）别构（变构）调节理论（其核心是 酶分子构象的改变） （2）酶分子的化学修饰理论（其核心是 酶分子结构的改变） （3）其它调节机制
Thr ooo β-酮基丁酸 2、前体激活（Precursor actiration）或称代谢激活
Ile
A B C D 判别特征：反应序列（途径）的某一后边的反应受前面某中间代谢产物的激活，这种方 式常见于分解代谢途径中。 例如，E.coli EMP 途径的中间产物F-6-P 激活 PK（丙酮酸激酶）酶 FDP PK G F-6-P FDP ooo PEP PYR
A B C D 例如：大肠杆菌（E.coli）中的 Arg，His，Trp 等各自合成的途径的所有酶分别受终产 物 Arg，His，Trp 的浓度的反馈阻遏，主要是通过操纵子来调节的。
2、可被阻遏的酶的产物的诱导作用
A
B
C
D
终产物的阻遏只施加在途径的第一个酶上，这个酶催化的反应产物（B）的高浓度，能 激活下游的酶的合成。例如，粗糙脉胞菌的 Leu 合成途径中第一个酶受 Leu 的阻遏和抑制， 而第二、第三个酶受第一个酶的产物的诱导。
浓度极低时，酶反应速度的变化极微小，这是因为效
应物浓度极低时，不具有协同性，当效应物浓度超过 某个水平（阈值）时酶反应速度急剧增大（减小）。 即存在着底物或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。
5、变构酶调节的实例
图2－4 异亮氨酸和苏氨酸对苏氨酸脱氨酶活性的影响
6、变构酶的脱敏作用（desensitingation)）
(二) 酶合成的诱导调节实例与机制 （转录的负控诱导和正控诱导）
（1）酶合成的负诱导机制
乳糖操纵子
无诱导物时
有诱导物时
启动酶的合成
（2）转录的正控诱导－麦芽糖操纵子
（三）诱导调节的克服
要使所需要的诱导酶大量生产，可采用诱 变方法，消除诱导酶合成所必需依赖诱导物这种 障碍，如突变发生在调节基因或操纵基因上，从 而导致调节基因编码的阻遏物（阻遏蛋白）无活 性，或操纵基因对活性阻遏物的亲和力衰退，则 无需诱导物便能产生诱导酶，这种突变作用称为 调节性或组成型突变。具有这种特性的菌株称为 组成型突变株。
（二）有分支代谢途径的调节
1 、协同反馈抑制
指分支代谢途径中的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。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
2、合作反馈抑制
当任何一个终产物单独过剩时，都会部分地抑制初始酶的 活性，两个以上的终产物同时过剩时，产生强烈的抑制作用， 其抑制作用大于各自单独存在时的和。
例如：E.codi中Asp族氨酸合成途径中AK 为三个同功酶，HD为两个同功酶。 因此要完全解除终产物的反馈调节，所有 终产物都应很少，这对我们打破其代谢调节使 Lys、Met、Thr、Ile大量积累带来困难。
图 2-56 大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸的代谢控制
四、酶合成的调节
组成型酶：基因产物的表达是高度稳定，很少或不 受细胞内代谢状态的影响，无论细胞内介质的组成 如何，总是产生恒定数量的酶。 适应型酶：基因的表达明显地受到外界营养条件和 细胞内有关因子的影响。它分为诱导酶和阻遏酶。 酶的合成调节：通过调节酶的合成数量来调节微生 物的代谢速率，它包括酶的诱导调节和酶的阻遏调 节，是基因水平的调节。
（3）效应物同调节性酶的结合与基质同酶的结合位点是 分开的，但又相互联系的，用多种物理或化学方法处 理能使酶脱敏，但保留其催化活性。 （4）酶的活性中心及变构中心可同时被结合，变构中心 的结合不一定是特异性的，可以结合不同的物质，产 生不同的效应，变构中心的结合可能引起蛋白质分子 构象的变化，从而影响酶活性中心的催化活性。
（5）变构效应是反馈抑制的基础，是调节代谢的有效 方法。
影响酶活性的调节方式
（一）只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式 1、终产物的简单反馈抑制，这种调节方式判别特征是途径的终产物抑制途径中第一个 专一性酶。 A B C 例如，E.coli 的从 Thr D
TD Ile 的途径中 Ile 对第一个酶 Thr 的反馈抑制。
1、诱导作用（酶合成的诱导作用）