代谢工程
代谢工程概述-PPT
（1）基因工程技术的应用 （2）常规诱变技术的应用
2、 生物合成途径的代谢调控
（1）生物合成中间产物的定量生物测定 （2）共合成法在生物合成中的应用 （3）酶的诱导合成和分解代谢产物阻遏
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3、研究生物合成机制的常用方法
（1）刺激实验法 （2）同位素示踪法 （3）洗涤菌丝悬浮法 （4）无细胞抽提法 （5）遗传特性诱变法
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• 1. 生物能支撑观点 • 微生物细胞是工业发酵产物的生产者，微生物细胞的
生长和维持需要由其自身的能量转换机构或从其他形 式的能量转化形成的生物能来支撑。因此，工业发酵 具有生物学属性。
• 2. 代谢网络观点 • 由生化反应网络和跨输送步骤组成的代谢网络既没有
绝对的起点，也没有绝对的终点。代谢网络中任何一 种中间产物(或可借助生物学、化学方法与代谢网络联 网的任何一种化合物)都可能被开发成为工业发酵的目 的产物或原料。
简而言之，代谢工程是生物化学反应代谢网络有目的 的修饰。
代谢工程要解决的主要问题就是改变某些途径中的碳 架物质流量或改变碳架物质流在不同途径中的流量分布。 其目标就是修饰初级代谢，将碳架物质流导入目的产物 的载流途径以获得产物的最大转化率。
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代谢工程的主要特征就是利用DNA重组技术， 重建代谢网络，改变代谢流及分支代谢速度， 以改进代谢产物及蛋白类产品，由于外源 DNA的引入扩展了固有的代谢途径，获得了 新的化学物质。改变转化蛋白的过程，减少 不必要的废物。例如，谷氨酸发酵
“中心途径”和“离心途径”等连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目的
产物，最后，目的产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介质中。
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1、胞外酶对原料的降解及营养物质进入细 胞的过程 2、经胞内降解代谢途径汇入中心代谢途径 3、中心代谢途径及其控制 4、合成代谢流及其控制 5、目的产物的跨膜及其控制
代谢工程
代谢工程科技名词定义中文名称：代谢工程英文名称：metabolic engineering定义：通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径。
所属学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；新陈代谢（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布代谢工程书籍图代谢工程（Metabolic engineering）是生物工程的一个新的分支。
代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。
目录发展前沿展开编辑本段发展为了满足人类对生物的特定需求而对微生物进行代谢途径操作，已有将近半个世纪的历史了。
在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到一些典型实例。
操作的主要方法是，用化学诱变剂处理微生物，并用创造性的筛选技术来检出已获得优良性状的突变菌株。
尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但对突变株的遗传和代谢性状的鉴定是很不够的，更何况诱变是随机的，科学不足技巧补！DNA重组的分子生物学技术的开发把代谢操作引进了一个新的层面。
遗传工程使我们有可能对代谢途径的指定酶反应进行精确的修饰，因此，有可能构建精心设计的遗传背景。
DNA重组技术刚进入可行阶段不久，就出现了不少可用来说明这种技术在定向的途径修饰方面的潜在应用的术语。
如分子育种（1981年），体外进化（1988年），微生物工程或代谢途径工程（1988~1991年），细胞工程（1991年）和代谢工程（1991年）。
尽管不同的作者提出不完全相同的定义，这些定义均传达了与代谢工程的总目标和手段相似的含义。
我们曾经把代谢工程定义为，代谢工程就是用DNA重组技术修饰特定的生化反应或引进新的生化反应，直接改善产物的形成和细胞的性能的学科。
这样定义代谢工程强调了代谢工程工作目标的确切性。
合成生物学与代谢工程及系统生物学
合成生物学与代谢工程及系统生物学合成生物学是研究如何利用生物系统中的组件和原理，以设计和构建新的生物系统的学科。
它涉及到对生物学、工程学和计算机科学的交叉应用，旨在创造出具有特定功能和性能的生物体。
代谢工程是合成生物学的一个重要分支，它关注的是通过改造生物体的代谢途径，以实现对特定化合物的高效生产。
在合成生物学中，研究人员利用生物体内的基因调控机制和信号传导网络，设计并合成出新的生物体或改造现有的生物体，以实现特定的功能。
例如，通过改造细菌的代谢途径，可以使其具有产生特定药物或化合物的能力。
这种方法不仅可以提高药物和化学品的生产效率，还可以降低生产成本，减少对环境的污染。
代谢工程是合成生物学中的一个重要研究方向，它着重于对生物体的代谢途径进行优化和改造，以实现对特定化合物的生产。
代谢途径是生物体内化学反应的网络，涉及到许多酶催化的反应。
通过改变酶的表达水平、调控酶的催化活性或改变底物供应等手段，可以改变代谢途径的通量，从而实现对目标化合物的高效生产。
在代谢工程中，研究人员通常利用基因工程技术对代谢途径中的关键基因进行改造，以提高目标产物的产量或质量。
例如，通过引入额外的代谢途径或增强关键酶的活性，可以提高目标产物的合成效率。
此外，研究人员还可以通过调控信号传导网络，实现对代谢途径的精确调控，从而实现对特定产物的选择性合成。
系统生物学是合成生物学的另一个重要分支，它研究生物系统的整体行为和相互作用。
系统生物学利用数学模型和计算方法，对生物体内的基因调控网络、代谢途径和信号传导网络进行建模和分析，以揭示生物系统的内在规律和机制。
通过对生物系统进行建模和分析，可以预测生物体对环境变化的响应，设计和优化生物体的功能和性能。
在合成生物学和代谢工程中，系统生物学的方法被广泛应用。
通过对生物体的基因组、转录组和代谢组进行全面的测序和分析，可以获取大量的生物学数据，用于构建数学模型和预测生物系统的行为。
这些模型可以用于优化合成生物学系统的设计和构建，提高目标产物的生产效率和质量。
生物生产中代谢工程技术的应用前景
生物生产中代谢工程技术的应用前景随着生物技术的发展和进步，代谢工程在生物生产中的应用越来越广泛。
代谢工程可以通过改变微生物的代谢途径和调节代谢通路中的关键酶，从而实现对生物合成产物的精准控制和优化。
在食品、医药、化工等领域，代谢工程技术已经成为一个重要的生产手段，其应用前景十分广阔。
一、食品领域中的应用代谢工程技术在食品领域中的应用十分广泛。
以乳制品为例，利用代谢工程技术可以改善细菌的产酸能力，进而控制酸度和乳化性能，从而提高储存质量和口感。
同时，代谢工程技术还可以用于调整细菌的代谢代谢途径，从而合成新的有益物质，如β-胡萝卜素，对消费者的健康有益。
二、医药领域中的应用代谢工程技术在医药领域中的应用也十分重要。
例如，代谢工程可以用于改善微生物合成药物的效率和纯度，从而提高药品的生产效率和储存稳定性。
此外，代谢工程技术还可以创造新的生产和研发路径，进而开发出新的药品和治疗物质，为人类健康带来更大的益处。
三、化工领域中的应用代谢工程技术在化工领域中也有着广泛的应用。
在生物燃料、生物聚合物和高附加值化学品等方面，代谢工程技术已经成为一种重要的生产手段。
代谢工程技术可以通过调节微生物合成途径和关键酶，优化化学品的产出量和品质，从而提高生产效率和经济效益。
四、未来的发展趋势代谢工程技术在生物生产中的应用前景十分广泛，并且仍然有着很大的发展潜力。
在未来发展中，代谢工程技术将会逐渐发现更多的代谢通路和生化途径，并且优化代谢产物的纯度和产品特性。
此外，代谢工程技术的集成化，如引入系统合成生物学、人工智能和机器学习等技术，也将会进一步促进代谢工程技术的发展和应用。
总之，代谢工程技术在生物生产中的应用前景十分广泛，能够满足人类的很多生产和生活需求。
未来，我们将会看到代谢工程技术带来更多的生产优化和生命科学创新，开辟出更加美好的未来。
代谢工程PDF
代谢工程PDF随着生物技术和计算机技术的快速发展，代谢工程作为一种新兴的交叉学科，正在逐渐成为生物制造业的重要组成部分。
代谢工程是一种利用生物体代谢产生的化合物作为生产目标的技术，通过对代谢通路的优化和调控，实现化合物的高效生产。
代谢工程的发展离不开计算机技术的支持，PDF文件作为一种常用的电子文档格式，也为代谢工程的研究和应用提供了便利。
代谢工程的基本原理代谢工程的基本原理是通过对生物体代谢通路的优化和调控，实现化合物的高效生产。
代谢通路是生物体内多种代谢反应的有机组合，包括代谢途径、代谢途径之间的相互作用以及调控机制等。
代谢工程的目标是通过对代谢通路的调控，使生物体产生更多的目标产品，同时减少副产物的产生。
代谢工程的应用代谢工程在生物制造业中有广泛的应用，其中最为典型的是药物和化学品的生产。
通过对代谢通路的优化和调控，可以实现对目标化合物的高效生产。
例如，青霉素的生产就是一个代谢工程的经典案例。
青霉素是一种重要的抗生素，其生产过程需要大量的生物反应器和复杂的代谢通路调控。
通过代谢工程的优化和改良，可以实现青霉素的高效生产，提高生产效率和质量，同时降低生产成本。
代谢工程的挑战代谢工程作为一种新兴的交叉学科，仍然存在许多挑战。
其中最大的挑战是如何实现代谢通路的高效调控。
代谢通路的复杂性和变异性使得其难以预测和控制。
此外，代谢工程还面临着生物安全和环境保护等方面的挑战。
如何确保生产过程的安全性和环境友好性，也是代谢工程需要面对的重要问题。
PDF文件在代谢工程中的应用PDF文件作为一种常用的电子文档格式，具有方便、易用、可靠等优点，已经成为代谢工程研究和应用中不可或缺的一部分。
首先，PDF文件可以用于存储和共享代谢通路数据和分析结果。
代谢通路的数据和分析结果通常需要进行大量的计算和分析，PDF文件可以方便地存储和共享这些数据和结果，从而方便研究人员进行交流和合作。
其次，PDF文件可以用于发布和传播代谢工程研究成果。
代谢工程(1)
二、代谢工程的研究内容
代谢工程涉及的主要内容包括：
①生物合成相关代谢调控和代谢网络理论； ②代谢流的定量分析； ③代谢网络的重新设计； ④中心代谢作用机理及相关代谢分析； ⑤基因操作。
代谢分析
代谢分析是代谢工程的重要组成部分。它 涉及代谢流的定量和定向、研究细胞内代 谢物浓度的反应工程方法以及细胞内稳态 流分析等。 代谢流分析是代谢分析的一个重要手段。 它假定细胞内的物质、能量处于拟稳态， 通过测定胞外物质浓度，再根据物料平衡 计算细胞内的代谢流。
代谢改造思路
代谢工程研究的重点在于改造代谢网络， 以便生产特定目的代谢产物或具有过量生 产能力的工程菌应用于工业生产。根据微 生物的不同代谢特性，常采用改变代谢流、 扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种方 法。
(1)改变代谢途径方法 加速限速反应 增加限速酶的表达量，来提高产物 产率。然而限速酶反应的改变可能会给 整个代谢网络带来负面影响。 改变分支代谢途径流向 提高代谢分支点某一分支代谢途径 酶活力，使其在与其它的分支代谢途径 的竞争中占据优势，从而提高目的代谢 产物的产量。
(2)扩展代谢途径 在宿主菌中克隆和表达特定外源基因， 从而延伸代谢途径，以生产新的代谢产物 和提高产率。扩展代谢途径还可使宿主菌 能够利用自身的酶或酶系消耗原来不消耗 的底物。 (3)转移或构建新的代谢途 通过转移代谢途径、构建新的代谢途 径等方法来实现。
代谢工程发展趋势
传统的代谢工程是以代谢网络理论为 基础，以代谢分析和代谢改造为主要手段。 代谢途径的复杂性给检测分析带来不少麻 年代末兴起的逆世纪烦，在某种程度上阻 碍了它的应用。 逆代谢工程
代谢工程
代谢工程（metabolic engineering)是指藉某些特定 生化反应的修饰来定向改变细胞的特性或运用重组 DNA技术来创造新的化合物。经分析方法运用于与 物流的定量化，用分子生物技术来控制物流以实现 所需的遗传改造是代谢工程的要素。代谢工程采用 的概念来自反应工程和用于生化反应途径分析的热 力学。它强调整体的代谢途径而不是个体反应。代 谢工程涉及完整的生物反应网络、途径合成问题、 热力学可行性、途径的物流及其控制。
代谢工程名词解释
代谢工程名词解释
代谢工程
代谢工程是一门研究利用生物技术手段对生物体代谢进行优化和调控的学科。
它综合运用生物学、生物化学、分子生物学、计算机科学等多学科知识，利用基因工程、蛋白工程、酶工程等技术手段，旨在通过调节代谢途径、改变代谢产物生成、提高生物反应器效率等方法，达到提高生产效率、生产新化合物或降低资源消耗的目的。
代谢途径
代谢途径是生物体内进行物质转化和能量转换的路线。
常见的代谢途径包括糖分解途径、脂肪酸合成途径、氨基酸代谢途径等。
通过对代谢途径的研究，代谢工程可以发现调控点并进行优化，从而实现对特定化合物的高效生产。
基因工程
基因工程是利用DNA重组和修改技术来改变生物体的遗传信息。
在代谢工程中，基因工程常用于改变代谢途径中的限速酶活性、优化底物转化率等。
通过定向改变特定基因的表达水平或引入外源基因，可以实现对代谢产物的调控。
蛋白工程
蛋白工程是通过改变蛋白质的结构和功能来改变生物体的代谢性能。
代谢工程中常利用蛋白工程技术改变代谢途径中的酶的催化性能，提高酶的稳定性和活性。
蛋白工程手段包括点突变、重组蛋白表达等。
酶工程
酶工程是通过改变酶的结构和功能来改变生物体的代谢性能。
代谢工程中常利用酶工程技术改变代谢途径中的催化酶的特性，提高底物转化效率和产物选择性。
酶工程手段包括蛋白工程、酶的固定化等。
代谢工程
通过转移代谢途径、构建新的代谢途 径等方法来实现。
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三、代谢工程发展趋势
传统的代谢工程是以代谢网络理论为 基础，以代谢分析和代谢改造为主要手段 。代谢途径的复杂性给检测分析带来不少 麻 年代末兴起的逆世纪烦，在某种程度上 阻碍了它的应用。
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(1)改变代谢途径方法 加速限速反应
增加限速酶的表达量，来提高产物 产率。然而限速酶反应的改变可能会给 整个代谢网络带来负面影响。 改变分支代谢途径流向
提高代谢分支点某一分支代谢途径 酶活力，使其在与其它的分支代谢途径 的竞争中占据优势，从而提高目的代谢 产物的产量。
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(2)扩展代谢途径 在宿主菌中克隆和表达特定外源基因
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1 代谢网络理论
• 代谢网络理论把细胞的生化反应以网络 整体而不是孤立地考虑。细胞代谢的网 络由上万种酶催化的系列反应系统、膜 传递系统、信号传递系统组成，并且既 受精密调节，又彼此互相协调。
• 各种代谢都不是孤立进行的，而是相互 作用、相互转化、相互制约的一套完整 、统一、灵敏的调节系统。
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代谢中间产物作为生物合成的前体及 能量供应者，转向终产物的碳流的大小将 最终决定终产物的产率。中间代谢产物的 代谢流改变会受到细胞的抑制，并引起胞 内功能的严重改变。传统的代谢工程对中 间产物的生理作用考虑较少，从而使产率 远远达不到所计算的理论最大产率。
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• 弹性系数和流量控制系数是代谢控制分 析研究的两个主要指标。
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4 代谢工程的研究手段
• 代谢工程综合了基因工程、微生物学、生化工 程等领域的最新成果。因此，在研究方法和技 术方面主要有下列三大常用手段： (1)检测技术 常规的化学和生物化学检测手段都可用于 代谢工程的研究。这包括：体内确定代谢流的 物料平衡和同位素标记示踪方法；表征酶促反 应进程和性质的酶促反应动力学分析方法;测定 同位素富集和关键代谢物相对分子质量分布的 光谱学方法(核磁共振、质谱、液相色谱分析和 气相色谱分析等)；生物传感器技术。根据这些 检测信息可以判断和描述代谢流的基本状态， 并为细胞的代谢流及其控制分析提供翔实可靠 的原始数据。
代谢工程的基本概念
限制性遗传信息之谜
微生物代谢工程
代谢流及其控制的分析
微生物细胞能为其自身提供代谢能 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不同，微生物细胞能独立存在、自主生活。因此每个微生物细胞都具有能量转换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成能被其自身直接使用的能量(如 ATP、GTP 和储存在膜上的质子运动势 ΔP )，暂且把它们称为代谢能。在代谢能的直接支撑下，活细胞才能维持其高度有序的状态。
细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括：需要代谢能来激活的代谢途径的有关的酶和这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及这些膜上的电子传递链和ATP酶，还有在能量代谢和主动输送中起辅助作用的有关载体系统。
微生物细胞代谢的电子流和电子回路 工业发酵普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被微生物直接利用的代谢能。微生物细胞的生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子(或质子)的流动，形成微生物代谢的跨膜的质子回路。
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进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；
2
通，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物；
3
节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物；
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堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；
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出，促进目的产物向胞外空间分泌。
代谢网络的节点及其刚性 微生物代谢网络中的途径的交叉点(代谢流的集散处)叫做节点(node)，微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比率的改变的特性叫做节点的刚性。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。因此在应用 “ 五字策略 ” 制订育种方案时必须认真考虑节点刚性问题，尽量采用解除反馈调节的育种手段。
微生物代谢工程的研究及应用
微生物代谢工程的研究及应用微生物代谢工程是一门集生物学、化学、计算机科学等多种学科知识于一体的前沿科学技术，通过对微生物基因组和代谢途径的深入研究，提高微生物代谢的能力，增加产物产量，改进代谢路线，使得微生物更高效地完成含氧和无氧条件下的生产工作。
微生物代谢工程在医药、农业、环保、食品、能源等领域都得到广泛应用。
一、微生物代谢工程的研究方法微生物代谢工程的研究方法主要包括基因工程、蛋白质工程、代谢工程、组学等多种技术手段，其中最关键的是代谢工程。
代谢工程是将代谢途径中的重要酶或代谢途径中的某个区间的基因进行改造和调控，从而增强代谢能力和产物的合成能力，减少代谢产物的副产物。
基因工程、蛋白质工程和组学等方法可以从不同角度切入，帮助代谢工程的进一步深入研究和发展。
二、微生物代谢工程的应用领域1. 医药领域微生物代谢工程在医药领域的应用主要包括：制造抗生素、疫苗、蛋白质药物、基因药物等。
微生物可以通过代谢工程改造，使得目标物的产率及纯度大幅提升，同时还可以在生产过程中避免对环境的污染，具有较好的社会效益。
2. 农业领域农业领域是微生物代谢工程的另一个应用领域。
通过微生物代谢工程的研究，可以增加动物饲料的营养价值，如添加乳酸杆菌和酵母，在饲料中含有更多的蛋白质和维生素等，提高了动物的生产性能。
此外，微生物代谢工程还能够直接转化废弃物质制成高附加值的农业生产原料。
3. 环保领域微生物代谢工程在环保领域有着重要的应用价值。
传统的环境治理方法往往需要昂贵的投入和复杂的工艺，而微生物代谢工程则可以针对特定污染物设定代谢途径，通过微生物的自净能力，有效地降解化学污染物，达到环保的目的。
4. 食品领域微生物代谢工程在食品领域的应用大多集中在食品添加剂的研发中。
微生物代谢工程可以通过改造微生物的代谢途径，使其产生适合特定目的的食品添加剂，例如食品酶剂，如体外消化酶、食品构造酶、毒素酶等，从而提高生产效率和降低成本。
5. 能源领域微生物代谢工程在能源领域的应用主要是通过微生物的发酵能力转化来自生物质的能量为生物燃料、氢气等。
代谢工程概述
当代生物技术伎俩主要包含基因工程(Gene Engineering)、细胞工程(Cell Engineering)、发酵 工程(Fermentation Engineering)、酶工程(Enzyme Engineering)和生化工程(Biochemical Engineering)，当代生物技术在化工、医药卫生、农 林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥主要 作用，可促进传统产业改造和新型产业形成，对人类 社会产生深远影响。其中发酵工程是生物技术主要组 成部分，是生物技术转化成产品主要步骤。20世纪90 年代提出代谢工程发展快速，被视为继传统蛋白质多 肽单基因表示（第一代基因工程）、基因定向突变（ 第二代基因工程）之后第三代基因工程。
、代谢物、效应物和其它参数所施加通量控制程 度进行定量表述。
代谢控制关键参数确定以后，人们需要实施这些 改变从而最有效地到达预定目标。在实施通量控 制策略中，不论采取哪种路线，为取得最正确结 果，都应将基因修饰和环境条件改变结合起来使 用。
代谢工程概述
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第二节 代谢工程研究内容
代谢工程实质在于对代谢网络进行定量分析，而且在 此基础上进行代谢改造（代谢网络重组），以最大程 度地提升代谢产物产率。
代谢工程概述
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代谢工程一些基本定义
代谢通量定义为：输入代谢物反应生成输出代 谢物速率。
胞内代谢通量确实定称为代谢通量分析（ metabolic flux analysis，MFA） ，其在代谢 工程处于中心地位。
代谢工程概述
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代谢工程一些基本定义
代谢控制分析(MCA) *Ｍetabolic Control Analysis，简称ＭＣＡ 代谢工程一个主要目标就 是对代谢通量控制了解 。其是经过路径中酶活性
代谢工程概念
代谢工程概念一、名词解释：1代谢工程：应用重组DNA技术和分析生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的遗传操作，改变酶的功能或输送体系的功能，甚至产能系统的功能，以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操作工作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢活性的实现）。
代谢工程是生物化学反应代谢网络有目的的修饰。
它属于基因工程的一个重要的分支。
2代谢控制发酵技术：利用遗传学的方法或生物化学方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，使目的产物大量的生成、积累的发酵。
3生物技术：是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。
4代谢网络的节点（Node）：微生物代谢网络中的途径的交叉点（代谢流的集散处）称作节点。
在不同条件下，代谢流分布变化较大的节点称为主节点。
根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、弱刚性、强刚性三种。
5柔性节点（Flexible Node）：是节点的一种类型，是流量分配容易改变并满足代谢需求的一类节点。
（指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加）。
6强刚性节点：若一个节点的一个或多个分支途径的流量分割率受到严格控制，那么这类节点就称为强刚性节点。
（指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。
）。
7弱刚性节点：若一个节点的流量分配由它的某一分支途径的分支动力学所控制，则称该节点是弱刚性节点，介于柔性节点和强刚性节点之间。
8代谢流（Flux）：定义为流入代谢物被途径加工成流出代谢物的速率。
9途径工程（Pathway Engineering）：是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络，并通过DNA重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性改造的应用性学科。
10合成生物学：简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题的一门新兴学科。
代谢工程流程
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代谢工程
发展前沿
• 采用系统生物学原理和转基因生物技术、 计算机软件辅助设计技术，将细胞内次生 代谢反应链重新设计、人工合成基因与基 因调控网络，从而进入了代谢工程、基因 工程的合成生物学 - 系统生物学基础的遗传 工程时代。
• 最近的发展表明，它在植物、动物代谢工 程及至人体组织细胞的基因治疗及代谢分 析方面有重要应用。该领域的新颖性在于 分子生物技术与数学分析工具的集成，这 有助于阐明基因修饰的代谢通量控制及靶 标的合理选择。通过提供对细胞生物学的 准确严密的描述，代谢工程也可大大促进 功能基因组学研究的深入发展。
研究方向
• 主要是代谢工程的分析方面。 • 1怎样确定定义生理状态的参数？ • 2怎样用这信息解释代谢网络控制的结构体系，进 而提出达到某个目标的合乎道理的修饰位点？ • 3怎样进一步评估这些遗传修饰和酶的修饰的真实 的生化效果，以便进行下一轮的途径修饰，直到 达到目的？ • 4能不能提出一个可用来确定代谢修饰的最有希望 的靶位的合理的步骤？
Thank you!
操作方法
• 操作的主要方法是：用化学诱变剂处理微 生物，并用创造性的筛选技术来检出已获 得优良性状的突变菌株。 • 尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好 的效果，但对突变株的遗传和代谢性状的 鉴定是很不够的，更何况诱变是随机的， 科学不足技巧补 。
优势
• 尽管在所有的菌种改良方案中都有某种定 向的含义，但与随机诱变育种相比较，在 代谢工程中工作计划的定向性更加集中更 加有针对性。这定向性在酶的目标的选择， 实验的设计，数据的分析上起着支配的作 用。
目标
• 代谢工程的主要目标是识别特定的遗传操 作和环境条件的控制，以增强生物技术过 程的产率及生产能力，或对细胞性质进行 总体改性。
如何在生物化学中进行代谢工程
如何在生物化学中进行代谢工程生物化学中的代谢工程是一门充满活力和挑战的学科，它旨在通过对细胞代谢网络的理性设计和改造，实现生物体系的优化和创新。
这不仅有助于提高生物生产过程的效率和产量，还为解决能源、环境和医疗等领域的问题提供了新的思路和方法。
那么，如何在生物化学中进行代谢工程呢？首先，我们需要深入了解代谢途径和代谢网络。
代谢途径是一系列酶催化的化学反应，它们协同作用，将底物转化为产物。
而代谢网络则是由众多代谢途径相互连接形成的复杂体系。
要进行代谢工程，就必须清楚地知道目标产物在代谢网络中的生成途径，以及与之相关的其他代谢途径的关系。
这需要我们掌握生物化学、微生物学、分子生物学等多学科的知识，并运用各种实验技术和分析方法，如酶活性测定、代谢物分析、基因测序等，来获取代谢网络的信息。
在了解代谢网络的基础上，我们可以运用数学模型来模拟和预测代谢过程。
数学模型可以帮助我们定量地描述代谢网络中各物质的流动和变化规律，从而更好地理解代谢过程的动态特性。
通过建立数学模型，我们可以预测不同基因操作或环境条件对代谢产物产量的影响，为代谢工程的设计提供理论依据。
目前，常用的数学模型包括基于代谢物平衡的稳态模型、基于动力学方程的动态模型以及基于基因组规模的代谢网络模型等。
接下来，就是确定代谢工程的目标和策略。
目标可以是提高某种代谢产物的产量、改变代谢产物的比例、合成新的代谢产物等。
策略则包括基因工程、蛋白质工程、发酵工程等多种手段。
例如，如果我们的目标是提高某种代谢产物的产量，可以通过增强相关代谢途径中关键酶的基因表达，或者敲除竞争途径中的关键基因，来增加目标产物的合成通量。
此外，还可以对关键酶进行蛋白质工程改造，提高其催化效率和稳定性。
基因工程是代谢工程中最常用的手段之一。
通过基因克隆、基因敲除、基因过表达等技术，可以对细胞内的基因进行精确的操作。
在进行基因工程操作时，需要选择合适的载体和宿主细胞，并优化基因的表达调控元件，以确保基因能够在宿主细胞中高效表达。
化学合成生物学中的代谢工程技术
化学合成生物学中的代谢工程技术化学合成生物学是一种将生物学和化学合成相结合的新兴学科。
代谢工程技术是化学合成生物学中的重要分支，它通过改造生物体内的代谢网络，使得生物体能够高效地生产有价值的化合物。
在这篇文章中，我们将探讨代谢工程技术在化学合成生物学中的应用。
1. 代谢工程技术的基本原理代谢工程技术的基本原理是在生物体内调节代谢网络，以增强目标产物的合成效率。
在代谢网络中，代谢产物和代谢途径之间存在着复杂的相互作用。
通过了解代谢网络的结构和功能，可以设计出针对目标代谢途径的基因工程策略，从而优化代谢产物的合成效率。
代谢工程技术主要包括基因编辑、信号传导调节、细胞工程和代谢调节等技术。
其中，基因编辑技术是最为常见的代谢工程技术之一，它通过改变生物体内目标基因的DNA序列，来改变目标产物的合成效率。
信号传导调节技术则是通过调节细胞内的信号传递通路来改变代谢途径的活性。
细胞工程技术则是通过改变细胞内的状态和环境，来优化代谢产物的合成效率。
而代谢调节技术则是通过调节代谢网络内不同代谢路线之间的平衡关系，来优化目标产物的分配比例。
2. 代谢工程技术的应用范围代谢工程技术在化学合成生物学中的应用范围非常广泛，可以涉及到从单细胞生物到高等真核生物，从生物制药到工业化学品的生产等诸多领域。
例如，代谢工程技术可以应用于生物制药领域。
在过去的几十年中，由于研究人员对代谢工程技术的不断发展，已经有许多生物制药品种得到了大规模生产。
比如，在遗传工程疫苗的生产中，代谢工程技术可以调节生物体内的代谢网络，使得生物体能够产生有效的疫苗免疫原，来使人体产生相应的免疫能力。
同时，代谢工程技术还可以优化生长条件和工艺参数等关键因素，以实现对生产过程的精细控制和优化。
除了生物制药领域之外，代谢工程技术还可以应用于其他诸多领域。
比如，在工业生产中，代谢工程技术可以优化微生物的代谢途径，促进生物体内目标产物的合成效率。
例如，在乙酸乙酯的生产过程中，代谢工程技术可以通过改变琼脂糖的种类和浓度来调节微生物体内的代谢平衡，以实现琼脂糖生产的高效和规模化。
代谢工程
组合生物合成举例
• 聚酮类化合物 • 简单脂肪酸
聚酮合酶(PKS) 聚酮类化合物
聚酮类化合物的组合生物合成
• 聚酮化合物中碳链骨架的构成单位与催化其 形成的PKS 模块之间有着一一对应的关系
聚酮类化合物的组合生物合成
• 聚酮化合物中骨架结构的改进( 如更改链长 度、环体系等)可以通过改变相应的PKS模 块来实现
获得小分子的新途径
• Escherichia coli萘加双氧酶的gene
？
能将Trp转化为合成靛蓝
获得小分子的新途径
• Escherichia coli编码酪氨酸酶的gene
Tyr
多巴醌
黑色素
组合生物合成
合生物合成
• 通过对微生物次级代谢产物合成途径中涉 及到的一些酶的编码基因进行操作(如替换、 阻断、重组等)来改变生物合成途径产生新 的代谢旁路, 利用天然产物生物合成机制获 得大量新的“非天然”天然产物的方法。
植物细胞的代谢工程
• 栽培大量植物 • 将植物有关基因转移到微生物中 • 植物体内实施代谢工程植物细胞大规模培 养
植物细胞的代谢工程
• 次生代谢关键酶基因工程 • 转录因子或调节基因的基因工程
次生代谢关键酶基因工程
• 基因的剔除 对于部分不利于营养品质或加工品质提高的 植物次生代谢物，可通过反义基因的遗传转 化抑制其合成途径中有关基因的表达，减少 植物合成特定次生代谢物，从而提高植物产 品的品质
重组途径的代谢调控工程
• Solution
设计能够传感细胞代谢状态从而调节重组途 径表达的动态调控系统----代谢调控工程
重组途径的代谢调控工程
• 反映细胞代谢状态的信号分子是动态调控 系统的重要组成部分 • 选用乙酰磷酸体为信号分子，因为它可以 调节受营养成分有效性影响的各种操纵子
代谢工程
代谢工程：（部分）把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。
代谢工程与随机诱变育种的优势：在代谢工程中工作计划的定向性更加集中,更加有针对性。
这定向性在酶的目标的选择，实验的设计，数据的分析上起着支配的作用。
代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程，其不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义，而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域，主要包括：(1)异源蛋白的生产；(2)扩大底物利用范围；(3)生产原来不存在的新物质；(4)对环境有害物质的降解；(5)提高菌体对环境的适应能力；(6)阻断或降低副产物的生成；(7)代谢产品生产速率和生产能力的提高；(8)植物代谢工程；(9)动物代谢工程；(10)人体和组织代谢工程一人类疾病诊断和基因治疗。
代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。
代谢流(物流/通量)(flux)：流入代谢物经该途径转变为流出物的速率。
代谢网络可视为由若干个串联或并联的简单子途径组成，它们通过节点相连。
节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。
柔性节点：是指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加。
强刚性节点:是指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。
弱刚性节点:介于前两者之间，由该节点流向各分支的代谢流中有一个是占主导地位的，其酶活较高或对节点代谢的亲和力较大，且无反馈抑制，通过削弱主导分支的酶量或酶活可增加产物的产率。
代谢物流分析：一种计算流经各种途径的通量的技术，用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。
代谢控制分析:物流控制被分布在途径的所有步骤中，只是若干步骤的物流比其他的更大些，可用数学方程来描述反应网络内的控制机制，即用一途径的物流和以物流控制系数来定量表示酶活之间的关系。
代谢工程提高产量的方法
代谢工程提高产量的方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：代谢工程是一种利用现代生物技术手段来调控微生物代谢途径，从而提高产量的方法。
在工业生产中，代谢工程可以被广泛应用于生物制荂行、食品生产、药物合成等领域，通过对微生物代谢途径的调控，实现产物的高效合成和提高产量。
本文将探讨代谢工程在提高产量方面的作用和方法，希望能给相关领域的研究者提供一些参考。
一、代谢工程的作用代谢工程通过对微生物基因组的改造，调控其代谢途径，提高目标产物的合成效率和产量。
在传统工业生产中，通过代谢工程，可以实现优势微生物的基因组重组，使其在生长过程中能够更有效地利用底物合成所需的产物。
在食品工业中，代谢工程可以优化微生物发酵过程，提高食品的口感和品质。
在药物合成领域，代谢工程可以帮助合成更复杂的有机分子，提高药物的生产效率和质量。
二、代谢工程提高产量的方法1. 选择适合的微生物在进行代谢工程之前，首先要选择适合生产目标产物的微生物。
不同微生物的代谢途径和代谢产物可能存在差异，选择合适的微生物能够更好地实现产物的高效合成。
一些优势微生物如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等被广泛应用于代谢工程中。
2. 基因组重组代谢工程的核心方法是对微生物基因组进行重组，调控其代谢途径。
通过基因敲除、添加以及调控，可以优化微生物的代谢途径，使其更有效地合成目标产物。
通过了解微生物基因组结构和功能，可以有针对性地进行基因组重组，实现产物的高效合成。
3. 代谢通路优化在进行代谢工程时，研究者可以通过调控微生物的代谢途径，优化产物的合成通路。
通过引入新的代谢途径或调控现有途径的酶活性，可以增加底物的利用率，提高产物的合成效率和产量。
此外，对代谢通路中的限速步骤进行优化，也可以进一步提高产物的合成效率。
4. 压力适应在进行代谢工程时，微生物可能面临外界环境不利的压力，如温度、酸碱度等变化。
研究者可以通过调控微生物的代谢途径，提高其对外界压力的适应能力。
通过优化微生物的生长环境，控制生产过程中的外部压力，可以保证产物的高效合成。
代谢工程试题答案
1.微生物代谢工程定义、研究内容和研究手段。
（1）定义：代谢工程是利用重组DNA技术或其他技术,有目的地改变生物中已有的代谢网络和表达调控网络,以更好地理解细胞的代谢途径,并用于化学转化、能量转移及大分子装配过程。
（2）研究内容：生物合成相关代谢调控和代谢网络理论；代谢流的定量分析；代谢网络的重新设计；中心代谢作用机理及相关代谢分析；（3）研究手段:代谢工程综合了基因工程、微生物学、生化工程等领域的最新成果。
①基因操作技术：在代谢工程中，代谢网络的操作实质上可以归结为基因水平上的操作：涉及几乎所有的分子生物学和分子遗传学实验技术，如基因和基因簇的克隆、表达、调控，DNA 的杂交检测与序列分析，外源DNA的转化，基因的体内同源重组与敲除，整合型重组DNA 在细胞内的稳定维持等。
②分析手段：组学技术(X-omics)：工业微生物基因组测序与功能基因组分析；基于基因芯片的转录组学分析；蛋白质组学技术；基于同位素技术的代谢通量组学。
③检测技术：常规的化学和生物化学检测手段都可用于代谢工程的研究，如物料平衡、同位素标记示踪法、酶促反应动力学分析法、光谱学法、生物传感器技术。
2.代谢改造思路和代谢设计原理。
（1）代谢改造思路：代谢工程研究的重点在于改造代谢网络，以便生产特定目的代谢产物或具有过量生产能力的工程菌应用于工业生产。
根据微生物的不同代谢特性，常采用改变代谢流、扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种方法。
a改变代谢途径的方法：加速限速反应，增加限速酶的表达量，来提高产物产率。
改变分支代谢途径流向，提高代谢分支点某一分支代谢途径酶活力，使其在与其它的分支代谢途径的竞争中占据优势，从而提高目的代谢产物的产量。
b扩展代谢途径的方法：在宿主菌中克隆和表达特定外源基因，从而延伸代谢途径，以生产新的代谢产物和提高产率。
扩展代谢途径还可使宿主菌能够利用自身的酶或酶系消耗原来不消耗的底物。
c转移或构建新的代谢途径：通过转移代谢途径、构建新的代谢途径等方法来实现。
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研究微生物代谢调节的意义
十分重要，在工业上可通过对微生物的 代谢途径加以控制来满足生产的需要。
如：谷氨酸发酵菌种：
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微生物的代谢产物可分为：
1. 初级代谢产物
定义：微生物通过代谢活动所产生的、自身生 长和繁殖所必需的物质。
举例：氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素 等。
特征：
不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的， 与菌体的生长呈平行关系。
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微生物自我调节部位 1养分的吸收和排泄 细胞膜 2限制基质与酶的接近 3控制通量：
调节现有酶量和改变酶分子的活性 都涉及到酶促反应的调节 包括酶活性的调节和和酶合成的调节
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一、酶活性的调节
酶活性的调节： 指在酶分子水平上的一种代谢调节，
它是通过改变现成的酶分子活性来调节新 陈代谢的速率。
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两种代谢产物的不同：
1、次级代谢通常在生长后期合成。不是微生 物生长所必需的，不参与微生物的生长和繁殖。
2、次级代谢对环境条件的变化很敏感，其产 物的合成往往会因环境条件的变化而停止。
3、不同微生物的次级代谢产物有很大区别。 基于菌种的特异性
4、催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不 强。
反馈抑制：指反应途径中某些中间产物或末端产物 对该途径中前面反应的影响。
凡是反映加速地称为正反馈； 凡是反应减速的称为负反馈。 末端产物的反馈抑制普遍存在于合成途径中。 反馈抑制：直链式
分支代谢途径：两种以上的末端产物
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反馈抑制的类型
1．直线式代谢途径中的反馈抑制
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2．分支代谢途径中的反馈抑制。 反馈抑制的情况较为复杂。
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合成代谢
与分解代谢正好相反，指在合成代谢酶系的催 化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形 式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。或 利用分解代谢的能量和中间体合成氨基酸、核 酸等单体物质及蛋白质、多糖等多聚物。
分解代谢与合成代谢是互相关联、互相制约， 是生命活动的基础。
正常微生物的小分子物质的合成和降解是自身 调节。
为避免在一个分支上的产物过多时不致 同时影响另一分支上产物的供应，微生 物已发展出多种调节方式。
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（1）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。 同功酶的主要功能在于其代谢调节。
第三章 微生物的代谢调节和代谢工程
第一节 微生物代谢的自我调节 第二节 代谢调控 第三节 次级代谢产物的主要调控机制 第四节 代谢工程
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【教学目的与要求】掌握微生物自身代谢 和次级代谢的机理、有关概念及代谢调 控，了解代谢工程设计的方向。
【教学重点与难点】微生物自身代谢和次 级代谢的机理、有关概念及代谢调控。
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次级代谢产物
定义：微生物生长到一定阶段才产生的化学结构 十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或 并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。
举例：抗生物、毒素、激素、色素等。 特征：
不同的微生物次级代谢产物不同； 次级代谢产物的通常在菌体的生长后期合成，发酵分
两个阶段进行，即营养增殖期和生产期。 在多数情况下，增加前体是有效的
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第一节 微生物代谢的自我调节
微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢 调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条 不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
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微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节 营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过 酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调 节代谢流等。
其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两 个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量， 二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力， 两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效 果。
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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。
如：大肠杆菌天冬氨族氨基酸合成途径中，有三个同 工酶天冬氨酸激酶ⅠⅡ Ⅲ分别受赖氨酸、苏氨酸、硫 氨酸反馈调节
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（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。
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。
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（4）增效反馈抑制：代谢途径中任何一 种末端产物过量时，仅部分抑制共同途 径中的第一个酶活性，但两个末端产物 同时过量时，其抑制作用可超过各产物 存在的抑制能力的总和。如6-氨基嘌呤 核苷酸和6-酮基嘌呤核苷酸合成途径。
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微生物的生长繁殖和新陈代谢 代谢类型：
主要依赖两种代谢途径： 分解代谢 合成代谢
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分解代谢:指复杂的有机物分子通过分解代谢
酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸 （ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量， 一般用[H]来表示）的作用。 微生物通过分解代谢从环境中吸收的各种碳源、 氮源等物质降解，为生命活动提供能源和小分 子中间体。 包括：中心途径如TCA、EMP、HMP及外围途径 （指碳源、氮源通过分解进入中心途径）
.图：大Βιβλιοθήκη 杆菌代谢过程的抑制剂和激活剂.
（一）酶活性的激活
常见的酶活性的激活是前体激活，多发 生在分支代谢途径，即代谢途径中的后 面的反应可被较前面的一种代谢中间产 物所促进。 如：粗糙脉胞酶的异柠檬酸脱氢酶的活 性受到柠檬酸的激活。
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（二）酶活性的抑制
酶活性的抑制包括： 竞争性抑制 反馈抑制
酶活性的抑制 激活
是微生物代谢中存在的两种矛盾的过程。
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酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的 反应可被较前面的中间产物所促进。
酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在 某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时， 这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶 的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而 避免了末端产物的过多累积。
如：谷氨酸棒杆菌合成天冬氨族氨基酸时，天冬 氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
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（3）累积反馈抑制： 催化分支合成途径第一 步反应的酶有几种末端产物抑制物，但每一种 如过量，按一定百分率单独抑制共同途径中的 第一个酶活性，总的抑制效果是累加的，各末 端产物所起的抑制作用互不影响，只影响这个 酶促反应的速率。