代谢控制发酵
第一章：微生物代谢
小结：1、能量代谢是生物新陈代谢的核心
2、化能异养微生物的生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个阶段，依据受体的不
同将生物氧化分为三种：呼吸、无氧呼吸和发酵
3、化能自养微生物利用无机氧化获得ATP，产能少，生长得率极低
4、字样微生物通过光和磷酸化获得ATP，包括循环光合酸化、分循环光和磷酸化和
紫膜光合磷酸化三种
5、微生物具有固氮作用
复习题：
1、名词解释：
生物氧化：在生物体内，从代谢物脱下的氢及电子﹐通过一系列酶促反应与氧化合成水﹐并释放能量的过程。
有氧呼吸：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，在经电子传递系统传给外源电子受体，以分子氧作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程
无氧呼吸：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，在经电子传递系统传给外源电子受体，以氧化型化合物作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程
发酵：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
电子传递链（呼吸链）：多种递电子体或递氢体按次序排列的连接情况。生物氧化过程中各物质氧化脱下的氢，大多由辅酶接受，这些还原性辅酶的氢在线粒体内膜上经一系列递电子体(或递氢体)形成的连锁链，逐步传送到氧分子而生成水。此种连锁过程与细胞内呼吸过程密切相关。植物的叶绿体中则存在光合电子传递链以传递电子，完成光合作用中水分解出氧，形成NADPH的过程。
光和磷酸化（循环/非循环）：一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。
生物固氮：生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。
自生/共生/联合固氮菌：自生固氮菌：独立进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸；固氮效率较低。共生固氮菌：与其他生物形成共生体，在共生体内进行固氮；将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。共生固氮菌：与其他生物形成共生体，在共生体内进行固氮；将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。
2、微生物代谢的特点是什么？
1)代谢旺盛；
2)代谢极为多样化；
3)代谢的严格调解和灵活性。光能型微生物产能：光和磷酸作用产能；植物型（蓝细
菌）：放养性光合作用；化能异养微生物产能：氧化磷酸化作用；发酵型产能：（最终电子受体为有机物）；呼吸型产能：有氧呼吸和无氧呼吸；化能自养微生物产能：通过氧化物及氧化物（电子呼吸链产能）。
3、什么是发酵？什么是呼吸？两者有什么主要区别？
发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。呼吸作用为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，在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。
主要区别：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。
4、葡萄糖降解主要有几条途径？
（1）EMP途径：糖酵解途径
（2）HMP途径：戊糖磷酸途径
（3）ED途径：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径
（4）PK途径：磷酸解酮酶途径
6、化能自养菌的能量代谢有什么特点？
1)无机物底物上脱下的氢（电子）直接进入呼吸链，通过氧化磷酸化产能
2)由于电子可以从多处进入呼吸链，所以有多种多样的呼吸链
3)产能效率通常要比化能异养细菌的低，由于产能效率低，所以化能自养细菌生长缓
慢，细胞产率低
7、试述细菌固氮作用机理和必要条件。
生物固氮反应的6个条件：ATP、固氮酶、镁离子、底物N2、厌氧微环境、还原力
[H]及其载体
固氮反应的总式：N2 + 6H+ + 12ATP +6e→2NH3+12ADP+12Pi
8、在化能异养微生物的生物氧化中，底物脱氢和产能途径主要有哪几条？
1、EMP途径（糖酵解途径）
有氧时，与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。
无氧时，丙酮酸进一步代谢成有关产物。
2、HMP途径（己糖-磷酸途径）
产生大量NADPH2和多种重要中间代谢物。
3、ED途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径 KDPG
是少数缺乏完整EMP的微生物具有的一种替代途径，细菌酒精发酵经ED进行。
4、TCA循环（三羧酸循环）
真核在线粒体中，原核在细胞质中。
TCA在代谢中占有重要枢纽地位
9、试从狭义和广义两方面来说明发酵的概念
狭义的发酵是微生物生理学严格定义的“发酵”：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
广义的发酵是工业生产上定义的发酵：工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业利用秸秆发酵制成沼气生产均称为“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。
第二章微生物代谢的调节机制
1、反馈抑制的本质是什么？分支代谢途径中存在哪些主要的反馈抑制类型？
本质：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。分支代谢途径中的反馈抑制
（1）同功酶调节
（2）协同反馈抑制（concerted feedback inhibiton）
（3）合作反馈抑制（cooperative feedback inhibiton）
（4）累积反馈抑制（cumulative feedback inhibiton）
（5）顺序反馈抑制（sequential feedback inhibiton）
（6）终产物抑制的补偿性逆转(compensatory reversal of end-product inhibition)
2、什么是同功酶？什么是变构酶？它们在反馈抑制中起着什么作用？
同功酶：是指能催化同一生化反应，但结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。作用：
变构酶：具有变构作用的酶。作用：每个变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。配体和酶蛋白的不同部位（或亚基）结合时，可在底物——底物，效应物——底物和效应物——效应物之间发生协同反应，此效应可以是促进（正协同）或阻抑的（负协同）
3、什么是诱导酶？酶的诱导有何特点？其意义如何？
诱导酶：只有在其底物，即有诱导物存在时才被合成的酶。
特点：
意义：
4
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.
分解代谢物阻遏指细胞内同时有两种可利用底物（碳源或氮源）存在时，利用快的底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。
5、名词解释：
操纵子：操纵子（元）是指结构上、功能上协同作用的相关基因组成的一个片段（区域）。
调节基因：编码组成型调节蛋白的基因；
效应物：编码组成型调节蛋白的基因；
调节蛋白：
5、试图示并解释乳糖操纵子的诱导机制。
6、试图示并解释色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制。
在没有末端产物的情况下，阻遏蛋白不能与辅阻遏物（如色氨酸）结合成完全阻遏物，因此操纵基因的“开关”是打开的，这时转录、转译可正常进行，诱导酶大量合成；反之，则阻遏物蛋白可与辅阻遏物结合成一个有活性的完全阻遏物，它与操纵基因相结合，使转录的“开关”关闭，从而无法进行转录和转译。
7、酶活性调节与酶合成调节有何不同，它们之间有何联系？
区别： A．从调节对象看：酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化。
B．从调节效果来看：酶活性调节快速而精细；
C．从调节机制看，酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成；酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。
联系：细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行
第三章代谢控制发酵的基本思想
1、分类比较微生物代谢途径的调节模式。
2、何为营养缺陷型突变株和渗漏突变株？各举一个实例说明其在代谢控制发酵中的用途。营养缺陷型就是指原菌株由于发生了基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某种物质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。
例子：谷氨酸棒杆菌鸟氨酸生物合成
渗漏突变株就是指遗传性障碍不完全的缺陷型。
例子：
3、抗结构类似物突变株选育的机制是什么？
第19 个ppt
4、增加前体物合成的方法有哪些？
1、切断共同前体的分支途径
2、解除前体物合成的调节
3、增强前体代谢流
4、利用基因工程技术，将生物合成途径中的关键酶基因克隆到多拷贝载体上，使其大量
扩增，从而也就增加了目的产物的前体物的合成，这是最直接的提高目的产物产量的方法。
5、简述菌种改造的五字策略。
菌种改造：“进、通、节、堵、出”五字策略。
1、进：促进细胞对碳源等营养物质的吸收。
2、通：解除对途径中某些酶的反馈调节，或者诱导或激活这些酶，从而使来自各个分
支的碳架物质能畅通地疏向目的产物。
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。
4、堵：消除或消弱目的产物进一步代谢的途径。
5、出：促进目的产物向胞外空间分泌。
第四章代谢控制发酵育种的基本技术
1、什么是诱变育种，简述工业微生物诱变育种技术的一般操作步骤。
诱变育种：利用物理或化学因素处理微生物细胞群体，促使其中少数细胞中的遗传物质（DNA）的结构发生改变，从而引起微生物的遗传性状发生变化，然后通过目的选择标记设法从群体中筛选出少数性状优良的突变菌株的过程。
步骤：选择易于表现出基因发生改变的单倍体细胞。
选择纯种、单核或细胞核尽量少的细胞：在混有野生型和突变型的异核体中，可能出现分离性表型延迟现象；如在霉菌诱变育种中，多采用分生孢子或孢子囊孢子进行诱变处理。
选择出发菌株应考虑其稳定性。
大幅度提高产量是经过多次诱变、筛选的结果。
2、什么是转导、转化，分类比较转导和转化各自的特点。
转导作用就是利用转导噬菌体作为媒介而将供体菌的部分DNA导入受体菌中，从而使受体菌获得部分遗传性状的现象。
转化就是指相当大的游离的供体细胞的DNA片段被直接吸收到受体细胞中内，并整合于受体细胞的基因组中，从而使受体细胞获得供体细胞部分遗传性状的现象。
3、试述筛选营养缺陷型菌株的方法，并说明营养缺陷型菌株在应用上的作用。
方法：一般是经诱变后，再经中间培养、浓缩缺陷型（淘汰野生型）、检出营养缺陷型（夹层培养法、限量补充培养法、逐个检出法、影印平板法）、确定生长谱鉴定
营养缺陷型。
应用：积累有用的中间代谢产物。缺陷型菌株常常会使发生障碍的前一步的中间代谢产物得到累积，这就成为利用营养缺陷型菌株进行工业发酵来累积有用的中间代谢
产物的依据。
4、什么是原生质体融合，简述其步骤。
原生质体融合就是将两个亲株的细胞壁分别通过酶解作用加以剥除，使其在高渗环境中释放出只有原生质膜包被着的球状原生质体，然后将两个亲株的原生质体在高渗条件下混合，由聚乙二醇(PEG)助融，使它们相互凝集，通过细胞质融合，接着发生两套基因组之间的接触、交换，从而发生基因组的遗传重组，就可以在再生细胞中获得重组体。
步骤：⑴标记菌株的筛选；
⑵原生质体的制备；
⑶原生质体的融合；
⑷原生质体的再生；
⑸融合子的选择；
⑹实用性菌株的筛选。
5、简述诱变时菌悬液的制备。
1)一般采用生理状态一致（用选择法或诱导法使微生物同步生长）的单细胞或孢子进
行处理。
2)处理前细胞尽可能达到同步生长状态，细胞悬浮液经玻璃珠振荡打散，并用脱脂棉
或滤纸过滤，以达到单细胞状态。对于酵母等个体较大的细胞，可换用二层擦镜纸过滤，经此处理，分散度可达90%以上，供诱变处理较为合适。
3)霉菌和放线菌采用孢子悬浮液进行诱变。
根据选用的诱变剂不同，菌悬液可用生理盐水或缓冲液配制。
用物理诱变剂处理时，一般用生理盐水（NaCl 0.85%）配制悬浮液即可。
用化学诱变剂处理时，必须采用缓冲溶液。
6、掌握几个概念
营养缺陷型：营养缺陷型是属代谢障碍突变株，常由结构基因突变引起合成代谢中一个酶失活直接使某个生化反应发生遗传性障碍，使菌株丧失合成某种物质的能力，导致该菌株在培养基中不添加这种物质，就无法生长。
原养型：指auxo突变菌株回复突变或重组后产生的菌株，与野生型的表型相同。
基本培养基：满足野生型菌株营养要求最低成分的组合。
完全培养基：满足一切auxo生长的天然或半组合培养基。
补充培养基：在MM中有针对性地加入一或几种营养成分以满足相应auxo生长的组合培养基。
7、试述抗性突变菌株的3种筛选方法。
1)一次性筛选法：就是指在对出发菌株完全致死的环境中，一次性筛选出少量抗性变
异株
2)阶梯型筛选法：梯度平板法
3)纸片扩散法：用打孔器将较厚的滤纸打成小圆片，并使纸片吸收一定浓度的药物，
经干燥或不经干燥，放入涂布了菌悬液的平板上，一般九厘米的培养皿中等距放置三片为宜。经培养后观察围绕纸片的抑菌圈，抑菌圈内出现的可能就是抗性菌。
第五章重组DNA技术
1. 概念：
（1）克隆：来自同一始祖的相同副本或拷贝的集合，也就是获得遗传背景完全相同的分
子或个体的拷贝。
（2）转化：
（3）基因工程：实现基因克隆所采用的方法及相关的工作，又称为重组DNA技术（4）限制性核酸内切酶：识别DNA的特异序列，并在识别位点或其周围切割双链DNA
的一类内切酶。是细菌内存在的保护性酶。
（5）载体：可以插入核酸片段、能携带外源核酸进入宿主细胞，并在其中进行独立和定的自我复制的核酸分子。
（6）G文库：存在于转化细菌内，由克隆载体所携带的所有基因组DNA的集合。
（7）质粒：存在于细菌染色体外的小型环状双链DNA分子。
（8）c文库：用细胞总mRNA制备全套双链cDNA后，建立的基因文库。
2. 简述基因工程的基本过程。
1)目的基因的获取：从供体细胞的DNA中直接分离基因或者人工合成基因
2)基因表达载体的选择和构建：
3)将目的基因与运载体结合，实现外源基因与载体的连接
4)将目的基因导入受体细胞
5)目的基因的检测和表达
3. 简述目的基因的主要来源或途径。
1)化学合成法：用于已知序列，或可推导出序列的基因
2)基因组DNA：基因组DNA文库（genomic DNA library）
3)cDNA：cDNA文库（cDNA library）
4)聚合酶链式反应（polymerase chain reaction, PCR）
第六章糖代谢与调控
1、能荷是如何对微生物菌体细胞进行代谢调节的？
能荷（Energy charge）：[（ATP）+1/2（ADP）]/[（ATP）+（ADP）+（AMP）]
当生物体内生物合成或其它需能反应加强时，细胞内ATP分解生成ADP和AMP。一旦ATP减少，ADP或AMP增加，即能荷降低，就会激活某些催化糖类分解的酶或解除ATP 对这些酶的抑制，并抑制糖原合成的酶，从而加速糖酵解，TCA循环产生的能量，通过氧化磷酸化作用生成ATP。
当能荷高时，即细胞内能量水平高时，AMP、ADP都转变成ATP，情况则相反。
2、根据D-核糖的生物合成途径及代谢调节机制，阐述D-核糖高产菌的育种思路。
调节机制：D-核糖发酵是切断HMP途径，使微生物改变酶系，积累阻断反应的前体物，进行代谢控制发酵的典型例子。
思路：要使微生物积累D-核糖，必须选育丧失转酮酶活力的突变株，由于缺少转酮酶，所以由转酮酶所催化的反应就会发生阻断，使D-核糖的前体物D-核糖-5-磷酸大量积累，再经酶的作用脱去磷酸便可合成D-核糖。
第七章脂类代谢与控制
1、简述脂肪酸分解与合成的根本性区别。
2、以γ-亚麻酸为例，试应用代谢调节控制理论论述γ-亚麻酸产生菌的育种思路。
根据上述育种思路，要选育γ-亚麻酸高产菌株，可以从以下几方面着手：
1）、出发菌株的选择：γ-亚麻酸产生菌多采用被孢霉（Mortierella）、毛霉（Mucor）、红酵母（Rhodotorula）、小克银汉霉（Cunninghamella）等产油脂较高的真菌作为出发菌株。2）、切断或减弱支路代谢
3）、解除反馈调节
4）、强化能量代谢
5）、增加前体物的合成
6）、选育Δ6-脱氢酶活力强的突变株
7）、选育低温生长突变株
8）、选育耐高糖的突变株
9）、基因工程育种
第八章：氨基酸的代谢控制与发酵
1、简述黄色短杆菌赖氨酸生物合成的调节机制
2、简述赖氨酸生产菌的选育原则
赖氨酸的直接发酵法生产主要采用短杆菌属和棒杆菌属细菌的各种变异株。
与大肠杆菌相比，短杆菌属和棒杆菌的L-赖氨酸生物合成调节机制较为简单，适合作为出发菌株（如黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌等）。
一般来说，L-赖氨酸产生菌由亚硝基胍（NTG）、甲基磺酸乙酯（EMS）、紫外线（UV）等诱变选育而得。
第九章抗生素发酵的代谢与控制（无）
附加1：DNA的琼脂糖凝胶电泳技术（无）
附加2：质粒提取和电泳（无）
代谢控制发酵试题库
1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。 2分解代谢物阻遏：当细胞具有一优先利用的底物时，很多其他分解反应途径受到阻遏 3限量补充培养法：将经适当稀释的浓缩处理液涂布于含有微量蛋白胨或0.1%完全培养基成分的基本培养基平板上。经培养后，野生型细胞迅速生长成较大菌落，而缺陷型细胞生长缓慢只能形成小菌落。这些小菌落大多数为营养缺陷型，将其转接到完全培养基斜面保存待测。 5代谢互锁:从生物合成途径来看，酶受一种与此代谢途径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(阻遏)作用是部分性的，不完全的。 6代谢工程:应用重组DNA技术和应用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。 7积累反馈抑制:每个分支途径的末端产物都独立于其他末端产物，以一定百分比控制该途径第一个共同的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应的抑制是累积的。各末端产物之间既无协同效应，也无拮抗作用。 8原生质融合:是一个人工实验系统，将遗传性状不同的两个细胞融合，通过基因重组，形成有新的、优良性状的新细胞的过程。 9转导:利用转导噬菌体为媒介而将供体菌的部分DNA导入受体菌中，从而使受体菌获得部分遗传性状的现象。 10营养缺陷型：指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型菌株。 11基因工程：指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。 12诱变：指利用物理或化学因素处理微生物细胞群体，促使其中少数细胞中的遗传物质(主要是DNA)的结构发生改变，从而引起微生物的遗传性状发生变化，然后通过目的选择标记设法从群体中筛选出少数性状优良的突变菌株的过程。 13.转化：指相当大的游离的供体细胞的DNA片段被直接吸收到受体细胞内，并整合于受体细胞的基因组中，从而使受体细胞获得供体细胞部分遗传性状的现象。 14合作反馈抑制：当任何一种终产物单独过剩时，只部分的反馈抑制第一个酶的活性，只有当终产物同时过剩存在时，才能引起强烈抑制，其抑制程度大于各自单独存在的和 15增强子：指增加同它连锁的基因转录频率的DNA序列（能强化转录起始的一段DNA序列）。 16回复突变株：由突变型菌株经再突变而恢复原初野生型性状的菌株。 17渗漏突变型：指因突变所产生的不完全遗传障碍，其基因所控制的反应程度不象野生型，但多少还能进行，称这种现象为渗漏，具有这种性质的突变型就称为渗漏突变型
微生物代谢工程
微生物代谢工程 1.代谢控制发酵 代谢控制发酵就是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，使得目的产物大量的生成、积累的发酵。 代谢控制发酵的核心：解除微生物代谢控制机制，打破微生物正常的代谢调节，人为地控制微生物的代谢。 2.微生物代谢工程定义、研究内容和研究手段 定义：应用重组DNA技术和应用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）。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。 研究内容： (1)代谢流的定量和定向 (2)细胞对底物的吸收和产品的释放模型及分析 (3)研究胞内代谢物浓度的反应工程方法 (4)用13C标记实验进行胞内稳态流分析 研究手段 (1)采用遗传学手段的遗传操作 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。④无机磷对生物合成的调节。 (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。 3. 工业发酵的五字策略（图示加文字说明） ①进，在育种和发酵控制方面都要促进细胞对碳源营养物质的吸收； ②通，在育种方面解除对某些酶的反馈调节，在发酵控制方面，诱导这些酶的合成或激活这些酶，从而使来自各代谢物流（除碳架物流外海包括其他支持生物合成的物流）能够畅通的注入载流途径，汇入代谢主流，流向目的产物，特别是当发酵进入目的产物合成阶段后，必需确保载流路径通畅，代谢主流优势明显 ③节，采用育种或发酵控制手段，节制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。这里所谓的“节制”是指封闭或削弱以目的产物合成途径的起始底物或以中间产物为起始底物的分支途径； ④堵，采用育种或发酵手段消除或削弱目的产物进一步代谢的途径，包括目的产物参与的分解代谢和合成代谢，为了消除或削弱目的产物的进一步分解代谢，就必须降解目的产物进一步代谢的酶活力或酶量，甚至使这些酶不再合成或不起作用； ⑤出，促进目的产物向胞外空间分泌。在育种和发酵控制发面可通过调节细胞对目的产物的通透性，增加输送目的产物的载体蛋白的量，为目的产物输送代谢能的方法，使目的产物尽快转移出细胞。 4. 酶的阻遏机制，以大肠杆菌色氨酸或组氨酸操纵子为例来说明（图示加文字说明） 终端产物对其自身合成途径的酶的合成的反馈阻遏和弱化的机制反馈阻遏：
发酵调控学完整版
发酵调控学 生物工程学院 储炬 课程内容 1 微生物生长分化调节的规律 (1)细胞周期内有关生长的活动，DNA合成与细胞分裂的调节 (2)丝状菌生长分化的调节 2 初级代谢的调节机制 (1)调节的生化基础 (2)代谢调节的方式与内容：诱导、分解代谢物调节、反馈调节 课程内容 3 次级代谢物的生物合成的调节 (1)次级代谢物的概念 (2)生物合成的前体 (3)次级代谢物的生物合成 (4)抗生素生物合成的控制 课程内容 4 发酵过程控制 (1)控制的策略 (2)参数的指导作用 (3)参数相关分析 (4)过程控制的评价 主要参考书 ?现代工业发酵调控学，储炬，李友荣，化学工业出版社，北京。2002年1月?Biotechnology, 2nd ed. Vol.1; Biological Fundamentals. Rehm H-JB ?Biotechnology, 3nd ed Vol.3;Bioprocessing. Rehm H-JB 微生物发酵代谢调控与发酵过程优化技术 ?代谢调控是研究内在的调节机制，而过程优化则是外在控制，是建立在相关参数的分析上的，这两个方向相辅相成，前者为后者的基础，而后者是使理论变为现实的手段。 1微生物生长与调节 为了控制菌体的生长，需要了解生长的方式，细胞分裂和调节的规律，测量微生物生长的各种办法，微生物生长繁殖的形式与工业生产的关系，环境变化对微生物生长的影响。因此，研究微生物的生长分化规律无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分。 细胞周期 对于个体细胞行为，主要关心 ?染色体启动、复制和分离 ?新细胞壁材料的合成与插入 ?协调染色体复制和细胞分裂的信号 细胞周期 细胞周期(Cell cycle)： 细胞的一系列可鉴别的周而复始的生长活动。这些活动的顺序不变, 完成一个活动后才能进行下一个活动。 图1 细胞周期 细胞周期
组氨酸代谢控制发酵
组氨酸代谢控制发酵 11生工（1）班郝瑶 20110801111 摘要：L-组氨酸是含咪唑核的碱性氨基酸，是人体和动物体内的半必需氨基酸。L-组氨酸具有多种生理功能，应用广泛，尤其在医药领域中的应用日益受到重视，是市场上急需的氨基酸品种之一。文中简要介绍了发酵法生产L-组氨酸及产物检测方法，通过对L-组氨酸生物合成途径的分析指出了大量合成L-组氨酸的关键控制点及选育的基本思路，并重点概括了国内外对L-组氨酸高产菌株选育方案的研究。 关键词：L-组氨酸；发酵；代谢途径；选育方法 引言 L-组氨酸（L-Histidine）化学名为L-α-氨基-β-咪唑丙酸，是分子中含有咪唑核的碱性氨基酸[1]。L-组氨酸具有多种生理功能，广泛用于医药、饲料及食品行业。尤其在医药领域的作用日益受到重视，目前，其主要应用于氨基酸输液及综合氨基酸制剂方面，已成为中国医疗最常用的药物之一，用量逐年递增。但目前L-组氨酸生产的先进技术主要掌握在欧、美、日等发达国家手里，主要采用发酵法。日本在20世纪70年代就开展发酵生产组氨酸的研究，而国内在这方面还仅处于实验室研究阶段[2-3]。因此加快研究发酵法生产L-组氨酸具有非常重要的意义。 1发酵法生产L-组氨酸 发酵法借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通过对组氨酸产生菌进行诱变，选育出营养缺陷型及组氨酸结构类似物抗性突变株，以解除代谢调节中的反馈抑制和反馈阻遏，从而达到过量积累L-组氨酸的目的[4]。其具有原料成本低，反应条件温和极易实现大规模生产等优点，是一种非常经济有效的生产方法[5]。 1.1L-组氨酸的产生菌 目前发现的组氨酸产生菌有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、枯草芽孢杆菌和粘质赛氏杆菌。已投入工业化生产的有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌和粘质塞氏杆菌，其产酸水平分别为15.4g/L、12.5g/L和17.0g/L，糖酸转化率分别为15.4%、12.5%、10.0%[6]。 1.2发酵过程中pH值的控制 大部分组氨酸发酵培养基中的氮源是硫酸铵，当铵离子被利用之后，剩余的硫酸根离子会导致发酵液的pH值下降，从而对发酵产生影响。可以考虑在发酵培养基中添加碳酸钙，因为碳酸钙可以中和硫酸根离子，通过优化试验确定碳酸钙的最佳添加量。 1.3生物素对L-组氨酸发酵的影响 作为L-组氨酸的主要产生菌，谷氨酸棒杆菌是生物素缺陷型菌，生物素是细胞生长的必需因子，同时还是多种羧化酶的辅酶，在CO2固定反应中起重要作用，可影响糖酵解速度，改变发酵代谢流向。添加适量的生物素可以增加单磷酸己糖支路（HMP）途径的代谢流量，有利于L-组氨酸的产生[7]。
代谢调控理论在微生物发酵中的应用
代谢调控理论在微生物发酵中的应用 参考文献 贾红华，韦萍，何冰芳.L苯丙氨酸生产的代谢工程研究.生物加工过程.2004,2(2)：8-12 目的 使得更加理性的改造菌株成为可能，促进发酵法的广泛应用 方法 目前至少已发现 7种微生物的苯丙氨酸合成途径，且均非常相似。 由于野生菌不会直接大量产生L-苯丙氨酸，高效的L-苯丙氨酸生产菌株多采用诱变和基因工程手段相结合来改变野生菌的芳香族氨基酸生物合成的相关代谢流量而获得。研究人员对L-苯丙氨酸生物合成途径中相关基因及其酶进行调控，并对中央代谢途径进行一定的改造，在芳香族氨基酸生物合成支路中也进行特定的修饰。 相关基因及其酶进行调控 PEP和E4P合成DAHP的反应由3个DAHP合成酶同工酶所催化。分别受L-色氨酸(由aroH表达)、L-苯丙氨酸(由aroG表达)和L-酪氨酸(由aroF)反馈抑制。作为关键反应之一的分支酸转化为预苯酸的反应依赖于两个不同的分支酸变位酶(分别由phoA，tyrA表达)，并分别受L-苯丙氨酸和L-酪氨酸反馈抑制。而莽草酸脱氢酶则受其产物莽草酸抑制。 中央代谢途径改造 中央代谢途径是控制中间产物的代谢流量、产物的形成速率及产率的关键步骤。为高效生产目的产品，必须对中央代谢途径的相关步骤进行调节控制。 芳香族氨基酸生物合成途径的共同前体PEP和E4P均来自中央代谢途径(如图2所示)。糖酵解途径会产生PEP，而E4P则由磷酸戊糖途径供应。通过对E.coli 的中央代谢途径的计量分析显示，当该菌生长在以葡萄糖作为唯一碳源的限制性培养基上时，大约有30%的G6P会进入磷酸戊糖途径，但仅有3%的PEP用于芳香族氨基酸的生物合成。 研究表明：仅有当量PEP供应时，L-苯丙氨酸的理论产率为30%，当PEP 的供应量加倍时，其理论产率将增加到56%。为改善芳香族氨基酸的生产，研究人员采用分子生物学手段对该两个生物合成途径进行基因构建及改造，且取得了满意的成绩。
代谢控制发酵试题库
代谢控制发酵试题库 名词解释 1.代谢工程指应用重组DNA技术和应用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）。 2.积累反馈抑制指每个分支途径的末端产物都独立于其他末端产物，以一定百分比控制该途径第一个共同的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应的抑制是累积的。各末端产物之间既无协同效应，也无拮抗作用。 3.代谢互锁指从生物合成途径来看，酶受一种与此代谢途径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(阻遏)作用是部分性的，不完全的。 4.原生质融合指是一个人工实验系统，是将遗传性状不同的两个细胞融合，通过基因重组，形成具有新的、优良性状的新细胞的过程。 5.转导指利用转导噬菌体为媒介而将供体菌的部分DNA导入受体菌中，从而使受体菌获得部分遗传性状的现象。 6.代谢控制发酵：是指利用遗传学方法或其它生物化学方法，人为地在脱氧核苷酸（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。 7.营养缺陷型：指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型菌株。 8.基因工程：基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。 9.诱变：指利用物理或化学因素处理微生物细胞群体，促使其中少数细胞中的遗传物质(主要是DNA)的结构发生改变，从而引起微生物的遗传性状发生变化，然后通过目的选择标记设法从群体中筛选出少数性状优良的突变菌株的过程。 10.转化：指相当大的游离的供体细胞的DNA片段被直接吸收到受体细胞内，并整合于受体细胞的基因组中，从而使受体细胞获得供体细胞部分遗传性状的现象。 11.合作反馈抑制：指当任何一种终产物单独过剩时，只部分的反馈抑制第一个酶的活性，只有当终产物同时过剩存在时，才能引起强烈抑制，其抑制程度大于各自单独存在的和。12.分子克隆：指对目的DNA分子进行切割，并连接到合适的载体上进行体外重组。 判断 1.转化和转导都是将外源基因导入受体细胞的方法，只是受体存在差异。 ×，转导需要载体，而转化不需要载体。 2.紫外线照射后的菌悬液，不能移至可见光下进行筛选和检出。 √，由于光复活作用，不能移至可见光下 3.酶的诱导和酶的阻遏都是指终产物对酶合成过程的促进或阻碍。 ×，酶诱导是底物对酶合成的促进，酶阻遏是产物对酶合成的抑制 4.一个操纵子中的结构基因通过转录、转译控制蛋白质的合成，而操纵基因和启动基因通过转录、转译控制结构基因的表达。 ×，操纵基因和启动基因只起调节作用，本身不表达。 5.诱变处理的菌液进行中间培养主要是为了克服表型延迟。 √，解释表型延迟。 6.转化和转导都是将外源基因导入受体细胞的方法，只是供体存在差异。
发酵工程 举例说明如何通过代谢调控提高微生物产物产量
举例说明如何通过代谢调控提高微生物产物产量 2013.6.16 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。从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。 通过代谢调节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”。 正常情况下，微生物代谢产物由于反馈抑制和反馈阻遏是不会大量积累的。但自然界里常发现一些微生物产生了过量的代谢产物，这主要是由于这些微生物代谢机制失调造成的，在工业发酵上，可运用遗传的和环境的控制和人为的代谢调节，使其产物大量积累。 如氨基酸发酵生产就是在代谢调节研究的基础上发展起来的。目前已经能够在转录和翻译上控制微生物的代谢，使微生物工业发酵进入了一个崭新阶段，即代谢控制发酵阶段。所谓的代谢控制发酵，就是人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生成、积累。 一般改变微生物代谢调节的方法有如下几种: 第一种是采用物理化学诱变，获得营养缺陷型 第二种方法是应用抗反馈调节突变法。 第三种就是控制发酵条件，改变细胞的渗透性。 一、应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节 这是氨基酸生产菌育种的最有效的办法。营养缺陷型是指某菌种失去合成某种物质的能力，即合成途径中某一步发生突变，使合成反应不能完成，最终产物不能积累到引起反馈调节的浓度，从而有利于中间产物的积累。例如，用高丝氨酸缺陷型生产菌进行赖氨酸发酵。一般在形成赖氨酸的过程中有3种产
发酵优化与控制
发酵过程的优化与控制 1.举例说明反馈控制系统是如何工作、间接优化发酵性能的。 答：以《应用溶氧反馈控制高密度培养重组大肠杆菌过程中乙酸的产生》为例简介如下： 在供氧充足的条件下，当大肠杆菌比摄糖速率q g≥临界值q g crit时(图1A)，就会产生乙酸，溶氧信号pO2在产生乙酸时为图1B中的2，不产生乙酸为图1B中的1； 在葡萄糖限制培养的条件下，脉冲补入葡萄糖，当q g≤q g crit时，大肠杆菌比摄氧速率q o升高，pO2值降低。 脉冲过后，葡萄糖浓度的下降，q g下降，pO2值也逐渐回升(图1B)。 当脉冲补入的葡萄糖过多，大肠杆菌的摄糖速率超过临界值时，大肠杆菌的摄氧能力处于饱和状态，pO2值的响应就不会随着葡萄糖的脉冲补入而产生振荡变化(图1B)。 如图：在补料的前阶段(15~28h)，以对数增加的流速补入葡萄糖时，pO2值随着葡萄糖脉冲补入而上下振荡；加入IPTG开始诱导(26h)重组大肠杆菌表达人表皮生长因子后，在接近30h时，振荡的幅度变小，这标志着重组菌的比摄糖速率逐渐接近产生乙酸的临界比摄糖糖速率(q g crit)，而此后降低补料速率则又使pO2的振荡幅度有所增加。根据pO2值的振荡变化来控制葡萄糖的补料速率(30~44h)，能使重组大肠杆菌继续保持较高的生长速率，同时发酵液中的乙酸和葡萄糖的浓度也维持在较低的水平，大肠杆菌的细胞干重在44h时达到48g/L，人表皮生长因子的表达量比第二批提高45％。
2、实现发酵过程优化的目标有哪些？如何根据发酵过程的特点实现这些目标 的相对统一？举一例进行表述。 答： ⑴实现发酵过程优化的目标： 使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能的简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行，以达到高产量（提高设备利用率；降低产品提取费用），高转化率（降低原料成本；减少环境污染），高生产强度（缩短生产周期；降低设备投资）的目的。 ⑵举例说明实现发酵目标相对统一：《L-组氨酸发酵优化》 ①L-组氨酸测定方法的研究 产物的快速测定，可以帮助生产者及时知道发酵过程进行的水平。快速测定方法的建立不仅给生产带来方便，也节约了生产成本。 本研究中应用“Paully试剂比色法”对发酵液中L-组氨酸进行了定量分析研究，确立了L-组氨酸定量测定条件和计算方法，并对其精确度进行研究，证明Paully试剂比色法能够快速，准确的测定发酵液中L-组氨酸含量。 ②L-组氨酸发酵条件的优化 组氨酸工业优生产的关键是发酵，发酵水平的高低是决定产品成本的主要因素。提离发酵水平的途径有二条：一是选育适合工业化生产的优良菌种，二是获得与生产菌种相匹配的最佳发酵工艺条件和控制手段。前者是建立在代谢控制发酵研究基础上的现代菌种选育技术，后者是建立在生化反应工程基础上的发酵过程技术。只有二者紧密结合才能最终实现发酵生产的高水平。 本研究中进行了分批发酵和补料分批发酵的条件优化，通过研究培养方式、营养条件控制、无机盐影响、生长因子影响以及环境条件控制对于L-组氨酸发酵的影响，从而提高了组氨酸的产量。 如图3-1所示为不同碳源对种子培养基的影响，从种子活力分析，以葡萄糖和果糖作为碳源，菌体浓度较高，而蔗糖作为碳源时种子活力最低。从产酸角度看，蔗糖产酸最高，葡
组氨酸发酵条件及高产菌株选育研究进展
2010No．9Serial No．222 China Brewing L-组氨酸（L-Histidine ）化学名为L-α-氨基-β-咪唑丙酸，是分子中含有咪唑核的碱性氨基酸[1]。L-组氨酸具有多种生理功能，广泛用于医药、饲料及食品行业。尤其在医药领域的作用日益受到重视，目前，其主要应用于氨基酸输液及综合氨基酸制剂方面，已成为中国医疗最常用的药物之一，用量逐年递增。但目前L-组氨酸生产的先进技术主要掌握在欧、美、日等发达国家手里，主要采用发酵法。日本在20世纪70年代就开展发酵生产组氨酸的研究，而国内在这方面还仅处于实验室研究阶段[2-3]。因此加快研究发酵法生产L-组氨酸具有非常重要的意义。1发酵法生产L-组氨酸 发酵法借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通过对组氨酸产生菌进行诱变，选育出营养缺陷型及组氨酸结构类似物抗性突变株，以解除代谢调节中的反馈抑制和反馈阻遏，从而达到过量积累L-组氨酸的目的[4-5]。其具有原料成本低，反应条件温和极易实现大规模生产等优点，是一种非常经济有效的生产方法[6]。1.1L-组氨酸的产生菌 目前发现的组氨酸产生菌有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、枯草芽孢杆菌和粘质赛氏杆菌。已投入工业化生产的有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌和粘质塞氏杆菌，其产酸水平分别为15.4g/L 、12.5g/L 和17.0g/L ，糖酸转化率分别为15.4%、12.5%、10.0%[7]。1.2发酵过程中pH 值的控制 大部分组氨酸发酵培养基中的氮源是硫酸铵，当铵离子被利用之后，剩余的硫酸根离子会导致发酵液的pH 值下降，从而对发酵产生影响。可以考虑在发酵培养基中添加碳酸钙，因为碳酸钙可以中和硫酸根离子，通过优化试验确定碳酸钙的最佳添加量。1.3生物素对L-组氨酸发酵的影响 作为L-组氨酸的主要产生菌，谷氨酸棒杆菌是生物素缺陷型菌，生物素是细胞生长的必需因子，同时还是多种羧化酶的辅酶，在CO 2固定反应中起重要作用，可影响糖酵解速度，改变发酵代谢流向。添加适量的生物素可以增加单磷酸己糖支路（HMP ）途径的代谢流量，有利于L-组氨酸的产生[8]。 1.4柠檬酸钠对L-组氨酸发酵的影响 在发酵初期添加柠檬酸钠能够改变L-组氨酸生物合成途径的关键节点6-磷酸葡萄糖、丙酮酸及乙酰辅酶A 的代谢流分布，保持糖酵解途径、三羧酸循环与HMP 之间代谢流量平衡[9-11]。在发酵培养基中添加适量的柠檬酸钠后葡萄糖的酵解途径EMP 被抑制，使碳架流向HMP 途径，有利于组氨酸的生成[12]。 影响组氨酸发酵的因素还有许多，可以通过正交试验或响应面法进行优化试验。2L-组氨酸的测定方法 对L-组氨酸含量测定的研究较少，建立一种简便可行的测定方法，对组氨酸的生产具有指导意义。目前较常用 组氨酸发酵条件及高产菌株选育研究进展 孙希叶，杨平平，李 旋，王燕* （山东轻工业学院食品与生物工程学院，山东济南250353） 摘要：L-组氨酸是含咪唑核的碱性氨基酸，是人体和动物体内的半必需氨基酸。L-组氨酸具有多种生理功能，应用广泛，尤其在医 药领域中的应用日益受到重视，是市场上急需的氨基酸品种之一。文中简要介绍了发酵法生产L-组氨酸及产物检测方法，通过对L-组氨酸生物合成途径的分析指出了大量合成L-组氨酸的关键控制点及选育的基本思路，并重点概括了国内外对L-组氨酸高产菌株选育方案的研究。关键词：L-组氨酸；发酵；代谢途径；选育方法中图分类号：TQ922 文献标识码：A 文章编号：0254-5071（2010）09-0028-03 Study Progress of fermentation conditions of L-histidine and screening of high productive strain SUN Xiye,YANG Pingping,LI Xuan,WANG Yan* (College of Food and Biological Engineering,Shandong Institute of Light Industry,Jinan 250353,China) Abstract:L-histidine is an alkalescency amino acid with an imidazole core.It's a semi-essential amino acid in human and animals.L-histidine has a variety of physiological functions,and has been widely used,especially in the field of medicine.It is one of the urgently needed amino acid on the market.Production of L-histidine by fermentation and concerned detecting methods was briefly introduced.Critical control points of high-level synthesis of L-histidine and the basic idea for screening of strains were summarized after analysis of biosynthetic pathways L-histidine,and approaches to screening of strains were emphasized,as well. Key words:L-histidine;fermentation;metabolic pathway;screening approaches 收稿日期：2009-11-22 作者简介：孙希叶（1986-）女，山东临沂人，在读硕士研究生，研究方向为微生物资源开发；王燕*，教授，通讯作者。 Forum and Summary 28··
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。 代谢工程：指通过某些生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或利用重组DNA技术来创造新的化合物。 流量控制系数：单位酶的变化量所引起的某一分支稳态代谢流量的变化，用来衡量某一步酶反应对整个反应体系的控制程度。 能荷：[(ATP)+1/2(ADP)]/[(ATP)+(ADP)+(AMP)] 分叉中间体：糖代谢中间体既可以用来合成初级代谢产物，也可以用来合成次级代谢产物，这种中间体叫做分叉中间体。 质粒产物：有一部分代谢产物的形成取决于由质粒遗传信息所产生的酶所控制的代谢途径，这类物质称为质粒产物。 2．微生物细胞的代谢调节内容包括哪些？ （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
代谢控制发酵
第一章 1、 2、 3、研究任务：随机发酵~人为控制发酵 依赖分解代谢的发酵~依赖合成代谢的发酵 盲目育种~定向育种 4、五字策略：进、通、节、堵、出 5、代谢工程的概念：利用分子生物学原理系统分析代谢途径，设计合理的遗传修饰战略，从而优化 细胞生物学特征 第二章 6、代谢体系组成（及之间联系）： 7、辅酶（及辅酶再生）：
8、重要的辅酶：NAD——电子受体NADPH——提供还原力 FMN、FAD——电子传递泛酸、辅酶A——促乙酰化硫胺素（VB1）——脱羧吡哆醛（VB6）——转氨、脱羧、消旋生物素（VH）——羧化、CO2固定叶酸——转移一碳基团 9、发酵呼吸的区别： 10、途径（生理功能及在发酵上的作用）： （1）EMP： （2）HMP:
（3）ED： ？？？？？？？？？？？ 11、呼吸作用和发酵作用（概念、区别）： 12、发酵（狭义）概念：↑ 13、能量转换： （1）底物水平磷酸化 （2）氧化磷酸化 13、呼吸链概念：
（氧化磷酸化中的计算？？？？？？？）14、耗能代谢： （1） （2）TCA 15、回补途径： 16、氨基酸合成（及前体）：
第三章 17、代谢调节概念：？？？？？ 18、原核生物代谢调节位点：？？？？？ 19、酶、细胞水平调节包括： （1）酶合成的调节的概念、实质：（2）包括3种： （3）操纵子概念：（4）正、负调控概念（了解）： （5）正、负调控例子： 负调控：乳糖操纵子 正调控：麦芽糖操纵子 正、负调控：阿拉伯糖操纵子 （6）组合型突变株概念及筛选： （7）分解代谢物阻遏概念、实质及如何克服：
20、弱化子概念： 21、酶活性调节概念：变构（别构）调节：
代谢控制发酵复习
试卷题型： ⑴、名词解释：8×4＇ ⑵、填空题：22×1＇ ⑶、简答题：3×8＇ ⑷、综合题：2×11＇ 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。P2 2、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。P2 3、代谢工程的具体思路：P3 1、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。P15 3、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，
青霉素发酵的代谢控制 内容摘要
青霉素发酵的代谢控制内容摘要：内容摘要：在青霉素发酵过程中，通常通过筛选优良菌株种类，调节菌体的代谢发育和生长等生物过程，给予最适PH、温度、以及发酵液中的碳源和氮源，是生物产量达到最大值。这些控制条件以及各种生物、理化和工程环境因素对这些过程的影响很大，因此研究菌体的培养规律，外界控制因素和达到最佳效果等问题就成为发酵工程的重要任务。关键字：关键字：青霉素、菌株、代谢、发酵控制一、概述发酵工艺过程不同于化学反应过程。它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖的生命过程，又涉及微生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应及其影响因素的多酶反应过程，所以发酵是微生物、化学和工程等学科的理论和技术的综合利用，由于发酵过程的复杂性，控制其过程是比较复杂的。尤其是控制青霉素等次级代谢产物的发酵。二、青霉素的用途及主要生产流程青霉素是抗菌素的一种，是从青霉菌培养液中提制的药物，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素作为杀菌药，主要作用于大多数革兰阳性菌、革兰阴性球菌、螺旋体和放线菌。青霉素阻抑粘肽合成，造成细胞壁缺损。由于敏感菌菌体内渗透压高，使水分不断内渗，以致菌体膨胀，促使细菌裂解、死亡。青霉素的杀菌作用特点为：①对革兰阳性菌作用强，对革兰阴性菌作用弱；②对繁殖期细菌有作用对静止期细菌无作用；③因为哺乳类动物和真菌细胞无细胞壁，故青霉素对人毒性小，对真菌无效。生产流程：冷冻干孢子→琼脂斜面→米孢子→种子罐→发酵罐→过滤→醋酸丁酯提取→脱水脱色→结晶→洗涤晶体→工业盐→菌丝体→综合利用在发酵过程中添加碳源、氮源和前体、消泡剂三、
青霉素产生菌的选育1、出发菌株的选择青霉素产生菌主要是产黄青霉51-20 和点青霉。以产黄青霉51-20 的菌株为亲株，经不断诱变，目前已获得产青霉素为30000u/ml 以上的高产菌株。青霉菌在固定培养基上具有一定形态特征。开始生长时，孢子先胀大，长出芽管并急速伸长，形成隔膜，繁殖成菌丝，然后产生复杂的分支，交织成网状而形成菌落。菌落外观有的平坦有的褶皱很多。在营养分布均匀的培养基中，菌落一般都是圆形的，其边缘或整齐或呈锯齿状或呈扇状。在发育过程中跟中从气生菌丝大梗和小梗，于小梗上着生分生孢子，排列成链状，形状似毛笔，称为青霉穗。分生孢子成黄绿色、绿色或蓝色，老了以后变成黄棕色、红棕色和灰色等。分生孢子有椭圆形、圆柱形、圆形，每种菌种的孢子菌具有一定的形态，多次传代后也不变。在沉默培养是一般不产生分生孢子。2、切断支路代谢途径当菌种的初级代谢和次级代谢处于分路途经事，初级代谢产物的营养缺陷型菌株常可使相应的次级代谢产物增产。有人采用了诱变的方式获得了亮氨酸营养缺陷型菌株结果是青霉素的产量提高了四倍。青霉素的生物合成受赖氨酸的反馈抑制，这是由于赖氨酸可使高柠檬酸合成受到抑制或阻遏，因侧悬于赖氨酸缺陷突变菌株，通过在培养基中添加赖氨酸，可使青霉素产量明显提高。3、解除菌体自身的反馈调节选育结构类似物抗性突变株（1）筛选自身耐受性突变株不同活性的菌株，其自身耐受性不同，高产菌株能耐受高浓度的自产抗生素。为此，可以用自产抗生素来选育高产菌株。如有人选遇到能耐100000u/ml 青霉素V 的突变菌株，是青霉素的发酵单位提高到约40000u/ml。这种自身耐
代谢控制发酵
《代谢控制发酵》复习思考题 1.什么是代谢控制发酵（Metabolic control fermentation）? 请你简要 谈一谈学了《代谢控制发酵》后的收获。 2.什么是代谢工程（Metabolic engineering）? 请你简要谈一谈代谢工 程的研究内容与发展方向。 3.什么是合成代谢？请举例说明之。 4.请比较啤酒酵母和运动发酵单胞菌产生乙醇的异同点？ 5.画图并简述微生物（原核与真核微生物）代谢调节的部位。 6.画图并简述原核与真核微生物基因表达上的重要区别。 7.微生物细胞代谢调节的主要举措有哪些？ 8.RNA多聚酶（蛋白质）怎样和DNA(核苷酸)相互作用的？ 9.什么是操纵子？主要包括哪些基因？ 10.画图并简述乳糖操纵子的诱导作用机制。 11.画图并简述阿拉伯糖操纵子的诱导作用机制。 12.什么是弱化子？简述转录时弱化子（作用）的调控。 13.画图并简述酶合成的终产物阻遏作用。 14.酶合成的阻遏与弱化作用（attenuation）有什么区别？ 15.什么是分解代谢物阻遏（Catabolic repression）其实质是什么？ 16.cAMP是怎样控制酶合成的水平呢？ 17.葡萄糖是如何调节微生物细胞内的cAMP水平？ 18.画图并简述细菌二元调节系统（信号传导）是如何调节基因的表达？ 19.什么是变（别）构酶（Allosteric enyzame）？简述变（别）构酶的调 节机制。 20.什么是变（别）构酶的脱敏作用（De-sensitingation）? 21.画图并简述变（别）构酶与普通酶的反应动力学性质的不同。 22.什么是共价调节酶？举例说明共价调节酶对调节酶的调节。 23.什么是能荷（energy charge）? 举例说明能荷对代谢途径的调控。 24.什么是巴斯德效应（Pastear effect）?其实质是什么？ 25.什么是克里勃特里（Crabtree effect）? 其实质是什么？ 26.简述不产生ATP的呼吸链发现的意义。 27.简述代谢产物——谷氨酸的分泌机制。 28.简述代谢产物——肌苷酸的分泌机制。 29.简述磷霉素、D-环丝氨酸的作用位点。 30.简述氨甲酰丝氨酸、杆菌肽作用位点。 31.简述氨青霉素、衣霉素作用位点。
代谢控制发酵
第一章：微生物代谢 小结：1、能量代谢是生物新陈代谢的核心 2、化能异养微生物的生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个阶段，依据受体的不 同将生物氧化分为三种：呼吸、无氧呼吸和发酵 3、化能自养微生物利用无机氧化获得ATP，产能少，生长得率极低 4、字样微生物通过光和磷酸化获得ATP，包括循环光合酸化、分循环光和磷酸化和 紫膜光合磷酸化三种 5、微生物具有固氮作用 复习题： 1、名词解释： 生物氧化：在生物体内，从代谢物脱下的氢及电子﹐通过一系列酶促反应与氧化合成水﹐并释放能量的过程。 有氧呼吸：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，在经电子传递系统传给外源电子受体，以分子氧作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程 无氧呼吸：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，在经电子传递系统传给外源电子受体，以氧化型化合物作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程 发酵：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。 电子传递链（呼吸链）：多种递电子体或递氢体按次序排列的连接情况。生物氧化过程中各物质氧化脱下的氢，大多由辅酶接受，这些还原性辅酶的氢在线粒体内膜上经一系列递电子体(或递氢体)形成的连锁链，逐步传送到氧分子而生成水。此种连锁过程与细胞内呼吸过程密切相关。植物的叶绿体中则存在光合电子传递链以传递电子，完成光合作用中水分解出氧，形成NADPH的过程。 光和磷酸化（循环/非循环）：一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。 生物固氮：生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。 自生/共生/联合固氮菌：自生固氮菌：独立进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸；固氮效率较低。共生固氮菌：与其他生物形成共生体，在共生体内进行固氮；将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。共生固氮菌：与其他生物形成共生体，在共生体内进行固氮；将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。 2、微生物代谢的特点是什么？ 1)代谢旺盛； 2)代谢极为多样化； 3)代谢的严格调解和灵活性。光能型微生物产能：光和磷酸作用产能；植物型（蓝细 菌）：放养性光合作用；化能异养微生物产能：氧化磷酸化作用；发酵型产能：（最终电子受体为有机物）；呼吸型产能：有氧呼吸和无氧呼吸；化能自养微生物产能：通过氧化物及氧化物（电子呼吸链产能）。
代谢控制发酵试题1
代谢控制发酵试题库 1. 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 2．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 3. 营养缺陷型：就是指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，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。P32 最典型例子：高丝氨酸营养缺陷型（Hom﹣）或苏氨酸营养缺陷型（Thr﹣）菌株达到赖氨酸的积累 4. 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酶活性远大于酶b ,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，结果代谢流又合成E，如此循环。 5. 优先合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶活性远大于酶b ,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合成达到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用。 6. 限量补充培养法：将经适当稀释的浓缩处理液涂布于含有微量蛋白胨或0.1%完全培养基成分的基本培养基平板上。经培养后，野生型细胞迅速生长成较大菌落，而缺陷型细胞生长缓慢只能形成小菌落。这些小菌落大多数为营养缺陷型，将其转接到完全培养基斜面保存待测。 7. 代谢互锁指从生物合成途径来看，酶受一种与此代谢途径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(阻遏)作用是部分性的，不完全的。 8. 反馈抑制的调节类型可以分为以下几种：（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 9. 转导指利用转导噬菌体为媒介而将供体菌的部分DNA导入受体菌中，从而使受体菌获得部分遗传性状的现象。其中必须具有3个组成部分，即供体，转导噬菌体和受体 10. 代谢控制发酵：是指利用遗传学方法或其它生物化学方法，人为地在脱氧核苷酸（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。 11. 代谢控制发酵的基本思想：⑴切断支路代谢：①选育营养缺陷型突变株，②选育渗漏缺陷突变株。⑵解除菌体自身的反馈调节：①选育抗类似物突变株②酶活性的利用③营养缺陷型回复突变株的应用。⑶增加前体物的合成⑷去除终产物⑸特殊调节机制的利用：①多种产物控制机制的利用②平衡合成的利用③代谢互锁的利用④优先合成的变换。⑹条件突变株的应用⑺选育不生成副产物的菌株 ⑻选育生产代谢拮抗物质的菌株 12. 转化：转化就是指相当大的游离的供体细胞的DNA片段被直接吸收到受 体细胞内，并整合于受体细胞的基因组中，从而使受体细胞获得供体细胞部分遗传性状的现象。包括3个步骤，即供体DNA的制备，受体细胞对DNA的吸收及转化子的选择 13. 基本培养基：能满足野生型或原养型菌株的最低营养成分的培养基。 15. 诱变育种中的几个问题①出发菌株的选择：⑴出发菌株对诱变剂的效应，