第二章：代谢控制发酵的基本思想

• 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
第一节：微生物细胞的调节机制
•微生物细胞的调节主要靠两个因素：参与调 节的有关酶的活性和酶量,也就是反馈抑制和 反馈阻遏。
基质（C、N）
中间产物
细胞膜
细胞壁
遗传缺陷 蛋白质 代谢中间体
A
Ea
B
Eb
C
Ec
D
Ed
终产物 氨基酸 核苷酸
DNA RNA
分解代谢产物
氨基酸库
培养基氨基酸、核苷酸 反馈抑制
反馈阻遏
• D终产物抑制的补偿性回复
• Ⅱ 顺序反馈抑制
F积累，停止D→E反应，减少F的进一步合成，更多的D转 到G，再由G合成I或K；I积累，停止G→H反应；K积累， 停止G→J反应，结果造成G积累，引起G对A→B的反馈抑 制，使整个反应途径停止。
• Ⅲ具有专一性效应物的复数酶
酶 1 和酶 2 都是催化 A→B的同功酶， G 过量，酶 2 停止活动， C不能经过F到G，同时，酶1活性不受影响，A可顺利地到E， 从而使G过量，并不干扰E的合成。
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
第三节：微生物代谢控制发酵的措施 • 微生物发酵生产中的代谢控制，总的来讲 主要有两条途径，即控制培养条件和控制 遗传型。
第四节：环境条件控制
• 温度、溶氧水平、PH值、NH3的供应、营养浓度 的控制等
• 作业 • 1 解除微生物细胞自我调节机制的措施一般有 哪些? • 2 反馈抑制和反馈阻遏有哪些异同点? • 3 简述营养缺陷型突变菌株和渗漏缺陷型突变 菌株的概念
• 三.增加前体物的合成
通过选育某些营养缺陷型突变菌株或结构类似物 抗性突变菌株及克隆某些关键酶的方法，增加目 的产物的前体物的合成，有利于目的产物的积累。 • 1．在分支合成途径中，切断除目的产物外的其 他合成途径，增加目的产物的前体物的合成，使 目的产物产量提高。 • 2．目的产物的生物合成从别的终产物开始时， 设法解除目的产物合成的反馈调节和前体物合成 的反馈调节。
• 一.酶活性的调节机制
• 1、反馈抑制概念 • 反馈抑制：在一长系列生物合成反应中，其代谢 产物抑制途径中一个关键酶的活力的现象。
• 2、反馈抑制理论： • A ：受反馈抑制的调节酶是变构酶，酶活力的调 控实质就是变构酶的变构调节。 • B ：变构酶有与底物结合的活性中心和与终产物 结合的调节中心（变构部位）。 • C ：终产物与调节中心结合之后改变了酶的构象， 从而影响了底物与活性中心的结合。 • D：终产物与调节中心的结合是可逆的，终产物 浓度降低，终产物与酶结合随即解离，酶又恢复 原有构象。
• 一.切断支路代谢
• 切断支路代谢可通过选育营养缺陷型突变菌株或 渗漏缺陷型突变菌株来达到 • 1．营养缺陷型突变菌株的应用 营养缺陷型突变菌株是指原菌株由于基因发生突 变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，丧失了 合成某些物质的能力，必须添加该物质才能生长 的突变菌株。 • 2．渗漏缺陷型突变菌株的应用 渗漏缺陷型是指遗传性障碍不完全的缺陷型。渗 漏缺陷型菌株的某种酶活性下降而不完全丧失， 可少量合成代谢终产物，但不能合成过量的代谢 终产物。
• 3、变构酶模型 • A：协调模型（莫诺德模型） • a.变构酶一般是具有多亚基四级结构的蛋白。亚 基中有活性中心和调节中心。 • b.变构酶存在两种构象状态，R状态和T状态，两 种状态间可逆平衡。 • c.底物、激活剂、抑制剂可使R T平衡移动。 • d.变构蛋白有对称性。酶状态改变对称性不变。 • B：顺序模型（科什兰模型）
• 四.去除终产物 • 改变细胞膜的渗透性，使终产物不断的排出到胞 外，因而终产物在细胞内不能大量积累
• 五、特殊调节机制的利用 • 1．多种产物控制机制的利用 在多种产物控制机制的利用，只有全部终产物过 剩，才能产生完全抑制，利用此特性可设法控制 目的产物以外的终产物的供给量，是目的产物得 以积累。
4 、变构酶动力学性质
酶 活 性
浓度 变构酶酶活性底物浓度的关系 普通酶酶活性底物浓度的关系 底物浓度一定时,变构抑制剂浓度与变构酶活性关系
• 5、调节类型 • 5.1：单功能途径中酶活性的调节类型 Ⅰ 终产物抑制 生物合成的终产物是生物合 成系统中第一个酶的反馈抑 制剂 Ⅱ代谢产物激活
A 前体激活
A可促进终产物的生成 B 补偿性激活
H→I 必须供给定量的,H 能激活A→B的反应
• 5.2：多功能途径中酶活性的调节类
Ⅰ 具有复数效应部位的酶 A 多价反馈抑制(协作反馈抑制)
当一条代谢途径中有两个以上的终产物时，任何一个终产 物都不能单独抑制途径中第一个共同的酶反应，但当两者 同时过剩时，它们协同抑制途径中第一个共同的酶反应。
• • • •
3、 调节类型 A 单功能生物合成途径 B 多功能生物合成途径 Ⅰ单功能生物合成途径 A 简单的终产物阻遏
B 受阻遏酶产物的诱导作用
• 三 反馈抑制和反馈阻遏的比较
第二节：代谢控制发酵的基本思想
• 代谢控制发酵能否成功，目的产物能否大量积累， 起决于微生物细胞自我调节机制能否解除. • 解除微生物细胞自我调节机制的措施一般有： ★ 应用营养缺陷型菌株 ★ 选育抗反馈调节的突变菌株 ★ 选育细胞膜通透性的突变菌株 ★ 应用营养缺陷型回复突变菌株或条件突变菌株 ★ 应用遗传工程技术，创造工程菌株
• 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。
• 4．优先合成的变换
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合成达到一定浓度时，就会对酶c产生 抑制作用。
• 六、条件突变抹的应用 • 像温度敏感性突变、抑制性突变、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 显示野生型特性又能显示突变型特性的突变，称 为条件致死突变(即条件突变)
• 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。
Bຫໍສະໝຸດ Baidu合作反馈抑制
当一条代谢途径中有两个以上的终产物时，任何一个终产 物过剩时，只部分地抑制途径中第一个共同的酶反应，只 有两者同时过剩时，才能引起强烈的抑制，其抑制程度大 于各自单独存在的和。
C 积累反馈抑制
每个终产物过剩时，只能单独地、部分地抑制途径中第一 个共同的酶反应，并且各终产物的抑制作用互不影响，几 个终产物同时存在时，它们的抑制作用是积累的。
• 二. 解除菌体自身的反馈调节 • 1．选育抗类似物的突变株 类似物指的是代谢终产物的类似物，抗类似物突变株 又叫代谢拮抗物抗性突变株。 代谢拮抗物与代谢终产物结构相似。也能与阻遏蛋白 结合，且其结合是不可逆的也就是有关酶不能合成，如 果突变株具代谢拮抗物抗性，那它就解除了反馈调节机 制。 • 2．酶特性的利用 利用某种酶具有底物专一性宽的特性，用该酶对其他 底物的活性，育得代谢调节突变株 • 3．营养缺陷型回复突变菌株的应用 某营养缺陷型突变菌株经回复突变，在回复其愿有的 形状