氨基酸发酵机制

若细胞经济实体的运行状态过度偏离竞 争型经济运行状态，则活细胞的高度有序的 状态将受到严重冲击，最终导致细胞经济的 崩溃。因此，从竞争型细胞经济向导向型细 胞经济的转变取决于遗传和环境因素的信息 导向，这种导向必须遵循细胞经济的基本运 行规律。
一般来讲，微生物细胞可以看作是生物 机器，它们进行能量代谢和物质代谢；同时 又可以把它们看作是信息处理器，它们复制 和传递自己的生物信息，接收细胞内外的物 理、化学甚至生物信息，并在对这些信息流 进行综合处理的基础上发出代谢调控的指令， 控制微生物细胞自身的生命活动。
图8-2 酶生物合成的活性控制
诱导物
也能和阻遏 物结合，使 其结构发生 改变，减少 与操纵基因 的亲和力， 使操纵基因 回复自由， 进而结构基 因进行转录， 合成mRNA， 再翻译合成 特定的酶。
微生物体内代谢过程的各种生物化学反应都是 由各种酶来催化的。根据在代谢调节中的不同作用， 可将酶分为以下三大类：
关键酶 (key enzyme或switching enzyme)是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。这些酶常位于代谢流的枢纽之处，对 代谢流的质和量都起着制约的作用。
要想选育出某种目的产物生产菌，首先 要了解这种物质的生物合成途径、关键酶以 及关键酶受到怎样的反馈调节，再考虑如何 解除反馈调节，随之设计出正确的代谢改造 方案来。
按照Monod等提出的操纵子学说，操 纵子由细胞中的调节基因、启动基因、操 纵基因和邻近的几个结构基因所组成。结 构基因能转录遗传信息，合成相应的信使 RNA(mRNA)，进而再翻译合成特定的酶。 操纵基因能够控制结构基因作用的发挥。
细胞中还存
在着调节基因， 能够产生一种阻 遏物。该阻遏物 与辅阻遏物(通常 是酶促反应的终 产物)结合时，由 于变构效应，阻 遏物结构发生改 变而使其与操纵 基因的亲和力变 大，结果使有关 的结构基因不能 转录出mRNA。 因此，酶的合成 受到阻遏。
代谢控制机制的研究已经证明，酶的
生物合成受到基因和代谢物的双重控制。 一方面，从DNA的分子水平上阐明了酶生 物合成的控制机制，酶的合成像普通蛋白 质的合成一样，受到结构基因的控制，由 结构基因决定形成酶分子的一级结构；另 一方面，仅仅有某种基因并不能保证可以 大量产生某种酶。
酶的生物合成还受代谢物(酶反应的底 物、产物及其类似物)的控制和调节。当有 诱导物存在时，酶的生成量可以几倍乃至 几百倍的数量增加。相反，某些酶促反应 的产物，特别是终产物，又能产生阻遏作 用，使酶的合成量大大减少。
▪ 图8-3可以看 出，参与氨基酸 生物合成的关键 酶主要有12种： ①磷酸果糖激酶； ②柠檬酸合成酶； ③N-乙酰谷氨酸 激酶；④鸟氨酸 转氨基甲酰酶； ⑤天冬氨酸激酶； ⑥高丝氨酸脱氢 酶；⑦苏氨酸脱 水酶；⑧α-乙酰 乳酸合成酶；⑨ DAHP合成酶； ⑩分支酸变位酶； ⑾预苯酸脱水酶； ⑿预苯酸脱氢酶。
(1) 调节酶(通常称为关键酶，与代谢调节关系 密切) 调节酶包括以下3种：
① 变构酶：通过酶分子构象的变化来改变酶活 性的一类酶。
② 同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分 子结构不同的一类酶。
③ 多功能酶：能够催化两种以上不同反应的一 类酶。
(2) 静态酶 一般与代谢调节关系不大的 一类酶。
(3) 潜在酶 指酶原、非活性型或与抑制 剂结合的酶。
8 氨基酸发酵机制
8.1 概述
众所周知，微生物的生命活动是由产能 与生物合成中各种代谢途径组成的代谢网络 互相协调来维持的。每一条代谢途径由一系 列特异性的酶催化反应组成，这些反应的结 果造就了一个新生的细胞。
微生物要在自然界生存与竞争，就必须 生长迅速，以便很快适应环境。为此，细胞 必须拥有适当的方法来平衡各种代谢途径的 物流。为了适应环境变化的需要，细胞能够 对其代谢机构作定量调整。
当氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后，
微生物细胞会立即停止该物质的合成，一直 到所供应的氨基酸或核苷酸消耗到很低浓度， 微生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。 微生物细胞中这种调节控制作用主要靠两个 因素，即参与调节的有关酶的活性和酶量(图 8-1)。
图8-1 微生物细胞中氨基酸、核苷酸的调节机制
如果要求微生物在细胞外即培养基中 积累某种代谢中间产物，则必须对微生物 的代谢流进行导向。根据已获得的代谢网 络定量分析的信息，可以设计出理想的载 流途径和配套的发酵培养工艺条件，进而 改造菌种、调整工艺，将代谢主流导向理 想载流途径。
在导向成功的前提下，细胞处于异常
代谢状态，细胞经济体系呈现导向型经济 的特色。导向型细胞经济固然有利于特定 的代谢产物的生产，但竞争型细胞经济向 导向型细胞经济的转化却受到能量代谢、 还原力[NADH(P)]的平衡等严格制约，表 现出代谢网络的刚性。
研究证明，在每个微生物细胞的遗传物 质中存在着限制性的生死攸关的遗传信息。 它们规定微生物细胞生命活动的基本的代谢 网络及其调节机制。
这些遗传信息是微生物细胞能够自主生 活和独立存在的依据，也是微生物对环境适 应的局限性，以及设计育种的计划往往不能 完全兑现的内在原因。因此，在一般情况下， 微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产物， 严格防止氨基酸、核苷酸等中间代谢物质的 大量积累。
微生物细胞的经济性是在自然选择的过
程中逐渐形成的。微生物细胞的生命过程就 是细胞经济运行的过程。一般地说，细胞经 济性可以以生成细胞的质量与消耗底物/基 质的质量之比值即细胞经济系数来衡量。
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微生物在生存竞争中进化的方向是发展 自身的适应能力和提高细胞运行的经济系数。 经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其 所处的环境中是富有竞争能力的，并且它们 的代谢流量在代谢网络中的分布及细胞经济 运行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中 获胜。
已经证明，微生物细胞具有高度适应 环境和繁殖的能力，细胞的各种机构能协 调地进行工作，对环境的刺激和信息作出 反应，进行自我调节。
可以说微生物活细胞是个远离平衡状态 的开放体系，从微生物细胞对能量和化学物 质的内外交换、增收节支、协调规律的客观 存在出发，可以把微生物细胞作为按特殊的 经济规律运行的经济实体看待，并且把这种 按特殊的经济规律运行的有利于生存竞争的 新陈代谢特性称作细胞经济性。