微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)培訓(xùn)

第四章發(fā)酵機(jī)制第四章發(fā)酵機(jī)制無氧呼吸無氧呼吸，又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物（個別是有機(jī)物延胡索酸）受氫。（1）硝酸鹽呼吸 又稱反硝化作用。硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能，其一是在有氧或無氧條件下所進(jìn)行的同化性硝酸鹽還原作用，亦即微生物利用硝酸鹽作為其氮源營養(yǎng)物的作用；其二是在無氧條件下，微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，這是一種異化性的硝酸鹽還原作用共同特點是硝酸鹽都要經(jīng)過一種含鉬的硝酸鹽還原酶將其還原為亞硝酸。硫酸鹽呼吸 是一種由硫酸鹽還原細(xì)菌（或稱反硫化細(xì)菌）把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體的一種厭氧呼吸。這是一種異化性的硫酸鹽還原作用。通過這一過程，微生物就可在無氧條件下借呼吸鏈的電子傳遞磷酸化而獲得能量。硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S，自然界中的大多數(shù)H2S是由這一反應(yīng)產(chǎn)生的。與硝酸鹽還原細(xì)菌不同的是，硫酸鹽還原細(xì)菌都是一些嚴(yán)格依賴于無氧環(huán)境的專性厭氧細(xì)菌（4）碳酸鹽呼吸 是一類以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類型，一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。能量轉(zhuǎn)移幾個概念幾個概念底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化第二節(jié)微生物的合成代謝一、糖類的生物合成二、脂肪酸的生物合成三、氨基酸和核苷酸的生物合成氨基酸的生物合成方式：氨基化作用；轉(zhuǎn)氨基作用；糖代謝的中間產(chǎn)物為前體合成氨基酸。第三節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系第三節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系分解代謝的功能在于保證正常合成代謝的進(jìn)行，而合成代謝又反過來為分解代謝創(chuàng)造了更好的條件，兩者相互聯(lián)系，促進(jìn)了生物個體的生長繁殖和種族的繁榮發(fā)展。中間代謝產(chǎn)物的重要性中間代謝產(chǎn)物的重要性如果在生物體中只進(jìn)行能量代謝，則有機(jī)能源的最終結(jié)局只是產(chǎn)生ATP、H2O和CO2，這時便沒有任何中間代謝物可供累積，因此，合成代謝也不可能正常進(jìn)行。相反，如果要進(jìn)行正常的合成代謝，又須抽走大量為分解代謝正常進(jìn)行所必需的中間代謝物，結(jié)果也勢必影響具有循環(huán)機(jī)制的分解代謝的正常運轉(zhuǎn)。一、兼用代謝途徑一、兼用代謝途徑凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兼用代謝途徑。EMP、HMP和TCA循環(huán)是重要的兼用代謝途徑。在兼用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)。在分解與合成代謝途徑中，在相應(yīng)的代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物。在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細(xì)胞的不同區(qū)域中分隔進(jìn)行，原核生物因其細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的間隔程度低，故反應(yīng)的控制主要在簡單的酶分子水平上進(jìn)行。二、代謝物回補順序二、代謝物回補順序 所謂回補順序，又稱補償途徑或添補途徑，就是指能補充兼用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的反應(yīng)。這樣，當(dāng)重要產(chǎn)能途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成的原料時，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)行。微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)微生物有著一整套可塑性極強和極精微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)能正確無誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。雜的新陳代謝反應(yīng)。一、微生物代謝過程中的自我調(diào)節(jié)一、微生物代謝過程中的自我調(diào)節(jié)1、控制營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞、控制營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞 2、通過酶的定位控制酶與底物的接觸、通過酶的定位控制酶與底物的接觸 3、控制代謝物流向、控制代謝物流向 其中以其中以調(diào)節(jié)代謝流調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括的方式最為重要，它包括兩個方面，兩個方面，一是一是“粗調(diào)粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是成量，二是“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達(dá)到最佳調(diào)節(jié)效果。以達(dá)到最佳調(diào)節(jié)效果。利用微生物代謝調(diào)控能力的利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損自然缺損或通過人為方法或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控獲得突破代謝調(diào)控的的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。一、酶活性的調(diào)節(jié)一、酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)，它是通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳節(jié)，它是通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率，包括代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制酶活性的激活和抑制兩個方面。兩個方面。（一）調(diào)節(jié)方式：（一）調(diào)節(jié)方式：1 1、酶活性的激活：酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。2 2、酶活性的抑制：酶活性的抑制：包括：競爭性抑制和反饋抑制。包括：競爭性抑制和反饋抑制。概念：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物概念：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。對該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。一、酶活性的調(diào)節(jié)一、酶活性的調(diào)節(jié)凡使反應(yīng)速度加快的稱凡使反應(yīng)速度加快的稱正反饋正反饋；凡使反應(yīng)速度減慢的稱凡使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反饋負(fù)反饋（反饋抑制）；（反饋抑制）；反饋抑制反饋抑制主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時可反過來直接抑制時可反過來直接抑制 該途徑中第一個酶的活性。主該途徑中第一個酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時又特點：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時又可解除可解除，是可逆的。是可逆的。第一個酶（有活性）第一個酶（無活性）終產(chǎn)物 終產(chǎn)物（調(diào)節(jié)物）結(jié)合在調(diào)節(jié)中心酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。反饋抑制的類型反饋抑制的類型1直線式代謝途徑中的反饋抑制直線式代謝途徑中的反饋抑制反饋抑制的類型反饋抑制的類型2、分支代謝途徑中的反饋抑制：在分支代謝、分支代謝途徑中的反饋抑制：在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在在 一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一分支上產(chǎn)物的供一分支上產(chǎn)物的供 應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。節(jié)方式。主要有：主要有：同功酶的調(diào)節(jié)，同功酶的調(diào)節(jié)，順序反饋，協(xié)同反順序反饋，協(xié)同反饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。（1 1）同功酶調(diào)節(jié)同功酶調(diào)節(jié) 同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個個體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)節(jié)。在一個分支代謝途徑中，如果在分支點以前的一個較早的反應(yīng)是由幾個同功酶所催化時，則分支代謝的幾個最終產(chǎn)物往往分別對這幾個同功酶發(fā)生抑制作用。協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制 （concerted feedback inhibition）定義：分支代謝途徑中幾個末端產(chǎn)物同時過量定義：分支代謝途徑中幾個末端產(chǎn)物同時過量時才能抑制時才能抑制 共同途徑中的第一個酶的一種反共同途徑中的第一個酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。饋調(diào)節(jié)方式。合作反饋抑制合作反饋抑制 （cooperative feedback inhibition）定義：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。積累反饋抑制積累反饋抑制 （cumulative feedback inhibition）每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨抑制共同途徑中前共同途徑中前 面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時它們的抑制作用是共同存在時它們的抑制作用是 積累的，各末積累的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應(yīng)，亦無拮抗作用。端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應(yīng)，亦無拮抗作用。順序反饋抑制順序反饋抑制 （sequential feedback inhibition）一種終產(chǎn)物的積累一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，通過后者反饋通過后者反饋 抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。使合成終止。酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制1.1.變構(gòu)酶理論：變構(gòu)酶理論：變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子間構(gòu)變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子間構(gòu)象的變化影響酶活。其上具有兩個以上立體專一性不同象的變化影響酶活。其上具有兩個以上立體專一性不同的接受部位，一個是活性中心，另一個是調(diào)節(jié)中心。的接受部位，一個是活性中心，另一個是調(diào)節(jié)中心?；钚晕稽c活性位點:與底物結(jié)合與底物結(jié)合變構(gòu)位點變構(gòu)位點:與抑制劑結(jié)合與抑制劑結(jié)合,構(gòu)象變化構(gòu)象變化,不能與底物結(jié)合不能與底物結(jié)合 與激活劑結(jié)合與激活劑結(jié)合,構(gòu)象變化構(gòu)象變化,促進(jìn)與底物結(jié)合促進(jìn)與底物結(jié)合 變構(gòu)酶上有兩個位點：變構(gòu)酶上有兩個位點：協(xié)同效應(yīng)中，酶有多個調(diào)節(jié)位點，協(xié)同效應(yīng)中，酶有多個調(diào)節(jié)位點，只有每一位點與終產(chǎn)物結(jié)合才產(chǎn)生反饋。只有每一位點與終產(chǎn)物結(jié)合才產(chǎn)生反饋。同功酶（同功酶（isoenzyme)isoenzyme)理論：理論：某一產(chǎn)物過量僅抑制相應(yīng)酶活，對其他產(chǎn)物沒某一產(chǎn)物過量僅抑制相應(yīng)酶活，對其他產(chǎn)物沒影響。影響。酶的活性可以調(diào)控酶的活性可以調(diào)控在代謝途徑中調(diào)節(jié)酶活性在代謝途徑中調(diào)節(jié)酶活性幾個酶或十幾個酶前后配合，完成一系列幾個酶或十幾個酶前后配合，完成一系列代謝反應(yīng)，形成一條代謝反應(yīng)，形成一條代謝途徑代謝途徑。在一條代。在一條代謝途徑中，常常是前一個酶促反應(yīng)的產(chǎn)物，謝途徑中，常常是前一個酶促反應(yīng)的產(chǎn)物，便是下一個酶促反應(yīng)的底物。便是下一個酶促反應(yīng)的底物。q共價調(diào)節(jié)共價調(diào)節(jié) 有有時時候候，酶酶蛋蛋白白分分子子可可以以和和一一個個基基團(tuán)團(tuán)形形成成共共價價結(jié)結(jié)合合，結(jié)結(jié)合合的的結(jié)結(jié)果果，使使酶酶蛋蛋白白分分子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)發(fā)發(fā)生生改改變，使酶活性發(fā)生改變。例如，與變，使酶活性發(fā)生改變。例如，與磷酸根磷酸根的結(jié)合。的結(jié)合。這種調(diào)節(jié)酶活性的情況稱為這種調(diào)節(jié)酶活性的情況稱為酶的共價調(diào)節(jié)酶的共價調(diào)節(jié)。q競爭性抑制競爭性抑制 有的酶在遇到一些化學(xué)結(jié)構(gòu)與有的酶在遇到一些化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似的分子時，這些分子與底物底物相似的分子時，這些分子與底物競爭結(jié)合酶的活性中心，亦會表現(xiàn)出競爭結(jié)合酶的活性中心，亦會表現(xiàn)出酶活性的降低（抑制）。這種情況稱酶活性的降低（抑制）。這種情況稱為酶的為酶的競爭性抑制競爭性抑制。競爭性抑制劑競爭性抑制劑在結(jié)構(gòu)上與在結(jié)構(gòu)上與底物相似底物相似二、酶合成的調(diào)節(jié)二、酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，這是一種進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。水平上）的代謝調(diào)節(jié)。凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏阻遏。與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其其優(yōu)點優(yōu)點則是通過阻止酶的過量合成，有利則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時存在且密切配合、協(xié)調(diào)進(jìn)調(diào)節(jié)兩者是同時存在且密切配合、協(xié)調(diào)進(jìn)行的。行的。（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型1誘導(dǎo)誘導(dǎo)根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組組成酶和誘導(dǎo)酶成酶和誘導(dǎo)酶兩類。兩類。誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。似物而臨時合成的一類酶。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。酶的誘導(dǎo)合成類型酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)同時誘導(dǎo)：即當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能：即當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主同時或幾乎同時誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到加入到E Ecolicoli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導(dǎo)培養(yǎng)基中后，即可同時誘導(dǎo)出出-半乳糖苷透性酶、半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)順序誘導(dǎo)：即先合成能分解底物的酶，再：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達(dá)到依次合成分解各中間代謝物的酶，以達(dá)到對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。2 2阻遏阻遏 在微生物的代謝過程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)在微生物的代謝過程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式來抑制物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式來抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關(guān)關(guān)鍵酶鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。阻遏的類型主要有阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏末端代謝產(chǎn)物阻遏和和分解代謝分解代謝產(chǎn)物阻遏產(chǎn)物阻遏兩種。兩種。（1 1）末端產(chǎn)物阻遏）末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應(yīng)途徑來說，末端起的阻遏。對直線式反應(yīng)途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的代謝途徑分支點以前的“公共酶公共酶”僅受所僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價多價阻遏作用。阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)挠?，它可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛?。濃度。?）分解代謝物阻遏）分解代謝物阻遏現(xiàn)象：現(xiàn)象：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)同時存在兩種可利用底物（碳源或當(dāng)細(xì)胞內(nèi)同時存在兩種可利用底物（碳源或氮源）時，利用快的底物會阻遏與利用慢的氮源）時，利用快的底物會阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成。底物有關(guān)的酶合成。原因：原因：阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結(jié)果，而是阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結(jié)果，而是由這種底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的，由這種底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏所以稱為分解代謝物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏葡萄糖效應(yīng)葡萄糖效應(yīng) 二次生長現(xiàn)象二次生長現(xiàn)象 大腸桿菌利用混合碳源生長時時，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌利用混合碳源生長時時，發(fā)現(xiàn)葡萄糖會抑制其它糖的利用葡萄糖會抑制其它糖的利用 大腸桿菌在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基大腸桿菌在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基中，優(yōu)先利用葡萄糖，并只有當(dāng)葡萄中，優(yōu)先利用葡萄糖，并只有當(dāng)葡萄糖耗盡后才開始利用乳糖，這就形成糖耗盡后才開始利用乳糖，這就形成了在兩個對數(shù)生長期中間的第二個生了在兩個對數(shù)生長期中間的第二個生長停滯期長停滯期 1.1.單獨加入葡萄糖時，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨加入葡萄糖時，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨加入乳糖時，菌體生長有明顯的延遲期；單獨加入乳糖時，菌體生長有明顯的延遲期；2.2.同時加入葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長同時加入葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制酶合成的誘導(dǎo)操縱子學(xué)說：酶合成的誘導(dǎo)操縱子學(xué)說：操縱子（操縱子（operon）：是基因表達(dá)和控制的）：是基因表達(dá)和控制的一個完整單元，其中包括一個完整單元，其中包括啟動基因啟動基因(promoter)、操縱基因操縱基因(operator)和和結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基因因(Structural gene)3部分。部分。啟動基因啟動基因是一種能被依賴于是一種能被依賴于DNADNA的的RNARNA多聚酶所識別的堿基多聚酶所識別的堿基順序，它既是順序，它既是RNARNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點；多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點；操縱基因操縱基因是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來決定結(jié)構(gòu)基能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行；因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行；結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的則是決定某一多肽的DNADNA模板，可根據(jù)其上的堿模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的mRNAmRNA，然后再可通過核糖體而轉(zhuǎn)譯出，然后再可通過核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個相應(yīng)的酶。一個操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個mRNAmRNA分子。分子。調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因。調(diào)節(jié)基因一用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因。調(diào)節(jié)基因一般位于相應(yīng)操縱子的附近。般位于相應(yīng)操縱子的附近。效應(yīng)物效應(yīng)物 是一類低分子量的信號物質(zhì)（如糖類及其衍生物、是一類低分子量的信號物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進(jìn)一步提可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進(jìn)一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。色氨酸操縱子模型操縱子分兩類操縱子分兩類:一類是一類是誘導(dǎo)型操縱子誘導(dǎo)型操縱子，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。另一類是另一類是阻遏型操縱子阻遏型操縱子，只有當(dāng)缺乏輔阻，只有當(dāng)缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最遏物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。只有通過去阻遏作用才能起動。腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶乳糖操縱子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制乳糖操縱子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制 乳糖操縱子的啟動基因內(nèi)，除乳糖操縱子的啟動基因內(nèi)，除RNARNA聚合酶結(jié)合位點外，還聚合酶結(jié)合位點外，還有一個稱為有一個稱為CAP-cAMPCAP-cAMP復(fù)合物的結(jié)合位點復(fù)合物的結(jié)合位點 cAMP cAMP 是環(huán)腺苷酸，是環(huán)腺苷酸，CAPCAP是降解物基因活化蛋白（又稱為是降解物基因活化蛋白（又稱為cAMPcAMP受體蛋白，受體蛋白，CRPCRP），當(dāng)），當(dāng)CAPCAP與與cAMPcAMP結(jié)合后，就會被活化。結(jié)合后，就會被活化。CAP-cAMP CAP-cAMP復(fù)合物又會激活啟動基因，并使復(fù)合物又會激活啟動基因，并使RNA RNA 聚合酶與啟聚合酶與啟動基因結(jié)合。動基因結(jié)合。乳糖與葡萄糖同時存在時，因為分解葡萄糖的酶類屬于乳糖與葡萄糖同時存在時，因為分解葡萄糖的酶類屬于組成酶，能迅速地將葡萄糖降解成某種中間產(chǎn)物（組成酶，能迅速地將葡萄糖降解成某種中間產(chǎn)物（X X），），X X既會阻止既會阻止ATPATP環(huán)化形成環(huán)化形成cAMPcAMP，同時又會促進(jìn)，同時又會促進(jìn)cAMPcAMP分解成分解成AMPAMP，從而降低了，從而降低了cAMPcAMP的濃度，繼而阻遏了與乳糖降解有關(guān)的的濃度，繼而阻遏了與乳糖降解有關(guān)的誘導(dǎo)酶合成。誘導(dǎo)酶合成。只有當(dāng)葡萄糖耗盡后，只有當(dāng)葡萄糖耗盡后，cAMPcAMP才能回升到正常濃度，操縱才能回升到正常濃度，操縱子重新開啟，并開始利用乳糖作為碳源，形成菌體的二子重新開啟，并開始利用乳糖作為碳源，形成菌體的二次生長。次生長。當(dāng)代謝產(chǎn)生末端代謝產(chǎn)物色氨酸后，色氨酸作為效應(yīng)物與原阻遏物結(jié)合，使后者發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)，并能與操縱基因結(jié)合，從而阻止了結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)酶阻遏的色氨酸操縱子模型三、調(diào)控理論的應(yīng)用調(diào)控理論的應(yīng)用食品發(fā)酵的目的：食品發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。產(chǎn)物。代謝的人工控制：代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝控制體系，人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。人工控制代謝的手段：人工控制代謝的手段：改變微生物遺傳特性改變微生物遺傳特性(遺傳學(xué)方法）；遺傳學(xué)方法）；控制發(fā)酵條件（生物化學(xué)方法）；控制發(fā)酵條件（生物化學(xué)方法）；改變細(xì)胞膜透性。改變細(xì)胞膜透性。(一)遺傳學(xué)方法遺傳學(xué)方法1 1、篩選抗反饋突變株、篩選抗反饋突變株 如如:對誘變后的菌種用終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物，篩選對誘變后的菌種用終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物，篩選對終產(chǎn)物積累不敏感的細(xì)胞株。對終產(chǎn)物積累不敏感的細(xì)胞株。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：1 1）酶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；）酶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；2 2）酶系統(tǒng)發(fā)生改變。）酶系統(tǒng)發(fā)生改變。因此細(xì)胞不受終產(chǎn)物反饋抑制，產(chǎn)生過量的產(chǎn)物。因此細(xì)胞不受終產(chǎn)物反饋抑制，產(chǎn)生過量的產(chǎn)物。(一一)遺傳學(xué)方法遺傳學(xué)方法2、營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用、營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用（1）對于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性）對于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性 突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物 A B C D Eabcd=末端產(chǎn)物末端產(chǎn)物E對生長乃是必需的，所以，應(yīng)在培養(yǎng)基中限量供對生長乃是必需的，所以，應(yīng)在培養(yǎng)基中限量供 給給E，使之足以維持菌株生長，但又不至于造成反饋調(diào)節(jié)使之足以維持菌株生長，但又不至于造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物C。分支代謝途徑：分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營養(yǎng)缺陷性克服協(xié)同或累情況較復(fù)雜，可利用營養(yǎng)缺陷性克服協(xié)同或累加反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利加反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利 用雙重缺用雙重缺陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物。陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物。分支途徑分支途徑賴氨酸生產(chǎn)賴氨酸生產(chǎn)(2)(2)應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株?；蚣娑兄木辍Ｔ谶@類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。（二）生物化學(xué)方法（二）生物化學(xué)方法1 1、添加前體繞過反饋控制點：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生。、添加前體繞過反饋控制點：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生。2 2、添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來說、添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來說,最好的誘導(dǎo)劑往往最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物，不是該酶的底物，而是底物的衍生物，3 3、發(fā)酵與分離過程耦合：、發(fā)酵與分離過程耦合：4 4、控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：、控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：（三）控制細(xì)胞膜滲透性（三）控制細(xì)胞膜滲透性使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去,解除末端產(chǎn)物的反解除末端產(chǎn)物的反饋抑制。饋抑制。1 1、用生理學(xué)手段、用生理學(xué)手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺直接抑制膜的合成或使膜受缺損。損。如如:在在GluGlu發(fā)酵中，生物素引起膜透性下降。把生發(fā)酵中，生物素引起膜透性下降。把生物素濃度控物素濃度控 制在亞適量可大量分泌制在亞適量可大量分泌GluGlu。2 2、利用膜缺損突變株、利用膜缺損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型。油酸缺陷型、甘油缺陷型。如如:用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過程中，用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。