第二章：代謝控制發(fā)酵的基本思想

1、第二章：代謝控制發(fā)酵的基本思想第二章：代謝控制發(fā)酵的基本思想 目的 了解微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制、掌握代謝 控制發(fā)酵的基本思想及微生物代謝控制 發(fā)酵的措施 內(nèi)容 微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制、代謝控制發(fā)酵 基本思想及微生物代謝控制發(fā)酵措施 重點(diǎn) 反饋反饋抑制與反饋?zhàn)瓒?、反饋調(diào) 節(jié)的解除 難點(diǎn) 反饋反饋抑制與反饋?zhàn)瓒?學(xué)時(shí) 3 第一節(jié)：微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制第一節(jié)：微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)機(jī)制微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)主要靠?jī)蓚€(gè)因素：參與調(diào)節(jié)的有關(guān)酶的活性和酶量酶的活性和酶量, ,也就是反饋抑制反饋抑制和和反饋?zhàn)瓒?。反饋?zhàn)瓒簟BCD終產(chǎn)物終產(chǎn)物氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)DNARNA代謝中間體代謝中間體分解代謝產(chǎn)物分

2、解代謝產(chǎn)物基質(zhì)（基質(zhì)（C、N）中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物細(xì)胞膜細(xì)胞膜細(xì)胞壁細(xì)胞壁培養(yǎng)基氨基酸、核苷酸培養(yǎng)基氨基酸、核苷酸氨基酸庫(kù)氨基酸庫(kù)Ea Eb Ec Ed反饋抑制反饋抑制反饋?zhàn)瓒舴答佔(zhàn)瓒暨z傳缺陷遺傳缺陷 一一. .酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制 1、反饋抑制概念、反饋抑制概念 反饋抑制：反饋抑制：在一長(zhǎng)系列生物合成反應(yīng)中，其代謝產(chǎn)物抑制途徑中一個(gè)關(guān)鍵酶的活力的現(xiàn)象。 2 2、反饋抑制理論：、反饋抑制理論： A：受反饋抑制的調(diào)節(jié)酶是變構(gòu)酶，酶活力的調(diào)控實(shí)質(zhì)就是變構(gòu)酶變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。 B：變構(gòu)酶有與底物底物結(jié)合的活性中心活性中心和與終產(chǎn)物終產(chǎn)物結(jié)合的調(diào)節(jié)中心調(diào)節(jié)中心（變構(gòu)部位）。 C：終產(chǎn)物與調(diào)節(jié)中

3、心結(jié)合之后改變了酶的構(gòu)象改變了酶的構(gòu)象，從而影響了底物與活性中心的結(jié)合。 D：終產(chǎn)物與調(diào)節(jié)中心的結(jié)合是可逆可逆的，終產(chǎn)物濃度降低，終產(chǎn)物與酶結(jié)合隨即解離，酶又恢復(fù)原有構(gòu)象。 3 3、變構(gòu)酶模型、變構(gòu)酶模型 A：協(xié)調(diào)模型（莫諾德模型） a.變構(gòu)酶一般是具有多亞基四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白。亞基中有活性中心和調(diào)節(jié)中心。 b.變構(gòu)酶存在兩種構(gòu)象狀態(tài)，R狀態(tài)和T狀態(tài)，兩種狀態(tài)間可逆平衡。 c.底物、激活劑、抑制劑可使R T平衡移動(dòng)。 d.變構(gòu)蛋白有對(duì)稱性。酶狀態(tài)改變對(duì)稱性不變。 B：順序模型（科什蘭模型）4 4 、變構(gòu)酶動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、變構(gòu)酶動(dòng)力學(xué)性質(zhì)濃度酶活性變構(gòu)酶酶活性底物濃度的關(guān)系普通酶酶活性底物濃度的關(guān)系底物

4、濃度一定時(shí),變構(gòu)抑制劑濃度與變構(gòu)酶活性關(guān)系 5 5、調(diào)節(jié)類型、調(diào)節(jié)類型 5.15.1：?jiǎn)喂δ芡緩街忻富钚缘恼{(diào)節(jié)類型：?jiǎn)喂δ芡緩街忻富钚缘恼{(diào)節(jié)類型 終產(chǎn)物抑制代謝產(chǎn)物激活 A 前體激活B 補(bǔ)償性激活生物合成的終產(chǎn)物是生物合成系統(tǒng)中第一個(gè)酶的反饋抑制劑 A可促進(jìn)終產(chǎn)物的生成 HI 必須供給定量的,H能激活A(yù)B的反應(yīng) 5.25.2：多功能途徑中酶活性的調(diào)節(jié)類：多功能途徑中酶活性的調(diào)節(jié)類 具有復(fù)數(shù)效應(yīng)部位的酶 A 多價(jià)反饋抑制(協(xié)作反饋抑制)當(dāng)一條代謝途徑中有兩個(gè)以上的終產(chǎn)物時(shí)，任何一個(gè)終產(chǎn)物都不能單獨(dú)抑制途徑中第一個(gè)共同的酶反應(yīng)，但當(dāng)兩者同時(shí)過(guò)剩時(shí)，它們協(xié)同抑制途徑中第一個(gè)共同的酶反應(yīng)。 B 合作反

5、饋抑制當(dāng)一條代謝途徑中有兩個(gè)以上的終產(chǎn)物時(shí)，任何一個(gè)終產(chǎn)物過(guò)剩時(shí)，只部分地抑制途徑中第一個(gè)共同的酶反應(yīng)，只有兩者同時(shí)過(guò)剩時(shí)，才能引起強(qiáng)烈的抑制，其抑制程度大于各自單獨(dú)存在的和。 C 積累反饋抑制每個(gè)終產(chǎn)物過(guò)剩時(shí)，只能單獨(dú)地、部分地抑制途徑中第一個(gè)共同的酶反應(yīng)，并且各終產(chǎn)物的抑制作用互不影響，幾個(gè)終產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，它們的抑制作用是積累的。 D終產(chǎn)物抑制的補(bǔ)償性回復(fù) 順序反饋抑制F積累，停止DE反應(yīng)，減少F的進(jìn)一步合成，更多的D轉(zhuǎn)到G，再由G合成I或K；I積累，停止GH反應(yīng)；K積累，停止GJ反應(yīng)，結(jié)果造成G積累，引起G對(duì)AB的反饋抑制，使整個(gè)反應(yīng)途徑停止。 具有專一性效應(yīng)物的復(fù)數(shù)酶酶1和酶2都是催

6、化AB的同功酶，G過(guò)量，酶2停止活動(dòng)，C不能經(jīng)過(guò)F到G，同時(shí)，酶1活性不受影響，A可順利地到E，從而使G過(guò)量，并不干擾E的合成。 二二 酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制 1、 反饋?zhàn)瓒襞c誘導(dǎo)作用的概念反饋?zhàn)瓒襞c誘導(dǎo)作用的概念 反饋?zhàn)瓒簦悍答佔(zhàn)瓒簦涸谖⑸锖铣审w系中，代謝產(chǎn)物抑制酶的生物合成。 誘導(dǎo)作用：誘導(dǎo)作用：在微生物合成體系中，代謝產(chǎn)物誘導(dǎo)酶的生物合成。 2、 反饋?zhàn)瓒艉驼T導(dǎo)作用理論（操縱子學(xué)說(shuō)）反饋?zhàn)瓒艉驼T導(dǎo)作用理論（操縱子學(xué)說(shuō)） A 操縱子由細(xì)胞的操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成。 B 結(jié)構(gòu)基因能轉(zhuǎn)錄遺傳信息，合成相應(yīng)的mRNA，進(jìn)而翻譯合成特定的酶。 C 操縱基因能控制結(jié)構(gòu)基因作用的發(fā)揮 D

7、調(diào)節(jié)基因能產(chǎn)生一種細(xì)胞質(zhì)的阻遏物，該阻遏物與酶促反應(yīng)阻遏物（通常是終產(chǎn)物）結(jié)合時(shí)結(jié)構(gòu)改變。和操縱基因的親和力變大，使有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因不能合成mRNA，使酶的合成受到阻遏。 E 誘導(dǎo)物也能和細(xì)胞質(zhì)阻遏物結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)改變，減少與操縱基因的親和力，使操縱基因恢復(fù)自由，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，合成相應(yīng)的mRNA，進(jìn)而翻譯合成特定的酶。 3、 調(diào)節(jié)類型 A 單功能生物合成途徑 B 多功能生物合成途徑 單功能生物合成途徑 A 簡(jiǎn)單的終產(chǎn)物阻遏 B 受阻遏酶產(chǎn)物的誘導(dǎo)作用 三三 反饋抑制和反饋?zhàn)瓒舻谋容^反饋抑制和反饋?zhàn)瓒舻谋容^ 第二節(jié)：代謝控制發(fā)酵的基本思想第二節(jié)：代謝控制發(fā)酵的基本思想 代謝控制發(fā)酵能否成

8、功，目的產(chǎn)物能否大量積累，起決于微生物細(xì)胞自我調(diào)節(jié)機(jī)制能否解除. 解除微生物細(xì)胞自我調(diào)節(jié)機(jī)制的措施一般有： 應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株 選育抗反饋調(diào)節(jié)的突變菌株選育抗反饋調(diào)節(jié)的突變菌株 選育細(xì)胞膜通透性的突變菌株選育細(xì)胞膜通透性的突變菌株 應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株或條件突變菌株應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株或條件突變菌株 應(yīng)用遺傳工程技術(shù)，創(chuàng)造工程菌株應(yīng)用遺傳工程技術(shù)，創(chuàng)造工程菌株 一.切斷支路代謝切斷支路代謝 切斷支路代謝可通過(guò)選育營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株或滲漏缺陷型突變菌株來(lái)達(dá)到 1營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株的應(yīng)用 營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株是指原菌株由于基因發(fā)生突變，致使合成途

9、徑中某一步驟發(fā)生缺陷，喪失了合成某些物質(zhì)的能力，必須添加該物質(zhì)才能生長(zhǎng)的突變菌株。 2 2滲漏缺陷型突變菌株的應(yīng)用滲漏缺陷型突變菌株的應(yīng)用 滲漏缺陷型是指遺傳性障礙不完全的缺陷型。滲漏缺陷型菌株的某種酶活性下降而不完全喪失，可少量合成代謝終產(chǎn)物，但不能合成過(guò)量的代謝終產(chǎn)物。 二. 解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié)解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié) 1 1選育抗類似物的突變株選育抗類似物的突變株 類似物指的是代謝終產(chǎn)物的類似物，抗類似物突變株又叫代謝拮抗物抗性突變株。 代謝拮抗物與代謝終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似。也能與阻遏蛋白結(jié)合，且其結(jié)合是不可逆的也就是有關(guān)酶不能合成，如果突變株具代謝拮抗物抗性，那它就解除了反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。 2

10、 2酶特性的利用酶特性的利用 利用某種酶具有底物專一性寬的特性，用該酶對(duì)其他底物的活性，育得代謝調(diào)節(jié)突變株 3 3營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株的應(yīng)用 某營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株經(jīng)回復(fù)突變，在回復(fù)其愿有的形狀 三.增加前體物的合成增加前體物的合成 通過(guò)選育某些營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變菌株或結(jié)構(gòu)類似物抗性突變菌株及克隆某些關(guān)鍵酶的方法，增加目的產(chǎn)物的前體物的合成，有利于目的產(chǎn)物的積累。 1在分支合成途徑中，切斷除目的產(chǎn)物外的其他合成途徑，增加目的產(chǎn)物的前體物的合成，使目的產(chǎn)物產(chǎn)量提高。 2目的產(chǎn)物的生物合成從別的終產(chǎn)物開(kāi)始時(shí)，設(shè)法解除目的產(chǎn)物合成的反饋調(diào)節(jié)和前體物合成的反饋調(diào)節(jié)。 四四. .

11、去除終產(chǎn)物去除終產(chǎn)物 改變細(xì)胞膜的滲透性，使終產(chǎn)物不斷的排出到胞外，因而終產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)不能大量積累 五、特殊調(diào)節(jié)機(jī)制的利用五、特殊調(diào)節(jié)機(jī)制的利用 1 1多種產(chǎn)物控制機(jī)制的利用多種產(chǎn)物控制機(jī)制的利用 在多種產(chǎn)物控制機(jī)制的利用，只有全部終產(chǎn)物過(guò)剩，才能產(chǎn)生完全抑制，利用此特性可設(shè)法控制目的產(chǎn)物以外的終產(chǎn)物的供給量，是目的產(chǎn)物得以積累。 2平衡合成的利用底物A經(jīng)分支合成途徑生成兩種終產(chǎn)物E與G，由于酶a活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶b，結(jié)果優(yōu)先合成E。E過(guò)量就會(huì)抑制酶a，使代謝轉(zhuǎn)向合成G。G過(guò)量后，就會(huì)拮抗或逆轉(zhuǎn)E的反饋抑制作用，結(jié)果代謝流轉(zhuǎn)向又合成E。 3代謝互鎖的利用代謝互鎖的利用 所謂代謝互鎖就是從生物合成途

12、徑來(lái)看，似乎是受一種完全無(wú)關(guān)的終產(chǎn)物的控制，它只是在較高濃度下才發(fā)生，而且這種抑制作用是部分性的，不完全的。 4優(yōu)先合成的變換底物A經(jīng)分支合成途徑生成兩種終產(chǎn)物E與G，由于酶a活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶b，結(jié)果優(yōu)先合成E。E過(guò)量就會(huì)抑制酶a，使代謝轉(zhuǎn)向合成G。G合成達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)對(duì)酶c產(chǎn)生抑制作用。 六、條件突變抹的應(yīng)用六、條件突變抹的應(yīng)用 像溫度敏感性突變、抑制性突變、鏈霉素依賴性突變和低溫敏感性突變等，因環(huán)境條件的不同能顯示野生型特性又能顯示突變型特性的突變，稱為條件致死突變(即條件突變) 七、選育不生成副產(chǎn)物的菌株七、選育不生成副產(chǎn)物的菌株 工業(yè)上，為了選育優(yōu)秀的生產(chǎn)菌株、除突破微生物原來(lái)的代謝調(diào)節(jié)外,必要時(shí)還應(yīng)附加如下突變. (1)有共用前體物的其他分支途徑或目的產(chǎn)物是其他產(chǎn)物生物合成的前體物時(shí)，應(yīng)附加營(yíng)養(yǎng)缺陷型，切斷其他分支途徑或目的產(chǎn)物向其他產(chǎn)物合成的代謝流。 (2)存在有目的產(chǎn)物分解途徑時(shí)，應(yīng)選育喪失目的產(chǎn)物分解酶的突變株。 (3)當(dāng)有副生產(chǎn)物，持別是有不利于目的產(chǎn)物精制的副生產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)設(shè)法切斷副生產(chǎn)物的代謝流。 八、選育生產(chǎn)代謝拮抗物質(zhì)的菌株八、選育生產(chǎn)代謝拮抗物質(zhì)的菌株第三節(jié)：微生物代謝控制發(fā)酵的措施第三節(jié)：微生物代謝控制發(fā)酵的措施 微生物發(fā)酵生產(chǎn)中的代謝控制，總的來(lái)講主要有兩條途徑，即控制培養(yǎng)條件控制培養(yǎng)條