代謝調(diào)控發(fā)酵基本思想

1、微生物細(xì)胞氨基酸、核苷酸的調(diào)節(jié)機(jī)制（模型）微生物細(xì)胞氨基酸、核苷酸的調(diào)節(jié)機(jī)制（模型）第1頁(yè)/共31頁(yè)第2頁(yè)/共31頁(yè)代謝控制的研究證明，酶的生物合成受基因和代謝物的雙重控制。按操縱子學(xué)說(shuō)，操縱子由細(xì)胞中的操縱基因和鄰近的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。結(jié)構(gòu)基因能轉(zhuǎn)錄遺傳信息，合成相應(yīng)的信使RNA（mRNA），進(jìn)而再翻譯合成特定的酶；操縱基因則能夠控制結(jié)構(gòu)基因作用的發(fā)揮。細(xì)胞中還有一種調(diào)節(jié)基因，能夠產(chǎn)生一種細(xì)胞質(zhì)阻遏物，細(xì)胞質(zhì)阻遏物與阻遏物（通常是酶反應(yīng)的終產(chǎn)物）結(jié)合時(shí)，由于變構(gòu)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)改變和操縱基因的親和力變大，而使有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因不能合成mRNA，因此，酶的合成受到阻遏。第3頁(yè)/共31頁(yè)誘導(dǎo)物也能和細(xì)胞阻

2、遏物結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，減少與操縱基因的親和力，使操縱基因回復(fù)自由，進(jìn)而結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，合成mRNA，再翻譯特定的酶。在微生物中，通過(guò)細(xì)胞膜的滲透性進(jìn)行代謝控制也是非常重要的（如Glu發(fā)酵）。第4頁(yè)/共31頁(yè)1. 調(diào)節(jié)酶與代謝調(diào)節(jié)密切相關(guān)的酶，常稱(chēng)為關(guān)鍵酶受反饋抑制的調(diào)節(jié)酶一般都是變構(gòu)酶，酶活力調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。變構(gòu)酶分子除了有與底物結(jié)合的活性中心（即催化部位和活性中心）外，還有一個(gè)與最終產(chǎn)物結(jié)合的部位，稱(chēng)做調(diào)節(jié)中心（或稱(chēng)變構(gòu)部位），當(dāng)它與最終產(chǎn)物結(jié)合之后就改變了酶分子的構(gòu)象，從而影響了底物與活性中心的結(jié)合。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶活力酶活力（反饋抑制）（反饋抑制）比調(diào)節(jié)比調(diào)節(jié)酶的合成酶

3、的合成（反饋?zhàn)瓒簦ǚ答佔(zhàn)瓒簦┭杆偌皶r(shí)有效，迅速及時(shí)有效，這是微生物饑餓情況下的一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式。這是微生物饑餓情況下的一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式。第5頁(yè)/共31頁(yè)氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶氨基酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶第6頁(yè)/共31頁(yè)最終產(chǎn)物與酶的調(diào)節(jié)中心的結(jié)合是可逆的，因此當(dāng)最終產(chǎn)物的濃度降低時(shí)，最終產(chǎn)物與酶的結(jié)合隨即解離，從而恢復(fù)了酶蛋白的原有的構(gòu)象，使酶與底物可以結(jié)合而發(fā)生催化。調(diào)節(jié)酶包括調(diào)節(jié)酶包括3個(gè)種類(lèi)：個(gè)種類(lèi)：變構(gòu)酶；同功酶：具有同一種酶的底物專(zhuān)一性，但分子結(jié)構(gòu)不同；多功能酶：能夠催化兩種以上不同反應(yīng)的酶。第7頁(yè)/共31頁(yè)關(guān)鍵酶關(guān)鍵酶（key enzyme

4、或或 switching enzyme） 參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總稱(chēng)稱(chēng)是一個(gè)反應(yīng)鏈的限速因子，對(duì)代謝流的質(zhì)和量都起著制約作用；在代謝流的樞紐處起支柱作用；一般情況下，與氨基酸生物合成途徑分支點(diǎn)有關(guān)系的分支點(diǎn)酶 （branching enzyme）可以成為關(guān)鍵酶，但關(guān)鍵酶并不都是分支點(diǎn)酶；其關(guān)鍵效果僅僅在特定的氨基酸生物合成過(guò)程中成立，而在其他氨 基酸生物合成過(guò)程中則不成立（例如，-乙酰乳酸合成酶在Val 生物 合成途徑中起關(guān)鍵作用，而Ile生物合成途徑中起主導(dǎo)性的關(guān)鍵酶卻 是蘇氨酸脫氫酶TD，該酶在-乙酰乳酸合成酶的前一階段）；第8頁(yè)/共31頁(yè)氨基酸生物合成氨基酸生物合成途徑中

5、的關(guān)鍵酶途徑中的關(guān)鍵酶第9頁(yè)/共31頁(yè)在每個(gè)氨基酸的生物合成途徑中，都有一種以上的關(guān)鍵酶；生物合成的途徑越長(zhǎng)，關(guān)鍵酶的數(shù)目越多；對(duì)代謝流影響最大的關(guān)鍵酶處于主導(dǎo)的地位，常被配備在由同一前 體物出發(fā)去合成多種氨基酸的關(guān)鍵點(diǎn)（key point）上（例如， Val- Ile系的-乙酰乳酸合成酶AS，或Asp族氨基酸生物合成途徑中的關(guān) 鍵酶天冬氨酸激酶AK）；關(guān)鍵酶所受的反饋調(diào)節(jié)因菌而異（例如，Asp族氨基酸生物合成途 徑中的主導(dǎo)關(guān)鍵酶天冬氨酸激酶AK，在大腸桿菌中有3種同功酶， 分別受到 Thr 、 Met 和Lys 的反饋調(diào)節(jié)，而在谷氨酸棒桿菌中卻是 單一的，僅受到Thr 和Lys的協(xié)同反饋控制

6、 ）。第10頁(yè)/共31頁(yè)大腸桿菌中天大腸桿菌中天冬氨酸族氨基冬氨酸族氨基酸生物合成的酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制調(diào)節(jié)機(jī)制第11頁(yè)/共31頁(yè)在黃色短桿菌中賴(lài)氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸在黃色短桿菌中賴(lài)氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)和異亮氨酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)谷氨酸棒桿菌、谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌等天黃色短桿菌等天冬氨酸族氨基酸冬氨酸族氨基酸的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制第12頁(yè)/共31頁(yè)模式圖模式圖2. 反饋抑制這種調(diào)節(jié)方式可以分為多種類(lèi)型第13頁(yè)/共31頁(yè)在多功能途徑中（在多功能途徑中（Multifunctionnal pathway）的酶活性調(diào)節(jié)類(lèi)型）的酶活性調(diào)節(jié)類(lèi)型第14頁(yè)/共31頁(yè)協(xié)作反

7、饋抑制或多價(jià)反饋抑制合作反饋抑制（Cooperative feedback inhibition ）積累反饋抑制（Cumulative feedback inhibition ）順序反饋抑制（Sequential feedback inhibition）假反饋抑制（Pseudo-feedback inhibition）第15頁(yè)/共31頁(yè)反饋?zhàn)瓒簦╢eedback repression）是由代謝終點(diǎn)產(chǎn)物抑制酶 合成的負(fù)反饋?zhàn)饔?。微生物可以通過(guò)控制酶基因的生物合成來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是說(shuō)， 在微生物生物合成體系中，常通過(guò)代謝產(chǎn)物抑制酶的生物合成 或誘導(dǎo)酶的生物合成，來(lái)調(diào)節(jié)生物的代謝過(guò)程。這類(lèi)現(xiàn)象是與微

8、生物的遺傳因子密切相關(guān)的。正反饋稱(chēng)為酶誘導(dǎo)作用（induction）。3. 酶合成的調(diào)控第16頁(yè)/共31頁(yè) 酶阻遏的調(diào)節(jié)類(lèi)型：第17頁(yè)/共31頁(yè)4. 反饋抑制與反饋?zhàn)瓒舻谋容^反饋抑制反饋抑制的效果比較直接而快速，因?yàn)椴簧婕暗鞍踪|(zhì)的合成過(guò)程， 當(dāng)終產(chǎn)物濃度達(dá)到一定水平時(shí)，立即使酶的活力喪失，待最終產(chǎn) 物的濃度降低后，酶的活力又重新恢復(fù)。反饋抑制作用不通過(guò)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)。反饋抑制的物質(zhì)基礎(chǔ)是變構(gòu)酶，通過(guò)酶的變構(gòu)作用改變酶的活性。變構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)為基因所決定。第18頁(yè)/共31頁(yè)反饋?zhàn)瓒羰钦{(diào)節(jié)基因作用的結(jié)果，這是生物不通過(guò)基因而適 應(yīng)于環(huán)境改變的一種“措施”，這種“措施”對(duì)于環(huán)境的改變反 應(yīng)比較遲緩。反饋?zhàn)?/p>

9、遏是對(duì)酶合成的阻遏，所以效果不如反饋抑制那樣迅 速，但可以節(jié)約原料，對(duì)生物有一定的優(yōu)點(diǎn)。第19頁(yè)/共31頁(yè)反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較第20頁(yè)/共31頁(yè)二、代謝控制發(fā)酵的基本思路1. 切斷支路代謝切斷支路代謝a.營(yíng)養(yǎng)缺陷突變株的應(yīng)用b.滲漏突變株的應(yīng)用第21頁(yè)/共31頁(yè)a.選育抗類(lèi)似物突變株b.酶特性的利用c.營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株的應(yīng)用2. 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)第22頁(yè)/共31頁(yè)3. 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)缺陷型或結(jié)構(gòu)類(lèi)似物抗性突變株以及克隆某些關(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)物的大量積累。第23頁(yè)/共31頁(yè)4. 去除終產(chǎn)物去

10、除終產(chǎn)物第24頁(yè)/共31頁(yè)5. 特殊調(diào)節(jié)機(jī)制的利用特殊調(diào)節(jié)機(jī)制的利用a.多種產(chǎn)物控制機(jī)制的利用b.平衡合成的利用c.代謝互鎖的利用d.優(yōu)先合成的變換第25頁(yè)/共31頁(yè)6. 條件突變株的應(yīng)用條件突變株的應(yīng)用例如，溫度敏感性突變、抑制性突變、鏈霉素依賴(lài)性突變和低溫敏感性突變等，因環(huán)境條件的不同既能顯示野生型特性又能顯示突變型特性的突變，統(tǒng)稱(chēng)為條件致死突變（即條件突變，conditional lethal mutation）。這主要是在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因上發(fā)生突變。第26頁(yè)/共31頁(yè)7. 選育不生成副產(chǎn)物的菌株選育不生成副產(chǎn)物的菌株a.有共同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)

11、，應(yīng)附加營(yíng)養(yǎng)缺陷型，切斷其他 分支途徑或目的產(chǎn)物向其它產(chǎn)物合成的代謝流；b.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；c.當(dāng)有副生產(chǎn)物，特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（喪失副生產(chǎn) 物合成途徑中的某個(gè)酶）。第27頁(yè)/共31頁(yè)8. 選育生產(chǎn)代謝拮抗物質(zhì)的菌株選育生產(chǎn)代謝拮抗物質(zhì)的菌株第28頁(yè)/共31頁(yè)三、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： 控制培養(yǎng)條件 控制遺傳型改變微生物的遺傳型往往是控制代謝的更為有效的途徑。第29頁(yè)/共31頁(yè)微生物發(fā)酵中的代謝調(diào)節(jié)措施誘導(dǎo)誘導(dǎo)分解阻遏分解阻遏分解抑制分解抑制反饋

12、阻遏反饋?zhàn)瓒舴答佉种品答佉种萍?xì)胞膜滲透性細(xì)胞膜滲透性調(diào)節(jié)體系培養(yǎng)條件控制遺傳型控制發(fā)酵的環(huán)境條件，包括溫度、溶氧水平、pH 值、NH3的供應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)濃度控制，等等，在 代謝控制發(fā)酵中也是非常重要的。（見(jiàn)下頁(yè)）第30頁(yè)/共31頁(yè)代謝控制發(fā)酵的基本條件第31頁(yè)/共31頁(yè)關(guān)鍵酶關(guān)鍵酶（key enzyme 或或 switching enzyme） 參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總稱(chēng)稱(chēng)是一個(gè)反應(yīng)鏈的限速因子，對(duì)代謝流的質(zhì)和量都起著制約作用；在代謝流的樞紐處起支柱作用；一般情況下，與氨基酸生物合成途徑分支點(diǎn)有關(guān)系的分支點(diǎn)酶 （branching enzyme）可以成為關(guān)鍵酶，但關(guān)鍵酶并不都是分支點(diǎn)酶；其關(guān)鍵效果僅僅在特定的氨基酸生物合成過(guò)程中成立，而在其他氨 基酸生物合成過(guò)程中則不成立（例如，-乙酰乳酸合成酶在Val 生物 合成途徑中起關(guān)鍵作用，而Ile生物合成途徑中起主導(dǎo)性的關(guān)鍵酶卻 是蘇氨酸脫氫酶TD，該酶在-乙酰乳酸合成酶的前一階段）；第8頁(yè)/共31頁(yè)反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較第20頁(yè)/共31頁(yè)二、代謝控制發(fā)酵的基本思路1. 切斷支路代謝切斷支路代謝a.營(yíng)養(yǎng)缺陷突變株的應(yīng)用b.滲漏突變株的應(yīng)用第21頁(yè)/共31頁(yè)4. 去除終