第5章 微生物代謝調(diào)控

第五節(jié)發(fā)酵過程的代謝調(diào)控和代謝工程微生物的新陳代謝

復(fù)雜有機分子

簡單有機分子

+ATP+還原力[H]

分解代謝酶系合成代謝酶系一代謝調(diào)節(jié)(regulationofmetabolism）

在大腸桿菌細(xì)胞中，同時存在著2500種左右的蛋白，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。

微生物有著一套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)基因調(diào)節(jié)——酶合成的調(diào)節(jié)酶代謝調(diào)節(jié)——酶活性的調(diào)節(jié)膜透性的調(diào)節(jié)微生物代謝的調(diào)節(jié)策略（一）酶合成的調(diào)節(jié)酶量的調(diào)節(jié)，基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)酶合成的誘導(dǎo)酶合成的阻遏1、酶合成的誘導(dǎo)某些代謝物可以誘導(dǎo)某些酶的合成，是通過促進為該酶編碼的基因的表達而進行的，這種現(xiàn)象叫做酶合成的誘導(dǎo)。能誘導(dǎo)酶合成的物質(zhì)叫誘導(dǎo)物。被誘導(dǎo)合成的酶叫誘導(dǎo)酶。（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)JacobandMonod的操縱子模型操縱子：是基因表達的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。

酶合成的誘導(dǎo)的操縱子模型阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達。誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白不能阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因表達。表明菌體生物合成的經(jīng)濟原則：需要時才合成。

沒有乳糖存在時

有乳糖存在時乳糖操縱子

實驗：

細(xì)菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長，優(yōu)先利用葡萄糖。待葡萄糖耗盡時，在乳糖的誘導(dǎo)下，作用于乳糖的酶才產(chǎn)生，細(xì)菌開始利用乳糖。研究表明，上述現(xiàn)象由于葡萄糖降解物引起的，稱為分解代謝物阻遏（葡萄糖效應(yīng)）。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，此調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是環(huán)腺苷酸受體蛋白——亦稱降解物基因活化蛋白（CAP）細(xì)菌乳糖操縱子的作用機制(降解物阻遏)調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMP復(fù)合物mRNA當(dāng)葡萄糖作唯一碳源時，葡萄糖的降解物對腺苷酸環(huán)化酶有抑制作用，則cAMP的濃度降低，CAP-cAMP復(fù)合物減少，不能與啟動子結(jié)合，故轉(zhuǎn)錄不得進行。+-半乳糖苷酶-半乳糖苷透過酶-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶過去稱葡萄糖效應(yīng)轉(zhuǎn)錄3

協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)2、酶合成的阻遏某些代謝物可以阻止某些酶的合成，是通過阻止為該酶編碼的基因的表達而進行的，這種現(xiàn)象叫做酶合成的阻遏。能阻遏酶合成的物質(zhì)叫阻遏物。被阻遏物作用而停止合成的酶叫阻遏酶。實驗：1.大腸桿菌生長在無機鹽和葡萄糖的培養(yǎng)基上時，檢測到細(xì)胞內(nèi)有色氨酸合成酶的存在；2.在上述培養(yǎng)基中加入色氨酸，檢測發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，體現(xiàn)了菌生長的經(jīng)濟原則：不需要就不合成。色氨酸操縱子阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因表達代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合，使之構(gòu)象發(fā)生變化與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不能表達1.酶活性的激活（二）酶活性的調(diào)節(jié)在某個酶促反應(yīng)中，某種低分子量物質(zhì)加入后，導(dǎo)致原來無活性或活性很低的酶轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚曰蚧钚蕴岣摺?/p>

在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進。乳酸脫氫酶可被果糖1，6—二磷酸所促進。2.酶活性的抑制反饋抑制（feedbackinhibition）

代謝末端產(chǎn)物過量時，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)減慢或停止。變構(gòu)酶理論：

變構(gòu)酶是一種變構(gòu)蛋白，具有兩個或兩個以上的立體專一性不同的接受部位，其中之一與底物結(jié)合并具有催化活性，稱為活性中心；另一部位可與效應(yīng)物結(jié)合的變構(gòu)部位，稱為調(diào)節(jié)中心。效應(yīng)物的結(jié)合改變酶的立體構(gòu)象，并導(dǎo)致酶活性的變化。

（三）微生物代謝調(diào)節(jié)的模式在微生物的代謝過程中，反饋阻遏和反饋抑制往往共同對代謝起調(diào)節(jié)作用，它們通過對酶的合成和酶的活性進行調(diào)節(jié)，使細(xì)胞內(nèi)各種代謝物濃度保持在適當(dāng)?shù)乃椒答佔瓒羰寝D(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生效應(yīng)慢，反饋抑制是酶活性調(diào)節(jié)，產(chǎn)生效應(yīng)快

直線式代謝途徑中的反饋控制分支代謝途徑中的反饋控制同工酶調(diào)節(jié)協(xié)同反饋控制合作（增效）反饋控制累積反饋控制順序反饋控制反饋控制的類型直線式代謝途徑的反饋控制異亮氨酸合成途徑中的直線式反饋抑制

末端產(chǎn)物D和F協(xié)同反饋控制模式

分支代謝途徑的反饋控制末端產(chǎn)物D和F的累積反饋控制模式

順序反饋控制的模式

大腸桿菌合成蘇氨酸、甲硫氨酸和賴氨酸中的同工酶調(diào)節(jié)

E表示末端產(chǎn)物反饋抑制；R表示末端產(chǎn)物反饋阻遏二、代謝產(chǎn)物合成的調(diào)控（一）發(fā)酵條件的控制1、使用誘導(dǎo)物誘導(dǎo)酶只有在誘導(dǎo)劑存在時才能形成，因此在培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)劑，可以大量合成該類酶。最好的誘導(dǎo)劑不是酶的底物，而是底物的衍生物。不同發(fā)酵條件對谷氨酸產(chǎn)生菌代謝方向的影響發(fā)酵條件代謝方向通氣乳酸或琥珀酸谷氨酸

NH4+

α-酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺pH谷氨酰胺谷氨酸磷酸纈氨酸谷氨酸2、控制細(xì)胞膜的滲透性（1）.通過生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜滲透性（2）.通過細(xì)胞膜缺損突變控制細(xì)胞膜滲透性生物素谷氨酸細(xì)胞膜滲透性青霉素谷氨酸油酸缺陷型油酸（3）加入表面活性劑，將脂類從細(xì)胞壁中溶解：使細(xì)胞壁疏松，通透性增加（4）控制Mn2+

、Zn2+的濃度：干擾細(xì)胞膜、細(xì)胞壁的合成。3、添加前體繞過反饋控制點：

DABCEF4、發(fā)酵與分離過程偶聯(lián)反饋調(diào)節(jié)的啟動因素是超過菌體正常需求量的末端代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵的同時將末端代謝產(chǎn)物不斷移走。有膜分離、離子交換分離、萃取等5、培養(yǎng)基成分和濃度控制，解除分解代謝阻遏葡萄糖的分解代謝阻遏次級代謝所需酶的合成，只有葡萄糖被消耗到一定濃度，分解代謝物水平降低，次級代謝物才開始大量合成。方法：采用混合碳源培養(yǎng)（速效和遲效）；后期限量流加葡萄糖1、應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株解除反饋調(diào)節(jié)（二）各種突變株的使用谷氨酸棒桿菌的代謝調(diào)節(jié)與賴氨酸生產(chǎn)

E：表示反饋抑制；R：表示反饋阻遏

2、抗代謝類似物突變株的使用抗反饋調(diào)節(jié)突變株：對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐曰蚣娑兄木?。反饋抑制或阻遏或兩者解除?、抗生素抗性突變株的應(yīng)用

三、定向發(fā)酵

（一）突變生物合成采用一些誘變劑，如紫外線、γ-射線、激光、高速電子流或一些化學(xué)藥物如亞硝基胍、溴化乙啶等對藥物的產(chǎn)生菌進行誘變，使它們喪失合成某種中間體的能力，因而不能合成原來結(jié)構(gòu)的化合物，成為阻斷突變株。在發(fā)酵培養(yǎng)這些阻斷突變株時添加某種天然或者化學(xué)合成的化合物作為中間體，這些突變株能利用這些中間體合成一些新結(jié)構(gòu)的最終化合物，這個過程稱為突變生物合成（mutationbiosynthesis