Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)課件

Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)的類型及模式代謝的人工控制在發(fā)酵中的應用Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

微生物的新陳代謝錯綜復雜，參與代謝的物質(zhì)又多種多樣，即使同一種物質(zhì)也會有不同的代謝途徑，而且各種物質(zhì)的代謝之間存在著復雜的相互聯(lián)系和相互影響。在長期的進化過程中，微生物建立了一套嚴密、精確、靈敏的代謝調(diào)節(jié)體系，能嚴格地控制代謝活動，使之有序而高效地運行，并能靈活地適應外界環(huán)境，最經(jīng)濟地利用環(huán)境中的營養(yǎng)物。

微生物的代謝調(diào)節(jié)具有多系統(tǒng)、多層次的特點。目前，人們對此了解還十分有限。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

了解微生物的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的意義

理論意義

實踐意義（更重要）：有目的地改造微生物和為微生物提供最適合的環(huán)境條件，使微生物能最大限度地生產(chǎn)人類所需的代謝產(chǎn)品。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.1

酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是指：

通過調(diào)節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調(diào)節(jié)機制。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

在基因轉(zhuǎn)錄水平上進行，對代謝活動的調(diào)節(jié)是間接的、也是緩慢的。

Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

主要有兩種類型：酶的誘導酶的阻遏Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.1.1

酶的誘導(Enzymeinduction)

按照酶的合成與環(huán)境影響的不同關系，可以將酶分為兩大類：

組成酶(Structuralenzymes)它們的合成與環(huán)境無關，隨菌體形成而合成，是細胞固有的酶，在菌體內(nèi)的含量相對穩(wěn)定。如糖酵解途徑(EMP)有關的酶。

誘導酶(Inducibleenzyme)只有在環(huán)境中存在誘導劑(Inducer)時，它們才開始合成，一旦環(huán)境中沒有了誘導劑，合成就終止。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

例如：在對數(shù)生長期的大腸桿菌(E.coli)培養(yǎng)基中加入乳糖，就會產(chǎn)生與乳糖代謝有關的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透過酶等。這兩種酶即為誘導酶。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)圖2-1培養(yǎng)基中加入乳糖誘導β-半乳糖苷酶的合成

在前述例子中，加入乳糖，導致兩種酶合成，而細胞生長速度和總的蛋白質(zhì)合成速度幾乎沒有改變（如右圖），這種環(huán)境物質(zhì)促使微生物細胞中合成酶蛋白的現(xiàn)象稱為酶的誘導。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

酶誘導合成的機制可以用操縱子模型解釋（如乳糖操縱子模型）。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.1.2

酶合成的阻遏(Enzymerepression)

在某代謝途徑中，當末端產(chǎn)物過量時，微生物的調(diào)節(jié)體系就會阻止代謝途徑中包括關鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成，從而徹底地控制代謝，減少末端產(chǎn)物生成，這種現(xiàn)象稱為酶合成的阻遏。

合成可被阻遏的酶稱為阻遏酶(repressibleenzyme)。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

阻遏的生理學功能是節(jié)約生物體內(nèi)有限的養(yǎng)分和能量。酶合成的阻遏主要類型：

末端代謝產(chǎn)物阻遏

分解代謝產(chǎn)物阻遏Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.1.2.1

末端代謝產(chǎn)物阻遏(End-productrepression)

由于某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量積累而引起酶合成的(反饋)阻遏稱為末端代謝產(chǎn)物阻遏。通常發(fā)生在合成代謝，特別是在氨基酸、核苷酸和維生素的合成途徑中十分常見。

生物合成過程中，末端產(chǎn)物阻遏的特點是同時阻止合成途徑中所有酶的合成。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

例如，對數(shù)生長期的大腸桿菌的培養(yǎng)基中加入精氨酸，將阻遏精氨酸合成酶系(氨甲?；D(zhuǎn)移酶、精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂合酶)的合成，而此時細胞生長速度和總蛋白質(zhì)的合成速度幾乎不變。

圖2-2培養(yǎng)基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

代謝途徑有直線型和分枝型差異，不同類型的代謝途徑，末端產(chǎn)物阻遏情況有所不同。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

若代謝途徑是直線式的，末端產(chǎn)物阻遏情況較為簡單，末端產(chǎn)物引起代謝途徑中各種酶的合成終止。例如大腸桿菌的蛋氨酸是由高絲氨酸經(jīng)胱硫醚和高半胱氨酸合成的，在僅含葡萄糖和無機鹽的培養(yǎng)基中，大腸桿菌細胞含有將高絲氨酸轉(zhuǎn)化為蛋氨酸的三種酶，但當培養(yǎng)基中加入蛋氨酸時，這三種酶消失。圖2-3甲硫氨酸反饋阻遏大腸桿菌的蛋氨酸合成酶的合成

(R)：表示反饋阻遏Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

對于分支代謝途徑來說，情況比較復雜。每種末端產(chǎn)物只專一地阻遏合成它自身那條分支途徑的酶，而代謝途徑分支點前的“公共酶”則受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏。任何一種末端產(chǎn)物的單獨存在，都不影響酶合成，只有當所有末端產(chǎn)物同時存在時，才能發(fā)揮阻遏作用的現(xiàn)象稱為多價阻遏(Multivalentrepression)。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

多價阻遏的典型例子是芳香族氨基酸和天冬氨酸生物合成中存在的反饋阻遏。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

末端代謝產(chǎn)物阻遏在微生物代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它保證了細胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當?shù)臐舛?。當微生物已合成了足量的產(chǎn)物，或外界加入該物質(zhì)后，就停止有關酶的合成。而缺乏該物質(zhì)時，又開始合成有關的酶。

末端代謝產(chǎn)物阻遏的機制也可以用操縱子學說解釋。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.1.2.2

分解代謝物阻遏(Cataboliterepression)

當細胞內(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底物有關的酶合成?，F(xiàn)在知道，這種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，所以稱為分解代謝物阻遏。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

分解代謝物阻遏過去被稱為葡萄糖效應。

圖2-4培養(yǎng)基中不同糖對大腸桿菌生長速度的影響

1.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；2.同時加入葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

酶的誘導、分解代謝物阻遏和末端產(chǎn)物阻遏可以同時發(fā)生在同一微生物體內(nèi)。這樣，當某些底物存在時微生物就會合成誘導酶；幾種底物同時存在時，優(yōu)先利用能被快速或容易代謝的底物，而與代謝較慢的底物有關酶的合成將被阻遏；當末端代謝產(chǎn)物能滿足微生物生長需要時，與代謝有關酶的合成又被終止。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.2

酶活性的調(diào)節(jié)

通過改變酶分子的活性來調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式稱為酶活性的調(diào)節(jié)。與酶合成調(diào)節(jié)方式相比，這種調(diào)節(jié)方式更直接，并且見效快。是發(fā)生在蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

某些酶的活性受到底物或產(chǎn)物或其結(jié)構(gòu)類似物的影響，這些酶稱為調(diào)節(jié)酶(Regulatoryenzyme)。這種影響可以是激活、也可以是抑制酶的活性。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

把底物對酶的影響稱為前饋，產(chǎn)物對酶的影響稱為反饋。前饋作用一般是激活酶的活性。在分解代謝中，后面的反應可被較前面反應的中間產(chǎn)物所促進。如糞鏈球菌(Streptococcusfeacalis)的乳酸脫氫酶活性可被1,6-二磷酸果糖所激活；又如在粗糙鏈孢霉(Neurosporacrassa)培養(yǎng)時，檸檬酸會促進異檸檬酸脫氫酶活性。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)酶通常是變構(gòu)酶，一般具有多個亞基，包括催化亞基和調(diào)節(jié)亞基。變構(gòu)酶的激活和抑制過程中，激活過程的效應物稱為激活劑(activator)，而抑制過程的效應物稱為抑制劑(inhibitor)。

圖2-5變構(gòu)酶受效應物的調(diào)節(jié)過程

1.激活劑激活無活性的酶；2.抑制劑抑制有活性的酶Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

在微生物代謝調(diào)節(jié)中更常見的是反饋調(diào)節(jié)，尤其是末端產(chǎn)物對酶活的反饋抑制。抑制劑與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合引起酶構(gòu)象發(fā)生變化，使催化亞基的活性中心不再能與底物結(jié)合，酶的催化性能隨之消失。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)酶的抑制劑通常是代謝終產(chǎn)物或其結(jié)構(gòu)類似物，作用是抑制酶的活性。效應物的作用一般是可逆的，一旦效應物濃度降低，酶活性就會恢復。調(diào)節(jié)酶常常是催化分支代謝途徑一系列反應中第一個反應的酶，這樣就避免了不必要的能量浪費。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.3

微生物代謝調(diào)節(jié)的模式

在微生物合成代謝過程中，反饋阻遏和反饋抑制往往共同對代謝起著調(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)，使細胞內(nèi)各種代謝物濃度保持在適當?shù)乃健?/p>

Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

反饋阻遏是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生效應慢，反饋抑制是酶活性水平調(diào)節(jié)，產(chǎn)生效應快。此外，前者的作用往往會影響催化一系列反應的多個酶，而后者往往只對是一系列反應中的第一個酶起作用。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)反饋阻遏（feedbackrepression）與反饋抑制（feedbackinhibition）的性質(zhì)比較反饋阻遏反饋抑制調(diào)控對象酶的合成酶的活性調(diào)控開關終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度調(diào)控的水平DNA-mRNA-酶蛋白（轉(zhuǎn)錄水平）酶蛋白的構(gòu)象變化調(diào)控方式終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和力終產(chǎn)物與變構(gòu)部位親和力調(diào)控動作阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，不能合成mRNA通過變構(gòu)效應，酶的構(gòu)象變化對酶的影響影響催化一系列反應的多個酶只對是一系列反應中的第一個酶起作用形成的控制開、關控制控制酶活性大小調(diào)控反應速度遲緩迅速Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.3.1

直線式代謝途徑的反饋控制

對于只有一個末端代謝產(chǎn)物的途徑，即直線式代謝途徑，當末端代謝產(chǎn)物達到一定濃度時，就會反饋控制該代謝途徑。末端產(chǎn)物的反饋阻遏一般是阻止該途徑中所有酶的合成，末端產(chǎn)物抑制一般是抑制該途徑第一個酶的活性。

圖2-6直線式末端產(chǎn)物反饋控制Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

在研究大腸桿菌的異亮氨酸合成途徑時，首先發(fā)現(xiàn)了直線式代謝途徑的反饋抑制。蘇氨酸是合成異亮氨酸的前體，在培養(yǎng)基中給蘇氨酸缺陷型大腸桿菌補充蘇氨酸時，該菌株可以合成異亮氨酸，但若同時在培養(yǎng)基中添加異亮氨酸，就不能利用蘇氨酸合成異亮氨酸了。這是因為異亮氨酸抑制了由蘇氨酸轉(zhuǎn)化為異亮氨酸途徑的第一個酶，即L-蘇氨酸脫氨酶.圖2-7異亮氨酸合成途徑中的直線式反饋抑制Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

大腸桿菌中由氨甲酰磷酸和天門冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸(CTP)時需要七種酶，當CTP達到一定濃度后，便反饋抑制催化第一個反應的酶，即天門冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶。圖2-8大腸桿菌CTP合成途徑中的直線式反饋抑制Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

反饋控制還有另一種形式，即末端產(chǎn)物阻遏與中間產(chǎn)物誘導的混合形式。如圖所示，末端產(chǎn)物D的積累會阻遏該途徑中第一個酶的合成。當末端產(chǎn)物D濃度下降時，第一個酶恢復合成，從而導致中間產(chǎn)物B在胞內(nèi)累積。B濃度的增高，又誘導第二、三個酶的合成，使途徑逐漸暢通。當D濃度上升到一定值時，第一個酶的合成受阻，B濃度下降，不再誘導第二、三個酶的合成，該途徑逐漸阻塞。圖2-8末端產(chǎn)物阻遏和中間產(chǎn)物誘導的混合控制Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.3.2

分支代謝途徑的反饋控制

由幾種末端代謝產(chǎn)物共同對生物合成途徑進行控制的體系較為復雜。即便是同一代謝途徑，不同菌種也會有不同的控制模式。這些控制可以是反饋阻遏或反饋抑制單獨作用的結(jié)果，也可以是兩者共同作用的結(jié)果。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)2.3.2.1

協(xié)同或多價反饋控制(Concertedormultivalentfeedbackcontrol)

分支代謝途徑的幾個末端產(chǎn)物同時過量時，該途徑的第一個酶才會受到反饋阻遏或反饋抑制。如多粘芽孢桿菌(Bacilluspolymyxa)在合成天門冬氨酸族氨基酸時，天門冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制。如果僅是蘇氨酸或賴氨酸過量，并不能引起抑制作用。

圖2-9末端產(chǎn)物D和F協(xié)同反饋控制模式Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.3.2.2

合作反饋控制(Cooperativefeedbackcontrol)

這類控制體系與協(xié)同反饋控制類似，但是該體系中的末端產(chǎn)物都有較弱的獨立控制作用。當所有的末端產(chǎn)物同時過剩時，會導致增效的阻遏或抑制，即其阻遏或抑制的程度比這些末端產(chǎn)物各自獨立過量時的總和還要大，因此，又稱為增效反饋控制(Synergisticfeedbackcontrol)。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)圖2-10末端產(chǎn)物D和F合作反饋控制模式

當只有一個末端產(chǎn)物(圖中的D)過量時，緊接著分支點(圖中的B)后的反饋控制立即起作用，限制該末端產(chǎn)物的合成，代謝將轉(zhuǎn)向細胞需要合成的其它產(chǎn)物繼續(xù)進行(圖中的F)。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.3.2.3

累積反饋控制(Cumulativefeedbackcontrol)

每個分支途徑的末端產(chǎn)物都獨立于其它末端產(chǎn)物，以一定百分比控制該途徑第一個共同的酶所催化的反應。當幾個末端產(chǎn)物同時存在時，它們對酶反應的抑制是累積的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應，也無拮抗作用。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

圖2-11末端產(chǎn)物D和F的累積反饋控制模式

如圖所示，D和F分別獨立地抑制第一個酶活性的30%和40%，那么，當D和F均過量時，它們對第一個酶的總抑制是58%，即100%-(100%-30%)×(100%-40%)=58%。與合作反饋控制的情況相似，每個末端產(chǎn)物肯定會對緊接分支點B后的反應施加控制，以使共同的中間產(chǎn)物B不再用于已過量的產(chǎn)物合成。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

累積反饋抑制最早在大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶調(diào)節(jié)中發(fā)現(xiàn)（催化谷氨酸到谷氨酰胺的一步反應）。該酶受8個最終產(chǎn)物的累積反饋抑制，只有當它們同時存在時，酶活性才會被完全抑制。如色氨酸單獨存在時，可抑制酶活性的16%，CTP為14%，氨基甲酰磷酸為13%，AMP為41%，這4種產(chǎn)物同時過量時，酶活性被抑制63%。所剩的37%酶活性則受到其它四種產(chǎn)物---組氨酸、丙氨酸、葡萄糖磷酸和甘氨酸的累積抑制。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.3.2.4

順序反饋控制(Sequentialfeedbackcontrol)

在順序反饋控制體系中，直接對第一個共同的酶起控制作用的并不是末端產(chǎn)物，而是分支點上的中間產(chǎn)物。每個末端產(chǎn)物均對緊接分支點B后導向各自分支途徑的酶進行控制，D抑制B向C反應，F(xiàn)抑制B向E反應，D、F單獨或兩者共同的抑制作用將導致B的積累，過量的B又會抑制A向B反應。

圖2-13順序反饋控制的模式Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

順序反饋控制存在于枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成。圖2-14枯草桿菌芳香族氨基酸合成途徑中的順序反饋抑制Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.3.2.5

同工酶控制(Isoenzymecontrol)

如果代謝途徑中某一反應受到一組同工酶的催化，那么不同的同工酶可能受各不相同的末端產(chǎn)物控制。如果緊接分支點后的酶受其對應的末端產(chǎn)物控制，那么，同工酶控制體系將更有效。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

如圖所示，從A到B反應由同工酶a和b催化，當末端產(chǎn)物F過量時，受F控制的從A到B的同工酶b和從B到E的酶被抑制，而同工酶a不受影響，使A能順利合成D，因此，F(xiàn)的過量不會干擾D的合成。同樣道理，D的過量也不會干擾F的合成。圖2-15末端代謝產(chǎn)物D和F的同工酶控制模式Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

大腸桿菌有三個天門冬氨酸激酶和兩個高絲氨酸脫氫酶參與催化賴氨酸和蘇氨酸的合成。天冬氨酸激酶Ⅰ和高絲氨酸脫氫酶Ⅰ可被蘇氨酸抑制和阻遏，高絲氨酸脫氫酶Ⅱ可被甲硫氨酸阻遏，天冬氨酸激酶Ⅲ可被賴氨酸抑制和阻遏，見圖。圖2-16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Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4

代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應用

工業(yè)發(fā)酵的目的就是大量地積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。在正常生理條件下,微生物總是通過其代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)最經(jīng)濟地吸收利用營養(yǎng)物質(zhì)用于合成細胞結(jié)構(gòu)，進行生長和繁殖，它們通常不浪費原料和能量，也不積累中間代謝產(chǎn)物。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

人為地打破微生物的代謝控制體系，就有可能使代謝朝著人們希望的方向進行，這就是所謂代謝的人工控制。雖然微生物代謝調(diào)節(jié)的理論目前還有很大的局限性，但它已在微生物育種和發(fā)酵工藝的優(yōu)化中發(fā)揮了重要的作用。隨著代謝調(diào)節(jié)理論的不斷充實和完善，代謝的人工控制將對發(fā)酵工業(yè)發(fā)揮更加重要的作用。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

目前，人工控制代謝主要是通過遺傳學和生物化學方法來實現(xiàn)的。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4.1

遺傳學的方法

通過改變微生物遺傳物質(zhì)可以從根本上打破微生物原有的代謝控制機制，具體包括應用特定的營養(yǎng)缺陷型突變株和抗反饋調(diào)節(jié)的突變株的選育。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4.1.1

營養(yǎng)缺陷型突變株的應用

在一定的培養(yǎng)條件下，營養(yǎng)缺陷型突變株可以積累相當高濃度的中間代謝產(chǎn)物或末端代謝產(chǎn)物。對于直線式代謝途徑，選育末端代謝產(chǎn)物營養(yǎng)缺陷型的突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物.Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

如末端產(chǎn)物E對途徑第一個酶有反饋阻遏或反饋抑制，而菌株失去了將C轉(zhuǎn)化成D的能力，是E的營養(yǎng)缺陷型。假如在培養(yǎng)基中限量添加E，菌體得以生長，中間產(chǎn)物C能夠大量積累?？莶菅挎邨U菌的精氨酸缺陷型就是一個典型例子,鳥氨酸積累量可達到25克/升。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

對于分支代謝途徑而言，情況比較復雜。如圖所示，分支途徑因E和G對途徑第一個酶有協(xié)同反饋控制，而突變株失去了將C轉(zhuǎn)變成D的能力，產(chǎn)物E無法正常生成,從而解除了E和G的協(xié)同反饋控制。若培養(yǎng)基中限量補充E（維持生長），由于末端產(chǎn)物G對C到F反應的控制，就會造成中間產(chǎn)物C的積累。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

若突變株是E和G雙重缺陷型，則需限量添加E和GCh2微生物代謝調(diào)節(jié)

若突變株失去了從F轉(zhuǎn)變成G的能力，在限量補充E和G的情況下，可以積累F。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

末端產(chǎn)物E和I對途徑第一個酶有協(xié)同反饋控制作用，突變株失去了將C轉(zhuǎn)變成F的能力，所以，它也是雙重營養(yǎng)缺陷菌株。如果培養(yǎng)基中限量添加G和I，可以積累末端產(chǎn)物E.Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

如賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)在代謝途徑中，一方面由于賴氨酸和蘇氨酸對天冬氨酸激酶有合作反饋抑制作用，另一方面，天冬氨酸除合成賴氨酸外，還作為合成蘇氨酸和蛋氨酸的原料。因此，正常的細胞內(nèi)難以積累較高濃度的賴氨酸。為了解除正常的調(diào)節(jié)以獲得賴氨酸的高產(chǎn)菌株，有人選育谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)的高絲氨酸缺陷型作為賴氨酸的發(fā)酵菌種。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

該菌種由于不能合成高絲氨酸脫氫酶(HSDH)，故不能合成高絲氨酸，也不能合成蘇氨酸和蛋氨酸，在補充適量高絲氨酸(或蘇氨酸和蛋氨酸)條件下，菌株能大量產(chǎn)生賴氨酸圖2-17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Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

肌苷酸是重要的呈味核苷酸，它是嘌呤核苷酸生物合成途徑中的一個中間代謝產(chǎn)物。選育在肌苷酸轉(zhuǎn)化成腺苷酸或鳥苷酸的幾步反應中的營養(yǎng)缺陷型菌株，才能積累肌苷酸。如腺苷酸琥珀酸合成酶缺失的腺嘌呤缺陷型菌株在少量添加腺苷酸的培養(yǎng)基中能正常生長并積累肌苷酸。圖2-18肌苷酸合成途徑的代謝調(diào)節(jié)(R)：表示反饋抑制；(1)：5-磷酸核糖焦磷酸激酶；(2)：5-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)胺酶；(12)：腺苷酸琥珀酸合成酶；(13)：腺苷酸琥珀酸分解酶；(14)：肌苷酸脫氫酶；(15)：黃苷酸轉(zhuǎn)胺酶Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4.1.2

抗反饋控制突變株的應用

抗反饋控制突變株就是指對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐?，或兩者兼而有之的菌株。在這類菌株中，反饋調(diào)節(jié)已經(jīng)解除，所以能大量積累末端代謝產(chǎn)物?？狗答佉种仆蛔冎昕梢詮哪┒水a(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株和營養(yǎng)缺陷型回復突變株中獲得。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

添加了末端產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物的培養(yǎng)基就象一個篩子，可以將解除了反饋控制的突變株篩選出來。這些與末端代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似的化合物會干擾正常菌體的代謝，甚至引起菌體死亡，所以又稱為抗代謝物。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

以氨基酸代謝為例：正常情況下，代謝末端產(chǎn)物氨基酸A是菌體蛋白的必需組成成分，它能反饋阻遏或抑制合成它的有關酶。它的結(jié)構(gòu)類似物A’在空間結(jié)構(gòu)上與之相似，也能象A一樣與原阻遏物或調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，從而發(fā)生阻遏或抑制作用。但A’不能正常參與蛋白質(zhì)的合成，或只能合成無活性的蛋白質(zhì)。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

當結(jié)構(gòu)類似物A’達到一定濃度后，一方面A’能起反饋控制作用，阻止A的正常合成，另一方面A’又無法代替A參與正常蛋白質(zhì)的合成，從而造成正常的細胞因缺乏A而饑餓死亡。但如果突變株解除了反饋控制，即末端產(chǎn)物氨基酸A無法與原阻遏物或調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，那么A’也就無法起反饋調(diào)節(jié)作用，A’的毒害作用就表現(xiàn)不出來。我們說該菌株對A’有抗性而得以生存下來。根據(jù)以上原理，只要選取結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株，就有可能得到解除了反饋調(diào)節(jié)的突變株。需注意的是，結(jié)構(gòu)類似物抗性菌株不一定都是解除反饋調(diào)節(jié)的菌株。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

許多氨基酸、嘌呤、嘧啶和維生素的結(jié)構(gòu)類似物已用于氨基酸、核苷、核苷酸和維生素高產(chǎn)菌株的育種工作。

Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

從營養(yǎng)缺陷型回復突變株也有可能獲得解除反饋調(diào)節(jié)的菌株。調(diào)節(jié)酶的變構(gòu)特性是由其結(jié)構(gòu)基因決定的，如果調(diào)節(jié)酶的基因發(fā)生突變而失活，則有兩種可能性：

1.催化亞基和調(diào)節(jié)亞基的基因均發(fā)生突變；

2.一種可能僅僅是催化亞基發(fā)生突變。如果前者發(fā)生回復突變，則又有兩種可能性，一是催化亞基和調(diào)節(jié)亞基恢復到第一次突變前的活性水平,另一種可能是催化亞基得以恢復，而調(diào)節(jié)亞基喪失了調(diào)節(jié)的功能。因此，可以用營養(yǎng)缺陷型回復突變的方法，從營養(yǎng)缺陷型回復突變株中獲得對途徑調(diào)節(jié)酶解除了反饋調(diào)節(jié)的突變株。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4.1.3增加結(jié)構(gòu)基因數(shù)目

增加發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)基因數(shù)目當然可以提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量?，F(xiàn)代基因操作技術(shù)完全可以擔此重任。如大腸桿菌引入一個攜帶?-半乳糖苷酶的質(zhì)粒后，可以增加3倍的?-半乳糖苷酶產(chǎn)量。

攜帶細菌結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)導噬菌體溶源化大腸桿菌后，該原噬菌體可被誘導復制，噬菌體復制結(jié)果是在每個細胞中增加許多基因數(shù)目，這些基因編碼的酶就可大量合成。Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4.2

生物化學方法

2.4.2.1

添加前體繞過反饋控制點

不通過遺傳學方法也能改變菌株的調(diào)節(jié)機制，采取添加前體繞過反饋調(diào)節(jié)點是一種有效的方法，能使某種代謝產(chǎn)物大量積累。如圖，在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加C，可以大量積累D。其原因是D的前體C來自外源，并不會因為D的積累而有很大的波動。由于F對從C到E的反應有反饋調(diào)節(jié)，所以，只有少部分的C用于合成F，大部分外源的C用于合成D。

圖2-20

添加前體繞過反饋調(diào)節(jié)點Ch2微生物代謝調(diào)節(jié)

2.4.2.2

添加誘導劑

誘導酶只有在誘導劑存在時才形成，因此，在培養(yǎng)基中加入誘導劑，可以大量合成這類酶。從提高誘導酶合成量來說，最