本科課件發(fā)酵工程,本科課件,發(fā)酵工程,本科,課件,發(fā)酵,工程 第四章第四章 微生物的代謝機(jī)制微生物的代謝機(jī)制 新陳代謝（新陳代謝（metabolismmetabolism）是指發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和 即：新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝是指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過(guò)分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當(dāng)量，一般用H來(lái)表示）的作用。合成代謝與分解代謝正好相反，是指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和H形式的還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程。分解代謝與合成代謝的含義及其間的關(guān)系可簡(jiǎn)單地表示為：第一節(jié)第一節(jié) 微生物的能量代謝微生物的能量代謝 能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源ATP。一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能化和產(chǎn)能 生物氧化就是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。生物氧化與非生物氧化即燃燒相同點(diǎn)是它們的總效應(yīng)都是通過(guò)有機(jī)物的氧化反應(yīng)而釋放出其中的化學(xué)潛能。生物氧化生物氧化生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或失去電子三種；生物氧化的過(guò)程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個(gè)階段；生物氧化的功能則有產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H和產(chǎn)小分子中間代謝物三種。（一）底物脫氫的四條主要途徑（一）底物脫氫的四條主要途徑 HMPHMP途徑在微生物生命活動(dòng)中有著途徑在微生物生命活動(dòng)中有著極其重要的意義極其重要的意義（1）為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。（2）產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原劑，它不僅為合成脂肪酸、固醇等重要細(xì)胞物質(zhì)之需，而且可通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生大量能量，這些都是EMP途徑和TCA循環(huán)所無(wú)法完成的。（3）如果微生物對(duì)戊糖的需要超過(guò)HMP途徑的正常供應(yīng)量時(shí)，可通過(guò)EMP途徑與本途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處的連接來(lái)加以調(diào)劑。（4）反應(yīng)中的赤蘚糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸。（5）由于在反應(yīng)中存在著C3C7的各種糖，使具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣，例如它們可以利用戊糖作碳源。（6）通過(guò)本途徑而產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。利用Z.mobilis等細(xì)菌以生產(chǎn)酒精，是近年來(lái)正在開(kāi)發(fā)的工業(yè)，它比傳統(tǒng)的酵母酒精發(fā)酵有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）代謝速率高（2）產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高（3）菌體生成少（4）代謝副產(chǎn)物少（5）發(fā)酵溫度較高（6）不必定期供氧等。細(xì)菌酒精發(fā)酵也有其缺點(diǎn)，主要是其生長(zhǎng)PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），其次是細(xì)菌耐乙醇力較酵母菌為低（前者約為7.0，后者則為810）。（二）遞氫和受氫（二）遞氫和受氫 在生物體中，貯存在葡萄糖等有機(jī)物中的化學(xué)能，經(jīng)上述的多種途徑脫氫后，經(jīng)過(guò)呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無(wú)機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。根據(jù)遞氫特別是受氫過(guò)程中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分成呼吸（有氧呼吸）、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵三種類型 1呼吸呼吸是一種最普遍和最重要的生物氧化方式，其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進(jìn)行，因此又稱有氧呼吸。2無(wú)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(wú)機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。這是一類在無(wú)氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點(diǎn)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(wú)機(jī)物（個(gè)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(dòng)中具有兩種功能，其一是在有氧或無(wú)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(yíng)養(yǎng)物的作用；其二是在無(wú)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(diǎn)是硝酸鹽都要經(jīng)過(guò)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(guò)這一過(guò)程，微生物就可在無(wú)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(wú)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(wú)氧呼吸鏈的末端氫受體的無(wú)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。3發(fā)酵：在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵僅是指在無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。異型乳酸發(fā)酵第二節(jié)第二節(jié) 分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系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(guò)來(lái)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(gè)體的生長(zhǎng)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(shí)便沒(méi)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(shì)必影響具有循環(huán)機(jī)制的分解代謝的正常運(yùn)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(jiǎn)單的酶分子水平上進(jìn)行。二、代謝物回補(bǔ)順序二、代謝物回補(bǔ)順序 所謂回補(bǔ)順序，又稱補(bǔ)償途徑或添補(bǔ)途徑，就是指能補(bǔ)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(shí)，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)行。第三節(jié)第三節(jié) 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(qiáng)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(wú)誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)方式：可調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力；通過(guò)酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近；調(diào)節(jié)代謝流。其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個(gè)方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細(xì)調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力，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。利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過(guò)人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，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。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)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)，它是通過(guò)改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制兩個(gè)方面。酶活性的激活系指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進(jìn)。一條代謝途徑的終產(chǎn)物，有時(shí)可與該代謝途徑的第一步反應(yīng)的酶相結(jié)合，結(jié)合的結(jié)果使這個(gè)酶活性下降，從而使整條代謝途徑的反應(yīng)速度慢起來(lái)。這種情況稱為“反饋抑制”。值得注意的是，發(fā)生反饋抑制時(shí)，代謝終產(chǎn)物與酶結(jié)合時(shí)，是非共價(jià)結(jié)合，是可逆的。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(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性，促使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過(guò)多累積。4 4、酶的活性可以調(diào)控、酶的活性可以調(diào)控q 在代謝途徑中調(diào)節(jié)酶活性 幾個(gè)酶或十幾個(gè)酶前后配合，完成一系列代謝反應(yīng)，形成一條代謝途徑。在一條代謝途徑中，常常是前一個(gè)酶促反應(yīng)的底物，便是下一個(gè)酶促反應(yīng)的底物。q共價(jià)調(diào)節(jié) 有時(shí)候，酶蛋白分子可以和一個(gè)基團(tuán)形成共價(jià)結(jié)合，結(jié)合的結(jié)果，使酶蛋白分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使酶活性發(fā)生改變。例如，與磷酸根的結(jié)合。這種調(diào)節(jié)酶活性的情況稱為酶的共價(jià)調(diào)節(jié)。q 競(jìng)爭(zhēng)性抑制 有的酶在遇到一些化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似的分子時(shí)，這些分子與底物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合酶的活性中心，亦會(huì)表現(xiàn)出酶活性的降低（抑制）。這種情況稱為酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制。（一）反饋抑制的類型（一）反饋抑制的類型 1直線式代謝途徑中的反饋抑制2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。為避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物已發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。（1）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(gè)個(gè)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(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶所催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用。（2）協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。（3）合作反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。（4）累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的。（5）順序反饋抑制：當(dāng)E過(guò)多時(shí)，可抑制CD，這時(shí)由于C的濃度過(guò)大而促使反應(yīng)向F、G方向進(jìn)行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過(guò)多就抑制了CF，結(jié)果造成C的濃度進(jìn)一步增高。C過(guò)多又對(duì)AB間的酶發(fā)生抑制，從而達(dá)到了反饋抑制的效果。這種通過(guò)逐步有順序的方式達(dá)到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制 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(guò)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)。凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。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(shí)現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其優(yōu)點(diǎn)則是通過(guò)阻止酶的過(guò)量合成，有利于節(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)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時(shí)存在且密切配合、協(xié)調(diào)進(jìn)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)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，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來(lái)底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時(shí)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)。酶的誘導(dǎo)合成類型酶的誘導(dǎo)合成類型同時(shí)誘導(dǎo)：即當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時(shí)或幾乎同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到Ecoli培養(yǎng)基中后，即可同時(shí)誘導(dǎo)出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)：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)到對(duì)較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。2阻遏 在微生物的代謝過(guò)程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，除可用前述的反饋抑制的方式來(lái)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，還可通過(guò)阻遏作用來(lái)阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(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。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。（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(guò)量累積而引起的阻遏。對(duì)直線式反應(yīng)途徑來(lái)說(shuō)，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡(jiǎn)單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。對(duì)分支代謝途徑來(lái)說(shuō)，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支途徑的酶。代謝途徑分支點(diǎn)以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價(jià)阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛?。?）分解代謝物阻遏）分解代謝物阻遏指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結(jié)果，而是通過(guò)甲碳源（或氮源等）在其分解過(guò)程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過(guò)量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現(xiàn)象。（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制（1）操縱子:指的是一組功能上相關(guān)的基因，它是由啟動(dòng)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因三部分組成。啟動(dòng)基因是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識(shí)別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)；操縱基因是位于啟動(dòng)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(lái)決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行；結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對(duì)應(yīng)的mRNA，然后再可通過(guò)核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個(gè)操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個(gè)mRNA分子。操縱子分兩類:一類是誘導(dǎo)型操縱子，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時(shí)，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。另一類是阻遏型操縱子，只有當(dāng)缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時(shí)，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過(guò)去阻遏作用才能起動(dòng)。（2）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)基因一般位于相應(yīng)操縱子的附近。（3）效應(yīng)物 是一類低分子量的信號(hào)物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，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)一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。（4）調(diào)節(jié)蛋白 是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個(gè)特殊位點(diǎn)，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點(diǎn)則可與效應(yīng)物相結(jié)合。當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會(huì)降低其結(jié)合能力。調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒(méi)有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時(shí)與操縱基因相結(jié)合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時(shí)才能與操縱基因相結(jié)合。負(fù)調(diào)節(jié)正調(diào)節(jié)三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用（一）應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)在直線式的合成途徑中，營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株只能累積中間代謝物而不能累積最終代謝物。但在分支代謝途徑中，通過(guò)解除某種反饋調(diào)節(jié)，就可以使某一分支途徑的末端產(chǎn)物得到累積。（二）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(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。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(shí)解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。（三）控制細(xì)胞膜的滲透性 微生物的細(xì)胞膜對(duì)于細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運(yùn)輸具有高度選擇性。細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過(guò)反饋?zhàn)瓒粝拗屏怂鼈兊倪M(jìn)一步合成。采取生理學(xué)或遺傳學(xué)方法，可以改變細(xì)胞膜的透性，使細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏到細(xì)胞外。這種解除末端產(chǎn)物反饋抑制作用的菌株，可以提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。第四節(jié)第四節(jié) 次生代謝產(chǎn)物次生代謝產(chǎn)物代謝調(diào)控機(jī)制代謝調(diào)控機(jī)制微生物代謝類型微生物代謝類型菌體合成代謝的產(chǎn)物可根據(jù)它們與菌體生長(zhǎng)、繁殖的關(guān)系分為初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。初級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物產(chǎn)生的，生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸等。次級(jí)代謝產(chǎn)物是指由微生物產(chǎn)生的，與微生物生長(zhǎng)、繁殖無(wú)關(guān)的一類物質(zhì)。其生物合成至少有一部分是和與初級(jí)代謝產(chǎn)物無(wú)關(guān)的遺傳物質(zhì)(包括核內(nèi)和核外的遺傳物質(zhì))有關(guān)，同時(shí)也與這類遺傳信息產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑有關(guān)?？股?、色素、毒素等是與初級(jí)代謝產(chǎn)物(如氨基酸、核酸)相對(duì)產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物。(一一)次級(jí)代謝產(chǎn)物及特征次級(jí)代謝產(chǎn)物及特征(1)次級(jí)代謝產(chǎn)物是由微生物產(chǎn)生的，不參與微生物的生長(zhǎng)和繁殖。(2)次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成最少也要有一部分是不參與次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成的遺傳物質(zhì)(質(zhì)粒plasmid)，但參與與質(zhì)粒有關(guān)的代謝途徑。(3)它的生產(chǎn)大多數(shù)是基于菌種的特異性來(lái)完成的。(4)次級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵經(jīng)歷兩個(gè)階段，即營(yíng)養(yǎng)增殖期和生產(chǎn)期。如在菌體活躍增殖階段幾乎不產(chǎn)生抗生素。接種一定時(shí)間后細(xì)胞停止生長(zhǎng)，進(jìn)入到恒定期才開(kāi)始活躍地合成抗生素，稱為生產(chǎn)期。(5)一般都同時(shí)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上相類似的多種副組分。(6)生產(chǎn)能力受微量金屬離子(Fe2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等)和磷酸鹽等無(wú)機(jī)離子的影響。(7)在多數(shù)情況下，增加前體是有效的。(8)次級(jí)代謝酶的特異性不一定比初級(jí)代謝酶高，次級(jí)代謝酶的底物特異性在某種程度上說(shuō)是比較廣的。因此，如果供給與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)，則可以得到與天然物不同的次級(jí)代謝產(chǎn)物。(9)培養(yǎng)溫度過(guò)高或菌種移植次數(shù)過(guò)多，會(huì)使抗生素的生產(chǎn)能力下降，其原因可能是參與抗生素合成的菌種的質(zhì)粒脫落之故。(10)次級(jí)代謝在其一個(gè)系列當(dāng)中與一個(gè)酶相對(duì)應(yīng)的底物和產(chǎn)物也可以成為其他酶的底物。也就是說(shuō)，在代謝過(guò)程中不一定非按每個(gè)階段正確的順序，一個(gè)生產(chǎn)物可由多種中間體和途徑來(lái)取得，因此也可通過(guò)所謂“代謝綱目”或叫“代謝格子”這一系列途徑來(lái)完成?？傊⑸锎渭?jí)代謝，其目的產(chǎn)物的生物合成途徑取決于微生物的培養(yǎng)條件和菌種的特異性。(二二)微生物次級(jí)代謝與初級(jí)代謝微生物次級(jí)代謝與初級(jí)代謝及生物合成抗生素的關(guān)系及生物合成抗生素的關(guān)系 1從菌體生化代謝方面分析許多抗生素的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級(jí)代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級(jí)代謝產(chǎn)物是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為母體衍生出來(lái)的，次級(jí)代謝途徑并不是獨(dú)立的，而是與初級(jí)代謝途徑有密切關(guān)系的。糖代謝中間體，既可用來(lái)合成初級(jí)代謝產(chǎn)物，又可用來(lái)合成次級(jí)代謝產(chǎn)物，這種中間體叫做分支中間體。2、遺傳代謝方面分析 初級(jí)代謝與次級(jí)代謝同樣都受到核內(nèi)DNA的調(diào)節(jié)控制，而次級(jí)代謝產(chǎn)物還受到與初級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成無(wú)關(guān)的遺傳物質(zhì)的控制，即受核內(nèi)遺傳物質(zhì)(染色體遺傳物質(zhì))和核外遺傳物質(zhì)(質(zhì)體)的控制。有一部分代謝產(chǎn)物的形成，取決于由質(zhì)體信息產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑，這類物質(zhì)稱為質(zhì)體產(chǎn)物。由于這類物質(zhì)的形成直接或間接受質(zhì)體遺傳物質(zhì)的控制，因而產(chǎn)生了質(zhì)體遺傳的觀點(diǎn)。也有只由染色體DNA控制的抗生素產(chǎn)物?？股禺a(chǎn)生菌的主要代謝抗生素產(chǎn)生菌的主要代謝調(diào)節(jié)機(jī)制調(diào)節(jié)機(jī)制受DNA控制的酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制，包括酶的誘導(dǎo)和酶的阻遏(有終點(diǎn)產(chǎn)物的阻遏和分解產(chǎn)物的阻遏)。酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制，包括終點(diǎn)產(chǎn)物的抑制或活化，利用輔酶的酶活調(diào)節(jié)、酶原的活化和潛酶的活化。細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)。在抗生素的生物合成途徑中，一方面抗生素本身的積累就能起反饋調(diào)節(jié)作用。另一方面初級(jí)代謝產(chǎn)物的形成受到反饋調(diào)節(jié)，也必然影響抗生素的合成。3 3碳、氮分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳、氮分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代謝產(chǎn)物，對(duì)其他代謝中的酶(包括分解酶和合成酶)的調(diào)節(jié)。分為分解產(chǎn)物阻遏和抑制兩種。葡萄糖是菌體生長(zhǎng)良好的碳源和能源，但對(duì)青霉素、頭孢菌素、卡那霉素、新霉素、絲裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用。在初級(jí)代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，即被迅速利用的氮源(氨)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸鹽還原酶、酰胺酶、脲酶、組氨酸酶)的合成。在次級(jí)代謝中，其阻遏作用也確實(shí)存在。在抗生素生產(chǎn)中使用黃豆餅粉就是由于它緩慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止或減弱氮分解代謝產(chǎn)物阻遏作用的結(jié)果。4 4磷酸鹽的調(diào)節(jié)磷酸鹽的調(diào)節(jié)磷酸鹽不僅是菌體生長(zhǎng)的主要限制性營(yíng)養(yǎng)成分，還是調(diào)節(jié)抗生素生物合成的重要參數(shù)。其機(jī)制按效應(yīng)劑說(shuō)有直接作用，即磷酸鹽自身影響抗生素合成，和間接作用，即磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其他效應(yīng)劑(如ATP、腺苷酸能量負(fù)荷和cAMP)，進(jìn)而影響抗生素合成。已發(fā)現(xiàn)過(guò)量磷酸鹽對(duì)四環(huán)素、氨基糖苷類和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗生素的合成產(chǎn)生阻抑作用。5 5細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)外界物質(zhì)的吸收或代謝產(chǎn)物的分泌都需經(jīng)細(xì)胞膜的運(yùn)輸，如發(fā)生障礙，則胞內(nèi)合成代謝物不能分泌出來(lái)，影響發(fā)酵產(chǎn)物收獲，或胞外營(yíng)養(yǎng)物不能進(jìn)入胞內(nèi)，也影響產(chǎn)物合成，使產(chǎn)量下降。如在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生菌細(xì)胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的高低。如果輸入硫化物能力增加，硫源供應(yīng)允足，合成青霉素的量就增多。(四四)營(yíng)養(yǎng)期營(yíng)養(yǎng)期(生長(zhǎng)期生長(zhǎng)期)和分化期和分化期(生生產(chǎn)期產(chǎn)期)的關(guān)系的關(guān)系次級(jí)代謝的一個(gè)特征是次級(jí)代謝物通常是在生長(zhǎng)階段(營(yíng)養(yǎng)期)之后的生產(chǎn)階段(分化期)合成。次級(jí)代謝產(chǎn)物的形成出現(xiàn)較遲，這或許是抗生素產(chǎn)生菌避免自殺的主要機(jī)制之一。產(chǎn)物的形成是在某些養(yǎng)分從培養(yǎng)基中耗竭時(shí)開(kāi)始的。易利用的糖、氨(NH3)或磷酸鹽的消失導(dǎo)致次級(jí)代謝物阻遏作用的解除。