1、单元七单元七 代谢控制发酵代谢控制发酵 代谢控制发酵代谢控制发酵是利用遗传学或其它生物是利用遗传学或其它生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核酸（化学的方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNADNA）的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用的代谢产物大量生成、积累的发酵使有用的代谢产物大量生成、积累的发酵技术。技术。任务一任务一 酶活性调节酶活性调节一、酶活性调节的概念及内容一、酶活性调节的概念及内容1 1酶的活性调节：指一定数量的酶酶的活性调节：指一定数量的酶,通过其通过其分子结构的改变来调节其催化反应的速率。分子结构的改变来调节其催化反应的速率。是酶分子水平
2、上的一种代谢调节。是酶分子水平上的一种代谢调节。酶的激活作用酶的激活作用2 2内容内容 酶的抑制作用酶的抑制作用二、酶的激活作用二、酶的激活作用（一）（一）定义：定义：在某个酶促反应系统中，某种在某个酶促反应系统中，某种低分子量的物质加入后，导致原来无活性低分子量的物质加入后，导致原来无活性或者活性很低的酶转变为有活性或者活性或者活性很低的酶转变为有活性或者活性提高，使酶促反应速率提高的过程。提高，使酶促反应速率提高的过程。凡能提高酶活性的物质称为凡能提高酶活性的物质称为激活剂激活剂。（二）类型（二）类型 属于代谢调节的激活作用主要是指代谢属于代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活，这类激
3、活作用主要有两种。物对酶的激活，这类激活作用主要有两种。三、酶的抑制作用三、酶的抑制作用（一）定义：在某个酶促反应系统中，某种低分子（一）定义：在某个酶促反应系统中，某种低分子量的物质加入后，导致酶活力降低的过程。量的物质加入后，导致酶活力降低的过程。酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶（变构酶变构酶）的活性，促使整个反应过程减慢或停）的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过
4、多累积。止，从而避免了末端产物的过多累积。（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制 分支代谢途径中的反馈抑制分支代谢途径中的反馈抑制 在分支代谢途径中，因为有多个终端在分支代谢途径中，因为有多个终端产物，所以反馈抑制的情况较为复杂。为产物，所以反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。展出多种调节方式。例如：乳糖发酵短杆菌的例如：乳糖发酵短杆菌的AKAK酶受酶受ThrThr和和LysLys的增效抑制
5、。的增效抑制。3 3、终产物的累积性抑制终产物的累积性抑制 判别特征是：判别特征是：每一分支途径的末端产物每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。制作用是累积的。并且各终产物的反馈抑制并且各终产物的反馈抑制作用互不影响，指既无协作也无对抗。作用互不影响，指既无协作也无对抗。4 4、顺序反馈调节、顺序反馈调节 图图 枯草杆菌芳香族氨基酸合成途径中的顺序反馈抑制枯草杆菌芳香族氨基酸合成途径中的顺序反馈抑制5 5、同功酶调节、同功酶调节 四、酶活性
6、调节的机理四、酶活性调节的机理 变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。个是调节中心。活性位点：与底物结合活性位点：与底物结合 与抑制剂结合与抑制剂结合,构象变化构象变化,不能与底物结合不能与底物结合 变构位点变构位点 与激活剂结合与激活剂结合,构象变化构象变化,促进与底物结合促进与底物结合 任务二任务二 酶合成的调节酶合成的调节 一、酶合成调节的概念及定义一、酶合成调
7、节的概念及定义1 1定义：酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量定义：酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。谢调节。酶合成的诱导作用酶合成的诱导作用2 2内容内容 酶合成的阻遏作用酶合成的阻遏作用二、酶合成的诱导作用二、酶合成的诱导作用1 1定义：在某种化合物（包括外加的和内源性定义：在某种化合物（包括外加的和内源性的积累）作用下，导致某种酶合成或合成速的积累）作用下，导致某种酶合成或合成速率提高的现象。率提高的现象。2 2
8、与诱导作用相关的酶类与诱导作用相关的酶类据酶的合成与环境影响的不同关系，将酶分为：据酶的合成与环境影响的不同关系，将酶分为：（1 1）组成酶：它们的合成与环境无关，随菌体）组成酶：它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径（含量相对稳定。如糖酵解途径（EMPEMP）有关的）有关的酶。酶。（2 2）诱导酶：只有在环境中存在诱导剂时，）诱导酶：只有在环境中存在诱导剂时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止剂，合成就终止 。诱导酶的底物诱导酶的底物诱导物（剂）诱导
9、物（剂）底物的结构类似物底物的结构类似物 底物的前体物质底物的前体物质3 3诱导作用的类型诱导作用的类型举例：举例：E.coliE.coli在含乳糖的培养基中合成在含乳糖的培养基中合成-半半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。（1 1）同时诱导：诱导物加入后，微生物能同）同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。代谢途径中。（2 2）顺序诱导：先合成能分解底物的酶，顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节代谢途径的分段
10、调节 三、酶合成的阻遏作用三、酶合成的阻遏作用1 1定义：在某种化合物（包括外加的和内源定义：在某种化合物（包括外加的和内源性的积累）作用下，导致某种酶合成停止性的积累）作用下，导致某种酶合成停止或合成速率降低的现象。或合成速率降低的现象。2 2类型类型（1 1）末端产物阻遏）末端产物阻遏 由于终产物的过量积累而导致生物合由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。件生物合成的时候。例如：过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸例如：过量的精氨酸阻遏了参
11、与合成精氨酸的许多酶的合成。的许多酶的合成。氨甲酰基转移酶氨甲酰基转移酶 精氨酸琥珀酸合成酶精氨酸琥珀酸合成酶 精氨酸琥珀酸裂合酶精氨酸琥珀酸裂合酶（2 2）分解代谢物阻遏）分解代谢物阻遏 现象：当微生物在含有两种能够分解现象：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称葡萄糖效故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现应。分解代谢物阻遏导致出现“二
12、次生二次生长长”。本质：本质：四、酶合成调节的机理四、酶合成调节的机理 （略）（略）五、反馈抑制与反馈阻遏比较五、反馈抑制与反馈阻遏比较任务三任务三 代谢控制发酵（代谢调控）代谢控制发酵（代谢调控）通过对酶活性的调节及对酶合成调节的通过对酶活性的调节及对酶合成调节的学习，我们了解到了微生物在正常的代谢学习，我们了解到了微生物在正常的代谢条件下通过上述方式使得自身体内不能积条件下通过上述方式使得自身体内不能积累代谢产物，但是这种情况可以在认为控累代谢产物，但是这种情况可以在认为控制下改变，从而可以积累代谢产物，这就制下改变，从而可以积累代谢产物，这就是代谢调控。代谢调控发酵的出发点就是是代谢调控
13、。代谢调控发酵的出发点就是采取措施，利用微生物的代谢规律，改变采取措施，利用微生物的代谢规律，改变其调节系统，破坏其代谢平衡。其调节系统，破坏其代谢平衡。一、发酵条件的控制一、发酵条件的控制1 1各种发酵条件对微生物代谢的影响各种发酵条件对微生物代谢的影响 不同发酵条件对谷氨酸生产菌代谢方向的影响不同发酵条件对谷氨酸生产菌代谢方向的影响 2 2使用诱导物使用诱导物 比如：与糖类和蛋白质降解有关的水比如：与糖类和蛋白质降解有关的水解酶类大都属诱导酶类，因此向培养基中解酶类大都属诱导酶类，因此向培养基中加入诱导物就会增加胞外酶的产量。如加加入诱导物就会增加胞外酶的产量。如加入槐糖入槐糖(1(1，2
14、 2D D葡二糖葡二糖)诱导木霉菌诱导木霉菌的纤维素酶的生成，木糖诱导半纤维素酶的纤维素酶的生成，木糖诱导半纤维素酶和葡萄糖异构酶的生成等。和葡萄糖异构酶的生成等。3 3添加前体物质添加前体物质 比如在色氨酸合成过程中，添加邻氨比如在色氨酸合成过程中，添加邻氨基苯甲酸大幅度提高了色氨酸的合成。基苯甲酸大幅度提高了色氨酸的合成。4 4培养基成分和浓度的控制培养基成分和浓度的控制 在发酵培养基中通常采用适量的速效和在发酵培养基中通常采用适量的速效和迟效碳源、氮源的配比来满足机体生长的迟效碳源、氮源的配比来满足机体生长的需要和避免速效碳、氮源可能引起的分解需要和避免速效碳、氮源可能引起的分解代谢阻遏
15、。代谢阻遏。二、改变细胞通透性二、改变细胞通透性1 1实质：改变细胞通透性，有利于产物从细胞内分泌实质：改变细胞通透性，有利于产物从细胞内分泌出来，避免了末端产物留在体内引起反馈调节。出来，避免了末端产物留在体内引起反馈调节。2 2方法：方法：（1 1）生物素限量：生物素可以控制细胞膜脂质的合成）生物素限量：生物素可以控制细胞膜脂质的合成（2 2）添加青霉素：青霉素可以抑制细胞壁肽聚糖合成）添加青霉素：青霉素可以抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联中肽链的交联（3 3）添加表面活性剂：将脂类从细胞壁中溶解出来，）添加表面活性剂：将脂类从细胞壁中溶解出来，细胞壁疏松，通透性增加。细胞壁疏松，通透性增
16、加。（4 4）控制）控制Zn2Zn2、Mn2Mn2的浓度：干扰细胞膜或细胞壁的浓度：干扰细胞膜或细胞壁的形成的形成（5 5）诱变育种：筛选细胞透性突变株）诱变育种：筛选细胞透性突变株 三、菌种遗传特性的改变三、菌种遗传特性的改变（一）营养缺陷型突变株（一）营养缺陷型突变株1 1实质：营养缺陷型中，生物合成途径的酶实质：营养缺陷型中，生物合成途径的酶发生缺陷，合成反应不能完成，末端产物发生缺陷，合成反应不能完成，末端产物不能积累，解除反馈调节作用不能积累，解除反馈调节作用2 2应用：应用：（1 1）直线式代谢：用于积累中间代谢产物，）直线式代谢：用于积累中间代谢产物，但是不能积累终产物但是不能积累终产物（2 2）分支代谢途径：用于接触协同反馈调节，）分支代谢途径：用于接触协同反馈调节，有效使得另一分支途径终产物积累有效使得另一分支途径终产物积累 （二）抗反馈抑制和抗反馈阻遏突变株（二）抗反馈抑制和抗反馈阻遏突变株1 1共同表型：代谢失活（在细胞中已经有大共同表型：代谢失活（在细胞中已经有大量末端产物时，仍不断合成这一产物）量末端产物时，仍不断合成这一产物）可以解除反馈抑制和反馈阻遏可以解除反馈抑制和反馈阻遏 抗结构类似物突变株抗结构类似物突变株2.2.机理：略机理：略（三）组成型突变株（三）组成型突变株（四）其他：略（四）其他：略
