1第四節 微生物的代謝調節與發酵生產微生物細胞內有一整套可塑性極強和極精確的代謝調節系統，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復雜的新陳代謝反應。從細胞水平看，微生物的代謝調節能力要超過復雜的高等動植物。微生物細胞體積極小，而分布及生活的環境條件卻復雜多變，每個細胞要在不同的環境下生存并發展，就必須具備一整套發達的代謝調節系統。參與微生物代謝調節的酶系有上千種，每種微生物的遺傳物質中含有合成各種酶的基因，但這些基因并不同時表達。其中一部分屬初級代謝所需，經常以較高濃度存在的為組成酶，其余部分屬于誘導酶。只有當某種底物或誘導物存在時，誘導酶才合成。誘導酶約占總酶量的10%～20%，組成型酶占總酶量的80%～90%。通過代謝調節，微生物能經濟、合理和高效利用提供給它的碳源、能源及其他營養物質，合成能滿足自己生長、繁殖所需的各種生物物質，作到“按需合成”，不浪費營養物質和能源。

----微生物細胞內的代謝調節主要通過酶合成量、酶活性及細胞膜透性的控制實現

2一、酶活性的調節通過改變酶分子的活性來調節代謝速度的調節方式稱為酶活性的調節。是酶分子水平上的調節，屬于精細的調節。調節效果迅速而靈敏。通過酶活性調節，微生物能迅速適應代謝環境的突然變化。

（一）調節方式：包括兩個方面：1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應可被較前面的反應產物所促進的現象；常見于分解代謝途徑。如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進2、酶活性的抑制：包括：競爭性抑制和反饋抑制。概念：反饋：指反應鏈中某些中間代謝產物或終產物對該途徑關鍵酶活性的影響。即產物對酶的影響稱為反饋。凡使反應速度加快的稱正反饋；凡使反應速度減慢的稱負反饋（反饋抑制）；反饋抑制——主要表現在某代謝途徑的末端產物過量時可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反應減慢或停止，從而避免了末端產物的過多累積。

主要表現在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點：作用直接、效果快速、末端產物濃度降低時又可解除抑制。3

直線式代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制同工酶調節協同反饋抑制合作反饋抑制累積反饋抑制順序反饋抑制（二）反饋抑制的類型5（1）同功酶調節——isoenzyme同功酶又稱同工酶，指能催化同一生化反應，但酶蛋白分子結構不同的一類酶。同功酶主要用于代謝調節。在1個分支代謝途徑中，如果分支點以前的一個反應是由幾個同功酶催化，則分支代謝的幾個最終產物往往分別對這幾個同功酶發生抑制作用。如圖中A→B的反應由3個同功酶a、b、c催化，它們分別受最終產物E、H、G抑制，某一終產物過量時僅能抑制相應同功酶的活性，而不影響其他幾種終產物的合成。

6（2）協同反饋抑制定義：分支代謝途徑中幾個末端產物同時過量時才能抑制共同途徑中的第一個酶的一種反饋調節方式。舉例：谷氨酸棒桿菌（Corynebacteriumglutamicum） 多粘芽孢桿菌（Bacilluspolymyxa） 天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協同反饋抑制和阻遏。7（3）合作反饋抑制也稱增效反饋抑制，指兩種終產物同時存在時的反饋抑制效果遠大于一種終產物過量時的反饋抑制作用(見圖)。合作反饋抑制與協同反饋抑制相似，其特點是每個終產物都能獨立地發揮較弱的反饋抑制作用。當其中1種終產物過量合成時，就會立即控制超量終產物分支點后的代謝。當所有終產物都過量合成時，才共同作用以增強抑制效果。

9（5）順序反饋抑制——sequentialfeedbackinhibition在分支代謝途徑中，按一定順序逐步進行的反饋抑制稱為順序反饋抑制。

在下圖中，E過量可抑制C→D，導致C濃度增高，促使反應向C→F→G方向進行，又造成另一終產物G濃度升高；G過量時抑制C→F，導致C濃度升高，進一步抑制A→B轉化。

10上述反饋抑制的共同之處表現為終產物對反應途徑第1酶活性的抑制。酶活性調節的機理可用變構理論解釋。

變構酶理論：該理論認為，酶是具有一定立體構型的蛋白質，變構酶是一種變構蛋白，具有兩個或兩個以上的立體專一性不同的接受部位，其中之一與底物結合并具有催化活性，稱為活性中心；另一部位可與效應物(代謝終產物等)結合的變構部位，稱為調節中心。效應物的結合改變酶的立體構象，并導致酶活性的變化。（三）反饋抑制的機制11代謝的人工控制及其在發酵工業中的應用工業發酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝產物。代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進行。人工控制代謝的手段：改變微生物遺傳特性(遺傳學方法）；控制發酵條件（生物化學方法）；改變細胞膜透性；13（1）對于直線式代謝途徑：選育營養缺陷型突變株只能積累中間代謝產物

AaBbCcDdE

營養缺陷型菌株的應用

末端產物E對菌體生長乃是必需的，所以，應在培養基中限量供給E，使之足以維持菌株生長，但又不至于造成反饋調節（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產物C。遺傳學方法14(2)分支代謝途徑：情況較復雜，可利用營養缺陷型克服協同或累加反饋抑制積累末端產物，亦可利用雙重缺陷發酵生產中間產物ABCDEFG15各圖成立的條件：1.限量添加E；2.限量添加E；3.限量添加E和G；4.限量添加E和G；5.限量添加I“┄”表示營養缺陷突變位置；“≠”表示反饋調節解除要根據其不同反饋控制機制17分支途徑——①

賴氨酸發酵:谷氨酸棒桿菌的Hom–18分支途徑——②肌苷酸發酵

（IMP合成途徑的代謝調控）調控理論的實踐應用19青霉素合成受賴氨酸抑制，共同前體：212223254.3.1.2抗反饋控制突變株的應用★抗反饋控制突變株——是指對反饋抑制不敏感或對阻遏有抗性，或兩者兼有之的菌株?！锟狗答伩刂仆蛔冎昕梢詮慕K產物結構類似物抗性突變株和營養缺陷性回復突變株中獲得?！铽@得方法及其原理：26目標產物結構類似物賴氨酸S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC)蘇氨酸-氨基--羥基戊酸（AHV)異亮氨酸乙硫氨酸精氨酸D-精氨酸苯丙氨酸對氟苯丙氨酸29組成型突變株結構基因不受控制地轉錄，酶的生成將不再需要誘導劑或不再被末端產物或分解代謝物阻遏。調節基因發生突變產生無效的阻遏物而不能與操縱基因結合操縱基因突變突變操縱基因不能與阻遏物結合組成型突變30DABCEF4.3.2生物化學方法1.添加前體繞過反饋控制點：亦能使某種代謝產物大量產生(-)(-)(-)2.添加誘導劑：從提高誘導酶合成量來說，最好的誘導劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物，3.發酵與分離過程耦合：4.控制發酵的培養基成分：314.3.2控制細胞膜滲透性使胞內的代謝產物迅速滲漏出去,解除末端產物的反饋抑制。(1).用生理學手段——直接抑制膜的合成或使膜受缺損如:在Glu發酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌Glu；控制生物素的含量可改變細胞膜的成分，進而改變膜透性；當培養液中生物素含量較高時采用適量添加青霉素的方法；再如：產氨短桿菌的核苷酸發酵中控制因素是Mn2+；Mn2+的作用與生物素相似。(2).利用膜缺損突變株——油酸缺陷型、甘油缺陷型如:用谷氨酸生產菌的油酸缺陷型，培養過程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細胞膜發生滲漏而提高谷氨酸產量。甘油缺陷型菌株的細胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。32控制細胞膜的通透性生物素是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的輔基，該酶催化乙酰CoA的羧化生成丙二酸單酰CoA，進而合成細胞膜磷脂的主要成分脂肪酸只要控制生物素的含量就可以改變細胞膜的成分，進而改變膜的通透性，影響到代謝產物的分泌。甘油缺陷型菌株添加適量的青霉素油酸缺陷型菌株335、微生物次級代謝與次級代謝產物5.1、次級代謝與次級代謝產物一類與生物生存有關的、涉及到產能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。初級代謝：微生物從外界吸收各種營養物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質和能量的過程，稱為初級代謝。某些生物為了避免在初級代謝過程某種中間產物積累所造成的不利作用而產生的一類有利于生存的代謝類型?？梢哉J為是某些生物在一定條件下通過突變獲得的一種適應生存的方式。通過次級代謝合成的產物通常稱為次級代謝產物，大多是分子結構比較復雜的化合物。根據其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。次級代謝：34初級代謝與初級代謝的關系：初級代謝系統、代謝途徑和初級代謝產物在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。(1)存在范圍及產物類型不同象病毒這類非細胞生物雖然不具備完整的初級代謝系統，但它們仍具有部分的初級代謝系統和具有利用宿主代謝系統完成本身的初級代謝過程的能力。次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產物因生物不同而不同，就是同種生物也會由于培養條件不同而產生不同的次級代謝產物。35例如某些青霉、芽孢桿菌和黑曲霉在一定的條件下可以分別合成青霉素、桿菌肽和檸檬酸等次級代謝產物。不同的微生物可產生不同的初級代謝產物相同的微生物在不同條件下產生不同的初級代謝產物用于青霉菌的二種培養基：Raulin培養基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸銨0.27%、磷酸氫二銨0.04%、硫酸鎂0.027%硫酸銨0.017%、硫酸鋅0.005%、硫酸亞鐵0.005%Czapek——Dox培養基：葡萄糖5%、硝酸納0.2%、磷酸氫二鉀0.1%、氯化鉀0.05%、硫酸鎂0.05%、硫酸亞鐵0.001%灰黃青素在Czapek——Dox培養基上培養時可以合成灰黃霉素，在Raulin培養基上培養時則合成褐菌素（fulvicacid）；Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M的鋅離子的Czapek——Dox培養基里培養時合成的主要次級代謝產物是6-氨基水楊酸，但在含0.5×10-6M的鋅離子的Czapek——Dox培養基里培養時不合成6-氨基水楊酸，但可以合成大量的龍膽醇、甲基醌醇和棒曲霉素。產黃青霉在在Raulin中培養時可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培養則不產青霉酸。次級代謝產物雖然也是從少數幾種初級代謝過程中產生的中間體或代謝產物衍生而來，但它的骨架碳原子的數量和排列上的微小變化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產物氧化水平上的微小變化都可以導致產生各種各樣的次級代謝產物，并且每種類型的次級代謝產物往往是一群化學結構非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有4種，桿菌肽、多粘菌素分別有有10多種，而放線菌素有20多種等。36初級代謝與初級代謝的關系：1、存在范圍及產物類型不同2、對產生者自身的重要性不同初級代謝產物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的各種大分子聚合物，蛋白質、核酸、多糖、脂類等通常都是機體生存必不可少的物質，只要在這些物質的合成過程的某個環節上發生障礙，輕則引起生長停止、重則導致機體發生突變或死亡。次級代謝產物對于產生者本身來說，不是機體生存所必需的物質，即使在次級代謝的某個環節上發生障礙。不會導致機體生長的停止或死亡，至多只是影響機體合成某種次級代謝產物的能力。次級代謝產物一般對產生者自身的生命活動無明確功能，不是機體生長與繁殖所必需的物質，也有人把超出生理需求的過量初級代謝產物也看作是次級代謝產物。次級代謝產物通常都分泌到胞外，有些與機體的分化有一定的關系，并在同其它生物的生存競爭中起著重要的作用。許多次級代謝產物通常對人類和國民經濟的發展有重大影響。37初級代謝與初級代謝的關系：(1)、存在范圍及產物類型不同(2)、對產生者自身的重要性不同(3)、同微生物生長過程的關系明顯不同初級代謝自始至終存在于一切生活的機體中，同機體的生長過程呈平行關系；次級代謝則是在機體生長的一定時期內（通常是微生物的對數生長期末期或穩定期）產生的，它與機體的生長不呈平行關系，一般可明顯地表現為機體的生長期和次級代謝產物形成期二個不同的時期。38初級代謝與初級代謝的關系：(1)、存在范圍及產物類型不同(2)、對產生者自身的重要性不同(3)、同微生物生長過程的關系明顯不同(4)、對環境條件變化的敏感性或遺傳穩定性