工业微生物的代谢调控和代谢产物(精)
微生物的代谢及调控
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在实际使用时，网络设备名称可根据用户需求进行 配置。为便于日后的运行与维护，所有的网络设备 都应该有统一明确的命名规范。一般来说，网络设 备的名称建议包括所在机房、所在机架、设备功能、 设备层次、设备型号、设备编号等信息，具体的命 名规范在网络方案设计时根据实际需求指定。 <例Hu：awe某i>s设ys 备物理位置位于核心机房03机架，设备层 E次nte位r sy于ste汇m v聚iew层, re，turn用use于r v汇iew聚with生Ct产rl+Z部. 门流量，设备型号 [为Hua华we为i]sy“sSna5m7e 0Co0re”0，3-S则C-可HJ-命S57名00 为Core03-SC-HJS5700
设备环境基本配置
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第一节 微生物的能量代谢
（一） 发酵(fermentation) 广义的发酵是指利用好氧或厌氧性微生物来生产有用 代谢产物的一类生产方式。这里介绍的是生物体能量代谢 中的狭义发酵概念，是指微生物细胞将有机物底物氧化释 放的电子或脱下的氢原子直接交给某种中间代谢物，同时 释放能量并产生各种不同的发酵产物。在发酵条件下有机 化合物只是底物水平磷酸化获取能量，因此，只释放出一 小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在 一起的。被还原的有机物来自于发酵过程中的中间代谢物， 即不需要外界提供电子受体或受氢体。
微生物初级代谢产物的代谢调控
在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了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，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。
(1)直线式代谢途径中的反馈抑制
苏氨酸
苏氨酸脱氨酶
α-酮丁酸
异亮氨酸
▼ 协同反馈抑制
分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式(一个也不能少)。 如天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。
▼ 合作反馈抑制
两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。 如嘌呤核苷酸的合成，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。
诱导作用的类型：协同诱导和顺序诱导
顺序诱导
指先合成分解底物的酶，再依次合成分解各中间产物的酶，达到对复杂代谢途径的分段调节。
协同诱导
指一种底物能同时诱导几种酶的合成。如将乳糖加入到E.coli培养基中，细胞同时合成β-半乳糖苷透过酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶 。
阻遏调节（repression）
▼ 代谢互锁
一种氨基酸的合成受到另一种完全无关的氨基酸的控制，而且只有当该氨基酸浓度大大高于生理浓度时才能显示抑制作用.
如赖氨酸的生物合成与亮氨酸的生物合成之间存在着代谢互锁
▼优先合成
在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如AMP与GMP，Thr与Lys、Met，由于两种酶对底物的Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。
3.2.2 酶活力调节的机制—变构酶理论
微生物工程--5--代谢调节和工程
微生物工程--5--代谢调节和工程∙代谢类型：分解代谢和合成代谢⌝代谢调节(regulation ofmetablism）是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用,即自我调节。
∙微生物代谢的控制是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。
∙代谢调节的方式∙ 1.细胞透性的调节：细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。
⌝细胞质膜的透性的调节是微生物代谢调节的重要方式，由它控制着营养物质的吸收和产物分泌。
∙ 2.代谢途径区域化:原核微生物细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系则集中某一区域，以保证这一代谢途径的酶促反应顺利进行，避免了其他途径的干扰。
∙ 3.代谢流向的调控:微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。
它包括两种形式ϖ由一个关键酶控制的可逆反应由两种酶控制的逆单向反应∙ 4.代谢速度的调控：在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。
⌝微生物在不同条件下能按照需要，通过激活或抑制原有酶的活性或通过诱导或阻遏酶的合成来自我调节其代谢速度，使之高度经济有效地利用能量和原料进行生长繁殖。
∙酶合成的调节：概念：⌝酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。
影响因素：底物和产物的性质和浓度，环境因子(如压力、p H、离子强度和辅助因子等) 调节方式：激活已有酶的活性，抑制已有酶的活性∙（一）激活：在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性，或使原来活性低的酶提高了活性的现象。
⌝代谢调节的激活作用：主要是指代谢物对酶的激活。
ϖ前（体）馈激活，指代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。
ϖ代谢中间产物的反馈激活，指代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用∙（二）抑制：由于某些物质的存在，降低酶活性的现象。
第五章 代谢调控
末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有 着重要的作用，它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物， 或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。 而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。
2.2 分解代谢物对酶合成的阻遏
当细胞内同时存在两种可利用底 物(碳源或氮源)时，利用快的底物会阻 遏与利用慢的底物有关的酶合成。现 在知道，这种阻遏并不是由于快速利 用底物直接作用的结果，而是由这种 底物分解过程中产生的中间代谢物引 起的，所以称为分解代谢物阻遏。
培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成
大肠杆菌的甲硫氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚 和高半胱氨酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐 的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转 化为甲硫氨酸的三种酶，但当培养基中加入甲 硫氨酸时，这三种酶消失。
甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成 (R)：表示反馈阻遏
｛ • 酶活性
对酶活性的前馈 对酶活性的反馈
四. 次级代谢与次级代谢调节
次级代谢是相对于初级代谢而言的， 所谓初级代谢是一类普遍存在于生物中 的代谢类型，是与生物生存有关的，涉 及能量产生和能量消耗的代谢类型。初 级代谢产物如单糖、核苷酸、脂肪酸等 单体，以及由它们组成的各种大分于聚 合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂类等。
调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类 似物，作用是抑制酶的活性。效应物的作用是 可逆的，一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢 复。调节酶常常是催化分支代谢途径一系列反 应中第一个反应的酶，这样就避免了不必要的 能量浪费。
综上，微生物代谢的调节方式包括以下几点：
｛ • 酶合成
酶合成的诱导 末端产物对酶合成的阻遏 分解代谢产物对酶合成的阻遏
第五章 代谢调控
生物工艺学第二章 微生物代谢调节及其在工业生产中的应用
工业发酵的五字策略
在“ 载流路径 ” 、“ 代谢主流 ” 和“ 五段 式 ” 等概念的基础上，从统筹的角度出 发，提出能作为一个整体用于设计育种以及 发酵工艺控制的五字策略 ： \进 \通 \节 \堵 \出
①进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；
②通，使来自上游和各个注入分支的碳架物 质能畅通地流向目的产物；
五 初级代谢产物的代谢调节
1 初级代谢： 能使营养物质转变成机体的结构物质和对机
体具有生理活性作用的物质或是为机体生长 提供能量的一类代谢； 产物有单糖、核苷酸、脂肪酸、蛋白质、核 酸、多糖、脂类等； 普遍存在于生物中的代谢类型，合成障碍， 引起生长停止，甚至死亡。
2 提高初级代谢产物产量的方法：
研究代谢工程的目的：精确地处理好微生物 细胞自身的利益与人类对微生物细胞提出的 要求之间的对立与统一的关系。
微生物生物工程的难题
既然微生物的代谢主流对网络中的途径有 自主的选择性，而工业发酵的目标又是要 微生物的代谢主流经理想载流途径，流到 目的产物，因此就有必要去解决理想载流 途径的设计问题和对代谢主流的合理导向 问题。
（7）改变细胞膜的通透性
理论基础：细胞内形成的代谢产物排出细胞 时，也与细胞膜的结构有关；
当控制物理、化学条件或者筛选细胞膜、细胞 壁结构组成的突变株以改进物质的进出速率， 影响代谢过程时，都有可能造成代谢产物的过 量生产；
例子：谷氨酸生产。
（8）筛选抗生素抗性突变株
一些主要抗生素的作用机制已比较清楚，筛选抗 生素抗性突变体——改变代谢调节——获得过量 生产。
②带实心箭头的虚线标示阻遏。
1 影响酶活性的调节模式（共 11 种）
①只有一个终端产物的（没有分支的）途径的 调节模式（共 3 种）
微生物相关的分子模式及代谢产物
微生物相关的分子模式及代谢产物微生物是一类单细胞生物或多细胞生物，包括细菌、真菌、原核生物和古菌等。
微生物在自然界中广泛存在，对地球上的生态系统和人类健康有着重要的影响。
微生物通过其特有的分子模式和代谢产物发挥着各种功能和作用，以下将介绍一些常见的微生物分子模式和代谢产物。
1.细菌的LPS（脂多糖）：脂多糖是细菌细胞外膜的一种重要成分，由脂肪酸、糖和磷酸结合而成。
脂多糖可以通过诱导细菌感染后的免疫反应来识别和清除细菌。
同时，脂多糖还可以作为信号分子参与细菌的生物膜合成和细胞壁的稳定性维持。
2.真菌的β-葡聚糖：β-葡聚糖是由多个葡萄糖分子通过β-1,3键和β-1,6键连接而成的多糖。
在真菌的细胞壁中，β-葡聚糖起到了结构支持和细菌侵袭的屏障作用。
同时，β-葡聚糖还可以通过与巨噬细胞表面上的受体结合，触发免疫相应，进一步清除真菌。
3.原核生物的嵌合酶：嵌合酶是一种由两个或多个下游基因组成的复合酶。
它们在原核生物中起到了合成代谢产物的作用。
例如，氨基酸合成酶是一种常见的嵌合酶，它参与了细菌和古菌中氨基酸的生物合成。
4.古菌的双层脂质体：古菌的细胞膜由烃链酯脂组成，与细菌和真菌的细胞膜结构有所不同。
古菌细胞膜的烃链酯脂通过环聚物和共耦合作用保持其稳定性。
古菌的细胞膜结构使其能够在极端环境中生存，如高温、高盐和酸碱环境。
微生物的代谢产物主要有以下几种类型：1.抗生素：微生物是抗生素的主要生产者，包括青霉素、链霉素、四环素等。
抗生素通过抑制或杀死病原微生物，从而治疗细菌感染和其他疾病。
2.酶：微生物合成了许多酶，如葡萄糖氧化酶、淀粉酶、纤维素酶等。
这些酶能够降解复杂的有机物质，提供能量和营养物质。
3.发酵产物：微生物通过发酵代谢产生的产物包括乳酸、乙醇、酮酸等。
这些产物广泛应用于食品工业、医药工业和环境保护等领域。
4.代谢产物：微生物合成了许多重要的代谢产物，如胞外多糖、脂肪酸、核酸、胆固醇等。
这些化合物在生物学研究、药物研发和工业生产中具有重要的应用价值。
微生物代谢调节和代谢工程
代谢工程的应用实例
总结词
代谢工程的应用实例包括生产抗生素、生物燃料、食 品添加剂等。例如，通过代谢工程手段提高酵母菌生 产乙醇的能力，提高青霉素的生产效率等。
详细描述
代谢工程在工业生产中有着广泛的应用，例如在制药 行业中，通过代谢工程可以生产抗生素、激素等生物 药物。在燃料行业，可以通过代谢工程手段改良微生 物，使其能够生产生物燃料，如乙醇、丁醇等。此外 ，在食品加工业中，代谢工程也用于生产食品添加剂 、香精、色素等。这些应用实例证明了代谢工程在提 高微生物代谢效率、优化生物产品产量和性质方面具 有巨大的潜力。
微生物发酵过程的挑战和机遇
发酵过程优化
针对微生物发酵过程进行优化，提高发酵效率和 产物产量。
新型发酵技术
开发新型的发酵技术，如无细胞发酵、光合发酵 等，实现更高效、环保的微生物发酵生产。
ABCD
基因组编辑技术
利用基因组编辑技术，对微生物进行精确的基因 修饰和改造，提高其发酵性能。
生物基产品的开发
利用代谢工程技术，开发具有广泛应用价值的生 物基产品，如生物燃料、生物塑料等。
要的地位，并广泛参与了地球生物地球 题和推动工业生产等方面都具有重要的
化学循环。
意义。
微生物基因组学的研究方法
基因组测序
通过全基因组测序技术，获取微生物 的基因组序列信息，是研究微生物基 因组学的基础。
基因组组装
将测序得到的序列数据进行组装，形 成完整的基因组序列，是基因组学研 究的重要步骤。
基因注释
微生物代谢调节在工业生物技术、生物医药、环境保护等领域具有广泛的应用价值，如提高微生物产物 的产量、降低生产成本、优化微生物处理污染物的能力等。
微生物代谢调节的机制
微生物工程名词解释
微生物工程名词解释微生物工程是一门关于利用和改造微生物进行工业生产和环境治理的学科。
微生物是指无肉眼可见的微小生物体，包括细菌、真菌、病毒等。
微生物工程通过对微生物的遗传物质进行改造，调控生物组织和代谢途径，使微生物具有特定的生产能力和抗性，从而实现对工业产品的生产和环境污染的治理。
在微生物工程中，常见的术语包括：1. 基因工程：利用分子生物学技术对目标微生物的基因进行修饰和重组，以改变其代谢通路和产物合成能力。
2. 基因组学：通过测序等技术，对微生物的基因组进行分析和研究，了解微生物的遗传信息和功能。
3. 代谢工程：通过调控微生物的基因表达和代谢途径，调整微生物的代谢产物类型和产量，实现目标产物的高效生产。
4. 发酵工程：利用微生物进行发酵过程，将底物转化为目标产物，包括食品发酵、药物发酵等。
5. 蛋白质工程：通过改变微生物的基因序列，调整蛋白质的结构和功能，实现对蛋白质的生产和改良。
6. 多样性库：通过采集和保存不同环境中的微生物，建立具有多样性的微生物资源库，用于筛选对特定底物具有高效反应活性的微生物。
7. 生物反应器：用于控制和优化微生物的生长和代谢过程的设备，常见的有批式反应器、连续流动反应器等。
8. 生物修复：利用微生物的生物降解能力，对土壤、水体和空气中的有机和无机污染物进行治理和修复。
9. 合成生物学：将生物系统的各种生物组分进行重组和组装，设计和构建新的生物系统，实现特定功能的合成微生物。
10. 合成基因组：通过化学合成技术构建微生物的全基因组，用于研究和改造微生物的生物功能。
微生物工程具有广泛的应用领域，包括生物制药、食品工业、能源产业、环境治理等。
通过利用微生物工程技术，可以实现对特定产物的高效生产，提高工业生产的效率和质量；同时，也可以利用微生物的降解能力对环境污染进行有效的治理和修复。
随着基因工程和生物技术的不断发展，微生物工程在未来将发挥更大的作用，为人类提供更多的经济和环境效益。