微生物的代谢调控与发酵生产
微生物代谢产物的生产和应用
微生物代谢产物的生产和应用微生物是一种生物单元，是生命体系中不可缺少的组成部分。
微生物代谢产物是微生物在生长和繁殖过程中产生的化学物质，它们通常是微生物的代谢产物，也可以是微生物的细胞成分，如细胞壁、细胞膜和胞内储存物。
微生物代谢产物具有丰富的化学结构和生物活性，在医药、农业、食品等领域均有广泛的应用。
一、微生物代谢产物的生产1. 发酵生产法微生物代谢产物的生产通常采用发酵法。
发酵法是指利用微生物在特定条件下生长和代谢产生目标化合物的过程。
发酵过程中，需要调节和控制生物学参数，如温度、pH、氧气供应等，以获得良好的生长和代谢活性。
发酵生产法具有规模大、时间短、经济性高等优点，特别适用于规模化生产。
2. 生物转化法生物转化法是通过微生物代谢途径，利用化学废料、低值废弃物等原料生产高附加值化学品的过程。
生物转化法通常需要使用转化酶、微生物代谢产物、辅助物质等，可以利用微生物产生的酶降解废弃物，再将其转化为有用的代谢产物。
二、微生物代谢产物的应用1. 医药领域微生物代谢产物在医药领域中有广泛的应用。
例如，利用发酵法生产的链霉素、阿奇霉素、头孢系列抗生素等，广泛应用于临床，并对人类健康做出了重要贡献。
此外，微生物代谢产物还可用于制造疫苗、基因工具和生物诊断试剂等。
2. 农业领域微生物代谢产物在农业领域中也有广泛应用。
例如，柿子寄生菌等微生物产生的植物生长调节剂，可以用于提高植物生长和生产力；霉菌、链霉菌等微生物产生的农药，可用于对抗害虫和病原体；微生物也可以制造生物肥料，改善土壤环境。
3. 食品领域微生物代谢产物在食品领域中也有广泛应用。
例如，利用微生物代谢产物衍生的酵母菌和酸奶菌，可制作出酵母面包、酸奶等，这些食品具有口感好、营养丰富的特点，深受消费者喜爱。
此外，利用微生物代谢产物衍生出的酶，也可用于食品加工和酿造。
4. 环境领域微生物代谢产物在环境领域中也有一定的应用。
例如，利用微生物产生的酶，可以降解一些难降解的废弃物，如橡胶、木材、纤维素等。
生物发酵工程中的微生物代谢调控
生物发酵工程中的微生物代谢调控生物发酵工程是一门应用广泛的学科，其涉及微生物、生物化学、传热传质等多个学科的知识，旨在利用微生物在发酵过程中生成的代谢产物来满足人们的生产和生活需求。
而在微生物代谢过程中，如何通过调控其代谢途径，实现目标产物的高效合成、减少代谢的损耗，成为了生物发酵工程中的一个重要研究方向。
微生物代谢调控的意义微生物代谢调控是指通过改变微生物生长条件和代谢途径，来调整其代谢产物合成量和比例的过程。
在工业生产中，通过微生物发酵生产大量特定代谢产物是一种非常经济、环保的加工方式，但是微生物产生的代谢产物存在很大的不确定性。
因此，通过对微生物代谢途径的调控，可以使目标产物的产量和比例得到控制，从而提高产量，减少生产成本，并且提高产物的纯度和质量。
微生物代谢途径及其调控微生物代谢途径是指微生物在生物体内通过多种化学反应途径来完成与生长、繁殖相关的代谢活动。
其中包括代谢途径的产物合成、产物分解以及代谢的能量转换等步骤。
微生物代谢调控的目的就是通过改变这些代谢途径的流量和平衡，来调整微生物产物的合成量和比例，从而达到优化目标的效果。
代表微生物代谢调控方法有以下两种：1.正向调控正向调控是指通过增加代谢途径的流量和互动，来加强目标代谢产物的合成，从而提高产量。
这种调控方法常见于工业生产中，例如酿造啤酒时，生产者为了增加酒的口感和香味，会加入辅酶、氨基酸、谷氨酸等化合物来促进酵母细胞的代谢，从而促进目标产物的生成。
2.反向调控反向调控是指通过成分的增减或运输网络的改变来降低目标代谢产物的合成，从而对微生物代谢路线进行限制。
这种方法经常用于通过发酵生成的副产物的控制。
例如，在环境中限制糖分含量、压制某些酶或基因，以限制微生物代谢途径中产生某些不必要的代谢产物的方法。
代表性工程案例在实践中，通过微生物代谢调控技术，目标代谢产物的生产得以实现。
以下列举一些代表性的工程案例：1.习得味道细节啤酒发酵后的酿造品质是由微生物代谢途径的复杂模式决定的。
微生物发酵原理
微生物发酵原理
微生物发酵是指利用微生物代谢产物对有机物进行分解和转化的过程。
其原理主要包括以下几个方面：
1. 微生物选择性代谢：不同类型的微生物在不同的环境条件下能够选择性地利用特定的有机物作为能源和营养来源。
通过合理选择和控制发酵条件，可以促使特定微生物参与产物生成。
2. 底物转化：微生物可以利用底物分解酶将底物（如蔗糖、淀粉等）转化为更简单的有机物（如葡萄糖、乳酸等），同时释放出能量。
3. 代谢产物：微生物的代谢过程可以产生多种有机物，如有机酸、醇类、气体等。
这些代谢产物具有一定的经济价值，可以被利用于食品、饮料、制药等领域。
4. 发酵条件调控：发酵过程中，pH值、温度、氧气含量和营
养物质等因素对微生物生长和代谢活性有重要影响。
合理调控这些条件可以提高发酵效率和产物利用率。
5. 发酵设备：发酵过程通常在发酵罐或装置中进行，提供适宜的温度、氧气和营养物质，以维持微生物的生长和代谢活性。
综上所述，微生物发酵是利用微生物代谢产物对有机物进行分解和转化的过程，其原理涉及微生物的选择性代谢、底物转化、代谢产物、发酵条件调控和发酵设备等方面。
这一过程在食品、饮料、医药等领域具有广泛应用前景。
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究发酵工艺是一种利用微生物的代谢活动来生产有用的化学物质的技术。
在这个过程中，微生物的生长和代谢调控起着关键作用。
本文将从微生物生长和代谢调控两个方面介绍发酵工艺中微生物的相关研究。
一、微生物生长微生物的生长是指微生物个体数目增多的过程，也是发酵工艺中最基本的过程之一。
微生物的生长可以分为四个阶段：潜伏期、指数期、对数期和稳定期。
1. 潜伏期潜伏期是指微生物在新的培养基中适应环境的过程。
在这个阶段中，微生物的代谢活动相对较缓慢，个体数目几乎不变。
2.指数期进入指数期后，微生物开始快速增长。
在这个阶段中，微生物的个体数目呈指数增长，其增长速率也相对较快。
此时微生物的代谢活动也处于高峰期，细胞内各种代谢产物的合成速率较快。
3. 对数期当微生物细胞密度达到一定值时，微生物的增长速率会开始降低，进入对数期。
在这个阶段中，微生物的代谢活动较指数期保持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量只是等量地替代老的细胞。
4. 稳定期稳定期是指微生物生长速率趋于平缓的状态。
在这个阶段中，微生物的代谢活动也维持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量与老的细胞数量趋于相等。
二、代谢调控微生物的代谢是指它们在细胞内生产和消耗物质的过程。
在发酵工艺中，所需的发酵产物通常是由微生物代谢产生的。
因此，微生物代谢的调控在发酵工艺中非常重要。
1. 糖代谢大多数发酵物质的合成都是依赖于糖代谢的过程。
微生物的糖代谢途径繁多，包括四种主要代谢途径：糖酵解、异糖酵解、戊糖酵解和底物级联途径等。
这些糖代谢途径的启动和调控都受到微生物内部和外部环境的调节。
2. 氮代谢氮代谢是指微生物内部氮代谢产物的生产和消耗过程。
在发酵工艺中，氮代谢参与了发酵产物的合成和微生物生长的控制等过程。
微生物通过调节氮代谢途径中相关酶的活性来平衡代谢产物的合成和消耗，从而实现较高的生产效率。
3. 能量代谢微生物通过代谢活动产生能量，并且可以通过调节代谢途径的活性来适应不同的环境中的能量状态。
微生物代谢与发酵工程的研究及应用
微生物代谢与发酵工程的研究及应用微生物代谢和发酵工程是现代生物工程学中的重要组成部分，它们在食品、制药、化工、环境保护等领域发挥着重要的作用。
微生物可以利用废物、廉价原料生产高价值产品，对于提高资源利用效率具有重要意义。
在发酵工程领域，为了提高丰度和产量，对微生物的代谢调控研究已成为研究前沿。
一、微生物代谢微生物代谢是指微生物内部的化学反应过程，包括物质的合成反应、分解反应和转化反应等，是微生物生长和繁殖的必要条件。
代谢途径需要消耗能量，常常是从底部的有机化合物中提取能量，以ATP作为最常见的能量介质。
微生物代谢通常分为两类：有氧代谢和无氧代谢。
有氧代谢需要氧气参与，可以从较高浓度的底物中提取更多的能量；无氧代谢则是在没有氧气的情况下进行的，有时候甚至能够从较低浓度的底物中提取能量。
微生物代谢的研究，对于发酵工程和深层次了解微生物的生长、代谢机制、产物合成和分解，都具有非常重要的意义。
通过代谢途径的调控，提高代谢产物的产率和水平，对于工业生产具有非常重要的实际意义。
二、发酵工程发酵工程是微生物代谢的应用领域，是利用微生物进行发酵生产的工程学科。
发酵工程涉及大量的学科知识，主要包括微生物学、生物化学、反应工程、传热传质、流体力学等。
发酵工程的目的是通过准确的代谢途径调控，推动微生物利用废物和廉价原料进行有机合成和分解，产生高质量的产品，包括生物农药、食品添加剂、医药中间体、生物染料、工业酶、生物燃料等。
发酵过程需要消耗大量的能量，通过调整温度、pH值、氧气含量、添加营养素等方式来优化代谢途径，提高产率和质量。
三、工业微生物发酵工业微生物发酵是最为常见的发酵工程应用之一。
工业微生物包括大肠杆菌、酵母、乳酸菌、青霉素等。
这些菌株的发酵工艺和代谢途径都已经被深入研究。
许多微生物均可以在工业规模下安全进行大规模的生产，包括工业酶、抗生素、植物生长素等。
目前，发酵工程学已成为成熟的产业，微生物发酵工艺正在成为全球实现化工可持续发展的重要技术途径之一。
发酵过程中的微生物代谢途径
发酵过程中的微生物代谢途径发酵是一种利用微生物代谢途径来生产有用产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过对底物的降解和合成来获得能量和生长所需物质。
微生物的代谢途径主要包括糖酵解、无氧的乳酸发酵、醇发酵、酒精发酵和有氧代谢等。
糖酵解是一种常见的微生物代谢途径，它可以将葡萄糖降解为乳酸、乙醇或酸（例如乳酸发酵、醇发酵）。
糖酵解分为两个阶段：糖的降解和生成乙酸、溶解氢氧化物等产物。
在糖的降解阶段，糖被通过一系列的酶催化反应分解成丙酮磷酸和乙醛，然后进一步代谢生成乙酸、乙醇或酒精。
乳酸发酵是糖酵解的一种常见形式，它主要发生在乳酸杆菌等一些厌氧菌中。
乳酸发酵的终产物是乳酸，乳酸的生成不需要氧气，因此乳酸发酵可以在厌氧条件下进行。
醇发酵是另一种常见的微生物代谢途径，它将糖类或其他有机物质代谢生成醇。
这种发酵也是在缺氧条件下进行的，并且醇发酵的产物种类多样。
例如，谷物中的糖类可以发酵生成乙醇和二氧化碳，酵母菌可以将糖类发酵生成酒精，大肠杆菌可以将葡萄糖发酵生成乙醇和乳酸。
酒精发酵是一种产生酒精和二氧化碳的微生物代谢途径，酵母菌是最常见的进行酒精发酵的微生物。
酒精发酵中，糖类通过一系列的酶催化反应被分解成丙酮酸和乙醛，然后进一步代谢生成乙醇和二氧化碳。
酒精发酵具有很高的能量输出效率，因此被广泛应用于酿造业和发酵食品加工中。
除了无氧代谢途径，微生物还可以通过有氧代谢来获得能量和生长所需物质。
在有氧条件下，微生物利用氧气将底物完全氧化，产生能量和二氧化碳、水等无害的代谢产物。
有氧代谢包括三个主要过程：糖类的降解、柠檬酸循环和呼吸链。
在糖类的降解过程中，葡萄糖被分解成丙酮磷酸，并在柠檬酸循环中通过一系列酶催化反应生成二氧化碳和水。
细胞在呼吸链中生成ATP，并将氧气还原为水。
微生物在发酵过程中的代谢途径和底物种类的选择主要受到环境条件的影响。
例如，在缺氧条件下，微生物通过无氧代谢途径来获得能量，而在有氧条件下则通过有氧代谢途径来代谢底物。
第五节 微生物的代谢调控与发酵生产
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2
• 利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人 为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发 酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。
• 阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量。
• 阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢 物阻遏两种。
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（1）末端产物阻遏
• 指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的 阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏 的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的 各种酶，使之合成受阻遏。
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5
（一）反馈抑制的类型
• 1．直线式代谢途径中的反馈抑制
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• 2．分支代谢途径中的反馈抑制。
• 在分支代谢途径中，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。
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• （1）同功酶调节
第五节 微生物的代谢调控与发酵生产
• 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢 调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条 不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
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1
• 微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节 营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过 酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调 节代谢流等。
• 诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物 而临时合成的一类酶。
• 能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以 是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似 物或是底物的前体物质。
请利用微生物的代谢调节与发酵生产相关知识,就如何提高 psa的产量提出有用的
请利用微生物的代谢调节与发酵生产相关知识,就如何提高 psa的
产量提出有用的
PSA（Prostate-Specific Antigen）是一种蛋白质，是前列腺分泌的一种物质。
在生物医学领域中，PSA被广泛用于前列腺癌的诊断和治疗。
因此，PSA的产量提高对于前列腺癌的研究具有重要意义。
微生物发酵是一种常见的生产方法，可以利用微生物的代谢调节来增加PSA的产量。
以下是几个可能有用的建议：
1. 选择合适的微生物菌株：应选择能够高效地合成PSA的微生物菌株。
目前已经有报道表明，放线菌属（Streptomyces spp.）具有较好的PSA生产能力。
2. 优化培养基组成：培养基是微生物生长和代谢的基础，合理优化培养基组成可以提高微生物的PSA产量。
例如，在培养基中添加适当的氮源、碳源、矿物质元素等，可以刺激微生物的生长和代谢，从而提高PSA的产量。
3. 合理设计发酵工艺参数：发酵过程中的温度、pH值、氧气含量等参数对微生物的生长和代谢有重要影响。
合理设计这些参数可以增加微生物的PSA产量。
例如，在适当的温度和pH值下，通过适当的氧气供应方式（如改变搅拌速率等），可以提高微生物的PSA产量。
4. 采用诱导剂：PSA的生产具有一定的诱导性，可以通过添加诱导剂来刺激微生物合成PSA。
目前已经有报道表明，添加一些特定的诱导剂，如甘露醇、羟苯乙酮等，可以显著提高放线菌属微生物的PSA产量。
总之，利用微生物的代谢调节与发酵生产相关知识，可以通过选用合适的微生物菌株、优化培养基组成、合理设计发酵工艺参数以及采用诱导剂等方法，来提高PSA的产量。
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天冬氨酸
E,R
III I E,R
4-磷酸天冬氨酸
天冬氨酸族
E 天冬氨酸半醛
E,R
II I
E
二氢吡啶二羧酸
同型丝氨酸
同型丝氨酸磷酸
E,R
R 六氢吡啶二羧酸
二氨基庚二酸
O-琥珀酰同型丝氨酸 E,R
胱硫醚 R 同型半胱氨酸来自苏氨酸 2-酮丁酸R 赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
（2）协同反馈抑制——concerted feedback inhibition
定义：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。
举例：在嘌呤核苷酸合成中，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%。
（4）积累反馈抑制——cumulative
E,R
（谷氨酸棒 杆菌） 4-磷酸天冬氨酸
E 天冬氨酸半醛
E,R
E
二氢吡啶二羧酸 酸
同型丝氨酸
同型丝氨酸磷
E,R
R
O-琥珀酰同型丝氨酸
苏氨酸
E,R
六氢吡啶二羧酸
胱硫醚
2-酮丁酸
R
二氨基庚二酸 同型半胱氨酸
R
赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
（3）合作反馈抑制——cooperative
feedback inhibition
（5）顺序反馈抑制——sequential feedback inhibition
一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈 抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。 举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节
（6）平衡合成
在黄色短杆菌（Brevibacterium flavus）中天冬氨酸的 合成
（1）同功酶调节——isoenzyme
定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构 有差别的一组酶。
意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支 点以前的一个较早的反应是由几个同功酶 催化时，则分支代谢的几个最终产物往往 分别对这几个同功酶发生抑制作用。—— —某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。
举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的 调节
☆微生物自我调节代谢的方式
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 2.通过酶的定位控制酶与底物的接触 3.控制代谢物流向:
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞
如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合 成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶 系统。
2.通过酶的定位控制酶与底物的接触
1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器 各
feedback inhibition
定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途 径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制 作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作 用。
积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合 成酶的调节
Try 16% CTP 14% 氨甲酰磷酸
13% AMP 41% ……
一、酶活性的调节
通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平 上的调节，属于精细的调节。 （一）调节方式：包括两个方面： 1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促 进的现象；常见于分解代谢途径。
如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进 2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。 概念：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性 的影响。
以NAD为辅基 Glu分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。 关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。
①粗调：调节酶的合成量 ②细调：调节现有酶分子的活性
3)通过调节产能代谢速率。
☆Possible points for Regulation of Various Metabolic Control Mechanisms
自行使某种特异的功能；
2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行 使
功能：
➢与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；
➢蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；
➢同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
3. 控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节)
1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代 谢物流向：如: 两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成
微生物的代谢调控与发酵生 产
本节提要： 微生物代谢过程中的自我调节 酶活性的调节 酶合成的调节 代谢调控理论的应用
微生物代谢过程中的自我调节
☆微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水 平的代谢调节能力超过高等生物。
成因：细胞体积小，所处环境多变。 举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千 种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只 能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到 100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？ 解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高 浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme）， 在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细 胞总蛋白含量的10%。
（二）反馈抑制的类型
1.直线式代谢途径中的反馈抑制：
苏氨酸脱氨酶
苏氨酸
α-酮丁酸
异亮氨酸
反馈抑制
其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成
2.分支代谢途径中的反馈抑制：
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。
凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制 该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除
Feedback Inhibition
Figure 3. Figure 4.
定义：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。
举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）
多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）
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。
天冬氨酸族天冬氨酸