代谢调控发酵基本思想
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河科大代谢调控学期末考试重点
陈 森
任一种终产物单独过剩，完全不产生或产生部分的反馈控制作用。利用这种特性，可设法控制目的产物以外的终 产物供给量。 2 、平衡合成的利用
（2）平衡合成（Balanced synthesis） D E A B C F G 经分支合成途径生成两种终产物 E、G，E 和 G 取平衡合成。E 为优先合成，当 E 过剩 时，E 反馈抑制与优先合成途径有关的 C D 酶，转而合成 G，当 G 过剩时，可逆转 E 的反馈抑制，即 E 的反馈抑制被 G 所逆转，又转为优先合成 E，这样的例子很多。例如， 黄色短杆菌中，Asp 族氨基酸生物合成的前体物 Asp 和分支途径中的中间产物——乙酰 CoA 的生成，形成平衡合成。
代谢控制发酵的基本思想
（一）切断支路代谢 1、营养缺陷突变株的应用 营养缺陷突变株：指原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物 质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。 2、渗漏突变株的应用 渗漏缺陷型是指遗传性障碍不完全的缺陷型，这种突变是某一种酶的活性下降而不是完全丧失，因此，渗漏 缺陷型能少量地合成某一种代谢最终产物， 不能合成过量的最终产物， 所以不会造成反馈抑制而影响中间代谢产 物的积累。 （二）选育抗反馈调节突变株 所谓抗反馈调节突变株就是已解除了反馈调节作用的突变株 。在这些突变株中，因为反馈抑制或阻遏，或 两者引起的自动调节作用已被削弱或解除，所以能合成较多的最终产物。 1、选育抗代谢类似物的突变株 代谢拮抗物或代谢类似物。 指一类在化学结构上与细胞内必要代谢物结构相似， 并可干扰正常代谢活动的化 学物质 2、酶特性的利用 在育种过程中，当找不到有效类似物时，若目的产物的生物合成途径中的某酶具有底物专一性宽的特性，则 可利用该酶对其他底物的活性，育得代谢调节突变株。 3、营养缺陷型回复突变株的应用 调节酶的变构特性是由它的结构基因决定的，若调节酶因编码它的基因发生突变而失活，则有两种可能： ①是编码为催化亚基与调节亚基的基因发生了变化 ②仅仅是编码催化亚基（或活性部位）的基因发生变化。 若通过再次突变，使调节酶的活性恢复，这时又有两种可能： 一是催化亚基和调节亚基恢复（或大体恢复）到第一次突变前那样的状态。 另一种是催化亚基得到恢复，而调节亚基却丧失了调节作用，这情况实质上是编码调节亚基的 DNA 突变，解 除了反馈抑制作用。 因此可以采用营养缺陷型的回复突变的方法， 从营养缺陷型回复突变株中获得对途径中的调节酶解除反馈调 节的调节突变株。 （三）增加前体物的合成 通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成， 有利于目的产物的大量积累。 1、 分支合成途径中，切断其他分支合成途径 2、 目的产物的生物合成从别的终产物（氨基酸等）开始时，除设法解除目的产物自身合成的反馈调节外， 也应设法解除对其前体物合成的调节。 3、 目的产物的生物合成从分解途径的中间产物开始。如 Glu。 4、 利用基因工程技术 将生物合成途径中的关键酶基因克隆到多拷贝载体上，使其大量扩增，从而增加目的产物前体物的合成。 （四）去除终产物 改变细胞膜渗透性， 把属反馈控制的因子—终产物迅速不断地排出细胞外， 不使终产物积累到引起反馈调节的浓 度，就可预防反馈控制。 （五）特殊调节机制的利用 1 、多种产物控制机制的利用 多产物控制机制中， 只有当与反馈控制有关的全部终产物同时过剩存在时， 才产生完全的或最大的反馈抑制，
任一种终产物单独过剩，完全不产生或产生部分的反馈控制作用。利用这种特性，可设法控制目的产物以外的终 产物供给量。 2 、平衡合成的利用
（2）平衡合成（Balanced synthesis） D E A B C F G 经分支合成途径生成两种终产物 E、G，E 和 G 取平衡合成。E 为优先合成，当 E 过剩 时，E 反馈抑制与优先合成途径有关的 C D 酶，转而合成 G，当 G 过剩时，可逆转 E 的反馈抑制，即 E 的反馈抑制被 G 所逆转，又转为优先合成 E，这样的例子很多。例如， 黄色短杆菌中，Asp 族氨基酸生物合成的前体物 Asp 和分支途径中的中间产物——乙酰 CoA 的生成，形成平衡合成。
代谢控制发酵的基本思想
（一）切断支路代谢 1、营养缺陷突变株的应用 营养缺陷突变株：指原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物 质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。 2、渗漏突变株的应用 渗漏缺陷型是指遗传性障碍不完全的缺陷型，这种突变是某一种酶的活性下降而不是完全丧失，因此，渗漏 缺陷型能少量地合成某一种代谢最终产物， 不能合成过量的最终产物， 所以不会造成反馈抑制而影响中间代谢产 物的积累。 （二）选育抗反馈调节突变株 所谓抗反馈调节突变株就是已解除了反馈调节作用的突变株 。在这些突变株中，因为反馈抑制或阻遏，或 两者引起的自动调节作用已被削弱或解除，所以能合成较多的最终产物。 1、选育抗代谢类似物的突变株 代谢拮抗物或代谢类似物。 指一类在化学结构上与细胞内必要代谢物结构相似， 并可干扰正常代谢活动的化 学物质 2、酶特性的利用 在育种过程中，当找不到有效类似物时，若目的产物的生物合成途径中的某酶具有底物专一性宽的特性，则 可利用该酶对其他底物的活性，育得代谢调节突变株。 3、营养缺陷型回复突变株的应用 调节酶的变构特性是由它的结构基因决定的，若调节酶因编码它的基因发生突变而失活，则有两种可能： ①是编码为催化亚基与调节亚基的基因发生了变化 ②仅仅是编码催化亚基（或活性部位）的基因发生变化。 若通过再次突变，使调节酶的活性恢复，这时又有两种可能： 一是催化亚基和调节亚基恢复（或大体恢复）到第一次突变前那样的状态。 另一种是催化亚基得到恢复，而调节亚基却丧失了调节作用，这情况实质上是编码调节亚基的 DNA 突变，解 除了反馈抑制作用。 因此可以采用营养缺陷型的回复突变的方法， 从营养缺陷型回复突变株中获得对途径中的调节酶解除反馈调 节的调节突变株。 （三）增加前体物的合成 通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成， 有利于目的产物的大量积累。 1、 分支合成途径中，切断其他分支合成途径 2、 目的产物的生物合成从别的终产物（氨基酸等）开始时，除设法解除目的产物自身合成的反馈调节外， 也应设法解除对其前体物合成的调节。 3、 目的产物的生物合成从分解途径的中间产物开始。如 Glu。 4、 利用基因工程技术 将生物合成途径中的关键酶基因克隆到多拷贝载体上，使其大量扩增，从而增加目的产物前体物的合成。 （四）去除终产物 改变细胞膜渗透性， 把属反馈控制的因子—终产物迅速不断地排出细胞外， 不使终产物积累到引起反馈调节的浓 度，就可预防反馈控制。 （五）特殊调节机制的利用 1 、多种产物控制机制的利用 多产物控制机制中， 只有当与反馈控制有关的全部终产物同时过剩存在时， 才产生完全的或最大的反馈抑制，
代谢控制发酵的基本思想2
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小结：
增加前体物合成的途径：
切断分支代谢途径 解除前体物的反馈调节 增强分支点代谢流 增加关键酶的表达
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五、特殊调节机制的利用
1.多种产物控制机制的利用 多种产物控制机制的利用 2.平衡合成的利用 平衡合成的利用 3.代谢互锁的利用 3.代谢互锁的利用 4.优先合成的变换 优先合成的变换
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8
举例：
选育异亮氨酸菌株时 选育异亮氨酸菌株时，苏氨酸是异亮氨酸 异亮氨酸菌株 的前体物。为了积累异亮氨酸， 的前体物。为了积累异亮氨酸，除设法解 除异亮氨酸自身合成的反馈调节外， 除异亮氨酸自身合成的反馈调节外，还需 设法解除苏氨酸的反馈调节， 解除苏氨酸的反馈调节 设法解除苏氨酸的反馈调节，增加异亮氨 酸的产量。 酸的产量。
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如果该酶是蛋白质， 如果该酶是蛋白质，维生素或核苷酸生 物合成途径上的酶， 物合成途径上的酶，则该突变株高温下 就是一种营养缺陷型。 就是一种营养缺陷型。
例：如果突变位置发生在为亮氨酸合成酶系编码的基 因中，使翻译出来的酶对温度敏感，则高温时就不能 合成亮氨酸，即成为亮氨酸缺陷型。
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例如：
天冬氨酰磷酸
1/3
天冬氨酰半醛 二氢吡啶二羧酸
高丝氨酸脱氢酶
高丝氨酸
高丝氨酸激酶
O-
酰高丝氨酸 氨酸
氨酸
O-磷酸高丝氨酸 磷酸高丝氨酸 氨酸
TD
氨酸
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六、条件突变株的应用
像温度敏感性突变、链霉素依赖性突变 和低温敏感性突变等，因环境条件的不 同能显示突变型特性的改变，称为条件 致死突变（conditional lethal mutation）。 主要是蛋白质的结构基因发生突变。
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江南大学发酵调控基本思想
☞分解代谢物阻遏是由于cAMP的不足造成的。
分解代谢物阻遏作用的分子机制
CAP 基因
R T
CAP 结合 部位
结构基因
P RNA 聚合酶 mRNAZ mRNAY mRNAa O LacZ LacY Laca T
mRNA
基 因 表 达
CAP
cAMP -CAP 葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 腺苷酸环 抑制 化酶 cAMP 磷酸二酯 酶 激活 分解代 谢产物 葡萄糖
图 培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期； 2. 同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
葡萄糖效应：葡萄糖降解产物对其他分解代谢操纵子 的阻遏作用称为分解代谢物阻遏（降解物阻遏）。 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。 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。
① ②
①
①
3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶(DAHP)
积累反馈抑制（cumulative feedback inhibition）
特点：在累积反馈抑制中，每一个最终产物只单独地、部分地抑制
共同代谢途径中的第一个酶。当几个末端产物同时存在时，它们的
抑制作用时积累的。
大肠杆菌中8种产物对谷氨酰胺合成酶的抑制
关键酶:参与代谢调节的酶的总称，对整个反应起限速 作用。
一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的 分支点酶可以成为关键酶，但是关键酶并不都是分支点酶。
关键酶具有特异性。
关键酶可以是变构酶、同工酶或多功能酶
举例说代谢调控在发酵中的重要性
举例说明代谢调控在发酵工业中的重要性农学与生物科技学院生物技术专业杨丹222010326022039 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。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
（一）微生物细胞的调节机制：（1）酶合成的调控1.诱导——促进酶的合成2.阻遏——抑制酶的合成（包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏）(2)酶活性的调控1.一定数量的酶通过其分子结构的改变来调节催化反应的速率。
控制机制：终产物抑制或激活；通过辅酶水平的活性调节；酶原的活化；潜在酶的活化2.细胞膜渗透性的控制:根据酶在代谢调节中作用不同分为：调节酶（变构酶、同功酶、多功能酶）、静态酶和潜在酶。
（二）代谢控制发酵的基本思想（1）切断支路代谢1.选育营养缺陷型突变株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。
最典型例子：高丝氨酸营养缺陷型或苏氨酸营养缺陷型菌株达到赖氨酸的积累。
2.选育渗漏缺陷突变株：遗传性障碍不完全的缺陷型。
（注：这种突变只是其中某一种酶的活性降低，而不是完全丧失。
不能合成过量的最终产物，故不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。
）（2）解除菌体自身的反馈调节1.选育抗类似物突变株（代谢拮抗物抗性突变株）形成途径：变构酶结构基因突变；调节基因突变。
2.酶活性的利用3.营养缺陷型回复突变株的应用：调节酶的失活与否，可能直接表现为某种营养缺陷型。
代谢控制发酵
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代谢控制发酵的未来发展趋势
代谢控制发酵的研究热点和难点
代谢调控机制的研究 微生物代谢网络的研究 代谢工程的应用研究 微生物发酵过程的优化和控制
代谢控制发酵的研究趋势和发展方向
代谢控制发酵技术的深入研究：通过基因工程、蛋白质工程等手段，对代谢途径进行精确调 控，提高发酵产物的产量和纯度。
智能化和自动化技术的应用：利用人工智能、大数据等技术手段，实现代谢控制发酵过程的 智能化和自动化，提高生产效率和产品质量。
代谢控制发酵
汇报人：PPT
代谢控制发酵的基本概念 代谢控制发酵的研究进展
代谢控制发酵的基本概念
代谢控制发酵的定义
代谢途径：控制微生物生长繁殖的过程 发酵过程：利用微生物生产产品的过程 代谢控制发酵：通过控制代谢途径来优化发酵过程 目的：提高产品产量、质量或降低成本等
代谢控制发酵的目的和意义
目的：通过控制代谢过程，提高微生物产品的产量和收率
生物能源和生物材料的研究：利用代谢控制发酵技术，生产生物能源和生物材料，降低对传 统能源和材料的依赖，促进可持续发展。
拓展应用领域：将代谢控制发酵技术应用于医疗、环保等领域，开发新型药物、生物催化剂 等，推动相关领域的发展。
THANK YOU
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意义：实现微生物发酵过程的优化和控制，提高生产效率和产品质量 与传统发酵相比的优势：能够更好地控制发酵过程，提高产品纯度和稳 定性 应用领域：医药、食品、化工等领域
代谢控制发酵的研究进展
代谢控制发酵的研究现状
代谢控制发酵的原理介绍
代谢控制发酵的应用案例
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添加标题代谢控制发酵Fra bibliotek技术手段添加标题
代谢控制发酵的原理及应用
代谢控制发酵的原理及应用1. 引言发酵作为一种重要的工业生产过程，广泛应用于食品工业、制药工业、化工工业等领域。
控制发酵过程中的代谢反应是提高发酵产物得率和质量的关键。
本文将介绍代谢控制发酵的原理及其在实际应用中的意义。
2. 代谢控制发酵的原理2.1 代谢途径代谢途径是细胞内各种代谢酶反应所组成的网络。
通过对代谢途径进行控制，可以实现对发酵过程中代谢产物的合成与降解的调控。
•代谢途径的分类：–糖代谢途径：通过调节糖酵解和糖异生途径的活性，实现对碳源代谢的控制。
–脂肪代谢途径：调节脂肪酸合成和降解途径，影响发酵产物的合成。
–氨基酸代谢途径：调控氨基酸的合成和降解，影响蛋白质合成和产物生成。
–核苷酸代谢途径：控制DNA和RNA的合成，对生物体的生长和发育起到重要作用。
2.2 代谢调控策略代谢调控策略是通过对代谢途径内关键酶的调控，实现对代谢产物合成和降解速率的调控。
•调控策略的分类：–底物浓度调控：通过调节底物浓度，影响酶催化反应速率，进而控制代谢产物的生成。
–反馈抑制：通过代谢产物对酶活性的抑制，调节代谢途径内各个酶的活性，从而控制代谢产物的生成。
–遗传调控：通过改变生物体内部基因表达水平，调节代谢途径内酶的含量，进而影响代谢产物的合成速率。
–外部条件调控：例如温度、pH值等环境条件的调控，对代谢产物合成有重要影响。
3. 代谢控制发酵的应用3.1 食品工业在食品工业中，利用代谢控制发酵技术可以实现食品添加剂、发酵食品等的生产。
•食品添加剂的生产：通过控制微生物发酵过程中的代谢途径和代谢产物的合成，可以高效生产食品添加剂，如谷氨酰胺、谷氨酰胺钠等。
•发酵食品的生产：利用代谢控制发酵技术，可以生产出口感好、品质优良的发酵食品，如酸奶、面包等。
3.2 制药工业代谢控制发酵技术在制药工业中有着广泛应用。
•抗生素的生产：通过调控微生物发酵过程中底物浓度、代谢途径和酶活性，可提高抗生素的产量和质量。
•生物药物的生产：通过遗传调控和代谢途径调控，可以实现生物药物的高效合成，如重组人胰岛素和重组人生长激素等。
第3章 1 发酵机制和代谢控制发酵
淀粉质原料生பைடு நூலகம்酒精工艺流程
• 原料预处理 • ↓ • 蒸煮（145-155℃） • ↓ • 糖化（糖化剂） • ↓ • 发酵（酒母） • ↓ • 蒸馏（乙醇、杂醇油、醛酯等）
酒精发酵的三个阶段
• 前期发酵 • 主发酵 • 后发酵
前期发酵
• 酒母和糖化醪加入发酵罐后,由于醪液中 含有一定的溶解氧和充足的营养物质,酵 母能迅速生长到一定的水平.此时醪液中 . 的糊精继续被糖化酶作用生成可发酵糖. • 该过程一般保持温度为26-28OC,时间为10 小时左右. • 此时由于酵母数量较少,易染杂菌.
酶合成的开 关 迟缓 粗的控制
高分子化合物(酶蛋 白)
代谢控制发酵常用方法
• 选育营养缺陷型.由于某一途径发生缺陷,不能 积累终产物,解除了反馈调节,使中间产物或另 一途径终产物积累. • 选育抗反馈调节突变株,由于这样的突变株不再 受正常反馈调节,终产物可积累. • 选育细胞通透性突变株,使终产物在细胞内不能 积累到引起反馈调节的浓度. • 利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方 法,解除终产物对关键酶的调节.
同型乳酸发酵
• 大多数乳酸菌不具有丙酮酸脱羧酶,因此不能生 成乙醛.而是在乳酸脱氢酶的作用下,丙酮酸直 接作为受氢体被还原为乳酸. • C6H12O6 →2CH3CHOHCOOH • 转化率:(90× 2/180) ×100%=100% • 进行同型乳酸发酵的菌种有: 乳酸链球菌 (Streptococcus Lactis),保加利亚乳杆菌 (Lac.bulgaricus), 德氏乳杆菌(Lac.delbriickii)
主发酵
• 醪液中糖分迅速下降,酒精逐渐增多,CO2 大量产生搅动酵母上下翻动与糖充分接 触,使发酵进行得更彻底,发酵醪温度快速 上升. • 该阶段温度保持在30-340C,大约12小时左 右. • 由于产生大量的发酵热,提前做好降温准 备,否则易染菌(高于37OC)和酵母老化.
第二章：代谢控制发酵的基本思想
• 2．平衡合成的利用
底物 A经分支合成途径生成两种终产物 E与 G，由于酶 a活 性远远大于酶b，结果优先合成E。E过量就会抑制酶a，使 代谢转向合成G。G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制 作用，结果代谢流转向又合成E。
• 3．代谢互锁的利用 • 所谓代谢互锁．就是从生物合成途径来看，似乎 是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较 高浓度下才发生，而且这种抑制作用是部分性的， 不完全的。
第二章：代谢控制发酵的基本思想
• 目的 了解微生物细胞的调节机制、掌握代谢 控制发酵的基本思想及微生物代谢控制 发酵的措施 • 内容 微生物细胞的调节机制、代谢控制发酵 基本思想及微生物代谢控制发酵措施 • 重点 反馈反馈抑制与反馈阻遏、反馈调 节的解除 • 难点 反馈反馈抑制与反馈阻遏 • 学时 3
• 二 酶合成的调节机制 • 1、 反馈阻遏与诱导作用的概念 • 反馈阻遏：在微生物合成体系中，代谢产物抑制 酶的生物合成。 • 诱导作用：在微生物合成体系中，代谢产物诱导 酶的生物合成。
• 2、 反馈阻遏和诱导作用理论（操纵子学说） • A 操纵子由细胞的操纵基因和结构基因组成。 • B 结构基因能转录遗传信息，合成相应的mRNA，进而 翻译合成特定的酶。 • C 操纵基因能控制结构基因作用的发挥 • D 调节基因能产生一种细胞质的阻遏物，该阻遏物与酶 促反应阻遏物（通常是终产物）结合时结构改变。和操 纵基因的亲和力变大，使有关的结构基因不能合成 mRNA，使酶的合成受到阻遏。 • E 诱导物也能和细胞质阻遏物结合，使其结构改变，减 少与操纵基因的亲和力，使操纵基因恢复自由，进而使 结构基因进行转录，合成相应的mRNA，进而翻译合成 特定的酶。
• 七、选育不生成副产物的菌株 工业上，为了选育优秀的生产菌株、除突破微生 物原来的代谢调节外,必要时还应附加如下突变. • (1)有共用前体物的其他分支途径或目的产物是其 他产物生物合成的前体物时，应附加营养缺陷型， 切断其他分支途径或目的产物向其他产物合成的 代谢流。 • (2)存在有目的产物分解途径时，应选育丧失目的 产物分解酶的突变株。 • (3)当有副生产物，持别是有不利于目的产物精制 的副生产物时，应设法切断副生产物的代谢流。 • 八、选育生产代谢拮抗物质的菌株
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▪反馈阻遏是调节基因作用的结果，这是生物不通过基因而适 应于环境改变的一种“措施”，这种“措施”对于环境的改变
反 应比较迟缓。
▪反馈阻遏是对酶合成的阻遏，所以效果不如反馈抑制那样迅 速，但可以节约原料，对生物有一定的优点。
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反馈阻遏与反馈抑制的比较
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正反馈称为酶诱导作用（induction）。
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➢ 酶阻遏的调节类型：
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4. 反馈抑制与反馈阻遏的比较
▪反馈抑制的效果比较直接而快速，因为不涉及蛋白质的合成过程， 当终产物浓度达到一定水平时，立即使酶的活力丧失，待最终产 物的浓度降低后，酶的活力又重新恢复。
▪反馈抑制作用不通过调节基因调节。 ▪反馈抑制的物质基础是变构酶，通过酶的变构作用改变酶的活性。 ▪变构酶的结构为基因所决定。
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▪代谢控制的研究证明，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。 ▪按操纵子学说，操纵子由细胞中的操纵基因和邻近的几个结构基 因组成。结构基因能转录遗传信息，合成相应的信使RNA （mRNA），进而再翻译合成特定的酶；操纵基因则能够控制结构 基因作用的发挥。 ▪细胞中还有一种调节基因，能够产生一种细胞质阻遏物，细胞质 阻遏物与阻遏物（通常是酶反应的终产物）结合时，由于变构效应， 结构改变和操纵基因的亲和力变大，而使有关的结构基因不能合成 mRNA，因此，酶的合成受到阻遏。
——在每个氨基酸的生物合成途径中，都有一种以上的关键酶；
——生物合成的途径越长，关键酶的数目越多；
——对代谢流影响最大的关键酶处于主导的地位，常被配备在由同一前 体物出发去合成多种氨基酸的关键点（key point）上（例如， ValIle系的-乙酰乳酸合成酶AS，或Asp族氨基酸生物合成途径中的关 键酶天冬氨酸激酶AK）；
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3. 酶合成的调控
▪反馈阻遏（feedback repression）是由代谢终点产物抑制酶 合成的负反馈作用。
▪微生物可以通过控制酶基因的生物合成来进行调节，也就是说， 在微生物生物合成体系中，常通过代谢产物抑制酶的生物合成 或诱导酶的生物合成，来调节生物的代谢过程。
▪这类现象是与微生物的遗传因子密切相关的。
——其关键效果仅仅在特定的氨基酸生物合成过程中成立，而在其他氨 基酸生物合成过程中则不成立（例如，-乙酰乳酸合成酶在Val 生物 合成途径中起关键作用，而Ile生物合成途径中起主导性的关键酶却 是苏氨酸脱氢酶TD，该酶在-乙酰乳酸合成酶的前一阶段）；
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氨基酸生物合成 途径中的关键酶
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▪诱导物也能和细胞阻遏物结合，使其结构发生改变，减少与 操纵基因的亲和力，使操纵基因回复自由，进而结构基因进 行转录，合成mRNA，再翻译特定的酶。
▪在微生物中，通过细胞膜的渗透性进行代谢控制也是非常重 要的（如Glu发酵）。
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1. 调节酶——与代谢调节密切相关的酶，常称为关键酶
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谷氨酸棒杆菌、 黄色短杆菌等天 冬氨酸族氨基酸 的代谢调节机制
在黄色短杆菌中赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸 和异亮氨酸生物合成的代谢调节
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2. 反馈抑制——这种调节方式可以分为多种类型
模式图
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在多功能途径中（Multifunctionnal pathway）的酶活性调节类型
——关键酶所受的反馈调节因菌而异（例如，Asp族氨基酸生物合成途 径中的主导关键酶天冬氨酸激酶AK，在大肠杆菌中有3种同功酶， 分别受到 Thr 、 Met 和Lys 的反馈调节，而在谷氨酸棒杆菌中却是 单一的，仅受到Thr 和Lys的协同反馈控制 ）。
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大肠杆菌中天 冬氨酸族氨基 酸生物合成的 调节机制
▪受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶，酶活力调控的实质就是 变构酶的变构调节。 ▪变构酶分子除了有与底物结合的活性中心（即催化部位和活性 中心）外，还有一个与最终产物结合的部位，称做调节中心 （或称变构部位），当它与最终产物结合之后就改变了酶分子 的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。
调节酶活力（反馈抑制）比调节酶的合成（反馈阻遏）迅速及时有效， 这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式。
第14页/共31页
⑴协作反馈抑制或多价反馈抑制 ⑵合作反馈抑制（Cooperative feedback inhibition ） ⑶积累反馈抑制（Cumulative feedback inhibition ） ⑷顺序反馈抑制（Sequential feedback inhibition） ⑸假反馈抑制（Pseudo-feedback inhibition）
第7页/共31页Байду номын сангаас
➢关键酶（key enzyme 或 switching enzyme） ——参与代谢调节的酶的总称
——是一个反应链的限速因子，对代谢流的质和量都起着制约作用； ——在代谢流的枢纽处起支柱作用；
——一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶 （branching enzyme）可以成为关键酶，但关键酶并不都是分支点酶；
二、代谢控制发酵的基本思路
1. 切断支路代谢 a.营养缺陷突变株的应用 b.渗漏突变株的应用
第21页/共31页
2. 解除菌体自身的反馈调节 a.选育抗类似物突变株 b.酶特性的利用 c.营养缺陷型回复突变株的应用
第22页/共31页
3. 增加前体物的合成 通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以 及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体物的 合成，有利于目的产物的大量积累。
第5页/共31页
氨基酸生物合成 途径中的关键酶
氨基酸生物合成途径中的关键酶
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▪最终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，因此当最终产物的 浓度降低时，最终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋 白的原有的构象，使酶与底物可以结合而发生催化。
调节酶包括3个种类： ⑴变构酶； ⑵同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同； ⑶多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。
▪反馈阻遏是调节基因作用的结果，这是生物不通过基因而适 应于环境改变的一种“措施”，这种“措施”对于环境的改变
反 应比较迟缓。
▪反馈阻遏是对酶合成的阻遏，所以效果不如反馈抑制那样迅 速，但可以节约原料，对生物有一定的优点。
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反馈阻遏与反馈抑制的比较
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正反馈称为酶诱导作用（induction）。
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➢ 酶阻遏的调节类型：
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4. 反馈抑制与反馈阻遏的比较
▪反馈抑制的效果比较直接而快速，因为不涉及蛋白质的合成过程， 当终产物浓度达到一定水平时，立即使酶的活力丧失，待最终产 物的浓度降低后，酶的活力又重新恢复。
▪反馈抑制作用不通过调节基因调节。 ▪反馈抑制的物质基础是变构酶，通过酶的变构作用改变酶的活性。 ▪变构酶的结构为基因所决定。
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▪代谢控制的研究证明，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。 ▪按操纵子学说，操纵子由细胞中的操纵基因和邻近的几个结构基 因组成。结构基因能转录遗传信息，合成相应的信使RNA （mRNA），进而再翻译合成特定的酶；操纵基因则能够控制结构 基因作用的发挥。 ▪细胞中还有一种调节基因，能够产生一种细胞质阻遏物，细胞质 阻遏物与阻遏物（通常是酶反应的终产物）结合时，由于变构效应， 结构改变和操纵基因的亲和力变大，而使有关的结构基因不能合成 mRNA，因此，酶的合成受到阻遏。
——在每个氨基酸的生物合成途径中，都有一种以上的关键酶；
——生物合成的途径越长，关键酶的数目越多；
——对代谢流影响最大的关键酶处于主导的地位，常被配备在由同一前 体物出发去合成多种氨基酸的关键点（key point）上（例如， ValIle系的-乙酰乳酸合成酶AS，或Asp族氨基酸生物合成途径中的关 键酶天冬氨酸激酶AK）；
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3. 酶合成的调控
▪反馈阻遏（feedback repression）是由代谢终点产物抑制酶 合成的负反馈作用。
▪微生物可以通过控制酶基因的生物合成来进行调节，也就是说， 在微生物生物合成体系中，常通过代谢产物抑制酶的生物合成 或诱导酶的生物合成，来调节生物的代谢过程。
▪这类现象是与微生物的遗传因子密切相关的。
——其关键效果仅仅在特定的氨基酸生物合成过程中成立，而在其他氨 基酸生物合成过程中则不成立（例如，-乙酰乳酸合成酶在Val 生物 合成途径中起关键作用，而Ile生物合成途径中起主导性的关键酶却 是苏氨酸脱氢酶TD，该酶在-乙酰乳酸合成酶的前一阶段）；
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氨基酸生物合成 途径中的关键酶
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▪诱导物也能和细胞阻遏物结合，使其结构发生改变，减少与 操纵基因的亲和力，使操纵基因回复自由，进而结构基因进 行转录，合成mRNA，再翻译特定的酶。
▪在微生物中，通过细胞膜的渗透性进行代谢控制也是非常重 要的（如Glu发酵）。
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1. 调节酶——与代谢调节密切相关的酶，常称为关键酶
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谷氨酸棒杆菌、 黄色短杆菌等天 冬氨酸族氨基酸 的代谢调节机制
在黄色短杆菌中赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸 和异亮氨酸生物合成的代谢调节
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2. 反馈抑制——这种调节方式可以分为多种类型
模式图
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在多功能途径中（Multifunctionnal pathway）的酶活性调节类型
——关键酶所受的反馈调节因菌而异（例如，Asp族氨基酸生物合成途 径中的主导关键酶天冬氨酸激酶AK，在大肠杆菌中有3种同功酶， 分别受到 Thr 、 Met 和Lys 的反馈调节，而在谷氨酸棒杆菌中却是 单一的，仅受到Thr 和Lys的协同反馈控制 ）。
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大肠杆菌中天 冬氨酸族氨基 酸生物合成的 调节机制
▪受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶，酶活力调控的实质就是 变构酶的变构调节。 ▪变构酶分子除了有与底物结合的活性中心（即催化部位和活性 中心）外，还有一个与最终产物结合的部位，称做调节中心 （或称变构部位），当它与最终产物结合之后就改变了酶分子 的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。
调节酶活力（反馈抑制）比调节酶的合成（反馈阻遏）迅速及时有效， 这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式。
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⑴协作反馈抑制或多价反馈抑制 ⑵合作反馈抑制（Cooperative feedback inhibition ） ⑶积累反馈抑制（Cumulative feedback inhibition ） ⑷顺序反馈抑制（Sequential feedback inhibition） ⑸假反馈抑制（Pseudo-feedback inhibition）
第7页/共31页Байду номын сангаас
➢关键酶（key enzyme 或 switching enzyme） ——参与代谢调节的酶的总称
——是一个反应链的限速因子，对代谢流的质和量都起着制约作用； ——在代谢流的枢纽处起支柱作用；
——一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶 （branching enzyme）可以成为关键酶，但关键酶并不都是分支点酶；
二、代谢控制发酵的基本思路
1. 切断支路代谢 a.营养缺陷突变株的应用 b.渗漏突变株的应用
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2. 解除菌体自身的反馈调节 a.选育抗类似物突变株 b.酶特性的利用 c.营养缺陷型回复突变株的应用
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3. 增加前体物的合成 通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以 及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体物的 合成，有利于目的产物的大量积累。
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氨基酸生物合成 途径中的关键酶
氨基酸生物合成途径中的关键酶
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▪最终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，因此当最终产物的 浓度降低时，最终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋 白的原有的构象，使酶与底物可以结合而发生催化。
调节酶包括3个种类： ⑴变构酶； ⑵同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同； ⑶多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。