发酵工程课件第六章

• 次级代谢及产物 各抗种生次素级、代毒谢素产物、都激是素在和微色生素物生等长。缓慢或停止生
长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和 初级代谢产物。
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第二节 代谢调节方式与机制
一、调节方式 • 代谢途径区域化 • 代谢流向的调控 • 代谢速度的调控 • 细胞透性的调节 • 能荷调节
酶的顺序反馈抑制
抑制
抑制
D
E
Y
Eb
A
B
C
Ea
Ec
F
G
Z
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抑制
途径中的第一个反应（A B）被两个不同的酶所催化，一 个酶被Y抑制，另一个酶被Z抑制。只有当Y和Z同时过量 才能完全阻止A转变为B。另两个控制点（C D），（C F），分别受Y或Z的抑制。
同工酶的反馈抑制
同工酶是能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别 被相应的末端产物抑制的一类酶。
一、积累代谢产物的有效措施
（一）反馈抑制作用的解除：实质是使代谢途径中的关键酶（别构
酶）的调节亚基的结构基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别 构中心结合，从而解除反馈抑制，积累末端产物；
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（二）反馈阻遏作用的解除：实质是使调节基因蛋白不再与末端产物相结合， 或结合后的复合物不能同操纵基因结合，从而解除了末端产物对酶合 成的阻遏；
① 酶活性的激活（activation）
前体激活：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。
代谢中间产物的反馈激活：代谢中间产物对该代谢途径的 前面的酶起激活作用。
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2、酶活性的调节（细调）
② 酶活性的抑制（inhibition）：大多是反馈抑制
A. 无分支代谢途径的调节：通常是在线形的代谢途
环化②酶的酶活合性成，的导阻致遏cAM（Pr浓ep度re降ss低io，n coAfMenPz与yCmAePs的yn结th合e受sis阻），CAP 不能终被点活化产而物无反法馈结阻合至遏启：动合子成，代导致谢R过NA程聚中合，酶相无法关与酶启的动合序成列结被合过， 因此量乳终糖操点纵产子物表所达阻下降遏。。
PC OAA
akg
Glu
Mal
生物素对谷氨酸合成的影响
PEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Pyr：丙酮酸；AcCoA：乙酰辅酶A； OAA：草酰乙酸； α kg：α -酮戊二酸；Glu：谷氨酸；Mal：苹果 酸；PC：丙酮酸羧化酶
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例2：溶烷棒杆菌GL-21（甘油缺陷型）生产谷氨酸
PGDH
磷酸二羟丙酮
累积反馈抑制
58%
40%
D
E
Y
A
B
C
E1
F
G
Z
30%
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末端产物Y和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产 生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产 物的形成。当Y和Z同时过量，对E1产生的抑制作用则超过 各种末端产物单独过量时的抑制的总和。
超相加反馈抑制
90%
15%
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二、人工控制微生物代谢的手段
（一）生物合成途径的遗传控制
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢 通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高 细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
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1、代谢缺陷型菌株 2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸 3、产物降解酶缺失突变株 4、细胞膜组分的缺失突变
流向；
谷氨酸脱氢酶 + NADP+
催化谷氨酸的合成
谷氨酸脱氢酶 + NAD+
催化谷氨酸的分解
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2、由两种酶控制的逆单向反应
在生物体代谢的关键部位的某些反应，是由两种不同的 酶来催化的。即在一个“可逆”反应中，其中一个酶催 化正反应，另一种酶则催化逆反应。
如： 葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
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A结K构1和类例能H似积S：物D累（H黄苏的A色氨H调短V酸节）杆亚结菌基合抗的，α-结氨当构基然基-也β因-不羟突会基变同戊，苏酸不氨（能酸A与H结苏V合）氨，菌酸所株的
以能解除苏氨酸对AK1和HSDH的反馈抑制，因而积累苏氨 酸。
AK1
Asp AK2 Asp-P
AK3
HSDH Hse Asa
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本章要求
• 掌握初级与次级代谢的产物 • 掌握微生物代谢调节的方式 • 掌握酶活性被抑制的方式 • 了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学
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第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢
• 初级代谢及产物
对多数糖生、长蛋期白形质成、的核产酸物和是氨细基胞酸自等身。生长所必需的， 称为初级代谢产物或中间代谢产物。
D
E
Y
A
B
C
E1
F
G
Z
20%
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② 酶活性调节的分子机制
主要有两种理论解释：
别构调节理论（酶分子构象的改变）
别构酶除了具有与底物结合的催化中心外，还具有与调节 剂结合的调节中心。当酶与调节剂以非共价键结合后，酶
蛋酶白分的构子象的发化生学变修化饰，引理起论催（化酶中分心子改结变构，的从改而变引）起酶活
酶性的的共变价化修。饰是酶蛋白在修饰酶催化下，可与某些物质发 生共价键的结合或解离，从而导致调节酶的活化或抑制， 以控制代谢的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活 性）和去磷酸化（低活性）。
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（四）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。
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生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之
前有，利例增于加谷1：生氨谷物酸氨素的酸有合棒利成杆于；菌丙（酮生酸物的素羧缺化陷产型生）草生酰产乙谷酸氨，酸进而
生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的 辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再 经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂 的主P要EP成分，因P此y生r 物素可间A接cC地o影A 响细胞膜的透性。
乳糖操纵子
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乳糖操纵子的诱导机制
P R PO
z
ya
半乳糖苷酶 半乳糖苷渗透酶 半乳糖苷转乙酰基酶
2、酶活性的调节（细调）
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。酶活调节的影响因素包括：底物和产 物的性质和浓度、压力、pH、离子强度、辅助因子以及其 他酶的存在等等。特点是反应快速。
其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有 关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于 细胞核里。
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（二）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。
1、由一个关键酶控制的可逆反应
同一个酶可以通过不同的辅基（或辅酶）控制代谢物的
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（五）能荷调节
• 对利用ATP的途径（合成代谢）的酶活性或形成ATP 的途径（分解代谢）的酶活性的调节。
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二、微生物代谢调控机制
微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径 的相互协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微 生物进行发酵则需要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢 必须进行人工控制。
分解代谢物阻遏：可被组成酶快速利用的基质，阻遏了分 解难利用基质的酶的合成。
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1、酶合成的调节（粗调）
③酶合成调节的遗传机制：操纵子学说
操纵子是指基因组DNA分子的一个片段，这个片断 由启动子、调节基因、操纵基因和结构基因组成。 诱导型操纵子：效应物存在导致基因表达。 阻遏型操纵子：效应物存在导致基因表达的关闭。
Thr Met
Lys
Asp：天门冬氨酸；Asp-P：天门冬氨酰磷酸；Asa：天门冬氨酸半醛； Hse：高丝氨酸；Thr：苏氨酸；Met：甲硫氨酸；Lys：赖氨酸；AK： 天门冬氨酸激酶；HSDH：高丝氨酸脱氢酶
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将诱变处理后的菌种接种到完全培养基上，生成的菌落再 以影印法分别接种到含葡萄糖培养基和以产物作为唯一碳 源的培养基上。在后一种培养基上不能生长的菌落就是缺 乏产物降解酶的变异株。 3、产物降解酶缺失突变株
抑制
抑制
D
E
Y
E3
E1
A
B
C
E2
E4 F
G
Z
抑制
抑制
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末端产物Y和Z单独过量，对途径中第一个酶E1无抑制作用， 只有Y和Z同时过量，才能对E1具有抑制作用。另两个控制 点的酶E2和E3分别被Y和Z所抑制。
协同反馈抑制
抑制
抑制
D
E
Y
E2
A
B
C
E1
E3
F
G
Z
抑制
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末端产物Y和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产 生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产 物的形成。只有当Y和Z同时过量，才能对E1产生较大的抑 制作用。
有的代谢产物由于相应降解酶的存在而在发酵液中不能稳定存在，因 此可通过诱变获得缺乏降解产物的酶的菌株使发酵单位提高。
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4、细胞膜组分的缺失突变
以前经常提到反馈抑制和反馈阻遏，都是由于末端 产物的浓度过高引起的。利用细胞膜组分的缺失突 变使细胞膜的透性增大，可使代谢产物易于分泌到 胞外，从而达到解除末端产物抑制或阻遏的目的。