1.改变代谢途径
改变分支途径流向，阻断其他产物合成，提高目标 产物产量。 ①加速限速反应
如：头孢霉素C的代谢工程菌的构建。青霉素N积累，下一酶克隆、导
入、产量上升25％；
②改变分支途径流向
提高目的产物支路的酶活性，占据优势、提高产量；
③构建代谢旁路
将抑制物分解或转化成影响小的其他物质；如：乙酸→乙醇（乳酸）。
第三章 微生物的代谢调节 和代谢工程
提纲
微生物的代谢调节类型和自我调 节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
微生物的代谢调节和代谢工程
微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的 代谢调节（regulation of metabolism）系统，
四、分支生物合成途径的调节
1.同 功 酶 调 节：催化相同反应，但酶分子结构有差异； 2.协同反馈调节：一个不能少；
3.累加反馈调节：按比例累加，无协同效应，无拮抗作用；
4.增效反馈调节：1+1＞2； 5.顺序反馈调节：按①→②→③顺序逐步抑制； 6.联合激活或抑制调节：途径产物各自调节，同一中间产
物
7.酶的共价修饰：一酶两形式，活力有差异，关键在有无共
价连接物（腺苷酰基）。
五、能荷调节
细胞的能荷计算式：
[ATP]+1/2[ADP] 能荷=—————————— [ATP]+ [ADP]+[AMP]
能荷高时，ATP的酶合成系统受抑制， ATP消耗酶系统被活化。 呈抑制与活化的中间状态的能荷大约是 0.85，此时两种酶系统达到平衡。
初级代谢产物的调节
A有共用合成途径，反馈抑制；B初产物参与次合成，自反馈而影响。
磷酸盐调节(高于10mmol/L抑制许多抗生素合成)
A抑制酶的作用；B导致细胞能荷变化；C竞争某些金属离子的作用。
八、代谢工程
代谢网络理论：
将细胞的生化反应以网络整体来考虑，而 不是孤立地来考虑。将代谢网络分流处的代谢 产物称为节点，对终产物合成起决定作用的少 数节点称主节点。根据节点下游分支的可变程 度，节点分为柔性、半柔性和刚性三类。 1.改变代谢途径 2.扩展代谢途径 3.转移或构建新的代谢途径
①将多基因酶克隆到不产目的产物的菌中， 使之获得产目的产物的能力。（建路） ②克隆少数基因，使原无关的两条途径联结， 形成新途径，产目的产物。（连路） ③将催化某一代谢途径的基因组克隆到另一 菌种中，使之发生代谢转移，产目的产物。 （改路）
本章知识结构
微生物的代谢调节类型和自我调节部位 ★诱导酶和组成酶 ★酶活性调节机制 ★酶合成调节的机制。 微生物其他调节 代谢工程
并非必需，但有一定价值；某一时产；不同种，不 同；受环境敏影响大；酶专一性不强。
2.次级代谢的调节类型
①酶合成的诱导调节 有些酶也是诱导酶，以底物或底物类似物（内 源、外源）为诱导剂。 ②反馈调节 次级代谢物的自身反馈抑制和反馈阻遏
末端产物反馈调节；生产能力与抑制浓度正相关。
分解代谢产物的调节
葡萄糖等一些碳、氮源及代谢产物有反馈抑制、阻遏作用。
酶活性调节：细，快； 酶量调节：粗，慢。 1、酶合成的诱导作用 ①组成酶：细胞内总是适量存在的，不依赖于 酶底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。 ②诱导酶：依赖于酶底物或底物结构类似物的 存在而合成的酶。其基因以隐性状态存在于染 色体中。
1、酶合成的诱导作用
诱导酶的合成需要诱导剂，它可是底 物，也可是底物的结构类似物。 一种酶可有多种诱导剂，其能力与诱 导剂的种类和浓度有关。 如：大肠杆菌在加入乳糖前β-半乳糖苷 酶的分子数为5个；加入后的1-2分钟内就 增加到5000个。（诱导作用，非激活作用）
如：1-5ml/L生物素控制膜中脂质合成； 青霉素抑制肽聚糖中肽链交联； 土温80或阳离子表面活性剂使壁中脂类流出； 控制Mn2+、Zn2+浓度干扰膜、壁形成；
②通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性：
筛选透性突变株。
3.菌种遗传特性的改变
营养缺陷型突变株；
营养缺陷型是指某一野生菌株因发生基因突变 而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的 能力，因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的 变异类型。 如赖氨酸发酵： 又如：利用谷氨酸棒状杆菌营养缺陷型（转氨甲 酰酶缺陷）突变株生产鸟氨酸。
3、酶合成调节的机制
操纵子模型：在DNA分子的不同区段上 至少有四种基因，即调节基因R（编码阻 遏物）、操纵基因O（阻遏物结合、控 制结构基因）、启动基因P（RNA聚合 酶结合位点）和结构基因S（转录 mRNA）。 操纵基因、启动基因和结构基因又 构成了操纵子。
3、酶合成调节的机制
①单一效应物调节：
②使用诱导物
可用底物或底物类似物有效增加诱导酶的产量。
③添加生物合成的前体
加前体，避开受抑制酶，大量合成终产物。
④培养基成分和浓度的控制
速效碳、氮源可能引起分解代谢阻遏。应与迟效碳、 氮源适量搭配。
2.改变细胞透性
①通过生理学手段控制细胞膜的渗透性： 培养基中加改变细胞透性物质，利于产物 分泌，避免反馈抑制。
2、酶活性调节的机制
①变构调节理论： 变构酶基础上提出，酶有催化和变构调节位 点。酶的多个亚基，多相同，也可不相同。 ②化学修饰调节理论： 变构酶与某物质共价结合而提高或降低活性。 如：柠檬酸裂解酶的乙酰化。 乙酰-酶+柠檬酸柠檬酸-S-酶+乙酸 柠檬酸-S-酶乙酰-酶+草酰乙酸
三、酶合成的调节
以确保上千种酶能准确无误、有条不紊和高度
协调地进行极其复杂的新陈代谢反应。
在发酵工业中，调节微生物生命活动的方法很
多，包括生理水平、代谢途径水平和基因调控
水平上的各种调节。
微生物的代谢调节和代谢工程
原则：经济合理地利用和合成所需的各种物
质和能量，使细胞处于平衡生长状态。
方式：反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、
二、酶活性的调节
代谢调节是指在代谢途径水平上酶活性 和酶合成的调节。 酶活性调节： 激活剂→酶激活作用； 抑制剂→酶抑制作用； 可以是外源物，也微生物代谢中，普遍存在酶既有激活作 用又有抑制作用的现象。 如：天门冬氨酸转氨甲酰酶受ATP激活， 受CTP抑制（终产物）。 大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有 激活剂和抑制剂（表3-1）。共同控制糖 代谢。
④改变能量代谢途径
不直接作用于合成途径，而在限氧条件下提高ATP产率、碳源转化率。
2.扩展代谢途径
引入外源基因后，使原来的代谢途径向 后延伸，产生新的末端产物； 如：2-KLG合成。 引入外源基因后，使原来的代谢途径向 前延伸，可利用新的原料。 如：啤酒酵母淀粉产乙醇。
3.转移或构建新的代谢途径
酶的共价修饰。
生产目的：高浓度地积累人们所期望的产物。
平衡→ 打破→ 建新平衡→高浓度地积累
办法：①育种，得到根本改变代谢的基因突变株；
②控制微生物培养条件，影响其代谢过程。 代谢工程：利用基因工程技术，扩展和构建、连接，形 成新的代谢流。（也称途径工程）
一、微生物的代谢类型和自我调节
1.代谢类型：分解代谢和合成代谢。 相互关联，相互制约。 细胞优先合成异化可维持更快生长的化合物 的酶。利用完后，再合成下一个酶。 2.微生物自我调节部位： ①细胞膜的屏障作用（多数亲水分子）和通道； ②控制通量，调节酶量和改变酶分子活性； ③限制基质的有形接近，可存在于不同细胞 器各个代谢库中，其酶量差别大。
3.菌种遗传特性的改变
抗反馈调节突变株；
抗反馈调节突变株是指一种对反馈抑制不敏 感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的 菌株。如苏氨酸发酵：
组成型突变株； 抗性突变株。
七、次级代谢与次级代谢调节
主要包括：抗生素、刺激素、生物碱、 维生素、色素、毒素等。 1.初级代谢和次级代谢
初级代谢：与生物生存有关的，涉及能量产生和能量消 耗的代谢类型。 生存必需；始终产；不同种，相同；环境敏感性 小；酶专一。 次级代谢：某些生物为避免某种代谢物积累造成不利作 用而产生的一类有利生存的代谢。
2、酶合成的阻遏
某种代谢物积累除抑制酶活性外，还可反馈阻 遏酶合成，降低反应速度。 ①末端产物阻遏： 常普遍存在与氨基酸、核苷酸生物合成途 径中。 ②分解代谢物阻遏： 如：“葡萄糖效应”。其代谢物阻遏“缓 慢利 用能源”酶的合成。并有一停滞期。 葡萄糖代谢阻遏实际上是其分解代谢物引 起的阻遏作用。
预习内容—微生物优良菌种 的选育
微生物优良生产菌种的特征 诱变选育菌种的分离 杂交选育方法。
基因工程技术
谢谢！！！！
负调节：调节基因R的产物阻止转录进行。 如：大肠杆菌乳糖操纵子； 正调节：R基因的产物在诱导物存在下，成为转录 激 活剂。 如：阿拉伯糖操纵子。
②两种效应物的共同调节：
白
乳糖操纵子的效应物（如：乳糖）和活化蛋 （如： CRP）的调节。
③弱化调节
大肠杆菌色氨酸合成操纵子的R、O、P 远离S，除阻遏调节外，有弱化调节方式。 色氨酸存在时，使转录未到终点时，80-90％ 转录停止。是通过弱化子实现的。 色氨酸贫乏时，核糖体停在UGG，2、3链配 对，聚合酶过，酶合成； 色氨酸充足时，转录至UGA（69-71），3、 4链配对，不利于RNA聚合酶过，酶不合成。
六、代谢调控
根据代谢调节理论，通过改变发酵工艺 条件(温度、PH、风量、培养基组成)和 菌种遗传特性，达到改变菌体内的代谢 平衡，过量产生所需产物的目的。 1.发酵条件的控制 2.改变细胞透性 3.菌种遗传特性的改变
1.发酵条件的控制
①各种发酵条件对微生物的影响
同菌种，同培养基，培养条件不同，可获不同代谢产物 （途径不同）。啤酒酵母，用葡萄糖，中性产乙醇，酸 性产CO2，碱性产甘油。