發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成

第二章工業(yè)微生物的生長繁殖與產(chǎn)物的生物合成第二章工業(yè)微生物的生長繁殖1有較高的生長繁殖速度和很高的生物合成活動；代謝多樣性，尤其是次級代謝產(chǎn)物；適應(yīng)性強，容易適應(yīng)多種環(huán)境。微生物發(fā)酵的重要經(jīng)濟產(chǎn)品微生物細胞：酵母，生物殺蟲劑等；生物大分子：酶，多糖，核酸，蛋白質(zhì)等；代謝產(chǎn)物：氨基酸，維生素，抗生素，色素等；轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：乙醇，有機酸，甾體激素轉(zhuǎn)化。微生物發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化有較高的生長繁殖速度和很高的生物合成活動；微生物發(fā)酵的重要經(jīng)2微生物的生長繁殖和分化受遺傳特性和環(huán)境條件的變化的影響。微生物細胞的分化與次級代謝產(chǎn)物的生物合成密切相關(guān)。因而需要了解發(fā)酵菌株的生長繁殖特性與分化的規(guī)律，了解產(chǎn)物合成的基本特性及影響因素，從而更好應(yīng)用于研究、生產(chǎn)和實踐。

——本章學(xué)習(xí)的目的微生物的生長繁殖和分化受遺傳特性和環(huán)境條件的變化的影響。3發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成4發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成51、細菌細菌靠簡單的橫向無性二等分分裂進行生殖，這種生殖方式叫做裂殖。在適宜的環(huán)境下，細菌只需20～30min就能繁殖一代。1、細菌62、放線菌營養(yǎng)方式—放線菌的菌絲分為營養(yǎng)菌絲和氣生菌絲。它靠營養(yǎng)菌絲吸收營養(yǎng)物質(zhì)，營腐生生活。生殖方式—當生長發(fā)育到一定時期時，氣生菌絲頂端長出孢子絲，形成孢子。孢子散落出去，在適宜的條件下，萌發(fā)成新的菌絲體。2、放線菌73、霉菌霉菌的生長繁殖：以有性或無性孢子或菌絲片段繁殖，大多數(shù)以無性孢子繁殖為主，生長易受環(huán)境影響。3、霉菌8發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成9菌絲球菌絲球104、酵母多以出芽繁殖。啤酒酵母正在出芽繁殖4、酵母啤酒酵母正在出芽繁殖11發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成12延滯期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期時間細菌數(shù)目的對數(shù)某種細菌的生長曲線二、微生物生長曲線延滯期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期時間細菌數(shù)目的對數(shù)某種細菌的生長曲線13延滯期（適應(yīng)期）特點：菌體體積增大較快，菌體內(nèi)部代謝活躍。初級代謝產(chǎn)物合成，誘導(dǎo)酶開始合成。延滯期（適應(yīng)期）特點：菌體體積增大較快，菌體內(nèi)部代14對數(shù)期

特點：細菌個體形態(tài)、化學(xué)組成和生理特性等均較穩(wěn)定，代謝旺盛、生長迅速、是研究微生物基本代謝的良好材料。在生產(chǎn)上用作“種子”。平衡生長細菌數(shù)量或細胞物質(zhì)隨時間呈對數(shù)增加，每個細胞組成成分按比例增大，處于這一時期的細胞數(shù)量增加速率與單位體積中細胞數(shù)量或質(zhì)量或細胞成分按比例增加。對數(shù)期特點：細菌個體形態(tài)、化學(xué)組成和生理特性平衡生長15穩(wěn)定期

特點：活菌數(shù)達到最高。代謝產(chǎn)物大量積累，如毒素、抗生素、以及芽胞開始形成。穩(wěn)定期特點：活菌數(shù)達到最高。16衰亡期

特點：細胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，甚至產(chǎn)生畸形，細胞大小懸殊。細菌代謝活性降低，細菌衰老并出現(xiàn)解體，產(chǎn)生或釋放出一些產(chǎn)物。衰亡期特點：細胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，甚至產(chǎn)生畸17延滯期的長短與菌種的遺傳特性、菌種的生長階段、培養(yǎng)基的成分等有關(guān)。思考：在工業(yè)發(fā)酵過程中，我們希望縮短延滯期的時間，你認為可能的方法有哪些？延滯期的長短與菌種的遺傳特性、菌種的生長階段、培養(yǎng)基的成分等18①種齡：利用對數(shù)生長期的細胞作為“種子”；②培養(yǎng)基成份：盡量減少接種前后培養(yǎng)基組分的差異；③接種量：適當擴大接種量?？s短延滯期一般措施①種齡：利用對數(shù)生長期的細胞作為“種子”；縮短延滯期一般措施19微生物發(fā)酵過程通常用群體來表示，微生物群體生長速率反映群體生物量的生長速率。在液體培養(yǎng)基中微生物群體的生長包括細胞體積的增大和群體細胞數(shù)量的增加。涉及到兩個概念：生長速率μx和比生長速率μ。三、微生物的群體生長微生物發(fā)酵過程通常用群體來表示，微生物群體生長速率反映群體生201、生長速率和比生長速率生長速率μx表示單位體積、單位時間里生長的菌體量（干重）。比生長速率μ表示單位細胞濃度的菌體生長速率。1、生長速率和比生長速率生長速率μx表示單位體積、單位時間里21分批發(fā)酵過程中比生長速率的變化分批發(fā)酵過程中比生長速率的變化222、生長曲線的實踐意義：微生物發(fā)酵的搖瓶實驗、中試以及上大罐發(fā)酵的理論基礎(chǔ)。在微生物的生長過程中，延滯時間、比生長速率和總生長量有重要參考意義。*細菌比生長速率μ與生長基質(zhì)濃度之間關(guān)系：μ=μm[S/(Ks+S)]—Monod公式μm：最大比生長速率；S：基質(zhì)濃度；Ks：μ為μm一半時的基質(zhì)濃度。當S很大時，Ks+S=S，μ=μm；當S很小時，Ks+S=Ks，μ=(μm/Ks)S2、生長曲線的實踐意義：微生物發(fā)酵的搖瓶實驗、中試以及上大233連續(xù)培養(yǎng)：以一定方式使細菌能以恒定的μ值進行生長，并使這種生長連續(xù)下去。細菌的μ值與營養(yǎng)物質(zhì)濃度有關(guān)，通過控制基質(zhì)濃度來控制細菌的μ值。連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)生產(chǎn)上可縮短生產(chǎn)周期，但是染菌機會增大。3連續(xù)培養(yǎng)：以一定方式使細菌能以恒定的μ值進行生長，并使24第二節(jié)微生物的分化第二節(jié)微生物的分化25分化的概念分化定義：細胞在一定條件下朝不同方向發(fā)展，使其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能發(fā)生一系列變化，最終導(dǎo)致產(chǎn)生不同形態(tài)類型的細胞。包括：①從一種營養(yǎng)菌體分化為另一種形態(tài)的營養(yǎng)菌體；②孢子形成：芽胞桿菌的內(nèi)生孢子，啤酒酵母子囊孢子，曲霉菌的分生孢子。細胞的分化受到遺傳因素和環(huán)境因素的相互作用所控制。細胞的分化潛力決定于遺傳因子，但分化同環(huán)境條件密切相關(guān)。分化的概念分化定義：細胞在一定條件下朝不同方向發(fā)展，使其形態(tài)26一、微生物的營養(yǎng)體分化一種形態(tài)的營養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或幾種形態(tài)的營養(yǎng)細胞。營養(yǎng)體分化與環(huán)境條件變化相關(guān)，是機體對環(huán)境條件的一種應(yīng)答，當環(huán)境條件改變后，一種形態(tài)的營養(yǎng)細胞就啟動與營養(yǎng)體分化有關(guān)的基因表達，代謝方式發(fā)生改變。營養(yǎng)體的分化可隨環(huán)境條件的恢復(fù)而逆向進行。一、微生物的營養(yǎng)體分化一種形態(tài)的營養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或幾種形271、成晶節(jié)桿菌細胞形態(tài)的轉(zhuǎn)變細胞形態(tài)受培養(yǎng)基組成的控制，溫度、pH和氧氣對其無影響。

在新鮮培養(yǎng)上，球形→桿狀轉(zhuǎn)變；當條件不適宜時桿狀→球形轉(zhuǎn)變。細胞形態(tài)取決于細胞壁。節(jié)桿菌的桿狀細胞與球形細胞的細胞壁厚度不同，桿狀細胞的細胞壁無三層結(jié)構(gòu)。在肽聚糖的構(gòu)成方式上，二種形態(tài)的細胞之間存在差異。1、成晶節(jié)桿菌細胞形態(tài)的轉(zhuǎn)變282根瘤菌的形態(tài)分化1)根瘤菌細胞形態(tài)轉(zhuǎn)變根瘤菌：桿狀、周生鞭毛、G-；從根部進入植物細胞后，桿狀細胞發(fā)育為膨大的類菌體。不同植物中所形成的類菌體形態(tài)不同。2根瘤菌的形態(tài)分化293絲狀藍細菌的形態(tài)分化[異形胞]1)異形胞的分化：藍細菌的營養(yǎng)細胞行光合作用，無固氮作用，當缺乏氮源時，特定的營養(yǎng)細胞可以分化為具有固氮作用的異形胞，其存在光合系統(tǒng)Ⅰ，產(chǎn)生ATP供固氮之用。2)靜止細胞的分化：營養(yǎng)細胞變?yōu)楹癖诩毎瑢Νh(huán)境因子具有一定抗性，可回復(fù)萌發(fā)。3絲狀藍細菌的形態(tài)分化[異形胞]304毛霉和酵母菌的二型態(tài)二型態(tài)：在不同生長條件下，真菌營養(yǎng)體呈現(xiàn)二種不同的細胞形態(tài)，絲狀(M)或酵母狀(Y)。M與Y二種形態(tài)在一定條件下可互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變后的細胞結(jié)構(gòu)、代謝途徑、生長方式均發(fā)生變化。1)毛霉二型態(tài)在厭氧條件下毛霉以酵母狀細胞生長，出芽繁殖。4毛霉和酵母菌的二型態(tài)31二、微生物的孢子形成微生物在非適宜條件下可以產(chǎn)生一種特化細胞spore：細菌芽孢、藍細菌靜止孢子、放線菌孢子、毛霉孢囊孢子、白地霉節(jié)孢子、假絲酵母厚垣孢子、粘細菌的粘孢子、腐霉卵孢子、根霉接合孢子、子囊菌的子囊孢子、擔子菌的擔孢子等。生態(tài)學(xué)上，孢子是對不良條件反應(yīng)的結(jié)果，具有較高抗性；生理學(xué)上，孢子是繁殖體[細菌芽孢除外]。二、微生物的孢子形成微生物在非適宜條件下可以產(chǎn)生一種特32芽孢發(fā)育循環(huán)芽孢發(fā)育循環(huán)33第三節(jié)微生物代謝產(chǎn)物第三節(jié)微生物代謝產(chǎn)物34初級代謝微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級代謝。一類與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。初級代謝微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝35次級代謝相對于初級代謝而言，次級代謝是指微生物在一定的生長時期（一般在穩(wěn)定期），以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質(zhì)的過程。通過次級代謝合成的產(chǎn)物通常稱為次級代謝產(chǎn)物，大多是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。根據(jù)其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。次級代謝相對于初級代謝而言，次級代謝是指微生物在一定的生長時36一、微生物合成的初級代謝產(chǎn)物1糖類合成1)單糖合成：EMP的逆行合成6-P-葡萄糖→多糖合成葡萄糖的前體物質(zhì)：丙酮酸、草酰乙酸、PEP、3-P-甘油醛等。2)多糖合成：同多糖-糖原、纖維素、甲殼質(zhì)、多聚葡萄糖、多聚果糖等；雜多糖-肽聚糖、脂多糖、透明質(zhì)酸等。一、微生物合成的初級代謝產(chǎn)物1糖類合成372脂類合成1)脂肪酸合成：[C12-C18]，飽和/不飽和脂肪酸2)脂肪和磷脂合成3)甾醇合成3生物固氮4氨基酸合成NH3來源：吸收、含氮物分解、固氮、NO3-還原；初生氨基酸：α-酮酸的轉(zhuǎn)氨作用，次生氨基酸：以初生氨基酸為前體合成的氨基酸2脂類合成385核苷酸合成6核酸合成7蛋白質(zhì)合成8其它生物活性物質(zhì)的合成CoA的合成；煙酰胺合成；黃素核苷酸合成；吡咯環(huán)合成等5核苷酸合成39二、微生物合成的次級代謝產(chǎn)物（一）次級代謝產(chǎn)物的基本特征1、次級代謝產(chǎn)物具有種特異性初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。次級代謝只存在于某些生物中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因不同生物而不同，甚至同種生物也會由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。二、微生物合成的次級代謝產(chǎn)物（一）次級代謝產(chǎn)物的基本特征40不同的微生物可產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。青霉合成青霉素芽孢桿菌合成桿菌肽鏈霉菌合成鏈霉素相同的微生物在不同條件下產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物。不同的微生物可產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。41產(chǎn)黃青霉在Raulin培養(yǎng)基中合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。灰黃青霉在Czapek—Dox培養(yǎng)基上培養(yǎng)時合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)時則合成褐菌素（fulvicacid）。Raulin培養(yǎng)基（%）：葡萄糖5酒石酸0.27酒石酸銨0.27磷酸氫二銨0.04硫酸鎂0.027硫酸銨0.017硫酸鋅0.005硫酸亞鐵0.005Czapek—Dox培養(yǎng)基（%）：葡萄糖5硝酸鈉0.2磷酸氫二鉀0.1氯化鉀0.05硫酸鎂0.05硫酸亞鐵0.001產(chǎn)黃青霉在Raulin培養(yǎng)基中合成青霉酸。但在Czapek—422、分批發(fā)酵時，產(chǎn)物菌生長周期分為三個時期出現(xiàn)明顯的菌體生長期，產(chǎn)物合成期和菌體自溶期。由生長期向生產(chǎn)期過渡時，菌體形態(tài)會有所變化。2、分批發(fā)酵時，產(chǎn)物菌生長周期分為三個時期433、次級代謝產(chǎn)物往往是母核結(jié)構(gòu)相同的混合物次級代謝產(chǎn)物的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導(dǎo)致產(chǎn)生各種各樣的次級代謝產(chǎn)物。每種類型的次級代謝產(chǎn)物往往是一群化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似的不同成分的混合物。新霉素有4種、桿菌肽有10多種、多粘菌素有10多種、放線菌素有20多種。3、次級代謝產(chǎn)物往往是母核結(jié)構(gòu)相同的混合物44發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成454、對環(huán)境條件變化敏感和代謝不穩(wěn)定性初級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件的變化敏感性小（即遺傳穩(wěn)定性大），而次級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)境條件變化而停止或改變。次級代謝產(chǎn)物的合成過程是一類由多基因（基因簇）控制的代謝過程；這些基因不僅位于微生物的染色體中，也位于質(zhì)粒中，且后者的基因在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中往往起主導(dǎo)作用。4、對環(huán)境條件變化敏感和代謝不穩(wěn)定性46AzinomycinB生物合成基因簇的克隆AzinomycinB是一種具有良好抗腫瘤活性、功能基團高度密集的復(fù)雜天然產(chǎn)物。AzinomycinB生物合成基因簇的克隆Azinomy475、相關(guān)酶的專一性不強相對來說催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的前體物時，往往可以導(dǎo)致機體合成不同類型的次級代謝產(chǎn)物。5、相關(guān)酶的專一性不強48三、初級代謝和次級代謝關(guān)聯(lián)緊密初級代謝是次級代謝的基礎(chǔ)，它可以為次級代謝產(chǎn)物合成提供前體物和所需要的能量；初級代謝產(chǎn)物合成中的關(guān)鍵性中間體也是次級代謝產(chǎn)物合成中的重要中間體物質(zhì)。次級代謝則是初級代謝在特定條件下的繼續(xù)與發(fā)展，避免初級代謝過程中某些中間體或產(chǎn)物過量積累。三、初級代謝和次級代謝關(guān)聯(lián)緊密49發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成50四、次級代謝產(chǎn)物的類型1根據(jù)產(chǎn)物合成途徑區(qū)分1)直接由葡萄糖合成的次級代謝產(chǎn)物：鏈霉素、新霉素等；2)由預(yù)苯酸合成芳香族次級代謝產(chǎn)物：氯霉素、新生霉素、四環(huán)素等；3)由磷酸戊糖合成的次級代謝產(chǎn)物：狄霉素、嘌呤霉素等；4)由脂肪酸為前體合成的次級代謝產(chǎn)物：聚乙炔、脂肪酸、β-多酮、紅霉素等；四、次級代謝產(chǎn)物的類型515)與萜烯和甾體有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：煙曲霉素、赤霉素、β-胡蘿卜素等；6)與TCA有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：α-酮戊二酸→戊烯酸；烏頭酸→衣康酸等；7)與氨基酸有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：環(huán)Ser、氮Ser、口磨氨酸、曲霉酸、支霉粘素、放線菌素、多粘菌素、桿菌肽、麥角生物堿等。5)與萜烯和甾體有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：煙曲霉素、赤霉素、β-522根據(jù)產(chǎn)物的功能作用區(qū)分類型1)抗生素：發(fā)現(xiàn)約7000種，產(chǎn)生來源—放線菌、霉菌為主要二大類；2)激素：次級動植物生長，如赤霉素等；3)生物堿：麥角生物堿等；4)毒素：破傷風(fēng)毒素、白喉毒素、肉毒毒素、黃曲霉素、蘑菇毒素等；2根據(jù)產(chǎn)物的功能作用區(qū)分類型535)色素：細菌、放線菌和霉菌均可以產(chǎn)生水溶性或脂溶性色素；6)維生素：丙酸菌產(chǎn)生VB12、分枝桿菌產(chǎn)生吡哆素和煙酰胺、假單胞菌產(chǎn)生生物素、霉菌產(chǎn)生VB2和β-胡籮卜素等。5)色素：細菌、放線菌和霉菌均可以產(chǎn)生水溶性或脂溶性色素；54(三)次級代謝的生理功能1次級代謝可以維持初級代謝的平衡；2次級代謝產(chǎn)物是貯存物質(zhì)的一種形式；3使菌體在生存競爭中占據(jù)優(yōu)勢；4與細胞分化有關(guān)：產(chǎn)生孢子的微生物一般都產(chǎn)生抗生素，孢子形成抑制劑也抑制抗生素的形成。(三)次級代謝的生理功能55五、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位和和生物合成五、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位和和生物合成56（一）次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位1、聚酮體（乙酰輔酶A，丙酰輔酶A，丁酰輔酶A；丙二酰輔酶A，甲基丙二酰輔酶A，甲基丙二酰輔酶A；單一構(gòu)建單位聚合，多種構(gòu)建單位聚合,如脂肪酸、四環(huán)類抗生素、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的大環(huán)類酯的合成）聚酮化合物是一大類由細菌、真菌和植物將低級羧酸通過連續(xù)的縮合反應(yīng)產(chǎn)生的天然產(chǎn)物，它包括許許多多具有抑制細菌(如紅霉素、四環(huán)素)、真菌(如灰黃霉素、兩性霉素)、寄生蟲(如avermectin、奈馬克丁)、癌癥(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同時還具有免疫抑制劑的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、畜牧和農(nóng)業(yè)。（一）次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位1、聚酮體（乙酰輔酶A，丙酰輔酶572、甲羥戊酸（異戊二烯，甾醇，胡蘿卜素，萜類，生物堿的合成）3、糖類和氨基糖（O-糖苷，S-糖苷，N-糖苷，C-糖苷，如鏈霉素，大環(huán)類脂類分子中的糖胺等）4、不常見的氨基酸（D-氨基酸，N甲基氨基酸，二氨基酸5、環(huán)多醇和氨基環(huán)多醇6、非核酸的嘌呤和嘧啶堿基2、甲羥戊酸（異戊二烯，甾醇，胡蘿卜素，萜類，生物堿的合成）58四、次級代謝產(chǎn)物生物合成的基本過程1、構(gòu)建單位的聚合2、次級代謝產(chǎn)物的修飾3、次級代謝產(chǎn)物合成中的關(guān)鍵酶四、次級代謝產(chǎn)物生物合成的基本過程1、構(gòu)建單位的聚合59第4節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)第4節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)60微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證61一、初級代謝的調(diào)控機制微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，例如:①調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞膜而進入細胞的能力；②限制基質(zhì)的有形接近（代謝庫），通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近；③調(diào)節(jié)代謝流等。其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達到最佳調(diào)節(jié)效果。一、初級代謝的調(diào)控機制微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，例如62工業(yè)生產(chǎn)中：利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。工業(yè)生產(chǎn)中：63（一）酶活性的調(diào)節(jié)

酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)，它是通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物的合成速率，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。酶活性的激活系指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進。（一）酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種64酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物651、反饋抑制的類型

（1）直線式代謝途徑中的反饋抑制蘇氨酸脫氨酶蘇氨酸α-酮丁酸異亮氨酸異亮氨酸合成途徑中的直線式反饋抑制1、反饋抑制的類型（1）直線式代謝途徑中的反饋抑制蘇氨酸脫66在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜。為避免在一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物已發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。（2）分支代謝途徑中的反饋抑制在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜。（2）分支代謝途徑67A、同功酶調(diào)節(jié)同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個個體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)節(jié)。在一個分支代謝途徑中，如果在分支點以前的一個較早的反應(yīng)是由幾個同功酶所催化時，則分支代謝的幾個最終產(chǎn)物往往分別對這幾個同功酶發(fā)生抑制作用。A、同功酶調(diào)節(jié)68發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成69B、協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個末端產(chǎn)物同時過量時才能抑制共同途徑中的第一個酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。B、協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個末端產(chǎn)物同時過量時才70C、累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制共同途徑中前面的酶，所以當幾種末端產(chǎn)物共同存在時，它們的抑制作用是累積的。C、累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制71D、增效（合作）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。D、增效（合作）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起72E、順序反饋抑制：當E過多時，可抑制C→D，這時由于C的濃度過大而促使反應(yīng)向F、G方向進行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過多就抑制了C→F，結(jié)果造成C的濃度進一步增高。C過多又對A→B間的酶發(fā)生抑制，從而達到了反饋抑制的效果。這種通過逐步有順序的方式達到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制。E、順序反饋抑制：當E過多時，可抑制C→D，這時由于C的濃度73（二）酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。凡能促進酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。（二）酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進而74與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其優(yōu)點則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時存在且密切配合、協(xié)調(diào)進行的。與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而751、酶合成調(diào)節(jié)的類型

（1）誘導(dǎo)根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。

誘導(dǎo)酶是細胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。能促進誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。

1、酶合成調(diào)節(jié)的類型（1）誘導(dǎo)76乳糖誘導(dǎo)效應(yīng)大腸桿菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生長乳糖誘導(dǎo)效應(yīng)大腸桿菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生長77發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成78酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)，即當誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到E．coli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導(dǎo)出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)，即當誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時或幾79（2）阻遏在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式來抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。（2）阻遏80A、末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應(yīng)途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。常常發(fā)生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要結(jié)構(gòu)元件生物合成中。A、末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏81對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，僅一種底物過量無阻遏作用，此即稱多價阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當?shù)臐舛?。對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合82B、分解代謝物阻遏分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現(xiàn)象。細胞內(nèi)同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結(jié)果，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。B、分解代謝物阻遏分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，832、酶合成調(diào)節(jié)的機制

（1）操縱子:指的是一組功能上相關(guān)的基因，它是由啟動基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因三部分組成。啟動基因是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點；操縱基因是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進行；2、酶合成調(diào)節(jié)的機制（1）操縱子:指的是一組功能上相關(guān)的84結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的mRNA，然后再可通過核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個mRNA分子。結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)85操縱子分兩類:一類是誘導(dǎo)型操縱子，只有當存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。另一類是阻遏型操縱子，只有當缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。

操縱子分兩類:86（2）調(diào)節(jié)基因用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因。調(diào)節(jié)基因一般位于相應(yīng)操縱子的附近。（3）效應(yīng)物

是一類低分子量的信號物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。（2）調(diào)節(jié)基因87（4）調(diào)節(jié)蛋白

是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個特殊位點，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點則可與效應(yīng)物相結(jié)合。當調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會降低其結(jié)合能力。調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時與操縱基因相結(jié)合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時才能與操縱基因相結(jié)合。（4）調(diào)節(jié)蛋白88操縱子及調(diào)節(jié)基因示意圖操縱子及調(diào)節(jié)基因示意圖89乳糖操縱子模型有乳糖時：乳糖作為一種效應(yīng)物與阻遏物結(jié)合，使其變構(gòu)，不能與O結(jié)合，從而轉(zhuǎn)錄進行，合成乳糖酶,分解乳糖。無乳糖時：細胞內(nèi)產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合在操縱基因上，轉(zhuǎn)錄不能進行。乳糖操縱子模型有乳糖時：乳糖作為一種效應(yīng)物與阻遏物結(jié)合，使其90CAP-cAMP對轉(zhuǎn)錄的正調(diào)節(jié)CAP-cAMP對轉(zhuǎn)錄的正調(diào)節(jié)91反饋阻遏與反饋抑制的特點比較調(diào)控項目反饋類型反饋阻遏反饋抑制調(diào)控水平DNA，mRNA，酶，轉(zhuǎn)錄水平酶分子的變構(gòu)反饋調(diào)控信號終產(chǎn)物濃度，分解代謝產(chǎn)物終產(chǎn)物濃度調(diào)控方式終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和力終產(chǎn)物與變構(gòu)部位親和力調(diào)控作用機制阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄通過變構(gòu)效應(yīng)，調(diào)節(jié)酶活性控制的方式開、關(guān)控制酶活性有無與大小控制調(diào)控反應(yīng)速度緩慢、滯后、較粗放的控制迅速與較精確的控制反饋阻遏與反饋抑制的特點比較調(diào)控項目反饋類型反饋阻遏反饋抑92（三）能荷調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)：在有氧情況下，由于呼吸作用，酒精產(chǎn)量大大下降，糖的消耗速率大幅減慢。能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]（三）能荷調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)：能荷=[ATP]+1/2[ADP]93

通氧[ATP][檸檬酸]能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]基團移位吸收葡萄糖速率通氧[ATP][檸檬酸]能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶94二、初級代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)在直線式的合成途徑中，營養(yǎng)缺陷型突變株只能累積中間代謝物而不能累積最終代謝物。但在分支代謝途徑中，通過解除某種反饋調(diào)節(jié)，就可以使某一分支途徑的末端產(chǎn)物得到累積。二、初級代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用（一）應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株95A→B→C→D→E→F→G→Y*

[Y*是終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類似物，為具有反饋作用而不具備生理功能的物質(zhì)]誘變細胞后直接涂布于含抗代謝物[反饋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)類似物]平板上，挑取生長菌落。A→B→C→D→E→F→G→Y*96篩選高絲氨酸缺陷型的谷氨酸棒桿菌菌株，在補給適量的高絲氨酸（或蘇氨酸和甲硫氨酸）的條件下，在含有較高糖分和銨鹽的培養(yǎng)基上，能產(chǎn)生大量的賴氨酸。篩選高絲氨酸缺陷型的谷氨酸棒桿菌菌株，在補給適量的高絲氨酸（97（二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。（二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)98鈍齒棒桿菌在含蘇氨酸和異亮氨酸的結(jié)構(gòu)類似物（α-氨基β-羥基戊酸，AHV）的培養(yǎng)基上時，抑制該菌的正常生長。誘變后獲得的抗AHV突變株進行發(fā)酵，就能分泌較多的蘇氨酸和異亮氨酸。原因是高絲氨酸脫氫酶或蘇氨酸脫氫酶和二羧酸脫水酶的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，不再受蘇氨酸或異亮氨酸的反饋抑制。鈍齒棒桿菌在含蘇氨酸和異亮氨酸的結(jié)構(gòu)類似物（α-氨基β-羥基99（三）控制細胞膜的滲透性

微生物的細胞膜對于細胞內(nèi)外物質(zhì)的運輸具有高度選擇性。細胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過反饋阻遏限制了它們的進一步合成。采取生理學(xué)或遺傳學(xué)方法，可以改變細胞膜的透性，使細胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏到細胞外。這種解除末端產(chǎn)物反饋抑制作用的菌株，可以提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

（三）控制細胞膜的滲透性100在氨基酸生產(chǎn)工業(yè)中：1、生物素缺陷型在脂肪酸生物合成途徑中，由乙酰輔酶A羧化成丙二酸單酰輔酶A的反應(yīng)是一個限速步驟，該反應(yīng)需要生物素作輔酶。選育生物素營養(yǎng)缺陷型菌株，使細胞中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的合成受阻，從而影響到磷脂的合成。在培養(yǎng)時限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度來調(diào)節(jié)透性。在氨基酸生產(chǎn)工業(yè)中：1012、油酸缺陷型油酸缺陷型菌株和甘油缺陷型菌株限制細胞膜磷脂中不飽和脂肪酸的合成，使細胞膜缺損，可提高谷氨酸的產(chǎn)量。3、加入適量的青霉素，引起細胞壁的缺損，在細胞膨壓的作用下，有利于代謝產(chǎn)物的外滲。2、油酸缺陷型102第五節(jié)次生代謝產(chǎn)物

代謝調(diào)控機制第五節(jié)次生代謝產(chǎn)物

代謝調(diào)控機制103一、微生物次級代謝與初級代謝及生物合成抗生素的關(guān)系1．從菌體生化代謝方面分析許多抗生素的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級代謝產(chǎn)物是以初級代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨立的，而是與初級代謝途徑有密切關(guān)系的。糖代謝中間體，既可用來合成初級代謝產(chǎn)物，又可用來合成次級代謝產(chǎn)物，這種中間體叫做分支中間體。一、微生物次級代謝與初級代謝及生物合成抗生素的關(guān)系1．從菌1042、遺傳代謝方面分析初級代謝與次級代謝同樣都受到核內(nèi)DNA的調(diào)節(jié)控制，而次級代謝產(chǎn)物還受到與初級代謝產(chǎn)物生物合成無關(guān)的遺傳物質(zhì)的控制，即受核內(nèi)遺傳物質(zhì)(染色體遺傳物質(zhì))和核外遺傳物質(zhì)(質(zhì)粒)的控制。有一部分代謝產(chǎn)物的形成，取決于由質(zhì)粒信息產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑。由于這類物質(zhì)的形成直接或間接受質(zhì)體遺傳物質(zhì)的控制，因而產(chǎn)生了質(zhì)體遺傳的觀點。也有只由染色體DNA控制的抗生素產(chǎn)物。2、遺傳代謝方面分析105二、次節(jié)代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機制①受DNA控制的酶合成的調(diào)節(jié)機制，包括酶的誘導(dǎo)和酶的阻遏(有終點產(chǎn)物的阻遏和分解產(chǎn)物的阻遏)。②酶活性的調(diào)節(jié)機制，包括終點產(chǎn)物的抑制或活化，利用輔酶的酶活調(diào)節(jié)、酶原的活化。③細胞膜透性的調(diào)節(jié)。二、次節(jié)代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機制①受DNA控制的酶合成106在抗生素的生物合成途徑中，一方面抗生素本身的積累就能起反饋調(diào)節(jié)作用。另一方面初級代謝產(chǎn)物的中間產(chǎn)物是合成次級代謝產(chǎn)物的前體，而初級代謝產(chǎn)物的形成受到反饋調(diào)節(jié)，也必然影響抗生素的合成。在抗生素的生物合成途徑中，一方面抗生素本身的積累就能起反饋調(diào)1071初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)1)抗生素合成中的調(diào)節(jié)Lys對產(chǎn)黃青霉產(chǎn)生青霉素具有強烈抑制作用，α-氨基己二酸是Lys和青霉素合成的共同前體，可逆轉(zhuǎn)Lys的反饋抑制作用，刺激青霉素的合成。如選育出對Lys反饋抑制不敏感的菌株或是α-氨基己二酸→Lys阻斷，可得到青霉素高產(chǎn)菌株。1初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)1082、次生代謝中的誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋作用誘導(dǎo):1)鏈霉素合成中A因子的誘導(dǎo)作用；2)Met誘導(dǎo)頭孢菌素C的合成：促進胱硫醚-γ-裂解酶將半胱氨酸（CysH）轉(zhuǎn)入頭孢菌素C中；3)巴比妥的誘導(dǎo)作用：促進利福霉素的合成.反饋:1)自身反饋作用2)前體物質(zhì)反饋3)支路產(chǎn)物反饋抑制4)次級代謝產(chǎn)物的自身反饋阻遏2、次生代謝中的誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋作用109麥角生物堿合成中的調(diào)節(jié)

色氨酸（Trp）是合成麥角堿的前體之一，Trp合成途徑中的反饋調(diào)節(jié)可影響麥角生物堿的合成，Trp也是麥角堿合成的誘導(dǎo)劑，可調(diào)節(jié)麥角堿的過量生產(chǎn)。麥角生物堿合成中的調(diào)節(jié)110

3．磷酸鹽的調(diào)節(jié)在抗生素等多種次級代謝產(chǎn)物合成中，高濃度磷酸鹽表現(xiàn)出較強的抑制作用，稱為磷酸鹽調(diào)節(jié)。磷酸鹽不僅是菌體生長的主要限制性營養(yǎng)成分，還是調(diào)節(jié)抗生素生物合成的重要參數(shù)。其機制按效應(yīng)劑說有直接作用，即磷酸鹽自身影響抗生素合成，和間接作用，即磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其他效應(yīng)劑(如ATP、腺苷酸能量負荷和cAMP)，進而影響抗生素合成。3．磷酸鹽的調(diào)節(jié)在抗生素等多種次級代謝產(chǎn)物合成中，高濃度磷111發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成112已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對四環(huán)素、氨基糖苷類和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗生素的合成產(chǎn)生阻抑作用。PO43-抑制次生代謝產(chǎn)物合成，表現(xiàn)為：（1）抑制次生代謝產(chǎn)物前體形成；（2）阻遏次生代謝產(chǎn)物合成中某些關(guān)鍵酶的合成；（3）抑制堿性磷酸酶的合成；（4）改變菌體能荷狀態(tài)。已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對四環(huán)素、氨基糖苷類和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗113

4．碳分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代謝產(chǎn)物，對其他代謝中的酶(包括分解酶和合成酶)的調(diào)節(jié)。分為分解產(chǎn)物阻遏和抑制兩種。在次級代謝的生物合成一般是在葡萄糖等速效碳源耗至一定的濃度才開始合成。葡萄糖是菌體生長良好的碳源和能源，但對青霉素、頭孢菌素、卡那霉素、新霉素、絲裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用。4．碳分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的1145．氮分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)在初級代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，即被迅速利用的氮源(銨鹽、硝酸鹽和某些氨基酸)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸鹽還原酶、酰胺酶、脲酶、組氨酸酶)的合成。在次級代謝中，其阻遏作用也確實存在。在抗生素生產(chǎn)中使用黃豆餅粉就是由于它緩慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止或減弱氮分解代謝產(chǎn)物阻遏作用的結(jié)果。5．氮分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)在初級代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，即1156、ATP的調(diào)節(jié)作用四環(huán)素的生物合成過程中，菌體內(nèi)的ATP水平調(diào)節(jié)四環(huán)素的生物合成。其生物合成的前體丙二酰CoA。磷酸烯醇式丙酮酸→草酰乙酸→丙二酰CoAATP對磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和檸檬酸合成酶有抑制作用。6、ATP的調(diào)節(jié)作用四環(huán)素的生物合成過程中，菌體內(nèi)的AT1167、生長速率調(diào)節(jié)生長期，次級代謝產(chǎn)物合成酶受抑制或阻遏，次級代謝產(chǎn)物不能合成?？刂凭w比生長速率，能提高發(fā)酵水平。7、生長速率調(diào)節(jié)生長期，次級代謝產(chǎn)物合成酶受抑制或阻遏，次級117思考題在工業(yè)發(fā)酵過程中，縮短延滯期方法有哪些？比生長速率的定義及數(shù)學(xué)表達式？微生物的分化的定義及類型？次級代謝產(chǎn)物的基本特征？分支代謝途徑中的反饋抑制有哪些類型，這幾種類型分別是如何調(diào)節(jié)的？代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中有哪些應(yīng)用？抗生素的次級代謝調(diào)控機制有哪些？這些機制在工業(yè)生產(chǎn)有哪些應(yīng)用？思考題在工業(yè)發(fā)酵過程中，縮短延滯期方法有哪些？118第二章工業(yè)微生物的生長繁殖與產(chǎn)物的生物合成第二章工業(yè)微生物的生長繁殖119有較高的生長繁殖速度和很高的生物合成活動；代謝多樣性，尤其是次級代謝產(chǎn)物；適應(yīng)性強，容易適應(yīng)多種環(huán)境。微生物發(fā)酵的重要經(jīng)濟產(chǎn)品微生物細胞：酵母，生物殺蟲劑等；生物大分子：酶，多糖，核酸，蛋白質(zhì)等；代謝產(chǎn)物：氨基酸，維生素，抗生素，色素等；轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：乙醇，有機酸，甾體激素轉(zhuǎn)化。微生物發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化有較高的生長繁殖速度和很高的生物合成活動；微生物發(fā)酵的重要經(jīng)120微生物的生長繁殖和分化受遺傳特性和環(huán)境條件的變化的影響。微生物細胞的分化與次級代謝產(chǎn)物的生物合成密切相關(guān)。因而需要了解發(fā)酵菌株的生長繁殖特性與分化的規(guī)律，了解產(chǎn)物合成的基本特性及影響因素，從而更好應(yīng)用于研究、生產(chǎn)和實踐。

——本章學(xué)習(xí)的目的微生物的生長繁殖和分化受遺傳特性和環(huán)境條件的變化的影響。121發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成122發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成1231、細菌細菌靠簡單的橫向無性二等分分裂進行生殖，這種生殖方式叫做裂殖。在適宜的環(huán)境下，細菌只需20～30min就能繁殖一代。1、細菌1242、放線菌營養(yǎng)方式—放線菌的菌絲分為營養(yǎng)菌絲和氣生菌絲。它靠營養(yǎng)菌絲吸收營養(yǎng)物質(zhì)，營腐生生活。生殖方式—當生長發(fā)育到一定時期時，氣生菌絲頂端長出孢子絲，形成孢子。孢子散落出去，在適宜的條件下，萌發(fā)成新的菌絲體。2、放線菌1253、霉菌霉菌的生長繁殖：以有性或無性孢子或菌絲片段繁殖，大多數(shù)以無性孢子繁殖為主，生長易受環(huán)境影響。3、霉菌126發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成127菌絲球菌絲球1284、酵母多以出芽繁殖。啤酒酵母正在出芽繁殖4、酵母啤酒酵母正在出芽繁殖129發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成130延滯期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期時間細菌數(shù)目的對數(shù)某種細菌的生長曲線二、微生物生長曲線延滯期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期時間細菌數(shù)目的對數(shù)某種細菌的生長曲線131延滯期（適應(yīng)期）特點：菌體體積增大較快，菌體內(nèi)部代謝活躍。初級代謝產(chǎn)物合成，誘導(dǎo)酶開始合成。延滯期（適應(yīng)期）特點：菌體體積增大較快，菌體內(nèi)部代132對數(shù)期

特點：細菌個體形態(tài)、化學(xué)組成和生理特性等均較穩(wěn)定，代謝旺盛、生長迅速、是研究微生物基本代謝的良好材料。在生產(chǎn)上用作“種子”。平衡生長細菌數(shù)量或細胞物質(zhì)隨時間呈對數(shù)增加，每個細胞組成成分按比例增大，處于這一時期的細胞數(shù)量增加速率與單位體積中細胞數(shù)量或質(zhì)量或細胞成分按比例增加。對數(shù)期特點：細菌個體形態(tài)、化學(xué)組成和生理特性平衡生長133穩(wěn)定期

特點：活菌數(shù)達到最高。代謝產(chǎn)物大量積累，如毒素、抗生素、以及芽胞開始形成。穩(wěn)定期特點：活菌數(shù)達到最高。134衰亡期

特點：細胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，甚至產(chǎn)生畸形，細胞大小懸殊。細菌代謝活性降低，細菌衰老并出現(xiàn)解體，產(chǎn)生或釋放出一些產(chǎn)物。衰亡期特點：細胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，甚至產(chǎn)生畸135延滯期的長短與菌種的遺傳特性、菌種的生長階段、培養(yǎng)基的成分等有關(guān)。思考：在工業(yè)發(fā)酵過程中，我們希望縮短延滯期的時間，你認為可能的方法有哪些？延滯期的長短與菌種的遺傳特性、菌種的生長階段、培養(yǎng)基的成分等136①種齡：利用對數(shù)生長期的細胞作為“種子”；②培養(yǎng)基成份：盡量減少接種前后培養(yǎng)基組分的差異；③接種量：適當擴大接種量?？s短延滯期一般措施①種齡：利用對數(shù)生長期的細胞作為“種子”；縮短延滯期一般措施137微生物發(fā)酵過程通常用群體來表示，微生物群體生長速率反映群體生物量的生長速率。在液體培養(yǎng)基中微生物群體的生長包括細胞體積的增大和群體細胞數(shù)量的增加。涉及到兩個概念：生長速率μx和比生長速率μ。三、微生物的群體生長微生物發(fā)酵過程通常用群體來表示，微生物群體生長速率反映群體生1381、生長速率和比生長速率生長速率μx表示單位體積、單位時間里生長的菌體量（干重）。比生長速率μ表示單位細胞濃度的菌體生長速率。1、生長速率和比生長速率生長速率μx表示單位體積、單位時間里139分批發(fā)酵過程中比生長速率的變化分批發(fā)酵過程中比生長速率的變化1402、生長曲線的實踐意義：微生物發(fā)酵的搖瓶實驗、中試以及上大罐發(fā)酵的理論基礎(chǔ)。在微生物的生長過程中，延滯時間、比生長速率和總生長量有重要參考意義。*細菌比生長速率μ與生長基質(zhì)濃度之間關(guān)系：μ=μm[S/(Ks+S)]—Monod公式μm：最大比生長速率；S：基質(zhì)濃度；Ks：μ為μm一半時的基質(zhì)濃度。當S很大時，Ks+S=S，μ=μm；當S很小時，Ks+S=Ks，μ=(μm/Ks)S2、生長曲線的實踐意義：微生物發(fā)酵的搖瓶實驗、中試以及上大1413連續(xù)培養(yǎng)：以一定方式使細菌能以恒定的μ值進行生長，并使這種生長連續(xù)下去。細菌的μ值與營養(yǎng)物質(zhì)濃度有關(guān)，通過控制基質(zhì)濃度來控制細菌的μ值。連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)生產(chǎn)上可縮短生產(chǎn)周期，但是染菌機會增大。3連續(xù)培養(yǎng)：以一定方式使細菌能以恒定的μ值進行生長，并使142第二節(jié)微生物的分化第二節(jié)微生物的分化143分化的概念分化定義：細胞在一定條件下朝不同方向發(fā)展，使其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能發(fā)生一系列變化，最終導(dǎo)致產(chǎn)生不同形態(tài)類型的細胞。包括：①從一種營養(yǎng)菌體分化為另一種形態(tài)的營養(yǎng)菌體；②孢子形成：芽胞桿菌的內(nèi)生孢子，啤酒酵母子囊孢子，曲霉菌的分生孢子。細胞的分化受到遺傳因素和環(huán)境因素的相互作用所控制。細胞的分化潛力決定于遺傳因子，但分化同環(huán)境條件密切相關(guān)。分化的概念分化定義：細胞在一定條件下朝不同方向發(fā)展，使其形態(tài)144一、微生物的營養(yǎng)體分化一種形態(tài)的營養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或幾種形態(tài)的營養(yǎng)細胞。營養(yǎng)體分化與環(huán)境條件變化相關(guān)，是機體對環(huán)境條件的一種應(yīng)答，當環(huán)境條件改變后，一種形態(tài)的營養(yǎng)細胞就啟動與營養(yǎng)體分化有關(guān)的基因表達，代謝方式發(fā)生改變。營養(yǎng)體的分化可隨環(huán)境條件的恢復(fù)而逆向進行。一、微生物的營養(yǎng)體分化一種形態(tài)的營養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或幾種形1451、成晶節(jié)桿菌細胞形態(tài)的轉(zhuǎn)變細胞形態(tài)受培養(yǎng)基組成的控制，溫度、pH和氧氣對其無影響。

在新鮮培養(yǎng)上，球形→桿狀轉(zhuǎn)變；當條件不適宜時桿狀→球形轉(zhuǎn)變。細胞形態(tài)取決于細胞壁。節(jié)桿菌的桿狀細胞與球形細胞的細胞壁厚度不同，桿狀細胞的細胞壁無三層結(jié)構(gòu)。在肽聚糖的構(gòu)成方式上，二種形態(tài)的細胞之間存在差異。1、成晶節(jié)桿菌細胞形態(tài)的轉(zhuǎn)變1462根瘤菌的形態(tài)分化1)根瘤菌細胞形態(tài)轉(zhuǎn)變根瘤菌：桿狀、周生鞭毛、G-；從根部進入植物細胞后，桿狀細胞發(fā)育為膨大的類菌體。不同植物中所形成的類菌體形態(tài)不同。2根瘤菌的形態(tài)分化1473絲狀藍細菌的形態(tài)分化[異形胞]1)異形胞的分化：藍細菌的營養(yǎng)細胞行光合作用，無固氮作用，當缺乏氮源時，特定的營養(yǎng)細胞可以分化為具有固氮作用的異形胞，其存在光合系統(tǒng)Ⅰ，產(chǎn)生ATP供固氮之用。2)靜止細胞的分化：營養(yǎng)細胞變?yōu)楹癖诩毎?，對環(huán)境因子具有一定抗性，可回復(fù)萌發(fā)。3絲狀藍細菌的形態(tài)分化[異形胞]1484毛霉和酵母菌的二型態(tài)二型態(tài)：在不同生長條件下，真菌營養(yǎng)體呈現(xiàn)二種不同的細胞形態(tài)，絲狀(M)或酵母狀(Y)。M與Y二種形態(tài)在一定條件下可互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變后的細胞結(jié)構(gòu)、代謝途徑、生長方式均發(fā)生變化。1)毛霉二型態(tài)在厭氧條件下毛霉以酵母狀細胞生長，出芽繁殖。4毛霉和酵母菌的二型態(tài)149二、微生物的孢子形成微生物在非適宜條件下可以產(chǎn)生一種特化細胞spore：細菌芽孢、藍細菌靜止孢子、放線菌孢子、毛霉孢囊孢子、白地霉節(jié)孢子、假絲酵母厚垣孢子、粘細菌的粘孢子、腐霉卵孢子、根霉接合孢子、子囊菌的子囊孢子、擔子菌的擔孢子等。生態(tài)學(xué)上，孢子是對不良條件反應(yīng)的結(jié)果，具有較高抗性；生理學(xué)上，孢子是繁殖體[細菌芽孢除外]。二、微生物的孢子形成微生物在非適宜條件下可以產(chǎn)生一種特150芽孢發(fā)育循環(huán)芽孢發(fā)育循環(huán)151第三節(jié)微生物代謝產(chǎn)物第三節(jié)微生物代謝產(chǎn)物152初級代謝微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級代謝。一類與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。初級代謝微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝153次級代謝相對于初級代謝而言，次級代謝是指微生物在一定的生長時期（一般在穩(wěn)定期），以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質(zhì)的過程。通過次級代謝合成的產(chǎn)物通常稱為次級代謝產(chǎn)物，大多是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。根據(jù)其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。次級代謝相對于初級代謝而言，次級代謝是指微生物在一定的生長時154一、微生物合成的初級代謝產(chǎn)物1糖類合成1)單糖合成：EMP的逆行合成6-P-葡萄糖→多糖合成葡萄糖的前體物質(zhì)：丙酮酸、草酰乙酸、PEP、3-P-甘油醛等。2)多糖合成：同多糖-糖原、纖維素、甲殼質(zhì)、多聚葡萄糖、多聚果糖等；雜多糖-肽聚糖、脂多糖、透明質(zhì)酸等。一、微生物合成的初級代謝產(chǎn)物1糖類合成1552脂類合成1)脂肪酸合成：[C12-C18]，飽和/不飽和脂肪酸2)脂肪和磷脂合成3)甾醇合成3生物固氮4氨基酸合成NH3來源：吸收、含氮物分解、固氮、NO3-還原；初生氨基酸：α-酮酸的轉(zhuǎn)氨作用，次生氨基酸：以初生氨基酸為前體合成的氨基酸2脂類合成1565核苷酸合成6核酸合成7蛋白質(zhì)合成8其它生物活性物質(zhì)的合成CoA的合成；煙酰胺合成；黃素核苷酸合成；吡咯環(huán)合成等5核苷酸合成157二、微生物合成的次級代謝產(chǎn)物（一）次級代謝產(chǎn)物的基本特征1、次級代謝產(chǎn)物具有種特異性初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。次級代謝只存在于某些生物中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因不同生物而不同，甚至同種生物也會由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。二、微生物合成的次級代謝產(chǎn)物（一）次級代謝產(chǎn)物的基本特征158不同的微生物可產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。青霉合成青霉素芽孢桿菌合成桿菌肽鏈霉菌合成鏈霉素相同的微生物在不同條件下產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物。不同的微生物可產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。159產(chǎn)黃青霉在Raulin培養(yǎng)基中合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸?；尹S青霉在Czapek—Dox培養(yǎng)基上培養(yǎng)時合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)時則合成褐菌素（fulvicacid）。Raulin培養(yǎng)基（%）：葡萄糖5酒石酸0.27酒石酸銨0.27磷酸氫二銨0.04硫酸鎂0.027硫酸銨0.017硫酸鋅0.005硫酸亞鐵0.005Czapek—Dox培養(yǎng)基（%）：葡萄糖5硝酸鈉0.2磷酸氫二鉀0.1氯化鉀0.05硫酸鎂0.05硫酸亞鐵0.001產(chǎn)黃青霉在Raulin培養(yǎng)基中合成青霉酸。但在Czapek—1602、分批發(fā)酵時，產(chǎn)物菌生長周期分為三個時期出現(xiàn)明顯的菌體生長期，產(chǎn)物合成期和菌體自溶期。由生長期向生產(chǎn)期過渡時，菌體形態(tài)會有所變化。2、分批發(fā)酵時，產(chǎn)物菌生長周期分為三個時期1613、次級代謝產(chǎn)物往往是母核結(jié)構(gòu)相同的混合物次級代謝產(chǎn)物的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導(dǎo)致產(chǎn)生各種各樣的次級代謝產(chǎn)物。每種類型的次級代謝產(chǎn)物往往是一群化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似的不同成分的混合物。新霉素有4種、桿菌肽有10多種、多粘菌素有10多種、放線菌素有20多種。3、次級代謝產(chǎn)物往往是母核結(jié)構(gòu)相同的混合物162發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成1634、對環(huán)境條件變化敏感和代謝不穩(wěn)定性初級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件的變化敏感性?。催z傳穩(wěn)定性大），而次級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)境條件變化而停止或改變。次級代謝產(chǎn)物的合成過程是一類由多基因（基因簇）控制的代謝過程；這些基因不僅位于微生物的染色體中，也位于質(zhì)粒中，且后者的基因在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中往往起主導(dǎo)作用。4、對環(huán)境條件變化敏感和代謝不穩(wěn)定性164AzinomycinB生物合成基因簇的克隆AzinomycinB是一種具有良好抗腫瘤活性、功能基團高度密集的復(fù)雜天然產(chǎn)物。AzinomycinB生物合成基因簇的克隆Azinomy1655、相關(guān)酶的專一性不強相對來說催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的前體物時，往往可以導(dǎo)致機體合成不同類型的次級代謝產(chǎn)物。5、相關(guān)酶的專一性不強166三、初級代謝和次級代謝關(guān)聯(lián)緊密初級代謝是次級代謝的基礎(chǔ)，它可以為次級代謝產(chǎn)物合成提供前體物和所需要的能量；初級代謝產(chǎn)物合成中的關(guān)鍵性中間體也是次級代謝產(chǎn)物合成中的重要中間體物質(zhì)。次級代謝則是初級代謝在特定條件下的繼續(xù)與發(fā)展，避免初級代謝過程中某些中間體或產(chǎn)物過量積累。三、初級代謝和次級代謝關(guān)聯(lián)緊密167發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成168四、次級代謝產(chǎn)物的類型1根據(jù)產(chǎn)物合成途徑區(qū)分1)直接由葡萄糖合成的次級代謝產(chǎn)物：鏈霉素、新霉素等；2)由預(yù)苯酸合成芳香族次級代謝產(chǎn)物：氯霉素、新生霉素、四環(huán)素等；3)由磷酸戊糖合成的次級代謝產(chǎn)物：狄霉素、嘌呤霉素等；4)由脂肪酸為前體合成的次級代謝產(chǎn)物：聚乙炔、脂肪酸、β-多酮、紅霉素等；四、次級代謝產(chǎn)物的類型1695)與萜烯和甾體有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：煙曲霉素、赤霉素、β-胡蘿卜素等；6)與TCA有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：α-酮戊二酸→戊烯酸；烏頭酸→衣康酸等；7)與氨基酸有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：環(huán)Ser、氮Ser、口磨氨酸、曲霉酸、支霉粘素、放線菌素、多粘菌素、桿菌肽、麥角生物堿等。5)與萜烯和甾體有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物：煙曲霉素、赤霉素、β-1702根據(jù)產(chǎn)物的功能作用區(qū)分類型1)抗生素：發(fā)現(xiàn)約7000種，產(chǎn)生來源—放線菌、霉菌為主要二大類；2)激素：次級動植物生長，如赤霉素等；3)生物堿：麥角生物堿等；4)毒素：破傷風(fēng)毒素、白喉毒素、肉毒毒素、黃曲霉素、蘑菇毒素等；2根據(jù)產(chǎn)物的功能作用區(qū)分類型1715)色素：細菌、放線菌和霉菌均可以產(chǎn)生水溶性或脂溶性色素；6)維生素：丙酸菌產(chǎn)生VB12、分枝桿菌產(chǎn)生吡哆素和煙酰胺、假單胞菌產(chǎn)生生物素、霉菌產(chǎn)生VB2和β-胡籮卜素等。5)色素：細菌、放線菌和霉菌均可以產(chǎn)生水溶性或脂溶性色素；172(三)次級代謝的生理功能1次級代謝可以維持初級代謝的平衡；2次級代謝產(chǎn)物是貯存物質(zhì)的一種形式；3使菌體在生存競爭中占據(jù)優(yōu)勢；4與細胞分化有關(guān)：產(chǎn)生孢子的微生物一般都產(chǎn)生抗生素，孢子形成抑制劑也抑制抗生素的形成。(三)次級代謝的生理功能173五、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位和和生物合成五、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位和和生物合成174（一）次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位1、聚酮體（乙酰輔酶A，丙酰輔酶A，丁酰輔酶A；丙二酰輔酶A，甲基丙二酰輔酶A，甲基丙二酰輔酶A；單一構(gòu)建單位聚合，多種構(gòu)建單位聚合,如脂肪酸、四環(huán)類抗生素、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的大環(huán)類酯的合成）聚酮化合物是一大類由細菌、真菌和植物將低級羧酸通過連續(xù)的縮合反應(yīng)產(chǎn)生的天然產(chǎn)物，它包括許許多多具有抑制細菌(如紅霉素、四環(huán)素)、真菌(如灰黃霉素、兩性霉素)、寄生蟲(如avermectin、奈馬克丁)、癌癥(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同時還具有免疫抑制劑的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、畜牧和農(nóng)業(yè)。（一）次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位1、聚酮體（乙酰輔酶A，丙酰輔酶1752、甲羥戊酸（異戊二烯，甾醇，胡蘿卜素，萜類，生物堿的合成）3、糖類和氨基糖（O-糖苷，S-糖苷，N-糖苷，C-糖苷，如鏈霉素，大環(huán)類脂類分子中的糖胺等）4、不常見的氨基酸（D-氨基酸，N甲基氨基酸，二氨基酸5、環(huán)多醇和氨基環(huán)多醇6、非核酸的嘌呤和嘧啶堿基2、甲羥戊酸（異戊二烯，甾醇，胡蘿卜素，萜類，生物堿的合成）176四、次級代謝產(chǎn)物生物合成的基本過程1、構(gòu)建單位的聚合2、次級代謝產(chǎn)物的修飾3、次級代謝產(chǎn)物合成中的關(guān)鍵酶四、次級代謝產(chǎn)物生物合成的基本過程1、構(gòu)建單位的聚合177第4節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)第4節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)178微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證179一、初級代謝的調(diào)控機制微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，例如:①調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞膜而進入細胞的能力；②限制基質(zhì)的有形接近（代謝庫），通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近；③調(diào)節(jié)代謝流等。其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達到最佳調(diào)節(jié)效果。一、初級代謝的調(diào)控機制微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，例如180工業(yè)生產(chǎn)中：利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。工業(yè)生產(chǎn)中：181（一）酶活性的調(diào)節(jié)

酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)，它是通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物的合成速率，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。酶活性的激活系指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進。（一）酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種182酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物1831、反饋抑制的類型

（1）直線式代謝途徑中的反饋抑制蘇氨酸脫氨酶蘇氨酸α-酮丁酸異亮氨酸異亮氨酸合成途徑中的直線式反饋抑制1、反饋抑制的類型（1）直線式代謝途徑中的反饋抑制蘇氨酸脫184在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜。為避免在一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物已發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。（2）分支代謝途徑中的反饋抑制在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜。（2）分支代謝途徑185A、同功酶調(diào)節(jié)同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個個體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)節(jié)。在一個分支代謝途徑中，如果在分支點以前的一個較早的反應(yīng)是由幾個同功酶所催化時，則分支代謝的幾個最終產(chǎn)物往往分別對這幾個同功酶發(fā)生抑制作用。A、同功酶調(diào)節(jié)186發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成187B、協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個末端產(chǎn)物同時過量時才能抑制共同途徑中的第一個酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。B、協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個末端產(chǎn)物同時過量時才188C、累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制共同途徑中前面的酶，所以當幾種末端產(chǎn)物共同存在時，它們的抑制作用是累積的。C、累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制189D、增效（合作）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。D、增效（合作）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起190E、順序反饋抑制：當E過多時，可抑制C→D，這時由于C的濃度過大而促使反應(yīng)向F、G方向進行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過多就抑制了C→F，結(jié)果造成C的濃度進一步增高。C過多又對A→B間的酶發(fā)生抑制，從而達到了反饋抑制的效果。這種通過逐步有順序的方式達到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制。E、順序反饋抑制：當E過多時，可抑制C→D，這時由于C的濃度191（二）酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。凡能促進酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。（二）酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進而192與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其優(yōu)點則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時存在且密切配合、協(xié)調(diào)進行的。與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而1931、酶合成調(diào)節(jié)的類型

（1）誘導(dǎo)根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。

誘導(dǎo)酶是細胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。能促進誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。

1、酶合成調(diào)節(jié)的類型（1）誘導(dǎo)194乳糖誘導(dǎo)效應(yīng)大腸桿菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生長乳糖誘導(dǎo)效應(yīng)大腸桿菌先在葡萄糖后在乳糖中的二次生長195發(fā)酵工藝學(xué)課件第2章微生物生長與產(chǎn)物合成196酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)，即當誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到E．coli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導(dǎo)出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)，即當誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時或幾197（2）阻遏在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式來抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。（2）阻遏198A、末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應(yīng)途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。常常發(fā)生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要結(jié)構(gòu)元件生物合成中。A、末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏199對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，僅一種底物過量無阻遏作用，此即稱多價阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當?shù)臐舛?。對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合200B、分解代謝物阻遏分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現(xiàn)象。細胞內(nèi)同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結(jié)果，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。B、分解代謝物阻遏分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，2012、酶合成調(diào)節(jié)的機制

（1）操縱子:指的是一組功能上相關(guān)的基因，它是由啟動基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因三部分組成。啟動基因是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點；操縱基因是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進行；2、酶合成調(diào)節(jié)的機制（1）操縱子:指的是一組功能上相關(guān)的202結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的mRNA，然后再可通過核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個mRNA分子。結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)203操縱子分兩類:一類是誘導(dǎo)型操縱子，只有當存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。另一類是阻遏型操縱子，只有當缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。

操縱子分兩類:204（2）調(diào)節(jié)基因用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因。調(diào)節(jié)基因一般位于相應(yīng)操縱子的附近。（3）效應(yīng)物

是一類低分子量的信號物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。（2）調(diào)節(jié)基因205（4）調(diào)節(jié)蛋白

是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個特殊位點，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點則可與效應(yīng)物相結(jié)合。當調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會降低其結(jié)合能力。調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時與操縱基因相結(jié)合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時才能與操縱基因相結(jié)合。（4）調(diào)節(jié)蛋白206操縱子及調(diào)節(jié)基因示意圖操縱子及調(diào)節(jié)基因示意圖207乳糖操縱子模型有乳糖時：乳糖作為一種效應(yīng)物與阻遏物結(jié)合，使其變構(gòu)，不能與O結(jié)合，從而轉(zhuǎn)錄進行，合成乳糖酶,分解乳糖。無乳糖時：細胞內(nèi)產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合在操縱基因上，轉(zhuǎn)錄不能進行。乳糖操縱子模型有乳糖時：乳糖作為一