微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理課件

微生物代謝控制發(fā)酵（生物工程專業(yè)）Welcometothestudyofmicrobiology!微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

在新世紀(jì)，生命科學(xué)研究、生物技術(shù)的重大突破。將在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命，為解決人類生存與發(fā)展面臨的健康、資源、環(huán)境等重大問題提供強(qiáng)有力的手段。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理生物工程專業(yè)20世紀(jì)40年代的發(fā)酵工學(xué)專業(yè)50年代的抗生素制造工學(xué)專業(yè)80年代的生物化學(xué)工程專業(yè)、生物化工專業(yè)90年代發(fā)展為生物工程專業(yè)生物工程專業(yè)正式設(shè)立于1998年，在1998年我國頒布的本科專業(yè)目錄中，明確生物工程專業(yè)屬于工學(xué)：生物工程包含了原來的生物化工（部分）、微生物制藥、生物化學(xué)工程（部分）、發(fā)酵工程等4個(gè)專業(yè)。生物工程專業(yè)的相近專業(yè)定為應(yīng)用理學(xué)的生物技術(shù)專業(yè)。因?yàn)樯锛夹g(shù)專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用研究型人才，而生物工程專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才，兩者的側(cè)重點(diǎn)不同。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理生物工程學(xué)科的內(nèi)涵是利用生物體系，應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的方法,按照人類的需要改造和設(shè)計(jì)生物的結(jié)構(gòu)與功能,以便更經(jīng)濟(jì)、更有效、大規(guī)模地為人類提供所需各種產(chǎn)品的技術(shù)，是生物技術(shù)成果走向工業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。生物工程學(xué)科是以基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程為核心,借助于工程學(xué)技術(shù)，以生物技術(shù)研究成果為對(duì)象、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化為基本任務(wù)的工學(xué)學(xué)科。生物工程廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、能源、資源和環(huán)境等領(lǐng)域，近年來發(fā)展迅猛。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝控制發(fā)酵

細(xì)胞形態(tài)、分類、生理（營養(yǎng)和代謝）有機(jī)物種類、合成、分解?；蚍N類、轉(zhuǎn)錄、翻譯調(diào)控。？Microbiologyrevolvesaroundtwobasicthemes:basicandapplied微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理MetabolicControlFermentation課程性質(zhì)和任務(wù)性質(zhì)：學(xué)位選修課，24學(xué)時(shí)，2學(xué)分。任務(wù)：使同學(xué)掌握利用微生物生產(chǎn)人類所需要的產(chǎn)品的先進(jìn)調(diào)控技術(shù)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理課程主要內(nèi)容和時(shí)間安排第一章緒論（2）第二章微生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制（6）第三章微生物代謝控制發(fā)酵（6）第四章代謝控制發(fā)酵育種的基本技術(shù)（4）第五章代謝控制發(fā)酵的應(yīng)用（6）概況原理

技術(shù)應(yīng)用vip_lxviplxl微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理考核方法平時(shí)成績(jī)（20%）上課出勤、回答問題、筆記和作業(yè)情況?？荚嚦煽?jī)（80%）閉卷考試。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理教材：代謝控制發(fā)酵張克旭主編中國輕工業(yè)出版社參考教材：生物化學(xué)魏述眾主編中國輕工業(yè)出版社途徑工程——第三代基因工程張惠展主編中國輕工業(yè)出版社現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學(xué)華東理工大學(xué)儲(chǔ)炬李友榮主編化學(xué)工業(yè)出版社微生物生物技術(shù)——應(yīng)用微生物學(xué)基礎(chǔ)原理科學(xué)技術(shù)出版社華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳守文喻子牛等翻譯微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)概況代表性發(fā)酵產(chǎn)品概況：如，酒精、啤酒、酶制劑、有機(jī)酸、氨基酸、抗生素、維生素等。第二節(jié)發(fā)酵技術(shù)的歷史進(jìn)程混合菌種發(fā)酵階段；純種發(fā)酵階段；深層通風(fēng)發(fā)酵階段；代謝控制發(fā)酵階段；廣泛的生物化學(xué)工業(yè)階段（生物煉制）。第三節(jié)微生物代謝概述微生物細(xì)胞代謝的基本概念；細(xì)胞代謝的特點(diǎn)；微生物細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)的意義；代謝控制發(fā)酵理論的發(fā)展；代謝控制發(fā)酵理論的應(yīng)用；代謝工程。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)概況發(fā)酵：指通過微生物培養(yǎng)，使某種特定代謝產(chǎn)物大量積累的過程。發(fā)酵工程：是基于生物學(xué)知識(shí)和工程學(xué)概念，采用現(xiàn)代生物技術(shù)和工程技術(shù)手段，利用微生物和動(dòng)植物細(xì)胞的某些特定性狀功能，在反應(yīng)器中為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品。

掌握生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)原理、工藝過程和工程設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)理論，基本技能，能在生物技術(shù)與工程領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和新技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)的工程技術(shù)人才。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理菌種選育發(fā)酵工程的內(nèi)容過程控制產(chǎn)品提純微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物生物反應(yīng)器的研究開發(fā)，新型發(fā)酵裝置、生物傳感器和使用電子計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化連續(xù)發(fā)酵的技術(shù)；利用微生物控制或參與工業(yè)生產(chǎn)，如采礦、冶金等。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理發(fā)酵工業(yè)：是以糧食和農(nóng)副產(chǎn)品為主要原料的發(fā)酵加工工業(yè)。在各產(chǎn)業(yè)部門中，年產(chǎn)值已躍居第一位（600/3600多億元），成為國民經(jīng)濟(jì)的主要文柱產(chǎn)業(yè)之一。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)主要包括酒精、白酒、啤酒、葡萄酒、淀粉糖、酵母、氨基酸?，F(xiàn)代產(chǎn)業(yè)主要包括有機(jī)酸、多元醇、酶制劑、核苷酸、維生素、抗生素、生物技術(shù)藥物、疫苗、診斷試劑等行業(yè)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理產(chǎn)品產(chǎn)量（萬噸）備注味精170賴氨酸32主要為飼料檸檬酸72包括鹽和酯乳酸8酶制劑53酵母15.5主要為ADY糖醇560特種發(fā)酵品80合計(jì)：990.5萬噸2006年中國發(fā)酵工業(yè)主要產(chǎn)品產(chǎn)量微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理現(xiàn)代發(fā)酵工程規(guī)模低值工業(yè)品大型化

以規(guī)模來取勝（幾十?dāng)?shù)百噸）。如味精、氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、飼料、食品工業(yè)用產(chǎn)品等；高價(jià)值轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品小型化（幾十?dāng)?shù)百升）。基因工程大腸桿菌、酵母菌高密度培養(yǎng)；動(dòng)物細(xì)胞植物細(xì)胞培養(yǎng)；研究中心智能化、全能性。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酒精工業(yè)的現(xiàn)狀2003年世界乙醇總產(chǎn)量約2500萬噸，（歷史最高產(chǎn)量為2700萬噸）其中美洲產(chǎn)量1650萬噸，亞洲442萬噸，歐洲380萬噸，非洲40萬噸，大洋洲16萬噸。其中：巴西年產(chǎn)量達(dá)1100萬噸，美國年產(chǎn)發(fā)酵乙醇逾400萬噸，俄羅斯年產(chǎn)近100萬噸乙醇。在世界上乙醇的用途以燃料乙醇為主占66%，食用乙醇14%，工業(yè)溶劑11%,其它化學(xué)工業(yè)9%。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2004年我國乙醇實(shí)際產(chǎn)量340萬噸，生產(chǎn)能力600萬噸。2006年的酒精實(shí)際產(chǎn)量571萬噸。其中，燃料乙醇占132萬噸，用玉米生產(chǎn)的燃料乙醇85萬噸。到目前為止，乙醇生產(chǎn)企業(yè)（包括生產(chǎn)車間）已達(dá)1000多個(gè)，遍及各省市自治區(qū)（西藏除外），其中以山東、四川最多。產(chǎn)量居世界第二位?？傮w來講，我國酒精行業(yè)發(fā)展速度偏快，短期內(nèi)國內(nèi)酒精市場(chǎng)供大于求，盈利空間變小，企業(yè)生存面臨困難。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酒精工業(yè)的困難與機(jī)遇乙醇生產(chǎn)原料占總成本的70%以上，原料是企業(yè)的生命線。目前，我國酒精的原料結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，玉米占總原料的近70%。按3.2噸玉米產(chǎn)1噸酒精計(jì)算，每年消耗玉米約1300萬噸。2006年全國玉米產(chǎn)量1.44億噸，當(dāng)年全國玉米深加工量3589萬噸，玉米價(jià)格已達(dá)到1660元/噸。進(jìn)口木薯價(jià)格仍保持高價(jià)上漲態(tài)勢(shì)，原料市場(chǎng)供應(yīng)緊張。一、原料緊張微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理國家發(fā)展和改革委員會(huì)2007年9月發(fā)布微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

乙醇工業(yè)在為國民經(jīng)濟(jì)做出突出貢獻(xiàn)的同時(shí)又是一個(gè)污染十分嚴(yán)重的行業(yè)?，F(xiàn)行的乙醇生產(chǎn)工藝所造成的污染以水污染最為嚴(yán)重，生產(chǎn)過程的廢水主要來自發(fā)酵醪蒸餾乙醇后排除的廢糟、生產(chǎn)設(shè)備的洗滌水、以及蒸煮、糖化發(fā)酵、蒸餾工藝的冷卻水等。每生產(chǎn)一噸成品乙醇約排放13-16噸乙醇廢糟，乙醇廢糟為高濃度有機(jī)廢水，呈酸性，CODCr高達(dá)50000-70000mg/L，是乙醇工業(yè)最主要的污染源。二、污染嚴(yán)重微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理世界平均水平單位酒精能耗300-400公斤標(biāo)煤，我國是800公斤。酒精生產(chǎn)企業(yè)在節(jié)能、自動(dòng)化、綜合利用和廢渣廢水治理等方面與先進(jìn)國家尚有很大差距，從另一個(gè)角度說，差距也是潛力。三、能耗太高微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酒精工業(yè)技術(shù)進(jìn)步方向1、木質(zhì)纖維素生產(chǎn)酒精微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2、清液發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)酒精3、高濃度發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)酒精國外的高濃度酒精發(fā)酵是常用的技術(shù)，酒精濃度達(dá)到14-15%，我國同類工藝尚處于試驗(yàn)階段，酒精濃度也可達(dá)到14%，但相關(guān)配套工藝存在問題。4、廢棄物綜合利用技術(shù)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理啤酒工業(yè)情況2004年啤酒總產(chǎn)量達(dá)到2700萬噸，超過美國（2400萬噸），德國（1250萬噸），躍居世界第一。但人均消費(fèi)量?jī)H為世界平均水平的70%，為歐美等發(fā)達(dá)國家的1/6~1/7。工藝技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量，市場(chǎng)營銷等總體水平與啤酒先進(jìn)國家仍有一定的差距。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理白酒工業(yè)情況1996年白酒產(chǎn)量創(chuàng)歷史最高達(dá)到800萬噸。2004年450萬噸。白酒產(chǎn)量明顯下降，主要原因是產(chǎn)業(yè)政策、消費(fèi)習(xí)慣、社會(huì)節(jié)奏加快、健康、駕駛等原因限制了白酒的消費(fèi)。白酒是民族特色產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝為我國獨(dú)有，具有民族性。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理黃酒工業(yè)情況2003年黃酒產(chǎn)量為130萬噸，生產(chǎn)水平居國際領(lǐng)先，有的工藝配方被列為國家無限期秘密。但總的發(fā)展趨勢(shì)緩慢，大廠增產(chǎn)，小廠減產(chǎn)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理葡萄酒工業(yè)情況2004年葡萄酒產(chǎn)量35萬噸，主要有張?jiān)?，長城，等主要廠家，中國以白葡萄酒、干白葡萄酒、紅葡萄酒為主，相對(duì)品種單一，生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量與先進(jìn)國家相比有一定的差距。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶制劑工業(yè)全年總產(chǎn)量25萬噸左右，年銷售額7億元左右。糖化酶16萬噸，技術(shù)水平30000～35000u/mL，國外最高50000u/mL以上。α-淀粉酶4萬噸，6000u/mL，大多由國外引進(jìn)菌種，其中高溫淀粉酶占76%左右。蛋白酶5萬噸，技術(shù)水平20000～25000u/mL主要是洗滌劑用酶，堿性蛋白酶。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理其他酶種（小酶種）小酶種主要有纖維素酶、凝乳酶、脂肪酶、果膠酶、葡萄糖異構(gòu)酶等。國內(nèi)酶制劑工業(yè)的主要困難：（1）技術(shù)水平低，產(chǎn)品在價(jià)格與質(zhì)量上不能與國外大型公司的產(chǎn)品相比較，競(jìng)爭(zhēng)困難。中國的制造成本占銷售價(jià)的75-80%，國外占銷售價(jià)的30～35%。（2）品種少，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理國內(nèi)外工業(yè)酶制劑應(yīng)用領(lǐng)域比較

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理有機(jī)酸工業(yè)的產(chǎn)業(yè)狀況

1檸檬酸

2003年28萬噸，世界檸檬酸90萬噸，歐洲約為25萬噸，美國23萬噸，中國2002年出口21萬噸。技術(shù)水平：國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)酸水平12～16%，國外18～20%。

2衣康酸

2003年，8000噸，大部分出口。工業(yè)產(chǎn)酸水平8～12%，國外產(chǎn)酸水平14%。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理有機(jī)酸工業(yè)狀況3乳酸

2003年1.3萬噸國內(nèi)主要是DL型乳酸，L-乳酸有少量生產(chǎn)，工業(yè)水平9～10%，中試水平12～14%。世界乳酸消費(fèi)量約為13～15萬噸/年，最近因?yàn)镻LA的發(fā)展，乳酸工業(yè)迅猛發(fā)展，現(xiàn)在由美國道化學(xué)公司和卡吉爾合資（CDP）建設(shè)年產(chǎn)量14萬噸的PLA工廠。據(jù)美國玉米種植協(xié)會(huì)稱，每年用于PLA制造玉米量約為1270萬噸，相當(dāng)于美國用于乙醇生產(chǎn)的玉米量。據(jù)報(bào)道，美國的L-乳酸的發(fā)酵水平約為18%。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理4蘋果酸中國最高年產(chǎn)量100噸。主要以反丁烯二酸為原料，用固定化細(xì)胞來轉(zhuǎn)化，投料濃度11.3%，轉(zhuǎn)化率90%以上。發(fā)酵法生產(chǎn)水平約為9%左右，但后提取工藝尚未解決。世界蘋果酸的需求量約為2.4萬噸，日本市場(chǎng)需要5500～6000噸/年，主要用于食品加工、化妝品、沐浴劑。直接發(fā)酵水平10～12%，固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化率也為90%左右。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理氨基酸工業(yè)的產(chǎn)業(yè)狀況谷氨酸（味精）

2003年世界產(chǎn)量120萬噸，我國80萬噸。技術(shù)水平：產(chǎn)酸9～10%，轉(zhuǎn)化率55-58%。提取收率92%，精制收率95%，總收率87.4%,產(chǎn)酸率12-14%，總收率95%。

2006年，我國味精產(chǎn)量達(dá)到170萬噸，比2005年提高了25%，出口量達(dá)到20多萬噸，出口到50多個(gè)國家和地區(qū)。

世界上味精主要企業(yè)有日本的味之素、韓國的CJ集團(tuán)和大象集團(tuán)、臺(tái)灣的味單公司。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理序號(hào)名稱產(chǎn)量（萬噸）1山東阜豐發(fā)酵有限公司24.752河北梅花味精集團(tuán)公司19.703山東信樂味精有限公司14.204山東菱花味精集團(tuán)公司13.535山東齊魯未經(jīng)集團(tuán)公司13.046江蘇菊花味精集團(tuán)公司11.157山東鈴蘭味精工業(yè)公司10.018沈陽紅梅集團(tuán)有限公司6.019廣州奧桑味精食品公司5.3210重慶飛亞實(shí)業(yè)公司4.67我國主要味精生產(chǎn)企業(yè)（2006年）微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理賴氨酸

2006年，我國生產(chǎn)能力達(dá)70萬噸。產(chǎn)量30萬噸。市場(chǎng)需求量約22萬噸。國內(nèi)技術(shù)水平產(chǎn)酸8-10%，轉(zhuǎn)化率35-40%，提取率可達(dá)90%。異亮氨酸世界產(chǎn)量約為400噸，日本的生產(chǎn)能力約為350萬噸。國外最高產(chǎn)酸水平4-5%，我國的實(shí)際生產(chǎn)能力已達(dá)80萬噸，產(chǎn)酸水平2-2.4%轉(zhuǎn)化率25-30%，提取率60%左右。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理苯丙氨酸世界產(chǎn)量8000噸，日本產(chǎn)量2500噸，世界最高產(chǎn)酸水平5-6%。我國的生產(chǎn)能力150噸左右，技術(shù)水平：最高產(chǎn)酸3.5%，酶法生產(chǎn)月2.5㎏月桂酸生產(chǎn)1㎏苯丙氨酸。蘇氨酸2006年，全球飼料中蘇氨酸的需求量11萬噸/年，中國的需求量2萬噸/年。我國的生產(chǎn)能力2萬噸左右，產(chǎn)酸水平7-8%，轉(zhuǎn)化率30-35%。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理維生素發(fā)酵工業(yè)的狀況

維生素Vc

實(shí)際產(chǎn)量3.5萬噸，二步發(fā)酵技術(shù)由我國發(fā)明，居世界領(lǐng)先水平。VB2

實(shí)際產(chǎn)量500噸左右，細(xì)菌發(fā)酵水平為7000mg/L，酵母發(fā)酵水平約為4500mg/L。國外細(xì)菌發(fā)酵水平12-15g/L。醫(yī)藥級(jí)收率65%，飼料級(jí)收率85%，發(fā)酵時(shí)間65-72h。VB12

實(shí)際產(chǎn)量4噸左右。國外發(fā)酵水平：150-160mg/L;發(fā)酵時(shí)間168h，醫(yī)藥級(jí)收率70%，飼料級(jí)收率80%，搖瓶條件200r/min。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理β-胡蘿卜素（β-carotane）年生產(chǎn)能力10噸左右，國外發(fā)酵水平2000-2500mg/L發(fā)酵時(shí)間96-120h晶體產(chǎn)品收率75-80%。我國發(fā)酵生產(chǎn)水平1000-1200mg/L，實(shí)驗(yàn)室水平：2000mg/L。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物多糖與功能性寡糖產(chǎn)業(yè)狀況黃原膠（xanthangum）我國的實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到2.5萬噸。世界市場(chǎng)需求3.5萬噸左右，國外產(chǎn)糖水平：3.5%,發(fā)酵時(shí)間48h，轉(zhuǎn)化率70-75%。收率90%。我國的產(chǎn)糖率2.6-3.0%,轉(zhuǎn)化率65-70%。每口油井需要黃原膠3.5噸。主要用途分散劑和食品。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理β-環(huán)狀糊精中國實(shí)際產(chǎn)量450萬噸，酶法轉(zhuǎn)化率70-75%，收率80-85%。國外品種較齊全，有α-、β-、γ-等及其衍生物。低聚異麥芽糖中國實(shí)際產(chǎn)量1.5萬噸，世界產(chǎn)量3萬噸左右。低聚果糖國內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)能力600噸，世界的產(chǎn)量4500噸。固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率在50%以上。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理低聚木糖國內(nèi)正在建廠生產(chǎn)。以玉米芯和蔗糖渣中的半纖維素為原料用木聚糖水解酶水解而成。國內(nèi)外工藝一樣，但國外應(yīng)用開發(fā)較好，目前世界市場(chǎng)需要400噸，在所有寡聚糖中價(jià)格最貴，約2500-3000日元/㎏。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理海藻糖（Trehalose）國內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)，國內(nèi)是從酵母發(fā)酵液中提取，以淀粉為原料酶法生產(chǎn)正在研制中。國外兩種工藝都存在，均已工業(yè)化生產(chǎn)。酶法生產(chǎn)的產(chǎn)量可以大幅度提高，成本低于前者的70倍。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酵母工業(yè)

2004年酵母工業(yè)總產(chǎn)量約為4.3萬噸左右，其中安琪酵母公司3萬噸，主要以面包酵母，釀酒活性干酵母為主，藥用酵母也呈下降趨勢(shì)。但近來食用酵母的開發(fā)受到重視。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理發(fā)酵甘油中國的發(fā)酵甘油技術(shù)居國際領(lǐng)先水平，產(chǎn)率達(dá)10-12%，最高可以達(dá)到14-15%，國內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)能力約有2000噸左右，由于受到皂化甘油價(jià)格的沖擊，世界性發(fā)酵甘油都處于緩慢發(fā)展中。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理木糖醇工業(yè)生物加氫生產(chǎn)木糖醇國內(nèi)有兩條路線：Xylose→XylitolGlucose→Arabitol→Xylulose→Xylitol第一路線已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模試驗(yàn)，第二路線正在研究，國外與我國的研究進(jìn)展基本一致，但更重視以葡萄糖為原料的工藝研究。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理核糖工業(yè)D-核糖（D-Ribose）已有兩家工廠生產(chǎn)，能力400噸左右。發(fā)酵產(chǎn)糖量6-8%，轉(zhuǎn)化率35-45%，發(fā)酵時(shí)間60-80h，提取收率75%。D-核糖有多種用途，但目前主要用來作為半合成VB2的原料，從經(jīng)濟(jì)角度，它優(yōu)于目前的VB2發(fā)酵法。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第二節(jié)發(fā)酵工業(yè)的歷史進(jìn)程發(fā)酵工業(yè)的歷程幾乎與中華文明史同步，在史前就有傳說

起源階段（混合菌種發(fā)酵）純種發(fā)酵

深層通風(fēng)發(fā)酵

代謝控制發(fā)酵廣泛的生物化學(xué)工業(yè)

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理起源階段（混合菌種發(fā)酵）起源階段天然發(fā)酵（混合菌種發(fā)酵），主要產(chǎn)品：以酒類和釀造產(chǎn)品為主，該階段的特點(diǎn)是人們不清楚發(fā)酵機(jī)理，只是靠經(jīng)驗(yàn)相互傳授。主要產(chǎn)品黃酒、白酒、醬品、腐乳、干酪等。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理純種發(fā)酵--

發(fā)酵工業(yè)的第一個(gè)臺(tái)階知識(shí)背景：微生物的發(fā)現(xiàn)，純種培養(yǎng)技術(shù)的成熟，產(chǎn)品有酒精、乳酸、丙酮丁醇等。特點(diǎn)：參與的微生物已經(jīng)搞清楚，但發(fā)酵的機(jī)理不清楚。發(fā)酵類型：主要是厭氧發(fā)酵。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理深層通風(fēng)發(fā)酵

發(fā)酵工業(yè)的第二個(gè)臺(tái)階知識(shí)背景：1929年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，二次大戰(zhàn)對(duì)青霉素的大量需求。主要產(chǎn)品：抗生素、維生素、有機(jī)酸、酶制劑、酵母等。特點(diǎn)：利用微生物自身代謝的產(chǎn)品，一般為好氧代謝。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝控制發(fā)酵

發(fā)酵工業(yè)的第三個(gè)臺(tái)階知識(shí)背景：生物化學(xué)、微生物遺傳學(xué)及分析分析方法的進(jìn)步，同位素的使用，對(duì)微生物代謝途徑的認(rèn)識(shí)。主要產(chǎn)品：1956年谷氨酸的發(fā)酵成功，氨基酸發(fā)酵，核苷酸、有機(jī)酸發(fā)酵等。特點(diǎn)：人為干預(yù)了微生物的代謝。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理廣泛的生物化學(xué)工業(yè)

(發(fā)酵工業(yè)第四個(gè)臺(tái)階)知識(shí)背景：現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，分子生物學(xué)的應(yīng)用，基因工程、細(xì)胞工程、定向育種技術(shù)、工程菌株的構(gòu)建、克隆技術(shù)、動(dòng)植物細(xì)胞發(fā)酵等知識(shí)的應(yīng)用。產(chǎn)品：氨基酸、有機(jī)酸、細(xì)胞生長因子、白細(xì)胞介素、激素類藥物、疫苗、（乙肝酵母科隆疫苗），甚至器官組織等?？寺　谏镞M(jìn)化中，只能通過有性生殖的生物，但以人為干擾的方式產(chǎn)生同質(zhì)后代的技術(shù)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理生物煉制生物煉制是對(duì)應(yīng)于石油煉制而出現(xiàn)的術(shù)語。生物煉制是以生物質(zhì)（農(nóng)業(yè)廢棄物、油脂、植物基淀粉和木質(zhì)纖維素材料）為原料，生產(chǎn)各種化學(xué)品、可降解材料、燃料和其它生物能源等。生物煉制的名詞是21世紀(jì)才出現(xiàn)的，第一屆國際生物煉制大會(huì)于2005年在比利時(shí)的根特舉行。生物煉制的內(nèi)涵早已被科學(xué)家重視，它的發(fā)展將是一個(gè)長期的漸進(jìn)過程，只有在產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格等方面競(jìng)爭(zhēng)過石化產(chǎn)品時(shí)，才能被市場(chǎng)所接受。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理生物煉制目前研究熱點(diǎn)乙二醇、丙二醇、丙三醇（甘油）、1，3-丙二醇聚乳酸（PLA）聚丁二酸丁二醇酯，即聚丁烯琥珀酸酯（PBS）微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第三節(jié)微生物代謝概述3.1細(xì)胞代謝的基本概念微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝的概念（p1）代謝（Metabolism）：包括合成代謝和分解代謝

，是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總和。分解代謝（Catabolism）：又稱異化作用，是指由復(fù)雜的營養(yǎng)物質(zhì)分解成簡(jiǎn)單化合物的過程；合成代謝（Anabolism）：又稱同化作用，是指由簡(jiǎn)單的化合物合成復(fù)雜的細(xì)胞物質(zhì)的過程。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理初級(jí)代謝（primarymetabolism）：是微生物產(chǎn)生和生長、繁殖所必需的物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、核酸等）的過程。次級(jí)代謝（Secondarymetabolism）：微生物在一定的生長時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對(duì)微生物的生命活動(dòng)無明確功能的物質(zhì)的過程。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理碳源氮源生長因子概念來源常用作用凡能為微生物提供所需C的營養(yǎng)物質(zhì)凡能為微生物提供所需N的營養(yǎng)物質(zhì)微生物生長不可缺少的微量有機(jī)物無機(jī)：CO2、NaHCO3；有機(jī)：糖類、脂肪酸、花生粉餅、石油等無機(jī)：N2、氨、銨鹽、硝酸鹽等；有機(jī)：尿素、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸等。維生素、氨基酸、堿基、蛋白胨、動(dòng)植物提取液等糖類尤其是葡萄糖銨鹽、硝酸鹽維生素用于構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)和代謝產(chǎn)物。還可以是異養(yǎng)型微生物的主要能源物質(zhì)主要用于合成蛋白質(zhì)、核酸以及含N的代謝產(chǎn)物一般是酶和核酸的組成成分微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理生物反應(yīng)都在溫和的條件下進(jìn)行，大多為酶所催化；反應(yīng)具有順序性；具有靈敏的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制。3.2微生物代謝的特點(diǎn)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物的生長及代謝生長曲線時(shí)間調(diào)整期指數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期菌體數(shù)目代謝特點(diǎn)時(shí)間細(xì)菌數(shù)目的對(duì)數(shù)增長不明顯快速增長活菌數(shù)目達(dá)到最大（K值）活菌數(shù)目急劇減少代謝活躍體積增大大量合成初級(jí)代謝產(chǎn)物細(xì)胞分裂速率最快個(gè)體形態(tài)、生理特征較穩(wěn)定繁殖速率等于死亡速率細(xì)胞內(nèi)大量積累次級(jí)代謝產(chǎn)物，某些細(xì)菌可形成芽孢繁殖速率小于死亡速率菌體出現(xiàn)多種形態(tài)（畸形），細(xì)胞解體、釋放代謝產(chǎn)物微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理生長曲線時(shí)間調(diào)整期指數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期成因應(yīng)用時(shí)間細(xì)菌數(shù)目的對(duì)數(shù)適應(yīng)新環(huán)境適應(yīng)了環(huán)境后，條件適宜、營養(yǎng)物質(zhì)充足等營養(yǎng)物質(zhì)消耗、有毒代謝產(chǎn)物積累、PH值的變化，種內(nèi)斗爭(zhēng)加劇生存條件極度惡化，有毒代謝產(chǎn)物積累過，生存斗爭(zhēng)最劇烈長短與菌種、培養(yǎng)條件有關(guān)可作為菌種也可作科研材料制取代謝產(chǎn)物特別是次級(jí)產(chǎn)物微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理分子水平調(diào)控3.3微生物代謝調(diào)控微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsCellFactory細(xì)胞水平調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)、輔助因子、膜的通透性、生長特性微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理反應(yīng)器水平調(diào)控微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理3.4細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)的意義（P1）通過代謝調(diào)節(jié)，將錯(cuò)綜復(fù)雜的代謝反應(yīng)相互制約，使其彼此協(xié)調(diào)，隨著細(xì)胞內(nèi)外條件的變化而調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)的速率、方向和流量，既不使代謝物積累而造成浪費(fèi)，也不致因代謝物的缺損而供不應(yīng)求，保持各種代謝物的濃度相對(duì)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)平衡，使細(xì)胞正常生長。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理3.5代謝控制發(fā)酵的概念（P2）發(fā)酵：指通過微生物培養(yǎng)，使某種特定代謝產(chǎn)物大量積累的過程。代謝控制發(fā)酵：利用遺傳學(xué)的方法或其他生物化學(xué)的方法，人為地在DNA分子水平上，改變和控制微生物的代謝，使有用目的產(chǎn)物大量生成、積累的發(fā)酵。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理3.6代謝控制發(fā)酵理論的發(fā)展（P2）1956年，谷氨酸發(fā)酵成功后，對(duì)生產(chǎn)菌株本身的研究逐漸深入，開始形成了代謝控制發(fā)酵技術(shù)。代謝控制發(fā)酵理論使發(fā)酵由野生型菌株的發(fā)酵向高度人為控制的發(fā)酵轉(zhuǎn)移，由依賴于微生物分解代謝的發(fā)酵向依賴于合成代謝（產(chǎn)物大量積累）的發(fā)酵轉(zhuǎn)移。從隨機(jī)誘變盲目地挑選高產(chǎn)菌株發(fā)展到菌種定向選育。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝控制發(fā)酵理論發(fā)展的基礎(chǔ)（P3）生物化學(xué)的發(fā)展：代謝途徑研究不斷深入微生物遺傳學(xué)的發(fā)展：發(fā)現(xiàn)了分解代謝途徑的操縱子和合成代謝操縱子的調(diào)控機(jī)制分子生物學(xué)的發(fā)展：通過轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、接合、原生質(zhì)體融合等方法獲得目的重組子，通過DNA重組技術(shù)構(gòu)建工程菌株設(shè)備及工程學(xué)的發(fā)展：合理控制環(huán)境條件、采用過程控制的方法對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行最優(yōu)化控制。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理3.7代謝控制發(fā)酵理論的應(yīng)用（P5）加速限速步驟的反應(yīng)速度；改變分支代謝途徑流向；構(gòu)建代謝旁路；改變能量代謝途徑；延伸代謝途徑；構(gòu)建新的生物合成途徑。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理分子育種Kelloggetal,1981體外進(jìn)化Timmisetal,1988途徑工程MacQuity,1988Tongetal,1991細(xì)胞工程N(yùn)erem,1991代謝工程Baley,1991Stephanetal,1991微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝工程：1991，CIT&MIT,Bailey&Stephanopoulos,ScienceTowardascienceofmetabolicengineeringNetworkrigidityandmetabolicengineeringinmetaboliteoverproduction1996,第一次國際代謝工程會(huì)議召開。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

代謝工程是關(guān)于代謝途徑的分析與修飾的科學(xué)。它是應(yīng)用分子生物學(xué)與反應(yīng)工程技術(shù)不斷發(fā)展融合的結(jié)果，是對(duì)細(xì)胞（包括微生物、植物、動(dòng)物、乃至人體細(xì)胞）內(nèi)的代謝途徑網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向地有目的的改造，以更好的利用細(xì)胞代謝進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)導(dǎo)和超分子組裝。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝工程的用途：幾乎跨越了生物技術(shù)的全部領(lǐng)域，主要包括：異源蛋白的生產(chǎn)；擴(kuò)大底物利用范圍；生產(chǎn)新物質(zhì)；對(duì)環(huán)境有害物質(zhì)的降解；提高菌體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力；阻斷或降低副產(chǎn)物的生成；代謝產(chǎn)品生產(chǎn)速率和生產(chǎn)能力的提高；植物、動(dòng)物代謝工程；人體和組織代謝工程。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝工程的方法步驟分析反應(yīng)工程技術(shù)確定決定生理狀態(tài)的參數(shù)闡明代謝網(wǎng)絡(luò)的控制結(jié)構(gòu)提出待修飾的靶標(biāo)評(píng)價(jià)修飾后的生化影響合成應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)宿主細(xì)胞中新基因的表達(dá)基因的插入、缺失等改造酶量的調(diào)節(jié)，內(nèi)源酶的擴(kuò)增酶活性的調(diào)節(jié)，解除抑制等

代謝工程的實(shí)質(zhì)是：將通量及其控制進(jìn)行量化的方法與分子生物學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，用以執(zhí)行所建議的基因修飾任務(wù)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理代謝工程的核心——代謝控制分析（MCA)通過途徑中酶的活性、代謝物、效應(yīng)物和其它參數(shù)所施加的通量控制程度進(jìn)行定量的表述。代謝工程必須包括實(shí)驗(yàn)和理論兩種方法來確定細(xì)胞的代謝通量。如物質(zhì)平衡、同位素標(biāo)記、光譜學(xué)方法（如NMR）、質(zhì)譜學(xué)及聯(lián)用方法（如GC-MS,LC-MS等）。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第二章微生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制第一節(jié)細(xì)胞結(jié)構(gòu)在代謝調(diào)節(jié)中的作用第二節(jié)酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制第三節(jié)酶量調(diào)節(jié)機(jī)制第四節(jié)能荷調(diào)節(jié)及細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié)第五節(jié)分支合成代謝途徑的反饋調(diào)節(jié)模式微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物是自然界長期進(jìn)化的產(chǎn)物，它之所以能生存至今，是因?yàn)槲⑸锛?xì)胞具有為了生存和競(jìng)爭(zhēng)而進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的保障機(jī)制。代謝控制發(fā)酵的關(guān)鍵，取決于微生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制是否能夠被解除，即能否人為地控制微生物的代謝，使有用的目標(biāo)產(chǎn)物大量生成。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

工業(yè)發(fā)酵是微生物群體活動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。此過程即伴隨異化和同化作用而發(fā)生的物質(zhì)流動(dòng)；又伴隨能量形式的轉(zhuǎn)換而發(fā)生的電子流動(dòng)；還伴隨不同水平上的代謝調(diào)節(jié)而發(fā)生的信息流動(dòng)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第一節(jié)細(xì)胞結(jié)構(gòu)在代謝調(diào)節(jié)中的作用微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理細(xì)胞內(nèi)酶的隔離分布代謝途徑有關(guān)酶類常常組成多酶體系，分布于細(xì)胞的某一區(qū)域。

酶的隔離分布的意義

——避免了各種代謝途徑互相干擾。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理胞質(zhì)：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途徑，脂肪酸合成，部分蛋白質(zhì)合成線粒體：脂肪酸β氧化，三羧酸循環(huán)，呼吸鏈，氧化磷酸化細(xì)胞核：核酸的合成、修飾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：蛋白質(zhì)合成，磷脂合成胞質(zhì)和線粒體：糖異生，膽固醇合成溶酶體：多種水解酶微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能1．單純擴(kuò)散(simplediffusion)

O2、CO2等脂溶性氣體分子，由細(xì)胞膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散。

2．易化擴(kuò)散(facilitateddiffusion)

不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，在膜蛋白的介導(dǎo)下，也能由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散。

3．主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(activetransport)

物質(zhì)（分子或離子）由膜的低濃度一側(cè)移向高濃度一側(cè)，由細(xì)胞膜上的特殊蛋白質(zhì)參與，必須由被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)外部（膜或細(xì)胞）供給能量。

4．出胞（exocytosis）和入胞（endocytosis）

大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)由膜性結(jié)構(gòu)包圍后進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。Ca2+在物質(zhì)出胞過程中起重要作用。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第二節(jié)酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制酶（enzyme）是具有生物催化功能的生物大分子。一類是經(jīng)典的酶，即由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功能的蛋白質(zhì)（P酶）；另一類主要是由RNA或DNA組成的核酸酶（R酶）?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的生物體內(nèi)存在的酶有近8000種，而且每年都有新酶發(fā)現(xiàn)。迄今數(shù)百種酶已達(dá)到了均一純度，大約有200多種酶得到了結(jié)晶。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理三大營養(yǎng)素共同中間產(chǎn)物共同最終代謝通路糖脂肪蛋白質(zhì)乙酰CoATCA2H氧化磷酸化ATPCO2三大營養(yǎng)素可在體內(nèi)氧化供能。1、微生物代謝體系微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理由氨基酸合成嘌呤環(huán)甘氨酸再與R-5-P合成核酸微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理天冬氨酸（Asp）=o=o

嘧啶環(huán)合成的原料GlnCO2微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理脂肪分解增強(qiáng)ATP增多ATP/ADP比值增高任一供能物質(zhì)的代謝占優(yōu)勢(shì)，常能抑制和節(jié)約其他物質(zhì)的降解。糖分解被抑制

6-磷酸果糖激酶-1被抑制（糖分解代謝限速酶之一）例如微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理從能量供應(yīng)的角度看，三大營養(yǎng)素可以互相代替，并互相制約。一般情況下，供能以糖、脂為主，并盡量節(jié)約蛋白質(zhì)的消耗。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

primarystructurebuildingblock

secondarystructurestructuredomain

tertiarystructuresubunitquaternarystructure2、“酶”相關(guān)的基本概念微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理絕大部分酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，具有一般蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 NH2

H—C—COOH

R

氨基酸結(jié)構(gòu)單元酶的晶體分析表明酶是鏈長約為100-2500個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶活性中心（多為疏水區(qū)）結(jié)構(gòu)中心（維持空間結(jié)構(gòu)、決定酶的專一性、參與活性調(diào)節(jié)、免疫、分子識(shí)別等過程）結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)SerHisAspCysTyrGlu微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶的作用機(jī)制酸堿催化共價(jià)催化鄰近和定向效應(yīng)變形或張力作用金屬離子催化多元催化化學(xué)結(jié)構(gòu)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理關(guān)鍵酶（keyenzyme）關(guān)鍵酶是參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總稱。作為一個(gè)反應(yīng)鏈的限速因子，對(duì)整個(gè)反應(yīng)起限速作用。代謝途徑是一系列酶促反應(yīng)組成的，其速度及方向由其中的關(guān)鍵酶決定。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理例：糖代謝的關(guān)鍵酶微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理PRPP的合成POH2COHOHOH

O-P-O-PPOH2COHOHO

OPRPP合成酶ATPAMP

R-5-PPRPP微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理①速度最慢，它的速度決定整個(gè)代謝途徑的總速度，故又稱其為限速酶(limitingvelocityenzymes)。②催化單向反應(yīng)不可逆或非平衡反應(yīng)，它的活性決定整個(gè)代謝途徑的方向。③這類酶活性除受底物控制外，還受多種代謝物或效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)。關(guān)鍵酶催化的反應(yīng)具有以下特點(diǎn)：微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

快速代謝調(diào)節(jié)

遲緩代謝調(diào)節(jié)數(shù)秒、數(shù)分鐘通過改變酶的活性數(shù)小時(shí)、幾天通過改變酶的含量變構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)化學(xué)修飾調(diào)節(jié)(chemicalmodification)代謝調(diào)節(jié)主要是通過對(duì)關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理按照酶在代謝調(diào)節(jié)中的作用不同進(jìn)行分類（P8-9）：調(diào)節(jié)酶：包括變構(gòu)酶、同工酶、多功能酶靜態(tài)酶：一般與代謝調(diào)節(jié)關(guān)系不大潛在酶：指酶原、非活性型或與抑制劑結(jié)合的酶3、酶活力的調(diào)控機(jī)制變構(gòu)調(diào)節(jié)化學(xué)修飾調(diào)節(jié)激活輔酶調(diào)節(jié)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理（1）.變構(gòu)調(diào)節(jié)的概念小分子化合物與酶分子活性中心以外的某一部位特異結(jié)合，引起酶蛋白分子構(gòu)象變化，從而改變酶的活性，這種調(diào)節(jié)稱為酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)或別構(gòu)調(diào)節(jié)。關(guān)鍵酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理被調(diào)節(jié)的酶稱為變構(gòu)酶或別構(gòu)酶(allostericenzyme)使酶發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)，稱為變構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)

?變構(gòu)激活劑

allostericeffector

——引起酶活性增加的變構(gòu)效應(yīng)劑。?變構(gòu)抑制劑

allostericeffector

——引起酶活性降低的變構(gòu)效應(yīng)劑。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理（2）.變構(gòu)調(diào)節(jié)的機(jī)制變構(gòu)酶催化亞基調(diào)節(jié)亞基變構(gòu)效應(yīng)劑：底物、終產(chǎn)物其他小分子代謝物調(diào)節(jié)酶一般為變構(gòu)酶，是具有多亞基四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，具有兩個(gè)活性部位（催化部位和變構(gòu)部位）。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理變構(gòu)效應(yīng)劑+酶的調(diào)節(jié)亞基酶的構(gòu)象改變酶的活性改變（激活或抑制）疏松亞基聚合緊密亞基解聚酶分子多聚化微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理當(dāng)酶處于T型時(shí)，因其調(diào)節(jié)部位轉(zhuǎn)至聚合體內(nèi)部而難以與AMP結(jié)合，故對(duì)AMP不敏感而表現(xiàn)出較高的活性。在第一個(gè)AMP分子與調(diào)節(jié)部位結(jié)合后，T型逐步轉(zhuǎn)變成R型，各亞基構(gòu)象相繼發(fā)生改變，調(diào)節(jié)部位相繼暴露，與AMP的親和力逐步增加，酶的活性逐漸減弱。果糖-1,6-二磷酸酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)（疏松和緊密）Fructose-1，6-disphosphate微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理乙酰CoA羧化酶，它是脂肪酸合成過程中的關(guān)鍵酶。它的每個(gè)亞基有不同的功能，分別是：①生物素載體蛋白，它能結(jié)合輔基生物素；②生物素羧化酶，它能催化生物素發(fā)生羧化反應(yīng)；③羧基轉(zhuǎn)移酶，它能將生物素上的羧基轉(zhuǎn)移給乙酰CoA形成丙二酰CoA；④調(diào)節(jié)亞基，它能與檸檬酸或異檸檬酸結(jié)合，使原聚體聚合為多聚體。乙酰CoA羧化酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)（酶分子多聚化）由四種不同亞基構(gòu)成的原聚體微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

多聚體催化活性，ATPMg2+可使多聚體解聚為原聚體而使酶失活。長鏈脂酰-CoA可拮抗檸檬酸的促聚合作用，因此，它們都是該酶的變構(gòu)抑制劑。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

調(diào)節(jié)酶一般為變構(gòu)酶，是具有多亞基四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，具有兩個(gè)活性部位（催化部位和變構(gòu)部位）。天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶ATCaseAspartatetranscarbamoylase

（3）.變構(gòu)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理來自E.coli的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）是研究得最多的一個(gè)調(diào)節(jié)酶它提供了一個(gè)生物合成途徑的調(diào)節(jié)中別構(gòu)反饋抑制的最好的一個(gè)例子ArthurPardee等人發(fā)現(xiàn)ATCase的一個(gè)最有效的抑制劑是代謝途徑的終產(chǎn)物胞嘧啶三磷酸（CTP）當(dāng)CTP水平高時(shí)，CTP與ATCase結(jié)合，降低CTP合成的速度，反之當(dāng)細(xì)胞內(nèi)CTP水平低時(shí)，CTP從ATCase上解離，加快CTP合成速度。他們還發(fā)現(xiàn)ATP是酶的別構(gòu)激活劑。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理aregulatorysubunitwithCTPbound(theright-handimage)andwithoutCTP(theleft-handimage).微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度與底物濃度（或變構(gòu)抑制劑濃度）的關(guān)系曲線呈S型，有協(xié)同性，存在有底物或效應(yīng)物對(duì)反應(yīng)速度發(fā)生影響的閾值。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理調(diào)節(jié)酶多處在合成代謝途徑上，而且一般在代謝途徑的第一步或分支點(diǎn)上，多受終產(chǎn)物的反饋抑制。中間產(chǎn)物不影響調(diào)節(jié)酶的活力。調(diào)節(jié)酶后面酶的活性對(duì)最終產(chǎn)物是不敏感的。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理變構(gòu)酶具有脫敏作用，即經(jīng)特定處理后，不喪失酶活性而失去對(duì)變構(gòu)效應(yīng)物的敏感性。此時(shí)，一般發(fā)生了變構(gòu)酶解聚或結(jié)構(gòu)基因突變。調(diào)節(jié)酶與負(fù)效應(yīng)劑非共價(jià)結(jié)合而引起的變構(gòu)作用，對(duì)酶活性的控制是一種快速、敏感和高效的調(diào)節(jié)方式。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理（4）.變構(gòu)調(diào)節(jié)的生理意義①

代謝終產(chǎn)物反饋抑制(feedbackinhibition)反應(yīng)途徑中的酶，使代謝物不致生成過多。乙酰CoA

乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA長鏈脂酰CoA微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

②變構(gòu)調(diào)節(jié)使能量得以有效利用，不致浪費(fèi)。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促進(jìn)糖的儲(chǔ)存微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理③變構(gòu)調(diào)節(jié)使不同的代謝途徑相互協(xié)調(diào)。檸檬酸–+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化

乙酰輔酶A

羧化酶

促進(jìn)脂酸的合成微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)1.化學(xué)修飾的概念酶蛋白肽鏈上某些殘基在酶的催化下發(fā)生可逆的共價(jià)修飾(covalentmodification)，從而引起酶活性改變，這種調(diào)節(jié)稱為酶的化學(xué)修飾。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2.化學(xué)修飾的主要方式磷酸化---去磷酸乙?；?--脫乙酰甲基化---去甲基腺苷化---脫腺苷SH與–S—S–互變微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理Examplesofcovalentmodification微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理ProteinphosphotasesReversetheeffectsofkinases,catalyzehydrolyticremovalofphosphorylgroupsattachedtoproteins微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理3.化學(xué)修飾的特點(diǎn)①酶蛋白的共價(jià)修飾是可逆的酶促反應(yīng)，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性狀態(tài)可互相轉(zhuǎn)變。催化互變反應(yīng)的酶在體內(nèi)可受調(diào)節(jié)因素如激素的調(diào)控。②具有放大效應(yīng)，效率較變構(gòu)調(diào)節(jié)高。③磷酸化與脫磷酸是最常見的方式。

同一個(gè)酶可以同時(shí)受變構(gòu)調(diào)節(jié)和化學(xué)修飾調(diào)節(jié)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理丙酮酸脫氫酶的磷酸化共價(jià)修飾例1丙酮酸脫氫酶微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理例2谷氨酰胺合成酶圖2-35通過共價(jià)修飾對(duì)GlnS調(diào)節(jié)的機(jī)制

ATase-腺苷?；D(zhuǎn)移酶；UTase-尿苷?；D(zhuǎn)移酶；UR-脫尿苷?；?；

?-KG○1和Gln○1分別表示?-KG和Gln對(duì)酶的抑制作用

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理例3，膠質(zhì)紅假單胞菌中的檸檬酸裂解酶(CL)也是一種共價(jià)調(diào)節(jié)酶

圖2-36共價(jià)調(diào)節(jié)酶

酶的可逆共價(jià)修飾的作用：

（1）因酶構(gòu)型的轉(zhuǎn)換是由酶催化的，故可在很短時(shí)間內(nèi)經(jīng)信號(hào)啟動(dòng)，觸發(fā)生成大量有活性的酶（或改變酶的活性）有效控制細(xì)胞的生理代謝。（2）這種修飾作用可更容易控制酶的活性的響應(yīng)代謝環(huán)境的變化，這系統(tǒng)有能隨時(shí)響應(yīng)的特性，經(jīng)常處于活化與鈍化狀態(tài)之間的來回變換。

6H2O

6HAc

脫乙酰基酶

Glu○I

AcS-CL

Hs-CL

無活性

檸檬酸

連接酶

連接酶

（有活性）

（無活性）

6AMP+6PPi

ATP+6HAc

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理潛在酶的激活微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理調(diào)節(jié)酶：包括變構(gòu)酶、同工酶、多功能酶靜態(tài)酶：一般與代謝調(diào)節(jié)關(guān)系不大潛在酶：指酶原、非活性型或與抑制劑結(jié)合的酶變構(gòu)調(diào)節(jié)化學(xué)修飾調(diào)節(jié)激活輔酶調(diào)節(jié)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理通過輔酶水平的活性調(diào)節(jié)輔酶是一些小分子有機(jī)化合物，主要參與酶的催化過程，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)，多為維生素。與酶結(jié)合緊密的輔酶成為輔基，與酶結(jié)合疏松的為輔底物。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理輔酶在酶促反應(yīng)中的作用特點(diǎn)輔酶在催化反應(yīng)過程中，直接參加了反應(yīng)。每一種輔酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一類型的反應(yīng)。同一種輔酶可以和多種不同的酶蛋白結(jié)合形成不同的全酶。一般來說，全酶中的輔酶決定了酶所催化的類型（反應(yīng)專一性），而酶蛋白則決定了所催化的底物類型（底物專一性）。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理水溶性維生素與輔酶大多數(shù)輔酶的前體主要是水溶性B族維生素。許多維生素的生理功能與輔酶的作用密切相關(guān)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理1、嘧啶環(huán)中的兩個(gè)氮原子來自（）

A.谷氨酰胺B谷氨酸和氨基甲酰磷酸C.谷氨酰胺和天冬酰胺D.天冬氨酸和氨基甲酰磷酸E.谷氨酰胺和谷氨酸2、羧化酶的輔酶含（）

A.生物素B.硫胺素C.核黃素D.尼克酰胺E.葉酸3、下列（）可促進(jìn)可逆的酶促反應(yīng)

A.己糖激酶B.磷酸果糖激酶C.磷酸甘油磷酸激酶D.丙酮酸激酶E.糖原磷酸化酶4、下列關(guān)于酶的磷酸化敘述錯(cuò)誤的是（）

A.磷酸化和去磷酸化都是酶促反應(yīng)B.磷酸化或去磷酸化可伴有亞基聚合和解聚C.磷酸化只能使酶變?yōu)橛谢钚缘男问紻.磷酸化反應(yīng)消耗ATPE.磷酸化發(fā)生在酶的特定部位。5、常見的酶活性中心的必需基團(tuán)有()

A.半胱氨酸和胱氨酸的巰基B.組氨酸的咪唑基

C．谷氨酸、天冬氨酸的側(cè)鏈羧基D．蘇氨酸的羥基E.絲氨酸的羥基ACCB\EC微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理第二章微生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制第一節(jié)細(xì)胞結(jié)構(gòu)在代謝調(diào)節(jié)中的作用第二節(jié)酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制第三節(jié)酶量調(diào)節(jié)機(jī)制第四節(jié)分支合成代謝途徑的調(diào)節(jié)模式第五節(jié)能荷調(diào)節(jié)及細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理本次課程主要內(nèi)容酶量調(diào)節(jié)原理；操縱子的概念和類型；操縱子調(diào)控機(jī)理舉例；二次生長現(xiàn)象；降解物阻遏和CRP正調(diào)機(jī)制；真核細(xì)胞的酶量調(diào)節(jié)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

一、酶量調(diào)節(jié)原理

基本概念酶量的調(diào)節(jié)，指微生物合成酶的數(shù)量的調(diào)節(jié)。在微生物生物合成體系中，代謝產(chǎn)物常常抑制或者誘導(dǎo)酶的生物合成，這種酶的數(shù)量調(diào)節(jié)的方式又稱為酶合成調(diào)控。由代謝終產(chǎn)物抑制酶合成的負(fù)反饋?zhàn)饔梅Q為反饋?zhàn)瓒簦╢eedbackrepression），反之，正反饋稱為酶誘導(dǎo)作用（induction）。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶量的調(diào)節(jié)是通過控制酶基因的生物合成來進(jìn)行的基因（Gene）：是一段編碼蛋白質(zhì)多肽鏈和功能RNA的DNA?；蚪M(genome)：一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。基因表達(dá)是受調(diào)控的。*基因表達(dá)(geneexpression)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理基因表達(dá)的規(guī)律1、時(shí)間特異性或發(fā)育階段特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2、空間特異性或組織細(xì)胞特異性基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理基因表達(dá)的方式按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：1.組成性表達(dá)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，基本不受環(huán)境因素的影響，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2.可誘導(dǎo)和可阻遏表達(dá)在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過程，稱為誘導(dǎo)(induction)。

如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinateexpression)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理基因表達(dá)調(diào)節(jié)的基本原理1、基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)的投遞和運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)翻譯翻譯后加工修飾基因表達(dá)可在多層次上受到調(diào)節(jié)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基本要素基因表達(dá)的調(diào)節(jié)與基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，生物個(gè)體或細(xì)胞所處的內(nèi)、外環(huán)境，以及細(xì)胞內(nèi)所存在的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白有關(guān)。三個(gè)基本要素：1）特異的DNA調(diào)節(jié)序列2）調(diào)節(jié)蛋白3）RNA聚合酶微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶量的調(diào)節(jié)

誘導(dǎo)阻遏終產(chǎn)物的阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏例如：葡萄糖效應(yīng)例如：乳糖操縱子例如：色氨酸操縱子微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理二、操縱子的概念和舉例

（原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)）RegulationofProkaryoticGeneTranscription微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行

（一）原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的特點(diǎn)1、σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性2、主要通過操縱子模式進(jìn)行調(diào)節(jié)3、阻遏蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用（阻遏機(jī)制）是普遍存在的負(fù)調(diào)控作用微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模式是操縱子（operon）調(diào)控模式，該模式也見于低等真核生物中。所謂操縱子（operon）是指原核生物基因組的一個(gè)表達(dá)調(diào)控序列，長度約1000bp左右，由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控。

（二）操縱子的概念和特點(diǎn)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理編碼序列

啟動(dòng)序列

操縱序列調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理（1）酶合成的誘導(dǎo)作用：

在細(xì)菌中普通存在，如大腸桿菌可利用多種糖作為碳源，當(dāng)用乳糖作為唯一碳源時(shí)，開始細(xì)菌不能利用乳糖，但2～3分鐘后就合成了與乳糖代謝有關(guān)的三種酶

（1）β—半乳糖苷酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成半乳糖和葡萄糖

（2）β-半乳糖透性酶：促使乳糖通過細(xì)胞膜。

（3）β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福虼肴樘擒辙D(zhuǎn)乙酰酶）：這酶的功能不清，可能是將不能代謝的乳糖類似物乙?；?，并將它們排出體外。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理乳糖究竟如何誘導(dǎo)了這三種酶的合成呢？

1961年法國Monod和Jacob提出了著名的乳糖操縱子(lactoseoperon）模型，這模型的提出猶如當(dāng)年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋模型一樣，受到人們的重視，人們把它看作生物學(xué)的第二個(gè)里程碑。

這里乳糖是誘導(dǎo)物、誘導(dǎo)了這三種酶的合成，這三種酶就是誘導(dǎo)酶。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制1、乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)與組成

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理結(jié)構(gòu)基因：決定酶蛋白或蛋白質(zhì)的基因。

操縱基因：轉(zhuǎn)錄的開關(guān)，可打開或關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

啟動(dòng)子：專管轉(zhuǎn)錄起始，上面有RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)。

調(diào)節(jié)基因：編碼阻遏蛋白的基因。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理乳糖操縱子模型的基本要點(diǎn)：

調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因A操縱子（operon）BC一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因相鄰，并且共同受同一個(gè)操縱基因和啟動(dòng)子所控制。

一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）和操縱基因（operator）、啟動(dòng)子（promoter）組成了一個(gè)操縱子(operon)。

為什么稱它們?yōu)橐粋€(gè)操縱子呢？因?yàn)樗鼈冇止餐芤粋€(gè)調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）所調(diào)節(jié)。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控

（環(huán)境中沒有乳糖時(shí)的基因狀態(tài)）微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控

（環(huán)境中具有乳糖時(shí)的基因狀態(tài)）微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理（2）酶合成的阻遏作用

最終產(chǎn)物的阻遏：

以E.ColiTrp操縱子為例，Trp操縱子含有5個(gè)結(jié)構(gòu)基因，它們編碼的酶蛋白催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)門rp，Trp是輔助遏物（corepressor）。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理色氨酸合成Trp操縱子微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理色氨酸操縱子（trpoperon）屬于阻遏型操縱子，主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏色氨酸時(shí)，此操縱子開放，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的色氨酸過多時(shí)，此操縱子被關(guān)閉。

色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)色氨酸合成過多時(shí)，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理酶合成的阻遏作用微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?1、色氨酸操縱子（轉(zhuǎn)錄衰減作用）色氨酸操縱子微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)機(jī)制：即在色氨酸操縱子第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因與啟動(dòng)基因之間存在有一衰減區(qū)域，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時(shí)，通過與轉(zhuǎn)錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個(gè)衰減子結(jié)構(gòu)，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

trp密碼子

UUUU……微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

分解代謝產(chǎn)物的阻遏：

在基質(zhì)中當(dāng)同時(shí)存在多種分解代謝物時(shí)，某些酶的合成往往被容易分解利用的碳源（如葡萄糖）所阻遏。后來知道這是由于葡萄糖分解代謝產(chǎn)物引起的，因此又稱為分解代謝產(chǎn)物阻遏（cataboliterepression）。這種現(xiàn)象過去稱為葡萄糖效應(yīng)（glucoseeffect）。

1942年，Monod首次發(fā)現(xiàn)E.Coli的培養(yǎng)基中既含葡萄糖，又含乳糖時(shí)，則優(yōu)先利用葡萄糖，等葡萄糖耗盡后才能利用乳糖，也就是說在大量葡萄糖時(shí)，乳糖操縱子還是關(guān)閉，葡萄糖阻遏了乳糖代謝有關(guān)的酶的合成。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理GC－＋ATPcAMP5'-AMP腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶CRPcAMPCRP復(fù)合物結(jié)構(gòu)基因分解代謝產(chǎn)物啟動(dòng)子操縱基因分解代謝產(chǎn)物阻遏，即葡萄糖效應(yīng)的機(jī)制：cAMP:環(huán)腺苷酸cAMP受體蛋白簡(jiǎn)稱：CRP或CAP抑制激活微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理幾點(diǎn)結(jié)論分解代謝產(chǎn)物阻遏的實(shí)質(zhì)是：細(xì)胞內(nèi)缺少了cAMP分解代謝產(chǎn)物阻遏作用是發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上的cAMP在乳糖操縱子中的作用：是調(diào)節(jié)mRNA的生成，屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

現(xiàn)在知道乳糖操縱子除需誘導(dǎo)物外，還需cAMP和cAMP受體蛋白（CRP），當(dāng)cAMP與CRP結(jié)合成復(fù)合物時(shí)，這復(fù)合物能結(jié)合到啟動(dòng)子上，促使轉(zhuǎn)錄的起始。

結(jié)構(gòu)基因操縱基因啟動(dòng)子RNA聚合酶CRPcAMP復(fù)合物CRP＋cAMP位點(diǎn)活化微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CRP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※如無CRP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2、阿拉伯糖操縱子的正調(diào)節(jié)作用和負(fù)調(diào)節(jié)作用

是一個(gè)利用同一種調(diào)節(jié)蛋白的不同結(jié)構(gòu)形式活化和抑制操縱子的調(diào)控方式。

AraC蛋白是一個(gè)具有兩種不同功能構(gòu)象的蛋白質(zhì)。P1型為阻遏子，P2型為激活子。調(diào)節(jié)作用分三種情況：1）葡萄糖很豐富且沒有阿拉伯糖情況下，AraC與操縱基因araO2和AraC的一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)araI結(jié)合，結(jié)合于araO2和araI的兩個(gè)AraC蛋白之間互相結(jié)合，形成一個(gè)約210堿基對(duì)的一個(gè)環(huán)，從而使araBAD啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄被抑制，基因araB、A、D不被轉(zhuǎn)錄，阻止操縱子的轉(zhuǎn)錄（陰性調(diào)控或負(fù)調(diào)節(jié)作用）微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2）當(dāng)葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在時(shí)，CAP-cAMP很豐富，與araI附近的CRP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，阿拉伯糖與AraC蛋白結(jié)合改變了構(gòu)象，成為激活子，DNA環(huán)被打開，能與CAP-cAMP協(xié)同誘導(dǎo)araBAD基因的轉(zhuǎn)錄（陽性調(diào)控或正調(diào)節(jié)）3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖均豐富時(shí)，操縱子均處于阻遏狀態(tài)。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理由成群的操縱子組成的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)稱為調(diào)節(jié)子。通過組成調(diào)節(jié)子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)若干操縱子及若干蛋白質(zhì)的合成進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，從而達(dá)到整體調(diào)控的目的。典型的整體調(diào)控模式是SOS反應(yīng)，這是由一組與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當(dāng)有紫外線照射時(shí)，細(xì)菌體內(nèi)的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導(dǎo)致與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的基因表達(dá)。

3、原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理SOS反應(yīng)

SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白

與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因表達(dá)LexA阻遏蛋白操縱序列DNA微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理

利用操縱子模型解釋酶合成的誘導(dǎo)和阻遏，但要注意操縱子僅僅存在于原核細(xì)胞，操縱子的調(diào)控是原核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。真核細(xì)胞中沒有操縱子，即真核細(xì)胞中功能上彼此有關(guān)的基因往往分布在不同染色體上，它們并不組成一個(gè)操縱子。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)RegulationofEukaryoticGeneTranscription微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理一、真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動(dòng)物基因組DNA

約3×109

堿基對(duì)編碼基因約有30000個(gè)，占總長的6%微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2、單順反子單順反子(monocistron)

即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。3、重復(fù)序列單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)序列（103~104次）多拷貝序列4、基因不連續(xù)性

：斷裂基因真核生物中的基因具有不連續(xù)性，即一個(gè)基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開?；蛑心軌蜣D(zhuǎn)錄并進(jìn)一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉(zhuǎn)錄后會(huì)被剪除的部分則稱為內(nèi)含子（intron）。

微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理二、真核基因表達(dá)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)1、RNA聚合酶活性受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控：RNA聚合酶有三種，分別轉(zhuǎn)錄不同的RNA。2、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變參與基因表達(dá)的調(diào)控：1）對(duì)核酸酶敏感活化基因常有超敏位點(diǎn)，位于調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)附近。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理2）DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在；基因活化后RNA-pol正超螺旋負(fù)超螺旋轉(zhuǎn)錄方向3）DNA堿基修飾變化真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表達(dá)程度呈反比。微生物代謝控制發(fā)酵-緒論-原理4）組蛋白變化①富含Lys組蛋白水平降低②H2A,H2B二聚體不穩(wěn)定性增加③組蛋白