微生物代谢调控及发酵生产探究

生命活动的基础在于新陈代谢。微生物细胞内各种代谢反应错综复杂，各个反应过程之间是相互制约，彼此协调的，可随环境条件的变化而迅速改变代谢反应的速度。微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的，因为任何代谢途径都是一系列酶促反应构成的。微生物细胞的代谢调节主要有两种类型，一类是酶活性调节，调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的；另一类是酶合成的调节，调节的是酶分子的合成量，这是在遗传学水平上发生的。在细胞内这两种方式协调进行。

一、微生物的代谢调控

微生物的代谢方式很多。由于代谢过程中几乎所有的生化反应都是通过酶的催化实现的，因此代谢调节实际是控制酶的数量和活性的变化。

1.酶的活性调节

酶的活性调节是通过中间代谢产物或终产物改变已有酶分子的活性，进而控制代谢速率。酶活性的调节分为激活和抑制两种方式，调节效果迅速而灵敏，通过酶活性调节，微生物能迅速适应代谢环境的突然变化。

酶激活指酶在特定物质作用下，从无活性变为有活性或活性提高的过程。酶活性的抑制指酶在特定物质作用下酶活性降低或丧失的过程。酶活性抑制主要指反馈抑制，即某代谢途径的终产物过量合成时反过来直接抑制该途径中第1个酶的活性，使整个反应过程减慢或停止，避免终产物过度积累。

2.酶合成的调节

酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量来调节代谢速率的调节机制。由代谢终产物抑制酶合成的负反馈作用称为反馈阻遏。反之，代谢终产物促进酶生物合成的现象，称为诱导作用。其优点是通过阻止酶的过量合成，节约生物合成的原料和能量。在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且紧密配合、协调进行的。

二、代谢调控在发酵工业中的应用

正常菌株自身拥有精细的代谢调控系统，使其可以经济地利用营养资源和能量，但是这一特点却使我们无法利用微生物大量获得对人类有用的各种代谢产物。为了解决这一矛盾，必须打破微生物原有代谢平衡，通过对细胞的代谢途径进行修饰，使微生物可以大量积累某种代谢产物。代谢控制发酵的基本思想就是要打破微生物自身的代谢调节控制机制，使其能够大量积累某种代谢产物，具体措施主要有如下。

（一）解除菌体自身的反馈调节

通过传统诱变方法或基因工程手段选育解除了自身反馈调节的菌株，可以大量积累中间代谢产物或终产物。

1.选育代谢拮抗物抗性突变株

选育代谢拮抗物抗性突变菌株是代谢控制发酵的主要方法。正常合成代谢的终产物对于有关酶的合成具有阻遏作用，对于合成途径的第一个酶具有反馈抑制作用。代谢拮抗物是指那些与正常代谢产物结构相似，并具有与之同等的与阻遏物或变构酶相结合的能力的物质。但是，代谢拮抗物不能代替正常的终产物而合成为细胞内大分子物质，它们在细胞中的浓度不会降低。因此，它们与阻遏物以及变构酶的结合是不可逆的，这就是的有关酶不可逆的停止了合成，或是酶的催化作用被不可逆地抑制。因此，将代谢拮抗物作为选择压力进行突变株的选育，得到的代谢拮抗物抗性突变株的变构酶将对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，又或二者兼而有之，即在这类菌株中的反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。

2.选育营养缺陷型突变株

营养缺陷型菌株由于其合成途径中某一步骤发生缺陷，致使终产物不能积累，因此解除了正常的反馈调节，使得中间产物或另一分支途径的末端产物得以积累。

3.选育营养缺陷型回复突变株

营养缺陷型回复突变是对一个由于突变失去某一遗传性状的菌株再次进行诱变，使其能够回复其原有的遗传性状的一种育种方法。实践证明，当菌株的某一结构基因发生突变后，该结构基因所编码的酶就因结构改变而失活。经过回复突变后，该酶的活性中心结构可以复原，而调节部位的结构常常没有恢复。这样，可以得到具有酶活性，同时反馈抑制已全部或部分解除的突变株。例如，在金霉素生产中，就曾将生产菌绿链霉菌先诱变成蛋氨酸缺陷突变株，然后再进行回复突变，结果有85%的回复突变株产量提高了1.2～3.2倍。(www.xing528.com)

（二）增加前体物质

增加目标产物的前体物的合成，可以为目标代谢物合成途径供给更多的“原料”，使目标代谢物大量积累。如增强前体物合成酶活性，使前体物合成量增加；解除代谢途径中对前体物合成酶的各种反馈抑制和阻遏；切断支路代谢，将目标代谢物途径之外的其他分支途径切断，使分支点的代谢中间物只用于合成目标代谢物。

（三）去除代谢终产物

代谢途径的反馈抑制或阻遏是当代谢终产物在细胞内积累到一定浓度后产生的，如果能够及时将合成的代谢终产物排出细胞，使其无法形成高浓度，就可以达到解除反馈抑制的目的。采用生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。

本章小结

微生物代谢是微生物活细胞中所有生化反应的总称，它是生命活动的最基本特征。微生物的代谢分为能量代谢和物质代谢两部分。

不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。光合磷酸化是光能营养微生物形成ATP的途径；氧化磷酸化是化能微生物形成ATP的途径，根据电子传递链的有无，可分为底物水平磷酸化和电子传递磷酸化两种类型。生物体内糖酵解主要分为EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。

微生物的物质代谢是发生在微生物细胞内的各种化学反应的总称。它主要由分解代谢和合成代谢两部分组成。微生物的初级代谢是指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素、毒素、激素、色素等。次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，次级代谢一般在菌体对数生长后期或稳定期间进行，但会受到环境条件的影响。

微生物具有独特的合成代谢，自养微生物可以只利用CO₂作为唯一的碳源，将空气或周围环境中的CO₂同化成细胞物质的过程即CO₂的固定作用。固氮微生物利用固氮酶的催化作用将分子态氮转化为氨的过程即生物固氮。原核微生物细胞壁中的肽聚糖、磷壁酸，真核微生物细胞壁中的葡聚糖、甘露聚糖及几丁质等都是微生物特有的细胞物质。

微生物的代谢方式很多，由于代谢过程中几乎所有的生化反应都是通过酶的催化实现的，因此代谢调节实际是控制酶的数量和活性的变化。

复习思考题

一、名词解释

生物氧化 发酵 生物固氮 初级代谢 次级代谢

二、简述题

1.试比较底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化中ATP的产生。

2.简述化能自养微生物的生物氧化作用。

3.什么是无氧呼吸？比较无氧呼吸和有氧呼吸产生能量的多少，并说明原因。