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3-3 简述谷氨酸高产菌株代谢控制育种的基本思想。

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代谢控制发酵的基本思想2

代谢控制发酵的基本思想2

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小结：
增加前体物合成的途径：
切断分支代谢途径 解除前体物的反馈调节 增强分支点代谢流 增加关键酶的表达
17
五、特殊调节机制的利用
1.多种产物控制机制的利用 多种产物控制机制的利用 2.平衡合成的利用 平衡合成的利用 3.代谢互锁的利用 3.代谢互锁的利用 4.优先合成的变换 优先合成的变换
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8
举例：
选育异亮氨酸菌株时 选育异亮氨酸菌株时，苏氨酸是异亮氨酸 异亮氨酸菌株 的前体物。为了积累异亮氨酸， 的前体物。为了积累异亮氨酸，除设法解 除异亮氨酸自身合成的反馈调节外， 除异亮氨酸自身合成的反馈调节外，还需 设法解除苏氨酸的反馈调节， 解除苏氨酸的反馈调节 设法解除苏氨酸的反馈调节，增加异亮氨 酸的产量。 酸的产量。
33
如果该酶是蛋白质， 如果该酶是蛋白质，维生素或核苷酸生 物合成途径上的酶， 物合成途径上的酶，则该突变株高温下 就是一种营养缺陷型。 就是一种营养缺陷型。
例：如果突变位置发生在为亮氨酸合成酶系编码的基 因中，使翻译出来的酶对温度敏感，则高温时就不能 合成亮氨酸，即成为亮氨酸缺陷型。
34
例如：
天冬氨酰磷酸
1/3
天冬氨酰半醛 二氢吡啶二羧酸
高丝氨酸脱氢酶
高丝氨酸
高丝氨酸激酶
O-
酰高丝氨酸 氨酸
氨酸
O-磷酸高丝氨酸 磷酸高丝氨酸 氨酸
TD
氨酸
30
六、条件突变株的应用
像温度敏感性突变、链霉素依赖性突变 和低温敏感性突变等，因环境条件的不 同能显示突变型特性的改变，称为条件 致死突变（conditional lethal mutation）。 主要是蛋白质的结构基因发生突变。
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氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略

氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略
氨基酸代谢控制发酵机制 及育种策略
徐庆阳
中国氨基酸技术服务中心
目 录
• • • • • Chapter1 Chapter2 Chapter3 Chapter4 Chapter5 代谢机制理论基础 L-谷氨酸 L-亮氨酸 L-缬氨酸 L-异亮氨酸
Chapter1 代谢机制理论基础
氨基酸发酵机制
• 在一般情况下，微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产 物，严格防止氨基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当 氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后，微生物细胞立即停止 该物质的合成，一直到所供应的养料消耗到很低浓度，微 生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。微生物细胞中 这种调节控制作用主要靠两个因素，即参与调节的有关酶 的活性和酶量
积累反馈抑制（Cumulative feedback inhibition）
• 在积累反馈抑制中，每一个最终产物只单独地、部分地抑制共 同步骤的第一个酶，并且各最终产物的抑制作用互不影响。所 以几个最终产物同时存在时，它们的抑制作用是积累的
顺序反馈抑制(Sequential feedback inhibition)
• 参与氨基酸生物合成的关键酶主要有12种：①磷酸果糖激 酶；②柠檬酸合成酶；③N-乙酰谷氨酸激酶；④鸟氨酸转 氨基甲酰酶；⑤天冬氨酸激酶；⑥高丝氨酸脱氢酶；⑦苏 氨酸脱水酶；⑧α-乙酰乳酸合成酶；⑨DAHP（2-酮-3-脱氧 -D-阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸）合成酶；⑩分支酸变位酶； 11预苯酸脱水酶；12预苯酸脱氢酶。
入谷氨酸生成期，为了 大量生成、积累谷氨酸 ， 最好没有异柠檬酸裂解 酶催化反应，封闭乙醛 酸循环
谷氨酸生物合成的调节机制
• 优先合成与反馈调节
• 糖代谢的调节
• 氮代谢的调节

谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的调节控制

谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的调节控制

谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的调节控制1 菌种的选育目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。

我国常用的菌种有北京棒状杆菌、纯齿棒状杆菌等。

在谷氨酸发酵中，如果能够改变细胞膜的通透性，使谷氨酸不断地排到细胞外面，就会大量生成谷氨酸。

研究表明，影响细胞膜通透性的主要因素是细胞膜中的磷脂含量。

因此，对谷氨酸产生菌的选育，往往从控制磷脂的合成或使细胞膜受损伤入手，以提高细胞膜对谷氨酸的通透性，如生物素缺陷型菌种的选育。

发酵中原料要消耗在如下三个方面:第一、供菌体增殖，生成足够量的菌体，使其干重占到发酵液的1.0%1.5%，这是产酸前提与基础。

第二、生成谷氨酸。

第三、由于菌体代谢多支路及发酵条件控制不当而产生的一些其他副产物如乳酸、酮酸、其他氨基酸等等及一些原料被分解而随空气逸出。

【1】2 糖液质量是发酵的基础糖液质量是发酵成功的基础" 这是氨基酸发酵业界同仁的共识。

氨基酸发酵所需的糖液不同于麦芽糖、结晶糖。

有它自身特点，其糖液DX、DE、透光率高而且经糖谱分析，糖（及以上的)值要低，防止发生复合反应。

为达到上述要求，作出符合发酵所需要的优质糖液，可按以下条件实施生产调控：2.1一次喷射双酶法%2.2选用高效优质酶和喷射器-水热器);2.3 液化:调浆ph5.8～6.0 液化维持温度100～95％;液化维持时间100～120min2.4糖化:ph4.1～4.3 糖化温度60% 糖化时间32～36h2.5过滤:高液位压差法3 接种量和种子培养扩大级数为提高发酵罐中菌的增殖速度，菌体数尽快达到高峰，使产物的合成时间提前，力争采用较大种量。

大种量可使发酵时间缩短，但种量过大，也使菌体生长过快，料液粘度增加，导致DO不足，影响产物合成。

同时要消耗过量的糖和营养，致使糖酸转化率下降。

一般常用接种量，谷氨酸发酵为5%～10％赖氨酸为10～15%更高者达20%代谢产物的合成是靠菌来完成，菌体量越多自然产量越大，但菌体的活力必须保持在最佳状态。

发酵工程有关习题

发酵工程有关习题

《发酵工程》复习题一（A）班级学号姓名一．选择题 (10×1=10分)1．下列哪种修复作用具有引起差错的性质而有利于突变的发生（）A、光复活作用B、切补修复C、DNA多聚酶校正作用D、SOS修复系统2．香槟酒是一种（）A．含CO2的白葡萄酒 B.含CO2的红葡萄酒C.不含CO2的白葡萄酒D.不含CO2的红葡萄酒3.白兰地从生产工艺上来说，属于（）A．酿造酒 B.蒸馏酒 C.配制酒 D.味美思酒4.接种时用75%乙醇擦拭双手属于（）A．湿热灭菌 B.物理灭菌 C.化学灭菌 D.过滤灭菌5.为了保证纯种生产，稳定生产和提高产量，通常要把在出现退化现象群体中的少量变异细胞除掉，以保持群体的纯正，这种操作叫做（）A．菌种分离 B.菌种纯化 C.自然选育 D.菌种复壮6.谷氨酸棒杆菌合成天冬氨酸族氨基酸时，天冬氨酸激酶受到赖氨酸和苏氨酸的抑制属于（）A、协同反馈抑制B、累积反馈抑制C、增效反馈抑制D、顺序反馈抑制7. 苯乙酸在青霉素发酵培养基中的作用是（）A、诱导剂B、氮源C、前体D、消沫剂8.为了提高培养液中溶解氧的含量，可采用（）A．提高发酵温度 B.降低发酵温度 C.降低发酵罐压力 D.减少通气量9.当种子罐的装料系数过小时会造成（）A．菌种生长过快 B.菌种生长过慢 C.菌丝结团 D.菌丝粘壁10. 下列有关发酵的叙述中，不正确的是（）A、现代生物技术的典型代表是发酵技术B、发酵是供给能源的氧化-还原反应C、酵母作用于果汁产生CO2是发酵现象D、培养生物细胞获取产物也属于发酵二．填空题 (10×1=10分)1．酸奶发酵中，习惯上采用菌和菌的混合菌作为酸奶的发酵剂。

2. 在产物的生物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质称为。

3.菌种选育的目的是，使其符合工业生产的要求。

4.葡萄酒的酿造，大致可分为、、、四个步骤。

5．通过诱变剂处理可以大大提高菌种的，扩大。

谷氨酸的代谢与调控

谷氨酸的代谢与调控

谷氨酸的代谢与调控谷氨酸是一种常见的氨基酸，在人体代谢中扮演重要的角色。

它的代谢和调控涉及到多个生化通路和物质，如谷氨酰胺、谷酰胺和氨基酸转运体等。

本文将从谷氨酸的合成、降解和利用等方面介绍其代谢与调控。

谷氨酸的合成路径涉及到多个步骤，其中最重要的是谷氨酸合成酶的催化作用。

该酶能够将谷氨酰胺和α-酮戊二酸反应生成谷氨酸和谷酰胺。

谷氨酸合成酶需要蛋白激酶A、活性多肽和NADPH等协同作用，才能够保持其正常的催化活性。

除了合成，谷氨酸的降解也是人体代谢中的一个重要环节。

人体中谷氨酸降解主要通过转化成脱氨酶谷酰胺酶的作用完成，该酶能够将谷氨酸转化成α-酮戊二酸和氨基氮。

在这个过程中，谷氨酸转运体则扮演了重要的运输作用，将谷氨酸转运到靶细胞或组织中，完成降解反应的催化。

谷氨酸的利用主要体现在人体代谢中的多个生化通路中。

例如，谷氨酸可以参与氧化应激反应和葡萄糖产生反应，后者主要发生在肝脏和小肠等组织中。

谷氨酸还可以参与尿素循环和酮体生成等反应，这些反应通常发生在骨骼肌和肝脏等组织中。

除了谷氨酸的基本代谢通路，人体中还存在多种调控因子，可以调节谷氨酸合成和降解的速率。

例如，蛋白激酶A可以激活谷氨酸合成酶，从而增加谷氨酸合成速率；而一些激素和细胞因子则可以抑制谷氨酸合成酶和谷氨酸转运体的活性，从而减缓谷氨酸的利用速率。

此外，环境和生活方式也会对谷氨酸的代谢和调控产生影响。

例如，人体遭受长期的营养不良和蛋白质饥饿时，谷氨酸合成会增加，而降解则相应减少。

另外，体育锻炼和运动也会对谷氨酸的代谢和调控产生影响，可以增加其利用速率和降解速率。

综上所述，谷氨酸的代谢和调控是人体代谢中的重要环节。

在人体不同的组织和生化通路中，其功能各异，但均与谷氨酸的合成、降解和利用密切相关。

人体内存在多种调控因子，可以影响谷氨酸的代谢速率和方向，这些调控因子不仅来自于体内的生物学过程，也受到环境和生活方式的影响。

代谢控制发酵的基本思想

代谢控制发酵的基本思想

第二十第二 八十页八页，，课课件件共共有11有2页112页
3、终产物的累积性抑制（cumulative inhibition）
判别特征是：任一终产物单独过剩时，能独立地 对共同途径的一个多价变构酶产生部分反馈抑制（某 个百分比抑制），并且各终产物的反馈抑制作用互不 影响，指既无协作也无对抗。当多种终产物同时过剩
第四十五页，课件共有112页
（2）转录的正控诱导－麦芽糖操纵子
第四十第四 六十页六页，，课课件件共共有11有2页112页
（三）诱导调节的克服
要使所需要的诱导酶大量生产，可采用诱变方法， 消除诱导酶合成所必需依赖诱导物这种障碍，如突变 发生在调节基因或操纵基因上，从而导致调节基因编 码的阻遏物（阻遏蛋白）无活性，或操纵基因对活性 阻遏物的亲和力衰退，则无需诱导物便能产生诱导酶， 这种突变作用称为调节性或组成型突变。具有这种特 性的菌株称为组成型突变株。
2、酶合成的阻遏
是指终产物（或终产物的结构类似物）阻止 催化该途径的一个或几个反应中的一个或几个 酶的合成。
第四十九页，课件共有112页
阻遏的类型
第第五五十十页页，，课课件件共共有有1121页2页
第第五五十十一一页页，，课件件共共有有11121页2页
第第五五十十二二页页，，课件件共共有有11121页2页
（转录的负控诱导和正控诱导）
第四十一页，课件共有112页
（1）酶合成的负诱导机制
乳糖操纵子
第第四四十十二二页页，，课件件共共有有11121页2页
无诱导物时
第第四四十十三三页页，，课件件共共有有11121页2页
有诱导物时
第第四四十十四四页页，，课件件共共有有11121页2页
启动酶的合成
第二第十二一十一页页，，课课件件共共有有1121页12页

代谢调控育种(袁丽红)


通过酶的定位控制酶与底物的接触
• 真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各 自行使某种特异的功能；
• 原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使 功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； 蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
通过 酶的 定位 控制 酶与 底物 的接 触
控制代谢物流向( 通过酶促反应速度来调节)
可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流 向。 例如：两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 以NAD为辅基 Glu合成 Glu分解
通过调节酶的活性或酶的合成量。
关键酶（调节酶）: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第 一个酶。
①粗调：调节酶的合成（酶合成诱导、酶合成阻遏） ②细调：调节现有酶分子的活性（催化活力）
一、正常微生物代谢调节与控制－ 自我调节
• 微生物有着一套可塑性极强和极精确的代 谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、 有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
正常的微生物代谢调控方式
• 调节细胞膜对营养物质的渗透性 • 通过酶的定位控制酶与底物的接触 • 控制代谢物流向－－最主要的调节
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合 成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶 系统。
E
二氢吡啶二羧酸 R 六氢吡啶二羧酸 二氨基庚二酸
天冬氨酸 4-磷酸天冬氨酸
E,R
天冬氨酸半醛
同型丝氨酸 E,R
E,R
E 同型丝氨酸磷酸 苏氨酸 E,R 2-酮丁酸
O-琥珀酰同型丝氨酸 胱硫醚 R 同型半胱氨酸 R 甲硫氨酸
赖氨酸
异亮氨酸
合作反馈抑制——cooperative feedback inhibition

谷氨酸


27
18
③生物素
◆ 在谷氨酸发酵中，生物素的作用主要影响谷氨酸 产生菌细胞膜的合成，从而影响谷氨酸通透性， 同时也影响菌体的代谢途径，即代谢产物的生成。 生物素浓度对菌体生长和谷氨酸积累都有影响。 ◆ 谷氨酸产生菌大量合成谷氨酸所需要的生物素浓 度比菌体生长所需的生物素浓度要低得多，即为 菌体生长所需的“亚适量”。谷氨酸发酵最适生 物素浓度随菌种不同、碳源种类和碳源浓度以及 供氧条件不同而不同，一般为5μg/L左右。
10
三、高产菌株代谢调控
调控机制：
①谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后， 谷氨酸的生物合成受其自身的反馈抑制和反阻遏， 代谢转向合成天冬氨酸。 ②磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化CO2固定的关键酶， 受谷氨酸的反馈抑制。 ③柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，除受能荷 调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏。
谷氨酸
一、谷氨酸的代谢途径
◆ 谷氨酸代谢途径包括糖酵解途径(EMP)、 磷酸己糖途径(HMP)、三羧酸循环(TCA循 环)、乙醛酸循环、伍德-沃克曼反应(CO2 固定反应)等。
2
谷基酸代谢概况
食物蛋白质 体蛋白 生物固氮 硝酸还原 NH4+ NH3 谷氨酸 特殊途径
（次生物质代谢）
-酮酸
CO2
谷基酸代谢概况食物蛋白质食物蛋白质谷氨酸特殊途径糖及其代谢中间产物脂肪及其代谢脂肪及其代谢中间产物中间产物tcatca鸟氨酸循环nhnhnh44nhnh33coco22hh22oo体蛋白体蛋白尿素尿素尿酸尿酸激素激素卟啉卟啉尼克酰氨尼克酰氨衍生物衍生物嘧啶嘧啶嘌呤生物固氮生物固氮硝酸还原硝酸还原次生物质代谢次生物质代谢co谷氨酸经代谢可以生成的物质1
13
1.碳源
◆ 目前所发现的谷氨酸产生菌均不能直接利用淀粉， 只有利用葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等单糖或 双糖，国内绝大多数味精厂采用的碳源为淀粉水 解糖。 ◆ 在一定的范围内，谷氨酸产量随葡萄糖浓度的增 加而增加，但若葡萄糖浓度过高，由于渗透压过 大，则对菌体的生长很不利，谷氨酸对糖的转化 率降低。 ◆ 目前国内普遍采用低浓度初糖的流加糖发酵工艺。 初糖8～12%，流加糖后总糖20%左右，产酸率可达 11%以上，糖酸转化率达55%以上。

谷氨酸生产菌种子质量的控

微生物菌种是发酵工业的基础。菌
种的纯度、活性、变异可直接影响 发酵工业的进行。因此，菌种的正 确使用及管理尤为重要。该文对菌 种的质量控制及管理进行了探讨。
一 研究背景 二 种子质量标准 三 影响种子质量的因素
四 结语
+ 味精是调味料的一种，主要成分为谷氨酸
钠。味精的主要作用是增加食品的鲜味， 在中国菜里用的最多，也可用于汤和调味 汁。调查显示，近年来，全球对味精的需 求量都在激增，尤其是中国和日本。因此， 增强谷氨酸菌种的纯度与活性，提高谷氨 酸的发酵水平显得尤为重要！
+ 在谷氨酸发酵中，如果能够改变细ห้องสมุดไป่ตู้膜的通透性
，使谷氨酸不断地排到细胞外面，就会大量生成 谷氨酸。研究表明，影响细胞膜通透性的主要因 素是细胞膜中的磷脂含量。因此，对谷氨酸产生 菌的选育，往往从控制磷脂的合成或使细胞膜受 损伤入手，如生物素缺陷型菌种的选育。生物素 是不饱和脂肪酸合成过程中所需的乙酰CoA的辅酶 。生物素缺陷型菌种因不能合成生物素，从而抑 制了不饱和脂肪酸的合成。而不饱和脂肪酸是磷 脂的组成成分之一。因此，磷脂的合成量也相应 减少，这就会导致细胞膜结构不完整，提高细胞 膜对谷氨酸的通透性。
+ 控制好菌种质量，保证菌种的活性、纯度，才能
达到更好的发酵水平，得到更多的发酵产物。 + 谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治疗神经 衰弱以及配制营养注射液等。我国的谷氨酸发酵 虽然在产量、质量等方面有了较大的提高，但与 国外先进水平相比还存在一定差距。主要表现在 ：设备陈旧，规模小，自控水平、转化率和提取 率低，易受噬菌体污染，废水污染问题尚未完全 解决等。
谷氨酸菌种培养通常要求达到如下要求
镜检观察， 菌体健壮 ，“v”形分裂多，排列整齐 种龄不宜过长，活菌浓度为 108~109/ml，净增 OD值

第六章 工业微生物代谢控制育种


葡萄糖 6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸
ATP ADP
NAD+ NADH+H+ NAD+
5 -P-核酮糖
NADH+H+
异构化作用
5 -P-木酮糖
磷酸戊糖酮解酶
乙酰磷酸 3 -P-甘油醛
NAD+ NADH+H+ 2ADP+Pi Pi CoA
2ATP
乙酰CoA
-2H
丙酮酸
-2H
乙醛 CO2 乳酸 乙醇
-2H
或有氧条件下均能发生。

2、HMP途径
又称戊糖磷酸途径、己糖单磷酸途径。

可与EMP途径或ED途径同时存在，在厌氧 或有氧条件下均能发生。 特点：葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而彻 底氧化。

HMP途径的生理意义
供应合成原料
产还原能力 作为固定CO2的中介 扩大碳源利用范围 连接EMP途径
4、TCA途径
即三羧酸循环、又称Krebs循环或柠檬酸循环。

在大多数好氧微生物中都发现该条途径的 功能和完整的循环；但在兼性厌氧微生物中只 在有氧的条件下完整的TCA循环才有功能。许 多厌氧微生物有一个不完整的TCA循环，用于 生产生物合成的前体。
TCA的生物学意义


是生物体代谢糖的主要方式，具有普遍性。

无机磷阻遏大肠杆菌中磷酯酶的合成，……

含硫氨基酸阻遏黑曲酶蛋白酶的合成，……
（五）反馈调节

指调节代谢过程中酶的活性。

降解酶通常受到诱导和分解代谢物调节的控制，合 成酶主要受反馈调节的控制。
反馈抑制和反馈阻遏
二、微生物的初级代谢与次级代谢
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三、增加前体物的合成
三、增加前体物的合成
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株及克隆某些关
键酶的方法，增加目的产物前体物的合成，有利于目的产物大量积累。
分支合成途径中，切断目的产物外的其他控制共用酶终产物的
分支合成途径，增加目的产物前体。 别的终产物是目的产物前体，解除目的产物自身合成反馈调节，
谷氨酸发酵中，菌体生长期的最适条件和谷氨酸生成积累期的最
适条件不同。 以葡萄糖为碳源时，乙醛酸循环活性越高，谷氨酸生成收率越低。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
四、去除终产物
异柠檬酸
异柠檬酸脱氢酶
α－酮戊二酸
谷氨酸脱氧酶
谷氨酸
NADP+
NADP+
NADPH2
NH4+
图3-6 异柠檬酸脱氢酶和谷氨酸脱氢酶的偶联共轭反应
二、解除菌体自身的反馈调节
图3-2 酶活性抑制调节
第三讲 代谢控制育种的基本思想
二、解除菌体自身的反馈调节
• 如果是调节基因发生突变，阻遏物就不能再与
代谢拮抗物结合。这种突变型是一个抗反馈阻
遏突变型。 • 其正常代谢的最终产物不与结构发生改变的阻 遏蛋白相结合，所以在细胞中尽管已经有大量 最终产物，仍能不断地合成有关的酶。
图3-4 黄色短杆菌的谷氨酸与天冬氨酸生物合成的调节机制
第三讲 代谢控制育种的基本思想
二、解除菌体自身的反馈调节
3. 选育营养缺陷回复突变株
当一个菌株由于突变而失去某一遗传性状后，经过回
复突变可以再恢复其原有的遗传性状。
这是因为当某一结构基因发生突变后，该结构基因所编 码的酶就因结构的改变而失活。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
二、解除菌体自身的反馈调节
调节中心（或称变构中心）
活性中心 变构酶 调节中心
与底物结合
起催化作用
与最终产物结合 改变酶的构象 （影响底物与酶的结合）
这种结合是可逆的，当终产物浓度降低时，终产
物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋白的构象，
酶重新与底物结合发生催化作用。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
柠檬酸合成酶 （3）受顺乌头酸的反馈抑 制和谷氨酸的反馈阻遏。 异柠檬酸脱氢酶 谷氨酸脱氢酶 （2）受α-酮戊二酸的 反馈抑制。
19:36:09
（1）受谷氨酸的反馈抑 制和反馈阻遏。
图3-7 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径
20
第三讲 代谢控制育种的基本思想
四、去除终产物
3. 谷氨酸生产菌产物积累机制 TCA循环α-酮戊二酸脱氢酶行活力丧失或微弱， 使α-酮戊二酸继 续氧化能力丧失或微弱。 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活力强，使草酰乙酸全部由CO2固定反 应提供。 谷氨酸脱氢酶活力很强，并不受谷氨酸的反馈抑制和反馈阻遏。 谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的共轭反应，有利于α-酮戊二酸氨 基化生成谷氨酸。
磷酸烯醇式丙酮酸
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
草酰乙酸
TA
天冬氨酸
柠檬酸
改变细胞膜渗透
TCA循环
α-酮戊二酸
谷氨酸 脱氢酶
性，使谷氨酸不 在细胞内积累， 提高谷氨酸产量。
谷氨酸
优先合成
反馈控制
谷氨酸优先合成，当其过剩→反馈抑制谷氨酸脱氢酶（GD）， 使合成转向天冬氨酸，天冬氨酸过量→反馈控制磷酸烯醇式丙酮 酸羧化酶（PC），这时，谷氨酸不积累。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
一、切断捉支路代谢
一、切断支路代谢
1. 选育营养缺陷型突变株
由于营养缺陷突变株合成途径中某一步 骤发生缺陷，致使终产物不能积累，因此， 也就遗传性地解除了终产物的反馈调节，使 得中间产物或另一分支途径的未端产物得以 积累。另外，它还可以起到节省碳源的作用。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
结构类似物： 在化学和空间结构上和代谢的中 间物（终产物）相似，因而在代谢调节方面可 以代替代谢中间物（终产物）的功能，但细胞 不能以其作为自身的营养物质。
•
如果是变构酶结构基因发生突变，变构酶调节部位
就不能再与代谢拮抗物相结合，而其活性中心却不变。
这种突变型就是一个抗反馈抑制突变型。 • 正常代谢最终产物由于与代谢桔抗物的结构相类似， 所以在这一突变型中也不与结构发生改变的变构酶相 结合。这样，该突变型细胞中已经有大量最终产物， 但仍能继续不断地合成。
解除对前体物合成的调节。
使分支点中间产物增多，目的产物积累。 克隆合成途径中关键酶，使其大量扩增，增加目的产物前体， 提高产量。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
三、增加前体物的合成
⑴ 切断目的产物外的其他控制共用酶终产物的分支途径
葡萄糖
L-氨基酸
α-丙酮 丙氨酸
丙酮酸
协同反馈抑制
天冬氨酸
天冬氨 酰半醛
一、切断捉支路代谢
2. 选育渗漏缺陷突变株
渗漏缺陷突变株能够少量地合成某一
种代谢最终产物，能在基本培养基上进行
少量的生长。因其不能合成过量的最终产
物，所以不会造成反馈抑制而影响中间代
谢产物的积累。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
二、解除菌体自身的反馈调节
二、解除菌体自身的反馈调节 1. 选育抗类似物突变株
赖氨酸
O-乙酰高丝氨酸 优先合成 反馈控制
苏氨酸
苏氨酸 脱氨酶
蛋氨酸
异亮氨酸
图3-5 黄色短杆菌的赖氨酸合成调节机制
第三讲 代谢控制育种的基本思想
三、增加前体物的合成
如图3-5所示： ●选育异亮氨酸产生菌时为积累异亮氨酸， 应解除对异亮氨酸合成的反馈抑制，还应解除异 亮氨酸前体苏氨酸的反馈控制。
●苏氨酸和异亮氨酸的关键酶高丝氨酸脱氢
第三讲 代谢控制育种的基本思想
二、解除菌体自身的反馈调节
酶合成的调控
由代谢终产物抑制酶合成的负反馈作用称为反馈阻遏
无辅阻遏物，结构基因表达
有辅阻遏物，结构基因不能表达
图3-3 反馈阻遏酶合成示意图
R—调节基因； P—启动基因； O—操纵基因； S—结构基因
第三讲 代谢控制育种的基本思想
二、解除菌体自身的反馈调节
第三讲 代谢控制育种的基本思想
本讲研讨题
第三讲 代谢控制育种的基本思想
3. 简述谷氨酸高产菌株代谢控制育种的基本思想。
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第三讲 代谢控制育种的基本思想
基本内容
第三讲 代谢控制育种的基本思想
一、切断支路代谢
1. 选育营养缺陷型突变株 2. 选育渗漏缺陷突变株 3. 选育营养缺陷回复突变株
二、解除菌体自身的反馈调节
1. 选育抗类似物突变株 2. 酶特性的利用 3. 选育营养缺陷回复突变株
三、增加前体物的合成 四、去除终产物
第三讲 代谢控制育种的基本思想
基本内容
代谢控制育种的有效措施
• 利用代谢控制理论，选育从遗传角度解除了微生物正常 代谢调节机制的突变株，即可突破微生物的自我调节控制机 制，而使代谢产物大量积累的高产菌有效措施如下： ⑴ 选育营养缺陷突变株 ⑵ 选育抗反馈调节的突变株 ⑶ 选育细胞膜通透性突变株 ⑷ 选育营养缺陷型回复突变株或条件突变株 ⑸ 应用遗传工程技术，构建目的基因工程（重组）菌株
二氢吡啶 二羧酸 亮氨酸
赖氨酸
苏氨酸
反馈抑制
阻遏
图3-4 在乳糖发酵短杆菌中赖氨酸、丙氨酸的生物合成途径及其调节
第三讲 代谢控制育种的基本思想
三、增加前体物的合成
如图3-4所示： ●天冬氨酸处为分支点，有2条途径，分别 通向赖氨酸和丙氨酸。 ●选育了解除赖氨酸反馈调节突变株的基 础上增加丙氨酸营养缺陷标记，使代谢流向更 多通向赖氨酸，提高赖氨酸产量。
而经过第二次突变（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并没有恢复。结果是一 方面酶恢复了酶的催化活性，而另一方面反馈抑制却已解除 或不怎么严重。
高产菌株的回复突变：高产菌株在传代的过程中，由于自然突变导
致高产性状的丢失，生产性能下降，这种情况我们称为回复突变。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
柠檬酸合成酶
柠檬酸
异柠檬酸裂解酶 顺乌头酸酶
苹果酸
乙醛酸
α-酮戊二酸脱氢酶
异柠檬酸
异柠檬酸脱氢酶
反丁烯二酸 设法强化的代谢流
琥珀酸
α-酮戊二酸
谷氨酸脱氢酶
切断或减弱的代谢流
谷氨酸 细胞膜渗透性 谷氨酸
第三讲 代谢控制育种的基本思想 谷氨酸生物合成的调节机制
四、去除终产物
（4）受天冬氨酸 的反馈抑制，受 谷氨酸和天冬氨 酸的反馈阻遏。
措施：
1. 限量添加生物素 2. 选育油酸缺陷型 3. 选育甘油缺陷型 4. 添加脂肪酸类似物 5. 加青霉素
与脂肪酸合成有关，间接影响细胞 膜合成
不能作为细胞膜合成的成分
影响细胞壁合成
第三讲 代谢控制育种的基本思想
四、去除终产物
谷氨酸生产菌产物积累机制
葡萄糖
丙酮酸
乙酰CoA
CO2固定反应 草酰乙酸
酶（HD）受苏氨酸反馈抑制。
● 选育抗低浓度（α—氨基）—β—羟戊酸
（AHV）突变株，异亮氨酸产量明显提高。
第三讲 代谢控制育种的基本思想
四、去除终产物
四、去除终产物
改变细胞膜渗透性，将终产物不断排出胞外，使终产物不至积累到 引起反馈抑制的浓度，可预防反馈抑制。
生物素是脂肪酸合成初始酶的辅酶，参 与脂肪酸合成，脂肪酸是细胞膜磷脂主 要成分，从而间接干扰细胞膜合成
第三讲 代谢控制育种的基本思想
三、增加前体物的合成
⑵ 解除目的产物前体合成的反馈调节
天冬氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酰磷酸天冬氨酸半醛脱氢酶