微生物代谢的人工控制

合成生物学——人工合成微生物代谢途径的研究随着人类对生命的认识不断深入，合成生物学成为了一个热门的研究领域。

通过模拟自然界中的基因操作和遗传变异，人们可以通过自主设计和构建微生物的代谢途径来实现对生物体系的控制和调节。

这种技术不仅可以用来生产高附加值化学品，还可以为制药、农业、食品和能源等领域提供新技术和新思路。

一、微生物代谢途径的基础知识微生物是一类简单的生物体系，拥有独特的代谢过程和生命活动方式。

代谢过程是细胞在生命过程中进行一系列生化变化，使它们从低能态成分转化为高能态成分的过程。

微生物代谢的多样性和灵活性是探索生命的基本条件，同时也为人们提供了实现人工合成和改造微生物的平台。

微生物代谢通常包括两个步骤：底物转化和产品合成。

底物转化是指细胞将外源性或内源性底物分解为一系列代谢产物，而产品合成是细胞合成高某个化学品的过程。

底物转化和产物合成过程相互联系，共同推动微生物的代谢活动。

微生物的代谢途径非常复杂，在不同的培养条件下可能会产生各种代谢产物。

二、人工合成微生物代谢途径的原理对微生物代谢途径的构建过程就是对微生物代谢途径进行改造和优化的过程。

它通过引入外源基因从而增加或删除底物转化和产物合成酶的数量，从而达到改变微生物代谢途径的目的。

在这个过程中，最重要的是通过调整微生物代谢途径的平衡点来控制代谢活动。

这种方法可以建立新的代谢途径，还可以调整和改变单个酶的活性和特异性。

人工合成微生物代谢途径的目标是生产一种或多种特定的化学品和生物产品。

例如，通过修改大肠杆菌的嗜酸乳杆菌酸代谢途径来合成异戊酸，这种新的微生物白叟更容易生存，并且可以提高产量和稳定性。

此外，人工合成微生物代谢途径还可以利用植物或其他微生物的酶代替微生物中缺少的酶，从而增加代谢产物种类和数量。

这种方法被广泛应用于生产制药，并已推广到食品、化学和能源等领域。

三、合成生物学在人工合成微生物代谢途径中的应用合成生物学是一种新兴的生物学技术，它将基因工程、系统生物学和合成化学等多个学科领域进行了整合。

微生物生理学南开大学生命科学学院第八章微生物的代谢调节一、酶活性的调节二、酶合成的调节三、初级代谢的调节四、次级代谢的调节五、微生物代谢的人工控制微生物代谢的原则微生物的生命活动遵循着高度有效、不浪费原材料和能量的原则，实现对代谢的精密调控。

概念微生物的代谢调节是指微生物的代谢和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。

酶合成的调节酶合成的诱导（induction）酶合成的阻遏（repression）酶活性的调节酶活性的激活（activation）酶活性的抑制（inhibition）一酶活性的调节概念：通过改变酶分子构象或分子结构来调节活性，是蛋白质翻译后的调节。

特点：速度快而灵敏。

激活：激活剂（activator）大多是金属阳离子。

抑制：反馈抑制。

抑制与激活的协调作用。

反馈抑制概念：反馈抑制是指代谢的末端产物对酶活性的抑制。

线形代谢途径的反馈抑制1协同反馈抑制累积反馈抑制超相加反馈抑制顺序反馈抑制同工酶和多功能酶反馈抑制分支代谢途径的反馈抑制2酶活性调节的分子机制调节酶：酶的活性可以被调节的酶，多是限速酶。

（酶分子构象的改变）（酶分子包括催化中心和调节中心）别构调节理论1（酶分子结构的改变）酶分子的化学修饰理论2分子机制酶的共价修饰磷酸化/脱磷酸化对酶活性的调节腺苷酰化/脱腺苷酰化对酶活性的调节乙酰化/脱乙酰化对酶活性的调节ADP-核糖基化/脱ADP-核糖基化对酶活性的调节酶的共价修饰是蛋白翻译后的调节二酶合成的调节在基因表达水平调控酶的合成。

例：大肠杆菌中乳糖和半乳糖的诱导表达协同诱导（coordinated induction ）1顺序诱导（sequential induction ）2酶合成的诱导组成酶诱导酶多顺反子概念IPTG 和X-gal酶合成的阻遏阻止酶合成的现象称作酶合成的阻遏。

阻止酶合成的物质为阻遏物。

（feed back repression ）终点产物反馈阻遏1（catabolic repression ）分解代谢物阻遏2酶合成调节的遗传机制操纵子（operon）学说，1961年Jacob和Monod提出，获得了1965年诺贝尔生理奖。

微生物工程--5--代谢调节和工程∙代谢类型：分解代谢和合成代谢⌝代谢调节(regulation ofmetablism）是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用,即自我调节。

∙微生物代谢的控制是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。

∙代谢调节的方式∙ 1.细胞透性的调节：细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。

⌝细胞质膜的透性的调节是微生物代谢调节的重要方式，由它控制着营养物质的吸收和产物分泌。

∙ 2.代谢途径区域化:原核微生物细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系则集中某一区域，以保证这一代谢途径的酶促反应顺利进行，避免了其他途径的干扰。

∙ 3.代谢流向的调控:微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。

它包括两种形式ϖ由一个关键酶控制的可逆反应由两种酶控制的逆单向反应∙ 4.代谢速度的调控：在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。

⌝微生物在不同条件下能按照需要，通过激活或抑制原有酶的活性或通过诱导或阻遏酶的合成来自我调节其代谢速度，使之高度经济有效地利用能量和原料进行生长繁殖。

∙酶合成的调节：概念：⌝酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。

影响因素：底物和产物的性质和浓度，环境因子(如压力、p H、离子强度和辅助因子等) 调节方式：激活已有酶的活性，抑制已有酶的活性∙（一）激活：在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性，或使原来活性低的酶提高了活性的现象。

⌝代谢调节的激活作用：主要是指代谢物对酶的激活。

ϖ前（体）馈激活，指代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。

ϖ代谢中间产物的反馈激活，指代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用∙（二）抑制：由于某些物质的存在，降低酶活性的现象。

“微生物的代谢”要点精讲
一、微生物代谢特点及原因：代谢异常旺盛。

微生物的表面积与体积之比很大，使之能迅速与外界进行物质交换。

注意：在培养基中没有葡萄糖的存在的情况下，大肠杆菌在乳糖的诱导下才开始合成半乳糖苷酶。

四、微生物代谢的人工控制
人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等。

其中应用营养缺陷型菌株（野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长的菌株）以解除正常的反馈调节和通过控制细胞膜的渗透性来解除反馈。

微生物的代谢新陈代谢：发生在活细胞内的所有化学反应的总称微生物的能量代谢1.新陈代谢的核心问题能量代谢的中心任务：生物体如何将环境中多种形式的最初能源转换称为对一切生命活动都能使用的通用能源。

实质：ATP 的生成和利用能源的转化a.最初能源有机物日光无机物微生物化能异养菌光能营养菌化能自养菌通用能源ATPATP ATP生物氧化反应的三个阶段脱氢：一种失去电子或氢的过程电子供体：被氧化的物质电子受体：接受电子的物质i.递氢：电子供体氧化脱下的氢交给氢载体，并通过多个载体完成电子从供体到受体的传递一般不直接交给电子受体ii.受氢：最终电子受体接受载体上电子的过程iii.b.生物氧化的产能途径底物水平磷酸化生物氧化过程中生成的含有高能键的化合物在酶的作用下，直接将能量转给ADP(GDP)生成ATP(GTP)1)存在于呼吸和发酵过程中2)发酵过程中唯一的能量获取方式3)微生物代谢中的底物水平磷酸化4)底物水平磷酸化反应偶联形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸—>3-磷酸甘油酸ATP 磷酸烯醇式丙酮酸—>丙酮酸ATP 琥珀酰辅酶A —>琥珀酸GTP 乙酰磷酸—>乙酸ATP ATPi.c.微生物的能量代谢2022年4月7日21:49丙酰磷酸—>丙酸ATP 丁酰磷酸—>丁酸ATP甲酰四氢叶酸—>甲酸ATP（电子传递）氧化磷酸化生物氧化中伴随着电子传递发生的磷酸化作用1)发生在呼吸作用（有氧或无氧）中呼吸时大多数伴随ATP 的合成a)2)典型的呼吸链：3分子ATP ，2分子ATP(黄素蛋白起始)a)3)ii.光和磷酸化只发生在光合细胞中1)循环式光合磷酸化：反应产物只有ATP2)非循环式光合磷酸化：反应的产物是ATP 、氧和NADPH3)iii.生物氧化的类型发酵：没有外源的最终电子受体的生物氧化方式电子受体和供体都是有机物1)无电子传递链2)i.呼吸：有外源的最终电子受体的生物氧化方式有氧：以分子氧作为最终电子受体的呼吸方式无机物氧化脱氢a)细菌氢细菌铁细菌硫化细菌硝酸盐细菌能源物质氢气铁硫或硫化物氨或亚硝酸1)无氧：以除氧外的物质作为最终电子受体的呼吸a)2)ii.化能营养型微生物的代谢产能方式iii.产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵环境条件有氧无氧无氧最终电子受体来源环境，外源性环境，外源性胞内，内源性最终电子受体分子氧化合物（通常中间代谢产物d.性质为无机物）能进行该代谢产能方式的微生物专性好氧微生物、兼性厌氧微生物、微嗜氧微生物兼性厌氧微生物、专性厌氧微生物兼性厌氧微生物、耐氧厌氧微生物、专性厌氧微生物呼吸作用和发酵作用的比较相同点：氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合，形成NADH 和FADH1)不同点：NADH 和FADH 上的电子和氢的去路不同2)iv. 消耗一分子葡萄糖产生的ATP 数量不同葡萄糖的分解代谢和发酵产物葡萄糖——>丙酮酸1.四种途径：EMP、HMP、ED、PK丙酮酸——>?产物进行各种发酵，一般以产物来命名乙醇发酵酵母菌乙醇发酵i.EMP途径乙醇发酵类型类型条件受氢体ATP主要产物酸性乙醛2乙醇亚硫酸氢钠磷酸二羟丙酮0甘油碱性磷酸二羟丙酮0甘油、乙醇、乙酸细菌的乙醇发酵ii.运动发酵单胞菌ED 途径a.乳酸发酵同型乳酸发酵：产物只有乳酸的乳酸发酵i.b.2.异型乳酸发酵：产物中除乳酸外还有乙醇和二氧化碳的乳酸发酵ii.混合酸发酵c.微生物将葡萄糖转变为琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氢气、二氧化碳等多种产物的生物学过程甲基红试验（MR 试验）将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，置37摄氏度培养48小时，然后沿管壁加入甲基红指示剂，呈红色者为阳性，不呈红色者为阴性。

中学高效课堂高一生物 训练案一、选择题：1．在培养基中加入适量的青霉素，可抑制哪些微生物的生长繁殖？A 、酵母菌、霉菌B 、病毒、酵母菌C 、细菌、放线菌D 、大肠杆菌、青霉菌 2．蘑菇、硝化细菌、超级细菌、乳酸菌的代谢类型依次是 ①需氧自养型 ②需氧异养型 ③厌氧自氧型 ④厌氧异型 ⑤兼性厌氧型 ⑥既可自养又可异养 A 、①②③⑤ B 、②①②④ C 、②①④② D 、①②④⑥ 3．以下发酵产品不属于微生物代谢产物的是A 、味精B 、啤酒C 、“人造肉”D 、人生长激素 4．微生物代谢的人工控制是指A 、改变微生物的遗传特性B 、控制发酵时的温度C 、调节发酵过程中的pH ，氧气通入量D 、包括A 、B 、C 三项 5．测定3类细菌对氧的需要，让它们在3个 不同的试管中生长，右图显示了细菌的生 长层。

据此判断：只能在需氧培养基中 繁殖、只能在无氧培养基中繁殖、在有氧 和无氧的培养基中都能繁殖的细菌依次是 A 、Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ B 、Ⅲ、Ⅱ、ⅠC 、Ⅰ、Ⅱ、ⅢD 、Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ6．下列各项叙述中正确的是A 、微生物的遗传物质都是DNAB 、微生物都属于原核生物C 、微生物的遗传物质是核酸D 、微生物的生殖方式是孢子生殖7．下表列出了两种微生物生长所必需的营养物质和它们合成并释放的代谢产物。

如果把A 8．（02上海）豆腐发酵过程中，毛霉消耗的能量主要来自于哪种物质的分解A ．脂肪B ．磷脂C ．葡萄糖D ．蛋白质9．霉菌细胞内各种细胞器所含酶的A ．种类有差异，数量相同B ．种类有差异，数量不同C ．种类无差异，数量相同D ．种类无差异，数量不同10．（01上海）霉菌的细胞渗透压与X 浓度的食盐水相当，去掉细胞壁后浸在Y 浓度食盐水中破裂，浸在Z 浓度食盐水中收缩。

则这三种食盐水的浓度大小依次是 A ．X>Y>Z B ．Y>X>Z C ．Z>Y>X D ．Z>X>Y11．若用呼吸抑制剂处理酵母菌，则会明显影响其细胞吸收的物质是A ．氧气、甘油B ．脂肪酸、水C ．葡萄糖、水D ．钾离子、氨基酸12．(2010年重庆模拟)下列是有关腐乳制作的几个问题，其中正确的是( ) ①腐乳的制作主要是利用了微生物发酵的原理，起主要作用的微生物是青霉、曲霉和毛霉 ②含水量为70%左右的豆腐适于作腐乳，用含水量过高的豆腐制腐乳，不易成形，且不利于毛霉的生长 ③豆腐上生长的白毛是毛霉的白色菌丝，严格地说是直立菌丝，豆腐中还有匍匐菌丝 ④决定腐乳特殊风味的是卤汤 ⑤腐乳的营养丰富，是因为大分子物质经过发酵作用分解成小分子而且易于消化的物质 ⑥卤汤中含酒量应该控制在21%左右，酒精含量过高，腐乳成熟的时间会延长；含量过低，不足以抑制微生物的生长A ．①②③④B ．②③④⑤C ．③④⑤D ．①④⑤⑥13．某同学在制作腐乳的过程中，发现豆腐腐败变质，下列不属于其原因的是( ) A ．用盐腌制时，加盐量太少B ．用来腌制腐乳的玻璃瓶，没有用沸水消毒C ．制作卤汤时，料酒加的量较多D ．装瓶后，没有用胶条将瓶口密封14.腐乳制作过程中影响其风味和品质的因素有( )①盐的用量 ②酒的种类和用量 ③发酵温度 ④发酵时间 ⑤香辛料的用量 A.①②③④⑤ B.①②③ C.①②⑤ D.③④15．吃腐乳时，外层有一层致密的皮，这层“皮”是（ ）A ．毛霉匍匐菌丝B ．毛霉白色菌丝上的孢子囊C ．毛霉分泌物D ．豆腐块表面失水后变硬16．腐乳味道鲜美，易于消化、吸收，是因为其内含有（ ）A ．无机盐、水、维生素B ．NaCl 、水、蛋白质C ．多肽、氨基酸、甘油和脂肪酸D ．蛋白质、脂肪、NaCl 、水 17．下列关于腐乳制作过程的叙述，不正确的是( )A ．先将豆腐切成块放在消毒的笼屉中，温度控制在15～18 ℃，并保持一定的湿度B ．将长满毛霉的豆腐块放在瓶中，并逐层加盐，接近瓶口表面的盐要铺厚一些Ⅰ Ⅱ ⅢC．卤汤中酒的含量一般控制在12%左右D．卤汤中香辛料越多，口味越好18. 在腐乳制作过程中加盐腌制的操作，正确的是（）A．分层加盐，并逐层增加，瓶口处最厚B．分层加盐，各层加盐量应相等C．将盐溶于开水中，等冷却后加入瓶内，盐的浓度为12％为宜D．应先加入卤汤，再加盐，以便使盐缓缓进入豆腐中19．关于腐乳的制作，不正确的说法是（）A．毛霉是参与豆腐发酵的主要微生物B．传统工艺生产腐乳一般在夏天进行C．现代食品企业是在无菌条件下接种毛霉生产腐乳D．加盐腌制可避免腐乳变质20．腐乳制作过程中影响其风味和品质的因素有（）①盐的用量②酒的种类和用量③发酵温度④发酵微生物的种类⑤辛香料的用量A．①②B．③④ C．①②⑤ D．①②③④⑤21．下列是有关腐乳制作的叙述，不正确的是（）A．腐乳的制作起主要作用的微生物是青霉、曲霉和毛霉B．含水量为70％左右的豆腐适于作腐乳，含水量过高，腐乳不易成形C．豆腐上生长的白毛是毛霉的白色直立菌丝，豆腐中还有其匍匐菌丝D．腐乳的营养丰富，是因为大分子物质经发酵作用分解成小而易于消化吸收的物质22．（多选）下列有关腐乳制作的过程中，消毒灭菌的说法正确的是（）A．用来腌制腐乳的容器，洗刷干净后要用沸水消毒B．装瓶前，要将腐乳进行高温消毒避免杂菌污染C．装瓶时，要将瓶口通过酒精灯的火焰，防止瓶口被污染D．灭菌不仅是杀灭细菌，还要杀灭其他的微生物23．以下四种微生物都参与的豆腐的发酵，从代谢类型上考虑哪一项与其它三项有明显区别：A．青霉 B．酵母 C．曲霉 D．毛霉24．葡萄糖在毛霉细胞质内分解至丙酮酸的过程中，下列叙述正确的是A．在线粒体中进行的无氧呼吸 B．需在有氧条件下进行C．不产生CO2D．反应速度不受温度影响25．下面对发酵过程中灭菌的理解不正确的是A、防止杂菌污染B、消灭杂菌C、培养基和发酵设备都必须灭菌D、灭菌必须在接种前二、填空题：1．腐乳是我国民间传统发酵食品，营养丰富，味道鲜美。