代謝調(diào)節(jié)育種方法(簡述微生物代謝的調(diào)節(jié)方式)

1.簡述微生物代謝的調(diào)節(jié)方式有哪些

微生物的代謝調(diào)節(jié)主要有兩種方式：酶合成的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié).

酶合成的調(diào)節(jié)

【酶合成的調(diào)節(jié)】：微生物細(xì)胞內(nèi)的酶可以分為組成酶和誘導(dǎo)酶兩類.組成酶時(shí)微生物細(xì)胞內(nèi)一直存在的酶，它們的合成只受遺傳物質(zhì)的控制，而誘導(dǎo)酶則時(shí)在環(huán)境中存在某種物質(zhì)的情況下才能夠合成的酶.例如，在用葡萄糖和乳糖作碳源的培養(yǎng)基本上培養(yǎng)大腸桿菌，開始時(shí)，大腸桿菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖，只有當(dāng)葡萄糖被消耗完畢以后，大腸桿菌才開始利用乳糖，只有當(dāng)葡萄糖被消耗完畢以后，大腸桿菌才開始利用乳糖.

酶活性的調(diào)節(jié)

【酶活性的調(diào)節(jié)】：微生物還能夠通過改變已有酶的催化活性來調(diào)節(jié)代謝的速率.酶活性發(fā)生主要原因時(shí)，代謝過程中產(chǎn)生的物質(zhì)與酶結(jié)合，致使酶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化.這種調(diào)節(jié)現(xiàn)象在核苷酸、維生素的合成代謝中十分普遍.

總結(jié)

上述兩種調(diào)節(jié)方式時(shí)同時(shí)存在，并且密切配合、協(xié)調(diào)作用的.通過對代謝的調(diào)節(jié)，微生物細(xì)胞內(nèi)一般不會(huì)累積大量的代謝產(chǎn)物.

2.簡述生物體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的幾種主要方式

根據(jù)生物的進(jìn)化程度不同，代謝調(diào)節(jié)大體上可分神經(jīng)、激素和酶三個(gè)水平，而最原始、也最基本的是酶水平的調(diào)節(jié)。神經(jīng)和激素水平的調(diào)節(jié)最終也通過酶起作用。

酶水平代謝調(diào)節(jié)主要有兩種類型：一種是通過激活或抑制酶的催化活性，另一種是通過控制酶合成或降解的量。有下列幾種重要方式：

1、別構(gòu)調(diào)節(jié)

代謝途徑的速率和方向主要依賴調(diào)節(jié)酶的量和活性，必需的不可逆反應(yīng)是控制部位。代謝途徑中第一個(gè)不可逆反應(yīng)常是重要的控制因素，催化這些關(guān)鍵步驟的酶屬于別構(gòu)酶。這類酶是復(fù)雜的寡聚蛋白質(zhì)，含有好幾個(gè)亞基，它們除含催化部位外，還含有調(diào)節(jié)部位。一定的效應(yīng)物與調(diào)節(jié)部位結(jié)合后可改變酶分子的構(gòu)象，進(jìn)而影響其催化活性。對酶的催化活性起激活作用的效應(yīng)物稱作正效應(yīng)物，起抑制作用的為負(fù)效應(yīng)物。效應(yīng)物可以是底物、產(chǎn)物、代謝途徑的終產(chǎn)物、核苷酸類化合物等。調(diào)節(jié)分解代謝的別構(gòu)酶可被正效應(yīng)物ADP或AMP激活而被負(fù)效應(yīng)物ATP抑制。別構(gòu)調(diào)節(jié)是最迅速的代謝調(diào)節(jié)方式，其中以終產(chǎn)物對代謝序列反應(yīng)中早期步驟的抑制作用（反饋抑制）最為常見；如大腸桿菌中異亮氨酸抑制催化其合成代謝系列反應(yīng)第一個(gè)步驟的酶。一條代謝途徑中的別構(gòu)酶也可對其他代謝途徑的中間物或產(chǎn)物作出反應(yīng)，不同酶系統(tǒng)的速度能用這種方式互相協(xié)調(diào)。

2、共價(jià)修飾

對酶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾也可影響酶的催化活性，其中最重要的是側(cè)鏈羥基的磷酸化。例如，在糖原降解代謝中很重要的糖原磷酸化酶有a、b兩種類型。a型有充分的催化活性，b型幾乎沒有催化活性。b型酶經(jīng)蛋白激酶的作用在酶分子中某一特定的絲氨酸羥基上引入一個(gè)磷酸基，就轉(zhuǎn)變?yōu)閍型。a型經(jīng)蛋白磷酸酶水解脫去磷基團(tuán)又可恢復(fù)成低活性的b型。生物可通過蛋白激酶和磷酸酶的作用影響磷酸化酶的活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)糖原的降解，蛋白激酶的活化又要經(jīng)過幾個(gè)步驟。所以，這種調(diào)節(jié)方式有放大效應(yīng)，十分敏感；很少的信號物質(zhì)便可產(chǎn)生迅速而巨大的效應(yīng)。如腎上腺素刺激糖原的降解。

3、酶量調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)酶的合成和分解也受到調(diào)控。主要方式是調(diào)控酶的合成量。這是激活或阻止酶基因表達(dá)的結(jié)果。如大腸桿菌通常以葡萄糖為碳源，在培養(yǎng)基中僅有乳糖而無葡萄糖時(shí)，乳糖可誘導(dǎo)大腸桿菌產(chǎn)生能分解乳糖為半乳糖和葡萄糖的β-半乳糖苷酶，從而使乳糖得以利用（見操縱子）。高等生物也有這種能力，如在饑餓狀態(tài)下糖異生途徑較活躍，此時(shí)該代謝途徑中丙酮酸羥化酶的合成量增加了10倍。

4、區(qū)域化

真核細(xì)胞含有膜包裹著的多種細(xì)胞器，使各種酶和酶系被隔離在細(xì)胞的不同區(qū)域。如糖酵解、戊糖磷酸途徑和脂肪酸合成的酶系存在于胞液中；而脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化等過程在線粒體中進(jìn)行。像糖異生和尿素合成這些過程又依賴胞液和線粒體兩個(gè)區(qū)域中的反應(yīng)相互影響。一些特定分子的命運(yùn)依賴它們存在于胞液還是線粒體中；因此，它們穿過線粒體內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)常被調(diào)節(jié)。例如，輸入線粒體的脂肪酸比在胞液中酯化或輸出的脂肪酸降解得更迅速。

3.代謝控制育種原理

微生物代謝控制育種是指以生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制，選擇巧妙的技術(shù)路線，通過遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過了微生物正常代謝途徑的突變株，從而人為地使用有用產(chǎn)物選擇性地大量合成積累。代謝控制發(fā)酵的關(guān)鍵，取決于微生物代謝調(diào)控機(jī)制是否被解除，能否打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，人為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發(fā)酵過程的代謝控制培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩的手段，而代謝控制育種則為主要支柱技術(shù)。微生物代謝控制育種是集生物化學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)酵工程、生理學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)等學(xué)科交叉產(chǎn)生的一門工程技術(shù)，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了氨基酸、核苷酸以及某些次級代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)微生物菌株大批的推向生產(chǎn)，大大促進(jìn)了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。

微生物代謝控制育種主要是通過控制酶的作用來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槿魏未x途徑都是一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的。微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)主要有兩種類型，一類是酶活性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的是已有酶分子的活性，是在酶化學(xué)水平上發(fā)生的；另一類是酶合成的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的是酶分子的合成量，這是在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的[。利用發(fā)酵過程的一些限制因素來促進(jìn)或控制酶產(chǎn)生的速率及其活性，可以控制發(fā)酵過程中不同階段的反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，同時(shí)也可以使微生物對外界環(huán)境的變化作出相應(yīng)的反應(yīng)。在細(xì)胞內(nèi)這兩種方式單獨(dú)或協(xié)調(diào)進(jìn)行選育，獲得突變株，達(dá)到改變代謝通路、降低支路代謝終產(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷支路代謝途徑及提高細(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。代謝控制育種的調(diào)節(jié)體系主要包括誘導(dǎo)、分解阻遏、分解抑制、反饋?zhàn)瓒簟⒎答佉种?、?xì)胞膜透性調(diào)節(jié)等。

4.代謝控制育種原理

微生物代謝控制育種是指以生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制，選擇巧妙的技術(shù)路線，通過遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過了微生物正常代謝途徑的突變株，從而人為地使用有用產(chǎn)物選擇性地大量合成積累。

代謝控制發(fā)酵的關(guān)鍵，取決于微生物代謝調(diào)控機(jī)制是否被解除，能否打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，人為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發(fā)酵過程的代謝控制培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩的手段，而代謝控制育種則為主要支柱技術(shù)。

微生物代謝控制育種是集生物化學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)酵工程、生理學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)等學(xué)科交叉產(chǎn)生的一門工程技術(shù)，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了氨基酸、核苷酸以及某些次級代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)微生物菌株大批的推向生產(chǎn)，大大促進(jìn)了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。微生物代謝控制育種主要是通過控制酶的作用來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槿魏未x途徑都是一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的。

微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)主要有兩種類型，一類是酶活性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的是已有酶分子的活性，是在酶化學(xué)水平上發(fā)生的；另一類是酶合成的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的是酶分子的合成量，這是在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的[。利用發(fā)酵過程的一些限制因素來促進(jìn)或控制酶產(chǎn)生的速率及其活性，可以控制發(fā)酵過程中不同階段的反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，同時(shí)也可以使微生物對外界環(huán)境的變化作出相應(yīng)的反應(yīng)。

在細(xì)胞內(nèi)這兩種方式單獨(dú)或協(xié)調(diào)進(jìn)行選育，獲得突變株，達(dá)到改變代謝通路、降低支路代謝終產(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷支路代謝途徑及提高細(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。代謝控制育種的調(diào)節(jié)體系主要包括誘導(dǎo)、分解阻遏、分解抑制、反饋?zhàn)瓒?、反饋抑制、?xì)胞膜透性調(diào)節(jié)等。

5.機(jī)體細(xì)胞水平的物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)有哪些主要方式

代謝調(diào)節(jié)方式

機(jī)體存在三級水平的代謝調(diào)節(jié)，包括細(xì)胞水平調(diào)節(jié)、激素水平調(diào)節(jié)和以中樞神經(jīng)系統(tǒng)為主導(dǎo)的整體水平調(diào)節(jié)。

（一）細(xì)胞水平調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶的活性實(shí)現(xiàn)，其中通過改變現(xiàn)有酶分子的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)酶活性的方式，發(fā)生較快。也可通過改變酶的含量影響酶活性，此調(diào)節(jié)緩慢而持久。對酶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)包括酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)及酶蛋白的化學(xué)修飾調(diào)。對物質(zhì)代謝和某些關(guān)鍵酶，兩種調(diào)節(jié)各有作用，相輔相成。

（二）激素水平調(diào)節(jié)中，激素與靶細(xì)胞受體特異結(jié)合，將代謝信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)過程，最終表現(xiàn)出激素的生物學(xué)效應(yīng)。激素可分為膜受體激素及胞內(nèi)受體激素。前者為蛋白質(zhì)、多肽及兒茶酚胺類激素，具親水性，需結(jié)合膜身體才能將信號跨膜傳遞入細(xì)胞內(nèi)。后者為疏水性激素，可透過細(xì)胞膜與胞內(nèi)受體（大多在核內(nèi)）結(jié)合，形成二聚體，作為轉(zhuǎn)錄因子與DNA上的特定激素反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，以調(diào)控該元件調(diào)控的特定基因的表達(dá)。

（三）整體水平調(diào)節(jié)是指神經(jīng)系統(tǒng)通過內(nèi)分泌腺間接調(diào)節(jié)代謝和直接影響組織、器官以調(diào)節(jié)代謝的方式，使機(jī)體代謝相對穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境改變。饑餓及應(yīng)急時(shí)通過改變多種激素分泌，整體調(diào)節(jié)引起體內(nèi)物質(zhì)代謝的改變。

6.如何利用代謝調(diào)控提高微生物發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量

微生物有著一整套可塑性極強(qiáng)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(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。

從細(xì)胞水平上來看，

微生

物的代謝調(diào)節(jié)能力要超過復(fù)雜的高等動(dòng)植物。

這是因?yàn)椋?/p>

微生物細(xì)胞的體積極小，

而所處的環(huán)境條件卻十分多變，

每個(gè)細(xì)胞要在這樣復(fù)雜的環(huán)境條件下求得生存和

發(fā)展，

就必須具備一整套發(fā)達(dá)的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在長期進(jìn)化過程中，

微生物發(fā)展

出一整套十分有效的代謝調(diào)節(jié)方式，巧妙地解決了這一矛盾。

通過代謝調(diào)節(jié)微生物可最經(jīng)濟(jì)地利用其營養(yǎng)物，

合成出能滿足自己生長、

繁

殖所需要的一切中間代謝物，

并做到既不缺乏也不剩余任何代謝物的高效

“經(jīng)濟(jì)

核算”

正常情況下，微生物代謝產(chǎn)物由于反饋抑制和反饋?zhàn)瓒羰遣粫?huì)大量積累的。

但自然界里常發(fā)現(xiàn)一些微生物產(chǎn)生了過量的代謝產(chǎn)物，

這主要是由于這些微生物

代謝機(jī)制失調(diào)造成的，

在工業(yè)發(fā)酵上，

可運(yùn)用遺傳的和環(huán)境的控制和人為的代謝

調(diào)節(jié)，使其產(chǎn)物大量積累。

如氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)就是在代謝調(diào)節(jié)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

目前已經(jīng)能夠

在轉(zhuǎn)錄和翻譯上控制微生物的代謝，

使微生物工業(yè)發(fā)酵進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段，

即

代謝控制發(fā)酵階段。所謂的代謝控制發(fā)酵，就是人為地在

DNA

分子水平上改變

和控制微生物的代謝活動(dòng)，使目的產(chǎn)物大量生成、積累。

一般改變微生物代謝調(diào)節(jié)的方法有如下幾種

:

第一種

是采用物理化學(xué)誘變，獲得營養(yǎng)缺陷型

第二種方法是應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突變法。

第三種就是控制發(fā)酵條件，改變細(xì)胞的滲透性。