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)】：微生物細胞內(nèi)的酶可以分為組成酶和誘導(dǎo)酶兩類.組成酶時微生物細胞內(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，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，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)方式時同時存在，并且密切配合、協(xié)調(diào)作用的.通過對代謝的調(diào)節(jié)，微生物細胞內(nèi)一般不會累積大量的代謝產(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、共價修飾

對酶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進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，進而調(diào)節(jié)糖原的降解，蛋白激酶的活化又要經(jīng)過幾個步驟。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，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

真核細胞含有膜包裹著的多種細胞器，使各種酶和酶系被隔離在細胞的不同區(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區(qū)域中的反應(yīng)相互影響。一些特定分子的命運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現(xiàn)的，因為任何代謝途徑都是一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的。微生物細胞的代謝調(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)。在細胞內(nèi)這兩種方式單獨或協(xié)調(diào)進行選育，獲得突變株，達到改變代謝通路、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胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進行。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、反饋阻遏、反饋抑制、細胞膜透性調(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現(xiàn)的，因為任何代謝途徑都是一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的。

微生物細胞的代謝調(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)。

在細胞內(nèi)這兩種方式單獨或協(xié)調(diào)進行選育，獲得突變株，達到改變代謝通路、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胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進行。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、反饋阻遏、反饋抑制、細胞膜透性調(diào)節(jié)等。

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

代謝調(diào)節(jié)方式

機體存在三級水平的代謝調(diào)節(jié)，包括細胞水平調(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）細胞水平調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶的活性實現(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，激素與靶細胞受體特異結(jié)合，將代謝信號轉(zhuǎn)化為細胞內(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胞內(nèi)。后者為疏水性激素，可透過細胞膜與胞內(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。

（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，使機體代謝相對穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境改變。饑餓及應(yīng)急時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、

有條不紊地進行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。

從細胞水平上來看，

微生

物的代謝調(diào)節(jié)能力要超過復(fù)雜的高等動植物。

這是因為，

微生物細胞的體積極小，

而所處的環(huán)境條件卻十分多變，

每個細胞要在這樣復(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)達的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在長期進化過程中，

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

核算”

正常情況下，微生物代謝產(chǎn)物由于反饋抑制和反饋阻遏是不會大量積累的。

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

代謝機制失調(diào)造成的，

在工業(yè)發(fā)酵上，

可運用遺傳的和環(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)酵進入了一個嶄新階段，

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，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，改變細胞的滲透性。