代謝調節育種方法(簡(jiǎn)述微生物代謝的調節方式)
1.簡(jiǎn)述微生物代謝的調節方式有哪些
微生物的代謝調節主要有兩種方式：酶合成的調節和酶活性的調節.
酶合成的調節
【酶合成的調節】：微生物細胞內的酶可以分為組成酶和誘導酶兩類(lèi).組成酶時(shí)微生物細胞內一直存在的酶，它們的合成只受遺傳物質(zhì)的控制，而誘導酶則時(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基本上培養大腸桿菌，開(kāi)始時(shí)，大腸桿菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖，只有當葡萄糖被消耗完畢以后，大腸桿菌才開(kāi)始利用乳糖，只有當葡萄糖被消耗完畢以后，大腸桿菌才開(kāi)始利用乳糖.
酶活性的調節
【酶活性的調節】：微生物還能夠通過(guò)改變已有酶的催化活性來(lái)調節代謝的速率.酶活性發(fā)生主要原因時(shí)，代謝過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)與酶結合，致使酶的結構產(chǎn)生變化.這種調節現象在核苷酸、維生素的合成代謝中十分普遍.
總結
上述兩種調節方式時(shí)同時(shí)存在，并且密切配合、協(xié)調作用的.通過(guò)對代謝的調節，微生物細胞內一般不會(huì )累積大量的代謝產(chǎn)物.
2.簡(jiǎn)述生物體內代謝調節的幾種主要方式
根據生物的進(jìn)化程度不同，代謝調節大體上可分神經(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節。神經(jīng)和激素水平的調節最終也通過(guò)酶起作用。
酶水平代謝調節主要有兩種類(lèi)型：一種是通過(guò)激活或抑制酶的催化活性，另一種是通過(guò)控制酶合成或降解的量。有下列幾種重要方式：
1、別構調節
代謝途徑的速率和方向主要依賴(lài)調節酶的量和活性，必需的不可逆反應是控制部位。代謝途徑中第一個(gè)不可逆反應常是重要的控制因素，催化這些關(guān)鍵步驟的酶屬于別構酶。這類(lèi)酶是復雜的寡聚蛋白質(zhì)，含有好幾個(gè)亞基，它們除含催化部位外，還含有調節部位。一定的效應物與調節部位結合后可改變酶分子的構象，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物稱(chēng)作正效應物，起抑制作用的為負效應物。效應物可以是底物、產(chǎn)物、代謝途徑的終產(chǎn)物、核苷酸類(lèi)化合物等。調節分解代謝的別構酶可被正效應物ADP或AMP激活而被負效應物ATP抑制。別構調節是最迅速的代謝調節方式，其中以終產(chǎn)物對代謝序列反應中早期步驟的抑制作用（反饋抑制）最為常見(jiàn)；如大腸桿菌中異亮氨酸抑制催化其合成代謝系列反應第一個(gè)步驟的酶。一條代謝途徑中的別構酶也可對其他代謝途徑的中間物或產(chǎn)物作出反應，不同酶系統的速度能用這種方式互相協(xié)調。
2、共價(jià)修飾
對酶分子的化學(xué)結構進(jìn)行修飾也可影響酶的催化活性，其中最重要的是側鏈羥基的磷酸化。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(lèi)型。a型有充分的催化活性，b型幾乎沒(méi)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，就轉變?yōu)閍型。a型經(jīng)蛋白磷酸酶水解脫去磷基團又可恢復成低活性的b型。生物可通過(guò)蛋白激酶和磷酸酶的作用影響磷酸化酶的活性，進(jìn)而調節糖原的降解，蛋白激酶的活化又要經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟。所以，這種調節方式有放大效應，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。如腎上腺素刺激糖原的降解。
3、酶量調節
調節酶的合成和分解也受到調控。主要方式是調控酶的合成量。這是激活或阻止酶基因表達的結果。如大腸桿菌通常以葡萄糖為碳源，在培養基中僅有乳糖而無(wú)葡萄糖時(shí)，乳糖可誘導大腸桿菌產(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(jiàn)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、區域化
真核細胞含有膜包裹著(zhù)的多種細胞器，使各種酶和酶系被隔離在細胞的不同區域。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(guò)程在線(xiàn)粒體中進(jìn)行。像糖異生和尿素合成這些過(guò)程又依賴(lài)胞液和線(xiàn)粒體兩個(gè)區域中的反應相互影響。一些特定分子的命運依賴(lài)它們存在于胞液還是線(xiàn)粒體中；因此，它們穿過(guò)線(xiàn)粒體內膜的轉運常被調節。例如，輸入線(xiàn)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，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調節的機制，選擇巧妙的技術(shù)路線(xiàn)，通過(guò)遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過(guò)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控機制是否被解除，能否打破微生物正常的代謝調節，人為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發(fā)酵過(guò)程的代謝控制培養是實(shí)現這一目標的兩的手段，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(mén)工程技術(shù)，該技術(shù)的廣泛應用，導致了氨基酸、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(guò)控制酶的作用來(lái)實(shí)現的，因為任何代謝途徑都是一系列酶促反應構成的。微生物細胞的代謝調節主要有兩種類(lèi)型，一類(lèi)是酶活性調節，調節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(lèi)是酶合成的調節，調節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(guò)程的一些限制因素來(lái)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(guò)程中不同階段的反應處于平衡狀態(tài)，同時(shí)也可以使微生物對外界環(huán)境的變化作出相應的反應。在細胞內這兩種方式單獨或協(xié)調進(jìn)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(jìn)行。代謝控制育種的調節體系主要包括誘導、分解阻遏、分解抑制、反饋阻遏、反饋抑制、細胞膜透性調節等。
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，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調節的機制，選擇巧妙的技術(shù)路線(xiàn)，通過(guò)遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過(guò)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控機制是否被解除，能否打破微生物正常的代謝調節，人為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發(fā)酵過(guò)程的代謝控制培養是實(shí)現這一目標的兩的手段，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(mén)工程技術(shù)，該技術(shù)的廣泛應用，導致了氨基酸、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(guò)控制酶的作用來(lái)實(shí)現的，因為任何代謝途徑都是一系列酶促反應構成的。
微生物細胞的代謝調節主要有兩種類(lèi)型，一類(lèi)是酶活性調節，調節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(lèi)是酶合成的調節，調節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(guò)程的一些限制因素來(lái)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(guò)程中不同階段的反應處于平衡狀態(tài)，同時(shí)也可以使微生物對外界環(huán)境的變化作出相應的反應。
在細胞內這兩種方式單獨或協(xié)調進(jìn)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(jìn)行。代謝控制育種的調節體系主要包括誘導、分解阻遏、分解抑制、反饋阻遏、反饋抑制、細胞膜透性調節等。
5.機體細胞水平的物質(zhì)代謝調節有哪些主要方式
代謝調節方式
機體存在三級水平的代謝調節，包括細胞水平調節、激素水平調節和以中樞神經(jīng)系統為主導的整體水平調節。
（一）細胞水平調節主要通過(guò)調節關(guān)鍵酶的活性實(shí)現，其中通過(guò)改變現有酶分子的結構調節酶活性的方式，發(fā)生較快。也可通過(guò)改變酶的含量影響酶活性，此調節緩慢而持久。對酶結構調節包括酶的變構調節及酶蛋白的化學(xué)修飾調。對物質(zhì)代謝和某些關(guān)鍵酶，兩種調節各有作用，相輔相成。
（二）激素水平調節中，激素與靶細胞受體特異結合，將代謝信號轉化為細胞內一系列信號轉導級聯(lián)過(guò)程，最終表現出激素的生物學(xué)效應。激素可分為膜受體激素及胞內受體激素。前者為蛋白質(zhì)、多肽及兒茶酚胺類(lèi)激素，具親水性，需結合膜身體才能將信號跨膜傳遞入細胞內。后者為疏水性激素，可透過(guò)細胞膜與胞內受體（大多在核內）結合，形成二聚體，作為轉錄因子與DNA上的特定激素反應元件（HRE）結合，以調控該元件調控的特定基因的表達。
（三）整體水平調節是指神經(jīng)系統通過(guò)內分泌腺間接調節代謝和直接影響組織、器官以調節代謝的方式，使機體代謝相對穩定，適應環(huán)境改變。饑餓及應急時(shí)通過(guò)改變多種激素分泌，整體調節引起體內物質(zhì)代謝的改變。
6.如何利用代謝調控提高微生物發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量
微生物有著(zhù)一整套可塑性極強和極精確的代謝調節系統，
以保證上千種酶能
正確無(wú)誤、
有條不紊地進(jìn)行極其復雜的新陳代謝反應。
從細胞水平上來(lái)看，
微生
物的代謝調節能力要超過(guò)復雜的高等動(dòng)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(gè)細胞要在這樣復雜的環(huán)境條件下求得生存和
發(fā)展，
就必須具備一整套發(fā)達的代謝調節系統。
在長(cháng)期進(jìn)化過(guò)程中，
微生物發(fā)展
出一整套十分有效的代謝調節方式，巧妙地解決了這一矛盾。
通過(guò)代謝調節微生物可最經(jīng)濟地利用其營(yíng)養物，
合成出能滿(mǎn)足自己生長(cháng)、
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(huì )大量積累的。
但自然界里常發(fā)現一些微生物產(chǎn)生了過(guò)量的代謝產(chǎn)物，
這主要是由于這些微生物
代謝機制失調造成的，
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
調節，使其產(chǎn)物大量積累。
如氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)就是在代謝調節研究的基礎上發(fā)展起來(lái)的。
目前已經(jīng)能夠
在轉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節的方法有如下幾種
:
第一種
是采用物理化學(xué)誘變，獲得營(yíng)養缺陷型
第二種方法是應用抗反饋調節突變法。
第三種就是控制發(fā)酵條件，改變細胞的滲透性。
