第五章 生物产品代谢调控发酵机制 1
§ 2 核酸类物质的代谢调控机制
?核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进一步深化和发展
的代谢控制发酵 。
?生物体内大分子的核酸是由单核苷酸作为原料聚合而
成的, 因此, 生物体必须先合成 单核苷酸 。
?单核苷酸有两条完全不同的合成途径,
⑴全合成途径 —— 由磷酸戊糖开始 …… ；
⑵补救途径 —— 由培养基中获取 …… 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 2
一、核苷酸的生物合成途径
采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源,
嘌呤环的前体
?合成 1分子 IMP（ 肌苷酸 ）需用
1分子 PRPP（ 磷酸核糖焦磷酸 ）
1分子 Asp（天冬氨酸）
1分子 Gly（甘氨酸）
2分子甲酸
1分子 CO2
2分子 NH3
共消耗 8分子 ATP。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 3
1,嘌呤核苷酸的全合成途径（, 从无到有, 途径）
IMP－肌苷酸 SAICAR－ 5-氨基 -(N-琥珀基 )代氨甲
AMP－腺苷酸 酰咪唑核苷酸
GMP－鸟苷酸 AICAR－ 5-氨基 -4-氨甲酰咪唑核苷酸
XMP－黄苷酸 PRPP－磷酸核糖焦磷酸
SAMP－腺苷琥珀酸 PRA－ 5-磷酸核糖胺
（次黄嘌呤核苷一磷酸）
（腺嘌呤核苷一磷酸）
（黄嘌呤核苷一磷酸）
符号说明
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 4
嘌呤核苷酸的全合成途径 (1) —— 5′ -IMP的生成（“从无到
有”）,
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 5
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 6
?各种微生物合成 IMP的途径是一样的,但是从 IMP分别生成 AMP
和 GMP的途径是不同的。
从 IMP开始,
? 枯草杆菌 以 IMP为中心分出两条环形路线,
由此 AMP与 GMP可以互相转换；
? 产黄短杆菌 分出的两条路线不是环形，而是单项分枝的,
AMP与 GMP不能互相转换
合成 IMP的价值：进一步合成 AMP和 GMP
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 7
枯草芽孢杆菌 嘌呤核苷酸的全合成途径 (2) —— AMP和 GMP的互变
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 8
枯草杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径
葡萄糖 →→→ 5-磷酸核糖 → （磷酸核糖焦磷酸）
（ 5-磷酸核糖胺）
（ 5-胺基 -4-（ N-琥珀基 ） -
代氨甲酰咪唑核苷酸 ）
（ 5-胺基 -4-氨甲酰咪唑核苷酸 ）
肌苷酸
黄苷酸
鸟苷酸
腺苷酸
琥珀酰腺苷酸
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 9
产黄短杆菌 的嘌呤核苷酸生物合成途径
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 10
2,嘧啶核苷酸的全合成途径
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 11
?当全合成受阻时，微生物可从培养基中取得完整的嘌呤
或嘧啶，和戊糖、磷酸通过酶的作用直接合成单核苷酸，
所以称为, 补救途径, 。
?嘌呤碱基、核苷和核苷酸之间能通过分段合成互相转变。
?其中最重要的反应是,
碱基 + PRPP 5'- 核苷酸 + PPi 核苷酸焦磷酸化酶
3,核苷酸生物合成的补救途径
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 12
嘌呤核苷酸的补救合成途径
—— 嘌呤碱基、核苷和核苷酸的相互转换
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 13
IMP合成系的代谢控制及嘌呤核苷酸互变的代谢控制
二、嘌呤核苷酸的代谢调节机制（枯草杆菌型）
AMP
脱氨酶 SAMP
裂解酶 SAMP
合成酶
IMP
脱氢酶
GMP
还原酶 XMP
氨化酶
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 14
?嘌呤核苷酸可以分为 GMP,IMP等 6-羟基 嘌呤核苷酸
与 ADP,AMP等的 6-氨基 嘌呤核苷酸 两类 。
?如果同时添加这两类嘌呤核苷酸（ GMP+AMP 或
IMP+ADP），抑制作用就会相乘的提高。这种现象叫
做,合作终产物抑制,。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 15
嘌呤核苷酸相互转换系的代谢控制
调节位点
A
①
②
③
④
⑤
⑥
PR-ATP 1-
（ 5'-磷酸核糖基）
-三磷酸腺苷
⑥ AMP脱氨酶
⑤ SAMP裂解酶
④ SAMP合成酶
③ XMP氨化酶
② GMP还原酶
① IMP脱氢酶
AICAR－ 5-氨基 -
4-氨甲酰咪唑核
苷酸
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 16
?以 IMP为中心的两个循环，各个反应是不可逆的
?IMP脱氢酶受 GMP的反馈抑制，也被 GMP阻遏； GMP
还原酶受 ATP的反馈抑制。
?同样的,AMP抑制 SAMP合成酶,GTP抑制 AMP脱氨酶
?SAMP→AMP 反应的供能体为 GTP,XMP→GMP 反应
的供能体为 ATP
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 17
?根据上述调节机制，当细胞中的 GMP水平提高到一定程
度时，从 IMP的代谢流就自动地转向 AMP方面；反之，
当细胞的 AMP水平高到一定程度时，从 IMP的代谢流就
自动地转向 GMP方面。
?另一方面，核苷酸的代谢也与组氨酸的生物合成有关,
AICAR→ IMP→ AMP→ ATP→ PR-ATP→ AICAR形成一个
循环，由 PRATP经咪唑甘油磷酸生成组氨酸。假如组氨
酸过剩，则不走此途径。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 18
三、肌苷和肌苷酸高产菌的选育模型
1）切断两条支路代谢，选育腺嘌呤缺陷型（ Ade－ ）和黄
嘌呤缺陷型（ Xan－ ）的双重缺陷型突变株；
2）通过限量腺嘌呤和鸟嘌呤来解除腺嘌呤系和鸟嘌呤系
化合物对 IMP生物合成的酶的反馈抑制；
3）进一步选育抗腺嘌呤、鸟嘌呤类似物和（或）抗磺胺
剂突变株，从遗传上解除正常代谢控制；
（选育抗性突变株时，应采用丧失腺嘌呤脱氢酶 < dea－ >
的菌株为出发菌株）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 19
4）选育 Mn2+脱敏突变株（ MnINS），或控制培养基中 Mn2+
的浓度，解除细胞膜渗透型障碍。
5）生产肌苷时，肌苷酸酶活性要强，而肌苷酸化酶要越弱
越好，以使生成的肌苷不再分解。
模型,
Ade－ + Xa－ + dea－ + GMPred－ + 8AGr（或 8AXr,ARr） + SGr
+ NP－ + ARr + Smr （符号见, 微生物工程工艺原理, p.116）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 20
? 5-IMP发酵应具备的条件,
选择肌苷酸酶弱或丧失的出发菌株；
切断 IMP向下的两条支路，使 IMP大量生成和积累；
选育结构类似物双重抗性突变株；
限量添加 Mn2+，解除细胞膜渗透型障碍。
? 肌苷酸发酵机制
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 21
?鸟苷酸发酵机制 (讨论 )
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 22
§ 3 抗生素代谢调控发酵
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 23
§ 4 代谢调控发酵的基本思想
一、微生物细胞的调节机制
在正常情况下，微生物细胞只合成本身所需要的中间代谢产物，
严格防止氨基酸、核苷酸等物质的积累。当有氨基酸或嘌呤物
质进入细胞后，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，细胞才能重新开始进行合成。
细胞中这种调节控制作用主要依靠
反馈抑制
反馈阻遏
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 24
微生物细胞氨基酸、核苷酸的调节机制（模型）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 25
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 26
?代谢控制的研究证明, 酶的生物合成受 基因 和 代谢物 的双重控制 。
?按操纵子学说, 操纵子由细胞中的 操纵基因 和邻近的几个 结构基
因 组成 。 结构基因能转录遗传信息, 合成相应的信使 RNA
（ mRNA）, 进而再翻译合成特定的酶；操纵基因则能够控制结构
基因作用的发挥 。
?细胞中还有一种 调节基因, 能够产生一种 细胞质阻遏物, 细胞质
阻遏物与阻遏物 （ 通常是酶反应的终产物 ） 结合时, 由于 变构效应,
结构改变和操纵基因的亲和力变大, 而使有关的结构基因不能合成
mRNA,因此, 酶的合成受到阻遏 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 27
?诱导物也能和细胞阻遏物结合，使其结构发生改变，减少与
操纵基因的亲和力，使操纵基因回复自由，进而结构基因进
行转录，合成 mRNA，再翻译特定的酶。
?在微生物中，通过细胞膜的渗透性进行代谢控制也是非常重
要的（如 Glu发酵）。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 28
1,调节酶 —— 与代谢调节密切相关的酶，常称为 关键酶
?受反馈抑制的 调节酶 一般都是 变构酶,酶活力调控的实质就是
变构酶的变构调节。
?变构酶分子除了有 与底物结合 的 活性中心 （即 催化部位 和活性
中心）外，还有一个与 最终产物结合 的部位，称做 调节中心
（或称 变构部位 ），当它与最终产物结合之后就改变了酶分子
的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。
调节 酶活力 （反馈抑制） 比调节 酶的合成 （反馈阻遏） 迅速及时有效,
这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 29 氨基酸生物合成途径中的关键酶
氨基酸生物合成
途径中的关键酶
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 30
?最终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，因此当最终产物的
浓度降低时，最终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋
白的原有的构象，使酶与底物可以结合而发生催化。
调节酶包括 3个种类,
⑴变构酶；
⑵同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同；
⑶多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 31
?关键酶 （ key enzyme 或 switching enzyme）
—— 参与代谢调节的酶的总称
—— 是一个反应链的限速因子，对代谢流的质和量都起着制约作用；
—— 在代谢流的枢纽处起支柱作用；
—— 一般情况下, 与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶
（ branching enzyme） 可以成为关键酶, 但关键酶并不都是分支点酶；
—— 其关键效果仅仅在特定的氨基酸生物合成过程中成立, 而在其他氨
基酸生物合成过程中则不成立 （ 例如, ?-乙酰乳酸合成酶在 Val 生物
合成途径中起关键作用, 而 Ile生物合成途径中起主导性的关键酶却
是苏氨酸脱氢酶 TD,该酶在 ?-乙酰乳酸合成酶的前一阶段 ） ；
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 32
氨基酸生物合成
途径中的关键酶
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 33
—— 在每个氨基酸的生物合成途径中, 都有一种以上的关键酶；
—— 生物合成的途径越长, 关键酶的数目越多；
—— 对代谢流影响最大的关键酶处于主导的地位, 常被配备在由同一前
体物出发去合成多种氨基酸的关键点 （ key point） 上 （ 例如, Val-
Ile系的 ?-乙酰乳酸合成酶 AS,或 Asp族氨基酸生物合成途径中的关
键酶天冬氨酸激酶 AK） ；
—— 关键酶所受的反馈调节因菌而异 （ 例如, Asp族氨基酸生物合成途
径中的主导关键酶天冬氨酸激酶 AK,在大肠杆菌中有 3种同功酶,
分别受到 Thr, Met 和 Lys 的反馈调节, 而在谷氨酸棒杆菌中却是
单一的, 仅受到 Thr 和 Lys的协同反馈控制 ） 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 34
大肠杆菌中天
冬氨酸族氨基
酸生物合成的
调节机制
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 35
在黄色短杆菌中赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸
和异亮氨酸生物合成的代谢调节
谷氨酸棒杆菌,
黄色短杆菌等天
冬氨酸族氨基酸
的代谢调节机制
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 36
模式图
2,反馈抑制 —— 这种调节方式可以分为多种类型
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 37
在多功能途径中（ Multifunctionnal pathway）的酶活性调节类型
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 38
⑴ 协作反馈抑制或多价反馈抑制
⑵合作反馈抑制（ Cooperative feedback inhibition ）
⑶积累反馈抑制（ Cumulative feedback inhibition ）
⑷顺序反馈抑制（ Sequential feedback inhibition）
⑸假反馈抑制（ Pseudo-feedback inhibition）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 39
?反馈阻遏 （ feedback repression） 是由代谢终点产物抑制酶
合成的负反馈作用 。
?微生物可以通过控制酶基因的生物合成来进行调节, 也就是说,
在微生物生物合成体系中, 常通过代谢产物抑制酶的生物合成
或诱导酶的生物合成, 来调节生物的代谢过程 。
?这类现象是与微生物的遗传因子密切相关的 。
正反馈称为酶 诱导作用 （ induction）。
3,酶合成的调控
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 40
? 酶阻遏的调节类型,
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 41
4,反馈抑制与反馈阻遏的比较
?反馈抑制 的效果比较直接而快速，因为不涉及蛋白质的合成过程,
当终产物浓度达到一定水平时，立即使酶的活力丧失，待最终产
物的浓度降低后，酶的活力又重新恢复。
?反馈抑制作用不通过调节基因调节。
?反馈抑制的物质基础是变构酶，通过酶的变构作用改变酶的活性。
?变构酶的结构为基因所决定。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 42
?反馈阻遏 是调节基因作用的结果, 这是生物不通过基因而适
应于环境改变的一种, 措施,, 这种, 措施, 对于环境的改变
反
应比较迟缓 。
?反馈阻遏是对酶合成的阻遏, 所以效果不如反馈抑制那样迅
速, 但可以节约原料, 对生物有一定的优点 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 43
反馈阻遏与反馈抑制的比较
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 44
二、代谢控制发酵的基本思路
1,切断支路代谢
a.营养缺陷突变株的应用
b.渗漏突变株的应用
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 45
a.选育抗类似物突变株
b.酶特性的利用
c.营养缺陷型回复突变株的应用
2,解除菌体自身的反馈调节
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 46
3,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以
及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体物的
合成，有利于目的产物的大量积累。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 47
4,去除终产物
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 48
5,特殊调节机制的利用
a.多种产物控制机制的利用
b.平衡合成的利用
c.代谢互锁的利用
d.优先合成的变换
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 49
6,条件突变株的应用
例如，温度敏感性突变、抑制性突变、链霉素依赖性突变和
低温敏感性突变等，因环境条件的不同既能显示野生型特性
又能显示突变型特性的突变，统称为条件致死突变（即条件
突变,conditional lethal mutation）。这主要是在蛋白质的结
构基因上发生突变。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 50
7,选育不生成副产物的菌株
a.有共同前体物的其他分支途径或目的产物是其他产物
生物合成的前体物时，应附加营养缺陷型，切断其他
分支途径或目的产物向其它产物合成的代谢流；
b.存在有目的产物分解途径时，应选育丧失目的产物分
解酶的突变株；
c.当有副生产物，特别是有不利于目的产物精制的副生
产物时，应设法切断副生产物的代谢流（丧失副生产
物合成途径中的某个酶）。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 51
8,选育生产代谢拮抗物质的菌株
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 52
三、微生物代谢控制发酵的措施
?微生物发酵生产中的代谢控制，总的来讲主要有两条途径,
控制培养条件
控制遗传型
?改变微生物的遗传型往往是控制代谢的更为有效的途径。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 53
微生物发酵中的代谢调节措施
诱导 分解阻遏
分解抑制
反馈阻遏
反馈抑制
细胞膜渗透性 调节体系
培养条
件控制
遗传型控制
?发酵的 环境条件, 包括温度, 溶氧水平, pH
值, NH3的供应, 营养浓度控制, 等等, 在
代谢控制发酵中也是非常重要的 。 （ 见下页 ）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 54
代谢控制发酵的基本条件
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 55
参考书目
1.微生物工程工艺原理（姚汝华）
2.发酵工艺原理（熊宗贵）
3.代谢控制发酵（张克旭）
4.发酵工业概论（李艳）
5.生化生产工艺学（梅乐和）
6.食品生物技术（彭志英）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 56
第六章 发酵产品各论
§ 2 核酸类物质的代谢调控机制
?核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进一步深化和发展
的代谢控制发酵 。
?生物体内大分子的核酸是由单核苷酸作为原料聚合而
成的, 因此, 生物体必须先合成 单核苷酸 。
?单核苷酸有两条完全不同的合成途径,
⑴全合成途径 —— 由磷酸戊糖开始 …… ；
⑵补救途径 —— 由培养基中获取 …… 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 2
一、核苷酸的生物合成途径
采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源,
嘌呤环的前体
?合成 1分子 IMP（ 肌苷酸 ）需用
1分子 PRPP（ 磷酸核糖焦磷酸 ）
1分子 Asp（天冬氨酸）
1分子 Gly（甘氨酸）
2分子甲酸
1分子 CO2
2分子 NH3
共消耗 8分子 ATP。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 3
1,嘌呤核苷酸的全合成途径（, 从无到有, 途径）
IMP－肌苷酸 SAICAR－ 5-氨基 -(N-琥珀基 )代氨甲
AMP－腺苷酸 酰咪唑核苷酸
GMP－鸟苷酸 AICAR－ 5-氨基 -4-氨甲酰咪唑核苷酸
XMP－黄苷酸 PRPP－磷酸核糖焦磷酸
SAMP－腺苷琥珀酸 PRA－ 5-磷酸核糖胺
（次黄嘌呤核苷一磷酸）
（腺嘌呤核苷一磷酸）
（黄嘌呤核苷一磷酸）
符号说明
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 4
嘌呤核苷酸的全合成途径 (1) —— 5′ -IMP的生成（“从无到
有”）,
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 5
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 6
?各种微生物合成 IMP的途径是一样的,但是从 IMP分别生成 AMP
和 GMP的途径是不同的。
从 IMP开始,
? 枯草杆菌 以 IMP为中心分出两条环形路线,
由此 AMP与 GMP可以互相转换；
? 产黄短杆菌 分出的两条路线不是环形，而是单项分枝的,
AMP与 GMP不能互相转换
合成 IMP的价值：进一步合成 AMP和 GMP
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 7
枯草芽孢杆菌 嘌呤核苷酸的全合成途径 (2) —— AMP和 GMP的互变
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 8
枯草杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径
葡萄糖 →→→ 5-磷酸核糖 → （磷酸核糖焦磷酸）
（ 5-磷酸核糖胺）
（ 5-胺基 -4-（ N-琥珀基 ） -
代氨甲酰咪唑核苷酸 ）
（ 5-胺基 -4-氨甲酰咪唑核苷酸 ）
肌苷酸
黄苷酸
鸟苷酸
腺苷酸
琥珀酰腺苷酸
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 9
产黄短杆菌 的嘌呤核苷酸生物合成途径
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 10
2,嘧啶核苷酸的全合成途径
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 11
?当全合成受阻时，微生物可从培养基中取得完整的嘌呤
或嘧啶，和戊糖、磷酸通过酶的作用直接合成单核苷酸，
所以称为, 补救途径, 。
?嘌呤碱基、核苷和核苷酸之间能通过分段合成互相转变。
?其中最重要的反应是,
碱基 + PRPP 5'- 核苷酸 + PPi 核苷酸焦磷酸化酶
3,核苷酸生物合成的补救途径
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 12
嘌呤核苷酸的补救合成途径
—— 嘌呤碱基、核苷和核苷酸的相互转换
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 13
IMP合成系的代谢控制及嘌呤核苷酸互变的代谢控制
二、嘌呤核苷酸的代谢调节机制（枯草杆菌型）
AMP
脱氨酶 SAMP
裂解酶 SAMP
合成酶
IMP
脱氢酶
GMP
还原酶 XMP
氨化酶
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 14
?嘌呤核苷酸可以分为 GMP,IMP等 6-羟基 嘌呤核苷酸
与 ADP,AMP等的 6-氨基 嘌呤核苷酸 两类 。
?如果同时添加这两类嘌呤核苷酸（ GMP+AMP 或
IMP+ADP），抑制作用就会相乘的提高。这种现象叫
做,合作终产物抑制,。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 15
嘌呤核苷酸相互转换系的代谢控制
调节位点
A
①
②
③
④
⑤
⑥
PR-ATP 1-
（ 5'-磷酸核糖基）
-三磷酸腺苷
⑥ AMP脱氨酶
⑤ SAMP裂解酶
④ SAMP合成酶
③ XMP氨化酶
② GMP还原酶
① IMP脱氢酶
AICAR－ 5-氨基 -
4-氨甲酰咪唑核
苷酸
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 16
?以 IMP为中心的两个循环，各个反应是不可逆的
?IMP脱氢酶受 GMP的反馈抑制，也被 GMP阻遏； GMP
还原酶受 ATP的反馈抑制。
?同样的,AMP抑制 SAMP合成酶,GTP抑制 AMP脱氨酶
?SAMP→AMP 反应的供能体为 GTP,XMP→GMP 反应
的供能体为 ATP
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 17
?根据上述调节机制，当细胞中的 GMP水平提高到一定程
度时，从 IMP的代谢流就自动地转向 AMP方面；反之，
当细胞的 AMP水平高到一定程度时，从 IMP的代谢流就
自动地转向 GMP方面。
?另一方面，核苷酸的代谢也与组氨酸的生物合成有关,
AICAR→ IMP→ AMP→ ATP→ PR-ATP→ AICAR形成一个
循环，由 PRATP经咪唑甘油磷酸生成组氨酸。假如组氨
酸过剩，则不走此途径。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 18
三、肌苷和肌苷酸高产菌的选育模型
1）切断两条支路代谢，选育腺嘌呤缺陷型（ Ade－ ）和黄
嘌呤缺陷型（ Xan－ ）的双重缺陷型突变株；
2）通过限量腺嘌呤和鸟嘌呤来解除腺嘌呤系和鸟嘌呤系
化合物对 IMP生物合成的酶的反馈抑制；
3）进一步选育抗腺嘌呤、鸟嘌呤类似物和（或）抗磺胺
剂突变株，从遗传上解除正常代谢控制；
（选育抗性突变株时，应采用丧失腺嘌呤脱氢酶 < dea－ >
的菌株为出发菌株）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 19
4）选育 Mn2+脱敏突变株（ MnINS），或控制培养基中 Mn2+
的浓度，解除细胞膜渗透型障碍。
5）生产肌苷时，肌苷酸酶活性要强，而肌苷酸化酶要越弱
越好，以使生成的肌苷不再分解。
模型,
Ade－ + Xa－ + dea－ + GMPred－ + 8AGr（或 8AXr,ARr） + SGr
+ NP－ + ARr + Smr （符号见, 微生物工程工艺原理, p.116）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 20
? 5-IMP发酵应具备的条件,
选择肌苷酸酶弱或丧失的出发菌株；
切断 IMP向下的两条支路，使 IMP大量生成和积累；
选育结构类似物双重抗性突变株；
限量添加 Mn2+，解除细胞膜渗透型障碍。
? 肌苷酸发酵机制
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 21
?鸟苷酸发酵机制 (讨论 )
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 22
§ 3 抗生素代谢调控发酵
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 23
§ 4 代谢调控发酵的基本思想
一、微生物细胞的调节机制
在正常情况下，微生物细胞只合成本身所需要的中间代谢产物，
严格防止氨基酸、核苷酸等物质的积累。当有氨基酸或嘌呤物
质进入细胞后，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，细胞才能重新开始进行合成。
细胞中这种调节控制作用主要依靠
反馈抑制
反馈阻遏
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 24
微生物细胞氨基酸、核苷酸的调节机制（模型）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 25
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 26
?代谢控制的研究证明, 酶的生物合成受 基因 和 代谢物 的双重控制 。
?按操纵子学说, 操纵子由细胞中的 操纵基因 和邻近的几个 结构基
因 组成 。 结构基因能转录遗传信息, 合成相应的信使 RNA
（ mRNA）, 进而再翻译合成特定的酶；操纵基因则能够控制结构
基因作用的发挥 。
?细胞中还有一种 调节基因, 能够产生一种 细胞质阻遏物, 细胞质
阻遏物与阻遏物 （ 通常是酶反应的终产物 ） 结合时, 由于 变构效应,
结构改变和操纵基因的亲和力变大, 而使有关的结构基因不能合成
mRNA,因此, 酶的合成受到阻遏 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 27
?诱导物也能和细胞阻遏物结合，使其结构发生改变，减少与
操纵基因的亲和力，使操纵基因回复自由，进而结构基因进
行转录，合成 mRNA，再翻译特定的酶。
?在微生物中，通过细胞膜的渗透性进行代谢控制也是非常重
要的（如 Glu发酵）。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 28
1,调节酶 —— 与代谢调节密切相关的酶，常称为 关键酶
?受反馈抑制的 调节酶 一般都是 变构酶,酶活力调控的实质就是
变构酶的变构调节。
?变构酶分子除了有 与底物结合 的 活性中心 （即 催化部位 和活性
中心）外，还有一个与 最终产物结合 的部位，称做 调节中心
（或称 变构部位 ），当它与最终产物结合之后就改变了酶分子
的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。
调节 酶活力 （反馈抑制） 比调节 酶的合成 （反馈阻遏） 迅速及时有效,
这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 29 氨基酸生物合成途径中的关键酶
氨基酸生物合成
途径中的关键酶
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 30
?最终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，因此当最终产物的
浓度降低时，最终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋
白的原有的构象，使酶与底物可以结合而发生催化。
调节酶包括 3个种类,
⑴变构酶；
⑵同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同；
⑶多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 31
?关键酶 （ key enzyme 或 switching enzyme）
—— 参与代谢调节的酶的总称
—— 是一个反应链的限速因子，对代谢流的质和量都起着制约作用；
—— 在代谢流的枢纽处起支柱作用；
—— 一般情况下, 与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶
（ branching enzyme） 可以成为关键酶, 但关键酶并不都是分支点酶；
—— 其关键效果仅仅在特定的氨基酸生物合成过程中成立, 而在其他氨
基酸生物合成过程中则不成立 （ 例如, ?-乙酰乳酸合成酶在 Val 生物
合成途径中起关键作用, 而 Ile生物合成途径中起主导性的关键酶却
是苏氨酸脱氢酶 TD,该酶在 ?-乙酰乳酸合成酶的前一阶段 ） ；
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 32
氨基酸生物合成
途径中的关键酶
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 33
—— 在每个氨基酸的生物合成途径中, 都有一种以上的关键酶；
—— 生物合成的途径越长, 关键酶的数目越多；
—— 对代谢流影响最大的关键酶处于主导的地位, 常被配备在由同一前
体物出发去合成多种氨基酸的关键点 （ key point） 上 （ 例如, Val-
Ile系的 ?-乙酰乳酸合成酶 AS,或 Asp族氨基酸生物合成途径中的关
键酶天冬氨酸激酶 AK） ；
—— 关键酶所受的反馈调节因菌而异 （ 例如, Asp族氨基酸生物合成途
径中的主导关键酶天冬氨酸激酶 AK,在大肠杆菌中有 3种同功酶,
分别受到 Thr, Met 和 Lys 的反馈调节, 而在谷氨酸棒杆菌中却是
单一的, 仅受到 Thr 和 Lys的协同反馈控制 ） 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 34
大肠杆菌中天
冬氨酸族氨基
酸生物合成的
调节机制
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 35
在黄色短杆菌中赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸
和异亮氨酸生物合成的代谢调节
谷氨酸棒杆菌,
黄色短杆菌等天
冬氨酸族氨基酸
的代谢调节机制
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 36
模式图
2,反馈抑制 —— 这种调节方式可以分为多种类型
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 37
在多功能途径中（ Multifunctionnal pathway）的酶活性调节类型
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 38
⑴ 协作反馈抑制或多价反馈抑制
⑵合作反馈抑制（ Cooperative feedback inhibition ）
⑶积累反馈抑制（ Cumulative feedback inhibition ）
⑷顺序反馈抑制（ Sequential feedback inhibition）
⑸假反馈抑制（ Pseudo-feedback inhibition）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 39
?反馈阻遏 （ feedback repression） 是由代谢终点产物抑制酶
合成的负反馈作用 。
?微生物可以通过控制酶基因的生物合成来进行调节, 也就是说,
在微生物生物合成体系中, 常通过代谢产物抑制酶的生物合成
或诱导酶的生物合成, 来调节生物的代谢过程 。
?这类现象是与微生物的遗传因子密切相关的 。
正反馈称为酶 诱导作用 （ induction）。
3,酶合成的调控
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 40
? 酶阻遏的调节类型,
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 41
4,反馈抑制与反馈阻遏的比较
?反馈抑制 的效果比较直接而快速，因为不涉及蛋白质的合成过程,
当终产物浓度达到一定水平时，立即使酶的活力丧失，待最终产
物的浓度降低后，酶的活力又重新恢复。
?反馈抑制作用不通过调节基因调节。
?反馈抑制的物质基础是变构酶，通过酶的变构作用改变酶的活性。
?变构酶的结构为基因所决定。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 42
?反馈阻遏 是调节基因作用的结果, 这是生物不通过基因而适
应于环境改变的一种, 措施,, 这种, 措施, 对于环境的改变
反
应比较迟缓 。
?反馈阻遏是对酶合成的阻遏, 所以效果不如反馈抑制那样迅
速, 但可以节约原料, 对生物有一定的优点 。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 43
反馈阻遏与反馈抑制的比较
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 44
二、代谢控制发酵的基本思路
1,切断支路代谢
a.营养缺陷突变株的应用
b.渗漏突变株的应用
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 45
a.选育抗类似物突变株
b.酶特性的利用
c.营养缺陷型回复突变株的应用
2,解除菌体自身的反馈调节
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 46
3,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以
及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体物的
合成，有利于目的产物的大量积累。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 47
4,去除终产物
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 48
5,特殊调节机制的利用
a.多种产物控制机制的利用
b.平衡合成的利用
c.代谢互锁的利用
d.优先合成的变换
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 49
6,条件突变株的应用
例如，温度敏感性突变、抑制性突变、链霉素依赖性突变和
低温敏感性突变等，因环境条件的不同既能显示野生型特性
又能显示突变型特性的突变，统称为条件致死突变（即条件
突变,conditional lethal mutation）。这主要是在蛋白质的结
构基因上发生突变。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 50
7,选育不生成副产物的菌株
a.有共同前体物的其他分支途径或目的产物是其他产物
生物合成的前体物时，应附加营养缺陷型，切断其他
分支途径或目的产物向其它产物合成的代谢流；
b.存在有目的产物分解途径时，应选育丧失目的产物分
解酶的突变株；
c.当有副生产物，特别是有不利于目的产物精制的副生
产物时，应设法切断副生产物的代谢流（丧失副生产
物合成途径中的某个酶）。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 51
8,选育生产代谢拮抗物质的菌株
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 52
三、微生物代谢控制发酵的措施
?微生物发酵生产中的代谢控制，总的来讲主要有两条途径,
控制培养条件
控制遗传型
?改变微生物的遗传型往往是控制代谢的更为有效的途径。
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 53
微生物发酵中的代谢调节措施
诱导 分解阻遏
分解抑制
反馈阻遏
反馈抑制
细胞膜渗透性 调节体系
培养条
件控制
遗传型控制
?发酵的 环境条件, 包括温度, 溶氧水平, pH
值, NH3的供应, 营养浓度控制, 等等, 在
代谢控制发酵中也是非常重要的 。 （ 见下页 ）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 54
代谢控制发酵的基本条件
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 55
参考书目
1.微生物工程工艺原理（姚汝华）
2.发酵工艺原理（熊宗贵）
3.代谢控制发酵（张克旭）
4.发酵工业概论（李艳）
5.生化生产工艺学（梅乐和）
6.食品生物技术（彭志英）
第五章 生物产品代谢调控发酵机制 56
第六章 发酵产品各论
