第七章 核苷酸发酵与控制
1. 根据肌苷酸的生物合成途径，说明肌苷酸生产菌应具备哪些遗传特性？采取哪些措施来增加肌苷酸的积累量？ 必须具备：1）缺乏SAMP合成酶或者IMP脱氢酶；2）解除5’-肌苷酸生物合成途径中的反馈调节；3）缺乏5’-肌苷酸降解酶；4）选育细胞膜渗透性强的突变株。 增加肌苷酸的积累量：
1） 由于关键酶PRPP转酰胺酶受腺嘌呤系化合物以及GMP的反馈抑制，又被腺嘌呤阻遏，因此一般采用腺嘌呤缺陷型突变株（Ade-），控制腺嘌呤亚适量，使5’-IMP积累。
2） 在上述基础上，增加Xan-标记（丧失IMP脱氢酶），可增加5’-IMP产量。 3） 控制发酵液中Mn2+亚适量，调节细胞膜对IMP的通透性。
2. 试述Mn2+和Ade对IMP发酵的调节机制及解除机制的对策。
使用产氨短杆菌突变株进行IMP发酵时，Mn2+浓度对积累IMP影响很大。当发酵液的Mn2+浓度在亚适量时，R5P、PRPP和PRPP激酶等都可以从细胞内渗出。当培养基中有嘌呤碱基存在时，通过补救途径在胞外来合成核苷酸。当Mn2+过量时，就不发生这样的渗出，上述物质仍留在细胞内。从限量Mn2+会引起细胞形态变化来看，Mn2+与细胞膜或细胞壁的生物合成直接相关。故在IMP发酵中，控制Mn2+亚适量，调节细胞膜对IMP的通透性。或者选育Mn2+不敏感突变株或核苷酸膜透过性强的突变株。
利用产氨短杆菌突变株直接发酵IMP时，腺嘌呤是控制IMP积累的重要因子。由于关键酶PRPP转酰胺酶受腺嘌呤系化合物以及GMP的反馈抑制，又被腺嘌呤阻遏，因此一般采用腺嘌呤缺陷型突变株（Ade-），控制腺嘌呤亚适量，使5’-IMP积累。
3. 在实际生产中，为什么一般都选用产氨短杆菌作为IMP的产生菌，而不是选用枯草杆菌？
在选育肌苷酸生产菌时，一般应该选择核苷酸酶和磷酸酯酶活性较弱的菌株作为育种的出发菌株。由于枯草杆菌的核苷酸分解酶系统活力比较强，生成的核苷酸容易被酶分解为核苷，因此一般不适宜用来生产核苷酸。短杆菌属、棒杆菌属及链霉菌属等微生物，与芽孢杆菌属细菌不同，其降解核苷酸的磷酸酯酶活性较低。因此，实际上是常用产氨短杆菌、谷氨酸棒杆菌作为出发菌株进行选育。
4. 试述鸟苷生物合成的调节机制、菌种选育方向及发酵条件控制的原理。？ 调节机制：
1）缺失腺苷琥珀酸合成酶（Ade-）和GMP还原酶，或者酶活性微弱。 2）使核苷酶或核苷酸磷酸化酶活力微弱，以减少鸟苷的分解，积累鸟苷。 3）必须解除GMP对IMP脱氢酶和GMP合成酶的强烈的调节机制。 4）必须解除AMP、GMP对IMP生物合成有关酶的调节机制。
5）必须使IMP脱氢酶反应、GMP合成酶反应优先于核苷酸酶反应，以抑制副生肌苷，提高鸟苷生成能力。 6）从对腺嘌呤、腺苷敏感突变为不敏感，这是因为腺嘌呤、腺苷抑制GMP合成酶活性，必须设法解除。 菌种选育方向：
选育Ade-（腺嘌呤缺陷型）、Red-（GMP还原酶缺失型）、NP-（核苷磷酸化酶缺失型）、8-AGr（8-氮鸟嘌呤抗性株）、MSOr（蛋氨酸亚砜抗性株）的遗传标记
第八章 抗生素发酵与控制
1. 何谓次级代谢？次级代谢与初级代谢的关系如何？
次级代谢：从初级代谢产生的中间产物出发，合成一些生理功能不够明确、化学结构特殊、与细胞生命活动无关或者不影响细胞细胞生命活动的代谢产物的过程称为次级代谢。
区别;
① 存在范围及产物类型不同：初级存在于各类生物中，而次级代谢只一般只存在于微生物和植物中，产物随生物
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和代谢途径的不同而不同。
② 对产生菌自身的重要性不同：初级代谢产物对细胞的生长，分化繁殖密切相关，如果初级代谢发生障碍，细胞
会不生长甚至死亡；次级代谢产物并不影响细胞的生命活动，如果发生障碍，细胞不会死亡，最多是合成的次级代谢产物减少了。
③ 与微生物生长过程的关系不同：初级代谢产物的生成与细胞的生长是同步的；而次级代谢产物是不同步的，在
细胞生长阶段并没有次级代谢产物的合成，只有在产物合成期才会积累次级代谢产物。
④ 酶的专一性不同;初级代谢过程中，酶的专一性很强；次级代谢中除第一步反应的酶的专一性强，后面的酶的作
用底物范围很广。
⑤ 对环境条件变化的敏感性以及遗传的稳定性不同：初级代谢的敏感性小，次级代谢的敏感性大。次级代谢除了
和初级代谢一样，收到核内遗传物质的控制，还受到核外遗传物质质粒的控制。 联系：
初级代谢途径提供了合成次级代谢产物的前体物质。许多次级代谢与初级代谢具有共同的中间产物，两种代谢途径互相交错。次级代谢途径中所涉及的酶系有与初级代谢相同的酶系，又有各自特异的酶系。在代谢调节方面也是相互影响的。
从遗传代谢来看，初级代谢和次级代谢都受核内DNA控制，但次级代谢还受到与初级代谢生物合成无关的核外遗传物质（即质粒）的控制。所以两者在遗传上既有相同部分，又有不同部分。
次级代谢产物是由初级代谢的中间产物修饰而成的。次级代谢是为了避免初级代谢产物的积累对细胞造成不利的影响。
2. 论述次级代谢调控的主要机制。
按作用方式可分为：①诱导调节、②反馈条件、③代谢产物调节、④磷酸盐调节、⑤细胞形态分化与生长速率调节和⑥细胞膜透性调节。
诱导调节 抗生素生物合成过程中，参与次级代谢的酶，有些是诱导酶。诱导酶需要有诱导物的存在才能形成。如甘露糖链霉素的诱导。甘露糖链霉素酶是诱导酶，催化甘露糖链霉素向链霉素转化。
反馈调节 包括抗生素自身积累的反馈调节，前体物的反馈调节和分支途径的初级代谢产物的反馈调节。 1）抗生素自身反馈调节 关于抗生素自身反馈调节的机制，近年来的研究表明，这与抗生素产生菌产生钝化酶有关。钝化酶中主要是磷酸基和乙酰基转移酶，其主要作用机制是使产生菌生产的抗生素磷酸化或乙酰化，使抗生素对原来的作用靶位的结合能力减弱。
2）前体物的反馈调节 抗生素合成途径上，多以初级代谢的终产物作为前体合成抗生素，由于这些终产物受到初级代谢的反馈调节，必然会影响到抗生素的生物合成。前体物的减少将使抗生素合成中的“原料”不足，导致抗生素的产量下降。另一方面，由于前体物的增加将对抗生素产生菌产生毒性，影响抗生素产生菌的正常生长。
3）分支途径的初级代谢物的反馈调节 许多初级代谢途径和次级代谢途径具有共同的中间体，二者共同组成了分支途径。在某些情况下，初级代谢产物反馈调节共同途径中的酶，就影响抗生素的合成。
分解代谢调节 抗生素产生菌在利用碳源和氮源时，在碳、氮源分解的同时，其分解代谢产物对抗生素生产环节中的某些酶起调节作用，从而影响到抗生素的合成。分解代谢产物调节分为分解产物阻遏和分解产物抑制，这两种类型在抗生素合成调节中都存在。如葡萄糖效应
磷酸盐调节 在抗生素发酵中，磷酸盐的重要的控制因子，因为它不仅是菌体生长的主要限制性营养，还能烈阻遏许多抗生素的生物合成。在分批发酵中，抗生素的合成往往是在培养基中磷酸盐将近耗尽时才开始的，整个生产期胞外磷酸盐浓度很低。关于磷酸盐对抗生素合成的控制机制按效应剂来说，有直接作用（即磷酸盐自身影响抗生素的合成）和间接效应（即磷酸盐调节胞内ATP、腺苷酸、能荷和cAMP等其他效应剂），进而影响抗生素的合成。如通过ATP调节、调节抗生素前体的形成、抑制磷酸酯酶。
细胞形态分化以及比生长速率的调节 选用对数期之后的菌种进行抗生素的发酵；生长速率低时，次级代谢才合成；在细胞生长期不合成次级代谢产物，生长期时，合成抗生素的酶被抑制了。
膜透性调节 微生物对营养物质的吸收及某些代谢产物的分泌，都受到膜透性的控制。在初级代谢中起调节作用的膜透性，在抗生素的生产中也起作用。
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3. 试述磷酸盐在抗生素生物合成中的作用机制。
在抗生素发酵过程中，磷酸盐是重要的控制因子，因为它不仅是菌体生长的主要限制性营养，还能强烈阻遏许多抗生素的合成。关于磷酸盐多抗生素合成的控制机制，由于抗生素种类繁多，生物合成途径复杂，因而对不同的抗生素合成调节可能有不同的机制，按效应剂来说，有直接作用（即磷酸盐自身影响抗生素合成）和间接效应（即磷酸盐调节胞内ATP、腺苷酸、能荷和cAMP等其他效应剂），进而影响抗生素的合成。
1、ATP的调节
实验结果表明，ATP可能是控制抗生素生物合成的胞内效应剂。外源的磷酸盐被细胞吸收后，引起细胞内效应物ATP的含量提高，改变了糖的代谢途径，使糖的代谢从HMP途径转变为EMP途径，是菌体趋于生长而不合成次级代谢产物。
2、磷酸盐调节抗生素前体的形成
磷酸盐能影响抗生素前体的形成，从而调节抗生素的合成。已知无机磷酸盐及ATP能抑制金霉素链霉菌的PEP羧化酶的活性，也就是抑制合成多烯大环内酯所需的草酰乙酸的形成，因而影响丙二酰CoA的生物合成。
3、磷酸盐抑制磷酸酯酶
一些抗生素的生物合成途径中，往往需要合成某些磷酸化中间体，然后经磷酸酯酶作用去磷酸化。已知链霉素的生物合成过程中，至少有4步磷酸化反应，这些反应受无机磷酸盐的反馈调节，阻遏磷酸酯酶的形成或抑制其活性。
4. 以青霉素的生物合成为例来说明次级代谢的调控机制。
5. 根据你所学的关于微生物生理学知识，你认为微生物分子生物技术可以在哪些方面给人类健康及环境保护带来新的发展和应用。
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