產(chǎn)生初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝稱為初級(jí)代謝。微生物在生長(zhǎng)期產(chǎn)生的對(duì)自身生長(zhǎng)和繁殖必需的產(chǎn)物稱為初級(jí)代謝物（primary metabolites）。初級(jí)代謝是細(xì)胞維持生命活動(dòng)最基本的必需代謝，包括糖、脂、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的降解與產(chǎn)能的分解代謝，及以分解代謝為基礎(chǔ)的細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育所必需的合成與耗能代謝。

細(xì)胞代謝中生化反應(yīng)的進(jìn)行都是以酶的催化為基礎(chǔ)的。酶量的有無與多少、酶活性的高低是一個(gè)反應(yīng)能否進(jìn)行與反應(yīng)速率高低的決定因素。因此，對(duì)催化某個(gè)具體反應(yīng)的酶的合成與活性的調(diào)節(jié)，即可調(diào)控該步生化反應(yīng)。在這里，酶量的有無與多少的調(diào)節(jié)主要是指發(fā)生在基因表達(dá)水平上的以反饋?zhàn)瓒襞c阻遏解除為主的調(diào)節(jié)。酶活性的調(diào)節(jié)主要是指發(fā)生在酶分子結(jié)構(gòu)水平上的調(diào)節(jié)，包括酶的激活和抑制兩個(gè)方面。在代謝調(diào)節(jié)中，酶活性的激活是指在分解代謝途徑中，后步的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進(jìn)，稱為前體激活。酶活性的抑制主要是反饋抑制（feedback inhibition），主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性，促使整個(gè)反應(yīng)減慢或停止，從而避免末端產(chǎn)物的過多累積。反饋抑制具有作用直接、快速以及當(dāng)末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可自行解除等特點(diǎn)。反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的特點(diǎn)比較見表4-12。

表4-12 反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的特點(diǎn)比較

（一）氨基酸生物合成的反饋抑制調(diào)節(jié)

1.單一終端產(chǎn)物途徑的反饋抑制

E.coli在由蘇氨酸合成異亮氨酸時(shí)，終產(chǎn)物（E）異亮氨酸過多可抑制途徑中第一個(gè)酶———蘇氨酸脫氨酶的活性，導(dǎo)致異亮氨酸合成停止，這是一種較為簡(jiǎn)單的終端產(chǎn)物反饋抑制方式，見圖4-26（? ：表示抑制）。

圖4-26 單一終端產(chǎn)物途徑的反饋抑制

2.多個(gè)終端產(chǎn)物對(duì)共同途徑同一步反應(yīng)的協(xié)同反饋抑制

合成途徑的終端產(chǎn)物E和H既抑制在合成過程中共同經(jīng)歷途徑的第一步反應(yīng)的第一個(gè)酶，也抑制在分支后第一個(gè)產(chǎn)物的合成酶。如谷氨酸形成谷氨酰胺的第1步反應(yīng)中起催化作用的酶，即谷氨酰胺合成酶受到8種產(chǎn)物的反饋抑制。谷氨酰胺合成酶是催化氨轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)含氮物的主要酶。該酶活性受到機(jī)體對(duì)含氮物需求狀況的靈活控制。大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶結(jié)構(gòu)及其調(diào)控機(jī)制已得到闡明。該酶由相對(duì)分子質(zhì)量為51600的12個(gè)相同的亞基對(duì)稱排列成2個(gè)六面體環(huán)棱柱狀結(jié)構(gòu)。其活性受到復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)以及共價(jià)修飾調(diào)控。已知有8種含氮物以不同程度對(duì)該酶發(fā)生反饋別構(gòu)抑制效應(yīng)。每一種都有自己與酶的結(jié)合部位。這8種含氮物是葡萄糖胺-6-磷酸、色氨酸、丙氨酸、甘氨酸、組氨酸、胞苷三磷酸、AMP及氨甲酰磷酸。谷氨酰胺合成酶的調(diào)節(jié)機(jī)制，是氨基酸生物合成調(diào)控機(jī)制復(fù)雜性的典型例子，見圖4-27與圖4-30。

圖4-27 多個(gè)終端產(chǎn)物對(duì)共經(jīng)途徑同一步反應(yīng)的協(xié)同反饋抑制

3.不同分支產(chǎn)物對(duì)多個(gè)同工酶的特殊抑制

不同分支產(chǎn)物對(duì)多個(gè)同工酶的特殊抑制，也稱酶的多重性抑制（enzyme multiplicity feed-back inhibition）。如A形成B由兩個(gè)酶分別合成，兩個(gè)酶分別受不同分支產(chǎn)物的特殊控制。兩個(gè)分支產(chǎn)物又分別抑制其分道后第一個(gè)產(chǎn)物E和F的形成。由赤蘚糖-4-磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸形成3種芳香族氨基酸的途徑中可見這種多重性抑制（見圖4-28、4-31和4-32）。

圖4-28 不同分支產(chǎn)物對(duì)多個(gè)同工酶的特殊抑制

4.連續(xù)反饋控制

連續(xù)反饋控制（sequential feedback control）又稱連續(xù)產(chǎn)物抑制（sequential end product inhibition）或逐步反饋抑制（step feedback inhibition）。反應(yīng)途徑的終端產(chǎn)物E和H只分別抑制分道后分支途徑中第一個(gè)酶e和f的活性。共經(jīng)途徑的終端產(chǎn)物D抑制全合成過程第一個(gè)酶的作用。這種抑制的特點(diǎn)是由于E對(duì)e酶的抑制致使D產(chǎn)物增加，D的增加促使反應(yīng)向D→F→G→H方向進(jìn)行，而使產(chǎn)物H增加，而H又對(duì)酶f產(chǎn)生抑制，結(jié)果也造成D物質(zhì)的積累，D物質(zhì)反饋抑制a酶的作用，而使A→B的速度減慢（見圖4-29）。

圖4-29 連續(xù)反饋控制

枯草芽孢桿菌（Baciluus subtilis）的芳香族氨基酸生物合成的反饋抑制就屬于這種類型。

色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸分支途徑的第一步都分別受各自終產(chǎn)物的抑制。這3種終端產(chǎn)物都過量，則分支酸積累。分支點(diǎn)中間產(chǎn)物積累使共經(jīng)途徑催化第一步反應(yīng)的酶受到反饋抑制，從而抑制赤蘚糖-4-磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸的縮合反應(yīng)（見圖4-31）。

以天冬氨酸為底物合成賴氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸的過程出現(xiàn)有各種類型的抑制現(xiàn)象（圖4-32）。

但是，并非所有氨基酸的生物合成都受最終產(chǎn)物的反饋抑制，丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸這3種在中心代謝環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物就是例外。這3種氨基酸是靠與其相對(duì)應(yīng)的酮酸的可逆反應(yīng)來維持平衡的。另有甘氨酸的合成酶也不受最終產(chǎn)物抑制，它可能受到一碳單位和四氫葉酸的調(diào)節(jié)。

圖4-30 八種含氮化合物生物合成的反饋控制

上述氨基酸生物合成的反饋抑制調(diào)節(jié)方式的分類是相對(duì)的，事實(shí)上，如圖4-31、4-32所示，某些情況下存在多種方式的協(xié)同調(diào)節(jié)。

（二）酶生成量的改變對(duì)氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)

在某些氨基酸的生物合成中，如某一氨基酸合成的量超過需要量時(shí)，則該氨基酸合成的關(guān)鍵酶的編碼基因轉(zhuǎn)錄受阻遏，從而酶的合成也被抑制。而當(dāng)合成的氨基酸產(chǎn)物濃度下降時(shí)，則這一氨基酸合成有關(guān)酶的基因轉(zhuǎn)錄阻遏被解除，關(guān)鍵酶的合成又開始，隨后氨基酸的生物合成也隨之重新開始?？梢娺@種調(diào)控主要是通過對(duì)有關(guān)酶的編碼基因的活性調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。它是發(fā)生在基因表達(dá)水平上的調(diào)節(jié)，而不是通過酶分子的變構(gòu)來調(diào)節(jié)。

圖4-31 三種氨基酸生物合成分支途徑的反饋控制

圖4-32 五種氨基酸生物合成的反饋控制

氨基酸的生物合成途徑中，有些酶能夠受到細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)氨基酸合成量的間接調(diào)控，這種酶稱為阻遏酶（repressible enzyme）。例如，大腸桿菌由天冬氨酸衍生的幾種氨基酸的合成過程中（圖4-32）A、B、C的3種酶屬于阻遏酶，而不屬于變構(gòu)酶，它們的調(diào)控靠細(xì)胞對(duì)該酶的合成速度的改變來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)甲硫氨酸的量足夠時(shí)，控制同工酶A和B合成的相關(guān)基因的表達(dá)受到阻遏。同樣當(dāng)異亮氨酸的合成足夠時(shí)同工酶C的合成速度就受到阻遏。通過阻遏與去阻遏（derepression）調(diào)控氨基酸的生物合成，一般比酶的別構(gòu)調(diào)控緩慢。

在生物細(xì)胞內(nèi)，20種氨基酸在蛋白質(zhì)生物合成中的需要量都以準(zhǔn)確的比例提供，故生物機(jī)體不僅有個(gè)別氨基酸合成的調(diào)控機(jī)制，還有各種氨基酸在合成中合成量比例的相互協(xié)調(diào)（coordination）的調(diào)控機(jī)制。

（三）核苷酸生物合成的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制

1.嘌呤核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)

在微生物中，嘌呤核苷酸生物合成受兩個(gè)終產(chǎn)物的反饋控制，這兩個(gè)終產(chǎn)物分別為腺苷酸和鳥苷酸。主要有3個(gè)控制點(diǎn)：第一個(gè)控制點(diǎn)在合成途徑的第一步反應(yīng)，即氨基被轉(zhuǎn)移到5-磷酸核糖焦磷酸上，以形成5-磷酸核糖胺。此反應(yīng)是由一種變構(gòu)酶，即磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶所催化，它可被終產(chǎn)物IMP（inosine monophosphate，次黃苷酸，也稱肌苷酸）、AMP和GMP所抑制。因此，無論是IMP、AMP或是GMP的過量積累均會(huì)導(dǎo)致由PRPP（phosphori-bosyl pyrophosphate，磷酸核糖焦磷酸）開始的合成途徑中的第一步反應(yīng)受到抑制。另兩個(gè)控制點(diǎn)分別位于次黃苷酸后分支途徑中的第一步反應(yīng)，當(dāng)GMP過量時(shí)，GMP可使催化該步的酶，即次黃嘌呤核苷酸脫氫酶發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)，但僅抑制GMP的形成，而不影響AMP的形成。反之，AMP的積累抑制腺苷酸琥珀酸合成酶，從而抑制其自身的形成，而不影響GMP的生物合成。不同生物的調(diào)節(jié)方式略有不同。大腸桿菌中嘌呤核苷酸生物合成的反饋控制機(jī)制見圖4-33。

2.嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)

以大腸桿菌為例，嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制見圖4-34。從圖可見，嘧啶核苷酸的生物合成，受到終產(chǎn)物反饋控制的點(diǎn)有三個(gè)：合成途徑的第一個(gè)調(diào)節(jié)酶是氨甲酰磷酸合成酶，它受UMP的反饋抑制；另兩個(gè)調(diào)節(jié)酶是天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶和CTP合成酶，它們都受CTP的反饋抑制。前者被抑制將影響尿苷酸和胞苷酸的合成，后者被抑制只涉及胞苷酸的合成。

圖4-33 嘌呤核苷酸生物合成的反饋控制

圖4-34 嘧啶核苷酸生物合成的反饋控制

（四）初級(jí)代謝的調(diào)控解除及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用

以1956年谷氨酸發(fā)酵技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化為標(biāo)志，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入第3個(gè)轉(zhuǎn)折期———代謝控制發(fā)酵時(shí)期，其核心內(nèi)容為代謝控制技術(shù)，并在其后的年代里該技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，取得了引人注目的成就。

1.用營(yíng)養(yǎng)缺陷型解除調(diào)控的發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)用

如賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)即是運(yùn)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型解除調(diào)控的一個(gè)實(shí)例。賴氨酸是人體必需的八種外源性氨基酸之一，但在植物蛋白中含量較少，是谷類蛋白質(zhì)的第一限制氨基酸。因此，在食品、醫(yī)藥、畜牧業(yè)上有很大的需求量。在正常微生物細(xì)胞內(nèi)，以天冬氨酸為底物的分支途徑，其終產(chǎn)物主要有賴氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸與異亮氨酸。賴氨酸的生物合成途徑與調(diào)控見圖4-32。對(duì)賴氨酸生物合成的反饋控制點(diǎn)主要有兩步：一是從天冬氨酸合成天冬氨酰磷酸這一步，其由天冬氨酸激酶（aspartokinase，簡(jiǎn)稱AK）催化，AK受賴氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸和甲硫氨酸的反饋抑制與阻遏作用。二是中間產(chǎn)物天冬氨酸半醛合成賴氨酸的反應(yīng)。從這一代謝途徑可見，以天冬氨酸為底物同時(shí)要合成賴氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸和甲硫氨酸等產(chǎn)物。由于這四種產(chǎn)物存在對(duì)關(guān)鍵酶AK的連續(xù)反饋抑制與阻遏作用，因此賴氨酸在正常細(xì)胞內(nèi)的濃度是非常低的。

以谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）為出發(fā)菌株，通過遺傳育種手段，使該菌株催化天冬氨酸半醛合成高絲氨酸的酶高絲氨酸脫氫酶的合成受阻，從而中斷了此步合成反應(yīng)，篩選獲得了高絲氨酸缺陷型菌株，解除了大部分正常的反饋抑制，獲得賴氨酸的高產(chǎn)菌株（見圖4-32）。但由于該菌株不能合成高絲氨酸脫氫酶，故不能合成高絲氨酸，也就不能產(chǎn)生蘇氨酸和甲硫氨酸，細(xì)胞的正常生長(zhǎng)繁殖不能進(jìn)行，因此需要在培養(yǎng)基中補(bǔ)給適量（不構(gòu)成反饋抑制的濃度）的高絲氨酸或蘇氨酸和甲硫氨酸，以保證有足夠的新增細(xì)胞量，從而生產(chǎn)大量的賴氨酸。

2.反饋調(diào)節(jié)抗性突變株的發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)用

蘇氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)是通過獲得抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)?？狗答佌{(diào)節(jié)突變株是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。因其反饋抑制或阻遏已解除，或兩者同時(shí)解除，所以能累積大量末端代謝物。黃色短桿菌（Brevibacterium flavum）的抗α-氨基-β-羥基戊酸（AHV）突變株能累積蘇氨酸。由于該抗性突變株的高絲氨酸脫氫酶已不再受蘇氨酸的反饋抑制，從而可使發(fā)酵液中蘇氨酸濃度達(dá)到13g／L。通過對(duì)此突變株的進(jìn)一步誘變而獲得的甲硫氨酸缺陷菌株，由于它已解除了甲硫氨酸對(duì)合成途徑中的兩個(gè)反饋?zhàn)瓒酎c(diǎn)（見圖4-32，其中A、B是甲硫氨酸過量時(shí)受到阻遏的同工酶），因此其蘇氨酸濃度可達(dá)18g／L。

3.細(xì)胞膜通透性的調(diào)節(jié)及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用

細(xì)胞膜對(duì)于細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運(yùn)輸具有高度選擇性。如細(xì)胞內(nèi)累積的某一代謝產(chǎn)物濃度超過一定限度時(shí)，細(xì)胞會(huì)自然地通過反饋抑制或阻遏限制其進(jìn)一步合成。在實(shí)際研究和生產(chǎn)過程中，可采取生理或遺傳學(xué)手段，改變細(xì)胞膜的通透性，使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物快速滲漏到胞外，從而降低細(xì)胞內(nèi)代謝物濃度，解除代謝物的反饋抑制和阻遏，便可提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

一般可通過限制與細(xì)胞膜成分合成有關(guān)的營(yíng)養(yǎng)因子濃度或篩選細(xì)胞膜組分合成缺陷型突變株等，使細(xì)胞膜的通透性改變。如在谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中，控制培養(yǎng)基中生物素在亞適量濃度，可促使細(xì)胞分泌出大量的谷氨酸。研究發(fā)現(xiàn)，用C.glutamicum進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵，控制培養(yǎng)基中生物素濃度為0、2.5和10.0μg／mL時(shí)，發(fā)酵液中谷氨酸量分別為1.0、30.8和6.7 mg／mL。因?yàn)樯锼厥且阴?CoA羧化酶的輔基，乙酰-CoA羧化酶是細(xì)胞脂肪酸生物合成的關(guān)鍵酶，它可催化乙酰-CoA的羧化并生成丙二酸單酰-CoA，進(jìn)而合成細(xì)胞膜磷脂的主要成分脂肪酸。人為控制細(xì)胞環(huán)境中的生物素濃度可改變細(xì)胞膜組分，從而使細(xì)胞膜通透性改變，增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)谷氨酸的分泌，克服細(xì)胞因胞內(nèi)谷氨酸濃度較高而造成的反饋調(diào)節(jié)與合成抑制。而當(dāng)培養(yǎng)液內(nèi)生物素含量過高時(shí)，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)比較致密，對(duì)谷氨酸的分泌有一定阻礙，易引起胞內(nèi)谷氨酸合成的反饋抑制。又可在培養(yǎng)基中加入適量青霉素，抑制細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶活性，引起肽聚糖結(jié)構(gòu)中肽橋交聯(lián)受阻，使細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)適度缺損，有利于代謝產(chǎn)物外滲，也能降低谷氨酸的反饋抑制。采取上述生理生化手段，可達(dá)到有效提高谷氨酸產(chǎn)率的目的。另外，如誘變選育獲得的青霉素高產(chǎn)菌株中，有些突變株就是由于改變了細(xì)胞膜的通透性，使硫酸鹽更易透過細(xì)胞膜，提高了胞內(nèi)硫酸鹽濃度，進(jìn)而促進(jìn)了青霉素前體物半胱氨酸的合成，增加了合成青霉素的前體物，最終使青霉素的產(chǎn)量有所提高。