2003—2004 年度生物工程专业 《代谢控制发酵》考试试卷及答案（2004 年 6 月） 班级——————姓名————————得分—————— 一、 名词解释（20 分）： 1. Catabolit repression (2 分) 分解代谢物阻遏 ：在培养基中有多种营养物质时，微生物先选择利用易分解利用的营 养物质，而这种营养物质的分解，对分解利用其它营养物物质所需酶的合成起阻遏作用。 其实质是细胞内 cAMP 少了。 2．Pasteur effect (2 分) 巴斯德效应：微生物细胞的有氧呼吸抑制了发酵作用。酵母发酵酒精时，由于供氧使 TCA 循环加快，ATP 增加，细胞内能荷增大，反馈抑制和阻遏 EMP 途径中关键酶 FPK 酶，使酒 精产量下降。 3.Energy charge (2 分) 能荷：是细胞内能量状态的一个认为假设参数，指细胞内含有的核苷酸中相当于 ATP 的数 量百分比。 能荷＝{[ATP]＋1/2[ADP]}/{ [ATP] ＋[ADP]＋[AMP]×100% 4.Concerted feedback inhibition 协同反馈抑制： 在代谢途径中，会产生两个以上的代谢产物，任何一种代谢产物的积累都 不会对代谢途径的第一步反应得酶起抑制作用，只有当代谢产物同时过量积累时，才会对代 谢途径的第一步反应得酶起抑制作用。 5.Cooperte (synergistic)feedback inhibition 增效性反馈抑制：在代谢途径中，每种代谢产物只能单独地、部分地抑制第一步反应的酶。 当它们均过量积累时，对反应第一步酶起强烈的抑制作用。此时，抑制作用大于两种代谢产 物单独抑制作用之和。 6.Metabolic interlock 代谢互锁：在代谢途径中，前端反应的酶受到与其看似无关的代谢产物的抑制（阻遏）作用。 7.Analogue-resistent mutant 抗代谢结构类似物突变株：对于代谢产物的结构类似物的抗性突变株。代谢产物对代谢途径 有抑制（阻遏作用），使其酶不能合成，而代谢结构类似物存在时，与代谢产物结构类似， 起相同作用，使反应的酶无法合成，但结构类似物并不减少（因为它不参与蛋白质代谢）。 其抗性菌株就是在代谢结构类似物存在的情况下，仍能合成代谢产物，使产物大量积累。 8.Antigen carrier lipid (ACL)
2003—2004 年度生物工程专业 《代谢控制发酵》考试试卷及答案（2004 年 6 月） 班级——————姓名————————得分—————— 一、 名词解释（20 分）： 1. Catabolit repression (2 分) 分解代谢物阻遏 ：在培养基中有多种营养物质时，微生物先选择利用易分解利用的营 养物质，而这种营养物质的分解，对分解利用其它营养物物质所需酶的合成起阻遏作用。 其实质是细胞内 cAMP 少了。 2．Pasteur effect (2 分) 巴斯德效应：微生物细胞的有氧呼吸抑制了发酵作用。酵母发酵酒精时，由于供氧使 TCA 循环加快，ATP 增加，细胞内能荷增大，反馈抑制和阻遏 EMP 途径中关键酶 FPK 酶，使酒 精产量下降。 3.Energy charge (2 分) 能荷：是细胞内能量状态的一个认为假设参数，指细胞内含有的核苷酸中相当于 ATP 的数 量百分比。 能荷＝{[ATP]＋1/2[ADP]}/{ [ATP] ＋[ADP]＋[AMP]×100% 4.Concerted feedback inhibition 协同反馈抑制： 在代谢途径中，会产生两个以上的代谢产物，任何一种代谢产物的积累都 不会对代谢途径的第一步反应得酶起抑制作用，只有当代谢产物同时过量积累时，才会对代 谢途径的第一步反应得酶起抑制作用。 5.Cooperte (synergistic)feedback inhibition 增效性反馈抑制：在代谢途径中，每种代谢产物只能单独地、部分地抑制第一步反应的酶。 当它们均过量积累时，对反应第一步酶起强烈的抑制作用。此时，抑制作用大于两种代谢产 物单独抑制作用之和。 6.Metabolic interlock 代谢互锁：在代谢途径中，前端反应的酶受到与其看似无关的代谢产物的抑制（阻遏）作用。 7.Analogue-resistent mutant 抗代谢结构类似物突变株：对于代谢产物的结构类似物的抗性突变株。代谢产物对代谢途径 有抑制（阻遏作用），使其酶不能合成，而代谢结构类似物存在时，与代谢产物结构类似， 起相同作用，使反应的酶无法合成，但结构类似物并不减少（因为它不参与蛋白质代谢）。 其抗性菌株就是在代谢结构类似物存在的情况下，仍能合成代谢产物，使产物大量积累。 8.Antigen carrier lipid (ACL)
抗原载体脂(antigen carrier lipid) 简称 ACL。它是细菌萜醇，其结构式为：含有 11 个异 戊二烯单位的醇。ACL 存在于细胞膜上，它的长长的非极性烃链插在脂肪质双分子层的非 极性区，而分子的极性末端（磷酸根一端）则是游离状态，作为细胞质水相中的多糖装配单 位的受体，并且象手臂一样把它共价结合着，已在细菌胞膜内侧形成的多糖单位转运到膜的 外面，组成肽聚糖脂多糖等细胞表层的聚糖复合物。 9.Preferenced synthsis 2、优先合成与平衡合成 A B C D E F G 优先合成：代谢途径中，产生 E,G 两种代谢产物。酶 a 的活性大于酶 b。所以优先合成 E。E 积累后，酶 a 活性受抑制，C 流向 G，G 积累后又抑制了酶 c。 二、 填空（10 分）每空白点 2.5 分。 在下列营养条件下填写 E.coli 的乳酸操纵子的表达方式： 1、 当无葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、又无乳糖时， 不表达 。 2、 当无葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、有乳糖时， 大量表达 。 3、 当有葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、又无乳糖时， 不表达 。 4、 当有葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、有乳糖时， 少量表达 。 三、 画图并简述（30 分） 1、原核生物细胞和真核生物细胞代谢调节的部位。（6 分） 图 2—1 原核微生物细胞的代谢调节部位（模式图） 1-可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 2-代谢途径的酶催化作用 3-酶和载体蛋白的合成 图 2—2 真核微生物细胞的代谢调节部位 1-可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 2-代谢途径的酶的催化 3-核中进行的转录 a b c
抗原载体脂(antigen carrier lipid) 简称 ACL。它是细菌萜醇，其结构式为：含有 11 个异 戊二烯单位的醇。ACL 存在于细胞膜上，它的长长的非极性烃链插在脂肪质双分子层的非 极性区，而分子的极性末端（磷酸根一端）则是游离状态，作为细胞质水相中的多糖装配单 位的受体，并且象手臂一样把它共价结合着，已在细菌胞膜内侧形成的多糖单位转运到膜的 外面，组成肽聚糖脂多糖等细胞表层的聚糖复合物。 9.Preferenced synthsis 2、优先合成与平衡合成 A B C D E F G 优先合成：代谢途径中，产生 E,G 两种代谢产物。酶 a 的活性大于酶 b。所以优先合成 E。E 积累后，酶 a 活性受抑制，C 流向 G，G 积累后又抑制了酶 c。 二、 填空（10 分）每空白点 2.5 分。 在下列营养条件下填写 E.coli 的乳酸操纵子的表达方式： 1、 当无葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、又无乳糖时， 不表达 。 2、 当无葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、有乳糖时， 大量表达 。 3、 当有葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、又无乳糖时， 不表达 。 4、 当有葡萄糖、细胞 cAMP 水平高、有乳糖时， 少量表达 。 三、 画图并简述（30 分） 1、原核生物细胞和真核生物细胞代谢调节的部位。（6 分） 图 2—1 原核微生物细胞的代谢调节部位（模式图） 1-可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 2-代谢途径的酶催化作用 3-酶和载体蛋白的合成 图 2—2 真核微生物细胞的代谢调节部位 1-可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 2-代谢途径的酶的催化 3-核中进行的转录 a b c
4-细胞质中进行的翻译 5-细胞内溶质的跨膜传送 2、阿拉伯糖对 E.coli 利用阿拉伯糖的酶系合成的诱导机制（10 分） 图 2-12 阿拉伯糖对 ara 操纵子 araC 位点的调控作用 当大肠杆菌细胞以阿拉伯糖作为生长所需碳源和能源时，它们产生三种将阿拉伯糖转化 为木酮糖的酶。 L-Ara L-Ru L-Ru-5-○P D-Xu-5-○P 1——L-阿拉伯糖异构酶 2——核酮糖酸酶 3——5-○P 核酮糖差向异构酶 它们分别是三个基因（B.A.D）编码的产物。这三个基因在 E.coli 中是属于阿拉伯糖操 纵子中的一个基因簇，称为 araB.A.D，另外两个基因 araE 和 araF 位于基因簇 araB.A.D 远离 的地方，负责阿拉伯糖的跨膜运输的，araE 编码一种膜蛋白，araF 编码一种位于细胞壁与 细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。 与 araB.A.D 相邻的是一个复合的启动子区和一个调节基因 araC，这个调节基因的性质 和我们前边介绍 Lac.operon 中的调节基因性质全然不同。 araC 的蛋白同时显示正、负调节因子的功能。 3、普通酶和变构酶反应动力学性质的不同。（6 分） 1 2 3
4-细胞质中进行的翻译 5-细胞内溶质的跨膜传送 2、阿拉伯糖对 E.coli 利用阿拉伯糖的酶系合成的诱导机制（10 分） 图 2-12 阿拉伯糖对 ara 操纵子 araC 位点的调控作用 当大肠杆菌细胞以阿拉伯糖作为生长所需碳源和能源时，它们产生三种将阿拉伯糖转化 为木酮糖的酶。 L-Ara L-Ru L-Ru-5-○P D-Xu-5-○P 1——L-阿拉伯糖异构酶 2——核酮糖酸酶 3——5-○P 核酮糖差向异构酶 它们分别是三个基因（B.A.D）编码的产物。这三个基因在 E.coli 中是属于阿拉伯糖操 纵子中的一个基因簇，称为 araB.A.D，另外两个基因 araE 和 araF 位于基因簇 araB.A.D 远离 的地方，负责阿拉伯糖的跨膜运输的，araE 编码一种膜蛋白，araF 编码一种位于细胞壁与 细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。 与 araB.A.D 相邻的是一个复合的启动子区和一个调节基因 araC，这个调节基因的性质 和我们前边介绍 Lac.operon 中的调节基因性质全然不同。 araC 的蛋白同时显示正、负调节因子的功能。 3、普通酶和变构酶反应动力学性质的不同。（6 分） 1 2 3
图 2-32 变构酶的典型动力学曲线 ATCase 的反应动力学曲线如下： ○1 Asp 和 CTP 对 ATCase 酶的激活和抑制作用从 S 形曲线上可知，都有一个阈值，即 Asp 浓度超过某个阈值时才显示抑制作用。 ○2 随 Asp 浓度的增加，ATC 酶与底物的亲和力协同性增大。 ○3 半饱和（饱和速度的一半）所需底物浓度因 CTP 的存在而增加。 ○4 CTP 能抑制 ATC 酶活性，但不能全部抑制，增加 Asp 浓度可以恢复酶的全部活力， 这说明 CTP 与底物是分别与酶结合，而不是竞争同一个活性中心。 ○5 底物浓度饱和而达到最大反应速度 Vmax 时，不受抑制剂的影响，即当显著提高底物 浓度时，看不到抑制作用。 5、 简述细菌二元调节系统（信号传导）如何调控基因表达？（8 分） ○1 位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）该蛋白质具有激酶活性，又称传感 激酶
图 2-32 变构酶的典型动力学曲线 ATCase 的反应动力学曲线如下： ○1 Asp 和 CTP 对 ATCase 酶的激活和抑制作用从 S 形曲线上可知，都有一个阈值，即 Asp 浓度超过某个阈值时才显示抑制作用。 ○2 随 Asp 浓度的增加，ATC 酶与底物的亲和力协同性增大。 ○3 半饱和（饱和速度的一半）所需底物浓度因 CTP 的存在而增加。 ○4 CTP 能抑制 ATC 酶活性，但不能全部抑制，增加 Asp 浓度可以恢复酶的全部活力， 这说明 CTP 与底物是分别与酶结合，而不是竞争同一个活性中心。 ○5 底物浓度饱和而达到最大反应速度 Vmax 时，不受抑制剂的影响，即当显著提高底物 浓度时，看不到抑制作用。 5、 简述细菌二元调节系统（信号传导）如何调控基因表达？（8 分） ○1 位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）该蛋白质具有激酶活性，又称传感 激酶
○2 应答调节蛋白（response regulator protein）位于细胞质中。传感激酶在与膜外环 境的信号反应过程中本身磷酸化，磷酰基因被转移到应答调节蛋白上。磷酸化的应答调 节蛋白即成为阻遏蛋白，该阻遏蛋白再通过操纵子的阻遏作用进行调节控制结构基因的 转录。 四、 请论述和回答（40 分） 1、 如果你分离到一株啤酒酵母，其生长速率是已知生产菌株的二倍，因此你将其用于生产 酒精的试验，但结果表明，该酵母菌株发酵葡萄糖的产物是酒精和其他产物的混合物， 并且酒精的产量只有现有生产菌株的 50%。请你根据本课程所学过的知识、并结合微生 物学、微生物遗传学等有关知识，简要写出你将打算如何改进你新分离酵母菌株，使其 优于现有的生产菌株的方案？（10 分） 答：呼吸抑制发酵 在低糖 0.2%酵母比生长速率 0.1/h 时，还是进行呼吸和生长的，而使其生长速率大大 提高，因此可以筛选呼吸缺陷型突变株。 分离获得的啤酒酵母 活化 接一环，30℃培养 24h，5mL 酵母完全培养 基 YEPD 30℃，16h，5mL 酵母完全培养基 YEPD，对数生长期 1mL 适当稀释 100 个菌落/平板 0.1mLYEPD 溴化乙吖啶黄 20～30μg/mL 处理，致死率达 99%，突 变频率为 10-3 左右 YEPD 平板上挑选小酵母菌落 含有三苯基四氮唑盐（TTC） 和 YEPD 平板上 挑选白色小菌落（正常的和呼吸强的酵母菌，因有细胞色素酶可还 原 TTC 使菌落变红，而呼吸缺陷型突变株，不能还原 TTC 使菌落不变色为白色） 含甘油培养基平板上（不长），YEPD 平板（长出菌落） 再进行酒精发酵 挑 选高产菌株 2、 论述代谢控制发酵的基本思想（路）。（10 分） 答：(1)黑曲霉生物合成柠檬酸机制
○2 应答调节蛋白（response regulator protein）位于细胞质中。传感激酶在与膜外环 境的信号反应过程中本身磷酸化，磷酰基因被转移到应答调节蛋白上。磷酸化的应答调 节蛋白即成为阻遏蛋白，该阻遏蛋白再通过操纵子的阻遏作用进行调节控制结构基因的 转录。 四、 请论述和回答（40 分） 1、 如果你分离到一株啤酒酵母，其生长速率是已知生产菌株的二倍，因此你将其用于生产 酒精的试验，但结果表明，该酵母菌株发酵葡萄糖的产物是酒精和其他产物的混合物， 并且酒精的产量只有现有生产菌株的 50%。请你根据本课程所学过的知识、并结合微生 物学、微生物遗传学等有关知识，简要写出你将打算如何改进你新分离酵母菌株，使其 优于现有的生产菌株的方案？（10 分） 答：呼吸抑制发酵 在低糖 0.2%酵母比生长速率 0.1/h 时，还是进行呼吸和生长的，而使其生长速率大大 提高，因此可以筛选呼吸缺陷型突变株。 分离获得的啤酒酵母 活化 接一环，30℃培养 24h，5mL 酵母完全培养 基 YEPD 30℃，16h，5mL 酵母完全培养基 YEPD，对数生长期 1mL 适当稀释 100 个菌落/平板 0.1mLYEPD 溴化乙吖啶黄 20～30μg/mL 处理，致死率达 99%，突 变频率为 10-3 左右 YEPD 平板上挑选小酵母菌落 含有三苯基四氮唑盐（TTC） 和 YEPD 平板上 挑选白色小菌落（正常的和呼吸强的酵母菌，因有细胞色素酶可还 原 TTC 使菌落变红，而呼吸缺陷型突变株，不能还原 TTC 使菌落不变色为白色） 含甘油培养基平板上（不长），YEPD 平板（长出菌落） 再进行酒精发酵 挑 选高产菌株 2、 论述代谢控制发酵的基本思想（路）。（10 分） 答：(1)黑曲霉生物合成柠檬酸机制