第三章 代謝調(diào)控理論及應(yīng)用

1、第三章第三章微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵與釀造中的應(yīng)用發(fā)酵與釀造中的應(yīng)用l微生物自身怎樣代謝與調(diào)節(jié)？微生物自身怎樣代謝與調(diào)節(jié)？-代謝調(diào)節(jié)的部位代謝調(diào)節(jié)的部位-與代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的酶與代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的酶-微生物代謝的協(xié)調(diào)微生物代謝的協(xié)調(diào) 誘導(dǎo)作用、分解代謝物的調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)誘導(dǎo)作用、分解代謝物的調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)l代謝控制代謝控制在發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用（本章重點(diǎn)）在發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用（本章重點(diǎn)）-菌種遺傳特性的改變菌種遺傳特性的改變-發(fā)酵工藝條件的控制發(fā)酵工藝條件的控制-控制細(xì)胞膜的滲透性控制細(xì)胞膜的滲透性第一節(jié)第一節(jié) 微生物代謝與調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)微生物代謝與調(diào)

2、節(jié)的生化基礎(chǔ)回顧生物化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)一、初級(jí)代謝和次級(jí)代謝一、初級(jí)代謝和次級(jí)代謝l合成代謝（同化作用）：合成代謝（同化作用）： l分解代謝（異化代謝）：分解代謝（異化代謝）： l初級(jí)代謝：初級(jí)代謝： l次級(jí)代謝：次級(jí)代謝：-共同構(gòu)成新陳代謝活動(dòng)。共同構(gòu)成新陳代謝活動(dòng)。-發(fā)酵釀造的產(chǎn)品，單一的、混合的，舉例！發(fā)酵釀造的產(chǎn)品，單一的、混合的，舉例！二、代謝調(diào)節(jié)的部位二、代謝調(diào)節(jié)的部位l生物體的新陳代謝在哪里進(jìn)行？l為什么能夠進(jìn)行？ l怎樣進(jìn)行？ l細(xì)胞像工廠 -細(xì)胞細(xì)胞 -酶酶 -自我調(diào)節(jié)自我調(diào)節(jié) -精確、合理、經(jīng)濟(jì)、高效精確、合理、經(jīng)濟(jì)、高效自我調(diào)節(jié)的部位自我調(diào)節(jié)的部位P51,圖圖3-1l微生物代

3、謝過程的自我調(diào)節(jié)表現(xiàn)在控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，酶與底物的接觸和代謝物的流量細(xì)胞，酶與底物的接觸和代謝物的流量等三個(gè)環(huán)節(jié)上。1、通道：細(xì)胞膜上2、通量：代謝物的通量，控制酶量和酶活。3、限制其基質(zhì)有形接近：在真核生物中明顯，基質(zhì)包括中間產(chǎn)物。l微生物代謝過程的自我調(diào)節(jié)實(shí)際上就是酶調(diào)節(jié)實(shí)際上就是酶調(diào)節(jié)。在酶調(diào)節(jié)中有酶活性調(diào)節(jié)與酶合成（酶量）調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)與酶合成（酶量）調(diào)節(jié)兩種方式。l調(diào)節(jié)什么酶？-l反饋調(diào)節(jié)：反饋抑制（調(diào)節(jié)酶活性）和反饋?zhàn)瓒簦ㄕ{(diào)節(jié)酶合成） 關(guān)鍵酶（或稱限速酶）：關(guān)鍵酶（或稱限速酶）：三、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶三、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶(一)同工酶 同功酶又稱同工酶，是指能催

4、化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋同功酶又稱同工酶，是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們催化同一個(gè)反應(yīng)，但是白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們催化同一個(gè)反應(yīng)，但是它們的生理性質(zhì)、理化性質(zhì)及反應(yīng)機(jī)理卻是不相同的。它們的生理性質(zhì)、理化性質(zhì)及反應(yīng)機(jī)理卻是不相同的。 (二)別構(gòu)酶 又稱變構(gòu)酶，具有變構(gòu)作用又稱變構(gòu)酶，具有變構(gòu)作用(別構(gòu)作用別構(gòu)作用)的酶稱為別構(gòu)酶。的酶稱為別構(gòu)酶。 別構(gòu)酶在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：別構(gòu)效應(yīng)： 調(diào)節(jié)物調(diào)節(jié)物( (或效應(yīng)物或效應(yīng)物) )與酶分子中的別構(gòu)中心與酶分子中的別構(gòu)中心( (調(diào)節(jié)中心或控制中心調(diào)節(jié)中心或控制中心) )結(jié)合結(jié)合后，誘導(dǎo)出或穩(wěn)定住酶分子的某種構(gòu)象，使酶活

5、動(dòng)中心對(duì)底物的結(jié)合后，誘導(dǎo)出或穩(wěn)定住酶分子的某種構(gòu)象，使酶活動(dòng)中心對(duì)底物的結(jié)合與催化作用受到影響，從而調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度及代謝過程，此效應(yīng)稱與催化作用受到影響，從而調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度及代謝過程，此效應(yīng)稱為酶的為酶的“別構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)效應(yīng)”。 (三)多功能酶 多多功能酶一般是指在結(jié)構(gòu)上只有一條多肽鏈，但具有兩種功能酶一般是指在結(jié)構(gòu)上只有一條多肽鏈，但具有兩種或兩種以上的催化活力或結(jié)合功能的蛋白質(zhì)?；騼煞N以上的催化活力或結(jié)合功能的蛋白質(zhì)。 第二節(jié)第二節(jié) 微生物代謝的協(xié)調(diào)作用微生物代謝的協(xié)調(diào)作用l合成代謝：合成代謝：l分解代謝：分解代謝： -共同構(gòu)成新陳代謝活動(dòng) -精確、合理、經(jīng)濟(jì)、高效-高度協(xié)調(diào)高度協(xié)調(diào)l

6、微生物基因型是穩(wěn)定的微生物基因型是穩(wěn)定的 -環(huán)境不影響細(xì)胞的遺傳結(jié)構(gòu)-但顯著影響基因表達(dá)-影響DNA指導(dǎo)酶的合成-適應(yīng)環(huán)境-驚人靈活驚人靈活u 代謝的協(xié)調(diào)機(jī)制？代謝的協(xié)調(diào)機(jī)制？一、誘導(dǎo)作用一、誘導(dǎo)作用l酶誘導(dǎo)作用“生物與一種化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)物相接觸的結(jié)果大大地增加了酶合成的速率”。 誘導(dǎo)作用保證能量和氨基酸不浪費(fèi)，不把它們用于制造那些無用的酶，但如有需要，可迅速生成這些酶。 l安慰誘導(dǎo)物： Jacob-Monod模型：P55，圖3-6l為什么誘導(dǎo)作用也稱為去阻遏作用？l了解Lac操縱子、ara操縱子。 乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制（一）底物誘導(dǎo)底物是酶合成的最好誘導(dǎo)物。 最典型的例子：

7、大腸桿菌利用乳糖誘導(dǎo)合成最典型的例子：大腸桿菌利用乳糖誘導(dǎo)合成-半乳糖苷酶的過程。半乳糖苷酶的過程。（二）產(chǎn)物誘導(dǎo) 某些分解代謝酶受代謝途徑中在其前或其后的酶反應(yīng)物的誘導(dǎo)。 舉例：色氨酸的分解。 色氨酸經(jīng)甲酰犬尿氨酸色氨酸經(jīng)甲酰犬尿氨酸( (色氨酸加氧酶催化色氨酸加氧酶催化) )，犬尿氨酸，犬尿氨酸( (甲甲酰酶催化酰酶催化) )和鄰氨基苯甲酸和鄰氨基苯甲酸( (尿氨酸酶催化尿氨酸酶催化) )分解為兒茶酚。分解為兒茶酚。整個(gè)代謝途徑中酶的合成都受犬尿氨酸的誘導(dǎo)。整個(gè)代謝途徑中酶的合成都受犬尿氨酸的誘導(dǎo)。 二、分解代謝物的調(diào)節(jié)二、分解代謝物的調(diào)節(jié) l微生物先利用哪一個(gè)基質(zhì)？-現(xiàn)有的最佳基質(zhì)（通常

8、是葡萄糖）-協(xié)調(diào)機(jī)制之一 （一）分解代謝物效應(yīng)l葡萄糖效應(yīng)：l分解代謝物的阻遏作用： 所有可迅速代謝的能源都阻遏異化另一被緩慢利用的能源所需酶的形成，故稱這一現(xiàn)象為分解代謝物的阻遏作用。 分解代謝的阻遏結(jié)果，細(xì)胞總是先利用維持最迅速生長(zhǎng)的基質(zhì)。但是，代謝物的阻遏作用也調(diào)節(jié)碳源代謝的速率。即使在單一種碳源上生長(zhǎng)，產(chǎn)生ATP所需的酶的水平是由分解代謝阻遏作用調(diào)節(jié)的。 l（二）環(huán)狀單磷酸腺苷（ cAMP） cAMP的作用：細(xì)菌中都含有cAMP。它不是任何已知代謝途徑的中間體，它在細(xì)胞內(nèi)的唯一生理作用是一種調(diào)節(jié)作用。cAMP的濃度（生成量）：大體上講，緩慢利用的碳源比迅速利用的碳源細(xì)胞內(nèi)cAMP的濃度

9、更高。例如大腸桿菌利用葡萄糖代謝細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度降低1000倍。cAMP調(diào)節(jié)作用機(jī)制：cAMP與一特殊的蛋白（cAMP結(jié)合蛋白，有叫分解代謝物激活蛋白）結(jié)合（蛋白質(zhì)cAMP復(fù)合物），并連接在啟動(dòng)基因上（P），增加此基因?qū)NA聚合酶的親和力，從而提高轉(zhuǎn)錄的頻率，促進(jìn)了酶的大量合成。CAMP與ATP的關(guān)系：cAMP在細(xì)胞內(nèi)的濃度與供給ATP量的多少成反比。實(shí)際上是由酶的水平?jīng)Q定，是分解代謝調(diào)節(jié)的結(jié)果。 三、反饋調(diào)節(jié)三、反饋調(diào)節(jié) 降解性酶降解性酶主要是由誘導(dǎo)作用和分解物的調(diào)節(jié)作用控制調(diào)節(jié)。生物合成酶是由反饋調(diào)節(jié)控制的。l反饋調(diào)節(jié)2個(gè)類型（機(jī)制）： 反饋抑制和反饋?zhàn)瓒?都是調(diào)節(jié)途徑終點(diǎn)產(chǎn)物的生產(chǎn)速

10、率來配合大分子合成的速率。 l反饋抑制：調(diào)節(jié)酶活l反饋?zhàn)瓒簦赫{(diào)節(jié)酶量l反饋抑制: 是指一生物合成途徑的最終代謝物抑制那一途徑的前面第一或第二個(gè)酶的作用。 反饋?zhàn)瓒簦?是由途徑終點(diǎn)產(chǎn)物或其衍生物執(zhí)行的。也就是說，當(dāng)代謝的最終產(chǎn)物大量存在時(shí)并達(dá)到一定濃度時(shí)，它就會(huì)同細(xì)胞中早巳存在的阻遏物結(jié)合起來共同發(fā)揮作用，阻止了一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)步驟中酶的合成，從而抑制了產(chǎn)物的形成。 l微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)酶的量和酶的活力來實(shí)現(xiàn)的，在調(diào)節(jié)酶的量的方面可分為酶的誘導(dǎo)、分解阻遏和反饋?zhàn)瓒簟?在調(diào)節(jié)酶的活力方面主要是反饋抑制，酶反饋抑制與工業(yè)微生物發(fā)酵產(chǎn)物積累關(guān)系密切。 l反饋抑制的幾種模式：1、協(xié)同反饋抑制：

11、2、合作反饋抑制：3、積累反饋調(diào)節(jié)：4、順序反饋抑制：四、能荷調(diào)節(jié)四、能荷調(diào)節(jié)l調(diào)節(jié)劑分子：調(diào)節(jié)劑分子： 是代謝庫(kù)中往返于幾個(gè)代謝途徑之間的重要代謝物，它們或?qū)蓚€(gè)途徑偶聯(lián)，或激活途徑的酶或抑制途徑的酶，由此協(xié)調(diào)著各種代謝功能。 調(diào)節(jié)劑分子多數(shù)為小分子物質(zhì)。如NAD/NADPH，或 ATP、ADP、AMP或其他核苷酸。l能荷調(diào)節(jié)：能荷調(diào)節(jié)： 細(xì)胞內(nèi)ATP、ADP、AMP之間的比例實(shí)際上是在不斷的變動(dòng)的，細(xì)胞通過改變這三者的比例來調(diào)節(jié)其代謝活動(dòng)，稱為能荷調(diào)節(jié)或腺苷酸調(diào)節(jié)。l能荷既調(diào)節(jié)分解酶活性，也調(diào)節(jié)合成酶的活性。l舉例：巴斯德效應(yīng)（Pasteur effect） 。呼吸抑制發(fā)酵的現(xiàn)象。P62.

12、 l酵母菌通過酵母菌通過EMPEMP途徑進(jìn)行葡萄途徑進(jìn)行葡萄糖的乙醇發(fā)酵。糖的乙醇發(fā)酵。lEMPEMP途徑中己糖激酶途徑中己糖激酶(HK)(HK)、磷、磷酸果糖激酶酸果糖激酶(PFK)(PFK)和丙酮酸激和丙酮酸激酶酶(PK)(PK)是三個(gè)關(guān)鍵酶，調(diào)節(jié)是三個(gè)關(guān)鍵酶，調(diào)節(jié)這些酶的話件可以影響這些酶的話件可以影響EMPEMP途途徑進(jìn)行。徑進(jìn)行。lHKHK催化葡萄糖催化葡萄糖(G)(G)磷酸化生成磷酸化生成葡萄糖葡萄糖6 6磷酸磷酸(G(G6 6P)P)；G G6 6P P的生成可以降低細(xì)胞的生成可以降低細(xì)胞內(nèi)內(nèi)G G的濃度，間接促進(jìn)了的濃度，間接促進(jìn)了G G的的載體運(yùn)輸；但載體運(yùn)輸；但HKHK受受

13、G G6 6P P的的反饋抑制。反饋抑制。PFKPFK活性受許多代活性受許多代謝物影響，如謝物影響，如ATPATP、檸檬酸和、檸檬酸和異檸檬酸抑制其酶活性，而異檸檬酸抑制其酶活性，而ADPADP、AMPAMP、無機(jī)磷和果糖、無機(jī)磷和果糖1 1，6 6二磷酸促進(jìn)其活性。二磷酸促進(jìn)其活性。 解釋巴斯德效應(yīng)：解釋巴斯德效應(yīng)：(1)當(dāng)氧供應(yīng)充足時(shí)，生成大量ATP。當(dāng)滲出線粒體以后，就對(duì)PFK產(chǎn)生抑制作用。(2)無機(jī)磷和ADP對(duì)PFK和HK有激活作用，當(dāng)氧供應(yīng)充足時(shí)，由于ADP和無機(jī)磷進(jìn)入線粒體，從而降低了PFK和HK的酶活性。(3)由于PFK的酶活性下降，造成G6P的積累，又由于磷酸己糖異構(gòu)酶活性很強(qiáng)

14、，于是F6P逆轉(zhuǎn)為G6P。但是，G6P對(duì)HK有反饋抑制作用，間接造成葡萄糖輸入細(xì)胞的速率降低，這樣也就降低了葡萄糖的消耗速度。 因此，由于氧的存在使PFK活性降低，PFK活性下降影響了細(xì)胞對(duì)糖的分解利用和酵解產(chǎn)物乙醇的生成，這就是所謂呼吸抑制發(fā)酵的巴斯德效應(yīng)。這里，有ATP、ADP、AMP和Pi的能荷所起的重要調(diào)節(jié)作用，也有其他代謝物的參與。 第三節(jié)第三節(jié)代謝控制在工業(yè)發(fā)酵中的應(yīng)用代謝控制在工業(yè)發(fā)酵中的應(yīng)用 l代謝控制發(fā)酵：代謝控制發(fā)酵： 人為地在人為地在DNA分子水平上改變和控制微生物的代謝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。活動(dòng)，使目的產(chǎn)物大量生成、積累。 l實(shí)

15、現(xiàn)代謝控制發(fā)酵的方法：（實(shí)現(xiàn)代謝控制發(fā)酵的方法：（P62，三種），三種）、控制發(fā)酵條件。、控制發(fā)酵條件。、改變菌種的遺傳特性。通過物理、化學(xué)、生物（基因、改變菌種的遺傳特性。通過物理、化學(xué)、生物（基因工程）的方法選育遺傳特性發(fā)生改變的優(yōu)良菌株。工程）的方法選育遺傳特性發(fā)生改變的優(yōu)良菌株。典型的是，營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株、抗反饋調(diào)節(jié)菌株、基因工程典型的是，營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株、抗反饋調(diào)節(jié)菌株、基因工程菌等。菌等。、改變細(xì)胞膜的滲透性（實(shí)質(zhì)是在改變菌種的遺傳特性、改變細(xì)胞膜的滲透性（實(shí)質(zhì)是在改變菌種的遺傳特性基礎(chǔ)上控制發(fā)酵條件）?；A(chǔ)上控制發(fā)酵條件）。 一、發(fā)酵工藝條件的控制一、發(fā)酵工藝條件的控制l發(fā)酵工藝條件

16、：發(fā)酵工藝條件：-底物（各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、不同碳、氮源）底物（各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、不同碳、氮源）-pH-溫度溫度-溶解氧溶解氧-生長(zhǎng)素生長(zhǎng)素l對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的影響：表對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的影響：表3-2，3-3，P63 二、菌種遺傳特性的改變二、菌種遺傳特性的改變 l三個(gè)方面：1、抗反饋突變菌株的篩選2、營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的篩選，-雙重營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，既抗反饋，又營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的篩選3、基因工程菌（基因重組技術(shù)篩選新菌株）l分別舉例說明：表3-4，3-5，圖3-9黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑回本章目錄抑制抑制黃色短桿菌生產(chǎn)賴氨酸黃色短桿菌生產(chǎn)賴氨酸天冬氨酸天冬氨酸中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物高

17、絲氨酸高絲氨酸甲硫甲硫氨酸氨酸蘇氨酸蘇氨酸賴氨酸賴氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶高絲氨酸高絲氨酸脫氫酶脫氫酶+v利用誘變育利用誘變育種等方法，種等方法，選育不能合選育不能合成高絲氨酸成高絲氨酸脫氫酶的菌脫氫酶的菌種用于生產(chǎn)種用于生產(chǎn). .微生物代謝調(diào)控微生物代謝調(diào)控 改變遺傳特性改變遺傳特性人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產(chǎn)賴氨酸人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產(chǎn)賴氨酸回本章目錄蘇氨酸、甲硫氨酸雙重營(yíng)養(yǎng)缺陷型蘇氨酸、甲硫氨酸雙重營(yíng)養(yǎng)缺陷型 三、控制細(xì)胞膜的滲透性三、控制細(xì)胞膜的滲透性l采用生理學(xué)或遺傳學(xué)的方法，改變細(xì)胞膜的滲透性。采用生理學(xué)或遺傳學(xué)的方法，改變細(xì)胞膜的滲透性。1、生理學(xué)的方法、生理學(xué)的方法 谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)生物素的濃度控制在亞適量。谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)生物素的濃度控制在亞適量。 原因？原因？ 添加青霉素的方法，細(xì)胞壁合成缺損，細(xì)胞膜在壓力添加青霉素的方法，細(xì)胞壁合成缺損，細(xì)胞膜在壓力下，物質(zhì)容易滲漏。下，物質(zhì)容易滲漏。2、遺傳學(xué)的方法、遺傳學(xué)的方法 篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株。例如，谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸營(yíng)篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株。例如，谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株?？刂朴退幔?xì)胞膜合成不完整。養(yǎng)缺陷型菌株?？刂朴退?，細(xì)胞膜合成不完整。 l谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑 NH4回