第四微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制

1、第四章第四章 微生物的代謝微生物的代謝與調(diào)節(jié)及其人工控制與調(diào)節(jié)及其人工控制微生物的代謝微生物的代謝 新陳代謝 metabolism The complex of physical and chemical processes occurring within a living cell or organism that are necessary for the maintenance of life. In metabolism some substances are broken down to yield energy for vital processes while other su

2、bstances, necessary for life, are synthesized. 合成代謝合成代謝anabolism 在合成酶系的催化在合成酶系的催化下，由簡(jiǎn)單的小分子、下，由簡(jiǎn)單的小分子、能量（能量（ATP）和還原力）和還原力（H）一起合成復(fù)雜的）一起合成復(fù)雜的生物的大分子的過程。生物的大分子的過程。 分解代謝分解代謝catabolism 指復(fù)雜的有機(jī)分子指復(fù)雜的有機(jī)分子通過分解代謝酶系的催通過分解代謝酶系的催化產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、能量化產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、能量(ATP)、和還原力（、和還原力（H）的過程。的過程。復(fù)雜分子(有機(jī)物)分解代謝酶系合成代謝酶系簡(jiǎn)單分子 + ATP + H分解代謝

3、的三個(gè)階段 將大分子的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪將大分子的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖、脂肪酸等小分子物質(zhì)。酸等小分子物質(zhì)。 進(jìn)一步降解成為簡(jiǎn)單的乙酰輔酶進(jìn)一步降解成為簡(jiǎn)單的乙酰輔酶A、丙酮酸、及、丙酮酸、及能進(jìn)入能進(jìn)入TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物。循環(huán)的中間產(chǎn)物。 將第二階段的產(chǎn)物完全降解生成將第二階段的產(chǎn)物完全降解生成CO2 ， 并將前并將前面形成的還原力（面形成的還原力（NADH2）通過呼吸吸鏈氧化、）通過呼吸吸鏈氧化、 同時(shí)形成大量的同時(shí)形成大量的ATP。微生物代謝的特點(diǎn)：多樣性、適應(yīng)性、可控性初級(jí)代謝和初級(jí)代謝產(chǎn)物 初級(jí)代謝primary metabolism 微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物

4、質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動(dòng)的物質(zhì)和能量的過程。 初級(jí)代謝產(chǎn)物primary metabolites 包括所有與細(xì)胞合成有關(guān)的物質(zhì) 如：氨基酸、核苷酸、乙醇、有機(jī)酸、酶次級(jí)代謝和次級(jí)代謝產(chǎn)物 次級(jí)代謝 secondary metabolism 微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對(duì)微生物的生命活動(dòng)無明顯確切功能的物質(zhì)的過程。 次級(jí)代謝產(chǎn)物secondary metabolites 抗生素、激素、生物堿、色素、維生素等第一節(jié) 微生物的代謝一、微生物的能量代謝 新陳代謝中的核心問題： 能量代謝 能量代謝的中心任務(wù)：是生物體如何把環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成為對(duì)一

5、切生命活動(dòng)都能使用的通用能源。 生物體能量代謝的實(shí)質(zhì)：ATP和?；o酶A、?；姿岬鹊纳珊屠脝栴}。即ATP的生成和利用的問題。化能異養(yǎng)菌有機(jī)物光能營(yíng)養(yǎng)菌日 光通用能源化能自氧菌無機(jī)物*最初能源(ATP)能源的轉(zhuǎn)化（一）（一）生物氧化反應(yīng) 一系列酶在溫和條件下按一定次序的催化 放能分階段進(jìn)行 釋放的能量部分貯藏在能量載體中生物氧化與普通氧化反應(yīng)的區(qū)別生物氧化與普通氧化反應(yīng)的區(qū)別比較項(xiàng)目比較項(xiàng)目燃燒燃燒生物氧化生物氧化步驟步驟一步式快速反應(yīng)一步式快速反應(yīng)多步式梯級(jí)反應(yīng)多步式梯級(jí)反應(yīng)條件條件激烈激烈溫和溫和催化劑催化劑無無酶酶產(chǎn)能形式產(chǎn)能形式熱、光熱、光大部分為大部分為ATP能量利用率能量利用率

6、低低高高生物氧化反應(yīng)的三個(gè)階段生物氧化反應(yīng)的三個(gè)階段 脫氫：一種失去電子或氫的過程脫氫：一種失去電子或氫的過程 電子供體：被氧化的物質(zhì)電子供體：被氧化的物質(zhì) 電子受體：接受電子的物質(zhì)電子受體：接受電子的物質(zhì) 遞氫：電子供體氧化脫下的氫交給氫載體，并遞氫：電子供體氧化脫下的氫交給氫載體，并通過多個(gè)載體完成電子從供體到受體的傳遞通過多個(gè)載體完成電子從供體到受體的傳遞 不直接交給電子受體不直接交給電子受體 受氫：最終電子受體接受載體上電子的過程受氫：最終電子受體接受載體上電子的過程（二）電子載體（二）電子載體 自由擴(kuò)散型自由擴(kuò)散型 NAD+和和NADP+，氫原子的載體，氫原子的載體 電極對(duì)的還原電勢(shì)

7、相同，功能不同電極對(duì)的還原電勢(shì)相同，功能不同 NAD+/NADH直接參與產(chǎn)能反應(yīng)直接參與產(chǎn)能反應(yīng) NADP+/NADPH主要參與合成反應(yīng)主要參與合成反應(yīng) 與細(xì)胞膜緊密結(jié)合型與細(xì)胞膜緊密結(jié)合型 電子傳遞系統(tǒng)或電子傳遞鏈電子傳遞系統(tǒng)或電子傳遞鏈 組成：多酶體系，一系列能夠進(jìn)行氧化和還原的載體組成：多酶體系，一系列能夠進(jìn)行氧化和還原的載體 分布：不對(duì)稱排列在膜上，定向有序傳遞分布：不對(duì)稱排列在膜上，定向有序傳遞（三）生物能的產(chǎn)生（三）生物能的產(chǎn)生 借助于磷酸化反應(yīng)借助于磷酸化反應(yīng) ADP形成形成ATP，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 生物氧化過程中生成的含有高能鍵的化生

8、物氧化過程中生成的含有高能鍵的化合物在酶的作用下，直接將能量轉(zhuǎn)給合物在酶的作用下，直接將能量轉(zhuǎn)給ADP（GDP）生成）生成ATP（GTP） 存在于呼吸和發(fā)酵過程中存在于呼吸和發(fā)酵過程中 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中唯一唯一能量獲取方式能量獲取方式微生物代謝中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸ATP琥珀酰輔酶A 琥珀酸GTP乙酰磷酸 乙酸ATP丙酰磷酸 丙酸ATP丁酰磷酸 丁酸ATP甲酰四氫葉酸 甲酸ATP2. 電子傳遞氧化磷酸化電子傳遞氧化磷酸化 生物氧化中伴隨著電子傳遞發(fā)生的磷酸生物氧化中伴隨著電子傳遞發(fā)

9、生的磷酸化作用化作用 發(fā)生在呼吸作用（有氧或無氧）中發(fā)生在呼吸作用（有氧或無氧）中呼吸時(shí)大多數(shù)伴隨呼吸時(shí)大多數(shù)伴隨ATP的合成的合成 典型的呼吸鏈：典型的呼吸鏈：3分子分子ATP ， 2分子分子ATP （黃素蛋白起始）（黃素蛋白起始）化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotic hypothesis)ATP合成酶質(zhì)子動(dòng)勢(shì)ATPADP+Pi2H+2H+2H2H+質(zhì)子跨膜泵出電子傳遞鏈膜膜外膜內(nèi)H+H+3. 光合磷酸化光合磷酸化 只發(fā)生在光合細(xì)胞中只發(fā)生在光合細(xì)胞中 循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)產(chǎn)物只有循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)產(chǎn)物只有ATP 非循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)的產(chǎn)物是非循環(huán)式光合磷酸化：反應(yīng)的

10、產(chǎn)物是ATP、氧和氧和 *ATP高能電子（2e_）產(chǎn)生ATP的能量電子載體電子傳遞鏈光循環(huán)式光合磷酸化循環(huán)式光合磷酸化 光電子傳遞鏈產(chǎn)生ATP的能量）_（2e電子高能ATP*H2O（2e ）_O22H+NADP+NADPH非循環(huán)式光合磷酸化非循環(huán)式光合磷酸化 （四）微生物能量代謝的多樣性1. 能源物質(zhì)的多樣性2. 能源物質(zhì)在微生物中的代謝途徑多樣性3. 不同環(huán)境條件下微生物產(chǎn)能方式的多樣性不同微生物中葡萄糖降解途徑的分布不同微生物中葡萄糖降解途徑的分布 微生物微生物EMP（%）HMP（%）ED（% ）釀酒酵母釀酒酵母 8812產(chǎn)朊假絲酵母產(chǎn)朊假絲酵母66811934灰色鏈霉菌灰色鏈霉菌 97

11、3產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉77 23大腸桿菌大腸桿菌7228銅綠假單胞菌銅綠假單胞菌2971嗜糖假單胞菌嗜糖假單胞菌100枯草芽孢桿菌枯草芽孢桿菌7426氧化葡糖桿菌氧化葡糖桿菌100真養(yǎng)產(chǎn)堿菌真養(yǎng)產(chǎn)堿菌100運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌100藤黃八疊球菌藤黃八疊球菌7030二.化能營(yíng)養(yǎng)型微生物的能量代謝（一）能源化合物（一）能源化合物 有機(jī)化合物有機(jī)化合物糖類、醇、醛、有機(jī)酸、氨基酸、烴類、芳香族化糖類、醇、醛、有機(jī)酸、氨基酸、烴類、芳香族化合物合物 葡萄糖：化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物的主要能源葡萄糖：化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物的主要能源其它單糖代謝轉(zhuǎn)化為糖酵解的中間產(chǎn)物其它單糖代謝轉(zhuǎn)化為糖酵解的中間產(chǎn)物多糖經(jīng)

12、轉(zhuǎn)化或降解多糖經(jīng)轉(zhuǎn)化或降解其它非糖有機(jī)化合物經(jīng)轉(zhuǎn)化進(jìn)入葡萄糖降解途徑其它非糖有機(jī)化合物經(jīng)轉(zhuǎn)化進(jìn)入葡萄糖降解途徑 有機(jī)能源化合物代謝的基本途徑：葡萄糖降解有機(jī)能源化合物代謝的基本途徑：葡萄糖降解途徑或單糖降解途徑途徑或單糖降解途徑（二）能源化合物的生物氧化（二）能源化合物的生物氧化 生物氧化的形式生物氧化的形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫、失去電子 生物氧化的過程生物氧化的過程： 脫氫（或電子），遞氫（或電子），受氫（或電子） 生物氧化的功能生物氧化的功能：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H、產(chǎn)小分子中間代謝物 生物氧化的類型生物氧化的類型：有氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵 1、有氧呼吸、有氧呼吸 aerobic r

13、espiration 以分子氧作為最終電子受體的生物氧化作用 需氧和兼性厭氧微生物在有氧條件下進(jìn)行有氧呼吸（1）與磷酸化作用相偶聯(lián) C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O +68800卡 （部分轉(zhuǎn)化成ATP）（2）不與磷酸化作用相偶聯(lián) C6H12O6 + H2O + O2 C6H12O7 + H2O2 +能量 （不能轉(zhuǎn)化成ATP） 2、無氧呼吸、無氧呼吸anaerobic respiration 以外源無機(jī)氧化物（少數(shù)為有機(jī)氧化物）作為最終電子受體的生物氧化作用。 一些厭氧微生物和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行有無氧呼吸 無氧呼吸產(chǎn)生的ATP比有氧呼吸少。（1）外源電子受體為無機(jī)物

14、硝酸鹽、硫酸鹽、硫、鐵、碳酸鈣脫氮小球菌的反硝化作用C6H12O6 + 4NO3- 6CO2 + 6H2O +2N2 + 42900卡（2）外源電子受體為有機(jī)物延胡索酸、甘氨酸、二甲基亞砜、氧化三甲基胺Escherichia 的延胡索酸呼吸 延胡索酸+2H 琥珀酸3、發(fā)酵作用、發(fā)酵作用 fermentation 在沒有外源最終電子受體時(shí)發(fā)生的生物氧化作用叫發(fā)酵作用。電子受體為內(nèi)源性中間代謝產(chǎn)物3-磷酸甘油醛 + Pi + 乙醛 1、3-二磷酸甘油酸 + 乙醇 呼吸作用與發(fā)酵作用的比較 相同點(diǎn)： 氧化時(shí)，底物上脫下的氫和電子都和相同的載體結(jié)合，形成NADH和FADH。 不同點(diǎn)： NADH和FAD

15、H上的電子和氫的去路不同。 消耗1分子葡萄糖產(chǎn)生的ATP數(shù)量不同?；軤I(yíng)養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式化能營(yíng)養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵環(huán)境條件有氧無氧無氧終電子受體來源環(huán)境，外源性環(huán)境，外源性胞內(nèi)，內(nèi)源性性質(zhì)分子氧化合物（通常為無機(jī)物）代謝中間產(chǎn)物能進(jìn)行該代謝產(chǎn)能方式的微生物專性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物專性厭氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厭氧微生物專性厭氧微生物三、三、 葡萄糖分解代謝與工業(yè)發(fā)酵葡萄糖分解代謝與工業(yè)發(fā)酵 葡萄糖 丙酮酸 途徑-EMP、HMP、ED、PK 丙酮酸丙酮酸 ？產(chǎn)物？產(chǎn)物 進(jìn)行各種發(fā)酵，一般以產(chǎn)物來命名。無氧條件下 EMP途徑

16、ED途徑（單磷酸己糖途徑） HMP途徑葡萄糖ATPADP6-磷酸葡萄糖NADNADH+H+6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖CO25-磷酸核酮糖3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖6-磷酸果糖5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天庚酮糖6-磷酸果糖4-磷酸赤蘚糖丙酮酸1,6- 二磷酸果糖+NADH+H+NADPi TCA循環(huán)丙酮酸乙酰-CoA檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸酮戊二酸琥珀酰-CoA琥珀酸-NAD+NADH+H+CoASHCO2H2OH2ONAD(P)+NAD(P)H+H+CO2NAD+NADH+H+CoASHCO2CoASHGDP+PiGTP延胡索酸FADFADH2蘋果酸H2O草酰乙酸N

17、AD+NADH+H+CoASHH2O葡萄糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛丙酮酸ATPADPNADNADH +H+PiNADNADH+H2ADP2ATP乙酰磷酸CO222乙酰CoA+葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖4-磷酸赤蘚糖ATPADPPi5-磷酸戊糖乙酰磷酸乙酰CoAPK途徑途徑 PPK途徑 PHK途徑1.乙醇發(fā)酵 酵母菌乙醇發(fā)酵EMP途徑途徑 C6H12O6+2ADP 2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O 細(xì)菌的乙醇發(fā)酵(運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌) ED途徑途徑C6H12O6+ADP 2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O酵母酒精發(fā)酵酵母發(fā)酵的類型類型類型條件條件受氫體受氫體ATP主要產(chǎn)物

18、主要產(chǎn)物酸性乙醛乙醛2乙醇乙醇亞硫酸氫鈉磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮0甘油甘油堿性磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮0甘油、乙醇、甘油、乙醇、 乙酸乙酸2. 乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵： 發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸的發(fā)酵稱同型乳酸發(fā)酵 菌種：德氏乳桿菌、保加利亞乳桿菌、酪乳桿菌 C6H12O6 + 2ADP 2 乳酸 + 2ATP 異型乳酸發(fā)酵： 發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外還有乙醇和CO2的發(fā)酵 菌種：短乳桿菌、甘露乳桿菌、巴氏乳桿菌 C6H12O6 乳酸 + 乙醇 + CO2 同型乳酸發(fā)酵途徑3.混合酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵 微生物將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氫氣、二氧化碳等多種產(chǎn)物的生物學(xué)過程。 甲基紅試驗(yàn)（甲基紅試驗(yàn)（M

19、.R.反應(yīng)）反應(yīng)） 將細(xì)菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，置37培養(yǎng)48小時(shí)，然后沿管壁加入甲基紅指示劑, 呈紅色者為陽性, 不呈紅色者為陰性。 MR反應(yīng)的結(jié)果： 大腸桿菌為陽性，產(chǎn)氣桿菌為陰性4.丁二醇發(fā)酵丁二醇發(fā)酵 微生物發(fā)酵葡萄糖得到大量的丁二醇與少量的乳酸 、乙酸、二氧化碳、氫氣等產(chǎn)物的代謝過程。 Voges-Proskauer試驗(yàn)（試驗(yàn)（V.P反應(yīng)）反應(yīng)） 將細(xì)菌接種至葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中，于37培養(yǎng)24小時(shí)，加入與培養(yǎng)基等量的VP試劑，置37保溫30分鐘，呈紅色者為陽性，不呈紅色者為陰性。 VP反應(yīng)結(jié)果 產(chǎn)氣桿菌為陽性，大腸桿菌 的為陰性V.P反應(yīng)機(jī)理5.丁酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵丙酮酸 乙

20、酰輔酶A 乙酰乙酰輔酶A 乙酸 乙酰輔酶A 丁酰輔酶A 丁酸6.丙酮丁醇發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵 丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌 丙酮酸 乙酰輔酶A 乙酰乙酰輔酶A乙酰乙酸丙酮 丙酮酸 丁酸 丁醛 丁醇 7.多元醇發(fā)酵多元醇發(fā)酵 ( 高滲酵母) 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖EMPHMP磷酸丙糖5-磷酸核酮糖乙醇+CO2甘油D-阿拉伯糖醇葡萄糖發(fā)酵的主要終產(chǎn)物葡萄糖發(fā)酵的主要終產(chǎn)物不同菌種的發(fā)酵終產(chǎn)物不同菌種的發(fā)酵終產(chǎn)物三、光能營(yíng)養(yǎng)型微生物的能量代謝四、還原力的獲得五、代謝產(chǎn)物的合成 第二節(jié)第二節(jié) 微生物的代謝調(diào)節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié) 代謝調(diào)節(jié)：Regulation of metabolism 微生物按照需要改變體內(nèi)的代謝

21、活動(dòng)的速度和方向的一種作用。 調(diào)節(jié)方式：1. 酶合成和活性的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)代謝途徑、代謝流量及速率的調(diào)控2. 區(qū)域分隔調(diào)節(jié)3. 細(xì)胞透性調(diào)節(jié)一. 微生物代謝調(diào)節(jié)的部位與方式 物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞 胞內(nèi)的生化反應(yīng) 代謝反應(yīng)的區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)（一）物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞膜構(gòu)成膜構(gòu)成能量能量細(xì)胞壁細(xì)胞壁脂質(zhì)脂質(zhì)膜蛋白質(zhì)膜蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)絕對(duì)數(shù)量跨膜質(zhì)子梯度骨架結(jié)構(gòu)的完整性環(huán)境條件的影響活性磷酸腺苷酸體系（二）胞內(nèi)的代謝反應(yīng) 通過酶的生物合成與活性調(diào)節(jié)通過酶的生物合成與活性調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝反應(yīng)的調(diào)節(jié)！而實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝反應(yīng)的調(diào)節(jié)！1、胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)、胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng) 代謝流向控制代謝流向控制 代謝速度控制代謝速度控制 酶活性和合

22、成量的調(diào)節(jié)是代謝調(diào)節(jié)的核心 代謝流向的調(diào)控代謝流向的調(diào)控可逆反應(yīng)：不同的輔基（輔酶）控制流向谷氨酸脫氫酶： 谷氨酸合成：NADP+ 谷氨酸的分解：NAD+互逆單向反應(yīng)：不同的酶控制不同方向的反應(yīng)2. 代謝反應(yīng)區(qū)域分割及關(guān)聯(lián)代謝反應(yīng)區(qū)域分割及關(guān)聯(lián) 原核微生物原核微生物細(xì)胞膜酶酶與底物相對(duì)位置 真核微生物真核微生物細(xì)胞膜與細(xì)胞器膜酶酶與底物的相對(duì)位置及間隔狀況微生物酶的調(diào)節(jié)微生物酶的調(diào)節(jié) 粗調(diào)節(jié)：酶合成量的調(diào)節(jié)，是發(fā)生在基因水平上的調(diào)節(jié)。 精細(xì)調(diào)節(jié)：酶活性的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)已有酶分子的活性，是發(fā)生在酶化學(xué)水平上的調(diào)節(jié)。二、二、 酶活性調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié) 以酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)以酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) 指調(diào)節(jié)胞內(nèi)

23、已有酶分子的構(gòu)象或分子結(jié)指調(diào)節(jié)胞內(nèi)已有酶分子的構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)來改變酶活性，從而調(diào)節(jié)所催化的代構(gòu)來改變酶活性，從而調(diào)節(jié)所催化的代謝反應(yīng)的速率謝反應(yīng)的速率 特點(diǎn)：作用直接、響應(yīng)快、可逆特點(diǎn)：作用直接、響應(yīng)快、可逆酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制 酶的變構(gòu)調(diào)節(jié) allosteric regulation激活抑制 酶的共價(jià)修飾 covalent modification of enzyme激活抑制 酶蛋白的降解失活 能荷調(diào)節(jié)Allosteric regulation激活的激活的調(diào)節(jié)類型調(diào)節(jié)類型 1.前體激活前體激活在分解代謝途徑和合成體系中，處于途徑前面的代謝在分解代謝途徑和合成體系中，處于途徑前面的

24、代謝產(chǎn)物促進(jìn)催化后面反應(yīng)的酶活性產(chǎn)物促進(jìn)催化后面反應(yīng)的酶活性2.補(bǔ)償性激活補(bǔ)償性激活在關(guān)聯(lián)分支合成途徑中，從在關(guān)聯(lián)分支合成途徑中，從H到到I的反應(yīng)需要的反應(yīng)需要E的參與，的參與，則則H可激活催化合成可激活催化合成E的途徑中的第一個(gè)酶活性的途徑中的第一個(gè)酶活性ABCDEFGHIEDCBA前體激活補(bǔ)償性激活分支途徑酶活性的調(diào)節(jié)類型分支途徑酶活性的調(diào)節(jié)類型 反饋抑制反饋抑制的類型的類型 調(diào)節(jié)作用針對(duì)的酶調(diào)節(jié)作用針對(duì)的酶 單一末端產(chǎn)物過量單一末端產(chǎn)物過量 多個(gè)末端產(chǎn)物過量多個(gè)末端產(chǎn)物過量 協(xié)同協(xié)同/ /多價(jià)多價(jià) 共同途徑的第一個(gè)酶共同途徑的第一個(gè)酶 不能引起抑制作用不能引起抑制作用 同時(shí)過量發(fā)生抑制同

25、時(shí)過量發(fā)生抑制 合作合作/ /增效增效 共同途徑的第一個(gè)酶共同途徑的第一個(gè)酶 輕微作用輕微作用 同時(shí)過量，作用大于各種同時(shí)過量，作用大于各種之和，不能之和，不能100%100%抑制抑制 累積累積 共同途徑的第一個(gè)酶共同途徑的第一個(gè)酶 按一定百分率單獨(dú)按一定百分率單獨(dú)抑制，互不影響抑制，互不影響 共同過量時(shí)，抑制作用累共同過量時(shí)，抑制作用累積，可積，可100%100%抑制抑制 順序順序 共同途徑的第一個(gè)酶共同途徑的第一個(gè)酶 無直接作用無直接作用 通過分支點(diǎn)上的中間代謝通過分支點(diǎn)上的中間代謝物作用，逐步有順序調(diào)節(jié)物作用，逐步有順序調(diào)節(jié) 同功酶同功酶 催化形成對(duì)應(yīng)產(chǎn)物的催化形成對(duì)應(yīng)產(chǎn)物的酶酶 只抑制

26、相應(yīng)酶的活只抑制相應(yīng)酶的活力，互不影響力，互不影響 分別抑制相應(yīng)的酶分別抑制相應(yīng)的酶 能荷能荷 energy charge 對(duì)酶活力的調(diào)節(jié)對(duì)酶活力的調(diào)節(jié)巴斯德效應(yīng)： 在有氧情況下，由于呼吸作用，酒精產(chǎn)量大大下降，糖的消耗速率大幅減慢。能荷能荷=ATP+1/2ADPATP+ADP+AMP 通氧ATP檸檬酸能荷異檸檬酸脫氫酶活性磷酸果糖激酶活性6磷酸葡萄糖基團(tuán)移位吸收葡萄糖速率三、酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié) 組成酶 constitutive enzyme 是一類對(duì)環(huán)境不敏感的酶，這類酶在細(xì)胞內(nèi)的合成量相對(duì)比較穩(wěn)定。 適應(yīng)酶 adaptive enzyme 是一類對(duì)環(huán)境敏感的酶，它們響應(yīng)環(huán)境條件而開始

27、合成或終止合成。誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)酶 inducible enzyme阻遏酶阻遏酶repressible enzyme操縱子的構(gòu)造操縱子的構(gòu)造操縱子的構(gòu)成操縱子的構(gòu)成 名名 稱稱 作用作用啟動(dòng)基因啟動(dòng)基因promoter RNA多聚酶的結(jié)合部位多聚酶的結(jié)合部位操縱基因操縱基因 operator與阻遏物結(jié)合的堿基序列，與阻遏物結(jié)合的堿基序列，決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 structure編碼一個(gè)或多個(gè)酶的基因，編碼一個(gè)或多個(gè)酶的基因， 被轉(zhuǎn)錄成對(duì)應(yīng)的被轉(zhuǎn)錄成對(duì)應(yīng)的mRNA調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因regulation gene編碼調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物編碼調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物r

28、epressor）1、誘導(dǎo)、誘導(dǎo) Induction Gene induction 2、阻遏、阻遏 repressionGene repression 分解代謝物阻遏分解代謝物阻遏 指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物存在時(shí)，利用快的那種底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。 末端產(chǎn)物阻遏末端產(chǎn)物阻遏 指由某代謝途徑末端產(chǎn)物過量積累而引起的阻遏。Positive control of the lac operoncAMP receptor proteinDiauxic growth of E. coliNegative control of the trp operon3、阻尼、阻尼 attenua

29、tion 氨基酸生物合成途徑中的酶的合成受相應(yīng)的氨基酰-tRNA濃度的控制 當(dāng)有過量的氨基酰-tRNA存在時(shí)，對(duì)于已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄，但在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄之前即終止轉(zhuǎn)錄。 阻遏是對(duì)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)的控制； 阻尼是對(duì)已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄終止的控制 trp operon 受trp-tRNA的阻尼，受trp的阻遏4、基于、基于rRNA水平的調(diào)節(jié)水平的調(diào)節(jié) 酶的轉(zhuǎn)譯受rRNA形成的控制某一氨基酸缺乏PPGPP合成rRNA合成受阻核糖體水平低酶的轉(zhuǎn)譯減慢激活該氨基酸合成的操縱子、酶蛋白等前體 氨基酸 AA-tRNA 蛋白質(zhì) 酶 核糖體(rRNA+P)ppGpp第三節(jié)第三節(jié) 微生物代謝的人工控制及其應(yīng)用微生物代

30、謝的人工控制及其應(yīng)用微生物代謝的人工控制微生物代謝的人工控制代謝的人工控制：代謝的人工控制：人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使細(xì)胞過量積累目的代謝產(chǎn)物。1. 代謝控制發(fā)酵：代謝控制發(fā)酵：利用生物化學(xué)和遺傳學(xué)的原理，控制培養(yǎng)條件，使微生物代謝朝向人們希望的方向進(jìn)行，過量積累代謝產(chǎn)物2. 代謝控制育種：代謝控制育種：通過遺傳變異來改變微生物的正常代謝，使某種代謝產(chǎn)物形成和積累代謝控制育種代謝控制育種 目的代謝產(chǎn)物大量累積目的代謝產(chǎn)物大量累積人為打破自動(dòng)調(diào)節(jié)，改變代謝流向人為打破自動(dòng)調(diào)節(jié)，改變代謝流向減少或切斷支路產(chǎn)物的形成減少或切斷支路產(chǎn)物的形成提高細(xì)胞膜的通透性提高細(xì)胞膜的通透性 減少育種

31、的盲目性減少育種的盲目性初級(jí)代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，成效顯著初級(jí)代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，成效顯著次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，效果不明顯次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)，效果不明顯代謝調(diào)控育種的措施代謝調(diào)控育種的措施 人工育種控制措施人工育種控制措施 針對(duì)細(xì)胞正常代謝時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制針對(duì)細(xì)胞正常代謝時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制 營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變 條件解除反饋調(diào)節(jié)條件解除反饋調(diào)節(jié) 條件控制膜透性條件控制膜透性 滲漏營(yíng)養(yǎng)缺陷突變滲漏營(yíng)養(yǎng)缺陷突變 解除反饋調(diào)節(jié)解除反饋調(diào)節(jié) 營(yíng)養(yǎng)缺陷回復(fù)突變營(yíng)養(yǎng)缺陷回復(fù)突變 解除反饋調(diào)節(jié)解除反饋調(diào)節(jié) 結(jié)構(gòu)類似物抗性突變結(jié)構(gòu)類似物抗性突變 解除反饋調(diào)節(jié)解除反饋調(diào)節(jié) (一）解除目的產(chǎn)物對(duì)合成途徑的反饋調(diào)節(jié)-代謝控制育種

32、1、應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株條件條件解除反解除反饋抑制饋抑制 營(yíng)養(yǎng)缺陷型auxotroph： 因某種突變的結(jié)果而失去合成某種生長(zhǎng)及代謝所需物質(zhì)（生長(zhǎng)因子）的能力的突變菌株。必須在培養(yǎng)基中補(bǔ)加該物質(zhì)，否則不能生長(zhǎng)。 高絲氨酸脫氫酶高絲氨酸脫氫酶(AK)例：高絲氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株(Hser-)條件解除（Thr+Lys)對(duì)AK的協(xié)同反饋抑制 Hser-不能合成高絲氨酸，進(jìn)而不能合成蘇氨酸和蛋氨酸，在補(bǔ)給適量適量的高絲氨酸（或蘇氨酸和蛋氨酸）的條件下，可大量積累賴氨酸。 Hser-的篩選 野生型菌株誘變CM培養(yǎng)基分離挑選Hser-突變株 CM MM MM+Hser野生型 + + +H

33、ser- + +2、應(yīng)用滲漏突變株、應(yīng)用滲漏突變株(leakage mutant)解除解除反饋抑制反饋抑制例：利用利用Hserl解除（解除（Thr+Lys)對(duì)對(duì)AK的的協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制： Hserl細(xì)胞能合成Hser，但合成的量?jī)H能維持細(xì)胞的最低生長(zhǎng)，胞內(nèi)的濃度達(dá)不到進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的濃度。篩選： Hser- 誘變 挑選在MM上生長(zhǎng)緩慢而且菌落小的回復(fù)突變株3、應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突變株解除反饋調(diào)節(jié)、應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突變株解除反饋調(diào)節(jié) （結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株）（結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株） 抗反饋調(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成型突變株，或兼而有之的突變株。 結(jié)構(gòu)類似物 analog（抗代謝物antimetabolite） 是一種與初級(jí)代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似但缺乏生理功能的化合物。 例1：黃色短桿菌AHVr突變株可解除Thr的反饋抑制而積累蘇氨酸 Brevibacterium flavum(AK) Threonine AHV a-Amino-b-hydroxyvaleric acid a-氨基-b-羥戊酸突變前 突變后 Lys AEC S-(2-Aminoethyl)-L-Cysteine例2：谷氨酸棒桿菌的(Thr+AE