微生物的代謝調(diào)節(jié)

1、第4章 微生物代謝(dixi)調(diào)節(jié)共五十五頁新陳代謝：是指發(fā)生在活細(xì)胞(xbo)中的各種分解代謝和合成代謝的總和。合成代謝: 在合成酶系的催化下，由簡單(jindn)的小分子、ATP和還原力H一起合成復(fù)雜的生物的大分子的過程。分解代謝：在分解代謝酶系的催化下，將復(fù)雜的有機分子分解為簡單小分子、能量(ATP)及還原力H的過程。 EMP、HMP、ED、TCA等。共五十五頁復(fù)雜(fz)分子 簡單分子+ATP+H (有機物)分解代謝酶系合成(hchng)代謝酶系共五十五頁4.1 微生物初級(chj)代謝及次級代謝P64微生物的初級代謝：微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命

2、活動所必需(bx)的物質(zhì)和能量的過程。初級代謝產(chǎn)物：糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及它們聚合成的大分子化合物：多糖、蛋白質(zhì)、酯類、核酸等共五十五頁微生物的次級代謝：微生物在一定的生長時期，為避免初級代謝產(chǎn)物積累造成不利影響，以其為前體物質(zhì)合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質(zhì)的代謝。次級代謝產(chǎn)物：大多是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。如抗生素、毒素、激素(j s)、色素、生物堿及維生素等。與人類的生活與健康密切相關(guān)共五十五頁初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。 產(chǎn)物是機體生存必不可少的物質(zhì)，如果(rgu)這些物質(zhì)合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止，重則導(dǎo)致機體發(fā)生突變

3、或死亡。次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，同種生物由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)物不同。 產(chǎn)物非機體生存所必需的，次級代謝的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，不會導(dǎo)致機體生長的停止或死亡，通常分泌到胞外。共五十五頁微生物體內(nèi)成千上萬種酶和其他物質(zhì)組成一套完整的代謝調(diào)節(jié)機構(gòu)，反應(yīng)鏈的各個酶構(gòu)成這條鏈的多酶體系。限速步驟（最慢、通常為第一步）：反應(yīng)鏈中速度(sd)最慢的一步，限制著反應(yīng)鏈的全部反應(yīng)。它的酶為限速酶。微生物初級代謝的調(diào)節(jié)微生物次級代謝的調(diào)節(jié)微生物發(fā)酵中的代謝調(diào)控共五十五頁酶活性調(diào)節(jié)(tioji)調(diào)節(jié)已有的酶分子的活性酶合成的調(diào)節(jié)(tioji)調(diào)節(jié)酶分子的合

4、成量在酶化學(xué)水平上發(fā)生的在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的4.2 微生物初級代謝的調(diào)節(jié)p50兩種類型激活抑制誘導(dǎo)阻遏共五十五頁定義：通過改變已有酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的“精細(xì)調(diào)節(jié)”。 酶的激活劑、抑制劑：引起酶活力(hul)提高或降低的物質(zhì)。酶活性的激活：在某個酶促反應(yīng)系統(tǒng)中，加入（或生成）某低分子量的物質(zhì)，使酶的活性提高的現(xiàn)象。酶活性的抑制：在某個酶促反應(yīng)系統(tǒng)中，加入（或生成）某低分子量的物質(zhì)，使酶的活性降低的現(xiàn)象。4.2.1 酶活性的調(diào)節(jié)(tioji)共五十五頁A B C D E4.2.1.1 酶活性的激活： 方式：代謝途徑中，催化后面反應(yīng)的酶活力被前面的中間(zhngji

5、n)代謝產(chǎn)物（分解代謝時）或前體（合成代謝時）所促進的現(xiàn)象。 共五十五頁4.2.1.2 酶活性的抑制(yzh)反饋抑制在某代謝途徑(tjng)的末端產(chǎn)物過量時可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性的現(xiàn)象。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時又可解除共五十五頁 直鏈?zhǔn)酱x途徑(tjng)（只有一種末端產(chǎn)物） 反饋抑制 （p57） 同功酶調(diào)節(jié) 協(xié)同反饋抑制 分支代謝途徑 累積反饋抑制 （有多種末端產(chǎn)物） 增效反饋抑制 順序反饋抑制 共五十五頁（1）直鏈?zhǔn)酱x(dixi)途徑中的反饋抑制 蘇氨酸脫氨酶蘇氨酸-酮丁酸異亮氨酸 反饋(fnku)抑制A B C

6、D E共五十五頁（2）分支代謝途徑中的反饋(fnku)抑制在分支代謝途徑中，為了避免在一個(y )分支上的產(chǎn)物過多, 影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。共五十五頁 同功酶調(diào)節(jié)(tioji)同功酶：能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)卻不同的一組酶。特點：在分支途徑中的第一個酶有幾種結(jié)構(gòu)(jigu)不同的一組同功酶，每一種代謝終產(chǎn)物只對一種同功酶具有反饋抑制作用，只有當(dāng)幾種終產(chǎn)物同時過量時，才能完全阻止反應(yīng)的進行。共五十五頁同功酶的反饋(fnku)抑制典型(dinxng)實例：大腸桿菌天冬氨酸族氨基酸的合成 有3個天冬氨酸激酶催化途徑的第一個反應(yīng)，分別受賴氨酸，蘇氨酸，

7、甲硫氨酸的調(diào)節(jié)。D EHA B C F G共五十五頁 協(xié)同反饋(fnku)抑制在分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物同時都過量(guling)，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用。若某一末端產(chǎn)物單獨過量則對途徑中的第一個酶無抑制作用。如，在多粘芽孢桿菌合成賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的途徑中，終點產(chǎn)物蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同抑制天冬氨酸激酶。共五十五頁協(xié)同(xitng)反饋抑制A B C F GD EH共五十五頁 累積反饋(fnku)抑制在分支代謝途徑中，任何一種末端(m dun)產(chǎn)物過量時都能對共同途徑中的第一個酶起抑制作用，而且各種末端(m dun)產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當(dāng)各種末端(m dun)產(chǎn)物同時過量時

8、，它們的抑制作用是累積的。最早是在大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶的調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)的，該酶受8個最終產(chǎn)物的積累反饋抑制。8個最終產(chǎn)物同時存在時，酶活力完全被抑制。共五十五頁D EH累積(lij)反饋抑制A B C F G共五十五頁 增效反饋抑制(yzh)（合作反饋抑制(yzh)）在分支代謝途徑中，當(dāng)分支的末端產(chǎn)物同時過量時，反饋抑制作用程度明顯大于各種末端產(chǎn)物獨立(dl)過量時的總和。也就是1+12的效果。 共五十五頁 順序反饋(fnku)抑制分支代謝途徑中的兩個末端產(chǎn)物，不能直接抑制(yzh)代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應(yīng)步驟，造成分支點上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋

9、抑制第一個酶的活性。因此，只有當(dāng)兩個末端產(chǎn)物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑制作用?？莶菅挎邨U菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進行調(diào)節(jié)。共五十五頁順序反饋(fnku)抑制ABCDFGE共五十五頁4.2.1.3 酶活性調(diào)節(jié)(tioji)的機制 P51 變構(gòu)調(diào)節(jié)理論+酶分子(fnz)的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)理論酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論：受最終代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)的酶是一種變構(gòu)酶。其分子有兩個中心：與底物結(jié)合的活性中心(又稱催化中心)，與末端產(chǎn)物結(jié)合的調(diào)節(jié)中心(即變構(gòu)中心)。共五十五頁酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)：一些小分子物質(zhì)（即效應(yīng)劑）能夠與酶的調(diào)節(jié)部位以非共價鍵形式結(jié)合，使酶的構(gòu)象發(fā)生改變(gibin)，導(dǎo)致酶活性增強

10、或減弱，從而調(diào)控代謝反應(yīng)。變構(gòu)酶：受變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶。效應(yīng)劑：變構(gòu)激活劑與變構(gòu)抑制劑受反饋抑制調(diào)節(jié)的酶都是變構(gòu)酶，為分支途徑中的第一個酶。變構(gòu)酶是具有多亞基四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。 共五十五頁共五十五頁反饋抑制機理：當(dāng)末端產(chǎn)物過量時，其與調(diào)節(jié)中心結(jié)合，導(dǎo)致酶分子構(gòu)型發(fā)生改變，破壞了酶的活性中心，因而酶的活性降低或喪失，反應(yīng)停止；當(dāng)末端產(chǎn)物濃度降低時，同調(diào)節(jié)中心結(jié)合的末端產(chǎn)物被釋放出來，導(dǎo)致酶的活性中心形成，酶的活性恢復(fù)，反應(yīng)進行，合成代謝產(chǎn)物。通過末端代謝產(chǎn)物胞內(nèi)濃度的變化(binhu)，控制變構(gòu)酶的活性變化(binhu)，調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物的合成。共五十五頁 共價修飾調(diào)節(jié)(tioji)理論共價(n ji)調(diào)

11、節(jié)酶：通過化學(xué)基團的引入或者除去，使其化學(xué)活性改變的酶。分子的化學(xué)修飾：蛋白質(zhì)共價結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變酶學(xué)性質(zhì)的修飾。形式：磷酸化、甲基化、乙?；??？赡娴墓矁r修飾與不可逆的共價修飾酶原激活為不可逆的共價修飾。共五十五頁4.2.2 酶合成(hchng)的調(diào)節(jié) P52細(xì)胞內(nèi)的酶可分為兩大類：組成酶、誘導(dǎo)酶組成酶：在相應(yīng)基因控制下合成，是細(xì)胞內(nèi)固有的酶。合成不受環(huán)境條件的影響，含量相對穩(wěn)定。保持機體基本(jbn)能量供應(yīng)的酶是組成酶。EMP、TCA途徑中的很多酶。誘導(dǎo)酶：當(dāng)作用底物或結(jié)構(gòu)類似物（誘導(dǎo)物）存在時，細(xì)胞臨時合成的能降解此物的酶。合成受環(huán)境條件影響。P53圖4-4粗調(diào)共五十五頁酶合成(

12、hchng)的調(diào)節(jié)，包括 底物對酶合成系統(tǒng)的誘導(dǎo)作用和產(chǎn)物對酶合成系統(tǒng)的阻遏作用。兩者同時存在誘導(dǎo)作用：在某種化合物的作用下，導(dǎo)致酶合成速率提高的現(xiàn)象。阻遏作用：在某種化合物的作用下，導(dǎo)致酶合成速率降低或停止的現(xiàn)象。共五十五頁4.2.2.1 酶合成(hchng)的誘導(dǎo)如某些細(xì)菌只有生長在含淀粉的培養(yǎng)基中才能產(chǎn)生淀粉酶。誘導(dǎo)酶只有在誘導(dǎo)劑存在時才生成，當(dāng)除去誘導(dǎo)劑后，酶的合成便停止了。由于(yuy)酶誘導(dǎo)生成的調(diào)節(jié)，使得微生物只有在需要時才合成某種酶，不需要時便不合成，這對微生物新陳代謝是十分經(jīng)濟有利的。共五十五頁共五十五頁4.2.2.2 酶生成(shn chn)的阻遏阻遏：阻礙代謝過程中包括關(guān)

13、鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成的現(xiàn)象。 能更徹底地控制和減少末端(m dun)產(chǎn)物的合成。共五十五頁天冬氨酸高絲氨酸胱氨酸高半胱氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸反饋阻遏大腸桿菌合成(hchng)甲硫氨酸的酶的生成末端代謝產(chǎn)物反饋阻遏指由于某代謝途徑(tjng)的末端產(chǎn)物的過量積累，同時阻止合成途徑中所有酶的合成的阻遏。在氨基酸、維生素和核苷酸等合成途徑中普遍存在。共五十五頁 分解代謝產(chǎn)物(chnw)阻遏分解代謝物阻遏：當(dāng)微生物在含有兩種能夠利用的底物的培養(yǎng)基中生長時，利用快的那種底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶的合成的現(xiàn)象?！捌咸烟切?yīng)”：大腸桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時，優(yōu)先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡時才開始

14、(kish)利用乳糖，導(dǎo)致2個對數(shù)期中間隔開一個延滯期，出現(xiàn) “二次生長”現(xiàn)象。P54圖4-5原因：葡萄糖的中間代謝物或末端代謝物阻遏了分解乳糖酶系的合成。共五十五頁酶誘導(dǎo)(yudo)的操縱子模型 酶阻遏(z )的色氨酸操縱子模型4.2.2.3 酶合成調(diào)節(jié)的機制共五十五頁操縱子（operon）：基因表達和控制的一個(y )完整單元，包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動子結(jié)構(gòu)基因(structural genes)：是決定某一多肽的DNA 模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA，然后再可通過核糖體轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。（編碼蛋白質(zhì)的DNA序列） 啟動子(promoter)：能被依賴于DNA的R

15、NA聚合酶所識別的堿基順序，是RNA聚合酶的結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄起點。多數(shù)情況下還包括促進這一過程的調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點。共五十五頁操縱子（operator）：位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白的結(jié)合位點，能通過與阻遏物相結(jié)合來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進行。調(diào)節(jié)基因（regulator gene）：用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因，一般遠(yuǎn)離操縱子,但在原核(yun h)生物中,可以位于操縱子旁邊,編碼調(diào)節(jié)蛋白。共五十五頁半乳糖苷酶透過(tu u)酶乙?；D(zhuǎn)移酶共五十五頁終產(chǎn)物阻遏(z )共五十五頁4.2.3 能量(nngling)負(fù)荷調(diào)節(jié)許多中間代謝(dixi)反應(yīng)都是以ATP作為能量儲存

16、形式。能量負(fù)荷調(diào)節(jié)：對利用ATP的合成代謝途徑中酶活性或產(chǎn)ATP的分解代謝途徑中酶的活性進行調(diào)節(jié)。ATP含量的變化將引起與合成酶、分解酶相關(guān)代謝反應(yīng)的變化，以此調(diào)節(jié)某些產(chǎn)物的合成。能荷對代謝起著重要的調(diào)控作用共五十五頁1968年Atkinson和Walton提出了能荷概念。 能荷：細(xì)胞中高能磷酸鍵狀態(tài)的一種數(shù)量上的衡量，表示細(xì)胞內(nèi)ATP-ADP-AMP系統(tǒng)的能量狀態(tài)。 能荷=（ATP+1/2ADP)/(ATP+ADP+AMP) ATP+ADP+AMP：指總腺苷酸系統(tǒng)(ATP、ADP和AMP的總和)的濃度 ATP+0.5ADP：ATP及相當(dāng)ATP的濃度。 能荷的數(shù)值在0-1之間。當(dāng)所有(suyu

17、)腺苷酸充分磷酸化為ATP，能荷值為1；當(dāng)所有腺苷酸去磷酸化為AMP，能荷值為零，正常情況下細(xì)胞的能荷值大約為0.75-0.95。 共五十五頁ATP的生成和ATP的消耗途徑是和細(xì)胞內(nèi)能荷狀態(tài)相呼應(yīng)的： 高能荷時，ATP生成過程被抑制，而ATP的利用過程被激發(fā)；當(dāng)能荷值低時，其效應(yīng)(xioyng)相反當(dāng)體系中ATP含量高時，ATP抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，使糖酵解減少。當(dāng)需要能量時，ATP分解為ADP、AMP，這樣ATP減少，ADP、AMP增加能荷降低激酶活性增大無機磷也是調(diào)節(jié)者，它能解除6-磷酸葡萄糖對己糖激酶的抑制，加快糖酵解。共五十五頁4.3 微生物次級(c j)代謝的調(diào)節(jié)初級代

18、謝與次級代謝途徑相互交錯，調(diào)節(jié)控制相互影響?？股氐日{(diào)控類型（自學(xué)(zxu)）（1）誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（2）次級代謝產(chǎn)物的自身反饋調(diào)節(jié)（3）初級代謝產(chǎn)物對次級代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)（4）分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)（5）磷酸鹽調(diào)節(jié)（6）細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié)共五十五頁4.4 代謝(dixi)調(diào)控工業(yè)發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的代謝產(chǎn)物。代謝控制：人為地打破微生物細(xì)胞內(nèi)的自動代謝調(diào)節(jié)機制，使代謝朝著人們希望的方向(fngxing)進行?？刂拼x的手段： 控制發(fā)酵條件 （生物化學(xué)方法） 改變細(xì)胞膜透性； （生物化學(xué)方法） 改變微生物遺傳特性 (遺傳學(xué)方法）共五十五頁4.4.1 發(fā)酵(f jio)條件的控制（1）培養(yǎng)基成分的控制：盡

19、量避免使用引起分解代謝阻遏的碳源或氮源。如嗜熱脂肪芽孢桿菌產(chǎn)生-淀粉酶受果糖的分解阻遏，以甘油做碳源，酶活性增加(zngji)25倍。速效碳源（氮源）與遲效碳源（氮源）配比合適。如青霉素發(fā)酵采用葡萄糖和乳糖以適當(dāng)比例組合，提高產(chǎn)量。 加入誘導(dǎo)劑，提高有誘導(dǎo)酶的產(chǎn)量。 加入前體物質(zhì)，提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。共五十五頁（2）培養(yǎng)條件溫度、pH、通氣量的控制P61表4-2（3）發(fā)酵與分離(fnl)過程耦合：產(chǎn)物不在發(fā)酵體系中積累，膜分離、吸附分離等共五十五頁4.4.2 控制(kngzh)細(xì)胞膜的通透性改變細(xì)胞膜的通透性，使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去,解除末端產(chǎn)物的反饋抑制。 生理學(xué)手段：直接抑制膜的合成

20、或使膜受缺損 在Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量，可改變谷氨酸棒狀桿菌細(xì)胞膜透性，大量Glu分泌到胞外；解除過量谷氨酸多谷氨酸脫氫酶的反饋抑制如果培養(yǎng)液中生物素含量(hnling)高，可添加青霉素使細(xì)胞壁缺損添加表面活性劑等共五十五頁 4.4.3 改變微生物的遺傳(ychun)特性（1）營養(yǎng)缺陷型突變株的應(yīng)用（2）抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用（3）抗分解(fnji)阻遏突變株的應(yīng)用共五十五頁（1）營養(yǎng)缺陷型菌株應(yīng)用-解除正常的反饋(fnku)調(diào)節(jié) （高絲氨酸缺陷型菌株）天冬氨酸天冬氨酸 磷酸天冬氨酸半醛高絲氨酸 蘇氨 酸 甲硫氨酸 賴氨酸AKHSDH為反饋抑制為阻遏谷氨酸棒狀桿菌(C.glutamicum)的代謝(dixi)調(diào)節(jié)與賴氨酸生產(chǎn) P63AK：天冬氨酸激酶； HSDH：高絲氨酸脫氫酶協(xié)同反饋抑制共五十五頁（2）抗反饋調(diào)節(jié)突變(tbin)株的應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株指對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐裕騼烧呒嬗兄木?。在調(diào)節(jié)基因或操縱基因上突變引起酶合成誘導(dǎo)機制的失靈，菌株不經(jīng)誘導(dǎo)也能合成酶，或不受終產(chǎn)物阻遏的調(diào)節(jié)突變型。抗反饋調(diào)節(jié)突變株篩選：用末端代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)(jigu)類似物篩選和營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株篩選。共五十五頁（3）抗分解(fnji)阻遏突變株的應(yīng)用共五十五頁一、名