第五章 微生物新陳代謝8

第七章微生物的新陳代謝內(nèi)容提要第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)分解代謝與合成代謝的關(guān)系第三節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑舉例第四節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)

生物固氮自養(yǎng)微生物CO2的固定肽聚糖的合成微生物次生代謝產(chǎn)物的合成第三節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑舉例指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)于該微生物沒(méi)有明顯的生理功能且非其生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)的過(guò)程一般將微生物通過(guò)代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的自身繁殖所必需的物質(zhì)和能量的過(guò)程初級(jí)代謝根據(jù)先后順序分為兩類：微生物代謝次級(jí)代謝初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶不同的微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物基本相同；初級(jí)代謝產(chǎn)物合成過(guò)程是連續(xù)不斷的。次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)量低代謝途徑獨(dú)特生理功能不明確生長(zhǎng)后期合成合成受質(zhì)?？刂瞥跎x與次生代謝的關(guān)系糖代謝延伸途徑莽草酸延伸途徑氨基酸延伸途徑乙酸延伸途徑第四節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)一、微生物的代謝調(diào)節(jié)

微生物有著一整套可塑性極強(qiáng)和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證體內(nèi)上千種酶能正確無(wú)誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)代謝調(diào)節(jié)的特點(diǎn)及時(shí)取得需要的中間代謝產(chǎn)物，只合成需要的代謝產(chǎn)物，嚴(yán)格防止終產(chǎn)物積累以最經(jīng)濟(jì)的方式、化最低能量獲得所需要的營(yíng)養(yǎng)，防止能量浪費(fèi)（一）、代謝調(diào)節(jié)的方式代謝調(diào)節(jié)的方式

調(diào)節(jié)細(xì)胞膜的通透性通過(guò)酶的定位限制與相應(yīng)底物的接近

調(diào)節(jié)代謝流：酶的合成調(diào)節(jié)和酶的催化活力調(diào)節(jié)固有酶（組成酶）

在基質(zhì)中能固定產(chǎn)生的酶

如葡萄糖氧化酶、EMP途徑有關(guān)的酶適應(yīng)酶（誘導(dǎo)酶）

當(dāng)基質(zhì)中有其分解底物或有關(guān)誘導(dǎo)物時(shí)才合成的酶，當(dāng)特殊物質(zhì)不存在，酶就不產(chǎn)生，如阿拉伯膠糖酶、β-半乳糖苷酶酶調(diào)節(jié)1、酶合成的調(diào)節(jié)1、酶合成的調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)酶合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率，是在基因水平上的代謝調(diào)節(jié)

特點(diǎn)：間接緩慢、節(jié)約能量和原料酶合成調(diào)節(jié)誘導(dǎo)酶合成阻遏酶合成酶合成調(diào)節(jié)的類型誘導(dǎo)：當(dāng)環(huán)境中存在誘導(dǎo)物（底物及類似物、底物前體）時(shí)，促進(jìn)酶合成，誘導(dǎo)方式有同時(shí)誘導(dǎo)、順序誘導(dǎo)阻遏：過(guò)量代謝產(chǎn)物阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成，從而控制代謝，減少末端產(chǎn)物的合成舉例：亮白曲霉原來(lái)不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培養(yǎng)基內(nèi)加入蔗糖，一段時(shí)間后，可合成蔗糖酶，并利用蔗糖。酶合成的調(diào)節(jié)2、酶活性的調(diào)節(jié)酶分子水平上的調(diào)節(jié)激活

分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物促進(jìn)。抑制

終產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性，使反應(yīng)減慢或停止，稱為反饋抑制。反饋抑制的機(jī)制（酶的變構(gòu)）主要通過(guò)最終產(chǎn)物（末端產(chǎn)物）對(duì)反應(yīng)途徑中的第一個(gè)酶（變構(gòu)酶或調(diào)節(jié)酶）的抑制變構(gòu)酶

活性中心—與底物結(jié)合發(fā)生反應(yīng)

調(diào)節(jié)中心—與效應(yīng)物結(jié)合，從而引起酶可逆變構(gòu)酶活性的調(diào)節(jié)反饋抑制的特點(diǎn)作用直接效果快速當(dāng)末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)可重新解除反饋抑制的類型直線式代謝途徑中的反饋抑制

分支代謝途徑中的反饋抑制

為了避免在一分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致于同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)同功酶的調(diào)節(jié)協(xié)同反饋抑制合作反饋抑制累積反饋抑制順序反饋抑制分支代謝途徑反饋抑制同功酶調(diào)節(jié)：能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白結(jié)構(gòu)有差異的一類酶功能

代謝調(diào)節(jié)實(shí)例

E.coli的賴氨酸和蘇氨酸合成協(xié)同反饋抑制分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制公共途徑中的第一酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式實(shí)例

Corynebacterium

glutamicum

合成天門冬氨酸族氨基酸，天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用實(shí)例

AMP、GMP對(duì)磷酸核糖焦磷酸酶的作用合作反饋抑制（增效反饋抑制）累積反饋抑制每一分支途徑的末端代謝產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，當(dāng)幾種產(chǎn)物共同存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的。在各末端產(chǎn)物之間無(wú)協(xié)同效應(yīng)和拮抗作用實(shí)例：E.coli的谷氨酰胺合成酶順序反饋抑制逐步有順序的反饋調(diào)節(jié)方式實(shí)例

枯草芽孢桿菌的芳香族氨基酸的生物合成兩種調(diào)節(jié)的對(duì)比酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)不同點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)象通過(guò)酶量的變化控制代謝速率控制酶活性，不涉及酶量變化調(diào)節(jié)效果相對(duì)緩慢快速、精細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制基因水平調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)控制酶合成代謝調(diào)節(jié)，它調(diào)節(jié)酶活性相同點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)兩種方式同時(shí)存在，密切配合，高效、準(zhǔn)確控制代謝的正常進(jìn)行。膜

原核微生物——細(xì)胞膜影響物質(zhì)透性

核微生物——細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜酶與底物的相對(duì)位置原核微生物

細(xì)胞膜上多酶復(fù)合體形式存在的酶系使細(xì)胞內(nèi)酶活性受到調(diào)節(jié)真核微生物

底物與酶分別儲(chǔ)存在有膜的細(xì)胞器內(nèi)，從而影響酶與底物的作用。酶體系的區(qū)域化可使細(xì)胞內(nèi)一些酶的活性受到調(diào)節(jié)和整合微生物代謝調(diào)節(jié)的其它部位二、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)上的應(yīng)用在發(fā)酵工業(yè)中，為大量累積人們所需的代謝產(chǎn)物，必須人為打破微生物細(xì)胞內(nèi)代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使代謝朝人們所希望的方向進(jìn)行微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過(guò)人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株發(fā)酵工業(yè)中調(diào)節(jié)微生物生命活動(dòng)的方法水平生理水平代謝途徑水平

在代謝途徑水平上對(duì)酶活性和酶合成的調(diào)節(jié)基因調(diào)控水平三種調(diào)節(jié)方式應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株解除正常的反饋調(diào)節(jié)應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)控制細(xì)胞膜的滲透性（一）營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株解除正常反饋調(diào)節(jié)直線式合成途徑中，營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株只能積累中間代謝產(chǎn)物，不能積累最終代謝產(chǎn)物分支代謝途徑中，通過(guò)解除某種反饋調(diào)節(jié)，可使某一分支途徑的末端產(chǎn)物得到積累賴氨酸發(fā)酵肌苷酸的生產(chǎn)賴氨酸發(fā)酵谷氨酸棒桿菌的代謝調(diào)節(jié)與氨基酸生產(chǎn)AK—天冬氨酸激酶；HSDH—高絲氨酸脫氫酶天冬氨酸谷氨酸棒桿菌的代謝過(guò)程甲硫氨酸蘇氨酸賴氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ天冬氨酸激酶中間產(chǎn)物Ⅱ抑制高絲氨酸高絲氨酸脫氫酶選育谷氨酸棒桿菌的高絲氨酸缺陷型菌株，可產(chǎn)生大量的賴氨酸（解除協(xié)同反饋抑制）天冬氨酸人工控制谷氨酸棒桿菌的代謝過(guò)程生產(chǎn)賴氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ天冬氨酸激酶中間產(chǎn)物Ⅱ甲硫氨酸蘇氨酸高絲氨酸高絲氨酸脫氫酶不能合成可以大量積累賴氨酸人工誘變的菌種不能產(chǎn)生肌苷酸的生產(chǎn)腺苷酸琥珀酸合成酶缺失的腺嘌呤缺陷型選育谷氨酸棒桿菌的腺苷酸缺陷型菌株，可產(chǎn)生大量的肌苷酸（解除合作反饋抑制—增效抑制）（二）抗反饋調(diào)節(jié)突變株解除反饋調(diào)節(jié)抗反饋調(diào)節(jié)突變株

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，因反饋調(diào)節(jié)被解除，能積累大量末端代謝物黃色短桿菌抗性菌株高產(chǎn)蘇氨酸原理

誘變后所獲得的抗AHV突變株，其高絲氨酸脫氫酶等的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生了突變，不再受蘇氨酸的反饋抑制，于是就有大量的蘇氨酸累積。若進(jìn)一步選育出甲硫氨酸缺陷型菌株，使甲硫氨酸合成途徑上的兩個(gè)反饋?zhàn)瓒粢脖唤獬?，蘇氨酸產(chǎn)量還可進(jìn)一步提高細(xì)胞膜的滲透性細(xì)胞膜透性正常，代謝物累積，反饋抑制或阻遏細(xì)胞膜透性改變，代謝產(chǎn)物不斷透出細(xì)胞外，可防止反饋抑制或阻遏改變細(xì)胞膜滲透性的方法生理學(xué)方法遺傳學(xué)方法（三）控制細(xì)胞膜的滲透性1、亞適量的生物素的調(diào)節(jié)

谷氨酸發(fā)酵EffectofBiotinlevelontheproductionofGlutamate生理學(xué)方法亞適量的生物素的調(diào)節(jié)機(jī)制控制生物素改變膜的成分,進(jìn)而改變膜的透性、谷氨酸的分泌和反饋調(diào)節(jié)2、適量的青霉素機(jī)理

抑制細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶活性，肽聚糖結(jié)構(gòu)中肽橋無(wú)法交聯(lián)，造成細(xì)胞壁缺損，利于代謝產(chǎn)物的滲出注意

低生物素、青霉素只對(duì)生長(zhǎng)態(tài)（分裂）的細(xì)胞有效，對(duì)穩(wěn)定期的細(xì)胞無(wú)作用油酸缺陷型菌株，限量添加油酸造成細(xì)胞膜的滲漏油酸：含有一個(gè)雙鍵的C18不飽和脂肪酸，是細(xì)胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使細(xì)胞膜缺損，細(xì)胞膜的通透性加大遺傳學(xué)方法—細(xì)胞膜缺損突變本章小結(jié)微生物的能量代謝形成ATP的機(jī)制：生物氧化

底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化生物氧