微生物的代謝調(diào)節(jié)

微生物的代謝調(diào)節(jié)第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日新陳代謝：是指發(fā)生在活細(xì)胞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(jiǎn)單的小分子、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(jī)分子分解為簡(jiǎn)單小分子、能量(ATP)及還原力[H]的過程。EMP、HMP、ED、TCA等。第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日復(fù)雜分子簡(jiǎn)單分子+ATP+[H](有機(jī)物)分解代謝酶系合成代謝酶系第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.1微生物初級(jí)代謝及次級(jí)代謝P64微生物的初級(jí)代謝：微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動(dòng)所必需的物質(zhì)和能量的過程。初級(jí)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、核酸等第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日微生物的次級(jí)代謝：微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期，為避免初級(jí)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(duì)微生物的生命活動(dòng)無明確功能的物質(zhì)的代謝。次級(jí)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、色素、生物堿及維生素等。與人類的生活與健康密切相關(guān)第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日初級(jí)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(jī)體生存必不可少的物質(zhì)，如果這些物質(zhì)合成過程的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長(zhǎng)停止，重則導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生突變或死亡。次級(jí)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(jī)體生存所必需的，次級(jí)代謝的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)體生長(zhǎng)的停止或死亡，通常分泌到胞外。第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日微生物體內(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(jī)構(gòu)，反應(yīng)鏈的各個(gè)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(jí)代謝的調(diào)節(jié)微生物次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)微生物發(fā)酵中的代謝調(diào)控第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶活性調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)已有的酶分子的活性酶合成的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶分子的合成量在酶化學(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(jí)代謝的調(diào)節(jié)p50兩種類型激活抑制誘導(dǎo)阻遏第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日定義：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：引起酶活力提高或降低的物質(zhì)。酶活性的激活：在某個(gè)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(gè)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)第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日ABC

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代謝產(chǎn)物（分解代謝時(shí)）或前體（合成代謝時(shí)）所促進(jìn)的現(xiàn)象。

第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.1.2酶活性的抑制反饋抑制——在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來直接抑制該途徑中第一個(gè)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(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

直鏈?zhǔn)酱x途徑（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

第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日（1）直鏈?zhǔn)酱x途徑中的反饋抑制

蘇氨酸脫氨酶蘇氨酸 α-酮丁酸 異亮氨酸

反饋抑制A

B

C

D

E第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日（2）分支代謝途徑中的反饋抑制在分支代謝途徑中，為了避免在一個(gè)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。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日①同功酶調(diào)節(jié)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(diǎn)：在分支途徑中的第一個(gè)酶有幾種結(jié)構(gòu)不同的一組同功酶，每一種代謝終產(chǎn)物只對(duì)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(shí)過量時(shí)，才能完全阻止反應(yīng)的進(jìn)行。第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日同功酶的反饋抑制典型實(shí)例：大腸桿菌天冬氨酸族氨基酸的合成有3個(gè)天冬氨酸激酶催化途徑的第一個(gè)反應(yīng)，分別受賴氨酸，蘇氨酸，甲硫氨酸的調(diào)節(jié)。DEHA

B

C

F

G第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日②協(xié)同反饋抑制在分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物同時(shí)都過量，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶具有抑制作用。若某一末端產(chǎn)物單獨(dú)過量則對(duì)途徑中的第一個(gè)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(diǎn)產(chǎn)物蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同抑制天冬氨酸激酶。第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日協(xié)同反饋抑制A

B

C

F

GD

EH第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日③累積反饋抑制在分支代謝途徑中，任何一種末端產(chǎn)物過量時(shí)都能對(duì)共同途徑中的第一個(gè)酶起抑制作用，而且各種末端產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當(dāng)各種末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，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(gè)最終產(chǎn)物的積累反饋抑制。8個(gè)最終產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，酶活力完全被抑制。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日D

EH累積反饋抑制A

B

C

F

G第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日④增效反饋抑制（合作反饋抑制）在分支代謝途徑中，當(dāng)分支的末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，反饋抑制作用程度明顯大于各種末端產(chǎn)物獨(dú)立過量時(shí)的總和。也就是1+1>2的效果。第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑤順序反饋抑制分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個(gè)酶，而是分別抑制分支點(diǎn)后的反應(yīng)步驟，造成分支點(diǎn)上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個(gè)酶的活性。因此，只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過量時(shí)，才能對(duì)途徑中的第一個(gè)酶起到抑制作用。枯草芽孢桿菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日順序反饋抑制ABCDFGE第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.1.3酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)制P51變構(gòu)調(diào)節(jié)理論+酶分子的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)理論①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(gè)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)。第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶的變構(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(jià)鍵形式結(jié)合，使酶的構(gòu)象發(fā)生改變，導(dǎo)致酶活性增強(qiáng)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(gè)酶。變構(gòu)酶是具有多亞基四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日反饋抑制機(jī)理：當(dāng)末端產(chǎn)物過量時(shí)，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(shí)，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(jìn)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，控制變構(gòu)酶的活性變化，調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物的合成。第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日②共價(jià)修飾調(diào)節(jié)理論共價(jià)調(diào)節(jié)酶：通過化學(xué)基團(tuán)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(jià)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?；?。可逆的共價(jià)修飾與不可逆的共價(jià)修飾酶原激活為不可逆的共價(jià)修飾。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.2酶合成的調(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(duì)穩(wěn)定。保持機(jī)體基本能量供應(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(shí)，細(xì)胞臨時(shí)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)第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶合成的調(diào)節(jié)，包括底物對(duì)酶合成系統(tǒng)的誘導(dǎo)作用和產(chǎn)物對(duì)酶合成系統(tǒng)的阻遏作用。兩者同時(shí)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。第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.2.1酶合成的誘導(dǎo)如某些細(xì)菌只有生長(zhǎng)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(shí)才生成，當(dāng)除去誘導(dǎo)劑后，酶的合成便停止了。由于酶誘導(dǎo)生成的調(diào)節(jié)，使得微生物只有在需要時(shí)才合成某種酶，不需要時(shí)便不合成，這對(duì)微生物新陳代謝是十分經(jīng)濟(jì)有利的。第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.2.2酶生成的阻遏阻遏：阻礙代謝過程中包括關(guān)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產(chǎn)物的合成。第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日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?zhàn)瓒舸竽c桿菌合成甲硫氨酸的酶的生成①末端代謝產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒糁赣捎谀炒x途徑的末端產(chǎn)物的過量積累，同時(shí)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。第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日②

分解代謝產(chǎn)物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(zhǎng)時(shí)，利用快的那種底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶的合成的現(xiàn)象?！捌咸烟切?yīng)”：大腸桿菌生長(zhǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時(shí)，優(yōu)先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡時(shí)才開始利用乳糖，導(dǎo)致2個(gè)對(duì)數(shù)期中間隔開一個(gè)延滯期，出現(xiàn)“二次生長(zhǎng)”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。第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶誘導(dǎo)的操縱子模型

酶阻遏的色氨酸操縱子模型4.2.2.3酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日操縱子（operon）：基因表達(dá)和控制的一個(gè)完整單元，包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動(dòng)子①結(jié)構(gòu)基因(structuralgenes)：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）②啟動(dòng)子(promoter)：能被依賴于DNA的RNA聚合酶所識(shí)別的堿基順序，是RNA聚合酶的結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)。多數(shù)情況下還包括促進(jìn)這一過程的調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日③操縱子（operator）：位于啟動(dòng)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(diǎn)，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(jìn)行。④調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）：用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因，一般遠(yuǎn)離操縱子,但在原核生物中,可以位于操縱子旁邊,編碼調(diào)節(jié)蛋白。第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日β—半乳糖苷酶透過酶乙?；D(zhuǎn)移酶第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日終產(chǎn)物阻遏第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.3能量負(fù)荷調(diào)節(jié)許多中間代謝反應(yīng)都是以ATP作為能量?jī)?chǔ)存形式。能量負(fù)荷調(diào)節(jié)：對(duì)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(jìn)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(duì)代謝起著重要的調(diào)控作用第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日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]+1/2[ADP])/([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]+0.5[ADP]：ATP及相當(dāng)ATP的濃度。能荷的數(shù)值在0-1之間。當(dāng)所有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。

第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日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(shí)，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(shí)，其效應(yīng)相反當(dāng)體系中ATP含量高時(shí)，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(shí)，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(jī)磷也是調(diào)節(jié)者，它能解除6-磷酸葡萄糖對(duì)己糖激酶的抑制，加快糖酵解。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.3微生物次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)初級(jí)代謝與次級(jí)代謝途徑相互交錯(cuò)，調(diào)節(jié)控制相互影響。抗生素等調(diào)控類型（自學(xué)）（1）誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（2）次級(jí)代謝產(chǎn)物的自身反饋調(diào)節(jié)（3）初級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)次級(jí)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)第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.4代謝調(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(dòng)代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)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）第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.4.1發(fā)酵條件的控制（1）培養(yǎng)基成分的控制：①盡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α-淀粉酶受果糖的分解阻遏，以甘油做碳源，酶活性增加25倍。②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。③加入誘導(dǎo)劑，提高有誘導(dǎo)酶的產(chǎn)量。④加入前體物質(zhì)，提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日（2）培養(yǎng)條件溫度、pH