代謝調(diào)節(jié)修改課件

1第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)微生物細(xì)胞內(nèi)有一整套可塑性極強(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)。從細(xì)胞水平看，微生物的代謝調(diào)節(jié)能力要超過(guò)復(fù)雜的高等動(dòng)植物。微生物細(xì)胞體積極小，而分布及生活的環(huán)境條件卻復(fù)雜多變，每個(gè)細(xì)胞要在不同的環(huán)境下生存并發(fā)展，就必須具備一整套發(fā)達(dá)的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)。參與微生物代謝調(diào)節(jié)的酶系有上千種，每種微生物的遺傳物質(zhì)中含有合成各種酶的基因，但這些基因并不同時(shí)表達(dá)。其中一部分屬初級(jí)代謝所需，經(jīng)常以較高濃度存在的為組成酶，其余部分屬于誘導(dǎo)酶。只有當(dāng)某種底物或誘導(dǎo)物存在時(shí)，誘導(dǎo)酶才合成。誘導(dǎo)酶約占總酶量的10%～20%，組成型酶占總酶量的80%～90%。通過(guò)代謝調(diào)節(jié)，微生物能經(jīng)濟(jì)、合理和高效利用提供給它的碳源、能源及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，合成能滿足自己生長(zhǎng)、繁殖所需的各種生物物質(zhì)，作到“按需合成”，不浪費(fèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源。

----微生物細(xì)胞內(nèi)的代謝調(diào)節(jié)主要通過(guò)酶合成量、酶活性及細(xì)胞膜透性的控制實(shí)現(xiàn)

2一、酶活性的調(diào)節(jié)通過(guò)改變酶分子的活性來(lái)調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式稱為酶活性的調(diào)節(jié)。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)效果迅速而靈敏。通過(guò)酶活性調(diào)節(jié)，微生物能迅速適應(yīng)代謝環(huán)境的突然變化。

（一）調(diào)節(jié)方式：包括兩個(gè)方面：1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn)2、酶活性的抑制：包括：競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反饋抑制。概念：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。即產(chǎn)物對(duì)酶的影響稱為反饋。凡使反應(yīng)速度加快的稱正反饋；凡使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反饋（反饋抑制）；反饋抑制——主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(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，促使整個(gè)反應(yīng)減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過(guò)多累積。

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)又可解除抑制。3

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同工酶調(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（二）反饋抑制的類型5（1）同功酶調(diào)節(jié)——isoenzyme同功酶又稱同工酶，指能催化同一生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)不同的一類酶。同功酶主要用于代謝調(diào)節(jié)。在1個(gè)分支代謝途徑中，如果分支點(diǎn)以前的一個(gè)反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶催化，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用。如圖中A→B的反應(yīng)由3個(gè)同功酶a、b、c催化，它們分別受最終產(chǎn)物E、H、G抑制，某一終產(chǎn)物過(guò)量時(shí)僅能抑制相應(yīng)同功酶的活性，而不影響其他幾種終產(chǎn)物的合成。

6（2）協(xié)同反饋抑制定義：分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。舉例：谷氨酸棒桿菌（Corynebacteriumglutamicum） 多粘芽孢桿菌（Bacilluspolymyxa） 天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。7（3）合作反饋抑制也稱增效反饋抑制，指兩種終產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)的反饋抑制效果遠(yuǎn)大于一種終產(chǎn)物過(guò)量時(shí)的反饋抑制作用(見圖)。合作反饋抑制與協(xié)同反饋抑制相似，其特點(diǎn)是每個(gè)終產(chǎn)物都能獨(dú)立地發(fā)揮較弱的反饋抑制作用。當(dāng)其中1種終產(chǎn)物過(guò)量合成時(shí)，就會(huì)立即控制超量終產(chǎn)物分支點(diǎn)后的代謝。當(dāng)所有終產(chǎn)物都過(guò)量合成時(shí)，才共同作用以增強(qiáng)抑制效果。

9（5）順序反饋抑制——sequentialfeedbackinhibition在分支代謝途徑中，按一定順序逐步進(jìn)行的反饋抑制稱為順序反饋抑制。

在下圖中，E過(guò)量可抑制C→D，導(dǎo)致C濃度增高，促使反應(yīng)向C→F→G方向進(jìn)行，又造成另一終產(chǎn)物G濃度升高；G過(guò)量時(shí)抑制C→F，導(dǎo)致C濃度升高，進(jìn)一步抑制A→B轉(zhuǎn)化。

10上述反饋抑制的共同之處表現(xiàn)為終產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)途徑第1酶活性的抑制。酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)理可用變構(gòu)理論解釋。

變構(gòu)酶理論：該理論認(rèn)為，酶是具有一定立體構(gòu)型的蛋白質(zhì)，變構(gòu)酶是一種變構(gòu)蛋白，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的立體專一性不同的接受部位，其中之一與底物結(jié)合并具有催化活性，稱為活性中心；另一部位可與效應(yīng)物(代謝終產(chǎn)物等)結(jié)合的變構(gòu)部位，稱為調(diào)節(jié)中心。效應(yīng)物的結(jié)合改變酶的立體構(gòu)象，并導(dǎo)致酶活性的變化。（三）反饋抑制的機(jī)制11代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。人工控制代謝的手段：改變微生物遺傳特性(遺傳學(xué)方法）；控制發(fā)酵條件（生物化學(xué)方法）；改變細(xì)胞膜透性；13（1）對(duì)于直線式代謝途徑：選育營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物

AaBbCcDdE

營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用

末端產(chǎn)物E對(duì)菌體生長(zhǎng)乃是必需的，所以，應(yīng)在培養(yǎng)基中限量供給E，使之足以維持菌株生長(zhǎng)，但又不至于造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物C。遺傳學(xué)方法14(2)分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型克服協(xié)同或累加反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利用雙重缺陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物ABCDEFG15各圖成立的條件：1.限量添加E；2.限量添加E；3.限量添加E和G；4.限量添加E和G；5.限量添加I“┄”表示營(yíng)養(yǎng)缺陷突變位置；“≠”表示反饋調(diào)節(jié)解除要根據(jù)其不同反饋控制機(jī)制17分支途徑——①

賴氨酸發(fā)酵:谷氨酸棒桿菌的Hom–18分支途徑——②肌苷酸發(fā)酵

（IMP合成途徑的代謝調(diào)控）調(diào)控理論的實(shí)踐應(yīng)用19青霉素合成受賴氨酸抑制，共同前體：212223254.3.1.2抗反饋控制突變株的應(yīng)用★抗反饋控制突變株——是指對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐?，或兩者兼有之的菌株?！锟狗答伩刂仆蛔冎昕梢詮慕K產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株和營(yíng)養(yǎng)缺陷性回復(fù)突變株中獲得?！铽@得方法及其原理：26目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物賴氨酸S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC)蘇氨酸-氨基--羥基戊酸（AHV)異亮氨酸乙硫氨酸精氨酸D-精氨酸苯丙氨酸對(duì)氟苯丙氨酸29組成型突變株結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏。調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變產(chǎn)生無(wú)效的阻遏物而不能與操縱基因結(jié)合操縱基因突變突變操縱基因不能與阻遏物結(jié)合組成型突變30DABCEF4.3.2生物化學(xué)方法1.添加前體繞過(guò)反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生(-)(-)(-)2.添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來(lái)說(shuō)，最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物，3.發(fā)酵與分離過(guò)程耦合：4.控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：314.3.2控制細(xì)胞膜滲透性使胞內(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。(1).用生理學(xué)手段——直接抑制膜的合成或使膜受缺損如:在Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌Glu；控制生物素的含量可改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜透性；當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法；再如：產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是Mn2+；Mn2+的作用與生物素相似。(2).利用膜缺損突變株——油酸缺陷型、甘油缺陷型如:用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應(yīng)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過(guò)量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。32控制細(xì)胞膜的通透性生物素是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的輔基，該酶催化乙酰CoA的羧化生成丙二酸單酰CoA，進(jìn)而合成細(xì)胞膜磷脂的主要成分脂肪酸只要控制生物素的含量就可以改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜的通透性，影響到代謝產(chǎn)物的分泌。甘油缺陷型菌株添加適量的青霉素油酸缺陷型菌株335、微生物次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物5.1、次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物一類與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。初級(jí)代謝：微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)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(guò)程，稱為初級(jí)代謝。某些生物為了避免在初級(jí)代謝過(guò)程某種中間產(chǎn)物積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型。可以認(rèn)為是某些生物在一定條件下通過(guò)突變獲得的一種適應(yīng)生存的方式。通過(guò)次級(jí)代謝合成的產(chǎn)物通常稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，大多是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。根據(jù)其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。次級(jí)代謝：34初級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系：初級(jí)代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級(jí)代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。(1)存在范圍及產(chǎn)物類型不同象病毒這類非細(xì)胞生物雖然不具備完整的初級(jí)代謝系統(tǒng)，但它們?nèi)跃哂胁糠值某跫?jí)代謝系統(tǒng)和具有利用宿主代謝系統(tǒng)完成本身的初級(jí)代謝過(guò)程的能力。次級(jí)代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，就是同種生物也會(huì)由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級(jí)代謝產(chǎn)物。35例如某些青霉、芽孢桿菌和黑曲霉在一定的條件下可以分別合成青霉素、桿菌肽和檸檬酸等次級(jí)代謝產(chǎn)物。不同的微生物可產(chǎn)生不同的初級(jí)代謝產(chǎn)物相同的微生物在不同條件下產(chǎn)生不同的初級(jí)代謝產(chǎn)物用于青霉菌的二種培養(yǎng)基：Raulin培養(yǎng)基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸銨0.27%、磷酸氫二銨0.04%、硫酸鎂0.027%硫酸銨0.017%、硫酸鋅0.005%、硫酸亞鐵0.005%Czapek——Dox培養(yǎng)基：葡萄糖5%、硝酸納0.2%、磷酸氫二鉀0.1%、氯化鉀0.05%、硫酸鎂0.05%、硫酸亞鐵0.001%灰黃青素在Czapek——Dox培養(yǎng)基上培養(yǎng)時(shí)可以合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)時(shí)則合成褐菌素（fulvicacid）；Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M的鋅離子的Czapek——Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)時(shí)合成的主要次級(jí)代謝產(chǎn)物是6-氨基水楊酸，但在含0.5×10-6M的鋅離子的Czapek——Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)時(shí)不合成6-氨基水楊酸，但可以合成大量的龍膽醇、甲基醌醇和棒曲霉素。產(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時(shí)可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。次級(jí)代謝產(chǎn)物雖然也是從少數(shù)幾種初級(jí)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的中間體或代謝產(chǎn)物衍生而來(lái)，但它的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導(dǎo)致產(chǎn)生各種各樣的次級(jí)代謝產(chǎn)物，并且每種類型的次級(jí)代謝產(chǎn)物往往是一群化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有4種，桿菌肽、多粘菌素分別有有10多種，而放線菌素有20多種等。36初級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系：1、存在范圍及產(chǎn)物類型不同2、對(duì)產(chǎn)生者自身的重要性不同初級(jí)代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的各種大分子聚合物，蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等通常都是機(jī)體生存必不可少的物質(zhì)，只要在這些物質(zhì)的合成過(guò)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)代謝產(chǎn)物對(duì)于產(chǎn)生者本身來(lái)說(shuō)，不是機(jī)體生存所必需的物質(zhì)，即使在次級(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，至多只是影響機(jī)體合成某種次級(jí)代謝產(chǎn)物的能力。次級(jí)代謝產(chǎn)物一般對(duì)產(chǎn)生者自身的生命活動(dòng)無(wú)明確功能，不是機(jī)體生長(zhǎng)與繁殖所必需的物質(zhì)，也有人把超出生理需求的過(guò)量初級(jí)代謝產(chǎn)物也看作是次級(jí)代謝產(chǎn)物。次級(jí)代謝產(chǎn)物通常都分泌到胞外，有些與機(jī)體的分化有一定的關(guān)系，并在同其它生物的生存競(jìng)爭(zhēng)中起著重要的作用。許多次級(jí)代謝產(chǎn)物通常對(duì)人類和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大影響。37初級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系：(1)、存在范圍及產(chǎn)物類型不同(2)、對(duì)產(chǎn)生者自身的重要性不同(3)、同微生物生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)系明顯不同初級(jí)代謝自始至終存在于一切生活的機(jī)體中，同機(jī)體的生長(zhǎng)過(guò)程呈平行關(guān)系；次級(jí)代謝則是在機(jī)體生長(zhǎng)的一定時(shí)期內(nèi)（通常是微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機(jī)體的生長(zhǎng)不呈平行關(guān)系，一般可明顯地表現(xiàn)為機(jī)體的生長(zhǎng)期和次級(jí)代謝產(chǎn)物形成期二個(gè)不同的時(shí)期。38初級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系：(1)、存在范圍及產(chǎn)物類型不同(2)、對(duì)產(chǎn)生者自身的重要性不同(3)、同微生物生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)系明顯不同(4)、對(duì)環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性