第3章 微生物的代謝調節(jié)和代謝工程

§3微生物的代謝調節(jié)和代謝工程

自然環(huán)境下的微生物代謝特點:

微生物在生長過程中機體內的復雜代謝過程是互相協(xié)調和高度有序的，并對外界環(huán)境改變能迅速做出反應。其原則是經濟合理地利用和合成所需的各種物質和能量使細胞處于平衡生長狀態(tài)。微生物細胞內外環(huán)境的統(tǒng)一是通過代謝調節(jié)的方式來實現(xiàn)的。微生物代謝調節(jié)的方式代謝調節(jié)的方式多種多樣，主要包括：1、反饋抑制、2、反饋阻遏、3、酶的誘導調節(jié)、4、酶的共價修飾等。

微生物代謝對生產條件下的適應:

在實際生產中，往往須要高濃度地積累某一種代謝產物，而這種濃度又常常超過細胞正常生長和代謝所需的范圍。因此要達到超量積累這種產物，提高生產效率，必須打破微生物原有的代謝調控系統(tǒng)，在適當的條件下，讓微生物建立新的代謝方式，高濃度地積累人們所期望的產物。

為達到這一目的，可以采用兩種方法：

一種是通過各種育種方法，選育基因突變株，從根本上改變微生物的代謝。

另一種是控制微生物的各種培養(yǎng)條件，影響其代謝過程。

利用基因工程技術改變代謝流，擴展和構建新的代謝途徑，或通過關聯(lián)酶將兩個代謝途徑連接形成新的代謝流。

因此有人將這種涉及多個基因的基因工程稱為代謝工程,或途徑工程。3.1微生物的代謝類型和自我調節(jié)3．1．1代謝類型:分解代謝和合成代謝

微生物小分子物質的合成和降解是由其自我調節(jié)的。如生長在含有單一有機化合物作為碳源的培養(yǎng)基時，其合成大分子前體物質（如氨基酸、核酸等）的速度與大分子物質合成的速率配合的很好。而當一種前體存在于培養(yǎng)基中，并能被細胞吸收時該前體的內源合成便立即停止。研究微生物代謝調節(jié)有極為重要的意義。在工業(yè)上，可對微生物的代謝途徑加以控制來滿足生產的需求。3．1．2微生物自我調節(jié)的部位1.細胞膜：細胞膜對大多數親水分子起一種屏障作用，但又存在著某些運送系統(tǒng)即通道。這些通道是運送某些化合物的系統(tǒng)，其中有些是需能的。它們受ATP的影響，并受透性酶的調節(jié)。2.控制通量：在原核生物有兩種控制通量的方法，即調節(jié)現(xiàn)有酶量和改變酶分子的活性。對酶量的調節(jié)可以通過增加或減少關鍵酶的合成或降解速率進行。3.限制基質的有形接近：如酶以單體或酶復合物的形式存在。3.2酶活性調節(jié)

3．2．1酶的激活作用與抑制作用

酶活性的調節(jié)包括兩個方面，即酶的激活作用和酶的抑制作用。

酶的激活作用：指在某個酶促反應系統(tǒng)中，某種低相對分子質量的物質加入后，導致原來無活性或活性很低的酶轉變?yōu)橛谢钚曰蚧钚蕴岣撸姑复俜磻俾侍岣叩倪^程。

酶的抑制作用：指在某個酶促反應系統(tǒng)中，某種低相對分子質量的物質加入后，導致酶活力降低的過程，使酶促反應速率提高的過程。

這種能引起酶活力提高（或獲得）或降低（或喪失）的物質稱為酶的激活或抑制劑。它們可以是外源物質，也可以是機體自身代謝過程中產生與積累的代謝產物。3．2．2酶活性調節(jié)的機制

3．2．2．1變構調節(jié)理論3．2．2．2變構分子內部的化學修飾作用3.3酶合成的調節(jié)

誘導作用:在某種化合物(包擴外加的和內源性積累)作用下，導致某種酶合成或合成速度提高的現(xiàn)象。

阻遏作用:在某種化合物作用下，導致某種酶合成停止或合成速度降低的現(xiàn)象。3．3．1酶合成的誘導作用

3．3．1．1組成酶：微生物不論生長在什么培養(yǎng)基中，其中有些酶總是適量地存在，它們是不依賴于酶底物或底物的結構類似物的存在而合成的酶，這種酶稱為組成酶。如葡萄糖轉化為丙酮酸過程中的各種酶。

3．3．1．2誘導酶：

誘導酶又稱為適應性酶，是依賴于某種底物或底物的結構類似物的存在而合成的酶。

誘導酶合成的基因以隱性狀態(tài)存在于染色體中。能夠誘導某種酶合成的化合物稱為該酶的誘導劑。誘導劑可以是誘導酶的底物，也可以是底物的結構類似物。一種誘導酶的合成可以有一種以上的誘導劑，但不同的誘導劑的誘導能力是不同的，并且誘導能力還與誘導劑的濃度有關。

3．3．2酶合成的阻遏

微生物在代謝過程中，當胞內某種代謝產物積累到一定程度時，不僅可以反饋抑制該產物合成途徑中前面某種酶的活性，還可以反饋阻遏這些酶的繼續(xù)合成，通過這些反饋調節(jié)作用降低此產物的合成速率。

如果代謝產物是某種合成途徑的終產物，這種阻遏稱為末端產物阻遏；如果代謝產物是某種化合物分解的中間產物，這種阻遏稱為分解代謝產物阻遏。

3．3．2．1末端產物阻遏阻遏物為代謝的末端產物。3．3．2．2分解代謝產物阻遏阻遏物為代謝過程中的中間產物。3．3．3酶合成調節(jié)的機制3．3．3．1單一效應物調節(jié)3．3．3．2兩種效應物的共同調節(jié)3．3．3．3弱化調節(jié)3.4分支生物合成途徑的調節(jié)微生物代謝途徑調節(jié)中，直鏈式或不分支代謝途徑調節(jié)比較簡單，是通過末端產物濃度變化，對該生物合成途徑中的關鍵酶進行反饋調節(jié)。但許多生物合成途徑具有兩個以上的末端產物，這種分支合成途徑的調節(jié)方式比直鏈式代謝途徑要復雜得多。其調節(jié)方式包括同工酶調節(jié)、順序反饋調節(jié)、協(xié)同反饋調節(jié)、累加反饋調節(jié)、增效反饋調節(jié)、聯(lián)合激活或抑制調節(jié)和酶的共價修飾等方式。3．4．1同工酶調節(jié)

某一分支途徑中的第一步反應可由多種酶催化，但這種酶受不同的終產物的反饋調節(jié)。

3．4．2協(xié)同反饋調節(jié)

3．4．3累加反饋調節(jié)

3．4．4增效反饋調節(jié)3．4．5順序反饋調節(jié)3．4．6聯(lián)合激活或抑制調節(jié)3．4．7酶的共價修飾3.5能荷調節(jié)

能荷：即指細胞中ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可為代謝反應供能的高能磷酸鍵的量度。

能荷調節(jié)：也稱腺苷酸調節(jié)，系指細胞通過改變ATP、ADP、AMP三者比例來調節(jié)其代謝活動。它們所含能荷依次遞減。上述三者在細胞中的含量不同，表明細胞的能量狀態(tài)不同。

細胞的能荷可由下式計算：

能荷={[ATP]+1/2[ADP]}/{[ATP]+[ADP]+[AMP]}X100%

3.6代謝調控3．6．1發(fā)酵條件的控制3．6．1．1各種發(fā)酵條件對微生物代謝的影響3．6．1．2使用誘導物3．6．1．3添加生物合成的前體3．6．1．4培養(yǎng)基成分和濃度的控制3．6．2改變細胞透性3．6．3菌種遺傳特性的改變3.7次級代謝與次級代謝調節(jié)3．7．1初次代謝和次級代謝初次代謝：是一類普遍存在于生物