微生物的代謝調(diào)控理論

微生物的代謝調(diào)控理論第一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日一、初級(jí)代謝和次級(jí)代謝合成代謝和分解代謝（P49）初級(jí)代謝和次級(jí)代謝（P49～P50）第二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力---通道調(diào)節(jié)；（2）調(diào)節(jié)代謝流---通量調(diào)節(jié)；（3）通過(guò)酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近---限制其基質(zhì)有形接近。代謝流調(diào)節(jié)粗調(diào)：酶量的調(diào)節(jié)。微調(diào)：現(xiàn)有的酶的活性的調(diào)節(jié)。二、代謝調(diào)控的方式

第三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日三、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶（一）同功酶調(diào)節(jié)同功酶：指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個(gè)個(gè)體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶在代謝調(diào)節(jié)中的作用：在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶所催化時(shí)，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。第四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日同工酶調(diào)節(jié)示意圖第五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（二）別構(gòu)酶：具有別構(gòu)作用（或變構(gòu)作用）的酶。其分子有活性中心和別構(gòu)中心，往往是具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的多亞基的寡聚酶。第六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日多數(shù)別構(gòu)酶處于代謝途徑的開(kāi)端，別構(gòu)劑多是一些生理性小分子及該酶作用的底物或該代謝途徑的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物。故別構(gòu)酶的催化活性受細(xì)胞內(nèi)底物濃度、代謝中間物或終產(chǎn)物濃度的調(diào)節(jié)。終產(chǎn)物抑制該途徑中的別構(gòu)酶稱反饋抑制(feedbackinhibition)。別構(gòu)酶在細(xì)胞物質(zhì)代謝上的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，故又稱調(diào)節(jié)酶。（regulatoryenzyme）

（中國(guó)酶網(wǎng)）第七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（三）多功能酶：分子組成只有一條多肽鏈，但具有兩種或兩種以上催化活力的酶。一個(gè)終產(chǎn)物的過(guò)量，在使共同途徑第一步反應(yīng)受到部分抑制的同時(shí)，分支途徑第一步反應(yīng)也受到抑制，使代謝沿著其他分支進(jìn)行。因此，一個(gè)產(chǎn)物的過(guò)量不致干擾其他產(chǎn)物的生成。第八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)微生物代謝的協(xié)調(diào)作用一、酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)：是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)，它是通過(guò)改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制兩個(gè)方面。第九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）酶活性的激活：指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進(jìn)。（2）酶活性的抑制：主要是反饋抑制。反饋抑制：某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過(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)過(guò)程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過(guò)多累積。

第十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（3）反饋抑制的類型

①直線式代謝途徑中的反饋抑制第十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，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，反饋抑制的情況較為復(fù)雜。為避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物已發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。第十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。（2）合作反饋抑制：指兩種末端產(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。（3）累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的。第十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（4）順序反饋抑制：當(dāng)E過(guò)多時(shí)，可抑制C→D，這時(shí)由于C的濃度過(guò)大而促使反應(yīng)向F、G方向進(jìn)行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過(guò)多就抑制了C→F，結(jié)果造成C的濃度進(jìn)一步增高。C過(guò)多又對(duì)A→B間的酶發(fā)生抑制，從而達(dá)到了反饋抑制的效果。這種通過(guò)逐步有順序的方式達(dá)到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制。第十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日二、酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。第十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日與調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實(shí)現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其優(yōu)點(diǎn)則是通過(guò)阻止酶的過(guò)量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時(shí)存在且密切配合、協(xié)調(diào)進(jìn)行的。酶合成調(diào)節(jié)與酶活性調(diào)節(jié)的比較第十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型

1．誘導(dǎo)根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。

誘導(dǎo)酶：是細(xì)胞為適應(yīng)外來(lái)底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時(shí)合成的一類酶。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。

第十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日同時(shí)誘導(dǎo)，即當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時(shí)或幾乎同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到E．coli培養(yǎng)基中后，即可同時(shí)誘導(dǎo)出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達(dá)到對(duì)較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。第二十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2．阻遏在微生物的代謝過(guò)程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，除可用前述的反饋抑制的方式來(lái)抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過(guò)阻遏作用來(lái)阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。第二十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過(guò)量累積而引起的阻遏。對(duì)直線式反應(yīng)途徑來(lái)說(shuō)，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡(jiǎn)單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。第二十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)分支代謝途徑來(lái)說(shuō)，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點(diǎn)以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價(jià)阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛取５诙?yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（2）分解代謝物阻遏概念：指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結(jié)果，而是通過(guò)甲碳源（或氮源等）在其分解過(guò)程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過(guò)量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現(xiàn)象。第二十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日分解代謝物阻遏的典型實(shí)例：葡萄糖效應(yīng)葡萄糖效應(yīng)（glucoseeffect）：又稱葡萄糖阻遏或分解代謝產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源,其分解代謝產(chǎn)物阻遏某些誘導(dǎo)酶體系編碼的基因轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。

第二十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日

（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制

1.操縱子：是在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由調(diào)節(jié)基因（R）、啟動(dòng)子（P）、操縱基因（O）和在功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因(S)組成；調(diào)節(jié)基因:用于編碼調(diào)節(jié)蛋白的基因。啟動(dòng)基因:是一種能被依賴于DNA的RNA聚合酶所識(shí)別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)；第二十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日操縱基因是位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來(lái)決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行；結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對(duì)應(yīng)的mRNA，然后再可通過(guò)核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個(gè)操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個(gè)mRNA分子。第二十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日操縱子分兩類:一類是誘導(dǎo)型操縱子，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時(shí)，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。另一類是阻遏型操縱子，只有當(dāng)缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時(shí)，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過(guò)去阻遏作用才能啟動(dòng)。

第二十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日效應(yīng)物

是一類低分子量的信號(hào)物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進(jìn)一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。第二十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)節(jié)蛋白

是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個(gè)特殊位點(diǎn)，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點(diǎn)則可與效應(yīng)物相結(jié)合。當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會(huì)降低其結(jié)合能力。

調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒(méi)有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時(shí)與操縱基因相結(jié)合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時(shí)才能與操縱基因相結(jié)合。第三十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日大腸桿菌乳糖酶誘導(dǎo)合成---調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白操縱基因——基因合成的開(kāi)關(guān).關(guān)——阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá).開(kāi)——誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮.誘導(dǎo)物（乳糖）mRNA第三十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日三、能荷的調(diào)節(jié)1.

能荷（energycharge）

能荷是一個(gè)表示細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)。是細(xì)胞中所含有的相當(dāng)于ATP的數(shù)量的腺苷酸分子數(shù)占全部腺苷酸分子數(shù)的百分比，其表示式為：

能荷（EC））=[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

×100%第三十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是ATP，能荷為1；當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是ADP，能荷為0.5；當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是AMP，能荷為0

當(dāng)細(xì)胞或線粒體中三種核苷酸同時(shí)并存時(shí)，能荷大小隨三者比例而異，三者的比例隨細(xì)胞生理狀態(tài)而變化。第三十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2.能荷在細(xì)胞不同生長(zhǎng)時(shí)期的變化

E.coli生長(zhǎng)期間，能荷為0.8，靜止期為0.5，低于0.5時(shí)死亡；

Asp.niger檸檬酸生產(chǎn)菌，生長(zhǎng)期能荷為0.85，而產(chǎn)酸期為0.8。另外一個(gè)度量細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)是磷酸化位。磷酸化位=[ATP]/[ADP][Pi]

磷酸化位除了腺苷酸外，還決定于無(wú)機(jī)磷濃度。磷酸化位與能荷相比，其值變化范圍更寬，因此是反映細(xì)胞能量狀態(tài)更加靈敏的指標(biāo)。

第三十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.能荷調(diào)節(jié)的意義

當(dāng)能荷降低時(shí)：則激活催化糖分解，（能量生成）酶系，或解除ATP對(duì)這些酶的抑制（如糖原磷酸化酶、果糖磷酸激酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、反丁烯二酸酶等）并抑制糖原合成酶，1、6磷酸果糖酯酶，從而加速糖分解和TCA的產(chǎn)能代謝。當(dāng)能荷升高時(shí)：細(xì)胞中AMP，ADP轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP，這時(shí)ATP則抑制糖原降解以及糖酵解和TCA環(huán)中的關(guān)鍵酶（如糖原磷酸化酶，磷酸果糖激酶，檸檬酸合成酶，異檸檬酸脫氫酶）并激活糖類合成酶（糖原合成酶、1、6-P-果糖酯酶）從而抑制糖的分解，加速糖原的合成。第三十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日4.能荷調(diào)節(jié)與巴斯德效應(yīng)：巴斯德效應(yīng)（Pasteureffect)：巴斯德在研究酵母的酒精發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)：在通氧的情況下，由于進(jìn)行呼吸作用，酒精產(chǎn)量大大下降，糖的消耗速度也變緩，這種有氧呼吸抑制發(fā)酵的作用被后人稱為巴斯德效應(yīng)。巴斯德效應(yīng)是能荷調(diào)節(jié)的一個(gè)好的實(shí)例。第三十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)代謝調(diào)控在

工業(yè)發(fā)酵中的應(yīng)用

一、發(fā)酵工藝條件的控制環(huán)境條件既影響微生物生長(zhǎng)，又影響代謝速度和方向及產(chǎn)物形成與積累?，F(xiàn)以谷氨酸棒桿菌發(fā)酵為例來(lái)說(shuō)明控制發(fā)酵條件包括O2濃度、NH4濃度、pH、磷酸鹽濃度、生物素濃度等，環(huán)境條件改變，可使代謝轉(zhuǎn)換方向，不生成谷氨酸，而生成乳酸、琥珀酸、谷氨酰胺等產(chǎn)物。

第三十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日二、菌種遺傳特性的改變（一）應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株：野生型菌株經(jīng)過(guò)人工誘變或者自然突變失去合成某種營(yíng)養(yǎng)（氨基酸，維生素，核酸等）的能力，只有在基本培養(yǎng)基中補(bǔ)充所缺乏的營(yíng)養(yǎng)因子才能生長(zhǎng)的菌株。營(yíng)養(yǎng)缺陷型是一種生化突變株，它的出現(xiàn)是由基因突變引起的。由于核酸系列中某堿基發(fā)生突變，導(dǎo)致該基因所控制的酶合成受阻，該菌株也因此不能合成某種營(yíng)養(yǎng)因子，從而使正常代謝失去平衡。

第三十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第三十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日谷氨酸棒桿菌鳥(niǎo)氨酸生物合成途徑①乙酰谷氨酸合成酶②乙酰谷氨酸激酶③NO乙酰谷氨酸醛脫氫酶④乙酰鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)氨酶⑤NO乙酰谷氨酸O乙酰鳥(niǎo)氨酸乙?；D(zhuǎn)移酶⑥鳥(niǎo)氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶⑦精氨琥珀酸合成酶⑧精氨琥珀酸酶第四十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2、分支途徑

第四十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第四十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第四十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日例如：谷氨酸棒桿菌、產(chǎn)氨短桿菌、黃色短桿菌的選育高絲氨酸脫氫酶缺陷型（hom-）來(lái)積累大量Lys。

黃色短桿菌的賴氨酸合成調(diào)節(jié)圖第四十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株：就是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)Ψ答佔(zhàn)瓒粲锌剐裕蚨呒娑兄木?。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時(shí)解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。（二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)第四十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2.獲得抗反饋調(diào)節(jié)突變株方法選育抗代謝類似物的突變株從營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株中獲得對(duì)途徑中調(diào)節(jié)酶解除反饋抑制的突變株第四十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用在以積累末端產(chǎn)物為目的的發(fā)酵生產(chǎn)中，如果代謝途徑單一無(wú)分枝，往往不能選用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株。要提高產(chǎn)量，最好采用抗反饋突變株。例如:

用類似