微生物的代謝調節(jié)

微生物的代謝調節(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，由簡單的小分子、ATP和還原力[H]一起合成復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，將復雜的有機分子分解為簡單小分子、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日復雜分子簡單分子+ATP+[H](有機物)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微生物初級代謝及次級代謝P64微生物的初級代謝：微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質和能量的過程。初級代謝產物：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、酯類、核酸等第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日微生物的次級代謝：微生物在一定的生長時期，為避免初級代謝產物積累造成不利影響，以其為前體物質合成一些對微生物的生命活動無明確功能的物質的代謝。次級代謝產物：大多是分子結構比較復雜的化合物。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第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日初級代謝系統、代謝途徑和代謝產物在各類生物中基本相同。

產物是機體生存必不可少的物質，如果這些物質合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止，重則導致機體發(fā)生突變或死亡。次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，代謝途徑和代謝產物因生物不同而不同，同種生物由于培養(yǎng)條件不同而產物不同。產物非機體生存所必需的，次級代謝的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，不會導致機體生長的停止或死亡，通常分泌到胞外。第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日微生物體內成千上萬種酶和其他物質組成一套完整的代謝調節(jié)機構，反應鏈的各個酶構成這條鏈的多酶體系。限速步驟（最慢、通常為第一步）：反應鏈中速度最慢的一步，限制著反應鏈的全部反應。它的酶為限速酶。微生物初級代謝的調節(jié)微生物次級代謝的調節(jié)微生物發(fā)酵中的代謝調控第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶活性調節(jié)調節(jié)已有的酶分子的活性酶合成的調節(jié)調節(jié)酶分子的合成量在酶化學水平上發(fā)生的在遺傳學水平上發(fā)生的4.2微生物初級代謝的調節(jié)p50兩種類型激活抑制誘導阻遏第八頁，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節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的“精細調節(jié)”。

酶的激活劑、抑制劑：引起酶活力提高或降低的物質。酶活性的激活：在某個酶促反應系統中，加入（或生成）某低分子量的物質，使酶的活性提高的現象。酶活性的抑制：在某個酶促反應系統中，加入（或生成）某低分子量的物質，使酶的活性降低的現象。4.2.1酶活性的調節(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，催化后面反應的酶活力被前面的中間代謝產物（分解代謝時）或前體（合成代謝時）所促進的現象。

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物過量時可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性的現象。主要表現在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點：作用直接、效果快速、末端產物濃度降低時又可解除第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

直鏈式代謝途徑（只有一種末端產物）

反饋抑制

（p57）

同功酶調節(jié)協同反饋抑制

分支代謝途徑

累積反饋抑制

（有多種末端產物）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）直鏈式代謝途徑中的反饋抑制

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，為了避免在一個分支上的產物過多,影響另一分支上產物的供應，微生物發(fā)展出多種調節(jié)方式。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日①同功酶調節(jié)同功酶：能催化相同的生化反應，但酶蛋白本身的分子結構卻不同的一組酶。特點：在分支途徑中的第一個酶有幾種結構不同的一組同功酶，每一種代謝終產物只對一種同功酶具有反饋抑制作用，只有當幾種終產物同時過量時，才能完全阻止反應的進行。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例：大腸桿菌天冬氨酸族氨基酸的合成有3個天冬氨酸激酶催化途徑的第一個反應，分別受賴氨酸，蘇氨酸，甲硫氨酸的調節(jié)。DEHA

B

C

F

G第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日②協同反饋抑制在分支代謝途徑中，幾種末端產物同時都過量，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用。若某一末端產物單獨過量則對途徑中的第一個酶無抑制作用。如，在多粘芽孢桿菌合成賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的途徑中，終點產物蘇氨酸和賴氨酸協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，任何一種末端產物過量時都能對共同途徑中的第一個酶起抑制作用，而且各種末端產物的抑制作用互不干擾。當各種末端產物同時過量時，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節(jié)過程中發(fā)現的，該酶受8個最終產物的積累反饋抑制。8個最終產物同時存在時，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，當分支的末端產物同時過量時，反饋抑制作用程度明顯大于各種末端產物獨立過量時的總和。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末端產物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑制分支點后的反應步驟，造成分支點上中間產物的積累，這種高濃度的中間產物再反饋抑制第一個酶的活性。因此，只有當兩個末端產物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑制作用?？莶菅挎邨U菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進行調節(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酶活性調節(jié)的機制P51變構調節(jié)理論+酶分子的化學修飾調節(jié)理論①酶的變構調節(jié)理論：受最終代謝產物調節(jié)的酶是一種變構酶。其分子有兩個中心：與底物結合的活性中心(又稱催化中心)，與末端產物結合的調節(jié)中心(即變構中心)。第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶的變構調節(jié)：一些小分子物質（即效應劑）能夠與酶的調節(jié)部位以非共價鍵形式結合，使酶的構象發(fā)生改變，導致酶活性增強或減弱，從而調控代謝反應。變構酶：受變構調節(jié)的酶。效應劑：變構激活劑與變構抑制劑受反饋抑制調節(jié)的酶都是變構酶，為分支途徑中的第一個酶。變構酶是具有多亞基四級結構的蛋白質。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日反饋抑制機理：當末端產物過量時，其與調節(jié)中心結合，導致酶分子構型發(fā)生改變，破壞了酶的活性中心，因而酶的活性降低或喪失，反應停止；當末端產物濃度降低時，同調節(jié)中心結合的末端產物被釋放出來，導致酶的活性中心形成，酶的活性恢復，反應進行，合成代謝產物。通過末端代謝產物胞內濃度的變化，控制變構酶的活性變化，調節(jié)代謝產物的合成。第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日②共價修飾調節(jié)理論共價調節(jié)酶：通過化學基團的引入或者除去，使其化學活性改變的酶。分子的化學修飾：蛋白質共價結構發(fā)生改變，從而改變酶學性質的修飾。形式：磷酸化、甲基化、乙酰化等。可逆的共價修飾與不可逆的共價修飾酶原激活為不可逆的共價修飾。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.2酶合成的調節(jié)P52細胞內的酶可分為兩大類：組成酶、誘導酶組成酶：在相應基因控制下合成，是細胞內固有的酶。合成不受環(huán)境條件的影響，含量相對穩(wěn)定。保持機體基本能量供應的酶是組成酶。EMP、TCA途徑中的很多酶。誘導酶：當作用底物或結構類似物（誘導物）存在時，細胞臨時合成的能降解此物的酶。合成受環(huán)境條件影響。P53圖4-4粗調第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日酶合成的調節(jié)，包括底物對酶合成系統的誘導作用和產物對酶合成系統的阻遏作用。兩者同時存在誘導作用：在某種化合物的作用下，導致酶合成速率提高的現象。阻遏作用：在某種化合物的作用下，導致酶合成速率降低或停止的現象。第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.2.1酶合成的誘導如某些細菌只有生長在含淀粉的培養(yǎng)基中才能產生淀粉酶。誘導酶只有在誘導劑存在時才生成，當除去誘導劑后，酶的合成便停止了。由于酶誘導生成的調節(jié)，使得微生物只有在需要時才合成某種酶，不需要時便不合成，這對微生物新陳代謝是十分經濟有利的。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鍵酶在內的一系列酶的合成的現象。能更徹底地控制和減少末端產物的合成。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阻遏大腸桿菌合成甲硫氨酸的酶的生成①末端代謝產物反饋阻遏指由于某代謝途徑的末端產物的過量積累，同時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

分解代謝產物阻遏分解代謝物阻遏：當微生物在含有兩種能夠利用的底物的培養(yǎng)基中生長時，利用快的那種底物會阻遏利用慢的底物的有關酶的合成的現象?！捌咸烟切保捍竽c桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時，優(yōu)先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡時才開始利用乳糖，導致2個對數期中間隔開一個延滯期，出現“二次生長”現象。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酶合成調節(jié)的機制第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日操縱子（operon）：基因表達和控制的一個完整單元，包括結構基因，調節(jié)基因，操作子和啟動子①結構基因(structuralgenes)：是決定某一多肽的DNA模板，可根據其上的堿基順序轉錄出相應的mRNA，然后再可通過核糖體轉譯出相應的酶。（編碼蛋白質的DNA序列）②啟動子(promoter)：能被依賴于DNA的RNA聚合酶所識別的堿基順序，是RNA聚合酶的結合部位和轉錄起點。多數情況下還包括促進這一過程的調節(jié)蛋白結合位點。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日③操縱子（operator）：位于啟動基因和結構基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白的結合位點，能通過與阻遏物相結合來決定結構基因的轉錄是否能進行。④調節(jié)基因（regulatorgene）：用于編碼組成型調節(jié)蛋白的基因，一般遠離操縱子,但在原核生物中,可以位于操縱子旁邊,編碼調節(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移酶第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日終產物阻遏第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.2.3能量負荷調節(jié)許多中間代謝反應都是以ATP作為能量儲存形式。能量負荷調節(jié)：對利用ATP的合成代謝途徑中酶活性或產ATP的分解代謝途徑中酶的活性進行調節(jié)。ATP含量的變化將引起與合成酶、分解酶相關代謝反應的變化，以此調節(jié)某些產物的合成。能荷對代謝起著重要的調控作用第四十一頁，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：細胞中高能磷酸鍵狀態(tài)的一種數量上的衡量，表示細胞內ATP-ADP-AMP系統的能量狀態(tài)。能荷=（[ATP]+1/2[ADP])/([ATP]+[ADP]+[AMP])[ATP]+[ADP]+[AMP]：指總腺苷酸系統(ATP、ADP和AMP的總和)的濃度[ATP]+0.5[ADP]：ATP及相當ATP的濃度。能荷的數值在0-1之間。當所有腺苷酸充分磷酸化為ATP，能荷值為1；當所有腺苷酸去磷酸化為AMP，能荷值為零，正常情況下細胞的能荷值大約為。

第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日ATP的生成和ATP的消耗途徑是和細胞內能荷狀態(tài)相呼應的：高能荷時，ATP生成過程被抑制，而ATP的利用過程被激發(fā)；當能荷值低時，其效應相反當體系中ATP含量高時，ATP抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，使糖酵解減少。當需要能量時，ATP分解為ADP、AMP，這樣ATP減少，ADP、AMP增加→能荷降低→激酶活性增大無機磷也是調節(jié)者，它能解除6-磷酸葡萄糖對己糖激酶的抑制，加快糖酵解。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.3微生物次級代謝的調節(jié)初級代謝與次級代謝途徑相互交錯，調節(jié)控制相互影響?？股氐日{控類型（自學）（1）誘導調節(jié)（2）次級代謝產物的自身反饋調節(jié)（3）初級代謝產物對次級代謝產物的調節(jié)（4）分解代謝產物調節(jié)（5）磷酸鹽調節(jié)（6）細胞膜透性調節(jié)第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日4.4代謝調控工業(yè)發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的代謝產物。代謝控制：人為地打破微生物細胞內的自動代謝調節(jié)機制，使代謝朝著人們希望的方向進行。控制代謝的手段：控制發(fā)酵條件（生物化學方法）改變細胞膜透性；（生物化學方法）改變微生物遺傳特性(遺傳學方法）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比例組合，提高產量。③加入誘導劑，提高有誘導酶的產量。④加入前體物質，提高代謝產物的產量。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