微生物代謝的調(diào)節(jié)

微生物代謝及

代謝的調(diào)節(jié)二主要內(nèi)容1．微生物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物的種類和主要功能。

2．微生物代謝調(diào)節(jié)的方式，以及在生產(chǎn)實踐中如何人工控制微生物的代謝。

3．發(fā)酵的概念和種類。

三重點和難點1．教學(xué)重點(1)微生物代謝的調(diào)節(jié)。(2)微生物代謝的人工控制。2．教學(xué)難點在生產(chǎn)實踐中如何人工控制微生物的代謝活動。（一）微生物的酶生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)幾乎都要依靠酶的催化才能進(jìn)行。酶是由生物細(xì)胞合成的，以蛋白質(zhì)為主要成分的生物化學(xué)反應(yīng)催化劑。從化學(xué)組成來看，可分為簡單蛋白和結(jié)合蛋白兩種酶。根據(jù)酶在細(xì)胞中的活動部位，也可將酶分為胞外酶和胞內(nèi)酶兩種。

酶作為生化反應(yīng)的催化劑和其他的催化劑一樣，能顯著改變反應(yīng)的速度，但不能改變反應(yīng)的平衡點。酶有以下幾個特點：催化反應(yīng)的效率高、具有高度的專一性、容易失活、活性受調(diào)節(jié)控制等。（二）微生物的能量代謝在生物體內(nèi)，吸能反應(yīng)所需要的能量是由放能反應(yīng)來供給的，兩者是偶聯(lián)進(jìn)行的。其中的能量載體主要是ATP。ATP是腺嘌呤核甘三磷酸（簡稱腺三磷）的縮寫，ATP的生成和利用是微生物能量代謝的核心。在生物體內(nèi)，ATP主要由ADP的磷酸化生成。生成ATP的過程需要供應(yīng)能量，能量來自光能或化能。光合磷酸化作用和氧化磷酸化作用以光能生成ATP的過程稱為光合磷酸化作用，這種轉(zhuǎn)變需要光和色素作媒介。利用化合物氧化過程中釋放的能量進(jìn)行磷酸化生成ATP的過程稱為氧化磷酸化作用，它為一切生物所共有，微生物的氧化作用可根據(jù)最終電子受體的性質(zhì)不同而分為：有氧呼吸作用、無氧呼吸作用和發(fā)酵作用。

有氧呼吸作用：以氧分子作為電子（或氫）受體的生物氧化過程。無氧呼吸作用：以無機(jī)氧化物（個別為有機(jī)氧化物）作為呼吸鏈末端氫和電子受體的生物氧化過程。發(fā)酵作用：在厭氧條件下，以有機(jī)物為基質(zhì)并以其中間降解產(chǎn)物為氫和電子受體的氧化過程。糖的分解

糖類是異養(yǎng)微生物的主要碳素來源和能量來源，包括各種多糖、雙糖和單糖。多糖必須在細(xì)胞外由相應(yīng)的胞外酶水解，才能被吸收利用；雙糖和單糖被微生物吸收后，立即進(jìn)入分解途徑，被降解成簡單的含碳化合物，同時釋放能量，供應(yīng)細(xì)胞合成所需的碳源和能源。蛋白質(zhì)及氨基酸的分解

細(xì)菌分解蛋白質(zhì)的酶有兩類，一類為蛋白酶，另一類為肽酶，前者為胞外酶，能將蛋白質(zhì)分解為多肽和二肽。肽類可進(jìn)入微生物細(xì)胞中，肽酶為胞內(nèi)酶，將進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的肽水解為游離的氨基酸，供菌體利用。微生物對氨基酸的分解方式很多，主要為脫氨作用和脫羧作用。不同細(xì)菌水解不同氨基酸除生成氨基酸外，還有其他物質(zhì)產(chǎn)生。如大腸桿菌、枯草桿菌水解含硫氨基酸有H2S產(chǎn)生；大腸桿菌、變形桿菌水解色氨酸，可形成吲哚。有些細(xì)菌則不能，因此這些特性可用于細(xì)菌的鑒定。脂肪的分解

脂肪是脂肪酸和甘油的結(jié)合物。某些微生物能產(chǎn)生脂肪酶，將脂肪水解為甘油和脂肪酸。甘油和脂肪酸可被微生物攝入細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)行代謝。初級代謝與次級代謝

（Primaryandsecondarymetabolism)

初級代謝：普遍存在于一切生物中，是與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能和耗能的代謝類型；次級代謝：某些生物為避免在初級代謝過程中某些中間產(chǎn)物積累所造成不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型。次級代謝產(chǎn)物熱原質(zhì)毒素與侵襲性酶細(xì)菌素色素抗生素維生素?zé)嵩|(zhì)能引起機(jī)體發(fā)熱的物質(zhì)。分為內(nèi)源性熱原質(zhì)（機(jī)體自身產(chǎn)生）和外源性熱原質(zhì)（內(nèi)毒素、外毒素、G-的外膜成分等）。在250℃下作用30min或180℃下作用4hr，或強(qiáng)酸強(qiáng)堿強(qiáng)氧化劑30min才能破壞熱原質(zhì)或使其致熱效應(yīng)消失。注射液、生物制品、抗生素以及輸液用的蒸餾水均不能含有熱原質(zhì)。細(xì)菌素由某些細(xì)菌合成的一種具有殺菌作用的蛋白質(zhì)物質(zhì)。其作用范圍窄，僅對產(chǎn)生菌親緣關(guān)系較近的細(xì)菌有殺傷作用。細(xì)菌素和抗生素的區(qū)別返回二、微生物代謝的調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)分為三類:——酶的調(diào)節(jié)——激素的調(diào)節(jié)——神經(jīng)調(diào)節(jié)其中酶的調(diào)節(jié)是最基本的調(diào)節(jié)方式，是一切調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。

酶的激活與抑制酶活性的調(diào)節(jié)是通過改變酶結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)象來實現(xiàn)的。調(diào)節(jié)方式有激活和抑制兩種。激活作用常見于分解代謝途徑中前體對參與后面反應(yīng)的酶進(jìn)行激活，促使它們反應(yīng)速度加快。抑制作用常見于合成代謝的末端產(chǎn)物對合成反應(yīng)的關(guān)鍵酶進(jìn)行反饋抑制，以減慢或中止生物合成。關(guān)鍵酶（Keyenzyme）

往往是代謝途徑的第一步反應(yīng)的酶（a）或是分支代謝途徑中分支點上的酶（b、c、f）或整個代謝途徑中的限速酶或催化不可逆反應(yīng)的酶（c）

ABCDEFGabcdfg誘導(dǎo)作用（induction）：

指用誘導(dǎo)物（inducer）來促進(jìn)酶的合成，這種作用稱誘導(dǎo)作用。

阻遏作用（repression）：

指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，這種作用稱阻遏作用。

1、酶合成的誘導(dǎo)作用

在細(xì)菌中普通存在，如大腸桿菌可利用多種糖作為碳源，當(dāng)用乳糖作為唯一碳源時，開始細(xì)菌不能利用乳糖，但2～3分鐘后就合成了與乳糖代謝有關(guān)的三種酶（1）β—半乳糖苷酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成半乳糖和葡萄糖

（2）β-半乳糖透性酶：促使乳糖通過細(xì)胞膜。

（3）β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶（硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福哼@酶的功能不清，可能是將不能代謝的乳糖類似物乙?；?，并將它們排出體外。乳糖究竟如何誘導(dǎo)了這三種酶的合成呢？

1961年法國Monod和Jacob提出了著名的乳糖操縱子(lactoseoperon）模型，這模型的提出猶如當(dāng)年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋模型一樣，受到人們的重視，人們把它看作生物學(xué)的第二個里程碑。

乳糖操縱子模型的基本要點

調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因A操縱子（operon）BC一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因相鄰，并且共同受同一個操縱基因和啟動子所控制。

一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）和操縱基因（operator）、啟動子（promoter）組成了一個操縱子(operon)。

為什么稱它們?yōu)橐粋€操縱子呢？因為它們又共同受一個調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）所調(diào)節(jié)。

結(jié)構(gòu)基因：決定酶蛋白或蛋白質(zhì)的基因。

操縱基因：轉(zhuǎn)錄的開關(guān)，可打開或關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

啟動子：專管轉(zhuǎn)錄起始，上面有RNA聚合酶的結(jié)合位點。

調(diào)節(jié)基因：為阻遏蛋白編碼。

酶合成的誘導(dǎo)（下一頁）誘導(dǎo)物：乳糖或乳糖類似物IPTG（異丙基β-D-硫代半乳糖苷）

返回現(xiàn)在知道乳糖操縱子除需誘導(dǎo)物外，還需cAMP和cAMP受體蛋白（CRP），當(dāng)cAMP與CRP結(jié)合成復(fù)合物時，這復(fù)合物能結(jié)合到啟動子上，促使轉(zhuǎn)錄的起始。

結(jié)構(gòu)基因操縱基因啟動子RNA聚合酶CRPcAMP復(fù)合物CRP＋cAMP乳糖操縱子中酶合成代謝小結(jié)當(dāng)缺乏乳糖時，就會生產(chǎn)少量的酶（操縱基因與LacI結(jié)合）。當(dāng)存有乳糖，而同時亦有其他首選的碳源（如葡萄糖）時，就會生產(chǎn)少量的酶（LacI沒有與操縱基因結(jié)合）。當(dāng)乳糖是首選的碳源時，cAMP-CAP會與啟動子結(jié)合，而Lac酶的生產(chǎn)會最大化。（2）酶合成的阻遏作用

①最終產(chǎn)物的阻遏：

以E.ColiTrp操縱子為例，Trp操縱子含有5個結(jié)構(gòu)基因，它們編碼的酶蛋白催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)門rp，Trp是輔助遏物（corepressor）。

酶合成的阻遏作用

利用操縱子模型解釋酶合成的誘導(dǎo)和阻遏，但要注意操縱子僅僅存在于原核細(xì)胞，操縱子的調(diào)控是原核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。真核細(xì)胞中沒有操縱子，即真核細(xì)胞中功能上彼此有關(guān)的基因往往分布在不同染色體上，它們并不組成一個操縱子。

②分解代謝產(chǎn)物的阻遏：

E.Coli以乳糖為唯一碳源時，乳糖可誘導(dǎo)與乳糖有關(guān)的三種酶的合成，但如果培養(yǎng)基中既含葡萄糖，又含乳糖時，則優(yōu)先利用Glc，等Glc耗盡后才能利用乳糖，也就是說在大量Glc時，乳糖操縱子還是關(guān)閉，Glc阻遏了乳糖代謝有關(guān)的三種酶的合成，這種現(xiàn)象過去稱為葡萄糖效應(yīng)（glucoseeffect）。后來知道這是由于Glc分解代謝產(chǎn)物引起的，因此又稱為分解代謝產(chǎn)物阻遏（cataboliterepression）。

GC－＋ATPcAMP5'-AMP腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶CRPcAMPCRP復(fù)合物結(jié)構(gòu)基因分解代謝產(chǎn)物啟動子操縱基因分解代謝產(chǎn)物阻遏，即葡萄糖效應(yīng)的機(jī)制：2．酶活性的調(diào)節(jié)：

反饋抑制共價修飾

（1）反饋抑制（feedbackinhibition）：

也稱負(fù)反饋，這是生物體普遍存在的一種調(diào)節(jié)機(jī)制，反饋抑制是指反應(yīng)終產(chǎn)物對自身合成途徑中的酶活力起抑制作用，大多是對第一個酶的活力起抑制作用。

反饋抑制在代謝中見了很多，特別是在氨基酸和核苷酸的生物合成中，這類例子更多。

（２）共價修飾（covalentmodification）：

亦稱化學(xué)修飾，就是在調(diào)節(jié)酶分子上以共價鍵連上與或脫下某種特殊的化學(xué)基團(tuán)，從而引起酶活性的改變，這類酶稱共價修飾酶。自從1955年Krebs和Sutherland等有關(guān)糖原磷酸化酶的研究以來，到目前已經(jīng)知道的有100多種酶在它被翻譯后進(jìn)行共價修飾。

目前已知有6種類型的共價修飾酶

①磷酸化/脫磷酸化②腺苷?；?脫腺苷酰化③乙?；?脫乙酰化④尿苷?；?脫尿苷?；菁谆?脫甲基化⑥S-S/SH相互轉(zhuǎn)變

磷酸化/脫磷酸化與酶活性的調(diào)節(jié)：

磷酸化的共價修飾可用一個通式來表示:2.操縱子模型

Jacob和Monod認(rèn)為誘導(dǎo)酶（他們當(dāng)時稱為適應(yīng)酶）現(xiàn)象是個基因調(diào)控問題，可以用實驗方法進(jìn)行研究，因此選為突破口，終于通過大量實驗及分析，建立了該操縱子的控制模型。4.葡萄糖對lac