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1、代谢控制发酵 Metabolic Control Fermentation 谢 希 贤 xixianxie Tel：022-60601251 第三章 代谢调节机制和调节模式 代谢调节机制 1 酶合成的调节机制 2 酶活性的调节机制 3 细胞膜透性的调节 5 能荷的调节 4 微生物代谢途径的调节模式6 生命活动是由产能与生物合成中各种代谢途径组成的 代谢网络互相协调来维持的。生物要在自然界生存与 竞争，就必须生长迅速，以便很快适应环境，细胞必 须拥有适当的方法来平衡各种代谢途径的物流。为了 响应环境变化的需要，细胞能够对其代谢机构作定量 调整 代谢调节 一、代谢调节机制 细胞只合成本身所需要的中
2、间代谢产物，严格防止氨 基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当氨基酸或核 苷酸等物质进入细胞后，细胞立即停止该物质的合成 ，一直到所供应的养料消耗到很低浓度，细胞才能重 新开始进行该物质的合成 代谢调节 一、代谢调节机制 从细胞对能量和化学物质的内外交换、增收节支、协 调自强的规律的客观存在出发，可以把细胞作为按特 殊的经济规律运行的经济实体看待。细胞经济性可以 以生成细胞的质量与消耗基质的质量之比值细胞 经济系数衡量 野生型微生物在其所处的环境中是富有竞争能力的， 它们的代谢流量在代谢网络中的分布及细胞经济运行 状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜，细胞经 济系数大于人为改造的发酵工业微生物
3、 代谢调节 一、代谢调节机制 原核微生物细胞代谢调节部位 DNA 底物 产物 底物 中间产物 产物 RNA 可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 代谢途径的酶的催化 酶和载体蛋白的合成 一、代谢调节机制 原核微生物细胞代谢调节部位 与细胞质膜密切相关的调节 膜的脂质（磷脂及其它脂类）的分子结构，以及环境 条件（如离子强度、温度、pH等）对膜脂质理化性 质的影响。 膜蛋白（如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其它 蛋白质）的绝对数量及其活性的调节 跨膜的电化学梯度以及ATP、ADP、AMP体系及无 机（P）浓度对溶质输送的调节。 细胞壁结构（特别是骨架结构）的部分破坏或变形， 间接影响到膜对溶质的通
4、透性 一、代谢调节机制 原核微生物细胞代谢调节部位 酶分子的数量及活性的调节 微生物可改变生物合成代谢途径中的酶量，特别是关 键酶合成或降解的相对速率，进而调节代谢流向 可改变酶的活性，特别是关键酶的活性（力）来调节 代谢速度。 酶和底物的相对位置：限制酶与基质的有形接触（代 谢途径的区域化） 一、代谢调节机制 真核微生物细胞代谢调节部位 可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 代谢途径的酶的催化 细胞质中进行的翻译 核中进行的转录 DNA 底物 产物 底物 中间产物 产物 RNA 细胞内溶质的跨膜传送 一、代谢调节机制 一、代谢调节机制 代谢途径 细胞内定位 分解代谢 酵解 PP环 氧化 TCA
5、环 呼吸链 细胞质 细胞质 线粒体 线粒体 线粒体 合成代谢 生物异生作用 脂肪酸合成 细胞质 细胞质 一、代谢调节机制 细 胞 器酶 系 细胞核 DNA、RNA、NAD的合成，酵解、三羧酸循环（TCA环）、戊糖 磷酸循环（PPi）等 线粒体 TNA、电子传递、氧化磷酸化、尿素循环、脂肪酸氧化、脂肪 酸合成（碳链延长）、铁噗啉生成、转氨作用、蛋白质合成 、DNA、RNA聚合等 溶酶体水解酶类（脂肪酶、酸性磷酸酶、DNA酶、组织蛋白酶等） 微粒体 蛋白质合成、菌物解毒、脂肪酸合成（碳链延长）、粘多糖 、胆固醇、磷脂合成等 过氧化物体氧化酶、过氧化氢酶等 高而基体多糖、核蛋白、粘液硷 细胞质 EM
6、P途径、PPi、糖原分解、糖原合成、糖异生、脂肪酸合成 （从头合成）、嘌呤嘧啶分解、氨基酸合成等 质膜ATP酶、腺苷酸环化酶等（cAMP环化酶） 真核微生物细胞代谢调节部位 在真核微生物细胞中，存在酶体系的区域化，酶与底 物的分隔，使酶反应的调节更复杂化、多样化。酶反 应系列的总速度不仅取决于相邻两区域中的调节酶， 底物的浓度，调节酶的活力，而且更取决于代谢中间 产物的跨膜的交换速度。而这种交换速度是借助于载 体（蛋白质），所以，这些载体的绝对数量及活性也 成为代谢调节的部位 一、代谢调节机制 基因表达 原 核 生 物 真 核 生 物 1.没有分化的细胞核和核膜，其DNA不受 RNA与蛋白质结
7、合的控制，其基因调控比较 简单。不同染色体数目为1 2.没有膜分隔，转录、翻译相偶联，结构 基因与mRNA是共线的 3.原核生物有关功能的基因连锁分布，组 成多顺反子mRNA，整个系统处于一个启动区 域的控制下，即以操纵子进行转录调控 4.原核生物细胞中染色体常与染色体外的 遗传成分（质粒）共存，并同步各自复制。 大部分DNA处于非结合状态，不存在染色质 结构 5.原核生物除了重复的rRNA和tRNA基因和 少数特异性短序外，很少含重复序列，所以 基因组80%以上都进行功能性表达 1.DNA、RNA染色体蛋白在细胞核中，由核膜 将核质和胞质分开，不同染色体数目大于1 2.真核生物基因的转录在核
8、，转录在胞质中 。基因在核内形成前体mRNA与胞质成熟的mRNA 不共线 3.真核生物中功能相关的基因（称因基簇） 常距很远，甚至位于不同的染色体上，其mRNA 通常是单顺反子。除转录调控外，转录后的加 工，和翻译后修饰也很重要。 4.真核生物细胞中组蛋白对DNA转录起着非 常特异（专一性）性的抑制作用，而非组蛋白 却能解除此种抑制。 5.真核生物DNA分子量庞大，并且DNA有相当 一部分由若干核苷酸序列重复，所以DNAP的相 当大一部碱基序列不翻译 一、代谢调节机制 v酶水平的调节v细胞水平的调节 v激素水平的调节v神经水平的调节 一、代谢调节机制 v酶合成的调节v酶活性的调节 v能荷的调节
9、v细胞膜透性的调节 酶、细胞水平调节 变构调节 酶的结构调节 （快调） 酶促化学修饰调节 细胞水平 的调节 诱导 酶蛋白的合成 酶的数量调节 阻遏 （慢调） 酶蛋白的降解 一、代谢调节机制 二、酶合成的调节机制 v酶的诱导负向控制（如乳糖对-半乳糖苷酶）与正向 控制 v终产物阻遏作用和弱化调节 v分解代谢物阻遏（如葡萄糖对-半乳糖苷酶的阻遏） v转录后的调节 二、酶合成的调节机制 微生物细胞并不是任何空间、时间内合成它们所能合 成的各种酶。在一定生理条件下，微生物细胞只在有 限空间内合成它们当时所需的酶。尽管指导酶系合成 的基因是稳定的，但微生物在改变其成分和代谢状况 来响应环境的变化方向具有
10、惊人的灵活性，环境并不 影响遗传物质的结构，却能显著左右基因的表达。能 否合成某个酶首先取决于微生物内因，即有无合成此 酶的基因。环境外因只影响基因表达的水平。酶合成 的调节说到底就是基因的转录（DNAmRNA）和 转译(mRNA蛋白质)水平的调节 酶合成的诱导作用 诱导作用（酶合成的诱导作用） 是指培养基中某种基质与微生物接触而增加（诱导） 细胞中相应酶的合成速率。诱导的生理作用是可以保 证能量与氨基酸不浪费，不把它们用于合成那些暂时 无用的酶上，只有在需要时细胞才迅速合成它们.能引 起诱导作用的化合物称为诱导物（Inducer），它可 以是基质、基质的衍生物，甚至是产物。一般来说酶 基质的
11、结构类似物常常是很好的诱导物，它们不能作 为基质被酶转化 二、酶合成的调节机制 诱导机制 操纵子是DNA上的一段区域，它包括共转录到一条mRNA上的 多个结构基因和这些基因转录所需的顺式作用序列，这些序列包 括启动序列、调节基因和转录调控有关的操纵序列；因为一个操 纵子的所有结构基因均由同一启动子起始转录并受相同调控元件 的调节，所以从结构上可以将它们看作同一个整体 二、酶合成的调节机制 调节基因 调节基因编码调节（阻遏）蛋白，有两种调节蛋白 负作用调节蛋白，结合DNA阻断操纵子转录，此种 调节蛋白也称为阻遏物 正作用调节蛋白，结合DNA启动操纵子转录，此种 调节蛋白也称为激活因子 与阻遏物或
12、激活因子结合，从而启动操纵子转录的效 应物称作该操作子的诱导物 与阻遏物结合而阻断转录的效应物称为辅阻遏物 二、酶合成的调节机制 调节基因 阻遏物诱导物 基因诱导基因阻遏 阻遏物辅阻遏物 二、酶合成的调节机制 操纵序列 操纵序列：操纵子中一个成员，它能控制决定蛋白质 （酶）的氨基酸顺序的一整套结构基因的转录，而操 纵基因可受调节基因产生的阻遏物所阻遏，许多情况 下，单个操纵基因可以控制一个或一个以上（多个） 结构基因 二、酶合成的调节机制 结构基因 结构基因：操纵基因邻近（一般在下游处）存在一个 或多个基因，它编码不起调控转录作用的蛋白质，如 酶、膜蛋白和核糖体等。一部分结构基因的RNA合 成
13、速度精确地被控制，但许多结构基因以一种（或多 或少）不变的速度持续地转录DNA上的遗传信息， 生成相应的信使RNA（mRNA）进而转译成特定的 酶（蛋白质） 二、酶合成的调节机制 启动序列 启动序列：含有两个和RNA多聚酶结合的顺序，一 个集中在RNA多聚酶起始位置前约10个碱基对，另 一个则集中在这个位置前35个碱基对，当RNA多聚 酶与启动子接触并结合上去，mRNA合成即开始 阻遏物与操纵序列结合，则RNA聚合酶就不能向前 移动，也就不能转录出结构基因的mRNA 二、酶合成的调节机制 DNA与蛋白结合 二、酶合成的调节机制 阻遏物操纵子的操纵基因上，阻碍RNA多聚酶通过操 纵基因而关闭操纵
14、子的转录；而激活物常结合于启动子 -35区上游，与RNA多聚酶作用，促使操纵子转录 DNA结合蛋白：螺旋转角螺旋、锌指结构、 亮氨酸拉链 螺旋-转角-螺旋锌指结构亮氨酸拉链 正、负调控 凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现， 而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现，这种 调控就属于正调控；凡是某一细胞成分的存在使某种 细胞功能不能实现，而这一成分的消失或失活使这一 功能得以实现，这种调控就属于负调控 按照这个定义，阻遏物对操纵子的作用为负调控，这 是由于其活性状态抑制了操纵子的转录；相反，激活 因子对操纵子的作用为正调控，原因是其活性状态能 够开启它所控制的操纵子基因的转录 二、酶合
15、成的调节机制 正、负调控 负调控正调控 诱 导 阻 遏 二、酶合成的调节机制 负调控（乳糖操纵子） 二、酶合成的调节机制 正调控（麦芽糖操纵子 ） 二、酶合成的调节机制 正、负调控（阿拉伯糖操纵子 ） 负调控正调控 二、酶合成的调节机制 诱导物的种类 二、酶合成的调节机制 诱导调节的克服 只有需要时才合成所需的酶是微生物应有的、正常的 调节机制。采用诱变方法，借强力因素诱变，引起突 变，消除诱导酶合成所必需依赖诱导物这种障碍，如 突变不是发生在结构基因上，而是发生在调节基因或 操纵基因上，从而导致调节基因编码的阻遏物（阻遏 蛋白）无活性，或操纵基因对活性阻遏物的亲和力衰 退，则无需诱导物便能产生诱导酶，这种突变作用称 为调节性或组成型突变，具有这种特性的菌株称为组 成型突变株 二、酶合成的调节机制 组成型突变株筛选 在诱导物为限制性基质的恒化器中筛选 将菌株轮番在有、无诱导物的培养基中培养 使用诱导性能很差的基质，如苯-半乳糖苷 使用阻碍诱导作用的抑制剂 提高筛选效率的方法，组成型突变株的富集 二、酶合成的调节机制 酶合成
