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1、第三章微生物的代谢调节和代谢工程 第一节微生物代谢的自我调节第二节代谢调控第三节次级代谢产物的主要调控机制第四节代谢工程 教学目的与要求 掌握微生物自身代谢和次级代谢的机理 有关概念及代谢调控 了解代谢工程设计的方向 教学重点与难点 微生物自身代谢和次级代谢的机理 有关概念及代谢调控 微生物的生长繁殖和新陈代谢代谢类型 主要依赖两种代谢途径 分解代谢合成代谢 分解代谢 指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化 产生简单分子 腺苷三磷酸 ATP 形式的能量和还原力 或称还原当量 一般用 H 来表示 的作用 微生物通过分解代谢从环境中吸收的各种碳源 氮源等物质降解 为生命活动提供能源和小分子中间体
2、 包括 中心途径如TCA EMP HMP及外围途径 指碳源 氮源通过分解进入中心途径 合成代谢与分解代谢正好相反 指在合成代谢酶系的催化下 由简单小分子 ATP形式的能量和 H 形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程 或利用分解代谢的能量和中间体合成氨基酸 核酸等单体物质及蛋白质 多糖等多聚物 分解代谢与合成代谢是互相关联 互相制约 是生命活动的基础 正常微生物的小分子物质的合成和降解是自身调节 研究微生物代谢调节的意义 十分重要 在工业上可通过对微生物的代谢途径加以控制来满足生产的需要 如 谷氨酸发酵菌种 微生物的代谢产物可分为 初级代谢产物定义 微生物通过代谢活动所产生的 自身生长和繁殖所
3、必需的物质 举例 氨基酸 核苷酸 多糖 脂类 维生素等 特征 不同的微生物初级代谢产物基本相同 初级代谢产物合成过程是连续不断的 与菌体的生长呈平行关系 次级代谢产物定义 微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂 对该微生物无明显生理功能 或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质 举例 抗生物 毒素 激素 色素等 特征 不同的微生物次级代谢产物不同 次级代谢产物的通常在菌体的生长后期合成 发酵分两个阶段进行 即营养增殖期和生产期 在多数情况下 增加前体是有效的 两种代谢产物的不同 1 次级代谢通常在生长后期合成 不是微生物生长所必需的 不参与微生物的生长和繁殖 2 次级代谢对环境条件的变化很敏
4、感 其产物的合成往往会因环境条件的变化而停止 3 不同微生物的次级代谢产物有很大区别 基于菌种的特异性4 催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强 第一节微生物代谢的自我调节 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统 以保证上千种酶能正确无误 有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应 微生物细胞的代谢调节方式很多 例如可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力 通过酶的定位以限制它与相应底物的接近 以及调节代谢流等 其中以调节代谢流的方式最为重要 它包括两个方面 一是 粗调 即调节酶的合成量 二是 细调 即调节现成酶分子的催化活力 两者往往密切配合和协调 以达到最佳调节效果 微生物自我调节部位
5、1养分的吸收和排泄细胞膜2限制基质与酶的接近3控制通量 调节现有酶量和改变酶分子的活性都涉及到酶促反应的调节包括酶活性的调节和和酶合成的调节 一 酶活性的调节 酶活性的调节 指在酶分子水平上的一种代谢调节 它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率 酶活性的抑制激活是微生物代谢中存在的两种矛盾的过程 酶活性的激活系指在分解代谢途径中 后面的反应可被较前面的中间产物所促进 酶活性的抑制主要是反馈抑制 它主要表现在某代谢途径的末端产物 即终产物 过量时 这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性 促使整个反应过程减慢或停止 从而避免了末端产物的过多累积 图 大肠杆菌代谢过程的抑制剂和激活
6、剂 一 酶活性的激活 常见的酶活性的激活是前体激活 多发生在分支代谢途径 即代谢途径中的后面的反应可被较前面的一种代谢中间产物所促进 如 粗糙脉胞酶的异柠檬酸脱氢酶的活性受到柠檬酸的激活 二 酶活性的抑制 酶活性的抑制包括 竞争性抑制反馈抑制反馈抑制 指反应途径中某些中间产物或末端产物对该途径中前面反应的影响 凡是反映加速地称为正反馈 凡是反应减速的称为负反馈 末端产物的反馈抑制普遍存在于合成途径中 反馈抑制 直链式分支代谢途径 两种以上的末端产物 反馈抑制的类型 1 直线式代谢途径中的反馈抑制 2 分支代谢途径中的反馈抑制 反馈抑制的情况较为复杂 为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另
7、一分支上产物的供应 微生物已发展出多种调节方式 1 同功酶调节同功酶是指能催化相同的生化反应 但酶蛋白分子结构有差异的一类酶 它们虽同存于一个个体或同一组织中 但在生理 免疫和理化特性上却存在着差别 同功酶的主要功能在于其代谢调节 在一个分支代谢途径中 如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时 则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用 如 大肠杆菌天冬氨族氨基酸合成途径中 有三个同工酶天冬氨酸激酶 分别受赖氨酸 苏氨酸 硫氨酸反馈调节 2 协同反馈抑制 指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式 如 谷氨酸棒杆菌合成天
8、冬氨族氨基酸时 天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制 3 累积反馈抑制 催化分支合成途径第一步反应的酶有几种末端产物抑制物 但每一种如过量 按一定百分率单独抑制共同途径中的第一个酶活性 总的抑制效果是累加的 各末端产物所起的抑制作用互不影响 只影响这个酶促反应的速率 两种末端产物同时存在时 可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用 4 增效反馈抑制 代谢途径中任何一种末端产物过量时 仅部分抑制共同途径中的第一个酶活性 但两个末端产物同时过量时 其抑制作用可超过各产物存在的抑制能力的总和 如6 氨基嘌呤核苷酸和6 酮基嘌呤核苷酸合成途径 5 顺序反馈抑制 每个分支末端产物抑制分支后的第一
9、个酶 产生部分抑制作用 通过逐步有顺序的方式达到的调节 如枯草芽孢杆菌的芳香族氨基酸合成途径和球型红假单胞菌的苏氨酸合成途径 当E过多时 可抑制C D 这时由于C的浓度过大而促使反应向F G方向进行 结果又造成了另一末端产物G浓度的增高 由于G过多就抑制了C F 结果造成C的浓度进一步增高 C过多又对A B间的酶发生抑制 从而达到了反馈抑制的效果 这种通过逐步有顺序的方式达到的调节 称为顺序反馈抑制 二 酶合成的调节 酶量 酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节微生物的代谢速率 这是一种在基因水平上 在原核生物中主要在转录水平上 的代谢调节 有诱导调节和阻遏调节 根据酶的生成是否与环境中
10、所存在的该酶底物或其有关物的关系 可把酶划分成组成酶和诱导酶两类 有些酶的合成不依赖于环境中物质的存在 如糖酵解途径中的各种酶 称为组合酶 另一些酶只有在它们催化的底物 或底物的结构类似物 存在时才能合成 此种酶称为诱导酶 凡能促进酶生物合成的现象 称为诱导 能阻碍酶生物合成的现象 则称为阻遏 与上述调节酶活性的反馈抑制等相比 调节酶的合成 即产酶量 而实现代谢调节的方式是一类较间接而缓慢的调节方式 其优点则是通过阻止酶的过量合成 有利于节约生物合成的原料和能量 在正常代谢途径中 酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且密切配合 协调进行的 一 酶合成调节的类型 1 诱导诱导酶 另一些酶只有在它
11、们催化的底物 或底物的结构类似物 存在时才能合成 此种酶称为诱导酶 诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶 能促进诱导酶产生的物质称为诱导物 它可以是该酶的底物 也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质 外源诱导物 外源加入的 内源诱导物 菌体代谢途径的某些中间产物也能诱导该途径的某些酶系的合成 这些中间产物称为内源诱导物 酶的诱导合成类型 同时诱导 当诱导物加入后 微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成 它主要存在于短的代谢途径中 例如 将乳糖加入到E coli培养基中后 即可同时诱导出 半乳糖苷透性酶 半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成 顺序诱导 先合成能分解底物
12、的酶 再依次合成分解各中间代谢物的酶 以达到对较复杂代谢途径的分段调节 2 阻遏在微生物的代谢过程中 当代谢途径中某末端产物过量时 除用反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少末端产物的生成外 通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成 从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成 反馈阻遏 指代谢的终产物达到一定浓度时 反馈阻遏该代谢途径的一种或几种酶的生物合成 阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量 阻遏的类型主要有两种 末端代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏 1 末端产物阻遏 定义 指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏 对直线式反应途径 末端产物阻遏的情况较为简
13、单 即产物作用于代谢途径中的各种酶 使之合成受阻遏 对分支代谢途径来说 情况就较复杂 每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶 多价阻遏 有两种或两种以上的末端产物的分支代谢途径中 当分支代谢途径中的几种末端产物同时过量就反馈阻遏其分支点以前的共同途径的 公共酶 的合成 仅一种产物过量无阻遏作用 末端产物阻遏在代谢调节中有着重要的作用 它可保证细胞内各种物质维持适当的浓度 2 分解代谢产物阻遏 定义 指细胞内同时有两种分解底物 碳源或氮源 或其分解产物存在时 被菌体迅速利用的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象 分解代谢物的阻遏作用 并非由于快速利用的碳源本身直接作用的结果
14、 而是通过碳源 或氮源等 在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用 因此 分解代谢物的阻遏作用 就是指代谢反应链中 某些中间代谢物或末端代谢物的过量累积而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象 两种调节的对比 三 能荷的调节 能荷指细胞中ATP ADP AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度 能荷调节 或称腺苷酸调节 指细胞通过改变ATP ADP AMP三者的比例来调节其代谢活动 细胞内3种腺苷酸含量不同 细胞的能荷状态不同 能荷状态用 能荷 表示 当细胞内全部为ATP 能荷为100 当细胞内全部为ADP 能荷为50 ATP可以认为是糖分解代谢的末端产物 当ATP过量就对糖分解代谢产生反馈抑制
15、 当ATP降解为ADP 能量释放于其他的生化反应 反馈抑制被解除 R曲线合成系统 如磷酸果糖激酶 柠檬酸合成酶等 U曲线消耗ATP的酶系 柠檬酸裂解酶 磷酸核糖焦磷酸合成酶 PRPP 等 当能荷 0 75 合成受到抑制 酶活性急速下降 消耗ATP的酶活性急速上升 两系统在0 85处交叉 酶系达到平衡 这种现象存在于许多生长状态的细胞中 细胞通过调节腺苷酸的比例 来协调分解代谢与合成代谢的代谢速率 第二节代谢调控 微生物在正常生长条件下 可以通过自我调节使机体内的代谢途径与代谢类型互相协调与平衡 通常不会过量积累初级代谢产物 在某种条件下 过量积累的中间代谢产物也能够被诱导酶转化为次级代谢产物
16、但在人为条件的控制下 可以使微生物过量产生各种初级代谢产物和次级代谢产物 初级代谢产物控制比较简单 它的形成一般只需要营养条件即可生成 通过改变发酵工艺条件如pH 温度 培养基组成和微生物遗传特性等 达到改变菌体内的代谢平衡 过量产生所需要产物的目的 可通过发酵条件控制改变细胞的渗透性改变菌种的遗传特性 一 发酵条件的控制 1各种发酵条件对微生物代谢的影响同一种微生物在同样的培养基中进行培养时 只要控制不同的发酵条件 就可能获得不同的代谢产物 如 啤酒酵母在中性和酸性条件下培养 可将葡萄糖氧化生成乙醇和二氧化碳 当在培养基中加入亚硫酸氢钠或在碱性条件下培养时 则并不产生乙醇 而是产生甘油 控制不同的发酵条件 实际上是影响微生物自身的代谢调节系统 而改变其代谢方向 使之按人们所需要的方向进行 进而达到获得高浓度积累所需要产物的目标 2使用诱导物许多与蛋白质 糖类或其他物质降解有关的酶类都是诱导酶 在发酵过程中加入相应的底物作为诱导物 可以有效地增加这些酶的产量 如 在木霉发酵生产纤维素酶中 加入槐糖可以诱导纤维素酶的产生 木糖可以诱导半纤维素酶的生成 青霉素酰化酶可用苯乙酸为诱导物 乙内
