微生物代谢的调节

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1、微生物代谢及 代谢的调节n二 主要内容n1微生物细胞内产生的代谢产物的种类和主要 功能。n 2微生物代谢调节的方式，以及在生产实践中 如何人工控制微生物的代谢。n 3发酵的概念和种类。n 三 重点和难点n1教学重点n(1)微生物代谢的调节。n(2)微生物代谢的人工控制。n2教学难点n在生产实践中如何人工控制微生物的代谢活动。一、微生物的代谢n微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不 断地从外界环境中摄取营养物质，在体内 经过一系列的生化反应，转变成能量和构 成细胞的物质，并排出不需要的产物。这 一系列的生化过程称为新陈代谢。 （一）微生物的酶n生物体内的化学反应几乎都要依靠酶的催 化才能进行。酶是

2、由生物细胞合成的，以 蛋白质为主要成分的生物化学反应催化剂 。n从化学组成来看，可分为简单蛋白和结合 蛋白两种酶。n根据酶在细胞中的活动部位，也可将酶分 为胞外酶和胞内酶两种。 n酶作为生化反应的催化剂和其他的催化剂 一样，能显著改变反应的速度，但不能改 变反应的平衡点。n酶有以下几个特点：催化反应的效率高、 具有高度的专一性、容易失活、活性受调 节控制等。（二）微生物的能量代谢n在生物体内，吸能反应所需要的能量是由 放能反应来供给的，两者是偶联进行的。 其中的能量载体主要是ATP。ATP在能量代谢中的作用nATP主要用于供应合成细胞物质（包括贮藏物质）所需的能量。此外，细胞对营养 物质的吸收

3、，鞭毛菌的运动，发光细菌的 发光等所消耗的能量也要由ATP供给。组成细胞的物质主要是蛋白质、核酸、类脂 和多糖，合成这些物质都需要ATP。nATP是腺嘌呤核甘三磷酸（简称腺三磷） 的缩写， ATP的生成和利用是微生物能量 代谢的核心。在生物体内，ATP主要由 ADP的磷酸化生成。生成ATP的过程需要供应能量，能量来自光能或化能。 光合磷酸化作用和氧化磷酸化作用n以光能生成ATP的过程称为光合磷酸化作 用，这种转变需要光和色素作媒介。 n利用化合物氧化过程中释放的能量进行磷 酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化作用 ，它为一切生物所共有，微生物的氧化作 用可根据最终电子受体的性质不同而分为 ：有氧

4、呼吸作用、无氧呼吸作用和发酵作 用。n有氧呼吸作用：以氧分子作为电子（或氢 ）受体的生物氧化过程。n无氧呼吸作用：以无机氧化物（个别为有 机氧化物）作为呼吸链末端氢和电子受体 的生物氧化过程。n发酵作用：在厌氧条件下，以有机物为基 质并以其中间降解产物为氢和电子受体的 氧化过程。（三）微生物的物质代谢n 1微生物的分解代谢：n 微生物在生命活动中，能将复杂的大分子物质 分解为小分子的可溶性物质，并有能量转变过程， 这种物质转变称为分解代谢。大多数微生物都能分 解糖和蛋白质，少数微生物能分解脂类。n2微生物的合成代谢n 微生物的细胞物质主要是由蛋白质、核酸、碳 水化合物和类脂等组成。合成这些大分

5、子有机化合 物需要大量能量和原料。能量来自营养物质的分解 ，至于原料，可以是微生物从外界吸收的小分子化 合物，但更多的是从营养物质分解中获得。微生物 种类很多，合成途径也比较复杂和多种多样。下一 页糖的分解n 糖类是异养微生物的主要碳素来源和 能量来源，包括各种多糖、双糖和单糖。 多糖必须在细胞外由相应的胞外酶水解， 才能被吸收利用；双糖和单糖被微生物吸 收后，立即进入分解途径，被降解成简单 的含碳化合物，同时释放能量，供应细胞 合成所需的碳源和能源。蛋白质及氨基酸的分解n 细菌分解蛋白质的酶有两类，一类为蛋白酶， 另一类为肽酶，前者为胞外酶，能将蛋白质分解为 多肽和二肽。肽类可进入微生物细胞

6、中，肽酶为胞 内酶，将进入细胞内的肽水解为游离的氨基酸，供 菌体利用。n 微生物对氨基酸的分解方式很多，主要为脱氨 作用和脱羧作用。不同细菌水解不同氨基酸除生成 氨基酸外，还有其他物质产生。如大肠杆菌、枯草 杆菌水解含硫氨基酸有H2S产生；大肠杆菌、变形杆 菌水解色氨酸，可形成吲哚。有些细菌则不能，因 此这些特性可用于细菌的鉴定。脂肪的分解n 脂肪是脂肪酸和甘油的结合物。某些 微生物能产生脂肪酶，将脂肪水解为甘油 和脂肪酸。甘油和脂肪酸可被微生物摄入 细胞内，进行代谢。分解代谢产物和相关的生化反应n1、单糖发酵试验n2、甲基红试验（M）n3、VP试验（V）n4、枸橼酸盐利用试验（C）n5、吲哚

7、试验（I）n6、硫化氢试验 返回IMViCIMViC试验试验初级级代谢谢与次级级代谢谢 （Primary and secondary metabolism)n初级级代谢谢：普遍存在于一切生物中，是与 生物生存有关的、涉及到产产能和耗能的代 谢类谢类 型；n次级级代谢谢：某些生物为为避免在初级级代谢过谢过 程中某些中间产间产 物积积累所造成不利作用而 产产生的一类类有利于生存的代谢类谢类 型。 次级代谢产物n热原质n毒素与侵袭性酶n细菌素n色素n抗生素n维生素热原质n能引起机体发热的物质。n分为内源性热原质（机体自身产生）和外 源性热原质（内毒素、外毒素、G-的外膜 成分等）。n在250下作用3

8、0min或180 下作用4hr， 或强酸强碱强氧化剂30min才能破坏热原质 或使其致热效应消失。n注射液、生物制品、抗生素以及输液用的 蒸馏水均不能含有热原质。外毒素与内毒素n外毒素（toxin）：由致病性细菌产生的可 以分泌到胞外的毒素，其化学成分为蛋白 质，毒性强。n内毒素（endotoxin）：为细菌（通常是G- ）细胞壁的结构物质，如脂多糖中的类脂A 。这类毒素不能向胞外分泌，只有在细菌 死亡或裂解后才能释放出来。细菌素n由某些细菌合成的一种具有杀菌作用的蛋 白质物质。其作用范围窄，仅对产生菌亲 缘关系较近的细菌有杀伤作用。细菌素和抗生素的区别 返回二、微生物代谢的调节 n代谢调节分

9、为三类: 酶的调节 激素的调节 神经调节其中酶的调节是最基本的调节方式，是一切调节的基础。 酶的调节n由于代谢过程中几乎所有的生化反应都是 通过酶的催化实现的，因此代谢调节实际 是控制酶的数量和活性的变化。n酶数量的控制主要是通过对酶合成途径的 调控系统来实现。有诱导和阻遏两种调控 方式，前者诱发酶的合成，后者阻止酶的 合成。酶的激活与抑制n酶活性的调节是通过改变酶结构本身的构 象来实现的。调节方式有激活和抑制两种 。n激活作用常见于分解代谢途径中前体对参 与后面反应的酶进行激活，促使它们反应 速度加快。n抑制作用常见于合成代谢的末端产物对合 成反应的关键酶进行反馈抑制，以减慢或 中止生物合成

10、。关键酶（Key enzyme） 往往是代谢途径的第一步反应的酶（a）或是分支代 谢途径中分支点上的酶（b、c、f）或整个代谢途径中的 限速酶或催化不可逆反应的酶（c） ABCDEFGabcdfg许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活性来调节。通过控制酶浓度的调节要牵涉到基因、mRNA、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。 另一种通过调节酶活性，这是快速调节 ，在几分钟到几十分钟内完成。 酶浓度的调节 诱导阻遏终产物的阻遏分解代谢产物阻遏（一） 酶浓度的调节诱导作用（induction）： 指用诱导

11、物（inducer）来促进酶的合成，这种作用称诱导作用。 阻遏作用（repression）： 指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏作用。 1、酶合成的诱导作用 在细菌中普通存在，如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳糖，但23分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶 （1）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）-半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。 （3）-半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙 酰基酶）：这酶的功能不清，可能是将不能代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体 外。乳糖究竟如何诱导了这三种酶的合成呢？

12、 1961年法国Monod和Jacob提出了著名的乳糖操纵子(lactose operon）模型，这模型的提出犹如当年Watson和Crick发现DNA双螺旋模型一样，受到人们的重视，人们把它看作生 物学的第二个里程碑。 乳糖操纵子模型的基本要点 调节基因启动子操纵基因结构基因A操纵子（operon）BC一群功能相关的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。 一群功能相关的结构基因（structural gene）和操纵基因（ operator）、启动子（promoter）组成了一个操纵子(operon) 。 为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基 因（regul

13、ator gene）所调节。 结构基因：决定酶蛋白或蛋白质的基因。 操纵基因：转录的开关，可打开或关闭结构基因的转录。 启动子：专管转录起始，上面有RNA聚合酶的结合位点。 调节基因：为阻遏蛋白编码。 酶合成的诱导（下一页）诱导物：乳糖或乳糖类似物IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷） 返回现在知道乳糖操纵子除需诱导物外，还需cAMP和 cAMP受体蛋白（CRP），当cAMP与CRP结合成复合物 时，这复合物能结合到启动子上，促使转录的起始。 结构基因操纵基因启动子RNA 聚合酶CRPcAMP复合物CRP cAMP乳糖操纵子中酶合成代谢小结n当缺乏乳糖时，就会生产少量的酶（操纵 基因与LacI结

14、合）。 n当存有乳糖，而同时亦有其他首选的碳源 （如葡萄糖）时，就会生产少量的酶（ LacI没有与操纵基因结合）。 n当乳糖是首选的碳源时，cAMP-CAP会与启 动子结合，而Lac酶的生产会最大化。 （2）酶合成的阻遏作用 最终产物的阻遏： 以E.Coli Trp操纵子为例，Trp操纵子含有5个结构基因，它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为Trp，Trp是辅助遏物（corepressor）。 酶合成的阻遏作用利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞，操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。真核细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上，它

15、们并不组成一个操纵子。 分解代谢产物的阻遏： E.Coli以乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖有关的三种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则优先利用Glc，等Glc耗尽后才能利用乳糖，也就是说在大量Glc时，乳糖操纵子还是关闭，Glc阻遏了乳糖代谢有关的三种酶的合成，这种现象过去称为葡萄糖效应（glucose effect）。后来知道这是由于Glc分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物阻遏（catabolite repression）。 GCATPcAMP5-AMP腺苷酸环化酶磷酸二酯酶CRPcAMPCRP复合物结构基因分 解 代 谢 产 物启动子 操纵基因分解代谢产物阻遏，

16、 即葡萄糖效应的机制：2酶活性的调节： v 反馈抑制v 共价修饰 （1）反馈抑制（feedback inhibition）： 也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的活力起抑制作用。 反馈抑制在代谢中见了很多，特别是在氨基酸和 核苷酸的生物合成中，这类例子更多。 （）共价修饰（covalent modification）： 亦称化学修饰，就是在调节酶分子上以共价键连上与或脱下某种特殊的化学基团，从而引起酶活性的改变，这类酶称共价修饰酶。自从1955年Krebs和Sutherland等有关糖原磷酸化酶的研究以来，到目前已经知道的有100多种酶在它被翻译后进行共价修饰。 目前已知有6种类型的共价修饰酶 磷酸化/脱磷酸化 腺苷酰化/脱腺苷酰化 乙酰化/脱乙酰化 尿苷酰化/脱尿苷酰化 甲基化/脱甲基化 S-S/SH相互转变 磷