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1、第四章第四章 微生物的代谢机制微生物的代谢机制 第一节第一节 微生物的代谢调控与发酵生产微生物的代谢调控与发酵生产 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代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、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。有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。 新陈代谢（新陈代谢（metabolismmetabolism）n n是指发生在活细胞中的各种分解代谢是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolismcatabolism）和合成代谢（和合成代谢（anabolismanabolism）的的总和总和 即
2、：即：新陈代谢新陈代谢= =分解代谢分解代谢+ +合成代谢合成代谢n n代谢工程：代谢工程：利用基因工程技术，定向地对利用基因工程技术，定向地对细胞代谢途径进行修饰、改造，以改变微细胞代谢途径进行修饰、改造，以改变微生物的代谢特性，并与微生物基因调控、生物的代谢特性，并与微生物基因调控、代谢调控及生化工程相结合，构建新的代代谢调控及生化工程相结合，构建新的代谢途径，产生新的代谢产物。谢途径，产生新的代谢产物。 微生物细胞的代谢调节方式：微生物细胞的代谢调节方式：n n调节物质透过细胞膜而出入细胞的能力调节物质透过细胞膜而出入细胞的能力n n通过酶的定位调控与相应底物的接近通过酶的定位调控与相应
3、底物的接近n n调节代谢流调节代谢流 其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是两个方面，一是“粗调粗调”，即，即调节酶的合成量调节酶的合成量，二是二是“细调细调”，即，即调节酶分子的催化活力调节酶分子的催化活力，两，两者往往配合和协调，达到最佳调节效果。者往往配合和协调，达到最佳调节效果。n n利用微生物代谢调控能力的利用微生物代谢调控能力的自然缺损自然缺损或或通过人为方法通过人为方法获得突破代谢调控获得突破代谢调控的变异的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株产物的高产菌株。 一、酶活性的调节一
4、、酶活性的调节 n n酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它通过改变酶分子活性来调节新陈代谢的速节，它通过改变酶分子活性来调节新陈代谢的速节，它通过改变酶分子活性来调节新陈代谢的速节，它通过改变酶分子活性来调节新陈代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。n n激活激活 酶活性的激活指在分解代谢途径中，后面的反应酶活性的激活指在分解代谢途径中，后面的反
5、应酶活性的激活指在分解代谢途径中，后面的反应酶活性的激活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可被较前面的中间产物所促进可被较前面的中间产物所促进可被较前面的中间产物所促进; ; ; ;也可是后加入的低也可是后加入的低也可是后加入的低也可是后加入的低分子量的物质导致酶活性的提高分子量的物质导致酶活性的提高分子量的物质导致酶活性的提高分子量的物质导致酶活性的提高。反馈抑制：反馈抑制：反馈抑制：反馈抑制：一条代谢途径的终产物，有时可与一条代谢途径的终产物，有时可与一条代谢途径的终产物，有时可与一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，使酶活该代谢途径的第一步
6、反应的酶相结合，使酶活该代谢途径的第一步反应的酶相结合，使酶活该代谢途径的第一步反应的酶相结合，使酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度减慢。性下降，从而使整条代谢途径的反应速度减慢。性下降，从而使整条代谢途径的反应速度减慢。性下降，从而使整条代谢途径的反应速度减慢。n n抑制抑制 酶活性的抑制酶活性的抑制主要是反馈抑制，主要表现主要是反馈抑制，主要表现在某代谢途径末端产物（即终产物）过量在某代谢途径末端产物（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
7、的过多累积。或停止，从而避免了末端产物的过多累积。竞争性抑制 有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争酶活性中心，使酶活降低。竞争性抑制剂竞争性抑制剂在结构上与在结构上与底物相似底物相似 反馈抑制的类型反馈抑制的类型 n n1直线式代谢途径中的反馈抑制n n2 2分支代谢途径中的反馈抑制。分支代谢途径中的反馈抑制。n n分支代谢途径中，反馈抑制情况较复杂。分支代谢途径中，反馈抑制情况较复杂。n n（1 1 1 1）同功酶调节）同功酶调节）同功酶调节）同功酶调节 n n同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白同功酶是指能催化相同的生化
8、反应，但酶蛋白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，它们虽同存于一个分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个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、免疫和理化特个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。性上却存在着差别。性上却存在着差别。性上却存在着差别。n n同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分同功酶的主要功能在于其代谢调
9、节。在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早支代谢途径中，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，则分支代谢的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢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的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。抑制作用。抑制作用。抑制作用。 n n（2 2 2 2）协同反馈抑制协同反馈抑制协同反馈抑制协同反
10、馈抑制： 指分支代谢途径中的几个末端指分支代谢途径中的几个末端指分支代谢途径中的几个末端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产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一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。种反馈调节方式。种反馈调节方式。种反馈调节方式。n n（3 3 3 3）累加反馈抑制累加反馈抑制累加反馈抑制累加反馈抑制n n（4 4 4 4）顺序反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制：当：当：当：当E E E E过多时，可抑制过多时，可抑制过多时，可抑制过多时，可抑制CDCD
11、CDCD，这时由于这时由于这时由于这时由于C C C C的浓度过大而促使反应向的浓度过大而促使反应向的浓度过大而促使反应向的浓度过大而促使反应向F F F F、G G G G方向进方向进方向进方向进行，结果又造成了另一末端产物行，结果又造成了另一末端产物行，结果又造成了另一末端产物行，结果又造成了另一末端产物G G G G浓度的增高。浓度的增高。浓度的增高。浓度的增高。由于由于由于由于G G G G过多就抑制了过多就抑制了过多就抑制了过多就抑制了CFCFCFCF，结果造成结果造成结果造成结果造成C C C C的浓度进一的浓度进一的浓度进一的浓度进一步增高。步增高。步增高。步增高。C C C C
12、过多又对过多又对过多又对过多又对ABABABAB间的酶发生抑制，从而间的酶发生抑制，从而间的酶发生抑制，从而间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。达到了反馈抑制的效果。达到了反馈抑制的效果。达到了反馈抑制的效果。二、酶合成的调节二、酶合成的调节 n n酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。水平上）的代谢调节。n n凡能促进酶生物合成的现象，称为凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导诱导。n n能阻碍
13、酶生物合成的现象，则称为能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏阻遏。n n与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节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。式是一类较间接而缓慢的调节方式。n n在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调在正常代谢途径中，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。节两者是同时存在且密切配合、协调进行。 （一）酶合成调节的类型（一）酶合成调节的类型 n n1诱导诱导n n酶分成组成酶和诱导酶。酶分成组成酶和诱导酶。n n诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构诱
14、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。类似物而临时合成的一类酶。n n能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，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，也可以是底物结它可以是该酶的底物，也可以是底物结构类似物或底物的前体物质。构类似物或底物的前体物质。酶的诱导合成类型酶的诱导合成类型n n同时诱导同时诱导同时诱导同时诱导：即当诱导物加入后，微生物能同时：即当诱导物加入后，微生物能同时：即当诱导物加入后，微生物能同时：即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于或几
15、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，将乳糖加入到短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到E E E Ecolicolicolicoli培养基中后，即可同时诱导出培养基中后，即可同时诱导出培养基中后，即可同时诱导出培养基中后，即可同时诱导出-半乳糖苷透性半乳糖苷透性半乳糖苷透性半乳糖苷透性酶、酶、酶、酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶合成；半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶合成；半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶合成；半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶合成；n n顺序诱导顺序诱导顺序诱导顺序诱导：即先合成能分解底物的酶，再依次：即
16、先合成能分解底物的酶，再依次：即先合成能分解底物的酶，再依次：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂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。代谢途径的分段调节。代谢途径的分段调节。代谢途径的分段调节。n n2 2 2 2阻遏阻遏阻遏阻遏 n n在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端 产物过量时，可产物过量时，可产物过量时，可产物过量时，可通过阻
17、遏作用来阻碍代谢途径通过阻遏作用来阻碍代谢途径通过阻遏作用来阻碍代谢途径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，从而中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而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更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。n n阻遏作用有利于生物体节省养料和能量。阻遏作用有利于生物体节省养料和能量。阻遏作用有利于生物体节省养料和能量。阻遏作用有利于生物体节省养料和能量。 （1 1）末端产物阻遏）末端产物阻遏
18、n n指由某代谢途径末端产物过量累积而引起的阻遏。指由某代谢途径末端产物过量累积而引起的阻遏。指由某代谢途径末端产物过量累积而引起的阻遏。指由某代谢途径末端产物过量累积而引起的阻遏。n n对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。之合成受阻遏。之合成受阻遏。之合成受阻遏。n n对分支代谢途径
19、来说，情况就较复杂。每种末端对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每种末端对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每种末端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。产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。 （2）分解代谢物阻遏）分解代谢物阻遏当细胞内同时存在两种可利用底物当细胞内同时存在两种可利用底物(碳源或氮源碳源或氮源)时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。关的酶合成。这种阻遏不是由于快速利用底物这种阻遏不是由于快速利用底物
20、直接作用结果，而是由底物分解过程中产生的直接作用结果，而是由底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为中间代谢物引起的，所以称为分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏。葡萄糖效应葡萄糖效应碳分解产物的阻遏作用。当大肠杆菌培养碳分解产物的阻遏作用。当大肠杆菌培养于含有葡萄糖和乳糖的培养基中，菌体出于含有葡萄糖和乳糖的培养基中，菌体出现两次生长旺盛期，这是菌首先利用葡萄现两次生长旺盛期，这是菌首先利用葡萄糖进行生长繁殖，在葡萄糖耗尽后，过一糖进行生长繁殖，在葡萄糖耗尽后，过一段时间菌体才开始利用乳糖。在上述培养段时间菌体才开始利用乳糖。在上述培养基中即使加入乳糖酶诱导物，葡萄糖没耗基中即使加入乳糖酶诱导
21、物，葡萄糖没耗尽，利用乳糖的酶系也不能合成。尽，利用乳糖的酶系也不能合成。培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延滞期；单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延滞期；单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延滞期；单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延滞期；2.同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长三、代谢调控在发酵工业中的应用三、代谢调控在发酵工业中的应用 n n（一）应用（一）应用营养缺陷型菌株营养缺陷型菌株以解除正常的反以解除正常的反馈调节馈调节n n为了解除正常的代谢调节以获得赖氨酸的高产
22、菌株，工业为了解除正常的代谢调节以获得赖氨酸的高产菌株，工业为了解除正常的代谢调节以获得赖氨酸的高产菌株，工业为了解除正常的代谢调节以获得赖氨酸的高产菌株，工业上选育了谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型来生产赖氨酸。上选育了谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型来生产赖氨酸。上选育了谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型来生产赖氨酸。上选育了谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型来生产赖氨酸。其不能合成高丝氨酸脱氢酶，故不能产生高丝氨酸。通过其不能合成高丝氨酸脱氢酶，故不能产生高丝氨酸。通过其不能合成高丝氨酸脱氢酶，故不能产生高丝氨酸。通过其不能合成高丝氨酸脱氢酶，故不能产生高丝氨酸。通过补加高丝氨酸，即可产生大量赖氨酸。补加高
23、丝氨酸，即可产生大量赖氨酸。补加高丝氨酸，即可产生大量赖氨酸。补加高丝氨酸，即可产生大量赖氨酸。（二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节 n n抗反馈调节突变菌株抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑，就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的菌株，或兼而有制不敏感或对阻遏有抗性的菌株，或兼而有之的菌株。之的菌株。n n在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。泌大量的末端代谢产物。 n n（三）控制细胞膜的渗透性（三）控制细
24、胞膜的渗透性（三）控制细胞膜的渗透性（三）控制细胞膜的渗透性 n n微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。度选择性。度选择性。度选择性。n n细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并自然地通过反馈抑制、阻遏限制其进一步合成。自然地通过反馈抑制、阻遏限制其进一步合成。自然地通过反馈抑制、阻遏限制其进一步合成。自然地通过反馈抑制、阻遏
25、限制其进一步合成。n n采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。n n这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。高发酵产物的产量。高发酵产物的产量。高发酵产物的产量。
26、第二节第二节 次生代谢产物次生代谢产物代谢调控机制代谢调控机制微生物代谢类型微生物代谢类型代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物：代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物：n n初初级级代代谢谢产产物物是是指指微微生生物物产产生生的的，生生长长和和繁殖所必需的物质，如蛋白质、核酸等。繁殖所必需的物质，如蛋白质、核酸等。n n次级代谢产物是指由微生物产生的，与微次级代谢产物是指由微生物产生的，与微生物生长、繁殖无关的一类物质。生物生长、繁殖无关的一类物质。( (一一) )次级代谢产物特征次级代谢产物特征n n (1)次次级级代代谢谢产产物物是是由由微微生生物物产产生生的的，不不参参与微生物的生长和
27、繁殖。与微生物的生长和繁殖。n n(2)次次级级代代谢谢产产物物发发酵酵经经历历两两个个阶阶段段，即即营营养养增增殖殖期期和和生生产产期期。如如在在菌菌体体活活跃跃增增殖殖阶阶段段几几乎乎不不产产生生抗抗生生素素。接接种种一一定定时时间间后后细细胞胞停停止止生生长长，进进入入到到恒恒定定期期才才开开始始活活跃跃地地合成抗生素，称为生产期。合成抗生素，称为生产期。n n(3)它它的的生生产产大大多多数数是是基基于于菌菌种种的的特特异异性性来来完成的。完成的。 (5) (5)一般同时产生结构上相类似的多种副组分一般同时产生结构上相类似的多种副组分 (6) (6)生产能力受微量金属离子生产能力受微量
28、金属离子( (FeFe2+2+、FeFe3+3+、ZnZn2+2+、MnMn2+2+、CoCo2+2+、NiNi2+2+等等) )和磷酸盐等无机离子影响。和磷酸盐等无机离子影响。 (7) (7)在多数情况下，增加前体是有效的。在多数情况下，增加前体是有效的。 (8) (8) 次级代谢酶的底物特异性在某种程度次级代谢酶的底物特异性在某种程度上说是比较广的。如果供给与底物结构类上说是比较广的。如果供给与底物结构类似的物质，则可以得到与天然物不同的次似的物质，则可以得到与天然物不同的次级代谢产物。级代谢产物。n n分解代谢与合成代谢的含义及其间的关分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：系可简单地表示为：n n代谢工程：代谢工程：利用基因工程技术，定向地对利用基因工程技术，定向地对细胞代谢途径进行修饰、改造，以改变微细胞代谢途径进行修饰、改造，以改变微生物的代谢特性，并与微生物基因调控、生物的代谢特性，并与微生物基因调控、代谢调控及生化工程相结合，构建新的代代谢调控及生化工程相结合，构建新的代谢途径，产生新的代谢产物。谢途径，产生新的代谢产物。
