微生物学：第五章 第四节微生物的代谢调控

1、第四节第四节 微生物的代谢调控微生物的代谢调控 一一 微生物代谢过程中的自我调节（掌握）微生物代谢过程中的自我调节（掌握） 二二 酶活性的调节（了解）酶活性的调节（了解） 三三 酶合成的调节酶合成的调节 （掌握）（掌握） 四四 代谢调节在发酵工业中的应用代谢调节在发酵工业中的应用（了解）（了解） 微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的 代谢调节能力超过高等生物。代谢调节能力超过高等生物。 成因：成因：细胞体积小，所处环境多变。细胞体积小，所处环境多变。 举例举例：大肠杆菌细胞中存在大肠杆菌细胞中存在25002500种蛋白质，其中

2、上千种是催化正种蛋白质，其中上千种是催化正 常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳1010万个蛋白质分万个蛋白质分 子，所以每种酶平均分配不到子，所以每种酶平均分配不到100100个分子。个分子。 解决途径解决途径：组成酶组成酶（constitutive enzymeconstitutive enzyme）经常以高浓度存在，）经常以高浓度存在， 其它酶都是其它酶都是诱导酶诱导酶（inducible enzymeinducible enzyme），在底物或其类似物存），在底物或其类似物存 在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的在时才合成，诱导酶的

3、总量占细胞总蛋白含量的10%10%。 一一 、微生物代谢过程中的自我调节、微生物代谢过程中的自我调节 微生物代谢调节：在微生物代谢调节：在代谢途径水平上对酶活性的调节代谢途径水平上对酶活性的调节和在和在基因水基因水 平上对酶合成的调节平上对酶合成的调节，目的是积累对人类优异的代谢产物。，目的是积累对人类优异的代谢产物。 微生物调节代谢的方式微生物调节代谢的方式 1.1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞 2.2.通过酶的定位控制酶与底物的接触通过酶的定位控制酶与底物的接触 3.3.控制代谢物流向控制代谢物流向 1.1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞

4、膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成 迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。 2.2.通过酶的定位控制酶与底物的接触通过酶的定位控制酶与底物的接触 1 1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各 自行使某种特异的功能；自行使某种特异的功能； 2 2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使 功能。功能。 3. 3. 控制代谢物流向：控制代谢物流向：( ( 通过酶促反应速度来调节通过酶促反应速度

5、来调节) ) 1) 1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代 谢物流向：如谢物流向：如: : GluGlu脱氢酶：脱氢酶： 以以NADPNADP为辅基为辅基 GluGlu合成合成 以以NADNAD为辅基为辅基 GluGlu分解分解 2)2)通过调节酶的活性或酶的合成量。通过调节酶的活性或酶的合成量。 关键酶关键酶: : 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。 粗调：调节酶的合成量粗调：调节酶的合成量 细调：调节现有酶分子的活性细调：调节现有酶分子的活性 通过改变现成的酶分子活性

6、来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子 水平上的调节，属于水平上的调节，属于精细的调节精细的调节。 调节方式：包括两个方面：调节方式：包括两个方面： 1 1、酶活性的激活：、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促 进的现象；常见于分解代谢途径。进的现象；常见于分解代谢途径。 如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进 2 2、酶活性的抑制：、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。包括：竞争性抑制和反馈抑制。 概念

7、：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性概念：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性 的影响。的影响。 凡使反应速度加快的称正反馈；凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制 该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除作用直接、效果

8、快速、末端产物浓度降低时又可解除 二二 、酶活性的调节、酶活性的调节 酶活力调节的机制酶活力调节的机制 变构酶理论：变构酶理论： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部 位，一个是活性中心，另一个是调节中心。位，一个是活性中心，另一个是调节中心。 活性位点活性位点: : 与底物结合与底物结合 变构位点变构位点: : 与抑制剂结合与抑制剂结合, ,构象变化构象变化, ,不能与底物结合不能与底物结合 与激活剂结合与激活剂结合, , 构象变化构象变化, ,促

9、进与底物结合促进与底物结合 变构酶与变构诱导物结变构酶与变构诱导物结 合，酶分子空间构象的合，酶分子空间构象的 变化变化 ，影响酶活。，影响酶活。 三、酶合成的调节三、酶合成的调节 通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的 调节机制，是基因水平上的调节，属于粗调节机制，是基因水平上的调节，属于粗 放的调节，间接而缓慢。放的调节，间接而缓慢。 诱导诱导(induction)(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞 合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用

10、 而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物 而临时合成的酶类）。而临时合成的酶类）。 举例：举例：E.coliE.coli在含乳糖的培养基中合成在含乳糖的培养基中合成-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和 半乳糖苷渗透酶等。半乳糖苷渗透酶等。 酶合成调节的类型酶合成调节的类型 组成酶（固有酶）：组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合不依赖底物或底物结构类似物的存在而合 成的酶。如：成的酶。如：EMPEMP途径的一些酶。途径的一些酶。 诱导酶：诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：依赖于底物或底物结构类似物的存在而

11、合成的酶。如： 乳糖酶。乳糖酶。 诱导物诱导物(inducer)(inducer)：底物或结构类似物，如：异丙基底物或结构类似物，如：异丙基- -D- -D-硫代硫代 半乳糖苷（半乳糖苷（IPTGIPTG，isopropylthiogalactosideisopropylthiogalactoside）。）。 诱导作用的类型：诱导作用的类型： 同时诱导：同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶 的合成，主要存在于短的代谢途径中。的合成，主要存在于短的代谢途径中。 顺序诱导：顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间先合成能分解底物的酶，再合成

12、分解各中间 代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。 酶合成的阻遏（酶合成的阻遏（repressionrepression） 终产物的阻遏：终产物的阻遏：（ 反馈阻遏反馈阻遏) ) 即在合成代谢中，终产物阻遏即在合成代谢中，终产物阻遏 该途径该途径 所有酶的合成。为基因表达的控制所有酶的合成。为基因表达的控制 。 如：色氨酸如：色氨酸 (Try)(Try)合成的调控。合成的调控。 降解产物的阻遏：降解产物的阻遏： 有葡萄糖时：有葡萄糖时： cAMP cAMP的产生受葡萄糖抑制。葡萄糖降的产生受葡萄糖抑制。葡萄糖降 解物抑制腺苷酸环化酶的活性，解物抑制腺苷

13、酸环化酶的活性，cAMPcAMP浓度下降，浓度下降，cAMPcAMP不与不与CAPCAP结合，结合， RNARNA多聚酶不能结合，转录不能进行。多聚酶不能结合，转录不能进行。 无葡萄糖时：无葡萄糖时： cAMP cAMP浓度上升，浓度上升，cAMPcAMP与与CAP(CAP(降解物的激降解物的激 活蛋白活蛋白) )结合结合, ,与启动基因结合，转录进行与启动基因结合，转录进行. . 酶合成调节的机制酶合成调节的机制( (操纵子学说概述操纵子学说概述) ) 操纵子（操纵子（operonoperon）：）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中是基因表达和控制的一个完整单元，其中 包括结构基因，调节

14、基因，操作子和启动子。包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。 结构基因结构基因(structural genes)(structural genes)：是决定某一多肽的是决定某一多肽的DNA DNA 模板，可根模板，可根 据其上的碱基顺序转录出相应的据其上的碱基顺序转录出相应的mRNAmRNA，然后再可通过核糖体转译出，然后再可通过核糖体转译出 相应的酶（编码蛋白质的相应的酶（编码蛋白质的DNADNA序列）；序列）； 启动子启动子(promoter)(promoter)：能被依赖于能被依赖于DNADNA的的RNARNA聚合酶所识别的碱基顺序，聚合酶所识别的碱基顺序， 是是RNARNA聚合酶的

15、结合部位和转录起点（在许多情况下还包括促进这一聚合酶的结合部位和转录起点（在许多情况下还包括促进这一 过程的调节蛋白结合位点）；过程的调节蛋白结合位点）； 操作子（操作子（operatoroperator）：）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺 序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基 因的转录是否能进行；因的转录是否能进行； 调节基因（调节基因（regulator generegulator gene）：）：用于编码组成型调节蛋白的基因，用于编码组成型调节蛋白的基因， 一般

16、远离操纵子一般远离操纵子, ,但在原核生物中但在原核生物中, ,可以位于操纵子旁边可以位于操纵子旁边, ,编码调节蛋编码调节蛋 白。白。 To use lactose as an energy source, cells To use lactose as an energy source, cells must contain the enzyme must contain the enzyme -galactosidase. -galactosidase. Utilization of lactose also requires the enzyme Utilization of lact

17、ose also requires the enzyme lactose permease to transport lactose into the lactose permease to transport lactose into the cell.cell. IPTG: non-metabolizable artificial inducer IPTG: non-metabolizable artificial inducer (cant be cleaved)(cant be cleaved) Trans- glycosylation LacZ: LacZ: -galactosida

18、se; Y: galactoside permease;-galactosidase; Y: galactoside permease; LacA: Thiogalactoside transacetylaseLacA: Thiogalactoside transacetylase P: promoter; O: operator.P: promoter; O: operator. LacI: repressor; PI and LacI are not part of the LacI: repressor; PI and LacI are not part of the operonope

19、ron. 工业发酵的目的：工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。大量积累人们所需要的微生物代谢产物。 代谢的人工控制：代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝 着人们希望的方向进行。着人们希望的方向进行。 人工控制代谢的手段：人工控制代谢的手段： 改变微生物遗传特性；改变微生物遗传特性； 控制发酵条件；控制发酵条件； 改变细胞膜透性。改变细胞膜透性。 四、代谢调节在发酵工业中的应用四、代谢调节在发酵工业中的应用 （一）应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节（一）应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节 天冬天冬 氨酸氨酸 天冬氨酸

20、天冬氨酸 磷酸磷酸 天冬氨酸天冬氨酸 半醛半醛 高丝氨酸高丝氨酸 苏苏 氨氨 酸酸 甲甲 硫硫 氨氨 酸酸 C.glutamicumC.glutamicum的代谢调节与赖氨酸生产的代谢调节与赖氨酸生产 赖氨酸赖氨酸 为反馈抑制为反馈抑制为阻遏为阻遏 AKAK HSDHHSDH （二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节（二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节 抗反馈控制突变株抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有 抗性，或两者兼有之的菌株。抗性，或两者兼有之的菌株。 抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性突变株和抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性突变株和 营养缺陷性回复突变株中获得。营养缺陷性回复突变株中获得。 目标产物目标产物结构类似物结构类似物 赖氨酸赖氨酸S-S-（2 2氨基乙基）氨基乙基）-L-L半胱氨酸半胱氨酸- - (AEC)(AEC) 苏氨酸苏氨酸 - -氨基氨基- - - -羟基戊酸（羟基戊酸（AHV)AHV) 异亮氨酸异亮氨酸乙硫氨酸乙硫氨酸 精氨酸精氨酸D-D-精氨酸精氨酸 苯丙氨酸苯丙氨酸对氟苯丙氨酸对氟苯丙氨酸 （三