第十章微生物代谢调节

1、第十章 微生物代谢调节第一节 代谢调节方式第二节 酶活性的调节第三节 酶合成的调节第四节 代谢调控w 微生物代谢调节 是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应速度的调节。 代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径，即解决代谢何种产物的问题。 代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢，即解决代谢多少产物的问题。 （1）细胞膜w 膜的脂质的分子结构，以及环境条件对膜脂质理化性质的影响w 膜蛋白质的绝对数量及其活性的调节w 跨膜的电化学梯度以及ATP、ADP、AMP体系及无机磷浓度对溶质输送的调节w 细胞壁结构的部分破坏或变形，间接影响到膜对溶质的通透性 （2）酶本身w 调节酶的生成量，增加或减少

2、关键酶的合成速度或降解速度w 改变已有酶分子的活性，抑制或激活（3）酶与底物的相对位置及间隔状况w 代谢活动只能在特定的部位进行，即代谢活动是区域化的w 实质是控制酶与底物的接触，使各个反应有序进行w 代谢通道控制作用，即通过控制酶与底物的相对位置来控制代谢途径活性的方式w 如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，与蛋白质合成有关的酶系则位于核蛋白体上，分解大分子的水解酶，在革兰氏阴性菌是位于壁膜间隙中，革兰氏阳性菌是将这些水解酶类分泌于胞外。二、微生物代谢调节分类w 代谢途径区域化w 代谢流向的调控w 代谢速度的调控w 细胞透性的调节§ 酶活性的调节二、前馈与反馈w 前馈：底物或前体物水平的

3、抑制与激活称为前馈；w 反馈：产物（常为终产物）的抑制与激活称为反馈。三、酶活性调节的方式1、无分支代谢途径Ø 前馈作用Ø 终产物抑制Ø 补偿性激活（3）补偿性激活w 某一终产物的合成需要两种前体时，另一前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的酶的活性。 酶 D E A B C F G H I J2. 分支代谢途径w 在有两种或两种以上的末端产物的分支代谢途径中，调节方式较为复杂。w （1）协同反馈抑制w （2）累积反馈抑制w （3）增效反馈抑制w （4）顺序反馈抑制w （5）同工酶的反馈抑制一、酶合成的诱导（induction of enzyme synthesi

4、s）w 协同诱导：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。半乳糖可同时诱导产生半乳糖激酶、转移酶和表异构酶；乳糖可同时诱导产生渗透酶，-半乳糖苷酶和乙酰激酶。w 顺序诱导：一种诱导剂诱导产生的酶的反应产物可继续诱导产生下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为顺序诱导。荧光假单胞菌降解芳香族化合物的的酶系。酶的诱导v 如某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才能产生淀粉酶。曲霉只有生长在蔗糖培养基中才产生蔗糖酶；酵母菌在有氧时才合成细胞色素，在无氧时，细胞色素的合成则停止，当再置于有氧环境中，细胞色素又开始合成。v 诱导酶只有在诱导剂存在时才生成，当除去诱导剂后，酶的合成便停止了。v 由于酶诱

5、导生成的调节，使得微生物只有在需要时才合成某种酶，不需要时便不合成，这对微生物新陈代谢是十分经济有利的。二、酶合成的阻遏（repression of enzyme synthesis ）w 1、分解代谢产物阻遏w 在酶合成的阻遏中，代谢产物是某种化合物分解的中间产物，这种阻遏方式称为分解代谢产物阻遏。w 可被组成酶快速利用的基质，阻遏了分解难以利用的基质的酶的合成。w 并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是由底物分解过程中产生的中间代谢物引起。w 分解代谢物阻遏现象是在研究微生物对混合碳源利用所表现的二次生长现象的过程中被揭露出来的。Monod于1942年研究枯草杆菌在有葡萄糖和阿拉伯糖的

6、培养基中生长时，首先发现了二次生长的现象。凡是快速被利用的基质都可阻止对其他基质的利用，只有当快速利用的基质被消耗之后，才开始利用第二种基质，而表现出二次生长。w 发生二次生长的原因，是由于利用葡萄糖的酶系是固有的，而利用乳糖（或阿拉伯糖、半乳糖）的酶系是诱导生成的。w 在有葡萄糖的情况下，阻遏了利用乳糖的酶系的合成。因而只有当葡萄糖被利用完之后，乳糖才能诱导能利用它的酶系合成，由于合成新酶系需要一定的时间，所以在二次生长之间出现了一段停滞期。2、末端代谢产物阻遏w 在酶合成的阻遏中，如果代谢产物是某种合成途径的终产物，这种阻遏方式称为末端代谢产物阻遏。w 直线式代谢途径：末端产物引起代谢途径

7、中各种酶的合成终止。w 分支代谢途径：只有当所有末端产物同时存在时，才能发挥阻遏作用，任何一种末端产物的单独存在，都不影响酶的合成。末端代谢产物阻遏：这种现象在氨基酸、维生素和核苷酸等合成途径中普遍存在。（1）乳糖操纵子的结构w 结构基因：决定酶蛋白或蛋白质的基因。w 操纵基因：转录的开关，可打开或关闭结构基因的转录。w 启动子：专管转录起始，上面有RNA聚合酶的结合位点。w 调节基因：编码阻遏蛋白。葡萄糖效应的机制：w 如乳糖代谢有关的酶合成的诱导只在没有葡萄糖的情况下，才能发生。如有葡萄糖时，即使有诱导剂，也不能诱导出诱导酶。w 这是因为葡萄糖的存在，分解葡萄糖的组成酶迅速将葡萄糖降解成某

8、种中间产物X，X既会阻止ATP环化形成cAMP，又会促进cAMP分解成AMP，使细胞内水平下降，而是聚合酶与启动子有效结合所必需的。如果聚合酶不能和启动子结合，则转录无法进行，阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。葡萄糖效应的机制：w 单独不能起作用，它必须和它的专一性结合蛋白（）组成复合物之后，才能与启动子中复合物结合位点结合。一旦此复合物结合在启动子上，聚合酶才能与启动子的特定区域结合并准备执行转录的功能。w 只有当葡萄糖被利用后，浓度上升，恢复到正常浓度，复合物得以与启动子结合，并促使聚合酶进行转录，利用乳糖作为碳源，形成菌体的二次生长。 两种调节的对比5、诱导组成型突变株w 调节基因发生突

9、变，产生无效的阻遏物而不能与操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成结构基因不受控制地转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不被末端产物或分解代谢物阻遏。w 为解除对诱导物的依赖，可通过诱变改变菌种的遗传特性，筛选组成型突变株。w 筛选的方法是设计某种有利于组成型菌株生长，并限制诱导型菌株生长的培养条件。6、诱导抗性突变株w 包括对抗生素、金属离子、温度、噬菌体等的抗性（或敏感）突变株的筛选，这些突变型常用来提高某些代谢产物的产量。w （1）抗生素抗性突变：在抗生素产生菌的选育中，筛选抗生素抗性突变株，可明显提高抗生素的产量。抗氯霉素的解烃棒杆菌突变体株比亲本株产生的棒杆菌素要高出3倍。w （2）抗噬

10、菌体菌株的选育：噬菌体的感染常给工业生产造成巨大的损失，且噬菌体很容易发生变异，使对噬菌体具有抗性的菌株失去抗性，需不断选育抗性菌株。w （3）条件抗性突变：如温度突变可提高产物的产量。经诱变后的温度敏感突变体，某一酶蛋白结构改变后，在高温下丧失了活力，该突变体在高温下的表型是营养缺陷型。w （4）敏感突变：柠檬酸经顺乌头酸酶催化，转化为异柠檬酸。生产上为了提高柠檬酸的产量，必须抑制顺乌头酸酶的活性。氟乙酸可抑制顺乌头酸酶活性，通过诱变处理造成顺乌头酸酶结构基因的突变，造成酶活力下降。7、增加结构基因数目w 增加发酵产品的结构基因数目可以提高发酵产物的产量。w 如在大肠杆菌中引入一个携带有-半

11、乳糖苷酶的质粒后，可增加3倍的-半乳糖苷酶产量。1、控制培养基成分w 培养基是微生物生长和形成代谢产物的物质基础，在保证微生物机体生长的同时，又要有利于代谢产物的合成，培养基的组成和浓度应尽量避免引起分解代谢阻遏。w 在发酵培养基中通常采用适量的速效和迟效碳源、氮源的配比或在后期限量流加葡萄糖的方法，来满足机体的生长需要和避免速效碳源、氮源可能引起的分解代谢阻遏。2、控制发酵条件w 同一种微生物在同样的培养基中培养，控制不同的发酵条件可获得不同的代谢产物。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，按人们所需要的方向进行，达到获得高浓度积累所需要产物的目标。w 啤

12、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；在培养基中加入亚硫酸氢钠或在碱性条件下培养，则不产生乙醇，而是产生甘油。3、添加前体w 添加前体可绕过反馈调节点，使某种代谢产物大量积累。在发酵培养基中添加C，可大量积累D，原因是D的前提C来自外源，并不会因为D的积累有很大的波动。F对从C到E有反馈调节，所以只有少部分的C用于合成F,大部分外源C用于合成D。w Dw A B Cw E F4、添加诱导剂w 诱导酶的形成需要诱导剂，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，因此在培养基中加入诱导剂，可以大量合成这类酶。w 诱导剂可以是该酶的底物，也可以是该酶的底物类似物。w 用底物的衍生物作诱导剂，因为利用速度缓慢，可以消除分解代谢物的阻遏，显著提高酶的产量。5、发酵与分离