微生物代谢的调节

1、环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室14. 微生物代谢的调节微生物代谢的调节微生物的新陈代谢错综复杂，参与代谢的物质又多种多样，即使同一种物质也会有不同的代谢途径，而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。 4.1 酶合成的调节酶合成的调节这是通过调节酶合成的量酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制，这类调节在基因转录水平基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的，它的优点是通过阻止酶的过量合成，能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。环环境境生生物物工工程程2022-6-24

2、化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室24.1.1 酶的诱导（酶的诱导（Enzyme induction）按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类：一类称为组成酶（一类称为组成酶（Structural enzymes），它们的），它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定，如糖酵解途径（在菌体内的含量相对稳定，如糖酵解途径（EMP）有关）有关的酶；的酶；另一类酶称为诱导酶（另一类酶称为诱导酶（inducible enzyme），只有），只有在环境中存在诱导剂（在环境中存在诱导剂（induc

3、er）时，它们才开始合成，）时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，酶的合成就终止一旦环境中没有了诱导剂，酶的合成就终止。在对数生长期的大肠杆菌（E.coli）培养基中加入乳糖，就会产生与乳糖代谢有关的-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等；这时，细胞生长速度和总的蛋白质合成速度几乎没有改变，见图4.1.1。这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称为酶的诱导。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室3 有人发现某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才会产生淀粉酶；而曲霉只有生长在含有蔗糖的培养基中才会产生蔗糖酶。Karstron曾系统地研究了这种

4、适应现象，见表4.1.1。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室4在大多数情况下，诱导酶的底物就是有效的诱导物，但诱导物在大多数情况下，诱导酶的底物就是有效的诱导物，但诱导物不一定就是诱导酶的底物，有些非底物的诱导剂比底物具有更不一定就是诱导酶的底物，有些非底物的诱导剂比底物具有更好的诱导效果，好的诱导效果，见表4.1.2。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室5Monod和Jacob（1961）提出了操纵子学说用于解释酶的诱导机制。操纵子（Operon）指一组功能上相关的基因，它们由启动基因

5、（Promoter）、操纵基因（Operator）和结构基因（Structural gene）三部分组成，见图4.1.2。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室6先合成能分解底物的酶，再依次合成分解中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。在E.coli中，最初的诱导物乳糖诱导了代谢乳糖酶系的合成，将乳糖转化成半乳糖，半乳糖在细胞内浓度升高，又触发与半乳糖代谢相关酶的诱导合成，见图4.1.3。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室74.1.2 合成的阻遏（合成的阻遏（Enzyme re

6、pression）在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏象称为酶合成的阻遏；合成可被阻遏的酶称为阻遏酶（Repressible enzyme）。阻遏的生理学功能是节约生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型。产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型。 环环境境生生物

7、物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室84.1.2.1 末端代谢产物阻遏（末端代谢产物阻遏（Endproduct repression）由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的（反馈）阻遏称为末端代谢产物阻遏。（反馈）阻遏称为末端代谢产物阻遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。 生物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成，如：对数生长期的大肠杆菌的培养基中加入精氨酸，将阻遏精氨酸合成酶系（氨甲酰基转移酶、精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂合酶）的合成，

8、而此时细胞生长速度和总蛋白质的合成速度几乎不变，见图4.1.4。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室9 若代谢途径是直线式的，末端产物阻遏情况较为简单，末端产物引起代谢途径中各种酶的合成终止，如图4.1.5所示，大肠杆菌的蛋氨酸蛋氨酸(甲硫氨酸)是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为蛋氨酸的三种酶，但当培养基中加入蛋氨酸时，这三种酶消失。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室10 对于分支代谢途径来说，情况比较复杂。每种末端产

9、物只专一地阻遏合成它自身那条分支途径的酶，而代谢途径分代谢途径分支点前的支点前的“公共酶公共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻则受所有分支途径末端产物的共同阻遏遏。任何一种末端产物的单独存在，都不影响酶合成，只有当所有末端产物同时存在时，才能发挥阻遏作用的现象称为多价阻遏（Multivalent repression）。 末端代谢产物阻遏的机制也可以用操纵子学说解释。如大肠杆菌色氨酸操纵子控制着5个结构基因，分别为“分支酸邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基苯甲酸羧苯氨基脱氧核糖磷酸吲哚甘油磷酸色氨酸”途径中5种酶的基因，其调节基因远离操纵子，所表达的调节蛋白不能直接与操调节基因远离操纵子，所表达的调

10、节蛋白不能直接与操纵基因结合，结构基因的表达能顺利进行。这时的调节蛋纵基因结合，结构基因的表达能顺利进行。这时的调节蛋白称为原阻遏物（白称为原阻遏物（Prerepressor）。）。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室11 当代谢产生末端代谢产物色氨酸后，色氨酸作为效应物与原阻遏物结合，使后者发生变构效应，并能与操纵基因结合，从而阻止了结构基因的表达，其过程见图4.1.6。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室124.1.2.2 分解代谢物阻遏（分解代谢物阻遏（Catabolite rep

11、ression） 当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。例如大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中，优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数生长期中间的第二个生长停滞期，即出现了“二次生长现象”，见图4.1.7。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室13用山梨醇或乙酸代替乳糖，也有类似结果，见图4.1.8。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室14Monod提出的乳糖操纵子模型可以较好地解释分解代谢物的阻遏机制

12、。如图4.1.9所示，乳糖操纵子的启动基因内，除RNA聚合酶结合位点外，还有一个称为CAP-cAMP复合物的结合位点。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室154.2 酶活性的调节酶活性的调节 通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。的调节。与酶合成调节方式相比，这种调节方式更直接，并且见效快，是发生在蛋白质水平上的调节。 某些酶的活性受到底某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物物或产物或其结构类似物的影响，这些酶称为调节的影响，这些酶称为调节酶（酶（Regulat

13、ory enzyme）。）。这种影响可以是激活、也可以是抑制酶的活性。通通常把底物对酶的影响称为常把底物对酶的影响称为前馈，产物对酶的影响称前馈，产物对酶的影响称为反馈。为反馈。见图4.2.1。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室16 调节酶通常是变构酶调节酶通常是变构酶，一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。变构酶的激活和抑制过程见图4.2.2。激活过程的效应物称为激活剂激活剂（Activator），而抑制过程的效应物称为抑制剂抑制剂（inhibitor）。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物

14、化工实验室17巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵母菌进行酒精发酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有氧条件下，酵母菌进行呼吸作用，糖的消耗速度较低，酒精产量也降低。这种呼吸抑制发酵作用的现象被后人称为巴斯德效应（Pasteur effect），巴斯德效应的本质是能荷巴斯德效应的本质是能荷调节。调节。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室18糖酵解（EMP）和三羧酸循环（TCA）途径都能产生ATP：有氧条件下，TCA循环活泼，呼吸链的氧化磷酸化大量合成ATP，细胞能荷增加，异柠檬酸脱氢酶受到ATP抑制，导致柠檬酸的积累，柠檬酸和ATP都是

15、磷酸果糖激酶活性的抑制剂，从而限制了葡萄糖的利用速度；在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼吸链产生ATP，细胞能荷较低，ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生产酒精的速度加快。图4.2.3说明了巴斯德效应的机巴斯德效应的机理。理。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室194.3 微生物代谢调节的模式微生物代谢调节的模式在微生物合成代谢过程中，反馈阻遏和反馈抑制往往共同对代谢起着调节作用，它们通过对酶的合成和酶的活性进行调节，使细胞内各种代谢物浓度保持在适当的水平。反馈阻遏反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢，反馈抑制是酶活性水平调是转录水平的

16、调节，产生效应慢，反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。节，产生效应快。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室204.3.1 直线式代谢途径的反馈控制直线式代谢途径的反馈控制对于只有一个末端代谢产物的途径，即直线式代谢途径，当末端代对于只有一个末端代谢产物的途径，即直线式代谢途径，当末端代谢产物达到一定浓度时，就会反馈控制该代谢途径。谢产物达到一定浓度时，就会反馈控制该代谢途径。末端产物的反馈阻遏一般是阻止末端产物的反馈阻遏一般是阻止该途径中所有酶的合成，末端产该途径中所有酶的合成，末端产物抑制一般是抑制该途径第一个物抑制一般是抑制该途径第一

17、个酶的活性。酶的活性。如图4.3.1所示，由A生成E，需要经过中间代谢产物B、C和D，当E达到一定浓度后，它或者反馈抑制催化A生成B反应的酶活性，或者反馈阻遏分别催化A到B、B到C、C到D和D到正反应的所有酶的合成。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室21苏氨酸是合成异亮氨酸的前体，在培养基中给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时，该菌株可以合成异亮氨酸，但若同时在培养基中添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异亮氨酸了，这是因为异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途径的第一个酶，即L-苏氨酸脱氨酶，见图4.3.2。 环环境境生生物物工工程程2022

18、-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室22如图4.3.3所示的大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）时需要七种酶，当CTP达到一定浓度后，便反馈抑制催化第一个反应的酶，即天冬氨酸转氨甲酰酶。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室23反馈阻遏还有另一种形式，即末端产物阻遏与中间产物诱导的混合形式，如图4.3.4所示，末端产物D的积累会阻遏该途径中第一个酶的合成。当末端产物D浓度下降时，第一个酶恢复合成，从而导致中间产物B在胞内累积。B浓度的增高，又诱导第二、三个酶的合成，使途径逐渐畅通。环环境境生生物物工

19、工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室244.3.2.1协同或多价反馈控制协同或多价反馈控制（Concerted or multivalent feedback control分支代谢途径的几个末端产物同时过量时，该途径的第一个酶才会受到反馈阻遏或反馈抑制（见图4.3.5）。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室254.3.2.2 合作反馈控制（合作反馈控制（Cooperative feedback control）这类控制体系与协同反馈控制类似，但是该体系中的末端产物都有较弱的独立控制作用。当所有的末端产物同时

20、过剩时，会导致增效的阻遏或抑制，即其阻遏或抑制的程度比这些末端产物各自独立过量时的总和还要大，因此，又称为增效反馈控制（Synergistic feedback control），见图4.3.6。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室264.3.2.3 累积反馈控制（累积反馈控制（Cumulative feedback control）每个分支途径的末端产物都独立于其他末端产物，以一定百分比控制该途径第一个共同的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应的抑制是累积的，各末端产物之间既无协同效应，也无拮抗作用。如图4.3.7所示 .

21、环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室27累积反馈抑制最早在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶调节中发现，见图4.3.8。该酶受8个最终产物个最终产物的累积反馈抑制，只有当它们同时存在时，酶活性才会被完全抑制。如色氨酸单独存在时，可抑制酶活性的16，CTP为14，氨基甲酰磷酸为13，AMP为4l，这四种产物同时过量时，酶活性被抑制63。所剩的37酶活性则受到其他四种产物组氨酸、丙氨酸、葡萄糖磷酸和甘氨酸的累积抑制。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室284.3.2.4 顺序反馈控制（顺序反馈控制（Seq

22、uential feedback control）在顺序反馈控制体系中，直接对第个共同的酶起控制作用的并不是末端产物，而是分支点上的中间产物。如图4.3.9所示，每个末端产物均对紧接分支点B后导向各自分支途径的酶进行控制，D抑制B向C反应，F抑制B向正反应，D、F单独或两者共同的抑制作用将导致B的积累，过量的B又会抑制A向B反应。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室29顺序反馈控制存在于枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成和球形红假单孢杆菌苏氨酸合成的代谢途径，分别见图4.3.10和图4.3.11。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化

23、工学院 生物化工实验室生物化工实验室30环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室31环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室32环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室334.3.2.5 同工酶控制（同工酶控制（Isoenzyme control）同工酶又称同功酶，是指催化相同的生化反应，但酶蛋白同工酶又称同功酶，是指催化相同的生化反应，但酶蛋白结构有差异，而且控制特征也不同的一组酶的通称结构有差异，而且控制特征也不同的一组酶的通称，它们虽然在同一细胞

24、个体或组织中，但在生理、免疫和理化性质上存在差异。如果代谢途径中某一反应受到一组同工酶的催化，那么不同的同工酶可能受各不相同的末端产物控制。如果紧接分支点后的酶受其对应的末端产物控制，那么，同工酶控制体系将更有效。如图4.3.12所示，从A到B反应由同工酶a和b催化，当末端产物F过量时，受F控制的从A到B的同工酶b和从B到E的酶被抑制，而同工酶a不受影响，使A能顺利合成D，因此，F的过量不会干扰D的合成。同样道理，D的过量也不会干扰F的合成。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室34例如，大肠杆菌有三个天门冬氨酸激酶和两个高丝氨酸脱氢酶参与催化

25、赖氨酸和苏氨酸的合成。天冬氨酸激酶I和高丝氨酸脱氢酶I可被苏氨酸抑制和阻遏，高丝氨酸脱氢酶可被甲硫氨酸阻遏，天冬氨酸激酶可被赖氨酸抑制和阻遏，见图4.3.13。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室354.4 代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用工业发酵的目的就是大量地积累人们所需要的微生物工业发酵的目的就是大量地积累人们所需要的微生物代谢产物。代谢产物。在正常生理条件下，微生物总是通过其代谢调节系统最经济地吸收利用营养物质用于合成细胞结构，进行生长和繁殖，它们通常不浪费原料和能量，也不积累中间代谢产物。人为

26、地打破微生物的代谢控制体系，就有可能使代谢朝着人们希望的方向进行，这就是所谓代谢的人工控制。4.4.1 遗传学的方法遗传学的方法通过改变微生物遗传物质可以从根本上打破微生物原有的代谢控制机制，具体包括应用特定的营养缺陷型营养缺陷型突变株和抗反馈调节的突变株的选育。突变株和抗反馈调节的突变株的选育。4.4.1.1 营养缺陷型突变株的应用营养缺陷型突变株的应用在一定的培养条件下，营养缺陷型突变株可以积累相当高浓度的中间代谢产物或末端代谢产物。对于直线对于直线式代谢途径，选育末端代谢产物营养缺陷型的突变株式代谢途径，选育末端代谢产物营养缺陷型的突变株只能积累中间代谢产物只能积累中间代谢产物，而末端代

27、谢产物对菌体生长仍是必需的。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室36所以，应在培养基中限量供给该物质，使之足 以维持菌株生长，但又不致造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才有利于该菌株积累中间代谢产物。如图4.4.1（a）所示，末端产物E对途径第一个酶有反馈阻遏或反馈抑制，而菌株失去了将C转化成D的能力，是E的营养缺陷型。假如在培养基中限量添加E，菌体得以生长， 中间产物C能够大量积累。枯草芽孢杆菌的精氨酸缺陷型就是一个典型例子，鸟氨酸积累量可达到25gL。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室

28、37环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室38因此，正常的细胞内难以积累较高浓度的赖氨酸。为了解除正常的调节以获得赖氨酸的高产菌株，有人选育谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）的高丝氨酸缺陷型作为赖氨酸的发酵菌种。该菌种由于不能合成高丝氨酸脱氢酶（HSDH），故不能合成高丝氨酸，也不能合成苏氨酸和蛋氨酸，在补充适量高丝氨酸（或苏氨酸和蛋氨酸）条件下，菌株能大量产生赖氨酸，见图4.4.2。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室39肌苷酸是重要的呈味核苷酸，它是嘌呤核

29、苷酸生物合成途径中的一个中间代谢产物，见图4.4.3。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室40次级代谢产物青霉素与初级代谢产物赖氨酸是同一分支代谢途径的两个产物，见图4.4.4。它们的共同前体是氨基己二酸。赖氨酸对合成氨基己二酸的酶有反馈阻遏或抑制作用，当赖氨酸达到一定浓度后，便阻止氨基己二酸的合成，也阻止了青霉素的合成。选育赖氨酸营养缺陷型，就可解除赖氨酸反馈调节，同时，也切断了通向赖氨酸的代谢支路，使大量生成的氨基己二酸用于青霉素的合成。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室414.4

30、.1.2 抗反馈控制突变株的应用抗反馈控制突变株的应用抗反馈控制突变株就是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼而有之的菌株。在这类菌株中，反馈调节已经解除，所以能大量积累末端代谢产物。抗反馈抑制突变株可以从结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株中获得。许多氨基酸、嘌呤、嘧啶和维生素的结构类似物已用于氨基酸、核苷、核苷酸和维生素高产菌株的育种工作，见表4.4.1。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室424.4.1.3 选育组成型和超产突变株选育组成型和超产突变株如果调节基因发生突变，以致产生无效的阻遏物而不能与操纵基因结合，或操纵基

31、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再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的突变称为组成型突变。少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高得多的酶，这种突变称为超产突变。 环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室434 .4.1.4 增加结构基因数目增加结构基因数目增加发酵产品的结构基因数目当然可以提高发酵产物的产量。现代基因操作技术完全可以担此重任。如大肠杆菌引入一个携带-半乳糖苷酶基冈的质粒后。可以增加3倍的-半乳糖苷酶产量。环环境境生生物物工工程程2022-6-24化工学院化工学院 生物化工实验室生物化工实验室444.4.2 生物化学方法生物化学方法4.