第三章代谢调节与代谢工程

第三章代谢调节与代谢工程微生物代谢的特点:微生物在长期的进化过程中，形成了一整套完善的代谢调节系统，以保证各种代谢活动经济而高效地进行。微生物代谢的生化反应通常是十分复杂而迅速，需要非常协调的进行。微生物具有快速适应外界环境变化的能力，通过启动或关闭相关代谢途径，平衡代谢产物和反应速率来适应环境。

因此，微生物的代谢是受高度调节的。微生物代谢高度调节证据：所有大分子单体(前体，如氨基酸)的合成速率同大分子(如蛋白质)的合成速率协调一致，不会浪费能量去合成那些它们用不着的东西；任何一种单体的合成，如能从外源获得并能进入细胞内，单体的合成自动中止，参与这些单体生成的酶的合成也会停止；只有在某些有机基质(如乳糖)存在时，才会合成异化这些基质的酶；存在两种有机基质，微生物会先合成那些能异化、更易利用的基质的酶，待易利用的基质耗竭，才开始诱导分解较难利用的基质的酶；养分影响生长速率，从而相应改变细胞大分子的组成(如RNA的含量)。微生物代谢调节微生物代谢机构示意图

主讲内容

3.1酶活性的调节

3.2酶合成的调节

3.3代谢调节

3.4代谢工程

3.1酶活性的调节3.1.1代谢控制的部位微生物细胞的代谢调节方式：可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力；通过酶的定位以限制它与相应底物的接近；调节代谢流，该调节方式最为重要，它包括调节酶的合成量和调节现成酶分子的催化活力。3.1.2调节方法1.定义：蛋白质分子中的一个或者多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或者解开，使其活性改变的作用。2.化学基团：磷酸基、甲基、乙基、腺苷酰基。蛋白质的共价部位：氨基酸残基上的羟基。3.分类：可逆、不可逆。共价修饰1、可逆共价修饰

大多数共价调节是通过特定部位的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的侧链（-OH）的磷酸化和去磷酸化来调节的。磷酸化酶意义：短时间经信号启动，触发生成大量的活性酶。更容易控制酶的活性以响应环境代谢的。酶原：必须在一定条件下，去掉一个或者几个特殊的肽键，从而使酶的构象发生一定的变化才有活性。

2、不可逆共价修饰如：胰蛋白酶原的活化

是靠N-除去一个己肽。名称：变构效应/别构效应/副位效应定义：是指一种小分子物质与一种蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的相互作用。别构酶：具有别构作用的酶成为变构酶。变构控制协同作用

定义：是指酶蛋白分子的一个位点与配基的结合会影响该酶蛋白的另一个位点与基质的结合。正向协同作用：起始配基的结合促进酶蛋白分子的另一个位置的更多的基质的结合。负向协同作用：这种结合使进一步的结合受阻。第一个酶（有活性）第一个酶（无活性）终产物终产物（调节物）结合在调节中心缔合与解离能进行这种转变的蛋白质由多个亚基组成，蛋白质活化与钝化是通过组成它的亚基单位的缔合与解离实现的。这类互相转变钝化是由共价修饰或若干配基缔合启动的。竞争性抑制

一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制。

其他调节方式酶合成调节：主要指通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节是在基因水平（原核生物主要在转录水平上）上进行。

酶的诱导

方式分解代谢物阻遏

终产物的调节3.2酶合成调节凡能促进酶合成的现象称诱导。阻碍酶合成的现象称阻遏。1、诱导作用定义：培养基中某种基质与微生物接触而增加（诱导）细胞中其相应酶的合成速度。类型：按照酶的合成与环境影响的关系来分，若酶的合成速度受基质浓度变化的影响很小，这种酶称为组成酶，反之，称为诱导酶。概念：

诱导物：是指能起诱导作用的化合物。安慰诱导物：酶基质的结构类似物，它们不能作基质被酶转化，却是出色的诱导物。诱导作用的分子机制：

Jacob与Monod

最先提出诱导作用模型，也叫操纵子模型。

操纵子是一组功能上相关的基因，由启动基因（Promoter）、操纵基因（Operater）、结构基因（Structuralgene）三部分构成。另外，调节基因主要是合成阻遏物

若是由于某种原因，调节基因或者操纵基因发生突变后，阻遏物失去同操纵基因结合的能力或者使突变后的操纵基因失去对阻遏物的亲和力。此时即使没有诱导物，RNA聚合酶也能转录。这种突变称为组成性突变。组成型突变株的获得在诱导物（低浓度）为限制性基质的恒化器中筛选将菌株轮番在有、无诱导物的培养基中培养使用诱导性很差的基质使用阻遏诱导作用的抑制剂提高筛选效率2、分解代谢物阻遏定义：由底物分解过程中产生的代谢物引起的，这种阻遏现象称为分解代谢产物阻遏。现象：若微生物的培养基中存在一种以上可利用的养分，通常它们会先分解那些最易利用的基质，只有该基质耗竭后才开始分解第二种基质。分解代谢物的分子机制Camp-CRP复合物在启动基因上的结合是RNA聚合酶结合到启动基因上所必须的。分解代谢物阻遏作用的克服不使用阻遏性碳源。出于经济问题，必须使用阻遏性碳源，则可用过程补糖的方法。使用不能代谢的诱导物的类似物、或者缓慢补入诱导物、或者只能使用缓慢代谢的诱导物的衍生物。3、反馈调节

反馈调节一般分为反馈抑制和反馈阻遏两种形式：反馈抑制作用是末端代谢产物抑制其合成途径中参与前几步反应的酶（往往是催化第一步反应的酶）。反馈阻遏作用是末端代谢产物阻止整个代谢途径酶的合成作用。避开末端代谢产物的反馈调节作用的方法：

1）从遗传上改造微生物，

使之对末端产物反馈调节作用不敏感。

2）改变培养环境条件，

以限制末端代谢产物在细胞内部的积累。

反馈调节作用的消除：生产实践中，为了获得某一合成途径的中间产物，常用限制末端产物在胞内积累的方法。反馈抑制分支途径的调节方式------末端产物的调节

（1）同功酶：同功酶是几种在一个细胞中催化同一反应的酶。他们通常催化分支途径中头一个酶，分别受不同的末端产物的反馈抑制。同功酶反馈抑制（2）协同反馈抑制：只有一种酶受反馈调节控制，要抑制或者阻遏这种酶需要分支代谢途径中的所有末端产物都过量存在，单个末端产物的积累对该酶的催化活性几乎没有影响。（3）累积反馈抑制：分支途径的每一个末端产物的积累只能部分的抑制或者阻遏途径中的第一个酶，只有在所有的末端产物都过量存在时，才会完全抑制或者阻遏该酶。

（4）顺序反馈抑制：分支代谢途径中的末端产物，不能直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的积累，这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。（5）联合激活或者抑制作用：这是由一种反应系列形成的中间产物参与2个完全独立途径的调节。微生物代谢调节的多样性作业微生物代谢的特点是什么？酶活性调节的实质与主要方法是什么？酶合成调节方式包括哪些？反馈调节包括哪些形式，如何消除反馈调节作用？酶活性调节的分子机制

1、别构调节理论（核心是酶分子构象的改变）。

2、酶分子的化学修饰理论（核心是酶分子结构的改变）。酶合成调节的分子机制

基因转录的改变。3.3代谢调节的分子机制

1、微生物细胞代谢调节的内容

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调节代谢流

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调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力

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利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。3.4代谢调节细胞膜透性的调节细胞膜透性正常，代谢物累积，反馈抑制或阻遏细胞膜透性改变，代谢产物不断透出细胞外，可防止反馈抑制或阻遏

调节细胞膜渗透性的方法生理学方法遗传学方法2、代谢调节的方式

1.亚适量的生物素的调节：谷氨酸发酵EffectofBiotinlevelontheproductionofGlutamate生理学方法亚适量的生物素的调节机制:控制生物素改变膜的成分,进而改变膜的透性、谷氨酸的分泌和反馈调节2.适量的青霉素机理:抑制细菌细胞壁肽聚糖合成中的转肽酶活性，肽聚糖结构中肽桥无法交联，造成细胞壁缺损，利于代谢产物的渗出。注意：低生物素、青霉素只对生长态（分裂）的细胞有效，对稳定期的细胞无作用。油酸：含有一个双键的C18不饱和脂肪酸，是细胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加大。遗传学方法

①细胞膜缺损突变直线式合成途径中，营养缺陷型菌株只能积累中间代谢产物，不能积累最终代谢产物。分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，可使某一分支途径的末端产物得到积累。赖氨酸发酵②营养缺陷型突变株或突变株调节代谢AK—天冬氨酸激酶；HSDH—高丝氨酸脱氢酶天冬氨酸人工控制谷氨酸棒杆菌的代谢过程生产赖氨酸中间产物Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物Ⅱ甲硫氨酸苏氨酸高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶不能合成可以大量积累赖氨酸人工诱变的菌种不能产生3.4代谢工程代谢工程又称途径工程定义：一般认为是通过特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或者运用重组DNA技术来改造新的化合物。研究内容在微生物体内建立新的代谢途径以获得新的代谢物(链霉菌的聚乙酮）；生成异源蛋