第三章代谢调控理论及应用

第三章

微生物的代谢调控理论及其在食品

发酵与酿造中的应用微生物自身怎样代谢与调节？-------代谢调节的部位-------与代谢调节相关的酶-------微生物代谢的协调

诱导作用、分解代谢物的调节、反馈调节、能荷调节代谢控制在发酵工业的应用（本章重点）------菌种遗传特性的改变------发酵工艺条件的控制------控制细胞膜的渗透性第一节微生物代谢与调节的生化基础回顾生物化学的基础知识一、初级代谢和次级代谢合成代谢（同化作用）：

分解代谢（异化代谢）：

初级代谢：

次级代谢：--------共同构成新陈代谢活动。--------发酵酿造的产品，单一的、混合的，举例！二、代谢调节的部位生物体的新陈代谢在哪里进行？为什么能够进行？怎样进行？细胞像工厂

---------细胞

----------酶

----------自我调节

------精确、合理、经济、高效自我调节的部位P51,图3-1微生物代谢过程的自我调节表现在控制营养物质进入细胞，酶与底物的接触和代谢物的流量等三个环节上。1、通道：细胞膜上2、通量：代谢物的通量，控制酶量和酶活。3、限制其基质有形接近：在真核生物中明显，基质包括中间产物。微生物代谢过程的自我调节实际上就是酶调节。在酶调节中有酶活性调节与酶合成（酶量）调节两种方式。调节什么酶？-------反馈调节：反馈抑制（调节酶活性）和反馈阻遏（调节酶合成）关键酶（或称限速酶）：三、与代谢调节有关的酶

(一)同工酶

同功酶又称同工酶，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，它们催化同一个反应，但是它们的生理性质、理化性质及反应机理却是不相同的。

(二)别构酶

又称变构酶，具有变构作用(别构作用)的酶称为别构酶。

别构酶在结构上的特点：别构效应：

调节物(或效应物)与酶分子中的别构中心(调节中心或控制中心)结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种构象，使酶活动中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度及代谢过程，此效应称为酶的“别构效应”。

(三)多功能酶

多功能酶一般是指在结构上只有一条多肽链，但具有两种或两种以上的催化活力或结合功能的蛋白质。第二节微生物代谢的协调作用合成代谢：分解代谢：

-------共同构成新陈代谢活动

-------精确、合理、经济、高效-----高度协调微生物基因型是稳定的

-----环境不影响细胞的遗传结构-----但显著影响基因表达------影响DNA指导酶的合成-------适应环境------惊人灵活

代谢的协调机制？一、诱导作用酶诱导作用“生物与一种化学物质——诱导物相接触的结果大大地增加了酶合成的速率”。

诱导作用保证能量和氨基酸不浪费，不把它们用于制造那些无用的酶，但如有需要，可迅速生成这些酶。安慰诱导物：

Jacob-Monod模型：P55，图3-6为什么诱导作用也称为去阻遏作用？了解Lac操纵子、ara操纵子。乳糖操纵子的调节机制（一）底物诱导底物是酶合成的最好诱导物。

最典型的例子：大肠杆菌利用乳糖诱导合成β-半乳糖苷酶的过程。（二）产物诱导某些分解代谢酶受代谢途径中在其前或其后的酶反应物的诱导。

举例：色氨酸的分解。

色氨酸经甲酰犬尿氨酸(色氨酸加氧酶催化)，犬尿氨酸(甲酰酶催化)和邻氨基苯甲酸(尿氨酸酶催化)分解为儿茶酚。整个代谢途径中酶的合成都受犬尿氨酸的诱导。

二、分解代谢物的调节微生物先利用哪一个基质？------现有的最佳基质（通常是葡萄糖）----协调机制之一（一）分解代谢物效应葡萄糖效应：分解代谢物的阻遏作用：所有可迅速代谢的能源都阻遏异化另一被缓慢利用的能源所需酶的形成，故称这一现象为分解代谢物的阻遏作用。分解代谢的阻遏结果，细胞总是先利用维持最迅速生长的基质。但是，代谢物的阻遏作用也调节碳源代谢的速率。即使在单一种碳源上生长，产生ATP所需的酶的水平是由分解代谢阻遏作用调节的。（二）环状单磷酸腺苷（cAMP）cAMP的作用：细菌中都含有cAMP。它不是任何已知代谢途径的中间体，它在细胞内的唯一生理作用是一种调节作用。cAMP的浓度（生成量）：大体上讲，缓慢利用的碳源比迅速利用的碳源细胞内cAMP的浓度更高。例如大肠杆菌利用葡萄糖代谢细胞内cAMP浓度降低1000倍。cAMP调节作用机制： cAMP与一特殊的蛋白（cAMP结合蛋白，有叫分解代谢物激活蛋白）结合（蛋白质—cAMP复合物），并连接在启动基因上（P），增加此基因对RNA聚合酶的亲和力，从而提高转录的频率，促进了酶的大量合成。CAMP与ATP的关系：cAMP在细胞内的浓度与供给ATP量的多少成反比。实际上是由酶的水平决定，是分解代谢调节的结果。

三、反馈调节

降解性酶主要是由诱导作用和分解物的调节作用控制调节。生物合成酶是由反馈调节控制的。反馈调节2个类型（机制）：

反馈抑制和反馈阻遏-----都是调节途径终点产物的生产速率来配合大分子合成的速率。

反馈抑制：调节酶活反馈阻遏：调节酶量反馈抑制:

是指一生物合成途径的最终代谢物抑制那一途径的前面第一或第二个酶的作用。反馈阻遏：是由途径终点产物或其衍生物执行的。也就是说，当代谢的最终产物大量存在时并达到一定浓度时，它就会同细胞中早巳存在的阻遏物结合起来共同发挥作用，阻止了一个或几个反应步骤中酶的合成，从而抑制了产物的形成。

微生物细胞的代谢调节是通过调节酶的量和酶的活力来实现的，在调节酶的量的方面可分为酶的诱导、分解阻遏和反馈阻遏。在调节酶的活力方面主要是反馈抑制，酶反馈抑制与工业微生物发酵产物积累关系密切。反馈抑制的几种模式：1、协同反馈抑制：2、合作反馈抑制：3、积累反馈调节：4、顺序反馈抑制：四、能荷调节调节剂分子：

是代谢库中往返于几个代谢途径之间的重要代谢物，它们或将两个途径偶联，或激活途径的酶或抑制途径的酶，由此协调着各种代谢功能。

调节剂分子多数为小分子物质。如NAD/NADPH，或ATP、ADP、AMP或其他核苷酸。能荷调节：

细胞内ATP、ADP、AMP之间的比例实际上是在不断的变动的，细胞通过改变这三者的比例来调节其代谢活动，称为能荷调节或腺苷酸调节。能荷既调节分解酶活性，也调节合成酶的活性。举例：巴斯德效应（Pasteureffect）。呼吸抑制发酵的现象。P62.酵母菌通过EMP途径进行葡萄糖的乙醇发酵。EMP途径中己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)是三个关键酶，调节这些酶的话件可以影响EMP途径进行。HK催化葡萄糖(G)磷酸化生成葡萄糖—6—磷酸(G—6－P)；G—6－P的生成可以降低细胞内G的浓度，间接促进了G的载体运输；但HK受G—6—P的反馈抑制。PFK活性受许多代谢物影响，如ATP、柠檬酸和异柠檬酸抑制其酶活性，而ADP、AMP、无机磷和果糖—1，6—二磷酸促进其活性。解释巴斯德效应：(1)当氧供应充足时，生成大量ATP。当渗出线粒体以后，就对PFK产生抑制作用。(2)无机磷和ADP对PFK和HK有激活作用，当氧供应充足时，由于ADP和无机磷进入线粒体，从而降低了PFK和HK的酶活性。(3)由于PFK的酶活性下降，造成G—6—P的积累，又由于磷酸己糖异构酶活性很强，于是F－6—P逆转为G—6－P。但是，G—6－P对HK有反馈抑制作用，间接造成葡萄糖输入细胞的速率降低，这样也就降低了葡萄糖的消耗速度。

因此，由于氧的存在使PFK活性降低，PFK活性下降影响了细胞对糖的分解利用和酵解产物乙醇的生成，这就是所谓呼吸抑制发酵的巴斯德效应。这里，有ATP、ADP、AMP和Pi的能荷所起的重要调节作用，也有其他代谢物的参与。第三节

代谢控制在工业发酵中的应用代谢控制发酵：

人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生成、积累。

实现代谢控制发酵的方法：（P62，三种）１、控制发酵条件。２、改变菌种的遗传特性。通过物理、化学、生物（基因工程）的方法选育遗传特性发生改变的优良菌株。典型的是，营养缺陷型菌株、抗反馈调节菌株、基因工程菌等。３、改变细胞膜的渗透性（实质是在改变菌种的遗传特性基础上控制发酵条件）。一、发酵工艺条件的控制发酵工艺条件：--------底物（各种营养物质、不同碳、氮源）--------pH--------温度--------溶解氧--------生长素对发酵产物的影响：表3-2，3-3，P63

二、菌种遗传特性的改变三个方面：1、抗反馈突变菌株的筛选2、营养缺陷型菌株的筛选，------双重营养缺陷型菌株，既抗反馈，又营养缺陷型菌株的筛选3、基因工程菌（基因重组技术筛选新菌株）分别举例说明：表3-4，3-5，图3-9天冬氨酸黄色短杆菌合成赖氨酸的途径

甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸中间产物Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物Ⅱ抑制高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶回本章目录抑制黄色短杆菌生产赖氨酸天冬氨酸中间产物Ⅰ中间产物Ⅱ高丝氨酸甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶高丝氨酸脱氢酶+利用诱变育种等方法，选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种用于生产.微生物代谢调控——改变遗传特性天冬氨酸人工控制黄色短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回本章目录苏氨酸、甲硫氨酸双重营养缺陷型

三、控制细胞膜的渗透性采用生理学或遗传学的方法，改变细胞膜的渗透性。1、生理学的方法谷氨酸发酵生产生物素的浓度控制在亚适量。原因？添加青霉素的方法，细胞壁合成缺损，细胞膜在压力下，物质容易渗漏。2、遗传学的方法筛选营养缺陷型菌株。例如，谷氨酸生产菌的油酸营养缺陷型菌株。控制油