第五章 微生物新陈代谢8

第七章微生物的新陈代谢内容提要第一节微生物的能量代谢第二节分解代谢与合成代谢的关系第三节微生物独特合成代谢途径举例第四节微生物代谢调节与发酵生产

生物固氮自养微生物CO2的固定肽聚糖的合成微生物次生代谢产物的合成第三节微生物独特合成代谢途径举例指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程初级代谢根据先后顺序分为两类：微生物代谢次级代谢初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶不同的微生物初级代谢产物基本相同；初级代谢产物合成过程是连续不断的。次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。分子结构复杂产量低代谢途径独特生理功能不明确生长后期合成合成受质粒控制初生代谢与次生代谢的关系糖代谢延伸途径莽草酸延伸途径氨基酸延伸途径乙酸延伸途径第四节微生物代谢调节与发酵生产一、微生物的代谢调节

微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证体内上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应代谢调节的特点及时取得需要的中间代谢产物，只合成需要的代谢产物，严格防止终产物积累以最经济的方式、化最低能量获得所需要的营养，防止能量浪费（一）、代谢调节的方式代谢调节的方式

调节细胞膜的通透性通过酶的定位限制与相应底物的接近

调节代谢流：酶的合成调节和酶的催化活力调节固有酶（组成酶）

在基质中能固定产生的酶

如葡萄糖氧化酶、EMP途径有关的酶适应酶（诱导酶）

当基质中有其分解底物或有关诱导物时才合成的酶，当特殊物质不存在，酶就不产生，如阿拉伯胶糖酶、β-半乳糖苷酶酶调节1、酶合成的调节1、酶合成的调节通过调节酶合成量进而调节代谢速率，是在基因水平上的代谢调节

特点：间接缓慢、节约能量和原料酶合成调节诱导酶合成阻遏酶合成酶合成调节的类型诱导：当环境中存在诱导物（底物及类似物、底物前体）时，促进酶合成，诱导方式有同时诱导、顺序诱导阻遏：过量代谢产物阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而控制代谢，减少末端产物的合成举例：亮白曲霉原来不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培养基内加入蔗糖，一段时间后，可合成蔗糖酶，并利用蔗糖。酶合成的调节2、酶活性的调节酶分子水平上的调节激活

分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物促进。抑制

终产物过量时，可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，使反应减慢或停止，称为反馈抑制。反馈抑制的机制（酶的变构）主要通过最终产物（末端产物）对反应途径中的第一个酶（变构酶或调节酶）的抑制变构酶

活性中心—与底物结合发生反应

调节中心—与效应物结合，从而引起酶可逆变构酶活性的调节反馈抑制的特点作用直接效果快速当末端产物浓度降低时可重新解除反馈抑制的类型直线式代谢途径中的反馈抑制

分支代谢途径中的反馈抑制

为了避免在一分支上的产物过多时不致于同时影响另一分支上产物的供应同功酶的调节协同反馈抑制合作反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制分支代谢途径反馈抑制同功酶调节：能催化相同的生化反应，但酶蛋白结构有差异的一类酶功能

代谢调节实例

E.coli的赖氨酸和苏氨酸合成协同反馈抑制分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制公共途径中的第一酶的一种反馈调节方式实例

Corynebacterium

glutamicum

合成天门冬氨酸族氨基酸，天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用实例

AMP、GMP对磷酸核糖焦磷酸酶的作用合作反馈抑制（增效反馈抑制）累积反馈抑制每一分支途径的末端代谢产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，当几种产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。在各末端产物之间无协同效应和拮抗作用实例：E.coli的谷氨酰胺合成酶顺序反馈抑制逐步有顺序的反馈调节方式实例

枯草芽孢杆菌的芳香族氨基酸的生物合成两种调节的对比酶合成的调节酶活性的调节不同点调节对象通过酶量的变化控制代谢速率控制酶活性，不涉及酶量变化调节效果相对缓慢快速、精细调节机制基因水平调节，调节控制酶合成代谢调节，它调节酶活性相同点细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。膜

原核微生物——细胞膜影响物质透性

核微生物——细胞膜、细胞器膜酶与底物的相对位置原核微生物

细胞膜上多酶复合体形式存在的酶系使细胞内酶活性受到调节真核微生物

底物与酶分别储存在有膜的细胞器内，从而影响酶与底物的作用。酶体系的区域化可使细胞内一些酶的活性受到调节和整合微生物代谢调节的其它部位二、代谢调控在发酵工业上的应用在发酵工业中，为大量累积人们所需的代谢产物，必须人为打破微生物细胞内代谢的自动调节机构，使代谢朝人们所希望的方向进行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发酵工业中调节微生物生命活动的方法水平生理水平代谢途径水平

在代谢途径水平上对酶活性和酶合成的调节基因调控水平三种调节方式应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节控制细胞膜的渗透性（一）营养缺陷型突变株解除正常反馈调节直线式合成途径中，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肌苷酸的生产赖氨酸发酵谷氨酸棒杆菌的代谢调节与氨基酸生产AK—天冬氨酸激酶；HSDH—高丝氨酸脱氢酶天冬氨酸谷氨酸棒杆菌的代谢过程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选育谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株，可产生大量的赖氨酸（解除协同反馈抑制）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肌苷酸的生产腺苷酸琥珀酸合成酶缺失的腺嘌呤缺陷型选育谷氨酸棒杆菌的腺苷酸缺陷型菌株，可产生大量的肌苷酸（解除合作反馈抑制—增效抑制）（二）抗反馈调节突变株解除反馈调节抗反馈调节突变株

指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株，因反馈调节被解除，能积累大量末端代谢物黄色短杆菌抗性菌株高产苏氨酸原理

诱变后所获得的抗AHV突变株，其高丝氨酸脱氢酶等的结构基因发生了突变，不再受苏氨酸的反馈抑制，于是就有大量的苏氨酸累积。若进一步选育出甲硫氨酸缺陷型菌株，使甲硫氨酸合成途径上的两个反馈阻遏也被解除，苏氨酸产量还可进一步提高细胞膜的渗透性细胞膜透性正常，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改变细胞膜渗透性的方法生理学方法遗传学方法（三）控制细胞膜的渗透性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缺陷型菌株，限量添加油酸造成细胞膜的渗漏油酸：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—细胞膜缺损突变本章小结微生物的能量代谢形成ATP的机制：生物氧化

底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化生物氧