第3章 微生物的代谢调节和代谢工程

§3微生物的代谢调节和代谢工程

自然环境下的微生物代谢特点:

微生物在生长过程中机体内的复杂代谢过程是互相协调和高度有序的，并对外界环境改变能迅速做出反应。其原则是经济合理地利用和合成所需的各种物质和能量使细胞处于平衡生长状态。微生物细胞内外环境的统一是通过代谢调节的方式来实现的。微生物代谢调节的方式代谢调节的方式多种多样，主要包括：1、反馈抑制、2、反馈阻遏、3、酶的诱导调节、4、酶的共价修饰等。

微生物代谢对生产条件下的适应:

在实际生产中，往往须要高浓度地积累某一种代谢产物，而这种浓度又常常超过细胞正常生长和代谢所需的范围。因此要达到超量积累这种产物，提高生产效率，必须打破微生物原有的代谢调控系统，在适当的条件下，让微生物建立新的代谢方式，高浓度地积累人们所期望的产物。

为达到这一目的，可以采用两种方法：

一种是通过各种育种方法，选育基因突变株，从根本上改变微生物的代谢。

另一种是控制微生物的各种培养条件，影响其代谢过程。

利用基因工程技术改变代谢流，扩展和构建新的代谢途径，或通过关联酶将两个代谢途径连接形成新的代谢流。

因此有人将这种涉及多个基因的基因工程称为代谢工程,或途径工程。3.1微生物的代谢类型和自我调节3．1．1代谢类型:分解代谢和合成代谢

微生物小分子物质的合成和降解是由其自我调节的。如生长在含有单一有机化合物作为碳源的培养基时，其合成大分子前体物质（如氨基酸、核酸等）的速度与大分子物质合成的速率配合的很好。而当一种前体存在于培养基中，并能被细胞吸收时该前体的内源合成便立即停止。研究微生物代谢调节有极为重要的意义。在工业上，可对微生物的代谢途径加以控制来满足生产的需求。3．1．2微生物自我调节的部位1.细胞膜：细胞膜对大多数亲水分子起一种屏障作用，但又存在着某些运送系统即通道。这些通道是运送某些化合物的系统，其中有些是需能的。它们受ATP的影响，并受透性酶的调节。2.控制通量：在原核生物有两种控制通量的方法，即调节现有酶量和改变酶分子的活性。对酶量的调节可以通过增加或减少关键酶的合成或降解速率进行。3.限制基质的有形接近：如酶以单体或酶复合物的形式存在。3.2酶活性调节

3．2．1酶的激活作用与抑制作用

酶活性的调节包括两个方面，即酶的激活作用和酶的抑制作用。

酶的激活作用：指在某个酶促反应系统中，某种低相对分子质量的物质加入后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高，使酶促反应速率提高的过程。

酶的抑制作用：指在某个酶促反应系统中，某种低相对分子质量的物质加入后，导致酶活力降低的过程，使酶促反应速率提高的过程。

这种能引起酶活力提高（或获得）或降低（或丧失）的物质称为酶的激活或抑制剂。它们可以是外源物质，也可以是机体自身代谢过程中产生与积累的代谢产物。3．2．2酶活性调节的机制

3．2．2．1变构调节理论3．2．2．2变构分子内部的化学修饰作用3.3酶合成的调节

诱导作用:在某种化合物(包扩外加的和内源性积累)作用下，导致某种酶合成或合成速度提高的现象。

阻遏作用:在某种化合物作用下，导致某种酶合成停止或合成速度降低的现象。3．3．1酶合成的诱导作用

3．3．1．1组成酶：微生物不论生长在什么培养基中，其中有些酶总是适量地存在，它们是不依赖于酶底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶，这种酶称为组成酶。如葡萄糖转化为丙酮酸过程中的各种酶。

3．3．1．2诱导酶：

诱导酶又称为适应性酶，是依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶。

诱导酶合成的基因以隐性状态存在于染色体中。能够诱导某种酶合成的化合物称为该酶的诱导剂。诱导剂可以是诱导酶的底物，也可以是底物的结构类似物。一种诱导酶的合成可以有一种以上的诱导剂，但不同的诱导剂的诱导能力是不同的，并且诱导能力还与诱导剂的浓度有关。

3．3．2酶合成的阻遏

微生物在代谢过程中，当胞内某种代谢产物积累到一定程度时，不仅可以反馈抑制该产物合成途径中前面某种酶的活性，还可以反馈阻遏这些酶的继续合成，通过这些反馈调节作用降低此产物的合成速率。

如果代谢产物是某种合成途径的终产物，这种阻遏称为末端产物阻遏；如果代谢产物是某种化合物分解的中间产物，这种阻遏称为分解代谢产物阻遏。

3．3．2．1末端产物阻遏阻遏物为代谢的末端产物。3．3．2．2分解代谢产物阻遏阻遏物为代谢过程中的中间产物。3．3．3酶合成调节的机制3．3．3．1单一效应物调节3．3．3．2两种效应物的共同调节3．3．3．3弱化调节3.4分支生物合成途径的调节微生物代谢途径调节中，直链式或不分支代谢途径调节比较简单，是通过末端产物浓度变化，对该生物合成途径中的关键酶进行反馈调节。但许多生物合成途径具有两个以上的末端产物，这种分支合成途径的调节方式比直链式代谢途径要复杂得多。其调节方式包括同工酶调节、顺序反馈调节、协同反馈调节、累加反馈调节、增效反馈调节、联合激活或抑制调节和酶的共价修饰等方式。3．4．1同工酶调节

某一分支途径中的第一步反应可由多种酶催化，但这种酶受不同的终产物的反馈调节。

3．4．2协同反馈调节

3．4．3累加反馈调节

3．4．4增效反馈调节3．4．5顺序反馈调节3．4．6联合激活或抑制调节3．4．7酶的共价修饰3.5能荷调节

能荷：即指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。

能荷调节：也称腺苷酸调节，系指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动。它们所含能荷依次递减。上述三者在细胞中的含量不同，表明细胞的能量状态不同。

细胞的能荷可由下式计算：

能荷={[ATP]+1/2[ADP]}/{[ATP]+[ADP]+[AMP]}X100%

3.6代谢调控3．6．1发酵条件的控制3．6．1．1各种发酵条件对微生物代谢的影响3．6．1．2使用诱导物3．6．1．3添加生物合成的前体3．6．1．4培养基成分和浓度的控制3．6．2改变细胞透性3．6．3菌种遗传特性的改变3.7次级代谢与次级代谢调节3．7．1初次代谢和次级代谢初次代谢：是一类普遍存在于生物