4微生物的代谢调节

第4章微生物代谢调节新陈代谢：是指发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。合成代谢:在合成酶系的催化下，由简单的小分子、ATP和还原力[H]一起合成复杂的生物的大分子的过程。分解代谢：在分解代谢酶系的催化下，将复杂的有机分子分解为简单小分子、能量(ATP)及还原力[H]的过程。EMP、HMP、ED、TCA等。复杂分子简单分子+ATP+[H](有机物)分解代谢酶系合成代谢酶系4.1微生物初级代谢及次级代谢P64微生物的初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程。初级代谢产物：糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及它们聚合成的大分子化合物：多糖、蛋白质、酯类、核酸等微生物的次级代谢：微生物在一定的生长时期，为避免初级代谢产物积累造成不利影响，以其为前体物质合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的代谢。次级代谢产物：大多是分子结构比较复杂的化合物。如抗生素、毒素、激素、色素、生物碱及维生素等。与人类的生活与健康密切相关初级代谢系统、代谢途径和代谢产物在各类生物中基本相同。产物是机体生存必不可少的物质，如果这些物质合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止，重则导致机体发生突变或死亡。次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，同种生物由于培养条件不同而产物不同。产物非机体生存所必需的，次级代谢的某个环节上发生障碍，不会导致机体生长的停止或死亡，通常分泌到胞外。微生物体内成千上万种酶和其他物质组成一套完整的代谢调节机构，反应链的各个酶构成这条链的多酶体系。限速步骤（最慢、通常为第一步）：反应链中速度最慢的一步，限制着反应链的全部反应。它的酶为限速酶。微生物初级代谢的调节微生物次级代谢的调节微生物发酵中的代谢调控酶活性调节调节已有的酶分子的活性酶合成的调节调节酶分子的合成量在酶化学水平上发生的在遗传学水平上发生的4.2微生物初级代谢的调节p50两种类型激活抑制诱导阻遏定义：通过改变已有酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的“精细调节”。酶的激活剂、抑制剂：引起酶活力提高或降低的物质。酶活性的激活：在某个酶促反应系统中，加入（或生成）某低分子量的物质，使酶的活性提高的现象。酶活性的抑制：在某个酶促反应系统中，加入（或生成）某低分子量的物质，使酶的活性降低的现象。4.2.1酶活性的调节ABCDE4.2.1.1酶活性的激活：方式：代谢途径中，催化后面反应的酶活力被前面的中间代谢产物（分解代谢时）或前体（合成代谢时）所促进的现象。4.2.1.2酶活性的抑制反馈抑制——在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性的现象。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除直链式代谢途径（只有一种末端产物）反馈抑制（p57）同功酶调节协同反馈抑制分支代谢途径累积反馈抑制（有多种末端产物）增效反馈抑制顺序反馈抑制（1）直链式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸脱氨酶苏氨酸α-酮丁酸异亮氨酸反馈抑制ABCDE（2）分支代谢途径中的反馈抑制在分支代谢途径中，为了避免在一个分支上的产物过多,影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。①同功酶调节同功酶：能催化相同的生化反应，但酶蛋白本身的分子结构却不同的一组酶。特点：在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的一组同功酶，每一种代谢终产物只对一种同功酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反应的进行。同功酶的反馈抑制典型实例：大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸的合成有3个天冬氨酸激酶催化途径的第一个反应，分别受赖氨酸，苏氨酸，甲硫氨酸的调节。DEHABCFG②协同反馈抑制在分支代谢途径中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用。若某一末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。如，在多粘芽孢杆菌合成赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸的途径中，终点产物苏氨酸和赖氨酸协同抑制天冬氨酸激酶。协同反馈抑制ABCFGDEH③累积反馈抑制在分支代谢途径中，任何一种末端产物过量时都能对共同途径中的第一个酶起抑制作用，而且各种末端产物的抑制作用互不干扰。当各种末端产物同时过量时，它们的抑制作用是累积的。最早是在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现的，该酶受8个最终产物的积累反馈抑制。8个最终产物同时存在时，酶活力完全被抑制。DEH累积反馈抑制ABCFG④增效反馈抑制（合作反馈抑制）在分支代谢途径中，当分支的末端产物同时过量时，反馈抑制作用程度明显大于各种末端产物独立过量时的总和。也就是1+12的效果。⑤顺序反馈抑制分支代谢途径中的两个末端产物，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。因此，只有当两个末端产物都过量时，才能对途径中的第一个酶起到抑制作用。枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢途径就采取这种方式进行调节。顺序反馈抑制ABCDFGE4.2.1.3酶活性调节的机制P51变构调节理论+酶分子的化学修饰调节理论①酶的变构调节理论：受最终代谢产物调节的酶是一种变构酶。其分子有两个中心：与底物结合的活性中心(又称催化中心)，与末端产物结合的调节中心(即变构中心)。酶的变构调节：一些小分子物质（即效应剂）能够与酶的调节部位以非共价键形式结合，使酶的构象发生改变，导致酶活性增强或减弱，从而调控代谢反应。变构酶：受变构调节的酶。效应剂：变构激活剂与变构抑制剂受反馈抑制调节的酶都是变构酶，为分支途径中的第一个酶。变构酶是具有多亚基四级结构的蛋白质。反馈抑制机理：当末端产物过量时，其与调节中心结合，导致酶分子构型发生改变，破坏了酶的活性中心，因而酶的活性降低或丧失，反应停止；当末端产物浓度降低时，同调节中心结合的末端产物被释放出来，导致酶的活性中心形成，酶的活性恢复，反应进行，合成代谢产物。通过末端代谢产物胞内浓度的变化，控制变构酶的活性变化，调节代谢产物的合成。②共价修饰调节理论共价调节酶：通过化学基团的引入或者除去，使其化学活性改变的酶。分子的化学修饰：蛋白质共价结构发生改变，从而改变酶学性质的修饰。形式：磷酸化、甲基化、乙酰化等。可逆的共价修饰与不可逆的共价修饰酶原激活为不可逆的共价修饰。4.2.2酶合成的调节P52细胞内的酶可分为两大类：组成酶、诱导酶组成酶：在相应基因控制下合成，是细胞内固有的酶。合成不受环境条件的影响，含量相对稳定。保持机体基本能量供应的酶是组成酶。EMP、TCA途径中的很多酶。诱导酶：当作用底物或结构类似物（诱导物）存在时，细胞临时合成的能降解此物的酶。合成受环境条件影响。P53图4-4粗调酶合成的调节，包括底物对酶合成系统的诱导作用和产物对酶合成系统的阻遏作用。两者同时存在诱导作用：在某种化合物的作用下，导致酶合成速率提高的现象。阻遏作用：在某种化合物的作用下，导致酶合成速率降低或停止的现象。4.2.2.1酶合成的诱导如某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才能产生淀粉酶。诱导酶只有在诱导剂存在时才生成，当除去诱导剂后，酶的合成便停止了。由于酶诱导生成的调节，使得微生物只有在需要时才合成某种酶，不需要时便不合成，这对微生物新陈代谢是十分经济有利的。4.2.2.2酶生成的阻遏阻遏：阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象。能更彻底地控制和减少末端产物的合成。天冬氨酸高丝氨酸胱氨酸高半胱氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌合成甲硫氨酸的酶的生成①末端代谢产物反馈阻遏指由于某代谢途径的末端产物的过量积累，同时阻止合成途径中所有酶的合成的阻遏。在氨基酸、维生素和核苷酸等合成途径中普遍存在。②分解代谢产物阻遏分解代谢物阻遏：当微生物在含有两种能够利用的底物的培养基中生长时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。“葡萄糖效应”：大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时，优先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽时才开始利用乳糖，导致2个对数期中间隔开一个延滞期，出现“二次生长”现象。P54图4-5原因：葡萄糖的中间代谢物或末端代谢物阻遏了分解乳糖酶系的合成。酶诱导的操纵子模型酶阻遏的色氨酸操纵子模型4.2.2.3酶合成调节的机制操纵子（operon）：基因表达和控制的一个完整单元，包括结构基因，调节基因，操作子和启动子①结构基因(structuralgenes)：是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出相应的酶。（编码蛋白质的DNA序列）②启动子(promoter)：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点。多数情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。③操纵子（operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行。④调节基因（regulatorgene）：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。β—半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶终产物阻遏4.2.3能量负荷调节许多中间代谢反应都是以ATP作为能量储存形式。能量负荷调节：对利用ATP的合成代谢途径中酶活性或产ATP的分解代谢途径中酶的活性进行调节。ATP含量的变化将引起与合成酶、分解酶相关代谢反应的变化，以此调节某些产物的合成。能荷对代谢起着重要的调控作用1968年Atkinson和Walton提出了能荷概念。能荷：细胞中高能磷酸键状态的一种数量上的衡量，表示细胞内ATP-ADP-AMP系统的能量状态。能荷=（[ATP]+1/2[ADP])/([ATP]+[ADP]+[AMP])[ATP]+[ADP]+[AMP]：指总腺苷酸系统(ATP、ADP和AMP的总和)的浓度[ATP]+0.5[ADP]：ATP及相当ATP的浓度。能荷的数值在0-1之间。当所有腺苷酸充分磷酸化为ATP，能荷值为1；当所有腺苷酸去磷酸化为AMP，能荷值为零，正常情况下细胞的能荷值大约为0.75-0.95。ATP的生成和ATP的消耗途径是和细胞内能荷状态相呼应的：高能荷时，ATP生成过程被抑制，而ATP的利用过程被激发；当能荷值低时，其效应相反当体系中ATP含量高时，ATP抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性，使糖酵解减少。当需要能量时，ATP分解为ADP、AMP，这样ATP减少，ADP、AMP增加→能荷降低→激酶活性增大无机磷也是调节者，它能解除6-磷酸葡萄糖对己糖激酶的抑制，加快糖酵解。4.3微生物次级代谢的调节初级代谢与次级代谢途径相互交错，调节控制相互影响。抗生素等调控类型（自学）（1）诱导调节（2）次级代谢产物的自身反馈调节（3）初级代谢产物对次级代谢产物的调节（4）分解代谢产物调节（5）磷酸盐调节（6）细胞膜透性调节4.4代谢调控工业发酵的目的：大量积累人们所需要的代谢产物。代谢控制：人为地打破微生物细胞内的自动代谢调节机制，使代谢朝着人们希望的方向进行。控制代谢的手段：控制发酵条件（生物化学方法）改变细胞膜透性；（生物化学方法）改变微生物遗传特性(遗传学方法）4.4.1发酵条件的控制（1）培养基成分的控制：①尽量避免使用引起分解代谢阻遏的碳源或氮源。如嗜热脂肪芽孢杆菌产生α-淀粉酶受果糖的分解阻遏，以甘油做碳源，酶活性增加25倍。②速效碳源（氮源）与迟效碳源（氮源）配比合适。如青霉素发酵采用葡萄糖和乳糖以适当比例组合，提高产量。③加入诱导剂，提高有诱导酶的产量。④加入前体物质，提高代谢产物的产量。（2）培养条件温度、pH、通气量的控制P61表4-2（3）发酵与分离过程耦合：产物不在发酵体系中积累，膜分离、吸附分离等4.4.2控制细胞膜的通透性改变细胞膜的通透性，使胞内