微生物代謝調(diào)節(jié) 2節(jié)

1、1第三章第三章 微生物的代謝調(diào)節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)第一節(jié)第一節(jié) 基本代謝的調(diào)節(jié)基本代謝的調(diào)節(jié)第二節(jié)第二節(jié) 微生物次級(jí)代謝調(diào)節(jié)微生物次級(jí)代謝調(diào)節(jié)第三節(jié)第三節(jié) 代謝工程代謝工程2w 1 1 微生物代謝調(diào)節(jié)概述微生物代謝調(diào)節(jié)概述w 2 2 微生物代謝調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)微生物代謝調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)w 33 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)w 4 4 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)w 5 5 其它調(diào)節(jié)方式其它調(diào)節(jié)方式w 6 6 微生物代謝的人工控制微生物代謝的人工控制第一節(jié)第一節(jié) 基本代謝的調(diào)節(jié)基本代謝的調(diào)節(jié)31.1 1.1 定義定義 微生物在生長過程中機(jī)體內(nèi)的復(fù)雜代謝過程是相互協(xié)調(diào)微生物在生長過程中機(jī)體內(nèi)的復(fù)雜代謝過程是相互

2、協(xié)調(diào)和高度有序的，并對(duì)外界環(huán)境的改變能夠迅速做出反應(yīng)和高度有序的，并對(duì)外界環(huán)境的改變能夠迅速做出反應(yīng), ,其其原則原則是是經(jīng)濟(jì)合理地利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量經(jīng)濟(jì)合理地利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量, ,使細(xì)使細(xì)胞處于平衡生長狀態(tài)胞處于平衡生長狀態(tài)。微生物代謝分為微生物代謝分為初級(jí)代謝和次級(jí)代謝。初級(jí)代謝和次級(jí)代謝。初級(jí)代謝初級(jí)代謝是為生物提供能量、合成中間體及其關(guān)鍵大分子是為生物提供能量、合成中間體及其關(guān)鍵大分子（如蛋白質(zhì)、核酸等）的各種相互關(guān)聯(lián)的代謝網(wǎng)絡(luò)（包括分（如蛋白質(zhì)、核酸等）的各種相互關(guān)聯(lián)的代謝網(wǎng)絡(luò)（包括分解和合成）。解和合成）。1 1 微生物代謝調(diào)節(jié)概述微生物代謝調(diào)節(jié)概述41.

3、2 1.2 研究目的與采用方式研究目的與采用方式 研究目的：研究目的： 在適當(dāng)條件下，對(duì)微生物代謝途徑加以控制，高濃度地積在適當(dāng)條件下，對(duì)微生物代謝途徑加以控制，高濃度地積累目的產(chǎn)物，來滿足生產(chǎn)的需要。累目的產(chǎn)物，來滿足生產(chǎn)的需要。采用方式：采用方式： 通過育種方法得到基因突變株，從根本上改變代謝途徑；通過育種方法得到基因突變株，從根本上改變代謝途徑； 控制各種培養(yǎng)條件影響其代謝過程；控制各種培養(yǎng)條件影響其代謝過程； 利用基因工程技術(shù)改變代謝流，擴(kuò)展和構(gòu)建新的代謝途徑。利用基因工程技術(shù)改變代謝流，擴(kuò)展和構(gòu)建新的代謝途徑。5（1）代謝流向的調(diào)控）代謝流向的調(diào)控代謝物的代謝物的合成合成代謝物的代謝

4、物的降解降解通過通過自然選擇，自然選擇，微生物可以獲得兩方面的主要特微生物可以獲得兩方面的主要特征：征：高效利用養(yǎng)分高效利用養(yǎng)分和和快速響應(yīng)環(huán)境變化。快速響應(yīng)環(huán)境變化。具體：具體：通過快速啟動(dòng)蛋白質(zhì)的合成和有關(guān)的代謝通過快速啟動(dòng)蛋白質(zhì)的合成和有關(guān)的代謝途徑，平衡各代謝物流和反應(yīng)速率來適應(yīng)外界環(huán)途徑，平衡各代謝物流和反應(yīng)速率來適應(yīng)外界環(huán)境的變化。境的變化。1.3 微生物代謝調(diào)節(jié)方式微生物代謝調(diào)節(jié)方式6u(2)代謝速度的調(diào)控代謝速度的調(diào)控酶量（粗調(diào)）酶量（粗調(diào)）酶活（細(xì)調(diào)）酶活（細(xì)調(diào)）酶酶合成合成的的誘導(dǎo)誘導(dǎo)酶酶合成合成的的阻遏阻遏酶酶活性活性的的激活激活酶酶活性活性的的抑制抑制 酶活的調(diào)節(jié)一般比

5、酶量的調(diào)節(jié)更為經(jīng)濟(jì)，不酶活的調(diào)節(jié)一般比酶量的調(diào)節(jié)更為經(jīng)濟(jì)，不浪費(fèi)能量和建筑單位。浪費(fèi)能量和建筑單位。 在多步驟合成或分解代謝途徑中其關(guān)鍵部位在多步驟合成或分解代謝途徑中其關(guān)鍵部位酶活的快速調(diào)節(jié)主要靠酶活的快速調(diào)節(jié)主要靠變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制。7u細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)：細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)：主要指大分子的生成協(xié)主要指大分子的生成協(xié)調(diào)，如核酸、蛋白質(zhì)或膜的形成，使細(xì)胞能較調(diào)，如核酸、蛋白質(zhì)或膜的形成，使細(xì)胞能較好地適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境條件的變化。好地適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境條件的變化。 總之，微生物初級(jí)代謝調(diào)節(jié)總之，微生物初級(jí)代謝調(diào)節(jié)酶活調(diào)節(jié)酶活調(diào)節(jié)酶合成調(diào)節(jié)酶合成調(diào)節(jié)遺傳控制遺傳控制82 2 微生物代謝調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)微生物代

6、謝調(diào)節(jié)的生化基礎(chǔ)2.1 2.1 微生物代謝的調(diào)節(jié)部位微生物代謝的調(diào)節(jié)部位n與細(xì)胞質(zhì)膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)與細(xì)胞質(zhì)膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)n酶催化能力的調(diào)節(jié)酶催化能力的調(diào)節(jié)n酶與底物的相對(duì)位置調(diào)節(jié)酶與底物的相對(duì)位置調(diào)節(jié)92.1.1 2.1.1 與細(xì)胞膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)與細(xì)胞膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié) 細(xì)胞膜是溶質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的主要屏障。營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞及代謝產(chǎn)物排出細(xì)胞都要受到膜的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響。 與膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)主要包括以下與膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)主要包括以下4個(gè)方面：個(gè)方面：n膜的脂質(zhì)(磷脂及其它脂類)的分子結(jié)構(gòu)，以及環(huán)境條件（如離子強(qiáng)度、溫度、pH等）對(duì)膜脂質(zhì)理化性質(zhì)的影響。n膜蛋白質(zhì)(如酶、載體蛋白、電子傳遞鏈的

7、成員及其它蛋白質(zhì))的絕對(duì)數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)。10n跨膜的電化學(xué)梯度(膜的生理狀態(tài))以及胞內(nèi)ATP、ADP、AMP庫和P濃度對(duì)溶質(zhì)輸送的調(diào)節(jié)。nCW結(jié)構(gòu)特別是骨架結(jié)構(gòu)的部分破壞或變形，間接影響膜(膜的物理狀態(tài))對(duì)溶質(zhì)的通透性。u細(xì)胞內(nèi)存在的酶分子的數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)存在的酶分子的數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)反應(yīng)途徑中的酶水平（酶分子的濃度），調(diào)節(jié)反應(yīng)途徑中的酶水平（酶分子的濃度），特別是關(guān)鍵酶合成或降解的相對(duì)速率特別是關(guān)鍵酶合成或降解的相對(duì)速率改變已存在的酶的活力特別是關(guān)鍵酶的活力改變已存在的酶的活力特別是關(guān)鍵酶的活力112.1.3 2.1.3 酶與底物的相對(duì)位置酶與底物的相對(duì)位置n原核細(xì)胞內(nèi)沒

8、有典型的細(xì)胞器，除了細(xì)胞質(zhì)膜上存在一些凹陷、皺褶外，細(xì)胞內(nèi)不存在被膜分隔的多個(gè)空間，因此，在細(xì)胞內(nèi)似乎不存在酶與底物的相對(duì)位置影響酶作用的問題。n比如當(dāng)一個(gè)酶反應(yīng)系統(tǒng)以多酶復(fù)合體(multienzyme complex)的形式存在時(shí)，就可以使酶反應(yīng)在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進(jìn)行。121.1.可溶性營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送可溶性營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送2.2.代謝途徑的酶的催化作用代謝途徑的酶的催化作用3.3.酶和載體蛋白的合成酶和載體蛋白的合成131.1.可溶性營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送可溶性營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送2.2.代謝途徑的酶的催化作用代謝途徑的酶的催化作用3.3.在核

9、中進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄在核中進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄4.4.在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的翻譯5.5.不同細(xì)胞空間的溶質(zhì)的跨膜輸送不同細(xì)胞空間的溶質(zhì)的跨膜輸送142.2 2.2 酶活力的調(diào)節(jié)理論酶活力的調(diào)節(jié)理論 變構(gòu)調(diào)節(jié)理論變構(gòu)調(diào)節(jié)理論 酶活性的改變是通過酶活性的改變是通過酶分子空間構(gòu)型酶分子空間構(gòu)型上的變化。上的變化。 這種隨條件的變化而改變其分子空間構(gòu)型的、具這種隨條件的變化而改變其分子空間構(gòu)型的、具有催化活性的蛋白質(zhì)叫有催化活性的蛋白質(zhì)叫變構(gòu)酶變構(gòu)酶，而僅具有調(diào)節(jié)酶促，而僅具有調(diào)節(jié)酶促反應(yīng)速率變化的叫反應(yīng)速率變化的叫調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)。 酶分子的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)理論酶分子的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)理論: 有的變構(gòu)酶可以

10、通過修飾作用與某種物質(zhì)以共價(jià)有的變構(gòu)酶可以通過修飾作用與某種物質(zhì)以共價(jià)鍵結(jié)合鍵結(jié)合,導(dǎo)致酶的化學(xué)組成發(fā)生變化導(dǎo)致酶的化學(xué)組成發(fā)生變化,從而提高或降從而提高或降低酶的活性。低酶的活性。152.3 2.3 酶合成的調(diào)節(jié)理論酶合成的調(diào)節(jié)理論 酶合成的誘導(dǎo)或阻遏：在某種化合物酶合成的誘導(dǎo)或阻遏：在某種化合物(包括外包括外加的和內(nèi)源性的積累加的和內(nèi)源性的積累)作用下作用下,導(dǎo)致某種酶合成或合導(dǎo)致某種酶合成或合成速率提高或降低的現(xiàn)象。成速率提高或降低的現(xiàn)象。 163 3 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)( (粗調(diào)）粗調(diào)） 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)酶合成的量來通過調(diào)節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調(diào)節(jié)機(jī)

11、制。這類控制微生物代謝速度的調(diào)節(jié)機(jī)制。這類調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)在基因轉(zhuǎn)錄水平基因轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行，對(duì)代謝活上進(jìn)行，對(duì)代謝活動(dòng)的調(diào)節(jié)是間接的、緩慢的。動(dòng)的調(diào)節(jié)是間接的、緩慢的。173.13.1 酶的誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo) 按照酶的合成與環(huán)境影響的不同關(guān)系，可以將酶分為兩大類：組成酶(Structural enzyme)：它們的合成與環(huán)境無關(guān)，隨菌體形成而合成，是細(xì)胞固有的酶，在菌體內(nèi)的含量相對(duì)穩(wěn)定。如糖酵解途徑(EMP)有關(guān)的酶。誘導(dǎo)酶(Inducible enzyme)：只有在環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時(shí)，它們才開始合成，一旦環(huán)境中沒有了誘導(dǎo)劑，合成就會(huì)終止。18培養(yǎng)基中加入乳糖誘導(dǎo)培養(yǎng)基中加入乳糖誘導(dǎo)- -半乳糖苷酶的合成

12、半乳糖苷酶的合成1920某些誘導(dǎo)酶的正常和高效誘導(dǎo)物某些誘導(dǎo)酶的正常和高效誘導(dǎo)物酶酶正常底物正常底物類似底物的高效誘導(dǎo)物類似底物的高效誘導(dǎo)物半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖乳糖異丙基異丙基D D硫代半乳硫代半乳糖苷糖苷青霉素酶青霉素酶芐基青霉素芐基青霉素 2 2，6 6二甲氧基苯基青霉素二甲氧基苯基青霉素丁烯二酸順反異丁烯二酸順反異構(gòu)酶構(gòu)酶順丁烯二酸順丁烯二酸 丙二酸丙二酸脂肪族酰胺酶脂肪族酰胺酶乙酰胺乙酰胺N N甲基乙酰胺甲基乙酰胺甘露糖鏈霉素酶甘露糖鏈霉素酶甘露糖甘露糖甲基甘露糖苷甲基甘露糖苷21酶的誘導(dǎo)合成類型u同時(shí)誘導(dǎo)：同時(shí)誘導(dǎo)：當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時(shí)或幾乎同時(shí)誘

13、導(dǎo)幾種酶的合成，它同時(shí)或幾乎同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。主要存在于短的代謝途徑中。u順序誘導(dǎo)：順序誘導(dǎo)：先合成能分解底物的酶，再先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達(dá)依次合成分解各中間代謝物的酶，以達(dá)到對(duì)較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。到對(duì)較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。223.2酶合成的阻遏 在某代謝途徑中，當(dāng)末端產(chǎn)物過量時(shí)，微生物在某代謝途徑中，當(dāng)末端產(chǎn)物過量時(shí)，微生物的調(diào)節(jié)體系就會(huì)阻止代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的的調(diào)節(jié)體系就會(huì)阻止代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成，從而徹底地控制代謝，減少末端一系列酶的合成，從而徹底地控制代謝，減少末端產(chǎn)物生成，這種現(xiàn)象

14、稱為產(chǎn)物生成，這種現(xiàn)象稱為酶合成的阻遏酶合成的阻遏。合成可被。合成可被阻遏的酶稱為阻遏的酶稱為阻遏酶阻遏酶(repressible enzyme)(repressible enzyme)。u末端代謝產(chǎn)物阻遏末端代謝產(chǎn)物阻遏(End-product repression)(End-product repression)u分解代謝產(chǎn)物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏(Catabolite(Catabolite repression) repression)2324培養(yǎng)基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成培養(yǎng)基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成25鳥氨酸鳥氨酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸琥珀酸精氨

15、酸琥珀酸精氨酸精氨酸精氨酸合成中的末端產(chǎn)物阻遏精氨酸合成中的末端產(chǎn)物阻遏 ：氨甲?；D(zhuǎn)移酶（：氨甲?；D(zhuǎn)移酶（OTCOTC酶）酶） ：精氨酸琥珀酸合成酶：精氨酸琥珀酸合成酶 ：精氨酸琥珀酸裂合酶：精氨酸琥珀酸裂合酶26 若代謝途徑是直線式的，末端產(chǎn)物阻遏情若代謝途徑是直線式的，末端產(chǎn)物阻遏情況較為簡單，末端產(chǎn)物引起代謝途徑中各種酶況較為簡單，末端產(chǎn)物引起代謝途徑中各種酶的合成終止。的合成終止。甲硫氨酸反饋?zhàn)瓒舸竽c桿菌的蛋氨酸合成酶的合成甲硫氨酸反饋?zhàn)瓒舸竽c桿菌的蛋氨酸合成酶的合成天冬氨酸天冬氨酸高絲氨酸高絲氨酸胱硫醚胱硫醚高半胱氨酸高半胱氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸(R)(R)(R)(R)(R)(R)

16、27 對(duì)于分支代謝途徑來說，情況比較復(fù)雜，對(duì)于分支代謝途徑來說，情況比較復(fù)雜，每種末端產(chǎn)物只專一地阻遏合成它自身那條每種末端產(chǎn)物只專一地阻遏合成它自身那條分支途徑的酶，而代謝途徑分支點(diǎn)前的分支途徑的酶，而代謝途徑分支點(diǎn)前的“公公共酶共酶”則受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻則受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏。遏。 任何一種末端產(chǎn)物的單獨(dú)存在，都不任何一種末端產(chǎn)物的單獨(dú)存在，都不影響酶合成，只有當(dāng)所有末端產(chǎn)物同時(shí)存在影響酶合成，只有當(dāng)所有末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，才能發(fā)揮阻遏作用的現(xiàn)象稱為時(shí)，才能發(fā)揮阻遏作用的現(xiàn)象稱為多價(jià)阻遏多價(jià)阻遏(Multivalent repression)(Multivalent

17、 repression)。28 保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛取１ＷC細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛取?微生物已合成了足量的產(chǎn)物，或外界加入該微生物已合成了足量的產(chǎn)物，或外界加入該物質(zhì)后，就停止有關(guān)酶的合成；物質(zhì)后，就停止有關(guān)酶的合成； 缺乏該物質(zhì)時(shí)，又開始合成有關(guān)的酶。缺乏該物質(zhì)時(shí)，又開始合成有關(guān)的酶。末端代謝產(chǎn)物阻遏末端代謝產(chǎn)物阻遏在微生物代謝調(diào)節(jié)中的作用在微生物代謝調(diào)節(jié)中的作用293.2.2 分解代謝物阻遏 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種可利用底物（碳源當(dāng)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種可利用底物（碳源或氮源）時(shí)，利用快的底物會(huì)阻遏與利用慢的或氮源）時(shí)，利用快的底物會(huì)阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成。底物有關(guān)的酶合

18、成。 這種阻遏并不是由于快速利用底物直接作這種阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結(jié)果，而是由這種底物分解過程中產(chǎn)生的用的結(jié)果，而是由這種底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的，所以稱為中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏分解代謝物阻遏（過去被稱為葡萄糖效應(yīng)）。（過去被稱為葡萄糖效應(yīng)）。30培養(yǎng)基中不同糖對(duì)大腸桿菌生長速度的影響培養(yǎng)基中不同糖對(duì)大腸桿菌生長速度的影響 1.1.單獨(dú)加入葡萄糖時(shí)，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨(dú)加入葡萄糖時(shí)，菌體生長幾乎沒有延遲期； 單獨(dú)加入乳糖時(shí)，菌體生長有明顯的延遲期；單獨(dú)加入乳糖時(shí)，菌體生長有明顯的延遲期； 2.2.同時(shí)加入葡萄糖和乳糖時(shí)，菌體呈二次生長。同時(shí)

19、加入葡萄糖和乳糖時(shí)，菌體呈二次生長。314 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）（細(xì)調(diào)） 一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。酶活調(diào)節(jié)的影響因素包括：底物和產(chǎn)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。酶活調(diào)節(jié)的影響因素包括：底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度、壓力、物的性質(zhì)和濃度、壓力、pH、離子強(qiáng)度、輔助因子以及其、離子強(qiáng)度、輔助因子以及其他酶的存在等等。他酶的存在等等。特點(diǎn)是反應(yīng)快速特點(diǎn)是反應(yīng)快速。4.1 酶活性的激活（酶活性的激活（activation）前體激活：前體激活：代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途

20、徑中較前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：代謝中間產(chǎn)物對(duì)該代謝途徑的代謝中間產(chǎn)物對(duì)該代謝途徑的前面的酶起激活作用。前面的酶起激活作用。324.2 酶活性的抑制（酶活性的抑制（inhibition）：大多是反饋抑制）：大多是反饋抑制A. 無分支代謝途徑無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途的調(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對(duì)催化徑中末端產(chǎn)物對(duì)催化第一步反應(yīng)的酶活性第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。有抑制作用。A B C D X Ea Eb Ec 抑制抑制33天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸轉(zhuǎn)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶氨甲酰酶氨甲酰天氨甲酰天冬

21、氨酸冬氨酸乳清酸乳清酸尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMPUMP）尿嘧啶核苷三尿嘧啶核苷三磷酸磷酸（UTPUTP）胞嘧啶核苷三胞嘧啶核苷三磷酸磷酸（CTPCTP）氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸大腸桿菌大腸桿菌CTPCTP合成途徑中的直線式反饋抑制合成途徑中的直線式反饋抑制34B. 有分支代謝途徑有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：在有兩種或兩種以上的末的調(diào)節(jié)：在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式較為復(fù)雜。分述如端產(chǎn)物的分支代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式較為復(fù)雜。分述如下：下：酶的順序反饋抑制酶的順序反饋抑制A B C EaD E YF G Z Eb Ec抑制抑制抑制抑制抑制抑制兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第

22、一個(gè)酶兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶Ea，而是，而是分別抑制分支點(diǎn)后的分別抑制分支點(diǎn)后的Eb和和Ec，造成中間產(chǎn)物，造成中間產(chǎn)物C的積累，高的積累，高濃度的濃度的C再反饋抑制再反饋抑制Ea。35枯草桿菌芳香族氨基酸合成途徑中的順序反饋抑制枯草桿菌芳香族氨基酸合成途徑中的順序反饋抑制磷酸烯醇磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸脫氧庚酮糖脫氧庚酮糖7 7磷酸磷酸苯丙氨酸苯丙氨酸分支酸分支酸對(duì)羥苯丙酮酸對(duì)羥苯丙酮酸酪氨酸酪氨酸氨基苯甲醇氨基苯甲醇蘇氨酸蘇氨酸赤蘚糖赤蘚糖4 4磷酸磷酸（）（）預(yù)苯酸預(yù)苯酸苯丙酮酸苯丙酮酸（）（）（）（）（）（）36同工酶的反饋抑制同工酶的反饋抑制途徑中的第一個(gè)反應(yīng)（途

23、徑中的第一個(gè)反應(yīng)（A B）被兩個(gè)不同的酶所催化，一）被兩個(gè)不同的酶所催化，一個(gè)酶被個(gè)酶被Y抑制，另一個(gè)酶被抑制，另一個(gè)酶被Z抑制。只有當(dāng)抑制。只有當(dāng)Y和和Z同時(shí)過量才同時(shí)過量才能完全阻止能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)锽。另兩個(gè)控制點(diǎn)（。另兩個(gè)控制點(diǎn)（C D），（），（C F），），分別受分別受Y或或Z的抑制。的抑制。同工酶是能催化同一生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別同工酶是能催化同一生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的一類酶。被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的一類酶。A B C E2D E YF G ZE1E3E4抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制37大腸桿菌合成蘇氨酸、甲硫氨酸和賴

24、氨酸中的同工酶調(diào)節(jié)大腸桿菌合成蘇氨酸、甲硫氨酸和賴氨酸中的同工酶調(diào)節(jié)天冬氨酸天冬氨酸天冬氨天冬氨酰磷酸酰磷酸天冬氨天冬氨酸半醛酸半醛硫胱醚硫胱醚甲硫氨酸甲硫氨酸高絲氨酸高絲氨酸（R R）二氫吡啶二氫吡啶二羧酸二羧酸賴氨酸賴氨酸磷酸高磷酸高絲氨酸絲氨酸蘇氨酸蘇氨酸（E E，R R）（E E，R R）（E E）（E E，R R）38協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制末端產(chǎn)物末端產(chǎn)物Y和和Z單獨(dú)過量，對(duì)途徑中第一個(gè)酶單獨(dú)過量，對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1無抑制作用，無抑制作用，只有只有Y和和Z同時(shí)過量，才能對(duì)同時(shí)過量，才能對(duì)E1具有抑制作用。另兩個(gè)控制具有抑制作用。另兩個(gè)控制點(diǎn)的酶點(diǎn)的酶E2和和E3分別被分別被Y和和

25、Z所抑制。所抑制。A B C E1D E YF G ZE3E2抑制抑制抑制抑制抑制抑制39累積反饋抑制累積反饋抑制末端產(chǎn)物末端產(chǎn)物Y和和Z單獨(dú)過量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶單獨(dú)過量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶E1僅產(chǎn)僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。只有當(dāng)物的形成。只有當(dāng)Y和和Z同時(shí)過量，才能對(duì)同時(shí)過量，才能對(duì)E1產(chǎn)生較大的抑產(chǎn)生較大的抑制作用。制作用。A B C E1D E YF G Z40%30%58%40超相加反饋抑制超相加反饋抑制末端產(chǎn)物末端產(chǎn)物Y和和Z單獨(dú)過量時(shí)，各自對(duì)途徑中第一個(gè)酶單獨(dú)過量時(shí)，各自對(duì)途徑中

26、第一個(gè)酶E1僅產(chǎn)僅產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)生較小的抑制作用，一種末端產(chǎn)物過量并不影響其他末端產(chǎn)物的形成。當(dāng)物的形成。當(dāng)Y和和Z同時(shí)過量，對(duì)同時(shí)過量，對(duì)E1產(chǎn)生的抑制作用則超過產(chǎn)生的抑制作用則超過各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時(shí)的抑制的總和。各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時(shí)的抑制的總和。A B C E1D E YF G Z15%20%90%414.3 酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制主要有兩種理論解釋：主要有兩種理論解釋：（酶分子構(gòu)象的改變）（酶分子構(gòu)象的改變）（酶分子結(jié)構(gòu)的改變）（酶分子結(jié)構(gòu)的改變）別構(gòu)酶除了具有與底物結(jié)合的別構(gòu)酶除了具有與底物結(jié)合的催化中心催化中心外，還具有

27、與調(diào)外，還具有與調(diào)節(jié)劑結(jié)合的節(jié)劑結(jié)合的調(diào)節(jié)中心調(diào)節(jié)中心。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑結(jié)合后，酶蛋白的。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑結(jié)合后，酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，引起催化中心改變，從而引起酶活性的構(gòu)象發(fā)生變化，引起催化中心改變，從而引起酶活性的變化。變化。42反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的性質(zhì)比較反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的性質(zhì)比較反饋?zhàn)瓒舴答佔(zhàn)瓒舴答佉种品答佉种普{(diào)控對(duì)象調(diào)控對(duì)象酶的合成酶的合成酶的活性酶的活性調(diào)控開關(guān)調(diào)控開關(guān)終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度調(diào)控水平調(diào)控水平DNA-mRNA-DNA-mRNA-酶蛋白酶蛋白( (轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平) )酶蛋白的構(gòu)象變化酶蛋白的構(gòu)象變化調(diào)控方式調(diào)控方式終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和力終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和

28、力終產(chǎn)物與變構(gòu)部位親和力終產(chǎn)物與變構(gòu)部位親和力調(diào)控動(dòng)作調(diào)控動(dòng)作阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，不阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，不能合成能合成mRNAmRNA。通過變構(gòu)效應(yīng)，酶的構(gòu)象通過變構(gòu)效應(yīng)，酶的構(gòu)象發(fā)生變化。發(fā)生變化。對(duì)酶的影響對(duì)酶的影響影響催化一系列反應(yīng)的多個(gè)酶影響催化一系列反應(yīng)的多個(gè)酶只對(duì)是一系列反應(yīng)中的第只對(duì)是一系列反應(yīng)中的第一個(gè)酶起作用一個(gè)酶起作用形成的控制形成的控制開、關(guān)控制開、關(guān)控制控制酶活性大小控制酶活性大小調(diào)控反應(yīng)速度調(diào)控反應(yīng)速度遲緩遲緩迅速迅速43酶的共價(jià)修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質(zhì)酶的共價(jià)修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質(zhì)發(fā)生共價(jià)鍵的結(jié)合或解離，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化

29、或抑發(fā)生共價(jià)鍵的結(jié)合或解離，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化制，以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活性）和去磷酸化（低活性）。（高活性）和去磷酸化（低活性）。445.2 5.2 能荷的調(diào)節(jié)能荷的調(diào)節(jié)(1) 當(dāng)細(xì)胞中全部是ATP時(shí)，能荷最大，為100%；當(dāng)全部是AMP時(shí)，能荷最小，為0；當(dāng)全部為ADP時(shí)，能荷為50%。(2) 能荷不僅調(diào)節(jié)形成ATP的分解代謝酶類的活性，也調(diào)節(jié)利用ATP的生物合成酶類的活性。ATPADPATPADPAMP1（） （）2能荷（）（）（）45谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶（腺苷酸化）（腺苷

30、酸化）ATPATPP PP PH H2 2O O AMPAMP谷氨酰胺合成酶的腺苷酸化谷氨酰胺合成酶的腺苷酸化465.3 、細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)、細(xì)胞透性的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的透性直接影響物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌，從而影響到細(xì)胞內(nèi)代謝的變化。 細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物常以較高濃度積累在細(xì)胞內(nèi)，并反饋控制它的進(jìn)一步合成。 采用生理學(xué)方法，可以改變細(xì)胞膜通透性，使細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物迅速滲透到細(xì)胞外，消除反饋控制，有利于提高發(fā)酵產(chǎn)量。47uA A 如限制培養(yǎng)基中生物素濃度在如限制培養(yǎng)基中生物素濃度在1 15mg/L, 5mg/L, 這樣可以控這樣可以控制細(xì)胞膜中脂質(zhì)的合成；制細(xì)胞膜中脂質(zhì)的合成；uB B 加入青霉素加入青

31、霉素, ,抑制細(xì)胞壁肽聚糖合成中肽鏈的交聯(lián)；抑制細(xì)胞壁肽聚糖合成中肽鏈的交聯(lián)；uC C 加入表面活性劑如吐溫加入表面活性劑如吐溫8080或陽離子表面活性劑或陽離子表面活性劑( (如聚氧化乙酰硬脂酰胺如聚氧化乙酰硬脂酰胺),),將脂類從細(xì)胞壁中溶解將脂類從細(xì)胞壁中溶解出來出來, ,使細(xì)胞壁疏松使細(xì)胞壁疏松, ,通透性增加；通透性增加；uD D 控制控制MnMn2+2+、ZnZn2+2+的濃度的濃度, ,干擾細(xì)胞膜或細(xì)胞壁的形成。干擾細(xì)胞膜或細(xì)胞壁的形成。uE E 可以通過誘變育種的方法可以通過誘變育種的方法, ,篩選細(xì)胞透性突變株篩選細(xì)胞透性突變株486 微生物代謝的人工控制微生物代謝的人工控制

32、 微生物在正常情況下，通過細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各微生物在正常情況下，通過細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個(gè)代謝途徑的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既不缺少又不會(huì)過多個(gè)代謝途徑的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既不缺少又不會(huì)過多的積累。而人類利用微生物進(jìn)行發(fā)酵則需要微生物積累較多的積累。而人類利用微生物進(jìn)行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)物，因此對(duì)微生物的代謝必須進(jìn)行人工控制。的代謝產(chǎn)物，因此對(duì)微生物的代謝必須進(jìn)行人工控制。 6.1 代謝產(chǎn)物的有效措施是：代謝產(chǎn)物的有效措施是：（1）反饋抑制作用的解除反饋抑制作用的解除：實(shí)質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶：實(shí)質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶（別構(gòu)酶）的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使末端

33、產(chǎn)物或（別構(gòu)酶）的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物或其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末端產(chǎn)物；端產(chǎn)物；49（2）反饋?zhàn)瓒糇饔玫慕獬答佔(zhàn)瓒糇饔玫慕獬簩?shí)質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因：實(shí)質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變，使調(diào)節(jié)蛋白改變或不發(fā)生，調(diào)節(jié)蛋白不再與末發(fā)生突變，使調(diào)節(jié)蛋白改變或不發(fā)生，調(diào)節(jié)蛋白不再與末端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同操縱基因結(jié)合，端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同操縱基因結(jié)合，從而解除了末端產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏；從而解除了末端產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏；（3）遺傳障礙遺傳障礙：使某酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變，使酶

34、蛋白缺失：使某酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改變，可以解除末端產(chǎn)物對(duì)途徑中的或酶蛋白的活性中心改變，可以解除末端產(chǎn)物對(duì)途徑中的第一個(gè)酶的反饋抑制，積累中間產(chǎn)物；第一個(gè)酶的反饋抑制，積累中間產(chǎn)物；（4）使細(xì)胞膜透性增大使細(xì)胞膜透性增大：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷：如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型，通過控制甘油或生物素或油酸濃度以控型或油酸缺陷型，通過控制甘油或生物素或油酸濃度以控制細(xì)胞膜的透性，使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物外漏，緩解反饋抑制或制細(xì)胞膜的透性，使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物外漏，緩解反饋抑制或阻遏作用。阻遏作用。506.2 人工控制微生物代謝的人工控制微生物代謝的兩種兩種手段：手

35、段：6.2.1 生物合成途徑的遺傳控制生物合成途徑的遺傳控制生物合成途徑的遺傳控制是通過誘變來實(shí)現(xiàn)的。這種突變生物合成途徑的遺傳控制是通過誘變來實(shí)現(xiàn)的。這種突變不僅包括結(jié)構(gòu)基因的突變，而且包括調(diào)節(jié)基因的突變。不僅包括結(jié)構(gòu)基因的突變，而且包括調(diào)節(jié)基因的突變。A、代謝缺陷型菌株、代謝缺陷型菌株B、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸C、產(chǎn)物降解酶缺失突變株、產(chǎn)物降解酶缺失突變株D、細(xì)胞膜組分的缺失突變、細(xì)胞膜組分的缺失突變51A、代謝缺陷型菌株、代謝缺陷型菌株 直線型合成途徑中的營養(yǎng)缺陷型突變株，這類菌株不直線型合成途徑中的營養(yǎng)缺陷型突變株，這類菌株不能積累末端產(chǎn)物，

36、只能積累中間產(chǎn)物；能積累末端產(chǎn)物，只能積累中間產(chǎn)物； 在分支代謝途徑中，可利用營養(yǎng)缺陷型來合成某種末在分支代謝途徑中，可利用營養(yǎng)缺陷型來合成某種末端產(chǎn)物。端產(chǎn)物。52B B、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸、利用抗代謝類似物的突變積累氨基酸菌體通常需要各種代謝物如維生素、氨基酸等合成菌體需菌體通常需要各種代謝物如維生素、氨基酸等合成菌體需要的成分，如果有與代謝物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)（即抗代謝物）要的成分，如果有與代謝物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)（即抗代謝物）存在，則可能產(chǎn)生兩種結(jié)果：抗代謝物和代謝物競爭同一存在，則可能產(chǎn)生兩種結(jié)果：抗代謝物和代謝物競爭同一個(gè)酶，使代謝物不能進(jìn)一步合成菌體需要的成分；抗代謝個(gè)酶，

37、使代謝物不能進(jìn)一步合成菌體需要的成分；抗代謝物代替代謝物合成生理上無活性的化合物。物代替代謝物合成生理上無活性的化合物。通過誘變篩選出對(duì)抗代謝物相對(duì)應(yīng)的代謝物不敏感，因此通過誘變篩選出對(duì)抗代謝物相對(duì)應(yīng)的代謝物不敏感，因此可以解除代謝物的反饋抑制作用。可以解除代謝物的反饋抑制作用。53Asp Asp-P AsaMetHseThrLysAK1AK2AK3HSDH例例1：黃色短桿菌抗黃色短桿菌抗-氨基氨基-羥基戊酸（羥基戊酸（AHV）菌）菌株能積累蘇氨酸株能積累蘇氨酸AK1和和HSDH的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因突變，不能與蘇氨酸的的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因突變，不能與蘇氨酸的結(jié)構(gòu)類似物（結(jié)構(gòu)類似物（AHV）結(jié)合

38、，當(dāng)然也不會(huì)同蘇氨酸結(jié)合，所）結(jié)合，當(dāng)然也不會(huì)同蘇氨酸結(jié)合，所以能解除蘇氨酸對(duì)以能解除蘇氨酸對(duì)AK1和和HSDH的反饋抑制，因而積累蘇氨的反饋抑制，因而積累蘇氨酸。酸。Asp：天門冬氨酸；天門冬氨酸；Asp-P：天門冬氨酰磷酸；天門冬氨酰磷酸；Asa：天門冬氨酸半醛；天門冬氨酸半醛；Hse：高絲氨酸；高絲氨酸；Thr：蘇氨酸；蘇氨酸；Met：甲硫氨酸；甲硫氨酸；Lys：賴氨酸；：賴氨酸；AK：天門冬氨酸激酶；天門冬氨酸激酶；HSDH：高絲氨酸脫氫酶高絲氨酸脫氫酶54C、產(chǎn)物降解酶缺失突變株、產(chǎn)物降解酶缺失突變株有的代謝產(chǎn)物由于相應(yīng)降解酶的存在而在發(fā)酵液中不能穩(wěn)定存在，因有的代謝產(chǎn)物由于相應(yīng)降解酶的存在而在發(fā)酵液中不能穩(wěn)定存在，因此可通過誘變獲得缺乏降解產(chǎn)物的酶的菌株使發(fā)酵單位提高。此可通過誘變獲得缺乏降解產(chǎn)物的酶的菌株使發(fā)酵單位提高。