第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件

原則：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)胞處于平衡生長狀態(tài)。方式：反饋抑制、反饋?zhàn)瓒?、酶的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)、酶的共價(jià)修飾。目的：高濃度地積累人們所期望的產(chǎn)物。平衡→打破→建新平衡→高濃度地積累辦法：①育種，得到根本改變代謝的基因突變株；②控制微生物培養(yǎng)條件，影響其代謝過程。原則：經(jīng)濟(jì)合理地利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量，13.1酶的合成調(diào)節(jié)

●酶的合成調(diào)節(jié)是通過控制酶的合成量來調(diào)節(jié)代謝速率的方式。包括誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和阻遏調(diào)節(jié)兩種方式。通過酶合成量調(diào)節(jié)代謝速率是一種間接而緩慢的方式，屬于粗放的調(diào)節(jié)，稱之為“粗調(diào)”。●優(yōu)點(diǎn)：通過阻止酶的過量合成降低代謝速率，節(jié)約用于生物合成的原料和能量。

●兩個(gè)概念:①組成酶：細(xì)胞內(nèi)總是適量存在的，不依賴于酶底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。②誘導(dǎo)酶：依賴于酶底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。其基因以隱性狀態(tài)存在于染色體中。3.1酶的合成調(diào)節(jié)●酶的合成調(diào)節(jié)是通過控制酶的合成量來調(diào)2◆誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（induction）

●誘導(dǎo)酶的合成需要誘導(dǎo)劑，它可是底物，也可是底物的結(jié)構(gòu)類似物。一種酶可有多種誘導(dǎo)劑，其能力與誘導(dǎo)劑的種類和濃度有關(guān)。

●如E.coli在含乳糖培養(yǎng)基上產(chǎn)生的β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶和半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶就是由于乳糖的存在而誘導(dǎo)產(chǎn)生的。大腸桿菌在加入乳糖前β-半乳糖苷酶的分子數(shù)為5個(gè)；加入后的1-2分鐘內(nèi)就增加到5000個(gè)。（誘導(dǎo)作用，非激活作用）

◆誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（induction）●誘導(dǎo)酶的合成需要誘導(dǎo)劑3誘導(dǎo)作用的類型：協(xié)同誘導(dǎo)和順序誘導(dǎo)指一種底物能同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成。如將乳糖加入到E.coli培養(yǎng)基中，細(xì)胞同時(shí)合成β-半乳糖苷透過酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。指先合成分解底物的酶，再依次合成分解各中間產(chǎn)物的酶，達(dá)到對(duì)復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。協(xié)同誘導(dǎo)順序誘導(dǎo)誘導(dǎo)作用的類型：協(xié)同誘導(dǎo)和順序誘導(dǎo)指一種底物能同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶4◆阻遏調(diào)節(jié)（repression）●某種代謝物積累除抑制酶活性外，還可反饋?zhàn)瓒裘负铣桑档头磻?yīng)速度。在微生物的代謝過程中，當(dāng)某途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)，可通過阻礙該代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，徹底控制代謝和末端產(chǎn)物合成。●方式：末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏◆阻遏調(diào)節(jié)（repression）●某種代謝物積累除抑制酶5末端代謝產(chǎn)物阻遏在直線反應(yīng)途徑中，末端產(chǎn)物阻遏較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的第一個(gè)酶，使后續(xù)的酶都不能合成。DABCE-末端代謝產(chǎn)物阻遏在直線反應(yīng)途徑中，末端產(chǎn)物阻遏較為簡單，即產(chǎn)6●特點(diǎn)：“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏（多價(jià)阻遏作用）。只有所有末端產(chǎn)物同時(shí)累積，才能阻遏“公共酶”合成。芳香簇氨基酸、天冬氨酸簇及丙酮酸簇氨基酸生物合成中的反饋?zhàn)瓒艟蛯儆谶@種類型?！穹种Тx途徑的阻遏較為復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏各自對(duì)應(yīng)的分支途徑中酶的合成。F-ACBDEGH---●特點(diǎn)：“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏（多價(jià)阻7分解代謝物阻遏●細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種底物(碳源或氮源)時(shí)，易利用底物會(huì)阻遏難利用底物分解酶系的合成?！袢鏓.coli培養(yǎng)在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上時(shí)形成“二次生長現(xiàn)象”，即葡萄糖存在時(shí)阻遏了分解乳糖酶系的合成，此現(xiàn)象又稱葡萄糖效應(yīng)?！駥?shí)質(zhì)：易利用底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物或末端代謝物的過量累積，阻遏了代謝途徑中一些酶的合成。分解代謝物阻遏●細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種底物(碳源或氮源)時(shí)，易利8第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件9

◆酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制－操縱子假說●操縱子（operon）：是原核生物基因表達(dá)與調(diào)控的一個(gè)完整單位，包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動(dòng)子。①結(jié)構(gòu)基因(structuralgenes)：編碼蛋白質(zhì)的DNA序列．可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA，然后再通過核糖體轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶②啟動(dòng)子(promoter)：被RNA多聚酶識(shí)別的堿基序列，該序列既是RNA聚合酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)◆酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制－操縱子假說●操縱子（operon）：10③操作子（operator）：位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白（一種調(diào)節(jié)蛋白）的結(jié)合位點(diǎn)，能通過與阻遏物相結(jié)合來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行④調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）：編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因，一般遠(yuǎn)離操縱子,但在原核生物中,可以位于操縱子旁邊③操作子（operator）：位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一11第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件12★誘導(dǎo)物—是起始酶誘導(dǎo)合成的物質(zhì)，如乳糖等，它們可與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，抑制其與操縱基因的結(jié)合，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行?！镙o阻遏物—是阻遏酶產(chǎn)生的物質(zhì)，如氨基酸和核苷酸等，它們也可與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，促進(jìn)其與操縱基因的結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄的順利進(jìn)行?！镎T導(dǎo)物與輔阻遏物都屬于一類低分子量的信號(hào)物質(zhì)-效應(yīng)物(如糖類及其衍生物，氨基酸及核苷酸等)，它們均可與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，使之發(fā)生變構(gòu)，以提高或降低調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因的結(jié)合能力。★誘導(dǎo)物—是起始酶誘導(dǎo)合成的物質(zhì)，如乳糖等，它們可與調(diào)★輔阻13★特點(diǎn)：①屬于低分子量變構(gòu)蛋白；②具有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，一個(gè)與操作子結(jié)合，另一位點(diǎn)可與效應(yīng)物結(jié)合?！镱愋停孩僮瓒粑铮茉跊]有誘導(dǎo)物時(shí)單獨(dú)與操縱基因結(jié)合；②阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物存在時(shí)才能與操縱基因結(jié)合。★定義：由調(diào)節(jié)基因編碼產(chǎn)生的特異性調(diào)節(jié)蛋白?！锾攸c(diǎn)：①屬于低分子量變構(gòu)蛋白；★類型：①阻遏物，它能在14酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制★負(fù)調(diào)控:是指在沒有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)基因表達(dá)具有轉(zhuǎn)錄活性，一旦加入調(diào)節(jié)蛋白，則基因活性被關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄受到抑制的現(xiàn)象。負(fù)調(diào)控中的調(diào)節(jié)蛋白叫阻遏蛋白。★意義：負(fù)調(diào)控實(shí)際上是一種保安機(jī)制，萬一在調(diào)節(jié)蛋白失活時(shí)，酶系統(tǒng)仍然可以合成，使細(xì)胞不至于因缺乏該酶系統(tǒng)而造成致命的后果?！狤.coli乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制★負(fù)調(diào)控:是指在沒有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)基因表達(dá)具有15OO16第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件17——E.coli乳糖操縱子的正調(diào)控（分解代謝物阻遏）★現(xiàn)象：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)阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成。★原因：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)生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏?！狤.coli乳糖操縱子的正調(diào)控（分解代謝物阻遏）★現(xiàn)18葡萄糖效應(yīng)與二次生長現(xiàn)象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)加入乳糖時(shí)，菌體生長有明顯的延遲期②同時(shí)加入葡萄糖和乳糖時(shí)，菌體呈二次生長葡萄糖效應(yīng)與二次生長現(xiàn)象①單獨(dú)加入葡萄糖時(shí)，菌體生長幾乎19乳糖操縱子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制

乳糖操縱子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制20①乳糖與葡萄糖同時(shí)存在時(shí)，由于分解葡萄糖的酶類屬于組成酶，能迅速地將葡萄糖降解成某種中間產(chǎn)物（X），X既會(huì)阻止ATP環(huán)化形成cAMP，同時(shí)又會(huì)促進(jìn)cAMP分解成AMP，從而降低了cAMP的濃度，繼而阻遏了與乳糖降解有關(guān)的誘導(dǎo)酶合成。②只有當(dāng)葡萄糖耗盡后，cAMP才能回升到正常濃度，操縱子重新開啟，并開始利用乳糖作為碳源，形成菌體的二次生長。①乳糖與葡萄糖同時(shí)存在時(shí)，由于分解葡萄糖的酶類屬于組成酶，21E.coliTrp操縱子-末端代謝產(chǎn)物阻遏的機(jī)制色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)模型

E.coliTrp操縱子-末端代謝產(chǎn)物阻遏的機(jī)制色氨酸操縱22E.coliTrp操縱子弱化調(diào)節(jié)機(jī)制E.coliTrp操縱子弱化調(diào)節(jié)機(jī)制23★色氨酸的合成涉及到有7個(gè)基因的參與。其中，trpE和trpD編碼鄰氨基苯甲酸合酶，trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB則分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。★trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpE緊鄰的是啟動(dòng)子區(qū)和操縱區(qū)。另外，前導(dǎo)區(qū)和弱化子區(qū)分別定名為trpL和trpa（不是trpA）?！飔rp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)?！锷彼岬暮铣缮婕暗接?個(gè)基因的參與。其中，trpE和trp24★色氨酸貧乏時(shí)，核糖體停在UGG(54-56)，聚合酶通過，酶合成；

★色氨酸充足時(shí)，轉(zhuǎn)錄至UGA(69-71)，不利于RNA聚合酶通過，酶不合成?！锷彼嶝毞r(shí)，核糖體停在UGG(54-56)，聚合酶通過，25第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件263.2酶活性的調(diào)節(jié)通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。包括兩種方式：●酶活性的激活代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn)3.2酶活性的調(diào)節(jié)通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的27天門冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶受ATP激活，受CTP抑制（終產(chǎn)物）。天門冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶受ATP激活，受CTP抑制（終產(chǎn)物）。28第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件29●酶活性的抑制②競爭性抑制抑制劑與反應(yīng)底物競爭，從而阻止底物與酶的結(jié)合。因此，酶反應(yīng)速度下降。這是一種最常見的可逆抑制作用?？梢酝ㄟ^增加底物濃度來解除這種抑制。典型的例子：丙二酸對(duì)琥珀酸脫氫酶的抑制。①反饋抑制（負(fù)反饋）主要表現(xiàn)為某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除?！衩富钚缘囊种脾诟偁幮砸种脾俜答佉种疲ㄘ?fù)反饋）303.2.1反饋抑制的類型在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。主要有：同功酶的調(diào)節(jié)，順序反饋，協(xié)同反饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。(1)直線式代謝途徑中的反饋抑制蘇氨酸蘇氨酸脫氨酶α-酮丁酸異亮氨酸反饋抑制(2)分支代謝途徑中的反饋抑制3.2.1反饋抑制的類型在分支代謝途徑中，反饋抑31▼同功酶調(diào)節(jié)—isoenzyme在一個(gè)分支代謝途徑中，如果分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用?！骋划a(chǎn)物過量僅抑制相應(yīng)酶活，對(duì)其他產(chǎn)物沒影響。如大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié)。▼同功酶調(diào)節(jié)—isoenzyme在一個(gè)分支代謝途32▼協(xié)同反饋抑制分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式(一個(gè)也不能少)。如天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。▼協(xié)同反饋抑制分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過33▼

合作反饋抑制兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反饋抑制作用大于二者單獨(dú)作用之和。如嘌呤核苷酸的合成，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時(shí)，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨(dú)過量時(shí)，分別抑制其活性的70%和10%。▼合作反饋抑制兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反34▼

積累反饋抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應(yīng)，亦無拮抗作用。如E.coli谷氨酰胺合成酶的調(diào)節(jié)▼積累反饋抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比35▼順序反饋抑制一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，通過后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。如枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成的調(diào)節(jié)▼順序反饋抑制一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間36▼

代謝互鎖一種氨基酸的合成受到另一種完全無關(guān)的氨基酸的控制，而且只有當(dāng)該氨基酸濃度大大高于生理濃度時(shí)才能顯示抑制作用.如賴氨酸的生物合成與亮氨酸的生物合成之間存在著代謝互鎖▼代謝互鎖一種氨基酸的合成受到另一種完全無關(guān)的氨基37

在分支合成途徑中，分支點(diǎn)后的兩種酶競爭同一種底物，如AMP與GMP，Thr與Lys、Met，由于兩種酶對(duì)底物的Km值（即對(duì)底物的親和力）不同，故兩條支路的一條優(yōu)先合成。▼優(yōu)先合成在分支合成途徑中，分支點(diǎn)后的兩種酶競爭同一種383.2.2酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制—變構(gòu)酶理論

變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子空間構(gòu)象的變化影響酶的活性。它具有兩個(gè)以上立體專一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)是調(diào)節(jié)中心。3.2.2酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制—變構(gòu)酶理論變構(gòu)酶為一種變39反饋抑制和阻遏的概念反饋抑制：是指代謝途徑的終產(chǎn)物對(duì)催化該途徑中的一個(gè)反應(yīng)（通常是第一個(gè)反應(yīng)）的酶活力的抑制，其實(shí)質(zhì)是終產(chǎn)物結(jié)合到酶的變構(gòu)部位，從而干擾酶和它底物的結(jié)合，當(dāng)然與此相反為酶活性的激活。反饋?zhàn)瓒簦菏侵附K產(chǎn)物（或終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類似物）阻止催化該途徑的一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)中的一個(gè)或幾個(gè)酶的合成，其實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)基因的作用，這是微生物不通過基因突變而適應(yīng)于環(huán)境改變的一種措施，當(dāng)然與此相反有酶合成的誘導(dǎo)。反饋抑制和阻遏的概念403.3細(xì)胞膜通透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的屏障。細(xì)胞從外部環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)或?qū)⒓?xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物分泌至細(xì)胞外，都要通過細(xì)胞膜。細(xì)胞通過對(duì)膜透性大小的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝過程的部分調(diào)節(jié)。（1）通過細(xì)胞膜缺損突變而控制其滲透性：篩選透性突變株。3.3細(xì)胞膜通透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行41（2）解除反饋抑制當(dāng)細(xì)胞膜完整時(shí)，透性小，細(xì)胞內(nèi)的某代謝產(chǎn)物不能及時(shí)分泌到細(xì)胞外部，在細(xì)胞內(nèi)不斷累積，至其濃度達(dá)到一定程度時(shí)發(fā)生反饋抑制，導(dǎo)致該代謝產(chǎn)物合成減慢或停止。02.5101.330.83.7生物素(μg/L)谷氨酸(g/L)谷氨酸生產(chǎn)過程發(fā)酵液中生物素與谷氨酸含量的關(guān)系此外，加入青霉素等抗生素和吐溫80等脂肪酸衍生物，都能增大膜的通透性，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)谷氨酸向細(xì)胞外大量分泌，以解除反饋抑制。（2）解除反饋抑制當(dāng)細(xì)胞膜完整時(shí)，透性小，細(xì)胞內(nèi)的某424.代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用基本方法：①遺傳學(xué)方法-改變微生物遺傳特性②生物化學(xué)方法-控制發(fā)酵條件●工業(yè)發(fā)酵的目的——大量地積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。●代謝的人工控制——人為地打破微生物的代謝控制體系，就有可能使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。4.代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用基本方法：①遺傳學(xué)434.1遺傳學(xué)方法◆營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用⑴對(duì)于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物。典型例子：利用谷氨酸棒狀桿菌的精氨酸缺陷型突變株進(jìn)行鳥氨酸發(fā)酵。4.1遺傳學(xué)方法◆營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用⑴對(duì)于直線式代謝途44⑵分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營養(yǎng)缺陷性消除協(xié)同反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利用雙重缺陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物?！褓嚢彼岚l(fā)酵高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株生產(chǎn)賴氨酸的合成途徑⑵分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營養(yǎng)缺陷性消除協(xié)同反饋抑45●肌苷酸發(fā)酵谷氨酸棒狀桿菌的腺核苷酸和鳥苷酸的合成途徑反饋抑制●肌苷酸發(fā)酵谷氨酸棒狀桿菌的腺核苷酸和鳥苷酸的合成途徑反饋抑46第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件47◆滲漏突變株(leakagemutant)的應(yīng)用這是一種不完全遺傳障礙營養(yǎng)缺陷型，能自己合成微量的某一代謝終產(chǎn)物，但達(dá)不到反饋抑制的濃度，所以不會(huì)造成反饋抑制而影響中間代謝產(chǎn)物的積累。與營養(yǎng)缺陷型不同的是不需要外源添加滲漏缺陷的物質(zhì)。如利用Hserl解除（Thr+Lys)對(duì)天冬氨酸激酶(AK)的協(xié)同反饋抑制：Hserl細(xì)胞能合成Hser，但合成的量僅能維持細(xì)胞的最低生長，胞內(nèi)的濃度達(dá)不到進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的濃度?！魸B漏突變株(leakagemutant)的應(yīng)用這是48◆抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用①抗反饋抑制突變型由于結(jié)構(gòu)基因突變而使變構(gòu)酶不能和代謝終產(chǎn)物結(jié)合，從而失去反饋抑制的突變型。②抗反饋?zhàn)瓒敉蛔冃陀捎谡{(diào)節(jié)基因突變引起調(diào)節(jié)蛋白不能和代謝終產(chǎn)物結(jié)合，從而失去阻遏作用的突變型?？狗答佌{(diào)節(jié)突變株：是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型突變株，或兼而有之的突變株。結(jié)構(gòu)類似物analog（抗代謝物antimetabolite）是一種與初級(jí)代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似但缺乏生理功能的化合物◆抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用①抗反饋抑制突變型由于結(jié)構(gòu)基因突變49第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件50黃色短桿菌蘇氨酸、賴氨酸和異亮氨酸的合成途徑及反饋調(diào)節(jié)抗結(jié)構(gòu)類似物突變株的應(yīng)用的典型例子反饋抑制反饋?zhàn)瓒酎S色短桿菌蘇氨酸、賴氨酸和異亮氨酸的合成途徑及反饋調(diào)節(jié)抗結(jié)構(gòu)51結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏。調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變產(chǎn)生無效的阻遏物而不能與操縱基因結(jié)合操縱基因突變突變操縱基因不能與阻遏物結(jié)合組成型突變◆組成型突變株的應(yīng)用結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端521.添加前體繞過反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生2.控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：工業(yè)生產(chǎn)的酶大多受分解阻遏或分解抑制的控制，因此，在培養(yǎng)基中避免使用可阻遏的碳源或氮源。如嗜熱芽孢桿菌的α－淀粉酶的合成受果糖的阻遏，如采用甘油做碳源，可大大促進(jìn)酶的生產(chǎn)。4.2生物化學(xué)方法通過添加C，可大量積累D1.添加前體繞過反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生2.533.限量營養(yǎng)物的添加，或抗生素的加入以增加細(xì)胞膜透性如谷氨酸生產(chǎn)，添加適量生物素，可增加生產(chǎn)菌細(xì)胞膜透性，使產(chǎn)物Glu不斷分泌到胞外。從而解除了過量Glu對(duì)谷氨酸脫氫酶的反饋抑制作用，提供其產(chǎn)量。如添加青霉素，以抑制細(xì)胞壁的合成，造成細(xì)胞膜透性增加，Glu就能大量分泌到胞外。4.發(fā)酵與分離過程耦合3.限量營養(yǎng)物的添加，或抗生素的加入以增加細(xì)胞膜透性545.微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控●次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系①存在范圍及產(chǎn)物類型不同初級(jí)代謝是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。次級(jí)代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，即使同種生物也會(huì)由于培養(yǎng)條件的不同而產(chǎn)生不同的次級(jí)代謝產(chǎn)物。如產(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時(shí)可以合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。5.微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控●次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系①55初級(jí)代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等通常都是機(jī)體生存必不可少的物質(zhì)，只要在這些物質(zhì)的合成過程的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止、重則導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生突變或死亡。而次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)于產(chǎn)生者本身來說，不是機(jī)體生存所必需的物質(zhì)，即使在次級(jí)代謝的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙,也不會(huì)導(dǎo)致機(jī)體生長的停止或死亡，至多只是影響機(jī)體合成某種次級(jí)代謝產(chǎn)物的能力。②對(duì)產(chǎn)生者自身的重要性不同初級(jí)代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體②對(duì)產(chǎn)56初級(jí)代謝自始至終存在于一切生活的機(jī)體中，同機(jī)體的生長過程呈平行關(guān)系；次級(jí)代謝則是在機(jī)體生長的一定時(shí)期內(nèi)（通常是微生物的對(duì)數(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機(jī)體的生長不呈平行關(guān)系，一般可明顯地表現(xiàn)為機(jī)體的生長期和次級(jí)代謝產(chǎn)物形成期二個(gè)不同的時(shí)期。③同微生物生長過程的關(guān)系明顯不同初級(jí)代謝自始至終存在于一切生活的機(jī)體中，同機(jī)體的生長③同微生57④對(duì)環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性上明顯不同初級(jí)代謝對(duì)環(huán)境條件的變化敏感性?。催z傳穩(wěn)定性大），而次級(jí)代謝對(duì)環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)條件變化而停止。⑤相關(guān)酶的專一性不同相對(duì)來說催化初級(jí)代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強(qiáng)，催化次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強(qiáng)，因此在某種次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的前體物時(shí)，往往可以導(dǎo)致機(jī)體合成不同類型的次級(jí)代謝產(chǎn)物，④對(duì)環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性上明顯不同初級(jí)代謝對(duì)環(huán)境58⑥某些機(jī)體內(nèi)存在二種既有聯(lián)系又有區(qū)別的代謝類型初級(jí)代謝是次級(jí)代謝的基礎(chǔ)，它可以為次級(jí)代謝產(chǎn)物合成提供前體物和所需要的能量；初級(jí)代謝產(chǎn)物合成中的關(guān)鍵性中間體也是次級(jí)代謝產(chǎn)物合成中的重要中間體物質(zhì)。而次級(jí)代謝則是初級(jí)代謝在特定條件下的繼續(xù)與發(fā)展，避免初級(jí)代謝過程中某種（或某些）中間體或產(chǎn)物過量積累對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的毒害作用。⑥某些機(jī)體內(nèi)存在二種既有聯(lián)系又有區(qū)別的代謝類型初級(jí)代謝是次級(jí)59初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系60次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成與初級(jí)代謝產(chǎn)物的關(guān)系次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成與初級(jí)代謝產(chǎn)物的關(guān)系61①酶合成的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)參與次生代謝的酶，有些酶也是誘導(dǎo)酶，以底物或底物類似物（內(nèi)源、外源）為誘導(dǎo)劑。②反饋調(diào)節(jié)包括次級(jí)代謝物的自身反饋調(diào)節(jié)、前體物的反饋調(diào)節(jié)、初級(jí)代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)●次生代謝的主要調(diào)節(jié)機(jī)制賴氨酸對(duì)青霉素生物合成的調(diào)節(jié)①酶合成的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)●次生代謝的主要調(diào)節(jié)機(jī)制賴氨酸對(duì)青霉素生物62③分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)

★碳分解產(chǎn)物調(diào)節(jié)—按被菌體利用速度的不同，碳源可分為迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源?！焖倮玫奶荚磳?duì)很多產(chǎn)物的生物合成產(chǎn)生阻遏作用；緩慢利用的碳源，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成?！诠I(yè)上，發(fā)酵培養(yǎng)基常采用含迅速和緩慢利用的混合碳源，來控制菌體的生長和產(chǎn)物的合成。③分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)63★氮分解產(chǎn)物調(diào)節(jié)

—速效氮源(如氨基酸和玉米漿等)促進(jìn)菌體生長，但對(duì)某些抗生素的生物合成產(chǎn)生抑制或阻遏作用，降低產(chǎn)量。

—遲效氮源(黃豆餅粉、花生餅粉等)對(duì)延長次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期，提高產(chǎn)物的產(chǎn)量有利。但一次投入過多，容易促進(jìn)菌體生長和養(yǎng)分過早耗盡，縮短產(chǎn)物的分泌期?！诠I(yè)上，發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有快速和慢速利用的混合氮源。而且，在發(fā)酵過程中限量補(bǔ)加氮源來控制其濃度a.補(bǔ)加某些具有調(diào)節(jié)生長代謝作用的有機(jī)氮源，如酵母粉、玉米漿、尿素等。b.補(bǔ)加氨水或硫酸銨等無機(jī)氮源.當(dāng)pH偏低又需補(bǔ)氮時(shí)，可通入氨氣；當(dāng)pH偏高又需補(bǔ)氮時(shí)，可加入生理酸性物質(zhì)如硫酸銨等。★氮分解產(chǎn)物調(diào)節(jié)64④磷酸鹽調(diào)節(jié)—磷酸鹽在微生物的生長和次級(jí)代謝產(chǎn)物合成中起著重要的作用，高濃度的磷酸鹽對(duì)抗生素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用。適合微生物生長的磷酸鹽濃度是0.3－300mmol，10mmol的磷酸鹽就明顯地抑制次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成?！姿猁}對(duì)初級(jí)代謝產(chǎn)物合成的調(diào)節(jié)往往是通過促進(jìn)生長而間接產(chǎn)生的，對(duì)次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成的調(diào)節(jié)有多種可能的機(jī)制，主要包括抑制酶的活性，如在鏈霉素合成中，高濃度磷酸鹽抑制堿性磷酸脂酶的活性；導(dǎo)致細(xì)胞

內(nèi)能荷變化；或提高磷酸鹽競爭某些必須金屬離子的作

用。④磷酸鹽調(diào)節(jié)65⑤細(xì)胞生長調(diào)節(jié)在生長期中，負(fù)責(zé)合成抗生素的酶被全部或部分抑制。進(jìn)入生產(chǎn)期后，死亡的細(xì)胞數(shù)與增殖的細(xì)胞數(shù)保持相對(duì)平衡，合成菌體成分的代謝很慢，抗生素開始急速形成，直至其合成能力的衰退。⑥細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)如谷氨酸生產(chǎn)，添加適量生物素，可增加生產(chǎn)菌細(xì)胞膜透性，使產(chǎn)物Glu不斷分泌到胞外。從而解除了過量Glu對(duì)谷氨酸脫氫酶的反饋抑制作用，提供其產(chǎn)量。⑤細(xì)胞生長調(diào)節(jié)66●次級(jí)代謝的調(diào)控－以青霉素G的發(fā)酵生產(chǎn)為例①青霉素的生物合成與碳源分解代謝產(chǎn)物的關(guān)系●次級(jí)代謝的調(diào)控－以青霉素G的發(fā)酵生產(chǎn)為例①青霉素的生物合67②青霉素的生物合成與賴氨酸的反饋調(diào)節(jié)②青霉素的生物合成與賴氨酸的反饋調(diào)節(jié)68復(fù)習(xí)題1.在化能異養(yǎng)微生物的生物氧化中，其基質(zhì)脫氫和產(chǎn)能途徑主要有哪幾條？試比較各途徑的主要特點(diǎn)。2.試比較有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵的異同點(diǎn)。3.微生物調(diào)節(jié)代謝流的主要方式有哪兩類？反饋抑制有哪幾種類型？復(fù)習(xí)題1.在化能異養(yǎng)微生物的生物氧化中，其基質(zhì)脫氫和產(chǎn)能途徑69原則：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)胞處于平衡生長狀態(tài)。方式：反饋抑制、反饋?zhàn)瓒簟⒚傅恼T導(dǎo)調(diào)節(jié)、酶的共價(jià)修飾。目的：高濃度地積累人們所期望的產(chǎn)物。平衡→打破→建新平衡→高濃度地積累辦法：①育種，得到根本改變代謝的基因突變株；②控制微生物培養(yǎng)條件，影響其代謝過程。原則：經(jīng)濟(jì)合理地利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量，703.1酶的合成調(diào)節(jié)

●酶的合成調(diào)節(jié)是通過控制酶的合成量來調(diào)節(jié)代謝速率的方式。包括誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和阻遏調(diào)節(jié)兩種方式。通過酶合成量調(diào)節(jié)代謝速率是一種間接而緩慢的方式，屬于粗放的調(diào)節(jié)，稱之為“粗調(diào)”?！駜?yōu)點(diǎn)：通過阻止酶的過量合成降低代謝速率，節(jié)約用于生物合成的原料和能量。

●兩個(gè)概念:①組成酶：細(xì)胞內(nèi)總是適量存在的，不依賴于酶底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。②誘導(dǎo)酶：依賴于酶底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。其基因以隱性狀態(tài)存在于染色體中。3.1酶的合成調(diào)節(jié)●酶的合成調(diào)節(jié)是通過控制酶的合成量來調(diào)71◆誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（induction）

●誘導(dǎo)酶的合成需要誘導(dǎo)劑，它可是底物，也可是底物的結(jié)構(gòu)類似物。一種酶可有多種誘導(dǎo)劑，其能力與誘導(dǎo)劑的種類和濃度有關(guān)。

●如E.coli在含乳糖培養(yǎng)基上產(chǎn)生的β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶和半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶就是由于乳糖的存在而誘導(dǎo)產(chǎn)生的。大腸桿菌在加入乳糖前β-半乳糖苷酶的分子數(shù)為5個(gè)；加入后的1-2分鐘內(nèi)就增加到5000個(gè)。（誘導(dǎo)作用，非激活作用）

◆誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（induction）●誘導(dǎo)酶的合成需要誘導(dǎo)劑72誘導(dǎo)作用的類型：協(xié)同誘導(dǎo)和順序誘導(dǎo)指一種底物能同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成。如將乳糖加入到E.coli培養(yǎng)基中，細(xì)胞同時(shí)合成β-半乳糖苷透過酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。指先合成分解底物的酶，再依次合成分解各中間產(chǎn)物的酶，達(dá)到對(duì)復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。協(xié)同誘導(dǎo)順序誘導(dǎo)誘導(dǎo)作用的類型：協(xié)同誘導(dǎo)和順序誘導(dǎo)指一種底物能同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶73◆阻遏調(diào)節(jié)（repression）●某種代謝物積累除抑制酶活性外，還可反饋?zhàn)瓒裘负铣?，降低反?yīng)速度。在微生物的代謝過程中，當(dāng)某途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)，可通過阻礙該代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，徹底控制代謝和末端產(chǎn)物合成?！穹绞剑耗┒舜x產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏◆阻遏調(diào)節(jié)（repression）●某種代謝物積累除抑制酶74末端代謝產(chǎn)物阻遏在直線反應(yīng)途徑中，末端產(chǎn)物阻遏較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的第一個(gè)酶，使后續(xù)的酶都不能合成。DABCE-末端代謝產(chǎn)物阻遏在直線反應(yīng)途徑中，末端產(chǎn)物阻遏較為簡單，即產(chǎn)75●特點(diǎn)：“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏（多價(jià)阻遏作用）。只有所有末端產(chǎn)物同時(shí)累積，才能阻遏“公共酶”合成。芳香簇氨基酸、天冬氨酸簇及丙酮酸簇氨基酸生物合成中的反饋?zhàn)瓒艟蛯儆谶@種類型?！穹种Тx途徑的阻遏較為復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏各自對(duì)應(yīng)的分支途徑中酶的合成。F-ACBDEGH---●特點(diǎn)：“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏（多價(jià)阻76分解代謝物阻遏●細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種底物(碳源或氮源)時(shí)，易利用底物會(huì)阻遏難利用底物分解酶系的合成?！袢鏓.coli培養(yǎng)在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上時(shí)形成“二次生長現(xiàn)象”，即葡萄糖存在時(shí)阻遏了分解乳糖酶系的合成，此現(xiàn)象又稱葡萄糖效應(yīng)?！駥?shí)質(zhì)：易利用底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物或末端代謝物的過量累積，阻遏了代謝途徑中一些酶的合成。分解代謝物阻遏●細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種底物(碳源或氮源)時(shí)，易利77第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件78

◆酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制－操縱子假說●操縱子（operon）：是原核生物基因表達(dá)與調(diào)控的一個(gè)完整單位，包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動(dòng)子。①結(jié)構(gòu)基因(structuralgenes)：編碼蛋白質(zhì)的DNA序列．可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA，然后再通過核糖體轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶②啟動(dòng)子(promoter)：被RNA多聚酶識(shí)別的堿基序列，該序列既是RNA聚合酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)◆酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制－操縱子假說●操縱子（operon）：79③操作子（operator）：位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白（一種調(diào)節(jié)蛋白）的結(jié)合位點(diǎn)，能通過與阻遏物相結(jié)合來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行④調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）：編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因，一般遠(yuǎn)離操縱子,但在原核生物中,可以位于操縱子旁邊③操作子（operator）：位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一80第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件81★誘導(dǎo)物—是起始酶誘導(dǎo)合成的物質(zhì)，如乳糖等，它們可與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，抑制其與操縱基因的結(jié)合，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行?！镙o阻遏物—是阻遏酶產(chǎn)生的物質(zhì)，如氨基酸和核苷酸等，它們也可與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，促進(jìn)其與操縱基因的結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄的順利進(jìn)行?！镎T導(dǎo)物與輔阻遏物都屬于一類低分子量的信號(hào)物質(zhì)-效應(yīng)物(如糖類及其衍生物，氨基酸及核苷酸等)，它們均可與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，使之發(fā)生變構(gòu)，以提高或降低調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因的結(jié)合能力?！镎T導(dǎo)物—是起始酶誘導(dǎo)合成的物質(zhì)，如乳糖等，它們可與調(diào)★輔阻82★特點(diǎn)：①屬于低分子量變構(gòu)蛋白；②具有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，一個(gè)與操作子結(jié)合，另一位點(diǎn)可與效應(yīng)物結(jié)合?！镱愋停孩僮瓒粑?，它能在沒有誘導(dǎo)物時(shí)單獨(dú)與操縱基因結(jié)合；②阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物存在時(shí)才能與操縱基因結(jié)合?！锒x：由調(diào)節(jié)基因編碼產(chǎn)生的特異性調(diào)節(jié)蛋白。★特點(diǎn)：①屬于低分子量變構(gòu)蛋白；★類型：①阻遏物，它能在83酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制★負(fù)調(diào)控:是指在沒有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)基因表達(dá)具有轉(zhuǎn)錄活性，一旦加入調(diào)節(jié)蛋白，則基因活性被關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄受到抑制的現(xiàn)象。負(fù)調(diào)控中的調(diào)節(jié)蛋白叫阻遏蛋白。★意義：負(fù)調(diào)控實(shí)際上是一種保安機(jī)制，萬一在調(diào)節(jié)蛋白失活時(shí)，酶系統(tǒng)仍然可以合成，使細(xì)胞不至于因缺乏該酶系統(tǒng)而造成致命的后果?！狤.coli乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制★負(fù)調(diào)控:是指在沒有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)基因表達(dá)具有84OO85第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件86——E.coli乳糖操縱子的正調(diào)控（分解代謝物阻遏）★現(xiàn)象：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)阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成。★原因：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)生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏。——E.coli乳糖操縱子的正調(diào)控（分解代謝物阻遏）★現(xiàn)87葡萄糖效應(yīng)與二次生長現(xiàn)象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)加入乳糖時(shí)，菌體生長有明顯的延遲期②同時(shí)加入葡萄糖和乳糖時(shí)，菌體呈二次生長葡萄糖效應(yīng)與二次生長現(xiàn)象①單獨(dú)加入葡萄糖時(shí)，菌體生長幾乎88乳糖操縱子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制

乳糖操縱子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制89①乳糖與葡萄糖同時(shí)存在時(shí)，由于分解葡萄糖的酶類屬于組成酶，能迅速地將葡萄糖降解成某種中間產(chǎn)物（X），X既會(huì)阻止ATP環(huán)化形成cAMP，同時(shí)又會(huì)促進(jìn)cAMP分解成AMP，從而降低了cAMP的濃度，繼而阻遏了與乳糖降解有關(guān)的誘導(dǎo)酶合成。②只有當(dāng)葡萄糖耗盡后，cAMP才能回升到正常濃度，操縱子重新開啟，并開始利用乳糖作為碳源，形成菌體的二次生長。①乳糖與葡萄糖同時(shí)存在時(shí)，由于分解葡萄糖的酶類屬于組成酶，90E.coliTrp操縱子-末端代謝產(chǎn)物阻遏的機(jī)制色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)模型

E.coliTrp操縱子-末端代謝產(chǎn)物阻遏的機(jī)制色氨酸操縱91E.coliTrp操縱子弱化調(diào)節(jié)機(jī)制E.coliTrp操縱子弱化調(diào)節(jié)機(jī)制92★色氨酸的合成涉及到有7個(gè)基因的參與。其中，trpE和trpD編碼鄰氨基苯甲酸合酶，trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB則分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。★trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpE緊鄰的是啟動(dòng)子區(qū)和操縱區(qū)。另外，前導(dǎo)區(qū)和弱化子區(qū)分別定名為trpL和trpa（不是trpA）?！飔rp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)?！锷彼岬暮铣缮婕暗接?個(gè)基因的參與。其中，trpE和trp93★色氨酸貧乏時(shí)，核糖體停在UGG(54-56)，聚合酶通過，酶合成；

★色氨酸充足時(shí)，轉(zhuǎn)錄至UGA(69-71)，不利于RNA聚合酶通過，酶不合成?！锷彼嶝毞r(shí)，核糖體停在UGG(54-56)，聚合酶通過，94第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件953.2酶活性的調(diào)節(jié)通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。包括兩種方式：●酶活性的激活代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn)3.2酶活性的調(diào)節(jié)通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的96天門冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶受ATP激活，受CTP抑制（終產(chǎn)物）。天門冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶受ATP激活，受CTP抑制（終產(chǎn)物）。97第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件98●酶活性的抑制②競爭性抑制抑制劑與反應(yīng)底物競爭，從而阻止底物與酶的結(jié)合。因此，酶反應(yīng)速度下降。這是一種最常見的可逆抑制作用?？梢酝ㄟ^增加底物濃度來解除這種抑制。典型的例子：丙二酸對(duì)琥珀酸脫氫酶的抑制。①反饋抑制（負(fù)反饋）主要表現(xiàn)為某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除?！衩富钚缘囊种脾诟偁幮砸种脾俜答佉种疲ㄘ?fù)反饋）993.2.1反饋抑制的類型在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。主要有：同功酶的調(diào)節(jié)，順序反饋，協(xié)同反饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。(1)直線式代謝途徑中的反饋抑制蘇氨酸蘇氨酸脫氨酶α-酮丁酸異亮氨酸反饋抑制(2)分支代謝途徑中的反饋抑制3.2.1反饋抑制的類型在分支代謝途徑中，反饋抑100▼同功酶調(diào)節(jié)—isoenzyme在一個(gè)分支代謝途徑中，如果分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用。———某一產(chǎn)物過量僅抑制相應(yīng)酶活，對(duì)其他產(chǎn)物沒影響。如大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié)。▼同功酶調(diào)節(jié)—isoenzyme在一個(gè)分支代謝途101▼協(xié)同反饋抑制分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式(一個(gè)也不能少)。如天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。▼協(xié)同反饋抑制分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過102▼

合作反饋抑制兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反饋抑制作用大于二者單獨(dú)作用之和。如嘌呤核苷酸的合成，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時(shí)，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨(dú)過量時(shí)，分別抑制其活性的70%和10%。▼合作反饋抑制兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反103▼

積累反饋抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應(yīng)，亦無拮抗作用。如E.coli谷氨酰胺合成酶的調(diào)節(jié)▼積累反饋抑制每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比104▼順序反饋抑制一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，通過后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。如枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成的調(diào)節(jié)▼順序反饋抑制一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間105▼

代謝互鎖一種氨基酸的合成受到另一種完全無關(guān)的氨基酸的控制，而且只有當(dāng)該氨基酸濃度大大高于生理濃度時(shí)才能顯示抑制作用.如賴氨酸的生物合成與亮氨酸的生物合成之間存在著代謝互鎖▼代謝互鎖一種氨基酸的合成受到另一種完全無關(guān)的氨基106

在分支合成途徑中，分支點(diǎn)后的兩種酶競爭同一種底物，如AMP與GMP，Thr與Lys、Met，由于兩種酶對(duì)底物的Km值（即對(duì)底物的親和力）不同，故兩條支路的一條優(yōu)先合成。▼優(yōu)先合成在分支合成途徑中，分支點(diǎn)后的兩種酶競爭同一種1073.2.2酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制—變構(gòu)酶理論

變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子空間構(gòu)象的變化影響酶的活性。它具有兩個(gè)以上立體專一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)是調(diào)節(jié)中心。3.2.2酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制—變構(gòu)酶理論變構(gòu)酶為一種變108反饋抑制和阻遏的概念反饋抑制：是指代謝途徑的終產(chǎn)物對(duì)催化該途徑中的一個(gè)反應(yīng)（通常是第一個(gè)反應(yīng)）的酶活力的抑制，其實(shí)質(zhì)是終產(chǎn)物結(jié)合到酶的變構(gòu)部位，從而干擾酶和它底物的結(jié)合，當(dāng)然與此相反為酶活性的激活。反饋?zhàn)瓒簦菏侵附K產(chǎn)物（或終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類似物）阻止催化該途徑的一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)中的一個(gè)或幾個(gè)酶的合成，其實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)基因的作用，這是微生物不通過基因突變而適應(yīng)于環(huán)境改變的一種措施，當(dāng)然與此相反有酶合成的誘導(dǎo)。反饋抑制和阻遏的概念1093.3細(xì)胞膜通透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的屏障。細(xì)胞從外部環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)或?qū)⒓?xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物分泌至細(xì)胞外，都要通過細(xì)胞膜。細(xì)胞通過對(duì)膜透性大小的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝過程的部分調(diào)節(jié)。（1）通過細(xì)胞膜缺損突變而控制其滲透性：篩選透性突變株。3.3細(xì)胞膜通透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行110（2）解除反饋抑制當(dāng)細(xì)胞膜完整時(shí)，透性小，細(xì)胞內(nèi)的某代謝產(chǎn)物不能及時(shí)分泌到細(xì)胞外部，在細(xì)胞內(nèi)不斷累積，至其濃度達(dá)到一定程度時(shí)發(fā)生反饋抑制，導(dǎo)致該代謝產(chǎn)物合成減慢或停止。02.5101.330.83.7生物素(μg/L)谷氨酸(g/L)谷氨酸生產(chǎn)過程發(fā)酵液中生物素與谷氨酸含量的關(guān)系此外，加入青霉素等抗生素和吐溫80等脂肪酸衍生物，都能增大膜的通透性，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)谷氨酸向細(xì)胞外大量分泌，以解除反饋抑制。（2）解除反饋抑制當(dāng)細(xì)胞膜完整時(shí)，透性小，細(xì)胞內(nèi)的某1114.代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用基本方法：①遺傳學(xué)方法-改變微生物遺傳特性②生物化學(xué)方法-控制發(fā)酵條件●工業(yè)發(fā)酵的目的——大量地積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物?！翊x的人工控制——人為地打破微生物的代謝控制體系，就有可能使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。4.代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用基本方法：①遺傳學(xué)1124.1遺傳學(xué)方法◆營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用⑴對(duì)于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物。典型例子：利用谷氨酸棒狀桿菌的精氨酸缺陷型突變株進(jìn)行鳥氨酸發(fā)酵。4.1遺傳學(xué)方法◆營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用⑴對(duì)于直線式代謝途113⑵分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營養(yǎng)缺陷性消除協(xié)同反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利用雙重缺陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物?！褓嚢彼岚l(fā)酵高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株生產(chǎn)賴氨酸的合成途徑⑵分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營養(yǎng)缺陷性消除協(xié)同反饋抑114●肌苷酸發(fā)酵谷氨酸棒狀桿菌的腺核苷酸和鳥苷酸的合成途徑反饋抑制●肌苷酸發(fā)酵谷氨酸棒狀桿菌的腺核苷酸和鳥苷酸的合成途徑反饋抑115第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件116◆滲漏突變株(leakagemutant)的應(yīng)用這是一種不完全遺傳障礙營養(yǎng)缺陷型，能自己合成微量的某一代謝終產(chǎn)物，但達(dá)不到反饋抑制的濃度，所以不會(huì)造成反饋抑制而影響中間代謝產(chǎn)物的積累。與營養(yǎng)缺陷型不同的是不需要外源添加滲漏缺陷的物質(zhì)。如利用Hserl解除（Thr+Lys)對(duì)天冬氨酸激酶(AK)的協(xié)同反饋抑制：Hserl細(xì)胞能合成Hser，但合成的量僅能維持細(xì)胞的最低生長，胞內(nèi)的濃度達(dá)不到進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的濃度?！魸B漏突變株(leakagemutant)的應(yīng)用這是117◆抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用①抗反饋抑制突變型由于結(jié)構(gòu)基因突變而使變構(gòu)酶不能和代謝終產(chǎn)物結(jié)合，從而失去反饋抑制的突變型。②抗反饋?zhàn)瓒敉蛔冃陀捎谡{(diào)節(jié)基因突變引起調(diào)節(jié)蛋白不能和代謝終產(chǎn)物結(jié)合，從而失去阻遏作用的突變型。抗反饋調(diào)節(jié)突變株：是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型突變株，或兼而有之的突變株。結(jié)構(gòu)類似物analog（抗代謝物antimetabolite）是一種與初級(jí)代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似但缺乏生理功能的化合物◆抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用①抗反饋抑制突變型由于結(jié)構(gòu)基因突變118第七章2-微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控課件119黃色短桿菌蘇氨酸、賴氨酸和異亮氨酸的合成途徑及反饋調(diào)節(jié)抗結(jié)構(gòu)類似物突變株的應(yīng)用的典型例子反饋抑制反饋?zhàn)瓒酎S色短桿菌蘇氨酸、賴氨酸和異亮氨酸的合成途徑及反饋調(diào)節(jié)抗結(jié)構(gòu)120結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏。調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變產(chǎn)生無效的阻遏物而不能與操縱基因結(jié)合操縱基因突變突變操縱基因不能與阻遏物結(jié)合組成型突變◆組成型突變株的應(yīng)用結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端1211.添加前體繞過反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生2.控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：工業(yè)生產(chǎn)的酶大多受分解阻遏或分解抑制的控制，因此，在培養(yǎng)基中避免使用可阻遏的碳源或氮源。如嗜熱芽孢桿菌的α－淀粉酶的合成受果糖的阻遏，如采用甘油做碳源，可大大促進(jìn)酶的生產(chǎn)。4.2生物化學(xué)方法通過添加C，可大量積累D1.添加前體繞過反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生2.1223.限量營養(yǎng)物的添加，或抗生素的加入以增加細(xì)胞膜透性如谷氨酸生產(chǎn)，添加適量生物素，可增加生產(chǎn)菌細(xì)胞膜透性，使產(chǎn)物Glu不斷分泌到胞外。從而解除了過量Glu對(duì)谷氨酸脫氫酶的反饋抑制作用，提供其產(chǎn)量。如添加青霉素，以抑制細(xì)胞壁的合成，造成細(xì)胞膜透性增加，Glu就能大量分泌到胞外。4.發(fā)酵與分離過程耦合3.限量營養(yǎng)物的添加，或抗生素的加入以增加細(xì)胞膜透性1235.微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控●次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系①存在范圍及產(chǎn)物類型不同初級(jí)代謝是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。次級(jí)代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，即使同種生物也會(huì)由于培養(yǎng)條件的不同而產(chǎn)生不同的次級(jí)代謝產(chǎn)物。如產(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時(shí)可以合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。5.微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控●次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系①124初級(jí)代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等通常都是機(jī)體生存必不可少的物質(zhì)，只要在這些物質(zhì)的合成過程的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止、重則導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生突變或死亡。而次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)于產(chǎn)生者本身來說，不是機(jī)體生存所必需的物質(zhì)，即使在次級(jí)代謝的某個(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙,也不會(huì)導(dǎo)致機(jī)體生長的停止或死亡，至多只是影響機(jī)體合成某種次級(jí)代謝產(chǎn)物的能力。②對(duì)產(chǎn)生者自身的重要性不同初級(jí)代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體②對(duì)產(chǎn)125初級(jí)代謝自始至終存在于一切生活的機(jī)體中，同機(jī)體的生長過程呈平行關(guān)系；次級(jí)代謝則是在機(jī)體生