第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)

第四章發(fā)酵機(jī)制無氧呼吸無氧呼吸，又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物〔個別為有機(jī)氧化物〕的生物氧化。這是一類在無氧條件下進(jìn)展的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物〔個別是有機(jī)物延胡索酸〕受氫?！?〕硝酸鹽呼吸又稱反硝化作用。硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能，其一是在有氧或無氧條件下所進(jìn)展的同化性硝酸鹽復(fù)原作用，亦即微生物利用硝酸鹽作為其氮源營養(yǎng)物的作用；其二是在無氧條件下，微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，這是一種異化性的硝酸鹽復(fù)原作用共同特點是硝酸鹽都要經(jīng)過一種含鉬的硝酸鹽復(fù)原酶將其復(fù)原為亞硝酸。硫酸鹽呼吸是一種由硫酸鹽復(fù)原細(xì)菌〔或稱反硫化細(xì)菌〕把經(jīng)呼吸鏈傳送的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體的一種厭氧呼吸。這是一種異化性的硫酸鹽復(fù)原作用。經(jīng)過這一過程，微生物就可在無氧條件下借呼吸鏈的電子傳送磷酸化而獲得能量。硫酸鹽復(fù)原的最終產(chǎn)物是H2S，自然界中的大多數(shù)H2S是由這一反響產(chǎn)生的。與硝酸鹽復(fù)原細(xì)菌不同的是，硫酸鹽復(fù)原細(xì)菌都是一些嚴(yán)厲依賴于無氧環(huán)境的專性厭氧細(xì)菌〔4〕碳酸鹽呼吸是一類以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其復(fù)原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類型，一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。能量轉(zhuǎn)移幾個概念底物程度磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化第二節(jié)微生物的合成代謝一、糖類的生物合成二、脂肪酸的生物合成三、氨基酸和核苷酸的生物合成氨基酸的生物合成方式：氨基化作用；轉(zhuǎn)氨基作用；糖代謝的中間產(chǎn)物為前體合成氨基酸。第三節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)絡(luò)分解代謝的功能在于保證正常合成代謝的進(jìn)展，而合成代謝又反過來為分解代謝發(fā)明了更好的條件，兩者相互聯(lián)絡(luò)，促進(jìn)了生物個體的生長繁衍和種族的昌盛開展。中間代謝產(chǎn)物的重要性假設(shè)在生物體中只進(jìn)展能量代謝，那么有機(jī)能源的最終結(jié)局只是產(chǎn)生ATP、H2O和CO2，這時便沒有任何中間代謝物可供累積，因此，合成代謝也不能夠正常進(jìn)展。相反，假設(shè)要進(jìn)展正常的合成代謝，又須抽走大量為分解代謝正常進(jìn)展所必需的中間代謝物，結(jié)果也勢必影響具有循環(huán)機(jī)制的分解代謝的正常運轉(zhuǎn)。一、兼用代謝途徑凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兼用代謝途徑。EMP、HMP和TCA循環(huán)是重要的兼用代謝途徑。①在兼用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)。②在分解與合成代謝途徑中，在相應(yīng)的代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物。③在真核生物中，合成代謝和分解代謝普通在細(xì)胞的不同區(qū)域中分隔進(jìn)展，原核生物因其細(xì)胞構(gòu)造上的間隔程度低，故反響的控制主要在簡單的酶分子程度上進(jìn)展。二、代謝物回補(bǔ)順序所謂回補(bǔ)順序，又稱補(bǔ)償途徑或添補(bǔ)途徑，就是指能補(bǔ)充兼用代謝途徑中因合成代謝而耗費的中間代謝物的反響。這樣，當(dāng)重要產(chǎn)能途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必需被大量用作生物合成的原料時，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)展。微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵消費微生物有著一整套可塑性極強(qiáng)和極準(zhǔn)確的代謝調(diào)理系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進(jìn)展極其復(fù)雜的新陳代謝反響。一、微生物代謝過程中的自我調(diào)理1、控制營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞2、經(jīng)過酶的定位控制酶與底物的接觸3、控制代謝物流向其中以調(diào)理代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調(diào)〞，即調(diào)理酶的合成量，二是“細(xì)調(diào)〞，即調(diào)理現(xiàn)成酶分子的催化活力，兩者往往親密配合和協(xié)調(diào)，以到達(dá)最正確調(diào)理效果。利用微生物代謝調(diào)控才干的自然缺損或經(jīng)過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供消費有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。一、酶活性的調(diào)理酶活性的調(diào)理是指在酶分子程度上的一種代謝調(diào)理，它是經(jīng)過改動現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)理新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制兩個方面?！惨弧痴{(diào)理方式：1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反響可被較前面的反響產(chǎn)物所促進(jìn)的景象；常見于分解代謝途徑。2、酶活性的抑制：包括：競爭性抑制和反響抑制。概念：反響：指反響鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。一、酶活性的調(diào)理凡使反響速度加快的稱正反響；凡使反響速度減慢的稱負(fù)反響〔反響抑制〕；反響抑制——主要表如今某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性。主要表如今氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時又可解除，是可逆的。第一個酶〔有活性〕第一個酶〔無活性〕終產(chǎn)物終產(chǎn)物〔調(diào)理物〕結(jié)合在調(diào)理中心酶活性的抑制主要是反響抑制，它主要表如今某代謝途徑的末端產(chǎn)物〔即終產(chǎn)物〕過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反響過程減慢或停頓，從而防止了末端產(chǎn)物的過多累積。反響抑制的類型1．直線式代謝途徑中的反響抑制反響抑制的類型2、分支代謝途徑中的反響抑制：在分支代謝途徑中，反響抑制的情況較為復(fù)雜，為了防止在一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物開展出多種調(diào)理方式。主要有：同功酶的調(diào)理，順序反響，協(xié)同反響，積累反響調(diào)理等?！?〕同功酶調(diào)理同功酶是指能催化一樣的生化反響，但酶蛋白分子構(gòu)造有差別的一類酶，它們雖同存于一個個體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)理。在一個分支代謝途徑中，假設(shè)在分支點以前的一個較早的反響是由幾個同功酶所催化時，那么分支代謝的幾個最終產(chǎn)物往往分別對這幾個同功酶發(fā)生抑制造用。協(xié)同反響抑制

〔concertedfeedbackinhibition〕定義：分支代謝途徑中幾個末端產(chǎn)物同時過量時才干抑制共同途徑中的第一個酶的一種反響調(diào)理方式。協(xié)作反響抑制

〔cooperativefeedbackinhibition〕定義：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反響抑制造用。

積累反響抑制

〔cumulativefeedbackinhibition〕每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時它們的抑制造用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應(yīng)，亦無拮抗作用。順序反響抑制

〔sequentialfeedbackinhibition〕一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，經(jīng)過后者反響抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。酶活力調(diào)理的機(jī)制1.變構(gòu)酶實際：變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子間構(gòu)象的變化影響酶活。其上具有兩個以上立體專注性不同的接受部位，一個是活性中心，另一個是調(diào)理中心?；钚晕稽c:與底物結(jié)合變構(gòu)位點:與抑制劑結(jié)合,構(gòu)象變化,不能與底物結(jié)合與激活劑結(jié)合,構(gòu)象變化,促進(jìn)與底物結(jié)合變構(gòu)酶上有兩個位點：協(xié)同效應(yīng)中，酶有多個調(diào)理位點，只需每一位點與終產(chǎn)物結(jié)合才產(chǎn)生反響。同功酶〔isoenzyme)實際：某一產(chǎn)物過量僅抑制相應(yīng)酶活，對其他產(chǎn)物沒影響。酶的活性可以調(diào)控

在代謝途徑中調(diào)理酶活性幾個酶或十幾個酶前后配合，完成一系列代謝反響，構(gòu)成一條代謝途徑。在一條代謝途徑中，經(jīng)常是前一個酶促反響的產(chǎn)物，便是下一個酶促反響的底物。共價調(diào)理有時候，酶蛋白分子可以和一個基團(tuán)構(gòu)成共價結(jié)合，結(jié)合的結(jié)果，使酶蛋白分子構(gòu)造發(fā)生改動，使酶活性發(fā)生改動。例如，與磷酸根的結(jié)合。這種調(diào)理酶活性的情況稱為酶的共價調(diào)理。競爭性抑制有的酶在遇到一些化學(xué)構(gòu)造與底物類似的分子時，這些分子與底物競爭結(jié)合酶的活性中心，亦會表現(xiàn)出酶活性的降低〔抑制〕。這種情況稱為酶的競爭性抑制。競爭性抑制劑在構(gòu)造上與底物類似二、酶合成的調(diào)理酶合成的調(diào)理是一種經(jīng)過調(diào)理酶的合成量進(jìn)而調(diào)理代謝速率的調(diào)理機(jī)制，這是一種在基因程度上〔在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄程度上〕的代謝調(diào)理。凡能促進(jìn)酶生物合成的景象，稱為誘導(dǎo)。能妨礙酶生物合成的景象，那么稱為阻遏。與上述調(diào)理酶活性的反響抑制等相比，調(diào)理酶的合成〔即產(chǎn)酶量〕而實現(xiàn)代謝調(diào)理的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)理方式。其優(yōu)點那么是經(jīng)過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)理和酶合成調(diào)理兩者是同時存在且親密配合、協(xié)調(diào)進(jìn)展的?！惨弧趁负铣烧{(diào)理的類型1．誘導(dǎo)根據(jù)酶的生成能否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為順應(yīng)外來底物或其構(gòu)造類似物而暫時合成的一類酶。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)：即當(dāng)誘導(dǎo)物參與后，微生物能同時或幾乎同時誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖參與到E．coli培育基中后，即可同時誘導(dǎo)出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)：即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，以到達(dá)對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)理。2．阻遏在微生物的代謝過程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用前述的反響抑制的方式來抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可經(jīng)過阻遏作用來妨礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種?！?〕末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反響途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專注地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶〞僅受一切分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)理中有著重要的作用，它可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛取！?〕分解代謝物阻遏景象：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)同時存在兩種可利用底物〔碳源或氮源〕時，利用快的底物會阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成。緣由：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分解代謝產(chǎn)物阻遏葡萄糖效應(yīng)二次生長景象大腸桿菌利用混合碳源生長時時，發(fā)現(xiàn)葡萄糖會抑制其它糖的利用大腸桿菌在含乳糖和葡萄糖的培育基中，優(yōu)先利用葡萄糖，并只需當(dāng)葡萄糖耗盡后才開場利用乳糖，這就構(gòu)成了在兩個對數(shù)生長期中間的第二個生長停滯期1.單獨參與葡萄糖時，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨參與乳糖時，菌體生長有明顯的延遲期；2.同時參與葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長〔二〕酶合成調(diào)理的機(jī)制酶合成的誘導(dǎo)支配子學(xué)說：支配子〔operon〕：是基因表達(dá)和控制的一個完好單元，其中包括啟動基因(promoter)、支配基因(operator)和構(gòu)造基因(Structuralgene)3部分。啟動基因是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點；支配基因是位于啟動基因和構(gòu)造基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物〔一種調(diào)理蛋白〕相結(jié)合，以此來決議構(gòu)造基因的轉(zhuǎn)錄能否能進(jìn)展；構(gòu)造基因那么是決議某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的mRNA，然后再可經(jīng)過核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個支配子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個mRNA分子。調(diào)理基因用于編碼組成型調(diào)理蛋白的基因。調(diào)理基因普通位于相應(yīng)支配子的附近。效應(yīng)物是一類低分子量的信號物質(zhì)〔如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等〕，包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)理蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進(jìn)一步提高或降低與支配基因的結(jié)合才干。色氨酸支配子模型支配子分兩類:一類是誘導(dǎo)型支配子，只需當(dāng)存在誘導(dǎo)物〔一種效應(yīng)物〕時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)景象。另一類是阻遏型支配子，只需當(dāng)缺乏輔阻遏物〔一種效應(yīng)物〕時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型支配子所編碼的酶的合成，只需經(jīng)過去阻遏作用才干起動。腺苷酸環(huán)化酶乳糖支配子模型解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制乳糖支配子的啟動基因內(nèi)，除RNA聚合酶結(jié)合位點外，還有一個稱為CAP-cAMP復(fù)合物的結(jié)合位點cAMP是環(huán)腺苷酸，CAP是降解物基因活化蛋白〔又稱為cAMP受體蛋白，CRP〕，當(dāng)CAP與cAMP結(jié)合后，就會被活化。CAP-cAMP復(fù)合物又會激活啟動基因，并使RNA聚合酶與啟動基因結(jié)合。乳糖與葡萄糖同時存在時，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既會阻止ATP環(huán)化構(gòu)成cAMP，同時又會促進(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。只需當(dāng)葡萄糖耗盡后，cAMP才干上升到正常濃度，支配子重新開啟，并開場利用乳糖作為碳源，構(gòu)成菌體的二次生長。當(dāng)代謝產(chǎn)生末端代謝產(chǎn)物色氨酸后，色氨酸作為效應(yīng)物與原阻遏物結(jié)合，使后者發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)，并能與支配基因結(jié)合，從而阻止了構(gòu)造基因的表達(dá)酶阻遏的色氨酸支配子模型三、調(diào)控實際的運用食品發(fā)酵的目的：大量積累人們所需求的微生物代謝產(chǎn)物。代謝的人工控制：人為地突破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)展。人工控制代謝的手段：改動微生物遺傳特性(遺傳學(xué)方法〕；控制發(fā)酵條件〔生物化學(xué)方法〕；改動細(xì)胞膜透性。(一)遺傳學(xué)方法1、挑選抗反響突變株如:對誘變后的菌種用終產(chǎn)物構(gòu)造類似物，挑選對終產(chǎn)物積累不敏感的細(xì)胞株。產(chǎn)生緣由：1〕酶構(gòu)造發(fā)生改動；2〕酶系統(tǒng)發(fā)生改動。因此細(xì)胞不受終產(chǎn)物反響抑制，產(chǎn)生過量的產(chǎn)物。(一)遺傳學(xué)方法2、營養(yǎng)缺陷型菌株的運用〔1〕對于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物