微生物的代谢调控与发酵生产技术培训(PPT 64页)

遏
了在两个对数生长期中间的第二个生
长停滞期
1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；
2. 同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
（二）酶合成调节的机制
酶合成的诱导操纵子学说： 操纵子（operon）：是基因表达和控制的
一个完整单元，其中包括启动基因 (promoter)、操纵基因(operator)和结构 基因 (Structural gene) 3部分。
中间代谢产物的重要性
如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的 最终结局只是产生ATP、H2 O和CO2，这时便 没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢 也不可能正常进行。
相反，如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大 量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结 果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运 转。
硫酸盐呼吸 是一种由硫酸盐还原细菌（或称 反硫化细菌）把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐 这类末端氢受体的一种厌氧呼吸。
这是一种异化性的硫酸盐还原作用。通过这一 过程，微生物就可在无氧条件下借呼吸链的电 子传递磷酸化而获得能量。
硫多酸 数H盐2还S是原由的这最一终反产应物产是生H2的S，。自然界中的大 与硝酸盐还原细菌不同的是，硫酸盐还原细菌
二、代谢物回补顺序
所谓回补顺序，又称补偿途径或添补途径，就是 指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中 间代谢物的反应。
这样，当重要产能途径中的关键中间代谢物必须 被大量用作生物合成的原料时，仍可保证能量代 谢的正常进行。
微生物的代谢调控与发酵生产
微生物有着一整套可塑性极强和极精 确的代谢调节系统，以保证上千种酶 能正确无误、有条不紊地进行极其复 杂的新陈代谢反应。
量时可反过来直接抑制 该途径中第一个酶的活性。 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 ，是可逆的。
第一个酶 （有活性）
第一个酶 （无活性）
终产物
终产物（调节物） 结合在调节中心
酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主 要表现在某代谢途径的末端产物（即 终产物）过量时，这个产物可反过来 直接抑制该途径中第一个酶的活性， 促使整个反应过程减慢或停止，从而 避免了末端产物的过多累积。
硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能，其一 是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还 原作用，亦即微生物利用硝酸盐作为其氮源营养 物的作用；
其二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼 吸链的最终氢受体，这是一种异化性的硝酸盐还 原作用
共同特点是硝酸盐都要经过一种含钼的硝酸盐还 原酶将其还原为亚硝酸。
章发酵机制
无氧呼吸
无氧呼吸，又称厌氧呼吸，是一类呼吸链 末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为 有机氧化物）的生物氧化。
这是一类在无氧条件下进行的产能效率较 低的特殊呼吸。
其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分 呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个 别是有机物延胡索 在结构上与 底物相似
二、酶合成的调节
酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量 进而调节代谢速率的调节机制，这是一种 在基因水平上（在原核生物中主要在转录 水平上）的代谢调节。
凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。
能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。
与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调 节酶的合成（即产酶量）而实现代谢调节 的方式是一类较间接而缓慢的调节方式。
阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是 原因： 由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，
所以称为分解代谢物阻遏
分 葡萄糖效应 大肠杆菌利用混合碳源生长时时，发现
解
葡萄糖会抑制其它糖的利用
代
谢
产
大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基
物 阻
二次生长现象 中，优先利用葡萄糖，并只有当葡萄 糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成
能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它 可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的 底物类似物或是底物的前体物质。
酶的诱导合成类型
同时诱导：即当诱导物加入后，微生物能 同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主 要存在于短的代谢途径中。例如，将乳糖 加入到E．coli培养基中后，即可同时诱导 出β -半乳糖苷透性酶、β -半乳糖苷酶和 半乳糖苷转乙酰酶的合成；
启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的碱 基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始 点；
操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺 序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合，以此来决定 结构基因的转录是否能进行；
结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱 基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译 出相应的酶。一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分 子。
协同反馈抑制 （concerted feedback inhibition）
定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过 量时才能抑制 共同途径中的第一个酶的一种 反馈调节方式。
合作反馈抑制 （cooperative feedback inhibition ）
定义：系指两种末端产物同时存在时，可 以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制 作用。
一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累， 通过后者反馈 抑制合成途径关键酶的活性， 使合成终止。
酶活力调节的机制
1. 变构酶理论： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子间构 象的变化影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同 的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。
活性位点:与底物结合 变构位点: 与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合
阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量。
阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢 产物阻遏两种。
（1）末端产物阻遏
指由某代谢途径末端产物的过量累积而引 起的阻遏。对直线式反应途径来说，末端 产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于 代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。
对分支代谢途径来说，情况就较复杂。每 种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分 支途径的酶。
代谢途径分支点以前的“公共酶”仅受所 有分支途径末端产物的阻遏，此即称多价 阻遏作用。
末端产物阻遏在代谢调节中有着重要的作 用，它可保证细胞内各种物质维持适当的 浓度。
（2）分解代谢物阻遏
现象： 当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或 氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的 底物有关的酶合成。
利用微生物代谢调控能力的自然缺损 或通过人为方法获得突破代谢调控的 变异菌株，可为发酵工业提供生产有 关代谢产物的高产菌株。
一、酶活性的调节
酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调 节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈 代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。
（一）调节方式： 1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较
一、微生物代谢过程中的自我调节
1、控制营养物质透过细胞膜进入细胞
2、通过酶的定位控制酶与底物的接触
3、控制代谢物流向 其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括
两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合 成量，二是“细调”，即调节现成酶分子 的催化活力，两者往往密切配合和协调， 以达到最佳调节效果。
其优点则是通过阻止酶的过量合成，有利 于节约生物合成的原料和能量。
在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成 调节两者是同时存在且密切配合、协调进 行的。
（一）酶合成调节的类型
1．诱导
根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶 底物或其有关物的关系，可把酶划分成组 成酶和诱导酶两类。
诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类 似物而临时合成的一类酶。
（1）同功酶调节
同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分 子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体 或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却 存在着差别。
同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支 代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反 应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个 最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。
第二节微生物的合成代谢
一、糖类的生物合成 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；转
氨基作用；糖代谢的中间产物为前体合成 氨基酸。
第三节分解代谢和合成代谢间的联系
分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的 进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创 造了更好的条件，两者相互联系，促进了 生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。
与激活剂结合, 构象变化,促进与底物结合
变构酶上有两个位点：
协同效应中，酶有多个调节位点， 只有每一位点与终产物结合才产生反馈。
同功酶（isoenzyme)理论：
某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物 没影响。
酶的活性可以调控
在代谢途径中调节酶活性 几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列
代谢反应，形成一条代谢途径。在一条代 谢途径中，常常是前一个酶促反应的产物， 便是下一个酶促反应的底物。
共价调节
有时候，酶蛋白分子可以和一个基团形成共 价结合，结合的结果，使酶蛋白分子结构发生改
变，使酶活性发生改变。例如，与磷酸根的结合。
这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节。
竞争性抑制
有的酶在遇到一些化学结构与底物 相似的分子时，这些分子与底物竞争 结合酶的活性中心，亦会表现出酶活 性的降低（抑制）。这种情况称为酶 的竞争性抑制。
前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途 径。
2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。 概念：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产 物对该途径关键酶活性的影响。
一、酶活性的调节