第3章微生物代谢调节

细胞能量状态
1 [ ATP] + [ ADP] 2 能 （） 菏 % = [ ATP] +[ ADP] +[ AMP]
当细胞内全部腺苷酸都是ATP时，则能菏为100%； 当细胞内全部腺苷酸都是AMP时，则能菏为0; 当细胞内全部腺苷酸都是ADP时，则能菏为50%；
磷酸果糖激酶、 柠檬酸合成酶
柠檬酸裂解酶
定义：每一种末端产物按一定的百分率单独抑 制共同途径中的第一个酶活性。各种产物间既 无协同效应，又无拮抗作用，他们抑制的酶， 有的是同功酶，有的是多功能酶。
同功酶——能催化同一种生化反应，但酶分子结 构有所不同的一组酶。 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。 多功能酶——结构上仅为一种多肽，但却具有两 种或 两种以上催化活力的酶蛋白。
竞争性抑制 反馈抑制
反馈抑制
定义：反应途径中某些中间产物或末端产物对 定义：反应途径中某些中间产物或末端产物对 该途径中前面反应的影响。 正反馈抑制 负反馈抑制
协同反馈抑制
定义：分支途径的几种末端产物同时过量时才 定义：分支途径的几种末端产物同时过量时才 抑制共同途径中的第一个酶活性。
累积反馈抑制
葡萄糖效应
葡萄糖 乳 糖
反馈阻遏与反馈抑制的特点比较
反馈类型 调控项目 调控的水平 DNA ， mRNA ， 酶，转录水平 酶分子的变构 终产物浓度 终产物与变构部位亲和 力 反馈阻遏 反馈抑制
反馈调控信号 终产物浓度 调控方式 终产物与阻遏蛋白亲和力
调控作用机制 阻遏蛋白与操纵基因结合，阻止 通过变构效应，调节酶 转录 活性 控制的方式 开、关控制 酶活性有无与大小控制 迅速与较精确的控制
2、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。 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。
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。
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。
末端产物阻遏
定义：由某代谢途径末端产物的过量累积而引起 定义：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。
顺序诱导——即先合成能分解底物的酶，再依 顺序诱导——即先合成能分解底物的酶，再依 次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复 杂代谢途径的分段调节。
2.2 酶合成的阻遏
在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产 物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制 该途径中关键酶的活性以减少末端产物的生成外， 还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶 在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制 代谢和减少末端产物的合成。
遗传代谢方面分析 初级代谢与次级代谢同样都受到核内DNA的调节 控制，而次级代谢产物还受到与初级代谢产物生 物合成无关的遗传物质的控制，即受核内遗传物 质(染色体遗传物质)和核外遗传物质(质体)的控制。 有一部分代谢产物的形成，取决于由质体信息产 生的酶所控制的代谢途径，这类物质称为质体产 物。
2、初级代谢产物生物合成中 的主要调控机制
次级代谢产物具有种特异性
分类学上的位置与产生的次级代谢产物的结构 之间没有明确的内在联系。分类学上相同的微 生物能产生不同结构的抗生素，而分类学上不 相同的微生物能产生相同的抗生素。 灰色链霉菌可以合成链霉素，也可以合成杀 假丝菌素；能产生头孢菌素C 假丝菌素；能产生头孢菌素C的菌有霉菌和链 霉菌。
细胞通过调节腺苷酸的比例，来协调分解代 谢与合成代谢的的代谢速率。
3、次级代谢产物生物合成中 的主要调控机制
诱导调节 碳分解产物调节 磷酸盐调节 氮分解产物调节 生长速率调节
3.1、酶合成的诱导调节 3.1、酶合成的诱导调节
诱导酶合成的诱导物可以是外源加入的，也可 诱导酶合成的诱导物可以是外源加入的， 以是菌体代谢过程产生的. 以是菌体代谢过程产生的.
酶合成的诱导类型
同时诱导——即当诱导物加入后，微生物能同 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 coli培养基中后，即可同时诱导出β 苷透性酶、β 苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶 的合成。
2、微生物合成的次级代谢产物
定义：微生物生长到一定阶段才产生的化学结 构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或 并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如： 抗生素、毒素、激素、色素等。
微生物合成次级代谢产物 的基本特征
次级代谢产物具有种特异性； 分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期； 次级代谢产物不少是结构相似的混合物； 次级代谢产物的合成受多基因控制。
分解代谢物阻遏
定义：指细胞内同时有两种分解底物（碳源或 定义：指细胞内同时有两种分解底物（碳源或 氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏 利用慢的底物的有关酶合成的现象。
分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的 甲碳源本身直接作用的结果，而是通过甲碳源 （或氮源等）在其分解过程中所产生的中间代 谢物所引起的阻遏作用。 因此，分解代谢物的阻遏作用，就是指代谢反 应链中，某些中间代谢物或末端代谢物的过量 累积而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象。
酶活性调节 酶合成调节
1、酶活性的调节
定义：通过改变已有酶的活性来调节代谢速率。 定义：通过改变已有酶的活性来调节代谢速率。 酶的激活 酶的抑制
1.1
酶活性的激活
前体激活——代谢途径中后面的反应可被该途 前体激活——代谢途径中后面的反应可被该途 径较前面的一种代谢中间产物所促进。
1.2 酶活性的抑制
酶合成的调节类型
酶合成的阻遏 酶合成的诱导
2.1 酶合成的诱导
组成酶——酶的合成是不依赖于底物或底物结 组成酶——酶的合成是不依赖于底物或底物结 构类似物的存在而合成的酶。 诱导酶——酶的合成依赖于底物或底物结构类 诱导酶——酶的合成依赖于底物或底物结构类 似物的存在而合成的酶。诱导酶合成的基因以 隐性状态存在于染色体中。 乳糖是大肠杆菌半乳糖苷酶的诱导剂。
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三、微生物生物合成的主要调控机制
次级代谢与初级代谢的关系 初级代谢产物生物合成中的主要调控机制 次级代谢产物生物合成中的主要调控机制
1 、次级代谢与初级代谢的关系
从菌体生化代谢方面分析 许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产 物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物 为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的， 而是与初级代谢途径有密切关系的。 糖代谢中间体，既可用来合成初级代谢产物，又 可用来合成次级代谢产物，这种中间体叫做分叉 中间体。
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。 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。
第3章 工业微生物的生长与 产物的生物合成
一、微生物的生长与分化
微生物的生长繁殖 微生物的生长曲线 微生物细胞的分化
1、微生物的生长繁殖
生长——代谢过程中同化作用的速度超过异化 生长——代谢过程中同化作用的速度超过异化 作用时，细胞的原生质总量数不断增加。 繁殖——细胞分裂而出现细胞个体数目的增加。 繁殖——细胞分裂而出现细胞个体数目的增加。
次级代谢产物的合成受多基因控制
控制次级代谢产物合成的基因有的在染色体上， 有的在质粒上。 质粒在次级代谢产物合成中起着重要作用， 在深层培养中，由于环境的作用质粒易丢失或 丧失其功能，导致次级代谢的不稳定。
3、次级代谢产物的构件单位的生 源说和生物合成
自学参看书 P18
4、次级代谢产物生物合成的 基本过程
细菌的生长繁殖——无性二等分分裂法 细菌的生长繁殖——无性二等分分裂法 放线菌的生长繁殖——无性孢子进行 放线菌的生长繁殖——无性孢子进行 霉菌的生长繁殖—— 霉菌的生长繁殖——无性孢子和有性孢子进行 ——无性孢子和有性孢子进行 酵母菌的生长繁殖——发芽形式进行 酵母菌的生长繁殖——发芽形式进行
2、微生物的生长曲线
稳定期 对数生长期
倍+ 0 增 -
对 数 死
d e
速 率
亡
f g
细 菌 数 目 b 的 a 对 数
c
期
时间
生长
期
3、微生物细胞的分化
定义：从营养菌丝体产生不同形态类型细胞的 定义：从营养菌丝体产生不同形态类型细胞的 过程。 微生物细胞的分化使细胞的结构和功能发生变 化，而细胞的分化受到遗传性和环境因素的相 互作用所控制。
分批发酵时，产生菌生长周期分 为三个时期
菌体生长期、产物合成期、菌体自溶期； 三个时期中产生菌对营养成分和环境条件的要 求是不同的，从生长期转化到生产期的过程中， 菌体的生理特性和形态学都发生变化。
次级代谢产物不少是结构 相似的混合物
参与次级代谢产物合成的酶系的底物特异性不强； 产生菌利用一种或两种以上的初级代谢产物合成 一种主要的次级代谢产物，产生菌继续对该产物 进行多种化学修饰而同时合成多种衍生物； 一种次级代谢产物可由两种或两种以上的代谢途 径合成。
磷的浓度0.3-300mmol/L时，能支持微生物细 磷的浓度0.3-300mmol/L时，能支持微生物细 胞的生长，但当浓度超过10mmol/L时，就能 胞的生长，但当浓度超过10mmol/L时，就能 抑制许多抗生素的生物合成。
增效反馈抑制
定义：代谢途径中任何一种末端产物过量时， 定义：代谢途径中任何一种末端产物过量时， 仅部分抑制共同反应途径中的第一个酶活性， 但是两个末端产物同时过量时，其抑制作用可 超过各产物存在的抑制能力的总和。
顺序反馈抑制
定义：每个分支末端产物抑制分支后的第一个 酶，产生部分抑制作用。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.2、反馈调节 3.2、反馈调节
反馈抑制 反馈阻遏
前体物质的自身反馈抑制
次级代谢产物的自身反馈抑制
抑制抗生素自身合成所需要的抗生素浓度与产 生菌的生产能力呈正相关性。
支路产物的反馈抑制
次级代谢产物的自身反馈阻遏
3.3、磷酸盐调节 3.3、磷酸盐调节
磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分， 还是调节抗生素生物合成的重要参数。其机制 按效应剂说有直接作用，即磷酸盐自身影响抗 生素合成，和间接作用，即磷酸盐调节胞内其 他效应剂( ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)， 他效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)， 进而影响抗生素合成。 已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多 烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。 烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。
1、菌体营养细胞的分化 参看书
2、孢子的形成
二、代谢产物的生源说与生物合成
微生物合成的初级代谢产物 微生物合成次级代谢产物的基本特征 次级代谢产物的构件单位的生源说和生物合成 次级代谢产物生物合成的基本过程
1、微生物合成的初级代谢产物
定义：指微生物通过代谢活动所产生的、自身 定义：指微生物通过代谢活动所产生的、自身 生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、 生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、 多糖、脂类、维生素等。 多糖、脂类、维生素等。 特征： 不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的。
调控反应速度 缓慢、滞后、较粗放的控制
两种调节的对比
酶合成的调节 不 同 点 调节 调节 调节 节 调节 调 酶合成 合 的 调节 调节酶 活性 酶 的 酶活性的调节 酶活性 酶
3、能菏调节
能菏——细胞ATP、ADP、AMP系统中可供利 能菏——细胞ATP、ADP、AMP系统中可供利 用的高能磷酸键的量度。 能菏调节——细胞通过ATP、ADP、AMP三者 能菏调节——细胞通过ATP、ADP、AMP三者 比例来调节其代谢活动。