微生物的代谢调控理论

（2）分解代谢物阻遏
• 概念：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。
粗调：酶量的调节。
代谢流调节
微调：现有的酶的活性的调节。
三、与代谢调节有关的酶
（一）同功酶调节
• 同功酶：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。 • 同功酶在代谢调节中的作用：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。
4.能荷调节与巴斯德效应：
巴斯德效应（Pasteur effect)： 巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：在 通氧的情况下，由于进行呼吸作用，酒精产量 大大下降，糖的消耗速度也变缓，这种有氧呼 吸抑制发酵的作用被后人称为巴斯德效应。
巴斯德效应是能荷调节的一个好的实例。
第三节 代谢调控在 工业发酵中的应用
• ② 分支代谢途径中的反馈抑制。 • 在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。 • 为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影 响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多 种调节方式。
• （1）协同反馈抑制： 指分支代谢途径中的几个 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。 • （2）合作反馈抑制： 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。 • （3）累积反馈抑制： 每一分支途径的末端产物 按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所 以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用 是累积的。
• 2.能荷在细胞不同生长时期的变化
• • E.coli生长期间，能荷为0.8，静止期为0.5，低于 0.5时死亡； Asp.niger柠檬酸生产菌，生长期能荷为0.85，而产 酸期为0.8。 另外一个度量细胞能量状态的参数是磷酸化位。 磷酸化位=[ATP]/[ADP][Pi] 磷酸化位除了腺苷酸外，还决定于无机磷浓度。 磷酸化位与能荷相比，其值变化范围更宽，因此 是反映细胞能量状态更加灵敏的指标。
[ATP]+0.5[ADP] 能荷（EC））= [ATP]+[ADP]+[AMP] ×100%
当细胞中腺苷酸全部是ATP，能荷为1； 当细胞中腺苷酸全部是ADP，能荷为0.5； 当细胞中腺苷酸全部是AMP，能荷为0 当细胞或线粒体中三种核苷酸同时并存时， 能荷大小随三者比例而异，三者的比例随细胞 生理状态而变化。
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。
酶合成调节与酶活性调节的比较
• 与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。
• 分解代谢物阻遏的典型实例：葡萄糖效应 • 葡萄糖效应（ glucose effect）： 又称葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。葡 萄糖或某些容易利用的碳源,其分解代谢产物阻 遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
（二）酶合成调节的机制
1.操纵子：是在转录水平上控制基因表达 的协调单位，由调节基因（R）、启动子 （P）、操纵基因（O）和在功能上相关的 几个结构基因(S)组成 ；
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• 3.能荷调节的意义
当能荷降低时：则激活催化糖分解，（能量生成）酶 系，或解除ATP对这些酶的抑制（如糖原磷酸化酶、 果糖磷酸激酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、反 丁烯二酸酶等）并抑制糖原合成酶，1、6磷酸果糖酯 酶，从而加速糖分解和TCA的产能代谢。 当能荷升高时：细胞中AMP，ADP转变为ATP，这 时ATP则抑制糖原降解以及糖酵解和TCA环中的关键 酶（如糖原磷酸化酶，磷酸果糖激酶，柠檬酸合成酶， 异柠檬酸脱氢酶）并激活糖类合成酶（糖原合成酶、 1、6-P-果糖酯酶）从而抑制糖的分解，加速糖原的 合成。
同工酶调节示意图
• （二）别构酶：具有别构作用（或变构 作用）的酶。其分子有活性中心和别构 中心，往往是具有四级结构的多亚基的 寡聚酶。
多数别构酶处于代谢途径的开端，别构剂多是一些生 理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物 或终产物。 故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物 或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称 反馈抑制(feedback inhibition)。 别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用，故 又称调节酶。（regulatory enzyme） （中国酶网 www.cnenzyme.com）
• 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； • 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。
一、发酵工艺条件的控制
环境条件既影响微生物生长，又影响代谢速度和方向 及产物形成与积累。 现以谷氨酸棒杆菌发酵为例来说明控制发酵条件包括 O2浓度、NH4浓度 、pH、磷酸盐浓度、生物素浓度等， 环境条件改变，可使代谢转换方向，不生成谷氨酸， 而生成乳酸、琥珀酸、谷氨酰胺等产物。
二、菌种遗传特性的改变
• （三）多功能酶：分子组成只有一条多 肽链，但具有两种或两种以上催化活力 的酶。
• 一个终产物的过量，在使共同途径第一步反应 受到部分抑制的同时，分支途径第一步反应也 受到抑制，使代谢沿着其他分支进行。因此， 一个产物的过量不致干扰其他产物的生成。
第二节 微生物代谢的协调作用
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、初级代谢和次级代谢
• 合成代谢和分解代谢（P49） • 初级代谢和次级代谢（P49～ P50）
二、代谢调控的方式 • （1）调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的 能力---通道调节； • （2）调节代谢流---通量调节； • （3）通过酶的定位以限制它与相应底物 的接近---限制其基质有形接近。
• 调节蛋白 • 是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可 与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结 合。当Байду номын сангаас节蛋白与效应物结合后，就发生变构 作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵 基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。 • 调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能 在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因 相结合；另一则称阻遏物蛋白，它只能在辅阻 遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基 因相结合。
• （4）顺序反馈抑制：
• 当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度过大而促使 反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度 的增高。由于G过多就抑制了C→F，结果造成C的浓度进 一步增高。C过多又对A→B间的酶发生抑制，从而达到了 反馈抑制的效果。这种通过逐步有顺序的方式达到的调 节，称为顺序反馈抑制。
第三章 微生物的代谢调控 理论及其在食品发酵与酿 造中的应用
王青云
E-mail：jalywang6688@163.com
第一节 微生物的代谢与调节的 生化基础
代谢调节
★ 是生物在长期进化过程中，为适应外界条件而形成的 一种复杂的生理机能。通过调节作用细胞内的各种物质及 能量代谢得到协调和统一，使生物体能更好地利用环境条 件来完成复杂的生命活动。
2．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。 • 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。
• （一）应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节 • 营养缺陷型菌株：野生型菌株经过人工诱变或者自然 突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等） 的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子 才能生长的菌株。 • 营养缺陷型是一种生化突变株，它的出现是由基因突 变引起的。由于核酸系列中某碱基发生突变，导致该 基因所控制的酶合成受阻，该菌株也因此不能合成某 种营养因子，从而使正常代谢失去平衡。
• 操纵子分两类: • 一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一 种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转 译出大量诱导酶，出现诱导现象。 • 另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物 （一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻 遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去阻 遏作用才能启动。
• 效应物 • 是一类低分子量的信号物质（如糖类及 其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括 诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节 蛋白相结合以使后者发生变构作用，并 进一步提高或降低与操纵基因的结合能 力。
• 调节基因:用于编码调节蛋白的基因。 • 启动基因:是一种能被依赖于DNA的RNA聚合酶所 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。
（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。 • 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。
（1）酶活性的激活：指在分解代谢途径中，后面的
反应可被较前面的中间产物所促进。
（2）酶活性的抑制：主要是反馈抑制。
反馈抑制：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。
（3）反馈抑制的类型 • ① 直线式代谢途径中的反馈抑制
大肠杆菌乳糖酶诱导合成---调节基因产物对转录的调控
调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA 阻遏蛋白
诱导物（乳糖）
操纵基因——基因合成的开关. 关——阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达.
开——诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥.
三、能荷的调节
1. 能荷（energy charge）
能荷是一个表示细胞能量状态的参数。是细 胞中所含有的相当于 ATP的数量的腺苷酸分 子数占全部腺苷酸分子数的百分比，其表示 式为：
• （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。