微生物的代谢调控与发酵生产.pptx
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以NAD为辅基 Glu分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。 关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。
①粗调：调节酶的合成量 ②细调：调节现有酶分子的活性
3)通过调节产能代谢速率。
☆Possible points for Regulation of Various Metabolic Control Mechanisms
E,R
（谷氨酸棒 杆菌） 4-磷酸天冬氨酸
E 天冬氨酸半醛
源自文库E,R
E
二氢吡啶二羧酸 酸
同型丝氨酸
同型丝氨酸磷
E,R
R
O-琥珀酰同型丝氨酸
苏氨酸
E,R
六氢吡啶二羧酸
胱硫醚
2-酮丁酸
R
二氨基庚二酸 同型半胱氨酸
R
赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
（3）合作反馈抑制——cooperative
feedback inhibition
天冬氨酸
E,R
III I E,R
4-磷酸天冬氨酸
天冬氨酸族
E 天冬氨酸半醛
E,R
II I
E
二氢吡啶二羧酸
同型丝氨酸
同型丝氨酸磷酸
E,R
R 六氢吡啶二羧酸
二氨基庚二酸
O-琥珀酰同型丝氨酸 E,R
胱硫醚 R 同型半胱氨酸
苏氨酸 2-酮丁酸
R 赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
（2）协同反馈抑制——concerted feedback inhibition
定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二 者单独作用之和。
举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和 GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完 全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的 70%和10%。
（4）积累反馈抑制——cumulative
微生物的代谢调控与发酵生 产
本节提要： 微生物代谢过程中的自我调节 酶活性的调节 酶合成的调节 代谢调控理论的应用
微生物代谢过程中的自我调节
☆微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水 平的代谢调节能力超过高等生物。
成因：细胞体积小，所处环境多变。 举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千 种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只 能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到 100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？ 解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高 浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme）， 在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细 胞总蛋白含量的10%。
（5）顺序反馈抑制——sequential feedback inhibition
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。 举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节
（6）平衡合成
在黄色短杆菌（Brevibacterium flavus）中天冬氨酸的 合成
（二）反馈抑制的类型
1.直线式代谢途径中的反馈抑制：
苏氨酸脱氨酶
苏氨酸
α-酮丁酸
异亮氨酸
反馈抑制
其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成
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，为了避免在 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，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。
☆微生物自我调节代谢的方式
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:
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞
如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合 成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶 系统。
2.通过酶的定位控制酶与底物的接触
1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器 各
feedback inhibition
定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途 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 作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作 用。
积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合 成酶的调节
Try 16% CTP 14% 氨甲酰磷酸
13% AMP 41% ……
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。
举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）
多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）
天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。
天冬氨酸族天冬氨酸
凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过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
Feedback Inhibition
Figure 3. Figure 4.
一、酶活性的调节
通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平 上的调节，属于精细的调节。 （一）调节方式：包括两个方面： 1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促 进的现象；常见于分解代谢途径。
如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进 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。
（1）同功酶调节——isoenzyme
定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构 有差别的一组酶。
意义：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 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。—— —某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。
举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的 调节
自行使某种特异的功能；
2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行 使
功能：
➢与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；
➢蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；
➢同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
3. 控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节)
1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代 谢物流向：如: 两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成
①粗调：调节酶的合成量 ②细调：调节现有酶分子的活性
3)通过调节产能代谢速率。
☆Possible points for Regulation of Various Metabolic Control Mechanisms
E,R
（谷氨酸棒 杆菌） 4-磷酸天冬氨酸
E 天冬氨酸半醛
源自文库E,R
E
二氢吡啶二羧酸 酸
同型丝氨酸
同型丝氨酸磷
E,R
R
O-琥珀酰同型丝氨酸
苏氨酸
E,R
六氢吡啶二羧酸
胱硫醚
2-酮丁酸
R
二氨基庚二酸 同型半胱氨酸
R
赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
（3）合作反馈抑制——cooperative
feedback inhibition
天冬氨酸
E,R
III I E,R
4-磷酸天冬氨酸
天冬氨酸族
E 天冬氨酸半醛
E,R
II I
E
二氢吡啶二羧酸
同型丝氨酸
同型丝氨酸磷酸
E,R
R 六氢吡啶二羧酸
二氨基庚二酸
O-琥珀酰同型丝氨酸 E,R
胱硫醚 R 同型半胱氨酸
苏氨酸 2-酮丁酸
R 赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
（2）协同反馈抑制——concerted feedback inhibition
定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二 者单独作用之和。
举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和 GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完 全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的 70%和10%。
（4）积累反馈抑制——cumulative
微生物的代谢调控与发酵生 产
本节提要： 微生物代谢过程中的自我调节 酶活性的调节 酶合成的调节 代谢调控理论的应用
微生物代谢过程中的自我调节
☆微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水 平的代谢调节能力超过高等生物。
成因：细胞体积小，所处环境多变。 举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千 种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只 能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到 100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？ 解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高 浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme）， 在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细 胞总蛋白含量的10%。
（5）顺序反馈抑制——sequential feedback inhibition
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。 举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节
（6）平衡合成
在黄色短杆菌（Brevibacterium flavus）中天冬氨酸的 合成
（二）反馈抑制的类型
1.直线式代谢途径中的反馈抑制：
苏氨酸脱氨酶
苏氨酸
α-酮丁酸
异亮氨酸
反馈抑制
其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成
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，为了避免在 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，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。
☆微生物自我调节代谢的方式
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:
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞
如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合 成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶 系统。
2.通过酶的定位控制酶与底物的接触
1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器 各
feedback inhibition
定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途 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 作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作 用。
积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合 成酶的调节
Try 16% CTP 14% 氨甲酰磷酸
13% AMP 41% ……
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。
举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）
多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）
天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。
天冬氨酸族天冬氨酸
凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过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
Feedback Inhibition
Figure 3. Figure 4.
一、酶活性的调节
通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平 上的调节，属于精细的调节。 （一）调节方式：包括两个方面： 1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促 进的现象；常见于分解代谢途径。
如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进 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。
（1）同功酶调节——isoenzyme
定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构 有差别的一组酶。
意义：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 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。—— —某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。
举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的 调节
自行使某种特异的功能；
2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行 使
功能：
➢与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；
➢蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；
➢同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
3. 控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节)
1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代 谢物流向：如: 两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成