5微生物的代谢调节和代谢工程Convertor.doc

第五章 微生物的代谢调节和代谢工程 在生物进化过程中，微生物细胞形成了愈来愈完善的代谢调节机制，细胞经常处于平衡生长状态，不会有代谢产物的积累。从进化角度看，代谢产物的过量产生对细胞能量的利用和细胞组成、物质的合成都是一种浪费。 想获得代谢产物的积累就必须打破正常的代谢系统。可采取两种方式： 1.通过各种育种方法，选育基因突变株，从根本上改变微生物的代谢； 2.控制微生物的各种培养条件，改变控制代谢速率，影响其代谢过程。即影响基因型的表达。 代谢类型：分解代谢和合成代谢 代谢调节(regulation of metablism）是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用,即自我调节。 微生物代谢的控制是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。 代谢调节的方式 酶合成的调节 酶活性的调节方式 初级代谢的调节 次级代谢的调节 5.1 代谢调节方式 细胞透性的调节 代谢途径区域化 代谢流向的调控 代谢速度的调控 1，细胞透性的调节 细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。 细胞质膜的透性的调节是微生物代谢调节的重要方式，由它控制着营养物质的吸收和产物分泌。 代谢调节方式 例如，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌吸收乳糖是由渗透酶和环状AMP(cAMP)协同控制来完成的。cAMP的浓度是由腺苷酸环化酶(AC)的活性控制的，也就是说，乳糖的吸收受渗透酶和AMP环化酶的控制，调节蛋白通过磷酸化的形式和腺苷酸环化酶（AC）或渗透酶结合，分别使腺苷酸环化酶活化或使渗透酶失活。当有葡萄糖时，乳糖的渗透酶以无活性状态存在，而腺苷酸环化酶也以非活性状态存在。 代谢调节方式 L-异亮氨酸的膜渗透情况 BrnE BrnF BrnQ 代谢调节方式 2，代谢途径区域化 原核微生物细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系则集中某一区域，以保证这一代谢途径的酶促反应顺利进行，避免了其他途径的干扰。 例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上；而与蛋白质合成有关的酶系则位于核蛋白体上；分解大分子的水解酶，在革兰氏阴性菌里是位于壁膜间隙中，而革兰氏阳性菌则将这些水解酶类，分泌于胞外。 代谢调节方式 在真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布。 如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上；蛋白质的合成酶系位于核蛋白体上；DNA合成的某些酶位于细胞核里。 代谢调节方式 细胞具有复杂的膜结构使其代谢活动只能在特定的部位上进行，即代谢活动是区域化的，其实质是控制酶与底物接触，使各个反应有序地进行。 代谢调节方式 线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;?-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化 细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成; 细胞核:核酸合成 内质网:蛋白质合成;磷脂合成 酶定位的区域化 代谢调节方式 3，代谢流向的调控 微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。它包括两种形式 由一个关键酶控制的可逆反应 由两种酶控制的逆单向反应 代谢调节方式 由一个关键酶控制的可逆反应 同一个酶可以通过不同辅基(或辅酶)控制代谢物的流向。例如，谷氨酸脱氢酶以NADP+为辅酶时，主要是催化谷氨酸的合成，当以NAD+为辅酶时，则催化谷氨酸的分解。因此微生物可以通过不同的辅基来控制代谢物的流向。 由一个关键酶控制的可逆反应 :同一个酶可以通过不同辅基(或辅酶)控制代谢物的流向。 例如，谷氨酸脱氢酶以NADP+为辅酶时，主要是催化谷氨酸的合成，当以NAD+为辅酶时，则催化谷氨酸的分解。因此微生物可以通过不同的辅基来控制代谢物的流向。 代谢调节方式 由两种酶控制的逆单向反应 逆单向反应是在生物体代谢的关键部位的某些反应，它是由两种各自不同的酶来催化的。即在一个“可逆”反应中，其中一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。 例如，葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖是由己糖激酶催化的，而其逆反应则是由6-磷酸葡萄糖酯酶催化的。6-磷酸果糖转化为1，6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激酶催化的，逆反应则由1，6-二磷酸果糖酯酶催化。 代谢调节方式 4，代谢速度的调控 在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。 微生物在不同条件下能按照需要，通过激活或抑制原有酶的活性或通过诱导或阻遏酶的合成来自我调节其代谢速度，使之高度经济有效地利用能量和原料进行生长繁殖。 代谢调节方式 5.2 酶活性的调节 概 念 酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。 影响因素 底物和产物的性质和浓度 环境因子(如压力、pH、离子强度和辅助因子等)