第四章 微生物的代谢机制.ppt

第四章 微生物的代谢机制 第一节 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。 新陈代谢（metabolism） 是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和 即：新陈代谢=分解代谢+合成代谢 分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为： 代谢工程：利用基因工程技术，定向地对细胞代谢途径进行修饰、改造，以改变微生物的代谢特性，并与微生物基因调控、代谢调控及生化工程相结合，构建新的代谢途径，产生新的代谢产物。 微生物细胞的代谢调节方式： 调节物质透过细胞膜而出入细胞的能力 通过酶的定位调控与相应底物的接近 调节代谢流 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”，即调节酶分子的催化活力，两者往往配合和协调，达到最佳调节效果。 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。 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;也可以是低分子量的物质加入后引起的酶活性的降低。 共价调节 这种调节是通过酶促共价修饰使其在活性形式与非活性形式之间转变。例如，与磷酸根的结合。 糖 原 磷 酸 化 酶 有磷酸化位点 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，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。 竞争性抑制剂在结构上与 底物相似 反馈抑制的类型 1．直线式代谢途径中的反馈抑制 2．分支代谢途径中的反馈抑制。 分支代谢途径中，反馈抑制情况较复杂。 （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。 （2）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。 （3）累加反馈抑制 （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。 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。 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。 （一）酶合成调节的类型 1．诱导 酶分成组成酶和诱导酶。 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，也可以是底物结构类似物或底物的前体物质。 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。 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养料和能量。 （1）末端产物阻遏 指由某代谢途径末端产物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。 （2）分解代谢物阻遏 当细胞内同时存