5微生物的代谢调节和代谢工程ConvertorWord文档格式.docx
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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。
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。
线粒体:
丙酮酸氧化;
三羧酸循环;
b-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
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
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。
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。
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。
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）
其他的酶的存在
调节方式
激活已有酶的活性
抑制已有酶的活性
（一）激活
激活：
在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性，或使原来活性低的酶提高了活性的现象。
代谢调节的激活作用：
主要是指代谢物对酶的激活。
前（体）馈激活，指代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。
代谢中间产物的反馈激活，指代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用
酶活性的调节
前（体）馈激活和反馈激活示意图
A®
B®
C®
D®
F
•••••®
G
C
D
E
例1：
糖代谢途径中丙酮酸积累激活丙酮酸羧化酶
例2：
乙酰CoA的积累激活PEP羧化酶
酶
的
反
馈
激
活
葡萄糖
草酰乙酸
丙酮酸
羧化酶
乙酰CoA
活化
磷酸烯醇式丙酮酸
拧檬酸
a-酮戊二酸
1，6-二磷酸果糖
（二）抑制
抑制：
由于某些物质的存在，降低酶活性的现象。
反馈抑制（feedbackinhibition）：
反馈抑制是指代谢的末端产物对酶（往往是代谢途径中的第一个酶）活性的抑制。
无分支代谢途径的调节
有分支代谢途径的调节
抑制和激活相反。
由于某些物质的存在，降低酶活性，称为抑制。
抑制可以是不可逆的，这将造成代谢作用的停止；
抑制也有可逆的，当抑制剂除去后，酶活性又恢复。
在代谢调节过程中所发生的抑制现象主要是可逆的，而且大多属于反馈抑制。
反遗抑制反馈抑制是指代谢的末端产物对酶（往往是代谢途径中的第一个酶）活性的抑制。
反馈抑制作用在生物体内普通存在，它在维持细胞正常代谢、经济有效地利用代谢原料、以及适应环境的变化，都具有重要作用。
1，无分支代谢途径的调节
通常是在线形的代谢途径中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。
如图8—27所示。
例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸（Thr）合成异亮氨酸（IIeu）时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步反应的苏氨酸脱氨酶（TD）有抑制作用。
苏氨酸α-酮丁酸异亮氨酸
TD
2，有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种:
顺序反馈抑制（sequentialfeedbackinhibition）
同工酶的反馈抑制（isoenzymefeedbackinhibition）
协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibition）
累积反馈抑制（cumulativefeedbackinhibition）
超相加反馈抑制（cooperativefeedbackinhibition）
（1）顺序反馈抑制
sequentialfeedbackinhibition
分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑制途径中的第一个酶，只有当两个末端产物都过量时，才能对途径中的第一个酶有抑制作用。
例如，枯草杆菌在芳香族氨基酸合成中，色氨酸（Try）抑制邻氨基苯甲酸合成酶（AS），苯丙氨酸（Phe）抑制预苯酸脱水酶（PT），酪氨酸（Tyr）抑制预苯酸脱氢酶（PD），预苯酸和分支酸又部分地抑制7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸合成酶（DS）。
PEP：
磷酸烯醇丙酮酸；
E4P：
4-磷酸赤藓糖；
DAHP：
7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸；
CA：
分支酸；
Per：
预苯酸；
AA：
邻氨基苯甲酸；
HPPA：
对羟基苯丙酮酸；
PPA：
苯丙酮酸；
Tyr：
酪氨酸；
Try：
色氨酸；
Phe：
苯丙氨酸；
I：
7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸合成酶；
II：
邻氨基苯甲酸合成酶
AS
PT
PD
邻氨基苯甲酸合成酶；
III：
分支酸变位酶；
IV：
预苯酸脱氢酶；
V：
预苯酸脱水酶
（2）同工酶的反馈抑制isoenzymefeedbackinhibition
同功酶是指能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。
其特点是：
途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被H抑制，另一个酶被G抑制。
只有当H和G同时过量才能完全阻止A转变为B。
例如，大肠杆菌以天门冬氨酸为前体合成苏氨酸（Thr）、异亮氨酸（Ileu）、甲硫氨酸（Met）和赖氨酸（Lys）的代谢途径中有三种天门冬氨酸激酶的同功酶（AKI、AKII和AKIII）和两种高丝氨酸脱氢酶的同功酶（HSDHI和HSDHII）。
其中AKI和HSDHI受到苏氨酸、异亮氨酸的反馈抑制和阻遏，AKII和HSDHII受甲硫氨酸的反馈抑制和阻遏；
AKIII受赖氨酸的反馈抑制和阻遏。
Asp：
天门冬氨酸；
Asp-Pi：
天门冬酰磷酸；
Asa：
天门冬氨酸半醛；
Hse：
高丝氨酸；
Thr：
苏氨酸；
Ileu：
异亮氨酸；
KB：
-酮丁酸；
Met：
甲硫氨酸；
Lys：
赖氨酸；
R：
阻遏作用；
反馈抑制；
AK：
天门冬氨酸激酶；
HSDH：
高丝氨酸脱氢酶
（3）协同反馈抑制
concertedfeedbackinhibition
在分支代谢系统中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用，如果末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生物合成途径中，天门冬氨酸激酶（AK）是受末端产物赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
（4）累积反馈抑制
cumulativefeedbackinhibition
在分支代谢途径中各种末端产物单独过量时，它们各自能对途径中的第一个反应的酶仅产生较小的抑制作用。
一种末端产物单独过量并不影响其它末端产物的形成，只有当几种末端产物同时过量时，才对途径中的第一个酶产生较大的抑制。
例如，大肠杆菌谷氨酰胺合成酶（GS）活性的调节是一个典型的累积反馈调节的例子。
谷氨酰胺由谷氨酸、铵和ATP合成。
谷氨酰胺中的酰胺基是色氨酸、组氨酸、氨基甲酰磷酸、6-磷酸葡萄糖胺、CTP、AMP、GMP等化合物生物合成过程中的氮源。
谷氨酰胺合成酶被谷氨酰胺代谢的每种末端产物以及丙氨酸和甘氨酸所累积抑制。
谷氨酰胺合成酶对这些抑制物中的每一种末端产物均有特异的结合部位。
当上述8种末端产物同时过量都与酶结合时，谷氨酰胺合成酶的活性将受到最大的抑制。
（5）超相加反馈抑制cooperativefeedbackinhibition
超相加反馈抑制是一种既不同于协同反馈抑制又不同于累积反馈抑制。
对一个分支代谢途径中，几种末端产物单独过量时，仅产生对共同途径的第一个酶部分的抑制。
如果每种末端产物都过量时，其抑制作用则超过各种末端产物单独过量时抑制的总和。
例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途径中，催化第一步反应的酶，5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）的酰胺基转移酶，可被各种嘌呤核苷酸产物（如AMP、GMP）所抑制。
例如，一定量的GMP或AMP仅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸酰胺基转移酶活力的10％，而当二者混合时，则可抑制其酶活力的50％。
因为这些嘌呤核苷酸与5-磷酸核糖-1-焦磷酸并无结构相似性，又因该酶是一种调节酶，GMP和AMP可能分别结合在该酶的不同部位上。
酶活性调节包括：
酶的激活作用
酶的抑制作用
酶活性调节的机制：
有变构调节理论、化学修饰作用、缔合与解离、竞争性抑制等。
1）
变构调节理论：
变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。
其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。
活性位点:
与底物结合
变构位点:
与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合
与激活剂结合,构象变化,促进与底物结合
2）
化学修饰作用（共价修饰）：
是指蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开，使其活性改变的作用。
用共价修饰方式可使酶钝化或活化。
从蛋白质中除去或加入小的化学基团可以是磷酸基，甲基，乙基，腺苷酰基，蛋白质的共价结合部位一般为丝氨酸残基的—CH2OH。
共价修饰分为可逆的和不可逆的两种。
酶合成调节的类型：
包括诱导和阻遏两种类型。
诱导：
是指在某种化合物作用下，导致某种酶合成或合成速率提高的现象。
5.3酶合成（酶量）的调节
阻遏：
是在某种物质作用下导致某种酶合成停止或合成速率降低的现象。
酶合成的诱导与阻遏同时存在于微生物中，通过它们的协调作用能有效地控制胞内酶量变化。
1.酶合成的诱导作用
在微生物里，酶可以分成诱导酶与组成酶两大类。
组成酶：
是机体内一类不依赖于酶的底物或底物结构类似物的存在而合成的酶,如EMP途径的一些酶。
诱导酶（又称适应酶）：
是一类依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。
如：
乳糖酶
决定诱导酶合成的基因以隐性状态存在于染色体中。
5.3酶合成（酶量）的调节
诱导剂：
能够诱导某种酶合成的化合物称为该酶的诱导剂。
诱导剂可以是被诱导的酶的底物或底物的结构类似物，一种诱导酶的合成可以有一种以上的诱导剂，但是这些诱导剂的诱导能力不同，而且一种诱导剂的诱导能力还与诱导剂的浓度有关。
阻止酶合成的现象称为酶合成的阻遏。
阻遏酶合成的物质称为阻遏物。
2.酶合成的阻遏
终点产物（末端产物）反馈阻遏：
如果阻遏物是被阻遏生成的酶（或酶系）所催化生成的终点产物，则这种阻遏现象称为终点产物（末端产物）反馈阻遏。
代谢产物反馈阻遏：
如果阻遏物是其分解代谢的产物，则称为分解代谢产物阻遏。
1）.末端产物反馈阻遏
这种阻遏现象主要发生在合成代谢途径上。
这种现象最初是在大肠杆菌合成甲硫氨酸的途径中被发现的。
如果在培养基中加入过量的甲硫氨酸时，则这些酶系的合成都同时被阻遏。
由于利用葡萄糖的酶系是固有的，而利用乳糖（或阿拉伯糖、半乳糖等）的酶系是诱导生成的。
在有葡萄糖的情况下，阻遏了利用乳糖的酶系的合成。
因而只有当葡萄糖被利用完之后，乳糖才能诱导能利用它的酶系合成，由于合成新酶系需要一定的时间，所以在二次生长之间出现了一段停滞期。
2）分解代谢产物阻遏
枯草杆菌的二次生长曲线
3）酶合成调节的机制
主要是操纵子学说。
根据这个理论认为在DNA分子的不同区段上分布着调节基因和操纵子；
操纵子由操纵基因（O）、一群功能相关的结构基因（S）以及在操纵基因与调节基因之间的启动基因（P）组成，
调节基因编码一种低分子量的变构蛋白（或称调节蛋白），这种蛋白可以结合到操纵基因上，以控制基因的转录；
酶合成诱导的机制
酶合成阻遏的机制
根据操纵子的调节方式不同，可以将操纵子调节分成三种类型：
单一效应物的调节，
二种效应物的共同调节
弱化调节
区别：
酶活性调节:
是对现有的酶在活性变化上进行调节，它不会涉及酶量的变化，
酶量的调节:
不涉及现有酶活性的变化，只是通过影响酶合成或酶合成速率以控制酶量变化，达到控制代谢过程的目的。
从调节作用的特点上看:
酶活性调节的效果既及时又迅速，但由于酶量调节涉及到酶蛋白合成，它调节的效果相应地来得慢。
酶量的调节与酶活调节的区别
5.4初级代谢的调节
RegulationofPrimaryMetabolism
初级代谢与次级代谢
初级代谢：
是为生物提供能量、合成中间体及其关键大分子的各种相互关联的代谢网络（包括分解与合成），对菌的生长是必需的。
初级代谢产物有单糖、核苷酸、脂肪酸、蛋白质、核酸、多糖、脂类等等。
次级代谢：
次级代谢主要涉及合成过程，其终产物、次级代谢物对菌的生长不是必需的，对其生命活动可能具有某种意义，通常是在生长后期开始形成的。
次级代谢产物主要有抗生素、维生素、生物碱、色素、毒素等等。
初级代谢调节
产能代谢的调节：
能荷调节（EnergyChargeRegulation）
核蛋白体合成的调节（RegulationofRibosomeSynthesis）
氨基酸、核苷酸合成代谢的调节（Regulationofaminoacidsandnucleotidemetabolism）
能荷调节
能荷：
即指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度
能荷的大小与细胞中ATP、ADP和AMP的相对含量有关。
当细胞中全部腺苷酸均以ATP形式存在时，则能荷最大，为100%，即能荷为满载。
当全部以AMP形式存在时，则能荷最小，为零。
当全部以ADP形式存在时，能荷居中，为50%。
若三者并存时，能荷则随三者含量的比例不同而表现不同的百分值。
（EnergyChargeRegulation）
研究证明，细胞中能荷高时，抑制了ATP的生成，但促进了ATP的利用，也就是说，高能荷可促进分解代谢，并抑制合成代谢。
相反，低能荷则促进合成代谢，抑制分解代谢。
能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶分子进行变构调节进行的。
例如糖酵解中，磷酸果糖激酶是一个关键酶，它受ATP的强烈抑制，但受ADP和AMP促进。
丙酮酸激酶也是如此。
在三羧酸循环中，丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶等，都受ATP的抑制和ADP的促进。
呼吸链的氧化磷酸化速度同样受ATP抑制和ADP促进。
5.5次级代谢的调节
RegulationofSecondaryMetabolism
初级代谢对次级代谢的调节
碳代谢物的调节作用
氮代谢物的调节作用
磷酸盐的调节作用
次级代谢中的诱导作用及产物的反馈作用
次级代谢中细胞膜透性调节
许多次级代谢产物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。
因此次级代谢必然会受到初级代谢的调节。
例如青霉素的合成会受到赖氨酸的强烈抑制，而赖氨酸合成的前体α-氨基己二酸可以缓解赖氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。
这是因为α-氨基己二酸是合成青霉素和赖氨酸的共同前体。
如果赖氨酸过量，它就会抑制这个反应途径中的第一个酶，减少α-氨基己二酸的产量，从而进一步影响青霉素的合成。
碳源代谢产物的调节
碳分解代谢产物调节指能迅速被利用的碳源（葡萄糖）或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶（包括分解酶和合成酶）的调节。
分为分解产物阻遏和抑制两种。
葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素等都有明显降低产量的作用。
在次级代谢中，氮分解代谢产物调节，即被迅速利用的氮源（氨）抑制作用于含底物的酶（蛋白酶、硝酸盐还原酶、酰胺酶、脲酶、组氨酸酶）的合成。
在次级代谢中，其阻遏作用也确实存在。
在抗生素生产中使用黄豆饼粉就是由于它缓慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止或减弱氮分解代谢产物阻遏作用的结果。
磷酸盐的调节
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（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。
细胞膜透性的调节
外界物质的吸收或代谢产物的分泌都需经细胞膜的运输，如发生障碍，则胞内合成代谢物不能分泌出来，影响发酵产物收获，或胞外营养物不能进入胞内，也影响产物合成，使产量下降。
如在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。
如果输入硫化物能力增加，硫源供应允足，合成青霉素的量就增多。
5.6代谢调节理论在工业发酵上的应用（代谢调控）
工业发酵的目的：
大量积累人们所需要的微生物代谢产物。
代谢的人工控制：
人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。
人工控制代谢的手段：
控制发酵条件（生物化学方法）；
改变微生物遗传特性（遗传学方法）；
改变细胞膜透性；
1.各种发酵条件对微生物代谢的影响
在微生物发酵过程中，发酵条件适合与否是发酵过程成败的重要条件，因为发酵条件既能影响微生物的生长，又能影响代谢产物的形成。
5.6.1发酵工艺条件的控制
例如在谷氨酸发酵过程中，发酵条件不同，则发酵生成的主要产物也不同，如下表：
2.使用诱导物
许多与蛋白质、糖类或其他物质降解有关的酶类都是诱导酶，在发酵过程中加入相应的底物作为诱导物，可以有效的增加这些酶的产量。
如加入槐糖（1，2-β-D-葡二糖）诱导木霉菌的纤维素酶的生成，木糖诱导半纤维素酶和葡萄糖异构酶的生成等。
诱导物的浓度过高及能被迅速利用时，会发生酶合成的阻遏，这在纤维二糖对纤维素酶的产生，木二糖对半纤维素酶产生中都己观察到，这也是使用诱导物时应予注意的
3.添加生物合成的前体
前体是指加入到发酵培养基中的某些化合物，能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化，且具有促进产物合成的作用。
如青霉素G的生产中，苯乙酰-CoA是限速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。
前体与诱导物的区别：
有时难于区分促进作用是诱导物的作用还是前体
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