微生物的代谢调控与发酵生产

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（constitutiveenzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducibleenzyme），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%。☆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。☆PossiblepointsforRegulationofVariousMetabolicControlMechanisms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。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FeedbackInhibitionFigure3.Figure4.1.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。（二）反馈抑制的类型（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天冬氨酸族天冬氨酸E,RIIIIE,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,RIIIE二氢吡啶二羧酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,RRO-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（2）协同反馈抑制——concertedfeedbackinhibition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（Corynebacteriumglutamicum）多粘芽孢杆菌（Bacilluspolymyxa）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E,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,RE二氢吡啶二羧酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,RRO-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天冬氨酸族（谷氨酸棒杆菌）（3）合作反馈抑制——cooperativefeedbackinhibition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——cumulativefeedbackinhibition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。Try16%CTP14%氨甲酰磷酸13%AMP41%……积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合成酶的调节（5）顺序反馈抑制——sequentialfeedbackinhibition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（Brevibacteriumflavus）中天冬氨酸的合成PEPPy草酰乙酸乙酰CoAAsp柠檬酸ATPCO2（7）代谢互锁表面完全不相关的两条途径之间的调节。这种作用一般在高浓度下才显示，且为部分抑制。AspAsp-pAsaDAPLys，二氢吡啶二羧酸合成酶HseThrIlePy异丙基Leu苹果酸在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如AMP与GMP，Thr与Lys、Met，由于两种酶对底物的Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。（8）优先合成(三)酶活力调节的机制变构酶理论：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,促进与底物结合变构酶