第四节第四节 微生物的代谢调控与发酵微生物的代谢调控与发酵生产生产本本节提要：提要：微生物代微生物代谢过程中的自我程中的自我调节酶活性的活性的调节酶合成的合成的调节代代谢调控理控理论的的应用用微生物代谢过程中的自我调节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。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。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种蛋白质，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能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到万个蛋白质分子，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？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（解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（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胞总蛋白含量的10%。微生物自我调节代谢的方式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通过酶的定位控制酶与底物的接触3.控制代谢物流向控制代谢物流向:1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞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如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合，微生物才合成成迟效碳源或氮源的运效碳源或氮源的运输系系统与分解与分解该物物质的的酶系系统。2.通过酶的定位控制酶与底物的接触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）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；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）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使 功能：功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；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；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同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。菌的周质区。3. 控制代谢物流向：控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节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：如谢物流向：如: 两种两种Glu脱氢酶：以脱氢酶：以NADP为辅基为辅基 Glu合成合成 以以NAD为辅基为辅基 Glu分解分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。 粗调：调节酶的合成量粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。通过调节产能代谢速率。Possible points for Regulation of Various Metabolic Control Mechanisms 一、酶活性的调节一、酶活性的调节通通过过改改变变现现成成的的酶酶分分子子活活性性来来调调节节新新陈陈代代谢谢的的速速率率的的方方式式。是是酶酶分分子子水水平平上的调节，属于精细的调节。上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式（一）调节方式：包括两个方面：包括两个方面：1、酶酶活活性性的的激激活活：在在代代谢谢途途径径中中后后面面的的反反应应可可被被较较前前面面的的反反应应产产物物所所促促进的现象；常见于分解代谢途径。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、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概概念念：反反馈馈：指指反反应应链链中中某某些些中中间间代代谢谢产产物物或或终终产产物物对对该该途途径径关关键键酶酶活活性性的影响。的影响。 凡使反应速度加快的称凡使反应速度加快的称正反馈正反馈； 凡使反应速度减慢的称凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）负反馈（反馈抑制）； 反反馈馈抑抑制制主主要要表表现现在在某某代代谢谢途途径径的的末末端端产产物物过过量量时时可可反反过过来来直直接接抑抑制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。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特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除Feedback InhibitionFigure 3. Figure 4. 1.直线式代谢途径中的反馈抑制直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶苏氨酸苏氨酸- -酮丁酸酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸反馈抑制反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.2.分支代谢途径中的反馈抑制：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：应，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节，同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。（二）反馈抑制的类型（二）反馈抑制的类型（1 1）同功酶调节）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。某一某一产物物过量量仅抑制相抑制相应酶活，活，对其他其他产物没影响。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天冬氨酸氨酸族族 天冬氨酸天冬氨酸E,R III IE,R4-磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛E,R II I E二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸E,R R O-琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸苏氨酸 E,R六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸 胱硫醚胱硫醚 2-酮丁酸酮丁酸 R 二氨基庚二酸二氨基庚二酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸 R 赖氨酸赖氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸（2 2）协同反馈抑制）协同反馈抑制concerted feedback inhibition定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制定义：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。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（举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）多粘芽孢杆菌（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。氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。 天冬氨酸天冬氨酸 E,R 4-磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛E,R E二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷同型丝氨酸磷酸酸E,R R O-琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸苏氨酸 E,R六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸 胱硫醚胱硫醚 2-酮丁酸酮丁酸 R 二氨基庚二酸二氨基庚二酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸 R 赖氨酸赖氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸天冬天冬氨酸族氨酸族（谷氨酸棒（谷氨酸棒杆菌）杆菌）（3）合作反馈抑制）合作反馈抑制cooperative 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。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举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和和GMP （和和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完的合作反馈抑制，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%和和10%。（4）积累反馈抑制）积累反馈抑制cumulative 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。用。Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 13%AMP 41%积累反累反馈抑制抑制E.coli谷氨谷氨酰胺合胺合成成酶的的调节（5 5）顺序反馈抑制）顺序反馈抑制sequential feedback inhibition一一种种终终产产物物的的积积累累,导导致致前前一一中中间间产产物物的的积积累累，通通过过后后者者反反馈馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。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举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节（6）平衡合成）平衡合成在在黄色短杆菌黄色短杆菌（Brevibacterium flavus）中天冬氨酸的中天冬氨酸的合成合成PEP Py草酰乙酸草酰乙酸乙酰乙酰CoAAsp 柠檬酸柠檬酸ATPCO2（7）代谢互）代谢互锁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。度下才显示，且为部分抑制。AspAsp- pAsaDAPLys，二氢吡啶二二氢吡啶二羧酸合成酶羧酸合成酶HseThr IlePy 异丙基异丙基Leu 苹果酸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，在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如如AMP与与GMP，Thr与与Lys、Met，由于两种酶对底物的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值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。先合成。（8）优先合成）优先合成(三三)酶活力活力调节的机制的机制变构酶理论： 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:与与抑制抑制剂结合合,构象构象变化化,不能与底物不能与底物结合合 与与激活激活剂结合合, 构象构象变化化,促促进与底物与底物结合合 变构酶变构酶