第三章微生物的代谢调节和代谢工程

第三章微生物的代谢调节和代谢工程

本章提纲 • 微生物的代谢类型(3.1) • 微生物代谢的调节酶活性的调节(3.2+3.4) 酶合成的调节(3.3) 初级代谢的调节(3.5) 次级代谢的调节(3.7) • 微生物的代谢调控和代谢工程(3.6+3.8) 代谢速度的控制代谢产物

分解代谢(catabolism) 代谢合成代谢(anabolism) 第一节微生物的代谢类型代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称分解代谢复杂分子（有机物） [H] 简单小分子 ATP 合成代谢

分解代谢和合成代谢间的联系 中间代谢产物的重要性

微生物糖代谢的途径 EMP途径，又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径 HMP途径（Hexose monophosphate pathway ），又称PPP途径或己糖-磷酸途径 ED途径（Entner-Doudoroff pathway），又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径或KDPG途径 TCA循环（tricarboxylic acide cycle），即三羧酸循环

EMP途径的生理功能： ①供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力； ②是连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环(TCA)、HMP途径和ED途径等； ③为生物合成提供多种中间代谢物； ④通过逆向反应可进行多糖的合成。

①供应合成原料，提供多种形式的C架； HMP途径在生命活动中的意义： ②产生大量的还原力NADPH+H+； ③是光能和化能自养微生物固定CO2的重要中介； ④扩大碳源利用范围，为微生物利用C3－C7多种碳源提供了必要的代谢途径； ⑤连接EMP途径，可为生物合成提供更多的戊糖。

ED途径的特点： ①具有一特征性反应――KDPG裂解为丙酮酸和3－磷酸甘油醛； ②存在一特征性酶――KDPG醛缩酶； ③其终产物2分子丙酮酸的来历不同，即一个由KDPG裂解而来，另一个由EMP途径转化而来。

TCA循环的特点： ①氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件下运转（因NAD＋和FAD再生时需氧）； ②产能效率极高； ③TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，为微生物的生物合成提供各种碳架原料。

EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径 在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转；在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。代谢物回补顺序：又称补偿途径或添补途径，就是指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。乙醛酸循环

第二节微生物的代谢调节 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，在代谢繁殖过程中，能量的利用以及对细胞生长繁殖过程中所需的各种物质的形成是非常合理和经济的，细胞经常处于平衡生长状态，不会有代谢产物的积累。

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。 • 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。

第二节微生物的代谢调节 • 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

一、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

4，代谢速度的调控 微生物细胞的代谢调节主要类型酶合成的调节，调节的是酶分子的合成量。在遗传学水平上发生的酶活性调节，调节的是已有酶分子的活性。在酶化学水平上发生的

4.1 酶合成的调节 粗调 • 根据酶合成的方式，细胞内的酶可分为两大类：一类是组成酶；另一类是诱导酶。 • 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。以酶的合成系统为基础的酶量调节，包括底物对酶合成系统的诱导作用和产物对酶合成系统的阻遏作用。

酶合成的调节 与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。优点：通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。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、协调进行的。

4.2 酶活性的调节 细调概念 • 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

酶活性的调节 4.2.1 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）反馈激活，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 4.2.2 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（feedback inhibition）：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

酶活性的调节 4.2.2.1 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。

酶活性的调节 4.2.2.2 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:（见P32） • 顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition） • 同功酶的反馈抑制（isoenzyme feedback inhibition） • 协同反馈抑制（concerted feedback inhibition） • 累加反馈抑制（cumulative feedback inhibition） • 合作反馈抑制（cooperative feedback inhibition）

初级代谢和次级代谢 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。

二、初级代谢的调节 • 产能代谢的调节：能荷调节(Energy Charge Regulation) • 核蛋白体合成的调节（Regulation of Ribosome Synthesis） • 氨基酸、核苷酸合成代谢的调节（Regulation of amino acids and nucleotide metabolism）

三、次级代谢的调节 • 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

次级代谢的调节 次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，比如糖降解过程中的乙酰-CoA是合成四环素、红霉素的前体；一般菌体的次级代谢在对数生长后期或稳定期间进行，受环境条件的影响。次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。

第三节微生物的代谢调控和代谢工程 一、微生物代谢产物的利用利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。按照积累产物类型：初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶；次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。按照发酵类型：自然发酵：酒精、乳酸等，代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等；中间产物，柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；

二、代谢调控 • 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。代谢条件的控制-遗传学方法发酵条件的控制-生物化学方法代谢工程概念见P44 代谢调控在发酵工业中的应用

（一）遗传学方法 1、营养缺陷型突变株的应用 2、抗反馈控制突变株的应用 3、选育组成型和超产突变株 4、增加结构基因数目

生物化学方法 1 添加前体物绕过反馈控制点 2 添加诱导剂 3 发酵与分离过程耦合 4 控制细胞膜的通透性 5 控制发酵的培养基成分

三、代谢工程 代谢工程概念见P44 1、改变代谢途径 1.1 加速限速反应 1.2 改变分支代谢途径流向 1.3 构建代谢旁路 1.4 改变能量代谢途径 2、扩展代谢途径 3、转移或构建新的代谢途径

本章要点 微生物代谢、代谢调节、代谢工程的概念；微生物代谢的调节方式及各种调节类型；初级代谢和次级代谢调节的异同；在微生物代谢工程中如何提高发酵产物产量？在实际生产中可以利用哪些方法提高发酵产物的产量？

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