微生物发酵机理.ppt

第3章 微生物的代谢调节 微生物的精确代谢机制是进化的结果。表现： 1. 培养条件中含有某种前体物质，当前 体物质进入细胞内，该化合物的内源合成 编立即停止。并且参与该前体的生物合成 的酶的合成作用也停止。 2. 细菌常合成某些异化某些基质的酶，但 该基质必须存在与培养基中。 1 3. 如同时存在两种以上基质，微生物首先 合成这样的酶，即用来异化可维持更快的生 长的化合物；只有这样的化合物被利用完后 才开始合成异化第二种化合物的酶。 4. 如生长在含有单一有机化合物作为能源 的合成培养基中，微生物合成所有大分子前 体的速率同大分子利用的速率配合很好。 2 1.微生物代谢调节的部位 （1）通道；受ATP、透酶活性的调节。 （2）通量；原核生物中有两种方式：调 节现有酶量；改变已存酶分子的活性。 （3）限制其基质有形的接近。 1）真核微生物定位在相应细胞器上；细胞器各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。 第一节 调节的生化基础 3 酶的调节机制 酶的活性调节 酶的合成调节 效应物 外界 中间代谢 变构蛋白 活性改变 调节蛋白（结 构基因附近） 4 1.通过控制基因的酶生物合成调控 （1）酶的诱导合成 （2）酶的阻遏合成： 终产物反馈阻遏；分解代谢产物阻遏； 代谢互锁。 2. 酶活性的控制 （1）终产物的抑制或激活； （2）酶原的活化； （3）通过辅酶水平活性调节 5 3.通过细胞膜透性的调节 6 第二节 酶生物合成调控 一、酶的诱导 酶 合成与 环境 诱导酶：淀粉酶；蔗糖酶 组成酶：例如把葡萄糖转 化为丙酮酸的酶。 诱导酶：eg 时间 酶的比活力 乳糖 大肠杆菌的半乳糖 苷酶和半乳糖苷透过酶 合成 7 1.诱导酶合成的特性和意义 诱导酶 分解代谢酶类：糖、蛋白、芳 香族化合物的降解。 合成代谢酶类：细胞色素、细菌 叶绿素 例如：Karstron的研究：肠膜状明串珠菌 预培养基 糖种类 能发酵 葡萄糖乳糖阿拉伯糖 葡萄糖+- 乳糖+- 阿拉伯糖+-+ 不含糖+- 8 合成诱导例子： 酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色 素，但在无氧时细胞色素消失，再回到有 氧条件下，有会合成细胞色素。 紫色细菌的叶绿素再黑暗中消失，见 光后又会恢复合成能力。 组成酶和诱导酶对不同菌株是不同的： 例如： 半乳糖苷酶在大肠杆菌K12菌株中 为诱导酶，而在其一个突变菌株中为组成酶 9 酶的诱导对微生物的意义： n.利于分解底物，吸收营养物质； .加强了微生物对环境的适应能力； 避免了生物合成的原料和能量的浪费。 10 2. 酶诱导的机制 Monod 和Cohn（1952）在研究大肠 杆菌半乳糖苷酶适应性时发现： 酶的底物（乳糖）结构类似物甲基 D硫代半乳糖苷可以诱导半乳糖苷 酶的生成；苯基 D半乳糖苷，不 能诱导，但能作为底物。 11 Monod和Jacob（1961）提出操纵子学说 操纵子(Operan) 启动基因 操纵基因 结构基因 12 乳糖操纵子模型 13 诱导酶如何变成组成酶？ 改变调节基因 改变操纵基因？ 酶诱导的两种情况 同时诱导；主要存在于较短的代谢途 径中，合成这些酶的基因由同一个 操纵 基因控制。例如乳糖加到E.coli培养基中 中，可同时诱导： 半乳糖苷酶、 半乳糖苷透过酶、 半乳糖苷转乙酰酶 。 14 顺序诱导酶 第一个酶的底物诱导第一酶的产生，第 一个酶的产物诱导第二个酶的产生 二、酶合成的阻遏（Enzyme repression) 阻遏：在某代谢途径中，当末端产物过 量时，微生物的调节体系就会阻止代谢 途径中包括关键酶在内的一系列酶的合 成，从而彻底控制代谢，减少末端产物 的生成。 15 阻遏酶（Reressible enzyme):合成可被 阻遏的酶. (一)、末端代谢产物阻遏（End-product repression ) 常见于：氨基酸、核苷酸、维生素的合 成途径。 途径：同时阻遏合成途径中所有酶的合 成。 16 例如：在大肠杆 菌的培养基中加 入精氨酸，细胞 数量、总蛋白含 量以及合成精氨 酸酶系含量的变 化。 细胞数量 总蛋白含量 精氨酸酶系含量 精氨酸 相对量 时间 直线反应： 天冬氨酸 高丝氨酸 胱硫醚 高半胱氨酸 甲硫氨酸 17 末端产物对各个酶的抑制合成程度是否相同 ？这种问法正确吗？ 对于分支代谢途径，末端产物的阻遏 又会怎样呢？ 在分支代谢途径中，反馈调节的情 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。 18 阻遏机制：（色氨酸操纵子） 调节基因远离操纵子，所表达的调节蛋白不能直接与操 纵基因结合，结构基因的表达能顺利进行。 调节蛋白称为原阻遏物（prerepressor)。 当代谢产生末端代谢产物色氨酸后，色氨酸作为效应物 与原阻遏物结合，使后者发生变构效应，并能与操纵基因 结合，从而阻止了结构基因的表达。 19 分支酸邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基 苯甲酸羧苯氨基脱氧核糖磷酸吲哚甘 油磷酸色氨酸 （二）分解代谢产物阻遏 1.二次生长现象和葡萄糖效应 时间 生长速度 大肠杆菌在 葡萄糖和乳 糖混合碳源 上生长。 20 第一阶段：半乳糖苷酶活性很低。 第二阶段： 半乳糖苷酶活性提高。 葡萄糖干扰其他碳源利用的现象称为“ 葡萄糖效应”。 葡萄糖效应并非由葡萄糖直接引起， 而是由葡萄糖分解代谢过程中某种代谢产 物引起阻遏了能够产生该物质酶的合成 。 例如： 组氨酸 酮戊二酸+氨气 组氨酸裂解酶 葡萄糖 酮戊二酸 产气杆菌 21 1961年生物学会议第一次正式命名“分 解代谢阻遏物”这个术语代替“葡萄糖效应” 分解代谢阻遏物不仅在葡萄糖上，其 他碳源和氮源也可以发生相同作用。 例如固氮，当NH4+存在时，固氮酶合成受 到阻遏。 2.分解代谢产物的阻遏机制 22 乳糖操纵子模型解释分解代谢物的阻遏机制 乳糖操纵子的启动基因内，除RNA聚合酶结合位点外，还 有一个称为CAP-cAMP复合物的结合位点 腺苷酸环化酶 cAMP透过 酶 体外 23 cAMP 是环腺苷酸，CAP是降解物基因活化蛋白（又称为 cAMP受体蛋白，CRP），当CAP与cAMP结合后，就会被活化。 CAP-cAMP复合物又会激活启动基因，并使RNA 聚合酶与启 动基因结合。 乳糖与葡萄糖同时存在时，因为分解葡萄糖的酶类属于 组成酶，能迅速地将葡萄糖降解成某种中间产物（X），X 既会阻止ATP环化形成cAMP，同时又会促进cAMP分解成AMP ，从而降低了cAMP的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的 诱导酶合成。 只有当葡萄糖耗尽后，cAMP才能回升到正常浓度，操纵子 重新开启，并开始利用乳糖作为碳源，形成菌体的二次生 长。24 生成的实践意义：例如在青霉素发酵生产 中用乳糖代替葡萄糖提高青霉素产量；如 果培养基中必须添加引起分解阻遏的物质 时，可采用分批添加或连续流加方式。 第二节 酶活性的调节 25 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。 粪链球菌的乳酸脱氢酶活性可被1，6二磷酸 果糖激活。 底物对酶的影响称为前馈；产物对酶的 影响称为反馈 26 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：作用直接发生在蛋白质水平上、效果 快速、末端产物浓度降低时又可解除。 27 抑制作用机制 变构酶(allostric enzymes)学说：受反馈抑 制的酶一般是变构酶，酶活力的调节实质 就是变构酶的变构调节 （活性或催化中心） （变构部位） 28 变构酶的作用程序： 专一性的代谢物（变构效应物）与酶蛋白 表面的特定部位（变构部位）结合 酶分子的构象发生变化 活性中心 的修饰 抑制或促进酶的活性 29 3.能荷调节 能荷不仅能调节分解代谢形成ATP的酶活性，也能 调节合成代谢利用ATP的酶活性。 (EC) 高能荷的抑制异柠檬酸脱氢酶和磷酸果糖激酶等 柠檬酸和ATP都是磷酸 果糖激酶活性的抑制剂 ，从而限制了葡萄糖的 利用速度。 有氧条件下，大量合成ATP，细胞能荷增加 异柠檬酸脱氢酶 受到ATP抑制，导 致柠檬酸的积累 30 三磷酸腺苷(ATP)是为许多反应提供能量的高能磷酸化物 ,细 胞中的ATP、ADP和AMP含量处于相对平衡的状态细胞中的 能量状态 能荷（Energy charge） 能荷（Energy charge）来表示细胞中的能量状态。能荷（EC ）可用下式来表示： 系统中只有ATP时，EC值为1；只有AMP时，EC值等于0。 31 概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或 氧对发酵的抑制现象）。 意义：合理利用能源 通风对酵母代谢的影响 通风（有氧呼吸）缺氧（发酵） 酒精生成量 耗糖量/单位时间 细胞的繁殖 低（接近零） 少 旺盛 高 多 很弱至消失 巴斯德效应(The Pasteur effect ) 现象： 32 巴斯德效应（Pasteur effect）机理 巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵 母菌进行酒精发酵，葡萄糖的消耗速度很快；而在有 氧条件下，酵母菌进行呼吸作用，糖的消耗速度较低 ，酒精产量也降低。 呼吸抑制发酵作用的的现象 巴斯德效应的本质是能荷调节。 33 在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼 吸链产生ATP，细胞能荷较低。 ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利 用葡萄糖生产酒精的速度加快。 34 微生物的代谢调节的特性 1. 酶活性调节与酶量调节