微生物的代谢调节

.,1,第三章微生物的代谢调节,南京林业大学生物工程系DepartmentofBioengineeringNFU,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,2,本章学习内容,初级代谢产物和次级代谢产物微生物代谢的生化基础微生物代谢的协调作用微生物代谢的调节方式,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,3,微生物将外界物质吸收到体内，一方面进行分解作用（异化作用，Catabolism），同时又进行合成作用（同化作用，Anabolism）的过程叫物质代谢。,一、初级代谢产物和次级代谢产物,物质代谢,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,4,在代谢过程中微生物进行了复杂的生物化学作用，获得了许多重要的代谢产物。通常发酵产物的不同类型是和微生物的代谢过程密切相关的，发酵产物通常包括初级代谢产物和次级代谢产物等。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,5,在细胞对数生长期形成的，往往是细胞生长所必需的物质。,初级代谢产物,初级代谢产物包括：氨基酸、核酸、蛋白质、脂类、糖类、乙醇、丙酮、丁醇、维生素等。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,6,微生物细胞在生长稳定期合成的，在细胞代谢中并没有任何显著功能的物质。,次级代谢产物,次级代谢产物来自于中间代谢产物和初级代谢产物，抗生素是大家熟知的次级代谢产物。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,7,1、初级代谢产物：Primaryproductsofmetabolism次级代谢产物：SecondarymetabolitesSecondaryproductsofmetabolism,注意：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,8,2、大多数微生物均可合成初级代谢产物，但并不是所有微生物都能进行次级代谢。通常，丝状菌（如放线菌）、真菌以及产芽孢的细菌都能进行次级代谢，而肠道细菌则不能。3、从生理学观点来看，许多次级代谢产物具有生理活性，有些是特殊的酶抑制剂，有些是生长促进剂，许多还有药物的功效，抗生素就是其中的代表。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,9,微生物细胞具有严密的协调能力,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,10,当一个微生物细胞被置于含有糖、氨和无机盐的培养基中，在适宜条件下培养时，它首先将大分子糖（如淀粉）降解单糖（葡萄糖），然后将葡萄糖吸收到细胞内，并把己糖降解为三碳或二碳化合物，并将这些小分子化合物送入TCA循环，提供合成细胞成分的中间产物和能量，再由这些中间产物转化成20种基本氨基酸、4种核苷酸、4种脱氧核苷酸、还有10多种维生素、几十种脂肪酸和糖类等，然后这些小分子物质又合成为2000多种蛋白质、DNA、RNA（mRNA、tRNA、rRNA）、多糖和生物大分子物质，它们被用来构成细胞结构，如细胞核、细胞壁、细胞膜及线粒体等多种细胞器。所有这些分解和合成代谢都是由酶催化反应的。（一个细胞可以有1000-3000种酶）。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,11,一个细胞在正常条件下，每20-60min繁殖一代。在自然界里要竞争成功就要求生长迅速和效率高。因此，细胞必须平衡每一条代谢途径中各反应的速率和流向各种途径的通量。在一个细胞中存在着如此复杂的反应，繁殖速度又如此之快，但所有的反应都是有条不紊地进行，使得能量和中间产物的供应上，既无不足又无过剩，保持各种代谢物浓度相对稳定和动态平衡，结果使细胞得以生长，这样的对能量利用之经济、对原料的利用之合理、对细胞成分合成之迅速、以及对外界条件适应之灵敏，都说明了微生物细胞具有高度严密的协调能力。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,12,微生物具有明显的自我调节能力，这对于微生物本身非常重要，可使微生物本身具有高度适应环境和自我繁殖能力，而对于工业微生物的应用，则有利有弊：,微生物细胞具有严密的协调能力的优缺点：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,13,当以获得微生物细胞（如：SCP）为目的时，微生物的自我调节作用避免了中间代谢产物的过量生成而造成能量和原料的浪费，这样使原料利用更合理。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,14,当以获得中间代谢产物或终产物为目的发酵时（如有机酸、氨基酸、核苷酸、抗生素发酵），细胞自我调节就使中间代谢产物和终产物不能过量生成，也不能排出体外。为了使微生物大量积累中间代谢产物或终产物，必须破坏原有的调控关系并建立新的调节机制，使它按照人们的意愿改变或控制代谢方向，从而使目的产物大量生成和积累。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,15,微生物代谢的自我调节作用是通过协调控制酶来实现的，微生物的代谢调节机制可分为以下三类：,二、微生物代谢的生化基础,（一）微生物代谢调节机制的分类,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,16,1、在基因水平下控制酶的合成这类调节机制又分为诱导和阻遏两种方式：（1）酶的诱导合成（enzymeinduction）当有诱导物存在时，酶的生成量可以几倍乃至几百倍地增加。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,17,（2）酶的阻遏生成（enzymerepression）这是停止或抑制酶合成的效应，根据阻遏物的不同，而有三种类型：A、终产物反馈阻遏阻遏物为合成途径的终产物。B、分解代谢物阻遏阻遏物为另一分解产物。C、代谢互锁阻遏物与被阻遏的酶是几乎不相关的合成途径的产物。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,18,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。Asp天冬Asp-pAsaDAPLys赖氨酸，二氢吡啶二羧酸合成酶HseThrIleGly异丙基Leu亮氨酸苹果酸,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,19,2、酶活性的控制这是通过改变已存在的酶的催化活性来控制的，包括以下三种类型：（1）终产物的抑制或激活（2）酶原的激活（3）通过辅酶水平的活性调节,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,20,3、通过细胞膜通透性的调节在微生物中，细胞膜通透性调节也是非常重要的。通透性调节一方面有选择地将必需营养物送到细胞内，另一方面将胞内必需的代谢物和大分子保持在一定的浓度，当代谢物累积到引起反馈调节的浓度时，细胞立刻停止该物质的合成。这样对微生物来说，不会造成浪费，保证微生物细胞能正常生长。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,21,但是对于以大量积累某种代谢物为目的的发酵生产，必须通过改变细胞膜通透性，把属反馈控制因子的终产物迅速、不断地排出体外，从而打破这种反馈控制，大幅度提高发酵产物产量，如：谷氨酸发酵。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,22,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,23,在以上3种调节机制中，除了第三种细胞通透性调节外，前二种调节机制均涉及一类特有的蛋白质，称变构蛋白质。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,24,当蛋白质与某一种特殊的小分子结合后，蛋白质构象发生改变从而使蛋白质的生物学性质改变，这种蛋白质称变构蛋白质。,变构蛋白质：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,25,变构蛋白质可用于控制代谢变化，主要分二类：变构酶当与效应物（小分子物质）结合后，其活性便改变。变构蛋白质是一种调节性的蛋白质，无催化活力，主要用于控制基因的表达，以调节酶的合成。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,26,微生物代谢的调节部位如下图：,（二）微生物代谢调节部位,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,27,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,28,通道物质进出细胞是受细胞膜调节控制的通量调节酶的合成量和改变酶的活性限制基质与酶的接近在真核细胞中尤为明显,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,29,微生物细胞生长时，把C源、N源和能源等高分子化合物分解为简单物质，再由此合成氨基酸、核苷酸、维生素和脂肪酸等中间产物，进一步再合成蛋白质、核酸、脂类、多糖等高分子化合物，装配成具有特殊结构和功能的单元，完成细胞的生长、分化和繁殖。很明显，细胞必须形成数以千计的酶，并且以整体方式作用，这样制造出来的分子才具有正确的比例和不浪费宝贵的养分，只有高度协调的细胞才能做到增代时间缩短到20分钟。,三、微生物代谢的协调作用,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,30,一般来说，一个细胞具有合成酶的潜力达1000种以上，但当细胞处于一特定培养基时，并不合成所有的酶，只有那些需要的酶才能合成，且合成的酶的数量又不多不少。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,31,微生物细胞的酶是在基因的指导下合成的，虽然基因是稳定的，它不随外界环境的变化而变化，但在基因指导下的酶的合成受外界环境的影响是很大的。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,32,微生物细胞内的酶，通常分为二种：即组成酶和诱导酶。,（一）酶的诱导作用和反馈阻遏,1、酶的诱导作用,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,33,微生物细胞所固有的，以恒定速度和数量生成的，不随微生物的代谢状态而变化，这一类酶称组成酶，也称结构酶。如：把glucose转化为丙酮酸的酶,组成酶（Constitutiveenzymes）,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,34,在一般情况下细胞内不生成或数量很少，但当培养基中加入特定诱导物后大量产生的酶。,诱导酶（Inducedenzymes）,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,35,例如：有些细菌只有生长在含有淀粉的培养基中时才能产生淀粉酶。下图是-半乳糖苷酶的合成与乳糖利用的关系。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,36,-半乳糖苷酶活力,时间,大肠杆菌中-半乳糖苷酶的诱导,添加乳糖,由图可知，当培养基中（碳源：糊精）添加乳糖后，大肠杆菌中-半乳糖苷酶的活力以极快的速度迅速上升，这是诱导酶很典型的一个例子。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,37,组成酶与诱导酶是相对的概念，同一种酶，在一种微生物中是诱导酶，在另一种微生物中可能就是组成酶。酶的诱导合成现象是微生物普遍存在的，许多分解代谢的酶属于诱导酶类，如对糖、蛋白质、脂类以及芳香族化合物降解的酶。,注意：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,38,从营养角度看：微生物可以根据环境提供的生长基质，诱导合成相应的酶，以分解生长基质，吸收营养，进行代谢活动，从而加强微生物对环境的适应能力。从细胞经济角度看：微生物仅在需要时（存在底物时）才合成某些酶，在不需要时便不合成，这就避免了生物合成的原料和能量的浪费。,酶诱导合成作用的意义：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,39,当代谢途径中某种产物过量时，或培养基中已提供了此产物时，就会阻遏自身合成途径中第一个酶或其它关键酶的进一步合成，从而控制代谢的进行，减少终产物的生成，这种反应称终产物阻遏（endproductrepression），通常称反馈阻遏（feedbackrepression）。,2、酶合成的反馈阻遏,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,40,例如：大肠杆菌色氨酸合成酶的生成就受到这种效应的调控，当在培养基中加入色氨酸时，在2-3min内细胞中的酶生物合成就停止了。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,41,酶的反馈阻遏在微生物中普遍存在，常出现在与氨基酸、嘌呤、嘧啶的生物合成的有关酶中。,注意：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,42,微生物具有反馈阻遏的调节系统，使得微生物在已合成足够多的物质时，或由外源加入该物质时，就停止生成其有关合成的酶类；而当该物质缺乏时，又开始生成这些酶，这种调节作用可以节约细胞内大量的能量和原料。,酶合成反馈阻遏的生物学意义：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,43,酶的诱导和阻遏以相反方向影响酶的生物合成，它们的作用机制是相似的，可以用Jacob-Monod模型来解释。（亦程操纵子学说）,3、酶合成的诱导和阻遏机制,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,44,在染色体的DNA链上有调节基因（Regulategene）和操纵子（operon），操纵子包括一串功能相关联的结构基因（Structuregene）、操纵基因（Operatorgene）和启动子（Promoter），它们的作用如下：,Jacob-Monod模型要点：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,45,携带遗传信息，酶的合成以结构基因为模块，在RNA聚合酶作用下转录出mRNA，mRNA在核糖体上通过tRNA翻译出相应的蛋白质（酶）。,结构基因（S）：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,46,不编码蛋白质，是与调节蛋白质结合的部位，控制结构基因的转录。,操纵基因（O）：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,47,不编码蛋白质，是与RNA聚合酶结合的部位，只有RNA聚合酶与启动子结合后，才能启动结构基因转录,启动子（P）：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,48,编码一种调节蛋白质（阻遏物）的生成，这是一种变构蛋白，有二个位点，一个位点与操纵基因结合，另一位点与调节物（效应物）结合，当调节物与调节蛋白质结合后，便引起调节蛋白质构象发生变化，变构的蛋白质增加（若调节物为阻遏物）或降低（若调节物为诱导物）与操纵基因结合的能力。,调节基因（R）：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,49,代谢产物诱导、反馈调节机制,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,50,当微生物遇到一个以上可以利用的基质时，微生物究竟先利用哪一个基质呢？细胞总是产生酶来利用现有的最佳基质（glucose），只有在一种基质被耗竭之后才会形成分解代谢第二种基质的酶。,（二）分解代谢物的调节,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,51,将大肠杆菌培养在含有二种C源（如：glucose和lactose）的培养基里，大肠杆菌生成量与培养时间的关系见下图。,1、二次生长现象与葡萄糖效应,大肠杆菌量,培养时间h,glucose耗尽,-半乳糖苷酶诱导,由图看出，大肠杆菌生长在含有二种C源的培养基里出现了二次生长的现象，即：在第一阶段快速生长，大肠杆菌优先利用glucose，作为能源和C源；当glucose消耗完毕，细菌生长速度出现一个明显的停滞期，然后又慢慢回升第二阶段，此时它使用乳糖作能源和C源，生长速度比第一阶段稍慢一点。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,52,从细胞内酶的分析发现，在第一生长阶段中，细胞内的-半乳糖苷酶活性很低，由此可见，细菌在利用glucose时，-半乳糖苷酶的合成受到抑制；当glucose耗尽时，细菌开始利用乳糖生长，此时glucose的抑制作用消除，此时测得的-半乳糖苷酶活性比第一阶段高得多。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,53,当时把这种glucose干扰其他C源利用的现象称为“葡萄糖效应”，随后研究表明，葡萄糖效应并非由葡萄糖直接造成，而是其某种分解代谢产物引起的。例如：产气杆菌的组氨酸裂解酶将组氨酸分解为-酮戊二酸和氨，而glucose可以降解为-酮戊二酸，故葡萄糖能阻遏组氨酸裂解酶的合成.,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,54,以上这种效应称“分解代谢物阻遏效应”（Cataboliterepression），它不仅限于glucose，所有迅速代谢的C源和N源都能阻遏另一种被缓慢利用的C源和N源所需酶的形成。,注意：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,55,分解代谢物阻遏作用之所以产生，这是因为容易利用的碳源过量存在时，通过代谢途径进行降解，放出来的能量有一部分储存在ATP中。ATP是由ADP和AMP通过磷酸化作用生成的，这样细胞内ATP浓度增加，就使AMP浓度降低。同时，由于环状单磷酸腺苷（cAMP）可通过磷酸二脂酶作用水解生成AMP。,（2）分解代谢物阻遏作用机理,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,56,cAMP+H2OAMP,磷酸二酯酶,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,57,从而致使细胞中的cAMP的浓度随AMP浓度的降低而降低，结果，在启动基因（P）上没有cAMP-CRP复合物，RNA聚合酶也无法结合到启动基因的位点上，从而使结构基因（S）上的遗传信息无法转录，酶的生物合成无法进行。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,58,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,59,当容易利用C源不存在或被细胞利用完后，随着细胞中ATP浓度的下降，而使ADP、AMP、cAMP的浓度增加，当cAMP-CRP的浓度增加到一定量的时候，cAMP-CRP复合物结合到启动基因的位点上，从而使RNA聚合酶与启动基因结合成为可能，酶的生物合成就有可能进行。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,60,一般来说，降解性酶通常是通过诱导和分解代谢物的调节作用来控制的，而生物合成的酶主要是由反馈调节控制的，反馈调节主要有二种类型：反馈抑制和反馈阻遏。,（三）反馈调节,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,61,是一种生物合成途径的最终代谢物抑制那一途径的前面第一或第二个酶的作用。,1、反馈抑制,反馈抑制,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,62,反馈抑制是调节酶的活性。,注意：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,63,调节酶活性比调节酶的合成更迅速、及时而有效，这是微生物最经济的一种调节方式，通过改变代谢途径中一个或几个关健酶的活力，以影响代谢途径中各中间代谢产物的流量，这种调节作用通常是由变构酶来完成的。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,64,在反馈抑制中，酶活力的调控实质就是变构酶的变构调节。变构酶含有二条或二条以上多肽链，具有二个不同的结合位点：一个是活性部位（活性中心），是与底物结合的部位；另一个是变构部位，是与调节物（激活剂或抑制剂）非共价可逆结合的部位。在变构过程中，酶与调节物结合后引起酶三级或四级（空间）结构的变化，酶空间构象的变化影响了底物与活性中心的结合，从而影响了酶的催化效应。终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，当终产物浓度降低时，终产物与酶的结合即解除，从而恢复酶蛋白质原有构象，使酶与底物可以结合而发生催化作用。,2、变构酶及其调节机制,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,65,变构酶的作用程序如下：,专一性代谢物（变构效应物）与酶的变构部位结合,酶分子构象变化,活性中心修饰,抑制或促进酶活性,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,66,是一种生物合成途径的终点产物抑制那一途径的前面的酶的合成。,2、反馈阻遏,反馈阻遏,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,67,反馈阻遏是调节酶的合成。,注意：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,68,与诱导作用正好相反（前面讲过）。,反馈阻遏机理,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,69,四、微生物代谢的调节方式,不分枝的生物合成途径中的第一个酶受终点产物的抑制（反馈抑制）和途径的所有酶的生物合成受终点产物的阻遏（反馈阻遏）。,（一）不分枝的生物合成途径,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,70,苏氨酸脱氨酶苏氨酸-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,举例：,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,71,许多生物合成途径具有二种以上终点产物，如下图。,（二）分枝途径中终点产物的抑制作用,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,72,S,C,B,A,H,E,D,G,氨基酸,氨基酸,a,f,e,d,b,c,i,h,g,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,73,在生物合成途径中，为了防止由于一个代谢物过量而使细胞失去获得其它代谢物的机会，在代谢过程中存在以下几种不同的反馈抑制机制。,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,74,1、同工酶的特异性调节,A,F,C,B,G,E,D,H,在一分枝途径中的第一步相同的反应可由多种酶催化，各种酶受到不同的终点产物抑制。,E1,E2,E3,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,75,2、协同反馈调节,A,F,C,B,G,E,D,H,只有一种酶受控制，但要抑制或阻遏这种酶需一个以上终点产物过量存在，而单个终点产物不产生或产生很小的负影响。,E,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,76,3、累积反馈调节,A,F,C,B,G,E,D,H,每一终点产物如过量，只能部分抑制或阻遏途经的第一个酶，终点产物的联合才显示出累积的效果。,E,生物制品工艺学与原理上篇第三章微生物的代谢调节,.,77,4、顺序反馈抑制,S,C,B,A,H,E,D,G,酶a的效应物不是终点产物，而是中间产物C