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1、,第五章 微生物代谢,新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢 分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。 合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。,物质代谢：物质在体内转化的过程. 能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化. 按代谢产物在机体中作用不同分： 初级代谢： 提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等. 次级代谢：
2、 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型； 产物：抗生素、色素、激素、生物碱等,按物质转化方式分： 分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。 合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。,第一节 微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢中的核心问题。 中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。,有机物 最初能源 日光 通用能源 还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,一、微生物氧化的形式,生物氧化作用： 营养物质在细胞内酶的作用下氧化并释放能量的过程。氧化过程中能产生大量的能
3、量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。,生物氧化的功能：,产能(ATP) 产还原力【H】 小分子中间代谢物,异氧微生物的生物氧化途径：,EMP途径 HMP途径 ED途径 磷酸酮解途径 三羧酸循环,葡萄糖的酵解作用 ( 简称：EMP途径),活化,移位,氧化,磷酸化,葡萄糖激活的方式,己糖异构酶,磷酸果糖激酶,果糖二磷酸醛缩酶,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,甘油酸变位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,HMP途径,HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径,通过该途径可产生许多种重要的发酵
4、产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。 1952年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,ED途径,ED途径,ATP ADP NADP+ NADPH2 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （与EMP途径连接） 氧化酶 (与HMP
5、途径连接) EMP途径 3-磷酸-甘油醛 脱水酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途径 丙酮酸 醛缩酶,反应步骤简单，产能效率低. 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.,磷酸酮解途径,存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。 进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。 磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径,（五） TCA循环,丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，
6、乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。 循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,TCA循环的重要特点,1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式； 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；Gl
7、u发酵等。,异氧微生物的生物氧化方式：,根据最终电子受体的不同可分成： 发酵 有氧呼吸 无氧呼吸,概念：以有机物作为电子供体和最终电子受体的生物氧化作用。 在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。 发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。 特点：氧化不彻底 放能少 电子不经电子传递链的传递，与底物水平磷酸化相偶联，部分能量可被微生物加以利用。 各种微生物都能进行发酵。,（一）发酵作用,乙醇发酵 乳酸发酵 丙酸发酵 混合酸发酵 2,3丁二醇发酵 丁酸发酵,丙酮酸的发酵产物,发酵类型：,C6H12O6 2CH3C
8、OCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,1、乙醇发酵 酵母菌的乙醇发酵：,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。 原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+ CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成 -磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,
9、2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,细菌的乙醇发酵,葡萄糖,2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸,3-磷酸甘油醛 丙酮酸,丙酮酸,乙醇 乙醛,2乙醇,2CO2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED,酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 脱羧酶 脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通过EMP途径产生乙醇，总反应式为： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP 细菌(Leuconostoc mesent
10、eroides)的乙醇发酵 通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP,2、乳酸发酵,乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。 由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。 同型乳酸发酵：（经EMP途径） 异型乳酸发酵：（经HMP途径） 双歧杆菌发酵: （经HK途径磷酸己糖解酮酶途径）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,异型乳
11、酸发酵：,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,3、混合酸发酵,概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。,葡萄糖 琥泊酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸 丙酮酸 乙醛 乙酰 CoA 甲酸 乙醇 乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸,丙酮酸甲酸裂解酶,乳酸脱氢酶,甲酸-氢裂解酶,磷酸转乙酰酶,
12、乙酸激酶,PEP羧化酶,乙醛脱氢酶,+2H,pH6.2,4、2,3-丁二醇发酵,葡萄糖 乳酸 丙酮酸 乙醛 乙酰CoA 甲酸 乙醇 乙酰乳酸 二乙酰 3-羟基丁酮 2,3-丁二醇,CO2 H2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脱羧酶,2,3-丁二醇脱氢酶,概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。 发酵途径：,EMP,鉴别肠道细菌的V.P.试验,鉴别原理 缩合 脱羧 2丙酮酸 乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇 碱性条件 2,3-丁二醇 二乙酰 （与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物,-CO2,鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（M.R）试验,产酸产气试验： Esc
13、herichia与Shigella在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。 甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。,大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5 产气杆菌： pH4.5,IMViC试验：,= 吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。,概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方
14、式。 途径：EMP,TCA循环 特点：以分子氧作为最终电子受体的氧化作用 底物氧化彻底 底物在氧化过程中脱下的氢和电子经电子传递链的传递最终交给氧，并在传递的过程中与磷酸化相偶联产生ATP。 产能多，约40%的能量被微生物利用，60%以热的形式释放。 是好氧或兼性好氧微生物在有分子氧存在的条件下进行的氧化方式。,（二）有氧呼吸,电子传递与氧化呼吸链,定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。 部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上 成员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的
15、电子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素b 、c 1、 c、 a 、a和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列。,呼吸链的功能： 一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP这就是电子传递磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。,ATP的结构和生成,2. ATP的生成方式:,微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化学能. ATP是生物体内能量的载体或流通形式.当微生物获得能量后,都是先将获得的能量转换成ATP.当需要能量时,ATP分子上的高能键水解,重新释放出能量.,光合磷酸化 氧化磷酸化,底物水平磷酸化 电子传递磷酸化,1. 结
16、构:,乙醛酸循环,草酰乙酸,柠檬酸,琥珀酸,异柠檬酸,苹果酸,延胡索酸,乙醛酸,乙酰CoA,乙酰CoA,乙酸,乙酸,乙醛酸循环,能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA； 然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。 乙醛酸循环的主要反应： 异柠檬酸 琥珀酸 +乙醛酸 乙醛酸 + 乙酸 苹果酸 琥珀酸 + 乙酸 异柠檬酸 净反应：2乙酸 苹果酸,柠檬酸发酵,一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。 二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌
17、头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。 三、工艺流程：发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；pH23时，发酵产物主要是柠檬酸； pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸； 可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。,谷氨酸发酵,一、谷氨酸发酵菌种： Corynebacterium pekinense Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavu 二、发酵机理： 谷氨酸以-酮戊二酸为碳架；当以糖
18、质为发酵原料时，合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛酸循环等； 谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脱氢酶的活力要很高； 生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。 生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。,概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。 一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸. 无机氧化物：如NO3-、 NO2-、SO42-、S2O32-等。 在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量
19、，但不如有氧呼吸产生的能量多。 如：以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出1796.14KJ自由能。,（三）无氧呼吸,二、自养微生物的生物氧化,第二节 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
20、关系？ 解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，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
21、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。 粗调：调节酶的合成量 细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。,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
22、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,1.直线式代谢途径中的反馈抑制： 苏氨酸脱氨酶
23、 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 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：指能催化同一化学反应但结构不同的一组酶。 同功酶a与酶b分别由各自的终产物E与G抑制。只有 E、G同时过量，才能完全阻止反应的进行。,（2）协同反馈抑制concerted feedback inhibition,定义：分支代谢途径
24、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。,（3）积累反馈抑制cumulative feedback inhibition,定义：每个终产物同时积累都会对途径中的第一个酶产生部分抑制作用，且各终产物的抑制作用互不干扰，各终产物同时存在时，它们的抑制作用是累加的。各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,（4）顺序反馈抑制sequential feedback inhibition,分支途径中两个终产物不能直接对途径中的第一个酶产生抑制作用，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物积累，高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。只有两个终产物同时积累，
25、才能对途径中的第一个酶产生抑制作用。,(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,二、酶合成的调节,（一）酶合成调节的类型 1.诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。 组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构
26、类似物的存在而合成的酶。如：EMP途径的一些酶。 诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。 诱导物(inducer)： 酶作用的底物。有些酶催化的反应产物。底物结构类似物。,2.阻遏（repression）：,是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。 阻遏作用的类型： 末端产物阻遏（end-product repression）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。 例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。 分解代谢物阻遏
27、（catabolite repression）：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现“二次生长（diauxic growth）”. 实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。,（二）酶合成调节的机制,操纵子学说概述： 1、操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。 结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DN
28、A 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出相应的酶;（编码蛋白质的DNA序列） 启动子(promoter)：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。） 操纵子（operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行； 调节基因（regulator gene）：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。,Structure of a t
29、ypical operon,酶合成的诱导Enzyme Induction：,Enzyme Induction. Induction (or derepression) of the lac opron is a form of negative control because the effect of the regulatory protein (Active repressor) is to stop transcription.,有乳糖时：乳糖作为一种效应物与阻遏物结合 ,使其变构, 不能与O结合,从而转录进行,合成乳糖酶,分解乳糖。 无乳糖时：细胞内产生的阻遏物结合在操纵基因上,转录
30、不能进行；,酶合成的阻遏Enzyme Repression：,1.终产物的阻遏：(end product repression):（ 反馈阻遏) 即在合成代谢中，终产物阻遏该途径 所有酶的合成。为基因表达的控制 。 如：色氨酸(Try)合成的调控(正调节),Genetic organization of the Trp operon and its control elements,2.分解代谢物阻遏Catabolite Repression,1）二次生长现象及其机制： 分解葡萄糖的酶 组成酶（固有酶） 分解乳糖的酶诱导酶， 受葡萄糖分解代谢产物 调控。,The Diauxic Growth
31、Curve of E. coli grown in limiting concentrations of a mixture of glucose and lactose,1）cAMP与CAP结合。 2）当cAMP与CAP复合物结合在启动子上,RNApolase 才与启动子结合，转录进行。 3）当缺少cAMP和CAP时, RNApolase不能与启动子结合。,Catabolite repression is positive control of the lac operon. The effect is an increase in the rate of transcription.,有葡
32、萄糖时： cAMP的产生受葡萄糖抑制。 葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性，cAMP浓度下降 ， cAMP不与CAP结合，RNA多聚酶不能结合， 转录不能进行。 无葡萄糖时： cAMP浓度上升，cAMP与CAP(降解物的激活蛋白)结合,与启动基因结合，转录进行.,（1）存在诱导物时，mRNA得到转录： 调节基因 控制部分 结构基因 P P R t O z y a t -半乳糖苷酶 渗透酶 转乙酰基酶 诱导物 阻遏物 失活阻遏物 RNA多聚酶 cAMP CRP,乳糖操纵子1,乳糖操纵子,DNA RNA 蛋白质,乳糖操纵子2,（2）诱导物和辅阻遏物都存在时 调节基因 控制部分 结构基因 P P R
33、 t O z y a t,乳糖操纵子3,（3）不存在诱导物时，mRNA无法转录： 调节基因 控制部分 结构基因 P P R t O z y a t,When lactose is present,When the inducer (lactose) is removed,When levels of glucose in the cell are high,(一)、生物合成途径的代谢调控； 1、终产物阻遏（end product repression) 终产物阻遏该途径所有酶的合成。 2、反馈（feedback)或变构抑制(allosteric inhibition)： 终产物对该合成途径第一
34、酶合成的抑制,总结,1、酶的诱导（enzyme induction): 底物或其结构类似物活化与降解有关的酶。 乳糖操纵子学说。 2、分解代谢产物阻遏（catabolite repression) ： 葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。,(二)、分解途径的代谢调控：,三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用,工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。 代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。 人工控制代谢的手段： 改变微生物遗传特性(遗传学方法）； 控制发酵条件（生物化学方法）； 改变细胞膜透性；,（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能
35、积累中间代谢产物 A a B b C c D d E,1.1营养缺陷型菌株的应用,末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C 。,1.遗传学方法,(2) 分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物,分支途径 赖氨酸发酵:谷氨酸棒杆菌的Hom,分支途径肌苷酸发酵 （IMP合成途径的代谢调控）,调控理论的实践应用,1.2 抗反馈控制突变株的应用,抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。 抗反馈
36、控制突变株可以从终产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。 获得方法及其原理：,1.3选育组成型突变株和超产突变株,如果调节基因发生突变，以至产生无效的阻遏物而不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成结构基因不受控制的转录，酶 的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的突变株称为 组成型突变株。少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高的多的酶，这种突变株称为超产突变株。,D A B C E F,（二）生物化学方法,1. 添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生,(-),(-),(-),2. 添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往
37、往不是该酶的底物，而是底物的衍生物， 3. 发酵与分离过程耦合： 4. 控制发酵的培养基成分：,（三）控制细胞膜渗透性,使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。 1. 用生理学手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； 控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性； 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； 再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+； Mn2+的作用与生物素相似。 2. 利用膜缺损突变株 油酸缺陷型、甘油缺陷型 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损
38、的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。,思考题：,1、异养微生物的生物氧化可分哪几种方式，它们的定义及进行这些氧化方式的微生物分别是什么？ 2、试述酵母菌、细菌、乙醇发酵历程。 3、试述乳酸发酵历程。 4、什么是葡萄糖效应？为什么会有葡萄糖效应产生？ 5、酶合成的诱导和酶合成的反馈阻遏在机制上有什么不同？ 6、简述酶活性的反馈抑制机制？ 7、分支合成途径的调节机制主要有哪些？请分别以模式图说明之。 8、试述筛选营养缺陷型菌株积累大量中间产物的原理。 10、什么是初级代谢和次级代谢？为什么说初级代谢对次级代谢有调节作用？,?,