《微生物的代謝》PPT課件.ppt

1、,第五章 微生物代謝,新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總新陳代謝 = 分解代謝 + 合成代謝 分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。 合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。,物質(zhì)代謝：物質(zhì)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化的過程. 能量代謝：伴隨物質(zhì)轉(zhuǎn)化而發(fā)生的能量形式相互轉(zhuǎn)化. 按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分： 初級(jí)代謝： 提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動(dòng)所必須的代謝物的代謝類型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等. 次級(jí)代謝：

2、 在一定生長(zhǎng)階段出現(xiàn)非生命活動(dòng)所必需的代謝類型； 產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等,按物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式分： 分解代謝：指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在 這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。 合成代謝：是指細(xì)胞利用簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過程。在這個(gè)過程中要消耗能量。,第一節(jié) 微生物的能量代謝,能量代謝是新陳代謝中的核心問題。 中心任務(wù)：把外界環(huán)境中的各種初級(jí)能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的能源ATP。,有機(jī)物 最初能源日光通用能源 還原態(tài)無(wú)機(jī)物,化能自養(yǎng)菌,化能異養(yǎng)菌,光能營(yíng)養(yǎng)菌,一、微生物氧化的形式,生物氧化作用： 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)酶的作用下氧化并釋放能量的過程。氧化過程中能產(chǎn)生大量的能量，

3、分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內(nèi)，供需時(shí)使用。,生物氧化的功能：,產(chǎn)能(ATP) 產(chǎn)還原力【H】 小分子中間代謝物,異氧微生物的生物氧化途徑：,EMP途徑 HMP途徑 ED途徑 磷酸酮解途徑 三羧酸循環(huán),葡萄糖的酵解作用 ( 簡(jiǎn)稱：EMP途徑),活化,移位,氧化,磷酸化,葡萄糖激活的方式,己糖異構(gòu)酶,磷酸果糖激酶,果糖二磷酸醛縮酶,甘油醛-3-磷酸脫氫酶,磷酸甘油酸激酶,甘油酸變位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,HMP途徑,HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑,通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物

4、。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。 HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細(xì)胞代謝活動(dòng)對(duì)其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。,又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。 1952年在Pseudomonas saccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來(lái)證明存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。 ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。,ED途徑,ED途徑,ATP ADP NADP+ NADPH2 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （與EMP途徑連接） 氧化酶 (與HMP途徑

5、連接) EMP途徑 3-磷酸-甘油醛 脫水酶 2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途徑 丙酮酸 醛縮酶,反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，產(chǎn)能效率低. 此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵.,磷酸酮解途徑,存在于某些細(xì)菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細(xì)菌中。 進(jìn)行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠?qū)⒘姿峒禾橇呀鉃?個(gè)三碳糖。 磷酸酮解酶途徑有兩種： 磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑 磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑,（五） TCA循環(huán),丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰

6、CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。 循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。,TCA循環(huán)的重要特點(diǎn),1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸； 2、整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原； 3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。 4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體； 5、生物體提供能量的主要形式； 6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如 檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)

7、酵等。,異氧微生物的生物氧化方式：,根據(jù)最終電子受體的不同可分成： 發(fā)酵 有氧呼吸 無(wú)氧呼吸,概念：以有機(jī)物作為電子供體和最終電子受體的生物氧化作用。 在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。 發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。 特點(diǎn)：氧化不徹底 放能少 電子不經(jīng)電子傳遞鏈的傳遞，與底物水平磷酸化相偶聯(lián)，部分能量可被微生物加以利用。 各種微生物都能進(jìn)行發(fā)酵。,（一）發(fā)酵作用,乙醇發(fā)酵 乳酸發(fā)酵 丙酸發(fā)酵 混合酸發(fā)酵 2,3丁二醇發(fā)酵 丁酸發(fā)酵,丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物,發(fā)酵類型：,C6H12O6 2CH3COC

8、OOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脫氫酶,1、乙醇發(fā)酵酵母菌的乙醇發(fā)酵：,該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。,當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會(huì)改為甘油發(fā)酵。 原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+ CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此時(shí)也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成 -磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,2葡萄

9、糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,細(xì)菌的乙醇發(fā)酵,葡萄糖,2-酮-3-脫氧-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,菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等 途徑：ED,酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵 脫羧酶 脫氫酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 細(xì)菌(Zymomonas mobilis)的乙醇發(fā)酵 通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP 細(xì)菌(Leuconostoc mesentero

10、ides)的乙醇發(fā)酵 通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP,2、乳酸發(fā)酵,乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。 由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。 同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑） 異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑） 雙歧桿菌發(fā)酵: （經(jīng)HK途徑磷酸己糖解酮酶途徑）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羥丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸發(fā)酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,異型乳酸發(fā)酵

11、：,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、混合酸發(fā)酵,概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，故將其稱為混合酸發(fā)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,乳酸脫氫酶,甲酸-氫裂解酶,磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶,乙酸激

12、酶,PEP羧化酶,乙醛脫氫酶,+2H,pH6.2,4、2,3-丁二醇發(fā)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-羥基丁酮 2,3-丁二醇,CO2 H2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脫羧酶,2,3-丁二醇脫氫酶,概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。 發(fā)酵途徑：,EMP,鑒別腸道細(xì)菌的V.P.試驗(yàn),鑒別原理 縮合 脫羧 2丙酮酸 乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇 堿性條件 2,3-丁二醇 二乙酰 （與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結(jié)合）紅色化合物,-CO2,鑒別腸道細(xì)菌的產(chǎn)酸產(chǎn)氣、甲基紅（M.R）試驗(yàn),產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗(yàn)： Escher

13、ichia與Shigella在利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，前者具有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸的同時(shí)產(chǎn)氣，后者則因無(wú)此酶，不具有產(chǎn)氣的能力。 甲基紅試驗(yàn)：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時(shí)，前者呈紅色，后者呈黃色。,大腸桿菌：產(chǎn)酸較多，使pH4.5 產(chǎn)氣桿菌： pH4.5,IMViC試驗(yàn)：,= 吲哚（I）、甲基紅（M）、V.P.試驗(yàn)（Vi）檸檬酸鹽利用（C）共四項(xiàng)試驗(yàn)。用以將大腸桿菌與其形狀十分相近的腸桿菌屬的細(xì)菌鑒別開來(lái)。,概念:是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化過程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。

14、途徑：EMP,TCA循環(huán) 特點(diǎn)：以分子氧作為最終電子受體的氧化作用 底物氧化徹底 底物在氧化過程中脫下的氫和電子經(jīng)電子傳遞鏈的傳遞最終交給氧，并在傳遞的過程中與磷酸化相偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。 產(chǎn)能多，約40%的能量被微生物利用，60%以熱的形式釋放。 是好氧或兼性好氧微生物在有分子氧存在的條件下進(jìn)行的氧化方式。,（二）有氧呼吸,電子傳遞與氧化呼吸鏈,定義：由一系列氧化還原勢(shì)不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。 部位：原核生物發(fā)生在細(xì)胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上 成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳

15、遞體主要包括FMN 、CoQ、細(xì)胞色素b 、c 1、 c、 a 、a和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢(shì)大小排列。,呼吸鏈的功能： 一是傳遞電子；二是將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP這就是電子傳遞磷酸化作用（或稱氧化磷酸化作用）。,ATP的結(jié)構(gòu)和生成,2. ATP的生成方式:,微生物能量代謝活動(dòng)中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化學(xué)能. ATP是生物體內(nèi)能量的載體或流通形式.當(dāng)微生物獲得能量后,都是先將獲得的能量轉(zhuǎn)換成ATP.當(dāng)需要能量時(shí),ATP分子上的高能鍵水解,重新釋放出能量.,光合磷酸化 氧化磷酸化,底物水平磷酸化 電子傳遞磷酸化,1. 結(jié)構(gòu):,

16、乙醛酸循環(huán),草酰乙酸,檸檬酸,琥珀酸,異檸檬酸,蘋果酸,延胡索酸,乙醛酸,乙酰CoA,乙酰CoA,乙酸,乙酸,乙醛酸循環(huán),能夠利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA； 然后在異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶的作用下進(jìn)入乙醛酸循環(huán)。 乙醛酸循環(huán)的主要反應(yīng)： 異檸檬酸 琥珀酸 +乙醛酸 乙醛酸 + 乙酸 蘋果酸 琥珀酸 + 乙酸 異檸檬酸 凈反應(yīng)：2乙酸 蘋果酸,檸檬酸發(fā)酵,一、菌種：能產(chǎn)生檸檬酸的菌種很多，但以霉菌為主，其中又以黑曲霉產(chǎn)生檸檬酸的能力較強(qiáng)，并能利用多種碳源，故常是生產(chǎn)上使用的菌種。 二、發(fā)酵機(jī)理：細(xì)胞內(nèi)有三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)；檸檬酸合成酶活力較高，而烏頭酸酶

17、或異檸檬酸脫氫酶可被某些因素，如金屬離子的缺乏，受到抑制，這有利于檸檬酸的積累。 三、工藝流程：發(fā)酵液的pH值對(duì)檸檬酸生成影響很大；pH23時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物主要是檸檬酸； pH值中性或堿性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多草酸和葡萄糖酸； 可往培養(yǎng)基中加入亞鐵氰化鉀或采取育種手段改造菌種，使烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶缺失或盡量降低活性，以阻礙TCA循環(huán)的正常進(jìn)行，從而增加檸檬酸的積累。,谷氨酸發(fā)酵,一、谷氨酸發(fā)酵菌種： Corynebacterium pekinense Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavu 二、發(fā)酵機(jī)理： 谷氨酸以-酮戊二酸為碳架；當(dāng)以糖質(zhì)為發(fā)

18、酵原料時(shí)，合成途徑包括EMP,HMP,TCA循環(huán),乙醛酸循環(huán)等； 谷氨酸產(chǎn)生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脫氫酶的活力要很高； 生物素是谷氨酸產(chǎn)生菌必需的一種維生素，在谷氨酸生物合成中起著重要作用，缺乏或量太高都會(huì)使谷氨酸合成受阻。 生物素通過影響細(xì)胞膜的通透性而影響谷氨酸發(fā)酵。,概念：以無(wú)機(jī)氧化物中的氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用。 一些厭氧和兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸. 無(wú)機(jī)氧化物：如NO3-、 NO2-、SO42-、S2O32-等。 在無(wú)氧呼吸過程中，電子供體和受體之間也需要細(xì)胞色素等中間電子遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，可產(chǎn)生較多能量，但不

19、如有氧呼吸產(chǎn)生的能量多。 如：以硝酸鉀為電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸時(shí)，可釋放出1796.14KJ自由能。,（三）無(wú)氧呼吸,二、自養(yǎng)微生物的生物氧化,第二節(jié)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn),本節(jié)提要： 微生物代謝過程中的自我調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié) 代謝調(diào)控理論的應(yīng)用,微生物代謝過程中的自我調(diào)節(jié),微生物代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：精確、可塑性強(qiáng)，細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)能力超過高等生物。 成因：細(xì)胞體積小，所處環(huán)境多變。 舉例：大腸桿菌細(xì)胞中存在2500種蛋白質(zhì)，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的體積只能容納10萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)分子，所以每種酶平均分配不到100個(gè)分子。如何解決合成與使用效率的經(jīng)濟(jì)關(guān)系？

20、解決方式：組成酶（constitutive enzyme）經(jīng)常以高濃度存在，其它酶都是誘導(dǎo)酶（inducible enzyme），在底物或其類似物存在時(shí)才合成，誘導(dǎo)酶的總量占細(xì)胞總蛋白含量的10%。,微生物自我調(diào)節(jié)代謝的方式,1.控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞 2.通過酶的定位控制酶與底物的接觸 3.控制代謝物流向:,1.控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞 如：只有當(dāng)速效碳源或氮源耗盡時(shí)，微生物才合成遲效碳源或氮源的運(yùn)輸系統(tǒng)與分解該物質(zhì)的酶系統(tǒng)。,2.通過酶的定位控制酶與底物的接觸 1）真核微生物酶定位在相應(yīng)細(xì)胞器上；細(xì)胞器各 自行使某種特異的功能； 2）原核微生物在細(xì)胞內(nèi)劃分區(qū)域集中某類酶行使

21、功能： 與呼吸產(chǎn)能代謝有關(guān)的酶位于膜上； 蛋白質(zhì)合成酶和移位酶位于核糖體上； 同核苷酸吸收有關(guān)的酶在G-菌的周質(zhì)區(qū)。,3. 控制代謝物流向：( 通過酶促反應(yīng)速度來(lái)調(diào)節(jié)) 1)可逆反應(yīng)途徑由同種酶催化，可由不同輔基或輔酶控制代謝物流向：如: 兩種Glu脫氫酶：以NADP為輔基 Glu合成 以NAD為輔基 Glu分解 2)通過調(diào)節(jié)酶的活性或酶的合成量。 關(guān)鍵酶: 某一代謝途徑中的第一個(gè)酶或分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶。 粗調(diào)：調(diào)節(jié)酶的合成量 細(xì)調(diào)：調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的活性 3)通過調(diào)節(jié)產(chǎn)能代謝速率。,一、酶活性的調(diào)節(jié),通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調(diào)節(jié)，屬于精細(xì)的調(diào)節(jié)。 （

22、一）調(diào)節(jié)方式：包括兩個(gè)方面： 1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。 如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn) 2、酶活性的抑制：包括：競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反饋抑制。 概念：反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。 凡使反應(yīng)速度加快的稱正反饋； 凡使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反饋（反饋抑制）； 反饋抑制主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。 特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除,1.直線式代謝途徑中的反饋抑制： 蘇氨酸脫氨酶 蘇氨酸

23、-酮丁酸異亮氨酸 反饋抑制 其它實(shí)例：谷氨酸棒桿菌的精氨酸合成 2.分支代謝途徑中的反饋抑制： 在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。主要有： 同功酶的調(diào)節(jié)， 順序反饋，協(xié)同反饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。,（二）反饋抑制的類型,（1）同功酶調(diào)節(jié)isoenzyme,定義：指能催化同一化學(xué)反應(yīng)但結(jié)構(gòu)不同的一組酶。 同功酶a與酶b分別由各自的終產(chǎn)物E與G抑制。只有 E、G同時(shí)過量，才能完全阻止反應(yīng)的進(jìn)行。,（2）協(xié)同反饋抑制concerted feedback inhibition,定義：分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)

24、物同時(shí)過量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。,（3）積累反饋抑制cumulative feedback inhibition,定義：每個(gè)終產(chǎn)物同時(shí)積累都會(huì)對(duì)途徑中的第一個(gè)酶產(chǎn)生部分抑制作用，且各終產(chǎn)物的抑制作用互不干擾，各終產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，它們的抑制作用是累加的。各末端產(chǎn)物之間既無(wú)協(xié)同效應(yīng)，亦無(wú)拮抗作用。,（4）順序反饋抑制sequential feedback inhibition,分支途徑中兩個(gè)終產(chǎn)物不能直接對(duì)途徑中的第一個(gè)酶產(chǎn)生抑制作用，而是分別抑制分支點(diǎn)后的反應(yīng)步驟，造成分支點(diǎn)上中間產(chǎn)物積累，高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個(gè)酶的活性。只有兩個(gè)終產(chǎn)物同時(shí)積累，才能對(duì)途徑中

25、的第一個(gè)酶產(chǎn)生抑制作用。,(三)酶活力調(diào)節(jié)的機(jī)制,變構(gòu)酶理論： 變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子空間構(gòu)象的變化 影響酶活。其上具有兩個(gè)以上立體專一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)是調(diào)節(jié)中心。,活性位點(diǎn):與底物結(jié)合 變構(gòu)位點(diǎn):,與抑制劑結(jié)合,構(gòu)象變化,不能與底物結(jié)合 與激活劑結(jié)合, 構(gòu)象變化,促進(jìn)與底物結(jié)合,變構(gòu)酶,二、酶合成的調(diào)節(jié),（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型 1.誘導(dǎo)(induction)：是酶促分解底物或產(chǎn)物誘使微生物細(xì)胞合成分解代謝途徑中有關(guān)酶的過程。微生物通過誘導(dǎo)作用而產(chǎn)生的酶稱為誘導(dǎo)酶（為適應(yīng)外來(lái)底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時(shí)合成的酶類）。 組成酶（固有酶）：不依賴底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在

26、而合成的酶。如：EMP途徑的一些酶。 誘導(dǎo)酶：依賴于底物或底物結(jié)構(gòu)類似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。 誘導(dǎo)物(inducer)： 酶作用的底物。有些酶催化的反應(yīng)產(chǎn)物。底物結(jié)構(gòu)類似物。,2.阻遏（repression）：,是阻礙代謝過程中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成的現(xiàn)象，從而更徹底地控制和減少末端產(chǎn)物的合成。 阻遏作用的類型： 末端產(chǎn)物阻遏（end-product repression）：由于終產(chǎn)物的過量積累而導(dǎo)致生物合成途徑中酶合成的阻遏的現(xiàn)象，常常發(fā)生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要結(jié)構(gòu)元件生物合成的時(shí)候。 例如過量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。 分解代謝物阻遏（catab

27、olite repression）：當(dāng)微生物在含有兩種能夠分解底物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶的合成的現(xiàn)象。最早發(fā)現(xiàn)于大腸桿菌生長(zhǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時(shí),故又稱葡萄糖效應(yīng)。分解代謝物阻遏導(dǎo)致出現(xiàn)“二次生長(zhǎng)（diauxic growth）”. 實(shí)質(zhì)是：因代謝反應(yīng)鏈中某些中間代謝物或末端代謝物的過量積累而阻遏代謝中一些酶的合成的現(xiàn)象。,（二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制,操縱子學(xué)說(shuō)概述： 1、操縱子（operon）：是基因表達(dá)和控制的一個(gè)完整單元，其中包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動(dòng)子。 結(jié)構(gòu)基因(structural genes)：是決定某一多肽的DNA 模板，可

28、根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA，然后再可通過核糖體轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶;（編碼蛋白質(zhì)的DNA序列） 啟動(dòng)子(promoter)：能被依賴于DNA的RNA聚合酶所識(shí)別的堿基順序，是RNA聚合酶的結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)；（在許多情況下還包括促進(jìn)這一過程的調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)。） 操縱子（operator）：位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，能通過與阻遏物相結(jié)合來(lái)決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行； 調(diào)節(jié)基因（regulator gene）：用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因，一般遠(yuǎn)離操縱子,但在原核生物中,可以位于操縱子旁邊,編碼調(diào)節(jié)蛋白。,Structure of a typical

29、 operon,酶合成的誘導(dǎo)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.,有乳糖時(shí)：乳糖作為一種效應(yīng)物與阻遏物結(jié)合 ,使其變構(gòu), 不能與O結(jié)合,從而轉(zhuǎn)錄進(jìn)行,合成乳糖酶,分解乳糖。 無(wú)乳糖時(shí)：細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的阻遏物結(jié)合在操縱基因上,轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行；,

30、酶合成的阻遏Enzyme Repression：,1.終產(chǎn)物的阻遏：(end product repression):（ 反饋?zhàn)瓒? 即在合成代謝中，終產(chǎn)物阻遏該途徑 所有酶的合成。為基因表達(dá)的控制 。 如：色氨酸(Try)合成的調(diào)控(正調(diào)節(jié)),Genetic organization of the Trp operon and its control elements,2.分解代謝物阻遏Catabolite Repression,1）二次生長(zhǎng)現(xiàn)象及其機(jī)制： 分解葡萄糖的酶 組成酶（固有酶） 分解乳糖的酶誘導(dǎo)酶， 受葡萄糖分解代謝產(chǎn)物 調(diào)控。,The Diauxic Growth Curve

31、of E. coli grown in limiting concentrations of a mixture of glucose and lactose,1）cAMP與CAP結(jié)合。 2）當(dāng)cAMP與CAP復(fù)合物結(jié)合在啟動(dòng)子上,RNApolase 才與啟動(dòng)子結(jié)合，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。 3）當(dāng)缺少cAMP和CAP時(shí), RNApolase不能與啟動(dòng)子結(jié)合。,Catabolite repression is positive control of the lac operon. The effect is an increase in the rate of transcription.,有葡萄糖時(shí)： c

32、AMP的產(chǎn)生受葡萄糖抑制。 葡萄糖降解物抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，cAMP濃度下降 ， cAMP不與CAP結(jié)合，RNA多聚酶不能結(jié)合， 轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行。 無(wú)葡萄糖時(shí)： cAMP濃度上升，cAMP與CAP(降解物的激活蛋白)結(jié)合,與啟動(dòng)基因結(jié)合，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行.,（1）存在誘導(dǎo)物時(shí)，mRNA得到轉(zhuǎn)錄： 調(diào)節(jié)基因 控制部分 結(jié)構(gòu)基因 P PRtOzyat -半乳糖苷酶 滲透酶 轉(zhuǎn)乙?；?誘導(dǎo)物阻遏物失活阻遏物 RNA多聚酶 cAMPCRP,乳糖操縱子1,乳糖操縱子,DNA RNA 蛋白質(zhì),乳糖操縱子2,（2）誘導(dǎo)物和輔阻遏物都存在時(shí) 調(diào)節(jié)基因 控制部分 結(jié)構(gòu)基因 P PRtOzyat,乳糖操縱子3,（3）

33、不存在誘導(dǎo)物時(shí)，mRNA無(wú)法轉(zhuǎn)錄： 調(diào)節(jié)基因 控制部分 結(jié)構(gòu)基因 P PRtOzyat,When lactose is present,When the inducer (lactose) is removed,When levels of glucose in the cell are high,(一)、生物合成途徑的代謝調(diào)控； 1、終產(chǎn)物阻遏（end product repression) 終產(chǎn)物阻遏該途徑所有酶的合成。 2、反饋（feedback)或變構(gòu)抑制(allosteric inhibition)： 終產(chǎn)物對(duì)該合成途徑第一酶合成的抑制,總結(jié),1、酶的誘導(dǎo)（enzyme induct

34、ion): 底物或其結(jié)構(gòu)類似物活化與降解有關(guān)的酶。 乳糖操縱子學(xué)說(shuō)。 2、分解代謝產(chǎn)物阻遏（catabolite repression) ： 葡萄糖阻遏大量其他誘導(dǎo)酶的合成。,(二)、分解途徑的代謝調(diào)控：,三、代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用,工業(yè)發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。 代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。 人工控制代謝的手段： 改變微生物遺傳特性(遺傳學(xué)方法）； 控制發(fā)酵條件（生物化學(xué)方法）； 改變細(xì)胞膜透性；,（1）對(duì)于直線式代謝途徑：選育營(yíng)養(yǎng)缺陷性突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物 A a B b C c D d E,1.1營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用,末端產(chǎn)物E對(duì)生長(zhǎng)乃是必需的，所以，應(yīng)在培養(yǎng)基中限量供給E，使之足以維持菌株生長(zhǎng)，但又不至于造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑