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1、模块二 微生物初级代谢调节,一、微生物初级代谢调节,1.酶活性调节,共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；,变（别）构效应；,缔合与解离；,竞争性抑制；,2.酶合成调节,酶的诱导（诱导物）；,酶的阻遏（阻遏蛋白+辅阻遏物）；,微生物初级代谢调节,（2）分解代谢产物阻遏（中间产物）；,（1）末端产物或终产物阻遏（反馈调节）；,机制,（1）诱导型操纵子；,（2）阻遏型操纵子；,形式,微生物初级代谢调节,1.1 酶活性调节共价修饰和变(别)构效应机制（P63）,2.1 酶合成（诱导和阻遏)）调节机制,2.1.1 诱导操纵子,.Jacob-Monod 操纵子模型（负调节）乳糖操纵子（P6970）,微
2、生物初级代谢调节,上述 Jaoob-Monod 模型中的诱导作用是一种负向控制，其调节基因产物（调控蛋白)具有“锁”的活性，阻止转录的进行。,微生物初级代谢调节,.阿拉伯糖操纵子正调节,其调节基因产物是一种蛋白质，无活性（沉默，无转录进行），仅在有诱导物存在下可转化为转录激活剂（激活蛋白）推动转录，是转录作用所必需。,2.1.2 阻遏操纵子,其调节机制见下图。,微生物初级代谢调节,其调节基因产物是一种阻遏蛋白，无活性，仅在有辅阻遏物（终产物）存在下可转化为抑制剂（“锁”），与操纵基因结合，阻止转录进行。,微生物初级代谢调节,操纵子分两类:,一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一种效应物）时，
3、其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。,一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去辅阻遏物阻遏作用才能起动。,诱导型操纵子调节机制,.Jacob-Monod 操纵子模型（负调节）乳糖操纵子,操纵基因,调节基因,调控蛋白,转录停止,结构基因,锁,启动基因,结构基因,可转录为mRNA，由操纵基因控制。,启动基因,其一位点结合RNA聚合酶。,诱导物,钥匙,转录进行,诱导型操纵子调节机制,.阿拉伯糖操纵子正调节,调控蛋白,锁,但转录停止,诱导物,调控蛋白,转录激活剂,转录进行,操纵基因,阻遏型操纵子调节机制,1
4、.末端产物缺乏的情况下,调节基因,阻遏物蛋白,锁,操纵基因,转录进行,2.末端产物（辅阻遏物）存在的情况下,调节基因,阻遏物蛋白,辅阻遏物,锁,操纵基因,转录停止,微生物初级代谢调节,调节蛋白（P70）,一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；,调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点：其一可与操纵基因结合；另一位点则可与效应物相结合。,调节蛋白有两种：,另一称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。,当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用：有的可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。,分解代谢产物阻遏,2.2 分解代谢产
5、物阻遏（中间产物阻遏）,指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶（降解酶、合成酶）合成的抑制作用。,根据分解产物的不同，又分为碳分解产物阻遏和氮分解产物阻遏，如“葡萄糖效应”和“铵阻遏”。,阻遏的实质是阻遏物关闭了合成酶的基因表达。,分解代谢产物阻遏的分子机制（P70）,从分子水平看，是分解产物抑制腺苷酸环化酶的活性,降低了环状3,5-腺苷单磷酸（环腺苷酸，cAMP）浓度水平。,当胞内cAMP浓度较高时，其与活化蛋白（CAP）结合，促使RNA聚合酶与启动基因结合而开始转录；反之，当胞内cAMP处于低水平，影响结合，不能转录。,分解代谢产物阻遏,葡萄糖的大量存在，降低了胞内 cAMP 浓度：,
6、葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性，降低 cAMP 生成：ATP cAMP+Pii,葡萄糖存在引起 ATP 浓度上升，消耗胞内 cAMP：cAMP+H2O ADP ATP,结果，启动子上没有cAMPCRP复合物结合，使得RNA聚合酶也无法结合到启动子的位点上，结构基因不能转录和表达。,葡萄糖阻遏半乳糖苷酶的生物合成机理：,葡萄糖效应,碳分解产物的阻抑作用。当大肠杆菌培养于含有葡萄糖和乳糖的培养基中，菌体出现两次生长旺盛期，这是菌首先利用葡萄糖进行生长繁殖，在葡萄糖耗尽后，过一段时间菌体才开始利用乳糖。在上述培养基中即使加入乳糖酶诱导物，葡萄糖没耗尽，利用乳糖的酶系也不能合成。碳分解产物的阻抑作用普遍存
7、在于微生物的生化代谢中。,分解代谢产物阻遏,铵阻遏,氮分解产物的调节作用指的是被菌体迅速利用的氮源（特别是铵）能阻抑某些参与含氮化合物代谢的酶的合成。,如在初级代谢中，它能阻遏许多芽孢杆菌的蛋白酶的合成。,通常受到 NH4+阻遏的酶有：亚硝酸还原酶、硝酸还原酶、固氮酶、乙酰胺酶、脲酶、黄嘌呤脱氢酶、组氨酸酶、天冬酰胺酶等。,两种调节的对比,分支代谢途径的反馈调节,2.3 分支代谢途径的反馈调节（氨基酸和核苷酸的合成）,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
8、制作用。,分支代谢的反馈调节方式有以下多种（P66）：,同工酶调节,合作反馈调节（增效反馈控制）,协同反馈调节,累积反馈调节,顺序反馈调节,代谢互锁（metabolic interlock）,分支代谢途径的反馈调节,1、同功酶调节,同功酶是指能催化同一生化反应，但结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。,特点：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被H抑制，另一个酶被G抑制。只有当H和G同时过量才能完全阻止A转变为B。,分支代谢途径的反馈调节,2、协同反馈抑制,指分支代谢途径中的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。,分支代谢途径的反馈调节,3、
9、合作反馈抑制,又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。,分支代谢途径的反馈调节,4、累积反馈抑制,每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。,分支代谢途径的反馈调节,5、顺序反馈抑制,当E过多时，可抑制CD，这时由于C的浓度过高而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增加。,过量的G抑制了CF，造成C的浓度进一步增加。过量C又对AB间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。,分支代谢途径的反馈调节,6、代谢互锁（metabolic interlock）
10、,A B C D E（被抑制）F（过量）,从以上生物合成途径看，是一种完全无关的氨基酸的控制，产物 F 的过量积累会抑制 E 的合成。,这种调节方式只是在F浓度很高的情况下（与生理学浓度相比）才能显示抑制作用，且是部分抑制或阻遏。,反馈阻遏与反馈抑制的比较,代谢控制育种（定向育种）,运用代谢控制理论，人为地改变菌种的代谢调节机制或避开微生物固有代谢调节，使得微生物体内的代谢流按照人们所需要的方向进行，过量生产目标代谢产物。,1、营养缺陷型突变菌株的筛选,在营养缺陷型突变菌株中，生物合成途径中的某一步发生了酶缺陷，合成反应不能完成，末端产物不能积累，末端产物的反馈调节作用被解除，只要在培养基中限
11、量加入所要求的末端产物，克服生长障碍，就能积累中间产物。,注1：使用营养缺陷型突变菌株进行生产时，由于微生物体内酶的代谢调节机制并没有解除，必须严格控制缺陷营养物质添加量保持在亚适量水平，否则生产不稳定。,代谢控制育种,注2：在直链式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中间代谢物而不能累积终产物。但在分支代谢途径中，通过解除协同反馈调节，就可以使另一分支途径的末端产物得到累积。,例如，选育谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株 工业上生产赖氨酸的发酵菌种。,AK-天冬氨酸激酶；HD-高丝氨酸脱氢酶 HT-高丝氨酸转乙酰酶 TD-苏氨酸脱氢酶,天冬氨酸 AK 天冬氨酰磷酸酸 天冬氨酸半醛 HD 二氢
12、吡啶二羧酸 高丝氨酸 HT HK 赖氨酸 O-磷酸高丝氨酸 O-磷酸高丝氨酸 苏氨酸 蛋氨酸 TD 异亮氨酸,代谢控制育种,2、抗反馈阻遏和抗反馈抑制突变菌株的筛选（组成型突变）,这类菌株主要是对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变菌株，或二者兼而有之的菌株。,在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是二者同时被解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。,原因：,（1）调节基因或操纵基因发生突变，使产生的阻遏蛋白不能再和终产物结合或结合后不能作用于已突变的操纵基因，反馈阻遏作用被解除。,（2）由于编码酶的结构基因发生突变，使由结构基因转录出来的变构酶不能再和终产物结合但活力中心不变，仍具有催化
13、活性。,代谢控制育种,此类菌株是通过抗结构类似物突变的方法筛选得到。结构 类似物与末端代谢产物有相似的结构。,在目前氨基酸生产菌种选育中，营养缺陷型和结构类似物 抗性两种手段一般同时采用。,组成型突变株应用于诱导酶的生产，不再受诱导物诱导、分解代谢产物及终产物阻遏。,3、抗性突变株的筛选,包括对抗生素、金属离子、温度、噬菌体等的抗性（或敏感）突变株的筛选。,细胞透性调节,一、控制细胞膜的渗透性,微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外，这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。,1、通
14、过生理学手段控制细胞膜的渗透性,生物素亚适量,机制：是合成脂肪酸的关键酶-乙酰CoA 羧化酶的辅酶，亚适量的生物素直接抑制膜的合成或使膜受缺损。,乙酰CoA 丙二酸单酰CoA 脂肪酸,CO2,生物素,细胞透性调节,2、通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性,油酸缺陷型、甘油缺陷型,油酸是一种含有一个双键的不饱和脂肪酸（C18），是细胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加大。,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。即使是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。,二、控制细胞壁,青霉素,主要是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联，从而改变细胞壁的通透性。,
