现代工业发酵调控学课件储炬发酵调控2复习.pptVIP

2.代谢调节与代谢工程 微生物的代谢网络是受到高度调节 在1μg（1?10-6 ml ）体积这么小的细胞里， E.Coli 20min复制一代，每个细胞含蛋白质分子数为1.7 ?106 每秒中要合成1400个蛋白质分子，如每个分子平均含有300个共价键，每秒要形成420，000个肽键。 微生物的代谢网络是受到高度调节 化学家合成第一个蛋白质花 了几个月的时间。 微生物如何协调其代谢活动的？ 生长迅速、高效是生存、竞争的需要。 微生物的代谢网络是受到高度调节 1)微生物生长在含有单一有机化合物为能源的合成培养基中，所有大分子单体(前体)，如氨基酸的合成速率同大分子，如蛋白质的合成速率是协调一致的。 2)任何一种单体的的合成，如能从外源获得，只要它能进入细胞内，单体的合成自动中止。参与这些单体生成的酶的合成也会停止。 微生物的代谢网络是受到高度调节 3)微生物只有在某些有机基质，如乳糖存在时，才会合成异化这些基质的酶； 4)如存在两种有机基质，微生物会先合成那些能异化更易利用的基质的酶，待易利用的基质耗竭才开始诱导分解较难利用基质的酶； 5)养分影响生长速率，从而相应改变细胞大分子的组成，如RNA的含量 微生物的代谢网络是受到高度调节 微生物具有很强的适应环境变化的能力。它可以通过调整其代谢机能来响应环境的变化。如给予细菌不同的养分，细胞的大分子组成会起相应的变化。 例如，改变培养基的成分，维持培养温度不变，可以改变鼠伤寒杆菌的生长速率，用倍增或世代时间来表示其生长速率，见表3-1。 微生物的代谢网络是受到高度调节 代谢控制机制 分为两种主要类型： 酶活的调节(活化或钝化) 酶合成的调节(诱导或阻遏)。 代谢控制机制 微生物大致采用3种方式调节其初级代谢： 酶活性的调节 酶合成的调节 遗传控制 调节的生化基础 微生物调节的位点 有许多位点可以控制外来化合物的代谢 原核生物与真核生物有所区别 代谢调节的部位 微生物的代谢调节主要通过养分的吸收、排泄，限制基质与酶的接近和控制代谢流等几个部位实现的，见图3-1。 在这方面真核生物与原核生物略有区别，主要表现在前者有各种各样的细胞器。 代谢调节的部位 1) 养分吸收分泌的通道 大多数亲水分子难于透过细胞膜，需借助一些负责运输的酶系统，如透酶才得以实现，有些运输反应是需能的。 2) 限制基质与酶的接近 在真核生物中各种代谢库的基质分别存在于由胞膜分隔的细胞器内。例如，在链孢霉中精氨酸存在于细胞质和液泡内。这两处参与精氨酸代谢的酶量有很大的差别。原核生物的控制方式不同，其中有些酶是以多酶复合物或以细胞膜结合的方式存在，类似于酶的固定化形式，使它不能自由活动。 代谢调节的部位 3) 代谢途径通量的控制 微生物控制代谢物流的方法有两种：调节现有酶的量，这可通过增加或减少途径中有关酶的合成或降解速率实现；改变已有酶分子的活性。 微生物调节的位点 酶活性的调节方式 微生物代谢调节是通过小分子化合物进行的。这些小分子化合物存在于细胞内，由细胞产生，通过它们调节酶反应速率，激活或抑制关键酶，有效地控制各种代谢过程。 酶活性的调节可归纳为共价修饰、变(别)构效应、缔合与离解和竞争性抑制，以及基因表达。 下面着重介绍前两种方式。 共价修饰 指蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开，使其活性改变的作用。 用共价修饰方式可使酶钝化或活化。 从蛋白质中除去或加入的小化学基团可以是磷酸基，甲基，乙基，腺苷酰基。 蛋白质的共价结合部位一般为丝氨酸残基的-CH2OH。 共价修饰 共价修饰作用可分为： 可逆共价修饰 不可逆共价修饰 可逆共价修饰 细胞中有些酶存在活性和非活性两种状态，它们可以通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。 可逆共价修饰 例如，磷酸化酶是通过激酶或磷酸酯酶来调节其活性的，见图3-2。糖原合成酶的活性也是以这种方式调节的。 可逆共价修饰 可逆共价修饰 酶的可逆共价修饰作用的意义在于： 1)可在短时间内改变酶的活性，有效地控制细胞的生理代谢； 2)这种作用更易为响应环境变化而控制酶的活性。 不可逆共价修饰 典型的例子是酶原激活。这是无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切去一小段肽链而被激活。 酶原变为酶是不可逆的。 胰蛋白酶原的活化靠从N-端除去一个己肽(Val-Asp- Asp- Asp- Asp-lys)。 胰蛋白酶原活化是信号放大的一个典型例子，见图3-3。 不可逆共价修饰 不可逆共价修饰 少量的肠肽酶便可激发大量的胰蛋白酶原转变成胰蛋白酶。 这是因为胰蛋白酶能催化其自身的活化。一旦这些胰酶完成了其使命后，便