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第五章 微生物的代谢调节 和代谢工程 提纲 微生物的代谢调节类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程 微生物的代谢调节和代谢工程 原则：经济合理地利用和合成所需的各种物 质和能量，使细胞处于平衡生长状态。 方式：反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、 酶的共价修饰。 生产目的：高浓度地积累人们所期望的产物。 办法：①育种，得到根本改变代谢的基因突变株； ②控制微生物培养条件，影响其代谢过程。 代谢工程：利用基因工程技术，扩展和构建、连接，形 成新的代谢流。（也称途径工程） 一、微生物的代谢类型和自我调节 1.代谢类型：分解代谢和合成代谢。 相互关联，相互制约。 细胞优先合成异化可维持更快生长的化合物 的酶。利用完后，再合成下一个酶。 2.微生物自我调节部位： ①细胞膜的屏障作用（多数亲水分子）和通道； ②控制通量，调节酶量和改变酶分子活性； ③限制基质的有形接近，可存在于不同细胞 器各个代谢库中，其酶量差别大。 二、酶活性的调节 代谢调节是指在代谢途径水平上酶活性和酶合成的调节。 酶活性调节： 激活剂→酶激活作用； 抑制剂→酶抑制作用； 可以是外源物，也可是自身代谢物。 1、酶激活作用与抑制作用 微生物代谢中，普遍存在酶既有激活作用又有抑制作用的现象。 如：天门冬氨酸转氨甲酰酶受ATP激活，受CTP抑制（终产物）。 大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有激活剂和抑制剂（表5-1）。共同控制糖代谢。 2、酶活性调节的机制 ①变构调节理论： 变构酶基础上提出，酶有催化和变构调节位点。酶的多个亚基，多相同，也可不相同。 ②化学修饰调节理论： 变构酶与某物质共价结合而提高或降低活性。 如：柠檬酸裂解酶的乙酰化。 乙酰-酶+柠檬酸?柠檬酸-S-酶+乙酸 柠檬酸-S-酶?乙酰-酶+草酰乙酸 三、酶合成的调节 酶活性调节：细，快； 酶量调节：粗，慢。 1、酶合成的诱导作用 诱导酶的合成需要诱导剂，它可是底物，也可是底物的结构类似物。 一种酶可有多种诱导剂，其能力与诱导剂的种类和浓度有关。 2、酶合成的阻遏 某种代谢物积累除抑制酶活性外，还可反馈阻遏酶合成，降低反应速度。 ①末端产物阻遏： 常普遍存在与氨基酸、核苷酸生物合成途径中。 ②分解代谢物阻遏： 如：“葡萄糖效应”。其代谢物阻遏“缓慢利用能源”酶的合成。 3、酶合成调节的机制 操纵子模型：在DNA分子的不同区段上至少有四种基因，即调节基因R（编码阻遏物）、操纵基因O（阻遏物结合、控制结构基因）、启动基因P（RNA聚合酶结合位点）和结构基因S（转录mRNA）。 操纵基因、启动基因和结构基因又构成了操纵子。 3、酶合成调节的机制 ①单一效应物调节： 负调节：调节基因R的产物阻止转录进行。 如：大肠杆菌乳糖操纵子； 正调节：R基因的产物在诱导物存在下，成为转录激活剂。 如：阿拉伯糖操纵子。 ②两种效应物的共同调节： 乳糖操纵子的效应物（如：乳糖）和活化蛋白（如： CRP）的调节。 ③弱化调节： 大肠杆菌色氨酸合成操纵子的R、O、P远离S，除阻 遏调节外，有弱化调节方式。 四、分支生物合成途径的调节 1.同 功 酶 调 节：催化相同反应，但酶分子结构有差异； 2.协同反馈调节：一个不能少； 3.累加反馈调节：按比例累加，无协同效应，无拮抗作用； 4.增效反馈调节：1+1＞2； 5.顺序反馈调节：按①→②→③顺序逐步抑制； 6.联合激活或抑制调节：途径产物各自调节，同一中间产物 7.酶的共价修饰：一酶两形式，活力有差异，关键在有无共 价连接物（腺苷酰基）。 五、能荷调节 细胞的能荷计算式： [ATP]+1/2[ADP] 能荷=—————————— [ATP]+ [ADP]+[AMP] 能荷高时，ATP的酶合成系统受抑制， ATP消耗酶系统被活化。 呈抑制与活化的中间状态的能荷大约是 0.85，此时两种酶系统达到平衡。 六、代谢调控 根据代谢调节理论,通过改变发酵工艺