微生物的讲义代谢调节 (2)
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微生物代谢调节
⑤、变构效应是反馈抑制的理论基础，是调节代谢的有效 方法。
3.1.1.4 其他调节方式
（1）缔合与解离
进行这种转变的Pr由多个亚基组成。 Pr活化与钝化通过亚基的缔合与解离实现。 这类互相转变有时由共价修饰或若干配基的缔合启动。
（2）竞争性抑制
一些Pr的生物活性受代谢物的竞争性抑制。
例如，需要NAD＋的反应可能受NADH的竞争抑制； 需ATP的反应可能受ADP或AMP的竞争性抑制；有些酶受 反应过程产物的竞争性抑制。
阻遏物（repressor）在分解代谢中是操纵子调 节基因（R）编码的阻遏蛋白，能可逆地同操纵基因 （O）结合，从而控制其相邻的结构基因（S）的转 录。
能被快速利用的基质，如葡萄糖，其分解代谢 物会阻遏另一种异化较难利用基质的酶的合成。
图3-5为大肠杆菌K12中精氨酸对鸟氨酸氨甲酰 基转移酶合成的阻遏作用。后者参与精氨酸的生物 合成。精氨酸加入到培养物中，其合成速率很快受 到阻遏；精氨酸去除，阻遏作用很快被解除 （derepression）。
图3-7b为枯草杆菌和绿脓杆菌的色氨酸合 成末端途径的调节。
枯草杆菌与肠道杆菌调节方式相似，第一 个酶，邻氨基苯甲酸合酶a受色氨酸抑制。a和 其他酶还受色氨酸的反馈阻遏。
对假单孢菌，a受色氨酸阻遏，但酶合成的调 节方式不同：a，o（邻氨基苯甲酸核糖基转 移酶）和I（吲哚甘油磷酸合酶）受色氨酸阻 遏，r（磷酸核糖基-邻氨基苯甲酸异构酶） 是组成型。其色氨酸合酶复合物t受其基质茚 哚甘油磷酸的诱导。这些酶合成控制的差异
不同细菌属的酶p受阻遏方式不同。芽孢杆 菌属中的顺序反馈抑制作用也存在于链球菌中。 链霉菌中色氨酸是惟一的抑制剂。假单孢菌属 中酪氨酸是主要抑制剂。要最大限度地抑制需 苯丙酮酸(苯丙氨酸的直接前体)和酪氨酸的联 合作用，色氨酸只产生部分抑制作用。酪氨酸 和色氨酸的抑制作用可被PEP克服；而苯丙酮 酸的抑制作用则被D-赤藓糖-4-磷酸所克服。即 如途径起始材料不足，产率受终产物反馈抑制 的影响特别显著。
3.1.1.4 其他调节方式
（1）缔合与解离
进行这种转变的Pr由多个亚基组成。 Pr活化与钝化通过亚基的缔合与解离实现。 这类互相转变有时由共价修饰或若干配基的缔合启动。
（2）竞争性抑制
一些Pr的生物活性受代谢物的竞争性抑制。
例如，需要NAD＋的反应可能受NADH的竞争抑制； 需ATP的反应可能受ADP或AMP的竞争性抑制；有些酶受 反应过程产物的竞争性抑制。
阻遏物（repressor）在分解代谢中是操纵子调 节基因（R）编码的阻遏蛋白，能可逆地同操纵基因 （O）结合，从而控制其相邻的结构基因（S）的转 录。
能被快速利用的基质，如葡萄糖，其分解代谢 物会阻遏另一种异化较难利用基质的酶的合成。
图3-5为大肠杆菌K12中精氨酸对鸟氨酸氨甲酰 基转移酶合成的阻遏作用。后者参与精氨酸的生物 合成。精氨酸加入到培养物中，其合成速率很快受 到阻遏；精氨酸去除，阻遏作用很快被解除 （derepression）。
图3-7b为枯草杆菌和绿脓杆菌的色氨酸合 成末端途径的调节。
枯草杆菌与肠道杆菌调节方式相似，第一 个酶，邻氨基苯甲酸合酶a受色氨酸抑制。a和 其他酶还受色氨酸的反馈阻遏。
对假单孢菌，a受色氨酸阻遏，但酶合成的调 节方式不同：a，o（邻氨基苯甲酸核糖基转 移酶）和I（吲哚甘油磷酸合酶）受色氨酸阻 遏，r（磷酸核糖基-邻氨基苯甲酸异构酶） 是组成型。其色氨酸合酶复合物t受其基质茚 哚甘油磷酸的诱导。这些酶合成控制的差异
不同细菌属的酶p受阻遏方式不同。芽孢杆 菌属中的顺序反馈抑制作用也存在于链球菌中。 链霉菌中色氨酸是惟一的抑制剂。假单孢菌属 中酪氨酸是主要抑制剂。要最大限度地抑制需 苯丙酮酸(苯丙氨酸的直接前体)和酪氨酸的联 合作用，色氨酸只产生部分抑制作用。酪氨酸 和色氨酸的抑制作用可被PEP克服；而苯丙酮 酸的抑制作用则被D-赤藓糖-4-磷酸所克服。即 如途径起始材料不足，产率受终产物反馈抑制 的影响特别显著。
微生物次级代谢与调节2
4) 磷限制次级代谢产物合成的诱导物的合成磷
通过抑制麦角碱生物合成的诱导物色氨酸来抑制麦角碱的 生物合成，其原因是高浓度的磷抑制HMP途径，使色氨酸 生成减少。
30
5) 过量磷抑制次级代谢产物的前体的生成 6) 磷抑制或阻遏次级代谢产物合成所必需的磷
酸酯酶 链霉素、新霉素、紫霉素等的合成途径中中间
如青霉素合成中赖氨酸的反馈抑制。Lys抑制青霉素前体 之一的a-氨基己二酸的合成途径的酶的活性或酶量。
33
7 细胞膜透性的调节
细胞膜透性的调节是代谢调节的一个重要方面 在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的
大小是影响青霉素发酵单位高低的一个因素，因为 菌体需要足够的硫源来合成青霉素，如输入硫化物 的能力增大，硫源供应充足，合成青霉素的量就增 多。 诱变获得的青霉素高产菌中，有的就是因为提高了 膜摄取无机硫酸盐的浓度。
的生物合成提供含氮前体。
➢ 氮转移反应 氨基糖苷类抗生素的生物合成包括多步
氮转移反应，包括转氨基，转脒基，转氨甲酰基等。如 这些抗生素合成酶受氮源阻遏，须补加适当浓度的氨基 或脒基供体（如Gln，Ala，Glu，Arg等）
25
丝裂霉素C的生物合成
C CC
CC CC N
C7N单 元
PEP+E-4-P由 莽草酸途径合成
22
抗生素
放线菌素 杆菌肽 头孢菌素 氯霉素
受葡萄糖抑制的抗生素生产
产生菌
抗生素 产生菌
链霉菌 地衣型芽孢杆菌 丁头霉菌 委内瑞拉链霉菌
卡那霉素 卡那霉素链霉菌 丝裂霉素 头状链霉菌 链霉素 灰色链霉菌 青霉素 产黄青霉
23
4 氮源分解代谢产物调节
（1） 氮源与抗生素的合成
有些抗生素的合成受氨和其他能被迅速利用的氮源的阻遏。 例如：红霉素的合成在氮受限制的情况下可一直进行到发酵
通过抑制麦角碱生物合成的诱导物色氨酸来抑制麦角碱的 生物合成，其原因是高浓度的磷抑制HMP途径，使色氨酸 生成减少。
30
5) 过量磷抑制次级代谢产物的前体的生成 6) 磷抑制或阻遏次级代谢产物合成所必需的磷
酸酯酶 链霉素、新霉素、紫霉素等的合成途径中中间
如青霉素合成中赖氨酸的反馈抑制。Lys抑制青霉素前体 之一的a-氨基己二酸的合成途径的酶的活性或酶量。
33
7 细胞膜透性的调节
细胞膜透性的调节是代谢调节的一个重要方面 在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的
大小是影响青霉素发酵单位高低的一个因素，因为 菌体需要足够的硫源来合成青霉素，如输入硫化物 的能力增大，硫源供应充足，合成青霉素的量就增 多。 诱变获得的青霉素高产菌中，有的就是因为提高了 膜摄取无机硫酸盐的浓度。
的生物合成提供含氮前体。
➢ 氮转移反应 氨基糖苷类抗生素的生物合成包括多步
氮转移反应，包括转氨基，转脒基，转氨甲酰基等。如 这些抗生素合成酶受氮源阻遏，须补加适当浓度的氨基 或脒基供体（如Gln，Ala，Glu，Arg等）
25
丝裂霉素C的生物合成
C CC
CC CC N
C7N单 元
PEP+E-4-P由 莽草酸途径合成
22
抗生素
放线菌素 杆菌肽 头孢菌素 氯霉素
受葡萄糖抑制的抗生素生产
产生菌
抗生素 产生菌
链霉菌 地衣型芽孢杆菌 丁头霉菌 委内瑞拉链霉菌
卡那霉素 卡那霉素链霉菌 丝裂霉素 头状链霉菌 链霉素 灰色链霉菌 青霉素 产黄青霉
23
4 氮源分解代谢产物调节
（1） 氮源与抗生素的合成
有些抗生素的合成受氨和其他能被迅速利用的氮源的阻遏。 例如：红霉素的合成在氮受限制的情况下可一直进行到发酵
《微生物的代谢调节》课件
微生物代谢调节的重要性
微生物代谢调节对于微生物适应环境变化、维持细胞内稳态以及实现正常生长 和繁殖具有至关重要的作用。通过代谢调节，微生物能够优化能量利用、合成 所需的生物分子以及应对各种环境压力。
微生物代谢调节的类型与特点
微生物代谢调节的类型
主要包括酶的共价修饰调节、小分子代谢物调节、基因表达调控和细胞膜通透性 调节等。
通过改变细胞膜的通透性来调节能量的输入和输出。
细胞形态和生长调节
通过调节细胞形态和生长速率来影响能量代谢。
微生物能量代谢的调控策略
营养限制
通过控制培养基中的营养成分来调控微生物的能量代 谢。
环境因子调节
通过改变温度、pH、氧气等环境因子来影响微生物 的能量代谢。
基因工程与代谢工程
通过基因敲除、过表达或基因编辑技术来改造微生物 的能量代谢途径。
06
微生物的代谢调节研究进展与展望
微生物代谢调节的研究现状
微生物代谢调节的基本原理和机制研究
目前已经对微生物代谢调节的基本原理和机制进行了深入研究，包括基因表达调控、酶 活性调节、物质转化和能量代谢等方面的研究。
微生物代谢调节在生物工程中的应用
微生物代谢调节在生物工程中已经得到了广泛应用，如微生物发酵、生物制药、生物能 源等领域。
蛋白质代谢调节
氨基酸合成
01
氨基酸合成是微生物通过合成酶的作用，将简单的有机物合成
氨基酸的过程。
蛋白质降解
02
蛋白质降解是微生物通过分解酶的作用，将蛋白质分解为氨基
酸的过程。
氨基酸转氨基作用
03
氨基酸转氨基作用是微生物将氨基酸转化为其他有机物的过程
，这个过程需要消耗能量。
05
微生物的能量代谢调节
微生物代谢调节对于微生物适应环境变化、维持细胞内稳态以及实现正常生长 和繁殖具有至关重要的作用。通过代谢调节，微生物能够优化能量利用、合成 所需的生物分子以及应对各种环境压力。
微生物代谢调节的类型与特点
微生物代谢调节的类型
主要包括酶的共价修饰调节、小分子代谢物调节、基因表达调控和细胞膜通透性 调节等。
通过改变细胞膜的通透性来调节能量的输入和输出。
细胞形态和生长调节
通过调节细胞形态和生长速率来影响能量代谢。
微生物能量代谢的调控策略
营养限制
通过控制培养基中的营养成分来调控微生物的能量代 谢。
环境因子调节
通过改变温度、pH、氧气等环境因子来影响微生物 的能量代谢。
基因工程与代谢工程
通过基因敲除、过表达或基因编辑技术来改造微生物 的能量代谢途径。
06
微生物的代谢调节研究进展与展望
微生物代谢调节的研究现状
微生物代谢调节的基本原理和机制研究
目前已经对微生物代谢调节的基本原理和机制进行了深入研究，包括基因表达调控、酶 活性调节、物质转化和能量代谢等方面的研究。
微生物代谢调节在生物工程中的应用
微生物代谢调节在生物工程中已经得到了广泛应用，如微生物发酵、生物制药、生物能 源等领域。
蛋白质代谢调节
氨基酸合成
01
氨基酸合成是微生物通过合成酶的作用，将简单的有机物合成
氨基酸的过程。
蛋白质降解
02
蛋白质降解是微生物通过分解酶的作用，将蛋白质分解为氨基
酸的过程。
氨基酸转氨基作用
03
氨基酸转氨基作用是微生物将氨基酸转化为其他有机物的过程
，这个过程需要消耗能量。
05
微生物的能量代谢调节
02微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用
☆别构酶：也称变构酶，它是代谢过程 中的关键酶。通过效应物（调节物） 和酶的别构中心的结合来调节其活性， 从而调节酶反应速度和代谢过程。
变 构 调 节
☆多功能酶：一般是指在结构上只有 一条多肽链，但具有两种或两种以 上的催化活力或结合功能的蛋白质。
3
反馈调节
• 反馈调节主要是指代谢过程的中间产 物，或终产物对于代谢早期阶段上关 键酶的抑制作用。 • 微生物通过反馈调节作用，按照自身 的要求来改变自己的代谢。
葡萄糖 ↓ 丙酮酸 ↓ 丙氨酸←天冬氨酸→→→赖氨酸
在乳糖发酵短杆菌中赖氨酸、丙氨酸的 生物合成途径及其调节
◆丙酮酸和天冬氨酸是赖氨酸和丙氨酸生 物合成中共用的前体物。 ◆虽然丙氨酸并不抑制赖氨酸的生物合成， 但是丙氨酸的形成意味着赖氨酸前体物丙 酮酸和天冬氨酸的减少。 ◆因此育成丙氨酸缺陷型，切断丙氨酸的 生物合成，就会提高赖氨酸的产量。
⑴切断了生物合成苏氨酸和蛋氨酸的支路 代谢，使天冬氨酸半醛这一中间产物全 部转入赖氨酸的合成; ⑵通过限量添加高丝氨酸，可使蛋氨酸、 苏氨酸生成有限，因而解除了苏氨酸、 赖氨酸对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制， 使赖氨酸得以积累。
例3
鸟氨酸发酵
• 利用营养缺陷型菌株发酵生产中间产 物，如可以利用谷氨酸棒杆菌的瓜氨 酸营养缺陷型（缺少转氨甲酰酶）进 行发酵大量累积鸟氨酸。
所谓代谢控制发酵，就是人为地 在DNA分子水平上改变和控制微生物 的代谢活动，使目的产物大量生成、 积累。
★ 改变微生物代谢调节的方法：
☆采用物理化学诱变，获得营养缺 陷型，这是氨基酸生产菌育种的 最有效的方法。
营养缺陷型：指某菌种失去合成某种物 质的能力，即合成途径中某一步发生突 变，使合成反应不能完成，最终产物不 能积累到引起反馈调节的浓度，从而有 利于中间产物或另一分支途径的末端产 物得以积累。
第二章微生物的代谢调控与代谢工程.pptx
把大肠杆菌培养在含有葡 萄糖和乳糖的培养基中， 可明显看到大肠杆菌经历 了两个对数期。
葡萄糖在第一个周期中被 利用。在葡萄糖代谢初期， -半乳糖苷酶和半乳糖苷 透性酶的合成受阻遏，使 乳糖不被利用。
葡萄糖被消耗完后，乳糖代谢所需的酶开始合成，于是出 现了利用乳糖的第二个生长周期。
这种抑制青霉素合成及乳糖利用的现象，起初认为
第二章 微生物的代谢调控与代谢工程
第一节 微生物代谢的自我调节 第二节 微生物的代谢调控 第三节 提高代谢产物产量的方法 第四节 代谢工程
第一节 微生物代谢的自我调节
微生物代谢是受到高度调节的，如下事实可以说明
1）微生物生长在含单一有机化合物为能源的合成培养基中，所 有大分子单体（如氨基酸）的合成速率同大分子（如蛋白质） 的合成速率协调一致，不会浪费能量去合成那些他们用不着的 东西。
(有活性)
H2O
又如: 大肠杆菌谷氨酰胺合成酶(GS)
12个完全相同亚基(分子量50 000)，排成两层六角环结构;
每个亚基含有催化部位和结合效应物的变构部位;
每个亚基的酪氨酸残基上还能进行可逆的腺苷酰化，完 全腺苷酰化可结合12个AMP;
完全脱腺苷酰形式是活性最高的，完全腺苷酰化的是活 性最低的;
末端产物阻遏在代谢调节中有重要作用，保证细胞内各种 物质维持适当的浓度；普遍存在于氨基酸核苷酸生物合成途 径中。
分解代谢物阻遏 (catabolite repression)
——是指两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞 利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶 合成的现象。 or ——当培养基中同时存在有多种可供利用的底物时，某些 酶的合成往往被容易利用的底物所阻遏，这就是分解代谢 阻遏。
微生物代谢调节机制和调节模式专家讲座
序列、调整基因和转录调控相关操纵序列；因为一个操纵子全部
结构基因均由同一开启子起始转录并受相同调控元件调整, 所以
从结构上能够将它们看作同一个整体
微生物代谢调节机制和调节模式专家讲座
第18页
二、酶合成调整机制
调整基因
➢调整基因编码调整（阻遏）蛋白, 有两种调整蛋白 ➢负作用调整蛋白, 结合DNA阻断操纵子转录, 此种调
诱导物（Inducer）, 它能够是基质、基质衍
生物, 甚至是产物。普通来说酶基质结构类似
物经常是很好诱导物, 它们不能作为基质被酶
转化
微生物代谢调节机制和调节模式专家讲座
第17页
二、酶合成调整机制
诱导机制
➢ 操纵子是DNA上一段区域, 它包含共转录到一条mRNA上多个
结构基因和这些基因转录所需顺式作用序列, 这些序列包含开启
微生物代谢调节机制和调节模式专家讲座
第23页
二、酶合成调整机制
DNA与蛋白结合
➢ 阻遏物操纵子操纵基因上，妨碍RNA多聚酶经过操纵 基因而关闭操纵子转录；而激活物常结合于开启子-35 区上游，与RNA多聚酶作用，促使操纵子转录
➢DNA结合蛋白: 螺旋——转角——螺旋、锌指结构、 亮氨酸拉链
螺旋-转角-螺旋
第32页
二、酶合成调整机制
酶合成阻遏和弱化
微生物代谢调节机制和调节模式专家讲座
色氨酸操纵子
阻遏
第33页
二、酶合成调整机制
弱化子
➢ 在TrpE基因起始密码前有一个长162bpmRNA片段被称为前导 区, 在前导区中碱基序列为123~150位区域, 当mRNA合成起 始以后, 除非培养基中完全没有色氨酸, 不然转录总在这一区域终 止。产生一个只有140个核苷酸RNA分子, 它编码一条末端有多 个色氨酸多肽链（前导链）。若将此区域缺失后, trp基因表示可 提升6000倍。这个前导区域称为弱化区域, 这个前导肽称为弱 化子
发酵工程PPT课件：3 微生物代谢调节(2-3)
（2）芳香中间体
A 莽草酸途径的中间体或终产物：形成许多次级代 谢物的芳香部分。 B 芳香氨基酸生物合成途径：负责大多数放线菌和 许多植物次生代谢物的生物合成。 C 聚多酮途径：大多数真菌产生的芳香代谢物是由 乙酸通过聚多酮途径合成的。
举例： ①、氯胺苯醇和棒杆菌素的生色团是由分枝酸衍生
的。 ②、利福霉素的芳香成分来自莽草酸。
例1：
在带小棒链霉菌中头霉素C的一种前体，α-氨基 己二酸是由赖氨酸合成途径来的。它与Pr合成竞争 此前体的供应。加入过量的Lys， Lys途径中间体， 二氨基庚二酸或α-氨基己二酸到发酵液中可增加头霉 素的发酵单位。
例2：
产黄青霉的青霉素酰基转移酶可转化异青霉素N， 除去青霉素N的侧链，换上天然青霉素的其他侧链。侧 链的置换取决于发酵液中含有适当的前体，如苯乙酸或 苯氧乙酸11则。故苄青霉素的发酵单位随发酵液中的限 制性苯乙酸的增加而提高
（二）、 前体的作用
（1）抗生素建筑材料
例如： 丙酮酸可用于Ala、Val、Leu等的合成，是几种
肽类抗生素（头孢菌素簇或青霉素簇）合成的重要 中间体。
次级代谢物通常由初级中间体产生，将初级中间体转 化为次级终产物有三个生化过程：
①、生物氧化和还原； ②、生物甲基化； ③、生物卤化。
其特征如下： ①、氧化还原反应：一般涉及醇的氧化或羰基的还
② 、真菌毒素和橘霉素：是由五个C2单位(Ac-CoA加 上4个丙二酰CoA)，2个甲基和由C1库来的羧基合 成的。
③ 、新生霉素：具有更为复杂的来源，它是由葡萄糖、 莽草酸、GLN、C1库、Tyr和乙酸或Leu合成的。
（2）诱导抗生素生物合成
前体具有调节抗生素生产的作用，尤其在细胞 中的特殊合成酶的活性已被激活的情况下。
微生物的新陈代谢(2)
光能/化能自养微生物固定 CO2的主要途径
二、生物固氮
生物固氮作用：将大气中分子态氮<N2>通过微生物固氮酶的 催化而还原成氨<NH3>的过程.生物固氮是地球上仅次于光合 作用的生物化学反应. 〔一〕固氮微生物<nitrogen –fixing organisms ,diazotrophs〕 80余属,全部为原核生物〔包括古生菌〕,主要包括细菌、放线 菌和蓝细菌. 根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系,可将它们分为以 下3类：
转肽酶的转肽作用可被青霉素所抑制. 其作用机制是：青霉素是肽聚糖单体五肽尾 末端的D-丙氨酰—D-丙氨酸的结构类似物,它 们两者可相互竞争转肽酶的活力中心.
1. 代谢是细胞内发生的全部生化反应的总称,主要是由＿＿＿＿和 ＿＿＿＿两个过程组成.微生物的分解代谢是指＿＿＿＿在细胞 内降解成＿＿＿＿,并＿＿＿＿能量的过程；合成代谢是指利用 ＿＿＿＿在细胞内合成＿＿＿＿,并＿＿＿＿能量的过程.
2. 微生物的4种糖酵解途径中,＿＿＿＿是存在于大多数生物体内的 一条主流代谢途径；＿＿＿＿是存在于某些缺乏完整EMP途径 的微生物中的一种替代途径,为微生物所特有；＿＿＿＿是产生4 碳、5碳等中间产物,为生物合成提供多种前体物质的途径.
UDP
UDP G
G M P P 类脂
M P P 类脂
G M P P 类脂
UMP UDP M
P
类 脂
P P 类脂
杆菌肽
万古霉素
〔三〕在细胞膜外的合成
从焦磷酸类脂 载体上卸下来 的肽聚糖单体, 会被运送到 细胞膜外正在 活跃合成肽聚 糖的部位. 原有肽聚糖分 子成了新合成 分子的引物.
在细胞膜外合成 肽聚糖时的转糖基 作用和转肽作用
二、生物固氮
生物固氮作用：将大气中分子态氮<N2>通过微生物固氮酶的 催化而还原成氨<NH3>的过程.生物固氮是地球上仅次于光合 作用的生物化学反应. 〔一〕固氮微生物<nitrogen –fixing organisms ,diazotrophs〕 80余属,全部为原核生物〔包括古生菌〕,主要包括细菌、放线 菌和蓝细菌. 根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系,可将它们分为以 下3类：
转肽酶的转肽作用可被青霉素所抑制. 其作用机制是：青霉素是肽聚糖单体五肽尾 末端的D-丙氨酰—D-丙氨酸的结构类似物,它 们两者可相互竞争转肽酶的活力中心.
1. 代谢是细胞内发生的全部生化反应的总称,主要是由＿＿＿＿和 ＿＿＿＿两个过程组成.微生物的分解代谢是指＿＿＿＿在细胞 内降解成＿＿＿＿,并＿＿＿＿能量的过程；合成代谢是指利用 ＿＿＿＿在细胞内合成＿＿＿＿,并＿＿＿＿能量的过程.
2. 微生物的4种糖酵解途径中,＿＿＿＿是存在于大多数生物体内的 一条主流代谢途径；＿＿＿＿是存在于某些缺乏完整EMP途径 的微生物中的一种替代途径,为微生物所特有；＿＿＿＿是产生4 碳、5碳等中间产物,为生物合成提供多种前体物质的途径.
UDP
UDP G
G M P P 类脂
M P P 类脂
G M P P 类脂
UMP UDP M
P
类 脂
P P 类脂
杆菌肽
万古霉素
〔三〕在细胞膜外的合成
从焦磷酸类脂 载体上卸下来 的肽聚糖单体, 会被运送到 细胞膜外正在 活跃合成肽聚 糖的部位. 原有肽聚糖分 子成了新合成 分子的引物.
在细胞膜外合成 肽聚糖时的转糖基 作用和转肽作用
4.1微生物代谢调节 2节
26
对于分支代谢途径来说，情况比较复杂， 每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条 分支途径的酶，而代谢途径分支点前的“公 共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻 遏。 任何一种末端产物的单独存在，都不 影响酶合成，只有当所有末端产物同时存在 时，才能发挥阻遏作用的现象称为多价阻遏 (Multivalent repression)。
CW结构特别是骨架结构的部分破坏或变形，间接
影响膜(膜的物理状态)对溶质的通透性。
2.1.2 酶催化能力的调节
细胞内存在的酶分子的数量及其活性的调节 调节反应途径中的酶水平（酶分子的浓度）， 特别是关键酶合成或降解的相对速率 改变已存在的酶的活力特别是关键酶的活力
10
2.1.3 酶与底物的相对位置
14
2.3 酶合成的调节理论
酶合成的诱导或阻遏：在某种化合物(包括外 加的和内源性的积累)作用下,导致某种酶合成或合
成速率提高或降低的现象。
15
3
酶合成的调节(粗调）
酶合成的调节：通过调节酶合成的量来 控制微生物代谢速度的调节机制。这类 调节在基因转录水平上进行，对代谢活 动的调节是间接的、缓慢的。
累积反馈抑制
58%
40%
D B
E1
E
Y
A
C F G Z
30%
39
末端产物Y和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产 生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产 物的形成。当Y和Z同时过量，对E1产生的抑制作用则超过 各种末端产物单独过量时的抑制的总和。
超相加反馈抑制
90%
15%
D B
原核细胞内没有典型的细胞器，除了细胞质膜 上存在一些凹陷、皱褶外，细胞内不存在被膜 分隔的多个空间，因此，在细胞内似乎不存在
对于分支代谢途径来说，情况比较复杂， 每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条 分支途径的酶，而代谢途径分支点前的“公 共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻 遏。 任何一种末端产物的单独存在，都不 影响酶合成，只有当所有末端产物同时存在 时，才能发挥阻遏作用的现象称为多价阻遏 (Multivalent repression)。
CW结构特别是骨架结构的部分破坏或变形，间接
影响膜(膜的物理状态)对溶质的通透性。
2.1.2 酶催化能力的调节
细胞内存在的酶分子的数量及其活性的调节 调节反应途径中的酶水平（酶分子的浓度）， 特别是关键酶合成或降解的相对速率 改变已存在的酶的活力特别是关键酶的活力
10
2.1.3 酶与底物的相对位置
14
2.3 酶合成的调节理论
酶合成的诱导或阻遏：在某种化合物(包括外 加的和内源性的积累)作用下,导致某种酶合成或合
成速率提高或降低的现象。
15
3
酶合成的调节(粗调）
酶合成的调节：通过调节酶合成的量来 控制微生物代谢速度的调节机制。这类 调节在基因转录水平上进行，对代谢活 动的调节是间接的、缓慢的。
累积反馈抑制
58%
40%
D B
E1
E
Y
A
C F G Z
30%
39
末端产物Y和Z单独过量时，各自对途径中第一个酶E1仅产 生较小的抑制作用，一种末端产物过量并不影响其他末端产 物的形成。当Y和Z同时过量，对E1产生的抑制作用则超过 各种末端产物单独过量时的抑制的总和。
超相加反馈抑制
90%
15%
D B
原核细胞内没有典型的细胞器，除了细胞质膜 上存在一些凹陷、皱褶外，细胞内不存在被膜 分隔的多个空间，因此，在细胞内似乎不存在
第二章微生物的代谢调节及控制应用
17
直线式代谢途径的反馈控制 大肠杆菌的异亮氨酸合成途径（首先发现）
苏氨酸是合成异亮氨酸的前体 给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时，该菌株 可以合成异亮氨酸， 若同时添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异 亮氨酸了。 原因：异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途 径的第一个酶，即L-苏氨酸脱氨酶.
18
提高磷酸盐竞争某些必需金属离子的作用
28
3 细胞膜透性的调节
在青霉素发酵中，产生菌细胞 膜输入硫化物能力的大小影响青霉 素发酵单位的高低。若输入硫化物 能力增大，硫源供应充足，合成青 霉素的量就增多。
29
第二节 代谢的人工控制及应用
工业发酵的目的就是大量地积累人们所需 要的微生物代谢产物。在正常生理条件下, 微生 物总是通过其代谢调节系统最经济地吸收利用 营养物质用于合成细胞结构，进行生长和繁殖， 它们通常不浪费原料和能量，也不积累中间代 谢产物。 人为地打破微生物的代谢控制体系，就有可 能使代谢朝着人们希望的方向进行，这就是所 谓代谢的人工控制。 • 主要是通过遗传学和生物化学方法来实现的
30
一. 遗传学的方法
通过改变微生物遗传物质可以 从根本上打破微生物原有的代谢控 制机制，具体包括应用特定的营养 缺陷型突变株、渗漏突变菌株、抗 反馈调节的突变株、抗分解代谢突 变株以及组成型突变菌株。
31
1.营养缺陷型突变株的应用 对于直线式代谢途径，选育末端代谢产物营养 缺陷型的突变株只能积累中间代谢产物。
23
六. 次级代谢与次级代谢调节
次级代谢是某些生物为了避免代谢过程中， 某种代谢产物的积累造成的不利作用，而产 生的一类有利于生存的代谢类型，其生产能 力常受金属离子的影响。
通过次级代谢合成的产物称为次级代谢产物， 如抗生素、毒素、色素、激素等。目前由微 生物产生的抗生素大约有6000多中，其中有 4500种产生由放线菌。
直线式代谢途径的反馈控制 大肠杆菌的异亮氨酸合成途径（首先发现）
苏氨酸是合成异亮氨酸的前体 给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时，该菌株 可以合成异亮氨酸， 若同时添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异 亮氨酸了。 原因：异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途 径的第一个酶，即L-苏氨酸脱氨酶.
18
提高磷酸盐竞争某些必需金属离子的作用
28
3 细胞膜透性的调节
在青霉素发酵中，产生菌细胞 膜输入硫化物能力的大小影响青霉 素发酵单位的高低。若输入硫化物 能力增大，硫源供应充足，合成青 霉素的量就增多。
29
第二节 代谢的人工控制及应用
工业发酵的目的就是大量地积累人们所需 要的微生物代谢产物。在正常生理条件下, 微生 物总是通过其代谢调节系统最经济地吸收利用 营养物质用于合成细胞结构，进行生长和繁殖， 它们通常不浪费原料和能量，也不积累中间代 谢产物。 人为地打破微生物的代谢控制体系，就有可 能使代谢朝着人们希望的方向进行，这就是所 谓代谢的人工控制。 • 主要是通过遗传学和生物化学方法来实现的
30
一. 遗传学的方法
通过改变微生物遗传物质可以 从根本上打破微生物原有的代谢控 制机制，具体包括应用特定的营养 缺陷型突变株、渗漏突变菌株、抗 反馈调节的突变株、抗分解代谢突 变株以及组成型突变菌株。
31
1.营养缺陷型突变株的应用 对于直线式代谢途径，选育末端代谢产物营养 缺陷型的突变株只能积累中间代谢产物。
23
六. 次级代谢与次级代谢调节
次级代谢是某些生物为了避免代谢过程中， 某种代谢产物的积累造成的不利作用，而产 生的一类有利于生存的代谢类型，其生产能 力常受金属离子的影响。
通过次级代谢合成的产物称为次级代谢产物， 如抗生素、毒素、色素、激素等。目前由微 生物产生的抗生素大约有6000多中，其中有 4500种产生由放线菌。
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▪ 单向途径的反馈调节( 2种)
✓ 单价终产物的反馈抑制 ✓ 前馈作用
▪ 分支途径的反馈抑制(5种)
✓ 协同反馈抑制 ✓ 累积反馈抑制 ✓ 增效反馈抑制 ✓ 顺序反馈抑制 ✓ 同功酶调节
1．单价终产物的反馈抑制（负反馈,negative feedback）终产物X抑制限速酶
2．前馈作用 ▪ 前体代谢物的激活（前馈激活）----指前体代
▪ 由两种酶控制的逆单向反应：即在一个“可逆”反应中，其中 一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。
葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖
6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
4、代谢速度的调控
▪ 在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性 和酶量来控制代谢物的流量。
▪ 细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用而 实现的，也就是说，细胞内各种酶类的活性 都处在受控制的状态下，必须根据细胞对能 量以及对合成某些组分的要求而进行各种酶 促反应，并可随时减慢或加速某一物质（氨 基酸等）的合成。
精品
微生物的代谢调节 (2)
微生物在生长过程中，机体内的复杂的代 谢过程可以互相协调，相辅相成，导致微 生物的生理活动过程同环境高度地统一起 来，这是通过代谢调节的方式来实现的。
第一节 微生物代谢调节概论
生物体的代谢是和其周围环境分不开的。生 物具有适应环境的能力，只有随着环境的变 化，生物机体才能同时调整和改变其体内的 代谢过程去适应新的环境，才能生存和发展， 否则只能被淘汰。
1、细胞透性的调节
▪ 细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢 产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。
▪ 大多数基质输入细胞需要借助透性酶和能量， 所以通过控制透性酶本身的合成及ATP的供 应，可以调节基质的输入。
2、代谢途径区域化
▪ 真核微生物细胞内，各种酶系被细胞器隔离分 布，底物分别储存在各种有膜的细胞器内，从 而影响酶与底物的作用。
▪ 激活剂可以是外源物质、金属离子或机体代谢过程中 产生与累积的代谢产物（主要）。
▪ 代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活，主 要有两种情况：前体激活和代谢中间产物的反馈激活 (较少见)。
前体激活：代谢途径中后面的酶促反应可被
该途径中较前面的一个中间物所促进。
A B CD E
反馈激活：代谢途径中间产物对该途径中
微生物的代谢调节一般指反应速度的调节和 对代谢途径方向的控制两个方面，但后者必 须在前者的基础上进行。
二、细胞调节的类型：
▪ 1、酶活性调节——属代谢调节，对已有酶分子的活 性调节（酶化学水平）；
✓ 酶活性的调节主要通过终产物或中间产物对已有的 酶分子活性的激活或抑制来控制代谢速率（也称反 馈抑制），包括正反馈、负反馈(分解代谢中较多见 如EMP），在代谢途径中的第一个酶一般称为限速 酶，反馈抑制中，终产物总是往往抑制限速酶，有 分支代谢途径的情况相对较复杂，因在分支途径中 也有“第一个酶”（限速酶）。
有2种情况
①在分支代谢途径中有2个或2个以上终产物同时过量 时(E，G)，可抑制共同途径的起始步骤，单独过量时 不表现抑制作用（协同反馈抑制或多价反馈抑制）。
代谢的平衡是动态的、相对的，生物界存在 三种不同水平上的调节：
▪ 细胞内调节----微生物属此类，最原始的也是 基本的调节
▪ 激素调节----是高一级的调节方式
▪ 神经调节----最高级的调节方式
▪ 后两种在高等生物中进行，同时也进行细胞 内调节。
一、微生物代谢调节的方式
▪ 1、细胞透性的调节 ▪ 2、代谢途径区域化 ▪ 3、代谢流向的调控 ▪ 4、代谢速度的调控
谢物对催化后阶段 反应中某酶的激活 作用。
▪ 前馈抑制：指前体代谢物对催化后阶段反应 中某酶的抑制作用。
乙酰CoA +CO2 +H2O +ATP 乙酰CoA羧化酶 丙二酸单酰CoA+ ADP+ Pi
▪ 中间代谢物的激活（反馈激活）----指中间代 谢物对途径中的前阶段或第一个酶活性的激 活。
3．协同反馈抑制(concerted feedback inhibition)
前面的酶起激活作用。
A B CD E
（二）酶活性的抑制
▪ 指在某个酶促反应系 统中，加入某种低分 子量的物质后，导致 酶活力降低的过程。
▪ 抑制剂可以是外源物 质（竞争性抑制）和 机体自身代谢过程中 产生与累积的代谢产 物（反馈抑制）
二、酶活性调节的类型
（一）反馈调节的模式
▪ 反馈指的是代谢反应某些中间代谢物或末端产物对前面反应 的影响。包括正反馈和负反馈，其中以负反馈为主。
3、代谢流向的调控
▪ 微生物在不同的条件下可以通过控制各代谢途径中某 个酶促反应的速率来控制代谢的流向。这种控制可按 以下方式进行：
▪ 由一个关键酶控制的可逆反应：同一个酶可以通过不同的辅基 或辅酶控制代谢物的流向。
• 例如：3-磷酸甘油醛脱氢酶，在EMP途径中催化3-磷酸甘油醛氧化成3-磷酸 甘油酸；但在卡尔文循环中则催化3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛，前者 是NAD+为辅酶，后者则以NADP+为辅酶。
第二节 酶活性的调节
酶活性的调节是通过改变代谢途径中一个或 几个关键酶的活性来调节代谢速度的调节方 式。包括酶活性的激活和抑制。
一、酶活性的激活和抑制
（一）酶活性的激活
▪ 指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质 后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或 活性提高，从而使酶促反应速度提高的过程。
• 例如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，与DNA合成 的酶位于细胞核内。
原核微生物的细胞结构虽然简单，但也划分出 不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集 中在某一区域，保证该代谢途径的酶促反应正 常进行。
• 例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，分解大分子的水解酶，阴 性细菌位于壁膜间隙中，阳性细菌则分，调节酶分子的合成 量（遗传学水平）；
✓ 酶合成的调节（基因调节）主要通过酶量的变化来 控制代谢速率。主要通过:
诱导式 导致酶的合成
阻遏式 阻止酶的合成 以上两种调节均能改变代谢途径中的物质流，可使
细胞系统中的物质既不会堆积起来造成浪费，也不 会因代谢短缺而供不应求，始终能保持各种代谢物 的浓度相对稳定或代谢过程的动态平衡。
✓ 单价终产物的反馈抑制 ✓ 前馈作用
▪ 分支途径的反馈抑制(5种)
✓ 协同反馈抑制 ✓ 累积反馈抑制 ✓ 增效反馈抑制 ✓ 顺序反馈抑制 ✓ 同功酶调节
1．单价终产物的反馈抑制（负反馈,negative feedback）终产物X抑制限速酶
2．前馈作用 ▪ 前体代谢物的激活（前馈激活）----指前体代
▪ 由两种酶控制的逆单向反应：即在一个“可逆”反应中，其中 一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。
葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖
6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
4、代谢速度的调控
▪ 在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性 和酶量来控制代谢物的流量。
▪ 细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用而 实现的，也就是说，细胞内各种酶类的活性 都处在受控制的状态下，必须根据细胞对能 量以及对合成某些组分的要求而进行各种酶 促反应，并可随时减慢或加速某一物质（氨 基酸等）的合成。
精品
微生物的代谢调节 (2)
微生物在生长过程中，机体内的复杂的代 谢过程可以互相协调，相辅相成，导致微 生物的生理活动过程同环境高度地统一起 来，这是通过代谢调节的方式来实现的。
第一节 微生物代谢调节概论
生物体的代谢是和其周围环境分不开的。生 物具有适应环境的能力，只有随着环境的变 化，生物机体才能同时调整和改变其体内的 代谢过程去适应新的环境，才能生存和发展， 否则只能被淘汰。
1、细胞透性的调节
▪ 细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢 产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。
▪ 大多数基质输入细胞需要借助透性酶和能量， 所以通过控制透性酶本身的合成及ATP的供 应，可以调节基质的输入。
2、代谢途径区域化
▪ 真核微生物细胞内，各种酶系被细胞器隔离分 布，底物分别储存在各种有膜的细胞器内，从 而影响酶与底物的作用。
▪ 激活剂可以是外源物质、金属离子或机体代谢过程中 产生与累积的代谢产物（主要）。
▪ 代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活，主 要有两种情况：前体激活和代谢中间产物的反馈激活 (较少见)。
前体激活：代谢途径中后面的酶促反应可被
该途径中较前面的一个中间物所促进。
A B CD E
反馈激活：代谢途径中间产物对该途径中
微生物的代谢调节一般指反应速度的调节和 对代谢途径方向的控制两个方面，但后者必 须在前者的基础上进行。
二、细胞调节的类型：
▪ 1、酶活性调节——属代谢调节，对已有酶分子的活 性调节（酶化学水平）；
✓ 酶活性的调节主要通过终产物或中间产物对已有的 酶分子活性的激活或抑制来控制代谢速率（也称反 馈抑制），包括正反馈、负反馈(分解代谢中较多见 如EMP），在代谢途径中的第一个酶一般称为限速 酶，反馈抑制中，终产物总是往往抑制限速酶，有 分支代谢途径的情况相对较复杂，因在分支途径中 也有“第一个酶”（限速酶）。
有2种情况
①在分支代谢途径中有2个或2个以上终产物同时过量 时(E，G)，可抑制共同途径的起始步骤，单独过量时 不表现抑制作用（协同反馈抑制或多价反馈抑制）。
代谢的平衡是动态的、相对的，生物界存在 三种不同水平上的调节：
▪ 细胞内调节----微生物属此类，最原始的也是 基本的调节
▪ 激素调节----是高一级的调节方式
▪ 神经调节----最高级的调节方式
▪ 后两种在高等生物中进行，同时也进行细胞 内调节。
一、微生物代谢调节的方式
▪ 1、细胞透性的调节 ▪ 2、代谢途径区域化 ▪ 3、代谢流向的调控 ▪ 4、代谢速度的调控
谢物对催化后阶段 反应中某酶的激活 作用。
▪ 前馈抑制：指前体代谢物对催化后阶段反应 中某酶的抑制作用。
乙酰CoA +CO2 +H2O +ATP 乙酰CoA羧化酶 丙二酸单酰CoA+ ADP+ Pi
▪ 中间代谢物的激活（反馈激活）----指中间代 谢物对途径中的前阶段或第一个酶活性的激 活。
3．协同反馈抑制(concerted feedback inhibition)
前面的酶起激活作用。
A B CD E
（二）酶活性的抑制
▪ 指在某个酶促反应系 统中，加入某种低分 子量的物质后，导致 酶活力降低的过程。
▪ 抑制剂可以是外源物 质（竞争性抑制）和 机体自身代谢过程中 产生与累积的代谢产 物（反馈抑制）
二、酶活性调节的类型
（一）反馈调节的模式
▪ 反馈指的是代谢反应某些中间代谢物或末端产物对前面反应 的影响。包括正反馈和负反馈，其中以负反馈为主。
3、代谢流向的调控
▪ 微生物在不同的条件下可以通过控制各代谢途径中某 个酶促反应的速率来控制代谢的流向。这种控制可按 以下方式进行：
▪ 由一个关键酶控制的可逆反应：同一个酶可以通过不同的辅基 或辅酶控制代谢物的流向。
• 例如：3-磷酸甘油醛脱氢酶，在EMP途径中催化3-磷酸甘油醛氧化成3-磷酸 甘油酸；但在卡尔文循环中则催化3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛，前者 是NAD+为辅酶，后者则以NADP+为辅酶。
第二节 酶活性的调节
酶活性的调节是通过改变代谢途径中一个或 几个关键酶的活性来调节代谢速度的调节方 式。包括酶活性的激活和抑制。
一、酶活性的激活和抑制
（一）酶活性的激活
▪ 指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质 后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或 活性提高，从而使酶促反应速度提高的过程。
• 例如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，与DNA合成 的酶位于细胞核内。
原核微生物的细胞结构虽然简单，但也划分出 不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集 中在某一区域，保证该代谢途径的酶促反应正 常进行。
• 例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，分解大分子的水解酶，阴 性细菌位于壁膜间隙中，阳性细菌则分，调节酶分子的合成 量（遗传学水平）；
✓ 酶合成的调节（基因调节）主要通过酶量的变化来 控制代谢速率。主要通过:
诱导式 导致酶的合成
阻遏式 阻止酶的合成 以上两种调节均能改变代谢途径中的物质流，可使
细胞系统中的物质既不会堆积起来造成浪费，也不 会因代谢短缺而供不应求，始终能保持各种代谢物 的浓度相对稳定或代谢过程的动态平衡。