微生物初级代谢调节
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1 微生物初级代谢调节
一、微生物初级代谢调节种类：
• 1.酶活性的调节
• 共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；
• 变构效应；
• 缔合和解离；
• 竞争性抑制；
• 2.酶合成的调节：
• 酶的诱导（诱导物）；
• 酶的阻遏（阻遏蛋白和辅阻遏物）；
二、初级代谢调节的机制和形式
• 机制：
• （1）诱导型操纵子
• （2）阻遏型操纵子
• 形式：
• （1）末端产物或终产物阻遏（反馈调节）
• （2）分解代谢产物阻遏（中间产物）
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，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 2 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。
诱导操纵子
• Ⅰ. Jacob-Monod 操纵子模型（负调节）— 乳糖操纵子。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，能阻止转录的进行。
诱导型操纵子调节机制Ⅰ. 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
Ⅱ.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。
3 诱导型操纵子调节机制Ⅱ.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
三、分解代谢产物阻遏
1.分解代谢产物阻遏（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。
2.分解代谢产物阻遏的分子机制
• 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。 4 （1）分解代谢产物阻遏：碳阻遏
葡萄糖阻遏－半乳糖苷酶的生物合成机理：
葡萄糖的大量存在，降低了胞内 cAMP 浓度：
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cAMP－CRP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。
（2）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。
四、代谢调控的应用
运用代谢控制理论，特别是前面阻遏调控等理论，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。 5
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。
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。
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。
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。
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。
其原因是：
6 （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，仍具有催化活性。
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。通过菌种对不同条件、物质的敏感性不同进行筛选从而得到优良菌株。
