1、第 三 章 微生物的代謝調(diào)控實(shí)際及其在食品發(fā)酵與釀造中的運(yùn)用 .本章主要內(nèi)容第一節(jié) 微生物的代謝與調(diào)理的生化根底一、初級(jí)代謝和次級(jí)代謝 二、代謝調(diào)理的部位三、與代謝調(diào)理有關(guān)的酶第二節(jié) 微生物代謝的協(xié)調(diào)作用一、誘導(dǎo)作用 二、分解代謝物的調(diào)理三、反響調(diào)理 四、能荷調(diào)理第三節(jié) 代謝控制在工業(yè)發(fā)酵中的運(yùn)用一、發(fā)酵工藝條件的控制 二、菌種遺傳特性的改動(dòng)三、控制細(xì)胞膜的浸透性.第一節(jié) 微生物的代謝與調(diào)理的生化根底. 1.代謝概述 新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝和合成代謝的總 和，即：新陳代謝=分解代謝+合成代謝 。新陳代謝又可分為初級(jí)代謝和次級(jí)代謝。 分解代謝是指 把復(fù)雜的有機(jī)物分子分解成簡(jiǎn)單的化

2、合物，并釋放能量的過(guò)程。一、初級(jí)代謝和次級(jí)代謝. 合成代謝是指由簡(jiǎn)單化合物合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程。 初級(jí)代謝是指微生物的生長(zhǎng)、分化和繁衍所必需的代謝活動(dòng)。 次級(jí)代謝是指非微生物生命活動(dòng)所必需的代謝活動(dòng)。. 2.初級(jí)代謝產(chǎn)物定義： 微生物經(jīng)過(guò)代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的、本身生長(zhǎng)和繁 殖所必需的物質(zhì)。舉例： 氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等。特征：不同的微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物根本一樣；初級(jí)代謝產(chǎn)物合成過(guò)程是延續(xù)不斷的。. 3.次級(jí)代謝產(chǎn)物定義： 微生物生長(zhǎng)到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)構(gòu)造非常 復(fù)雜、對(duì)該微生物無(wú)明顯生理功能，或并非是 微生物生長(zhǎng)和繁衍所必需的物質(zhì)。舉例： 抗生素、毒素、激素、色素等。特征： 不同的

3、微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物不同； 微生物生長(zhǎng)到一定階段才產(chǎn)生。 .二 、代謝調(diào)理的部位生物體的新陳代謝活動(dòng)都是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)展的每個(gè)細(xì)胞內(nèi)分子都不是獨(dú)立的，而是相互聯(lián)絡(luò)分工協(xié)作，實(shí)踐是像一個(gè)有一定組織構(gòu)造的加工廠。細(xì)胞工廠的根本機(jī)件是生物催化劑酶微生物細(xì)胞體內(nèi)具有一整套準(zhǔn)確、合理、經(jīng)濟(jì)、高效的代謝機(jī)構(gòu)。生物體有自我調(diào)理的才干。.近年來(lái)對(duì)生物細(xì)胞的研討闡明：微生物代謝過(guò)程的自我調(diào)理表如今控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，酶與底物的接觸和代謝物的流向等三個(gè)環(huán)節(jié)上。許多化合物代謝所在的部位是遭到控制的：P51圖3-1 1、通道 2、通量 3、限制其基質(zhì)有形接近.三、與代謝調(diào)理有關(guān)的酶與微生物代謝調(diào)理有關(guān)的酶有同功酶、別構(gòu)酶

4、、多功能酶。.指具有不同分子構(gòu)造但催化一樣反響的一組酶。不同點(diǎn)：體外：理化性質(zhì) 體內(nèi)：催化特性、分布的部位、生物學(xué)功能 每組同工酶中各種酶的異同：一樣點(diǎn)：催化一樣的化學(xué)反響,大多數(shù)是寡聚酶。同工酶的定義：一同功酶.一同工酶同工酶的作用： 對(duì)于順應(yīng)不同的組織、器官的不同生理需求非常重要；是代謝調(diào)理的一種重要方式，它的主要功能在于其代謝調(diào)理。.同功酶調(diào)理 同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)理，在一個(gè)分支代謝途徑中，假設(shè)在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反響是由幾個(gè)同功酶所催化時(shí)，那么分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制造用。 . 例如，大腸桿菌以天門(mén)冬氨酸為前體合成蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(Il

5、eu)、甲硫氨酸(Met)和賴氨酸(Lys)的代謝途徑中有三種天門(mén)冬氨酸激酶的同功酶(AKI、AKII和AKIII)和兩種高絲氨酸脫氫酶的同功酶(HSDHI和HSDHII)。其中AKI和HSDHI遭到蘇氨酸、異亮氨酸的反響抑制和阻遏，AKII和HSDHII受甲硫氨酸的反響抑制和阻遏；AKIII受賴氨酸的反響抑制和阻遏。 .二別 構(gòu) 酶 又稱變構(gòu)酶。有些酶的分子外表除了活性中心外，還具有重要的功能部位調(diào)理中心 調(diào)理中心可以與小分子的代謝物相結(jié)合，使酶分子的構(gòu)象發(fā)生改動(dòng)，從而影響酶的活性。這種作用叫變構(gòu)效應(yīng)(又叫別構(gòu)效應(yīng))； 具有變構(gòu)效應(yīng)的酶叫變構(gòu)酶，引起變構(gòu)的小分子物質(zhì)叫變構(gòu)劑(調(diào)理物)。.二別

6、 構(gòu) 酶 變構(gòu)酶別構(gòu)酶是指一些含有2個(gè)或2個(gè)以上亞基的寡聚酶，在變構(gòu)酶分子上，別構(gòu)效應(yīng)劑的調(diào)理部位普通遠(yuǎn)離活性中心，但活性部位與調(diào)理部位之間或者活性部位之間，存在著相互作用變構(gòu)效應(yīng)，協(xié)同效應(yīng)。調(diào)理物與酶分子的調(diào)理部位結(jié)合之后，引起酶分子構(gòu)象發(fā)生變化，從而提高或降低活性部位的酶活性 . 使酶活性升高的變構(gòu)叫正變構(gòu)，此時(shí)的變構(gòu)劑叫正變構(gòu)劑(正調(diào)理物)； 使酶活性降低的變構(gòu)叫負(fù)變構(gòu)，此時(shí)的變構(gòu)劑叫負(fù)變構(gòu)劑(負(fù)調(diào)理物)。二別 構(gòu) 酶.變構(gòu)酶的特點(diǎn)：變構(gòu)酶分子上除了活性中心外，還有調(diào)理中心。這兩個(gè)中心處在酶蛋白的不同部位，有的在不同的亞基上，有的在同一亞基上。變構(gòu)酶的 v-S 的關(guān)系不符合米氏方程，所以

7、其曲線不是雙曲線型。知的變構(gòu)酶都是寡聚酶。. 別構(gòu)酶動(dòng)力學(xué)曲線A.為非調(diào)理酶的曲線 B.為別構(gòu)酶的S形曲線 .別構(gòu)酶的調(diào)理作用：不同的別構(gòu)酶的調(diào)理物分子不同。有的別構(gòu)酶具有同促效應(yīng)，有的別構(gòu)酶具有異促效應(yīng)，更多的別構(gòu)酶酶是既具有同促效應(yīng)又具有異促效應(yīng)。別構(gòu)酶的活性中心擔(dān)任酶對(duì)底物的結(jié)合與催化別構(gòu)中心那么擔(dān)任調(diào)理酶反響的速度。.三 多功能酶多功能酶普通指構(gòu)造上只需一條多肽鏈，但具有兩種或兩種以上的催化活力或結(jié)合功能的蛋白質(zhì)。現(xiàn)已有證據(jù)證明，多功能酶是由于部分或完全的基因交融而構(gòu)成的。對(duì)上述同工酶、別構(gòu)酶和多功能酶的討論，將有助于闡明代謝過(guò)程的調(diào)理機(jī)制，以便更好的加以控制，使代謝產(chǎn)物得以提高，意義

8、是非常艱苦的。.第二節(jié) 微生物代謝的協(xié)調(diào)作用. 微生物有著準(zhǔn)確的代謝調(diào)理系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無(wú)誤地進(jìn)展催化反響。 微生物的代謝調(diào)理方式很多，其中以調(diào)理代謝流的方式最為重要，它包括調(diào)理酶的合成量“粗調(diào)和調(diào)理現(xiàn)成酶分子的催化活力“細(xì)調(diào)，兩者往往親密配合和協(xié)調(diào)，以到達(dá)最正確調(diào)理效果 經(jīng)過(guò)自然缺損或人工突變獲得微生物代謝調(diào)控的變異菌株，提供發(fā)酵工業(yè)用高產(chǎn)菌株 .一、酶活性的調(diào)理 酶活性的調(diào)理是指在酶分子程度上的一種代謝調(diào)理，它是經(jīng)過(guò)改動(dòng)現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)理新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制。 酶活性的激活系指在分解代謝途徑中，后面的反響可被較前面的中間產(chǎn)物所促進(jìn)。 酶活性的抑制主要是反響抑

9、制，它主要表如今某代謝途徑的末端產(chǎn)物即終產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性，促使整個(gè)反響過(guò)程減慢或停頓，防止終產(chǎn)物的過(guò)多累積。.1.酶活性的激活 在激活劑的作用下，使原來(lái)無(wú)活性的酶變成有活性，或使原來(lái)活性低的酶提高了活性的景象。 代謝調(diào)理的激活作用主要是指代謝物對(duì)酶的激活。 前體激活是指代謝途徑中后面的酶促反響，可被該途徑中較前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。 代謝中間產(chǎn)物的反響激活是指代謝中間產(chǎn)物對(duì)該代謝途徑的前面的酶起激活作用 .2.酶活性的抑制 抑制和激活相反。由于某些物質(zhì)的存在，降低酶活性，稱為抑制。抑制可以是不可逆的，這將呵斥代謝作用的停頓；抑制也有可逆的，當(dāng)抑制劑除

10、去后，酶活性又恢復(fù)。在代謝調(diào)理過(guò)程中所發(fā)生的抑制景象主要是可逆的，而且大多屬于反響抑制。 反響抑制是指代謝的末端產(chǎn)物對(duì)酶(往往是代謝途徑中的第一個(gè)酶)活性的抑 制。反響抑制造用在生物體內(nèi)普通存在，它在維持細(xì)胞正常代謝、經(jīng)濟(jì)有效地利用代謝原料、以及順應(yīng)環(huán)境的變化，都具有重要作用。包括無(wú)分支代謝途徑的調(diào)理和有分支代謝途徑的調(diào)理。 .2.1 無(wú)分支代謝途徑的調(diào)理 無(wú)分支代謝途徑的調(diào)理通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對(duì)催化第一步反響的酶活性有抑制造用。 例如，在大腸桿菌中，由蘇氨酸(Thr)合成異亮氨酸(IIeu)時(shí)，異亮氨酸對(duì)催化反響途徑中的第一步反響的蘇氨酸脫氨酶(TD)有抑制造用。.2.2 有分

11、支代謝途徑的調(diào)理 在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支合成代謝途徑中，調(diào)理方式較復(fù)雜，其共同特點(diǎn)是每個(gè)分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶，同時(shí)每個(gè)末端產(chǎn)物又對(duì)整個(gè)途徑的第一個(gè)酶有部分的抑制造用，分支代謝的反響調(diào)理方式有多種：1同工酶調(diào)理；2協(xié)同反響抑制；3協(xié)作反響抑制；4累積反響抑制；5順序反響抑制. 2 協(xié)同反響抑制 指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才干抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反響調(diào)理方式。. 例如，莢膜紅假單胞菌中天門(mén)冬氨酸族氨基酸生物合成途徑中，天門(mén)冬氨酸激酶(AK)是受末端產(chǎn)物賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反響抑制。.3協(xié)作反響抑制 指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以起著比一種末端

12、產(chǎn)物大得多的反響抑制造用。.例如，一定量的GMP或AMP僅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸酰胺基轉(zhuǎn)移酶活力的10，而當(dāng)二者混合時(shí)，那么可抑制其酶活力的50。由于這些嘌呤核苷酸與5-磷酸核糖-1-焦磷酸并無(wú)構(gòu)造類似性，又因該酶是一種調(diào)理酶，GMP和AMP能夠分別結(jié)合在該酶的不同部位上。例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途徑中，催化第一步反響的酶，5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)的酰胺基轉(zhuǎn)移酶，可被各種嘌呤核苷酸產(chǎn)物(如AMP、GMP)所抑制。.4 累積反響抑制 在分支代謝途徑中各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)，它們各自能對(duì)途徑中的第一個(gè)反響的酶僅產(chǎn)生較小的抑制造用。一種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量并不影響其它末端產(chǎn)物的構(gòu)

13、成，只需當(dāng)幾種末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶產(chǎn)生較大的抑制。. 例如，大腸桿菌谷氨酰胺合成酶(GS)活性的調(diào)理是一個(gè)典型的累積反響調(diào)理的例子。 谷氨酰胺由谷氨酸、銨和ATP合成。谷氨酰胺中的酰胺基是色氨酸、組氨酸、氨基甲酰磷酸、6-磷酸葡萄糖胺、CTP、AMP、GMP等化合物生物合成過(guò)程中的氮源。谷氨酰胺合成酶被谷氨酰胺代謝的每種末端產(chǎn)物以及丙氨酸和甘氨酸所累積抑制。谷氨酰胺合成酶對(duì)這些抑制物中的每一種末端產(chǎn)物均有特異的結(jié)合部位。當(dāng)上述8種末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量都與酶結(jié)合時(shí)，谷氨酰胺合成酶的活性將遭到最大的抑制。 .5順序反響抑制 分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶

14、，只需當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過(guò)量時(shí)，才干對(duì)途徑中的第一個(gè)酶有抑制造用。 . 例如，枯草桿菌在芳香族氨基酸合成中，色氨酸(Try)抑制鄰氨基苯甲酸合成酶(AS)，苯丙氨酸(Phe)抑制預(yù)苯酸脫水酶(PT)，酪氨酸(Tyr)抑制預(yù)苯酸脫氫酶(PD)，預(yù)苯酸和分支酸又部分地抑制7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶(DS)。EP：磷酸烯醇丙酮酸；E4P：4-磷酸赤蘚糖；DAHP：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸；CA：分支酸；Per：預(yù)苯酸；AA：鄰氨基苯甲酸；HPPA：對(duì)羥基苯丙酮酸；PPA：苯丙酮酸；Tyr：酪氨酸；Try：色氨酸；Phe：苯丙氨酸；I：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶；II：鄰

15、氨基苯甲酸合成酶；III：分支酸變位酶；IV：預(yù)苯酸脫氫酶；V：預(yù)苯酸脫水酶 .二、酶合成的調(diào)理 酶合成的調(diào)理是一種經(jīng)過(guò)調(diào)理酶的合成量進(jìn)而調(diào)理代謝 速率的調(diào)理機(jī)制，這是一種在基因程度上的代謝調(diào)理。 凡能促進(jìn)酶生物合成的景象，稱為誘導(dǎo) 能妨礙酶生物合成的景象，那么稱為阻遏。 舉例：亮白曲霉原來(lái)不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但假設(shè)在培育基內(nèi)參與蔗糖，一段時(shí)間后，可合成蔗糖酶，并利用蔗糖。.兩種調(diào)理的對(duì)比酶合成的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)不同點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)象通過(guò)酶量的變化控制代謝速率控制酶活性，不涉及酶量變化調(diào)節(jié)效果相對(duì)緩慢快速、精細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制基因水平調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)控制酶合成代謝調(diào)節(jié)，它調(diào)節(jié)酶活性相同點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)兩種方式

16、同時(shí)存在，密切配合，高效、準(zhǔn)確控制代謝的正常進(jìn)行。.1. 誘 導(dǎo) 根據(jù)酶合成與底物的關(guān)系將酶分為組成型與誘導(dǎo)型兩類。 組成酶是細(xì)胞固有的酶，其合成受相應(yīng)基因控制，與底物、底物構(gòu)造類似物及環(huán)境條件無(wú)關(guān)，它主要用于調(diào)理初級(jí)代謝。 誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為順應(yīng)外來(lái)底物或底物構(gòu)造類似物而暫時(shí)合成的酶。如E.coli在含乳糖培育基上產(chǎn)生的-半乳糖苷酶和半乳糖苷浸透酶就是由乳糖存在而誘導(dǎo)產(chǎn)生的。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物。底物、難以代謝的底物構(gòu)造類似物及底物前體均可作為誘導(dǎo)物。. 酶合成誘導(dǎo)的機(jī)制 在沒(méi)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，調(diào)理基因R編碼的阻遏蛋白與支配基因O相結(jié)合，使附著于啟動(dòng)基因P上的RNA聚合酶不能經(jīng)過(guò)，從而

17、阻止了RNA聚合酶對(duì)構(gòu)造基因S的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)誘導(dǎo)物存在時(shí)，阻遏蛋白因受誘導(dǎo)物作用而構(gòu)型發(fā)生變化，失去與支配基因的結(jié)合才干，從支配基因上解脫下來(lái)，使RNA聚合酶能對(duì)構(gòu)造基因進(jìn)展轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而翻譯成酶蛋白。 .2.阻 遏 在微生物的代謝過(guò)程中，當(dāng)某途徑的末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，可經(jīng)過(guò)妨礙該代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，徹底控制代謝和末端產(chǎn)物合成。阻遏作用有利于微生物從合成源頭節(jié)省有限的養(yǎng)料與能量。 阻遏可分為末端產(chǎn)物阻遏和分解代謝物阻遏。. 酶合成的阻遏的機(jī)制 終產(chǎn)物的反響阻遏在轉(zhuǎn)錄程度上進(jìn)展，終產(chǎn)物為輔阻遏物，它可激活由調(diào)理基因R生成的無(wú)活性阻遏蛋白。輔阻遏物與阻遏蛋白結(jié)合構(gòu)成活化阻遏物，它能與

18、支配基因O結(jié)合，阻止RNA聚合酶對(duì)構(gòu)造基因S的轉(zhuǎn)錄。 .2.1 末端產(chǎn)物阻遏 指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過(guò)量累積而引起的阻遏。對(duì)直線式反響途徑來(lái)說(shuō)，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡(jiǎn)單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。 .2.2 分解代謝物阻遏 指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)有兩種分解底物碳源或氮源存在時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的景象。 分解過(guò)程中所產(chǎn)生的中間代謝物引起的阻遏作用。 某些中間代謝物或末端代謝物的過(guò)量累積而阻遏代謝途徑中一些的酶合成。 如，葡萄糖效應(yīng)。.三、能荷調(diào)理 能荷：即指細(xì)胞中ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可為代謝反響供能的高能磷酸鍵的量度。 能荷的大小與細(xì)胞中

19、ATP、ADP和AMP的相對(duì)含量有關(guān)。當(dāng)細(xì)胞中全部腺苷酸均以ATP方式存在時(shí)，那么能荷最大，為100%，即能荷為滿載。當(dāng)全部以AMP方式存在時(shí)，那么能荷最小，為零。當(dāng)全部以ADP方式存在時(shí)，能荷居中，為50%。假設(shè)三者并存時(shí)，能荷那么隨三者含量的比例不同而表現(xiàn)不同的百分值。 .三、能荷調(diào)理 巴斯德效應(yīng)： 氧氣的存在可以使酵母細(xì)胞進(jìn)展呼吸作用而乙醇的產(chǎn)量顯著下降。 機(jī)理： (1) 氧氣添加，ATP 含量添加。大量的TCA代謝產(chǎn)物抑制PFK 2無(wú)機(jī)磷和ADP 激活PFK 和HK,有氧時(shí)降低無(wú)機(jī)磷和ADP 3G-6-P積累使HK 抑制.第三節(jié) 代謝調(diào)控在工業(yè)發(fā)酵中的運(yùn)用. 正常情況下，微生物代謝產(chǎn)物

20、由于反響抑制和反響阻遏是不會(huì)大量積累的。但自然界里常發(fā)現(xiàn)一些微生物產(chǎn)生了過(guò)量的代謝產(chǎn)物，這主要是由于這些微生物代謝機(jī)制失調(diào)呵斥的，在工業(yè)發(fā)酵上，可運(yùn)用遺傳的和環(huán)境的控制和人為的代謝調(diào)理，使其產(chǎn)物大量積累。 . 如氨基酸發(fā)酵消費(fèi)就是在代謝調(diào)理研討的根底上開(kāi)展起來(lái)的。目前曾經(jīng)可以在轉(zhuǎn)錄和翻譯上控制微生物的代謝，使微生物工業(yè)發(fā)酵進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段，即代謝控制發(fā)酵階段。所謂的代謝控制發(fā)酵，就是人為地在DNA分子程度上改動(dòng)和控制微生物的代謝活動(dòng)，使目的產(chǎn)物大量生成、積累。 . 普通改動(dòng)微生物代謝調(diào)理的方法有如下幾種: 第一種 是采用物理化學(xué)誘變，獲得營(yíng)養(yǎng)缺陷型 第二種方法是運(yùn)用抗反響調(diào)理突變法。 第三種就