【正文】 曲霉毒素等。 生物堿 雖然生物堿大部分由植物合成，但某些霉菌合成的生物堿如麥角生物堿，即屬于次生代謝產(chǎn)物。麥角生物堿在臨床上主要用來(lái)作為防止產(chǎn)后出血、治療交感神經(jīng)過(guò)敏、周期性偏頭痛和降低血壓等疾病的藥物。 第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn) 本節(jié)提要： 微生物代謝過(guò)程中的自我調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié) 代謝調(diào)控理論的應(yīng)用 一、微生物代謝過(guò)程中的自我調(diào)節(jié) ☆ 微生物代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)： 精確、可塑性強(qiáng)，細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)能力超過(guò)高等生物。 成因 ：細(xì)胞體積小，所處環(huán)境多變。 解決方式： 組成酶（ constitutive enzyme）經(jīng)常以高濃度存在，其它酶都是誘導(dǎo)酶（ inducible enzyme），在底物或其類似物存在時(shí)才合成，誘導(dǎo)酶的總量占細(xì)胞總蛋白含量的 10%。 舉例： 大腸桿菌細(xì)胞中存在 2500種蛋白質(zhì)，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的體積只能容納 10萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)分子，所以每種酶平均分配不到 100個(gè)分子。如何解決合成與使用效率的經(jīng)濟(jì)關(guān)系？ ☆ 微生物自我調(diào)節(jié)代謝的方式 如：只有當(dāng)速效碳源或氮源耗盡時(shí)，微生物才合成遲效碳源或氮源的運(yùn)輸系統(tǒng)與分解該物質(zhì)的酶系統(tǒng)。 利用乳糖 利用葡萄糖 1）真核微生物酶定位在相應(yīng)細(xì)胞器上；細(xì)胞器各自行使某種特異的功能； 2）原核微生物在細(xì)胞內(nèi)劃分區(qū)域集中某類酶行使功能： ?與呼吸產(chǎn)能代謝有關(guān)的酶位于膜上； ?蛋白質(zhì)合成酶和移位酶位于核糖體上； ?同核苷酸吸收有關(guān)的酶在 G菌的周質(zhì)區(qū) 。 3. 控制代謝物流向： ( 通過(guò)酶促反應(yīng)速度來(lái)調(diào)節(jié) ) 1)可逆反應(yīng)途徑由同種酶催化，可由不同輔基或輔酶控制代謝物流向：如 : 兩種 Glu脫氫酶：以 NADP為輔基 Glu合成 以 NAD為輔基 Glu分解 2)通過(guò)調(diào)節(jié)酶的活性或酶的合成量。 關(guān)鍵酶 : 某一代謝途徑中的第一個(gè)酶或分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶。 ①粗調(diào)：調(diào)節(jié)酶的合成量 ②細(xì)調(diào)：調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的活性 3)通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)能代謝速率。 二、酶活性的調(diào)節(jié) 通過(guò)改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式 。 是酶分子水平上的調(diào)節(jié) ， 屬于精細(xì)的調(diào)節(jié) 。 （ 一 ） 調(diào)節(jié)方式： 包括兩個(gè)方面： 酶活性的激活： 在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見(jiàn)于分解代謝途徑 。 如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn) 酶活性的抑制 ：包括：競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反饋抑制 。 反饋抑制 ——主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性 。 主要表現(xiàn)在氨基酸 、 核苷酸合成途徑中 。 特點(diǎn)：作用直接 、 效果快速 、 末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除 ： 蘇氨酸脫氨酶 蘇氨酸 α酮丁酸 異亮氨酸 反饋抑制 其它實(shí)例：谷氨酸棒桿菌的精氨酸合成 ： 在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致同時(shí)影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。主要有： 同功酶的調(diào)節(jié)， 順序反饋，協(xié)同反饋，積累反饋調(diào)節(jié)等。 （二）反饋抑制的類型 （ 1）同功酶調(diào)節(jié) ——isoenzyme 定義：催化相同的生化反應(yīng)，而酶分子結(jié)構(gòu)有差別的一組酶。 意義：在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用。 ——某一產(chǎn)物過(guò)量?jī)H抑制相應(yīng)酶活性，對(duì)其他產(chǎn)物沒(méi)影響。 舉例：大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié) （ 2）協(xié)同反饋抑制 ——concerted feedback inhibition 定義：分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。 舉例：谷氨酸棒桿菌（ Corynebacterium glutamicum） 多粘芽孢桿菌（ Bacillus polymyxa） 天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。 （ 3）合作反饋抑制 ——cooperative feedback inhibition 定義：兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反饋抑制作用大于二者單獨(dú)作用之和。 舉例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受 AMP和GMP （和 IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時(shí)，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨(dú)過(guò)量時(shí)，分別抑制其活性的70%和 10%。 （ 4）積累反饋抑制 ——cumulative feedback inhibition 定義：每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無(wú)協(xié)同效應(yīng)，亦無(wú)拮抗作用。 （ 5）順序反饋抑制 ——sequential feedback inhibition 一種終產(chǎn)物的積累 ,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累 ， 通過(guò)后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性 ， 使合成終止 。 舉例：枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成的調(diào)節(jié) 三、代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 工業(yè)發(fā)酵的目的： 大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。 代謝的人工控制： 人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。 人工控制代謝的手段： 改變微生物遺傳特性 (遺傳學(xué)方法）； 控制發(fā)酵條件（生物化學(xué)方法）； 改變細(xì)胞膜透性； 1） 對(duì)于直線式代謝途徑：選育營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物 A a B b C c D d E （ 1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用 末端產(chǎn)物 E對(duì)生長(zhǎng)乃是必需的，所以，應(yīng)在培養(yǎng)基中限量供給 E，使之足以維持菌株生長(zhǎng)，但又不至于造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物 C 。 分支代謝途徑：情況較復(fù)雜，可利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型克服協(xié)同或累加反饋抑制積累末端產(chǎn)物，亦可利用雙重缺陷發(fā)酵生產(chǎn)中間產(chǎn)物 A B C D E F G 分支途徑 ——① 賴氨酸發(fā)酵 :谷氨酸棒桿菌的 Hom– 高絲氨酸缺陷型 分支途徑 ——② 肌苷酸發(fā)酵 （ IMP合成途徑的代謝調(diào)控） 調(diào)控理論的實(shí)踐應(yīng)用 （ 2） 抗反饋控制突變株的應(yīng)用 ★ 抗反饋控制突變株 ——是指對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐?，或兩者兼有之的菌株? ★抗反饋控制突變株可以從 終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株 和 營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株 中獲得。 目標(biāo)產(chǎn)物 結(jié)構(gòu)類似物 賴氨酸 S（ 2氨基乙基） L半胱氨酸 (AEC) 蘇氨酸 ?α 氨基 β 羥基戊酸（ AHV) 異亮氨酸 乙硫氨酸 精氨酸 D精氨酸 苯丙氨酸 對(duì)氟苯丙氨酸 對(duì)于分支合成途徑 , 怎樣才能積累大量的末端產(chǎn)物 ? 試以簡(jiǎn)圖表示并說(shuō)明之。 思考題 : D A B C E F （ 1） 添加前體繞過(guò)反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生 () () () （ 2） 添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來(lái)說(shuō)，最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物， 以積累 C為目的，添加大量 B 使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去 ,解除末端產(chǎn)物的反饋抑制 。 1. 用生理學(xué)手段 —— 直接抑制膜的合成或使膜受缺損 ? 如 : 在 Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在 亞適量 可大量分泌 Glu； ? 控制生物素的含量可改變細(xì)胞膜的成分 ， 進(jìn)而改變膜透性； ? 當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法； ? 再如：產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是 Mn2+； Mn2+的作用與生物素相似 。 2. 利用膜缺損突變株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型 如 :用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。 甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應(yīng)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過(guò)量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。 本章小結(jié) ? 微生物的能量代謝 – 形成 ATP的機(jī)制：生物氧化 底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化 ? 生物氧化的三個(gè)階段 ? 生物氧化的類型 ? 微生物特有的合成代謝途徑 ? 微生物的代謝調(diào)節(jié) 思考題 ? 歸納本章名詞解釋 ? 列出兩種三種以上的次生代謝產(chǎn)物及其意義 ? 自 EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵有哪些？它們對(duì)于食品與發(fā)酵工業(yè)的意義在哪里？ ? 乳酸發(fā)酵類型有哪些？