【正文】 第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn) 微生物的代謝調(diào)節(jié) 代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株解除正常的反饋調(diào)節(jié) 應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié) 控制細(xì)胞膜的滲透性 應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株解除正常的反饋調(diào)節(jié) 天冬氨酸 天冬氨酸 磷酸 天冬氨酸 半醛 高絲氨酸 蘇氨酸 甲硫 氨酸 賴氨酸 為反饋抑制 為阻遏 AK HSDH 應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株解除正常的反饋調(diào)節(jié) 核糖 5磷酸 肌苷酸 IMP合成途徑和代謝調(diào)節(jié) 核糖 5磷酸 焦磷酸 核糖胺 5磷酸 腺苷酸 琥珀酸 腺苷酸 黃苷酸 鳥苷酸 1 2 12 13 14 15 天冬氨酸 高絲氨酸 蘇氨酸 甲硫氨酸 抗性菌株高產(chǎn)蘇氨酸的代謝調(diào)節(jié) 賴氨酸 指反饋抑制 指反饋阻遏 天冬氨酸 P 天冬氨酸半醛 1 2 3 應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突 變株解除反饋調(diào)節(jié) 控制細(xì)胞膜的滲透性 生物素 生物素是乙酰 CoA 羧化酶的輔基 乙酰 CoA 羧化酶 脂肪酸 青霉素 生物素 磷脂 膜透性 調(diào)節(jié) 復(fù)習(xí)思考題： 3～ 25～ 3 3 3 39～ 41。 （二）次生代謝的特點 次生代謝物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、代謝途徑獨特、在生長后期合成、產(chǎn)量較低、生理功能不很明確（尤其是抗生素）、其合成一般受質(zhì)?？刂?； 形態(tài)構(gòu)造和生活史越復(fù)雜的微生物（如放線菌和絲狀真菌），其次生代謝物的種類也就越多； 次生代謝物的種類極多，如抗生素，色素，毒素，生物堿，信息素，動、植物生長促進(jìn)劑以及生物藥物素等； 次生代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分屬多種類型如內(nèi)酯、大環(huán)內(nèi)酯、多烯類、多炔類、多肽類、四環(huán)類和氨基糖類等； 合成途徑復(fù)雜，以各種初生代謝途徑，如糖代謝、 TCA循環(huán)、脂肪代謝、氨基酸代謝以及萜烯、甾體化合物代謝等為次生代謝途徑的基礎(chǔ)。 四、微生物次生代謝物的合成 （一）次生代謝物 某些微生物生長到穩(wěn)定期前后，以結(jié)構(gòu)簡單、代謝途徑明確、產(chǎn)量較大的初生代謝物前體，通過復(fù)雜的次生代謝途徑所合成的各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物。轉(zhuǎn)肽酶一旦被青霉素結(jié)合，前后 2個肽聚糖單體間不能形成肽橋，肽聚糖缺乏機械強度，由此產(chǎn)生了原生質(zhì)體或球狀體之類的細(xì)胞壁缺損細(xì)菌。 青霉素的抑菌機制 轉(zhuǎn)肽作用 可被青霉素所抑制。 （三）在細(xì)胞膜外的合成 從焦磷酸類脂載體 上卸下來的肽聚糖 單體，會被運送到 細(xì)胞膜外正在活躍 合成肽聚糖的部位。 三、微生物結(jié)構(gòu)大分子 ——肽聚糖的生物合成 肽聚糖的合成過程約有 20步，根據(jù)它們反應(yīng)部位的不同，可分成在細(xì)胞質(zhì)中、細(xì)胞膜上和細(xì)胞膜外 3個合成階段。 豆科植物根瘤菌的抗氧保護(hù)機制 只有當(dāng)嚴(yán)格控制在微好氧條件下時，才能固氮； 根瘤菌還能在根毛皮層細(xì)胞內(nèi)迅速分裂繁殖，隨后分化為膨大而形狀各異、不能繁殖、但有很強固氮活性的類菌體。 ⑴分化出特殊的還原性異形胞：缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng) Ⅱ ，脫氫酶和氫化酶的活性高，維持很強的還原態(tài)； SOD活性高，解除氧的毒害； 呼吸強度高，可消耗過多的氧。 （ 2）構(gòu)象保護(hù) 在高氧分壓條件下， Azotobacter vinelandii（維涅蘭德固氮菌）和 （褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一個無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象。 大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長期進(jìn)化過程中，已進(jìn)化出適合在不同條件下保護(hù)固氮酶免受氧害的機制。 （三）好氧菌固氮酶避害機制 固氮酶的兩個蛋白組分對氧極其敏感，一旦遇氧就很快導(dǎo)致不可逆的失活。 固二氮酶還原酶（ dinitrogenase reductase）（組份 Ⅱ ）： 是一種只含鐵的蛋白。 固氮酶除了能催化 N2 NH3，還可催化 H＋ H C2H2 C2H4。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧區(qū)主要是藍(lán)細(xì)菌的作用，在無氧區(qū)主要是梭菌的作用。這些固氮微生物僅存在于相應(yīng)植物的根際，不形成根瘤，但有較強的專一性，固氮效率比在自生條件下高。 聯(lián)合固氮作用是固氮微生物與植物之間存在的一種簡單共生現(xiàn)象。同時，共生體系的固氮效率比自生固氮體系高得多，每消耗 1克葡萄糖大約能固定 280毫克氮。 與其它生物形成共生體，在共生體內(nèi)進(jìn)行固氮的微生物。 生活在土壤或水域中，能獨立地進(jìn)行固氮，但并不將氨釋放到環(huán)境中，而是合成氨基酸，組成自身蛋白質(zhì)。 （一）固氮微生物 (nitrogen –fixing anisms ,diazotrophs） 80余屬，全部為原核生物（包括古生菌），主要包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌。 二、生物固氮 生物固氮作用： 將大氣中分子態(tài)氮通過微生物固氮酶的催化而還原成氨的過程。 第三節(jié) 微生物獨特合成代謝途徑舉例 一、自養(yǎng)微生物的 CO2固定 二、生物固氮 三、微生物結(jié)構(gòu)大分子 ——肽聚糖的生物合成 一、自養(yǎng)微生物的 CO2固定 各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取的能量主要用于 CO2的固定。 草酰乙酸 檸檬酸 琥珀酸 異檸檬酸 蘋果酸 延胡索酸 乙醛酸 乙酰 CoA 乙酰 CoA 乙酸 乙酸 乙醛酸循環(huán) 具有乙醛酸循環(huán)的微生物普遍是好氧菌。 乙醛酸循環(huán)的主要反應(yīng)： 異檸檬酸 琥珀酸 +乙醛酸 乙醛酸 + 乙酸 蘋果酸 琥珀酸 + 乙酸 → → → 異檸檬酸 凈反應(yīng)： 2乙酸 蘋果酸 乙醛酸循環(huán)（乙醛酸支路） 乙醛酸循環(huán) 具有乙醛酸循環(huán)的微生物 普遍是好氧菌。 是 TCA循環(huán)的一條回補途徑。 ☆ TCA循環(huán)等重要功能除產(chǎn)能外，為一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中間產(chǎn)物； ☆生物合成中所消耗的中間產(chǎn)物若得不到補充，循環(huán)就會中斷； ☆ 回補方式： ①通過某些化合物的 CO2固定作用， ②一些轉(zhuǎn)氨基酶所催化的反應(yīng)也能合 成草酰乙酸和 ?酮戊二酸， ③通過乙醛酸循環(huán) 回補途徑 ☆ 通過某些化合物的 CO2固定作用使三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物得到回補： 丙酮酸羧化酶： CO2+丙酮酸 +ATP+H2O 草酰乙酸 +ADP+Pi 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 : CO2 +PEP+ H2O 草酰乙酸 +H3PO4 蘋果酸酶 : CO2 +丙酮酸 +NADPH+H+ 蘋果酸 + NADP+ 為了能夠在己糖或戊糖的中間代謝物上進(jìn)行好氧生長，異養(yǎng)微生物至少要具備上述幾種酶之種的一個酶。 不同種類的微生物或同種微生物在不同的碳源條件下，有不同的代謝回補順序。 指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝產(chǎn)物的那些反應(yīng)。 EMP途徑、 HMP途徑和 TCA循環(huán) 等都是重要的兩用代謝途徑。 （ 2）光介導(dǎo) ATP合成 ——紫膜光合磷酸化 （ photophosphorylation by purple membrance） ATP酶 紫 膜 H+ H+ H+ + + + + 細(xì)胞壁 紅 膜 H+ ADP +Pi ATP P N H + N + P N P N H + P 順式 膜外 膜內(nèi) 紫膜 反式 H+ H+ + + + + + + + — — — — — — — 紫膜光合磷酸化 H+ ADP +Pi ATP 第二節(jié) 分解代謝和合成代謝的關(guān)系 分解代謝與合成代謝兩者聯(lián)系緊密，互不可分。 只在嗜鹽菌中才有的無葉綠素或菌綠素參與的獨特光合作用。 （ 2）光介導(dǎo) ATP合成 在無氧條件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)象的變化，可使質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，從而在膜兩側(cè)建立一個質(zhì)子動勢（即梯度差