第三章-代谢调控理论及应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,微生物的代谢调控理论及其在食品发酵与酿造中的应用,微生物自身怎样代谢与调节？,-代谢调节的部位,-与代谢调节相关的酶,-微生物代谢的协调,诱导作用、分解代谢物的调节、反馈调节、能荷调节,代谢控制,在发酵工业的应用（本章重点）,-菌种遗传特性的改变,-发酵工艺条件的控制,-控制细胞膜的渗透性,第一节 微生物代谢与调节的生化基础,回顾生物化学的基础知识,一、初级代谢和次级代谢,合成代谢（同化作用）：,分解代谢（异化代谢）：,初级代谢：,次级代谢：,-共同构成新陈代谢活动。,-发酵酿造的产品，单一的、混合的，举例！,二、代谢调节的部位,生物体的新陈代谢在哪里进行？,为什么能够进行？,怎样进行？,细胞像工厂,-细胞,-酶,-自我调节,-精确、合理、经济、高效,自我调节的部位P51,图3-1,微生物代谢过程的自我调节表现在,控制营养物质进入细胞，酶与底物的接触和代谢物的流量,等三个环节上。,1、通道：细胞膜上,2、通量：代谢物的通量，控制酶量和酶活。,3、限制其基质有形接近：在真核生物中明显，基质包括中间产物。,微生物代谢过程的自我调节,实际上就是酶调节,。,在酶调节中有,酶活性调节与酶合成（酶量）调节,两种方式。,调节什么酶？-,反馈调节：反馈抑制（调节酶活性）和反馈阻遏（调节酶合成）,关键酶（或称限速酶）：,三、与代谢调节有关的酶,(一)同工酶,同功酶又称同工酶，是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们催化同一个反应，但是它们的生理性质、理化性质及反应机理却是不相同的。,(二)别构酶,又称变构酶，具有变构作用(别构作用)的酶称为别构酶。,别构酶在结构上的特点：,别构效应：,调节物(或效应物)与酶分子中的别构中心(调节中心或控制中心)结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种构象，使酶活动中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度及代谢过程，此效应称为酶的“别构效应”。,(三)多功能酶,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。,第二节 微生物代谢的协调作用,合成代谢：,分解代谢：,-共同构成新陈代谢活动,-精确、合理、经济、高效,-,高度协调,微生物基因型是稳定的,-环境不影响细胞的遗传结构-但显著影响基因表达-影响DNA指导酶的合成-适应环境,-,惊人灵活,代谢的协调机制？,为什么诱导作用也称为去阻遏作用？,了解Lac操纵子、ara操纵子。,乳糖操纵子的调节机制,（二）产物诱导,某些分解代谢酶受代谢途径中在其前或其后的酶反应物的诱导。,举例：色氨酸的分解。,色氨酸经甲酰犬尿氨酸(色氨酸加氧酶催化)，犬尿氨酸(甲酰酶催化)和邻氨基苯甲酸(尿氨酸酶催化)分解为儿茶酚。整个代谢途径中酶的合成都受犬尿氨酸的诱导。,（二）环状单磷酸腺苷（cAMP）,cAMP的作用：,细菌中都含有cAMP。它不是任何已知代谢途径的中间体，它在,细胞内的唯一生理作用是一种调节作用,。,cAMP的浓度（生成量）：,大体上讲，缓慢利用的碳源比迅速利用的碳源细胞内cAMP的浓度更高。例如大肠杆菌利用葡萄糖代谢细胞内cAMP浓度降低1000倍。,cAMP调节作用机制：,cAMP与一特殊的蛋白（cAMP结合蛋白，有叫分解代谢物激活蛋白）结合（蛋白质cAMP复合物），并连接在启动基因上（P），增加此基因对RNA聚合酶的亲和力，从而提高转录的频率，促进了酶的大量合成。,CAMP与ATP的关系：,cAMP在细胞内的浓度与供给ATP量的多少成反比。实际上是,由酶的水平决定，是分解代谢调节的结果。,三、反馈调节,降解性酶,主要是由诱导作用和分解物的调节作用控制调节。,生物合成酶是由反馈调节控制的。,反馈调节,2,个类型（机制）：,反馈抑制和反馈阻遏,-,都是调节途径终点产物的生产速率来配合大分子合成的速率。,反馈抑制：调节酶活,反馈阻遏：调节酶量,反馈抑制:,是指一生物合成途径的最终代谢物抑制那一途径的前面第一或第二个酶的作用。,反馈阻遏：,是由途径终点产物或其衍生物执行的。也就是说，当代谢的最终产物大量存在时并达到一定浓度时，它就会同细胞中早巳存在的阻遏物结合起来共同发挥作用，阻止了一个或几个反应步骤中酶的合成，从而抑制了产物的形成。,微生物细胞的代谢调节是通过调节酶的量和酶的活力来实现的，在调节酶的量的方面可分为酶的诱导、分解阻遏和反馈阻遏。,在调节酶的活力方面主要是反馈抑制，酶反馈抑制与工业微生物发酵产物积累关系密切。,反馈抑制的几种模式：,1、协同反馈抑制：,2、合作反馈抑制：,3、积累反馈调节：,4、顺序反馈抑制：,酵母菌通过EMP途径进行葡萄糖的乙醇发酵。,EMP途径中己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)是三个关键酶，调节这些酶的话件可以影响EMP途径进行。,HK催化葡萄糖(G)磷酸化生成葡萄糖6磷酸(G6P)；G6P的生成可以降低细胞内G的浓度，间接促进了G的载体运输；但HK受G6P的反馈抑制。PFK活性受许多代谢物影响，如ATP、柠檬酸和异柠檬酸抑制其酶活性，而ADP、AMP、无机磷和果糖1，6二磷酸促进其活性。,解释巴斯德效应：,(1)当氧供应充足时，生成大量ATP。当渗出线粒体以后，就对PFK产生抑制作用。,(2)无机磷和ADP对PFK和HK有激活作用，当氧供应充足时，由于ADP和无机磷进入线粒体，从而降低了PFK和HK的酶活性。,(3)由于PFK的酶活性下降，造成G6P的积累，又由于磷酸己糖异构酶活性很强，于是F6P逆转为G6P。但是，G6P对HK有反馈抑制作用，间接造成葡萄糖输入细胞的速率降低，这样也就降低了葡萄糖的消耗速度。,因此，由于氧的存在使PFK活性降低，PFK活性下降影响了细胞对糖的分解利用和酵解产物乙醇的生成，这就是所谓呼吸抑制发酵的巴斯德效应。这里，有ATP、ADP、AMP和Pi的能荷所起的重要调节作用，也有其他代谢物的参与。,一、发酵工艺条件的控制,发酵工艺条件：,-底物（各种营养物质、不同碳、氮源）,-pH,-温度,-溶解氧,-生长素,对发酵产物的影响：表3-2，3-3，P63,二、菌种遗传特性的改变,三个方面：,1、抗反馈突变菌株的筛选,2、营养缺陷型菌株的筛选，,-双重营养缺陷型菌株，既抗反馈，又营养缺陷型菌株的筛选,3、基因工程菌（基因重组技术筛选新菌株）,分别举例说明：表3-4，3-5，图3-9,抑制,黄色短杆菌生产赖氨酸,天冬氨酸,中间产物,中间产物,高丝氨酸,甲硫氨酸,苏氨酸,赖氨酸,天冬氨酸激酶,高丝氨酸,脱氢酶,+,利用诱变育种等方法，选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种用于生产,.,微生物代谢调控,改变遗传特性,天冬氨酸,人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸,中间产物,天冬氨酸激酶,中间产物,甲硫氨酸,苏氨酸,高丝氨酸,高丝氨酸,脱氢酶,不能合成,可以大量积累,赖 氨 酸,人工诱变的,菌种不能产生,回本章目录,苏氨酸、甲硫氨酸双重营养缺陷型,三、控制细胞膜的渗透性,采用生理学或遗传学的方法，改变细胞膜的渗透性。,1、生理学的方法,谷氨酸发酵生产生物素的浓度控制在亚适量。,原因？,添加青霉素的方法，细胞壁合成缺损，细胞膜在压力下，物质容易渗漏。,2、遗传学的方法,筛选营养缺陷型菌株。例如，谷氨酸生产菌的油酸营养缺陷型菌株。控制油酸，细胞膜合成不完整。,微生物代谢调控,改变膜的透性,改变细胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。,抑制,葡萄糖,中间产物,-酮戊二酸,谷氨酸,谷氨酸脱氢酶,NH,4,+,谷氨酸棒状杆菌 合成谷氨酸的途径,本章思考题:,微生物自身怎样代谢与调节?,微生物代谢调节的机制?,代谢控制发酵?,代谢控制在发酵工业中的应用?,