目的要求 掌握初级代谢调节机制和次级代谢调节机制，熟悉糖酵解途径与柠檬酸代谢调节控制点，了解代谢工程的相关知识。 重点与难点 讲授内容及 时间分配 （1）教学重点：柠檬酸代谢调节机制和次级代谢调节机制 （2）教学难点：次级代谢调节机制 (1) 微生物对初级代谢的调节 (2) 次级代谢调节机制 (3) 代谢工程 1.俞俊棠,唐孝宣等.新编生物工艺学.化学工业出版社,2003 参考资料 2.余龙江.发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社,2006 3.曹军卫,马辉文.微生物工程(第二版).科学出版社,2006 4．姚汝华.微生物工程工艺原理.华南理工大学出版社,2005 教学过程
一、微生物对初级代谢的调节
1、概念
初级代谢：指微生物合成为它们在生长和繁殖中所必需的物质，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由这些化合物聚合而成的高分子化合物，如多糖、蛋白质、酯类和核酸等的代谢。
初级代谢物：是指微生物产生的、生长和繁殖所必需的物质，如蛋白质、核酸、有机酸和维生素。
2、初级代谢中酶促反应的调节方式
微生物大致采用二种方式调节其初级代谢：酶活性的调节、酶合成的调节。 2.1酶活性的调节
(1)概念
通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。与酶合成调节方式相比，这种调节方式更直接，并且见效快。
(2)酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率.包括酶活性的激活和抑制两个方面。
酶活性的激活：系指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。 酶活性的抑制：主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。
(3)主要方式 1）共价修饰
A定义：蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开，使其活性改变
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的作用。
B共价修饰作用可分为可逆的和不可逆的共价修饰两种。 可逆共价修饰:
2ATP 2ADP 磷酸化酶b 磷酸化酶a (无活性) 2Pi 2H2O （有活性）
如磷酸化可改变真核生物中的磷酸果糖激酶或蛋白激酶的活性
生理意义：①可在短时间内改变酶的活性，有效控制细胞的生理代谢；②这种作用更易为响应环境变化而控制酶的活性。
不可逆共价修饰:
最典型的例子是酶原的激活，如少量的肠肽酶便可激发大量的胰蛋白酶原转变成胰蛋白酶，胰蛋白酶原的活化靠从N-端除去一个己肽（Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys）。
2）变（别）构控制
许多酶受到一些效应物----酶的基质、产物或调节性代谢物的控制，效应物促进或抑制酶的反应速率，影响酶对基质的亲和力。
某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，这些酶称为调节酶(Regulatory enzyme)。调节酶通常是变构酶，一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。变构酶的激活和抑制过程。激活过程的效应物称为激活剂(activator)，而抑制过程的效应物称为抑制剂(inhibitor)
在微生物代谢调节中更常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶活的反馈抑制。抑制剂与调节亚基结合引起酶构象发生变化，使催化亚基的活性中心不再能与底物结合，酶的催化性能随之消失。调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类似物，作用是抑制酶的活性。效应物的作用是可逆的，一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢复。调节酶常常是催化分支代谢途径一系列反应中第一个反应的酶，这样就避免了不必要的能量浪费。
举例：以嘧啶核苷酸生物合成的天门冬氨酸转氨甲酰酶为例说明 A合成途径
图3.1 大肠杆菌CTP合成途径中的直线式反馈抑制
B调节机制
天门冬氨酸转氨甲酰酶是由两种不同的亚单位组成的，即催化性亚单位和调节性亚单位。催化性亚单位具有完整酶的全部催化活力，但对胞苷三磷酸引起的变构抑制作用或ATP引起的变构活化作用不敏感。调节性亚单位能结合胞苷三磷酸或ATP，一旦胞苷三磷酸与其结合，会抑制酶的催化活性，相反，ATP与其结合，会促进酶的催化活性。
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1. 激活剂激活无活性的酶；2.抑制剂抑制有活性的酶
图3.2 变构酶受效应物的调节过程
3)缔合与解离 蛋白质是由多个亚基组成，酶的活化与钝化是通过组成它的亚单位的缔合与解离实现的，这类互相转变有时是由共价修饰或若干配基的缔合启动的。
4）竞争性抑制 有些酶受反应过程产物的竞争性抑制。 2.2酶合成的调节
酶合成的调节是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。
酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。 (1)诱导作用 1）概念
酶诱导作用：培养基中某种基质的存在会增加（诱导）细胞中相应酶的合成速率。 诱导酶：是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。
诱导物：能促进诱导酶产生的物质，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。
2）举例 将乳糖加入到E．coli培养基中后，即可同时诱导出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成
图3.3 培养基中加入乳糖诱导?-半乳糖苷酶的合成
3）机理----可诱导系统的Jacob-Monod模型（1961年提出）
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①操纵子: 指的是一组功能上相关的基因，它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组成。 A、启动基因 是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始点； B、
操纵基因 是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）
相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行；
C、结构基因 是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译出相应的酶。一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分子。
②调节基因 用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般位于相应操纵子的附近。 ③效应物 是一类低分子量的信号物质（如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因的结合能力。
④调节蛋白 是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；另一则称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。
⑤诱导机理
负控诱导：阻遏蛋白不与效应物结合时基因不转录。
大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，1ac操纵元处于阻遏状态。i基因在自身的启动子Pi控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P结合，阻止基因的转录起始。
当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。
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(2)酶合成的阻遏 1）概念
在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶(repressible enzyme)。阻遏的生理学功能是节约生物体内有限的养分和能量。
2）类型
酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型。 ①末端代谢产物阻遏
A 由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏称为末端代谢产物阻遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。
对数生长期的大肠杆菌的培养基中加入精氨酸，将阻遏精氨酸合成酶系(氨甲酰基转移酶、精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂合酶)的合成，而此时细胞生长速度和总蛋白质的合成速度几乎不变。
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