发酵调控学 - 图文

第四节 色氨酸操纵子（trp operon） 一、色氨酸操纵子的结构 特点:

(1) trpR和trpABCDE不连锁； (2) 操纵基因在启动子内(3) 有衰减子(attenuator)/弱化子 (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开 二、trp 操纵子的阻遏系统

低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;

高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因 三、trp 操纵子的弱化机制

衰减子（attenuator）/弱化子；前导序列（leader sequence） 1、弱化子：

DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。P250

2、前导序列：在trp mRNA5'端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。

细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。

什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trp operon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。 2003年武汉大学分子生物学试题 微生物代谢

新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。 新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢

分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用。 合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。

代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。 分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。

合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。 第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。 第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。 合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。

在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量用于合成代谢、微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。

生物氧化: 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。

不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。

异养微生物的生物氧化:

异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。

发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。

发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。

生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解(glycolysis)，主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径

EMP途径(糖酵解途径): 大致分为两个阶段。

第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。 第二阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。

EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。

(一）EMP途径

1.EMP途径反应步骤：10步反应简式：耗能阶段C62ATP总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。2C3产能阶段2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATP葡萄糖?2Pi?2ADP?2NAD??2丙酮酸?2ATP?2NADH?2H??2H2O EMP途径关键步骤

1. 葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)

2. 1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛 3. 3-磷酸甘油醛→丙酮酸 总反应式：

葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP →2丙酮酸+2NADH2+2ATP

CoA ↓丙酮酸脱氢酶 乙酰CoA， 进入TCA （二）HMP途径

（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径)

HMP途径降解葡萄糖的三个阶段

HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径

1. 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2

2. 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸 3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸 HMP途径关键步骤

1. 葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸

2. 6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→ 5-磷酸木酮糖 ↓

5-磷酸核糖→参与核酸生成 3. 5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛

(进入EMP）HMP途径的重要意义

为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。

产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。 途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。

通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。 （三）ED途径

又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。

1952年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。

ED途径的特点

葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。

ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶.

反应步骤简单，产能效率低.

此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.

（四）磷酸酮解途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。

进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。

磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（PK）途径、磷酸己糖酮解途径（HK）途径 ，磷酸戊糖酮解途径的特点 ①分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半; ②几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2 ①有两个磷酸酮解酶参加反应；

②在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联； ③每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；

④许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。

（五）三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。主要产物：呼吸链4NADH+4H+12ATP呼吸链FADH22ATPC3CH3CO~CoAGTP（底物水平）ATP3CO2在物质代谢中的地位：枢纽位置工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸 丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。

循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。

TCA循环的重要特点

1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；

2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。

4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式；

6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；Glu发酵等。 二、递氢、受氢和ATP的产生

★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。

★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模；

呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；★呼吸作用又可分为两类： 有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2;

无氧呼吸——最终电子受体是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等. 1、发酵作用

概念：在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。 发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。