教 案
课 程 名 称 微生物工程 授 课 教 师 陈国忠 职 称 讲师 院（系、部） 生命科学学院 教 研 室 工程教研室 授 课 对 象 生物科学本0901-0905 学 年 学 期 2011年第1学期
2011年 9月25日
鲁 东 大 学 教 务 处
编 写 说 明
1、每项内容都要填写，“教学过程”部分要详细填写，空格不够用时可自行扩充；
2、A4纸双面打印（或手写）；
3、一次课为一个教案，每门课按学期统一用一个封面左侧装订，封面和本说明双面打印；
4、授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、习题课等； 5、所授课程教案每轮次必须更新。
授课题目 首次授课时间 教学目标 微生物的生长和代谢 2011 年 10 月 12 日 授课类型 学时 理论 2 1．掌握分解代谢物调节、反馈调节等各种调节方式； 2．掌握微生物人工代谢调节的应用实例，理解调节机理。 重点与难点 分解代谢物调节、反馈调节等各种调节方式 教学模式：启发讲解与学生讨论相结合。 教学手段与方法 教学手段：板书。 教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等） 授课过程： 代谢调节与控制 Metabolic regulation and control 微生物通过快速启动或关闭蛋白质的合成和有关的代谢途径、平衡各代谢流和反应速率来适应外界环境的变化。 微生物之所以能广泛同化多种无机物和有机物，能在pH、温度变化较大的环境下生长，是因为它的代谢调节机制起作用。 研究微生物的代谢调节机制，是为了加以控制、改造微生物，为人类生产生活服务。 （一）微生物的代谢调节部位site 1.原核生物的代谢调节部位 主要有3个代谢调节部位： （1）与细胞膜相关的调节 膜脂质membrane lipid的分子结构 膜蛋白的数量和活性number and activity of membrane protein 跨膜的电化学梯度electrochemical gradient 细胞壁结构structure of cell wall对细胞膜渗透性的影响 （2）酶的数量和活性的调节 调节反应途径中的酶，特别是关键酶的合成和降解 改变已经存在的酶，特别是关键酶的活力 （3）酶与底物的相对位置 多酶复合体：酶反应在一定空间范围内按特定顺序进行。 2.真核生物的代谢调节部位 同上。 特点：细胞器多样，使得酶呈现出更明显的区域化特点，加上酶与底物的分隔、跨膜运输载体的数量和活性等，都会成为代谢调节的部位。 （二）酶活性Activity的调节 1.酶活性的调节方法 酶活性的调节方法可以分为变构调节、可逆共价修饰、酶原激活等。 （1）变构调节allosteric modulation 概念：酶分子的非催化部位（调节部位）与某些化合物可逆的非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的变构调节。具有这种调节作用的酶称为变构酶allosteric enzyme。能使酶分子发生变构作用的物质称为效应物effector，分为正positive效应物和负negative效应物。 变构酶分子上有和底物结合及催化底物的活性部位，也有和效应物结合的调节部位，二者可以相互影响，通过构象的变化，产生协同效应。 变构酶经过特定处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应勿的敏感性，称为脱敏作用。比如用汞盐处理，0~5℃低温处理、用尿素、蛋白酶处理等。 （2）可逆共价修饰reversible covalent modification 共价修饰是指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，使其活性改变的作用。这种由于共价修饰引起酶活性改变的酶称为共价调节酶。 共价调节酶的特点：某代谢产物浓度相对小的变化就能诱发由它控制的共价调节酶的激活或失活。 （3）酶原激活proenzyme activation 微生物体内合成的酶有时不具有生物活性，经水解构象发生变化，形成活性部位，称为酶原激活。 特点：无活性变成活性状态是不可逆的irreversible。 2.酶活性的调节方式 激活——抑制 activation——inhibition 激活剂activator——抑制剂inhibitor （1）只有一个终产物途径（无分支途径的调节方式） 简单反馈抑制feedback inhibition：终产物抑制该反应序列的第一个专一性的酶。 前体precursor激活：反应序列的某一后面反应受前面某中间代谢产物的激活。 补偿compensation激活：如果某一化合物的利用取决于另一反应序列的运行，那么这个化合物就能激活这个反应序列的第一个酶。 （2）多个终产物途径（分支途径）的调节方式 多价抑制（协同反馈抑制concerted feedback inhibition）：分支途径任何一个终产物都不能单独抑制公共途径的第一个酶反应，只有当两个或多个终产物同时过剩时，它们才协同抑制第一个酶反应。 增效性抑制（合作cooperation反馈抑制）：任何一个终产物单独过量时，只部分抑制第一个酶的活性，终产物同时过量存在时，抑制作用加强。 积累反馈抑制：每一个终产物单独的、部分的抑制公共途径的第一个酶，不存在协作和对抗，它们的抑制作用是积累的。 顺序反馈抑制：终产物抑制中间代谢产物的转化，造成中间代谢产物积累，抑制第一个酶。 补偿性逆转：一个分支的终产物能完全抑制共同途径的第一个酶，但另一分支的前体却是同一个酶的激活剂，起到抑制效应的对抗物作用。 同工酶的抑制：公共途径中的第一步反应由两个或多个同工酶催化，而分支途径的终产物则抑制其中一个同工酶。 （3）代谢途径的横向调节 代谢互锁interlock：分支途径上游的某个酶受到另一条分支途径的终产物，甚至是与本分支途径几乎不相关的代谢中间物的抑制或激活，使酶活力受到调节。 辅助底物和终产物对另一分支途径的调节：一分支途径的第一个酶受另一分支途径的辅助底物的抑制和终产物的激活。 （三）酶合成enzyme synthesis的调节 酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。 酶活性调节的效果是迅速而准确的，酶合成的调节由于涉及蛋白质合成，调节作用比较迟缓。 酶合成的调节包括诱导induction和阻遏repression 2种类型。 1.酶合成的诱导作用 微生物细胞内存在2大类酶：组成酶constitutive enzyme和诱导酶inducible enzyme。 组成酶的合成不依赖环境改变；诱导酶是微生物适应环境中的诱导物而产生的酶。 诱导方式可归为2大类：协同诱导和顺序诱导。 协同诱导：底物可同时诱导出自身降解所需要的所有酶。 顺序诱导：底物降解所需要的酶并不是同时被诱导合成，而是先合成一部分，随着反应进行，再不断合成其他的酶。 从经济的角度看，根据需要诱导合成必需的酶，可以避免核苷酸、氨基酸和能量的浪费。 2.酶合成的阻遏作用 代谢过程中，当细胞内某种代谢产物积累到一定程度时，可以反馈阻遏该产物合成途径中前面某种酶的合成。 （1） 分解代谢物阻遏catabolic repression 一种容易被微生物分解利用的生长底物阻碍微生物对其他生长底物的利用的现象。 如葡萄糖和乳糖——大肠杆菌的二次生长现象。 （2） 终产物阻遏和弱化 当微生物细胞可以从环境中获得某些合成用的单体物质时，就会停止或减弱相应酶的合成。 3.酶合成的调节方式 （1）单个终产物的生物合成途径 简单的终产物阻遏：终产物过量时，途径中所有酶均被阻遏。 可被阻遏的酶的产物的诱导作用：终产物的阻遏只施加在途径中的第一个酶上，这个酶所催化的产物促使其下游的酶的诱导合成。 （2）多个终产物的生物合成途径 同工酶isozyme阻遏repression：共同途径从A到B的反应由2个同工酶催化，二者分别受到一个分支终产物的阻遏。 多价阻遏multivalent repression：单个终产物的过量并不能阻遏公共途径中第一个酶的合成，只有多个终产物都过量时，才能阻遏。 催化2条不同合成途径的共用酶系的阻遏：催化两条不同合成途径的共用酶系的阻遏必须在2条途径的终产物均过量时才发生。 （3）分解代谢途径 分解代谢物阻遏：一种容易被微生物利用的化合物阻碍了另外较难被微生物利用的物质的降解。 起始底物的诱导作用：起始底物能诱导其自身降解途径的酶的合成。 中间产物的诱导作用 汇流降解代谢途径中的诱导 多功能途径的诱导 （四）细胞膜渗透性cell membrane permeability的调节 微生物细胞能通过对细胞膜结构和功能的自动调节来适应环境条件在一定范围内的变化，以维持生命活动。 细胞膜的选择性透性与工业发酵密切相关：原料中的营养物质要进入细胞，目的产物要分泌到细胞外。微生物可以通过改变细胞膜的选择性透性来调节细胞的代谢。 1.膜脂质组成的调节 膜脂质的流动性主要取决于磷脂。脂肪酸的长度和双键数量影响相变温度。 2.膜蛋白对膜透性的调节 膜周边蛋白质；膜内蛋白质 载体蛋白 3.细胞壁结构对膜透性的影响 细胞壁结构的变化，影响膜的结构和输送性能。 比如：谷氨酸发酵中，加入青霉素可以引发谷氨酸的分泌。 （五）能荷energy charge调节 能荷是指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度，因此也成为腺苷酸调节。ATP、ADP、AMP三者所含的能量依次递减，细胞或线粒体内三者的含量不同，表明细胞或线粒体的能量状态不同。能量状态一般用能荷表示： 能荷[ATP][ADP]/2100% [ATP][ADP][AMP]依赖能荷对生成和消耗ATP的反应的调节，微生物可以维持恒定的能量状态，即恒定的能荷值。当生物体内生物合成或其他需能反应加强时，细胞内ATP分解生成ADP或AMP，此时能荷降低，某些催化糖类分解的酶被激活，加速EMP、TCP循环产能，通过氧化磷酸化作用生成ATP；当能荷高时，即细胞内能量水平高时，AMP、ADP转化为ATP，而ATP的增加抑制糖类降解，糖类合成酶被激活，糖原合成加速。 思考题、讨论题、作业 讨论：微生物人工代谢调节的应用实例。 教学后记
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