微生物代谢调节和代谢工程（新）.pptVIP

微生物的代谢调节和代谢工程 微生物的生长过程中机体内的复杂代谢过程是相互协调和高度有序的，并对外环境的改变能迅速作出适应反应。 我们的目的：让微生物建立新的代谢方式，高浓度的积累人们所期望的产品。 自我调节的部位 膜系统的选择性吸收。 核内相关基因的调控表达。 酶系在细胞基质内被分隔。 酶活性的调节 酶活性调节 酶的激活作用 酶的抑制作用 酶活性的调节机制——别构调节（变构调节） 别构效应 ：底物或底物以外的物质和别构酶分子上的相应部位可逆地非共价结合后，通过酶分子构象的变化影响酶的催化活性，这种效应称为别构效应 别构效应剂 ：引起别构效应的物质称为效应物 别构激活剂：凡是和酶分子结合后使酶反应速度加快的别构效应剂就称为别构激活剂（正效应剂） 别构抑制剂：（负效应剂） 别构酶：具有别构效应的酶称之为别构酶 别构酶通常能对反应起调节作用，是调节酶的一种。 别构酶举例——大肠杆菌（E. coli）天冬氨酸转氨甲酰酶（简称ATCase） ATCase（天冬氨酸转氨甲酰酶） ATCase的相对分子质量是310 000，由12条多肽链组成 每个调节亚基上有两个别构效应剂（CTP、ATP）的结合部位 酶合成的调节 诱导和阻遏 诱导：某种化合物作用下，导致某种酶合成或合成速率提高的现象。 阻遏：某种化合物作用下，导致某种酶合成停止或合成速率降低的现象。 酶合成的诱导作用 组成酶：不依赖于酶底物或底物的结构类似物的存在二合成的酶。 诱导酶：依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶。 酶合成的阻遏 酶合成的阻遏：在微生物代谢中，胞内某种产物的积累造成该产物合成途径中前面某种酶的合成受到阻碍。 末端产物阻遏：如果代谢产物是合成途径的终产物，则为末端产物阻遏。 分解代谢产物阻遏：如果代谢产物是某种化合物分解的中间产物，则为分解代谢产物阻遏。 葡萄糖效应 酶合成的机制 乳糖操纵子模型 诱导和阻遏 分支生物合成途径的调节 同工酶调节 协同反馈抑制 增效（合作）反馈抑制 累积反馈抑制 顺序反馈抑制 联合激活或抑制调节 酶的共价修饰 分支生物合成途径的调节 同工酶：E. coli 天冬氨酸族氨基酸合成，天冬氨酸激酶I、II、III。 协同反馈调节：一种酶受到反馈调节，但需要一种以上终产物过量 累加反馈调节：多个末端产物抑制第一个酶，单独只能部分抑制或阻遏，总的效果是累加的 增效反馈调节：多个末端产物抑制第一个酶，多个末端产物抑制第一个酶，单独只能部分抑制或阻遏，总的效果是增效的 分支生物合成途径的调节 顺序反馈调节：依次反馈调节 联合激活或抑制调节：一种生物合成的中间产物参与两个完全独立的、不交叉的合成途径的控制。这种中间体物质浓度的变化会影响这两个独立代谢途径的代谢效率。 如：肠细菌氨甲酰磷酸合成酶的联合激活和抑制调节 分支生物合成途径的调节 酶的共价修饰 大肠杆菌谷胺酰胺合成酶 由于共价修饰引起活力的改变 有无腺苷酰基 能荷代谢 能荷：细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应功能的高能磷酸键的量度。 表示式：P64（35） 大肠杆菌的能荷在生长期间为0.8，静止期为0.5。 代谢调控 在人为条件的控制下，可以使微生物过量产生各级初级代谢产物和次级代谢产物。 一般可以根据代谢调节理论，通过改变发酵工艺条件如pH、温度、通气量、培养基的组成和微生物遗传特性等，达到改变菌体内的代 谢平衡，过量产生所需要产物的目的。 1. 以谷氨酸生产工艺为例 —各种发酵条件改变的影响 工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白质而制取。 1957年，日本率先采用微生物发酵法生产，并投入大规模工业化生产，这是被誉为现代发酵工业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调控阶段。 产生菌株特点： 革兰氏阳性 不形成芽胞 没有鞭毛，不能运动 需要生物素作为生长因子 在通气条件下才能产生谷氨酸。 谷氨酸生物合成机理： 由三羧酸循环中产生的α-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶和氢供体存在下进行还原性氨化作用而得到。 2．添加生物合成的前体 合成途径中增加其中一个前体的量，可以大幅度提高发酵产量。 3.2初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成，当初级代谢产物积累，反馈抑制自身的合成，同时也影响了次级代谢产物的合成。 4．磷酸盐的调节 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。其机制按效应剂说有直接作用，即磷酸盐自身影响抗生素合成，可能通过抑制相关酶的活性。间接作用，即磷酸盐调节胞内其他效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)，进而影响抗生素合成。 已发现过量