微生物工程05代谢调节

第五章  微生物的代谢调节                  和代谢工程,提纲,微生物的代谢调节类型和自我调节酶活性调节酶合成调节分支生物合成途径的调节能荷调节代谢调控次级代谢与次级代谢调节代谢工程,微生物的代谢调节和代谢工程,原则：经济合理地利用和合成所需的各种物                质和能量，使细胞处于平衡生长状态。方式：反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、                酶的共价修饰。生产目的：高浓度地积累人们所期望的产物。办法：育种，得到根本改变代谢的基因突变株；         控制微生物培养条件，影响其代谢过程。代谢工程：利用基因工程技术，扩展和构建、连接，形                   成新的代谢流。（也称途径工程）,一、微生物的代谢类型和自我调节,1.代谢类型：分解代谢和合成代谢。                      相互关联，相互制约。       细胞优先合成异化可维持更快生长的化合物       的酶。利用完后，再合成下一个酶。2.微生物自我调节部位：细胞膜的屏障作用（多数亲水分子）和通道；控制通量，调节酶量和改变酶分子活性；限制基质的有形接近，可存在于不同细胞    器各个代谢库中，其酶量差别大。,二、酶活性的调节,代谢调节是指在代谢途径水平上酶活性和酶合成的调节。酶活性调节：       激活剂酶激活作用；       抑制剂酶抑制作用；       可以是外源物，也可是自身代谢物。,1、酶激活作用与抑制作用,微生物代谢中，普遍存在酶既有激活作用又有抑制作用的现象。如：天门冬氨酸转氨甲酰酶受ATP激活，受CTP抑制（终产物）。       大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有激活剂和抑制剂（表5-1）。共同控制糖代谢。,2、酶活性调节的机制,变构调节理论：       变构酶基础上提出，酶有催化和变构调节位点。酶的多个亚基，多相同，也可不相同。化学修饰调节理论：       变构酶与某物质共价结合而提高或降低活性。    如：柠檬酸裂解酶的乙酰化。乙酰-酶+柠檬酸柠檬酸-S-酶+乙酸柠檬酸-S-酶乙酰-酶+草酰乙酸,三、酶合成的调节,酶活性调节：细，快；酶量调节：粗，慢。1、酶合成的诱导作用      诱导酶的合成需要诱导剂，它可是底物，也可是底物的结构类似物。       一种酶可有多种诱导剂，其能力与诱导剂的种类和浓度有关。,2、酶合成的阻遏,某种代谢物积累除抑制酶活性外，还可反馈阻遏酶合成，降低反应速度。末端产物阻遏：        常普遍存在与氨基酸、核苷酸生物合成途径中。分解代谢物阻遏：        如：“葡萄糖效应”。其代谢物阻遏“缓慢利用能源”酶的合成。,3、酶合成调节的机制,操纵子模型：在DNA分子的不同区段上至少有四种基因，即调节基因R（编码阻遏物）、操纵基因O（阻遏物结合、控制结构基因）、启动基因P（RNA聚合酶结合位点）和结构基因S（转录mRNA）。          操纵基因、启动基因和结构基因又构成了操纵子。,3、酶合成调节的机制,单一效应物调节：负调节：调节基因R的产物阻止转录进行。       如：大肠杆菌乳糖操纵子；正调节：R基因的产物在诱导物存在下，成为转录激活            剂。       如：阿拉伯糖操纵子。两种效应物的共同调节：     乳糖操纵子的效应物（如：乳糖）和活化蛋白    （如：  CRP）的调节。,弱化调节,大肠杆菌色氨酸合成操纵子的R、O、P远离S，除阻遏调节外，有弱化调节方式。      色氨酸存在时，使转录未到终点时，80-90转录停止。是通过弱化子实现的。       色氨酸贫乏时，核糖体停在UGG，2、3链配对，聚合酶过，酶合成；       色氨酸充足时，转录至UGA（69-71），3、4链配对，不利于RNA聚合酶过，酶不合成。,四、分支生物合成途径的调节,1.同 功 酶 调 节：催化相同反应，但酶分子结构有差异；2.协同反馈调节：一个不能少；3.累加反馈调节：按比例累加，无协同效应，无拮抗作用；4.增效反馈调节：1+12；5.顺序反馈调节：按顺序逐步抑制；6.联合激活或抑制调节：途径产物各自调节，同一中间产物7.酶的共价修饰：一酶两形式，活力有差异，关键在有无共                                价连接物（腺苷酰基）。,五、能荷调节,细胞的能荷计算式：                     ATP+1/2ADP             能荷=                        ATP+ ADP+AMP      能荷高时，ATP的酶合成系统受抑制， ATP消耗酶系统被活化。     呈抑制与活化的中间状态的能荷大约是 0.85，此时两种酶系统达到平衡。,六、代谢调控,根据代谢调节理论,通过改变发酵工艺条件(温度、PH、风量、培养基组成)和菌种遗传特性，达到改变菌体内的代谢平衡，过量产生所需产物的目的。    1.发酵条件的控制    2.改变细胞透性    3.菌种遗传特性的改变,1.发酵条件的控制,各种发酵条件对微生物的影响   同菌种，同培养基，培养条件不同，可获不同代谢产物（途径不同）。啤酒酵母，用葡萄糖，中性产乙醇，酸性产CO2，碱性产甘油。使用诱导物    可用底物或底物类似物有效增加诱导酶的产量。添加生物合成的前体    加前体，避开受抑制酶，大量合成终产物。培养基成分和浓度的控制     速效碳、氮源可能引起分解代谢阻遏。应与迟效碳、氮源适量搭配。,2.改变细胞透性,培养基中加改变细胞透性物质，利于产物分泌，避免反馈抑制。  如：1-5ml/L生物素控制膜中脂质合成；         青霉素抑制肽聚糖中肽链交联；         土温80或阳离子表面活性剂使壁中脂类流出；         控制Mn2+、Zn2+浓度干扰膜、壁形成；         筛选透性突变株。,3.菌种遗传特性的改变,营养缺陷型突变株；    如：利用谷氨酸棒状杆菌营养缺陷型（转氨甲酰酶缺陷）突变株生产鸟氨酸。抗反馈调节突变株；组成型突变株；抗性突变株。,七、次级代谢与次级代谢调节,主要包括：抗生素、刺激素、生物碱、                     维生素、色素、毒素等。1.初级代谢和次级代谢初级代谢：与生物生存有关的，涉及能量产生和能量消                  耗的代谢类型。        生存必需；始终产；不同种，相同；环境敏感性小；        酶专一。次级代谢：某些生物为避免某种代谢物积累造成不利作                  用而产生的一类有利生存的代谢。     并非必需，但有一定价值；某一时产；不同种，不同；      受环境敏影响大；酶专一性不强。,2.次级代谢的调节类型,酶合成的诱导调节            有些酶也是诱导酶，以底物或底物类似物（内   源、外源）为诱导剂。反馈调节次级代谢物的自身反馈抑制和反馈阻遏        末端产物反馈调节；生产能力与抑制浓度正相关。分解代谢产物的调节       葡萄糖等一些碳、氮源及代谢产物有反馈抑制、阻遏作用。初级代谢产物的调节；       A有共用合成途径，反馈抑制；B初产物参与次合成，自反馈而影响。磷酸盐调节；       A抑制酶的作用；B导致细胞能荷变化；C竞争某些金属离子的作用。,八、代谢工程,代谢网络理论：      将细胞的生化反应以网络整体来考虑，而不是孤立地来考虑。将代谢网络分流处的代谢产物称为节点，对终产物合成起决定作用的少数节点称主节点。根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、半柔性和刚性三类。1.改变代谢途径2.扩展代谢途径3.转移或构建新的代谢途径,1.改变代谢途径,改变分支途径流向，阻断其他产物合成，提高目标产物产量。加速限速反应改变分支途径流向构建代谢旁路改变能量代谢途径,2.扩展代谢途径,引入外源基因后，使原来的代谢途径向后延伸，产生新的末端产物；      如：2-KLG合成。引入外源基因后，使原来的代谢途径向前延伸，可利用新