代谢调控课件第一章

微生物生理学杨生玉王刚沈永红主编化学工业出版社2007微生物工程焦瑞身主编化学工业出版社2003微生物工程曹军卫马耀文张甲耀编科学出版社2007代谢工程张蓓编著天津大学出版社2003,微生物代谢调控,主要内容,第一章绪论第二章微生物的代谢调节原理第三章次级代谢产物的调节第四章工业微生物的代谢调控第五章代谢工程,第一章绪论,微生物的代谢过程互相协调、高度有序，对外界环境的改变能做出反应。经济合理、平衡生长手段：代谢调控（调节）如何超量累积？在工业上有重要意义打破原有的方式，建立新的代谢方式,一、微生物的代谢类型,1主要依赖两种代谢途径：分解代谢catabolism合成代谢anabolism,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（或称还原当量，一般用H来表示）的作用。微生物通过分解代谢从环境中吸收的各种碳源、氮源等物质降解，为生命活动提供能源和小分子中间体。包括：中心途径如TCA、EMP、HMP及外周途径（指其他碳源、氮源通过分解进入中心途径）,合成代谢与分解代谢正好相反，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H形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。或利用分解代谢的能量和中间体合成氨基酸、核酸等单体物质及蛋白质、多糖等多聚物。合成氨基酸、核苷酸等单体物质合成蛋白质、核酸等多聚体,肠道细菌可利用单一碳源和无机盐合成细胞所有的组分，缓慢利用醋酸盐，生长速率低，迅速利用葡萄糖，快速生长。快速生长的细胞RNA含量高，DNA含量低，细胞大些。,分解代谢与合成代谢是互相关联、互相制约，是生命活动的基础。正常微生物的小分子物质的合成和降解是自身调节。如：一般情况下，前体物质和大分子物质的合成速率配合较好，当前体存在时，前体的内源合成停止。二次生长现象葡萄糖代谢阻遏,2根据代谢产物在机体内的作用不同,初级代谢primarymetabolism次级代谢secondarymetabolism,二、微生物的代谢产物类型1初级代谢产物定义：微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。举例：蛋白质、多糖、脂类、维生素等。氨基酸、核苷酸特征：不同的微生物初级代谢产物基本相同；初级代谢产物合成过程是连续不断的；与菌体的生长呈平行关系。,2次级代谢产物定义：微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。举例：抗生素、毒素、激素、色素等。特征：不同的微生物次级代谢产物不同；次级代谢产物的通常在菌体的生长后期合成，发酵分两个阶段进行，即营养增殖期和生产期。在多数情况下，增加前体是有效的,两种代谢产物的区别：,1、次级代谢通常在生长后期合成。不是微生物生长所必需的，不参与微生物的生长和繁殖。即使发生代谢障碍，也不会导致机体生长停止或死亡。2、初级代谢产物对环境的敏感性比较小，遗传稳定性强；次级代谢对环境条件的变化很敏感，其产物的合成往往会因环境条件的变化而停止。3、初级代谢产物在不同的微生物中基本相同，次级代谢产物在不同微生物中有很大区别。基于菌种的特异性。4、催化初级代谢产物合成酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强。,微生物的代谢产物,是,否,一直产生,生长到一定阶段产生,否,是,细胞内,细胞内或外,氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等,抗生素、毒素、激素、色素,均在微生物细胞的调节下，有步骤产生,3转化产物,特征：底物不是微生物细胞的产物，是外源物质。微生物仅在其分子上进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等。1952年Peterson和Murry应用黑根霉在甾体分子C11处加入羟基，简化了可的松甾体药物的合成，开辟了生物转化的领域。现在已经发展到萜类、植物碱、前列腺物质、芳香烃、杂环化合物等，在手性化合物的合成中起到重要作用。,4三者之间的关系,（甾体、烷烃、芳烃、杂环化合物）,（抗生素、毒素、胞外多糖、植物碱）,氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、脂肪酸、乙醇,三、微生物代谢产物生产概况,Demain1999:初级代谢产物估计有百余种，次生代谢物有十万种已鉴定的，其中5万由微生物产生；截至1995，12，000种抗生素中55%来自放线菌，12%由细菌产生，22%由丝状真菌产生；新的活性物质发现增速，1970后，每年新增200-300种；1997后，每年报道500种。,初级代谢产物种类及年产量,氨基酸产量最大，年产百万吨，产值3万亿美元。味精最多，赖氨酸次之。采用营养缺陷型、抗代谢物突变株、重组DNA技术提高产量。核苷酸作为增鲜剂，育种方法与氨基酸相似。核黄素近年采用假丝酵母或基因工程枯草芽孢菌；在B12的发酵中加入甜菜碱，产量达到150mg/L；生物素经突变、抗性选育和基因工程技术，并在高浓度硫和亚铁离子存在下，产量达600mg/L。应用基因工程改造的三个Vc菌种，可以直接发酵葡萄糖或山梨醇为2-酮基-L-古龙酸。,有机酸中，柠檬酸产量最大。葡萄糖发酵产生柠檬酸的调节机制已比较清楚；利用假丝酵母发酵烷烃或油脂生产柠檬酸已成功，转化率极高；缺失乌头酸酶的突变株只生产柠檬酸。乳酸原来主要有化学合成，现发酵乳酸的产量大大提高，成为可生物降解塑料的主要来源。醋酸也通过工程菌株来提高产量国内乙醇年产量达202万吨，接近国际水平。利用E.coli工程菌生产乙醇已在美国报道。,初级代谢产物种类及年产量,2次级代谢产物种类及年产量,是不可缺少的药物，常以一族化学结构相似的产物出现国际抗生素市场约有160种出售,包括内酰胺类、大环内酯类、四环类、氨基糖苷类。天然青霉素G年产6.4万吨,青霉素V1万吨,大部分用作半合成原料。多醚类物质莫能菌素monensin、拉沙里菌素lasalocid、盐霉素salinomycin占据了杀球孢虫病和反刍动物生长促进剂市场，阿弗霉素药效好于化学合成剂。,四研究微生物代谢调节的意义,1自身代谢特点各种复杂代谢是互相协调高度有序。对外界环境的改变迅速做出反应。经济合理的运用物质和能量，保持平衡生长状态。,2在工业上可通过对微生物的代谢途径加以控制来满足生产的需要。,在实际生产中，需要高浓度积累某一种代谢产物，这个浓度超过了细胞正常生长和代谢所需的范围，这时相对人类需要而言，微生物自身固有的代谢网络并不是最佳的。为了达到大量（超量）积累某一种代谢