代谢工程课件PPT课件

.第一、三章微生物的代谢调节和代谢工程，第一节微生物代谢的自我调节第二节代谢调节第三节第二代谢产物的主要调节机制第四节代谢工程。2，【教学和要求】了解微生物自身代谢和次代谢的机制，相关概念和代谢调节，代谢工程设计的方向。微生物自身代谢及次生代谢机制，相关概念及代谢调控。3，微生物的繁育及新陈代谢类型：主要是分解新陈代谢，合成代谢的两种代谢途径，4，分解新陈代谢的：是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶的催化剂对简单分子、腺苷三磷酸(ATP)形式的能量和还原力(或还原糖量，通常用H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、氮源等物质分解，为生命活动提供能量和小分子中间体。包括：TCA、EMP、HMP和周围路径(碳源、氮源通过分解进入中心的路径)；5、合成代谢是指与分解代谢相反的简单小分子、ATP形式的能量以及H形式的还原力合成复合大分子的过程。利用分解新陈代谢的能量和中间体合成氨基酸、核酸等单体物质和蛋白质、多糖等聚合物。分解新陈代谢，相互关联约束合成代谢是生命活动的基本。正常微生物小分子物质的合成和分解是自我调节的。6，研究微生物代谢调控的重要性，通过工业上控制微生物的代谢途径，可以满足生产的需要。谷氨酸发酵菌株：7，定义微生物的代谢产物：微生物通过代谢活动产生、自我生长和繁殖所需的物质。例如氨基酸、核苷酸、多糖、脂质、维生素等。特征：不同微生物的主要代谢产物基本相同。初级代谢产物合成过程是连续的，与细菌生长平行。8，次代谢产物定义为微生物生长到一定阶段后产生的化学结构非常复杂，或其没有明显的生理功能，或不是微生物生长和繁殖的必要物质。例如：抗生物、毒素、激素、色素等。特征：不同微生物次生代谢产物不同。次代谢产物通常在细菌的繁育后期合成，发酵分为两个阶段，即养分增殖和生产期间。在大多数情况下，增加前驱体是有效的。9，2种代谢产物的差异：1，2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。第二次代谢对环境条件的变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件的变化而停止。3、不同微生物的次生代谢产物差异很大。菌株基特异性4，催化剂二次代谢产物合成的部分酶特异性不强。10.第一节微生物代谢的自我调节，微生物具有全方位的可塑性很高、非常准确的代谢调节系统，保证了数千种酶的准确、系统的极度复杂的代谢反应。11，微生物细胞的代谢调节方式有很多，例如通过细胞膜调节营养素进入细胞的能力，通过酶限制其与基质的接近，调节代谢流等。其中调节代谢流的方式最为重要。有两个方面。一种是调整“粗”(即酶的合成量)，另一种是调整“粗”(即现成酶分子的催化活性)。这两者往往为了产生最佳的调节效果而紧密合作和调整。12、微生物自我调节部位1营养素的吸收和排泄细胞膜2限制基质和酶的接近3调节通量：调节现有酶的数量，改变酶分子的活性，都是酶活性的调节和酶合成的调节，13、1、酶活性的调节，酶活性的调节：在酶分子水平上调节代谢，即通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速度。酶活性的抑制活性是微生物代谢中存在的两个矛盾的过程。14，酶活性的激活意味着在分解代谢途径中，后面的反应可以由前面的中间产物促进。酶活性的抑制主要是反馈抑制。这主要是在某个代谢途径的末端产物(即末端产物)出现过量时，反转其作用，直接抑制该途径的第一个酶活性，从而减缓或停止整个反应过程，避免终点产物的过度积累。15，图：大肠杆菌代谢过程中的抑制剂和活化剂，16，(a)酶活性的激活，一般酶活性的激活是前体激活，分支代谢途径，即代谢途径后面更多发生的反应，可以由以前的代谢中间产物促进。柠檬酸对粗静脉酶的异柠檬酸脱氢酶活性。17，(2)酶活性的抑制，酶活性的抑制如下：竞争抑制反馈抑制反馈抑制：表示反应路径的特定中间体或末端对该路径上的先行反应的影响。所有反映都称为积极反馈。反应减速称为负面反馈。末端产品的反馈抑制通常存在于合成路径中。反馈抑制：直线连锁分支代谢途径：两个或多个末端产品，18，反馈抑制类型，1 .抑制直线代谢路径的反馈，19，2。抑制分支调节路径的反馈。反馈抑制情况比较复杂。为了防止一个中过多的产品同时影响另一个分支中产品的供应，微生物开发了多种调节方法。20，(1)调节同一酶的酶可以催化相同的生化反应，但在酶蛋白质分子结构上存在差异的酶存在于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫、理化性质上存在差异。Isoenzyme的主要功能在于调节代谢。21，在一种代谢途径中，杠杆前的初始反应被几种同工酶催化，地带菌的几种最终产物往往对这些同工酶有各自的抑制作用。例如：大肠杆菌天冬氨酸氨基酸合成途径中的3个同工酶天冬氨酸激酶 赖氨酸、苏氨酸、苏氨酸反馈调节、22，(2)抑制协同反馈：在分支代谢途径的多个末端产物同时超出时，抑制共同途径第一酶的反馈调节方法。天冬氨酸激酶在谷氨酸芽孢杆菌合成天冬氨酸氨基酸时被赖氨酸和苏氨酸的协同作用抑制。23，(3)累积反馈抑制：在催化分支合成途径的第一阶段反应的酶有多种末端产物抑制剂，但每种都以一定的比率(如过剩)单独抑制共同途径的第一酶活性。总抑制效果是累积的，各末端产物的抑制效果互不影响，只影响这种酶反应的速度。如果两个末端产物同时存在，则可以产生比一个末端产物大得多的反馈抑制效果。24，(4)抑制效率反馈：在代谢途径中，如果某个末端产物超出，则仅部分抑制共同途径中的第一个酶活性，但如果两个末端产物同时超出，则抑制效果可能超过每个产物中存在的抑制能力总和。6-氨基嘌呤核苷酸和6-酮基嘌呤核苷酸合成途径。25，(5)顺序反馈抑制：各种末端产物抑制分支后的第一种酶，产生部分抑制效果。以渐进有序的方式实现的调整。像枯草芽孢杆菌这样的芳香氨基酸合成途径和红假单胞菌的苏氨酸合成途径。26，e过多，可以抑制CD。此时，由于c的浓度过高，在f，g方向进行反应，另一个末端产品g的浓度增加。g太多，CF被抑制，因此C的浓度进一步提高。c过多，通过抑制AB之间的酶，得到了反馈抑制效果。按顺序进行的这种调整称为按顺序反馈抑制。，27，2，酶合成调控(酶量)，酶合成调控是通过调节酶的合成量来调节微生物的代谢率。这是在基因水平(在原核生物中主要是转录水平)上的代谢调节。有诱导调节和抑制调节。根据酶的生成与环境中存在的那种酶基质或其相关物质的关系，酶可以分为构成酶和诱导酶两种。28，部分酶的合成不依赖于被称为酶(分解途径中的多种酶等)的环境中物质的存在。其他酶只有在它们催化的基质(或基质的结构类似物)存在时才能合成，这种酶称为诱导酶。促进酶生物合成的现象称为诱导。抑制酶生物合成的现象称为抑制。29，与上述调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶合成(即酶生产)进行代谢调节的方式是比较间接和缓慢的调节方式。阻止酶过度合成，节约生物合成的原料和能源是其优点。在正常的代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者同时存在，并紧密合作进行。30，(a)酶合成调节类型，1 .诱导酶：其他酶只有在它们催化的基质(或基质的结构类似物)存在的情况下才能合成，这种酶称为诱导酶。诱导酶是细胞为适应外来基质或其结构类似物而临时合成的一种酶。31，能促进诱导酶生成的物质称为诱导物。可能是该酶的气质，也可能是难以调节的气质类似物或气质的前体物质。外源衍生物：外源添加。内源性衍生物：细菌代谢途径中的特定中间产物也能诱导该途径中特定酶的合成，称为内源性衍生物。32、33，如果添加酶诱导合成类型及诱导：诱导物质，微生物可以同时或几乎同时诱导多种酶的合成，主要存在于短代谢途径中。例如，将乳糖添加到E.coli培养基中，同时诱导-galactosidase通透性酶、-galactosidase和galactosidase-acetylsase的合成。首先合成能分解基质的酶，然后依次合成能分解各中间代谢产物的酶，从而诱导更复杂代谢途径的分段调整。34，2。在微生物的代谢过程中，某些末端产物的过剩在新陈代谢途径中时，通过反馈抑制其途径中的主要酶活性，从而减少末端产物的生成，除了通过抑制作用干扰代谢途径中包括核心酶在内的一系列酶的生物合成，进一步控制代谢，减少末端产物的合成。35，抑制反馈：新陈代谢的最终产物达到一定浓度时，诱导抑制其代谢途径的一个或多个酶的生物合成物。抑制效果有助于生物体节省有限的营养和能量。抑制类型主要为：末端代谢产物两种，抑制分解代谢产物抑制。36，(1)抑制终端产品，定义：抑制代谢途径终端产品的过度积累。在直线型反应路径上，末端产物抑制的情况比较简单。也就是说，产物作用于代谢途径的各种酶，抑制合成。37，茄子代谢途径上，情况更加复杂。每个末端产物只对合成它的那条途径的酶进行独家抑制。多价抑制：在具有两个或多个末端产物的分支代谢途径中，如果分支代谢途径的多个末端产物同时过量增加，则抑制其分支之前的共同途径的“公共酶”的合成得到反馈，只有一种产物没有过度抑制效果。末端产物抑制对调节代谢有重要作用，它确保细胞内的各种物质保持适当的浓度。38、39，(2)抑制分解代谢产物，定义：细胞内同时存在两种分解基质(碳源或氮源)，或其分解产物存在时，菌体快速利用的分解基质阻止利用慢基质的酶合成现象。分解新陈代谢的抑制效果不是快速利用的碳源本身直接作用的结果，而是通过碳源(或氮源等)分解过程中产生的中间代谢产物产生的抑制效果。因此，分解代谢产物的抑制效果是指代谢反应链中部分中间代谢产物或末端代谢产物的过度积累抑制代谢途径中部分酶合成的现象。40，两种调整比较，41，3，电荷调节，细胞内ATP，ADP，AMP系统中可用高能磷酸键的测定。电荷调节(或腺苷酸调节):指通过改变ATP、ADP、AMP的比例，细胞调节代谢活动。细胞内3种腺苷酸在细胞内的能量负荷状态不同。标记为“电荷”的能量状态是，42、细胞内所有ATP，100%对细胞内ADP，50%对ATP可视为糖分解代谢的末端。ATP过多时，对糖分解代谢的反馈抑制，ATP分解为ADP，能量释放为其它生化反应时，反馈抑制解除。43，R果糖激酶磷酸，柠檬酸合成酶等曲线合成系统。消耗u曲线ATP的酶、柠檬酸分解酶、核糖磷酸合成酶(PRPP)等。0.75传递会抑制合成，酶活性迅速下降，消耗ATP的酶活性急剧增加。两个系统在0.85相交，酶平衡。这种现象存在于许多生长状态的细胞中。细胞通过调节腺苷酸的比例，调节分解和合成新陈代谢的代谢率。44，2节代谢调节，微生物在正常生长条件下，自我调节，身体的代谢途径和代谢类型相互协调平衡，通常不过度积累初级代谢产物。在某些条件下，过度积累的中间代谢产物也可以被诱导酶转化为次代谢产物。但是在人类的条件下，微生物可能过多地产生各种主要代谢产物和次要代谢产物。初级代谢产物的控制比较简单。其形成一般只要有营养条件就产生。通过改变PH、温度、培养基成分、微生物遗传特性等发酵过程，改变细菌的新陈代谢平衡，达到过度生产所需产物的目的。45，银通过发酵条件控制改变细胞渗透性的菌株的遗传特性，46，第一，发酵条件的控制，一种不同的发酵条件对微生物代谢的影响等种类的微生物在同一培养基中培养时，控制不同的发酵条件。可以得到其他代谢产物。例如：啤酒酵母在中性和酸性条件下培养，可以氧化葡萄糖，产生乙醇和二氧化碳。在培养基中添加亚硫酸钠或在碱性条件下培养时，不会产生乙醇，会产生甘油。47、48，控制不同的发酵条件实际上是影响微生物自身的代谢调节系统，改变其代谢方向，向人们希望的方向进行，以获得高浓度积累所需的产物的目标。利用49，2诱导物质分解蛋白质、碳水化合物或其他物质相关的很多酶是诱导酶，在发酵过程中添加相应的基质作为诱导物，可以有效地提高这些酶的产量。在木霉发酵生产纤维素酶中添加槐花，可诱导纤维素酶的生成。木糖可以诱导半纤维素酶的生成。青霉素酰化酶可以使用苯乙酸作为衍生物。乙醯胺发酵时，基质类似物可增加对衍生物的酶生产。添加50，3生物合成前体，只参与色氨酸的最终阶段合成，在发酵中添加o-氨基苯甲酸，色氨酸对第一酶的反馈抑制仍然存在，但对色氨酸从o-氨基苯甲酸合成没有影响，因此色氨酸的合成继续进行，可以大大提高发酵产量。色氨酸生物合成途径，为了确保51，4培养基的组成和浓度调节，即微生物生长的需要和代谢产物的合成，必须考虑其组成和浓度，尽量减少因培养基使用不当而引起的分解代谢抑制。在发酵培养基中，通常使用适量的快速影响和延迟碳源、氮源的比例，以满足身体的生长需要，避免快速影响碳、氮源可能产生的分解代谢抑制。例如，以甘油代替果糖来培养嗜热脂肪酵母，淀粉酶产量可以提高25倍以上。以单糖代替乳糖，作为培养假单胞菌的碳源，纤维素酶产量增加1500倍以上。52，ii改变细胞通透性，在