氨基酸的代谢与控制(1)课件

第七章氨基酸的代谢与控制第一节氨基酸的生物合成途径及代谢调节1

氨基酸本身的合成在不同生物体中，有较大的差异，然而许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有共同之处。

按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族：

㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）

包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸；

㈡丙酮酸族

包括：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸；

2㈢天冬氨酸族（草酰乙酸族）

包括：天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮氨酸；㈣磷酸甘油酸族

包括：甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸；㈤芳香族

包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸；另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。3内容：天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径及调节芳香族氨基酸的生物合成途径及调节分支链氨基酸的生物合成途径及调节其他氨基酸的生物合成途径及调节4一天冬氨酸族氨基酸的代谢与控制（一）生物合成途径及代谢调节机制葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸经CO2固定反应生成四碳二羧酸，后经氨基化反应生成天冬氨酸。再由天冬氨酸转变成其他氨基酸。5大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸的代谢调节天冬氨酸4-磷酸天冬氨酸天冬氨酸半醛同型丝氨酸O-琥珀酰同型丝氨酸胱硫醚高半胱氨酸甲硫氨酸二氢吡啶二羧酸四氢吡啶二羧酸二氨基庚二酸

赖氨酸异亮氨酸高丝氨酸磷酸苏氨酸2-酮丁酸IIIIIIIII反馈抑制反馈阻遏天冬氨酸激酶高丝氨酸脱氢酶7（1）天冬氨酸激酶有三种同功酶。I型受Thr的反馈抑制，受Thr，Ile的多价阻遏；II型受Met的反馈阻遏；III型受Lys的反馈抑制与阻遏。（2）高丝氨酸脱氢酶有两种同功酶。I型受Thr的反馈抑制，受Thr，Ile的多价阻遏；II型受Met的反馈阻遏。（3）二氢吡啶二羧酸还原酶受Lys的反馈抑制大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸的代谢调节要点：8（4）O-琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶和半胱氨酸脱硫化氢酶受Met的反馈阻遏。（5）高丝氨酸激酶受Thr的反馈阻遏。（6）苏氨酸脱氨酶受异亮氨酸的反馈抑制。9在大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸的生物合成中，当某一终产物如Thr过量时，只能抑制天冬氨酸激酶I和高丝氨酸脱氢酶I及自身分支点的高丝氨酸激酶，限制Thr的合成，却不影响Met和Lys的合成。这种调节模式对氨基酸生产菌的选育是不利的。10谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等天冬氨酸族氨基酸的代谢调节机制（1）关键酶天冬氨酸激酶是关键酶，受Lys和Thr的协同反馈抑制。（2）优先合成Met比Thr、Lys优先合成，Thr比Lys优先合成。Met>Thr>Lys（3）代谢互锁在乳糖发酵短杆菌中，Lys分支途径的初始酶二氢吡啶-2，6-二羧酸合成酶受Leu的反馈阻遏。11L-天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰半醛二氢吡啶-2，6-二羧酸L-赖氨酸L-高丝氨酸L-苏氨酸L-异亮氨酸O-琥珀酰-高丝氨酸L-蛋氨酸①②③④⑥⑤⑦⑧①天冬氨酸激酶②高丝氨酸脱氢酶③二氢吡啶-2，6-二羧酸还原酶④高丝氨酸激酶⑤琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶⑥半胱氨酸脱硫化氢酶⑦苏氨酸脱氨酶⑧天冬氨酰半醛脱氢酶⑨二氢吡啶-2,6-二羧酸合成酶⑨天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径二氨基庚二酸亮氨酸12（4）平衡合成

天冬氨酸和乙酰CoA形成平衡合成。当乙酰CoA合成过量时，能解除天冬氨酸对磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的反馈抑制。磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA柠檬酸草酰乙酸天冬氨酸黄色短杆菌中天冬氨酸与乙酰CoA的平衡合成反馈抑制逆转反馈抑制13（5）Asp和Glu之间的调节机制

Glu比Asp优先合成。如Glu过量，反馈抑制Glu脱氢酶，Asp合成增加；Asp过量，反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，使整个生物合成停止。磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸柠檬酸α-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸TCA循环反馈控制优先合成PCGD丙酮酸羧化酶谷氨酸脱氢酶14天冬氨酸族氨基酸高产菌育种思路：PEPPCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMet野生型Lys高产菌PCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetPEPPEP：磷酸烯醇式丙酮酸PC：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶AK：天冬氨酸激酶PS：二氢吡啶-2.6-二羧酸合酶HD：高丝氨酸脱氢酶TD：苏氨酸脱氨酶Hom：高丝氨酸ASA：天冬氨酸半醛优先合成反馈控制切断或减弱支路代谢加强的代谢流15PCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetThr高产菌PEPPCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetPEPILe高产菌Hom高产菌PCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetPEP16在谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等微生物中，天冬氨酸激酶是单一的，并受Lys和Thr的协同反馈抑制。反馈调节易于解除，使育种简单化，故常用作氨基酸发酵育种的出发菌株。17二、芳香族氨基酸的生物合成机制及代谢调节18（一）生物合成途径磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤藓糖3-脱氧-D-阿拉伯糖庚酮糖酸-7-磷酸（DAHP）莽草酸分支酸预苯酸（PPA）CoQVitKPPA脱氢酶PPA脱水酶苯丙酮酸苯丙氨酸对羟基苯丙酮酸酪氨酸氨茴酸色氨酸氨茴酸合成酶优先合成19

大肠杆菌中芳香族氨基酸的生物合成及调节机制磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤藓糖3-脱氧-D-阿拉伯糖庚酮糖酸-7-磷酸（DAHP）莽草酸分支酸预苯酸（PPA）CoQVitKPPA脱氢酶PPA脱水酶苯丙酮酸苯丙氨酸对羟基苯丙酮酸酪氨酸氨茴酸色氨酸氨茴酸合成酶IIIIIIRIRRRIIIRRIRIR反馈抑制反馈阻遏20大肠杆菌、粗糙脉胞菌等许多微生物中，有三种DAHP合成酶的同功酶。在枯草芽孢杆菌中却只有一种DAHP合成酶，受顺序反馈抑制。在氢极毛杆菌中也有一种DAHP合成酶，可能受积累反馈抑制。21谷氨酸棒杆菌芳香族氨基酸的生物合成及调节机制磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤藓糖DAHP莽草酸分支酸预苯酸（PPA）苯丙酮酸苯丙氨酸对羟基苯丙酮酸酪氨酸氨茴酸色氨酸RIIRAAIRA反馈抑制反馈阻遏激活部分抑制22受调节控制的关键酶：DAHP合成酶、分支酸变位酶、预苯酸脱氢酶、预苯酸脱水酶和氨茴酸合成酶。DAHP合成酶受苯丙氨酸和酪氨酸的协同反馈抑制，L-色氨酸增强这种抑制作用。分支酸变位酶受苯丙氨酸和和酪氨酸的部分抑制，为苯丙氨酸所阻遏，可被L-色氨酸激活。其作用：控制通向苯丙氨酸和酪氨酸生物合成的代谢流；平衡分配苯丙氨酸，酪氨酸与色氨酸前体分支酸。23氨茴酸合成酶受色氨酸的抑制和阻遏，并且色氨酸与分支酸是竞争性的，与谷氨酰胺是非竞争性的。预苯酸脱氢酶受酪氨酸的轻微抑制预苯酸脱水酶受苯丙氨酸的完全抑制，受色氨酸的交叉抑制；酪氨酸可激活，并能和抑制剂相竞争，以解除由苯丙氨酸和色氨酸引起的抑制24L-苯丙氨酸的生物合成受其自身的反馈抑制，所以产生L-酪氨酸比苯丙氨酸容易，并且由此产生的酪氨酸竞争性解除苯丙氨酸对预苯酸脱水酶的活性抑制，使苯丙氨酸合成继续，直至其浓度达到与酪氨酸竞争性抑制预苯酸脱水酶活性的水平，此时L-酪氨酸开始合成。L-酪氨酸在预苯酸脱水酶和预苯酸脱氢酶之间起分配作用，使酪氨酸和苯丙氨酸的量达到平衡。25谷氨酸棒杆菌芳香族氨基酸的生物合成及调节机制磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤藓糖DAHP莽草酸分支酸预苯酸（PPA）苯丙酮酸苯丙氨酸对羟基苯丙酮酸酪氨酸氨茴酸色氨酸RIIRAAIRA反馈抑制反馈阻遏激活部分抑制26L-色氨酸竞争性地抑制氨茴酸合成酶，当供给足量的分支酸时合成L-色氨酸。从分支酸转变为色氨酸的5步反应由3个酶和其复合物催化完成。在大肠杆菌中这些酶复合物的基因组成一个操纵子TrpLECDA，其调控涉及酶活性的反馈抑制，酶合成的阻遏，转录的衰减，代谢速度的改变，转录的起始及mRNA降解等机制。2728无过量的色氨酸时，阻遏物质没有活性，不能附在操纵子部位。加入色氨酸，无活性阻遏物则与色氨酸相结合形成活性型附在操纵子上，从而阻止mRNA的合成。所以，当培养基中有可以利用的色氨酸时，大肠杆菌就不会合成与色氨酸合成途径有关的酶。

29（二）从谷氨酸棒杆菌的育种思路PEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSASPEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSAS野生型色氨酸产生菌反馈调节优先合成切断或减弱支路代谢解除反馈调节的代谢流30PEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSASPEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSAS31三，分支链氨基酸发酵的生物合成及代谢控制

L-异亮氨酸，L-缬氨酸，L-亮氨酸的分子结构中均含有一个甲基侧链，因而称之为分支链氨基酸。从生物合成的前体来看，L-缬氨酸，L-亮氨酸的碳原子都来自丙酮酸。而L-异亮氨酸的6个碳原子，4个来自天冬氨酸，2个来自丙酮酸。32举例：粗糙脉孢菌的分支链氨基酸合成途径乙酰乳酸合酶33⑧粘质赛氏杆菌分支链氨基酸生物合成的代谢调节反馈抑制反馈阻遏乙酰乳酸乙酰乳酸合酶34代谢调节的要点：苏氨酸脱氨酶受异亮氨酸的反馈抑制α–乙酰乳酸合成酶受缬氨酸的反馈抑制α-异丙基苹果酸合成酶受亮氨酸的反馈抑制分支链氨基酸合成酶系的各个酶的合成受3种末端氨基酸的多价阻遏。35编码3个分支链氨基酸合成酶系的基因组成两个主要的操纵子：ilv（左）和Leu（右）。ilv-GEDACBOLeu-DCBAilv-HIIlv-GEDACB：DACB编码ile和val途径共用的4个多功能酶，BGE编码乙酰乳酸合成酶及val转氨酶Leu-DCBA基因编码A异丙基苹果酸合成酶B异丙基苹果酸脱氢酶CD异丙基苹果酸异构酶ilvHI编码乙酰乳酸合成酶亚基I36分支链氨基酸的代谢控制

育种思路（以Ile为例）1，切断或减弱支路代谢。2，解除自身反馈调节3，切断进一步代谢途径37⑧粘质赛氏杆菌分支链氨基酸生物合成的代谢调节反馈抑制反馈阻遏乙酰乳酸乙酰乳酸合酶38四，其他氨基酸的生物合成途径及代谢调节39精氨酸的生物合成途径谷氨酸Z-乙酰谷氨酸Z-乙酰谷氨酰磷酸Z-乙酰谷氨酸-γ-半醛Z-乙酰鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精氨酸①②③④⑤⑥⑦⑧①乙酰谷氨酸合成酶②乙酰谷氨酸激酶③N-乙酰谷氨酸半醛脱氢酶④乙酰鸟氨酸转氨酶⑤乙酰鸟氨酸酶⑥鸟氨酸转氨甲酰酶⑦精胺琥珀酸合成酶⑧精氨琥珀酸酶40精氨酸生物合成的代谢调节机制大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等微生物中，第一个酶：乙酰谷氨酸合成酶受精氨酸的反馈抑制，其他酶受精氨酸的反馈阻遏。谷氨酸棒杆菌、酵母等微生物中，第二个酶：乙酰谷氨酸激酶受精氨酸的反馈抑制，其他酶大部分受精氨酸的阻遏，而且可以通