3.微生物代谢调节的基本类型及应用.ppt

1、,微生物调节模式及其应用,2020/9/5,2,图1 微生物细胞氨基酸、核苷酸的调节机制,2020/9/5,3,图2 酶的生物合成和活性的控制,2020/9/5,4,(1)通过控制基因的酶生物合成的控制机制 诱导促进酶的合成。 阻遏抑制酶的合成，包括： 1)终产物阻遏。 2)分解代谢物阻遏。 (2)酶活性的控制机制 终产物抑制或激活。 通过辅酶水平的活性调节。 酶原的活化。 潜在酶的活化。 (3)通过细胞渗透性的控制,2020/9/5,5,微生物体内代谢过程的各种生物化学反应，都是由各种酶来催化的。按各种酶在代谢调节中作用的不同，又可将酶分为： 调节酶(常称关键酶，与代谢调节关系密切)：包括以

2、下3种： 1)变构酶：一般是具有多亚基四级结构的蛋白质。 2)同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同的一类酶。 3)多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。 静态酶：一般与代谢调节关系不大。 潜在酶：指酶原、非活性型或与抑制剂结合的酶。,2020/9/5,6,图3 氨基酸生物合成途径中的关键酶 M多价阻遏 -KB-酮丁酸 DAHP2-酮-3-脱氧-D-阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸 -AL-乙酰乳酸,2020/9/5,7,一、代谢的调节模式,1. 影响酶活性的调节模式（反馈抑制或激活）（共 11种）2. 影响酶合成（酶分子数）的调节模式（反馈阻遏）（共 10 种）,2020/9/5,8,

3、图 例,1. 化学反应的标示：双线箭头。 2. 调节机制的标示：带箭头的单线。 酶活力的调节：实线标示。 带空心箭头的实线标示激活， 带实心箭头的实线标示抑制。 酶水平的调节：虚线标示。 带空心箭头的虚线标示诱导， 带实心箭头的虚线标示阻遏。,2020/9/5,9,1. 影响酶活性的调节模式(共 11 种),只有一个终端产物的（没有分支的）途径的调节模式（共 3 种） 多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（共 6 种） 代谢途径的横向调节（共 2 种）,2020/9/5,10,只有一个终端产物的（没有分支的）途径的调节模式（第 1 种）,2020/9/5,11,只有一个终端产物的（没有分支

4、的）途径的调节模式（第 2 种）,2020/9/5,12,只有一个终端产物的（没有分支的）途径的调节模式（第 3 种）,UMP-5-尿苷酸；UDP-二磷酸尿苷；UTP三磷酸尿苷,2020/9/5,13,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 1 种）,2020/9/5,14,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 2 种）,2020/9/5,15,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 3 种）,2020/9/5,16,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 3 种, 实例）,2020/9/5,17,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 4 种）,Orn-鸟氨酸

5、；Cit-瓜氨酸；UMP-尿苷酸,2020/9/5,18,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 5 种）,2020/9/5,19,多个终端产物的（有分支的）途径的调节模式（第 6 种）,2020/9/5,20,代谢途径的横向调节（共 2 种，第 1 种）,2020/9/5,21,代谢途径的横向调节（共 2 种，第 2 种）,2020/9/5,22,单个终产物的生物合成途径的调节模式（共 2 种） 多个终产物的生物合成途径的调节模式（共 3 种） 分解代谢途径的调节模式（5 种）,影响酶合成（酶分子数）的调节模式 （共 10 种）,2020/9/5,23,单个终产物的生物合成途径的调节模

6、式（共 2 种，第 1 种）,2020/9/5,24,单个终产物的生物合成途径的调节模式（共 2 种，第 2 种）,2020/9/5,25,多个终产物的生物合成途径的调节模式（共 3 种，第 1 种）,2020/9/5,26,多个终产物的生物合成途径（共 3 种，第 2 种）,2020/9/5,27,多个终产物的生物合成途径（共 3 种，第 3 种）,2020/9/5,28,分解代谢途径的调节模式（共 5 种，第 1 种）,2020/9/5,29,分解代谢途径的调节模式（共 5 种，第 2 种）,2020/9/5,30,分解代谢途径的调节模式（共 5 种，第 3 种）,2020/9/5,31,

7、分解代谢途径的调节模式（共 5 种，第 4 种）,2020/9/5,32,分解代谢途径的调节模式（共 5 种，第 5 种）,2020/9/5,33,二、酶合成及酶活性的调节机制,微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点，通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度是其中的一个方式。酶合成的调节主要有两种，即酶的阻遏和酶的诱导。,2020/9/5,34,1 末端代谢产物阻遏（End-product repression）,这是酶合成阻遏中的一种。它是指由于末端产物的过量积累而引起代谢途径中酶合成的阻遏，是一种反馈阻遏，末端代谢产物阻遏的特点是同时阻遏合成途径中所有酶的合成。 对于分支代谢途径的末端代谢

8、产物阻遏，每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条分支途径的酶，而分支点的酶则受所有分支途径末端产物的共同阻遏。这种几个终产物，共同协调阻遏某一个酶的生物合成称为多价阻遏（multivalent repression）。,2020/9/5,35,对于直线式代谢途径，末端产物阻遏情况较为简单。末端产物将引起代谢途径中各种酶的合成终止。 末端代谢产物阻遏的机制可以用操纵子学说解释。如大肠杆菌色氨酸操纵子模型。,2020/9/5,36,2 酶合成的分解代谢物阻遏（Catabolite repression）,所谓分解代谢阻遏，是当细胞中具有一优先利用的底物时，很多其他分解反应途径受到阻遏的现象。由于这

9、种阻遏并不是优先利用底物及作用的结果，而是有底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为分解代谢物阻遏。这种阻遏效应最早在1942年由Monod在研究大肠杆菌混合碳源生长时发现。经研究发现，在微生物的生长体系中，外加CAMP（环腺苷酸）可解除分解代谢物阻遏，这表明分解代谢物阻遏的实质是由于细胞内缺少CAMP。分解代谢物阻遏作用是发生在转录水平上的，因而属于转录水平的调节。Monod提出的乳糖操纵子模型可以较好地解释分解代谢物的阻遏机制。,2020/9/5,37,3 酶的诱导与酶的合成,当环境中存在诱导剂时才产生的酶称为诱导酶。而这种环境物质促使微生物细胞中酶合成的现象称为酶的诱导。 操纵子学

10、说可以较好的说明酶的诱导产生的机制，操纵子指一组功能上相关的基因，它们由启动基因、操纵基因和结构基因构成。启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基序列，它既是RNA聚合酶的结合位置，又是转录的起始位置。操纵基因是位于起动基因与结构基因之间的碱基序列，它能与阻遏物（Repressor）相结合，从而决定结构基因的转录能否进行。结构基因是确定酶蛋白氨基酸序列的模版DNA，可根据它的碱基序列转录成mRNA，然后再通过翻译合成相应的酶。,2020/9/5,38,在操纵子附近还有调节基因，它是编码调节蛋白的基因，调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊的位置，一个位置能与操纵基因结合，另一个能

11、与效应物（诱导物）结合。在没有诱导物存在时，调节蛋白（阻遏物）与操纵基因相结合，使得RNA聚合酶无法从起始点滑向结构基因，转录无法进行，结构基因处于休眠状态。而当诱导物出现时，阻遏物与诱导物结合，使得结构基因的转录、翻译过程能够顺利进行，也即诱导酶产生。酶的诱导可有两种情况，其一是加入一种诱导剂后，微生物能同时或几乎同时合成几种酶，另一种是一种酶的底物诱导第一种酶的合成，而第一种酶的产物又可诱导第二种酶的合成，依此类推合成一系列的酶。因而，前者可称为同时诱导，后者可称为顺序诱导。,2020/9/5,39,4 酶活性的调节机制,改变酶分子的活性来调节微生物代谢速度的办法称为酶活性的调节。一般的方

12、法是用一特异的小分子代谢物与酶的可逆性结合。与酶合成调节方式相比，这种调节方式更直接，并且见效快，是一种发生在蛋白质水平上的调节。 这些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，其活性发生改变的酶称为调节酶（Regulatory enzyme）。调节酶也称关键酶，包括变构酶、同功酶和多功能酶，通常为变构酶，一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。,2020/9/5,40,在微生物代谢调节中比较常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶活性的反馈抑制，抑制剂与调节亚基结合引起变构酶的酶构象发生变化，使催化亚基的活性中心不再能与底物结合，酶的催化性能随之消失。调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类

13、似物，起抑制酶活性的作用。 变构酶经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性，称为脱敏作用。为变构酶编码的结构基因的突变可引起脱敏作用，如诱变育得的抗结构类似物突变株中多发生这种变化。在氨基酸和核苷酸发酵育种上，现已作为突破微生物代谢控制的一个重要手段来利用。此外，利用加热、加尿素或汞盐等物理或化学因素处理变构酶后，也可以产生脱敏作用。,2020/9/5,41,三、代谢调节的应用,微生物在正常生理条件下，其代谢调节系统进行着的生长和繁殖是最经济的，不多消耗原料及能量，也不会积累中间代谢产物。人工打破微生物的这种固有代谢模式，就可以增加或减少某种人们所希望的产物。工业发酵的目的就是大量

14、的积累人们所需要的微生物代谢产物，这也是代谢工程在发酵工业中应用的目的。,2020/9/5,42,1 营养缺陷型突变株的应用,对于营养缺陷型菌株，由于代谢途径中某一步骤发生缺陷，在直线式的代谢途径中，则只能累积中间代谢物而不能累积末端代谢产物，但末端代谢产物对菌体的生长仍是必需的，在分支代谢途径中，就可以累积另一分支途径的末端代谢产物。,2020/9/5,43,图1 所示是某菌的D缺陷型菌株。末端产物E对代谢途径中的第一个酶有反馈抑制，由于菌株失去了将C转化为D的能力，使得末端产物E得不到积累，考虑到末端产物对于维持菌体生长之必需，因此，只要在培养基中适量添加E，就可以在菌体正常生长的同时，大

15、量积累C产物，即目的产物。,图 1 利用营养缺陷型菌株（直线式代谢途径）生产目的产物“.” 表示营养缺陷突变位置；“” 表示解除反馈调节,2020/9/5,44,图2 利用营养缺陷型菌株（分支代谢途径）生产目的产物 “.” 表示营养缺陷突变位置；“” 表示解除反馈调节 图2是分支代谢途径营养缺陷菌株生产目的产物的一种情况。分支途径因E和G对途径第一个酶有协同反馈控制，而突变株失去了将C转变成D的能力，产物E无法正常生成，从而解除了E和G的协同反馈控制。若在培养基中限量补充E，由于末端产物G对C到F反应的控制，就会造成中间产物C的积累。,2020/9/5,45,在赖氨酸发酵生产中，为了解除正常的

16、代谢调节的获得赖氨酸的高产菌株，人们选育了谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株作为赖氨酸的发酵菌种。该菌种由于不能合成高丝氨酸脱氢酶（HSDH）,故不能合成高丝氨酸，也不能合成苏氨酸和蛋氨酸，在补充适量高丝氨酸（或苏氨酸和蛋氨酸）条件下，该菌株就能大量产生赖氨酸（见图3）。,2020/9/5,46,采用青霉菌（Penicillum chrysogonum）生产青霉素时，次级代谢产物青霉素与初级代谢产物赖氨酸是同一分支代谢途径的两个产物（见图4）。它们的共同前体是-氨基己二酸，赖氨酸对合成-氨基己二酸的酶有反馈阻遏或抑制，当赖氨酸达到一定浓度后，抑制-氨基己二酸的合成，也抑制了青霉素的合成。选育赖氨

17、酸营养缺陷型，就可解除赖氨酸反馈调节，使青霉素大量地合成。,2020/9/5,47,2 抗反馈控制突变株的应用,抗反馈调节突变株也称为代谢拮抗物抗性突变株，是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的菌株。由于反馈调节已解除，所以能大量积累末端代谢产物。 抗反馈抑制突变株可以从结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株中获得。谷氨酸产生菌如果诱变获得抗苏氨酸（-氨基-羟基丁酸）和异亮氨酸的结构类似物AHV（-氨基-羟基戊酸）突变株，进行发酵，就能分泌较多的苏氨酸或异亮氨酸，这是因为该菌的关键酶（或称调节酶/变构酶）的结构基因发生了突变，不再受苏氨酸或异亮氨酸的反馈调节，使得苏氨酸或异亮氨酸大量积累。,

18、2020/9/5,48,采用由营养缺陷型选育回复突变株的方法，也可以用来选育高产菌。当一个菌株由于突变而失去某一性状后，经过回复突变可以再回复其原有的遗传性状。此时，该酶的活性中心结构可以复原，而调节部位的结构常常并没有恢复，也即获得了解除反馈抑制的菌株，从而提高发酵产量。例如，先将金霉素产生菌产绿链霉菌诱变成蛋氨酸缺陷型，然后再回复突变成原养型，结果其中有85%的回复突变株的金霉素产量提高了1.2-1.3倍。,2020/9/5,49,3 组成型突变株和超产突变株的应用,所谓组成型突变是指某微生物细胞内某种调节基因发生突变，产生无效的阻遏物而不能与操纵基因结合，或操纵基因突变而使结构基因不受控

19、制的转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏。在少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲株高得多的酶，这就叫超产突变。,2020/9/5,50,选育组成型突变菌株的办法可以低浓度的底物诱导剂在恒化培养器中连续培养细菌。此外，如果某种化合物是诱导酶的良好底物，但不是好的诱导剂，那么，以这种物质做碳源，就可选出组成型突变株，例如，利用乙酰-半糖苷可选出-半糖苷酶的组成型突变株。 在添加或不添加诱导酶的培养中交替培养，也可以从群体中筛选出抗反馈调节的菌株。,2020/9/5,51,4 控制细胞膜的通透性的应用,微生物细胞内代谢产物常以较高浓度积累在细胞内，改变细胞膜渗透性，把属反馈控制因子的终产物迅速不断地排出到细胞外，消除反馈控制，就可提高发酵产量。,2020/9/5,52,控制生物素的含量可以改变细胞膜的通透性。在谷氨酸发酵生产中，只有把生物素的浓度控制在亚适量情况下，细胞才能大量分泌谷氨酸，若过量供给生物素，菌体内虽有大量谷氨酸积累，但不能分泌到细胞外。生物素（biotin）又名维生素H，溶于水和乙醇，是