模块二微生物初级代谢调节ppt课件

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1、模块二模块二 微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理一、微生物初级代谢调理一、微生物初级代谢调理1.酶活性调理酶活性调理共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；变别构效应；变别构效应；缔合与解离；缔合与解离；竞争性抑制；竞争性抑制；2.酶合成调理酶合成调理酶的诱导诱导物；酶的诱导诱导物；酶的阻遏阻遏蛋白酶的阻遏阻遏蛋白+辅阻遏物；辅阻遏物；微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理2分解代谢产物阻遏中间产物；分解代谢产物阻遏中间产物；1末端产物或终产物阻遏反响调理；末端产物或终产物阻遏反响调理；机制机制1诱导型支配子；诱导型支配子；2阻遏型支配子；阻遏型支配子；

2、方式方式微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理1.1 酶活性调理酶活性调理共价修饰和变共价修饰和变(别别)构效应机制构效应机制P632.1 酶合成酶合成 诱导和阻遏诱导和阻遏)调理机制调理机制2.1.1 诱导支配子诱导支配子.Jacob-Monod 支配子模型负调理支配子模型负调理 乳糖支配子乳糖支配子P6970微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理上述上述 Jaoob-Monod 模型中的诱导作用是一种负向控制，其调模型中的诱导作用是一种负向控制，其调节基因产物节基因产物 调控蛋白调控蛋白)具有具有“锁的活性，阻止转录的进展。锁的活性，阻止转录的进展。微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理.阿拉伯

3、糖支配子阿拉伯糖支配子正调理正调理其调理基因产物是一种蛋白质，无活性沉默，无转录进展，其调理基因产物是一种蛋白质，无活性沉默，无转录进展，仅在有诱导物存在下可转化为转录激活剂仅在有诱导物存在下可转化为转录激活剂 激活蛋白推进转激活蛋白推进转录，是转录作用所必需。录，是转录作用所必需。2.1.2 阻遏支配子阻遏支配子其调理机制见以下图。其调理机制见以下图。微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理其调理基因产物是一种阻遏蛋白，无活性，仅在有辅阻遏物终产物其调理基因产物是一种阻遏蛋白，无活性，仅在有辅阻遏物终产物存在下可转化为抑制剂存在下可转化为抑制剂“锁，与支配基因结合，阻止转录进展。锁，与支配基因结

4、合，阻止转录进展。微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理u支配子分两类支配子分两类:一类是诱导型支配子，只需当存在诱导物一种效应物一类是诱导型支配子，只需当存在诱导物一种效应物时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导景象。诱导景象。一类是阻遏型支配子，只需当缺乏辅阻遏物一种效应物一类是阻遏型支配子，只需当缺乏辅阻遏物一种效应物时，其转录频率才最高。由阻遏型支配子所编码的酶的合时，其转录频率才最高。由阻遏型支配子所编码的酶的合成，只需经过去辅阻遏物阻遏作用才干起动。成，只需经过去辅阻遏物阻遏作用才干起动。诱导型支配子调理机制诱导型支配

5、子调理机制.Jacob-Monod.Jacob-Monod 支配子模型负调理支配子模型负调理 乳糖支配子乳糖支配子支配基因支配基因调理基因调理基因调控蛋白调控蛋白构造基因构造基因锁锁启动基因启动基因构造基因构造基因可转录为可转录为mRNA，由支配基因控制。，由支配基因控制。启动基因启动基因其一位点结合其一位点结合RNA聚合酶。聚合酶。诱导物诱导物钥匙钥匙诱导型支配子调理机制诱导型支配子调理机制.阿拉伯糖支配子阿拉伯糖支配子正调理正调理调控蛋白调控蛋白锁锁诱导物诱导物调控蛋白调控蛋白转录激活剂转录激活剂支配基因支配基因阻遏型支配子调理机制阻遏型支配子调理机制1.1.末端产物缺乏的情况下末端产物缺

6、乏的情况下调理基因调理基因阻遏物蛋白阻遏物蛋白锁锁支配基因支配基因2.末端产物辅阻遏物存在的情况下末端产物辅阻遏物存在的情况下调理基因调理基因阻遏物蛋白阻遏物蛋白辅阻遏物辅阻遏物锁锁支配基因支配基因微生物初级代谢调理微生物初级代谢调理u调理蛋白调理蛋白P70l一称阻遏物，它能在没有诱导物效应物的一种时与一称阻遏物，它能在没有诱导物效应物的一种时与支配基因相结合；支配基因相结合；调理蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点：其一可调理蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点：其一可与支配基因结合；另一位点那么可与效应物相结合。与支配基因结合；另一位点那么可与效应物相结合。调理蛋白有两种：调理蛋白有两种：

7、l另一称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物效应物的另一另一称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物效应物的另一种存在时才干与支配基因相结合。种存在时才干与支配基因相结合。当调理蛋白与效应物结合后，就发生变构作用：有的可当调理蛋白与效应物结合后，就发生变构作用：有的可提高与支配基因的结合才干，有的那么会降低其结合才干。提高与支配基因的结合才干，有的那么会降低其结合才干。分解代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏2.2 分解代谢产物阻遏中间产物阻遏分解代谢产物阻遏中间产物阻遏 指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶降解酶、指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶降解酶、合成酶合成的抑制造用。合成酶合成的抑制造用。根据

8、分解产物的不同，又分为碳分解产物阻遏和氮分解产根据分解产物的不同，又分为碳分解产物阻遏和氮分解产物阻遏，如物阻遏，如“葡萄糖效应和葡萄糖效应和“铵阻遏。铵阻遏。阻遏的本质是阻遏物封锁了合成酶的基因表达。阻遏的本质是阻遏物封锁了合成酶的基因表达。u 分解代谢产物阻遏的分子机制分解代谢产物阻遏的分子机制P70从分子程度看，是分解产物抑制腺苷酸环化酶的活性从分子程度看，是分解产物抑制腺苷酸环化酶的活性,降低了环状降低了环状3,5-腺腺苷单磷酸环腺苷酸，苷单磷酸环腺苷酸，cAMP浓度程度。浓度程度。当胞内当胞内cAMP浓度较高时，其与活化蛋白浓度较高时，其与活化蛋白CAP结合，促使结合，促使RNA聚合

9、酶与聚合酶与启动基因结合而开场转录；反之，当胞内启动基因结合而开场转录；反之，当胞内cAMP处于低程度，影响结合，不处于低程度，影响结合，不能转录。能转录。分解代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏 葡萄糖的大量存在，降低了胞内 cAMP 浓度：葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性，降低葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性，降低 cAMP cAMP 生成：生成：ATP cAMP+Pii ATP cAMP+Pii 葡萄糖存在引起葡萄糖存在引起 ATP ATP 浓度上升，耗费胞内浓度上升，耗费胞内 cAMP cAMP：cAMP+H2O ADP ATP cAMP+H2O ADP ATPu 结果，启动子上没有结果，启动子上没有cA

10、MPcAMPCRPCRP复合物结合，使得复合物结合，使得RNARNA聚合酶聚合酶也无法结合到启动子的位点上，构造基因不能转录和表达。也无法结合到启动子的位点上，构造基因不能转录和表达。l 葡萄糖阻遏葡萄糖阻遏半乳糖苷酶的生物合成机理：半乳糖苷酶的生物合成机理：葡萄糖效应葡萄糖效应 l 碳分解产物的阻抑作用。碳分解产物的阻抑作用。当大肠杆菌培育于含有葡萄当大肠杆菌培育于含有葡萄糖和乳糖的培育基中，菌体糖和乳糖的培育基中，菌体出现两次生长旺盛期，这是出现两次生长旺盛期，这是菌首先利用葡萄糖进展生长菌首先利用葡萄糖进展生长繁衍，在葡萄糖耗尽后，过繁衍，在葡萄糖耗尽后，过一段时间菌体才开场利用乳一段时

11、间菌体才开场利用乳糖。在上述培育基中即使参糖。在上述培育基中即使参与乳糖酶诱导物，葡萄糖没与乳糖酶诱导物，葡萄糖没耗尽，利用乳糖的酶系也不耗尽，利用乳糖的酶系也不能合成。碳分解产物的阻抑能合成。碳分解产物的阻抑作用普遍存在于微生物的生作用普遍存在于微生物的生化代谢中。化代谢中。分解代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏铵阻遏铵阻遏氮分解产物的调理作用指的是被菌体迅速利用的氮源特别氮分解产物的调理作用指的是被菌体迅速利用的氮源特别是铵能阻抑某些参与含氮化合物代谢的酶的合成。是铵能阻抑某些参与含氮化合物代谢的酶的合成。如在初级代谢中，它能阻遏许多芽孢杆菌的蛋白酶的合成。如在初级代谢中，它能阻遏许多芽孢杆菌的

12、蛋白酶的合成。通常遭到通常遭到 NH4+阻遏的酶有：亚硝酸复原酶、硝酸复原酶、阻遏的酶有：亚硝酸复原酶、硝酸复原酶、固氮酶、乙酰胺酶、脲酶、黄嘌呤脱氢酶、组氨酸酶、天固氮酶、乙酰胺酶、脲酶、黄嘌呤脱氢酶、组氨酸酶、天冬酰胺酶等。冬酰胺酶等。两种调理的对比两种调理的对比酶合成的调节酶合成的调节酶活性的调节酶活性的调节不同点不同点调节对象调节对象通过酶量的变化通过酶量的变化控制代谢速率控制代谢速率控制酶活性，不涉控制酶活性，不涉及酶量变化及酶量变化调节效果调节效果相对缓慢相对缓慢快速、精细快速、精细调节机制调节机制基因水平调节，基因水平调节，调节控制酶合成调节控制酶合成代谢调节，它调节代谢调节，它

13、调节酶活性酶活性相同相同点点细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。确控制代谢的正常进行。分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理2.3 分支代谢途径的反响调理氨基酸和核苷酸的合成分支代谢途径的反响调理氨基酸和核苷酸的合成在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中，调理方式较复杂。在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中，调理方式较复杂。其共同特点是：每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶；其共同特点是：每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶；同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制造用。

14、同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制造用。分支代谢的反响调理方式有以下多种分支代谢的反响调理方式有以下多种P66：同工酶调理同工酶调理协作反响调理增效反响控制协作反响调理增效反响控制 协同反响调理协同反响调理累积反响调理累积反响调理顺序反响调理顺序反响调理代谢互锁代谢互锁metabolic interlock分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理1、同功酶调理、同功酶调理同功酶是指能催化同终身化反响，但构造稍有不同，可分别被相应的末端同功酶是指能催化同终身化反响，但构造稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。产物抑制的一类酶。特点：途径中第一个反响被两个不同的酶所催化

15、，一个酶被特点：途径中第一个反响被两个不同的酶所催化，一个酶被H抑制，另一抑制，另一个酶被个酶被G抑制。只需当抑制。只需当H和和G同时过量才干完全阻止同时过量才干完全阻止A转变为转变为B。分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理2、协同反响抑制指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才干抑制共同途径中的第一指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才干抑制共同途径中的第一个酶的一种反响调理方式。个酶的一种反响调理方式。分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理3、协作反响抑制、协作反响抑制又称增效反响抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端又称增效反响抑制，系指两种末端产物同时

16、存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反响抑制造用。产物大得多的反响抑制造用。分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理4、累积反响抑制、累积反响抑制每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制造用是累积的。所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制造用是累积的。分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理5、顺序反响抑制、顺序反响抑制当当E过多时，可抑制过多时，可抑制CD，这时由于，这时由于C的浓度过高而促使反响向的浓度过高而促使反响向F、G方方向进展，结果又呵斥了另一末端

17、产物向进展，结果又呵斥了另一末端产物G浓度的添加。浓度的添加。过量的过量的G抑制了抑制了CF，呵斥，呵斥C的浓度进一步添加。过量的浓度进一步添加。过量C又对又对AB间的间的酶发生抑制，从而到达了反响抑制的效果。酶发生抑制，从而到达了反响抑制的效果。分支代谢途径的反响调理分支代谢途径的反响调理6、代谢互锁metabolic interlockA B C D E 被抑制被抑制 F 过量过量 l 从以上生物合成途径看，是一种完全无关的氨基酸的控制，从以上生物合成途径看，是一种完全无关的氨基酸的控制，产物产物 F 的过量积累会抑制的过量积累会抑制 E 的合成。的合成。u 这种调理方式只是在这种调理方式

18、只是在F浓度很高的情况下与生理学浓度浓度很高的情况下与生理学浓度相比才干显示抑制造用，且是部分抑制或阻遏。相比才干显示抑制造用，且是部分抑制或阻遏。反响阻遏与反响抑制的比较反响阻遏与反响抑制的比较代谢控制育种定向育种代谢控制育种定向育种u运用代谢控制实际，人为地改动菌种的代谢调理机制或避运用代谢控制实际，人为地改动菌种的代谢调理机制或避开微生物固有代谢调理，使得微生物体内的代谢流按照人开微生物固有代谢调理，使得微生物体内的代谢流按照人们所需求的方向进展，过量消费目的代谢产物。们所需求的方向进展，过量消费目的代谢产物。1、营养缺陷型突变菌株的挑选、营养缺陷型突变菌株的挑选在营养缺陷型突变菌株中，

19、生物合成途径中的某一步发生了酶缺陷，合成反响不能完成，末端产物不能积累，末端产物的反响调理作用被解除，只需在培育基中限量参与所要求的末端产物，抑制生长妨碍，就能积累中间产物。注注1：运用营养缺陷型突变菌株进展消费时，由于微生物体内酶的代谢调：运用营养缺陷型突变菌株进展消费时，由于微生物体内酶的代谢调理机制并没有解除，必需严厉控制缺陷营养物质添加量坚持在亚适量程度，理机制并没有解除，必需严厉控制缺陷营养物质添加量坚持在亚适量程度，否那么消费不稳定。否那么消费不稳定。代谢控制育种代谢控制育种注注2：在直链式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中：在直链式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中间

20、代谢物而不能累积终产物。但在分支代谢途径中，经过解除间代谢物而不能累积终产物。但在分支代谢途径中，经过解除协同反响调理，就可以使另一分支途径的末端产物得到累积。协同反响调理，就可以使另一分支途径的末端产物得到累积。例如，选育谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株例如，选育谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株 工业上工业上消费赖氨酸的发酵菌种。消费赖氨酸的发酵菌种。AK-天冬氨酸激酶；天冬氨酸激酶；HD-高丝氨酸脱氢酶高丝氨酸脱氢酶 HT-高丝氨酸转乙酰酶高丝氨酸转乙酰酶 TD-苏氨酸脱苏氨酸脱氢酶氢酶 天冬氨酸 AK 天冬氨酰磷酸酸 天冬氨酸半醛 HD 二氢吡啶二羧酸 高丝氨酸 HT HK 赖氨酸 O-

21、磷酸高丝氨酸 O-磷酸高丝氨酸 苏氨酸 蛋氨酸 TD 异亮氨酸代谢控制育种代谢控制育种2、抗反响阻遏和抗反响抑制突变菌株的挑选组成型突变、抗反响阻遏和抗反响抑制突变菌株的挑选组成型突变这类菌株主要是对反响抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型这类菌株主要是对反响抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变菌株，或二者兼而有之的菌株。突变菌株，或二者兼而有之的菌株。u 在这类菌株中，因其反响抑制或阻遏已解除，或是二者在这类菌株中，因其反响抑制或阻遏已解除，或是二者同时被解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。同时被解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。缘由：缘由：1调理基因或支配基因发生突变，使产生的阻遏蛋白不能再

22、和终产物调理基因或支配基因发生突变，使产生的阻遏蛋白不能再和终产物结合或结合后不能作用于已突变的支配基因，反响阻遏作用被解除。结合或结合后不能作用于已突变的支配基因，反响阻遏作用被解除。2由于编码酶的构造基因发生突变，使由构造基因转录出来的变构酶由于编码酶的构造基因发生突变，使由构造基因转录出来的变构酶不能再和终产物结合但活力中心不变，仍具有催化活性。不能再和终产物结合但活力中心不变，仍具有催化活性。代谢控制育种代谢控制育种 此类菌株是经过抗构造类似物突变的方法挑选得到。构造此类菌株是经过抗构造类似物突变的方法挑选得到。构造 类似物与末端代谢产物有类似的构造。类似物与末端代谢产物有类似的构造。

23、u 在目前氨基酸消费菌种选育中，营养缺陷型和构造类似物在目前氨基酸消费菌种选育中，营养缺陷型和构造类似物u 抗性两种手段普通同时采用。抗性两种手段普通同时采用。u 组成型突变株运用于诱导酶的消费，不再受诱导物诱导、组成型突变株运用于诱导酶的消费，不再受诱导物诱导、u 分解代谢产物及终产物阻遏。分解代谢产物及终产物阻遏。3、抗性突变株的挑选、抗性突变株的挑选包括对抗生素、金属离子、温度、噬菌体等的抗性或敏感突变株的挑选。包括对抗生素、金属离子、温度、噬菌体等的抗性或敏感突变株的挑选。细胞透性调理细胞透性调理一、控制细胞膜的浸透性一、控制细胞膜的浸透性微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选

24、择性。采微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。采取生理学或遗传学方法，可以改动细胞膜的透性，使细胞内的取生理学或遗传学方法，可以改动细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外，这种解除末端产物反响抑制造用代谢产物迅速渗漏到细胞外，这种解除末端产物反响抑制造用的菌株，可以提高发酵产物的产量。的菌株，可以提高发酵产物的产量。1、经过生理学手段控制细胞膜的浸透性、经过生理学手段控制细胞膜的浸透性生物素亚适量生物素亚适量机制：是合成脂肪酸的关键酶机制：是合成脂肪酸的关键酶-乙酰乙酰CoA 羧化酶的辅酶，亚适羧化酶的辅酶，亚适量的生物素直接抑制膜的合成或使膜受缺损量的生物素直接抑制膜

25、的合成或使膜受缺损。乙酰乙酰CoA 丙二酸单酰丙二酸单酰CoA 脂肪酸脂肪酸 CO2生物素生物素细胞透性调理细胞透性调理2、经过细胞膜缺损突变而控制其浸透性、经过细胞膜缺损突变而控制其浸透性油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸是一种含有一个双键的不饱和脂肪酸油酸是一种含有一个双键的不饱和脂肪酸C18，是细胞膜磷脂中的重，是细胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加大。大。甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易呵斥谷氨酸大量甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易呵斥谷氨酸大量渗漏。即使是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。渗漏。即使是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。二、控制细胞壁二、控制细胞壁青霉素青霉素主要是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联，从而改动细胞壁的通透性。主要是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联，从而改动细胞壁的通透性。