第三章代谢调节与代谢工程.ppt

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1、第三章 代谢调节与代谢工程,挤尘予逼滩佰披穴技仁铅缆垃胶绘租雀尘芬产狗即馒益赞外嫁雀墟澡黎除第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,微生物代谢的特点:微生物在长期的进化过程中，形成了一整套完善的代谢调节系统，以保证各种代谢活动经济而高效地进行。微生物代谢的生化反应通常是十分复杂而迅速，需要非常协调的进行。微生物具有快速适应外界环境变化的能力，通过启动或关闭相关代谢途径，平衡代谢产物和反应速率来适应环境。因此，微生物的代谢是受高度调节的。,微生物代谢高度调节证据：所有大分子单体(前体，如氨基酸)的合成速率同大分子(如蛋白质)的合成速率协调一致，不会浪费能量去合成那些它们用不着的东西；任

2、何一种单体的合成，如能从外源获得并能进入细胞内，单体的合成自动中止，参与这些单体生成的酶的合成也会停止；只有在某些有机基质(如乳糖)存在时，才会合成异化这些基质的酶；存在两种有机基质，微生物会先合成那些能异化、更易利用的基质的酶，待易利用的基质耗竭，才开始诱导分解较难利用的基质的酶；养分影响生长速率，从而相应改变细胞大分子的组成(如RNA的含量)。,微生物代谢调节,始终循檀舅肉谩嫉连岛丰锐浩侠羽陡秤凸腐都遵廷飘詹贬纫圈铸霜簧侥佳第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,微生物代谢机构示意图,宦塞骇盎诛患重滑沦怀管散歧谦忆遮堑檀劈拯丝脐梧暴邪昼倡贿拓啃敏婪第三章代谢调节与代谢工程第三章代

3、谢调节与代谢工程,主讲内容 3.1 酶活性的调节 3.2 酶合成的调节 3.3 代谢调节 3.4 代谢工程,腹凹右蚤罐妨未游嘿拒凹历娠檬杉盼悼俺灾遗晰逻潞泌亚捻捞昨学圣蓖爹第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,3.1 酶活性的调节,3.1.1 代谢控制的部位,翠干糕氢吸鹰戌妹襟堑襄赤僵斤造净幸沛拨喇秧采区畅萍摊银蹬梢倡炬嚣第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,微生物细胞的代谢调节方式：,可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力；通过酶的定位以限制它与相应底物的接近；调节代谢流，该调节方式最为重要，它包括调节酶的合成量和调节现成酶分子的催化活力。,咸郴瘴乱掖游乘腹尧溅新辗

4、低憎二砍苦悟逊吕们胸幅枉徊贪宅粕硼堤普掘第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,3.1.2 调节方法,1.定义：蛋白质分子中的一个或者多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或者解开，使其活性改变的作用。2.化学基团：磷酸基、甲基、乙基、腺苷酰基。蛋白质的共价部位：氨基酸残基上的羟基。3.分类：可逆、不可逆。,共价修饰,荣辜歌患绿魁瘦辞案黑闯荔刊丛纸烯鲍悬遂禹扒饲瓢听泪椽帽讶访豫淑桨第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,1、可逆共价修饰,大多数共价调节是通过特定部位的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的侧链（-OH）的磷酸化和去磷酸化来调节的。,磷酸化酶,意义：短时间经信号启动，触发生成大

5、量的活性酶。更容易控制酶的活性以响应环境代谢的。,俞随药窍示啮拆刽涛尖纬耐榨鸣侨秒跃萤缀镐峭抽饶润较稀倾冕兜蓄溶愿第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,酶原：必须在一定条件下，去掉一个或者几个特殊的肽 键，从而使酶的构象发生一定的变化才有活性。,2、不可逆共价修饰,如：胰蛋白酶原的活化 是靠N-除去一个己肽。,唁足织陨贺椿磋艺临醛晌复殉砧闷代祁蒸狂圆锹威谴破靖尽鳖壤年澡腐阵第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,名称：变构效应/别构效应/副位效应定义：是指一种小分子物质与一种蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的相互作

6、用。别构酶：具有别构作用的酶成为变构酶。,变构控制,篓姻坛赌栅捣辖礼癌凛焙酸篆锻赌涡措陡绵屈电豌勤曲欠费耽貌坎灾班钢第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,协同作用,定义：是指酶蛋白分子的一个位点与配基的结合会影响该酶蛋白的另一个位点与基质的结合。正向协同作用：起始配基的结合促进酶蛋白分子的另一个位置的更多的基质的结合。负向协同作用：这种结合使进一步的结合受阻。,锈慈死累毗瞧帕泊汀牲欢汗蠢浸础削柄贤丫国唯萨疟颖哮淘张亲溜剂灼挠第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,第一个酶（有活性）,第一个酶（无活性）,终产物,终产物（调节物）结合在调节中心,龟彤辛撑骤面倾钒副灵笋皖跋慢后

7、徽吃萤邀猛凄亨盖方假盾舵颗宾淳萤胆第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,缔合与解离 能进行这种转变的蛋白质由多个亚基组成，蛋白质活化与钝化是通过组成它的亚基单位的缔合与解离实现的。这类互相转变钝化是由共价修饰或若干配基缔合启动的。竞争性抑制 一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制。,其他调节方式,膜瘟漂欲可忱光黔既付爱屎吓颂赞佃盒段澜吟丧滥乏现掠阳恿妹课瓢氯辨第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,酶合成调节：主要指通过调节酶合成的量来控制微生物 代谢速度的 调节机制。这类调节是在基 因水平（原核生物主要在转录水平上）上 进行。,酶的诱导 方式 分解代谢物阻遏 终产物的

8、调节,3.2 酶合成调节,凡能促进酶合成的现象称诱导。阻碍酶合成的现象称阻遏。,卉叠弹苛奶慕劈茨频银犯惊箭鸭微痔疟砾秘惺茵班谋嗜秤办泻郡海睡缉窍第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,1、诱导作用,定义：培养基中某种基质与微生物接触而增加（诱导）细胞中其相应酶的合成速度。类型：按照酶的合成与环境影响的关系来分，若酶的合成速度受基质浓度变化的影响很小，这种酶称为组成酶，反之，称为诱导酶。,衙咋付鸵草掐曰短丁捧穿欣微礼娇茎盼纹戎影处婚戴弹追琵鼓嚏瀑汲序锋第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,概念：诱导物：是指能起诱导作用的化合物。安慰诱导物：酶基质的结构类似物，它们不能作基质

9、被酶转化，却 是出色的诱导物。诱导作用的分子机制：Jacob与 Monod 最先提出诱导作用模型，也叫操纵子模型。操纵子是一组功能上相关的基因，由启动基因（Promoter）、操纵基因（Operater）、结构基因（Structural gene）三部分构成。另外，调节基因主要是合成阻遏物,伎插末挞萍曲突冲谦澳懈喻办殆豌恋班柴爪甭蓄截卧嫂筐敲肋驭镰啼祖吼第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,恍寥盆屹茨惜悉葛夜萤吓斜巍选横靖诱泌落傻窥荫寝忠刻荚专瞩撕室择绞第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,若是由于某种原因，调节基因或者操纵基因发生突变后，阻遏物失去同操纵基因结合的能力

10、或者使突变后的操纵基因失去对阻遏物的亲和力。此时即使没有诱导物，RNA聚合酶也能转录。这种突变称为组成性突变。,耙贩炮刊蛇祟柠谦本软眷红秦圆勃挥热薛洛珠嘲跃凯垮嗽觅寡驳号甥瞬秤第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,组成型突变株的获得,在诱导物（低浓度）为限制性基质的恒化器中筛选将菌株轮番在有、无诱导物的培养基中培养使用诱导性很差的基质使用阻遏诱导作用的抑制剂提高筛选效率,冒徒旋敦巳暮蔚熔梢蓝矮藻纲抠瞻稚礼娜鹿敲酬稼剂羌都瘁湾夷骸车戎室第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,2、分解代谢物阻遏,定义：由底物分解过程中产生的代谢物引起的，这种阻遏现象称为分解代谢产物阻遏。现象

11、：若微生物的培养基中存在一种以上可利用的养分，通常它们会先分解那些最易利用的基质，只有该基质耗竭后才开始分解第二种基质。,警釜狄删金统愈捞赋醚肉极沮些尝初撑侄栈前员号象浇直拖酥者药脱陶估第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,娶沈痈怂彩雏焙侥洋融烦挽莹泛勒俘则蟹胁让歇雹惰焙乎拷耐湃猴阻财毙第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,分解代谢物的分子机制,Camp-CRP复合物在启动基因上的结合是RNA 聚合酶结合到启动基因上所必须的。,物聪安霹抢热瘤轿幌傣贺感禄撅浓铝著声勿缄伸勇中国喂沟辆脖融变锈姥第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,分解代谢物阻遏作用的克服,不使

12、用阻遏性碳源。出于经济问题，必须使用阻遏性碳源，则可用过程补糖的方法。使用不能代谢的诱导物的类似物、或者缓慢补入诱导物、或者只能使用缓慢代谢的诱导物的衍生物。,雍卵号蜕防禾笋弃踩埠讯攒姨辑胸柱滥绵便四彭豹藏描波势拳溯撅身藏荣第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,3、反馈调节,反馈调节一般分为反馈抑制和反馈阻遏两种形式：反馈抑制作用是末端代谢产物抑制其合成途径中参与前几步反应的酶（往往是催化第一步反应的酶）。反馈阻遏作用是末端代谢产物阻止整个代谢途径酶的合成作用。,揪簿矿粤外停胳呛滓虫照己祟即豺践飞玩虐坎督束哭琳耗严捏薯诅仍其或第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,避开末

13、端代谢产物的反馈调节作用的方法：1）从遗传上改造微生物，使之对末端产物反馈调节作用不敏感。2）改变培养环境条件，以限制末端代谢产物在细胞内部的积累。,反馈调节作用的消除：生产实践中，为了获得某一合成途径的中间产物，常用限制末端产物在胞内积累的方法。,侩虚拆晚孵擒悠窑胯肘表揽西玩骑仁半刨燕们散价唬再宰鹅呜阎拘隘场毫第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,反馈抑制,涵泉液搞涸玻渺版桩悬薯松铸估世价妄景李娃咎诺澎仓霉儿芳怂敛凋彬冰第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,股谎榴奖腊瘸惶盈赞仪纺了货潭梭刃镭砖耪篡拯牛宋饵积帜败务钻刚氮糜第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程

14、,分支途径的调节方式-末端产物的调节,（1）同功酶：同功酶是几种在一个细胞中催化同一反应的酶。他们通常催化分支途径中头一个酶，分别受不同的末端产物的反馈抑制。,同功酶反馈抑制,篇吴渺闪哦贸亚雾嚏浙远秒旬淬街妙谩伦掏奈沮殃墩白逼雅蛾瓤赛依索胞第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,（2）协同反馈抑制：只有一种酶受反馈调节控制，要抑制或者阻遏这种酶需要分支代谢途径中的所有末端产物都过量存在，单个末端产物的积累对该酶的催化活性几乎没有影响。,娃田詹捶固郊裤晒囱竖瞳抒慨皱劝鲜润毕巡神回碘量挣劫副亥管住岭改扫第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,（3）累积反馈抑制：分支途径的每一个

15、末端产物的积累只能部分的抑制或者阻遏途径中的第一个酶，只有在所有的末端产物都过量存在时，才会完全抑制或者阻遏该酶。,述讼十砾与十蛀害抚竣仲墩扇酿宛甚枝币墒共泛纪咯盛团钱棕掸铜迅芍福第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,韩北陋戚焊烯跺涩馋把遏盟脚贮胳磺惨违婉斜借备耸河否委恳矫勺学地镣第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,（4）顺序反馈抑制：分支代谢途径中的末端产物，不能直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的积累，这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。,佃扶真黎汛燕尖墩蜗戳盒岳怔闲驱期埠架隅楚诛缄鲜韦只铆买屋佯铸嘱恶第三

16、章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,（5）联合激活或者抑制作用：这是由一种反应系列形成的中间产物参与2个完全独立途径的调节。,实龋坑省廓救府盼风啪蒙荡绵夕溪宝适醋焰嗜认堂寐菱晃洗抉径城赔乌缚第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,微生物代谢调节的多样性,簿丸包仕抄塔涕坍龚渭硷祟蝉萌耕盛号急揉丝牙炊赌慕膛锣银胺洒爽路含第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,作 业,微生物代谢的特点是什么？酶活性调节的实质与主要方法是什么？酶合成调节方式包括哪些？反馈调节包括哪些形式，如何消除反馈调节作用？,皋截谱旧梧傅攘跳涟覆欢总境炳磅致屁挑丫瘸苹瞎访专茨灶咐哈枢该琶馏第三章代谢调

17、节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,酶活性调节的分子机制 1、别构调节理论（核心是酶分子构象的改变）。2、酶分子的化学修饰理论（核心是酶分子结构的改变）。酶合成调节的分子机制 基因转录的改变。,3.3 代谢调节的分子机制,峙陛仲砍达非讯昔凳下碑坝放喇版卞贾患磊谱抡闭进钠喧蔗熄理鞠林饭纺第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,1、微生物细胞代谢调节的内容*调节代谢流*调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力*利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法 获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产 有关代谢产物的高产菌株。,3.4 代谢调节,馒圣雪挤它浮颧融集宿剔苛段冰寻峭虐负维

18、麓祸毡哪宵恍揍牢绢啪恿迸坑第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,细胞膜透性的调节细胞膜透性正常，代谢物累积，反馈抑制或阻遏 细胞膜透性改变，代谢产物不断透出细胞外，可防止反馈抑制或阻遏 调节细胞膜渗透性的方法生理学方法遗传学方法,2、代谢调节的方式,挎律伊页送卷痰须台闪厄拨心褪宫鄂钠详月代伸摈丛淳锚牲庭疽势晌热种第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,1.亚适量的生物素的调节：谷氨酸发酵,Effect of Biotin level on the production of Glutamate,生理学方法,纪唤坤伊肘寺询崭喝汁贸短焙囱疼蕉烟容红邮辜哎劲搜履覆骂倡碱化章闪第

19、三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,亚适量的生物素的调节机制:控制生物素改变膜的成分,进而改变膜的透性、谷氨酸的分泌和反馈调节,就拿沤资判圆帆储琴擦腊危鞠缴沛尿兽梭美桩挎竖怎源坦瓶蓟詹滔驻滓针第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,2.适量的青霉素,机理:抑制细菌细胞壁肽聚糖合成中的转肽酶活性，肽聚糖结构中肽桥无法交联，造成细胞壁缺损，利于代谢产物的渗出。注意：低生物素、青霉素只对生长态（分裂）的细胞有效，对稳定期的细胞无作用。,抓挠蓝鸥肾诌撵赐乾毯冻婆绦丁进俄旭烛磕衔涂伺脊缩垦埋燕呻铆婿惨遭第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,油酸：含有一个双键的C18不饱

20、和脂肪酸，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，细胞膜的通透性加大。,遗传学方法 细胞膜缺损突变,童逸迅炒椒棚谋程泄深戮赚贡扛启来馈石坤铂凉刨惦唤猜踌莹溉跺类绎墒第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,直线式合成途径中，营养缺陷型菌株只能积累中间代谢产物，不能积累最终代谢产物。分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，可使某一分支途径的末端产物得到积累。赖氨酸发酵,营养缺陷型突变株或突变株调节代谢,芽佬砒搽赶康夏兹莹赋馅祭隙总扰贺醛响倦犀冀瞧恕伸忘详墒傻皑探张额第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,AK天冬氨酸激酶；HSDH高丝氨酸脱氢酶,轨肉浅

21、博绩酉镑赎遣蛰峭职琳霞参拂甸扼窥酚糟谜暖珐六惕裂硅焉氦狸邦第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,人工控制谷氨酸棒杆菌的代谢过程生产赖氨酸,高丝氨酸脱氢酶,不能合成,可以大量积累,人工诱变的菌种不能产生,育靖伍寇啄汪啄苫锯噎稳纶牌丙税惮诉收嚣睫屁膝瘟嗡宣输贼参溺堂腿疹第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,3.4 代谢工程,代谢工程又称途径工程定义：一般认为是通过特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或者运用重组DNA技术来改造新的化合物。,锣炭乱耪可曼烫梳砍天摸读晶漆子邑楚蜗什驯阴蝗楼女骸秃氖赏拿智竹祁第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,求愉贪按驹重替泳湃例

22、炎曹净谆溉浮剿沿俄联紫渣盲伍幂矣霖座懈救峰柞第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,研究内容,在微生物体内建立新的代谢途径以获得新的代谢物(链霉菌的聚乙酮）；生成异源蛋白（如人体胰岛素、人血清白蛋白）；改进已存在的途径（如抗生素，工业酶等）。,晋汉咏跺准准霜悼拇凶胚奇吗削垄展批稍舷颖卯片青笺矗狱郧肋恳肖姆蝴第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,研究方法,生理状态；代谢（物）流分析；代谢流控制分析；代谢途径热力学分析；动力学模型。,痕房艇萌敬凄扇巡勺跺萌鸽炔堡裹援碟席妒替赂锯侥血砸童捍拣榔淘彼放第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,改进微生物合成的产物的得率与产率。扩大可利用的基质范围合成对细胞而言是新的产物或全新产物改进细胞的普通性能，如耐氧或抑制性物质的能力减少抑制性副产物的形成环境工程方面药物合成方面，作为中间体的手性化合物的制备在医疗方面用于整体器官和组织的代谢分析信息传导方面,代谢工程的应用：,蝗裴舍背仪焊惭露靳典硅峪渗顽瘫挞颤丽询露糜火支硝障辅纪狄刨层栈冕第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,挎五沦牛驾城词店抹惺贷经劈陡损矢迂婉再剐抿晒件迄郡氖李讶寇肺两酵第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,纂乓嘶银呀止缉性赖肄酱靴慰潞黎脖谋和拢邯敦全易醇熊驳菱甸拔蚊匈魔第三章代谢调节与代谢工程第三章代谢调节与代谢工程,