《微生物代谢调节》PPT课件.ppt
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1、,第三章 微生物代谢调节,3.1 微生物的初级代谢,3.2 微生物初级代谢的调节,3.3 微生物的次级代谢,3.4 次级代谢物生物合成的主要调控机制,3.5 代谢工程,微生物的新陈代谢,新陈代谢是指发生在活细胞中的各种分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)的总和 即:新陈代谢=分解代谢+合成代谢,分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化,产生简单分子、腺苷三磷酸(ATP)形式的能量和还原力(或称还原当量,一般用H来表示)的作用。合成代谢与分解代谢正好相反,是指在合成代谢酶系的催化下,由简单小分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。,
2、合成代谢与分解代谢正好相反,是指在合成代谢酶系的催化下,由简单小分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为:,根据代谢过程对微生物生理活动的作用又分为初级代谢和次级代谢初级代谢是为微生物提供能量,合成中间体及其关键大分子,如蛋白质,核酸等各种相互关联的代谢网络(包括分解与合成)次级代谢主要与合成过程有关,其终产物,次级代谢物对菌的生长不是必需的,对其生命活动可能具有某种意义,通常在生长后期开始形成,3.1 微生物的初级代谢,糖代谢脂代谢核酸代谢蛋白质代谢,合成代谢 光合作用 多糖合成 糖异生 分解代谢 多糖降解 糖酵解
3、柠檬酸循环,糖代谢,EMP途径,两个阶段:第一阶段:丙酮酸氧化脱羧产生乙酰CoA;第二阶段:乙酰CoA分解为CO2和H2O;,柠檬酸循环,TCA循环的意义:1、提供大量的能量2、中间产物是生物合成的前体(NADH、a-酮戊二酸)3、是糖、脂、氨基酸分解代谢最后阶段的共同反应。,存在于微生物和植物中的TCA循环变体;细胞质中进行TCA循环的辅助途径,将乙酰CoA转变为琥珀酸进入TCA循环,乙醛酸循环,ED途径,利用Z.mobilis等细菌以生产酒精,是近年来正在开发的工业,它比传统的酵母酒精发酵有许多优点:(1)代谢速率高(2)产物转化率高(3)菌体生成少(4)代谢副产物少(5)发酵温度较高(6
4、)不必定期供氧等。细菌酒精发酵也有其缺点,主要是其生长PH为5,较易染菌(而酵母菌为pH3),其次是细菌耐乙醇力较酵母菌为低(前者约为7.0,后者则为810)。,脂肪代谢,中间代谢产物的重要性,如果在生物体中只进行能量代谢,则有机能源的最终结局只是产生ATP、H2O和CO2,这时便没有任何中间代谢物可供累积,因此,合成代谢也不可能正常进行。相反,如果要进行正常的合成代谢,又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物,结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。,兼用代谢途径,凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径,就称兼用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径。在
5、兼用代谢途径中,合成途径并非分解途径的完全逆转。在分解与合成代谢途径中,在相应的代谢步骤中,往往还包含了完全不同的中间代谢物。在真核生物中,合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行,原核生物因其细胞结构上的间隔程度低,故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。,部分工业化生产的代谢产物,异型乳酸发酵,3.2 初级代谢调节,酶活性的调节,酶合成的调节,代谢系统的分子控制机制,3.2 初级代谢调节,代谢流(物)的调节是通过代谢物的合成与降解实现的,代谢调节的主要机制有:酶活性的调节和酶合成的调节酶活性调节快速酶合成调节经济调节步骤主要存在于转录和转译的启动部位,3.2.1 酶活性的调节,1
6、.代谢调节的部位养分吸收分泌的通道膜通道限制基质与酶接近代谢途径的通量扩展,微生物生理代谢活动的调节部位,3.2.1 酶活性的调节,酶活性的调控,共价修饰,变构控制,缔合与解离,竞争性抑制,3.2.1 酶活性的调节,2.共价修饰,指蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开,使其活性改变的作用,从蛋白质中除去或加入小的化学基团可以是磷酸基,甲基,乙基,腺苷酰基,蛋白质的共价结合部位一般为丝氨酸残基的-CH2OH,3.2.1 酶活性的调节,1)可逆共价修饰有些酶存在活性和非活性两种状态,通过另一个酶的催化作共价修饰而相互转换,3.2.1 酶活性的调节,2)不可逆共价修饰,酶原激
7、活的过程,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys,肠肽酶,3.2.1 酶活性的调节,3.变构控制许多酶的活性受一些效应物的控制,效应物促进或抑制酶的反应速率,影响酶对基质的亲和力,其共同机制在于效应物与酶的结合影响了另一配基与酶第二个位点的结合,此可逆的相互作用机制称为变构控制,在代谢途径的支点和可逆步骤常发现变构控制,3.2.1 酶活性的调节,变构调控机制(如天冬氨酸转氨甲酰酶)酶分子除结合底物的活性中心外,还有一些独立的效应物结合位点,主要位点和副位点可同时被占据副位点可结合不同的效应物,产物不同的效应效应物在副位点上的结合可引起蛋白质构象变化变构效应是反馈抑
8、制的理论基础,是调节代谢的有效办法,3.2.1 酶活性的调节,4.缔合与解离 酶的活化与钝化是通过组成它的亚单位的缔合与解离实现的,5.竞争性抑制 酶的活性受代谢物的竞争性抑制 如ATP的反应受ATP或AMP的竞争性抑制,3.2.1 酶活性的调节,3.2.2 酶合成的调节,1.诱导作用培养基质中能增加细胞相应酶合成速率的物质被称为诱导物可是酶作用底物,其衍生物,结构相似物,或者产物该酶称为诱导型酶(另一类为组成型酶)不被代谢的诱导物被称为安慰诱导物诱导系数:诱导速率与非诱导速率之比,3.2.2 酶合成的调节,2.分解代谢物阻遏基质中能减少(阻遏)细胞中相应酶合成速率的物质称为阻遏物在分解代谢中
9、是操纵子调节基因编码的阻遏蛋白合成代谢中产物浓度对合成速率的阻遏作用;合成阻遏速率与去阻遏速率之比为阻遏率(如下图),3.2.2 酶合成的调节,3.反馈调节1)反馈阻遏操纵子编码的阻遏蛋白是没有活性的,需要与辅助阻遏物即终产物或其衍生物结合后才能阻止合成途径中第一个酶的转录有两种调节方式:(见下图)联合反馈抑制顺序反馈抑制反馈抑制的补偿拮抗作用,2)反馈抑制 常用于组成代谢的负向变构控制,3.2.2 酶合成的调节,4.协调控制 酶的诱导与阻遏是平行的.,如乳糖操纵子模型中,半乳糖苷酶被诱导出来时,半乳糖苷透酶和半乳糖苷转乙基酶也同时被诱导出来.,如精氨酸同时阻遏鸟氨酸氨甲酰基转移酶和精氨酸合成
10、中的其他几个酶,3.2.3 代谢系统的分子控制机制,微生物的酶合成的调节主要发生在转录阶段(RNA聚合酶结合到DNA上)或转译的起始阶段,受到多种环境条件的影响,如N-限制、热冲击、孢子形成、氧应激等。酶合成调节的遗传机理:操纵子学说,遗传控制,二元调节系统,RNA水平的调节机制:衰减器模型,操纵子学说,操纵子(Operator):是DNA上基因表达的一个协同单位,由功能上彼此有关的操纵基因和受操纵基因控制的邻近结构基因或结构基因组组成。调节基因:DNA上编码阻遏蛋白的基因;操纵基因:DNA上与阻遏蛋白结合并调控结构基因的区段;结构基因:功能基因,编码蛋白质或功能RNA。阻遏物(repress
11、or):在分解代谢中是操纵子的调节基因编码的阻遏蛋白,它能可逆的同操纵基因结合,从而控制其相邻的结构基因的转录酶的诱导或阻遏是在阻遏蛋白的作用下,通过操纵基因的表达或开闭控制结构基因或结构基因组的转录而进行的。,诱导型操纵子,大肠杆菌乳糖操纵子:调节基因表达产物为阻遏蛋白,乳糖为诱导物调控过程:阻遏蛋白与诱导物结合成复合物使阻遏蛋白结合位点变化不能与操纵基因结合操纵基因表达不被阻遏结构基因Z、Y、A表达半乳糖苷酶、半乳糖苷通透酶、半乳糖苷转乙酰基酶能合成。,阻遏型操纵子,色氨酸合成酶操纵子,2.二元调节系统,3.RNA水平的调节机制:衰减器模型,在mRNA形成后,仍然可以控制此转录本的转译。衰
12、减器模型(attenuator model)是在mRNA水平的调节上起作用的在大肠杆菌的氨基酸生物合成中发现,衰减器模型能够区分含有丰富的氨基酸或缺乏某一氨基酸两种情况,允许或停止RNA聚合酶的作用。,3.3 微生物的次级代谢,种类繁多,结构特殊,含有不常见的化合物;含有少见的化学键;一种微生物所含有的次级代谢产物往往是一组结构相似的化合物;一种微生物的不同菌株可以产生分子结构迥异的次级代谢物;不同种类的微生物亦能产生同一种次级代谢物;次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感。,3.3.1 微生物次级代谢的特征,1.前体及其来源,前体是加入到发酵培养基中的某些化合物能被微生物直接结合到产物分子
13、中去,而自身的结构无多大变化,且具有促进产物合成的作用。中间体是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质,他们均被进一步代谢,最终获得该途径的终产物。前体与中间体的区别在于前者的结构往往略需改变后才进入到代谢途径中去,有时它们是指同一物质。,3.3.2 次级代谢产物构建单位的生物合成,微生物次级代谢产物大多源自一些关键初级代谢物,它们是初级代谢产物中间体可作为次级代谢物的前体糖类莽草酸和芳香氨基酸非芳香氨基酸C1化合物(甲基)脂肪酸(尤其是乙酸和丙酸)柠檬酸循环的中间体嘌呤和嘧啶,可作为次级代谢物前体的一些中间体,前体的修饰,前体可以直接构建次级代谢产物,也可以经微生物修饰后作为特
14、殊前体包括:聚酮体,甲羟戊酸,糖类和氨基糖,不常见的氨基酸,环多醇和氨基环多醇,非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱。,甲基化:抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以甲硫氨酸作为甲基供体,通过甲基转移酶进行,由甲基化作用引入甲基通常出现在次级代谢物生物合成的最后一步。经修饰的糖前体差向异构化,氨化,去羟基,重排(生成分枝糖),脱羧,氧化还原等,2 前体的作用,可以起次级代谢物建筑材料的作用,可以诱导次级代谢物的合成,如:在带小棒链霉菌生产头霉菌素C时,加入前体物-氨基已二酸或赖氨酸或二氨基庚二酸均可增加头霉素的发酵单位,头霉素C,-氨基已二酸,赖氨酸,二氨基庚二酸,也是次级代谢物生物合成的限制因素,黏菌素的生
15、物合成受-氨基丁酸和,-二氨基丁酸的限制,杆菌肽的生产受鸟氨酸的限制,乙酰CoA的缺少会限制四环素的产量,3.前体影响次级代谢物生物合成的机理,次级代谢物的前体来源于初级代谢,导向次级代谢物合成途径的第一个酶是决定前体流向,通量及途径生产能力的关键,途径中其他关键酶也可能是控制步骤,调控机理,这些酶受胞内积累的高浓度前体的诱导,如:麦角生物碱生物合成的第一个酶受色氨酸或其类似物的诱导,这些酶受碳,氮分解代谢的阻遏及磷的反馈调节,如:苯恶嗪酮合成酶是放线菌素生物合成的第一个酶,受葡萄糖分解代谢物阻遏,如:磷酸阻遏灰色链霉菌的对氨基苯甲酸合成酶的形成,研究适当的前体添加策略对有些次级代谢物的高产稳
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