生化工程课件-3微生物代谢调节(1)

分解代谢： 分解代谢：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（ 的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能 ） 量和还原力的作用。 量和还原力的作用。
合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小 合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，
分子、 分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子 形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子 的过程。 的过程。
酶活性的调节方式 共价修饰 变构效应 缔合与解离 竞争性抑制
共价修饰 可逆修饰 不可逆修饰
可逆共价修饰
细胞中有些酶存在活性和非活性两种状态，两者可以 细胞中有些酶存在活性和非活性两种状态， 通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。 通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。
酶的可逆共价修饰作用的意义
因酶构型的转换是由酶催化的， 因酶构型的转换是由酶催化的，故可在很短的时间内经 信号启动，触发生成大量有活性的酶， 信号启动，触发生成大量有活性的酶，有效控制细胞生 理代谢 这种修饰作用可更易控制酶的活性以响应代谢环境的变 。（随时响应 随时响应） 化。（随时响应）
不可逆共价修饰 酶原激活——无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切 无活性的酶原被相应的蛋白酶作用， 酶原激活
早期称为葡萄糖效应！ 早期称为葡萄糖效应！
分解代谢物效应
许多工业生成的酶都受这类调控。 许多工业生成的酶都受这类调控。
如何克服分解代谢物阻遏？？ 如何克服分解代谢物阻遏？？ 培养基中不使用 阻遏性碳源 筛选耐分解代谢物 阻遏突变株 采用过程补糖的方法 限制生产菌的糖耗速率
耐分解代谢物阻遏突变株的获得
筛选原理: 筛选原理 以一种受分解代谢物阻遏的基 质作为唯一的氮源， 质作为唯一的氮源，用含有这种氮源的培 养基的琼脂平板培养筛选经诱变的菌株。 养基的琼脂平板培养筛选经诱变的菌株。 例如： 例如： 鼠伤寒杆菌突变株，在葡萄糖鼠伤寒杆菌突变株，在葡萄糖-脯氨 酸琼脂平板上筛选耐分解代谢物阻遏的脯 酸琼脂平板上筛选耐分解代谢物阻遏的脯 氨酸氧化酶生成菌株； 氨酸氧化酶生成菌株； 生成菌株
反馈阻遏： 反馈阻遏：通过阻遏蛋白对操纵子的控制 抑制酶基因转录。 抑制酶基因转录。 反馈抑制： 反馈抑制：终点产物对该途径的酶的活性 调节，所引起的抑制作用。 调节，所引起的抑制作用
反馈抑制如何实现的？？ 反馈抑制如何实现的？？ 反馈阻遏呢？ 反馈阻遏呢？ 反馈阻遏的分子作用机制
反馈抑制与阻遏的异同
精氨酸生物合成途径——部分显示协同控制作用 部分显示协同控制作用 精氨酸生物合成途径
大肠杆菌中精氨酸同时阻遏鸟氨酸氨甲酰基 转移酶和精氨酸合成中的其他几种酶。 转移酶和精氨酸合成中的其他几种酶。
将细胞从含有精氨 酸的培养基移种到 缺少它的培养基中, 缺少它的培养基中, 鸟氨酸氨甲酰转移 酶去阻遏达100 100倍 酶去阻遏达100倍, 而其他酶去阻遏约 10倍 10倍.
反馈调节作用的消除？ 反馈调节作用的消除？
策略：限制末端产物积累（ 策略：限制末端产物积累（筛选营养缺 陷型）。 陷型）。
微生物的协调控制 代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。 代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。
例如： 例如：负责乳糖分解代谢的酶在合成速率方面显示出协 同控制作用，即其合成速率在所有生长条件下均以恒定 同控制作用 ， 的比例进行。 半乳糖苷酶被诱导时 其他两种Pr 被诱导时， Pr， 的比例进行。当β-半乳糖苷酶被诱导时，其他两种Pr， 半乳糖苷透酶和β 半乳糖苷转乙基酶也同时被诱导出来 也同时被诱导出来。 半乳糖苷透酶和β-半乳糖苷转乙基酶也同时被诱导出来。 前者负责乳糖和其他有关物质，如硫前者负责乳糖和其他有关物质，如硫-β-D半乳糖苷运输 到细胞内，后者生理作用不明。 到细胞内，后者生理作用不明。
终产物的调节（反馈调节） 终产物的调节（反馈调节）
氨基酸、 氨基酸、嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的控制总是 以反馈调节方式进行。 以反馈调节方式进行。 生理意义：避免物流的浪费及不需要的酶的合成。 生理意义：避免物流的浪费及不需要的酶的合成。 反馈调节的类型： 反馈调节的类型：反馈抑制与反馈阻遏
反馈调节
♥代谢途径的支点和代谢可逆步骤中常发现变构 控制酶。 控制酶。
其它调节方式
缔合与解离—— 缔合与解离 蛋白质活化与钝化是通过组成它的亚 单位的缔合与解离实现的。 单位的缔合与解离实现的。 竞争性抑制—— 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。 一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制。 需要氧化性NAD＋的反应可能被还原性 需要氧化性 ＋的反应可能被还原性NADH 的竞争性抑制； 的竞争性抑制； 的反应可能受ADP或AMP的竞争性抑制； 的竞争性抑制； 需ATP的反应可能受 的反应可能受 或 的竞争性抑制 一些酶常受其反应过程产物的竞争性抑制。 一些酶常受其反应过程产物的竞争性抑制。
反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢， 反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢， 反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。 反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。 此外， 此外，前者的作用往往会影响催化一系反 应的多个酶， 应的多个酶，而后者往往只对是一系列反 应中的第一个酶起作用。 应中的第一个酶起作用。 两种机制都起着调节代谢途径末端产物的生产速率的 作用，以适应细胞中大分子合成对前体的需求。 作用，以适应细胞中大分子合成对前体的需求。两种 作用相辅相成， 作用相辅相成，其联合作用可使细胞生物合成途径达 到高效调节。 到高效调节。
酶合成的调节方式 酶的诱导 分解代谢物阻遏 终产物的调节（反馈调节） 终产物的调节（反馈调节） 协调控制
诱导作用 组成酶： 组成酶：酶的合成速率受基质浓度变化的影响很 无需诱导自动合成。 小。无需诱导自动合成。 诱导酶：只有诱导物存在时才被合成。 诱导酶：只有诱导物存在时才被合成。 诱导物可以是基质 基质， 诱导物可以是基质，也可以是基质的 衍生物，甚至是产物。 衍生物，甚至是产物。 酶基质的结构类似物常是很好的诱导 但不作为基质被酶转化（安慰诱导物）。 物，但不作为基质被酶转化（安慰诱导物）。 意义：保证能量与氨基酸不浪费。 意义：保证能量与氨基酸不浪费。
r 16 r 21
r 18 X5P
Ru5P
r 17 R5P
r 19 E4P Sed7P
NAD(NADP) + ATP r 37 ADP
CO 2
PG r5 PEP r6 r 29 r 30 r7 r8 ALA VAL LAC AC
r 15 CO 2
PYR r9
AcCoA r 10 ASP CO 2 r32 LYSI r33 LYS E r 34 r 31 r 14 MAL r 13 OAA ICI CO 2 CO 2 SUC r11 α -KG r 12 r 27 GLU r 28 GLN
3
微生物代谢调节
本章内容： 本章内容：
基本代谢的调节 第一节 基本代谢的调节 次级代谢的调节 第二节 次级代谢的调节 第三节 代谢工程
第一节
基本代新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢
（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。 ）和合成代谢（ ）的总和。 新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢
遗传控制
基因转录的调节 ----生物化学 乳糖操纵子
诱导作用分子水平的机制
Jacob-Monod模型（操纵子假说） Jacob-Monod模型（操纵子假说） 模型 假说认为： 假说认为：
（1）编码一系列功能相关的酶的基因在染色体中紧密排列在一起 （2）它们的表达与关闭是通过同一控制位点协同进行的。
分解代谢物阻遏
能快速利用的基质， 能快速利用的基质，其分解代谢物会阻遏 另一种异化较难利用基质的酶的合成。 另一种异化较难利用基质的酶的合成。
去一小段肽链而被激活。 去一小段肽链而被激活。
胰蛋白酶原的活化靠从N－端除去一个己肽。 胰蛋白酶原的活化靠从 －端除去一个己肽。
胰蛋白酶原活化是信号放大的一个典型例子。 ♥ 胰蛋白酶原活化是信号放大的一个典型例子。 一旦胰酶完成了其使命后， ♥ 一旦胰酶完成了其使命后，便被降解而不能再恢复为 酶原——这种酶活性的关闭作用是极其重要的。 这种酶活性的关闭作用是极其重要的。 酶原 这种酶活性的关闭作用是极其重要的
分解代谢
复杂分子
（有机物） 有机物）
合成代谢
简单小分子
ATP
[H]
UDPGAL r25 UDPGALA r 26 polyGALA NADH(NADPH) + O2 ADP r 35(r 36)
r 24
UDPG r 23 G1P r 22
GLC r1 G6P r2 F6P r3 GA3P r4 r 20
变构控制
变构效应：别构/副位效应，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用。 变构酶：具有变构作用的酶。
协同作用
协同作用： 协同作用：酶蛋白分子的一个位点与配基的结合 会影响同一分子的另一位点与基质的结合。 会影响同一分子的另一位点与基质的结合。 正协同作用： 正协同作用：若起始的配基结合促进分子的另一 位置的更多的基质的结合， 位置的更多的基质的结合，便认定这种蛋白质具 有正向协同作用。 有正向协同作用。 负协同作用：若这种结合使进一步结合受阻。 负协同作用：若这种结合使进一步结合受阻。
BIOMASS
C. glutamicum 合成生物絮凝剂的代谢网络
代谢控制机制
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酶活性的调节 ---活化或钝化 活化或钝化 酶合成的调节 ---诱导或阻遏 诱导或阻遏 遗传控制 酶合成水平的调节一般比酶活的调节更为经济。 酶合成水平的调节一般比酶活的调节更为经济。 调节步骤主要存在于转录和转译的启动部位， 调节步骤主要存在于转录和转译的启动部位，在 多步骤生物合成或分解代谢途径中其关键部位酶 活的快速调节主要靠变构控制机制。 活的快速调节主要靠变构控制机制。