第五章第2节核酸类物质的代谢调控机制

▪IMP脱氢酶受GMP的反馈抑制，也被GMP阻遏；GMP 还原酶受ATP的反馈抑制。 ▪同样的，AMP抑制SAMP合成酶，GTP抑制AMP脱氨酶
▪SAMP→AMP反应的供能体为GTP，XMP→GMP反应 的供能体为ATP
第五章 生物产品代谢调控发酵机制
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▪根据上述调节机制，当细胞中的GMP水平提高到一定程 度时，从IMP的代谢流就自动地转向AMP方面；反之， 当细胞的AMP水平高到一定程度时，从IMP的代谢流就 自动地转向GMP方面。
调节酶包括3个种类： ⑴变构酶； ⑵同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同； ⑶多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。
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➢关键酶（key enzyme 或 switching enzyme） ——参与代谢调节的酶的总称
——是一个反应链的限速因子，对代谢流的质和量都起着制约作用； ——在代谢流的枢纽处起支柱作用；
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肌苷酸发酵机制
➢ 5-IMP发酵应具备的条件： 选择肌苷酸酶弱或丧失的出发菌株； 切断IMP向下的两条支路，使IMP大量生成和积累； 选育结构类似物双重抗性突变株； 限量添加Mn2+，解除细胞膜渗透型障碍。
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鸟苷酸发酵机制(讨论)
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3. 酶合成的调控
▪反馈阻遏（feedback repression）是由代谢终点产物抑制酶
合成的负反馈作用。
▪微生物可以通过控制酶基因的生物合成来进行调节，也就是说，
在微生物生物合成体系中，常通过代谢产物抑制酶的生物合成
或诱导酶的生物合成，来调节生物的代谢过程。
——关键酶所受的反馈调节因菌而异（例如，Asp族氨基酸生物合成途 径中的主导关键酶天冬氨酸激酶AK，在大肠杆菌中有3种同功酶， 分别受到 Thr 、 Met 和Lys 的反馈调节，而在谷氨酸棒杆菌中却是 单一的，仅受到Thr 和Lys的协同反馈控制 ）。
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大肠杆菌中天 冬氨酸族氨基 酸生物合成的 调节机制
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4）选育Mn2+脱敏突变株（MnINS），或控制培养基中Mn2+ 的浓度，解除细胞膜渗透型障碍。 5）生产肌苷时，肌苷酸酶活性要强，而肌苷酸化酶要越弱 越好，以使生成的肌苷不再分解。
模型： Ade－+ Xa－+ dea－+ GMPred－ + 8AGr（或8AXr、ARr）+ SGr + NP－ + ARr + Smr （符号见《微生物工程工艺原理》p.116）
（5-胺基-4-（N-琥珀基）代氨甲酰咪唑核苷酸）
（5-磷酸核糖胺）
葡萄糖 →→→5-磷酸核糖→
（磷酸核糖焦磷酸）
枯草杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径
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产黄短杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径
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2. 嘧啶核苷酸的全合成途径
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调节酶活力（反馈抑制）比调节酶的合成（反馈阻遏）迅速及时有效， 这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式。
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氨基酸生物合成 途径中的关键酶
氨第基五酸章生生物物合产品成代途谢径调控中发的酵关机制键酶
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▪最终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，因此当最终产物的 浓度降低时，最终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋 白的原有的构象，使酶与底物可以结合而发生催化。
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嘌呤核苷酸的补救合成途径
—— 嘌呤碱基、核苷和核苷酸的相互转换
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二、嘌呤核苷酸的代谢调节机制（枯草杆菌型）
SAMP 裂解酶
AMP 脱氨酶
SAMP 合成酶
GMP 还原酶
IMP 脱氢酶
XMP 氨化酶
IMP合成系的代谢控制及嘌呤核苷酸互变的代谢控制
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➢嘌呤核苷酸可以分为GMP、IMP等6-羟基嘌呤核苷酸 与ADP、AMP等的6-氨基嘌呤核苷酸两类。
➢如果同时添加这两类嘌呤核苷酸（GMP+AMP 或 IMP+ADP），抑制作用就会相乘的提高。这种现象叫 做“合作终产物抑制”。
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符号说明
IMP－肌苷酸
SAICAR－5-氨基-(N-琥珀基)代氨甲
（次黄嘌呤核苷一磷酸）
AMP－腺苷酸
酰咪唑核苷酸
（腺嘌呤核苷一磷酸）
GMP－鸟苷酸
AICAR－5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸
XMP－黄苷酸
（黄嘌呤核苷一磷酸）
SAMP－腺苷琥珀酸
PRPP－磷酸核糖焦磷酸 PRA－5-磷酸核糖胺
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①IMP脱氢酶 ②GMP还原酶
③XMP氨化酶
④SAMP合成酶
⑤SAMP裂解酶
⑥AMP脱氨酶
PR-ATP 1-
（5'-磷酸核糖基） -三磷酸腺苷
AICAR－5-氨基-
4-氨甲酰咪唑核 苷酸
⑥
②
⑤
③
④
①
A
调节位点
嘌呤核苷酸相互转换系的代谢控制
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▪以IMP为中心的两个循环，各个反应是不可逆的
由此AMP与GMP可以互相转换； ▪ 产黄短杆菌分出的两条路线不是环形，而是单项分枝的，
AMP与GMP不能互相转换
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枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸的全合成途径(2) —— AMP和GMP的互变
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琥珀酰腺苷酸 肌苷酸
黄苷酸
腺苷酸
鸟苷酸
（5-胺基-4-氨甲酰咪唑核苷酸）
——一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶 （branching enzyme）可以成为关键酶，但关键酶并不都是分支点酶；
——其关键效果仅仅在特定的氨基酸生物合成过程中成立，而在其他氨 基酸生物合成过程中则不成立（例如，-乙酰乳酸合成酶在Val 生物 合成途径中起关键作用，而Ile生物合成途径中起主导性的关键酶却 是苏氨酸脱氢酶TD，该酶在-乙酰乳酸合成酶的前一阶段）；
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嘌呤核苷酸的全合成途径(1) —— 5′ -IMP的生成（“从无到 有”）：
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合成IMP的价值：进一步合成AMP和GMP
➢各种微生物合成IMP的途径是一样的,但是从IMP分别生成AMP 和GMP的途径是不同的。
从IMP开始， ▪ 枯草杆菌以IMP为中心分出两条环形路线，
1. 调节酶——与代谢调节密切相关的酶，常称为关键酶
▪受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶，酶活力调控的实质就是 变构酶的变构调节。 ▪变构酶分子除了有与底物结合的活性中心（即催化部位和活性 中心）外，还有一个与最终产物结合的部位，称做调节中心 （或称变构部位），当它与最终产物结合之后就改变了酶分子 的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。
嘌呤缺陷型（Xan－）的双重缺陷型突变株；
2）通过限量腺嘌呤和鸟嘌呤来解除腺嘌呤系和鸟嘌呤系
化合物对IMP生物合成的酶的反馈抑制；
3）进一步选育抗腺嘌呤、鸟嘌呤类似物和（或）抗磺胺
剂突变株，从遗传上解除正常代谢控制；
（选育抗性突变株时，应采用丧失腺嘌呤脱氢酶< dea－ >
的菌株为出发菌株）
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§2 核酸类物质的代谢调控机制
➢核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进一步深化和发展 的代谢控制发酵。
➢生物体内大分子的核酸是由单核苷酸作为原料聚合而 成的，因此，生物体必须先合成单核苷酸。
➢单核苷酸有两条完全不同的合成途径： ⑴全合成途径——由磷酸戊糖开始……； ⑵补救途径——由培养基中获取……。
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▪另一方面，核苷酸的代谢也与组氨酸的生物合成有关： AICAR→IMP→AMP→ATP→PR-ATP→AICAR形成一个 循环，由PRATP经咪唑甘油磷酸生成组氨酸。假如组氨 酸过剩，则不走此途径。
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三、肌苷和肌苷酸高产菌的选育模型
1）切断两条支路代谢，选育腺嘌呤缺陷型（Ade－）和黄
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一、核苷酸的生物合成途径
采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源：
▪合成1分子IMP（肌苷酸）需用 1分子PRPP（磷酸核糖焦磷酸） 1分子Asp（天冬氨酸） 1分子Gly（甘氨酸） 2分子甲酸 1分子CO2 2分子NH3 共消耗8分子ATP。
嘌呤环的前体
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1. 嘌呤核苷酸的全合成途径（“从无到有”途径）
细胞中这种调节控制作用主要依靠
反馈抑制 反馈阻遏
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微生物细胞氨基酸、核苷酸的调节机制（模型）
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▪代谢控制的研究证明，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。 ▪按操纵子学说，操纵子由细胞中的操纵基因和邻近的几个结构基 因 组 成 。 结 构 基 因 能 转 录 遗 传 信 息 ， 合 成 相 应 的 信 使 RNA （mRNA），进而再翻译合成特定的酶；操纵基因则能够控制结构 基因作用的发挥。 ▪细胞中还有一种调节基因，能够产生一种细胞质阻遏物，细胞质 阻遏物与阻遏物（通常是酶反应的终产物）结合时，由于变构效应， 结构改变和操纵基因的亲和力变大，而使有关的结构基因不能合成 mRNA，因此，酶的合成受到阻遏。