(精选)代谢调控育种袁丽红
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反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过量 时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在 氨基酸、核苷酸合成途径中。 特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除
20
Feedback Inhibition
Figure 3.
Figure 4.
21
反馈抑制的类型
1.直线式代谢途径中的反馈抑制：
7
一、正常微生物代谢调节与控制－ 自我调节
• 微生物有着一套可塑性极强和极精确的代 谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、 有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
8
正常的微生物代谢调控方式
• 调节细胞膜对营养物质的渗透性 • 通过酶的定位控制酶与底物的接触 • 控制代谢物流向－－最主要的调节
9
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合 成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶 系统。
10
通过酶的定位控制酶与底物的接触
• 真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各 自行使某种特异的功能； • 原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使
功能： ➢与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； ➢蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； ➢同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
11
通过 酶的 定位 控制 酶与 底物 的接
天冬氨酸族天冬氨酸
E,R
（谷氨酸棒 杆菌） 4-磷酸天冬氨酸
E 天冬氨酸半醛
E,R
二氢吡啶二羧酸 酸
E 同型丝氨酸
同型丝氨酸磷
E,R
R
O-琥珀酰同型丝氨酸
苏氨酸
六氢吡啶二羧酸
E,R 胱硫醚
2-酮丁酸
二氨基庚二酸
R 同型半胱氨酸
R
赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
26
合作反馈抑制——cooperative feedback inhibition
22
同功酶调节——isoenzyme
意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前 的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分 支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶 发生抑制作用。—某一产物过量仅抑制相应酶活， 对其他产物没影响。
例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节
23
24
协同反馈抑制——concerted feedback inhibition
19
酶活性的调节的式
➢ 酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的
反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。如：粗糙脉 孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进
➢ 酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。
反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关 键酶活性的影响。
正反馈：凡使反应速度加快的反馈。 负反馈（反馈抑制）：凡使反应速度减慢的反馈。
定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制 共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。 举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）、 多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合 成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻 遏。
25
定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途 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 作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作 用。
28
积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合 成酶的调节
触
12
控制代谢物流向( 通过酶促反应速度来调节)
➢可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流 向。
例如：两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成
以NAD为辅基
Glu分解
➢通过调节酶的活性或酶的合成量。
关键酶（调节酶）: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第 一个酶。
①粗调：调节酶的合成（酶合成诱导、酶合成阻遏） ②细调：调节现有酶分子的活性（催化活力）
定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二 者单独作用之和。 举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和 GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完 全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的 70%和10%。
27
积累反馈抑制——cumulative feedback inhibition
第五节 微生物代谢控制育种
1
技术背景
• 1956年谷氨酸发酵成功，标志发酵工业进 入代谢控制发酵时期
• 代谢控制发酵时期的核心－－代谢控制发 酵技术
2
代谢控制发酵过程
大体上可分为： • 以生物化学和遗传学为基础，研究代谢产
物的合成途径和代谢调控机制 • 选择巧妙的技术路线，通过遗传育种技术
获得解除或绕过微生物正常代谢途径的突 变株，从而使所需产物有选择性地大量合 成和积累
苏氨酸脱氨酶
苏氨酸
α-酮丁酸
异亮氨酸
反馈抑制
其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成
2.分支代谢途径中的反馈抑制：
在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在 一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供 应，微生物发展出多种调节方式。主要有：
同功酶的调节、顺序反馈、协同反馈、积累反馈调节等。
3
代谢控制发酵的关键
• 微生物代谢调控机制能否被解除 • 能否打破微生物正常的代谢调节 • 能否人为控制微生物代谢
4
实现代谢控制发酵的手段
• 代谢调控育种－内因改变－主要技术支柱 • 发酵过程的代谢调控培养－外因改变
5
代谢调控育种特点
• 减少盲目性 • 定向选育
6
代谢调控育种应用及成果
• 氨基酸发酵 • 核苷酸发酵 • 一些次生代谢产物
➢通过调节产能代谢速率。
13
酶合成的诱导－乳糖操纵子
14
酶合成的阻遏
• 分解代谢物阻遏 • 产物阻遏－色氨酸操纵子
15
lac 操纵子的正调控—分解代谢物阻遏
CAP－降解物基因活化蛋白 分解代谢物激活蛋白，cAMP受体蛋白
(CRP)
16
Trp 操纵子----产物阻遏常规酶的合成
调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA
阻遏蛋白
酶代谢产物wenku.baidu.com旦大量积累
酶蛋白
阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。 阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。
原核生物基因主要是转录控制。
17
18
调节现有酶的催化活力－酶活性的调节
• 是以酶分子的结构为基础，在酶分子水平 上的一种代谢调节。是通过改变现成的酶 分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。
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Feedback Inhibition
Figure 3.
Figure 4.
21
反馈抑制的类型
1.直线式代谢途径中的反馈抑制：
7
一、正常微生物代谢调节与控制－ 自我调节
• 微生物有着一套可塑性极强和极精确的代 谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、 有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
8
正常的微生物代谢调控方式
• 调节细胞膜对营养物质的渗透性 • 通过酶的定位控制酶与底物的接触 • 控制代谢物流向－－最主要的调节
9
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合 成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶 系统。
10
通过酶的定位控制酶与底物的接触
• 真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各 自行使某种特异的功能； • 原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使
功能： ➢与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； ➢蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； ➢同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。
11
通过 酶的 定位 控制 酶与 底物 的接
天冬氨酸族天冬氨酸
E,R
（谷氨酸棒 杆菌） 4-磷酸天冬氨酸
E 天冬氨酸半醛
E,R
二氢吡啶二羧酸 酸
E 同型丝氨酸
同型丝氨酸磷
E,R
R
O-琥珀酰同型丝氨酸
苏氨酸
六氢吡啶二羧酸
E,R 胱硫醚
2-酮丁酸
二氨基庚二酸
R 同型半胱氨酸
R
赖氨酸 甲硫氨酸
异亮氨酸
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合作反馈抑制——cooperative feedback inhibition
22
同功酶调节——isoenzyme
意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前 的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分 支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶 发生抑制作用。—某一产物过量仅抑制相应酶活， 对其他产物没影响。
例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节
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24
协同反馈抑制——concerted feedback inhibition
19
酶活性的调节的式
➢ 酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的
反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。如：粗糙脉 孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进
➢ 酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。
反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关 键酶活性的影响。
正反馈：凡使反应速度加快的反馈。 负反馈（反馈抑制）：凡使反应速度减慢的反馈。
定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制 共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。 举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）、 多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合 成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻 遏。
25
定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途 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 作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作 用。
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积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合 成酶的调节
触
12
控制代谢物流向( 通过酶促反应速度来调节)
➢可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流 向。
例如：两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成
以NAD为辅基
Glu分解
➢通过调节酶的活性或酶的合成量。
关键酶（调节酶）: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第 一个酶。
①粗调：调节酶的合成（酶合成诱导、酶合成阻遏） ②细调：调节现有酶分子的活性（催化活力）
定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二 者单独作用之和。 举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和 GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完 全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的 70%和10%。
27
积累反馈抑制——cumulative feedback inhibition
第五节 微生物代谢控制育种
1
技术背景
• 1956年谷氨酸发酵成功，标志发酵工业进 入代谢控制发酵时期
• 代谢控制发酵时期的核心－－代谢控制发 酵技术
2
代谢控制发酵过程
大体上可分为： • 以生物化学和遗传学为基础，研究代谢产
物的合成途径和代谢调控机制 • 选择巧妙的技术路线，通过遗传育种技术
获得解除或绕过微生物正常代谢途径的突 变株，从而使所需产物有选择性地大量合 成和积累
苏氨酸脱氨酶
苏氨酸
α-酮丁酸
异亮氨酸
反馈抑制
其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成
2.分支代谢途径中的反馈抑制：
在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在 一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供 应，微生物发展出多种调节方式。主要有：
同功酶的调节、顺序反馈、协同反馈、积累反馈调节等。
3
代谢控制发酵的关键
• 微生物代谢调控机制能否被解除 • 能否打破微生物正常的代谢调节 • 能否人为控制微生物代谢
4
实现代谢控制发酵的手段
• 代谢调控育种－内因改变－主要技术支柱 • 发酵过程的代谢调控培养－外因改变
5
代谢调控育种特点
• 减少盲目性 • 定向选育
6
代谢调控育种应用及成果
• 氨基酸发酵 • 核苷酸发酵 • 一些次生代谢产物
➢通过调节产能代谢速率。
13
酶合成的诱导－乳糖操纵子
14
酶合成的阻遏
• 分解代谢物阻遏 • 产物阻遏－色氨酸操纵子
15
lac 操纵子的正调控—分解代谢物阻遏
CAP－降解物基因活化蛋白 分解代谢物激活蛋白，cAMP受体蛋白
(CRP)
16
Trp 操纵子----产物阻遏常规酶的合成
调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA
阻遏蛋白
酶代谢产物wenku.baidu.com旦大量积累
酶蛋白
阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。 阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。
原核生物基因主要是转录控制。
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调节现有酶的催化活力－酶活性的调节
• 是以酶分子的结构为基础，在酶分子水平 上的一种代谢调节。是通过改变现成的酶 分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。