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1、第八章 氨基酸发酵机制,第一节、概述,1.代谢控制发酵 遗传学的方法或其他生物化学的方法，人为的改变、控制微生物的代谢，使有用产物大量生成、积累的发酵。 条件: (1)搞清楚了微生物细胞各种氨基酸代谢的遗传控制，代谢调节机制。 (2)可人为的在DNA水平上改变微生物的代谢 (3)合理的控制环境条件,2.氨基酸发酵的种类 （1）使用野生型菌株发酵 （2）使用营养缺陷型菌株发酵 （3）使用抗类似物突变株发酵 （4）添加前体法 （5）酶法转化法,3.微生物调节控制因素： （1）酶的浓度 诱导 阻遏 （2）酶的活性 终产物的抑制或激活 辅酶水平的活性调节 酶原的活化 潜在酶的活化,4.根据代谢作用将酶
2、分类 （1）调节酶 变构酶 同工酶 多功能酶 （2）静态酶 （3）潜在酶 关键酶：参与代谢调节的酶的总称。,5.氨基酸合成的关键酶 （1）磷酸果糖激酶 （2）柠檬酸合酶 （3）N-乙酰谷氨酸激酶 （4）鸟氨酸转氨基甲酰酶 （5）天冬氨酸激酶 （6）高丝氨酸脱氢酶 （7）苏氨酸脱水酶 （8）-乙酰羟酸合成酶 （9）DNAP合成酶 （10）分支酸变位酶 （11）预苯酸脱水酶 （12）预苯酸脱氢酶,第二节、酶活性的控制,别构效应、共价修饰、寡聚酶的解聚与聚合、蛋白酶水解激活 一、变构调节 （一）变构效应（别构效应） 1.别构效应：某种不直接涉及蛋白质活性的物质，结合于蛋白质活性部位以外的其他部位（别
3、构部位），引起蛋白质分子的构象变化，而导致蛋白质活性改变的现象。 别构酶：受别构效应调节的酶。 效应物：凡使酶发生别构效应的物质， 通常为小分子代谢物或辅助因子。,2.别构酶结构上的特点:多个亚基、有四级结构、活性中心与别构中心可处于不同的亚基或同一亚基不同的部位。 3.别构酶性质上的特点:当专一性底物与别构中心诱导楔合时，随着别构中心构象的改变，该酶的活性中心构象也会相应发生变化，从而引起酶催化活性的改变。,脱敏作用： 经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性，称脱敏作用。 （1）酶解聚 （2）基因突变,4.正协同效应（positive cooperative effect） 调
4、节物与变构酶结合后，酶的构象发生变化，新的构象有利于后续底物分子或调节物的结合。,正协同效应别构酶与米氏酶动力学比较,氨甲酰磷酸,天冬氨酸,氨甲酰天冬氨酸,大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶（E-Coli aspartate transcarbamylase, ATCase）,（1）Asp浓度增加，ATC酶与底物亲和力及协同性增加 （2）CTP反馈抑制ATC酶活性，但不能全部抑制 （3）底物浓度饱和而达到最大反应速度不受抑制剂的影响,ATCase活性调节的机理,有催化活性的构象,无催化活性的构象,5.负协同效应（negative cooperative effect） 调节物与变构酶结合后，酶的构象发
5、生变化，新的构象不利于后续底物分子或调节物的结合。,3-磷酸甘油酸脱氢酶 3-磷酸甘油酸脱氢酶对NAD浓度的较大变化不受大的干扰。,（二）序变模型和齐变模型,对称或协同模型（symmetry or concerted model,也称齐变模型、MWC模型）,1965年由Monod、Wyman和Changeux提出。,该模型的要点 :主张别构酶所有的亚基或者全部是坚固紧密的，不利于结合底物的“T”状态，或者全部是松散的，利于结合底物的“R”状态。这两种状态间的转变对每个亚基都是同步的，齐步发生的，“T”状态中的亚基的排列是对称的，变为R状态后，蛋白亚基的排列仍然是对称的。,模型的几个假定:,序变
6、模型（sequential model，也称KNF模型）,1966年由Koshland、Nemethy和Filmer提出。,该模型的要点 :一个配体可以诱导它要结合的亚基的三级结构的变化。这个亚基-配体复合体又能够改变相邻亚基的构象。这一模型特别强调对于配体只有一种形状是亲和力最高的，但与齐变模型不同的是在具有部分饱和的一个寡聚分子中允许存在着高亲和力和低亲和力的亚基。,模型的几个假定:,调节酶总结： （1）调节酶一般为变构酶； （2）调节酶反应速度与底物浓度关系多呈S型，有协同性； （3）调节酶多处于合成代谢途径上而且一般在代谢分支点，多受终产物反馈抑制； （4）中间产物不影响调节酶的活性；
7、 （5）调节酶后面的酶对终产物不敏感； （6）有脱敏作用； （7）调节酶与负效应物非共价结合引起的变构调节，是酶活性控制的一种快速、敏感、高效的细调方式。,（二）共价调节酶（covalently modulated enzymes）,什么是共价调节酶？是一类由其它酶对其结构进行可逆共价修饰，使其处于活性和非活性的互变状态，从而调节酶活性。,常见的是磷酸化/脱磷酸化，腺苷酰化/脱腺苷酰化，乙酰化/脱乙酰化，尿苷酰化/脱尿苷酰化，甲基化/脱甲基化，S-S/SH相互转变，共6种类型。 目前已知可以受化学修饰调节的酶几乎又都是别构酶。,共价调节酶最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶,1. 糖原磷酸化酶
8、催化的反应,催化糖原的磷酸解，生成G-1-P。,2、结构特征,3、调节机理,磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化,磷酸化酶构象的变化(包括亚基的聚合与 解离,化学信号的放大(级联放大),酶的磷酸化和脱磷酸化主要在高等动物细胞中进行，而腺苷酰化和脱腺苷酰化在细菌中比较常见。,如E.Coli 谷氨酰胺合成酶 腺苷酰化无活性 脱腺苷酰化有活性,（三）寡聚酶的解聚和聚合,+ ATP,柠檬酸激活,丙二酰辅酶A抑制,蛋白激酶调节： 聚合：活性低 解聚：活性高,1、胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活,（四）蛋白酶水解的激活作用,2、胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活,3、胰凝乳蛋白酶原（chymotry
9、psinogen）的激活,（五）调节类型,1.单功能途径 （1）终产物抑制,（2）前体激活,（3）补偿性激活 AB C D E I F G H,2.多功能途径 (1)协同反馈抑制（多价反馈抑制） F G AB C D E,如：谷氨酸棒杆菌中天冬氨酸激酶,(2)合作反馈抑制 F G AB C D E,如：催化嘌呤生物合成最初反应的谷氨酸胺磷酸核糖焦磷酸转氨酶,（3）积累反馈抑制 F G AB C D H I,如：大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶,（4）顺序反馈抑制 E G AB C D F G K H I 如：枯草芽孢杆菌等芳香族氨基酸的生物合成 。,(5)同工酶 F G A B C D E,酶,酶,(
10、6)假反馈抑制 结构类似物引起的反馈抑制,第三节、酶合成调节,合成调节方式 1.酶的诱导 2.分解代谢物阻遏 3.终产物调节,一、操纵子学说,酶活性合成调节也即基因表达的转录调节或酶量调节，是一种相对的慢调节过程。基因表达调控是通过操纵子机制实现的。,操纵子（operon）：通常由2个以上的编码序列与启动序列（promotor）、操纵序列（operator）以及其它调节序列在基因组中成簇串联组成。,每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。 操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列（原核生物）。,启动序列（promotor）：RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。又称启动子。各种原核
11、启动序列特定区域内（通常在转录起始点上游-10及-35区域）存在共有序列（consensus sequence）,操纵序列（operator）：与启动序列毗邻或接近的DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其DNA序列常与启动序列交错、重叠。,原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。,模型一：,乳糖操纵子理论,E.coli乳糖操纵子（lac operon）包含：,三个结构基因：Z 编码-半乳糖苷酶 Y 编码通透酶 A 乙酰基转移酶,一个操纵序列O,一个启动序列 P,一个调节基因 I,一个分解代谢物基因激活蛋白（catabolite gene activati
12、on protein,CAP）结合位点,（一）负调控,Z 编码-半乳糖苷酶 Y 编码透酶 a 编码乙酰基转移酶,一个分解代谢物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein,CAP）结合位点,启动序列 promoter,操纵序列operator,调节基因（regulatory gene or inhibitor gene, I ）,Lac操纵子及各个组分,（一）阻遏蛋白的负性调节,没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。I序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。,有乳糖存在时，lac操纵子可被诱导。乳糖在通透酶催化
13、、转运进入细胞，再经-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。半乳糖作为诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离，发生转录。,Lac操纵子阻遏与诱导状态图解 1961年Jacob和Monod发表的lac操纵子是负控制模式,阻遏蛋白的负性调节I,没有乳糖存在时,阻遏蛋白的负性调节II,有乳糖存在时,（二）CAP的正性调节,当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性。,当有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP结合受阻，lac操纵子表达下降。,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度
14、低时,CAP的正性调节,（三）协调调节,Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作。,单独存在乳糖时，细菌利用乳糖作为能源。,当葡萄糖和乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖作为能源物质。这时，葡萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,协调调节,色氨酸操纵子,模型二：,E.coli色氨酸操纵子（lac operon）包含：,五个结构基因,一个操纵序列O,一个启动序列 P,一个调节基因 I,一个前导序列,trpE-邻氨基苯甲酸合成酶,trpD-
15、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶,trpC-邻氨基苯甲酸异构酶,trpB-色氨酸合成酶,trpA吲哚甘油-3-磷酸合成酶,色氨酸操纵子（Trp Operon）,当有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白构象改变可结合O序列，阻断基因转录。,当没有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白不能结合O序列，基因开始转录。,阻遏型操纵子,色氨酸操纵子是一种阻遏型操纵子，参与该操纵子机制的阻遏蛋白有两种分子构象。 当有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白构象改变可结合O序列，阻断基因转录。 当没有色氨酸结合阻遏蛋白时，阻遏蛋白不能结合O序列，基因开始转录。,转录衰减,当色氨酸丰富时，色氨酸操纵子使用衰减作用来终止和减弱转录。,转录衰减
16、的DNA作用部位称为衰减子attenuator。它是位于结构基因上游前导序列中具有终止子结构的短序列。前导序列转录的RNA 5 端162个核苷酸顺序，这段mRNA包含4个彼此互补的区域，可形成独特的二级结构。区域 1还是一个开放阅读框，可编码一个含14个氨基酸的短肽，称为前导肽。前导肽的第10、11位是两个连续的Trp。,前导肽：由前导RNA27-68编码的14个氨基酸多肽,色氨酸衰减子位点的碱基序列,当Trp缺乏时，没有色氨酸-tRNA供给，前导肽的翻译至Trp密码子（UGG）时停止，核糖体不再移动，占据1区位置，区域2，3配对，区域4空出，不形成转录终止信号。 当有足够的Trp供给时，前导14肽继续合成，核糖体占据1区和2 区，3、4区配对形成发夹结构。其后又紧跟一串U残基，转录终止。,Trp
