《模块二微生物初级代谢调节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模块二微生物初级代谢调节（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模块二模块二 微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节一、微生物初级代谢调节一、微生物初级代谢调节1. 酶活性调节酶活性调节共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；变（别）构效应；变（别）构效应；缔合与解离；缔合与解离；竞争性抑制；竞争性抑制；2. 酶合成调节酶合成调节酶的诱导（诱导物）；酶的诱导（诱导物）；酶的阻遏（阻遏蛋白酶的阻遏（阻遏蛋白+辅阻遏物）；辅阻遏物）；微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节（2）分解代谢产物阻遏（中间产物）；）分解代谢产物阻遏（中间产物）；（1）末端产物或终产物阻遏（反馈调节）；）末端产物或终产物阻遏（反馈调节）；机制机制（1
2、）诱导型操纵子；）诱导型操纵子；（2）阻遏型操纵子；）阻遏型操纵子；形式形式微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节1.1 酶活性调节酶活性调节共价修饰和变共价修饰和变(别别)构效应机制（构效应机制（P63）2.1 酶合成酶合成 （诱导和阻遏（诱导和阻遏)）调节机制）调节机制2.1.1 诱导操纵子诱导操纵子. Jacob-Monod 操纵子模型（负调节）操纵子模型（负调节） 乳糖操纵子乳糖操纵子（P6970）微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节上述上述 Jaoob-Monod 模型中的诱导作用是一种负向控制，其调模型中的诱导作用是一种负向控制，其调节基因产物节基因产物 （调控蛋白（调控蛋白) 具有
3、具有“锁锁”的活性，阻止转录的进行。的活性，阻止转录的进行。微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节.阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子正调节正调节其调节基因产物是一种蛋白质，无活性（沉默，无转录进行），其调节基因产物是一种蛋白质，无活性（沉默，无转录进行），仅在有诱导物存在下可转化为转录激活剂仅在有诱导物存在下可转化为转录激活剂 （激活蛋白）推动转（激活蛋白）推动转录，是转录作用所必需。录，是转录作用所必需。2.1.2 阻遏操纵子阻遏操纵子其调节机制见下图。其调节机制见下图。微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节其调节基因产物是一种阻遏蛋白，无活性，仅在有辅阻遏物（终产物）其调节基因产物是一种阻遏蛋白，
4、无活性，仅在有辅阻遏物（终产物）存在下可转化为抑制剂存在下可转化为抑制剂 （“锁锁”），与操纵基因结合，阻止转录进行。），与操纵基因结合，阻止转录进行。微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节u操纵子分两类操纵子分两类:一类是一类是诱导型操纵子诱导型操纵子，只有当，只有当存在诱导物存在诱导物（一种效应物）（一种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。诱导现象。一类是一类是阻遏型操纵子阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物），只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵子所编码的酶的合时，其转录
5、频率才最高。由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过成，只有通过去辅阻遏物阻遏作用去辅阻遏物阻遏作用才能起动。才能起动。诱导型操纵子调节机制诱导型操纵子调节机制. Jacob-Monod . Jacob-Monod 操纵子模型（负调节）操纵子模型（负调节） 乳糖操纵子乳糖操纵子操纵基因操纵基因调节基因调节基因调控蛋白调控蛋白转录停止转录停止结构基因结构基因锁锁启动基因启动基因结构基因结构基因可转录为可转录为mRNA，由操纵基因控制。，由操纵基因控制。启动基因启动基因其一位点结合其一位点结合RNA聚合酶。聚合酶。诱导物诱导物钥匙钥匙转录进行转录进行诱导型操纵子调节机制诱导型操纵子调节机制.阿拉伯
6、糖操纵子阿拉伯糖操纵子正调节正调节调控蛋白调控蛋白锁锁但转录停止但转录停止诱导物诱导物调控蛋白调控蛋白转录激活剂转录激活剂转录进行转录进行操纵基因操纵基因阻遏型操纵子调节机制阻遏型操纵子调节机制1.1.末端产物缺乏的情况下末端产物缺乏的情况下调节基因调节基因阻遏物蛋白阻遏物蛋白锁锁操纵基因操纵基因转录进行转录进行2. 末端产物（辅阻遏物）存在的情况下末端产物（辅阻遏物）存在的情况下调节基因调节基因阻遏物蛋白阻遏物蛋白辅阻遏物辅阻遏物锁锁操纵基因操纵基因转录停止转录停止微生物初级代谢调节微生物初级代谢调节u调节蛋白（调节蛋白（P70）l一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与一称阻遏物，
7、它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；操纵基因相结合；调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点：其一可调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点：其一可与操纵基因结合；另一位点则可与效应物相结合。与操纵基因结合；另一位点则可与效应物相结合。调节蛋白有两种：调节蛋白有两种：l另一称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一另一称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。种）存在时才能与操纵基因相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用：有的可当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用：有的可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。提高与操
8、纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。分解代谢产物分解代谢产物阻遏阻遏2.2 分解代谢产物分解代谢产物阻遏（阻遏（中间产物中间产物阻遏）阻遏） 指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶（降解酶、指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶（降解酶、合成酶）合成的抑制作用。合成酶）合成的抑制作用。 根据分解产物的不同，又分为碳分解产物阻遏和氮分解产根据分解产物的不同，又分为碳分解产物阻遏和氮分解产物阻遏，如物阻遏，如“葡萄糖效应葡萄糖效应”和和“铵阻遏铵阻遏”。 阻遏的实质是阻遏物关闭了合成酶的基因表达。阻遏的实质是阻遏物关闭了合成酶的基因表达。 u 分解代谢产物阻遏的分子机制（分解代谢产物
9、阻遏的分子机制（P70）从分子水平看，是分解产物抑制腺苷酸环化酶的活性从分子水平看，是分解产物抑制腺苷酸环化酶的活性, 降低了环状降低了环状3,5-腺腺苷单磷酸（环腺苷酸，苷单磷酸（环腺苷酸，cAMP）浓度水平。）浓度水平。当胞内当胞内cAMP浓度较高时，其与活化蛋白（浓度较高时，其与活化蛋白（CAP）结合，促使）结合，促使RNA聚合酶与聚合酶与启动基因结合而开始转录；反之，当胞内启动基因结合而开始转录；反之，当胞内cAMP处于低水平，影响结合，不处于低水平，影响结合，不能转录。能转录。分解代谢产物分解代谢产物阻遏阻遏 葡萄糖的大量存在，降低了胞内葡萄糖的大量存在，降低了胞内 cAMP 浓度：
10、浓度：葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性，降低葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性，降低 cAMP cAMP 生成：生成： ATP cAMP + PiiATP cAMP + Pii 葡萄糖存在引起葡萄糖存在引起 ATP ATP 浓度上升，消耗胞内浓度上升，消耗胞内 cAMPcAMP： cAMP + HcAMP + H2 2O ADP ATPO ADP ATPu 结结果果，启启动动子子上上没没有有cAMPcAMPCRPCRP复复合合物物结结合合，使使得得RNARNA聚聚合合酶酶也无法结合到启动子的位点上，结构基因不能转录和表达。也无法结合到启动子的位点上，结构基因不能转录和表达。 l 葡萄糖阻遏葡萄糖阻遏 半乳糖
11、苷酶的生物合成机理：半乳糖苷酶的生物合成机理：葡萄糖效应葡萄糖效应 l 碳分解产物的阻抑作用。碳分解产物的阻抑作用。当大肠杆菌培养于含有葡萄当大肠杆菌培养于含有葡萄糖和乳糖的培养基中，菌体糖和乳糖的培养基中，菌体出现两次生长旺盛期，这是出现两次生长旺盛期，这是菌首先利用葡萄糖进行生长菌首先利用葡萄糖进行生长繁殖，在葡萄糖耗尽后，过繁殖，在葡萄糖耗尽后，过一段时间菌体才开始利用乳一段时间菌体才开始利用乳糖。在上述培养基中即使加糖。在上述培养基中即使加入乳糖酶诱导物，葡萄糖没入乳糖酶诱导物，葡萄糖没耗尽，利用乳糖的酶系也不耗尽，利用乳糖的酶系也不能合成。碳分解产物的阻抑能合成。碳分解产物的阻抑作用
12、普遍存在于微生物的生作用普遍存在于微生物的生化代谢中。化代谢中。 分解代谢产物分解代谢产物阻遏阻遏铵阻遏铵阻遏氮分解产物的调节作用指的是被菌体迅速利用的氮源（特别氮分解产物的调节作用指的是被菌体迅速利用的氮源（特别是铵）能阻抑某些参与含氮化合物代谢的酶的合成。是铵）能阻抑某些参与含氮化合物代谢的酶的合成。如在初级代谢中，它能阻遏许多芽孢杆菌的蛋白酶的合成。如在初级代谢中，它能阻遏许多芽孢杆菌的蛋白酶的合成。通常受到通常受到 NH4+ 阻遏的酶有：亚硝酸还原酶、硝酸还原酶、阻遏的酶有：亚硝酸还原酶、硝酸还原酶、固氮酶、乙酰胺酶、脲酶、黄嘌呤脱氢酶、组氨酸酶、天固氮酶、乙酰胺酶、脲酶、黄嘌呤脱氢酶
13、、组氨酸酶、天冬酰胺酶等。冬酰胺酶等。两种调节的对比两种调节的对比酶合成的调节酶合成的调节酶活性的调节酶活性的调节不不同同点点调节对象调节对象通过酶量的变化通过酶量的变化控制代谢速率控制代谢速率控制酶活性，不涉控制酶活性，不涉及酶量变化及酶量变化调节效果调节效果相对缓慢相对缓慢快速、精细快速、精细调节机制调节机制基因水平调节，基因水平调节，调节控制酶合成调节控制酶合成代谢调节，它调节代谢调节，它调节酶活性酶活性相同相同点点细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。确控制代谢的正常进行。分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节2
14、.3 分支代谢途径的反馈调节（氨基酸和核苷酸的合成）分支代谢途径的反馈调节（氨基酸和核苷酸的合成）在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中，调节方式较复杂。在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中，调节方式较复杂。其共同特点是：每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶；其共同特点是：每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶；同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用。同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用。分支代谢的反馈调节方式有以下多种（分支代谢的反馈调节方式有以下多种（P66）：）：同工酶调节同工酶调节合作反馈调节（增效反馈控制合作反馈调
15、节（增效反馈控制 ）协同反馈调节协同反馈调节累积反馈调节累积反馈调节顺序反馈调节顺序反馈调节代谢互锁（代谢互锁（metabolic interlock）分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节1、同功酶调节同功酶调节同功酶调节同功酶调节同功酶是指能催化同一生化反应，但结构稍有不同，可分别被相应的末端同功酶是指能催化同一生化反应，但结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。产物抑制的一类酶。特点：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被特点：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被H抑制，另一抑制，另一个酶被个酶被G抑制。只有当抑制。只有当H和和G同时过量才能完全阻止同时
16、过量才能完全阻止A转变为转变为B。分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节2、协同反馈抑制协同反馈抑制指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一指分支代谢途径中的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。个酶的一种反馈调节方式。分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节3、合作反馈抑制、合作反馈抑制又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。产物大得多的反馈抑制作用。分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节4、累积反馈抑制、累
17、积反馈抑制每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，每一分支途径的末端产物按一定百分率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，它们的抑制作用是累积的。所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节5、顺序反馈抑制、顺序反馈抑制当当E过多时，可抑制过多时，可抑制CD，这时由于，这时由于C的浓度过高而促使反应向的浓度过高而促使反应向F、G方方向进行，结果又造成了另一末端产物向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增加。浓度的增加。过量的过量的G抑制了抑制了CF，造成，造成C的浓度进一步增加。过量的浓度进一步增
18、加。过量C又对又对AB间的间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。分支代谢途径的反馈调节分支代谢途径的反馈调节6、代谢互锁（代谢互锁（metabolic interlock）A B C D E （被抑制）（被抑制） F （过量）（过量） l 从以上生物合成途径看，是一种完全无关的氨基酸的控制，从以上生物合成途径看，是一种完全无关的氨基酸的控制，产物产物 F 的过量积累会抑制的过量积累会抑制 E 的合成。的合成。u 这种调节方式只是在这种调节方式只是在F浓度很高的情况下（与生理学浓度浓度很高的情况下（与生理学浓度相比）才能显示抑制作用，且是部分抑制或阻遏。
19、相比）才能显示抑制作用，且是部分抑制或阻遏。反馈阻遏与反馈抑制的比较反馈阻遏与反馈抑制的比较代谢控制育种（定向育种）代谢控制育种（定向育种）u运用代谢控制理论，人为地改变菌种的代谢调节机制或避运用代谢控制理论，人为地改变菌种的代谢调节机制或避开微生物固有代谢调节，使得微生物体内的代谢流按照人开微生物固有代谢调节，使得微生物体内的代谢流按照人们所需要的方向进行，过量生产目标代谢产物。们所需要的方向进行，过量生产目标代谢产物。1、营养缺陷型突变菌株的筛选、营养缺陷型突变菌株的筛选在营养缺陷型突变菌株中，营养缺陷型突变菌株中，生物合成途径中的某一步发生了酶生物合成途径中的某一步发生了酶缺陷，合成反应
20、不能完成，末端产物不能积累，末端产物的反缺陷，合成反应不能完成，末端产物不能积累，末端产物的反馈调节作用被解除馈调节作用被解除，只要在培养基中限量加入所要求的末端产，只要在培养基中限量加入所要求的末端产物，克服生长障碍，就能积累中间产物。物，克服生长障碍，就能积累中间产物。注注1：使用营养缺陷型突变菌株进行生产时，由于：使用营养缺陷型突变菌株进行生产时，由于微生物体内酶的代谢调微生物体内酶的代谢调节机制并没有解除节机制并没有解除，必须严格控制缺陷营养物质添加量保持在亚适量水平，必须严格控制缺陷营养物质添加量保持在亚适量水平，否则生产不稳定。否则生产不稳定。代谢控制育种代谢控制育种注注2：在：在
21、直链式直链式的合成途径中，营养缺陷型突变株的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中只能累积中间代谢物间代谢物而不能累积而不能累积终产物终产物。但在。但在分支代谢分支代谢途径中，通过解除途径中，通过解除协同反馈调节，就可以使协同反馈调节，就可以使另一分支途径的末端产物另一分支途径的末端产物得到累积。得到累积。例如，选育谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株例如，选育谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株 工业上工业上生产赖氨酸的发酵菌种。生产赖氨酸的发酵菌种。AK-天冬氨酸激酶；天冬氨酸激酶；HD-高丝氨酸脱氢酶高丝氨酸脱氢酶 HT-高丝氨酸转乙酰酶高丝氨酸转乙酰酶 TD-苏氨酸脱氢酶苏氨酸脱氢酶 天冬氨酸
22、天冬氨酸 AK 天冬氨酰磷酸酸天冬氨酰磷酸酸 天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛 HD 二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 高丝氨酸高丝氨酸 HT HK 赖氨酸赖氨酸 O-磷酸高丝氨酸磷酸高丝氨酸 O-磷酸高丝氨酸磷酸高丝氨酸 苏氨酸苏氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 TD 异亮氨酸异亮氨酸代谢控制育种代谢控制育种2、抗反馈阻遏和抗反馈抑制突变菌株的筛选（、抗反馈阻遏和抗反馈抑制突变菌株的筛选（组成型突变）组成型突变）这类菌株主要是对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型这类菌株主要是对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变菌株，或二者兼而有之的菌株。突变菌株，或二者兼而有之的菌株。u 在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解
23、除，或是二者在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是二者同时被解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。同时被解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。 原因：原因：（1）调节基因或操纵基因发生突变，使产生的阻遏蛋白不能再和终产物）调节基因或操纵基因发生突变，使产生的阻遏蛋白不能再和终产物结合或结合后不能作用于已突变的操纵基因，反馈阻遏作用被解除。结合或结合后不能作用于已突变的操纵基因，反馈阻遏作用被解除。（2）由于编码酶的结构基因发生突变，使由结构基因转录出来的变构酶）由于编码酶的结构基因发生突变，使由结构基因转录出来的变构酶不能再和终产物结合但活力中心不变，仍具有催化活性。不能再和终产物结合但活力
24、中心不变，仍具有催化活性。代谢控制育种代谢控制育种此类菌株是通过抗结构类似物突变的方法筛选得到。结构此类菌株是通过抗结构类似物突变的方法筛选得到。结构 类似物与末端代谢产物有相似的结构。类似物与末端代谢产物有相似的结构。u 在目前氨基酸生产菌种选育中，营养缺陷型和结构类似物在目前氨基酸生产菌种选育中，营养缺陷型和结构类似物 抗性两种手段一般同时采用。抗性两种手段一般同时采用。u 组成型突变株应用于诱导酶的生产，不再受诱导物诱导、组成型突变株应用于诱导酶的生产，不再受诱导物诱导、 分解代谢产物及终产物阻遏。分解代谢产物及终产物阻遏。3、抗性突变株的筛选、抗性突变株的筛选包括对抗生素、金属离子、温
25、度、噬菌体等的抗性（或敏感）突变株的筛选。包括对抗生素、金属离子、温度、噬菌体等的抗性（或敏感）突变株的筛选。细胞透性调节细胞透性调节一、控制细胞膜的渗透性一、控制细胞膜的渗透性微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。采微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。采取取生理学或遗传学方法生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外，这种解除末端产物反馈抑制作用代谢产物迅速渗漏到细胞外，这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。的菌株，可以提高发酵产物的产量。1、通过生理学手段控制细胞膜的渗透
26、性、通过生理学手段控制细胞膜的渗透性生物素亚适量生物素亚适量机制：是合成脂肪酸的关键酶机制：是合成脂肪酸的关键酶-乙酰乙酰CoA 羧化酶的辅酶，亚适羧化酶的辅酶，亚适量的生物素量的生物素直接抑制膜的合成或使膜受缺损直接抑制膜的合成或使膜受缺损 。乙酰乙酰CoA 丙二酸单酰丙二酸单酰CoA 脂肪酸脂肪酸 CO2生物素生物素细胞透性调节细胞透性调节2、通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性、通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸是一种含有一个双键的不饱和脂肪酸（油酸是一种含有一个双键的不饱和脂肪酸（C18），是细胞膜磷脂中的重要），是细胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加大。脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加大。甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。即使是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。渗漏。即使是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。二、控制细胞壁二、控制细胞壁青霉素青霉素主要是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联，从而改变细胞壁的通透性。主要是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联，从而改变细胞壁的通透性。
