3微生物的代谢调节和代谢工程.pptx

第三章第三章微生物的代谢调节和代谢微生物的代谢调节和代谢工程工程(二二)2n 微生物代谢的代谢类型和自我调节微生物代谢的代谢类型和自我调节n 酶活性、酶合成调节酶活性、酶合成调节n 分支生物合成途径的调节分支生物合成途径的调节n 能荷调节能荷调节n 代谢调控代谢调控n 次级代谢调节次级代谢调节本章内容本章内容3第四节第四节 分支生物合成途径的调节分支生物合成途径的调节4 在有两种或两种以上的末端产物的分支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，其共同合成代谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是特点是每个分支途径的末端产物控制分支点每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个，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。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多种。分支代谢的反馈调节方式有多种。分支代谢途径分支代谢途径51、同工酶的反馈抑制、同工酶的反馈抑制 isoenzyme feedback inhibition 同功酶同功酶是指能催化同一生化反应，但它们的是指能催化同一生化反应，但它们的结构结构稍有不同稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。酶。6 其其特点是特点是：途径中第一个反应被两个不同：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被的酶所催化，一个酶被H H抑制，另一个酶被抑制，另一个酶被G G抑制。抑制。只有当只有当H H和和G G同时过量才能完全阻止同时过量才能完全阻止A A转变为转变为B B。72、协同反馈抑制、协同反馈抑制concerted feedback inhibition 在分支代谢系统中，几种末端产物同时都过量，在分支代谢系统中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用，如果末端才对途径中的第一个酶具有抑制作用，如果末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。8 8l例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生物合成途径中，天门冬氨酸激酶酸生物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)(AK)是是受末端产物赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。受末端产物赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。9 93 3、累积反馈抑制、累积反馈抑制cumulative feedback inhibitioncumulative feedback inhibition 在分支代谢途径中各种末端产物单独过量时，在分支代谢途径中各种末端产物单独过量时，它们各自能对途径中的第一个反应的酶仅产生较它们各自能对途径中的第一个反应的酶仅产生较小的抑制作用。小的抑制作用。一种末端产物单独过量并不影响其它末端产一种末端产物单独过量并不影响其它末端产物的形成，只有当几种末端产物同时过量时，才物的形成，只有当几种末端产物同时过量时，才对途径中的第一个酶产生较大的抑制。对途径中的第一个酶产生较大的抑制。104、增效反馈抑制、增效反馈抑制cooperative feedback inhibition增效反馈抑制既不同于协同反馈抑制又不同于增效反馈抑制既不同于协同反馈抑制又不同于累积反馈抑制。累积反馈抑制。在一个分支代谢途径中，几种末端产物单独过在一个分支代谢途径中，几种末端产物单独过量时，仅产生对共同途径的第一个酶部分的抑量时，仅产生对共同途径的第一个酶部分的抑制。如果每种末端产物都过量时，其抑制作用制。如果每种末端产物都过量时，其抑制作用则超过各种末端产物单独过量时抑制的总和。则超过各种末端产物单独过量时抑制的总和。115、顺序反馈抑制、顺序反馈抑制 sequential feedback inhibition 分支代谢途径中的两个末端产物，不能直分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的积支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的积累，这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶累，这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。的活性。6 6、联合激活或抑制调节联合激活或抑制调节 由一种生物合成的中间产物参与两个完全独立的、由一种生物合成的中间产物参与两个完全独立的、不交叉的合成途径的控制。这种中间体物质浓度的变不交叉的合成途径的控制。这种中间体物质浓度的变化会影响这两个独立代谢途径的代谢速率。化会影响这两个独立代谢途径的代谢速率。肠细菌氨甲酰磷酸合成酶的联合激活和抑制肠细菌氨甲酰磷酸合成酶的联合激活和抑制肠细菌中精氨酸和嘧啶核苷酸的合成途径是完全独立的，但肠细菌中精氨酸和嘧啶核苷酸的合成途径是完全独立的，但它们有一共同的中间体它们有一共同的中间体氨甲酰磷酸。氨甲酰磷酸。负责合成该中间体的酶负责合成该中间体的酶氨甲酰磷酸合成酶可以被嘧啶代氨甲酰磷酸合成酶可以被嘧啶代谢途径的代谢物谢途径的代谢物UMPUMP反馈抑制，也可被精氨酸合成途径中的反馈抑制，也可被精氨酸合成途径中的中间体鸟氨酸激活。中间体鸟氨酸激活。氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸14第五节第五节 能荷调节能荷调节151、能荷调节、能荷调节(Energy Charge Regulation)v能荷能荷指细胞中指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。v能荷调节能荷调节指细胞通过改变指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动，也称腺苷酸三者比例来调节其代谢活动，也称腺苷酸调节。调节。能能荷荷16 糖代谢的调节主要受细胞能荷的控制。糖代谢的调节主要受细胞能荷的控制。v体系中体系中ATPATP含量高时，含量高时，ATPATP抑制磷酸果糖激抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，使酵解减少；酶和丙酮酸激酶的活性，使酵解减少；v当需能时，当需能时，ATPATP分解为分解为ADPADP和和AMPAMP。ADPADP、AMPAMP增加、增加、ATPATP的抑制作用被解除，同时的抑制作用被解除，同时ADPADP、AMPAMP激活已糖激酶和磷酸果糖激酶，激活已糖激酶和磷酸果糖激酶，酵解增加。酵解增加。17v能荷不仅调节能荷不仅调节形成形成ATPATP的分解代谢酶类的分解代谢酶类（如磷（如磷酸果糖激酶、异柠檬酸脱氢酶、柠檬酸合成酶酸果糖激酶、异柠檬酸脱氢酶、柠檬酸合成酶等）的活性；等）的活性；v也调节也调节利用利用ATPATP的生物合成酶类的生物合成酶类（如柠檬酸裂（如柠檬酸裂解酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的活性。解酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的活性。18第六节第六节 代谢调控代谢调控1919 但是，在工业生产中却往往需要单一地积累某但是，在工业生产中却往往需要单一地积累某种产品，这些产品的量又经常是大大地超出了细种产品，这些产品的量又经常是大大地超出了细胞正常生长和代谢所需的范围。胞正常生长和代谢所需的范围。代谢反应的协调是通过细胞自身的代谢调控系代谢反应的协调是通过细胞自身的代谢调控系统对细胞机能实行精细控制来达到的。统对细胞机能实行精细控制来达到的。对于生命过程来说，代谢反应的协调是必要的；对于生命过程来说，代谢反应的协调是必要的；2020 因此，要达到过量积累某种产品的目的，提高因此，要达到过量积累某种产品的目的，提高生产效率，就必须使原有的调节系统失去控制，生产效率，就必须使原有的调节系统失去控制，在保证微生物适当生存的条件下，建立起新的代在保证微生物适当生存的条件下，建立起新的代谢方式，使微生物的代谢产物按照人们的意志积谢方式，使微生物的代谢产物按照人们的意志积累。累。2121v实现代谢控制发酵的方法实现代谢控制发酵的方法1 1、控制发酵条件、控制发酵条件;2 2、改变菌种的遗传特性、改变菌种的遗传特性;3 3、改变细胞透性、改变细胞透性.22221 1、发酵工艺条件的控制、发酵工艺条件的控制l 发酵工艺条件发酵工艺条件 -培养基（各种营养物质，不同的氮、碳源等）培养基（各种营养物质，不同的氮、碳源等）-pH-pH-温度温度 -溶氧溶氧 -生物素生物素 -诱导物、前体诱导物、前体2323“添加诱导物或其类似物添加诱导物或其类似物”在诱导物就是酶的底物的情况下，添加底物类在诱导物就是酶的底物的情况下，添加底物类似物来加强诱导作用是最好的。似物来加强诱导作用是最好的。因为底物类似物不易被所形成的酶分解，而在细因为底物类似物不易被所形成的酶分解，而在细胞中始终保持较高的浓度，能够持续地诱导酶的合胞中始终保持较高的浓度，能够持续地诱导酶的合成，获得较高浓度的酶。成，获得较高浓度的酶。例如例如:用异丙基硫代半乳糖苷用异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)(IPTG)可诱导可诱导-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的合成。的合成。24242 2、改变细胞透性、改变细胞透性 细胞内合成的发酵产物若要分泌到培养基中，细胞内合成的发酵产物若要分泌到培养基中，必须经过细胞膜和细胞壁。如果产物不易分泌出必须经过细胞膜和细胞壁。如果产物不易分泌出细胞，而积累在细胞内，则会引起反馈调节。细胞，而积累在细胞内，则会引起反馈调节。改变细胞膜和细胞壁的通透性，使其有利于改变细胞膜和细胞壁的通透性，使其有利于产物的分泌，也是降低末端产物浓度的一种途径。产物的分泌，也是降低末端产物浓度的一种途径。25l 采用生理学或遗传学的方法，改变细胞膜的采用生理学或遗传学的方法，改变细胞膜的透性。透性。1 1、生理学方法、生理学方法 谷氨酸发酵生产生物素的浓度的控制；谷氨酸发酵生产生物素的浓度的控制；添加青霉素；添加青霉素；表面活性剂表面活性剂 2 2、遗传学方法、遗传学方法 营养缺陷型菌株。如谷氨酸生产菌的油酸营营养缺陷型菌株。如谷氨酸生产菌的油酸营养缺陷型，控制油酸，细胞膜合成不完整。养缺陷型，控制油酸，细胞膜合成不完整。2627273 3、菌种遗传特性的改变、菌种遗传特性的改变抗反馈突变菌株抗反馈突变菌株营养缺陷型菌株营养缺陷型菌株双重营养缺陷型菌株双重营养缺陷型菌株28281 1、抗反馈突变菌株、抗反馈突变菌株 在以积累末端产物为目的的发酵生产中，如果在以积累末端产物为目的的发酵生产中，如果代谢途径单一无分枝，往往不能选用营养缺陷型代谢途径单一无分枝，往往不能选用营养缺陷型突变株。突变株。要提高产量，最好采用抗反馈调节突变要提高产量，最好采用抗反馈调节突变株。株。抗反馈调节突变株是一种抗反馈调节突变株是一种解除合成代谢反馈调节解除合成代谢反馈调节机制机制的突变型菌株。的突变型菌株。其特点是其特点是所需产物不断积累，不会因其浓度超量所需产物不断积累，不会因其浓度超量而终止生产。而终止生产。工业上，生产氨基酸、嘌呤、嘧啶和维生素的菌种工业上，生产氨基酸、嘌呤、嘧啶和维生素的菌种大都是抗反馈突变株。大都是抗反馈突变株。292 2、营养缺陷型菌株、营养缺陷型菌株3031第七节第七节 次级代谢与次级代谢调节次级代谢与次级代谢调节3232l初级代谢初级代谢 微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢生成维持生命活动的物质和能量的过谢和合成代谢生成维持生命活动的物质和能量的过程。程。l初级代谢产物初级代谢产物 微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的生素等。不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同。种类基本相同。3333l次级代谢次级代谢 次级代谢是在一定的生长时期（一般是稳次级代谢是在一定的生长时期（一般是稳定生长期），微生物以初级代谢产物为前体合定生长期），微生物以初级代谢产物为前体合成的对微生物本身的生命活动没有明确功能的成的对微生物本身的生命活动没有明确功能的物质的过程。物质的过程。l次级代谢产物次级代谢产物 微生物通过次谢活动所大量积累的抗生微生物通过次谢活动所大量积累的抗生素、生物碱、类萜（素、生物碱、类萜（ferpenoidferpenoid）、酚类、色）、酚类、色素等。素等。34341 1、次级代谢的调节类型、次级代谢的调节类型v（1 1）、酶合成的诱导调节）、酶合成的诱导调节v（2 2）、反馈调节）、反馈调节3535（1 1）、酶合成的诱导调节）、酶合成的诱导调节 把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的物把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的物质加入发酵培养基中可增加产量。质加入发酵培养基中可增加产量。36（2 2）、反馈调节）、反馈调节l 次级代谢产物的自身反馈抑制和反馈阻遏；次级代谢产物的自身反馈抑制和反馈阻遏；l 分解代谢产物调节；分解代谢产物调节；l 初级代谢产物的调节；初级代谢产物的调节；l 磷酸盐调节。磷酸盐调节。3737l 次级代谢产物的自身反馈抑制和反馈阻遏次级代谢产物的自身反馈抑制和反馈阻遏 如青霉素、链霉素、卡那霉素等的生物如青霉素、链霉素、卡那霉素等的生物合成途径中都发现末端产物的反馈调节作合成途径中都发现末端产物的反馈调节作用。用。3838l 分解代谢产物调节分解代谢产物调节 碳分解代谢阻遏或抑制碳分解代谢阻遏或抑制 能迅速被利用的碳源（葡萄糖）或其分解代谢能迅速被利用的碳源（葡萄糖）或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶（包括分解酶和合成酶）产物，对其他代谢中的酶（包括分解酶和合成酶）的阻遏和抑制。的阻遏和抑制。葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素等都有明显降低产量的作用。等都有明显降低产量的作用。3939防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生 青霉素发酵中限量流加葡萄糖或糖蜜以减青霉素发酵中限量流加葡萄糖或糖蜜以减少碳分解阻遏的发生。少碳分解阻遏的发生。使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源。使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源。加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯可使金霉菌对加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯可使金霉菌对葡萄糖的利用速度减慢，增加金霉素的产量。葡萄糖的利用速度减慢，增加金霉素的产量。4040 氮分解代谢产物的抑制作用氮分解代谢产物的抑制作用 以铵盐作为链霉素产生菌的唯一碳源，可抑制以铵盐作为链霉素产生菌的唯一碳源，可抑制链霉素的合成。链霉素的合成。避免使用高浓度的铵盐作氮源以防止氮代谢阻避免使用高浓度的铵盐作氮源以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生素工业成熟的经验。遏的发生，是抗生素工业成熟的经验。41l 初级代谢产物的调节初级代谢产物的调节 次级代谢产物与初级代谢产物有一条共同的次级代谢产物与初级代谢产物有一条共同的合成途径；合成途径；初级代谢产物直接参与次级代谢产物的合成。初级代谢产物直接参与次级代谢产物的合成。424343l 磷酸盐调节磷酸盐调节 磷酸盐在微生物的生长和代谢产物合成中磷酸盐在微生物的生长和代谢产物合成中起着重要的作用，起着重要的作用，高浓度的磷酸盐对抗生素等高浓度的磷酸盐对抗生素等次级代谢产物的合成表现出较强的抑制作用次级代谢产物的合成表现出较强的抑制作用。磷酸盐对次级代谢产物的抑制主要是通过磷酸盐对次级代谢产物的抑制主要是通过抑制酶或导致细胞能荷变化等。抑制酶或导致细胞能荷变化等。44442 2、常用的提高次级代谢产物产量的方法、常用的提高次级代谢产物产量的方法 （1 1）、补加前体类似物）、补加前体类似物（2 2）、加入诱导物）、加入诱导物（3 3）、防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生）、防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生（4 4）、防止氮）、防止氮(磷磷)代谢阻遏的发生代谢阻遏的发生（5 5）、筛选耐前体或前体类似物的突变株）、筛选耐前体或前体类似物的突变株（6 6）、选育抗抗生素突变株）、选育抗抗生素突变株45（1 1）、补加前体或其类似物）、补加前体或其类似物在合成途径已基本清楚的条件下，向发在合成途径已基本清楚的条件下，向发酵培养基中补加前体是增加次级产物的酵培养基中补加前体是增加次级产物的有效方法。有效方法。如青霉素如青霉素G G的生产中，苯乙酰的生产中，苯乙酰-CoA-CoA是限是限速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素增加青霉素G G的产量。的产量。4646（2 2）、加入诱导物）、加入诱导物 把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的物质加入发酵培养基中会增加产量。物质加入发酵培养基中会增加产量。如加蛋氨酸或硫脲可使顶头孢霉增产头孢如加蛋氨酸或硫脲可使顶头孢霉增产头孢霉素霉素C C，加入巴比妥可提高利福霉素产量等。，加入巴比妥可提高利福霉素产量等。但在工业生产中还未普遍应用此技术，但在工业生产中还未普遍应用此技术，而只是在选择培养基组成时给以考虑。而只是在选择培养基组成时给以考虑。47（3 3）、防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生）、防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生青霉素发酵中青霉素发酵中限量流加葡萄糖限量流加葡萄糖(或糖蜜或糖蜜)以减少以减少碳分解阻遏的发生，是一项很有效的提高产碳分解阻遏的发生，是一项很有效的提高产量的方法。量的方法。使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源能减少碳能减少碳分解阻遏的发生。分解阻遏的发生。加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯可使金霉菌对可使金霉菌对葡萄糖的利用速度减缓，可增加金霉素的产葡萄糖的利用速度减缓，可增加金霉素的产量。量。48（4 4）、防止氮）、防止氮(磷磷)代谢阻遏的发生代谢阻遏的发生 避免使用高浓度的铵盐做氮源避免使用高浓度的铵盐做氮源，以防止氮，以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生素发酵工业生产中比代谢阻遏的发生，是抗生素发酵工业生产中比较成熟的经验。在抗生素产生期如补加氮源则较成熟的经验。在抗生素产生期如补加氮源则会造成发酵逆转，返回生长期，抗生素的产量会造成发酵逆转，返回生长期，抗生素的产量会大为减少。会大为减少。49防止氮防止氮(磷磷)代谢阻遏的发生代谢阻遏的发生 使用亚适量使用亚适量(对菌体生长对菌体生长)的磷酸盐，亦是的磷酸盐，亦是抗生素发酵工业中遵循的原则之一。抗生素发酵工业中遵循的原则之一。为防止氮、磷分解阻遏的发生，应选用黄为防止氮、磷分解阻遏的发生，应选用黄豆饼粉、蛋白胨类物质为主要原料，而尽量少豆饼粉、蛋白胨类物质为主要原料，而尽量少用易被迅速利用的无机氮源。用易被迅速利用的无机氮源。5050（5 5）、筛选耐前体或前体类似物的突变株）、筛选耐前体或前体类似物的突变株 加入前体有提高次级产物产量的效果；但加入前体有提高次级产物产量的效果；但过量对菌体又会有毒。筛选对前体有抗性的过量对菌体又会有毒。筛选对前体有抗性的突变株可以减少或消除前体的反馈阻遏，从突变株可以减少或消除前体的反馈阻遏，从而可获得高产。而可获得高产。如抗苯乙酸的青霉突变株，其青霉素的产如抗苯乙酸的青霉突变株，其青霉素的产量会增加。量会增加。5151（6 6）、选育抗抗生素突变株）、选育抗抗生素突变株 链霉素、氯霉素、金霉素筹多种抗生链霉素、氯霉素、金霉素筹多种抗生素都具有抑制产生自身菌体蛋白质的能力。素都具有抑制产生自身菌体蛋白质的能力。一株高产抗生素产生菌，必然应具备对自身一株高产抗生素产生菌，必然应具备对自身所分泌的抗生素的抗性。筛选抗抗生素产生所分泌的抗生素的抗性。筛选抗抗生素产生菌也就成了菌种选育中的常用方法。菌也就成了菌种选育中的常用方法。如：金霉素、链霉素产生菌的抗性菌株，如：金霉素、链霉素产生菌的抗性菌株，产量有数倍增加。产量有数倍增加。52作业1 1、分支生物合成途径中有哪些调节方式？、分支生物合成途径中有哪些调节方式？2.2.微生物代谢调控有哪些方式？微生物代谢调控有哪些方式？