單元七代謝控制發(fā)酵

1、單元七 代謝控制發(fā)酵,代謝控制發(fā)酵是利用遺傳學(xué)或其它生物化學(xué)的方法，人為地在脫氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改變和控制微生物的代謝，使有用的代謝產(chǎn)物大量生成、積累的發(fā)酵技術(shù)。,任務(wù)一 酶活性調(diào)節(jié),一、酶活性調(diào)節(jié)的概念及內(nèi)容1．酶的活性調(diào)節(jié)：指一定數(shù)量的酶,通過其分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。是酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)。 酶的激活作用2．內(nèi)容 酶的抑制作用,,二、酶的激活作用（一

2、）定義：在某個酶促反應(yīng)系統(tǒng)中，某種低分子量的物質(zhì)加入后，導(dǎo)致原來無活性或者活性很低的酶轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚曰蛘呋钚蕴岣?，使酶促反?yīng)速率提高的過程。 凡能提高酶活性的物質(zhì)稱為激活劑。（二）類型 屬于代謝調(diào)節(jié)的激活作用主要是指代謝物對酶的激活，這類激活作用主要有兩種。,三、酶的抑制作用（一）定義：在某個酶促反應(yīng)系統(tǒng)中，某種低分子量的物質(zhì)加入后，導(dǎo)致酶活力降低的過程。 酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝

3、途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶（變構(gòu)酶）的活性，促使整個反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。,（二）反饋抑制的類型直線式代謝途徑中的反饋抑制,分支代謝途徑中的反饋抑制,在分支代謝途徑中，因?yàn)橛卸鄠€終端產(chǎn)物，所以反饋抑制的情況較為復(fù)雜。為避免在一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物已發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。,例如：乳糖發(fā)酵短桿菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑

4、制。,,3、 終產(chǎn)物的累積性抑制 判別特征是：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時，它們的抑制作用是累積的。并且各終產(chǎn)物的反饋抑制作用互不影響，指既無協(xié)作也無對抗。,,4、順序反饋調(diào)節(jié),圖  枯草桿菌芳香族氨基酸合成途徑中的順序反饋抑制,5、同功酶調(diào)節(jié),,,四、酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)理  變構(gòu)酶理論：變構(gòu)酶為一種變構(gòu)蛋白，酶分子空間構(gòu)象

5、的變化 影響酶活。其上具有兩個以上立體專一性不同的接受部位，一個是活性中心，另一個是調(diào)節(jié)中心?；钚晕稽c(diǎn)：與底物結(jié)合 與抑制劑結(jié)合,構(gòu)象變化,不能與底物結(jié)合 變構(gòu)位點(diǎn) 與激活劑結(jié)合, 構(gòu)象變化,促進(jìn)與底物結(jié)合,,任務(wù)二 酶合成的調(diào)節(jié),一、酶合成調(diào)節(jié)的概念及定義1．定義：酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。

6、 酶合成的誘導(dǎo)作用2．內(nèi)容 酶合成的阻遏作用,,二、酶合成的誘導(dǎo)作用1．定義：在某種化合物（包括外加的和內(nèi)源性的積累）作用下，導(dǎo)致某種酶合成或合成速率提高的現(xiàn)象。2．與誘導(dǎo)作用相關(guān)的酶類據(jù)酶的合成與環(huán)境影響的不同關(guān)系，將酶分為：（1）組成酶：它們的合成與環(huán)境無關(guān)，隨菌體形成而合成，是細(xì)胞固有的酶，在菌體內(nèi)的含量相對穩(wěn)定。如糖酵解途徑（EMP）有關(guān)的酶。,（2）誘導(dǎo)酶：只有在環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時

7、，它們才開始合成，一旦環(huán)境中沒有了誘導(dǎo)劑，合成就終止 。 誘導(dǎo)酶的底物誘導(dǎo)物（劑） 底物的結(jié)構(gòu)類似物 底物的前體物質(zhì),,3．誘導(dǎo)作用的類型舉例：E.coli在含乳糖的培養(yǎng)基中合成β-半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。（1）同時誘導(dǎo)：誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時誘導(dǎo)出幾種酶的合成，主要存在于短的代謝途徑中。 （

8、2） 順序誘導(dǎo)：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中間代謝物的酶達(dá)到對復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié),三、酶合成的阻遏作用1．定義：在某種化合物（包括外加的和內(nèi)源性的積累）作用下，導(dǎo)致某種酶合成停止或合成速率降低的現(xiàn)象。2．類型（1）末端產(chǎn)物阻遏 由于終產(chǎn)物的過量積累而導(dǎo)致生物合成途徑中酶合成的阻遏的現(xiàn)象，常常發(fā)生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要結(jié)構(gòu)元件生物合成的時候。,例如：過量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。,①

9、氨甲?；D(zhuǎn)移酶 ②精氨酸琥珀酸合成酶 ③精氨酸琥珀酸裂合酶,（2）分解代謝物阻遏 現(xiàn)象：當(dāng)微生物在含有兩種能夠分解底物的培養(yǎng)基中生長時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶的合成的現(xiàn)象。最早發(fā)現(xiàn)于大腸桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時,故又稱葡萄糖效應(yīng)。分解代謝物阻遏導(dǎo)致出現(xiàn)“二次生長”。,本質(zhì)：,四、酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)理 （略）五、反饋抑制與反饋?zhàn)瓒舯容^,任務(wù)三 代謝控制發(fā)酵（代謝調(diào)控）,通過對酶活性的調(diào)節(jié)及對酶

10、合成調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)，我們了解到了微生物在正常的代謝條件下通過上述方式使得自身體內(nèi)不能積累代謝產(chǎn)物，但是這種情況可以在認(rèn)為控制下改變，從而可以積累代謝產(chǎn)物，這就是代謝調(diào)控。代謝調(diào)控發(fā)酵的出發(fā)點(diǎn)就是采取措施，利用微生物的代謝規(guī)律，改變其調(diào)節(jié)系統(tǒng)，破壞其代謝平衡。,一、發(fā)酵條件的控制1．各種發(fā)酵條件對微生物代謝的影響,不同發(fā)酵條件對谷氨酸生產(chǎn)菌代謝方向的影響,2．使用誘導(dǎo)物 比如：與糖類和蛋白質(zhì)降解有關(guān)的水解酶類大都屬誘導(dǎo)酶類，因此

11、向培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物就會增加胞外酶的產(chǎn)量。如加入槐糖(1，2—β—D—葡二糖)誘導(dǎo)木霉菌的纖維素酶的生成，木糖誘導(dǎo)半纖維素酶和葡萄糖異構(gòu)酶的生成等。,3．添加前體物質(zhì) 比如在色氨酸合成過程中，添加鄰氨基苯甲酸大幅度提高了色氨酸的合成。4．培養(yǎng)基成分和濃度的控制 在發(fā)酵培養(yǎng)基中通常采用適量的速效和遲效碳源、氮源的配比來滿足機(jī)體生長的需要和避免速效碳、氮源可能引起的分解代謝阻遏。,二、改變細(xì)胞通透性1．實(shí)質(zhì)：改變細(xì)

12、胞通透性，有利于產(chǎn)物從細(xì)胞內(nèi)分泌出來，避免了末端產(chǎn)物留在體內(nèi)引起反饋調(diào)節(jié)。2．方法：（1）生物素限量：生物素可以控制細(xì)胞膜脂質(zhì)的合成（2）添加青霉素：青霉素可以抑制細(xì)胞壁肽聚糖合成中肽鏈的交聯(lián)（3）添加表面活性劑：將脂類從細(xì)胞壁中溶解出來，細(xì)胞壁疏松，通透性增加。（4）控制Zn2＋、Mn2＋的濃度：干擾細(xì)胞膜或細(xì)胞壁的形成（5）誘變育種：篩選細(xì)胞透性突變株,三、菌種遺傳特性的改變 （一）營養(yǎng)缺陷型突變株1．實(shí)質(zhì)：營養(yǎng)缺陷

13、型中，生物合成途徑的酶發(fā)生缺陷，合成反應(yīng)不能完成，末端產(chǎn)物不能積累，解除反饋調(diào)節(jié)作用2．應(yīng)用：（1）直線式代謝：用于積累中間代謝產(chǎn)物，但是不能積累終產(chǎn)物（2）分支代謝途徑：用于接觸協(xié)同反饋調(diào)節(jié)，有效使得另一分支途徑終產(chǎn)物積累,（二）抗反饋抑制和抗反饋?zhàn)瓒敉蛔冎?．共同表型：代謝失活（在細(xì)胞中已經(jīng)有大量末端產(chǎn)物時，仍不斷合成這一產(chǎn)物） 可以解除反饋抑制和反饋?zhàn)瓒?抗結(jié)構(gòu)類似物突變株2.機(jī)理：略（三）組成型