代謝控制發(fā)酵復(fù)習(xí)

1、代謝控制發(fā)酵第一章 緒論第二章 新陳代謝三大特點(diǎn)：條件溫和，與酶催化和調(diào)控相關(guān)、反應(yīng)有順序性、靈敏的自我調(diào)節(jié)功能代謝控制發(fā)酵：利用遺傳學(xué)的方法或其他生物化學(xué)的方法，人為的在脫氧核酸核糖（DNA）的分子水平上，改變和控制微生物的代謝，使有用目的產(chǎn)物大量生成、積累的發(fā)酵。代謝控制發(fā)酵有兩種途徑（思路）：控制培養(yǎng)條件和控制遺傳型。第三章 代謝控制發(fā)酵的基本思想酶合成的調(diào)控（操縱子學(xué)說(shuō)）：(酶反應(yīng)終產(chǎn)物如何對(duì)酶的合成進(jìn)行調(diào)控？6頁(yè))按操縱子學(xué)說(shuō)，操縱子由細(xì)胞中的操縱基因和鄰近的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。結(jié)構(gòu)基因能轉(zhuǎn)錄遺傳信息，合成相應(yīng)的RNA（mRNA），進(jìn)而再翻譯合成特定的酶。操縱基因能夠控制結(jié)構(gòu)基因作用的

2、發(fā)揮。細(xì)胞中還有一種調(diào)節(jié)基因，嫩鞏固產(chǎn)生一種細(xì)胞質(zhì)阻遏物（調(diào)節(jié)蛋白），細(xì)胞質(zhì)阻遏物與阻遏物（通常是酶反應(yīng)的終產(chǎn)物）結(jié)合時(shí)，由于變構(gòu)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)改變和操縱基因親和力變大，而使有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因不能合成mRNA，因此，酶合成受到阻遏。關(guān)鍵酶：是參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總稱。特點(diǎn)：1、關(guān)鍵酶并不都是分支點(diǎn)酶 2、生物合成途徑越長(zhǎng)，關(guān)鍵酶數(shù)目越多 3、不同微生物間的關(guān)鍵酶所受到調(diào)控不同天冬氨酸激酶 （大腸桿菌中3種同功酶 蘇氨酸、蛋氨酸、賴氨酸反饋抑制谷氨酸棒桿菌中，受賴氨酸，蘇氨酸協(xié)同反饋抑制）DAHP合成酶 （大腸桿菌中3種同功酶 酪氨酸，苯丙氨酸，色氨酸反饋抑制變構(gòu)酶：具有兩個(gè)或兩個(gè)以上結(jié)合部位的蛋白質(zhì)，當(dāng)

3、其中一個(gè)部位與效應(yīng)物（小分子物質(zhì)）結(jié)合后，蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，性能也隨之變化。變構(gòu)酶的作用程序：專一性的代謝物（變構(gòu)效應(yīng)物）與酶蛋白表面的特定部位（變構(gòu)部位）結(jié)合酶分子的構(gòu)象變化（變構(gòu)轉(zhuǎn)換）活性中心的修飾 抑制或促進(jìn)酶活性動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)（3個(gè)）1、 S形：意味著存在底物及效應(yīng)物對(duì)反應(yīng)速度發(fā)生影響的閾值。2、3、脫敏作用：變構(gòu)酶經(jīng)特定處理后，不喪失酶活性而失去對(duì)變構(gòu)效應(yīng)物的敏感性。（1、使變構(gòu)酶解聚：加熱、加尿素、汞鹽；基因突變：2、誘變育得的抗類似物突變株中多發(fā)生 調(diào)節(jié)中心的獨(dú)立性）酶活力調(diào)節(jié)類型：?jiǎn)喂δ芡緩剑航K產(chǎn)物抑制、代謝產(chǎn)物激活作用（前體激活、補(bǔ)償激活）多功能途徑：1、 協(xié)作反饋抑制（多價(jià)反

4、饋抑制）：當(dāng)一條代謝途徑中有兩個(gè)以上終產(chǎn)物時(shí)，兩者同時(shí)過(guò)剩時(shí)，才能協(xié)同抑制第一個(gè)酶的活性。 谷氨酸棒桿菌，黃色短桿菌等合成賴氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸途徑中，與大腸桿菌不同，天冬氨酸激酶不是同工酶，當(dāng)三中任意種存在時(shí)不受抑制，在賴氨酸和蘇氨酸同時(shí)過(guò)量時(shí)，才發(fā)生反饋抑制。2、 合作反饋抑制：當(dāng)任何一個(gè)終產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)剩時(shí)，只部分的的抑制第一個(gè)酶的活性，兩者同時(shí)過(guò)量時(shí)，其抑制程度大于各自單獨(dú)存在時(shí)的和。谷氨酰胺磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)氨酶，受GMP 、IMP等6-羥基嘌呤核苷酸和 ADP、 AMP等6-氨基嘌呤核苷酸的反饋抑制。3、 積累反饋抑制：每一個(gè)終產(chǎn)物只單獨(dú)地、部分地抑制共同步驟第一個(gè)酶，并且各最終產(chǎn)物的抑

5、制作用互不影響。大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶受8個(gè)總產(chǎn)物的積累反饋抑制。4、 順序反饋抑制：一種終產(chǎn)物的積累，導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，通過(guò)后者反饋抑制合成途徑，關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。枯草芽孢桿菌等微生物芳香族氨基酸的生物合成途徑5、 同功酶：某一產(chǎn)物過(guò)量?jī)H抑制相應(yīng)酶活，對(duì)其他產(chǎn)物沒(méi)有影響。大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)控：誘導(dǎo)的類型：同時(shí)誘導(dǎo)：誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時(shí)誘導(dǎo)出幾種酶的合成，主要存在于短的代謝途徑中。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(duì)復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。1、協(xié)調(diào)阻遏：?jiǎn)喂δ苌锖铣赏緩街?，終產(chǎn)物同時(shí)阻遏幾個(gè)酶的合成。鼠傷寒沙門氏菌

6、中的3個(gè)亮氨酸生物合成酶都受終產(chǎn)物亮氨酸的反饋?zhàn)瓒簟?、多價(jià)阻遏：通過(guò)幾個(gè)終產(chǎn)物，共同協(xié)調(diào)活動(dòng)，阻遏某一酶的生物合成。異亮氨酸、纈氨酸生物合成酶系為異亮氨酸、纈氨酸、亮氨酸、泛酸，3、積累阻遏：大腸桿菌的氨甲酰磷酸合成酶的合成，受嘧啶和精氨酸的部分的阻遏，受尿嘧啶和精氨酸反饋?zhàn)瓒舻陌俜謹(jǐn)?shù)，不管第二個(gè)阻遏物存在與否，都是一樣的，分解代謝物阻遏：當(dāng)細(xì)胞具有一優(yōu)先利用底物（通常是，但并不總是葡萄糖）時(shí)，很多其他分解途徑受到阻遏。實(shí)質(zhì)：由于細(xì)胞內(nèi)缺少了環(huán)腺甘酸（cAMP）。大腸桿菌的分解代謝物阻遏作用機(jī)制：1、 具有一個(gè)CRP基因編碼一種調(diào)節(jié)蛋白，稱為cAMP受體蛋白（CPR或是CAP）。2、 轉(zhuǎn)錄起

7、始前，cAMP須先與CRP結(jié)合成CRP-cAMP復(fù)合物，再與啟動(dòng)基因（P）結(jié)合。3、 cAMP與CRP結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄起始（CRP起正作用）因而分解代謝物阻遏。4、 細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平在某些方面反映出細(xì)胞內(nèi)能量的狀態(tài)（28）5、 喪失腺苷酸環(huán)化酶的突變株，不能在受阻遏的碳源（甘油，乳糖，蔗糖）上生長(zhǎng)，但與CRP缺陷的突變株不同，外源性加入cAMP還是有效的。反饋?zhàn)瓒艉头答佉种频牡谋容^;(30頁(yè))滲漏突變株的應(yīng)用：滲漏突變型（概念）：指遺傳性障礙不完全的缺陷型。解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié)：1)選育抗腺嘌呤及鳥嘌呤結(jié)構(gòu)類似物突變株(2)選育抗腺嘌呤或黃嘌呤突變株(3)選育抗磺胺類藥物突變株(4)選育抗A

8、TP結(jié)構(gòu)類似物的抗生素的菌株（選育抗類似物突變株、酶特性的利用、營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株的應(yīng)用）抗類似物突變株：(代謝拮抗物抗性突變株) 是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型突變株，或兼而有之的突變株。因?yàn)榉答佉种苹蜃瓒簦騼烧咭鸬淖詣?dòng)調(diào)節(jié)作用已被削弱或解除，所以能合成較多的最終產(chǎn)物。（34頁(yè)）為什么要用目的產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類似物來(lái)選育抗類似物突變株?首先分析分析下代謝拮抗物的作用機(jī)理：正常的合成代謝的最終產(chǎn)物對(duì)于有關(guān)酶的合成具有阻遏作用，對(duì)于合成途徑的第一個(gè)酶具有反饋抑制作用。這是由于它能與阻遏蛋白以及變構(gòu)酶相結(jié)合的緣故。由于這種結(jié)合是可逆的，所以當(dāng)代謝最終產(chǎn)物例如某一氨基酸滲入蛋白質(zhì)而在

9、細(xì)胞中濃度降低時(shí)，它就不在與阻遏物以及變構(gòu)酶相結(jié)合，這時(shí)有關(guān)的酶的合成以及它們的催化作用便又可繼續(xù)進(jìn)行。代謝拮抗物由于與代謝終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似，所以同樣能與阻遏物以及變構(gòu)酶相結(jié)合，可是它們往往不能代替正常的氨基酸而合成為蛋白質(zhì)，也就是說(shuō)它們?cè)诩?xì)胞中的濃度不會(huì)降低，因此與阻遏物以及變構(gòu)酶的結(jié)合是不可逆。這使得有關(guān)酶不可逆地停止了合成，或是酶的催化作用不可逆地被抑制。一個(gè)菌株是怎樣會(huì)成為代謝拮抗物的抗性菌株？答案：一個(gè)可能的途徑是變構(gòu)酶結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使變構(gòu)酶調(diào)節(jié)部位不再能與代謝拮抗物相結(jié)合，而其活性中心卻不變。（抗反饋突變型）另一個(gè)可能的途徑是調(diào)節(jié)基因，發(fā)生改變，使阻遏物不能再與代謝拮抗物結(jié)合，這

10、種突變型也將是一個(gè)代謝拮抗物的抗性突變株，同時(shí)也是一個(gè)抗阻遏突變型。結(jié)構(gòu)類似物抗性菌株和它們積累并分泌的代謝終產(chǎn)物：（37頁(yè)）目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物賴氨酸 S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC)蘇氨酸a-氨基-b-羥基戊酸（AHV)精氨酸D-精氨酸苯丙氨酸對(duì)氟苯丙氨酸選育精氨酸產(chǎn)生菌過(guò)程：（39頁(yè)）精氨酸產(chǎn)生菌育種(谷氨酸棒桿菌抗結(jié)構(gòu)類似物變異株)。由于精氨酸的生物合成要受精氨酸本身的反饋抑制和反饋?zhàn)瓒簦e累像精氨酸這樣非支路代謝途徑構(gòu)終產(chǎn)物，主要采用抗精氨酸類似物突變株，如D-精氨酸抗性，刀豆氨酸抗性突變株，以解除精氨酸自身的反饋調(diào)節(jié)，使精氨酸得以積累。營(yíng)養(yǎng)缺陷型就是指原菌株由于發(fā)生基因突

11、變，致使合成途徑中某一步驟發(fā)生缺陷，從而喪失了合成某些物質(zhì)的能力，必須在培養(yǎng)基中外源補(bǔ)加該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能生長(zhǎng)的突變型菌株。 營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株的應(yīng)用有利用價(jià)值工業(yè)常用：因?yàn)楫?dāng)其中某一結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變后，該結(jié)構(gòu)基因所編碼的酶就因結(jié)構(gòu)的改變而失活，而經(jīng)過(guò)第二次突變（回復(fù)突變）后，該酶的活性中心結(jié)構(gòu)可以復(fù)原，而調(diào)節(jié)部位的結(jié)構(gòu)常常沒(méi)有恢復(fù)。增加前體物的合成1、 切斷除目的產(chǎn)物外的其他控制共用酶的終產(chǎn)物分支合成途徑。2、 設(shè)法解除目的產(chǎn)物自身合成的反饋調(diào)節(jié)外，也應(yīng)設(shè)法解除對(duì)其前體物合成的調(diào)節(jié)。3、 因?yàn)樵谏锖铣赏緩街蟹种c(diǎn)的分解途徑的代謝流增強(qiáng)，使分支點(diǎn)處的中間產(chǎn)物增多，導(dǎo)致目的產(chǎn)物的積累增加。4、

12、利用基因工程技術(shù)，將生物合成途徑中的關(guān)鍵酶基因克隆島多拷貝載體上，使其大量擴(kuò)增，從而也就增加了目的產(chǎn)物的前體合成，這是最直接的提高目的的產(chǎn)物產(chǎn)量的方法。去除終產(chǎn)物改變細(xì)胞膜滲透性的方法（PPT）平衡合成的利用（平衡合成（例子，現(xiàn)象判斷 45頁(yè)） 代謝互鎖的利用代謝互鎖：從生物合成途徑來(lái)看，似乎是受一種完全無(wú)關(guān)的終產(chǎn)物的控制，它只是在較高濃度下才發(fā)生而且這種抑制（阻遏）作用是部分性的，不完全的。（例子 45頁(yè)）溫度敏感性突變：通過(guò)誘變可以得到在低溫下生長(zhǎng)，而在高溫下卻不能生長(zhǎng)繁殖的突變株。代謝控制發(fā)酵的基本條件：（菌種、培養(yǎng)基原料、環(huán)境、分離精致）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的分離：步驟誘變處理、中間培養(yǎng)、淘

13、汰野生型、缺陷型的檢出和鑒定等步驟。梯度平板培養(yǎng)法：即先在培養(yǎng)皿中加入10ml完全固體培養(yǎng)基，斜傾培養(yǎng)皿，使培養(yǎng)基剛好可以流到另一端，然后放平培養(yǎng)皿，再倒入10ml含有一定濃度藥物完全培養(yǎng)基，完全抑制野生型菌株生長(zhǎng)的最低藥物濃度平板。（即為藥物梯度平板）?？顾幮酝蛔冎暝鯓舆x育（72）能荷調(diào)節(jié)（概念243）能荷：是一個(gè)表示細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)。是細(xì)胞中所含腺苷酸中含有相當(dāng)于ATP的數(shù)量百分比。脂代謝的調(diào)節(jié)以及與糖代謝的相互關(guān)系：1、 運(yùn)送乙酰基2、 限速反應(yīng)3、 能荷調(diào)節(jié)（ATP水平）谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌等中的天冬氨酸族氨基酸的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面：（290）1、 關(guān)鍵酶2、 優(yōu)先

14、合成3、 代謝互鎖4、 平衡合成5、 協(xié)同反饋抑制賴氨酸發(fā)酵：2921、 切斷或減弱支路2、 解除反饋調(diào)節(jié)3、 解除代謝互鎖4、 改善膜的通透性5、 增加前體物的合成6、 選育溫度敏感突變株合作終產(chǎn)物抑制即使同時(shí)添加多種同類核苷酸，其抑制作用也不超過(guò)各同類核苷酸單獨(dú)添加時(shí)之和，但是果同時(shí)添加屬于不同類型的兩種嘌呤核苷酸（GMP+AMP或IMP+ADP ），抑制作用就會(huì)相乘性的提高。（核苷酸中常見）抗生素產(chǎn)生菌的幾種主要代謝調(diào)節(jié)機(jī)制（6種）1、 誘導(dǎo)調(diào)節(jié)2、 反饋調(diào)節(jié)3、 碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)4、 氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)5、 磷酸鹽的調(diào)節(jié)6、 細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)青霉素發(fā)酵的代謝控制育種：（411）一、 青霉素和頭孢霉素合成的調(diào)節(jié)方式 -內(nèi)酰胺類抗生素：同一的前體：半胱氨酸、纈氨酸、a氨基已二酸以及苯乙酸1.碳源分解代謝控制 關(guān)鍵酶：?；D(zhuǎn)移酶（阻遏）2.賴氨酸的反饋調(diào)節(jié)（共同前體）3.蛋氨酸對(duì)頭孢霉素C形成的促進(jìn)作用二、選育青霉素產(chǎn)生菌的方