第二章微生物藥物生物合成與調(diào)控第一節(jié)(發(fā)酵工藝學夏煥章第三)

學習目標熟悉微生物次級代謝產(chǎn)物的特點和次級代謝產(chǎn)物生物合成的控制。掌握微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成過程及其調(diào)節(jié)機制。了解微生物藥物的生物合成及其調(diào)節(jié)機制的指導意義。第一頁，共三十頁。前言各種代謝反應(yīng)和代謝途徑錯綜復雜：

代謝網(wǎng)絡(luò)（metabolicnetwork）

多代謝作用（pleometabolism）

代謝柵欄（metabolicgrid）生物合成既涉及初級代謝又涉及次級代謝微生物藥物（這里指微生物次級代謝產(chǎn)物）的合成是在微生物體內(nèi)酶催化下將小分子物質(zhì)逐步合成分子量較大產(chǎn)物的生化反應(yīng)過程。第二頁，共三十頁。生物合成過程中，嚴格地受到微生物細胞內(nèi)存在的代謝調(diào)節(jié)，以及外界環(huán)境條件的調(diào)節(jié)。人們利用已知或可能存在的生物合成途徑及其代謝調(diào)控理論，已成功地解決了微生物藥物生產(chǎn)過程中菌種產(chǎn)量、發(fā)酵工藝、產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵問題。微生物藥物的生物合成及其調(diào)控理論在微生物藥物的生產(chǎn)中起著非常重要的指導作用。第三頁，共三十頁。學習內(nèi)容第一節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)（3學時）第二節(jié)次級代謝與次級代謝產(chǎn)物（1學時）第三節(jié)次級代謝產(chǎn)物的生物合成（2學時）第四節(jié)次級代謝產(chǎn)物生物合成的調(diào)節(jié)與控制（2學時）第四頁，共三十頁。二、酶活性調(diào)節(jié)

酶活性調(diào)節(jié)：是指通過改變代謝途徑中的一個或幾個關(guān)鍵酶的活性來調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式。酶活性調(diào)節(jié)特點：迅速、及時、有效和經(jīng)濟

蛋白質(zhì)水平上調(diào)節(jié)第五頁，共三十頁。（一）激活或抑制

酶的激活或抑制是指在某個酶促反應(yīng)系統(tǒng)中，加入某種低分子量的物質(zhì)后，導致酶活性的提高或降低，從而使得該酶促反應(yīng)速度提高或下降的過程。能引起酶的活力提高或降低的物質(zhì)稱為酶的激活劑或酶的抑制劑，如外源物質(zhì)、代謝產(chǎn)物、金屬離子等。酶的抑制可以是不可逆的或可逆的，前者造成代謝作用停止；后者，除去酶的抑制劑后，酶活性恢復。酶的抑制多數(shù)是可逆的，且多屬于反饋抑制（feedbackinhibition）。第六頁，共三十頁。（二）酶活性調(diào)節(jié)的方式

2.終產(chǎn)物抑制（endproductinhibition）1.前饋作用（feedforward）4.協(xié)同（多價）反饋抑制（concertedormultivalentfeedbackinhibition）3.補償性激活（compensatoryactivation）5.累積反饋抑制（cumulativefeedbackinhibition）6.增效（合作）反饋抑制（synergisticorcooperativefeedbackinhibition）將存在的酶活性調(diào)節(jié)方式歸納下面12種：第七頁，共三十頁。7.順序反饋抑制（sequentialfeedbackinhibition）9.聯(lián)合激活或抑制調(diào)節(jié)（終產(chǎn)物抑制的補償性逆轉(zhuǎn)）8.同工酶調(diào)節(jié)10.平衡合成（balancedsynthesis）11.代謝互鎖（metabolicinterlock）12.假反饋抑制（pseudo-feedbackinhibition）第八頁，共三十頁。前饋作用指的是在代謝途徑中前面的底物對其后某一催化反應(yīng)的調(diào)節(jié)酶有作用（激活或抑制）。1.前饋作用（feedforward）1,6-二磷酸果糖對丙酮酸激酶起前饋激活作用（圖2-1）乙酰輔酶A對乙酰輔酶A羧化酶起前饋抑制作用（圖2-2）第九頁，共三十頁。圖2-1前饋激活代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個中間產(chǎn)物所促進（前體激活）。舉例葡萄糖

PEP丙酮酸丙酮酸激酶前饋激活6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖第十頁，共三十頁。前饋抑制丙二酸單酰CoA+ADP+Pi乙酰輔酶A羧化酶乙酰輔酶A+CO2+H2O+ATP舉例圖2-2前饋抑制乙酰輔酶A對乙酰輔酶A羧化酶起前饋抑制作用第十一頁，共三十頁。終產(chǎn)物抑制指的是在代謝途徑中，終產(chǎn)物對其合成途徑第一個酶的活性產(chǎn)生抑制作用。2.終產(chǎn)物抑制（endproductinhibition）圖2-3終產(chǎn)物抑制A

D反饋抑制BCE1PE4E3E2終產(chǎn)物抑制又稱為反饋抑制（feedbackinhibition）。第十二頁，共三十頁。指當某一終產(chǎn)物的合成需要兩種前體時另一前體物的大量存在可能激活受終產(chǎn)物抑制的酶的活性（圖2-4）。3.補償性激活（compensatoryactivation）圖2-4補償性激活F

IGHABCE1

J

DE第十三頁，共三十頁。指的是分支代謝途徑中的幾個終產(chǎn)物同時過量時才能抑制共同途徑的第一個酶的調(diào)節(jié)方式。4.協(xié)同（多價）反饋抑制（concertedormultivalentfeedbackinhibition）ABCE1Y

DXE5E4存在于Lys、Thr的合成中圖2-5協(xié)同反饋抑制第十四頁，共三十頁。舉例蘇氨酸和賴氨酸協(xié)作反饋抑制天門冬氨酸激酶異亮氨酸蘇氨酸高絲氨酸蛋氨酸高絲氨酸脫氫酶賴氨酸天門冬氨酸半醛天門冬氨酰磷酸天門冬氨酸天門冬氨酸激酶谷氨酸棒桿菌（Corynebacteriumglutamicu）中，蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同反饋抑制天門冬氨酸激酶（圖2-6）。圖2-6谷氨酸棒桿菌中的賴氨酸和蘇氨酸的合成第十五頁，共三十頁。累積反饋抑制是指每一分支途徑的終產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制共同途徑前端的酶。5.累積反饋抑制（cumulativefeedbackinhibition）當幾種終產(chǎn)物同時存在時，它們的抑制作用是累積的；各終產(chǎn)物之間無關(guān)（圖2-7）。例：谷氨酰胺合成酶（E.coli）受8種終產(chǎn)物的累積反饋抑制。第十六頁，共三十頁。圖2-7累積反饋抑制E終產(chǎn)物E、G分別抑制總酶活的20%、50%；E、G同時存在時的抑制率為20%+（100-20）×50%=60%FABCE1

DG20%50%60%累積反饋抑制是指每一分支途徑的終產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制共同途徑前端的酶。第十七頁，共三十頁。增效（合作）反饋抑制是指兩種終產(chǎn)物同時存在時的反饋抑制效果遠大于一種終產(chǎn)物過量時的反饋抑制作用（圖2-8）。6.增效（合作）反饋抑制（synergisticorcooperativefeedbackinhibition）第十八頁，共三十頁。圖2-8終產(chǎn)物D、F的增效反饋抑制

EABE1

F

CD完全抑制部分抑制E2E3每個終產(chǎn)物都能獨立地發(fā)揮較弱的反饋抑制作用。當所有終產(chǎn)物都過量合成時，才共同作用以增強抑制效果。第十九頁，共三十頁。在分支代謝途徑中，按一定順序逐步進行的反饋抑制稱為順序反饋抑制（圖2-9）。7.順序反饋抑制（sequentialfeedbackinhibition）ABCE1Y

DXE5E4存在于芳香族氨基酸合成的過程中312圖2-9順序反饋抑制第二十頁，共三十頁。同工酶（isoenzyme）又稱同功酶：是指催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白結(jié)構(gòu)有差異，而且控制特征也不同的一組酶的通稱。8.同工酶調(diào)節(jié)同工酶調(diào)節(jié)：

如果代謝途徑中某一反應(yīng)受到一組同工酶的催化，那么不同的同工酶可能受各不相同的末端產(chǎn)物控制，即稱為同工酶調(diào)節(jié)（圖2-10）。第二十一頁，共三十頁。圖2-10同工酶調(diào)節(jié)

FABCE1

G

DEE2

酶E1和酶E2都是催化A至B的同工酶。E過量時，抑制酶E1的活性，C再也不能經(jīng)過D到E。與此同時，酶E2的活力不受影響，A可以順利地到G，從而使G過量，抑制酶E2的活性，但它也不影響酶E1的活性。第二十二頁，共三十頁。這是指由一種生物合成的中間產(chǎn)物參與兩個完全獨立的、不交叉的合成途徑的控制（圖2-11）。9.聯(lián)合激活或抑制調(diào)節(jié)（終產(chǎn)物抑制的補償性逆轉(zhuǎn)）這種中間體物質(zhì)濃度的變化會影響這兩個獨立代謝途徑的代謝速率，因此這兩個獨立代謝途徑之間就可能存在激活與抑制的聯(lián)合調(diào)節(jié)方式。第二十三頁，共三十頁。圖2-11腸道細菌中氨甲酰磷酸合成酶活性的調(diào)節(jié)谷氨酸天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸谷氨酰胺+CO2+ATP氨甲酰磷酸N-乙酰谷氨酸鳥氨酸瓜氨酸精氨酸氨甲酰磷酸合成酶UMPCTP表示抑制表示激活舉例第二十四頁，共三十頁。經(jīng)分支合成途徑產(chǎn)生的兩種終產(chǎn)物E、G，取平衡合成模式，見圖2-12。10.平衡合成（balancedsynthesis）圖2-12平衡合成示意圖若E優(yōu)先合成，當E過剩時，反饋抑制酶E3的活性，導致C轉(zhuǎn)向G合成；當G過剩時，解除E對酶E3的抑制，又轉(zhuǎn)向為優(yōu)先合成產(chǎn)物E。E2E3E1GFABCDE第二十五頁，共三十頁。分支途徑上游的某個酶受到另一條分支途徑的終產(chǎn)物，甚至與本分支途徑幾乎不相關(guān)的代謝中間物的抑制或激活，使酶的活力受到調(diào)節(jié)，此即代謝互鎖。11.代謝互鎖（metabolicinterlock）12.假反饋抑制（pseudo-feedbackinhibition）是指結(jié)構(gòu)類似物的反饋抑制。如S-（2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（賴氨酸結(jié)構(gòu)類似物）具有與賴氨酸相似的反饋抑制。第二十六頁，共三十頁。（三）酶活性調(diào)節(jié)的分子機制

酶活性調(diào)節(jié)的分子機制可用酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論和酶分子的共價修飾調(diào)節(jié)理論加以解釋。酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論：通過分子空間構(gòu)型上的變化來引起酶活性的改變。酶分子的共價修飾調(diào)節(jié)理論：

通過酶分子本身化學組成上的改變來引起酶活性的變化。第二十七頁，共三十頁。1.酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論

受反饋抑制的酶是變構(gòu)酶，酶活性調(diào)控的實質(zhì)就是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。變構(gòu)酶含有兩條或兩條以上的多肽鏈，具有至少兩個立體專一性不同的結(jié)合位點：活性部位（或活性中心，催化中心）：是與底物結(jié)合的部位，具有催化性質(zhì)；變構(gòu)部位或別構(gòu)部位（或稱調(diào)節(jié)中心）：是與調(diào)節(jié)物（激活劑或抑制劑）非共

價地可逆性結(jié)合的部位。酶與調(diào)節(jié)物（如終產(chǎn)物）復合體的形成引起酶分子的三級或四級結(jié)構(gòu)的可逆性變化，酶構(gòu)型的變化影響了底物與活性中心的結(jié)合，從而影響酶的催化效應(yīng)。終產(chǎn)物和酶的調(diào)節(jié)中心的結(jié)合是可逆的，當終產(chǎn)物濃度降低時，終產(chǎn)物與酶的結(jié)合隨即解離，從而恢復了酶蛋白的原有構(gòu)型，使酶與底物可以結(jié)合而發(fā)生催化作用。第二十八頁，共三十頁。2.酶分子的共價修飾調(diào)節(jié)理論

包括可逆的共價修飾和不可逆的共價修飾?？赡娴墓矁r修飾是指細胞中有些酶以活性