單元七代謝控制發(fā)酵課件

單元七代謝控制發(fā)酵單元七代謝控制發(fā)酵1

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)。

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2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(guò)其分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)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3二、酶的激活作用（一）定義：在某個(gè)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(lái)無(wú)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(guò)程。凡能提高酶活性的物質(zhì)稱(chēng)為激活劑。（二）類(lèi)型屬于代謝調(diào)節(jié)的激活作用主要是指代謝物對(duì)酶的激活，這類(lèi)激活作用主要有兩種。二、酶的激活作用4單元七代謝控制發(fā)酵課件5單元七代謝控制發(fā)酵課件6三、酶的抑制作用（一）定義：在某個(gè)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(guò)程。酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶（變構(gòu)酶）的活性，促使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過(guò)多累積。三、酶的抑制作用7（二）反饋抑制的類(lèi)型直線(xiàn)式代謝途徑中的反饋抑制

（二）反饋抑制的類(lèi)型8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€(gè)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(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致同時(shí)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。分支代謝途徑中的反饋抑制在分支代謝途徑9單元七代謝控制發(fā)酵課件10單元七代謝控制發(fā)酵課件11例如：乳糖發(fā)酵短桿菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑制。例如：乳糖發(fā)酵短桿菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑制。123、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(shí)，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(wú)協(xié)作也無(wú)對(duì)抗。3、終產(chǎn)物的累積性抑制13單元七代謝控制發(fā)酵課件144、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155、同功酶調(diào)節(jié)

5、同功酶調(diào)節(jié)16單元七代謝控制發(fā)酵課件17單元七代謝控制發(fā)酵課件18四、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)象的變化影響酶活。其上具有兩個(gè)以上立體專(zhuān)一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)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)合四、酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)理19單元七代謝控制發(fā)酵課件20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(guò)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)。酶合成的誘導(dǎo)作用2．內(nèi)容酶合成的阻遏作用任務(wù)二酶合成的調(diào)節(jié)一、酶合成調(diào)節(jié)的概念及定義21二、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(lèi)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(wú)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(duì)穩(wěn)定。如糖酵解途徑（EMP）有關(guān)的酶。二、酶合成的誘導(dǎo)作用22（2）誘導(dǎo)酶：只有在環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時(shí)，它們才開(kāi)始合成，一旦環(huán)境中沒(méi)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(lèi)似物底物的前體物質(zhì)（2）誘導(dǎo)酶：只有在環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時(shí)，它們才開(kāi)始合成，一旦233．誘導(dǎo)作用的類(lèi)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(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。（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(duì)復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)

3．誘導(dǎo)作用的類(lèi)型24三、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(lèi)型（1）末端產(chǎn)物阻遏由于終產(chǎn)物的過(guò)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(shí)候。三、酶合成的阻遏作用25例如：過(guò)量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。①氨甲酰基轉(zhuǎn)移酶②精氨酸琥珀酸合成酶③精氨酸琥珀酸裂合酶例如：過(guò)量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。①氨26（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(zhǎng)時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)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(zhǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時(shí),故又稱(chēng)葡萄糖效應(yīng)。分解代謝物阻遏導(dǎo)致出現(xiàn)“二次生長(zhǎng)”。（2）分解代謝物阻遏27單元七代謝控制發(fā)酵課件28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^本質(zhì)：四、酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)理（略）29單元七代謝控制發(fā)酵課件30任務(wù)三代謝控制發(fā)酵（代謝調(diào)控）通過(guò)對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)及對(duì)酶合成調(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(guò)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。任務(wù)三代謝控制發(fā)酵（代謝調(diào)控）通過(guò)對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)31一、發(fā)酵條件的控制1．各種發(fā)酵條件對(duì)微生物代謝的影響不同發(fā)酵條件對(duì)谷氨酸生產(chǎn)菌代謝方向的影響

一、發(fā)酵條件的控制不同發(fā)酵條件對(duì)谷氨酸生產(chǎn)菌代謝方向的影響322．使用誘導(dǎo)物比如：與糖類(lèi)和蛋白質(zhì)降解有關(guān)的水解酶類(lèi)大都屬誘導(dǎo)酶類(lèi)，因此向培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物就會(huì)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。

2．使用誘導(dǎo)物333．添加前體物質(zhì)比如在色氨酸合成過(guò)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(lái)滿(mǎn)足機(jī)體生長(zhǎng)的需要和避免速效碳、氮源可能引起的分解代謝阻遏。3．添加前體物質(zhì)34二、改變細(xì)胞通透性1．實(shí)質(zhì)：改變細(xì)胞通透性，有利于產(chǎn)物從細(xì)胞內(nèi)分泌出來(lái)，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(lèi)從細(xì)胞壁中溶解出來(lái)，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)胞透性突變株二、改變細(xì)胞通透性35三、菌種遺傳特性的改變

（一）營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株1．實(shí)質(zhì)：營(yíng)養(yǎng)缺陷型中，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(xiàn)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)物積累三、菌種遺傳特性的改變36（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(shí)，仍不斷合成這一產(chǎn)物）

可以解除反饋抑制和反饋?zhàn)瓒艨菇Y(jié)構(gòu)類(lèi)似物突變株2.機(jī)理：略（三）組成型突變株（四）其他：略（二）抗反饋抑制和抗反饋?zhàn)瓒敉蛔冎?7單元七代謝控制發(fā)酵課件38單元七代謝控制發(fā)酵單元七代謝控制發(fā)酵39

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)。

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40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(guò)其分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)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41二、酶的激活作用（一）定義：在某個(gè)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(lái)無(wú)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(guò)程。凡能提高酶活性的物質(zhì)稱(chēng)為激活劑。（二）類(lèi)型屬于代謝調(diào)節(jié)的激活作用主要是指代謝物對(duì)酶的激活，這類(lèi)激活作用主要有兩種。二、酶的激活作用42單元七代謝控制發(fā)酵課件43單元七代謝控制發(fā)酵課件44三、酶的抑制作用（一）定義：在某個(gè)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(guò)程。酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶（變構(gòu)酶）的活性，促使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過(guò)多累積。三、酶的抑制作用45（二）反饋抑制的類(lèi)型直線(xiàn)式代謝途徑中的反饋抑制

（二）反饋抑制的類(lèi)型46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€(gè)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(gè)分支上的產(chǎn)物過(guò)多時(shí)不致同時(shí)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。分支代謝途徑中的反饋抑制在分支代謝途徑47單元七代謝控制發(fā)酵課件48單元七代謝控制發(fā)酵課件49例如：乳糖發(fā)酵短桿菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑制。例如：乳糖發(fā)酵短桿菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑制。503、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(shí)，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(wú)協(xié)作也無(wú)對(duì)抗。3、終產(chǎn)物的累積性抑制51單元七代謝控制發(fā)酵課件524、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535、同功酶調(diào)節(jié)

5、同功酶調(diào)節(jié)54單元七代謝控制發(fā)酵課件55單元七代謝控制發(fā)酵課件56四、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)象的變化影響酶活。其上具有兩個(gè)以上立體專(zhuān)一性不同的接受部位，一個(gè)是活性中心，另一個(gè)是調(diào)節(jié)中心。活性位點(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)合四、酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)理57單元七代謝控制發(fā)酵課件58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(guò)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)。酶合成的誘導(dǎo)作用2．內(nèi)容酶合成的阻遏作用任務(wù)二酶合成的調(diào)節(jié)一、酶合成調(diào)節(jié)的概念及定義59二、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(lèi)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(wú)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(duì)穩(wěn)定。如糖酵解途徑（EMP）有關(guān)的酶。二、酶合成的誘導(dǎo)作用60（2）誘導(dǎo)酶：只有在環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時(shí)，它們才開(kāi)始合成，一旦環(huán)境中沒(méi)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(lèi)似物底物的前體物質(zhì)（2）誘導(dǎo)酶：只有在環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時(shí)，它們才開(kāi)始合成，一旦613．誘導(dǎo)作用的類(lèi)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(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。（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(duì)復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)

3．誘導(dǎo)作用的類(lèi)型62三、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(lèi)型（1）末端產(chǎn)物阻遏由于終產(chǎn)物的過(guò)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(shí)候。三、酶合成的阻遏作用63例如：過(guò)量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。①氨甲酰基轉(zhuǎn)移酶②精氨酸琥珀酸合成酶③精氨酸琥珀酸裂合酶例如：過(guò)量的精氨酸阻遏了參與合成精氨酸的許多酶的合成。①氨64（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(zhǎng)時(shí)，利用快的那種分解底物會(huì)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(zhǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時(shí),故又稱(chēng)葡萄糖效應(yīng)。分解代謝物阻遏導(dǎo)致出現(xiàn)“二次生長(zhǎng)”。（2）分解代謝物阻遏65單元七代謝控制發(fā)酵課件66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^本質(zhì)：四、酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)理（略）67單元七代謝控制發(fā)酵課件68任務(wù)三代謝控制發(fā)酵（代謝調(diào)控）通過(guò)對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)及對(duì)酶合成調(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(guò)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。任務(wù)三代謝控制發(fā)酵（代謝調(diào)控）通過(guò)對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)69一、發(fā)酵條件的控制1．各種發(fā)酵條件對(duì)微生物代謝的影響不同發(fā)酵條件對(duì)谷氨酸生產(chǎn)菌代謝方向的影響

一、發(fā)酵條件的控制不同發(fā)酵條件對(duì)谷氨酸生產(chǎn)菌代謝方向的影響702．使用誘導(dǎo)物比如：與糖類(lèi)和蛋白質(zhì)降解有關(guān)的水解酶類(lèi)大都屬誘導(dǎo)酶類(lèi)，因此向培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物就會(huì)增加胞外酶的產(chǎn)量。如加入槐糖(1，2—β