氨基酸的代謝與控制(1)課件

第七章氨基酸的代謝與控制第一節(jié)氨基酸的生物合成途徑及代謝調(diào)節(jié)1

氨基酸本身的合成在不同生物體中，有較大的差異，然而許多氨基酸的合成途徑在不同生物體中也有共同之處。

按照起始物可將氨基酸的合成分成幾個家族：

㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）

包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、賴氨酸和脯氨酸；

㈡丙酮酸族

包括：丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸；

2㈢天冬氨酸族（草酰乙酸族）

包括：天冬氨酸、天冬酰胺、蘇氨酸和異亮氨酸；㈣磷酸甘油酸族

包括：甘氨酸、絲氨酸和半胱氨酸；㈤芳香族

包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸；另外，組氨酸的合成為單獨的一條途徑。3一天冬氨酸族氨基酸的代謝與控制（一）生物合成途徑及代謝調(diào)節(jié)機制葡萄糖經(jīng)酵解途徑生成丙酮酸，丙酮酸經(jīng)CO2固定反應生成四碳二羧酸，后經(jīng)氨基化反應生成天冬氨酸。再由天冬氨酸轉(zhuǎn)變成其他氨基酸。5L-天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰半醛二氫吡啶-2，6-二羧酸L-賴氨酸L-高絲氨酸L-蘇氨酸L-異亮氨酸O-琥珀酰-高絲氨酸L-蛋氨酸①②③④⑥⑤⑦⑧①天冬氨酸激酶②高絲氨酸脫氫酶③二氫吡啶-2，6-二羧酸還原酶④高絲氨酸激酶⑤琥珀酰高絲氨酸轉(zhuǎn)琥珀酰酶⑥半胱氨酸脫硫化氫酶⑦蘇氨酸脫氨酶⑧天冬氨酰半醛脫氫酶⑨二氫吡啶-2,6-二羧酸合成酶⑨天冬氨酸族氨基酸的生物合成途徑二氨基庚二酸6大腸桿菌中天冬氨酸族氨基酸的代謝調(diào)節(jié)天冬氨酸4-磷酸天冬氨酸天冬氨酸半醛同型絲氨酸O-琥珀酰同型絲氨酸胱硫醚高半胱氨酸甲硫氨酸二氫吡啶二羧酸四氫吡啶二羧酸二氨基庚二酸

賴氨酸異亮氨酸高絲氨酸磷酸蘇氨酸2-酮丁酸IIIIIIIII反饋抑制反饋阻遏天冬氨酸激酶高絲氨酸脫氫酶7（1）天冬氨酸激酶有三種同功酶。I型受Thr的反饋抑制，受Thr，Ile的多價阻遏；II型受Met的反饋阻遏；III型受Lys的反饋抑制與阻遏。（2）高絲氨酸脫氫酶有兩種同功酶。I型受Thr的反饋抑制，受Thr，Ile的多價阻遏；II型受Met的反饋阻遏。（3）二氫吡啶二羧酸還原酶受Lys的反饋抑制大腸桿菌中天冬氨酸族氨基酸的代謝調(diào)節(jié)要點：8在大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸的生物合成中，當某一終產(chǎn)物如Thr過量時，只能抑制天冬氨酸激酶I和高絲氨酸脫氫酶I及自身分支點的高絲氨酸激酶，限制Thr的合成，卻不影響Met和Lys的合成。這種調(diào)節(jié)模式對氨基酸生產(chǎn)菌的選育是不利的。10L-天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰半醛二氫吡啶-2，6-二羧酸L-賴氨酸L-高絲氨酸L-蘇氨酸L-異亮氨酸O-琥珀酰-高絲氨酸L-蛋氨酸①②③④⑥⑤⑦⑧①天冬氨酸激酶②高絲氨酸脫氫酶③二氫吡啶-2，6-二羧酸還原酶④高絲氨酸激酶⑤琥珀酰高絲氨酸轉(zhuǎn)琥珀酰酶⑥半胱氨酸脫硫化氫酶⑦蘇氨酸脫氨酶⑧天冬氨酰半醛脫氫酶⑨二氫吡啶-2,6-二羧酸合成酶⑨天冬氨酸族氨基酸的生物合成途徑二氨基庚二酸亮氨酸12（5）Asp和Glu之間的調(diào)節(jié)機制

Glu比Asp優(yōu)先合成。如Glu過量，反饋抑制Glu脫氫酶，Asp合成增加；Asp過量，反饋抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，使整個生物合成停止。磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸檸檬酸α-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸TCA循環(huán)反饋控制優(yōu)先合成PCGD丙酮酸羧化酶谷氨酸脫氫酶14天冬氨酸族氨基酸高產(chǎn)菌育種思路：PEPPCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMet野生型Lys高產(chǎn)菌PCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetPEPPEP：磷酸烯醇式丙酮酸PC：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶AK：天冬氨酸激酶PS：二氫吡啶-2.6-二羧酸合酶HD：高絲氨酸脫氫酶TD：蘇氨酸脫氨酶Hom：高絲氨酸ASA：天冬氨酸半醛優(yōu)先合成反饋控制切斷或減弱支路代謝加強的代謝流15PCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetThr高產(chǎn)菌PEPPCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetPEPILe高產(chǎn)菌Hom高產(chǎn)菌PCAspAKASALysPSHDHomThrTDIleMetPEP16在谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌等微生物中，天冬氨酸激酶是單一的，并受Lys和Thr的協(xié)同反饋抑制。反饋調(diào)節(jié)易于解除，使育種簡單化，故常用作氨基酸發(fā)酵育種的出發(fā)菌株。17二、芳香族氨基酸的生物合成機制及代謝調(diào)節(jié)18

大腸桿菌中芳香族氨基酸的生物合成及調(diào)節(jié)機制磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤蘚糖3-脫氧-D-阿拉伯糖庚酮糖酸-7-磷酸（DAHP）莽草酸分支酸預苯酸（PPA）CoQVitKPPA脫氫酶PPA脫水酶苯丙酮酸苯丙氨酸對羥基苯丙酮酸酪氨酸氨茴酸色氨酸氨茴酸合成酶IIIIIIRIRRRIIIRRIRIR反饋抑制反饋阻遏20大腸桿菌、粗糙脈胞菌等許多微生物中，有三種DAHP合成酶的同功酶。在枯草芽孢桿菌中卻只有一種DAHP合成酶，受順序反饋抑制。在氫極毛桿菌中也有一種DAHP合成酶，可能受積累反饋抑制。21受調(diào)節(jié)控制的關鍵酶：DAHP合成酶、分支酸變位酶、預苯酸脫氫酶、預苯酸脫水酶和氨茴酸合成酶。DAHP合成酶受苯丙氨酸和酪氨酸的協(xié)同反饋抑制，L-色氨酸增強這種抑制作用。分支酸變位酶受苯丙氨酸和和酪氨酸的部分抑制，為苯丙氨酸所阻遏，可被L-色氨酸激活。其作用：控制通向苯丙氨酸和酪氨酸生物合成的代謝流；平衡分配苯丙氨酸，酪氨酸與色氨酸前體分支酸。23氨茴酸合成酶受色氨酸的抑制和阻遏，并且色氨酸與分支酸是競爭性的，與谷氨酰胺是非競爭性的。預苯酸脫氫酶受酪氨酸的輕微抑制預苯酸脫水酶受苯丙氨酸的完全抑制，受色氨酸的交叉抑制；酪氨酸可激活，并能和抑制劑相競爭，以解除由苯丙氨酸和色氨酸引起的抑制24谷氨酸棒桿菌芳香族氨基酸的生物合成及調(diào)節(jié)機制磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤蘚糖DAHP莽草酸分支酸預苯酸（PPA）苯丙酮酸苯丙氨酸對羥基苯丙酮酸酪氨酸氨茴酸色氨酸RIIRAAIRA反饋抑制反饋阻遏激活部分抑制26L-色氨酸競爭性地抑制氨茴酸合成酶，當供給足量的分支酸時合成L-色氨酸。從分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬?步反應由3個酶和其復合物催化完成。在大腸桿菌中這些酶復合物的基因組成一個操縱子TrpLECDA，其調(diào)控涉及酶活性的反饋抑制，酶合成的阻遏，轉(zhuǎn)錄的衰減，代謝速度的改變，轉(zhuǎn)錄的起始及mRNA降解等機制。2728（二）從谷氨酸棒桿菌的育種思路PEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSASPEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSAS野生型色氨酸產(chǎn)生菌反饋調(diào)節(jié)優(yōu)先合成切斷或減弱支路代謝解除反饋調(diào)節(jié)的代謝流30PEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSASPEP+EPDSDAHPCACMPPATyrPhePDPT氨茴酸TrpTSAS31三，分支鏈氨基酸發(fā)酵的生物合成及代謝控制

L-異亮氨酸，L-纈氨酸，L-亮氨酸的分子結(jié)構中均含有一個甲基側(cè)鏈，因而稱之為分支鏈氨基酸。從生物合成的前體來看，L-纈氨酸，L-亮氨酸的碳原子都來自丙酮酸。而L-異亮氨酸的6個碳原子，4個來自天冬氨酸，2個來自丙酮酸。32舉例：粗糙脈孢菌的分支鏈氨基酸合成途徑乙酰乳酸合酶33⑧粘質(zhì)賽氏桿菌分支鏈氨基酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)反饋抑制反饋阻遏乙酰乳酸乙酰乳酸合酶34代謝調(diào)節(jié)的要點：蘇氨酸脫氨酶受異亮氨酸的反饋抑制α–乙酰乳酸合成酶受纈氨酸的反饋抑制α-異丙基蘋果酸合成酶受亮氨酸的反饋抑制分支鏈氨基酸合成酶系的各個酶的合成受3種末端氨基酸的多價阻遏。35編碼3個分支鏈氨基酸合成酶系的基因組成兩個主要的操縱子：ilv（左）和Leu（右）。ilv-GEDACBOLeu-DCBAilv-HIIlv-GEDACB：DACB編碼ile和val途徑共用的4個多功能酶，BGE編碼乙酰乳酸合成酶及val轉(zhuǎn)氨酶Leu-DCBA基因編碼A異丙基蘋果酸合成酶B異丙基蘋果酸脫氫酶CD異丙基蘋果酸異構酶ilvHI編碼乙酰乳酸合成酶亞基I36分支鏈氨基酸的代謝控制

育種思路（以Ile為例）1，切斷或減弱支路代謝。2，解除自身反饋調(diào)節(jié)3，切斷進一步代謝途徑37⑧粘質(zhì)賽氏桿菌分支鏈氨基酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)反饋抑制反饋阻遏乙酰乳酸乙酰乳酸合酶38四，其他氨基酸的生物合成途徑及代謝調(diào)節(jié)39精氨酸的生物合成途徑谷氨酸Z-乙酰谷氨酸Z-乙酰谷氨酰磷酸Z-乙酰谷氨酸-γ-半醛Z-乙酰鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精氨酸①②③④⑤⑥⑦⑧①乙酰谷氨酸合成酶②乙酰谷氨酸激酶③N-乙酰谷氨酸半醛脫氫酶④乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶⑤乙酰鳥氨酸酶⑥鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶⑦精胺琥珀酸合成酶⑧精氨琥珀酸酶40精氨酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)機制大腸桿菌、枯草芽孢桿菌等微生物中，第一個酶：乙酰谷氨酸合成酶受精氨酸的反饋抑制，其他酶受精氨酸的反饋阻遏。谷氨酸棒桿菌、酵母等微生物中，第二個酶：乙酰谷氨酸激酶受精氨酸的反饋抑制，其他酶大部分受精氨酸的阻遏，而且可以通過轉(zhuǎn)乙?；傅淖饔茫蒒-乙酰鳥氨酸生成N-乙酰谷氨酸。41與精氨酸生物合成有