第四章 代謝調(diào)控課件

第三章

發(fā)酵代謝的調(diào)節(jié)與控制

第四章代謝調(diào)控第三章發(fā)酵代謝的調(diào)節(jié)與控制

一.活細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)

二.細(xì)胞內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的類型和原理三.反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制四.代謝調(diào)節(jié)體系的突破及其在發(fā)酵工業(yè)上的應(yīng)用

第四章代謝調(diào)控一、活細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)

活細(xì)胞在繁殖過(guò)程中是有條不紊的。同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)物合成，既不會(huì)過(guò)多，又不會(huì)過(guò)少，可以說(shuō)一個(gè)活細(xì)胞是一個(gè)高度完善的自動(dòng)調(diào)節(jié)的化工廠。特點(diǎn)：1、細(xì)胞內(nèi)一切反應(yīng)都是酶催化的2、催化劑——酶的催化作用是高度專一的，每一類酶只能催化一類特殊的化學(xué)反應(yīng)第四章代謝調(diào)控3、細(xì)胞中的酶促反應(yīng)，都是遵循克分子量關(guān)系，而且酶催化的反應(yīng)能進(jìn)行到底，產(chǎn)量達(dá)100%，無(wú)副產(chǎn)品生成。4、在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的數(shù)百種酶促反應(yīng)并不是各自獨(dú)立進(jìn)行的而是聯(lián)接成為連續(xù)反應(yīng)的系列。第一反應(yīng)的產(chǎn)物成為第二反應(yīng)的反應(yīng)物，因而就有很多中間產(chǎn)物。這些不同的系列進(jìn)一步聯(lián)接起來(lái)而組成細(xì)胞的反應(yīng)網(wǎng)。5、由于細(xì)胞內(nèi)形成一個(gè)酶促反應(yīng)網(wǎng)，從而使代謝調(diào)節(jié)成為可能。而且具有自我調(diào)節(jié)特性。6、由于細(xì)胞內(nèi)形成一個(gè)酶促反應(yīng)網(wǎng)，因而使細(xì)胞內(nèi)的供能和需能過(guò)程偶聯(lián)起來(lái)，且進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。第四章代謝調(diào)控

二、細(xì)胞內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的類型和原理

A、酶的活性調(diào)節(jié)（1）酶活性的一般調(diào)節(jié)（2）調(diào)節(jié)酶調(diào)節(jié)B、酶的合成調(diào)節(jié)第四章代謝調(diào)控（一）、酶的活性調(diào)節(jié)

（1）酶活性的一般調(diào)節(jié)1、各種酶都有一個(gè)最適PH，PH變化，使酶活性變化2、每個(gè)酶促反應(yīng)都和底物濃度有關(guān)，濃度變化，催化速度變化3、許多酶的活性和金屬離子有關(guān)，Mg2+K+

濃度變化也就調(diào)節(jié)酶活性第四章代謝調(diào)控（2）調(diào)節(jié)酶調(diào)節(jié)1、變構(gòu)酶類2、共價(jià)調(diào)節(jié)酶類3、同功酶第四章代謝調(diào)控1、變構(gòu)酶類調(diào)節(jié)機(jī)能如下：A、變構(gòu)酶類有兩個(gè)或兩個(gè)以上，立體專一性不同的接受部位，酶的活性中心，催化反應(yīng)部位，變構(gòu)部位

B、變構(gòu)酶和作用物形成一個(gè)復(fù)合體使酶分子產(chǎn)生可逆性變化，這種效應(yīng)稱變構(gòu)效應(yīng)?？梢鹈傅幕钚灾行陌l(fā)生變化，從而影響酶的催化作用。

C、有的作用物（如代謝終產(chǎn)物）與酶結(jié)合后，降低了酶的催化活性稱為“抑制劑”或“負(fù)調(diào)節(jié)劑”，有些與酶結(jié)合后，能增加酶的催化部位對(duì)底物親和力，就稱為“激活劑”或“正調(diào)節(jié)劑”。

D、一種變構(gòu)酶只有一種特異性作用物時(shí)，稱它屬于單價(jià)變構(gòu)酶。有些能對(duì)兩種或多種作用底物有反應(yīng)。每種作用物都能結(jié)合到酶分子特異部位上，則屬于多價(jià)變構(gòu)酶。結(jié)合有兩個(gè)活性中心的多價(jià)變構(gòu)酶，催化兩個(gè)以上的反應(yīng)，則稱為多功能酶。第四章代謝調(diào)控2、共價(jià)調(diào)節(jié)酶類通過(guò)其他酶類的催化作用，在調(diào)節(jié)酶的分子上，以共價(jià)鍵連上或脫下某種特殊化學(xué)基團(tuán)，從而使調(diào)節(jié)酶的活性形式，失活形式相互轉(zhuǎn)變的一類酶。3、同功酶是作用于同一底物，催化同一反應(yīng)，但分子結(jié)構(gòu)不同且分別受不同末端產(chǎn)物抑制的一類酶。第四章代謝調(diào)控B、酶的合成調(diào)節(jié)在細(xì)胞內(nèi)有兩種酶，一種是含量經(jīng)常近乎恒定的酶稱為組成酶，而另一種酶是只有某種底物存在時(shí)才合成的酶，稱為誘導(dǎo)酶。誘導(dǎo)酶生成與否，就對(duì)代謝過(guò)程起調(diào)節(jié)作用。生物體合成誘導(dǎo)酶的基因存在于細(xì)胞染色體（DNA）內(nèi)，通常處于阻遏狀態(tài)，只有當(dāng)誘導(dǎo)劑存在時(shí)阻遏狀態(tài)被解除，合成該酶的基因就起作用，誘導(dǎo)酶大量生成。第四章代謝調(diào)控三、反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制

凡是使反應(yīng)速度加快的稱正反應(yīng)凡是使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)反應(yīng)有反饋?zhàn)瓒艉头答佉种苾煞N類型第四章代謝調(diào)控1、反饋?zhàn)瓒敉ㄟ^(guò)阻遏酶調(diào)節(jié)的合成類型稱為反饋?zhàn)瓒鬗onod認(rèn)為調(diào)節(jié)基因有兩種類型：一種類型如大腸桿菌乳糖操縱子那樣，產(chǎn)生的阻遏蛋白與誘導(dǎo)物結(jié)合后，會(huì)失去活性，因而不能與操縱基因結(jié)合，從而使酶大量生成。這叫酶的誘導(dǎo)合成。另一種類型，調(diào)節(jié)基因能產(chǎn)生無(wú)活性的阻遏蛋白，當(dāng)它與合成代謝某產(chǎn)物結(jié)合生成，稱“反饋?zhàn)瓒簟钡谒恼麓x調(diào)控2、反饋抑制酶促反應(yīng)的終產(chǎn)物抑制代謝途徑第一個(gè)酶的活性，這稱反饋抑制。特點(diǎn)：(1)只有終產(chǎn)物或相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類似物，才能有效作為抑制物。(2)只有代謝途徑中，第一個(gè)酶被抑制。(3)抑制作用一般是可逆的，當(dāng)終產(chǎn)物的濃度降低時(shí)，酶的活性就會(huì)逐步恢復(fù)。第四章代謝調(diào)控反饋抑制類型

同功酶的反饋抑制順序反饋抑制協(xié)同反饋抑制積累反饋控制第四章代謝調(diào)控反饋?zhàn)瓒舴答佉种瓶刂茖?duì)象酶的生物合成酶的活性控制量終產(chǎn)物的濃度終產(chǎn)物的濃度控制水平DNA—mRNA—酶蛋白酶蛋白的構(gòu)象變化控制裝置終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和力終產(chǎn)物與變構(gòu)部位的親和力控制裝置的動(dòng)作阻遏蛋白與效應(yīng)底物結(jié)合，不能合成mRNA酶的變構(gòu)部位與效應(yīng)物結(jié)合，酶的活性中心變形形成的控制開(kāi)、關(guān)控制控制酶活力的大小反應(yīng)速度遲緩、粗的控制迅速精確的控制代謝途徑（相同）

無(wú)定向途徑和合成代謝途徑的分支點(diǎn)等反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較第四章代謝調(diào)控四、代謝調(diào)節(jié)體系的突破及其在發(fā)酵工業(yè)上的應(yīng)用

常用的方法：1、

應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株2、

應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)突變株3、

改變細(xì)胞膜通透性第四章代謝調(diào)控營(yíng)養(yǎng)缺陷型變異株的應(yīng)用

營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株特點(diǎn)，就是在合成該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的途徑中缺少一種或一種以上的酶，因而自身就不能合成這種物質(zhì)，當(dāng)在培養(yǎng)基中，控制該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)添加量，即只能供給菌體生長(zhǎng)到需要程度的用量，當(dāng)菌體生長(zhǎng)到一定程度以后，由于該營(yíng)養(yǎng)物已消耗完，菌體不能繼續(xù)增殖，但代謝仍然進(jìn)行，由于該物質(zhì)的濃度受控制，不足以引起對(duì)它的前體物質(zhì)合成的反饋抑制作用，因此，就可以積累遺傳缺陷的那一反應(yīng)前體物質(zhì)并且迫使向旁路進(jìn)行，而積累我們所需的代謝產(chǎn)物。第四章代謝調(diào)控抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用

（1）選育抗反饋調(diào)節(jié)突變株的方法反饋抑制的作用原理：代謝的終產(chǎn)物或結(jié)構(gòu)類似物與變構(gòu)酶的變構(gòu)部分相結(jié)合，使酶分子發(fā)生變形，從而影響酶的活性中心發(fā)生變化，結(jié)果抑制酶的活性。如果我們采用誘變的方法，使產(chǎn)生變構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使變構(gòu)酶的變構(gòu)部分不能與終產(chǎn)物或相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類似物結(jié)合，則酶的活性中心不發(fā)生變化，也就是酶的活性不受影響，則反饋抑制作用被解除。對(duì)反饋?zhàn)瓒魜?lái)說(shuō)，也就是用誘變使調(diào)節(jié)基因突變，使它產(chǎn)生的阻遏物，不再和代謝終產(chǎn)物或結(jié)構(gòu)類似物結(jié)合，這個(gè)突變型也就是一個(gè)抗阻遏的突變株第四章代謝調(diào)控篩選方法可以采用梯度培養(yǎng)皿法，具體做法如下：1、制備一系列放有某種結(jié)構(gòu)類似物并按濃度梯度依次改變濃度的瓊脂平板，反別在這些平板上涂布濃度為106—109的培養(yǎng)細(xì)胞,然后進(jìn)行培養(yǎng)。2、培養(yǎng)數(shù)天后,選出完全阻止菌體增殖所需結(jié)構(gòu)類似物的平板,這種濃度,叫做該結(jié)構(gòu)類似物的臨界用量濃度。3、大量制備加有臨界用量濃度的結(jié)構(gòu)類似物的平板,然后把經(jīng)過(guò)誘變處理的菌體培養(yǎng)液涂布于平板上,使每個(gè)平板的細(xì)胞數(shù)達(dá)107—108個(gè),在適溫下培養(yǎng)數(shù)日,如果某菌體在這樣的培養(yǎng)基中能夠生長(zhǎng),則這些菌落為抗結(jié)構(gòu)類似物的突變株,可以分離出來(lái)，搖瓶測(cè)定。第四章代謝調(diào)控選育抗反饋調(diào)節(jié)突變株的原理

在正常代謝過(guò)程中，代謝終產(chǎn)物和阻遏物或和變構(gòu)酶結(jié)合。形成的反饋調(diào)節(jié)是可逆的代謝終產(chǎn)物濃度降低以后，酶的合成或活性恢復(fù)起來(lái)。而結(jié)構(gòu)類似物和代謝終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似，所以同樣能和阻遏物以及變構(gòu)酶相結(jié)合，但結(jié)構(gòu)類似物并不能代替代謝終產(chǎn)物，它們并不能代替真正的氨基酸合成蛋白質(zhì)，也就是它們?cè)诩?xì)胞中的濃度不會(huì)降低。因此結(jié)構(gòu)類似物和阻遏物或變構(gòu)酶的結(jié)合是不可逆的結(jié)合后，使有關(guān)的酶永遠(yuǎn)停止合成或使變構(gòu)酶永遠(yuǎn)失活，這樣，菌體的代謝便不能進(jìn)行。也就不能生長(zhǎng)。第四章代謝調(diào)控現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)誘變的菌體，在含一定濃度的結(jié)構(gòu)類似物的培養(yǎng)基中仍能良好生長(zhǎng)，就說(shuō)明突變株形成的新酶。同樣具有酶的活性。但并不再和結(jié)構(gòu)類似物結(jié)合。也不再和相應(yīng)的代謝終產(chǎn)物結(jié)合。這樣，原來(lái)菌株的反饋抑制與反饋?zhàn)瓒糇饔镁捅唤獬?。第四章代謝調(diào)控（三）選育細(xì)胞膜透性高的突變株

以使終產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)不能積累到引起反饋調(diào)節(jié)的濃度。第四章代謝調(diào)控思考題

1.細(xì)胞中