代谢调控育种袁丽红

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1、第五节微生物代谢控制育种技术背景1956年谷氨酸发酵成功，标志发酵工业进入代谢控制发酵时期代谢控制发酵时期的核心－－代谢控制发酵技术代谢控制发酵过程大体上可分为：以生物化学和遗传学为基础，研究代谢产物的合成途径和代谢调控机制选择巧妙的技术路线，通过遗传育种技术获得解除或绕过微生物正常代谢途径的突变株，从而使所需产物有选择性地大量合成和积累代谢控制发酵的关键微生物代谢调控机制能否被解除能否打破微生物正常的代谢调节能否人为控制微生物代谢实现代谢控制发酵的手段代谢调控育种－内因改变－主要技术支柱发酵过程的代谢调控培养－外因改变代谢调控育种特点减少盲目性定向选育代谢

2、调控育种应用及成果氨基酸发酵核苷酸发酵一些次生代谢产物一、正常微生物代谢调节与控制－自我调节微生物有着一套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。正常的微生物代谢调控方式调节细胞膜对营养物质的渗透性通过酶的定位控制酶与底物的接触控制代谢物流向－－最主要的调节1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。通过酶的定位控制酶与底物的接触真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使某种特异的功能；原核微生物在细胞内划分区域集中某

3、类酶行使功能：与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。通过酶的定位控制酶与底物的接触控制代谢物流向(通过酶促反应速度来调节)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向。例如：两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基Glu合成以NAD为辅基Glu分解通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶（调节酶）:某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。①粗调：调节酶的合成（酶合成诱导、酶合成阻遏）②细调：调节现有酶分子的活性（催化活力）通过调节产能代谢速率。酶合成的诱导－乳糖操纵子酶合成的阻遏分

4、解代谢物阻遏产物阻遏－色氨酸操纵子lac操纵子的正调控—分解代谢物阻遏CAP－降解物基因活化蛋白分解代谢物激活蛋白，cAMP受体蛋白(CRP)阻遏蛋白操纵基因结构基因调节基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。酶代谢产物一旦大量积累阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。原核生物基因主要是转录控制。Trp操纵子----产物阻遏常规酶的合成调节现有酶的催化活力－酶活性的调节是以酶分子的结构为基础，在酶分子水平上的一种代谢调节。是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。酶活性的调节的式酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面

5、的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。正反馈：凡使反应速度加快的反馈。负反馈（反馈抑制）：凡使反应速度减慢的反馈。反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除FeedbackInhibitionFigure3.Figure4.1.直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶

6、苏氨酸α-酮丁酸异亮氨酸反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节、顺序反馈、协同反馈、积累反馈调节等。反馈抑制的类型同功酶调节——isoenzyme意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。—某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节

7、协同反馈抑制——concertedfeedbackinhibition定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacteriumglutamicum）、多粘芽孢杆菌（Bacilluspolymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。天冬氨酸E,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,RE二氢吡啶二羧酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,RRO-琥珀酰同型丝氨酸苏氨酸E,R六氢吡啶二羧酸胱硫醚2-酮丁酸R二氨基庚二酸同型半胱氨酸R赖氨酸甲硫氨酸异亮氨酸

8、天冬氨酸族（谷氨酸棒杆菌）合作反馈抑制——coop