代谢调控发酵的基本思想.ppt

第五章 生物产品代谢调控发酵机制 §1 代谢调控发酵的基本思想一、微生物细胞的调节机制 1. 调节酶——与代谢调节密切相关的酶，常称为关键酶 * * 在正常情况下，微生物细胞只合成本身所需要的中间代谢产物，严格防止氨基酸、核苷酸等物质的积累。当有氨基酸或嘌呤物质进入细胞后，细胞立即停止该物质的合成，一直到所供应的养料消耗到很低浓度，细胞才能重新开始进行合成。 细胞中这种调节控制作用主要依靠 反馈抑制 反馈阻遏 微生物细胞氨基酸、核苷酸的调节机制（模型） 代谢控制的研究证明，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。 按操纵子学说，操纵子由细胞中的操纵基因和邻近的几个结构基因组成。结构基因能转录遗传信息，合成相应的信使RNA（mRNA），进而再翻译合成特定的酶；操纵基因则能够控制结构基因作用的发挥。 细胞中还有一种调节基因，能够产生一种细胞质阻遏物，细胞质阻遏物与阻遏物（通常是酶反应的终产物）结合时，由于变构效应，结构改变和操纵基因的亲和力变大，而使有关的结构基因不能合成mRNA，因此，酶的合成受到阻遏。 诱导物也能和细胞阻遏物结合，使其结构发生改变，减少与操纵基因的亲和力，使操纵基因回复自由，进而结构基因进行转录，合成mRNA，再翻译特定的酶。 在微生物中，通过细胞膜的渗透性进行代谢控制也是非常重要的（如Glu发酵）。 受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶，酶活力调控的实质就是变构酶的变构调节。 变构酶分子除了有与底物结合的活性中心（即催化部位和活性中心）外，还有一个与最终产物结合的部位，称做调节中心（或称变构部位），当它与最终产物结合之后就改变了酶分子的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。 调节酶活力（反馈抑制）比调节酶的合成（反馈阻遏）迅速及时有效， 这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式。 氨基酸生物合成途径中的关键酶 氨基酸生物合成途径中的关键酶 最终产物与酶的调节中心的结合是可逆的，因此当最终产物的浓度降低时，最终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋白的原有的构象，使酶与底物可以结合而发生催化。 调节酶包括3个种类： ⑴变构酶； ⑵同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分子结构不同； ⑶多功能酶：能够催化两种以上不同反应的酶。 关键酶（key enzyme 或 switching enzyme） ——参与代谢调节的酶的总称 ——是一个反应链的限速因子，对代谢流的质和量都起着制约作用； ——在代谢流的枢纽处起支柱作用； ——一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶 （branching enzyme）可以成为关键酶，但关键酶并不都是分支点酶； ——其关键效果仅仅在特定的氨基酸生物合成过程中成立，而在其他氨 基酸生物合成过程中则不成立（例如，?-乙酰乳酸合成酶在Val 生物 合成途径中起关键作用，而Ile生物合成途径中起主导性的关键酶却 是苏氨酸脱氢酶TD，该酶在?-乙酰乳酸合成酶的前一阶段）； 氨基酸生物合成 途径中的关键酶 ——在每个氨基酸的生物合成途径中，都有一种以上的关键酶； ——生物合成的途径越长，关键酶的数目越多； ——对代谢流影响最大的关键酶处于主导的地位，常被配备在由同一前 体物出发去合成多种氨基酸的关键点（key point）上（例如， Val- Ile系的?-乙酰乳酸合成酶AS，或Asp族氨基酸生物合成途径中的关 键酶天冬氨酸激酶AK）； ——关键酶所受的反馈调节因菌而异（例如，Asp族氨基酸生物合成途 径中的主导关键酶天冬氨酸激酶AK，在大肠杆菌中有3种同功酶， 分别受到 Thr 、 Met 和Lys 的反馈调节，而在谷氨酸棒杆菌中却是 单一的，仅受到Thr 和Lys的协同反馈控制 ）。 大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸生物合成的调节机制 在黄色短杆菌中赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸 和异亮氨酸生物合成的代谢调节 谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等天冬氨酸族氨基酸的代谢调节机制 模式图 2. 反馈抑制——这种调节方式可以分为多种类型 在多功能途径中（Multifunctionnal pathway）的酶活性调节类型 ⑴协作反馈抑制或多价反馈抑制 ⑵合作反馈抑制（Cooperative feedback inhibition ） ⑶积累反馈抑制（Cumulative feedback inhibition ） ⑷顺序反馈抑制（Sequential feedback inhibition） ⑸假反馈抑制（Pseudo-feedback inhibition） 反馈