代謝調(diào)控育種袁麗紅

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1、第五節(jié)微生物代謝控制育種技術(shù)背景1956年谷氨酸發(fā)酵成功，標(biāo)志發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入代謝控制發(fā)酵時(shí)期代謝控制發(fā)酵時(shí)期的核心－－代謝控制發(fā)酵技術(shù)代謝控制發(fā)酵過(guò)程大體上可分為：以生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，研究代謝產(chǎn)物的合成途徑和代謝調(diào)控機(jī)制選擇巧妙的技術(shù)路線，通過(guò)遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過(guò)微生物正常代謝途徑的突變株，從而使所需產(chǎn)物有選擇性地大量合成和積累代謝控制發(fā)酵的關(guān)鍵微生物代謝調(diào)控機(jī)制能否被解除能否打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)能否人為控制微生物代謝實(shí)現(xiàn)代謝控制發(fā)酵的手段代謝調(diào)控育種－內(nèi)因改變－主要技術(shù)支柱發(fā)酵過(guò)程的代謝調(diào)控培養(yǎng)－外因改變代謝調(diào)控育種特點(diǎn)減少盲目性定向選育代謝

2、調(diào)控育種應(yīng)用及成果氨基酸發(fā)酵核苷酸發(fā)酵一些次生代謝產(chǎn)物一、正常微生物代謝調(diào)節(jié)與控制－自我調(diào)節(jié)微生物有著一套可塑性極強(qiáng)和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無(wú)誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。正常的微生物代謝調(diào)控方式調(diào)節(jié)細(xì)胞膜對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的滲透性通過(guò)酶的定位控制酶與底物的接觸控制代謝物流向－－最主要的調(diào)節(jié)1.控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞如：只有當(dāng)速效碳源或氮源耗盡時(shí)，微生物才合成遲效碳源或氮源的運(yùn)輸系統(tǒng)與分解該物質(zhì)的酶系統(tǒng)。通過(guò)酶的定位控制酶與底物的接觸真核微生物酶定位在相應(yīng)細(xì)胞器上；細(xì)胞器各自行使某種特異的功能；原核微生物在細(xì)胞內(nèi)劃分區(qū)域集中某

3、類酶行使功能：與呼吸產(chǎn)能代謝有關(guān)的酶位于膜上；蛋白質(zhì)合成酶和移位酶位于核糖體上；同核苷酸吸收有關(guān)的酶在G-菌的周質(zhì)區(qū)。通過(guò)酶的定位控制酶與底物的接觸控制代謝物流向(通過(guò)酶促反應(yīng)速度來(lái)調(diào)節(jié))可逆反應(yīng)途徑由同種酶催化，可由不同輔基或輔酶控制代謝物流向。例如：兩種Glu脫氫酶：以NADP為輔基Glu合成以NAD為輔基Glu分解通過(guò)調(diào)節(jié)酶的活性或酶的合成量。關(guān)鍵酶（調(diào)節(jié)酶）:某一代謝途徑中的第一個(gè)酶或分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶。①粗調(diào)：調(diào)節(jié)酶的合成（酶合成誘導(dǎo)、酶合成阻遏）②細(xì)調(diào)：調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的活性（催化活力）通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)能代謝速率。酶合成的誘導(dǎo)－乳糖操縱子酶合成的阻遏分

4、解代謝物阻遏產(chǎn)物阻遏－色氨酸操縱子lac操縱子的正調(diào)控—分解代謝物阻遏CAP－降解物基因活化蛋白分解代謝物激活蛋白，cAMP受體蛋白(CRP)阻遏蛋白操縱基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，所以結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。酶代謝產(chǎn)物一旦大量積累阻遏蛋白被產(chǎn)物激活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。原核生物基因主要是轉(zhuǎn)錄控制。Trp操縱子----產(chǎn)物阻遏常規(guī)酶的合成調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶的催化活力－酶活性的調(diào)節(jié)是以酶分子的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)。是通過(guò)改變現(xiàn)成的酶分子活性來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的速率的方式。酶活性的調(diào)節(jié)的式酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應(yīng)可被較前面

5、的反應(yīng)產(chǎn)物所促進(jìn)的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。如：粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶的活性受檸檬酸促進(jìn)酶活性的抑制：包括：競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反饋抑制。反饋：指反應(yīng)鏈中某些中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物對(duì)該途徑關(guān)鍵酶活性的影響。正反饋：凡使反應(yīng)速度加快的反饋。負(fù)反饋（反饋抑制）：凡使反應(yīng)速度減慢的反饋。反饋抑制——主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。特點(diǎn)：作用直接、效果快速、末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可解除FeedbackInhibitionFigure3.Figure4.1.直線式代謝途徑中的反饋抑制：蘇氨酸脫氨酶

6、蘇氨酸α-酮丁酸異亮氨酸反饋抑制其它實(shí)例：谷氨酸棒桿菌的精氨酸合成2.分支代謝途徑中的反饋抑制：在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜，為了避免在一個(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)，微生物發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。主要有：同功酶的調(diào)節(jié)、順序反饋、協(xié)同反饋、積累反饋調(diào)節(jié)等。反饋抑制的類型同功酶調(diào)節(jié)——isoenzyme意義：在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用?！骋划a(chǎn)物過(guò)量?jī)H抑制相應(yīng)酶活，對(duì)其他產(chǎn)物沒(méi)影響。例：大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié)

7、協(xié)同反饋抑制——concertedfeedbackinhibition定義：分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。舉例：谷氨酸棒桿菌（Corynebacteriumglutamicum）、多粘芽孢桿菌（Bacilluspolymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。天冬氨酸E,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,RE二氫吡啶二羧酸同型絲氨酸同型絲氨酸磷酸E,RRO-琥珀酰同型絲氨酸蘇氨酸E,R六氫吡啶二羧酸胱硫醚2-酮丁酸R二氨基庚二酸同型半胱氨酸R賴氨酸甲硫氨酸異亮氨酸

8、天冬氨酸族（谷氨酸棒桿菌）合作反饋抑制——coop