氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略课件.ppt
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- 氨基酸 代谢 控制 发酵 机制 育种 策略 课件
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1、氨基酸代谢控制发酵机制氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略及育种策略徐庆阳中国氨基酸技术服务中心中国氨基酸技术服务中心目目 录录 Chapter1 代谢机制理论基础 Chapter2 L-谷氨酸 Chapter3 L-亮氨酸 Chapter4 L-缬氨酸 Chapter5 L-异亮氨酸Chapter1 代谢机制理论基础氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制 在一般情况下,微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产在一般情况下,微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产物,严格防止氨基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当物,严格防止氨基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后,微生物细胞立即停止氨基
2、酸或核苷酸等物质进入细胞后,微生物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,微该物质的合成,一直到所供应的养料消耗到很低浓度,微生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。微生物细胞中生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。微生物细胞中这种调节控制作用主要靠两个因素,即参与调节的有关酶这种调节控制作用主要靠两个因素,即参与调节的有关酶的活性和酶量的活性和酶量 代谢控制机制的研究已经证明,酶的生物合成受基因和代代谢控制机制的研究已经证明,酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。谢物的双重控制。一方面,从一方面,从DNA的分子水平上阐明了酶生物合成的控制机的分子水平上阐明了酶生物合成的控制
3、机制,酶的合成像普通蛋白质的合成一样,受到结构基因的制,酶的合成像普通蛋白质的合成一样,受到结构基因的控制,由结构基因决定形成酶分子的一级结构;控制,由结构基因决定形成酶分子的一级结构;另一方面另一方面,酶的生物合成还受代谢物(酶反应的底物、产物酶的生物合成还受代谢物(酶反应的底物、产物及其类似物)的控制和调节。当有诱导物存在时,酶的生及其类似物)的控制和调节。当有诱导物存在时,酶的生成量可以几倍乃至几百倍的数量增加。相反,某些酶促反成量可以几倍乃至几百倍的数量增加。相反,某些酶促反应的产物,特别是终产物,又能产生阻遏作用,使酶的合应的产物,特别是终产物,又能产生阻遏作用,使酶的合成量大大减少
4、。成量大大减少。参与氨基酸生物合成的关键酶主要有参与氨基酸生物合成的关键酶主要有12种:种:磷酸果糖激磷酸果糖激酶;酶;柠檬酸合成酶;柠檬酸合成酶;N-乙酰谷氨酸激酶;乙酰谷氨酸激酶;鸟氨酸转鸟氨酸转氨基甲酰酶;氨基甲酰酶;天冬氨酸激酶;天冬氨酸激酶;高丝氨酸脱氢酶;高丝氨酸脱氢酶;苏苏氨酸脱水酶;氨酸脱水酶;-乙酰乳酸合成酶;乙酰乳酸合成酶;DAHP(2-酮酮-3-脱氧脱氧-D-阿拉伯糖型庚糖酸阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸)合成酶;磷酸)合成酶;分支酸变位酶;分支酸变位酶;11预苯酸脱水酶;预苯酸脱水酶;12预苯酸脱氢酶。预苯酸脱氢酶。一般情况下,与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支一般情况
5、下,与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶(点酶(branching enzyme)可以成为关键酶,但关键酶并)可以成为关键酶,但关键酶并不都是分支点酶。关键酶的关键效果也只是在特定的氨基不都是分支点酶。关键酶的关键效果也只是在特定的氨基酸生物合成过程中成立,而在其他氨基酸的生物合成过程酸生物合成过程中成立,而在其他氨基酸的生物合成过程中则不成立。例如,中则不成立。例如,-乙酰乳酸合成酶在缬氨酸生物合成乙酰乳酸合成酶在缬氨酸生物合成途径中起主导性的关键酶作用,但在异亮氨酸的生物合成途径中起主导性的关键酶作用,但在异亮氨酸的生物合成中,起主导性关键作用的却是苏氨酸脱水酶。该酶位于中,起主导性
6、关键作用的却是苏氨酸脱水酶。该酶位于-乙酰乳酸合成酶的前一阶段,并且不是分支点酶。乙酰乳酸合成酶的前一阶段,并且不是分支点酶。反馈控制与优先合成反馈控制与优先合成氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈控制(反馈阻遏与氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈控制(反馈阻遏与反馈抑制)和在合成途径分支点处的优先合成反馈抑制)和在合成途径分支点处的优先合成如图所示的反馈控制,由催化合成途径最初反应如图所示的反馈控制,由催化合成途径最初反应AB的初的初始酶受终产物氨基酸始酶受终产物氨基酸E的反馈抑制和合成途径上各种酶受终的反馈抑制和合成途径上各种酶受终产物氨基酸产物氨基酸E的反馈阻遏组成。的反馈阻遏组成。优先合
7、成优先合成 底物底物A经分支合成途径生成两种终产物经分支合成途径生成两种终产物E和和G,由于,由于a酶的酶酶的酶活性远远大于活性远远大于b酶的酶活性,结果优先合成酶的酶活性,结果优先合成E。E合成达到合成达到一定浓度时,就会抑制一定浓度时,就会抑制a酶,使代谢转向合成酶,使代谢转向合成G。G合成达合成达到一定浓度时就会对到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用酶产生抑制作用平衡合成(平衡合成(balanced synthesis)底物底物A经分支合成途径生成两种终产物经分支合成途径生成两种终产物E与与G,由于,由于a酶的酶酶的酶活性远远大于活性远远大于b酶,结果优先合成酶,结果优先合成E。E过量后就
8、会抑制过量后就会抑制a酶,酶,使代谢转向合成使代谢转向合成G。G过量后,就会拮抗或逆转过量后,就会拮抗或逆转E的反馈抑的反馈抑制作用,结果代谢流又转向合成制作用,结果代谢流又转向合成E,如此循环,如此循环 微生物体内代谢过程的各种生物化学反应,都是由各种酶来微生物体内代谢过程的各种生物化学反应,都是由各种酶来催化的。按各种酶在代谢调节中作用的不同,又可将酶分催化的。按各种酶在代谢调节中作用的不同,又可将酶分为以下三类为以下三类 调节酶调节酶(常称关键酶,与代谢调节关系密切)(常称关键酶,与代谢调节关系密切)变构酶:通过酶分子构象的变化来改变酶活性的一类酶变构酶:通过酶分子构象的变化来改变酶活性
9、的一类酶同功酶:具有同一种酶的底物专一性,但分子结构不同的一类酶同功酶:具有同一种酶的底物专一性,但分子结构不同的一类酶多功能酶:能够催化两种以上不同反应的一类酶多功能酶:能够催化两种以上不同反应的一类酶 静态酶静态酶 一般与代谢调节关系不大的一类酶一般与代谢调节关系不大的一类酶 潜在酶潜在酶 指酶原、非活性型或与抑制剂结合的酶指酶原、非活性型或与抑制剂结合的酶同功酶同功酶 酶酶I和酶和酶都是催化都是催化AB的同功酶。的同功酶。G过量时,酶过量时,酶停止活动,停止活动,C也不能经过也不能经过F到到G 与此同时,酶与此同时,酶I活力不受影响,活力不受影响,A可以顺利地到可以顺利地到E,从而使,从
10、而使G过量,过量,但并不干扰但并不干扰E的合成的合成反馈抑制与反馈阻遏的比较反馈抑制与反馈阻遏的比较项目项目类型类型反馈阻遏反馈阻遏反馈抑制反馈抑制控制对象控制对象酶的生物合成酶的生物合成酶的活性酶的活性控制量控制量终产物浓度终产物浓度终产物浓度终产物浓度控制的水平控制的水平DNAmRNA酶蛋白酶蛋白酶蛋白的构象变化酶蛋白的构象变化控制装置控制装置终产物与阻遏蛋白的亲和力终产物与阻遏蛋白的亲和力终产物与变构部位的亲和力终产物与变构部位的亲和力控制装置的控制装置的动作动作阻遏蛋白与操纵基因结合,阻遏蛋白与操纵基因结合,通过变构效应,酶的结构发生变化通过变构效应,酶的结构发生变化不能合成不能合成m
11、RNA形成的控制形成的控制开、关控制开、关控制控制酶活性大小控制酶活性大小反应反应迟缓、粗的控制迟缓、粗的控制迅速、精确的控制迅速、精确的控制代谢途径代谢途径无定向代谢途径和合成代谢途径分支点等无定向代谢途径和合成代谢途径分支点等无定向代谢途径和合成代谢途径分支无定向代谢途径和合成代谢途径分支点等点等细胞经济细胞经济高分子化合物高分子化合物(酶蛋白酶蛋白)低分子化合物低分子化合物(酶反应生成物酶反应生成物)协同反馈抑制或称多价反馈抑制协同反馈抑制或称多价反馈抑制 当一条代谢途径中有两个以上终产物时,任何一个终产物都不当一条代谢途径中有两个以上终产物时,任何一个终产物都不能单独抑制途径第一个共同
12、的酶促反应,但当两者同时过剩时,能单独抑制途径第一个共同的酶促反应,但当两者同时过剩时,它们协同抑制第一个酶反应它们协同抑制第一个酶反应合作反馈抑制(合作反馈抑制(Cooperative feedback inhibition)合作反馈抑制也可称为增效反馈抑制(合作反馈抑制也可称为增效反馈抑制(Synergistic feedback inhibition)。这种反馈抑制不同于协同反馈抑制,也不同于积)。这种反馈抑制不同于协同反馈抑制,也不同于积累反馈抑制累反馈抑制 当任何一个终产物单独过剩时,只部分地反馈抑制第一个酶的当任何一个终产物单独过剩时,只部分地反馈抑制第一个酶的活性,只有当活性,只
13、有当G、E两个终产物同时过剩存在时,才能引起强烈两个终产物同时过剩存在时,才能引起强烈抑制,其抑制程度大于各自单独存在的和抑制,其抑制程度大于各自单独存在的和积累反馈抑制(积累反馈抑制(Cumulative feedback inhibition)在积累反馈抑制中,每一个最终产物只单独地、部分地抑制共在积累反馈抑制中,每一个最终产物只单独地、部分地抑制共同步骤的第一个酶,并且各最终产物的抑制作用互不影响。所同步骤的第一个酶,并且各最终产物的抑制作用互不影响。所以几个最终产物同时存在时,它们的抑制作用是积累的以几个最终产物同时存在时,它们的抑制作用是积累的顺序反馈抑制顺序反馈抑制(Sequent
14、ial feedback inhibition)顺序反馈抑制的过程是:顺序反馈抑制的过程是:F积累,停止积累,停止DE反应,减少反应,减少F的进一的进一步合成,更多的步合成,更多的D转到转到G,再由,再由G合成合成I或或K;I积累,抑制积累,抑制GH的反应;的反应;K积累,抑制积累,抑制GJ的反应,结果造成的反应,结果造成G的积累,引起的积累,引起G对对AB的反馈抑制,使整个途径停止的反馈抑制,使整个途径停止假反馈抑制假反馈抑制(Pseudo-feedback inhibition)假反馈抑制是指结构类似物引起的反馈抑制假反馈抑制是指结构类似物引起的反馈抑制Chapter2 L-谷氨酸谷氨酸谷
15、氨酸的生物合成途径 生成谷氨酸的主要酶反应生成谷氨酸的主要酶反应 谷氨酸生物合成的理想途径谷氨酸生物合成的理想途径 谷氨酸发酵的代谢途径谷氨酸发酵的代谢途径谷氨酸的生物合成包括谷氨酸的生物合成包括生成谷氨酸的主要酶反应 谷氨酸脱氢酶(谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应)所催化的还原氨基化反应 转氨酶(转氨酶(AT)催化的转氨反应)催化的转氨反应谷氨酸脱氢酶(谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应)所催化的还原氨基化反应 转氨酶(转氨酶(AT)催化的转氨反应)催化的转氨反应 谷氨酸合成酶(谷氨酸合成酶(GS)催化的反应)催化的反应生成谷氨酸的主要酶反应谷氨酸合成酶(谷氨酸合成酶(
16、GS)催化的反应)催化的反应 由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径谷氨酸生物合成的理想途径 C6H12O6+NH3+3/2O2 C5H9O4N+CO2+3H2O谷氨酸生物合成的理想途径 由上述谷氨酸生物合成的理想途径可知,由葡萄糖生由上述谷氨酸生物合成的理想途径可知,由葡萄糖生物合成谷氨酸的总反应方程式为:物合成谷氨酸的总反应方程式为:C6H12O6+NH3+1.5O2 C5H9O4N+CO2+3H2O 由于由于1摩尔葡萄糖可以生成摩尔葡萄糖可以生成1摩尔的谷氨酸,因此理摩尔的谷氨酸,因此理论糖酸转化率为论糖酸转化率为81.7%。谷氨酸发酵的代谢途径 由葡萄糖生物合
17、成谷氨酸的代谢途径由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径葡萄糖首先经葡萄糖首先经EMP及及HMP两个途径生成丙酮酸。其中以两个途径生成丙酮酸。其中以EMP途径为主,生物途径为主,生物素充足时素充足时HMP所占比例是所占比例是38%,控制生物素亚适量,发酵产酸期,控制生物素亚适量,发酵产酸期,EMP所占所占的比例更大,的比例更大,HMP所占比例约为所占比例约为26%。生成的丙酮酸,一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰生成的丙酮酸,一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰CoA,另一部分经另一部分经CO2固定反应生成草酰乙酸或苹果酸,催化固定反应生成草酰乙酸或苹果酸,催化CO2固定反应的
18、酶有丙固定反应的酶有丙酮酸羧化酶、苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。酮酸羧化酶、苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。草酰乙酸与乙酰草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合成酶催化作用下,缩合成柠檬酸,进入三羧在柠檬酸合成酶催化作用下,缩合成柠檬酸,进入三羧酸循环,柠檬酸在顺乌头酸酶的作用下生成异柠檬酸,异柠檬酸再在异柠檬酸循环,柠檬酸在顺乌头酸酶的作用下生成异柠檬酸,异柠檬酸再在异柠檬酸脱氢酶的作用下生成酸脱氢酶的作用下生成-酮戊二酸,酮戊二酸,-酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体。酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体。-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经还原氨基化反应生成谷氨酸酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经还原氨基化
19、反应生成谷氨酸谷氨酸发酵的代谢途径l控制谷氨酸合成的重要措施控制谷氨酸合成的重要措施-酮戊二酸氧化能力微弱,即-酮戊二酸脱氢酶活力微弱谷氨酸产生菌糖代谢的一个重要特征就是-酮戊二酸氧化能力微弱。丧失-酮戊二酸脱氢酶的重要性已经用要求生物素和不分泌谷氨酸的大肠杆菌得以证明。甚至发现不要求生物素的一株丧失-酮戊二酸脱氢酶的突变株,能分泌2.3g/L谷氨酸,而其亲株却什么也不分泌。谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化力微弱。尤其在生物素缺乏条件下,三羧酸循环到达-酮戊二酸时,即受到阻挡。把糖代谢流阻止在-酮戊二酸的堰上,对导向谷氨酸形成具有重要意义。在铵离子存在下,-酮戊二酸因谷氨酸脱氢酶的催化作用,经还原
20、氨基化反应生成谷氨酸。谷氨酸发酵的代谢途径谷氨酸脱氢酶活性强细胞膜对谷氨酸的通透性高 谷氨酸的分泌可降低细胞内产物的浓度,消除了谷氨酸转化成其它代谢物的可能,减低了对谷氨酸脱氢酶的抑制,并使谷氨酸的生成途径畅通。由生物素亚适量可造成细胞膜对产物的高通透性。生物素改变细胞膜通透性的机制与影响细胞膜磷脂的含量及成分有关。还可通过添加表面活性剂、高级饱和脂肪酸,或青霉素等控制细胞膜对谷氨酸的通透性。通过选育温度敏感突变株、油酸缺陷型或甘油缺陷型等突变株也可控制细胞膜对谷氨酸的通透性。CO2固定酶固定酶系活力强系活力强Citrate synthase,Aconitase,ICDH,GDH酶活力强酶活力
21、强乙醛酸循环弱乙醛酸循环弱异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱活力欠缺或微弱-酮戊二酸氧化酮戊二酸氧化能力缺失或微弱能力缺失或微弱l乙醛酸循环的作用乙醛酸循环的作用谷氨酸发酵的代谢途径谷氨酸发酵的代谢途径乙醛酸循环途径可看作乙醛酸循环途径可看作三羧酸循环的支路和中三羧酸循环的支路和中间产物的补给间产物的补给途径途径在菌体生长期之后,进在菌体生长期之后,进入谷氨酸生成期,为了入谷氨酸生成期,为了大量生成、积累谷氨酸大量生成、积累谷氨酸,最好没有异柠檬酸裂解最好没有异柠檬酸裂解酶催化反应,封闭酶催化反应,封闭乙醛乙醛酸循环酸循环谷氨酸生物合成的调节机制 优先合成与反馈调节优先合成与反馈调节
22、糖代谢的调节糖代谢的调节 氮代谢的调节氮代谢的调节优先合成 黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制-酮戊二酸合成后由于-酮戊二酸脱氢酶活性微弱,谷氨酸脱氢酶的活力很强,故优先合成谷氨酸。反馈调节黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制1-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 2-柠檬酸合成酶 3-异柠檬酸脱氢酶 4-酮戊二酸脱氢酶 5-谷氨酸脱氢酶l优先合成优先合成 谷氨酸比天冬氨酸优先合成,谷氨酸合成过量后,就会谷氨酸比天冬氨酸优先合成,谷氨酸合成过量后,就会抑制和阻遏自身的合成途径,使代谢转向合成天冬氨酸抑制和阻遏自身的合成途径,使代谢转向合成天冬氨酸l
23、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化CO2固定反应的关键酶,固定反应的关键酶,受天冬氨酸的反馈抑制,受谷氨酸和天冬氨酸的反馈阻遏受天冬氨酸的反馈抑制,受谷氨酸和天冬氨酸的反馈阻遏优先合成与反馈调节l柠檬酸合成酶的调节柠檬酸合成酶的调节 柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶,除受能荷调节外,柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶,除受能荷调节外,还受谷氨酸的反馈阻遏和乌头酸的反馈抑制还受谷氨酸的反馈阻遏和乌头酸的反馈抑制l异柠檬酸脱氢酶的调节异柠檬酸脱氢酶的调节 细胞内细胞内-酮戊二酸的量与异柠檬酸的量需维持平衡,当酮戊二酸的量
24、与异柠檬酸的量需维持平衡,当-酮戊二酸过量时对异柠檬酸脱氢酶发生反馈抑制作用,停止合酮戊二酸过量时对异柠檬酸脱氢酶发生反馈抑制作用,停止合成成-酮戊二酸酮戊二酸优先合成与反馈调节l-酮戊二酸脱氢酶的调节酮戊二酸脱氢酶的调节 在谷氨酸产生菌中,在谷氨酸产生菌中,-酮戊二酸脱氢酶活性微弱酮戊二酸脱氢酶活性微弱l谷氨酸脱氢酶的调节谷氨酸脱氢酶的调节 谷氨酸对谷氨酸脱氢酶存在着反馈抑制和反馈阻遏谷氨酸对谷氨酸脱氢酶存在着反馈抑制和反馈阻遏 谷氨酸比天冬氨酸优先合成,谷氨酸合成过量后,就会抑谷氨酸比天冬氨酸优先合成,谷氨酸合成过量后,就会抑制和阻遏自身的合成途径,使代谢转向合成天冬氨酸。制和阻遏自身的合
25、成途径,使代谢转向合成天冬氨酸。-酮戊酮戊二酸合成后由于二酸合成后由于-酮戊二酸脱氢酶活性微弱,谷氨酸脱氢酶的酮戊二酸脱氢酶活性微弱,谷氨酸脱氢酶的活力很强,故优先合成谷氨酸活力很强,故优先合成谷氨酸优先合成与反馈调节糖代谢的调节 l能荷能荷细胞所处的能量状态用细胞所处的能量状态用ATP、ADP和和AMP之间的关系来表示,之间的关系来表示,称为能荷(称为能荷(energy charge)能荷值在能荷值在0和和1之间变动。已知大多数细胞的能荷处于之间变动。已知大多数细胞的能荷处于0.80到到0.95之间,处于一种动态平衡)之间,处于一种动态平衡)糖代谢的调节l能荷控制能荷控制能量生成代谢系的调节
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