第二章微生物药物生物合成与调控第一节02(发酵工艺学夏焕章第三版)

1、第二章第二章 微生物药物生物合成与调微生物药物生物合成与调控控 2 2 学习目标v熟悉微生物次级代谢产物的特点和次级代谢产物生物合成的控制。v掌握微生物次级代谢产物的生物合成过程及其调节机制。v了解微生物药物的生物合成及其调节机制的指导意义。 3 3 前言v各种代谢反应和代谢途径错综复杂： 代谢网络（metabolic network） 多代谢作用（pleometabolism） 代谢栅栏（metabolic grid）v生物合成既涉及初级代谢又涉及次级代谢v微生物药物（这里指微生物次级代谢产物）的合成是在微生物体内酶催化下将小分子物质逐步合成分子量较大产物的生化反应过程。 4 4 v生物合成

2、过程中，严格地受到微生物细胞内存在的代谢调节，以及外界环境条件的调节。v人们利用已知或可能存在的生物合成途径及其代谢调控理论，已成功地解决了微生物药物生产过程中菌种产量、发酵工艺、产品质量等关键问题。v微生物药物的生物合成及其调控理论在微生物药物的生产中起着非常重要的指导作用。 5 5 学习内容第一节 微生物代谢调节（3学时）第二节 次级代谢与次级代谢产物（1学时）第三节 次级代谢产物的生物合成（2学时）第四节 次级代谢产物生物合成的调节与控制（2学时） 6 6 二、酶活性调节 酶活性调节：是指通过改变代谢途径中的一个或几个关键酶的活性来调节代谢速度的调节方式。 酶活性调节特点：迅速、及时、有

3、效和经济 蛋白质水平上调节 7 7 （一）激活或抑制 u 酶的激活或抑制是指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质后，导致酶活性的提高或降低，从而使得该酶促反应速度提高或下降的过程。u 能引起酶的活力提高或降低的物质称为酶的激活剂或酶的抑制剂，如外源物质、代谢产物、金属离子等。u 酶的抑制可以是不可逆的或可逆的，前者造成代谢作用停止；后者，除去酶的抑制剂后，酶活性恢复。u 酶的抑制多数是可逆的，且多属于反馈抑制（feedback inhibition）。 8 8 （二）酶活性调节的方式 2. 终产物抑制（endproduct inhibition）1. 前馈作用（ feedforward

4、 ）4. 协同（多价）反馈抑制 （concerted or multivalent feedback inhibition）3. 补偿性激活（compensatory activation）5. 累积反馈抑制 （cumulative feedback inhibition）6. 增效（合作）反馈抑制（synergistic or cooperative feedback inhibition） 将存在的酶活性调节方式归纳下面12种： 9 9 7. 顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition）9. 联合激活或抑制调节（终产物抑制的补偿性逆转）8. 同工酶调节10.

5、 平衡合成（balanced synthesis）11. 代谢互锁（metabolic interlock）12. 假反馈抑制（pseudo-feedback inhibition） 10 10 前馈作用指的是在代谢途径中前面的底物对其后某一催化反应的调节酶有作用（激活或抑制）。1. 前馈作用（ feedforward ） 1,6-二磷酸果糖对丙酮酸激酶起前馈激活作用（图2-1） 乙酰辅酶A对乙酰辅酶A羧化酶起前馈抑制作用（图2-2） 11 11 图2-1 前馈激活代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进（前体激活）。举例葡萄糖 PEP丙酮酸丙酮酸激酶前馈激活6-磷酸葡

6、萄糖6-磷酸果糖1,6 - 二磷酸果糖 12 12 前馈抑制丙二酸单酰CoA + ADP + Pi乙酰辅酶A羧化酶乙酰辅酶A + CO2 + H2O + ATP举例图2-2 前馈抑制 乙酰辅酶A对乙酰辅酶A羧化酶起前馈抑制作用 13 13 终产物抑制指的是在代谢途径中，终产物对其合成途径第一个酶的活性产生抑制作用。2. 终产物抑制（endproduct inhibition）图2-3 终产物抑制A D反馈抑制BCE1PE4E3E2 终产物抑制又称为反馈抑制（feedback inhibition）。 14 14 指当某一终产物的合成需要两种前体时另一前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的酶的活

7、性（图2-4）。3. 补偿性激活（compensatory activation）图2-4 补偿性激活F IGHABCE1 J DE 15 15 指的是分支代谢途径中的几个终产物同时过量时才能抑制共同途径的第一个酶的调节方式。4. 协同（多价）反馈抑制 （concerted or multivalent feedback inhibition）ABCE1Y DXE5E4存在于Lys、Thr的合成中图2-5 协同反馈抑制 16 16 举例苏氨酸和赖氨酸协作反馈抑制天门冬氨酸激酶异亮氨酸苏氨酸高丝氨酸蛋氨酸高丝氨酸脱氢酶 赖氨酸天门冬氨酸半醛天门冬氨酰磷酸天门冬氨酸天门冬氨酸激酶谷氨酸棒杆菌（Co

8、rynebacterium glutamicu）中，苏氨酸和赖氨酸协同反馈抑制天门冬氨酸激酶（图2-6）。图2-6 谷氨酸棒杆菌中的赖氨酸和苏氨酸的合成 17 17 累积反馈抑制是指每一分支途径的终产物按一定百分率单独抑制共同途径前端的酶。5. 累积反馈抑制 （cumulative feedback inhibition）当几种终产物同时存在时，它们的抑制作用是累积的；各终产物之间无关（图2-7）。例：谷氨酰胺合成酶（E.coli）受 8 种终产物的累积反馈抑制。 18 18 图2-7 累积反馈抑制E终产物 E、G 分别抑制总酶活的 20%、50%；E、G同时存在时的抑制率为 20% +（10

9、0 - 20） 50% = 60%FABCE1 DG20%50%60% 累积反馈抑制是指每一分支途径的终产物按一定百分率单独抑制共同途径前端的酶。 19 19 增效（合作）反馈抑制是指两种终产物同时存在时的反馈抑制效果远大于一种终产物过量时的反馈抑制作用（图2-8）。6. 增效（合作）反馈抑制（synergistic or cooperative feedback inhibition） 20 20 图2-8 终产物D、F的增效反馈抑制 EABE1 F CD完全抑制部分抑制E2E3 每个终产物都能独立地发挥较弱的反馈抑制作用。当所有终产物都过量合成时，才共同作用以增强抑制效果。 21 21 在

10、分支代谢途径中，按一定顺序逐步进行的反馈抑制称为顺序反馈抑制（图2-9）。 7. 顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition）ABCE1Y DXE5E4存在于芳香族氨基酸合成的过程中312图2-9 顺序反馈抑制 22 22 同工酶（isoenzyme）又称同功酶： 是指催化相同的生化反应，但酶蛋白结构有差异，而且控制特征也不同的一组酶的通称。8. 同工酶调节同工酶调节： 如果代谢途径中某一反应受到一组同工酶的催化，那么不同的同工酶可能受各不相同的末端产物控制，即称为同工酶调节（图2-10）。 23 23 图2-10 同工酶调节 FABCE1 G DEE2 酶E1

11、和酶E2都是催化A至B的同工酶。E过量时，抑制酶E1的活性，C再也不能经过D到E。与此同时，酶E2的活力不受影响，A可以顺利地到G，从而使G过量，抑制酶E2的活性，但它也不影响酶E1的活性。 24 24 这是指由一种生物合成的中间产物参与两个完全独立的、不交叉的合成途径的控制（图2-11）。9. 联合激活或抑制调节（终产物抑制的补偿性逆转） 这种中间体物质浓度的变化会影响这两个独立代谢途径的代谢速率，因此这两个独立代谢途径之间就可能存在激活与抑制的联合调节方式。 25 25 图2-11 肠道细菌中氨甲酰磷酸合成酶活性的调节谷氨酸天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸谷氨酰胺+CO2+ATP氨甲酰磷酸N-乙酰谷

12、氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸氨甲酰磷酸合成酶UMPCTP表示抑制表示激活举例 26 26 经分支合成途径产生的两种终产物E、G，取平衡合成模式，见图2-12。10. 平衡合成（balanced synthesis）图2-12 平衡合成示意图若E优先合成，当E过剩时，反馈抑制酶E3的活性，导致C转向G合成；当G过剩时，解除E对酶E3的抑制，又转向为优先合成产物E。E2E3E1G FABCDE 27 27 分支途径上游的某个酶受到另一条分支途径的终产物，甚至与本分支途径几乎不相关的代谢中间物的抑制或激活，使酶的活力受到调节，此即代谢互锁。11. 代谢互锁（metabolic interlock）12.

13、假反馈抑制（pseudo-feedback inhibition） 是指结构类似物的反馈抑制。如S-（2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（赖氨酸结构类似物）具有与赖氨酸相似的反馈抑制。 28 28 （三）酶活性调节的分子机制 酶活性调节的分子机制可用酶的变构调节理论和酶分子的共价修饰调节理论加以解释。酶的变构调节理论： 通过分子空间构型上的变化来引起酶活性的改变。酶分子的共价修饰调节理论： 通过酶分子本身化学组成上的改变来引起酶活性的变化。 29 29 1. 酶的变构调节理论 受反馈抑制的酶是变构酶，酶活性调控的实质就是变构酶的变构调节。 变构酶含有两条或两条以上的多肽链，具有至少两个立体专一性不同

14、的结合位点： 活性部位（或活性中心，催化中心）：是与底物结合的部位，具有催化性质；变构部位或别构部位（或称调节中心）：是与调节物（激活剂或抑制剂）非共 价地可逆性结合的部位。 酶与调节物（如终产物）复合体的形成引起酶分子的三级或四级结构的可逆性变化，酶构型的变化影响了底物与活性中心的结合，从而影响酶的催化效应。终产物和酶的调节中心的结合是可逆的，当终产物浓度降低时，终产物与酶的结合随即解离，从而恢复了酶蛋白的原有构型，使酶与底物可以结合而发生催化作用。 30 30 2. 酶分子的共价修饰调节理论 包括可逆的共价修饰和不可逆的共价修饰。 可逆的共价修饰是指细胞中有些酶以活性形式和非活性形式存在，而且两种形式可以通过另外的酶的催化作用进行共价修饰而互相转换（图2-13）。 酶的可逆性共价修饰作用在于在短时间内生成大量的活性改变了的酶，有效地控制细胞的代谢状况；可逆修饰更易做到为响应代谢环境的变化而控制酶的活性。 31 31 举例图2-13 通过激酶或磷酸酯酶调节磷酸化酶的活性 磷酸化酶 bE-CH2-OH（无活性）磷酸化酶激酶磷酸化酶磷酸酯酶磷