微生物代谢调节课件

第十三章微生物代谢调节第一节总论一、微生物代谢调节问题的提出二、微生物代谢调节的方式1、细胞透性的调节2、代谢途径的区域化3、代谢流向的调节4、代谢流量的调节第十三章微生物代谢调节第一节总论一、微生物代1细胞透性的调节PEPPyrIIPHprHprPRprRprPPaseRprPaseACRprPAC无活性无活性有活性有活性乳糖渗透酶与腺苷酸环化酶的协调作用细胞透性的调节PEPPyrIIPHprHprPRprRprP2第二节酶合成的调节一、酶合成的诱导作用1、协同诱导和顺序诱导2、E.coliß-半乳糖苷酶的诱导二、酶合成的阻遏作用三、酶合成调节机制第二节酶合成的调节一、酶合成的诱导作用3顺序诱导COO-COOOHOH原儿酚顺，顺-己二烯二酸醋酸+琥珀酸ß-酮己二酸ß-酮己二酸CoA

COO-

CHOH

C=O

COO-

CHO

CH2CHNH

NH3+

COO-

COO-

COO-

NH3+

COO-

NH3+

COO-

NH3+顺序诱导COO-COOOHOH原儿酚顺，顺-己二烯二酸醋4酶合成调节机制：操纵子学说阻遏物ß-半乳糖苷酶渗透酶半乳糖苷转乙酰基酶（38500）4（116350）4（46500）2（30000）2POlacIlacZlacYlacA801080122306345125167870(bp)E.coli乳糖操纵子的结构乳糖操纵子（lacoperon）酶合成调节机制：操纵子学说阻遏物ß-半乳5P-O区cAMP-CAP结合位点cAMP-CAP40507080110120CoreRNA-P结合位点E.coli乳糖操纵子结合位点IPOZYaDNAATPcAMPCAP5'-AMPRNA-PGXACPD(-)(+)阻遏物+LacmRNA多肽链葡萄糖通过cAMP影响乳糖操纵子表达的作用模式cAMPP-O区cAMP-CAP结合位点cAMP-CAP406半乳糖操纵子（galoperon）GalRPOgalEgalTgalKGalGal-1-PUDP-Gal+G-1-PUDP-G激酶转移酶表异构酶E.coli半乳糖操纵子的结构与功能半乳糖操纵子（galoperon）GalRPOgal7TGTTATGCTATGGTTATTTCATATGAGAACAATACGATACCAATAAAGTATACTCTS2S1-76至47TAMP-CAPA-30-20-10mRNA-（cAMP-CAP）1mRNA+（cAMP-CAP）galE半乳糖操纵子的启动子和操纵区的碱基顺序TGTTATGCTATGGTTATTTCAT8阿拉伯糖操纵子（araoperon）araDaraAaraBpCpBADaraC结构基因调节基因控制区L-AraL-RuL-Ru5PD-Xu5P123E.coli阿拉伯糖操纵子的结构与功能阿拉伯糖操纵子（araoperon）araDaraAara9+30+1-40-80-110-148-172araCmRNAPr（-ara）araPiPr（-ara）诱导型（+ara）

A位点（ProrPi）B位点（Pi）阻遏型RNA-P位点（PBD）cAMP-CAP位点RNA-P位点（PC）AraBADmRNA阿拉伯操纵子的调节及其结合位点+30+1-40-810RNA-PPr（+G，-Ara）aramRNARNA-PPr（-G，-Ara）aramRNACAPCAPRNA-PPr（+G，-Ara）aramRNAR11RNA-PPr（-G，+Ara）aramRNACAPCAPPiRNA-PPiRNA-PpCpBADaramRNA阿拉伯操纵子在不同营养条件下，调控区段的状态RNA-PPr（-G，+Ara）aramRNAC12组氨酸利用操纵子（hutoperonPIOhutIhutGhutCpUOhutUhutHHis尿刊酸咪唑酮丙酸甲酰亚胺谷氨酸甲酰亚胺+谷氨酸His酶尿刊酸酶4-咪唑-5-丙酸氨基水解酶甲酰亚胺谷氨酸水解酶组氨酸利用操纵子的结构与功能组氨酸利用操纵子（hutoperonPIO13色氨酸操纵子（trpoperon）trpAtrpBtrpCP2trpDtrpELP1OSpacerSpacerAttenuatorsequenceE.coli色氨酸操纵的结构与功能邻氨基苯甲酸合成酶组分I邻氨基苯甲酸合成酶组分II色氨酸合成酶a色氨酸合成酶ß吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸操纵子（trpoperon）trpAtrpBtrpC14AUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUUUC•GG•CC•GC•GC•GG•CA•UUUUUUUUUAUACCCCUAAUGA1101201301403'-OH色氨酸前导mRNA的末端区段AUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUU151234Trp密码子12344312转录继续转录终止E.coli色氨酸操纵子的衰减机制的模型（a）游离Mrna1区和2区之间，3区和4区之间形成碱基对；（b）低浓度色氨酸时，核糖核蛋白体在1区，这时4区的转录被完成，（c）高浓度色氨酸时，核糖核蛋白体位于2区，转录在4区之前完成1234Trp密码子12344312转录继续转录终止E.co16第三节酶活性的调节一、酶激活作用二、酶活性的反馈抑制1、直线式代谢途径中的反馈抑制2、分枝式代谢途径中的反馈抑制三、抗反馈作用与抗反馈突变株四、酶活性的调节的机制第三节酶活性的调节一、酶激活作用17反馈抑制（直线式代谢途径中）ABCDX苏氨酸a-酮丁酸异亮氨酸苏氨酸DHEE.coli中异亮氨酸对苏氨酸DHE的反馈抑制反馈抑制（直线式代谢途径中）ABCDX苏氨酸a-酮丁酸异亮氨18反馈抑制（分枝式代谢途径中）ABCDEYFGZ（1）（2）（3）酶的顺序反馈抑制的模式反馈抑制（分枝式代谢途径中）ABCDEYFGZ（1）（2）（19PEP+E4PDAHPCAPerAA（邻氨基苯甲酸）TryHPPATyrPPAPheB.subtilis中芳香族氨基酸合成的顺序反馈抑制PEPDAHPCAPerAA（邻氨基苯甲酸）20同功酶的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（3）（4）（2）同功酶的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（3）（4）（21AspAsp-PAsaHseThrLysMetIleuAKIIIAKIIAKIE.coli中天门冬氨基酸合成的同功酶的反馈抑制AspAsp-PAsaHseThrLysMetIleuAK22协同的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（2）（3）Asp-PAspAsaLysThr苏氨酸和赖氨酸对天门冬氨基酸激酶的协同反馈抑制协同的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（2）（3）As23积累式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）30%40%58%积累式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）30%424Glu+ATP+NH4+GlnCTPAGPCPAMPGMPAlaGlyTyrHisGSE.coli谷氨酰氨合成酶的累积反馈抑制Glu+ATP+NH4+GlnCTPAGPCPAMPGMP25超相加式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）20%15%90%超相加式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）20%26PRPP+GlnPRASAMPGMPXMPIMPAMP10%50%10%（1）（2）（3）（1）酰氨基转移酶（2）SAMP合成酶（3）IMPDHE嘌呤核苷酸生物合成中超相加式的反馈抑制PRPP+GlnPRASAMPGMPXMPIMPAMP10%27抗反馈作用与抗反馈突变株抗反馈作用：抗反馈突变株：抗反馈突变株获得方法：1、用进行结构类似物筛选2、用回复突变进行筛选抗反馈作用与抗反馈突变株抗反馈作用：28酶活性的调节的机制1、变构酶调节作用机制2、酶的共价修饰调节酶类低活性状态高活性状态来源糖原合成酶丙酮酸DHE糖原磷酸化酶磷酸化酶b激酶谷氨酰胺合成酶嘌呤氧化酶（去磷酸化）酶（去磷酸化）酶（磷酸化）酶（磷酸化）酶（腺苷酰化）酶（-SH化）酶（磷酸化）酶（磷酸化）酶（去磷酸化）酶（去磷酸化）酶（去腺苷酰化）酶（-S-S-化）酶真核生物真核生物真核生物哺乳动物原核生物哺乳动物酶的共价修饰方式酶活性的调节的机制1、变构酶调节作用机制酶类低活性状态29磷酸化酶b无活性磷酸化酶a高活性磷酸化酶a有活性（四聚体）P—P—P—P——P—P4ATP4ADP磷酸化酶b激酶磷酸酯酶4H3PO44H2O磷酸化酶的酶促共价修饰磷酸化酶b磷酸化酶a磷酸化酶a有活性（四聚体）P—P—P—30E.coli谷氨酰胺合成酶的共价修饰调节方式HOGS（）12AMP-OGS（）12Gln（+）（-）a-kG（+）（-）腺苷转移酶（+）（+）P11P11-UMP12Pi12ADP12ATP12PPinATP+GSGS-（AMP）n+nPPiATase，P11GS-（AMP）n+nPiATaseP11-（UMP）2GS+nADPMg2

+Mg2

+P11-A+2UTPP11-（UMP）2+PPiP11-（UMP）2+H2OP11-A+2UMPUTaseATaseMg2

+Mg2

+E.coli谷氨酰胺合成酶的共价修饰调节方式HOGS（31第四节微生物代谢调节的人工控制一、改变微生物的遗传特性1、反馈抑制作用的解除2、反馈阻遏作用的解除3、遗传障碍4、细胞透性的改变二、控制发酵条件第四节微生物代谢调节的人工控制一、改变微生物的遗传特性32代谢缺陷株的应用GluN-AGNAG-pOrnCit谷氨酸棒杆菌（Corynebacteriumglutamicum））中精氨酸合成的遗传调节Arg（3）（1）（2）（4）（5）（6）（7）（8）反馈抑制代谢缺陷株的应用GluN-AGNAG-pOrnCit谷氨33AspAsp-PAsaHse-pThrLysMetIleu反馈阻遏反馈抑制谷氨酸棒杆菌（Corynebacteriumglutamicum））赖氨酸合成的遗传调节AspAsp-PAsaHse-pThrLysMetIleu反34AspAsp-PDAPHse-pThrLysMetIleu反馈阻遏大肠杆菌（E.coli）三缺陷型（Met-、Lys-、Ileu-）合成苏氨酸的调节HseAKIAKIIAKIIIHSDHIHSDHII反馈抑制AspAsp-PDAPHse-pThrLysMetIleu反35OAAAspAsaHseThrA-KbIleuA-kGGluGsaGlu-pProATPADPLysMetATPADPHSKAKAsp-PHSDH黄色短杆菌（Brevibacteriumfulvum）异亮氨酸缺陷型生产脯氨酸OAAAspAsaHseThrA-KbIleuA-kGGlu36AspAsp-PHseThrAsaAKIAKIIAKIIIHSDHHSDHIIMetLys黄色短杆菌（Brevibacteriumfulvum）抗AHK的菌株积累苏氨酸的代谢控制AspAsp-PHseThrAsaAKIAKIIAKIIIH37PRPP+GlnPRASAMPGMPXMPIMPAMP（2）（3）（5）（2）酰氨基转移酶（3）SAMP合成酶（5）IMPDHEAdoAR-5-pATPADPGuaG反馈阻遏反馈阻遏反馈抑制PRPPR-5-p产氨短杆菌（Brevibacteriumammoniagenes）嘌呤核苷酸合成途径及调节PRPP+GlnPRASAMPGMPXMPIMPAMP（2）38课程总结1、2、3、课程总结1、39第十三章微生物代谢调节第一节总论一、微生物代谢调节问题的提出二、微生物代谢调节的方式1、细胞透性的调节2、代谢途径的区域化3、代谢流向的调节4、代谢流量的调节第十三章微生物代谢调节第一节总论一、微生物代40细胞透性的调节PEPPyrIIPHprHprPRprRprPPaseRprPaseACRprPAC无活性无活性有活性有活性乳糖渗透酶与腺苷酸环化酶的协调作用细胞透性的调节PEPPyrIIPHprHprPRprRprP41第二节酶合成的调节一、酶合成的诱导作用1、协同诱导和顺序诱导2、E.coliß-半乳糖苷酶的诱导二、酶合成的阻遏作用三、酶合成调节机制第二节酶合成的调节一、酶合成的诱导作用42顺序诱导COO-COOOHOH原儿酚顺，顺-己二烯二酸醋酸+琥珀酸ß-酮己二酸ß-酮己二酸CoA

COO-

CHOH

C=O

COO-

CHO

CH2CHNH

NH3+

COO-

COO-

COO-

NH3+

COO-

NH3+

COO-

NH3+顺序诱导COO-COOOHOH原儿酚顺，顺-己二烯二酸醋43酶合成调节机制：操纵子学说阻遏物ß-半乳糖苷酶渗透酶半乳糖苷转乙酰基酶（38500）4（116350）4（46500）2（30000）2POlacIlacZlacYlacA801080122306345125167870(bp)E.coli乳糖操纵子的结构乳糖操纵子（lacoperon）酶合成调节机制：操纵子学说阻遏物ß-半乳44P-O区cAMP-CAP结合位点cAMP-CAP40507080110120CoreRNA-P结合位点E.coli乳糖操纵子结合位点IPOZYaDNAATPcAMPCAP5'-AMPRNA-PGXACPD(-)(+)阻遏物+LacmRNA多肽链葡萄糖通过cAMP影响乳糖操纵子表达的作用模式cAMPP-O区cAMP-CAP结合位点cAMP-CAP4045半乳糖操纵子（galoperon）GalRPOgalEgalTgalKGalGal-1-PUDP-Gal+G-1-PUDP-G激酶转移酶表异构酶E.coli半乳糖操纵子的结构与功能半乳糖操纵子（galoperon）GalRPOgal46TGTTATGCTATGGTTATTTCATATGAGAACAATACGATACCAATAAAGTATACTCTS2S1-76至47TAMP-CAPA-30-20-10mRNA-（cAMP-CAP）1mRNA+（cAMP-CAP）galE半乳糖操纵子的启动子和操纵区的碱基顺序TGTTATGCTATGGTTATTTCAT47阿拉伯糖操纵子（araoperon）araDaraAaraBpCpBADaraC结构基因调节基因控制区L-AraL-RuL-Ru5PD-Xu5P123E.coli阿拉伯糖操纵子的结构与功能阿拉伯糖操纵子（araoperon）araDaraAara48+30+1-40-80-110-148-172araCmRNAPr（-ara）araPiPr（-ara）诱导型（+ara）

A位点（ProrPi）B位点（Pi）阻遏型RNA-P位点（PBD）cAMP-CAP位点RNA-P位点（PC）AraBADmRNA阿拉伯操纵子的调节及其结合位点+30+1-40-849RNA-PPr（+G，-Ara）aramRNARNA-PPr（-G，-Ara）aramRNACAPCAPRNA-PPr（+G，-Ara）aramRNAR50RNA-PPr（-G，+Ara）aramRNACAPCAPPiRNA-PPiRNA-PpCpBADaramRNA阿拉伯操纵子在不同营养条件下，调控区段的状态RNA-PPr（-G，+Ara）aramRNAC51组氨酸利用操纵子（hutoperonPIOhutIhutGhutCpUOhutUhutHHis尿刊酸咪唑酮丙酸甲酰亚胺谷氨酸甲酰亚胺+谷氨酸His酶尿刊酸酶4-咪唑-5-丙酸氨基水解酶甲酰亚胺谷氨酸水解酶组氨酸利用操纵子的结构与功能组氨酸利用操纵子（hutoperonPIO52色氨酸操纵子（trpoperon）trpAtrpBtrpCP2trpDtrpELP1OSpacerSpacerAttenuatorsequenceE.coli色氨酸操纵的结构与功能邻氨基苯甲酸合成酶组分I邻氨基苯甲酸合成酶组分II色氨酸合成酶a色氨酸合成酶ß吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸操纵子（trpoperon）trpAtrpBtrpC53AUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUUUC•GG•CC•GC•GC•GG•CA•UUUUUUUUUAUACCCCUAAUGA1101201301403'-OH色氨酸前导mRNA的末端区段AUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUU541234Trp密码子12344312转录继续转录终止E.coli色氨酸操纵子的衰减机制的模型（a）游离Mrna1区和2区之间，3区和4区之间形成碱基对；（b）低浓度色氨酸时，核糖核蛋白体在1区，这时4区的转录被完成，（c）高浓度色氨酸时，核糖核蛋白体位于2区，转录在4区之前完成1234Trp密码子12344312转录继续转录终止E.co55第三节酶活性的调节一、酶激活作用二、酶活性的反馈抑制1、直线式代谢途径中的反馈抑制2、分枝式代谢途径中的反馈抑制三、抗反馈作用与抗反馈突变株四、酶活性的调节的机制第三节酶活性的调节一、酶激活作用56反馈抑制（直线式代谢途径中）ABCDX苏氨酸a-酮丁酸异亮氨酸苏氨酸DHEE.coli中异亮氨酸对苏氨酸DHE的反馈抑制反馈抑制（直线式代谢途径中）ABCDX苏氨酸a-酮丁酸异亮氨57反馈抑制（分枝式代谢途径中）ABCDEYFGZ（1）（2）（3）酶的顺序反馈抑制的模式反馈抑制（分枝式代谢途径中）ABCDEYFGZ（1）（2）（58PEP+E4PDAHPCAPerAA（邻氨基苯甲酸）TryHPPATyrPPAPheB.subtilis中芳香族氨基酸合成的顺序反馈抑制PEPDAHPCAPerAA（邻氨基苯甲酸）59同功酶的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（3）（4）（2）同功酶的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（3）（4）（60AspAsp-PAsaHseThrLysMetIleuAKIIIAKIIAKIE.coli中天门冬氨基酸合成的同功酶的反馈抑制AspAsp-PAsaHseThrLysMetIleuAK61协同的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（2）（3）Asp-PAspAsaLysThr苏氨酸和赖氨酸对天门冬氨基酸激酶的协同反馈抑制协同的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（1）（2）（3）As62积累式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）30%40%58%积累式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）30%463Glu+ATP+NH4+GlnCTPAGPCPAMPGMPAlaGlyTyrHisGSE.coli谷氨酰氨合成酶的累积反馈抑制Glu+ATP+NH4+GlnCTPAGPCPAMPGMP64超相加式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）20%15%90%超相加式的反馈抑制的模式ABCDEYFGZ（2）（3）20%65PRPP+GlnPRASAMPGMPXMPIMPAMP10%50%10%（1）（2）（3）（1）酰氨基转移酶（2）SAMP合成酶（3）IMPDHE嘌呤核苷酸生物合成中超相加式的反馈抑制PRPP+GlnPRASAMPGMPXMPIMPAMP10%66抗反馈作用与抗反馈突变株抗反馈作用：抗反馈突变株：抗反馈突变株获得方法：1、用进行结构类似物筛选2、用回复突变进行筛选抗反馈作用与抗反馈突变株抗反馈作用：67酶活性的调节的机制1、变构酶调节作用机制2、酶的共价修饰调节酶类低活性状态高活性状态来源糖原合成酶丙酮酸DHE糖原磷酸化酶磷酸化酶b激酶谷氨酰胺合成酶嘌呤氧化酶（去磷酸化）酶（去磷酸化）酶（磷酸化）酶（磷酸化）酶（腺苷酰化）酶（-SH化）酶（磷酸化）酶（磷酸化）酶（去磷酸化）酶（去磷酸化）酶（去腺苷酰化）酶（-S-S-化）酶真核生物真核生物真核生物哺乳动物原核生物哺乳动物酶的共价修饰方式酶活性的调节的机制1、变构酶调节作用机制酶类低活性状态68磷酸化酶b无活性磷酸化酶a高活性磷酸化酶a有活性（四聚体）P—P—P—P——P—P4ATP4ADP磷酸化酶b激酶磷酸酯酶4H3PO44H2O磷酸化酶的酶促共价修饰磷酸化酶b磷酸化酶a磷酸化酶a有活性（四聚体）P—P—P—69E.coli谷氨酰胺合成酶的共价修饰调节方式HOGS（）12AMP-OGS（）12Gln（+）（-）a-kG（+）（-）腺苷转移酶（+）（+）P11P11-UMP12Pi12ADP12ATP12PPinATP+GSGS-（AMP）n+nPPiATase，P11GS-（AMP）n+nPiATaseP11-（UMP）2GS+nADPMg2

+Mg2

+P11-A