第五章第2节核酸类物质的代谢调控机制

§2核酸类物质的代谢调控机制核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进一步深化和发展的代谢控制发酵。生物体内大分子的核酸是由单核苷酸作为原料聚合而成的，因此，生物体必须先合成单核苷酸。单核苷酸有两条完全不同的合成途径：⑴全合成途径——由磷酸戊糖开始……；⑵补救途径——由培养基中获取……。1第五章生物产品代谢调控发酵机制一、核苷酸的生物合成途径采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源：嘌呤环的前体合成1分子IMP（肌苷酸）需用

1分子PRPP（磷酸核糖焦磷酸）

1分子Asp（天冬氨酸）

1分子Gly（甘氨酸）

2分子甲酸

1分子CO22分子NH3共消耗8分子ATP。2第五章生物产品代谢调控发酵机制1.嘌呤核苷酸的全合成途径（“从无到有”途径）

IMP－肌苷酸SAICAR－5-氨基-(N-琥珀基)代氨甲

AMP－腺苷酸酰咪唑核苷酸

GMP－鸟苷酸AICAR－5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸

XMP－黄苷酸PRPP－磷酸核糖焦磷酸

SAMP－腺苷琥珀酸PRA－5-磷酸核糖胺（次黄嘌呤核苷一磷酸）（腺嘌呤核苷一磷酸）（黄嘌呤核苷一磷酸）符号说明3第五章生物产品代谢调控发酵机制嘌呤核苷酸的全合成途径(1)——5′-IMP的生成（“从无到有”）：4第五章生物产品代谢调控发酵机制5第五章生物产品代谢调控发酵机制各种微生物合成IMP的途径是一样的,但是从IMP分别生成AMP和GMP的途径是不同的。从IMP开始，

枯草杆菌以IMP为中心分出两条环形路线，由此AMP与GMP可以互相转换；

产黄短杆菌分出的两条路线不是环形，而是单项分枝的，

AMP与GMP不能互相转换合成IMP的价值：进一步合成AMP和GMP6第五章生物产品代谢调控发酵机制枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸的全合成途径(2)——AMP和GMP的互变7第五章生物产品代谢调控发酵机制枯草杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径葡萄糖→→→5-磷酸核糖→（磷酸核糖焦磷酸）（5-磷酸核糖胺）（5-胺基-4-（N-琥珀基）-代氨甲酰咪唑核苷酸）（5-胺基-4-氨甲酰咪唑核苷酸）肌苷酸黄苷酸鸟苷酸腺苷酸琥珀酰腺苷酸8第五章生物产品代谢调控发酵机制产黄短杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径9第五章生物产品代谢调控发酵机制2.嘧啶核苷酸的全合成途径10第五章生物产品代谢调控发酵机制当全合成受阻时，微生物可从培养基中取得完整的嘌呤或嘧啶，和戊糖、磷酸通过酶的作用直接合成单核苷酸，所以称为“补救途径”。嘌呤碱基、核苷和核苷酸之间能通过分段合成互相转变。其中最重要的反应是：碱基+PRPP5'-核苷酸+PPi核苷酸焦磷酸化酶3.核苷酸生物合成的补救途径11第五章生物产品代谢调控发酵机制嘌呤核苷酸的补救合成途径——嘌呤碱基、核苷和核苷酸的相互转换12第五章生物产品代谢调控发酵机制IMP合成系的代谢控制及嘌呤核苷酸互变的代谢控制二、嘌呤核苷酸的代谢调节机制（枯草杆菌型）AMP脱氨酶SAMP裂解酶SAMP合成酶IMP脱氢酶GMP还原酶XMP氨化酶13第五章生物产品代谢调控发酵机制嘌呤核苷酸可以分为GMP、IMP等6-羟基嘌呤核苷酸与ADP、AMP等的6-氨基嘌呤核苷酸两类。如果同时添加这两类嘌呤核苷酸（GMP+AMP或IMP+ADP），抑制作用就会相乘的提高。这种现象叫做“合作终产物抑制”。14第五章生物产品代谢调控发酵机制嘌呤核苷酸相互转换系的代谢控制调节位点A①②③④⑤⑥PR-ATP1-（5'-磷酸核糖基）-三磷酸腺苷⑥AMP脱氨酶⑤SAMP裂解酶④SAMP合成酶③XMP氨化酶②GMP还原酶①IMP脱氢酶AICAR－5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸15第五章生物产品代谢调控发酵机制以IMP为中心的两个循环，各个反应是不可逆的IMP脱氢酶受GMP的反馈抑制，也被GMP阻遏；GMP还原酶受ATP的反馈抑制。同样的，AMP抑制SAMP合成酶，GTP抑制AMP脱氨酶SAMP→AMP反应的供能体为GTP，XMP→GMP反应的供能体为ATP16第五章生物产品代谢调控发酵机制根据上述调节机制，当细胞中的GMP水平提高到一定程度时，从IMP的代谢流就自动地转向AMP方面；反之，当细胞的AMP水平高到一定程度时，从IMP的代谢流就自动地转向GMP方面。另一方面，核苷酸的代谢也与组氨酸的生物合成有关：AICAR→IMP→AMP→ATP→PR-ATP→AICAR形成一个循环，由PRATP经咪唑甘油磷酸生成组氨酸。假如组氨酸过剩，则不走此途径。17第五章生物产品代谢调控发酵机制三、肌苷和肌苷酸高产菌的选育模型1）切断两条支路代谢，选育腺嘌呤缺陷型（Ade－）和黄嘌呤缺陷型（Xan－）的双重缺陷型突变株；2）通过限量腺嘌呤和鸟嘌呤来解除腺嘌呤系和鸟嘌呤系化合物对IMP生物合成的酶的反馈抑制；3）进一步选育抗腺嘌呤、鸟嘌呤类似物和（或）抗磺胺剂突变株，从遗传上解除正常代谢控制；（选育抗性突变株时，应采用丧失腺嘌呤脱氢酶<dea－>

的菌株为出发菌株）18第五章生物产品代谢调控发酵机制4）选育Mn2+脱敏突变株（MnINS），或控制培养基中Mn2+的浓度，解除细胞膜渗透型障碍。5）生产肌苷时，肌苷酸酶活性要强，而肌苷酸化酶要越弱越好，以使生成的肌苷不再分解。模型：Ade－+Xa－+dea－+GMPred－

+8AGr（或8AXr、ARr）+SGr

+NP－

+ARr+Smr

（符号见《微生物工程工艺原理》p.116）19第五章生物产品代谢调控发酵机制5-IMP发酵应具备的条件：选择肌苷酸酶弱或丧失的出发菌株；切断IMP向下的两条支路，使IMP大量生成和积累；选育结构类似物双重抗性突变株；限量添加Mn2+，解除细胞膜渗透型障碍。肌苷酸发酵机制20第五章生物产品代谢调控发酵机制鸟苷酸发酵机制(讨论)21第五章生物产品代谢调控发酵机制§3抗生素代谢调控发酵22第五章生物产品代谢调控发酵机制§4代谢调控发酵的基本思想

一、微生物细胞的调节机制在正常情况下，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23第五章生物产品代谢调控发酵机制微生物细胞氨基酸、核苷酸的调节机制（模型）24第五章生物产品代谢调控发酵机制25第五章生物产品代谢调控发酵机制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。26第五章生物产品代谢调控发酵机制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）。27第五章生物产品代谢调控发酵机制1.调节酶——与代谢调节密切相关的酶，常称为关键酶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。28第五章生物产品代谢调控发酵机制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29第五章生物产品代谢调控发酵机制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。30第五章生物产品代谢调控发酵机制关键酶（keyenzyme或switchingenzyme）——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（branchingenzyme）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）；31第五章生物产品代谢调控发酵机制氨基酸生物合成途径中的关键酶32第五章生物产品代谢调控发酵机制——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（keypoint）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

）。33第五章生物产品代谢调控发酵机制大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸生物合成的调节机制34第五章生物产品代谢调控发酵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35第五章生物产品代谢调控发酵机制模式图2.反馈抑制——这种调节方式可以分为多种类型36第五章生物产品代谢调控发酵机制在多功能途径中（Multifunctionnalpathway）的酶活性调节类型37第五章生物产品代谢调控发酵机制⑴协作反馈抑制或多价反馈抑制⑵合作反馈抑制（Cooperativefeedbackinhibition）⑶积累反馈抑制（Cumulativefeedbackinhibition）⑷顺序反馈抑制（Sequentialfeedbackinhibition）⑸假反馈抑制（Pseudo-feedbackinhibition）38第五章生物产品代谢调控发酵机制反馈阻遏（feedbackrepression）是由代谢终点产物抑制酶合成的负反馈作用。微生物可以通过控制酶基因的生物合成来进行调节，也就是说，在微生物生物合成体系中，常通过代谢产物抑制酶的生物合成或诱导酶的生物合成，来调节生物的代谢过程。这类现象是与微生物的遗传因子密切相关的。正反馈称为酶诱导作用（induction）。3.酶合成的调控39第五章生物产品代谢调控发酵机制酶阻遏的调节类型：40第五章生物产品代谢调控发酵机制4.反馈抑制与反馈阻遏的比较反馈抑制的效果比较直接而快速，因为不涉及蛋白质的合成过程，当终产物浓度达到一定水平时，立即使酶的活力丧失，待最终产物的浓度降低后，酶的活力又重新恢复。反馈抑制作用不通过调节基因调节。反馈抑制的物质基础是变构酶，通过酶的变构作用改变酶的活性。变构酶的结构为基因所决定。41第五章生物产品代谢调控发酵机制反馈阻遏是调节基因作用的结果，这是生物不通过基因而适应于环境改变的一种“措施”，这种“措施”对于环境的改变反应比较迟缓。反馈阻遏是对酶合成的阻遏，所以效果不如反馈抑制那样迅速，但可以节约原料，对生物有一定的优点。42第五章生物产品代谢调控发酵机制反馈阻遏与反馈抑制的比较43第五章生物产品代谢调控发酵机制二、代谢控制发酵的基本思路1.切断支路代谢a.营养缺陷突变株的应用b.渗漏突变株的应用44第五章生物产品代谢调控发酵机制a.选育抗类似物突变株b.酶特性的利用c.营养缺陷型回复突变株的应用2.解除菌体自身的反馈调节45第五章生物产品代谢调控发酵机制3.增加前体物的合成通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体物的合成，有利于目的产物的大量积累。46第五章生物产品代谢调控发酵机制4.去除终产物47第五章生物产品代谢调控发酵机制5.特殊调节机制的利用a.多种产物控制机制的利用b.平衡合成的利用c.代谢互锁的利用d.优先合成的变换48第五章生物产品代谢调控发酵机制6.条件突变株的应用例如，温度敏感性突变、抑制性突变、链霉素依赖性突变和低温敏感性突变等，因环境条件的不同既能显示野生型特性又能显示突变型特性的突变，统称为条件致死突变（即条件突变，conditionallethalmutation）。这主要是在蛋白质的结构基因上发生突变。49第五章生物产品代谢调控