導(dǎo)論代謝工程PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1導(dǎo)論代謝工程導(dǎo)論代謝工程第1頁(yè)/共60頁(yè)1.2 水v細(xì)菌：75-80；酵母菌：70-85；霉菌：90v游離水：自由水，溶劑v結(jié)合水：不能作為溶劑，不流動(dòng)，無(wú)滲透性，不揮發(fā)1.3 小分子：?jiǎn)误wv單體，多聚體：糖與多糖，氨基酸與蛋白質(zhì)，脂肪酸與脂類，核苷酸與核酸1.4 大分子v多糖v脂類：脂肪，磷脂，蠟，甾醇v核酸v蛋白質(zhì)：糖蛋白，脂蛋白，酶第2頁(yè)/共60頁(yè)第3頁(yè)/共60頁(yè)蛋白質(zhì) 多糖 脂類氨基酸 單糖 甘油 脂肪酸 ATP NADH NADH FADH2NH3 丙酮酸 NADH ATP 乙酰輔酶A 草酰乙酸 TCA 循環(huán) ATP NADH FADH2 分解代謝示意圖分解代謝示意圖 電子傳

2、遞鏈第4頁(yè)/共60頁(yè) 葡萄糖 6磷酸葡萄糖 磷酸核糖 4磷酸赤蘚糖 磷酸甘油 磷酸丙糖 分支酸 脂類 芳香氨基酸 3磷酸甘油酸 Ser Cys Gly 嘌呤 His 丙酮酸 Ala Lys Ile Leu Val 乙酰輔酶A 脂類嘧啶 Asp 草酰乙酸Thr Ile Asn Lys Met Gln Pro Arg TCA 循環(huán) alpha-酮戊二酸 Glu 卟啉 琥珀酰輔酶A 合成代謝示意圖合成代謝示意圖 第5頁(yè)/共60頁(yè)3 糖的基本概念糖的基本概念v糖是多羥基醛或多羥基酮或其衍生物，或水解能產(chǎn)生這類化合物的物質(zhì)v糖的相關(guān)概念：?jiǎn)翁?、寡糖、多糖?頁(yè)/共60頁(yè)P(yáng)yranose(吡喃糖) Fur

3、anose(呋喃糖) 第7頁(yè)/共60頁(yè)4 糖的產(chǎn)生：光合作用糖的產(chǎn)生：光合作用v三種類型光合作用 依賴細(xì)菌葉綠素的光合作用：紫色硫細(xì)菌，綠色硫細(xì)菌，紫色非硫細(xì)菌，綠色非硫細(xì)菌 依賴葉綠素的光合作用：植物、藍(lán)細(xì)菌和藻類 依賴細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光合作用：鹽桿菌v兩種電子傳遞系統(tǒng)： 環(huán)式電子傳遞鏈：紫色硫細(xì)菌，綠色硫細(xì)菌，紫色非硫細(xì)菌，綠色非硫細(xì)菌v光激發(fā)細(xì)菌葉綠素產(chǎn)生高能電子，電子鐵氧還蛋白PQH跨膜（ATP合成）細(xì)胞色素b,c葉綠素。產(chǎn)物：ATP，無(wú)NAD(P)H2和O2 第8頁(yè)/共60頁(yè)非環(huán)式電子傳遞鏈v藍(lán)細(xì)菌v光系統(tǒng)I，葉綠素P700受光激發(fā)產(chǎn)生高能電子 鐵氧還蛋白NADPH2v光系統(tǒng)II，葉綠

4、素P680光解水產(chǎn)生H和O2，高能電子經(jīng)PQ進(jìn)光系統(tǒng)Iv非環(huán)式電子傳遞鏈【圖解】第9頁(yè)/共60頁(yè)Fe-S 蛋白 Fd NADP ATP b563 PQ B539 ATP 質(zhì)體藍(lán)素 P700葉綠素a H2O PS1 PSII P680 O2 光 別藻藍(lán)素 藻藍(lán)素/藻紅素 光藍(lán)細(xì)菌非循環(huán)電子傳遞鏈藍(lán)細(xì)菌非循環(huán)電子傳遞鏈第10頁(yè)/共60頁(yè)P(yáng)hotonPETC質(zhì)體醌（質(zhì)體醌（PQ）細(xì)胞色素（細(xì)胞色素（Cyt）質(zhì)體藍(lán)素（質(zhì)體藍(lán)素（PC）鐵氧還蛋白（鐵氧還蛋白（Fd）第11頁(yè)/共60頁(yè)Chlorophyll: Like heme, chlorophyll a is a cyclic tetrapyrrol

5、e. One of the pyrrole rings (shown in red) is reduced. A phytol chain (shown in green) is connected by an ester linkage. Magnesium ion binds at the center of the structure 第12頁(yè)/共60頁(yè)Electron Chain in the Photosynthetic Bacterial Reaction Center第13頁(yè)/共60頁(yè)(3PG) 第14頁(yè)/共60頁(yè)6CO2 + 18 ATP+ 12 NADPH C6H12O6 第

6、15頁(yè)/共60頁(yè)Contains 2992 hydrogen bonds, which force the 16 protein chains to assume 208 helices, 248 beta-strands and 456 turns.Enzyme is composed of two subunits: The small subunit is made up of 123 amino acids. The protein contains a four-stranded antiparallel sheet, which is flanked by two helices.

7、 Some turns stabilize the loops. The large subunit contains 475 amino acids.第16頁(yè)/共60頁(yè)第17頁(yè)/共60頁(yè)葡萄糖 6磷酸葡萄糖 6磷酸果糖 ATP ATP 1, 6磷酸果糖 磷酸二羥丙酮 3磷酸甘油醛 NADH 1, 3磷酸甘油酸 ATP 3磷酸甘油酸 2磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 ATP 丙酮酸EMP途徑途徑第18頁(yè)/共60頁(yè)葡萄糖 6磷酸葡萄糖 6磷酸葡萄糖內(nèi)脂 6磷酸葡糖酸 ATP NADPH NADPHCO25磷酸核糖 5磷酸核酮糖 5磷酸木酮糖 酮醇基 3磷酸甘油醛 7磷酸景天庚酮糖 4磷酸赤蘚糖 6

8、磷酸果糖 3磷酸甘油醛 EMP 丙酮酸 HMP途徑途徑第19頁(yè)/共60頁(yè)第20頁(yè)/共60頁(yè)ATPNADPHED途徑途徑第21頁(yè)/共60頁(yè)D核糖 5磷酸核糖 5磷酸核酮糖5磷酸木酮糖 磷酸戊糖解酮酶乙酰磷酸 磷酸甘油醛 乙酸 丙酮酸 乳酸PK途徑途徑第22頁(yè)/共60頁(yè) 磷酸解酮酶葡萄糖 6磷酸果糖 乙酰磷酸 乙酸 4磷酸赤蘚糖 HMP轉(zhuǎn)醛酶，轉(zhuǎn)酮酶 5磷酸木酮糖磷酸解酮酶 乙醇 乳酸HK途徑途徑第23頁(yè)/共60頁(yè)6 重要發(fā)酵重要發(fā)酵乙醇發(fā)酵乙醇發(fā)酵 脫羧酶 乙醇脫氫酶丙酮酸 乙醛 乙醇 NADHv酵母菌，根霉，曲霉，細(xì)菌v經(jīng)濟(jì)價(jià)值：酒精酵母，克魯氏酵母v運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌：ED產(chǎn)丙酮酸，轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖迹?/p>

9、速率，耐酒精度，菌體體積，厭氧第24頁(yè)/共60頁(yè)白酒發(fā)酵白酒發(fā)酵第25頁(yè)/共60頁(yè)乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵 乳酸脫氫酶葡萄糖 丙酮酸 乳酸 NADH2v乳酸鏈球菌，乳酪鏈球菌，保加利亞乳桿菌， 德氏乳桿菌異型乳酸發(fā)酵v過(guò)程：利用己糖（葡萄糖），HK途徑生成乳 酸和乙醇 利用戊糖（核糖），PK途徑生成乳 酸和乙酸v腸膜明串珠菌，乳桿菌屬部分菌株第26頁(yè)/共60頁(yè)第27頁(yè)/共60頁(yè)第28頁(yè)/共60頁(yè)TCA循環(huán)循環(huán)第29頁(yè)/共60頁(yè)氧化磷酸化氧化磷酸化 Oxidative Phosphorylation第30頁(yè)/共60頁(yè)8 大分子化合物的水解大分子化合物的水解v多糖的水解：多糖的水解：淀粉，纖維

10、素，果膠，幾丁質(zhì)，菊糖v脂類的水解：脂類的水解：脂酶，水解脂類產(chǎn)生甘油和脂肪酸，前者進(jìn)一步氧化生成磷酸二羥丙酮，進(jìn)人EMP 途徑，后者經(jīng)beta-氧化生成乙酰輔酶A進(jìn)入TCA循環(huán)v蛋白質(zhì)水解：蛋白質(zhì)水解：生物分泌蛋白酶，水解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨基酸第31頁(yè)/共60頁(yè)蛇毒蛇毒造成紅細(xì)胞膜溶解造成紅細(xì)胞膜溶解強(qiáng)表面活性劑強(qiáng)表面活性劑溶血甘油磷脂溶血甘油磷脂脂類的水解脂類的水解第32頁(yè)/共60頁(yè)v氨基酸的水解：氨基酸的水解：脫羧酶：Lys 1,5-戊二胺CO2脫氨酶 脫氫酶：Glu alpha-酮戊二酸NH3 去飽和脫氨：Asp 延胡羧酸NH3 水解脫氨：尿素 2NH3CO2轉(zhuǎn)氨作用: 氨基酸酮酸 氨基酸酮

11、酸 NADH2第33頁(yè)/共60頁(yè)v核酸的分解代謝核酸的分解代謝 磷酸二酯酶 磷酸單酯酶核酸 核苷酸 核苷 磷酸 核苷酶 嘌呤嘧啶核糖 進(jìn)一步降解 第34頁(yè)/共60頁(yè)9 從從N2的固定到蛋白質(zhì)的合成的固定到蛋白質(zhì)的合成固氮微生物固氮微生物v非共生固氮菌：自生固氮菌，固氮菌屬，固氮單孢菌屬，巴氏固氮梭菌，藍(lán)細(xì)菌，肺炎克雷伯氏菌，多粘芽孢桿菌，產(chǎn)甲烷細(xì)菌v共生固氮菌：根瘤菌與豆科作物，地衣藍(lán)細(xì)菌與藻類等v聯(lián)合固氮菌：包括根際菌，內(nèi)生菌；固氮螺菌屬，假單孢菌屬，泛菌屬，腸桿菌屬，醋桿菌屬 第35頁(yè)/共60頁(yè) 大豆與根瘤菌大豆與根瘤菌大豆起源：5000年前 商代：甲骨文 記載周朝：詩(shī)經(jīng)大雅生民：藝之在荏

12、，荏菽旆旆。 晉朝：陶潛桃花源詩(shī)：桑竹垂余蔭，菽稷時(shí)時(shí)藝 “豆”字演變楷體小篆金文甲骨文 錯(cuò)金銅蓋豆豆 (青銅青銅) 戰(zhàn)國(guó)盛食器和禮器。源于新石器時(shí)代的同名陶器，出現(xiàn)于商代晚期，盛行于春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。最早用于盛放黍稷，后演變?yōu)閷ｉT盛放腌菜、肉醬等調(diào)味品的器物第36頁(yè)/共60頁(yè)古人如何吃大豆v粟菽（豆 飯）v霍羹（豆葉湯）一直到戰(zhàn)國(guó)乃至秦漢時(shí)期v淮南 豆腐v豆油：北宋 蘇軾（10361101）物類相感應(yīng)豆油煎豆腐，有味 河南省打虎亭漢墓磚雕上的豆腐加工圖河南省打虎亭漢墓磚雕上的豆腐加工圖(25220 A.D.) 第37頁(yè)/共60頁(yè)新石器時(shí)代 黍稷粟麻豆稻麥商代 黍稷粟豆麻稻麥春秋戰(zhàn)國(guó) 粟豆麥?zhǔn)蝠⒙?/p>

13、稻秦漢 粟麥豆稻黍稷麻三國(guó)兩晉南北朝 粟麥稻豆黍稷麻隋唐 粟稻麥?zhǔn)蚨孤樗卧?粟稻麥?zhǔn)蚨垢吡幻髑?稻麥粟黍玉米紅薯高粱大麥馬鈴薯歷代主要糧食作物演變表第38頁(yè)/共60頁(yè)v根瘤：豆血紅蛋白：血紅素（輔基部分）類菌體合成 蛋白部分：植物合成v固氮酶 鐵蛋白：結(jié)合ATP 釋放能量活化電子，固氮酶還原酶 鉬鐵蛋白：真正固氮酶v低氧環(huán)境：耗氧，豆血紅蛋白，異型細(xì)胞：不產(chǎn)O2 光合作用，合成ATP，而NADH2由鄰近的細(xì)胞提供v固定1 mol 需要21 mol ATP第39頁(yè)/共60頁(yè)成團(tuán)泛菌成團(tuán)泛菌YS19 Symplasmata 形成過(guò)形成過(guò)程程第40頁(yè)/共60頁(yè)SP與與SC之比較之比較第41頁(yè)/共60

14、頁(yè)YS19在宿主水稻根部的定殖在宿主水稻根部的定殖第42頁(yè)/共60頁(yè)YS19在在宿主水宿主水稻根部稻根部的定殖的定殖第43頁(yè)/共60頁(yè) 10 酶的合成調(diào)節(jié)酶的合成調(diào)節(jié)v誘導(dǎo)：誘導(dǎo)：當(dāng)培養(yǎng)基中存在有相應(yīng)底物時(shí)，細(xì)胞便合成與分解這些底物有關(guān)的酶 。乳糖操縱子 ：R O Z Y A阻遏蛋白 RNA聚合酶R O Z Y A乳糖第44頁(yè)/共60頁(yè)v末端產(chǎn)物阻遏：末端產(chǎn)物阻遏：當(dāng)培養(yǎng)基中存在某一合成代謝有關(guān)的末端產(chǎn)物時(shí)，與該產(chǎn)物的合成有關(guān)的酶的合成便停止精氨酸合成過(guò)程精氨酸合成過(guò)程中的鳥氨酸甲?；D(zhuǎn)移酶：調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生阻遏蛋白，與共阻遏物結(jié)合，成為有活性的阻遏物 R O 阻遏蛋白 RNA聚合酶第45頁(yè)/共6

15、0頁(yè)11 酶活調(diào)節(jié)酶活調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)v一個(gè)多步驟組成的代謝途徑中，反應(yīng)產(chǎn)物的積累會(huì)造成產(chǎn)物與酶的結(jié)合，而抑制了該酶的活性。末端產(chǎn)物反饋抑制通常是第一個(gè)酶。如大腸桿菌的EMP第一個(gè)酶v別構(gòu)效應(yīng)：調(diào)節(jié)物或效應(yīng)物與酶分子上的非催化部位結(jié)合后，誘導(dǎo)出或穩(wěn)定住酶分子的某種構(gòu)象，使酶活性中心對(duì)底物的結(jié)合和催化作用受到影響，從而調(diào)節(jié)酶反應(yīng)速度及代謝過(guò)程，此效應(yīng)即為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)【圖解】v效應(yīng)物，正 負(fù)第46頁(yè)/共60頁(yè)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶(ATCase)ATCase reactionCatalyzes the first step in the biosynthesis of pyrimidines第47

16、頁(yè)/共60頁(yè) 酶 低活性狀態(tài) 高活性狀態(tài) 來(lái)源 糖原合成酶 去磷酸化 磷酸化 真核細(xì)胞丙酮酸脫氫酶 去磷酸化 磷酸化 真核細(xì)胞糖原磷酸化酶 磷酸化 去磷酸化 真核細(xì)胞磷酸化酶 b激酶 磷酸化 去磷酸化 哺乳動(dòng)物谷氨酰胺合成酶 腺苷?；?去腺苷?；?原核細(xì)胞*可逆共價(jià)修飾：磷酸化/去磷酸化，乙?；?去乙?；?，腺苷?；?去腺苷?；?，尿苷?；?去尿苷酰化，甲基化/去甲基化，SS/SH修飾調(diào)節(jié)修飾調(diào)節(jié)v通過(guò)修飾酶使共價(jià)調(diào)節(jié)酶的多肽鏈上的某些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價(jià)修飾，使之處于活性與非活性的互變狀態(tài)，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速率與方向第48頁(yè)/共60頁(yè)易經(jīng) 賁 上九 象曰：白賁，無(wú)咎，上得志

17、也紅樓夢(mèng)第24回：寶玉一面吃茶,在一面仔細(xì)打量那丫頭:穿著幾件半新不舊的衣裳,倒是一頭黑鬒鬒的頭發(fā),挽著個(gè)纉兒,容長(zhǎng)臉面,細(xì)巧身材,卻十分俏麗干凈第49頁(yè)/共60頁(yè)12 代謝工程代謝工程v代謝工程（代謝工程（Metabolic engineering）是指利用多基）是指利用多基因重組技術(shù)有目的地對(duì)細(xì)胞代謝途徑進(jìn)行修飾、改因重組技術(shù)有目的地對(duì)細(xì)胞代謝途徑進(jìn)行修飾、改造，改變細(xì)胞特性，并與細(xì)胞基因調(diào)控、代謝調(diào)控造，改變細(xì)胞特性，并與細(xì)胞基因調(diào)控、代謝調(diào)控及生化工程相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建新的代謝途徑生產(chǎn)及生化工程相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建新的代謝途徑生產(chǎn)特定目的產(chǎn)物而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域特定目的產(chǎn)物而發(fā)展

18、起來(lái)的一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域v代謝工程調(diào)控與技術(shù)代謝工程調(diào)控與技術(shù)：以氨基酸發(fā)酵為例：以氨基酸發(fā)酵為例氨基酸的用途與生產(chǎn)方法氨基酸的用途與生產(chǎn)方法降低反饋?zhàn)饔梦餄舛龋航档头答佔(zhàn)饔梦餄舛龋汗劝彼岚魲U菌瓜氨酸缺陷型進(jìn)行的鳥氨酸發(fā)酵，限制Arg濃度第50頁(yè)/共60頁(yè)Glu N-乙酰谷氨酸N-乙酰-谷氨酰磷酸N-乙酰-谷氨酸半縮醛N-乙酰鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸精氨酸反饋抑制降低反饋?zhàn)鹘档头答佔(zhàn)饔梦餄舛扔梦餄舛裙劝彼岚魲U谷氨酸棒桿菌瓜氨酸缺菌瓜氨酸缺陷型進(jìn)行的陷型進(jìn)行的鳥氨酸發(fā)酵鳥氨酸發(fā)酵,限制限制Arg濃濃度度第51頁(yè)/共60頁(yè)vLysine deficiency cause disease of malnut

19、rition. Lysine fortification improved stress response, immune status and child growth vCereals seeds are the main source of protein in many countries, but their nutritional quality is limits by the low lysine content vThus improving their lysine content and therefore nutritional quality is an import

20、ant goal Approaches to improve the nutritional values of transgenic plants by increasing their lysine content第52頁(yè)/共60頁(yè)vThe biological value of a plant-based diet with limited lysine and methionine contents can be equivalent to only 50-75% of a diet with balanced essential amino acidsvIn cultures wit

21、h a primarily vegetarian diet, such amino acid deficiencies can lead to retarded mental and physical development in young children as well as reduction in protein content and in the immune status 第53頁(yè)/共60頁(yè)(g/100 g of food)2.1 mole%3.7 mole%2.1 mole% The level of lysine should be 5.5 mole% aa derived

22、 from ingested protein must be present in balanced amounts. Any that are present in amounts in excess of saturation levels defined by the first limiting aa are catabolized for energy production第54頁(yè)/共60頁(yè)The biosynthesis of lysine in plants is regulated by the DHPS activity, which is subject to feed-back inhibiti