第二章微生物藥物生物合成與調(diào)控第一節(jié)02(發(fā)酵工藝學(xué)夏煥章第三版)

1、第二章第二章 微生物藥物生物合成與調(diào)微生物藥物生物合成與調(diào)控控 2 2 學(xué)習(xí)目標(biāo)v熟悉微生物次級代謝產(chǎn)物的特點(diǎn)和次級代謝產(chǎn)物生物合成的控制。v掌握微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成過程及其調(diào)節(jié)機(jī)制。v了解微生物藥物的生物合成及其調(diào)節(jié)機(jī)制的指導(dǎo)意義。 3 3 前言v各種代謝反應(yīng)和代謝途徑錯(cuò)綜復(fù)雜： 代謝網(wǎng)絡(luò)（metabolic network） 多代謝作用（pleometabolism） 代謝柵欄（metabolic grid）v生物合成既涉及初級代謝又涉及次級代謝v微生物藥物（這里指微生物次級代謝產(chǎn)物）的合成是在微生物體內(nèi)酶催化下將小分子物質(zhì)逐步合成分子量較大產(chǎn)物的生化反應(yīng)過程。 4 4 v生物合成

2、過程中，嚴(yán)格地受到微生物細(xì)胞內(nèi)存在的代謝調(diào)節(jié)，以及外界環(huán)境條件的調(diào)節(jié)。v人們利用已知或可能存在的生物合成途徑及其代謝調(diào)控理論，已成功地解決了微生物藥物生產(chǎn)過程中菌種產(chǎn)量、發(fā)酵工藝、產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵問題。v微生物藥物的生物合成及其調(diào)控理論在微生物藥物的生產(chǎn)中起著非常重要的指導(dǎo)作用。 5 5 學(xué)習(xí)內(nèi)容第一節(jié) 微生物代謝調(diào)節(jié)（3學(xué)時(shí)）第二節(jié) 次級代謝與次級代謝產(chǎn)物（1學(xué)時(shí)）第三節(jié) 次級代謝產(chǎn)物的生物合成（2學(xué)時(shí)）第四節(jié) 次級代謝產(chǎn)物生物合成的調(diào)節(jié)與控制（2學(xué)時(shí)） 6 6 二、酶活性調(diào)節(jié) 酶活性調(diào)節(jié)：是指通過改變代謝途徑中的一個(gè)或幾個(gè)關(guān)鍵酶的活性來調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式。 酶活性調(diào)節(jié)特點(diǎn)：迅速、及時(shí)、有

3、效和經(jīng)濟(jì) 蛋白質(zhì)水平上調(diào)節(jié) 7 7 （一）激活或抑制 u 酶的激活或抑制是指在某個(gè)酶促反應(yīng)系統(tǒng)中，加入某種低分子量的物質(zhì)后，導(dǎo)致酶活性的提高或降低，從而使得該酶促反應(yīng)速度提高或下降的過程。u 能引起酶的活力提高或降低的物質(zhì)稱為酶的激活劑或酶的抑制劑，如外源物質(zhì)、代謝產(chǎn)物、金屬離子等。u 酶的抑制可以是不可逆的或可逆的，前者造成代謝作用停止；后者，除去酶的抑制劑后，酶活性恢復(fù)。u 酶的抑制多數(shù)是可逆的，且多屬于反饋抑制（feedback inhibition）。 8 8 （二）酶活性調(diào)節(jié)的方式 2. 終產(chǎn)物抑制（endproduct inhibition）1. 前饋?zhàn)饔茫?feedforward

4、 ）4. 協(xié)同（多價(jià)）反饋抑制 （concerted or multivalent feedback inhibition）3. 補(bǔ)償性激活（compensatory activation）5. 累積反饋抑制 （cumulative feedback inhibition）6. 增效（合作）反饋抑制（synergistic or cooperative feedback inhibition） 將存在的酶活性調(diào)節(jié)方式歸納下面12種： 9 9 7. 順序反饋抑制（sequential feedback inhibition）9. 聯(lián)合激活或抑制調(diào)節(jié)（終產(chǎn)物抑制的補(bǔ)償性逆轉(zhuǎn)）8. 同工酶調(diào)節(jié)10.

5、 平衡合成（balanced synthesis）11. 代謝互鎖（metabolic interlock）12. 假反饋抑制（pseudo-feedback inhibition） 10 10 前饋?zhàn)饔弥傅氖窃诖x途徑中前面的底物對其后某一催化反應(yīng)的調(diào)節(jié)酶有作用（激活或抑制）。1. 前饋?zhàn)饔茫?feedforward ） 1,6-二磷酸果糖對丙酮酸激酶起前饋激活作用（圖2-1） 乙酰輔酶A對乙酰輔酶A羧化酶起前饋抑制作用（圖2-2） 11 11 圖2-1 前饋激活代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)（前體激活）。舉例葡萄糖 PEP丙酮酸丙酮酸激酶前饋激活6-磷酸葡

6、萄糖6-磷酸果糖1,6 - 二磷酸果糖 12 12 前饋抑制丙二酸單酰CoA + ADP + Pi乙酰輔酶A羧化酶乙酰輔酶A + CO2 + H2O + ATP舉例圖2-2 前饋抑制 乙酰輔酶A對乙酰輔酶A羧化酶起前饋抑制作用 13 13 終產(chǎn)物抑制指的是在代謝途徑中，終產(chǎn)物對其合成途徑第一個(gè)酶的活性產(chǎn)生抑制作用。2. 終產(chǎn)物抑制（endproduct inhibition）圖2-3 終產(chǎn)物抑制A D反饋抑制BCE1PE4E3E2 終產(chǎn)物抑制又稱為反饋抑制（feedback inhibition）。 14 14 指當(dāng)某一終產(chǎn)物的合成需要兩種前體時(shí)另一前體物的大量存在可能激活受終產(chǎn)物抑制的酶的活

7、性（圖2-4）。3. 補(bǔ)償性激活（compensatory activation）圖2-4 補(bǔ)償性激活F IGHABCE1 J DE 15 15 指的是分支代謝途徑中的幾個(gè)終產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)才能抑制共同途徑的第一個(gè)酶的調(diào)節(jié)方式。4. 協(xié)同（多價(jià)）反饋抑制 （concerted or multivalent feedback inhibition）ABCE1Y DXE5E4存在于Lys、Thr的合成中圖2-5 協(xié)同反饋抑制 16 16 舉例蘇氨酸和賴氨酸協(xié)作反饋抑制天門冬氨酸激酶異亮氨酸蘇氨酸高絲氨酸蛋氨酸高絲氨酸脫氫酶 賴氨酸天門冬氨酸半醛天門冬氨酰磷酸天門冬氨酸天門冬氨酸激酶谷氨酸棒桿菌（Co

8、rynebacterium glutamicu）中，蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同反饋抑制天門冬氨酸激酶（圖2-6）。圖2-6 谷氨酸棒桿菌中的賴氨酸和蘇氨酸的合成 17 17 累積反饋抑制是指每一分支途徑的終產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑前端的酶。5. 累積反饋抑制 （cumulative feedback inhibition）當(dāng)幾種終產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的；各終產(chǎn)物之間無關(guān)（圖2-7）。例：谷氨酰胺合成酶（E.coli）受 8 種終產(chǎn)物的累積反饋抑制。 18 18 圖2-7 累積反饋抑制E終產(chǎn)物 E、G 分別抑制總酶活的 20%、50%；E、G同時(shí)存在時(shí)的抑制率為 20% +（10

9、0 - 20） 50% = 60%FABCE1 DG20%50%60% 累積反饋抑制是指每一分支途徑的終產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑前端的酶。 19 19 增效（合作）反饋抑制是指兩種終產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)的反饋抑制效果遠(yuǎn)大于一種終產(chǎn)物過量時(shí)的反饋抑制作用（圖2-8）。6. 增效（合作）反饋抑制（synergistic or cooperative feedback inhibition） 20 20 圖2-8 終產(chǎn)物D、F的增效反饋抑制 EABE1 F CD完全抑制部分抑制E2E3 每個(gè)終產(chǎn)物都能獨(dú)立地發(fā)揮較弱的反饋抑制作用。當(dāng)所有終產(chǎn)物都過量合成時(shí)，才共同作用以增強(qiáng)抑制效果。 21 21 在

10、分支代謝途徑中，按一定順序逐步進(jìn)行的反饋抑制稱為順序反饋抑制（圖2-9）。 7. 順序反饋抑制（sequential feedback inhibition）ABCE1Y DXE5E4存在于芳香族氨基酸合成的過程中312圖2-9 順序反饋抑制 22 22 同工酶（isoenzyme）又稱同功酶： 是指催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白結(jié)構(gòu)有差異，而且控制特征也不同的一組酶的通稱。8. 同工酶調(diào)節(jié)同工酶調(diào)節(jié)： 如果代謝途徑中某一反應(yīng)受到一組同工酶的催化，那么不同的同工酶可能受各不相同的末端產(chǎn)物控制，即稱為同工酶調(diào)節(jié)（圖2-10）。 23 23 圖2-10 同工酶調(diào)節(jié) FABCE1 G DEE2 酶E1

11、和酶E2都是催化A至B的同工酶。E過量時(shí)，抑制酶E1的活性，C再也不能經(jīng)過D到E。與此同時(shí)，酶E2的活力不受影響，A可以順利地到G，從而使G過量，抑制酶E2的活性，但它也不影響酶E1的活性。 24 24 這是指由一種生物合成的中間產(chǎn)物參與兩個(gè)完全獨(dú)立的、不交叉的合成途徑的控制（圖2-11）。9. 聯(lián)合激活或抑制調(diào)節(jié)（終產(chǎn)物抑制的補(bǔ)償性逆轉(zhuǎn)） 這種中間體物質(zhì)濃度的變化會影響這兩個(gè)獨(dú)立代謝途徑的代謝速率，因此這兩個(gè)獨(dú)立代謝途徑之間就可能存在激活與抑制的聯(lián)合調(diào)節(jié)方式。 25 25 圖2-11 腸道細(xì)菌中氨甲酰磷酸合成酶活性的調(diào)節(jié)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、氨酸鳥氨酸瓜氨酸精氨酸氨甲酰磷酸合成酶UMPCTP表示抑制表示激活舉例 26 26 經(jīng)分支合成途徑產(chǎn)生的兩種終產(chǎn)物E、G，取平衡合成模式，見圖2-12。10. 平衡合成（balanced synthesis）圖2-12 平衡合成示意圖若E優(yōu)先合成，當(dāng)E過剩時(shí)，反饋抑制酶E3的活性，導(dǎo)致C轉(zhuǎn)向G合成；當(dāng)G過剩時(shí)，解除E對酶E3的抑制，又轉(zhuǎn)向?yàn)閮?yōu)先合成產(chǎn)物E。E2E3E1G FABCDE 27 27 分支途徑上游的某個(gè)酶受到另一條分支途徑的終產(chǎn)物，甚至與本分支途徑幾乎不相關(guān)的代謝中間物的抑制或激活，使酶的活力受到調(diào)節(jié)，此即代謝互鎖。11. 代謝互鎖（metabolic interlock）12.

13、假反饋抑制（pseudo-feedback inhibition） 是指結(jié)構(gòu)類似物的反饋抑制。如S-（2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（賴氨酸結(jié)構(gòu)類似物）具有與賴氨酸相似的反饋抑制。 28 28 （三）酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制 酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制可用酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論和酶分子的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)理論加以解釋。酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論： 通過分子空間構(gòu)型上的變化來引起酶活性的改變。酶分子的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)理論： 通過酶分子本身化學(xué)組成上的改變來引起酶活性的變化。 29 29 1. 酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)理論 受反饋抑制的酶是變構(gòu)酶，酶活性調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。 變構(gòu)酶含有兩條或兩條以上的多肽鏈，具有至少兩個(gè)立體專一性不同

14、的結(jié)合位點(diǎn)： 活性部位（或活性中心，催化中心）：是與底物結(jié)合的部位，具有催化性質(zhì)；變構(gòu)部位或別構(gòu)部位（或稱調(diào)節(jié)中心）：是與調(diào)節(jié)物（激活劑或抑制劑）非共 價(jià)地可逆性結(jié)合的部位。 酶與調(diào)節(jié)物（如終產(chǎn)物）復(fù)合體的形成引起酶分子的三級或四級結(jié)構(gòu)的可逆性變化，酶構(gòu)型的變化影響了底物與活性中心的結(jié)合，從而影響酶的催化效應(yīng)。終產(chǎn)物和酶的調(diào)節(jié)中心的結(jié)合是可逆的，當(dāng)終產(chǎn)物濃度降低時(shí)，終產(chǎn)物與酶的結(jié)合隨即解離，從而恢復(fù)了酶蛋白的原有構(gòu)型，使酶與底物可以結(jié)合而發(fā)生催化作用。 30 30 2. 酶分子的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)理論 包括可逆的共價(jià)修飾和不可逆的共價(jià)修飾。 可逆的共價(jià)修飾是指細(xì)胞中有些酶以活性形式和非活性形式存在，而且兩種形式可以通過另外的酶的催化作用進(jìn)行共價(jià)修飾而互相轉(zhuǎn)換（圖2-13）。 酶的可逆性共價(jià)修飾作用在于在短時(shí)間內(nèi)生成大量的活性改變了的酶，有效地控制細(xì)胞的代謝狀況；可逆修飾更易做到為響應(yīng)代謝環(huán)境的變化而控制酶的活性。 31 31 舉例圖2-13 通過激酶或磷酸酯酶調(diào)節(jié)磷酸化酶的活性 磷酸化酶 bE-CH2-OH（無活性）磷酸化酶激酶磷酸化酶磷酸酯酶磷