生物工艺3学习PPT教案.pptx

酶活性代谢调节酶合成代谢调节代谢系统的分子控制机制微生物次级代谢的特性次级代谢物的生物合成（重点）抗生素的生物合成代谢能量的概念代谢工程的应用代谢流分析与控制主要涉及合成过程，其终产物、次级代谢物对菌的生长不是必需的，对其生命活动可能具有某种意义，在生长后期开始形成。微生物的次级代谢产物有抗生素、色素、生物碱和毒素等。也被称为分化代谢物（idiolites）、特殊代谢物。分化代谢物是指在最低培养基上给突变株提供次级代谢物的前体物质才能形成。 种类繁多，结构特殊，含有不常见的化合物含有少见的化学键 一种微生物所含有的次级代谢物往往是一组结构相似的化合物 一种微生物的不同菌株可以产生分子结构迥异不同的次级代谢物，不同的微生物亦能产生同一种次级代谢物。 次级代谢产物的合成对环境的敏感性比生长强 次级代谢在其一个系列当中与一个酶相对应的底物和产物也可以成为其他酶的底物 前体是指加入到发酵培养基中的某些化合物能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化，且具有促进产物合成的作用。微生物次级代谢物大多数源自初级代谢的中间体，可作为次级代谢物的前体。前体来源 中枢途径的中间体 有的可作为次级代谢物的前体，有的经修饰作为次级代谢物的前体。 芳香中间体 有许多次级代谢的芳香部分是由莽草酸途径的中间体或终产物形成的 经修饰的糖前体 都是经过反应修饰、转氨作用等途径获得 甲基的来源 抗生素的生物合成中的所有甲基化作用均以甲硫氨酸作为甲基供体，通过甲基转移酶进行 包括构筑抗生素材料。可将初级中间体经过生物氧化和还原；生物甲基化；生物卤化三个生化过程转化为次级终产物 次级代谢物本身是生长抑制剂，一旦产生对生长有调节作用，特别是作为前体的中间体 前体的作用 前体的限制性 前体合成的分子调节机制 主要表现在，如初级和次级代谢均需同一种必需的前体，则低浓度的前体需满足生长的需要。而高浓度的内源与外源前体是次级代谢物合成所必需的。 前体导向次级代谢物的合成 次级代谢物的前体是源自初级代谢，引向初级和次级代谢物的支路途径的生理调解随不同的微生物及其代谢途径而有所不同。 添加前体的策略 前体在发酵液中的残留量过高，使生产菌中毒，不足也不行操纵环境条件可控制许多次级代谢物的生物合成。 如在生物碱发酵中加入诱导剂色氨酸，在链霉素发酵中限制磷酸的加量，防止其对参与生物合成的磷酸酯酶的反馈抑制作用。如莽草酸途径的关键的中间体分枝酸，在初级代谢中一方面引向苯丙氨酸和酪氨酸；另一方面导向对氨基苯甲酸；另一分枝途径形成各种吩嗪次级代谢物和色氨酸。氨基苯甲酸为一中间体。 把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径 1在某些情况下单体单位聚合成聚合物，如聚多酮、寡肽、聚醚等 3途径中的其它关键酶受碳、氮分解代谢的物的阻遏以及磷酸的反馈调节，有些酶可能受胞内积累的高浓度前体的诱导。 2生物合成酶很重要，尤其是专用途径第一个酶，因它决定了前体进入次级代谢合成途径的通量、中间体和途径的生产能力。麦角生物碱生物合成的第一个酶受色氨酸或其它类似物的诱导作用。 抗生素的生物合成 短链脂肪酸为前体 大环内酯、四环类等抗生素 氨基酸为前体经修饰的糖为前体青霉素等 氨基酸的衍生物 氨基糖类、大环内酯、蒽环类抗生素 代谢工程的基本理论观点1伴随着能量转换而发生的电子流动生物能支撑观点 异化和同化作用而发生的物质流动代谢网络观点 伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动细胞经济观点 代谢物流分析的应用 2定量各途径的物流和测量流入细胞内的碳，不同途径代谢流的定量分析可以判定胞内碳源流向 鉴别细胞途径中的分支点(节点) 通过比较不同突变袜和不同操作条件下的各途径的物流分布可以鉴别途径的节点是刚性、半刚性、还是柔性：运用这种方法揭示出赖氨酸生产的6磷酸葡萄糖节点是柔性的，而丙酮酸节点是弱刚性。 不同途径存在的鉴别 识别胞内是否存在某代谢途径。胞内反应的化学计量关系对代谢流的分析非常重要。用公式表示反应化学计量关系是代谢物流分析的基础，它需要知道与生化有关的详细信息 代谢物流分析的应用 2非测量所得的胞外物流的计算 ，一般能被测量的物流数目多于需用于计算胞内物流的数目。 代谢物流分析的应用 2最大理论得率的计算 基于化学计量模型，如已知各种限制条件，便可以计算一巳知代谢物的最大理论得率，此值对揭示过程得率的上限有用。考查另一些途径对物流分布的影响 关于代谢物生产的优化，可鉴别一种或几种提高代谢物得率或消除所需代谢物的物流的限制作用，为此，可考查些设想，如插入一条新途径或同功酶(或将其消除)是否具有消除该限制的积极效果从而导致所需物流的增加。节点及其判断 3节点是指代谢网络中存在的分枝之处。在不同条件下，代谢流分布变化较大的节点称为主节点。节点分为柔性，半刚性，刚性。对节点刚性判定是进行遗传操作的重要依据。代谢控制分析（MCA） 4代谢物流常规控制法 反馈抑制，协调效应，酶的共价修怖、酶合成控制的四种代谢流的常规控制方法。通过遗传操作控制 增加代谢物流的方法有：缺乏代谢控制系统分布知识时，过度表达流量控制系数较大的酶(常达不到效果)；同时表达一组酶(若这组酶有较高的流量控制系数)：通用方法等量增加最后一个分枝点到终产品的所有酶；改变途径的控制结构，增加一个酶的流量控制系数。通过控制微生物的生长环境来控制代谢流 调节渗透比，例如在以葡萄糖为碳源的培养基中，用杂交瘤细胞作为单克隆抗体（MAb），发现随着渗透压的升高MAb会增加，其原因可能是代谢物流改变所致；控制不同的操作条件获得不同的微生物培养生理状况，引起代谢物流的改变，从而获得不同浓度的菌量；通过溶氧与溶解二氧化碳的控制来改变代谢物流。主要涉及合成过程，其终产物、次级代谢物对菌的生长不是必需的，对其生命活动可能具有某种意义，在生长后期开始形成。微生物的次级代谢产物有抗生素、色素、生物碱和毒素等。也被称为分化代谢物（idiolites）、特殊代谢物。分化代谢物是指在最低培养基上给突变株提供次级代谢物的前体物质才能形成。 把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径 1在某些情况下单体单位聚合成聚合物，如聚多酮、寡肽、聚醚等 3途径中的其它关键酶受碳、氮分解代谢的物的阻遏以及磷酸的反馈调节，有些酶可能受胞内积累的高浓度前体的诱导。 2生物合成酶很重要，尤其是专用途径第一个酶，因它决定了前体进入次级代谢合成途径的通量、中间体和途径的生产能力。麦角生物碱生物合成的第一个酶受色氨酸或其它类似物的诱导作用。 代谢工程的基本理论观点1伴随着能量转换而发生的电子流动生物能支撑观点 异化和同化作用而发生的物质流动代谢网络观点 伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动细胞经济观点