代謝控制發(fā)酵.doc

代謝控制發(fā)酵復(fù)習(xí)題1名詞解釋代謝控制發(fā)酵：所謂代謝控制發(fā)酵就是利用遺傳學(xué)的方法或其他生物化學(xué)的方法，人為地在脫氧核糖核苷酸的分子水平上，改變和控制微生物的代謝，使有用目的產(chǎn)物大量生成、積累發(fā)酵。關(guān)鍵酶：參與代謝調(diào)節(jié)的酶的總稱。作為一個反應(yīng)鏈的限速因子，對整個反應(yīng)起限速作用。變構(gòu)酶：有些酶在專一性的變構(gòu)效應(yīng)物的誘導(dǎo)下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使催化活性改變，稱為變構(gòu)酶。誘導(dǎo)酶：誘導(dǎo)酶是在環(huán)境中有誘導(dǎo)物（通常是酶的底物）存在的情況下，由誘導(dǎo)物誘導(dǎo)而生成的酶。調(diào)節(jié)子：就是指接受同一調(diào)節(jié)基因所發(fā)出信號的許多操縱子。溫度敏感突變株：通過誘變可以得到在低溫下生長，而在高溫下卻不能生長繁殖的突變株。碳分解代謝物阻遏：可被迅速利用的碳源抑制作用于含碳底物的酶的合成，就稱為碳分解代謝阻遏。 氮分解代謝物阻遏：可被迅速利用的氮源抑制作用于含氮底物的酶的合成，就稱為氮分解代謝阻遏。營養(yǎng)缺陷型突變菌株：原菌株由于發(fā)生基因突變，致使合成途徑中某一步驟發(fā)生缺陷，從而喪失了合成某些物質(zhì)的能力，必須在培養(yǎng)基中外源補(bǔ)加該營養(yǎng)物質(zhì)才能生長的突變菌株。滲漏突變株：由于遺傳性障礙的不完全缺陷，使它的某一種酶的活性下降而不是完全喪失。因此，滲漏突變菌株能少量的合成某一種代謝最終產(chǎn)物，能在基本培養(yǎng)基上進(jìn)行少量的生長。代謝互鎖：從生物合成途徑來看，似乎是受一種完全無關(guān)的終產(chǎn)物的控制，它只是在較高濃度下才發(fā)生，而受這種抑制（阻遏）作用是部分性的，不完全的。平衡合成：底物A經(jīng)分支合成途徑生成兩種終產(chǎn)物E與G，由于a酶活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于b酶，結(jié)果優(yōu)先合成E。E過量后就會抑制a酶，使代謝轉(zhuǎn)向合成G。G過量后，就會拮抗或逆轉(zhuǎn)E的反饋抑制作用，結(jié)果代謝流轉(zhuǎn)向又合成E，如此循環(huán)。（P45圖）優(yōu)先合成：底物A經(jīng)分支合成途徑生成兩種終產(chǎn)物E和G，由于a酶的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于b酶的活性，結(jié)果優(yōu)先合成E。E合成達(dá)到一定濃度時(shí)，就會抑制a酶，使代謝轉(zhuǎn)向合成G。G合成達(dá)到一定濃度時(shí)就會對c酶產(chǎn)生抑制作用。代謝工程：指通過某些生化反應(yīng)的修飾來定向改善細(xì)胞的特性或利用重組DNA技術(shù)來創(chuàng)造新的化合物。流量控制系數(shù)：單位酶的變化量所引起的某一分支穩(wěn)態(tài)代謝流量的變化，用來衡量某一步酶反應(yīng)對整個反應(yīng)體系的控制程度。能荷：(ATP)+1/2(ADP)/(ATP)+(ADP)+(AMP)分叉中間體：糖代謝中間體既可以用來合成初級代謝產(chǎn)物，也可以用來合成次級代謝產(chǎn)物，這種中間體叫做分叉中間體。質(zhì)粒產(chǎn)物：有一部分代謝產(chǎn)物的形成取決于由質(zhì)粒遺傳信息所產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑，這類物質(zhì)稱為質(zhì)粒產(chǎn)物。2微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)內(nèi)容包括哪些？（1）通過控制基因的酶生物合成的控制機(jī)制。誘導(dǎo)促進(jìn)酶的合成阻遏抑制酶的合成（終產(chǎn)物阻遏、分解代謝物阻遏）（2）酶活性的空子機(jī)制終產(chǎn)物抑制或激活通過輔酶水平的活性調(diào)節(jié)酶原的活化潛在酶的活化（3）通過細(xì)胞滲透性的控制調(diào)節(jié)酶（變構(gòu)酶、同工酶、多功能酶）靜態(tài)酶：一般與代謝調(diào)節(jié)關(guān)系不大。指酶原、非活性型或抑制劑結(jié)合的酶。3氨基酸代謝中，關(guān)鍵酶具有什么樣的特點(diǎn)？（1）與氨基酸生物合成途徑分支點(diǎn)有關(guān)系的分支點(diǎn)酶可以成為關(guān)鍵酶，但關(guān)鍵酶不都是分支點(diǎn)酶。（2）關(guān)鍵酶的關(guān)鍵效果也只是在特定的氨基酸生物合成過程中成立。（3）在每個氨基酸的生物合成途徑中，都有一種以上的關(guān)鍵酶。（4）關(guān)鍵酶所受的反饋調(diào)節(jié)因菌而異。4變構(gòu)酶的動力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)象、脫敏作用分別是什么？動力學(xué)性質(zhì)：變構(gòu)酶的反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系曲線呈S形，而一般的酶的反應(yīng)都呈雙曲線形。（1）S形曲線表示在其關(guān)系式中作為變數(shù)的底物濃度是一n（n1）次冪加進(jìn)去的，也說明底物之間有協(xié)同作用。（2）變構(gòu)酶的S形動力學(xué)意味著存在底物及效應(yīng)物對反應(yīng)速度發(fā)生影響的閾值。構(gòu)象：（1）變構(gòu)酶一般是具有多亞基四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。（2）變構(gòu)酶存在著兩種構(gòu)象狀態(tài)，即R狀態(tài)（催化狀態(tài)或松弛態(tài)）和T狀態(tài)（也稱抑制狀態(tài)或緊張態(tài)）。（3）添加底物、激活劑或抑制劑可以使R狀態(tài)和T狀態(tài)這兩種構(gòu)象狀態(tài)之間發(fā)生平衡移動。（4）變構(gòu)酶蛋白質(zhì)分子具有對稱性，當(dāng)酶的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，分子對稱性仍維持不變。脫敏作用：（1）變構(gòu)酶經(jīng)特定處理后，不喪失酶活性而失去對變構(gòu)效應(yīng)物的敏感性，稱為脫敏作用。（2）脫敏方法：利用汞鹽、對氯汞苯甲酸（PCMB）處理，05低溫處理，以及諸如冷水、尿素或蛋白酶等處理方法。（3）是變構(gòu)酶解聚、基因突變。5幾種酶活力調(diào)節(jié)類型的比較：協(xié)作反饋抑制、合作反饋抑制、積累反饋抑制。（1）協(xié)作反饋抑制，又稱多價(jià)反饋抑制。當(dāng)一條代謝途徑中有兩個以上終產(chǎn)物時(shí)，任何一個終產(chǎn)物都不能單獨(dú)抑制途徑第一個共同的酶反應(yīng)，但當(dāng)兩者同時(shí)過剩時(shí)，他們協(xié)同抑制第一個酶反應(yīng)。（2）合作反饋抑制，也稱增效反饋抑制。當(dāng)任何一個終產(chǎn)物單獨(dú)過剩時(shí)，只是部分的反饋抑制第一個酶的活性，只有當(dāng)G、E兩個終產(chǎn)物都過剩存在時(shí)，才能引起強(qiáng)烈抑制，其抑制程度大于各自單獨(dú)存在的和。（3）積累反饋抑制。在積累反饋抑制中，每一個最終產(chǎn)物只單獨(dú)地、部分地抑制共同步驟第一個酶，并且各最終產(chǎn)物的抑制作用互不影響。所以幾個共同產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，他們的抑制作用是積累的。6酶的誘導(dǎo)的定義、方式及模式圖。（P22）7分解代謝物阻遏的定義及模式圖。所謂分解代謝物阻遏是指當(dāng)細(xì)胞內(nèi)具有一優(yōu)先利用的營養(yǎng)物（通常是，但并不總是葡萄糖）時(shí)，其分解產(chǎn)物對分解利用其它（難利用）營養(yǎng)物質(zhì)所需的酶系合成起阻遏作用。 8酶活力調(diào)控和分解代謝物阻遏的實(shí)質(zhì)是什么？酶活力調(diào)控的實(shí)質(zhì)是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。分解代謝物阻遏的實(shí)質(zhì)是由于細(xì)胞內(nèi)缺少了環(huán)腺甘酸（cAMP）。9葡萄糖如何調(diào)節(jié)cAMP的水平的？（1）可能是由于葡萄糖分解過程中的某種中間產(chǎn)物抑制了細(xì)胞內(nèi)cAMP的形成。（2）可能是這種中間產(chǎn)物激活了（cAMP）的分解。10終產(chǎn)物阻遏模式圖。（P22）11反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較。（P30表）12幾種調(diào)節(jié)機(jī)制的比較。13改變細(xì)胞膜的透性可以采取那些措施？ （1）通過控制基因的酶生物合成的控制機(jī)制 誘導(dǎo)促進(jìn)酶的合成阻遏抑制酶的合成，包括終產(chǎn)物阻遏、分解代謝產(chǎn)物阻遏（2）酶活性的控制機(jī)制終產(chǎn)物抑制或激活通過輔酶水平的調(diào)節(jié)酶原的活化潛在酶的活化（3）通過細(xì)胞滲透性的控制14青霉素、磷霉素、D環(huán)絲氨酸、衣霉素、桿菌肽影響細(xì)胞壁合成的作用機(jī)理。（1）青霉素頭孢霉素等-內(nèi)酰胺類抗生素，它們的作用抑制肽聚糖鏈交聯(lián)過程的轉(zhuǎn)肽作用，導(dǎo)致細(xì)胞壁合成受阻。（2）磷霉素是PEP的結(jié)構(gòu)類似物，它能與UDP-N-乙酰氨基葡萄糖-3-烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)移酶的一個半胱氨酸殘基共價(jià)結(jié)合，干擾了UDP-N-乙酰胞壁酸合成。（3）D-環(huán)絲氨酸是DAla的結(jié)構(gòu)類似物，它能競爭性地抑制Ala消旋酶的D-Ala-D-Ala合成酶，它對Ala消旋酶和親水性比D-Ala和L-Ala都要大，因此它阻遏了L-Ala D-Ala消旋反應(yīng)和D-Ala-D-Ala添加到UDP-N-乙酰胞壁酸-三肽的合成。（4）桿菌肽A是由12個氨基酸組成的多肽抗生素，其分子中的L-半脫氨酸的硫基和L-異亮氨酸的羧基反應(yīng)形成一個噻唑環(huán)，在這兩個氨基酸的N之間能夠獒合二價(jià)金屬離子（Zn2+、Ca2+、Mg2+等）而ACL-P-P可與鏊和的金屬離子結(jié)合，于是三者形成復(fù)合物，因此ACL脫磷酸使ACL-P不能循環(huán)返回。15代謝控制發(fā)酵：8個思想及主要措施（1）切斷之路代謝（2）解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié)（3）增加前體物的合成（4）去除終產(chǎn)物（5）特殊調(diào)節(jié)機(jī)制的利用（6）條件突變株的應(yīng)用（7）選育不生成副產(chǎn)物的菌株（8）選育生產(chǎn)代謝拮抗物質(zhì)的菌株16能荷對糖代謝是如何調(diào)節(jié)的？ 當(dāng)生物體內(nèi)生物合成或其他需能反應(yīng)加強(qiáng)時(shí)，細(xì)胞內(nèi)ATP分解生成ADP或AMP。一旦ATP減少，ADP或AMP增加，即能荷降低，就會激活某些催化糖類分解的酶或解除ATP對這些酶的抑制（如糖原磷酸化酶、磷酸果糖激酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶等），并抑制糖原合成的酶（如糖原合成酶、果糖1,6二磷酸酯酶等），從而加速糖酵解、TCA循環(huán)產(chǎn)生的能量，通過氧化磷酸化作用生成ATP。當(dāng)能荷高時(shí)，即細(xì)胞內(nèi)能量水平高時(shí)，AMP、ADP都轉(zhuǎn)變成ATP。ATP增加，就會抑制糖原降解、糖酵解和TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶，如糖原磷酸化酶、磷酸果糖激酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶，并激活糖類合成的酶，如糖原合成酶和果糖1，6二磷酸酯酶，從而抑制糖的分解，加速糖原的合成。17生物素如何調(diào)節(jié)糖代謝過程？生物素限量，造成異檸檬酸裂解酶幾乎沒有，琥珀酸氧化力弱，蘋果酸或草酰乙酸的脫羧反應(yīng)停滯，CO固定反應(yīng)加強(qiáng)，乙醛酸循環(huán)微弱。同時(shí)，又由于完全氧化能力降低，ATP降低，蛋白質(zhì)合成活動停滯，從而在NH適宜，環(huán)境條件適宜的情況下，大量積累谷氨酸。反之，生物素過量，造成琥珀酸氧化力強(qiáng)，蘋果酸、草酰乙酸脫羧反應(yīng)活躍，傾向于完全氧化，ATP增加，蛋白質(zhì)合成加劇，谷氨酸劇減。18脂代謝與糖代謝的關(guān)系是怎樣的？（1） 甘油磷酸二羥丙酮糖異生（2） 植物及微生物：脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖異生（3） 動物： 奇數(shù)碳脂肪酸丙酰CoA琥珀酰CoA糖異生（4） 糖磷酸二羥丙酮甘油甘油脂（5） 糖乙酰CoA脂肪酸19單核苷酸的合成途徑有哪兩條？肌苷和5肌苷酸分別通過什么途徑合成？單核苷酸的合成途徑：（1）全合成途徑，也稱為“從無到有途徑”，由磷酸戊糖先同尚未完成的嘌呤或嘧啶環(huán)結(jié)合，在這未完成的環(huán)上逐漸加上必要的部分，然后閉合成環(huán)。（2）補(bǔ)救途徑，也稱分段合成，由食物中取得完整的嘌呤或嘧啶和戊糖、磷酸，通過酶的作用直接合成單核苷酸。20什么是補(bǔ)救途徑？補(bǔ)救途徑的模式圖及反應(yīng)式。補(bǔ)救途徑：也稱分段合成或短路合成。微生物可從培養(yǎng)基中取得完整的嘌呤或嘧啶，和戊糖、磷酸通過酶的作用直接合成單核苷酸。當(dāng)全合成途徑受阻時(shí)，微生物可通過此途徑來合成核苷酸，所以稱為補(bǔ)救途徑。（1）核苷磷酸化酶 堿基+核糖1磷酸（R1P）核苷+Pi（2）核苷酸焦磷酸化酶 堿基+PRPP5核苷酸+PPi（3）核苷酸磷酸激酶 核苷+ATP5核苷酸+ADP21抗生素的合成分為哪幾個時(shí)期？生長期（營養(yǎng)期）和生產(chǎn)期（抗生素分泌期）22谷氨酸的分泌機(jī)制是什么？ （1）當(dāng)谷氨酸產(chǎn)生菌增殖時(shí)，細(xì)胞壁膜擴(kuò)增和形成間體時(shí)，細(xì)胞伸長2倍長度時(shí)，再加上缺乏生物素等條件影響，停止谷氨酸產(chǎn)生菌分裂，谷氨酸用于合成蛋白質(zhì)或其它代謝系統(tǒng)停止，細(xì)胞內(nèi)谷氨酸庫大量增加，再加上谷氨酸產(chǎn)生菌不發(fā)生自溶，細(xì)胞仍有活力，將葡萄糖通過其生物合成途徑，源源不斷地生物合成谷氨酸，為從細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外分泌谷氨酸提供必要的充分條件。（2）通過控制生物素、油酸、甘油的亞適量或表面活性劑等，使谷氨酸產(chǎn)生菌的細(xì)胞合成不完全，使其磷脂含量降低為正常細(xì)胞的二分之一左右，或通過添加青霉素等破壞細(xì)胞壁合成，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜的滲漏，使谷氨酸大量向細(xì)胞外分泌，排出的谷氨酸可達(dá)總游離氨基酸的92%左右。23什么是代謝工程？代謝途徑中節(jié)點(diǎn)類型分為哪幾種？代謝工程：Bailey于1991年提出，指通過某些生化反應(yīng)的修飾來定向改善細(xì)胞的特性或利用重組DNA技術(shù)來創(chuàng)造新的化合物。節(jié)點(diǎn)類型：剛性節(jié)點(diǎn)、柔性節(jié)點(diǎn)、半柔性節(jié)點(diǎn)。24增強(qiáng)CO固定反應(yīng)、增強(qiáng)能量代謝、改變細(xì)胞膜滲透性、減弱HMP途徑和減弱TCA循環(huán)途徑的具體措施分別是什么？25試論述賴氨酸發(fā)酵的代謝控制育種。 1切斷或減弱支路代謝。在賴氨酸發(fā)酵育種上，選育營養(yǎng)缺陷型或滲漏突變株，即切斷或減弱合成蛋氨酸和蘇氨酸的分支途徑，可達(dá)到積累賴氨酸的目的。 2解除反饋調(diào)節(jié)：從葡萄糖到賴氨酸這條途徑中，有三個關(guān)鍵酶起限速反應(yīng)作用。分別是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PC）、天冬氨酸激酶（AK）和二氫吡啶二羧酸合成酶（DDP合成酶或稱PS）。其中PC受Asp的反饋抑制，AK受Lys和Thr的協(xié)同反饋抑制，PS受亮氨酸的代謝互鎖作用。 （1）天冬氨酸激酶反饋調(diào)節(jié)的解除（AK脫敏）。所謂脫敏，就是使該酶抗反饋抑制和反饋?zhàn)瓒簟?（2）磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的脫敏與激活 3 解除代謝互鎖。賴氨酸生物合成途徑的第一個酶DDP合成酶的合成受亮氨酸（Leu）阻遏。 （1）選育亮氨酸缺陷突變株 通過在培養(yǎng)基中添加Leu可以解除Leu對DDP合成酶的阻遏。 （2）選育抗亮氨酸結(jié)構(gòu)類似物突變株 （3）選育亮氨酸溫度敏感突變株 （4）選育對苯醌或喹啉衍生物敏感的突變株 （5）此外，還可以選育萘乙酸缺陷突變株和亮氨酸溫度敏感突變株 4優(yōu)先合成的變換（PS酶的活性低于高絲氨酸脫氫酶的活性） （1）選育該絲氨酸滲漏突變菌株 （2）選育Thr、Met滲漏突變株 5改善膜的通透性 一方面可以使產(chǎn)物易于提取，另一方面可以降低產(chǎn)物在菌體內(nèi)的濃度，從而使產(chǎn)物達(dá)不到足以引起反饋抑制或阻遏作用的濃度。 6增加前體物的合成 （1）選育丙氨酸缺陷型 一是在丙氨酸脫氫酶的作用下由丙酮酸氨基化生成；二是在丙酮酸L氨基酸轉(zhuǎn)氨酶的作用下，又丙酮酸生成；三是在天冬氨酸脫羧酶的作用下由天冬氨酸脫羧生成。 （2）選育抗天冬氨酸結(jié)構(gòu)類似物突變株 （3）選育適宜的CO固定酶/TCA循環(huán)酶活性比突變株 7選育溫度敏感突變株 8利用基因工程技術(shù)構(gòu)建賴氨酸工程菌株26試論述色氨酸發(fā)酵的代謝控制育種。 1可以以黃色短桿菌、谷氨酸棒桿菌等作為出發(fā)菌株 2切斷代謝支路 具體可采用預(yù)苯酸缺陷、苯丙氨酸缺陷、酪氨酸缺陷、CoQ缺陷、維生素缺陷等標(biāo)記 3解除自身反饋調(diào)節(jié) 選育色氨酸的結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株，解除其自身的反饋調(diào)節(jié)來達(dá)到積累色氨酸的目的 4增加前體物 （1）減少PEP和EP的支路代謝（2）解除Phe和Tyr對DS的反饋調(diào)節(jié)（3）增加分支酸濃度等方法可增加前體物的合成 5切斷進(jìn)一步代謝 （1）選育色氨酸酶（TN）缺失突變株 （2）色氨酸脫羧酶缺失突變株（