微生物的代谢调节

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1、第五章第五章 微生物的微生物的代谢调节代谢调节环境科学与工程学院环境科学与工程学院l微生物在生长过程中，机体内的复杂的代谢过程可以互相协调，相辅相成，导致微生物的生理活动过程同环境高度地统一起来，这是通过代谢调节的方式来实现的。环境科学与工程学院环境科学与工程学院第一节 微生物代谢调节概论 l生物体的代谢是和其周围环境分不开的。生物具有适应环境的能力，只有随着环境的变化，生物机体才能同时调整和改变其体内的代谢过程去适应新的环境，才能生存和发展，否则只能被淘汰。环境科学与工程学院环境科学与工程学院l代谢的平衡是动态的、相对的，生物界存在三种不同水平上的调节：细胞内调节-微生物属此类，最原始的也是

2、基本的调节激素调节-是高一级的调节方式神经调节-最高级的调节方式后两种在高等生物中进行，同时也进行细胞内调节。环境科学与工程学院环境科学与工程学院一、微生物代谢调节的方式1、细胞透性的调节2、代谢途径区域化3、代谢流向的调控4、代谢速度的调控环境科学与工程学院环境科学与工程学院1、细胞透性的调节细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。大多数基质输入细胞需要借助透性酶和能量，所以通过控制透性酶本身的合成及ATP的供应，可以调节基质的输入。环境科学与工程学院环境科学与工程学院2、代谢途径区域化真核微生物细胞内，各种酶系被细胞器隔离分布，底物分别储存在各种有膜的

3、细胞器内，从而影响酶与底物的作用。 例如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，与例如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，与DNADNA合成合成的酶位于细胞核内。的酶位于细胞核内。n原核微生物的细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集中在某一区域，保证该代谢途径的酶促反应正常进行。 例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，分解大分子的水解酶，阴例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，分解大分子的水解酶，阴性细菌位于壁膜间隙中，阳性细菌则分泌至胞外。性细菌位于壁膜间隙中，阳性细菌则分泌至胞外。环境科学与工程学院环境科学与工程学院3、代谢流向的调控微生物在不同的条件下可以通过控制各

4、代谢途径中某微生物在不同的条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢的流向。这种控制可按个酶促反应的速率来控制代谢的流向。这种控制可按以下方式进行：以下方式进行： 由一个关键酶控制的可逆反应：由一个关键酶控制的可逆反应：同一个酶可以通过不同的辅基同一个酶可以通过不同的辅基或辅酶控制代谢物的流向。或辅酶控制代谢物的流向。 例如：例如：3-3-磷酸甘油醛脱氢酶，在磷酸甘油醛脱氢酶，在EMPEMP途径中催化途径中催化3-3-磷酸甘油醛氧化成磷酸甘油醛氧化成3-3-磷酸磷酸甘油酸；但在卡尔文循环中则催化甘油酸；但在卡尔文循环中则催化3-3-磷酸甘油酸还原成磷酸甘油酸还原成3-3-磷酸甘

5、油醛，前者磷酸甘油醛，前者是是NADNAD+ +为辅酶，后者则以为辅酶，后者则以NADPNADP+ +为辅酶。为辅酶。 由两种酶控制的逆单向反应：由两种酶控制的逆单向反应：即在一个即在一个“ “可逆可逆” ”反应中，其中反应中，其中一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖己糖激酶6-磷酸葡萄糖+H2O葡萄糖+Pi6-磷酸葡萄糖酯酶环境科学与工程学院环境科学与工程学院4、代谢速度的调控在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用而实现的，也就是说，细胞内各种酶类的活性都

6、处在受控制的状态下，必须根据细胞对能量以及对合成某些组分的要求而进行各种酶促反应，并可随时减慢或加速某一物质（氨基酸等）的合成。环境科学与工程学院环境科学与工程学院l微生物的代谢调节一般指反应速度的调节和对代谢途径方向的控制两个方面，但后者必须在前者的基础上进行。环境科学与工程学院环境科学与工程学院二、细胞调节的类型：1、酶活性调节属代谢调节，对已有酶分子的活性调节（酶化学水平）；酶活性的调节主要通过终产物或中间产物对已有的酶分子活性的激活或抑制来控制代谢速率（也称反馈抑制），包括正反馈、负反馈(分解代谢中较多见如EMP），在代谢途径中的第一个酶一般称为限速酶，反馈抑制中，终产物总是往往抑制限

7、速酶，有分支代谢途径的情况相对较复杂，因在分支途径中也有“第一个酶”（限速酶）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院2、酶合成调节属基因调节，调节酶分子的合成量（遗传学水平）；酶合成的调节（基因调节）主要通过酶量的变化来控制代谢速率。主要通过: 诱导式 导致酶的合成 阻遏式 阻止酶的合成n以上两种调节均能改变代谢途径中的物质流，可使细胞系统中的物质既不会堆积起来造成浪费，也不会因代谢短缺而供不应求，始终能保持各种代谢物的浓度相对稳定或代谢过程的动态平衡。环境科学与工程学院环境科学与工程学院第二节 酶活性的调节l酶活性的调节是通过改变代谢途径中一个或几个关键酶的活性来调节代谢速度的调节方式。包括

8、酶活性的激活和抑制。环境科学与工程学院环境科学与工程学院一、酶活性的激活和抑制（一）酶活性的激活指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高，从而使酶促反应速度提高的过程。活性提高，从而使酶促反应速度提高的过程。激活剂可以是激活剂可以是外源物质外源物质、金属离子金属离子或或机体代谢过程中机体代谢过程中产生与累积的代谢产物（主要）产生与累积的代谢产物（主要）。代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活，主代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活，主

9、要有两种情况：前体激活和代谢中间产物的反馈激活要有两种情况：前体激活和代谢中间产物的反馈激活( (较少见较少见) )。环境科学与工程学院环境科学与工程学院A B C D E前体激活：前体激活：代谢途径中后面的酶促反应可被代谢途径中后面的酶促反应可被该途径中较前面的一个中间物所促进。该途径中较前面的一个中间物所促进。A B C D E反馈激活：反馈激活：代谢途径中间产物对该途径中代谢途径中间产物对该途径中前面的酶起激活作用。前面的酶起激活作用。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（二）酶活性的抑制指在某个酶促反应系指在某个酶促反应系统中，加入某种低分统中，加入某种低分子量的物质后，导致子量的物质

10、后，导致酶活力降低的过程。酶活力降低的过程。抑制剂可以是外源物抑制剂可以是外源物质（竞争性抑制）和质（竞争性抑制）和机体自身代谢过程中机体自身代谢过程中产生与累积的代谢产产生与累积的代谢产物（反馈抑制）物（反馈抑制）环境科学与工程学院环境科学与工程学院二、酶活性调节的类型（一）反馈调节的模式反馈指的是代谢反应某些中间代谢物或末端产物对前面反应的影响。包括正反馈和负反馈，其中以负反馈为主。单向途径的反馈调节( 2种)单价终产物的反馈抑制前馈作用分支途径的反馈抑制(5种) 协同反馈抑制累积反馈抑制增效反馈抑制 顺序反馈抑制 同功酶调节环境科学与工程学院环境科学与工程学院1单价终产物的反馈抑制（负反

11、馈,negative feedback）终产物X抑制限速酶环境科学与工程学院环境科学与工程学院2前馈作用前体代谢物的激活（前馈激活）-指前体代谢物对催化后阶段 反应中某酶的激活 作用。前馈抑制：指前体代谢物对催化后阶段反应中某酶的抑制作用。乙酰CoA +CO2 +H2O +ATP 乙酰CoA羧化酶 丙二酸单酰CoA+ ADP+ Pi环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院中间代谢物的激活（反馈激活）-指中间代谢物对途径中的前阶段或第一个酶活性的激活。环境科学与工程学院环境科学与工程学院3协同反馈抑制(concerted feedback inhibition)

12、有2种情况在分支代谢途径中有2个或2个以上终产物同时过量时(E，G)，可抑制共同途径的起始步骤，单独过量时不表现抑制作用（协同反馈抑制或多价反馈抑制）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院当终产物单独过量时，抑制各终产物前的酶活性，不抑制共同途径酶活性，只有同时过量时，才协同抑制。环境科学与工程学院环境科学与工程学院天冬氨酸族的氨基酸，包括赖氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和异亮氨酸，这些氨基酸合成的第一步都是在天冬氨酸激酶的作用下完成的，该酶活性也受这些氨基酸的反馈抑制。天冬氨酸酶在反馈控制方面存在较大的差异，实际上存在多价抑制、协同抑制2种情况，甚至也有同功酶的调节作用（催化同一组反应的酶，酶蛋白分

13、子不同）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院4累积反馈抑制 分支代谢途径中的几个终产物，任何一个过量时都能对共同途径中的某个酶产生部分抑制作用，总的效果是累加的，并且各个末端产物所引起的抑制作用互不影响，只是影响这个酶促反应的效率。环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院5增效反馈抑制 分支代谢途径的几个终产物，其中任何一个过量时仅部分抑制共同途径中某个酶的活性。同时过量时，其抑制程度可超过各产物单独存在时抑制值的总和。环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院6顺序反馈抑制 通过逐步调节，达到平衡。（终产物过量并分步进行调节）环

14、境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院7同功酶反馈抑制的调节 是指一组不同的酶蛋白分子催化同一种反应。同功酶对细胞发育代谢调节是很重要的。环境科学与工程学院环境科学与工程学院在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的酶a1、a2,每一种代谢终产物只对一种同功酶有反馈抑制作用，只有所有终产物同时过量才分别作用于几种同功酶而使反应不能进行（但也可通过各自的反馈调节，使代谢过程能达到平衡）。当其中的一种同功酶受到抑制时，其余的仍在起作用，这是生物体对环境变化或代谢变化的另一种调节方式。环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院三、酶活性调节的

15、分子基础l前述“酶活性调节的类型”中虽有多种模式，但也有共同特性，尤其是在分支代谢过程中，每一条分支途径的终产物控制该分支后的第一个酶，而有时各分支途径的终产物对整个途径的第一个酶有部分控制作用，从而控制整个代谢的进行。l可以这样说，除了限速反应本身在体内起着流量控制作用以外，更重要的是处在该限速反应的酶的参与，而其中大多数是调节酶，包括别构酶、同功酶、共价调节酶等。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（一）同功酶与代谢调节l是指催化同一反应，酶分子结构组成有异的一组酶，由两个或两个以上的肽链聚合而成。l每一种代谢终产物只对一种同功酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时才分别作用于几种

16、同功酶而使反应不能进行。环境科学与工程学院环境科学与工程学院如：天冬氨酸激酶有3种同功酶，高丝氨酸脱氢酶有2种，如抑制其中的一种同功酶，反应继续进行。同功酶还存在于枯草杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的氨基酸合成途径中（芳香族）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（二）多功能酶与代谢调节l多功能酶是催化两种或两种以上的化学反应的酶，一般它们具有多催化部位，这种酶在某种条件下，某催化部位活化而催化一种反应，其他的活性部位受到抑制。这种多功能酶在代谢调节中具有较灵活的调节作用。l前面的大肠杆菌天冬氨酸激酶（AK1）和高丝氨酸脱氢酶 （HD1）是一种多功能酶分子，由4个亚基组成，2种酶活性中心同在一个亚基，其

17、氨基端为天冬氨酸激酶，羧基端为高丝氨酸脱氢酶；AK2和HD2也是一种多功能酶（同一条多肽链即同一酶蛋白）催化两种反应，当其中一种产物过剩时，可向另一产物方向合成，调节较灵活。 环境科学与工程学院环境科学与工程学院（三）变构酶（变位酶、别构酶）与代谢调节1变构酶的结构、变构效应及其调节物l结构：是调节酶中较重要的一种酶，同时兼有酶活性中心和别构中心，它们处于酶分子的不同部位。其中活性中心负责酶与底物的结合，别构中心负责调节酶的活性。调节酶活性的调节分子，一般是底物，也可以是底物以外的代谢物。环境科学与工程学院环境科学与工程学院l变构效应：调节物或效应物与酶分子的别构中心结合后，诱导或稳定住该分子

18、的某种构象，因结合后的该亚基形状即改变并可促使其他亚基的结合部位发生变化，从而导致酶活性中心与底物的结合受到影响，调节酶的反应速度及代谢过程。环境科学与工程学院环境科学与工程学院变构效应有2种情况：（1） 同促效应，调节物即底物，一般有2个以上底物结合中心，其调节作用取决于被占据的底物结合中心数。（2）异促效应：调节物不是底物分子，是底物以外的代谢物。更多的别构酶兼有同促-异促效应。环境科学与工程学院环境科学与工程学院2变构酶对酶反应速度的调节变构酶反应初速度不符合典型的米氏方程，而是S形曲线，这是一种“正同促反应”或“正协调性”、“协同结合”，酶与底物分子（或调节物）结合后，构象发生变化，新

19、构象有利于后续分子与酶分子的结合，指亲和性。也有负协同效应的别构酶，底物与酶分子结合后，构象的变化使后续分子与酶的亲和性降低负协调性。环境科学与工程学院环境科学与工程学院可以用Rs来判断三类酶：典型的米氏类型酶 Rs81正协同别构酶 Rs81环境科学与工程学院环境科学与工程学院3.变构作用机制的分子模型协调模型（齐变、对称模型）变构酶存在两种构象状态，即R状态（催化状态或松弛态）和T状态（抑制状态或紧张态），在两种状态间有一个平衡，添加底物、激活剂或抑制剂可以使R状态和T状态两种构象状态的平衡发生移动，底物和激活剂对R状态亲和性大，当激活剂与酶的一个亚基结合后，所有亚基都变成易于与底物结合的活

20、化型，结果提高了酶的活性，反之，抑制剂与酶结合后变成抑制型，使酶活性降低或消失。 环境科学与工程学院环境科学与工程学院顺序模型（序变模型）该模型认为，酶的活化型和抑制型之间有一个连续的中间状态，当激活剂与酶的一个亚基结合后，其余的亚基的构象逐个依次变化，最后形成活化型的酶分子。反之，抑制剂与酶分子结合后，各个亚基经顺序变构后，形成抑制型的酶分子。环境科学与工程学院环境科学与工程学院4.效应物对变构酶的影响凡能与酶的别构部位结合并产生正或负的协同效应的物质称为效应物，即变构激活剂或抑制剂。5变构酶对代谢调节举例变构酶分子上的催化中心和调节中心处于不同的空间部位，因此它使催化活性和调节活性成为两个

21、独立的系统。催化过程不限制调节过程，但调节系统却可以影响催化系统。变构酶学说得到不少实验的支持，最有利的证明是脱敏感作用。脱敏感作用：采用温和的变性条件处理变构酶，使变构酶失去对调节剂的敏感性，但不改变其催化活性。 例如大肠杆菌的天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase） CTP为负效应物，ATP为正效应物。环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院6多价别构酶的调节酶分子上有许多变构位点，如分支代谢途径 ，一种终产物抑制部分酶活性，所有终产物抑制全部酶活性（累积反馈抑制）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（四）共价调节酶与代谢调节

22、（修饰调节）l对酶分子多肽链上的某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于有活性与无活性的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢反应的速度和方向。l与别构调节不同，共价调节是酶分子共价键发生了改变，而变构调节只是酶分子单纯的构象变化。环境科学与工程学院环境科学与工程学院共价调节酶的特点是：它可以在另外一个酶（修饰酶）的催化下，对酶分子进行共价修饰，即在酶分子上结合或释放一个低分子量物质，从而改变酶的活性。环境科学与工程学院环境科学与工程学院1腺苷酰化/脱腺苷酰化对酶活性的调节大肠杆菌谷氨酰胺合成酶（GS） 大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶由12个亚基组成，每个亚基都有被腺苷酰化与去腺苷酰化的两种形

23、式。由腺苷酰化组成的酶活性很低，并对反馈抑制敏感；由去（脱）腺苷酰化组成的酶活性最大，并对反馈抑制不敏感。环境科学与工程学院环境科学与工程学院腺苷酰化/脱腺苷酰化由谷氨酰胺腺苷酰转移酶AT催化，并受一系列尿苷酰化作用的控制。AT必须在调节蛋白P存在下才能进行催化。而P又受到尿苷酰化/脱尿苷酰化的可逆修饰（分别由尿苷酰化转移酶UT和尿苷酰基脱除酶UR进行催化）环境科学与工程学院环境科学与工程学院GS的活性调节很复杂，还与-酮戊二酸和谷氨酰胺的浓度有关，谷氨酰胺浓度高，GS酶的每个亚基上的一个酪氨酸可以连接一个腺苷酸，导致酶活性很低，避免谷胺酰胺过量合成；谷氨酰胺浓度低，腺苷酸释放，GS活性高，谷

24、氨酰胺迅速合成。 其他的如UTP、ATP和Pi等代谢物也会对GS的活性产生控制。环境科学与工程学院环境科学与工程学院2磷酸化/脱磷酸化对酶活性的调节酵母菌的磷酸果糖激酶受ATP抑制，发生磷酸化的激酶ATP不成为抑制物。磷酸化部位可能在酶蛋白丝氨酸残基上，但磷酸果糖激酶又可能被某种磷酸酯酶催化，脱去Pi后恢复原状，又受ATP抑制。环境科学与工程学院环境科学与工程学院3乙酰化/去乙酰化对酶活性的调节胶质红假单胞菌的柠檬酸裂解酶，乙酰化柠檬酸裂解酶能催化柠檬酸裂解为草酰乙酸和乙酸，去乙酰化的柠檬酸裂解酶没有此活性。谷氨酸抑制酶的去乙酰化作用，柠檬酸促进酶的乙酰化作用。环境科学与工程学院环境科学与工程

25、学院第三节 酶合成的调节l酶合成的调节是通过酶量的变化，控制代谢的速率，是基因水平上的调节。它有诱导和阻遏两种方式。l基因的表达受到调控，各基因之间的活性相互制约。其优点是通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。环境科学与工程学院环境科学与工程学院l根据基因表达其产物时所受外界反应能力的差异，可分为两大类型。组成型：表达稳定，不受细胞内代谢状态影响，EMP、TCA途径中的酶均属此类。适应型： 诱导酶 诱导合成 阻遏酶 阻止合成 基因表达受营养条件（外界）、细胞内有关因子的影响。n组成酶和诱导酶是一个相对的概念，同一种酶在这种生物中是组成酶，而在另一种微生物中则可能是诱导酶环境科学

26、与工程学院环境科学与工程学院一、酶合成的诱导（底物诱导 产物诱导）l通过蛋白质合成总速度与酶合成速度之间的关系，可知某种酶是被诱导产生的（酶活性的增加是诱导产生的酶蛋白量增加的结果）。l一般情况下，底物是酶最好的诱导物，有时和底物结构类似的物质也可以作为诱导物，但它却不是底物；于此相反，有些物质虽然是酶的底物，但是不能作为该酶的诱导剂；另外，不同的诱导剂，其有到能力是不同的，并且诱导能力还与诱导剂的浓度有关。环境科学与工程学院环境科学与工程学院l l酶的诱导合成有两种情况：酶的诱导合成有两种情况：协同（同时）诱导：诱导剂加入后，微生物能够同时或几协同（同时）诱导：诱导剂加入后，微生物能够同时或

27、几乎同时合成几种酶。乎同时合成几种酶。顺序诱导：先合成分解底物的酶，接着再依次合成分解各顺序诱导：先合成分解底物的酶，接着再依次合成分解各中间代谢物的酶。中间代谢物的酶。一般来说，原核生物一般来说，原核生物 中酶合成的诱导效果中酶合成的诱导效果 比真核生物明显。比真核生物明显。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（一）底物诱导l-半乳糖苷酶的诱导过程：野生型大肠杆菌是不利用乳糖的（5个分子-半乳糖苷酶/细胞），当处在乳糖为唯一碳源时，野生型大肠杆菌就将乳糖分解成葡萄糖+半乳糖进入己糖代谢途径。如到有葡萄糖的环境，酶量又恢复到5个分子-半乳糖苷酶/细胞，在需要时才产生。一般底物是最好的诱导物。环

28、境科学与工程学院环境科学与工程学院乳糖能诱导产生的三种酶：-半乳糖苷酶、-半乳糖苷渗透酶（膜结合酶）和-硫代半乳糖苷转乙酰基酶（或-半乳糖苷转乙酰酶）。这三种酶的基因在大肠杆菌基因组内是互相毗邻排列的，它们通过协同诱导的方式被诱导产生，主要存在于短的代谢途径中。在分解代谢途径中多种酶的协同诱导合成对细胞是有利的，这使细胞在该底物存在时能够迅速进行代谢。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（二）产物诱导l某些分解代谢酶受代谢途径中在其前或其后的酶反应产物的诱导。色氨酸的分解途径：反应途径中各酶均受犬尿氨酸的诱导。意义： 细胞内色氨酸不会大量分解，除非培养基中加入色氨酸或细胞内色氨酸浓度很高。环境

29、科学与工程学院环境科学与工程学院l从营养角度看，当环境中存在某种可利用的物质时，通过诱导作用可以诱导合成相应的酶，使微生物从环境中取得所需营养物底从而增强微生物对环境的适应能力；l从酶本身来说，某些酶虽然在代谢中很重要，但在不需要时也不合成，这样就避免了生物合成原料和能量的浪费。环境科学与工程学院环境科学与工程学院二、酶合成的阻遏l指细胞内物质代谢反应链中某些中间代谢物或末端产物过量积累，阻遏了代谢途径中某些酶合成的现象。终产物的反馈阻遏：终产物积累；分解代谢产物阻遏：两种C源或N源同时存在时，对不易利用的一种物质的酶的阻遏。 如：大肠杆菌能利用铵盐、碳源合成氨基酸，当加入现成氨基酸时，则利用

30、铵盐的酶受阻遏。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（一）终产物的反馈阻遏l通过终产物浓度变化来控制酶的合成，一般终产物的反馈阻遏均作用第一个酶上，在氨基酸、核苷酸的合成途径中已有很多实例。大肠杆菌可以从天冬氨酸赖氨酸， 终产物的反馈抑制较重要，反馈阻遏的作用部位主要在第一个酶上，通过终产物浓度变化来控制酶的合成，可保证细胞内各种物质维持在适当的浓度。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（二）分解代谢产物阻遏l在酶合成的阻遏中，如果代谢产物是某化合物分解的中间产物，这种阻遏称为分解代谢产物阻遏。l“葡萄糖效应”说明此现象：大肠杆菌葡萄糖乳糖两种碳源（一度生长）生长停顿（二度生长）2个对数期葡萄

31、糖的存在阻遏了分解乳糖的酶系合成葡萄糖效应除了乳糖外，其他的碳源物质也有同样的情况。环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院l此现象在微生物中很普遍，并不局限于葡萄糖，如铵盐、精氨酸同时存在，铵盐被优先利用，分解精氨酸的酶受阻遏。l葡萄糖效应是属于分解代谢产物阻遏。 即：细胞在有优先可被利用的物质时，其他分解途径受到阻遏（这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的）。 由此微生物可以不必将大量的代谢能量消耗在合成那些效果不大的酶系上。环境科学与工程学院环境科学与工程学院三、酶合成诱导和阻遏的机制l酶是蛋白质，酶的

32、合成就是蛋白质的合成，也就是基因的表达。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（一）基因表达与蛋白质生物合成及其调控概述l任何蛋白质的一级结构，说到底是由DNA上的基因决定的。 DNA分子上的遗传信息（转录）mRNA分子携带，在依赖于DNA的RNA聚合酶催化作用下合成互补的mRNA。所以，基因表达就是遗传信息通过mRNA的传递而翻译成专一性的蛋白质，从而表现出细胞的各种生命活动功能，是DNA的表现工具。环境科学与工程学院环境科学与工程学院l对蛋白质合成的调控实质上是对基因表达的调控，这是一个极其复杂的过程。从许多实验现象看，蛋白质生物合成的调控可发生在转录水平上，即在一定时间有选择性地控制mRN

33、A的转录，也可以发生在转录后的翻译水平上，即在一定时间内控制mRNA的翻译。l已经发现原核生物基因表达的调节主要在转录水平上，真核生物中，mRNA和翻译水平上的调控更为重要。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（二）乳糖操纵子l F.Jacob和J.Monod在1961年提出了乳糖操纵子模型，开辟了调控基因作用机制研究的新的领域。l酶合成的机理可用操纵子理论来解释。操纵子学说的要点是，基因是可分的，染色体的DNA链上有调节基因和操纵子，操纵子包括一串功能关连的结构基因、操纵基因和启动基因（启动子）。调节基因可控制蛋白质或酶的合成、操纵结构基因的表达、控制结构基因。环境科学与工程学院环境科学与工

34、程学院l操纵子：一系列在作用上密切相关而又排列在一起的结构基因的总称，它受同一操纵基因所控制，在转录中产生一个mRNA。环境科学与工程学院环境科学与工程学院1乳糖操纵子的结构l在大肠杆菌对乳糖的利用中有两种酶是必需的：一种是促使乳糖进入细胞的-半乳糖苷透性酶，它存在于在大肠杆菌的细胞膜上；另一种是细胞质中的-半乳糖苷酶，它催化乳糖水解为葡萄糖和半乳糖这一反应。已有实验证实，大肠杆菌细胞内存在这2种酶蛋白。此外，还有一种-半乳糖苷转乙酰酶，这酶可能具有使类似物乙酰化的解毒功能。l编码这三种酶的结构基因可写作lacY、lacZ和lac A，或者简写作y、z、a。环境科学与工程学院环境科学与工程学院

35、用乳糖操纵子模型来解释乳糖体系的调节机理已被人们广泛接受。结构基因可转录出一条mRNA，翻译出相应的酶可看作蛋白质的合成过程。启动子（P）受乳糖操纵子控制，与RNA聚合酶结合的部位，结合以后启动结构基因的转录。操纵基因（O）是与调节蛋白结合的部位，控制结构基因（S）的转录(蛋白质)，P、O都不编码蛋白质。环境科学与工程学院环境科学与工程学院另外，还有一个调节基因R，它编码调节蛋白（150000），又称阻遏蛋白，347个氨基酸组成，并分四个亚基。调节蛋白可以与操纵基因O结合，也可以与调节物（诱导物或阻遏物）结合。调节蛋白与调节物（诱导物或阻遏物）结合后，影响到其与操纵基因o的结合，从而促进或抑制

36、mRNA的转录。环境科学与工程学院环境科学与工程学院2乳糖操纵子的诱导机制负调控l在没有乳糖作诱导物时，调节蛋白与操纵基因O亲和力大 ，结合在启动结构基因P上的RNA聚合酶不能移动到结构基因，就不能转录生成mRNA，也就不能合成酶了（分解乳糖）；l在有乳糖作诱导物时，调节蛋白与乳糖结合使其对操纵子（O）亲和力小，阻遏蛋白失活，不能封闭操纵基因，结构基因得以表达，就能合成分解乳糖的酶类，当诱导物用尽，调节蛋白不再与乳糖结合，而与O结合，转录就不再进行。 环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院

37、3乳糖操纵子的分解代谢产物的阻遏机制：正调节，由于细胞内缺少了环腺苷酸（cAMP ）。以大肠杆菌降解其他碳源的酶系受葡萄糖阻遏为例：1957年Sutherland发现环式AMP（cAMP），并在动物组织中广泛存在，cAMP是在腺苷酸环化酶作用下由ATP转化而来的。调节蛋白CRP(cAMP受体蛋白)或CAP(分解代谢产物激活蛋白) ，CRP（有时也称CAP）含有一个称为代谢产物活化因子蛋白（cataboliteactivator Protein），由crp基因编码，能与cAMP形成一个复合体。复合体 cAMP-CAP或CRP是正调节物，起正调节作用。当cAMP与CAP形成复合物后，可以与启动基因

38、P（有两个结合位点，一个与RNA聚合酶相结合，另一个与cAMP-CAP 复合体相结合）结合，从而启动mRNA的转录。只有当cAMP在细胞内的浓度很高时，才能与CRP结合。 环境科学与工程学院环境科学与工程学院 cAMP的浓度受环境中葡萄糖浓度的影响，在环境中，葡萄糖的浓度升高可使cAMP浓度下降，从而使乳酸操纵子不能起始转录。葡萄糖分解产物会抑制合成 cAMP所需要的酶（腺苷酸环化酶）的活力，或促进分解cAMP的酶（磷酸二酯酶）的活力。环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院第四节 代谢调节理论及其在实践中的应用l代谢调节的深入研究，对于微生物在实验中的应用有着

39、重大的现实意义，尤其是在工业发酵中的应用代谢调控发酵（阶段）。l常用的控制微生物发酵途径的方法有：控制发酵条件、改变细胞膜透性以及改变微生物遗传特性等。环境科学与工程学院环境科学与工程学院一、代谢功能之间的平衡调节l介绍各代谢途径之间如何维持平衡，主要是调节剂和调节酶从中发挥作用。1.调节剂在平衡代谢中的作用 调节剂是代谢库中往返于几个代谢途径之间的重要代谢物，通过“偶联、激活、抑制”等手段，协调着各种代谢功能。多为小分子物质，如NAD+/NADH或NADP/NADPH，或ATP、ADP、AMP等。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（1）能荷调节（腺苷酸调节）：细胞通过改变ATP、ADP、A

40、MP三者比例来调节其代谢活动。能荷随三种腺苷酸比例而变化，能荷是代表了细胞的能量状态，而能荷的本质是各种腺苷酸的比例。环境科学与工程学院环境科学与工程学院（2）能荷与代谢调节的关系环境科学与工程学院环境科学与工程学院通过糖代谢各途径之间的调节来说明。糖代谢途径中的酶活性往往依赖于腺苷酸（ATP或AMP）的浓度，ATPADPAMP能量依次递减，细胞内的这3种腺苷酸的比例不同，能荷也随之不同。 巴斯德效应（说明能荷对代谢过程的调节作用）即：O2的存在可使酵母菌细胞行呼吸作用而造成乙醇产量显著下降（单位时间内，糖消耗速度减慢）有氧呼吸抑制发酵，乙醇下降。环境科学与工程学院环境科学与工程学院n解释巴斯

41、德效应：用代谢调节来解释EMP途径与有氧氧化途径的调节，主要是由于O2的存在，使EMP途径中PFK（磷酸果糖激酶）活性降低。O2的存在继EMP途径之后O2呼吸其产物（ATP、柠檬酸、异柠檬酸）抑制PFK。好氧呼吸造成ADP和无机磷酸 P减少，降低PFK和HK的酶活性。PFK活性下降，异构酶的活性强，6 P G积累对HK(己糖激酶)有抑制作用。 上述途径，有腺苷酸和Pi的能荷所起的调节作用，也有其它代谢物参与，如TCA循环终产物等。 环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院环境科学与工程学院（3）反馈抑制物与能荷的关系ATP+D-核糖-5-磷酸PRPP合成酶AMP+PRPP环境科学

42、与工程学院环境科学与工程学院2补偿控制系统的调节l在分支代谢途径中，若某一代谢物的利用依赖于另一代谢途径的流量，则此代谢物可能促进该途径某一个关键酶的活性，以补偿所需代谢的不足，这种调节方式是补偿式激活。环境科学与工程学院环境科学与工程学院 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的补偿性激活作用受三种代谢物控制：嘧啶核苷酸的反馈激活；果糖-1，6-二磷酸的激活；乙酰CoA的激活。环境科学与工程学院环境科学与工程学院二. 反馈阻遏和抑制作用的应用（发酵条件的控制）l在青霉素发酵中,用混合碳源，易利用的有利生长,难利用的则有利于产物的合成。如葡萄糖+乳糖(价格高)混合使用,可提高产量,降低成本。l用流加碳源（葡萄

43、糖）恒化器连续培养的方式可使纤维素酶产量提高（荧光假单胞菌，提高200倍以上）可减轻葡萄糖分解产物阻遏。三、改变细胞膜的通透性（生物素）环境科学与工程学院环境科学与工程学院四、改变微生物的遗传特性1选育抗反馈调节的突变株l代谢物抑制酶（合成终产物）的活性（或阻遏），如在培养基中加入抗代谢物的物质结构类似物，但其会与代谢物发生竞争（与酶结合），影响生长，通过诱变，菌株既可抗结构类似物，又不受终产物的抑制（阻遏）。如在苏氨酸和异亮氨酸的合成中，苏氨酸和异亮氨酸抑制高丝氨酸脱氢酶、苏氨酸脱氢酶和二羧酸脱羧酶的活性。经诱变的齿棒杆菌可不受结构类似物AHV（-氨基-羟基戊酸）的影响，也不受终产物干扰（酶

44、的结构基因在诱变时发生了突变）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院2筛选组成型不受环境因子影响l通过筛选组成型菌株，酶合成量提高，在培养基中加入抑制诱导酶合成的物质，使组成型占优势，不断合成酶。将诱导型（野生型）细菌加入抑制诱导酶合成的物质的培养基中，此时野生型不利用乳糖，组成型不受抑制，即可提高酶合成量（半乳糖苷酶为例）。环境科学与工程学院环境科学与工程学院思考题1.1.细胞对酶代谢调节的主要类型。细胞对酶代谢调节的主要类型。细胞对酶代谢调节的主要类型。细胞对酶代谢调节的主要类型。2.2.协同反馈抑制、累积反馈抑制、增效反馈抑制、协同反馈抑制、累积反馈抑制、增效反馈抑制、顺序反馈抑制的概念

45、和机制。顺序反馈抑制的概念和机制。3.用能荷调节来解释巴斯德效应。用能荷调节来解释巴斯德效应。4.简述变构酶的结构、变构效应及变构效应的类型。简述变构酶的结构、变构效应及变构效应的类型。5. 简述变构作用机制的分子模型。简述变构作用机制的分子模型。6.以大肠杆菌谷氨酰胺合成酶（以大肠杆菌谷氨酰胺合成酶（GS）为例说明腺苷）为例说明腺苷酰化酰化/脱腺苷酰化对酶活性的调节。脱腺苷酰化对酶活性的调节。7.乳糖操纵子的结构。乳糖操纵子的结构。8.简述乳糖操纵子的诱导机制简述乳糖操纵子的诱导机制负调控。负调控。9.以大肠杆菌降解其他碳源的酶系受葡萄糖阻遏为以大肠杆菌降解其他碳源的酶系受葡萄糖阻遏为例解释乳糖操纵子的分解代谢产物的阻遏机制。例解释乳糖操纵子的分解代谢产物的阻遏机制。环境科学与工程学院环境科学与工程学院