微生物代谢调节

⑤、变构效应是反馈抑制的理论基础，是调节代谢的有效 方法。
3.1.1.4 其他调节方式
（1）缔合与解离
进行这种转变的Pr由多个亚基组成。 Pr活化与钝化通过亚基的缔合与解离实现。 这类互相转变有时由共价修饰或若干配基的缔合启动。
（2）竞争性抑制
一些Pr的生物活性受代谢物的竞争性抑制。
例如，需要NAD＋的反应可能受NADH的竞争抑制； 需ATP的反应可能受ADP或AMP的竞争性抑制；有些酶受 反应过程产物的竞争性抑制。
阻遏物（repressor）在分解代谢中是操纵子调 节基因（R）编码的阻遏蛋白，能可逆地同操纵基因 （O）结合，从而控制其相邻的结构基因（S）的转 录。
能被快速利用的基质，如葡萄糖，其分解代谢 物会阻遏另一种异化较难利用基质的酶的合成。
图3-5为大肠杆菌K12中精氨酸对鸟氨酸氨甲酰 基转移酶合成的阻遏作用。后者参与精氨酸的生物 合成。精氨酸加入到培养物中，其合成速率很快受 到阻遏；精氨酸去除，阻遏作用很快被解除 （derepression）。
图3-7b为枯草杆菌和绿脓杆菌的色氨酸合 成末端途径的调节。
枯草杆菌与肠道杆菌调节方式相似，第一 个酶，邻氨基苯甲酸合酶a受色氨酸抑制。a和 其他酶还受色氨酸的反馈阻遏。
对假单孢菌，a受色氨酸阻遏，但酶合成的调 节方式不同：a，o（邻氨基苯甲酸核糖基转 移酶）和I（吲哚甘油磷酸合酶）受色氨酸阻 遏，r（磷酸核糖基-邻氨基苯甲酸异构酶） 是组成型。其色氨酸合酶复合物t受其基质茚 哚甘油磷酸的诱导。这些酶合成控制的差异
不同细菌属的酶p受阻遏方式不同。芽孢杆 菌属中的顺序反馈抑制作用也存在于链球菌中。 链霉菌中色氨酸是惟一的抑制剂。假单孢菌属 中酪氨酸是主要抑制剂。要最大限度地抑制需 苯丙酮酸(苯丙氨酸的直接前体)和酪氨酸的联 合作用，色氨酸只产生部分抑制作用。酪氨酸 和色氨酸的抑制作用可被PEP克服；而苯丙酮 酸的抑制作用则被D-赤藓糖-4-磷酸所克服。即 如途径起始材料不足，产率受终产物反馈抑制 的影响特别显著。
原核生物：有些酶以多酶复合物存在或与细胞膜结合， 类似于酶固定化，不能自由活动。
（3）代谢途径的通量扩展
M控制代谢物流的方法： • 调节酶量—增加或减少途径中有关酶的合成或降解速
率；
• 改变酶活性—通过小分子化合物调节酶反应速率，激 活或抑制，有效地控制各种代谢过程。
酶活性调节包括：共价修饰、变（别）构效应、缔合 与解离、竞争性抑制。
3.1.1.2 共价修饰
共价修饰：Pr分子中一个或多个AA残基与一化学基团 共价连接或解开，使其活性改变的作用。共价修饰可使酶钝 化或活化。
化学基团：磷酸基，甲基，乙基，腺苷酰基
Pr的共价结合部位：一般为丝氨酸残基的-CH2OH。 共价修饰作用分类：可逆的和不可逆。
（1）可逆共价修饰
有些酶存在活性和非活性两种状态，可通过共价修 饰而互相转换.
3.1.1.3 变（别）构控制
除受某些反应基质和产物的直接影响外，许多酶还受 一些效应物的控制。
这些效应物是一种酶的基质、产物或调节性代谢物。 效应物促进或抑制酶的反应速率，影响酶对基质的亲 和力。效应物结合在酶的某一位点会影响另一配基对第二 个位点的结合，这种可逆的相互作用机制称为变构活化或 变构抑制。 前体的活化和反馈抑制是常见的机制。
终产物的反馈控制使细胞能保持某一代谢物适当的浓度。 代谢途径分支点处的酶分别受不同终产物的调节。
3.1.2.4 协调控制
代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。
例如：负责乳糖分解代谢的酶在合成速率方面显示出协同控制 作用，即其合成速率在所有生长条件下均以恒定的比例进行。当β半乳糖苷酶被诱导时，其他两种Pr，半乳糖苷透酶和β-半乳糖苷转 乙基酶也同时被诱导出来。前者负责乳糖和其他有关物质，如硫-βD半乳糖苷运输到细胞内，后者生理作用不明。
甲酰磷酸合酶的例子。其产物，氨甲酰磷酸用 于Arg和嘧啶的合成。其合酶受UMP抑制，此 抑制作用受鸟氨酸拮抗，后者可以与氨甲酰磷 酸反应产生瓜氨酸。图3-6中的H拮抗G对酶1 的抑制作用。
图3-7a.为枯草杆菌和地衣杆菌的分支酸 形成途径调节方式。
枯草杆菌具有两种明显不同的莽草酸激 酶(s)和两个分支酸变位酶(c) ；地衣杆菌有两 个s酶，一个c酶。枯草杆菌的s同功酶之一像 酶p（磷酸-2-酮-3-脱氧景天庚酮糖酸醛缩酶） 那样受分支酸或预苯酸的抑制；地衣杆菌的s 酶只受分支酸的抑制。枯草杆菌中p、s和c的 活性受酪氨酸的阻遏；而地衣杆菌中的酶s是 组成型的，酪氨酸阻遏p和c的活性。
酶的微分合成速率：酶占总的新合成Pr 的分数。为了获得微分曲线，在分批生长期 间间歇取样，测定酶活的Pr含量。只要培养 条件恒定，通常能获得一直线，其斜率代表 合成的微分速率。到对数生长末期，随培养 基中代谢物的积累，曲线会偏离直线。
在生长期间加入一种能诱导酶的化合 物—异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）， 作图会显示出两条直线，分别代表有和没有 诱导物的合成速率。
图3-1 原核生物代谢调节部位
图3-1 真核生物代谢调节部位
代谢调节的部位:
（1）养分吸收分泌的通道 大多数亲水分子难于透过细胞膜，需酶系统（如透
酶），某些运输反应需要能量。
（2）限制基质与酶接近
真核生物：各种代谢库的基质分别存在于细胞器内。 例如：链孢霉中精氨酸存在于细胞质和液泡内。这两处参 与精氨酸代谢的酶量有很大差别。
阻遏率：合成的阻遏速率与去阻遏速率之比称为阻
遏率。
试验在最低盐分-麦芽糖培养基中进行。。 添加精氨酸时，鸟氨酸氨甲酰基转移酶的比 活为1.5U/mg Pr-图中实线；除去精氨酸的后 比活为1200U/ mg Pr-图中虚线，是将培养物 过滤后重新培养在不含精氨酸的培养基中的 结果。
3.1.2.3 反馈调节
安慰诱导物：
β-半乳糖苷酶能水解乳糖成葡萄糖和半乳糖。有些诱导 物不被代谢，被称为安慰诱导物（gratuitors），如异丙基硫-
β-半乳糖苷，IPTG。
诱导系数：
酶合成的诱导速率与非诱导速率之比称为诱导系数。 ITPG的诱导系数为1000。
3.1.2.2 分解代谢物阻遏
指培养基中某种基质的存在会减少（阻遏）细 胞中相应酶的合成速率。
变构酶通常是具有多个结合位点的寡聚蛋白。效应 物和基质结合位点的占据会影响亚单位间构象的相互作 用，导致基质亲和力的变化。
结合位点间的正向协 同作用导致基质浓度对反 应速率的影响呈S型(图3-2)。
图3-2 酶活的变构调节
变构酶：以两种构象形式存在，活性（a）态和钝化（b） 态。
正效应物的结合将增加酶的a态部分，而负效应物的结合 会使平衡移向b态。
图3-6为简单支路途径的调节方式。
肠道细菌可能具有两种同功酶催化A→B 的反应，其一由E控制；其二由G控制。酶2的 阻遏通常属于协同作用。
顺序反馈抑制，首先在枯草杆菌芳香氨基 酸系统中发现。如图3-6所示，E抑制酶3和G抑 制酶5，从而积累C，C再抑制酶1。
反馈抑制的补偿拮抗作用可举大肠杆菌氨
图3-4显示一种安慰诱导物对大肠杆菌β半乳糖苷酶的诱导作用。
试验是在最低盐分-麦芽糖培养基中进行。过 程添加的ITPG最终浓度为10-4mol/L。有诱导物 IPTG时，β-半乳糖苷酶的比活为104U/mg Pr；无 诱导物时为10U/mg Pr（图中虚线）—将培养物过 滤后重新培养在不含IPTG的培养基中的结果。
变构调节机制可归纳为以下几点：
①、天冬氨酸转氨甲酰酶是具代表性的一类变构酶。有一 个以上的结合位点。除了结合底物的活性中心外，在同一 分子内还有一些分立的效应物结合位点；
②、主要位点和副位点可同时被占据；
③、副位点可结合不同的效应物，产生不同的效应；
④、效应物在副位点上的结合可引起Pr分子构象变化，影 响酶活性中心的催化活性；
本章内容：
第一节 基本代谢的调节 第二节 次级代谢的调节 第三节 代谢工程
第一节 基本代谢的调节
微生物的代谢控制特征： ①、高效利用养分的能力 ②、快速响应环境变化的能力。
原因：通过快速启动或关闭Pr的合成和有关的代谢途径， 平衡各代谢物流和反应速率来适应外界环境的变化。
代谢控制机制： ①、酶活调节(活化或钝化) ②、酶合成调节(诱导或阻遏)。
可逆共价修饰作用的意义： ①、可在短时间内改变酶活性，有效地控制细胞的生理 代谢； ②、这种作用更易为响应环境变化而控制酶的活性。
（2）不可逆共价修饰
典型例子是酶原激活。酶原被相应的蛋白酶切去一小 段肽链而被激活。
例1、胰蛋白酶原的活化从N-端除去一个己肽(ValAsp-Asp-Asp-Asp-lys)。胰蛋白酶原活化是信号放大的一个 典型例子。因胰蛋白酶具有自身催化作用，少量肠肽酶可 激发大量胰蛋白酶原转变成胰蛋白酶。这些胰酶完成了其 使命后，便被降解。这种酶活性的关闭作用是极其重要的。
例1：磷酸化可改变真核生物中磷酸果糖激酶或蛋白激酶 的活性。粗糙链孢霉的糖原磷酸化酶以磷酸化形式存在， 无5’-AMP时具有完全活性；其去磷酸化需要5’-AMP才 显示其活性。这两种形式可藉特殊的激酶和磷酸酯酶互 相转换。某些具有两种组分调节系统的调节蛋白也受磷 酸化激活。
例2: 大肠杆菌谷氨酰胺合成酶活性即通过腺苷酰化调节。
加入正效应物会使曲线向左移，因而消除了正向协同作 用，使曲线符合米-孟动力学模型；负效应物增加协同现象。
在代谢途径的支点和代谢可逆步骤(如供、需ATP步骤) 中常发现变构控制酶，如在酵解、糖原异生和TCA中（图 3-3）。
酵解、糖原异生可在细胞内同时进行。小的配基，如 AMP，NAD，ADP，F-1,6-BP，AcCoA等可作为变构效应 物。在葡萄糖分解代谢中AMP，ADP，ATP或NADH的浓 度反映细胞能量或氧化还原变化的现状。故过量ATP会减 缓能量代谢，而高浓度ADP和AMP会促进能量代谢。
Pr 合 成 水 平 调 节 一 般 比 酶 活 调 节 更 为 经 济 ， 后 者 快 速，但浪费能量和建筑单位。调节步骤主要存在于转录和 转译的启动部位。
多步生物合成或分解代谢途径中其关键部位酶活的快 速调节主要靠变构控制机制。
为避免前体代谢物和建筑材料过量生成，M细胞必需 协调组成代谢和分解代谢。必需协调(例如，同步地)大分 子（如核酸Pr或膜）的形成，以便在胞内外环境条件变 化期间细胞还能生长好。
也反映在相应基因的定位上。在枯草杆菌中
这些基因如同在肠道杆菌那样形成一簇，而
在绿脓杆菌和Ps．putida中酶a，o和i的基因
构成一簇，色氨酸合酶两个组分的基因构成 另一簇，酶r的基因单独存在。
（2）反馈抑制
是一种常用于组成代谢的负向变构控制。在大肠杆菌色 氨酸抑制其自身生物合成中的第一步，即催化赤藓糖-4-P与 PEP缩合的同功酶；其他同功酶则分别受苯丙氨酸和酪氨酸 的调节（图3-8）。
AA，嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的控制以反馈 调节方式进行。
其生理意义在于避免物流的浪费和不需要酶的 合成。
反馈抑制一般针对紧接代谢途径支点后的酶； 而阻遏往往影响从支点到终点的酶。
（1）反馈阻遏
操 纵 子 编 码 的 阻 遏 Pr 无 活 性 ， 需 与 辅 阻 遏 物 （ corepressor，即终产物或其衍生物）结合才能阻止编码合成途径 中的第一个酶的基因转录。
3.1.2 酶合成的调节
3.1.2.1 诱导作用 诱导酶：培养基中某种基质的存在会增加（诱导）细
胞中相应酶的合成速率。能引起诱导作用的化合物称为诱 导物（inducer），可以是基质、基质衍生物，或产物。
组成型酶：如酶的合成速率受基质浓度变化的影响很 小，称组成型酶。
诱导动力学定量：测定在各种适当生长条 件 下 培 养 物 的 酶 比 活 （ U/mg Pr ） ， 或 采 用 Monod微分方程作图表示。在恒定环境中平衡 生长（分批培养对数生长早期或连续培养）期 间，细胞Pr以一定的比例合成。
此外，还需尽可能微调透过各种代谢途径的碳流， 以避开代谢瓶颈或不需要的反应。常需消除这些调节机制， 使所需代谢产物能过量生产。
M初级代谢调节方式：
酶活调节 酶合成调节 遗传控制
3.1.1 酶活性的调节
3.1.1.1 代谢调节的部位 M代谢调节部位：养分吸收排泄、限制基质与酶
接近、控制代谢流（图3-1）。 真核生物与原核生物区别：前者有细胞器。