微生物的代谢调节

第二节 酶活性的调节
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。包括酶活性的激活和抑制。
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 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。
➢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，酶蛋白分子不同）。
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。
前面的酶起激活作用。
A B CD E
（二）酶活性的抑制
▪ 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 酶活力降低的过程。
▪ 抑制剂可以是外源物 质（竞争性抑制）和 机体自身代谢过程中 产生与累积的代谢产 物（反馈抑制）
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。
（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 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。
第五章 微生物的 代谢调节
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。
第一节 微生物代谢调节概论
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。
三、酶活性调节的分子基础
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。
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。
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。
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）
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。
（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。
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，新构象有利于后续分子 与酶分子的结合，指亲和性。
（一）同功酶与代谢调节
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。
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 作用于几种同功酶而使反应不能进行。
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）。
▪ 激活剂可以是外源物质、金属离子或机体代谢过程中 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 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)。
前体激活：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。
A B CD E
反馈激活：代谢途径中间产物对该途径中
• 例如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，与DNA合成 的酶位于细胞核内。
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 性细菌位于壁膜间隙中，阳性细菌则分泌至胞外。
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。
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）。
▪ 由两种酶控制的逆单向反应：即在一个“可逆”反应中，其中 一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。
葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖
6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
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。
有2种情况
①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）。
②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。
➢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。
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。
▪ 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 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。
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 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。
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
②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。
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。
➢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。
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 以下方式进行：
▪ 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 或辅酶控制代谢物的流向。
• 例如：3-磷酸甘油醛脱氢酶，在EMP途径中催化3-磷酸甘油醛氧化成3-磷酸 甘油酸；但在卡尔文循环中则催化3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛，前者 是NAD+为辅酶，后者则以NADP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。
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细胞器内，从 而影响酶与底物的作用。
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