第二章 代谢控制发酵的基本思想

（3）效应物同调节性酶的结合与基质同酶的结合位点是 分开的，但又相互联系的，用多种物理或化学方法处 理能使酶脱敏，但保留其催化活性。 （4）酶的活性中心及变构中心可同时被结合，变构中心 的结合不一定是特异性的，可以结合不同的物质，产 生不同的效应，变构中心的结合可能引起蛋白质分子 构象的变化，从而影响酶活性中心的催化活性。
例如类链球菌的乳酸脱氢酶的活性，可被前体物 1、6 二磷酸果糖所激活。粗糙脉 胞酶以 NAD+为辅酶的异柠檬酸脱氢酶活性为柠檬酸促进。 2、代谢终产物反馈激活，是代谢中间产物对该代谢途径前面的酶起激活作用。 A Ea B C D E F
这种激活较少见，比较著名的是 1、6 二磷酸果糖是磷酸果糖激酶的激活剂。
1、诱导作用（酶合成的诱导作用）
是指培养基中某种基质与微生物接触而 增加（诱导）细胞中相应酶的合成速率。诱 导的生理作用是可以保证能量与氨基酸不浪 费，不把它们用于合成那些暂时无用的酶上， 只有在需要时细胞才迅速合成它们。
（一）诱导机制（操纵子转录）
操纵子：在 DNA 链上顺次紧密排列的功能上相互协调的一群基 因。它包括： 启动基因（P）：RNA聚合酶结合的部位。 操纵基因（O）：阻遏物结合的部位。 结构基因（S）：编码酶蛋白的基因，受控于调节基因。 调节基因（I）：产生阻遏物（负作用调节蛋白） 或激活蛋白（正作用调节蛋白） 操纵子学说：调节基因的产物阻遏物，通过控制操纵子中的操 纵基因从而影响邻近的结构基因的活性。 操纵子学说认为酶的产生除了由结构基因决定它的结构外，还 必须有调节基因来控制它的产生与否。这个学说对发酵工业 有着重要的意义。
例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途径中，一定量的GMP 或AMP仅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP)酰胺基转移 酶活力的10％，而当二者混合时，则可抑制其酶活力的50 ％。
3、积累反馈抑制
任一终产物单独过剩时，能独立地对共同途径 的一个多价变构酶产生部分反馈抑制（某个百分比 抑制），并且各终产物的反馈抑制作用互不影响， 指既无协作也无对抗。当多种终产物同时过剩时它 们的反馈抑制作用是累积的。
Biblioteka Baidu
（一）别构（变构）酶调节
别构（变构）效应是指一种小分子物质与一种 蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的 构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的 相互作用。变构蛋白质是表现变构效应的蛋白（例如 阻遏蛋白），具有变构作用的酶称为变构酶。
1、别构（变构）酶的结构和特性：
（1）别构酶是含多个亚基的四级结构的蛋白质 （一般为四聚体），亚基的结构和功能可以相 同，也可以不同。 （2）别构酶分子中含有两个中心，即活性中心 和调节中心，它们在空间上是分开的，可以在 不同的亚基上，也可以在同一亚基的不同部位 上。 （3）每个别构酶的分子可以结合一个或多个配 体（底物或效应物）理论上结合底物的最大数 目与催化中心的数目相等。结合效应物的最大 数目应与调节中心的数目相等。
V：酶促反应速度，Vmax：最大反应速度， [S]：底物浓度，Km：米氏常数，n：亚基数
图2－3 底物及变构效应物的浓度与酶活性的关系
1－－变构酶酶活性与底物浓度的关系 2－－普通酶酶活性与底物浓度的关系 3－－底物浓度一定时，变构抑制剂浓度与变构酶活性的关系
变构酶的反应速度与底物浓度（或变构抑制剂的 浓度）的关系曲线呈S型，有协同性；当底物或效应物
（二）有分支代谢途径的调节
1 、协同反馈抑制
指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才 能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
2、合作反馈抑制
当任何一个终产物单独过剩时，都会部分地抑制初始酶的 活性，两个以上的终产物同时过剩时，产生强烈的抑制作用， 其抑制作用大于各自单独存在时的和。
三、酶活性的调节 酶活性的调节是指一定数量的酶，通过 其分子结构的改变来调节其催化反应的速率。 是微生物饥饿情况下的一种经济的调节模式， 比酶的合成迅速及时而有效。
酶活性调节的影响因素
（1）底物和产物的性质和浓度 （2）环境因子（如浓度、压力、pH、离子 强度和辅助因子等）以及其它酶的存在都 有可能激活或抑制酶的活性。
2、酶合成的阻遏
是指终产物（或终产物的结构类似物） 阻止催化该途径的一个或几个反应中的一个 或几个酶的合成。
阻遏的类型
（一）单个终产物的生物合成途径 1、简单终产物阻遏（simple end-product repression） 当终产物过量时，途径中所有的酶均被阻遏。当终产物浓度降低时，均被解阻遏。
（二）抑制 抑制与激活相反，由于某些物质的 存在，降低酶活性，称为抑制。抑制可 以是不可逆的，这将造成代谢作用的停 止；也可以是可逆的，即当抑制剂除去 后酶活性又恢复，在代谢调节过程中所 发生的抑制现象主要是可逆的，而且大 多属于反馈抑制。
酶活性调节机制
酶活性调节机制有多种理论解释， 主要有: （1）别构（变构）调节理论（其核心是 酶分子构象的改变） （2）酶分子的化学修饰理论（其核心是 酶分子结构的改变） （3）其它调节机制
3、补偿激活（compensatory actiration） A B C D H
E F G 判别特征：若某一化合物的利用取决于另一反应序列（途径）的运行，那么这个化合物 就能激活这个反应序列的第一个酶。 例如 PEP OAA Asp ooo UMP UDP UTP
P R-5-○ ooo ATP ATP 激活 PEP 羧化酶，这个酶催化反应对生成 UTP 很重要。
例如，大肠杆菌中的谷氨酰胺合成酶受8种化合物的累计 抑制。
4、顺序反馈抑制
分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑 制途径中的第一个酶，只有当两个末端产物都过量 时，才能对途径中的第一个酶有抑制作用。
例如枯草杆菌芳香族氨基酸合成就是这种调节。
4 图 2-55 在大肠杆菌中芳香族氨基酸生物合成途径与代谢控制 ○DAHP 合成酶○分支酸变位酶○PPA 脱氢酶○PPA 脱水酶○氨茴酸合成酶 1 2 3 4 5
（2）基因突变： 为变构酶编码的结构基因的突变可引起 脱敏，如诱变育种获得抗类似物突变株中多 发生这种变化，在氨基酸的核苷酸发酵育种 上，已作为突破微生物代谢控制的一个重要 手段利用。
7、变构酶调节的特征
（1）参加与酶活性调节的变构因子是一类能与变 构蛋白分子互补结合的小分子化合物，又称为效 应物或调节性分子。 （2）许多变构酶的反应动力学性质与一般酶不同， 以酶反应初速率与基质浓度作曲线，得到的不是 典型的双曲线，而是带点S形曲线，这种现象称 为正协调作用。
2、别构（变构）酶的作用程序：
专一性代谢物与调节中心结合 酶分子构象变化
活性中心修饰 抑制或促进酶活性
3、变构酶活性调节类型（模型）
（1）莫诺德等人的模型（协同模型） (2) 科仕兰等人的模型或称顺序模型
4、变构酶的反应动力学性质
变构酶的反应动力学不同于普通酶的， 它不符合米氏动力学方程式。 普通酶反应速度和底物浓度的关系为： V=（Vmax[S]）/（Km+[S]） 变构酶反应速度和底物浓度的关系为： V=（Vmax[S]）n/（Km+[S]n）
A B C D 例如：大肠杆菌（E.coli）中的 Arg，His，Trp 等各自合成的途径的所有酶分别受终产 物 Arg，His，Trp 的浓度的反馈阻遏，主要是通过操纵子来调节的。
2、可被阻遏的酶的产物的诱导作用
A
B
C
D
终产物的阻遏只施加在途径的第一个酶上，这个酶催化的反应产物（B）的高浓度，能 激活下游的酶的合成。例如，粗糙脉胞菌的 Leu 合成途径中第一个酶受 Leu 的阻遏和抑制， 而第二、第三个酶受第一个酶的产物的诱导。
变构酶经特殊处理后，不丧失酶活性而 失去了对变构效应物的敏感性，称为脱敏作用。 可通过许多方法：加热处理、0—50C低温 处理、化学试剂（汞盐、对氯汞苯甲酸尿素 等）、透析、X射线照射、蛋白酶有限水解、 pH的改变等等。
（1）使变构酶解聚：
可利用上述物理、化学等方法处理变构 酶，可使变构酶多聚物解聚导致对效应物脱 敏，失去调节功能。
（一）激活
在激活剂的作用下，使原来无活性 酶转变的有活性或使原来活性低的酶酶 活提高。这种现象称为激活或活化。凡 能提高酶活性的物质称为激活剂。 属于代谢调节的激活作用主要是指 代谢物对酶的激活，这类激活作用主要 有两种。
1、前体激活。即指代谢途径中后面的酶，可被途径中较前的一个中间产物所促进。 A B C D Ed E
(二) 酶合成的诱导调节实例与机制 （转录的负控诱导和正控诱导）
（1）酶合成的负诱导机制
乳糖操纵子

无诱导物时

有诱导物时

启动酶的合成
（2）转录的正控诱导－麦芽糖操纵子
（三）诱导调节的克服
要使所需要的诱导酶大量生产，可采用诱 变方法，消除诱导酶合成所必需依赖诱导物这种 障碍，如突变发生在调节基因或操纵基因上，从 而导致调节基因编码的阻遏物（阻遏蛋白）无活 性，或操纵基因对活性阻遏物的亲和力衰退，则 无需诱导物便能产生诱导酶，这种突变作用称为 调节性或组成型突变。具有这种特性的菌株称为 组成型突变株。
5、 同功酶调节
同功酶：能催化相同的生化反应，但酶蛋白分 子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或 同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在 着差别。 同功酶的主要功能在于其代谢调节，在分支代 谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是 由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产 物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。
浓度极低时，酶反应速度的变化极微小，这是因为效
应物浓度极低时，不具有协同性，当效应物浓度超过 某个水平（阈值）时酶反应速度急剧增大（减小）。 即存在着底物或效应物对反应速度发生影响的阈值。 这在代谢控制上具有很大的生理意义。
5、变构酶调节的实例
图2－4 异亮氨酸和苏氨酸对苏氨酸脱氨酶活性的影响
6、变构酶的脱敏作用（desensitingation)）
Thr ooo β-酮基丁酸 2、前体激活（Precursor actiration）或称代谢激活
Ile
A B C D 判别特征：反应序列（途径）的某一后边的反应受前面某中间代谢产物的激活，这种方 式常见于分解代谢途径中。 例如，E.coli EMP 途径的中间产物F-6-P 激活 PK（丙酮酸激酶）酶 FDP PK G F-6-P FDP ooo PEP PYR
例如：E.codi中Asp族氨酸合成途径中AK 为三个同功酶，HD为两个同功酶。 因此要完全解除终产物的反馈调节，所有 终产物都应很少，这对我们打破其代谢调节使 Lys、Met、Thr、Ile大量积累带来困难。
图 2-56 大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸的代谢控制
四、酶合成的调节
组成型酶：基因产物的表达是高度稳定，很少或不 受细胞内代谢状态的影响，无论细胞内介质的组成 如何，总是产生恒定数量的酶。 适应型酶：基因的表达明显地受到外界营养条件和 细胞内有关因子的影响。它分为诱导酶和阻遏酶。 酶的合成调节：通过调节酶的合成数量来调节微生 物的代谢速率，它包括酶的诱导调节和酶的阻遏调 节，是基因水平的调节。
发酵代谢控制
Chapter 2 代谢控制发酵的基本思 想
第一节 微生物细胞的调节机制
一、微生物细胞的代谢调节的主要举措
抑制、激活
1. 酶活性的调节
辅酶水平
酶原活化
潜在酶的活化
2. 酶合成的调节
诱导 阻遏
3.细胞膜透性的调节
二、关键酶
是参与代谢调节的酶的总称。作为一个反应的限 速因子，对整个反应起限速作用。这些酶在代谢 流的枢纽之处形成支柱，不论对代谢流的质和量 都起着制约作用。 关键酶可以是变构酶、同功酶、多功能酶。 关键酶可处于分支点也可不处于分支点。
（5）变构效应是反馈抑制的基础，是调节代谢的有效 方法。
影响酶活性的调节方式
（一）只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式 1、终产物的简单反馈抑制，这种调节方式判别特征是途径的终产物抑制途径中第一个 专一性酶。 A B C 例如，E.coli 的从 Thr D
TD Ile 的途径中 Ile 对第一个酶 Thr 的反馈抑制。