第八章氨基酸发酵机制

（二）共价调节酶（covalently modulated 共价调节酶（ enzymes） ）
什么是共价调节酶？ 什么是共价调节酶？是一类由其它酶对其结构进行可逆共价
修饰，使其处于活性和非活性的互变状态，从而调节酶活性。
常见的是磷酸化/脱磷酸化，腺苷酰化 脱腺苷酰化 脱腺苷酰化， 常见的是磷酸化 脱磷酸化，腺苷酰化/脱腺苷酰化， 脱磷酸化 乙酰化/脱乙酰化，尿苷酰化 脱尿苷酰化 甲基化/脱甲 脱尿苷酰化， 乙酰化 脱乙酰化，尿苷酰化/脱尿苷酰化，甲基化 脱甲 脱乙酰化 基化， 相互转变， 种类型。 基化，S-S/SH相互转变，共6种类型。 相互转变 种类型
（一）负调控 模型一： 模型一： 乳糖操纵子理论
E.coli乳糖操纵子（lac operon）包含β 半乳糖苷酶 三个结构基因：Z 编码β-半乳糖苷酶 Y 编码通透酶 A 乙酰基转移酶 一个操纵序列O 一个操纵序列 一个启动序列 P 一个调节基因 I 一个分解代谢物基因激活蛋白（ 一个分解代谢物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein,CAP）结合位点 ）
模型的几个假定: 模型的几个假定
该模型的要点 该模型的要点 :主张别构酶所有的亚基或者全部是坚固
紧密的，不利于结合底物的“T”状态，或者全部是松散 的，利于结合底物的“R”状态。这两种状态间的转变对 每个亚基都是同步的，齐步发生的，“T”状态中的亚基 的排列是对称的，变为R状态后，蛋白亚基的排列仍然 是对称的。
如E.Coli 谷氨酰胺合成酶 腺苷酰化无活性 脱腺苷酰化有活性
（三）寡聚酶的解聚和聚合
乙酰CoA + HCO3- + ATP
乙酰CoA羧化酶 丙二酸单酰CoA
柠檬酸激活
丙二酰辅酶A抑制
蛋白激酶调节： 聚合：活性低 解聚：活性高
（四）蛋白酶水解的激活作用
1、胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活 、胃蛋白酶原（ ）
有乳糖存在时，lac操纵子可被诱导。 有乳糖存在时，lac操纵子可被诱导。乳糖在通 操纵子可被诱导 透酶催化、转运进入细胞，再经β 半乳糖苷酶催化， 透酶催化、转运进入细胞，再经β-半乳糖苷酶催化， 转变成半乳糖。 转变成半乳糖。半乳糖作为诱导剂分子结合阻遏蛋 白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离， 使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离， 发生转录。 发生转录。
ATCase活性调节的机理 活性调节的机理
C C C
汞盐
R R R R R R
C C
C C
C
+
C
催化亚基 （三聚体）
R R R R
R R
C
C
C
完整的 ATCase （活性）
调节亚基 （二聚体）
CTP ATP
有催化活性的构象
无催化活性的构象
5.负协同效应（negative cooperative effect） 负协同效应（ 负协同效应 ）
每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。 操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列 原核生物）。 （原核生物）。
启动序列（promotor）：RNA聚合酶结合并启动转录 启动序列（promotor）：RNA聚合酶结合并启动转录 ）：RNA 的特异DNA序列。又称启动子。 的特异DNA序列。又称启动子。各种原核启动序列特定区 DNA序列 域内（通常在转录起始点上游-10及 35区域） 域内（通常在转录起始点上游-10及-35区域）存在共有 区域 序列（ sequence） 序列（consensus sequence） 原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即 原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位， 三个部位 起始部位、结合部位、识别部位。 起始部位、结合部位、识别部位。 操纵序列（operator）：与启动序列毗邻或接近的 操纵序列（operator）：与启动序列毗邻或接近的 ）： DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。其DNA序列常与 DNA序列，是原核阻遏蛋白的结合位点。 DNA序列常与 序列 启动序列交错、重叠。 启动序列交错、重叠。
调节基因
控制基因
结构基因
Lac操纵子及各个组分
（一）阻遏蛋白的负性调节 没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。 没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。I 操纵子处于阻遏状态 序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚 序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚 lac阻遏蛋白与 RNA 合酶与P序列结合，抑制转录启动。 合酶与P序列结合，抑制转录启动。
调节物与变构酶结合后，酶的构象发生变化，新的构象不 利于后续底物分子或调节物的结合。
• 3-磷酸甘油酸脱氢酶 • 3-磷酸甘油酸脱氢酶对NAD浓度的较大变化 不受大的干扰。
（二）序变模型和齐变模型
对称或协同模型（ 对称或协同模型（symmetry or concerted model,也称齐变模型、MWC模型） 也称齐变模型、 模型） 也称齐变模型 模型 1965年由 年由Monod、Wyman和Changeux提出。 提出。 年由 、 和 提出
• （3）补偿性激活
• A→B → C → D → E • • F→G→H
I
2.多功能途径 (1)协同反馈抑制（多价反馈抑制） F→G A→B → C D→E
如：谷氨酸棒杆菌中天冬氨酸激酶
(2)合作反馈抑制 如：催化嘌呤生物合成最初反应
的谷氨酸胺磷酸核糖焦磷酸转氨 酶
F→G A →B → C D→E
第八章
氨基酸发酵机制
第一节、概述 1.代谢控制发酵 遗传学的方法或其他生物化学的方法， 人为的改变、控制微生物的代谢，使有 用产物大量生成、积累的发酵。 条件: (1)搞清楚了微生物细胞各种氨基酸代谢的 遗传控制，代谢调节机制。 (2)可人为的在DNA水平上改变微生物的代 谢 (3)合理的控制环境条件
（n个Glc基） 个 基
2、结构特征 、
3、调节机理 、
磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化
磷酸化酶构象的变化( 磷酸化酶构象的变化(包括亚基的聚合与 解离 化学信号的放大(级联放大) 化学信号的放大(级联放大)
酶的磷酸化和脱磷酸化主要在高等动物细 胞中进行， 胞中进行，而腺苷酰化和脱腺苷酰化在细菌中 比较常见。 比较常见。
脱敏作用： 经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变 构效应物的敏感性，称脱敏作用。 （1）酶解聚 （2）基因突变
4.正协同效应（positive cooperative effect） 正协同效应（ 正协同效应 ） 调节物与变构酶结合后，酶的构象发生变化，新的 构象有利于后续底物分子或调节物的结合。
目前已知可以受化学修饰调节的酶几乎又都是别构酶。
共价调节酶最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶 共价调节酶最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶
1. 糖原磷酸化酶催化的反应
催化糖原的磷酸解，生成 催化糖原的磷酸解，生成G-1-P。 。
+ H3PO4
糖原
糖原磷酸化酶
G-1-P + 糖原
（n-1个Glc基） 个 基
调节基因（ 调节基因（regulatory gene or inhibitor gene, I ）
启动序列 操纵序列 promoter operator
Z 编码β-半乳糖苷酶 编码β 半乳糖苷酶 Y 编码透酶 a 编码乙酰基转移酶
一个分解代谢物基因激活蛋白（ 一个分解代谢物基因激活蛋白（catabolite gene activation protein,CAP）结合位点 ）
① ② ⑨
⑤ ⑩ ⑾ ⑿ ③ ⑥
⑦ ④
⑧
第二节、酶活性的控制
• 别构效应、共价修饰、寡聚酶的解聚与聚合、 蛋白酶水解激活 • 一、变构调节 • （一）变构效应（别构效应） • 1.别构效应：某种不直接涉及蛋白质活性的物质，结
合于蛋白质活性部位以外的其他部位（别构部位）， 引起蛋白质分子的构象变化，而导致蛋白质活性改变 的现象。
正协同效应别构酶与米氏酶动力学比较
大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶（ 大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶（E-Coli aspartate transcarbamylase, ATCase） ）
氨甲酰磷酸 氨甲酰天冬氨酸 天冬氨酸
• （1）Asp浓度增加，ATC酶与底物亲和 力及协同性增加 • （2）CTP反馈抑制ATC酶活性，但不能 全部抑制 • （3）底物浓度饱和而达到最大反应速度 不受抑制剂的影响
第三节、酶合成调节 合成调节方式 1.酶的诱导 2.分解代谢物阻遏 3.终产物调节
一、操纵子学说
酶活性合成调节也即基因表达的转录调节或酶量调节， 酶活性合成调节也即基因表达的转录调节或酶量调节， 是一种相对的慢调节过程。 是一种相对的慢调节过程。基因表达调控是通过操纵子机制 实现的。 实现的。 操纵子（operon）：通常由2 操纵子（operon）：通常由2个以上的编码序列与启动序 ）：通常由 列（promotor）、操纵序列（operator）以及其它调节序列 promotor）、操纵序列（operator） ）、操纵序列 在基因组中成簇串联组成。 在基因组中成簇串联组成。
• 别构酶：受别构效应调节的酶。 • 效应物：凡使酶发生别构效应的物质，
• 通常为小分子代谢物或辅助因子。
2.别构酶结构上的特点 别构酶结构上的特点:多个亚基、有四 别构酶结构上的特点 级结构、活性中心与别构中心可处于不 同的亚基或同一亚基不同的部位。 3.别构酶性质上的特点 别构酶性质上的特点:当专一性底物与 别构酶性质上的特点 别构中心诱导楔合时，随着别构中心构 象的改变，该酶的活性中心构象也会相 应发生变化，从而引起酶催化活性的改 变。
• 调节酶总结：
（1）调节酶一般为变构酶； （2）调节酶反应速度与底物浓度关系多呈S型，有协 同性； （3）调节酶多处于合成代谢途径上而且一般在代谢分 支点，多受终产物反馈抑制； （4）中间产物不影响调节酶的活性； （5）调节酶后面的酶对终产物不敏感； （6）有脱敏作用； （7）调节酶与负效应物非共价结合引起的变构调节， 是酶活性控制的一种快速、敏感、高效的细调方式。