微生物的代谢调节
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量 葡萄糖 木糖 生长曲线
时间
3.3.3 酶合成调节的机制
• 操纵子（Operon）模型：基因在染色体上以操 纵子的形式存在。 • 完美的操纵子 1. 编码阻遏物的调节基因 R (regulator) 2. 阻遏物结合部位 O (operator) 3. 启动子 P (promoter) 4. 结构基因 S (structure gene)
微生物的代谢调节
反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、酶的共价修饰等。
代谢工程
• 育种：通过人工诱变，杂交，基因工程的技术改变代 谢流，筛选突变株。 • 控制微生物培养条件，影响其代谢过程，积累目的产 物。
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
ATP激活
CTP抑制
3.2.2 酶活性调节的机制
1. 变构调节：改变分子的空间构型来调节酶的活性
活性变大
活性变小
激活剂
抑制剂
3.2.2 酶活性调节的机制
2 化学修饰：磷酸化或乙酰化修饰酶来调节酶的活性。
柠檬酸裂解酶 柠檬酸 乙酸 + 草酰乙酸
第三章 微生物的代谢调节和代谢工程
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
MtlT ? Mannitol Dehydrogenase MtlD Fructose Mannitol PtsF
结构基因 S
阻遏物结合部位 O
阻遏蛋白
Fructose-1P
PfkB Fructose-1,6BP
NAD+
NADH
Glycolysis
Electrophoretic mobility shift assay (EMSA)
DNA (10 nM) MtlR-His (900 nM)
F-mtlT4
怎样才能知道 DNA与蛋白质结合
Mannitol catabolic operon of R strain
CglR0187, mtlR CglR0186, mtlT CglR0185, mtlD (DeoR type repressor) (MFS family I, transporter) (Mannitol 2-dehydrogenase)
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
cAMP 乳糖 同时存在时结构基因转录
Βιβλιοθήκη Baidu
3.3.3.3 弱化调节（Attenuation）
• 精细调控，调节位点在翻译和转录水平上。 • 色氨酸合成的调节 • 细胞内有色氨酸存在时，80～90%的翻译停止。
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
3.1.2 微生物自我调节部位
1. 通过细胞膜调节：亲水分子不能通透细胞膜。 需要转运系统进行吸收和外排。 2. 控制通量： （1）调节酶量→粗调 （2）改变现有酶的活性→细调
3.2 酶活性的调节
酶活性的调节： 指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通 过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速 率。 酶活性：抑制←→激活 抑制剂和激活剂可以是外源物，也可是自身 代谢物。一般是低分子化合物。
3.5 能荷的调节
• 能荷：高能磷酸键的量度。
• 能荷调节（或称腺苷酸调节）：指细胞通过 改变ATP、ADP、AMP三者的比例来调节其代谢 活动。 • 细胞内3种腺苷酸含量不同，细胞的能荷状态 不同。能荷状态用“能荷”表示
3.5 能荷的调节
1 ATP ADP 2 能 荷 100% ATP ADP AMP
IPTG (Isopropy-β-D-thiogalactoside)可以低浓度诱导lac启动子
3.3.2 酶合成的阻遏
• 末端产物阻遏：普遍存在于氨基酸，核苷 酸的合成。
3.3.2 酶合成的阻遏
分解代谢物阻遏作用（metabolite repression）
• 葡萄糖和其他碳源混合培养时，葡萄糖的 代谢产物阻遏其他碳源的利用。
乳糖操纵子
完美的操纵子
1. 编码阻遏物的调节基因 R (regulator) 2. 阻遏物结合部位 O (operator) 3. 启动子 P (promoter) 4. 结构基因 S (structure gene)
现实 完美的东西少
棒状杆菌的甘露醇代谢途径
启动子 P 调节基因 R
Mannitol
3.2.1 酶的激活作用与抑制作用
• 酶活性的激活 在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面 的中间产物所促进。
• 酶活性的抑制 主要是反馈抑制;主要表现在某代谢途径的末 端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过 来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整 个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物 的过多累积。
（1）同工酶调节
同功酶是指能催化相同的生化反应的酶，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。
（1）同工酶调节
天冬氨酸 天冬氨酸激酶 I， II， III
中间产物Ⅰ
高丝氨酸
中间产物Ⅱ
甲硫氨酸
苏氨酸
赖 氨 酸
（2）协同反馈抑制
指分支代谢途径中的几个终产物同时过量时 才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调 节方式。
《两种调节的对比》
酶合成的调节 酶活性的调节 控制酶活性，不涉及 酶量变化 快速、精细 酶分子水平调节，调 节酶活性
调节对象
不 同 点 调节效果 调节机制 相同 点
通过酶量的变化控 制代谢速率 相对缓慢 基因水平调节，调 节控制酶合成
细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制 代谢的正常进行。
3.3.3.1 单一效应物调节
• 负调节
3.3.3.1 单一效应物调节
• 正调节
A
B
D
转录激活物
3.3.3.2 两种效应物共同调节
• 乳糖和葡萄糖同时存在时→葡萄糖优先利用的原则 • 葡萄糖存在时→cAMP浓度下降 • 葡萄糖不存在时→cAMP浓度上升→cAMP结合CRP蛋白 →诱导其他糖的利用
• 当细胞内全部为ATP →能荷为100% → 抑制 • 当细胞内全部为ADP →能荷为50% • 当细胞内全部为AMP →能荷为0% → 激活
能荷的调节：抑制，激活葡萄糖的代谢
能荷的平衡
合成ATP酶系
抑制：能荷≥0.75
消耗ATP酶系
静止期
生长期
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
终产物浓度的和
（3）累积反馈抑制
催化分支合成途径第一步反应的酶有几种末 端产物抑制物，但每一种如过量，按一定百分 率单独抑制共同途径中的第一个酶活性，总的 抑制效果是累加的，各末端产物所起的抑制作 用互不影响，只影响这个酶促反应的速率。
（4）增效反馈抑制
两种末端产物同时存在时，可以起着比一种 末端产物大得多的反馈抑制作用。
3.3 酶合成的调节
• 底物一定时，酶的量决定反应的速度。酶量 的调节过程中不涉及酶的活性变化。
• 调节部位在转录和翻译水平上
• 方式：诱导和阻遏
3.3.1 酶合成的诱导作用
• 组成酶：始终合成的酶。例如糖酵解的酶。
• 诱导酶：葡萄糖以外的物质的降解大部分 需要诱导。 • 芳香族化合物，环境污染物质。 • 同一个酶可以有多种诱导剂，但诱导能 力不同。
+1
AGTTTCACGT GATTCGCACC ACGAACTAAT CGGAATTGTG AGTTCAGCGC TGAAGCTACG
130
140
150
160
170
180
TCAAAGTGCA CTAAGCGTGG TGCTTGATTA GCCTTAACAC TCAAGTCGCG ACTTCGATGC 190 MtlR binding 200 site 3 210 220 230 240 CCAGATTTTG TTGAATCTAA CACGGATTTA ACGTGACGGT TTCTCAGTGT TTTTAGCTTC GGTCTAAAAC AACTTAGATT GTGCCTAAAT TGCACTGCCA AAGAGTCACA AAAATCGAAG 250 260 270 280 290 300 TGGCTTTTGG CTTCTGATGC TTTAGCGCTG GACTCAACAT TTAAAACAAA GGTGAACACA ACCGAAAACC GAAGACTACG AAATCGCGAC CTGAGTTGTA AATTTTGTTT CCACTTGTGT 310 320 330 340 350 360 TGTCAGTACA GCAAAGCGGG mtlT ACAGTCATGT CGTTTCGCCC
3.4 分支生物合成途径的调节
• 单一直链式代谢途径的调节比较简单。一般是最终 产物的反馈调节。 • 分支生物合成途径的情况较为复杂。 为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一 分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。 ① 同工酶 ② 协同反馈 ③ 累加反馈 ④ 增效反馈 ⑤ 顺序反馈 ⑥ 联合激活或抑制调节 ⑦ 酶的共价修饰
+1 -10 -35
MtlR binding site 2 70
-35 90 80 100 110-10 120 TTCTAACATT TTTATGTTAG GTCTTGCTTT TTTATAACAT GATGGCGTTA GATTGTTGTT AAGATTGTAA AAATACAATC CAGAACGAAA AAATATTGTA CTACCGCAAT CTAACAACAA
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
5400
6000
6600 6944
mtlR 10 20 30 40 MtlR binding 50 site 1 60 GCGGGAATCA CTTGGGACAT GTGAAAAAGT TACCACGGAA ATGTTGTTAG ATCCAGCACT CGCCCTTAGT GAACCCTGTA CACTTTTTCA ATGGTGCCTT TACAACAATC TAGGTCGTGA
（5）顺序反馈抑制
每个分支末端产物抑制分支后的第一个酶， 产生部分抑制作用。通过逐步有顺序的方式达 到的调节。
（6）联合激活或抑制调节
一个中间产物参加两个不同的代谢途径。这 个中间产物的量影响两个代谢途径。
（7）酶的共价修饰
通过共价修饰（小分子）的改变酶的活性。
活性大
活性小
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
第三章 微生物的代谢调节和代谢工程
P22
代谢调节？代谢工程？
• 代谢调节：微生物本身的调节体系。为了适应 外界环境，经济合理的利用各种物质和能量， 维持自身的生长繁殖。 • 代谢工程（调控）：人工调节体系。人为的让 微生物积累人们需要的代谢产物。 • 代谢工程要胜于代谢调节：目的产物的积累往 往对微生物的生长不利，微生物要通过代谢调 节来解除人的目的产物的积累。代谢工程需要 战胜微生物的代谢调节。
3.1 微生物的代谢类型和自我调节
高分子有机物 分解代谢 易降解物质优先 ATP 合成代谢 NADH 现有前体物质优先 中间体 低分子 CO2
《代谢调节的宗旨是勤俭节约》
• 分解代谢 • 易降解物质优先，降解时消耗能量少 • 抑制难降解物质的降解
• 合成代谢 • 首先利用周围现有前体物质 • 抑制现有前体物质的合成，节约能量
DNA (2 nM) MtlR-His (nM) 0 F-mtlRT 50 100 DNA (2 nM) MtlR-His (100 nM) F-mtlR1 + F-mtlR2 + -
凝胶迁移
F-mtlT1 + F-mtlT2 + -
F-mtlR4
F-mtlR3
F-mtlR5
F-mtlR6
F-mtlT3
时间
3.3.3 酶合成调节的机制
• 操纵子（Operon）模型：基因在染色体上以操 纵子的形式存在。 • 完美的操纵子 1. 编码阻遏物的调节基因 R (regulator) 2. 阻遏物结合部位 O (operator) 3. 启动子 P (promoter) 4. 结构基因 S (structure gene)
微生物的代谢调节
反馈抑制、反馈阻遏、酶的诱导调节、酶的共价修饰等。
代谢工程
• 育种：通过人工诱变，杂交，基因工程的技术改变代 谢流，筛选突变株。 • 控制微生物培养条件，影响其代谢过程，积累目的产 物。
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
ATP激活
CTP抑制
3.2.2 酶活性调节的机制
1. 变构调节：改变分子的空间构型来调节酶的活性
活性变大
活性变小
激活剂
抑制剂
3.2.2 酶活性调节的机制
2 化学修饰：磷酸化或乙酰化修饰酶来调节酶的活性。
柠檬酸裂解酶 柠檬酸 乙酸 + 草酰乙酸
第三章 微生物的代谢调节和代谢工程
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
MtlT ? Mannitol Dehydrogenase MtlD Fructose Mannitol PtsF
结构基因 S
阻遏物结合部位 O
阻遏蛋白
Fructose-1P
PfkB Fructose-1,6BP
NAD+
NADH
Glycolysis
Electrophoretic mobility shift assay (EMSA)
DNA (10 nM) MtlR-His (900 nM)
F-mtlT4
怎样才能知道 DNA与蛋白质结合
Mannitol catabolic operon of R strain
CglR0187, mtlR CglR0186, mtlT CglR0185, mtlD (DeoR type repressor) (MFS family I, transporter) (Mannitol 2-dehydrogenase)
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
cAMP 乳糖 同时存在时结构基因转录
Βιβλιοθήκη Baidu
3.3.3.3 弱化调节（Attenuation）
• 精细调控，调节位点在翻译和转录水平上。 • 色氨酸合成的调节 • 细胞内有色氨酸存在时，80～90%的翻译停止。
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
3.1.2 微生物自我调节部位
1. 通过细胞膜调节：亲水分子不能通透细胞膜。 需要转运系统进行吸收和外排。 2. 控制通量： （1）调节酶量→粗调 （2）改变现有酶的活性→细调
3.2 酶活性的调节
酶活性的调节： 指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通 过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速 率。 酶活性：抑制←→激活 抑制剂和激活剂可以是外源物，也可是自身 代谢物。一般是低分子化合物。
3.5 能荷的调节
• 能荷：高能磷酸键的量度。
• 能荷调节（或称腺苷酸调节）：指细胞通过 改变ATP、ADP、AMP三者的比例来调节其代谢 活动。 • 细胞内3种腺苷酸含量不同，细胞的能荷状态 不同。能荷状态用“能荷”表示
3.5 能荷的调节
1 ATP ADP 2 能 荷 100% ATP ADP AMP
IPTG (Isopropy-β-D-thiogalactoside)可以低浓度诱导lac启动子
3.3.2 酶合成的阻遏
• 末端产物阻遏：普遍存在于氨基酸，核苷 酸的合成。
3.3.2 酶合成的阻遏
分解代谢物阻遏作用（metabolite repression）
• 葡萄糖和其他碳源混合培养时，葡萄糖的 代谢产物阻遏其他碳源的利用。
乳糖操纵子
完美的操纵子
1. 编码阻遏物的调节基因 R (regulator) 2. 阻遏物结合部位 O (operator) 3. 启动子 P (promoter) 4. 结构基因 S (structure gene)
现实 完美的东西少
棒状杆菌的甘露醇代谢途径
启动子 P 调节基因 R
Mannitol
3.2.1 酶的激活作用与抑制作用
• 酶活性的激活 在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面 的中间产物所促进。
• 酶活性的抑制 主要是反馈抑制;主要表现在某代谢途径的末 端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过 来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整 个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物 的过多累积。
（1）同工酶调节
同功酶是指能催化相同的生化反应的酶，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。
（1）同工酶调节
天冬氨酸 天冬氨酸激酶 I， II， III
中间产物Ⅰ
高丝氨酸
中间产物Ⅱ
甲硫氨酸
苏氨酸
赖 氨 酸
（2）协同反馈抑制
指分支代谢途径中的几个终产物同时过量时 才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调 节方式。
《两种调节的对比》
酶合成的调节 酶活性的调节 控制酶活性，不涉及 酶量变化 快速、精细 酶分子水平调节，调 节酶活性
调节对象
不 同 点 调节效果 调节机制 相同 点
通过酶量的变化控 制代谢速率 相对缓慢 基因水平调节，调 节控制酶合成
细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制 代谢的正常进行。
3.3.3.1 单一效应物调节
• 负调节
3.3.3.1 单一效应物调节
• 正调节
A
B
D
转录激活物
3.3.3.2 两种效应物共同调节
• 乳糖和葡萄糖同时存在时→葡萄糖优先利用的原则 • 葡萄糖存在时→cAMP浓度下降 • 葡萄糖不存在时→cAMP浓度上升→cAMP结合CRP蛋白 →诱导其他糖的利用
• 当细胞内全部为ATP →能荷为100% → 抑制 • 当细胞内全部为ADP →能荷为50% • 当细胞内全部为AMP →能荷为0% → 激活
能荷的调节：抑制，激活葡萄糖的代谢
能荷的平衡
合成ATP酶系
抑制：能荷≥0.75
消耗ATP酶系
静止期
生长期
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
终产物浓度的和
（3）累积反馈抑制
催化分支合成途径第一步反应的酶有几种末 端产物抑制物，但每一种如过量，按一定百分 率单独抑制共同途径中的第一个酶活性，总的 抑制效果是累加的，各末端产物所起的抑制作 用互不影响，只影响这个酶促反应的速率。
（4）增效反馈抑制
两种末端产物同时存在时，可以起着比一种 末端产物大得多的反馈抑制作用。
3.3 酶合成的调节
• 底物一定时，酶的量决定反应的速度。酶量 的调节过程中不涉及酶的活性变化。
• 调节部位在转录和翻译水平上
• 方式：诱导和阻遏
3.3.1 酶合成的诱导作用
• 组成酶：始终合成的酶。例如糖酵解的酶。
• 诱导酶：葡萄糖以外的物质的降解大部分 需要诱导。 • 芳香族化合物，环境污染物质。 • 同一个酶可以有多种诱导剂，但诱导能 力不同。
+1
AGTTTCACGT GATTCGCACC ACGAACTAAT CGGAATTGTG AGTTCAGCGC TGAAGCTACG
130
140
150
160
170
180
TCAAAGTGCA CTAAGCGTGG TGCTTGATTA GCCTTAACAC TCAAGTCGCG ACTTCGATGC 190 MtlR binding 200 site 3 210 220 230 240 CCAGATTTTG TTGAATCTAA CACGGATTTA ACGTGACGGT TTCTCAGTGT TTTTAGCTTC GGTCTAAAAC AACTTAGATT GTGCCTAAAT TGCACTGCCA AAGAGTCACA AAAATCGAAG 250 260 270 280 290 300 TGGCTTTTGG CTTCTGATGC TTTAGCGCTG GACTCAACAT TTAAAACAAA GGTGAACACA ACCGAAAACC GAAGACTACG AAATCGCGAC CTGAGTTGTA AATTTTGTTT CCACTTGTGT 310 320 330 340 350 360 TGTCAGTACA GCAAAGCGGG mtlT ACAGTCATGT CGTTTCGCCC
3.4 分支生物合成途径的调节
• 单一直链式代谢途径的调节比较简单。一般是最终 产物的反馈调节。 • 分支生物合成途径的情况较为复杂。 为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一 分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。 ① 同工酶 ② 协同反馈 ③ 累加反馈 ④ 增效反馈 ⑤ 顺序反馈 ⑥ 联合激活或抑制调节 ⑦ 酶的共价修饰
+1 -10 -35
MtlR binding site 2 70
-35 90 80 100 110-10 120 TTCTAACATT TTTATGTTAG GTCTTGCTTT TTTATAACAT GATGGCGTTA GATTGTTGTT AAGATTGTAA AAATACAATC CAGAACGAAA AAATATTGTA CTACCGCAAT CTAACAACAA
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
5400
6000
6600 6944
mtlR 10 20 30 40 MtlR binding 50 site 1 60 GCGGGAATCA CTTGGGACAT GTGAAAAAGT TACCACGGAA ATGTTGTTAG ATCCAGCACT CGCCCTTAGT GAACCCTGTA CACTTTTTCA ATGGTGCCTT TACAACAATC TAGGTCGTGA
（5）顺序反馈抑制
每个分支末端产物抑制分支后的第一个酶， 产生部分抑制作用。通过逐步有顺序的方式达 到的调节。
（6）联合激活或抑制调节
一个中间产物参加两个不同的代谢途径。这 个中间产物的量影响两个代谢途径。
（7）酶的共价修饰
通过共价修饰（小分子）的改变酶的活性。
活性大
活性小
提纲
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微生物的代谢类型和自我调节 酶活性调节 酶合成调节 分支生物合成途径的调节 能荷调节 代谢调控 次级代谢与次级代谢调节 代谢工程
第三章 微生物的代谢调节和代谢工程
P22
代谢调节？代谢工程？
• 代谢调节：微生物本身的调节体系。为了适应 外界环境，经济合理的利用各种物质和能量， 维持自身的生长繁殖。 • 代谢工程（调控）：人工调节体系。人为的让 微生物积累人们需要的代谢产物。 • 代谢工程要胜于代谢调节：目的产物的积累往 往对微生物的生长不利，微生物要通过代谢调 节来解除人的目的产物的积累。代谢工程需要 战胜微生物的代谢调节。
3.1 微生物的代谢类型和自我调节
高分子有机物 分解代谢 易降解物质优先 ATP 合成代谢 NADH 现有前体物质优先 中间体 低分子 CO2
《代谢调节的宗旨是勤俭节约》
• 分解代谢 • 易降解物质优先，降解时消耗能量少 • 抑制难降解物质的降解
• 合成代谢 • 首先利用周围现有前体物质 • 抑制现有前体物质的合成，节约能量
DNA (2 nM) MtlR-His (nM) 0 F-mtlRT 50 100 DNA (2 nM) MtlR-His (100 nM) F-mtlR1 + F-mtlR2 + -
凝胶迁移
F-mtlT1 + F-mtlT2 + -
F-mtlR4
F-mtlR3
F-mtlR5
F-mtlR6
F-mtlT3