微生物生理word版（整理于20141205）

微生物生理学是微生物学的一个重要分支。它从生理生化的角度研究微生物细胞在实验室和自然条 件下细胞的形态结构和功能，以及生命活动的特点与规律的科学。 鞭毛(flagellum, 复 flagella): 着生方式:单端鞭毛、两端生鞭毛、端生丛毛、周生鞭毛 运动方式： 1 细菌以推进方式做直线运动 2 以翻腾形式做短促转向运动 鞭毛运动的趋化性： 在液体环境中处于持续不断的随机运动的菌体，如果遇到某种因素对其有所影响时，细菌具 有对环境刺激作出改变运动方向的能力，显示出趋避性，也称趋化性（chemotaxis），如趋氧性， 趋光性等。 二组分系统; 由两种不同的蛋白质组成。也叫双酶体系 1. 传感蛋白（传感激酶） 2. 应答调节蛋白（响答调节子） 趋化性体系: 1.小分子物质通过外膜进入周质空间。 2.这些小分子与专一性受体蛋白（M，G，R）作用. 3.信号传递，一类蛋白称为甲基接受趋化蛋白( MCP). 4.MCP蛋白甲基化。 甲基转移酶（CheR ） S-腺苷蛋氨酸（Ado Met ）MCP-谷氨酸甲基酯 甲基酯酶(CheB) 双酶体系：CheA（组氨酸蛋白激酶) CheB.CheY（响答调节子） 细胞壁结构: 一. 外膜层：外侧是脂多糖，内侧磷脂组成。 二. 内层：是肽聚糖， 三.周质空间：界于细胞质膜和胞壁外膜层的空间为周质空间。 四. 蛋白和酶类 孔蛋白（porins）： 是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1nm的孔 道，通过孔的开、闭，可对进入外膜层的物质进行选择。分为：非特异性孔蛋白、特异性孔蛋白 周质空间(periplasmicspace, periplasm) ： 又称壁膜间隙。在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约 1215nm），呈胶状。 在周质空间中，存在着多种周质蛋白（periplasmicproteins） 水解酶类；合成酶类；结合蛋白；受体蛋白 大荚膜（macro capsules）在光学显微镜下可见，厚度在0.2m以上。 微荚膜（micro capsules ）在光学显微镜下看不见，在0.2m 以下，用免疫学方法测定它的存在。 slime layers粘液层，在细胞表面，没有特定的形态结构，一般也是多糖为主的物质，它与菌体表面 结合松散，在细菌生长过程中能分泌到培养基里的粘性物质层。 革兰氏阳性和阴性细菌的比较： 一、化学组份： 主要成份为水，占90%。除水外，主要为多糖，还有一 定数量的多肽，糖蛋白，脂蛋白等，因菌种而异。 荚膜多糖（1）同型：由一种单糖组成（葡聚糖）。 （2）异型：由一种以上或单糖衍生物组成。 二、功能： 1对菌体起保护作用。 2形成各种形状的菌胶团。 3防止干燥和防吞噬。 4作为贮存物，在碳源缺乏时可利用荚膜物质生存。 野油菜黄单胞菌（Xanthomonascampestris） ，产生的胞外多糖（黄原胶） ， 美国称之为Xanthangum，在国内外应用非常广泛，用量很大。 1 结构：一种异型多糖，由D葡萄糖，D甘露糖，D葡糖醛酸，乙酸和丙酮酸组成的“五 糖重复单位”。 一级结构： 分子主链由D葡萄糖1.4键连起来的，其结构类似纤维素。两个葡萄糖中的一个连接一 个侧链，侧链由两个甘露糖和一个葡萄糖醛酸组成，甘露糖6C 位置有一个乙酰基，在末端甘 露糖的4C、位置有一个丙酮酸（图2）。6C 二级结构：呈双螺旋结构，易溶于水。 2性质：（1）具有假塑性（流变性），乳化稳定性，颗粒悬浮性。（2）耐酸碱，耐 高温。（3）抗盐钙。（4）高粘度。用于油田开发，作为钻井泥浆。用于二次、三次 采油，提高采油率。用于食品工业，作为食品添加剂，1983年世界卫生组织（WHO） 在罗马开会，批准Xanthongum（黄原胶）在世界范围使用，用量每年上万 吨（美国）用于食品。 肽聚糖（Peptidoglycon）： 一、肽聚糖是异型多糖大分子1. 主链由N乙酰葡萄糖胺（ G）和N 乙酰胞壁酸（M ）相间排列， 以14糖苷键交联的分子直链。2 .短肽链，氨基酸的排列顺序通常为：五肽链：L丙D 谷 DAP D丙（D丙）。有的菌以L丝氨酸或甘氨酸代替L 丙氨酸，以D 谷氨酰胺代替 D谷氨酸。 二、肽聚糖大分子的排列特点：I型（E.coli）G：4肽侧链之间直接交联。1个肽链中的DAP与另 一个肽链的第4个D丙氨酸之间形成肽键，交联一起。 (图2-23） II型（Staphylococcus aureus） G+：是通过一个小肽或一个氨基酸将两个短肽链上的D丙氨酸和Llys连接起来。III型 （Micrococcus lysodeikticas ）：是通过与N乙酰胞壁酸上肽侧链相同的小肽链将二条肽侧链交联 起来（有多次重复）。 IV型（Corynebacterium）：4肽侧链中不含有二氨基酸，而是通过一个lys 或鸟氨酸将一个肽链的Dala与另一个肽链的Glu（谷）联起来 自我组装： 自我组装是大分子之间相互作用的结果，只有在分子表面的结构互相弥补时，两个大分子才能紧密 连接和相互结合,并在合适条件下能按一定的程序和规律自行装配成更高一级的结构，以执行细胞的 各种功能。 一、 T44噬菌体的组装 噬菌体T4的结构( 图8.5 ) 1.头部的组装 P23是头部重要蛋白，占总蛋白80%. 2尾部的组装（ 1-16，1-17） 3完整T4 phaeg组装（Figure 12） 4.顺序与定时，以上T4 phage的组装过程，各蛋白的产生是在不同的时间，有顺序地合成 ,这个过程 涉及到基因的表达和调控（Fig S14-3）。 二、 E.coliE.coli菌体组装途径 葡萄糖前体代谢物建筑板块大分子物质细胞结构（Fig 1) 分子伴侣（Molecular ChaperonesMolecular Chaperones） 定义：参与和催化并介导其它多肽连的折叠，蛋白质寡聚体的装配与转运，但不是最终结构的一部 分，它们只是折叠、装配、转运的帮助者，并不带有决定折叠的三维信息，而是在蛋白折叠和装配 过程中，通过识别与稳定折叠中间体，促进正确结构的形成，它们是一类进化上很保守的蛋白质， 广泛存在于原核与真核生物中。 折叠机制 蛋白质的折叠是一个逐步反应的过程，由未折叠态（U ）变成中间态（I），再变成成熟态（N ）。 UIN 第一步：是一个快速反应的过程，它涉及到分子内特定二级结构的形成。中间态I是一个易变的结 构。 第二步：是决定速率的一步，涉及到特定的三维结构的形成，这是一个慢速反应与协同作用的过 程。 分子伴侣的功能 1参与新生肽的折叠与蛋白质的装配2参与并促进蛋白质的转运与分泌。3抗逆反 应 三、分子伴侣的分类及作用 1分为三类：核质素（ nucleoplasmin）核小体的装配。伴侣蛋白（ chaperones） Hsp60、Hsp10，蛋白折叠， Rubisco组装热激蛋白（heat shock protein）Hsp70 ，折叠、组装、 分泌。 2Hsp70Hsp70分子结构及其在蛋白质折叠中的作用 在E.coli中的 Hsp70称为DnaK。它由2个结构域组成，N 端结构域保守，有ATP酶活性，C端结 构域可变性强，能结合伸展的肽链。DnaK由2个协同因子DnaJ和GrpE 所调节行使功能。 3Hsp60和Hsp10分子结构及其作用 在E.coli中 Hsp60（GroEL ） GroEL：14个亚基组成双层饼状，每层 7个亚基。 Hsp10（GroES） GroES：由 7个亚基组成，形成单层饼状。 4Hsp70和Hsp60家族在折叠中的二重奏 Hsp70（DnaK ）结合未折叠的肽链，使其不发生错误折叠和聚集，然后由Hsp60 捕捉从Hsp70释 放的未折叠肽链使其完成折叠。 四、冷激蛋白 CspA家族 冷激蛋白在细胞适应低温环境和增强抗冻性方面起重要作用。 1CspA 家族在 E.coli中有 9个成员，分别为：CspA、B 、G 、D 、C、E、F 、H、I，它们的等电点 在5.53-10.72之间，氨基酸残基数目以69-74 不等，具有高度同源性。 2结构：CspA被发现了 S1结构域. 3. 功能：由于存在 S1结构域， CspA起RNA 结合蛋白作用。最近提出 CspA可能是RNA 分子伴 侣。 4. 诱导调控：冷框（ Cold Box）CspA的冷框在转录水平上起十分重要作用。 信号肽： 一、分泌的概念 在细胞质的核糖体上合成的蛋白质必须定向地、准确无误地进行运送，有些蛋白质将定位于细胞质 以外的胞膜，周质空间，外膜以及细胞之外的环境中，这些蛋白质称输出蛋白，其中定位于周质空 间及其以外的蛋白质称为分泌蛋白质（excreted protein）。 二、信号肽 是指专门负责新生肽链穿越内质网膜起 信号作用的肽链，位于肽链N 末端。 在真核生物中， protein跨膜有种2情况： （1）通过内质网膜，一般称这个过程中是信号肽（Signal peptide）。 （2）通过细胞器膜的是导肽（leader sequence）。 三、信号肽和新生肽进入粗面内质网膜： 有6种大分子或大分子体系参与穿越过程 核糖体，信号肽识别颗粒（SRP）. 在RER膜上同时存在着信号序列受体（SSR），SRP受体以及核糖体受体。通过三个受体的多重识 别，信号肽和RER专一地结合. RER膜上存在信号肽酶复合物（SPC）. 四、细菌信号肽跨膜运送的三种类型 1Bayers junction （Fig7）细菌外膜的内层磷脂分子与细胞质膜的外层磷脂分子在一定部位相 连，形成一个通道，向外输送蛋白分子。 2弯环模型（ Bent loop Model）信号肽不是直线通过脂双层，而是在运送过程中形成一种环状结 构（Fig6）。 3膜触发假说 它与其它的假说区别在于，它着重强调蛋白质的构象的折叠在其本身运输中所起的作用，认为 信号肽序列的作用是使蛋白质形成一个适于运输的构象，前体蛋白与膜结合后，触发了构象变 化能自身插入并穿过磷脂双分子层。 4运送蛋白：发现 E.coli质膜上有一种由SecY基因编码的蛋白质，参与蛋白跨膜外送 （SecB 、 D、E 等基因） 。 导肽（leader sequences）运送至具有膜结构的细胞器中的蛋白质是合成之后再运送的，运送之前 大多数以前体形式存在，它由成熟形式的蛋白质和N末端伸出的一段肽链称导肽共同组成。 一、肽聚糖的组装（Assembly of peptidoglycan） 糖基载体脂（undP 或GclP）是聚异戊烯磷酸酯，是糖核苷酸的载体。 1、组装过程： （1）NAG和NAM- 五肽，在细胞质中合成，并核苷酸化. （2）在转移酶作用下，将UDPNAG与undPPNAMPentaAA 结合，形成肽 聚糖的重复单位。 （3）肽桥是 ATP和tRNA参与下，通过肽键连结起来. 2 . 转运过程： 肽聚糖1.4 糖苷键断开，同时在转移酶作用下，连接个由undP运来的新的肽聚糖单位 3肽聚糖的交联 交联反应是受转肽酶催化，在周质空间进行。 二、外膜的组装（Assembly of outer membrane） 1Lipopolysaccharide( LPS）的组装 LPS亚单位是在细胞膜内合成. （1）在undP上形成多糖侧链。 （2）在脂A上建起核心寡糖. 2转运 亚单位通过各自的载体，在转移酶作用下，将多糖侧链连接到核心寡糖上，形成一个完整的LPS分 子, 三、磷脂的组装（Assembly of phospholipids） 1在细胞膜内侧磷脂中，新合成的磷脂分子通过向后翻“筋斗”转移到双分子层的外侧层。 2外侧层的磷脂分子又通过侧向扩散移动.自我组装作用形成外膜层。 四、外膜蛋白的组装（Assembly of outer membrane proteins） 1核糖体吸附在细胞膜的内表面. 2多肽链的转运。 3定位 五、细菌鞭毛组装 1基体的形成 1-6步 2弯头形成7-10步 3鞭毛丝形成11-12 鞭毛的生长方式是在其顶部延伸 六、纤毛的组装（ Fig22、23） 纤毛组装受数十个基因控制，这些基因称为鞭毛基因，用Pap表示（或Fla）. 1纤毛亚单位的输出。 2在组装平台 C处（PapC ）,首先是GF E 形成纤毛的顶端。 3纤毛的主体蛋白 PapA组装，纤毛生长。 4终止子锚蛋白（ PapH）起到锚和终止的作用。 与复制有关的酶 一、E.coliDNA聚合酶I（全酶）（Pol1） 分子量109000D，可被胰蛋白酶切成一个大片段和一个小片段。 大片段：具有53DNA聚合酶活性，和35外切酶活性。 小片段：有53外切酶活性。 1结构：有 5个活性位点（ Fig30） 2功能及作用（ Fig29） （1）53DNA聚合酶活性（复制）（2）53外切酶活性（修复作用） （3）35外切酶活性（核对作用） 3酶I的作用底物（图 3-2） 二、E.coli聚合酶 II、III 酶II、III只能利用较短的“间隙”DNA作为模板，两者都不能利用单链DNA作模板，酶II 缺少53外切酶活性 DNA合成中，pol III是polI的15倍，是pol II的300倍，所以pol III主要负责DNA复制。 三、真核生物DNA聚合酶 高等真核细胞中存在四种：、（线粒体中），它们的作用与E.coli聚合酶相似， 但不具备核酸外切酶活力。 四、T4 噬菌体DNA聚合酶 它与DNA聚合酶I klenow大片段相似，具5 3聚合酶活性及35外切酶活性。 五、TaqDNA聚合酶 是一种耐高温的酶（75-80），主要用于DNA的体外扩增（PCR反应）。 五、单链结合蛋白 SSB (E.coli ）， 又称双螺旋反稳定蛋白（HDP） 特性： 1. 可降低DNA的溶解温度（Tm）和互补单链DNA的复性温度。 2.和单链DNA结合后使之免受酶解和破坏。 3.可以触发DNA结构的变化，使之有利于某种功能的进行等。 六、解旋酶（Unwinding protein） or (Helicase) 也叫螺旋酶 特性：解开双链DNA，使之变成单链形式，能量ATP.有2类： （1）53方向链的解旋酶I、II、III。 （2）35方向链的解旋酶rep protein 七、旋转酶 也叫转环酶：（拓朴异构酶II） 特性：可将共价闭合环状的超螺旋DNA分子变成松驰状态。它能产生负超螺旋并消除复制叉移动所产 生的正超螺旋。 八、DNA连接酶 引物与引发酶 引物大多为一段RNA，由一种独特的RNA聚合酶合成，这种酶称为引物合成酶，现称引发酶。 E.coli的引发酶由dnaG基因编码。引发酶与有关蛋白质相互结合成一个复合体时, 才有活性，这种 复合体称为引发体（复制体）。 一、E.coliDNA 复制过程 1识别起始点 ,。2 DNA解链.3 RNA引物生成.4在RNA引物上合成DNA ，53方向为先导链， 35方向的为后续链。 5RNA引物切除。6DNA片段连接。形成与两条母链互补的DNA 子链 （半保留复制）在复制叉中进行。 二、单链 DNADNA噬菌体的复制（G4，M13 ， X174） 由SS RF 复制形式（Fig32）SS ：（Single-Strand）单链RF：（replicativeform）双链复制病 毒DNA（+）（）双链 三、由RF SS复制形式（X174 ）滚环模型 1正链在复制原点被 CisA蛋白切开，并结合于5末端。 2以闭合的负链为模板，自正链3 OH端延伸，合成新的正链，同时负链随着正链的延长而定向 转动。 3. 合成完毕，特定的酶作用使之分离，CisA 蛋白作用下连接成闭环状。 四、 X174X174 负链复制过程 1.识别：SSB蛋白结合。 2.预引发体组装：它能识别预引发位点。 3.移动: 当预引发体形成之后，引发酶加入，成为引发体（primosome）, 并合成引物. 4.引物延伸，在此基础上合成DNA链。 5.DNA链延伸。 6.连接。 五、 E.coli质粒 Col E1复制子 1单向复制由特异的起点开始。 （1）由一段 RNA引物所引导，该引物的启动子位于复制起点上游555bp处。 （2）形成RNA引物(RNA II)。 2RNA 引物形成的调节系统 (1).RNA的成熟由另一个不翻译的RNA小分子（称为RNA I）所控制（负调节）。 (2). Rop蛋白，它可以增强RNA I和RNA II的结合，因此强化了RNA I对复制子的负调节作用。 3.反义RNA 调控 RNA除了具有催化功能（即ribozyme）之外，还具有调节基因表达的功能。这种调节 RNA被称为反义RNA。它具有能与另一“靶”RNA互补结合的序列。 RNA聚合酶 一、原核生物的RNA聚合酶 E.coli的RNA聚合酶由五个亚基组成（2、） （1）亚基的功能：识别启动子上的R位点，促进全酶与 DNA序列的结合。 （2）亚基：可能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。 （3）亚基：与有意义链结合。 （4）亚基：以二聚体形式存在，可能参与全酶和启动子的牢固结合。 二、真核生物的 RNA聚合酶 RNA聚合酶I：存在于核仁中，合成5.8S、18S 、28S rRNA RNA聚合酶II：存在核质中，合成mRNA RNA聚合酶III：存在核质中，合成tRNA和5S rRNA 控制转录起始的 DNA序列 一、操纵子（operon）现称操纵元包括结构基因和控制区以及调节基因的整 个核苷酸序列叫做操纵子。 控制区由两部分组成： （1）操纵基因（operator）；（2）启动子（promoter）。 二、原核生物的启动子结构 在操纵子中，从mRNA开始转录的位点以上，都是启动子序列，长度从 20bp-200bp不等。 如：E.coli乳糖操纵子的启动子有85个bp. （1）CAP-cAMP结合位点（2）RNA 聚合酶结合位点 转录中重要过程发生在启动子上： 1RNA聚合酶结合到识别位点上.2移动到结 合位点上（B位点）。3建立一个开放性启动子复合物.转录的第一个碱基定为 +1，顺转录方向而下为正值，逆转录方向而上的为负值。 三、 Pribnow框 Pribnow框存在10区左右的一段核苷酸序列中. 大多包含TATAAT 序列,这六个核苷酸序列称为 pribnowbox，由于在10位点附近，又称10区， 10区是RNA聚合酶牢固结合位点。 四、 SextamaSextama 框 又叫35序列（图6-3 ），序列为：TTGACA。 1是RNA聚合酶识别的位点（R位点） 2这一序列的核苷酸结构决定了启动子的强度。 3Sextama框和 Pribnow框之间的距离十分重要。两个序列之间为17bp时转录效率最高。 五、 CAPcAMP 复合体位点 在启动子上有两个CAP结合位点，一个是在70到50（位点I），另一个是在50到40（位点 II）。 转录过程 一、RNA聚合酶与模板DNA的结合 形成开放性启动复合物，这时由RNA聚合酶、DNA、RNA链组成的复合物称为三元复合物。 二、RNA合成开始 在E.coli中的RNA第一个碱基是G。转录开始之后， 亚基从全酶上解离。 三、链伸长 RNA链延伸反应由核心酶催化，合成方向53。 RNA合成的终止 在DNA链上有终止信号，它被转录于RNA序列之中，这种提供终止信号的序列叫终止子 （terminator）。 终止子分为两类： 1、不依赖于蛋白辅因子而能实现终止作用。 2、依赖蛋白辅因子才能实现终止作用，通常称因子。 五、终止作用的机制 1.不依赖 因子的终止作用 在迴文序列处转录出来的RNA形成二级结构（stem-loop），这种结构与RNA 聚合酶的某种特定空间 结构相嵌合，阻碍了RNA链从三元复合体中进一步向外释放，因而造成转录作用的高度延宕。于是 三元复合体解体，RNA聚合酶从DNA上解离下来，实现终止。 2. 依赖于 因子的终止子作用 由于依赖于因子的终止子GC对含量低，因而延宕时间短，而且迴文序列的下游中也缺少连续的 A/U，则RNA聚合酶会继续通读转录下去，当因子存在时，转录才能终止。 转录后的修饰 一、真核生物中mRNA的修饰 1.帽子在mRNA 5 端是以 55三磷酸二酯键相连的二核苷酸领头,而且5端的第一个核苷酸总是 N7甲基鸟嘌呤核苷酸。这个结构称帽子。 2.多聚AA尾巴多聚A尾巴( polyA)大约为100200nt。大多数真核生物mRNA都具有5末端的多聚A 尾巴。Mgor Mn 多聚核糖核苷酸 + nATP多聚核糖核苷酸（A ）n + nPPi （原核生物中，mRNA 也有部分存在多聚A尾巴） 二、 rRNA 1.各类细菌中都含有3种rRNA。16S、23S、5S.其基因转录时在一起，先转录出前体，然后被核糖核 酸酶III 切割、加工成 16S、23S、5S的rRNA，甲基化后成为有活性的 rRNA。 2. rRNA基因都与 tRNA基因混杂排列在一个操纵子中. 三、 tRNA E.coli的tRNA1Tyr 分子含有 85个核苷酸，在DNA中有两个拷贝，两个基因之间有一段 200个核苷酸 的间隔子。 原始转录物在tRNA分子之前有41个核苷酸的前导序列，在tRNA分子之后有224个核苷酸。 tRNA转录后处理修饰 1内切酶切断发夹结构。 2RNaseD 能识别CCA末端序列，是外切核酸酶， 作用于3 端，所生成的分子叫做前tRNA。3RNaseP切断tRNA的5P末端。4RNaseD 除去3 末端的二个核苷酸. 5.有6个碱基通过专一性的酶作用变为异常碱基。 E.coli中的小分子 RNA 小分子RNA（s RNA）有10种（除5S RNA和tRNA） 一sRNA分为三类（按照作用机理） 1类：（具有特殊活性的RNA） Spot 42 RNA 10S RNA 10Sa（tmRNA ） 10Sb（RNasePRNA） 4.5S和6S RNA 2类：CsrBRNA 4.5S RNA（RNA蛋白作用行使功能） OxySRNA，DsrARNA 3类：MicF，DicF，DsrA和OxySRNA（RNARNA相互作用行使功能） 二 sRNA的性质和功能 1、4.5S RNA，长114nt ，其基因在细胞中是必需的，一方面在蛋白质翻译中起作用。另一方面在蛋 白质分泌中起作用（是SRP的必需组分）。 2、tmRNA，长 363nt，不同的细菌中大小不等，在349-411nt之间，由基因ssrA编码。 a、tmRNAtmRNA结构特点： 其5和 3末端序列有一个类似丙氨酰tRNA （tRNAAla ）的结构，中间序列编码标记肽（tag peptide）。它兼有tRNA和mRNA的双重功能。 参与一种特殊的翻译反应反式翻译反应 转录后翻译起始的调控 一SD顺序： 1974年Shine和Dalgarno首先发现，在mRNA 上有核糖体结合位点，它包括起始密码子AUG 和一段 位于AUG上游310bp处的由39bp组成的序列AGGAGG。它刚好与16S rRNA3 末端富含嘧啶 的序列互补，是rRNA的识别与结合位点，根据发现者的名字命名为S D序列。 二 mRNAmRNA的二级结构 mRNA的二级结构也是翻译起始调控的重要因素，因为30S亚基与mRNA的靠近与结合，要求mRNA 5端有一定的空间结构. 三.mRNA的稳定性影响翻译效率。 四 稀有密码子 在不同种类的生物中，各种tRNA的含量区别很大，产生了对密码子的编爱性，对应的 tRNA丰富或 稀少的密码子，分别称为偏爱密码子或稀少密码子，含稀有密码子的基因表达效率低。 五 重叠基因 现在认为重叠基因可能对基因表达有调控作用。（在翻译水平上调控） 如色氨酸操纵子的5个结构基因，在正常情况下，5个基因产物是等量的，分析发现trpE基因的终止 密码子和trpD基因的起始密码子重叠。 TrpE苏aa 苯丙aa终止 ACUUUCUGA AUGGCU trpD甲硫aa丙aa 六 超级调控因子（ ppGpp ） 当细菌处于一种“氨基酸饥饿”状态时，即停止包括各种RNA在内的几乎全部生化反应过程，只保 持维持生命最低限量的需要。 基因转录的时序调控 基因表达时序调控，大多是通过一种或几种蛋白质因子与RNA聚合酶相互作用而实现的。 一、枯草杆菌噬菌体SP01早、中、晚基因表达的转换 SP01侵染后，早期基因立即被转录，靠寄主的RNA 聚合酶全酶（2 ）侵染4-5分后，早期基 因停止表达，而开始转录中期基因，从侵染后的812分钟，中期基因转录停止，被晚期转录所代替 （图8-16 ）。 通过连续地更换亚基以协助核心酶识别特定的启动子，来调节基因表达的过程称为 “因子级联”的 基因调控。 二、枯草杆菌孢子生成过程中亚基的替换（如 88-1717） 55，37，29三种亚基分别为55KD，37KD，29KD，含有55的RNA聚合酶全酶，只能识 别营养生长基因的启动子。 含有37的全酶能识别早期孢子形成基因的启动子。 含有29的全酶，则负责中、晚期孢子形成的基因的转录。 三、大肠杆菌热震惊基因的表达 一、新陈代谢（ metabolismmetabolism ）简称代谢 1包括以下方面 : （11）合成代谢 小分子大分子 需能 22）分解代谢 复杂大分子小分子 放能 33）信息传递 调节因子、响答因子 信号 2代谢特点 共性 ： 生化反应在温和条件下进行，酶催化。反应有顺序性。具有灵敏的自动调节 特性 ： 代谢速率快。代谢多样性。高度的适应能力，易于人工控制 . 二、代谢调节（Regulation in metabolism） 生物体要保持其内部环境的稳定和适应外界环境的变化，使代谢途径的方向、速度、顺序按着生 物体的需要而改变，这种改变称为代谢调节。 三、代谢调节的级别 1. 多细胞生物体的整体水平调节。2. 细胞水平调节。3.分子水平调节。 调节酶（key enzyme or swiching enzyme） 关键酶是参与代谢调节的一类酶的总 称，作为反应链中的限速因子，对整个 反应起限速作用。此 酶位于代谢流的枢 纽之处，形成支柱，对代谢流的质或量 都起着制约作用，也称调节酶。（ 22- 33） 二、根据酶在代谢调节中的作用不同分为四类 调节酶 （regulatory enzymer） 静态酶 （static enzyme）也称结构酶 潜在酶 （latent enzyme） 诱导酶 （induced enzyme） 变构酶 ：在酶分子上至少存在着空间上不同的两个结合部位，一个与底物结合部位 ,另一个是调节 部位，变构剂结合于变构部位，进而引起酶的激活和抑制 变构酶的工作模型： 1、齐变模型 2、序变模型 3、别构酶的S形曲线 S形曲线的意义在于增加了酶对底物以及酶对代谢调节剂浓度变化的敏感性。只有底物浓度达到某一 水平时，酶才被活化，并表现出较高酶活性。 2、共价修饰酶 此酶可以在另外一个酶的催化下，进行共价修饰。从而改变酶的活性。 修饰酶 修饰酶 酶+ X 酶X 或：酶X 酶+ X （有活性） （无活性）（有活性）（无活性） 活性（+）无活性（） 活性（+）无活性（） 方式： 1、磷酸化/ 去磷酸化 2、乙酰化 / 去乙酰化 3、去腺苷酰化 / 腺苷酰化 4、去尿苷酰化 / 尿苷酰化 5、甲基化 / 去甲基化 6、SSS / SH 相互转变 3同功酶 指作用于同一底物，催化同一种化学反应，但酶分子结构不同，并能分别受不同末端产 物反馈调节的一类酶 4多功能酶 结构上仅为一种多肽，但却有两种以上催化活力的酶，通常为多亚基。 5多价变构酶 酶蛋白分子上有许多调节位点，分支代谢途径的各种末端产物都具有与这种酶专一性结合位点，受 积累反馈调节。如： E.coliE.coli中，谷氨酰胺合成酶受八种终产物反馈抑制。 二、酶活性调节类型 （一）单功能途径中酶活性的调节 （unifunctional pathway） （二）多功能途径（ Multifunction pathway ）具有两种或两种以上的末端 产物的分支代谢途径，叫多功能途径。 1. 协同反馈抑制（多价反馈抑制）（concerted feedback inhibition ） 分支途径的几个末端产物同时过量时，才能抑制共同途径的第一个酶，任何一个末端产物单独过 剩，则无抑制作用。 2. 累积反馈抑制（cumulative feedback inhibition）每一个终产物按一定百分率单独抑制共同途径中 第一个关键酶活性，各产物之间即无协同效应，也无拮抗作用。 3.增效反馈抑制（合作反馈抑制）（Cooperative feedback inhibition） 代谢途径中，任何一种终产物单独 过量存在时，仅部分抑制共同反应步骤 的第一个关键酶的活性， 但是，当两个末端产物同时过量时，其抑制作用可超 过各产物单独存在时的抑制总和。 4. 顺序反馈抑制（Sequential feedback inhibition） 在分枝代谢途径中，一种末端产物积累可以导致另外一种末端产物积累，这两种末端产物积累又可 导致该途径中某种中间产物积累，然后这种中间产物进一步通过反馈调节合成途径中关键酶的活性， 最终导致合成反应停止。 5. 同功酶反馈抑制的调节 分支途径中，调节酶有几种结构不同的一组酶（同功酶），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，使反应不能进行。 操纵子（操纵元 operon）学说阐明了酶诱导和阻遏调节机制。 一.可诱导操纵子系统的负调控 调节蛋白（阻遏蛋白），最初有活 性能与操纵基因结合，阻止转录进 行，但当调节蛋白与诱导子 结合后， 失去活性，不再与操纵基因结合，从 而操纵子开始转录，称可诱导的负调 控（ negative control)。 1. 乳糖操纵子(7(7-9) 2半乳糖操纵子（gal operonoperon） gal操纵子含有3个结构基因， gal E、T、K。 E：编码 UDP半乳糖异构酶 T：编码半乳糖 1磷酸转移酶 K ：半乳糖激酶 R：调节基因。 U：G1P尿苷酰转移酶 也属于可诱导操纵子的负控制系统。 （7-16） 二.可诱导操纵子的正调控 调节蛋白（激活蛋白），最初没有活性，不能与操纵基因结合，但与诱导物结合后变构，能与操纵 基因结合，并促使转录进行，称为可诱导的正控制。（positive control) 三可阻遏操纵子系统中的负调控 调节蛋白，称为辅助阻遏蛋白，它不 能与操纵基因结合，操纵子基因是表达 的，但是某种小分子 物质（辅助阻遏因 子）与调节蛋白结合后，使其与操纵基 因结合，从而阻遏了转录的进行。 四可阻遏操纵子系统中正调控 调节蛋白，称为激活蛋白，能与操纵 基因结合，促进转录进行 当调节蛋白与辅助阻遏因子结合后， 不能与操纵基因结合，从而使转录不能进行。 五酶合成的阻遏 1末端终产物阻遏 如：色氨酸操纵子中，末端终产物色氨酸与调节蛋白结合后，能与操纵基因结 合，结合后使结构基因关闭，不再合成色氨酸途径中的酶，色氨酸的合成就会停止。可阻遏操纵子 的负调控。 2分解物阻遏 葡萄糖效应: E.coli 在含有葡萄糖和乳糖的培养基上时，优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽后才开始利 用乳糖，被称作葡萄糖效应。 分解代谢产物阻遏： 细胞在有优先可利用的物质时，其他一些物质的分解途径受到阻遏。 六基因的自体控制 指操纵子中某个结构基因产物能控制着自身的合成和本操纵子基因的表达，这种现象称为自体控制。 组氨酸合成操纵子，在鼠伤寒沙门氏菌中，从 55磷酸核糖焦磷酸与ATPATP反应开始，经99个 酶催化1010步反应，合成组氨酸。 起调节作用的是操纵子中第一个结构基因的产物（ ATPATP磷酸核糖转移酶），它可以阻止转 录过程继续进行。 七反馈阻遏的调节类型 1协调阻遏 单功能合成途径 中终产物过剩，同时阻遏几个酶的合成。 2 多价阻遏 （multivalent repression）在多功能途径中，通过几个终产物共同协调活动，阻遏酶 的合成。 3 累积阻遏 （cumulative repression ）每个分支途径的终产物仅部分阻遏关键酶的合成，不管其 它分支终产物存在于否，反馈阻遏的百分数不变。 有机物在机体内进行生物氧化，根据氧化还原反应中，电子受体不同分为三类： 碳原子 一类、发酵 ：有机物 发酵产物 电子流向 物质内部的氧化还原作用 碳原子 二类、有氧呼吸 ：有机物CO2 电子流向 O2 碳原子 三类、厌氧呼吸 ：有机物 CO2 电子流向 NO3-1 SO4-2 CO32 Fe+3等 （三）受到调节 （1.）葡糖激酶 : 受6磷酸葡糖反馈抑制，Pi的激活 ） （2）磷酸果糖激酶 : 受、O2、ATP 柠檬酸抑制 ） （3）丙酮酸激酶 : 受ATP、乙酰COA抑制 ） 2磷 酸戊糖之间通过基团转移反应，重新合成己糖 特征酶 TK：转酮醇酶 TA：转醛醇酶 TK、TA酶催化的反应是HMP途径中的特有反应 （二） 代谢途径特点 1在 HMP途径中形成了C4、C5、C6、C7等中间产物。 2通过转酮醇酶和转醛醇酶作用，使C6糖再生。 3葡萄糖直接脱H和脱羧，不必经过C3糖阶段。 4需要 NADP 参与反应，产生大量 NADPH2。 三、 E D途径 （一） ED途径的特点 由HMP 和EMP的各一部分组成，只有两步反应是ED特有的。 特征酶 ：（1）6磷酸葡萄糖酸脱水酶。 （2）2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸醛缩酶（KDPG） 关键酶 ： KDPG醛缩酶 催化的反应： KDPG的3.3裂解 （二）产物 1 分子葡萄糖 2 丙酮酸 2 CO2（细菌乙醇发酵）1 ATP 菌株：假单胞菌 1 NADPH 1 NADH 四、磷酸酮解途径 肠膜明串珠菌。 特征酶：磷酸木酮糖酮解酶 产物 : 乳酸、乙酸、乙醇、CO2 . TCA 循环与中间产物积累 一、丙酮酸脱H酶复合体 丙酮酸脱H酶 丙酮酸 乙酰CoA（有氧） 复合体 此酶在好氧条件下才合成受到NADH，乙酰CoA和ATP抑制 二、 乙酰 CoA 经TCA 被彻底氧化 第一个控制点 11、柠檬酸合成酶（是限速反应的酶） 受到： ATP，NADH，琥珀酰CoA抑制 AMP激活 2异柠檬酸脱H酶，是第二个控制点 受：ADP ， NAD，Mg2+激活 受：ATP， NADH抑制 3. 酮戊二酸脱H酶（第三个调节酶）它与丙酮酸脱 H酶体系相似，受琥珀酰 CoA，NADH，ATP抑制 4苹果酸脱H酶（第4个调节酶）受：草酰乙酸反馈抑制 三、总反应式C6H12O6+ 6O2+38ADP + 38Pi 6CO2+6H2O + 38ATP 四、厌氧微生物获得TCA环中间代谢物的途径氧化支路和还原支路 CO2固定反应和乙醛酸循环 CO2固定反应，不仅自养微生物存在，而且异养微生物中也存在。 二、自养微生物CO2的固定 自养微生物除以上固定 CO2 的反应外，具有以下特定的途径。 1卡尔文循环途径（Calvin cycle）（光合细菌，紫色硫细菌）固定 CO2 的途径分为三个阶段： CO2 的固定，CO2 的还原，CO2 受体再生。 （2）固定的CO2的还原3P甘油酸经EMP途径逆反应，生成3P甘油醛，需要NADPH， 3P甘油 酸激酶和3P甘油酸脱H酶。 特征性的酶 ：（关键酶） 、1.5二磷酸核酮糖羧化酶 5磷酸核酮糖激酶 受到的调节 、均受到 NADH 激活，受到 AMP、PEP 抑制。 2固定CO2的乙酰COA途径 此途径也称还原性三羧酸循环。某些光合细菌如绿硫细菌，此类绿菌属缺少卡尔文循环，具有乙酰 COA途径。 特征酶：丙酮酸合成酶 酮戊二酸合成酶 特点：此途径只能固定CO2和贮存，不能将CO2直接转变成糖。需铁氧还蛋白参与羧化反应（Fig 5- 7） 3乙醛酸循环 有些细菌以乙酸为基质，用于细胞生长细胞中存在乙酸激酶，磷酸转乙酰酶。将乙酸转变成乙酰 CoACoA后，进入乙醛酸循环。 乙酸激酶 磷酸转乙酰酶 (1)乙酸 乙酰磷酸乙酰CoA ( 2)乙醛酸循环关键酶：异柠檬酸裂解酶，苹果酸合成酶 一、能荷：（Energy charge）能荷：指在细胞内每单位腺苷部分所含高能磷酸键平均数量的一半。 分子：含有两个高能磷酸键的腺苷酸分子数 分母：腺苷酸分子数的总数 二、能荷调节 1. 细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动，称能荷调节。 2. 能荷对糖代谢的调节 三、巴斯德效应 EMP 已知酵母菌，利用葡萄糖 乙醇 受关键酶控制：（1）已糖激酶（HK） （2）磷酸果糖激酶（PFK） （3）丙酮酸激酶（PK） 如以上酶的活性受到抑制，乙醇发酵途径就会受阻 . 专一性发酵途径： 一、酵母菌三型发酵 1. 乙醇发酵厌氧、 pH 7丙酮酸脱羧酶 乙醛受氢体（3-7） 2甘油发酵 正常的乙醇发酵条件，但加入NaHSO4，产甘油（少量乙醇） 三型发酵（产甘油、乙醇、乙酸） 在一型发酵基础上，pH变为7.6（升高） ，2个乙醛分子间进行歧化反应。 二、乳酸三型发酵 1同型乳酸发酵 （3-8） 菌株：乳酸杆菌属，乳酸链球菌属 经EMP途径产物乳酸。 特征酶，乳酸脱氢酶。 产物单一，只有乳酸。 2异型乳酸发酵 菌株：短乳酸杆菌，肠膜明串珠菌。 经磷酸酮解途径 特征酶：磷酸酮解酶，乳酸脱氢酶。 产物除乳酸外，还有乙醇。 3双歧发酵途径 两歧双歧杆菌 途径包括：HMP、PK、EMP各途径的一部分。 特征酶 ：6P果糖酮解酶、乙酸激酶（另： 5P木酮糖酮解酶，乳酸脱氢酶） 产物乳酸和乙酸。 一、芳香族化合物: 蒽、菲、萘、苯、酚等 分2类 : 有侧链.无侧链 微生物：假单胞菌、无色杆菌、棒杆菌等。 各种芳香族化合物儿茶酚or原儿茶酸为起点分解 二、分解途径 2种: 邻位裂解 间位裂解 1邻位裂解途径（5-20） 儿茶酚或原儿茶酸在双氧酶作用下，将两个邻位羟基之间的碳碳键打开，经过 三步反应生成一个共同中间体（4氧已烯二酸内酯），最后分解成乙酰 COA和琥珀酸。 2.间位裂解途径： 指儿茶酚或原儿茶酸在双氧酶作用下，苯环在间位上被打开。然后按各自独立的分解途径进行分解， 儿茶酚经四步反应分解成丙酮酸和乙醛。原儿茶酸经四步反应被分解成两个丙酮酸. 萘的分解途径 一上游途径 萘在酶作用下，经过六步反应变成单环的水杨酸，为上游途径。 二、下游途径（间位） 由水杨酸儿茶酚丙酮酸+乙醛, 为下游途径（Fig 1） 三、基因定位 以上萘降解途径中酶的基因不在染色体上，而是位于质粒上，目前发现了一些分解质粒，如 TOL（toluene 甲苯），OCT（Octane辛烷）， CAM（Camphor樟脑），NIC（nicotine烟 碱）这些降解质粒比一般大，100kb左右，NAH（naphthalene）83kb。 氨基酸的合成方式及分组 一、方式： 1直接吸收氨合成氨基酸 谷氨酸脱氢酶 （1）酮戊二酸+NH4+NAD（P）H+H+L谷氨酸+NAD(P)+ （2）丙氨酸的生成 丙aa脱氢酶 丙酮酸+NH4+NAD（P）H+H+ L丙氨酸+NADP+ 2转氨基作用（转氨酶） 谷氨酸+ 酮戊二酸 缬氨酸 酮异戊酸 通式为：氨基酸1 +酮酸2酮酸1 +氨基酸2 3.前体转化，经过一系列生化反应而合成。 草酰乙酸族氨 基酸合成及调控 一、天冬氨酸与天冬酰胺的生物合成 转移酶 （1）草酰乙酸+谷氨酸天冬氨酸+酮戊二酸 NH3 ATP （2）天冬氨酸天冬酰胺 三、 Met 、thr、lys 、Ile的合成代谢调节 （E.coli） 1天冬氨酸激酶（3种同功酶） E1受thr（I） 受thr、Ile的协同阻遏（ R） E2受Met （R） E3受