第八章微生物代谢代谢控制育种1

1、Contents概概 论论微生物的代谢调控微生物的代谢调控代谢调节控制育种代谢调节控制育种次级代谢的调节控制次级代谢的调节控制第一节第一节 概概 论论初级代谢初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。为初级代谢。初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。在于各类生物中的一种基本代谢类型

2、。 一、初级代谢和初级代谢物一、初级代谢和初级代谢物 非细胞生物（如病毒）虽然不具备完整的初级代非细胞生物（如病毒）虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统初级代谢系统和具和具有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的能力。能力。初级代谢产物初级代谢产物: :如单糖或单糖衍生物、核苷酸、如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质。生存必不

3、可少的物质。 次级代谢：次级代谢：某些生物为了避免在初级代谢过程某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些生物在生物在一定条件下一定条件下通过突变获得的一种适应生通过突变获得的一种适应生存的方式。存的方式。 通过次级代谢合成的产物通常称为通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产次级代谢产物物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可分为其作用，可分为抗生素、激素、生物碱、毒素抗生素、激素、生物碱、毒素及维

4、生素及维生素等类型。等类型。二、次级代谢产物和次级代谢二、次级代谢产物和次级代谢 灰黄青霉灰黄青霉在在CzapekCzapekDoxDox培养基上培养时可以合培养基上培养时可以合成成灰黄霉素灰黄霉素，在，在RaulinRaulin培养基上培养时则合成培养基上培养时则合成褐褐菌素；菌素； 产黄青霉产黄青霉在在在在RaulinRaulin中培养时可以合成中培养时可以合成青霉酸青霉酸。但在。但在CzapekCzapekDoxDox中培养则不产中培养则不产青霉酸青霉酸。 Penicillium urticaePenicillium urticae在含有在含有0.50.51010-8-8M M的锌离的锌

5、离子的子的CzapekCzapek培养基里培养时合成的主要次级代谢培养基里培养时合成的主要次级代谢产物是产物是6-6-氨基水杨酸氨基水杨酸，但在含，但在含0.50.51010-6-6M M的锌离子的锌离子的的CzapekCzapek培养基里培养时不合成培养基里培养时不合成6-6-氨基水杨酸，氨基水杨酸，而合成大量的而合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。 次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，氧、氮、氯、硫等元素的加上的微小变化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以入，或在产物氧化水平上的微小

6、变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物。导致产生各种各样的次级代谢产物。每类常每类常是一群是一群化学结构相似化学结构相似的不同成分的混合物。的不同成分的混合物。新霉素新霉素有有4 4种种 杆菌肽杆菌肽有有1010多种多种 多粘菌素多粘菌素有有1010多种多种 放线菌素放线菌素有有2020多种多种次级代谢产物通常都次级代谢产物通常都分泌到胞外分泌到胞外，有些，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。它生物的生存竞争中起着重要的作用。许多次级代谢产物通常对人类和国民经许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。济的发展有

7、重大影响。 初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。中的一种基本代谢类型。1 1、存在范围及产物类型不同、存在范围及产物类型不同 次级代谢只存在于某些生物（次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些如植物和某些微生物微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。而产生不同的次级代谢产物。三、三、 初级代谢和次级

8、代谢关系初级代谢和次级代谢关系青霉合成青霉合成青霉素青霉素芽孢杆菌合成芽孢杆菌合成杆菌肽杆菌肽黑曲霉合成黑曲霉合成柠檬酸柠檬酸2.2.不同的微生物可产生不同的次级代谢产物不同的微生物可产生不同的次级代谢产物初级代谢产物，初级代谢产物，如如蛋白质、核酸、多糖、脂类蛋白质、核酸、多糖、脂类等都等都是机体生存必不可少的物质，这些物质的合成过程是机体生存必不可少的物质，这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻引起生长停止、重导致的某个环节上发生障碍，轻引起生长停止、重导致机体发生突变或死亡。机体发生突变或死亡。次级代谢产物次级代谢产物对于产生者来说，不是生存必需的，对于产生者来说，不是生存必需的，即

9、使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。种次级代谢产物的能力。3 3、对产生者自身的重要性不同、对产生者自身的重要性不同初级代谢初级代谢自始至终存在于一切生活的机体自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长过程呈中，同机体的生长过程呈平行关系平行关系；次级代谢次级代谢则是在机体生长的一定时期内则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的（通常是微生物的对数生长期末期或稳定对数生长期末期或稳定期期）产生的，它与机体的生长）产生的，它与机体的生

10、长不呈平行关不呈平行关系系，一般可明显地表现为机体的生长期和一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。次级代谢产物形成期二个不同的时期。4 4、同微生物生长过程的关系明显不同、同微生物生长过程的关系明显不同初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。5 5、对环境条件变化的敏感性、对环境条件变化的敏感性6 6、相关酶的专一性不同、相关酶的专一性不同催化次级代谢产物合成的酶往往是一些催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶诱导酶，它们是在产生菌它们是在产生菌对数生长末期或稳定生长期对数生

11、长末期或稳定生长期里，里，由于某种中间代谢产物积累而诱导机体合成的一由于某种中间代谢产物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因环境条件变化而不能合成。环境条件变化而不能合成。相对来说催化相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。次级代谢产

12、物。 7、遗传控制上既有相同部分，也有不相同部分。 相同：同样受到核内DNA控制； 不同：次级代谢产物还受到与初级代谢产物生物合成无关的遗传物质控制。第二节第二节 初级代谢调节控制初级代谢调节控制u 代谢途径的区域化代谢途径的区域化( (细胞结构对代谢途细胞结构对代谢途径的分隔控制径的分隔控制) )u 代谢流向的调控代谢流向的调控u 代谢速度的控制代谢速度的控制一、代谢途径的区域化一、代谢途径的区域化( (一一) )细胞结构对代谢途径的分隔控制细胞结构对代谢途径的分隔控制真核细胞(如酵母)内的各种细胞器，都是为膜所包围的特异结构，不同代谢途径的酶系分别集中在不同的膜结构中。相应的底物和产物浓度

13、也都由膜的选择性透过机能加以调节。细胞中所进行的错综复杂的代谢活动犹如一个大工厂设有各个车间一样，各自独立，互相有关又互不干扰。真核微生物线粒体线粒体: :丙酮酸氧化丙酮酸氧化; ;三羧酸循环三羧酸循环; ; - -氧化氧化; ;呼吸链电子传递呼吸链电子传递; ;氧化氧化磷酸化磷酸化细胞质细胞质: :酵解酵解; ;磷戊糖途径磷戊糖途径; ;糖糖原合成原合成; ;脂肪酸脂肪酸合成合成; ;细胞核细胞核: :核酸核酸合成合成内质网内质网: :蛋白质蛋白质合成合成; ;磷脂合成磷脂合成原核微生物原核微生物 原核微生物细胞结构没有细胞器的分化，但不同酶系在胞内也有相对集中的区域分布，与某一代谢途径有关

14、的酶系集中于某一区域，以保证这一代谢途径中的酶促反应顺利进行。 如与呼吸有关的酶系集中在细胞质膜上，与蛋白质合成有关的酶系则位于核糖核蛋白体上，分解大分子的水解酶，在革兰氏阴性细菌里位于细胞壁与膜间隙中，而革兰氏阳性细菌则将这些水解酶类分泌于胞外。(二)代谢流向的调控 1.1.由一个关键酶控制的可逆反应由一个关键酶控制的可逆反应 同一个酶可以通过不同辅基(或辅酶)控制代谢物的流向，因而微生物可以通过不同的辅基来控制代谢物的流向。2.2.由两种酶控制的逆单向反应由两种酶控制的逆单向反应 逆单向反应是在生物体代谢的关键部位的某些反应，它是由两种各自不同的酶来催化的一个“可逆”反应，其中一种酶催化正

15、反应，而另一种酶催化逆反应，这类反应被称为逆单向反应. ( (三三) )代谢速度的控制代谢速度的控制 在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性或酶的数量来控制代谢物的流量。酶活性和酶量的调节是微生物代谢调节的核心。微生物在不同条件下能按照需要，通过激活或抑制原有酶的活性，或通过诱导或阻遏酶的合成来调节其代谢速度。 酶活性调节和酶合成酶活性调节和酶合成( (即酶量即酶量) )调节调节 酶活性调节酶活性调节是通过调节代谢途径中是通过调节代谢途径中关键酶关键酶( (或或称限速酶称限速酶) )的的活性活性来控制酶促反应的速率来控制酶促反应的速率；酶酶合成合成( (即酶量即酶量) )调节调节是通过控制关键

16、酶的是通过控制关键酶的酶数量酶数量来控制酶促反应的速率来控制酶促反应的速率。 代谢途径中的代谢途径中的关键酶关键酶通常是指催化不可逆反应通常是指催化不可逆反应或催化分支代谢途径中分支点后面第一步反应或催化分支代谢途径中分支点后面第一步反应的酶，有时也指催化代谢途径中第一步反应的的酶，有时也指催化代谢途径中第一步反应的酶。酶。 根据目前的研究结果表明，分解代谢中心途径中的有关酶调节主要是在酶活性水平上进行,调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的； 外周途径则主要是在酶合成水平上进行调节,调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的； 合成代谢途径中的酶调节往往是酶活性与酶合成的调节同

17、时存在。第三节第三节 酶合成的调节酶合成的调节 酶合成的调节是通过酶合成的调节是通过调节酶合成的量调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在调节在基因转录水平上基因转录水平上进行，对代谢活动进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。的调节是间接的、也是缓慢的。 这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节！ 酶合成的调节主要有两种类型：酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱酶的诱导和酶的阻遏。导和酶的阻遏。 凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。 能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。一一 酶的诱导酶的诱导 按照酶的合成与环境影响的

18、不同关系，可按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类，以将酶分为两大类，一类称为组成酶，一类称为组成酶，它们的它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径解途径(EMP)(EMP)有关的酶。另一类酶称为有关的酶。另一类酶称为诱导酶，诱导酶，只有在环境中存在诱导剂时，它们才开始合成，只有在环境中存在诱导剂时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止。一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止。1 1 诱导酶诱导酶 诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而

19、临时合成的一类酶。 能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。诱导酶举例诱导酶举例：在对数生长期的大肠杆菌在对数生长期的大肠杆菌( (E.coliE.coli) )培养基中加入培养基中加入乳糖乳糖，就会产生与乳糖代，就会产生与乳糖代谢有关的谢有关的 - -半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。等。这时，细胞生长速度和总的蛋白质合成速度几乎这时，细胞生长速度和总的蛋白质合成速度几乎没有改变，这种环境物质促使微生物细胞中合成没有改变，这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称为酶蛋白的现象称为酶的诱导酶的诱导。2 2

20、 酶的诱导合成类型酶的诱导合成类型 同时诱导：即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。如，将乳糖加入到Ecoli培养基中后，即可同时诱导出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成； 顺序诱导：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。3 3 分解代谢途径中酶合成的诱导分解代谢途径中酶合成的诱导二二 、酶合成的阻遏、酶合成的阻遏 在某代谢途径中，当末端产物过量时，在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列

21、酶的合成，从而彻底地关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为为酶合成的阻遏酶合成的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻合成可被阻遏的酶称为阻遏酶。遏酶。阻遏的作用和类型 在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。 阻遏有利于生物体节省有限的养料和能量。 阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。1 1 末端代谢产物阻遏末端代谢产物阻遏 由于某代谢途径由于某代谢途径末端产物末端产物的过量积累而引的过

22、量积累而引起酶合成的起酶合成的( (反馈反馈) )阻遏称为阻遏称为末端代谢产物阻末端代谢产物阻遏遏。通常。通常发生在合成代谢发生在合成代谢中，特别是在氨基中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生物合成末端产物阻遏的特点是生物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止同时阻止合合成途径中所有酶的合成。成途径中所有酶的合成。 末端产物阻遏可保证细胞内各种物质维持适当的浓度，在代谢调节中有着重要的作用。（1 1）直线式反应途径末端产物阻遏）直线式反应途径末端产物阻遏 指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况

23、较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。 （2 2）对分支代谢反应途径末端产物阻遏）对分支代谢反应途径末端产物阻遏 对分支代谢途径来说，每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。 代谢途径分支点以前的“公共酶” 受所有分支途径末端产物的阻遏，此即称多价阻遏作用。 末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有着有着重要的作用重要的作用，它保证了细胞内各种物它保证了细胞内各种物质维持适当的浓度。质维持适当的浓度。当微生物已合成了足当微生物已合成了足量的产物，或外界加入该物质后，就停止量的产物，或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。而缺乏该物质时

24、，又开始有关酶的合成。而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。合成有关的酶。 2 2 分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏 当细胞内同时存在当细胞内同时存在两种可利用底物两种可利用底物( (碳源碳源或氮源或氮源) )时，利用时，利用快的底物会阻遏快的底物会阻遏与利用慢与利用慢的底物有关的酶合成。研究表明这种阻遏并的底物有关的酶合成。研究表明这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为引起的，所以称为分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏。 分解代谢物阻遏过去被称为分解代谢物阻遏过去被

25、称为葡萄糖效应葡萄糖效应。图图 培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同时加入葡同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长 当末端产物当末端产物D D浓度下降时，第一个酶恢复合成，浓度下降时，第一个酶恢复合成，导致中间产物导致中间产物B B在胞内累积。在胞内累积。B B浓度的增高，浓度的增高，又诱导第二、三个酶的合成，使途径逐渐畅又诱导第二、三个酶的合成，使途

26、径逐渐畅通。当通。当D D浓度上升到一定值时，第一个酶的合浓度上升到一定值时，第一个酶的合成受阻，成受阻，B B浓度下降，不再诱导第二、三个酶浓度下降，不再诱导第二、三个酶的合成，该途径逐渐阻塞。的合成，该途径逐渐阻塞。三三 末端产物末端产物阻遏阻遏与中间产物与中间产物诱导诱导的混合形式的混合形式 酶的诱导酶的诱导、分解代谢物阻遏和末端产物分解代谢物阻遏和末端产物阻遏阻遏可以同时发生在同一可以同时发生在同一微生物体微生物体内。当内。当某某些底物些底物存在时微生物内就会存在时微生物内就会合成诱导酶合成诱导酶，几几种底物种底物同时存在时，优先利用能被同时存在时，优先利用能被快速或容快速或容易代谢的

27、底物易代谢的底物；而与代谢较慢的底物有关酶；而与代谢较慢的底物有关酶的合成将被阻遏；当末端代谢产物能满足微的合成将被阻遏；当末端代谢产物能满足微生物生长需要时，与代谢有关酶的合成又被生物生长需要时，与代谢有关酶的合成又被终止。终止。调节基因阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白不能阻挡操纵基因基因表达（无活性） （有活性）调节基因 阻遏蛋白 阻遏物阻遏蛋白阻挡操纵基因基因不表达（无活性）（有活性）实例：大肠杆菌乳糖操纵子（如图）酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻

28、遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基

29、因白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达结构基因不表达代谢产物代谢产物乳乳糖糖操操纵纵子子的的负负调调控控调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子ORPLacZLacYLaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子ORmRNAZmRNAYmRNAa 阻遏蛋白阻遏蛋白（无活性）（无活性） 基基 因因 表表达达mRNAA、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）乳糖操纵子的乳糖操纵

30、子的正调控正调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基基 因因 表表达达CAP基因基因结构基因结构基因TCAPOCAP结结合部位合部位 RNA聚合酶聚合酶TcAMP -CAPP葡萄糖葡萄糖分解代分解代谢产物谢产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸二酯磷酸二酯酶酶ATPcAMP5-AMP抑制抑制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）降低降低cAMP浓度浓度使使CAP呈失活状态呈失活状态第四节第四节 酶活性的调节酶活性的调节 通过改变

31、酶分子的活性来调节代谢速度通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为的调节方式称为酶活性的调节酶活性的调节。包括酶活。包括酶活性的性的激活和抑制激活和抑制。 酶活性的激活酶活性的激活指在分解代谢途径中，后面指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。的反应可被较前面的中间产物所促进。 这种调节方式更直接这种调节方式更直接,且见效快且见效快, 是发生在是发生在蛋蛋白质水平上的调节。白质水平上的调节。蛋白质水平上的调节蛋白质水平上的调节 蛋白质水平上的调节就是通过调节蛋白质水平上的调节就是通过调节酶分子的活性来调节酶分子的活性来调节代谢中间物代谢中间物和和能量能量的的产生和消耗

32、速度，这种调节是产生和消耗速度，这种调节是因蛋白因蛋白质（酶）分子构象质（酶）分子构象的变化而实现的，其的变化而实现的，其特点是响应快。特点是响应快。 在代谢途径中调节酶活力的方式有以下几种形式：(1) 抑制作用简单抑制指一种代谢产物在细胞内累积多时，由于物质作用定律的关系，可抑制其本身的形成。 反馈抑制是指酶促反应终产物对酶活力的抑制。(2) 活化作用机体为了使代谢正常也用增进酶活力的方式进行代谢调节。q1 .在代谢途径中调节酶活性 几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条代谢途径。在一条代谢途径中，常常是前一个酶促反应的产物，便是下一个酶促反应的底物。反馈抑制 一条代谢途径的

33、终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况称为“反馈抑制 ”。 反馈激活和前馈激活反馈激活和前馈激活 把把产物产物对酶的影响称为对酶的影响称为反馈反馈，底物底物对酶的影响对酶的影响称为称为前馈前馈。 前馈前馈作用一般是激活酶的活性。在分解代谢中，作用一般是激活酶的活性。在分解代谢中，后面的反应可后面的反应可被较前面被较前面反应的中间产物所促进，反应的中间产物所促进， 如粪链球菌的乳酸脱氢酶活性可被如粪链球菌的乳酸脱氢酶活性可被1,6-1,6-二磷酸二磷酸果糖果糖所激活；又如在粗糙脉孢霉培养时，柠檬所激活；又如在粗糙

34、脉孢霉培养时，柠檬酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性。酶酶的的反反馈馈激激活活葡萄糖葡萄糖草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸羧化酶羧化酶乙酰乙酰CoA活化活化磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸柠檬酸柠檬酸 -酮戊二酸酮戊二酸1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖前馈激活前馈激活q2.共价调节 在酶分子上以共价键连上或脱下某种特殊化学基团所引起的酶分子活性改变,称为酶的共价调节，也称共价修饰。 共价修饰的结果，使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变。值得注意的是值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。是非共价结合，是

35、可逆的。q3 竞争性抑制 有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些类似物与底物竞争结合酶的活性中心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。这种情况称为酶的竞争性抑制。 竞争性抑制剂在结构上与底物相似二二 调节酶调节酶 某些酶的活性受到底物或产物或其结构类某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，这些酶称为似物的影响，这些酶称为调节酶调节酶。 这种影响可以是这种影响可以是激活激活、也可以是、也可以是抑制抑制酶活酶活性。性。 激活过程的效应物称为激活剂，而抑制激活过程的效应物称为激活剂，而抑制过程的效应物称为抑制剂。过程的效应物称为抑制剂。 调节酶通常是调节酶通常是变构酶变构酶，一般具有多

36、个亚基，一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。包括催化亚基和调节亚基。1变构作用与变构酶效应物如代谢产物，能与酶分子上的非催化部位(调节位)作用，使酶蛋白分子发生构象改变，从而改变酶活性(激活或抑制)，这类调节称为变构调节或别位调节。能接受这种变构作用的酶称为变构酶或别位酶，能使酶起变构作用的物质（效应物）称为变构剂。2 2 酶活性调节的机制酶活性调节的机制-变构作用代谢物代谢物别别构构中中心心活性活性中心中心3 3 变构酶的激活和抑制过程变构酶的激活和抑制过程图图 变构酶受效应物的调节过程变构酶受效应物的调节过程1. 激活剂激活无活性的酶；激活剂激活无活性的酶；2 .抑制剂抑制有活性的酶

37、抑制剂抑制有活性的酶第一个酶（有活性）第一个酶（无活性）终产物终产物（调节物） 结合在调节中心 直线式代谢途径直线式代谢途径（只有一个终端产物，（只有一个终端产物，没有分支）没有分支）的反馈控制的反馈控制 分支代谢途径分支代谢途径（多个终端产物，有分支（多个终端产物，有分支的）的）的反馈控制的反馈控制 辅因子对酶活性的调节辅因子对酶活性的调节（一）（一） 直线式代谢途径的反馈控制直线式代谢途径的反馈控制 当末端代谢产物达到一定浓度时，就会反馈当末端代谢产物达到一定浓度时，就会反馈控制该代谢途径。末端产物控制该代谢途径。末端产物抑制抑制一般是抑制一般是抑制该途径该途径第一个酶的活性第一个酶的活性

38、（反馈阻遏反馈阻遏一般是一般是阻阻止止该途径中所有酶的合成）。该途径中所有酶的合成）。 例：例：苏氨酸是合成异亮氨酸的前体苏氨酸是合成异亮氨酸的前体，在培养基，在培养基中给中给苏氨酸缺陷型大肠杆菌苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充补充苏氨酸苏氨酸时，该时，该菌株可以合成异亮氨酸，但若同时在培养基中菌株可以合成异亮氨酸，但若同时在培养基中添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异亮氨添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异亮氨酸，异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸酸，异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途径的第一个酶，即途径的第一个酶，即L-L-苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶. . 大肠杆菌中由大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和

39、天门冬氨酸氨甲酰磷酸和天门冬氨酸合成合成胞嘧啶核苷三磷酸胞嘧啶核苷三磷酸(CTP)(CTP)时需要时需要七种酶七种酶，当当CTPCTP达到一定浓度后，便达到一定浓度后，便反馈抑制反馈抑制催化第催化第一个反应的酶，即一个反应的酶，即天门冬氨酸转氨甲酰酶天门冬氨酸转氨甲酰酶。（二）（二） 分支代谢途径的反馈控制分支代谢途径的反馈控制 由由几种末端代谢产物几种末端代谢产物共同对生物合成途共同对生物合成途径进行控制的体系较为复杂。即便是同一径进行控制的体系较为复杂。即便是同一代谢途径，不同菌种也会有不同的控制模代谢途径，不同菌种也会有不同的控制模式。这些控制可以是式。这些控制可以是反馈抑制或反馈阻遏反

40、馈抑制或反馈阻遏单独作用单独作用的结果，也可以是两者的结果，也可以是两者共同作用共同作用的结果。的结果。 多终产物控制多终产物控制: :催化分支途径共同部分的初始酶，催化分支途径共同部分的初始酶，在仅在仅一种一种终产物过剩时，完全不受或微弱或部分终产物过剩时，完全不受或微弱或部分地地反馈抑制（或阻遏），反馈抑制（或阻遏），只是在只是在多数终产物共存多数终产物共存下才强烈地控制。有以下几种情况：下才强烈地控制。有以下几种情况： 协同（或多价）反馈抑制：协同（或多价）反馈抑制： 合作（或增效）反馈抑制：合作（或增效）反馈抑制： 积累反馈抑制：积累反馈抑制： 顺序反馈抑制顺序反馈抑制 同功酶控制：同

41、功酶控制：1 1 协同或多价反馈控制协同或多价反馈控制 分支代谢途径的分支代谢途径的几个末端产物同时过量几个末端产物同时过量时，时，该途径的第一个酶才会受到该途径的第一个酶才会受到反馈抑制反馈抑制。 如如多粘芽孢杆菌多粘芽孢杆菌在合成天门冬氨酸族氨在合成天门冬氨酸族氨基酸时，天门冬氨酸激酶受基酸时，天门冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸赖氨酸和苏氨酸的的协同反馈抑制。如果仅是协同反馈抑制。如果仅是苏氨酸苏氨酸或或赖氨酸赖氨酸过量，过量，并不能引起抑制作用。并不能引起抑制作用。 问题问题？对多粘芽孢杆菌多粘芽孢杆菌诱变后筛选什么样的突变类型，才能大量积累赖氨酸？协同调节示意图协同调节示意图ABGFJDC

42、H-E1E3E2-2 2 合作反馈控制（增效）合作反馈控制（增效） 与协同反馈控制类似，但是该体系中的末与协同反馈控制类似，但是该体系中的末端产物都有端产物都有较弱的独立控制作用较弱的独立控制作用。当所有的末。当所有的末端产物同时过剩时，会导致增效的抑制或阻遏，端产物同时过剩时，会导致增效的抑制或阻遏，即比各自独立过量时的总和还要大。当只有一即比各自独立过量时的总和还要大。当只有一个末端产物个末端产物( (图中的图中的D D) )过量时，紧接着分支点过量时，紧接着分支点( (图中的图中的B B) )后的反馈控制立即起作用，限制该后的反馈控制立即起作用，限制该末端产物的合成，代谢将转向细胞需要合

43、成的末端产物的合成，代谢将转向细胞需要合成的其它产物继续进行其它产物继续进行( (图中的图中的F F) )。 3 3 累积反馈控制累积反馈控制 每个分支途径的末端产物是以一定百分每个分支途径的末端产物是以一定百分比控制该途径第一个共同的酶所催化的反应。比控制该途径第一个共同的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应的抑制是累积的，各末端产物之间既无协同的抑制是累积的，各末端产物之间既无协同效应，也无拮抗作用。如图所示，效应，也无拮抗作用。如图所示，E E和和G G分别分别独立地抑制第一个酶活性的独立地抑制第一个酶活性的20%20%和和50%5

44、0%。而每。而每个末端产物肯定会对紧接分支点个末端产物肯定会对紧接分支点B B后的反应控后的反应控制，以使共同的中间产物制，以使共同的中间产物B B不再用于已过量的不再用于已过量的产物合成。产物合成。累积反馈抑制示意图累积反馈抑制示意图 累积反馈抑制最早在大肠杆菌的谷氨酰胺合成累积反馈抑制最早在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶调节中发现。酶调节中发现。该酶受该酶受8 8个最终产物的累积反馈抑个最终产物的累积反馈抑制，只有当它们同时存在时，酶活性才会被完全抑制，只有当它们同时存在时，酶活性才会被完全抑制。如制。如色氨酸色氨酸单独存在时，可抑制酶活性的单独存在时，可抑制酶活性的16%16%，CTPCTP为

45、为14%14%，氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸为为13%13%，AMPAMP为为41%41%，这，这4 4种种产物同时过量时，酶活性被抑制产物同时过量时，酶活性被抑制63%63%。所剩的。所剩的37%37%酶酶活性则受到其它四种产物的累积抑制。活性则受到其它四种产物的累积抑制。 4 4 顺序反馈控制顺序反馈控制 直接对第一个共同的酶起控制作用的并不直接对第一个共同的酶起控制作用的并不是末端产物，而是是末端产物，而是分支点上分支点上的的中间产物中间产物。每。每个末端产物均对紧接分支点个末端产物均对紧接分支点B B后导向各自分支后导向各自分支途径的酶进行控制，途径的酶进行控制，E E抑制抑制C C向向D

46、 D反应，反应，G G抑制抑制C C向向F F反应，反应，E E、G G单独或两者共同的抑制作用将单独或两者共同的抑制作用将导致导致C C的积累，过量的的积累，过量的C C又会抑制又会抑制A A向向C C反应。反应。 芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节枯枯草草芽芽孢孢杆杆菌菌芳芳香香族族氨氨基基酸酸 5 5 同工酶控制同工酶控制 不同的同工酶可能受各不相同的末端产物控制不同的同工酶可能受各不相同的末端产物控制。如果紧接分支点后的酶受其对应的末端产物控制，那如果紧接分支点后的酶受其对应的末端产物控制，那么，同工酶控制体系将更有效。如图从么，同工酶控制体系将更有效。如图从

47、A A到到B B反应由同反应由同工酶工酶a a和和b b催化，当末端产物催化，当末端产物F F过量时，受过量时，受F F 控制的从控制的从A A到到B B的同工酶的同工酶b b和从和从B B到到E E的酶被抑制，而同工酶的酶被抑制，而同工酶a a不受不受影响，使影响，使A A能顺利合成能顺利合成D D，因此，因此，F F的过量不会干扰的过量不会干扰D D的的合成。同样道理，合成。同样道理，D D的过量也不会干扰的过量也不会干扰F F的合成。的合成。同工酶反馈抑制示意图同工酶反馈抑制示意图ABGFJDCH-E1E2E3E4 大肠杆菌有大肠杆菌有三个天门冬氨酸激酶三个天门冬氨酸激酶和和两两个高丝氨

48、酸脱氢酶个高丝氨酸脱氢酶参与催化参与催化赖氨酸赖氨酸和和苏氨苏氨酸酸的合成。天冬氨酸激酶的合成。天冬氨酸激酶和高丝氨酸脱和高丝氨酸脱氢酶氢酶可被苏氨酸抑制和阻遏，高丝氨酸可被苏氨酸抑制和阻遏，高丝氨酸脱氢酶脱氢酶可被甲硫氨酸阻遏，天冬氨酸激可被甲硫氨酸阻遏，天冬氨酸激酶酶可被赖氨酸抑制和阻遏，见图。可被赖氨酸抑制和阻遏，见图。 E表示末端产物反馈抑制；表示末端产物反馈抑制；R表示末端产物反馈阻遏表示末端产物反馈阻遏6.代谢互锁能荷对代谢的调节 糖代谢的调节主要受能荷的控制，也就是受细胞内能量水平的控制。 糖代谢最重要的生理功能是以ATP的形式供给能量，在葡萄糖氧化过程中，中间产物积累或减少时，

49、进而引起能荷的变化，造成代谢终产物ATP的过剩或减少，这些中间产物和腺嘌呤核苷酸(ATP、ADP、AMP)通过抑制或激活糖代谢各阶段关键酶活性来调节能量的生成。能荷(Energy charge) 能荷=(ATP)+1/2(ADP)/(ATP)+(ADP)+(AMP) 当细胞全部是ATP时,能荷最大,为100% 当细胞全部是AMP 时,能荷最小,为0 当细胞全部是ADP 时,能荷为50% 能荷太低时 当生物体内生物合成或其它需能反应加强时，细胞内ATP分解生成ADP或AMP，ATP减少，ADP或AMP增加，即能荷降低，就会激活某些催化糖类分解的酶或解除ATP对这些酶的抑制(如糖元磷酸化酶、磷酸果糖澈酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶等)，并抑制糖元合成的酶(如糖元合成酶、果糖-1，6-二磷酸酯酶等)，从而加速酵解、TCA环产生能量