2.1微生物代谢调控4

微生物的代谢调控（4）主讲老师：陈健凯第二节、微生物的代谢调控

微生物通过对其代谢的调节，经济地利用有限的养料、能量进行着它所需要的酶促反应，从而使得它们的生命活动得以正常进行。在正常情况下，微生物是绝不会浪费能量和原料去进行它不需要的代谢反应的。微生物正是依靠其代谢调节严格又灵活的调节系统才能有高效、经济的代谢，从而在复杂多变的环境条件下生存和发展的。有两种主要的代谢调节方式：一种是酶合成的调节，即调节酶的合成量，这是一种“粗调”另一种是酶活力调节，即调节已有的酶的活力，这是一种“细调”微生物通过对其系统的“粗调”和“细调”从而达到最佳的调节效果两种主要的代谢调节方式一、代谢速度的调控

1、酶量（粗调）：通过酶量的变化来控制代谢的速率。（从本质上看，酶合成的调节是在基因表达水平上起作用的）（1）酶合成的诱导协同诱导：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象顺序诱导：一种诱导剂诱导产生的酶的反应产物可继续诱导产生下一个酶，这种连续诱导产生一系列酶的现象称为顺序诱导。一、代谢速度的调控终点产物反馈阻遏：合成代谢过程中，相关酶的合成被过量终点产物所阻遏01分解代谢物阻遏：可被组成酶快速利用的基质，阻遏了分解难利用基质的酶的合成02酶合成的阻遏一、代谢速度的调控（3）酶合成调节的遗传机制：操纵子学说

操纵子是指基因组DNA分子的一个片段，这个片断由启动子、调节基因、操纵基因和结构基因组成诱导型操纵子：效应物存在导致基因表达阻遏型操纵子：效应物存在导致基因表达的关闭一、代谢速度的调控

例如过量的精氨酸阻遏了参与生物合成精氨酸的许多酶的合成。终产物阻遏在代谢调节中的意义是显而易见的。它有效地保证了微生物细胞内氨基酸等重要物质维持在适当浓度，不会把有限的能量和养料用于合成那些暂时不需要的酶。一、代谢速度的调控

酱分解代谢产物阻遏导致所谓“二次生长”，即先是利用葡萄糖生长，待葡萄糖耗尽后，再利用另一种底物生长，两次生长中间隔着一个短暂的停滞期。这是因为葡萄糖耗尽后，它的分解代谢产物阻遏作用解除，经过一个短暂的适应期，β-半乳糖苷酶等分解利用乳糖的酶被诱导合成，这时细菌便利用乳糖进行第二次生长。葡萄糖对氨基酸的分解利用也有类似的阻遏作用。一、代谢速度的调控

1．一些主要术语（1）操纵子是指由启动基因（或称启动子）、操纵基因和结构基因组成的一个完整的基因表达单位，其功能是转录mRNA。操纵子是受调节基因调控的。启动基因是RNA聚合酶识别、结合并起始mRNA转录的一段DNA碱基序列。一、代谢速度的调控

操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的碱基序列，能与阻遏蛋白（一种调节蛋白）相结合。如操纵基因上结合有阻遏蛋白，转录就受阻；如操纵基因上没有阻遏蛋白结合着，转录便顺利进行，所以操纵基因就像一个“开关”似的操纵着mRNA的转录。结构基因是操纵子中编码酶蛋白的碱基序列。一、代谢速度的调控

（1）乳糖操纵子的诱导机制E．coli乳糖操纵子由lac启动基因、lac操纵基因和3个结构基因所组成。乳糖操纵子是负调节的代表。在缺乏乳糖等诱导物时，其调节蛋白（即lac阻遏蛋白）一直结合在操纵基因上，抑制着结构基因进行转录。当有诱导物乳糖存在时，乳糖与lac阻遏蛋白相结合，后者发生构象变化，结果降低了lac阻遏蛋白与操纵基因间的亲和力，使它不能继续结合在操纵子上。一、代谢速度的调控

其操纵子的“开关”被打开，转录和转译顺利进行。当诱导物耗尽后，lac阻遏蛋白再次与操纵基因相结合，这时转录的“开关”被关闭，酶就无法合成，同时，细胞内已转录好的mRNA也迅速地被核酸内切酶所水解，所以细胞内酶的量急剧下降。如果通过诱变方法使之发生lac阻遏蛋白缺陷突变，就可获得解除调节即在无诱导物时也能合成β-半乳糖苷诱导酶的突变株。一、代谢速度的调控

lac操纵子还受到另一种调节即正调节的控制。这就是当第二种调节蛋白CRP(cAMP受体蛋白)或CAP(降解物激活蛋白)直接与启动基因结合时，RNA多聚酶才能连接到DNA链上而开始转录。CRP与cAMP的相互作用，会提高CRP与启动基因的亲和性。葡萄糖会抑制cAMP的形成，从而阻遏了lac操纵子的转录。一、代谢速度的调控

（2）色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制色氨酸操纵子的阻遏是对合成代谢酶类进行正调节的例子。在合成代谢中，催化氨基酸等小分子末端产物合成的酶应随时存在于细胞内，因此，在细胞内这些酶的合成应经常处于消阻遏状态；相反，在分解代谢中的β-半乳糖苷酶等则经常处于阻遏状态。E．coli色氨酸操纵子也是由启动基因、操纵基因和结构基因3部分组成的。

一、代谢速度的调控

启动基因位于操纵子的开始处；结构基因上有5个基因，分别编码“分支酸→邻氨基苯甲酸→磷酸核糖邻氨基苯甲酸→羧苯氨基脱氧核糖磷酸→吲哚甘油磷酸→色氨酸”途径中的5种酶。其调节基因(trpR)远离操纵基因，编码一种称为阻遏蛋白原的调节蛋白。一、代谢速度的调控

在没有末端产物色氨酸的情况下，阻遏蛋白原处于无活性状态，因此操纵基因的“开关”是打开的，这时结构基因的转录和转译可正常进行，参与色氨酸合成的酶大量合成；反之，当有色氨酸存在时，阻遏蛋白原可与辅阻遏物色氨酸结合成一个有活性的完全阻遏蛋白，它与操纵基因相结合，使转录的“开关”关闭，从而无法进行结构基因的转录和转译。一、代谢速度的调控二、酶活力的调节酶活调节的特点是反应快速酶活调节的影响因素包括：底物和产物的性质和浓度、压力、pH、离子强度、辅助因子以及其他酶的存在等等一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率酶活（细调）：（1）酶活性的激活02前体激活

代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进反馈激活代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用01（2）酶活性的抑制

无分支代谢途径的调节：通常是在线形的代谢途径中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用

有分支代谢途径的调节：酶的顺序反馈抑制；同工酶的反馈抑制；协同反馈抑制；累积反馈抑制；超相加反馈抑制大多是反馈抑制（3）酶活性调节的分子机制A、别构调节理论（酶分子构象的改变）别构酶除了具有与底物结合的催化中心外，还具有与调节剂结合的调节中心。当酶与调节剂结合后，酶蛋白的构象发生变化，引起催化中心改变，从而引起酶活性的变化

B、酶分子的化学修饰理论（酶分子结构的改变）酶的共价修饰是酶蛋白在修饰酶催化下，可与某些物质发生共价键的结合或解离，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活性）和去磷酸化（低活性）（3）酶活性调节的分子机制

酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。这种调节方式可以使微生物细胞对环境变化作出迅速地反应。1

酶活性调节受多种因素影响，底物的性质和浓度，环境因子，以及其它酶的存在都有可能激活或控制酶的活性。2

酶活性调节的方式主要有两种：变构调节和酶分子的修饰调节。3A.变构调节酱在某些重要的生化反应中，反应产物的积累往往会抑制催化这个反应的酶的活性，这是由于反应产物与酶的结合抑制了底物与酶活性中心的结合在一个由多步反应组成的代谢途径中，末端产物通常会反馈抑制该途径的第一个酶，这种酶通常被称为变构酶（allostericenzyme）例如，合成异亮氨酸的第一个酶是苏氨酸脱氨酶，这种酶被其末端产物异亮氨酸反馈抑制。变构酶通常是某一代谢途径的第一个酶或是催化某一关键反应的酶。细菌细胞内的酵解和三羧酸循环的调控也是通过反馈抑制进行的。B.修饰调节

修饰调节是通过共价调节酶来实现的。共价调节酶通过修饰酶催化其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向

目前已知有多种类型的可逆共价调节蛋白：磷酸化/去磷酸化；乙酰化/去乙酰化；腺苷酰化/去腺苷酰化；尿苷酰化/去尿苷酰化；甲基化/去甲基化；S-S/SH相互转变；ADPR化/去ADPR化等B.修饰调节