2010-代谢调控-第三 章__代谢调控-03.ppt

1、第三章是代谢调节机制。微生物的生命活动是由生产力和生物合成的各种代谢途径组成的网络维持的。当外部环境发生变化时，微生物细胞可以对其代谢机制进行定量调整。微生物的代谢网络受到高度调控，微生物在含有单一有机化合物作为能源的合成培养基中生长，所有小分子单体的合成速率与大分子细胞成分的合成速率一致。只要细胞能从外部吸收一种单体，细胞中单体的合成就会自动停止，而参与这些单体生产的酶的合成也会停止。微生物的代谢网络是高度受调控的，只有当一些有机底物存在时，微生物才会合成疏远这些底物的酶；如果有两种有机底物，微生物首先合成酶，使更多可利用的底物异化，然后当可利用的底物耗尽时，开始诱导酶分解较少可利用的底物；

2、微生物的代谢网络受到高度调节，营养物质影响生长速度，从而改变细胞大分子的组成，如核糖核酸的含量。代谢调节机制，酶活性的调节代谢调节通过中间代谢物或终产物激活或抑制现有酶分子的活性来调节现有酶的活性以控制代谢活性的速率，代谢调节机制，调节酶合成基因以调节酶分子的合成量以通过酶量的变化来控制代谢速率，3.1酶活性的调节，1。微生物的代谢调节是通过几个部分实现的，这些部分限制了营养物的吸收和酶的接近，控制了代谢流和营养物吸收通道。大多数亲水分子很难穿透细胞膜，这只能通过一些负责运输的酶系统来实现，例如渗透酶，并且需要一些运输反应。与质膜密切相关的调节质膜是溶质进出细胞的主要屏障。营养物质主动或被动转

3、运到细胞中以及代谢物(一些代谢物或能量代谢副产物)从细胞中排出都受到膜的组成、结构和功能的影响。营养物质的吸收通道和与膜密切相关的调节主要包括以下四个方面：膜脂(磷脂和其他脂类)的分子结构和环境条件(如离子强度、温度、酸碱度等)的影响。)膜脂的物理化学性质；膜蛋白(如酶、载体蛋白、电子转移链成员和其他蛋白)的绝对数量及其活性的调节；营养吸收通道、跨膜电化学梯度(膜的生理状态)以及细胞内三磷酸腺苷、腺苷二磷酸、腺苷酸库和磷脂酰肌醇浓度对溶质转运的调节；细胞壁结构，特别是骨架结构的部分破坏或变形，间接影响膜对溶质的渗透性(膜的物理状态)。在真核细胞中，细胞内空间被膜结构分成许多小室，各种代谢文库的

4、基质分别存在于细胞器中。真核微生物细胞中酶和底物的相对位置、酶(酶系统)的区域化以及酶和底物的分离使得酶反应的调控更加复杂和多样。酶反应系列的总速度不仅取决于底物浓度和相邻两个区域中调节酶的活性，还取决于重要中间代谢产物的跨膜交换速度。跨膜交换依赖于载体(由DNA编码的蛋白质)，因此载体的绝对数量和活性也将成为代谢调节位点。在原核细胞中，酶和底物的相对位置有时以这种形式被调节。例如，当酶反应系统以多酶复合物的形式存在时，酶反应可以在特定的空间中以特定的顺序进行。一种是调节反应途径中的酶水平(酶分子的浓度)，尤其是关键酶的合成或降解的相对速率。二是改变现有酶的活力，尤其是关键酶的活力。代谢途径流

5、量控制代谢通量平衡模型定量分析了杂交瘤细胞中代谢通量的分布。当葡萄糖和谷氨酰胺的浓度分别为13.8和2.6mmol/l时，86.2%的葡萄糖通过糖酵解途径产生乳酸，7.5%产生脂质，只有0.83%进入TCA循环。谷氨酰胺中3%的氮用于核酸合成，54.5%产生氨，另外38.2%产生不必要的氨基酸。61.6%的碳架产生不必要的氨基酸，34.1%进入TCA循环。鉴于细胞内外环境的不稳定性，代谢控制分析揭示了细胞代谢的动态变化。弹性系数和流量控制系数是代谢控制分析中的两个主要指标。代谢途径通量和弹性系数揭示了代谢物浓度变化对反应速率的影响。流量控制系数是由单位酶的变化引起的分支稳定代谢流量的变化，用来

6、衡量酶反应的某一步对整个反应系统的控制程度。这两个系数相互关联，可以直接或间接确定。2、酶活性调节的方式、共价修饰、变构效应、缔合和解离、竞争性抑制、共价修饰、蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与化学基团的共价连接或断开，从而使其活性改变，酶失活或活化。可逆共价修饰不可逆共价修饰，可逆共价修饰，例如，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的NADP依赖性异柠檬酸脱氢酶(ID)受磷酸化和去磷酸化的调节。向含有少量葡萄糖的培养基中加入乙酸，培养物中这两种细菌的身份被快速灭活。原因是身份被磷酸化了。ID是位于TCA环和果阿环分叉处的一种酶，ID的失活可以使更多的代谢底物进入果阿环，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸

7、的形成(可用于糖异生方向)。I D，I D-P4，激酶，磷酸酶，4三磷酸腺苷，4 H2O，(非活性)，(活性)，可逆共价修饰的含义，因为调节酶构型的改变是由酶催化完成的，酶反应的速度可以在短时间内改变调节酶的活性并有效控制细胞的生理代谢。不可逆共价修饰，共价调节酶的优点是，只要微生物细胞中某一代谢物的浓度有相对较小的变化，就可以诱导该代谢物控制的共价调节酶的完全激活或完全失活。乳糖透化剂被磷酸转移酶系统(PTS)抑制，细胞外葡萄糖的浓度影响存在于细胞质中的调节蛋白RPr的磷酸化状态。当RPr未被磷酸化时，其与乳糖透化剂的结合导致乳糖透化剂的低活性，其只能以非常低的速度转移乳糖。当RPr被磷酸化

8、时，乳糖透化剂的活性不受抑制，乳糖可以快速转移。RPr、变构效应，小分子和蛋白质之间的可逆相互作用导致蛋白质构象的改变，从而改变这种蛋白质和第三种分子之间的相互作用。变构效应的发现，三磷酸腺苷，天冬氨酸转氨基甲酰基酶，天冬氨酸，氨甲酰磷酸，氨甲酰天冬氨酸，胞苷三磷酸，胞苷三磷酸，胞苷三磷酸转氨基甲酰基酶结构模型，C，C，C，C，R，R，C，C，C，C。热处理后，无论有无CTP，曲线形状相似，均失去S形曲线，表明CTP的结合位点被消除，而活性位点仍起作用。这表明酶分子上的两个结合位点是相互独立的。变构因子是一种能与变构蛋白分子互补结合的小分子化合物。变构酶的反应动力学不同于普通酶，呈S型曲线。监

9、管场所和活动中心是独立和相关的，可以同时合并。调控位点并不特定，可以结合不同的物质产生不同的效果。，一些参与大肠杆菌中枢代谢途径的变构酶及其相应的抑制剂和激活剂：3，2，调节酶的合成，以确保只合成必需的酶，酶的量是适当的，不多不少，调节酶的合成方式，负控制酶的诱导-半乳糖苷酶正控制酶对异化阿拉伯糖的抑制，分解代谢物的抑制(半乳糖苷酶对葡萄糖的抑制)， 最终产物的反馈调节(色氨酸自身合成所需的酶的合成)，3，2，1，诱导，其中微生物与培养基中的特定底物接触，以增加细胞中相应酶的合成速率。 细胞中酶的组成型诱导型的自动合成需要诱导剂，因此可以看出诱导的本质是解除阻遏(诱导剂解除阻遏蛋白对操纵基因的

10、阻断)。值得注意的是，这种诱导剂与阻遏蛋白的结合是可逆的，结合或解除结合取决于细胞内效应物的浓度。因为组合是可逆的，所以调节可以双向进行。酶诱导对微生物的意义：从营养学的角度来看，微生物可以根据环境提供的生长底物诱导合成相应的酶(蛋白质)，从而分解底物，吸收营养，进行代谢活动，从而形成微生物对环境的适应性。从细胞经济的角度来看，通过诱导和合成所需的酶(蛋白质)，可以避免核苷酸、氨基酸和代谢能的浪费。通过诱导机制，微生物可以更好地适应环境变化，节约营养和代谢能量，表现出细胞生命活动的适应性和经济性。诱导剂的类型，基质的衍生产物，与诱导剂基质的结构相似，是一种优良的诱导剂，但不能用作基质。能诱导半

11、乳糖苷酶的化合物也能诱导乳糖通透性，两种酶的比例和合成速率总是恒定的。-半乳糖苷酶和乳糖苷酶由同一操纵子控制，并按一定比例合成。顺序诱导，由片段控制的顺序诱导-不受单个操纵子控制，克服诱导的调节，如果大量的酶被合成，有必要尝试绕过微生物的内在调节机制。突变可以用来消除诱导型酶的合成必须依赖诱导剂的障碍。一种组成型突变体，其突变发生在调节基因R中，可导致由调节基因R编码的阻遏物失活或操作者对活性阻遏物的亲和力下降，从而无需诱导剂即可产生诱导型酶。如果操纵子O被删除，操纵子在有或没有诱导剂的情况下都不会被阻断，并且结构基因可以在没有诱导的情况下被转录和翻译。这个突变体是组成型突变体。这两种突变体可

12、用于工业。根据诱导模型分析，调控基因R、启动子基因P和操作基因O的突变可能影响酶的正常诱导。如果启动子基因缺失，核糖核酸聚合酶就不能与操纵子结合，不管有没有诱导剂，转录都不能进行。这种突变体被称为超抑制突变体。组成型突变体的富集方法包括：1)在以诱导剂为限制性底物的恒化器中，筛选恒化器、诱变细菌、低诱导剂浓度且不需要诱导的组成型突变体，生长良好的诱导型亲本植物由于诱导剂浓度低而逐渐被淘汰；2)在含有或不含有诱导剂的培养基中依次培养菌株，g .诱变的细菌，并培养少量的组分。紫胶是唯一的碳源，有利于组成型突变体的生长。未变异的父母需要很长的停滞期才能开始成长。未突变的亲本需要诱导半乳糖苷酶合成，这

13、将最终使组成型突变体占优势。3)使用诱导性能差的底物、诱变的细菌、诱导性能差的底物和组成型突变体的生长。4)使用障碍物。诱导剂和诱导抑制剂，突变体可以在没有诱导剂的情况下生长，筛选突变体的方法，诱变后，突变体的数量增加1000倍，然后它们在菌群中的相对数量增加到10-610-3，-半乳糖苷酶组成型突变体的筛选，诱变，富集，并在甘油中铺展。将邻硝基酚-半乳糖苷喷洒在平板上可以产生-半乳糖苷酶，而无色的邻硝基酚-半乳糖苷，黄色的邻硝基酚，和大肠杆菌在含有两个碳源的培养基上培养(如G或Lac)将有两个3，2，2分解代谢抑制，快速利用底物的存在，抑制了分解其它底物的酶系统的合成。这种抑制不仅发生在碳源

14、的利用上，也发生在氮源、磷源和硫源的利用上。似乎抑制碳源分解不是由葡萄糖或其他能快速利用碳源的分解代谢物引起的。因此，营养抑制被用来包括不同营养源的抑制，例如碳源营养抑制和氮源营养抑制。抑制机制被分解了。证明大肠杆菌的碳源抑制与细胞内环磷酸腺苷的水平(即浓度)有关。乳糖操纵子的转录不仅需要诱导剂，还需要cAMP。葡萄糖对乳糖利用的影响是碳源营养抑制和分解抑制的典型分子机制，细胞内cAMP的浓度依赖于腺苷酸环化酶。腺苷酸环化酶的活性受吸收葡萄糖的磷酸转移酶系统因子的磷酸化状态调节。当葡萄糖浓度较高时，因子磷酸化程度较低，腺苷酸环化酶活性和环磷酸腺苷浓度降低，导致启动子P对乳糖操纵子和mRNA聚合

15、酶的结合力降低。当葡萄糖浓度降低时，因子浓度降低，因子磷浓度增加。激活腺苷酸环化酶以增加细胞内cAMP浓度；乳糖透化剂被磷酸转移酶系统(PTS)抑制，细胞外葡萄糖的浓度影响存在于细胞质中的调节蛋白RPr的磷酸化状态。当RPr未被磷酸化时，其与乳糖透化剂的结合导致乳糖透化剂的低活性，其只能以非常低的速度转移乳糖。当RPr被磷酸化时，乳糖透化剂的活性不受抑制，乳糖可以快速转移。氮源营养抑制：高浓度的氨或某些含氮有机化合物可以抑制和调节催化含氮底物降解的酶。如蛋白酶、酰胺酶、脲酶和氨基酸降解酶。在曲霉属中，已经检测到控制氮源抑制的基因(areA)。该基因是一种积极控制转录的调节蛋白。这种调节蛋白在去

16、抑制条件下(如低铵浓度)显示活性，在抑制条件下(如高铵浓度)失去活性。高浓度的磷源(尤其是正磷酸盐)和硫源(尤其是无机硫酸盐)也会对某些酶产生营养抑制作用。例如，核酸酶和磷酸酶通常被磷酸盐抑制，而蛋白酶和硫酸酯酶通常被硫酸盐或含硫氨基酸抑制。，这反映了细胞运行的经济和自我保护机制以及营养抑制的意义：在微生物分解代谢抑制中，某一碳源的效率取决于其作为碳能源的效率，而不是其化学结构。抑制一种微生物分解代谢的化合物在另一种微生物中可能不起作用。1)在培养基中使用抑制碳源有利于产生对分解代谢物抑制敏感的酶。与果糖相比，嗜热脂肪芽孢杆菌产淀粉酶的产量可提高2.5倍以上。(果糖分解代谢抑制淀粉酶的形成)，2)当必须使用抑制性碳源时，生产细菌的底物消耗速率可以通过喂食来限制，并且分解代谢抑制对酶生产的影响可以被消除。荧光假单胞菌能产生纤维素酶，缓慢补糖能使纤维素酶产量增加200倍。克服分解代谢抑制，例如，2:-半乳糖苷酶，含葡萄糖的亲本的乳糖分解的酶合成被阻断，但是突变菌株比不含葡萄糖的突变菌株生长更快，并且亲本菌株需要时间来合成酶。3)筛选对分解代谢物阻遏有抗性的突变体，3)反馈调节，其中氨基酸、嘌呤和嘧啶核苷酸通过反馈调节控制它们的生物合成。避免物流的浪费和不必要的