2.1微生物代謝調(diào)控4

微生物的代謝調(diào)控（4）主講老師：陳健凱第二節(jié)、微生物的代謝調(diào)控

微生物通過對其代謝的調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)地利用有限的養(yǎng)料、能量進(jìn)行著它所需要的酶促反應(yīng)，從而使得它們的生命活動得以正常進(jìn)行。在正常情況下，微生物是絕不會浪費(fèi)能量和原料去進(jìn)行它不需要的代謝反應(yīng)的。微生物正是依靠其代謝調(diào)節(jié)嚴(yán)格又靈活的調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能有高效、經(jīng)濟(jì)的代謝，從而在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下生存和發(fā)展的。有兩種主要的代謝調(diào)節(jié)方式：一種是酶合成的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)酶的合成量，這是一種“粗調(diào)”另一種是酶活力調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)已有的酶的活力，這是一種“細(xì)調(diào)”微生物通過對其系統(tǒng)的“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”從而達(dá)到最佳的調(diào)節(jié)效果兩種主要的代謝調(diào)節(jié)方式一、代謝速度的調(diào)控

1、酶量（粗調(diào)）：通過酶量的變化來控制代謝的速率。（從本質(zhì)上看，酶合成的調(diào)節(jié)是在基因表達(dá)水平上起作用的）（1）酶合成的誘導(dǎo)協(xié)同誘導(dǎo)：一種誘導(dǎo)劑可以同時誘導(dǎo)產(chǎn)生若干種酶的現(xiàn)象順序誘導(dǎo)：一種誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶的反應(yīng)產(chǎn)物可繼續(xù)誘導(dǎo)產(chǎn)生下一個酶，這種連續(xù)誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列酶的現(xiàn)象稱為順序誘導(dǎo)。一、代謝速度的調(diào)控終點(diǎn)產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒簦汉铣纱x過程中，相關(guān)酶的合成被過量終點(diǎn)產(chǎn)物所阻遏01分解代謝物阻遏：可被組成酶快速利用的基質(zhì)，阻遏了分解難利用基質(zhì)的酶的合成02酶合成的阻遏一、代謝速度的調(diào)控（3）酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機(jī)制：操縱子學(xué)說

操縱子是指基因組DNA分子的一個片段，這個片斷由啟動子、調(diào)節(jié)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成誘導(dǎo)型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達(dá)阻遏型操縱子：效應(yīng)物存在導(dǎo)致基因表達(dá)的關(guān)閉一、代謝速度的調(diào)控

例如過量的精氨酸阻遏了參與生物合成精氨酸的許多酶的合成。終產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中的意義是顯而易見的。它有效地保證了微生物細(xì)胞內(nèi)氨基酸等重要物質(zhì)維持在適當(dāng)濃度，不會把有限的能量和養(yǎng)料用于合成那些暫時不需要的酶。一、代謝速度的調(diào)控

醬分解代謝產(chǎn)物阻遏導(dǎo)致所謂“二次生長”，即先是利用葡萄糖生長，待葡萄糖耗盡后，再利用另一種底物生長，兩次生長中間隔著一個短暫的停滯期。這是因為葡萄糖耗盡后，它的分解代謝產(chǎn)物阻遏作用解除，經(jīng)過一個短暫的適應(yīng)期，β-半乳糖苷酶等分解利用乳糖的酶被誘導(dǎo)合成，這時細(xì)菌便利用乳糖進(jìn)行第二次生長。葡萄糖對氨基酸的分解利用也有類似的阻遏作用。一、代謝速度的調(diào)控

1．一些主要術(shù)語（1）操縱子是指由啟動基因（或稱啟動子）、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成的一個完整的基因表達(dá)單位，其功能是轉(zhuǎn)錄mRNA。操縱子是受調(diào)節(jié)基因調(diào)控的。啟動基因是RNA聚合酶識別、結(jié)合并起始mRNA轉(zhuǎn)錄的一段DNA堿基序列。一、代謝速度的調(diào)控

操縱基因是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的堿基序列，能與阻遏蛋白（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合。如操縱基因上結(jié)合有阻遏蛋白，轉(zhuǎn)錄就受阻；如操縱基因上沒有阻遏蛋白結(jié)合著，轉(zhuǎn)錄便順利進(jìn)行，所以操縱基因就像一個“開關(guān)”似的操縱著mRNA的轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)基因是操縱子中編碼酶蛋白的堿基序列。一、代謝速度的調(diào)控

（1）乳糖操縱子的誘導(dǎo)機(jī)制E．coli乳糖操縱子由lac啟動基因、lac操縱基因和3個結(jié)構(gòu)基因所組成。乳糖操縱子是負(fù)調(diào)節(jié)的代表。在缺乏乳糖等誘導(dǎo)物時，其調(diào)節(jié)蛋白（即lac阻遏蛋白）一直結(jié)合在操縱基因上，抑制著結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有誘導(dǎo)物乳糖存在時，乳糖與lac阻遏蛋白相結(jié)合，后者發(fā)生構(gòu)象變化，結(jié)果降低了lac阻遏蛋白與操縱基因間的親和力，使它不能繼續(xù)結(jié)合在操縱子上。一、代謝速度的調(diào)控

其操縱子的“開關(guān)”被打開，轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯順利進(jìn)行。當(dāng)誘導(dǎo)物耗盡后，lac阻遏蛋白再次與操縱基因相結(jié)合，這時轉(zhuǎn)錄的“開關(guān)”被關(guān)閉，酶就無法合成，同時，細(xì)胞內(nèi)已轉(zhuǎn)錄好的mRNA也迅速地被核酸內(nèi)切酶所水解，所以細(xì)胞內(nèi)酶的量急劇下降。如果通過誘變方法使之發(fā)生lac阻遏蛋白缺陷突變，就可獲得解除調(diào)節(jié)即在無誘導(dǎo)物時也能合成β-半乳糖苷誘導(dǎo)酶的突變株。一、代謝速度的調(diào)控

lac操縱子還受到另一種調(diào)節(jié)即正調(diào)節(jié)的控制。這就是當(dāng)?shù)诙N調(diào)節(jié)蛋白CRP(cAMP受體蛋白)或CAP(降解物激活蛋白)直接與啟動基因結(jié)合時，RNA多聚酶才能連接到DNA鏈上而開始轉(zhuǎn)錄。CRP與cAMP的相互作用，會提高CRP與啟動基因的親和性。葡萄糖會抑制cAMP的形成，從而阻遏了lac操縱子的轉(zhuǎn)錄。一、代謝速度的調(diào)控

（2）色氨酸操縱子的末端產(chǎn)物阻遏機(jī)制色氨酸操縱子的阻遏是對合成代謝酶類進(jìn)行正調(diào)節(jié)的例子。在合成代謝中，催化氨基酸等小分子末端產(chǎn)物合成的酶應(yīng)隨時存在于細(xì)胞內(nèi)，因此，在細(xì)胞內(nèi)這些酶的合成應(yīng)經(jīng)常處于消阻遏狀態(tài)；相反，在分解代謝中的β-半乳糖苷酶等則經(jīng)常處于阻遏狀態(tài)。E．coli色氨酸操縱子也是由啟動基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因3部分組成的。

一、代謝速度的調(diào)控

啟動基因位于操縱子的開始處；結(jié)構(gòu)基因上有5個基因，分別編碼“分支酸→鄰氨基苯甲酸→磷酸核糖鄰氨基苯甲酸→羧苯氨基脫氧核糖磷酸→吲哚甘油磷酸→色氨酸”途徑中的5種酶。其調(diào)節(jié)基因(trpR)遠(yuǎn)離操縱基因，編碼一種稱為阻遏蛋白原的調(diào)節(jié)蛋白。一、代謝速度的調(diào)控

在沒有末端產(chǎn)物色氨酸的情況下，阻遏蛋白原處于無活性狀態(tài)，因此操縱基因的“開關(guān)”是打開的，這時結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯可正常進(jìn)行，參與色氨酸合成的酶大量合成；反之，當(dāng)有色氨酸存在時，阻遏蛋白原可與輔阻遏物色氨酸結(jié)合成一個有活性的完全阻遏蛋白，它與操縱基因相結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄的“開關(guān)”關(guān)閉，從而無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。一、代謝速度的調(diào)控二、酶活力的調(diào)節(jié)酶活調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是反應(yīng)快速酶活調(diào)節(jié)的影響因素包括：底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度、壓力、pH、離子強(qiáng)度、輔助因子以及其他酶的存在等等一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率酶活（細(xì)調(diào)）：（1）酶活性的激活02前體激活

代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個中間產(chǎn)物所促進(jìn)反饋激活代謝中間產(chǎn)物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用01（2）酶活性的抑制

無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用

有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)：酶的順序反饋抑制；同工酶的反饋抑制；協(xié)同反饋抑制；累積反饋抑制；超相加反饋抑制大多是反饋抑制（3）酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制A、別構(gòu)調(diào)節(jié)理論（酶分子構(gòu)象的改變）別構(gòu)酶除了具有與底物結(jié)合的催化中心外，還具有與調(diào)節(jié)劑結(jié)合的調(diào)節(jié)中心。當(dāng)酶與調(diào)節(jié)劑結(jié)合后，酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，引起催化中心改變，從而引起酶活性的變化

B、酶分子的化學(xué)修飾理論（酶分子結(jié)構(gòu)的改變）酶的共價修飾是酶蛋白在修飾酶催化下，可與某些物質(zhì)發(fā)生共價鍵的結(jié)合或解離，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。如糖原合成酶的磷酸化（高活性）和去磷酸化（低活性）（3）酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制

酶活性調(diào)節(jié)是指一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。這種調(diào)節(jié)方式可以使微生物細(xì)胞對環(huán)境變化作出迅速地反應(yīng)。1

酶活性調(diào)節(jié)受多種因素影響，底物的性質(zhì)和濃度，環(huán)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

酶活性調(diào)節(jié)的方式主要有兩種：變構(gòu)調(diào)節(jié)和酶分子的修飾調(diào)節(jié)。3A.變構(gòu)調(diào)節(jié)醬在某些重要的生化反應(yīng)中，反應(yīng)產(chǎn)物的積累往往會抑制催化這個反應(yīng)的酶的活性，這是由于反應(yīng)產(chǎn)物與酶的結(jié)合抑制了底物與酶活性中心的結(jié)合在一個由多步反應(yīng)組成的代謝途徑中，末端產(chǎn)物通常會反饋抑制該途徑的第一個酶，這種酶通常被稱為變構(gòu)酶（allostericenzyme）例如，合成異亮氨酸的第一個酶是蘇氨酸脫氨酶，這種酶被其末端產(chǎn)物異亮氨酸反饋抑制。變構(gòu)酶通常是某一代謝途徑的第一個酶或是催化某一關(guān)鍵反應(yīng)的酶。細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的酵解和三羧酸循環(huán)的調(diào)控也是通過反饋抑制進(jìn)行的。B.修飾調(diào)節(jié)

修飾調(diào)節(jié)是通過共價調(diào)節(jié)酶來實(shí)現(xiàn)的。共價調(diào)節(jié)酶通過修飾酶催化其多肽鏈上某些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價修飾，使之處于活性和非活性的互變狀態(tài)，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向

目前已知有多種類型的可逆共價調(diào)節(jié)蛋白：磷酸化/去磷酸化；乙?；?去乙酰化；腺苷酰化/去腺苷?；?；尿苷?；?去尿苷酰化；甲基化/去甲基化；S-S/SH相互轉(zhuǎn)變；ADPR化/去ADPR化等B.修飾調(diào)節(jié)