微生物代謝代謝控制育種

1、關(guān)于微生物代謝代謝控制育種第1頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三Contents概 論微生物的代謝調(diào)控代謝調(diào)節(jié)控制育種次級代謝的調(diào)節(jié)控制第2頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第一節(jié) 概 論初級代謝：微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級代謝。初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。 一、初級代謝和初級代謝物第3頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 非細胞生物（如病毒）雖然不具備完整的初級代

2、謝系統(tǒng)，但它們?nèi)跃哂胁糠值某跫壌x系統(tǒng)和具有利用宿主代謝系統(tǒng)完成本身的初級代謝過程的能力。初級代謝產(chǎn)物:如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的各種大分子聚合物，蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等通常都是機體生存必不可少的物質(zhì)。第4頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 次級代謝：某些生物為了避免在初級代謝過程某種中間產(chǎn)物積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型?？梢哉J為是某些生物在一定條件下通過突變獲得的一種適應生存的方式。通過次級代謝合成的產(chǎn)物通常稱為次級代謝產(chǎn)物，大多是分子結(jié)構(gòu)比較復雜的化合物。根據(jù)其作用，可分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素

3、等類型。二、次級代謝產(chǎn)物和次級代謝第5頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 灰黃青霉在CzapekDox培養(yǎng)基上培養(yǎng)時可以合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)時則合成褐菌素； 產(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時可以合成青霉酸。但在CzapekDox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。 Penicillium urticae在含有0.510-8M的鋅離子的Czapek培養(yǎng)基里培養(yǎng)時合成的主要次級代謝產(chǎn)物是6-氨基水楊酸，但在含0.510-6M的鋅離子的Czapek培養(yǎng)基里培養(yǎng)時不合成6-氨基水楊酸，而合成大量的龍膽醇、甲基醌醇和棒曲霉素。 第6頁，共117頁，2022年，5月20日，1

4、8點20分，星期三 次級代謝產(chǎn)物的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導致產(chǎn)生各種各樣的次級代謝產(chǎn)物。每類常是一群化學結(jié)構(gòu)相似的不同成分的混合物。新霉素有4種 桿菌肽有10多種 多粘菌素有10多種 放線菌素有20多種第7頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三次級代謝產(chǎn)物通常都分泌到胞外，有些與機體的分化有一定的關(guān)系，并在同其它生物的生存競爭中起著重要的作用。許多次級代謝產(chǎn)物通常對人類和國民經(jīng)濟的發(fā)展有重大影響。第8頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級代謝產(chǎn)物

5、在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。1、存在范圍及產(chǎn)物類型不同 次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，就是同種生物也會由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。三、 初級代謝和次級代謝關(guān)系第9頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三青霉合成青霉素芽孢桿菌合成桿菌肽黑曲霉合成檸檬酸2.不同的微生物可產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物第10頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三初級代謝產(chǎn)物，如蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等都是機體生存必不可少的物質(zhì)，這些物質(zhì)的合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙

6、，輕引起生長停止、重導致機體發(fā)生突變或死亡。次級代謝產(chǎn)物對于產(chǎn)生者來說，不是生存必需的，即使在次級代謝的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙。不會導致機體生長的停止或死亡，至多只是影響機體合成某種次級代謝產(chǎn)物的能力。3、對產(chǎn)生者自身的重要性不同第11頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三初級代謝自始至終存在于一切生活的機體中，同機體的生長過程呈平行關(guān)系；次級代謝則是在機體生長的一定時期內(nèi)（通常是微生物的對數(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機體的生長不呈平行關(guān)系，一般可明顯地表現(xiàn)為機體的生長期和次級代謝產(chǎn)物形成期二個不同的時期。4、同微生物生長過程的關(guān)系明顯不同第12頁，共117頁，2022

7、年，5月20日，18點20分，星期三初級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件的變化敏感性小（即遺傳穩(wěn)定性大），而次級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)境條件變化而停止。5、對環(huán)境條件變化的敏感性第13頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三6、相關(guān)酶的專一性不同催化次級代謝產(chǎn)物合成的酶往往是一些誘導酶，它們是在產(chǎn)生菌對數(shù)生長末期或穩(wěn)定生長期里，由于某種中間代謝產(chǎn)物積累而誘導機體合成的一種能催化次級代謝產(chǎn)物合成的酶，這些酶通常因環(huán)境條件變化而不能合成。相對來說催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的

8、前體物時，往往可以導致機體合成不同類型的次級代謝產(chǎn)物。第14頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三7、遺傳控制上既有相同部分，也有不相同部分。相同：同樣受到核內(nèi)DNA控制；不同：次級代謝產(chǎn)物還受到與初級代謝產(chǎn)物生物合成無關(guān)的遺傳物質(zhì)控制。第15頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第二節(jié) 初級代謝調(diào)節(jié)控制 代謝途徑的區(qū)域化(細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制) 代謝流向的調(diào)控 代謝速度的控制第16頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三一、代謝途徑的區(qū)域化(一)細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制真核細胞(如酵母)內(nèi)的各種細胞器，都是為膜所包圍

9、的特異結(jié)構(gòu)，不同代謝途徑的酶系分別集中在不同的膜結(jié)構(gòu)中。相應的底物和產(chǎn)物濃度也都由膜的選擇性透過機能加以調(diào)節(jié)。細胞中所進行的錯綜復雜的代謝活動猶如一個大工廠設(shè)有各個車間一樣，各自獨立，互相有關(guān)又互不干擾。第17頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三真核微生物第18頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化細胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;細胞核:核酸合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成第19頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三原核微生物原核微生物細胞結(jié)構(gòu)沒

10、有細胞器的分化，但不同酶系在胞內(nèi)也有相對集中的區(qū)域分布，與某一代謝途徑有關(guān)的酶系集中于某一區(qū)域，以保證這一代謝途徑中的酶促反應順利進行。如與呼吸有關(guān)的酶系集中在細胞質(zhì)膜上，與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的酶系則位于核糖核蛋白體上，分解大分子的水解酶，在革蘭氏陰性細菌里位于細胞壁與膜間隙中，而革蘭氏陽性細菌則將這些水解酶類分泌于胞外。第20頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三(二)代謝流向的調(diào)控 1.由一個關(guān)鍵酶控制的可逆反應 同一個酶可以通過不同輔基(或輔酶)控制代謝物的流向，因而微生物可以通過不同的輔基來控制代謝物的流向。2.由兩種酶控制的逆單向反應 逆單向反應是在生物體代謝的關(guān)鍵

11、部位的某些反應，它是由兩種各自不同的酶來催化的一個“可逆”反應，其中一種酶催化正反應，而另一種酶催化逆反應，這類反應被稱為逆單向反應. 第21頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三(三)代謝速度的控制在不可逆反應中，微生物通過調(diào)節(jié)酶的活性或酶的數(shù)量來控制代謝物的流量。酶活性和酶量的調(diào)節(jié)是微生物代謝調(diào)節(jié)的核心。微生物在不同條件下能按照需要，通過激活或抑制原有酶的活性，或通過誘導或阻遏酶的合成來調(diào)節(jié)其代謝速度。 第22頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三酶活性調(diào)節(jié)和酶合成(即酶量)調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)代謝途徑中關(guān)鍵酶(或稱限速酶)的活性來控制酶促反

12、應的速率；酶合成(即酶量)調(diào)節(jié)是通過控制關(guān)鍵酶的酶數(shù)量來控制酶促反應的速率。代謝途徑中的關(guān)鍵酶通常是指催化不可逆反應或催化分支代謝途徑中分支點后面第一步反應的酶，有時也指催化代謝途徑中第一步反應的酶。第23頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三根據(jù)目前的研究結(jié)果表明，分解代謝中心途徑中的有關(guān)酶調(diào)節(jié)主要是在酶活性水平上進行,調(diào)節(jié)的是已有酶分子的活性，是在酶化學水平上發(fā)生的；外周途徑則主要是在酶合成水平上進行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的是酶分子的合成量，是在遺傳學水平上發(fā)生的；合成代謝途徑中的酶調(diào)節(jié)往往是酶活性與酶合成的調(diào)節(jié)同時存在。第24頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分

13、，星期三第三節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調(diào)節(jié)機制。這類調(diào)節(jié)在基因轉(zhuǎn)錄水平上進行，對代謝活動的調(diào)節(jié)是間接的、也是緩慢的。 這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)！ 第25頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三酶合成的調(diào)節(jié)主要有兩種類型：酶的誘導和酶的阻遏。凡能促進酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。第26頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三一 酶的誘導 按照酶的合成與環(huán)境影響的不同關(guān)系，可以將酶分為兩大類，一類稱為組成酶，它們的合成與環(huán)境無關(guān)，隨菌體形成而

14、合成，是細胞固有的酶，在菌體內(nèi)的含量相對穩(wěn)定。如糖酵解途徑(EMP)有關(guān)的酶。另一類酶稱為誘導酶，只有在環(huán)境中存在誘導劑時，它們才開始合成，一旦環(huán)境中沒有了誘導劑，合成就終止。第27頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三1 誘導酶誘導酶是細胞為適應外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。能促進誘導酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。第28頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三誘導酶舉例：在對數(shù)生長期的大腸桿菌(E.coli)培養(yǎng)基中加入乳糖，就會產(chǎn)生與乳糖代謝有關(guān)的 -半乳糖苷酶和半乳糖苷透過

15、酶等。這時，細胞生長速度和總的蛋白質(zhì)合成速度幾乎沒有改變，這種環(huán)境物質(zhì)促使微生物細胞中合成酶蛋白的現(xiàn)象稱為酶的誘導。第29頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第30頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三2 酶的誘導合成類型同時誘導：即當誘導物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。如，將乳糖加入到Ecoli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。第31頁，共117頁，202

16、2年，5月20日，18點20分，星期三3 分解代謝途徑中酶合成的誘導第32頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第33頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第34頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第35頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三二、酶合成的阻遏 在某代謝途徑中，當末端產(chǎn)物過量時，微生物的調(diào)節(jié)體系就會阻止代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的合成，從而徹底地控制代謝，減少末端產(chǎn)物生成，這種現(xiàn)象稱為酶合成的阻遏。合成可被阻遏的酶稱為阻遏酶。第36頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分

17、，星期三阻遏的作用和類型在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。第37頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三1 末端代謝產(chǎn)物阻遏 由于某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量積累而引起酶合成的(反饋)阻遏稱為末端代謝產(chǎn)物阻遏。通常發(fā)生在合成代謝中，特別是在氨基酸、核苷酸和維生素的合成途徑中十分常見。生物合成末端產(chǎn)物阻遏的特點是同時阻止合成途徑中所有酶的合成。末端產(chǎn)物阻遏可保證細

18、胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當?shù)臐舛龋诖x調(diào)節(jié)中有著重要的作用。第38頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第39頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（1）直線式反應途徑末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。 第40頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（2）對分支代謝反應途徑末端產(chǎn)物阻遏對分支代謝途徑來說，每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶” 受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，

19、此即稱多價阻遏作用。第41頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第42頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 末端代謝產(chǎn)物阻遏在微生物代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它保證了細胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當?shù)臐舛?。當微生物已合成了足量的產(chǎn)物，或外界加入該物質(zhì)后，就停止有關(guān)酶的合成。而缺乏該物質(zhì)時，又開始合成有關(guān)的酶。第43頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 2分解代謝物阻遏 當細胞內(nèi)同時存在兩種可利用底物(碳源或氮源)時，利用快的底物會阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成。研究表明這種阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結(jié)果，而是由這種底物分解過

20、程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏。第44頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第45頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 分解代謝物阻遏過去被稱為葡萄糖效應。圖 培養(yǎng)基中不同糖對大腸桿菌生長速度的影響1.單獨加入葡萄糖時，菌體生長幾乎沒有延遲期；單獨加入乳糖時，菌體生長有明顯的延遲期；2. 同時加入葡萄糖和乳糖時，菌體呈二次生長第46頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 當末端產(chǎn)物D濃度下降時，第一個酶恢復合成，導致中間產(chǎn)物B在胞內(nèi)累積。B濃度的增高，又誘導第二、三個酶的合成，使途徑逐漸暢通。當D濃度上升到

21、一定值時，第一個酶的合成受阻，B濃度下降，不再誘導第二、三個酶的合成，該途徑逐漸阻塞。三 末端產(chǎn)物阻遏與中間產(chǎn)物誘導的混合形式第47頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 酶的誘導、分解代謝物阻遏和末端產(chǎn)物阻遏可以同時發(fā)生在同一微生物體內(nèi)。當某些底物存在時微生物內(nèi)就會合成誘導酶，幾種底物同時存在時，優(yōu)先利用能被快速或容易代謝的底物；而與代謝較慢的底物有關(guān)酶的合成將被阻遏；當末端代謝產(chǎn)物能滿足微生物生長需要時，與代謝有關(guān)酶的合成又被終止。第48頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（一）誘導作用（酶合成的誘導作用） 是指培養(yǎng)基中某種基質(zhì)與微生物接觸而增

22、加（誘導）細胞中相應酶的合成速率。誘導的生理作用是可以保證能量與氨基酸不浪費，不把它們用于合成那些暫時無用的酶上，只有在需要時細胞才迅速合成它們。四 酶合成調(diào)節(jié)的機制-基因表達的調(diào)控第49頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三1、誘導機制（操縱子轉(zhuǎn)錄） 1） 操縱子（元） 所謂操縱子（元）是指結(jié)構(gòu)上、功能上相關(guān)基因組成的一個片段（區(qū)域）。操縱子假說認為：編碼一系列功能相關(guān)的酶的基因在染色體中緊密排列在一起，且它們的表達與關(guān)閉是通過同一控制點協(xié)同進行的。 第50頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三每個操縱子（元）至少由3個基因組成。（1）啟動基因（2

23、）操縱基因 （3）結(jié)構(gòu)基因 調(diào)節(jié)基因（R.I.C）:有兩個特殊的位點，分別與操縱基因和效應物結(jié)合。這些基因形成整套調(diào)節(jié)控制機制，才能使生命系統(tǒng)在功能上有序、有效及開放。 第51頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三啟動基因（Promoter gene） 啟動子（基因）含有兩個和RNA多聚酶結(jié)合的順序，一個集中在RNA多聚酶起始位置前約10個堿基對，另一個則集中在這個位置前35個堿基對，當RNA多聚酶與啟動子接觸并結(jié)合上去，mRNA合成即開始。 如阻遏物與操作基因結(jié)合，則RNA聚合酶就不能和操作基因結(jié)合，就不能向前移動，也就不能轉(zhuǎn)錄出互補于結(jié)構(gòu)基因的DNA順序的mRNA，也

24、就沒有酶的生成。而在E.coli中啟動基因必須經(jīng)過激活后，才能啟動。 第52頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三操縱基因（Operator gene） 是操縱子中一個成員，它能控制決定蛋白質(zhì)（酶）的氨基酸順序的一整套結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，而操縱基因可受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏物所阻遏，許多情況下，單個操縱基因可以控制一個或一個以上（多個）結(jié)構(gòu)基因。 第53頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三結(jié)構(gòu)基因（Structural gene） 是指在操縱基因鄰近（一般在下游處）存在一個或多個基因，它編碼不起調(diào)控轉(zhuǎn)錄作用的蛋白質(zhì)，如酶、膜蛋白和核糖體等。一部分結(jié)構(gòu)基因的

25、RNA合成速度精確地被控制，但許多結(jié)構(gòu)基因以一種（或多或少）不變的速度持續(xù)地轉(zhuǎn)錄DNA上的遺傳信息，生成相應的信使RNA（mRNA）進而轉(zhuǎn)譯成特定的酶（蛋白質(zhì)）。第54頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三操縱子分兩類:誘導型操縱子：當存在誘導物（一種效應物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導酶，出現(xiàn)誘導現(xiàn)象。阻遏型操縱子：當缺乏輔阻遏物（一種效應物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。第55頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三調(diào)節(jié)基因（R.I.C ） 它能編碼、調(diào)節(jié)（阻遏）蛋白，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)有兩種調(diào)

26、節(jié)蛋白： 1.陰性（負作用）調(diào)節(jié)蛋白（Negatire-acting protein），此種調(diào)節(jié)蛋白也稱為阻遏物。 2.正作用調(diào)節(jié)蛋白（Positire-acting-protein）,此種調(diào)節(jié)蛋白也稱為激活因子。 第56頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（1）調(diào)節(jié)蛋白 是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個特殊位點，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點則可與效應物相結(jié)合。當調(diào)節(jié)蛋白與效應物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會降低其結(jié)合能力。第57頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（2）效應物 是一類低分子量的信號物

27、質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。第58頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三調(diào)節(jié)基因阻遏蛋白誘導物阻遏蛋白不能阻擋操縱基因基因表達（無活性） （有活性）酶合成的誘導機理第59頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三調(diào)節(jié)基因 阻遏蛋白 阻遏物阻遏蛋白阻擋操縱基因基因不表達（無活性）（有活性）實例：大腸桿菌乳糖操縱子（如圖）酶合成的阻遏機理第60頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三酶的誘導和阻遏操縱子模型B.有活性

28、阻遏蛋白加誘導劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因 阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結(jié)構(gòu)基因不表達誘導物誘導物與阻遏蛋白結(jié)合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結(jié)構(gòu)基因可以表達酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結(jié)合, 結(jié)構(gòu)基因可以表達阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結(jié)構(gòu)基因不表達代謝產(chǎn)物第61頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三乳糖操縱子的負調(diào)控調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因PLacZLacYLacamRNA 阻遏蛋白（有活性）基 因 關(guān) 閉啟

29、動子ORPLacZLacYLaca調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因啟動子ORmRNAZmRNAYmRNAa 阻遏蛋白（無活性） 基 因 表達mRNAA、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)B、乳糖酶的誘導 乳糖 阻遏蛋白（有活性）第62頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三乳糖操縱子的正調(diào)控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基 因 表達CAP基因結(jié)構(gòu)基因TCAPOCAP結(jié)合部位 RNA聚合酶TcAMP -CAPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolic

30、gene activation protein）降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)第63頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第四節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié) 通過改變酶分子的活性來調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式稱為酶活性的調(diào)節(jié)。包括酶活性的激活和抑制。酶活性的激活指在分解代謝途徑中，后面的反應可被較前面的中間產(chǎn)物所促進。這種調(diào)節(jié)方式更直接,且見效快, 是發(fā)生在蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)。第64頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié) 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)酶分子的活性來調(diào)節(jié)代謝中間物和能量的產(chǎn)生和消耗速度，這種調(diào)節(jié)是因蛋白質(zhì)（酶）分子構(gòu)象的變化而實現(xiàn)的

31、，其特點是響應快。 第65頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三在代謝途徑中調(diào)節(jié)酶活力的方式有以下幾種形式：(1) 抑制作用簡單抑制指一種代謝產(chǎn)物在細胞內(nèi)累積多時，由于物質(zhì)作用定律的關(guān)系，可抑制其本身的形成。 反饋抑制是指酶促反應終產(chǎn)物對酶活力的抑制。(2) 活化作用機體為了使代謝正常也用增進酶活力的方式進行代謝調(diào)節(jié)。第66頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三一 酶活性的調(diào)控方式1 .在代謝途徑中調(diào)節(jié)酶活性 幾個酶或十幾個酶前后配合，完成一系列代謝反應，形成一條代謝途徑。在一條代謝途徑中，常常是前一個酶促反應的產(chǎn)物，便是下一個酶促反應的底物。第67

32、頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三反饋抑制 一條代謝途徑的終產(chǎn)物，有時可與該代謝途徑的第一步反應的酶相結(jié)合，結(jié)合的結(jié)果使這個酶活性下降，從而使整條代謝途徑的反應速度慢起來。這種情況稱為“反饋抑制 ”。 第68頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第69頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三反饋激活和前饋激活把產(chǎn)物對酶的影響稱為反饋，底物對酶的影響稱為前饋。前饋作用一般是激活酶的活性。在分解代謝中，后面的反應可被較前面反應的中間產(chǎn)物所促進，如糞鏈球菌的乳酸脫氫酶活性可被1,6-二磷酸果糖所激活；又如在粗糙脈孢霉培養(yǎng)時，檸檬酸會

33、促進異檸檬酸脫氫酶活性。第70頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三酶的反饋激活葡萄糖草酰乙酸丙酮酸羧化酶乙酰CoA活化磷酸烯醇式丙酮酸檸檬酸-酮戊二酸1，6-二磷酸果糖第71頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三前饋激活第72頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三2.共價調(diào)節(jié) 在酶分子上以共價鍵連上或脫下某種特殊化學基團所引起的酶分子活性改變,稱為酶的共價調(diào)節(jié)，也稱共價修飾。 共價修飾的結(jié)果，使酶蛋白分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使酶活性發(fā)生改變。值得注意的是，發(fā)生反饋抑制時，代謝終產(chǎn)物與酶結(jié)合時，是非共價結(jié)合，是可逆的。第73頁，共11

34、7頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三3 競爭性抑制 有的酶在遇到一些化學結(jié)構(gòu)與底物相似的分子時，這些類似物與底物競爭結(jié)合酶的活性中心，亦會表現(xiàn)出酶活性的降低（抑制）。這種情況稱為酶的競爭性抑制。 第74頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三競爭性抑制劑在結(jié)構(gòu)上與底物相似第75頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三二 調(diào)節(jié)酶 某些酶的活性受到底物或產(chǎn)物或其結(jié)構(gòu)類似物的影響，這些酶稱為調(diào)節(jié)酶。 這種影響可以是激活、也可以是抑制酶活性。 激活過程的效應物稱為激活劑，而抑制過程的效應物稱為抑制劑。 調(diào)節(jié)酶通常是變構(gòu)酶，一般具有多個亞基，包括催化

35、亞基和調(diào)節(jié)亞基。第76頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三1變構(gòu)作用與變構(gòu)酶效應物如代謝產(chǎn)物，能與酶分子上的非催化部位(調(diào)節(jié)位)作用，使酶蛋白分子發(fā)生構(gòu)象改變，從而改變酶活性(激活或抑制)，這類調(diào)節(jié)稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)或別位調(diào)節(jié)。能接受這種變構(gòu)作用的酶稱為變構(gòu)酶或別位酶，能使酶起變構(gòu)作用的物質(zhì)（效應物）稱為變構(gòu)劑。第77頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三2 酶活性調(diào)節(jié)的機制-變構(gòu)作用代謝物別構(gòu)中心活性中心第78頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三3 變構(gòu)酶的激活和抑制過程圖 變構(gòu)酶受效應物的調(diào)節(jié)過程1. 激活劑激活無活性的酶；2

36、 .抑制劑抑制有活性的酶第79頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第一個酶（有活性）第一個酶（無活性）終產(chǎn)物終產(chǎn)物（調(diào)節(jié)物） 結(jié)合在調(diào)節(jié)中心第80頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三三 代謝途徑中酶活性的調(diào)節(jié)直線式代謝途徑（只有一個終端產(chǎn)物，沒有分支）的反饋控制分支代謝途徑（多個終端產(chǎn)物，有分支的）的反饋控制 輔因子對酶活性的調(diào)節(jié)第81頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（一）直線式代謝途徑的反饋控制當末端代謝產(chǎn)物達到一定濃度時，就會反饋控制該代謝途徑。末端產(chǎn)物抑制一般是抑制該途徑第一個酶的活性（反饋阻遏一般是阻止該途徑中

37、所有酶的合成）。第82頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 例：蘇氨酸是合成異亮氨酸的前體，在培養(yǎng)基中給蘇氨酸缺陷型大腸桿菌補充蘇氨酸時，該菌株可以合成異亮氨酸，但若同時在培養(yǎng)基中添加異亮氨酸，就不能利用蘇氨酸合成異亮氨酸，異亮氨酸抑制了由蘇氨酸轉(zhuǎn)化為異亮氨酸途徑的第一個酶，即L-蘇氨酸脫氨酶.第83頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第84頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 大腸桿菌中由氨甲酰磷酸和天門冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸(CTP)時需要七種酶，當CTP達到一定濃度后，便反饋抑制催化第一個反應的酶，即天門冬氨酸轉(zhuǎn)

38、氨甲酰酶。第85頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（二）分支代謝途徑的反饋控制 由幾種末端代謝產(chǎn)物共同對生物合成途徑進行控制的體系較為復雜。即便是同一代謝途徑，不同菌種也會有不同的控制模式。這些控制可以是反饋抑制或反饋阻遏單獨作用的結(jié)果，也可以是兩者共同作用的結(jié)果。第86頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 多終產(chǎn)物控制:催化分支途徑共同部分的初始酶，在僅一種終產(chǎn)物過剩時，完全不受或微弱或部分地反饋抑制（或阻遏），只是在多數(shù)終產(chǎn)物共存下才強烈地控制。有以下幾種情況： 協(xié)同（或多價）反饋抑制： 合作（或增效）反饋抑制： 積累反饋抑制： 順序反饋抑

39、制 同功酶控制：第87頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三1協(xié)同或多價反饋控制 分支代謝途徑的幾個末端產(chǎn)物同時過量時，該途徑的第一個酶才會受到反饋抑制。 如多粘芽孢桿菌在合成天門冬氨酸族氨基酸時，天門冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制。如果僅是蘇氨酸或賴氨酸過量，并不能引起抑制作用。 第88頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三問題？對多粘芽孢桿菌誘變后篩選什么樣的突變類型，才能大量積累賴氨酸？第89頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三協(xié)同調(diào)節(jié)示意圖ABGFJDCH-E1E3E2-第90頁，共117頁，2022年，5月

40、20日，18點20分，星期三2合作反饋控制（增效） 與協(xié)同反饋控制類似，但是該體系中的末端產(chǎn)物都有較弱的獨立控制作用。當所有的末端產(chǎn)物同時過剩時，會導致增效的抑制或阻遏，即比各自獨立過量時的總和還要大。當只有一個末端產(chǎn)物(圖中的D)過量時，緊接著分支點(圖中的B)后的反饋控制立即起作用，限制該末端產(chǎn)物的合成，代謝將轉(zhuǎn)向細胞需要合成的其它產(chǎn)物繼續(xù)進行(圖中的F)。第91頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第92頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 3 累積反饋控制 每個分支途徑的末端產(chǎn)物是以一定百分比控制該途徑第一個共同的酶所催化的反應。當幾個末端

41、產(chǎn)物同時存在時，它們對酶反應的抑制是累積的，各末端產(chǎn)物之間既無協(xié)同效應，也無拮抗作用。如圖所示，E和G分別獨立地抑制第一個酶活性的20%和50%。而每個末端產(chǎn)物肯定會對緊接分支點B后的反應控制，以使共同的中間產(chǎn)物B不再用于已過量的產(chǎn)物合成。第93頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三累積反饋抑制示意圖第94頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 累積反饋抑制最早在大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶調(diào)節(jié)中發(fā)現(xiàn)。該酶受8個最終產(chǎn)物的累積反饋抑制，只有當它們同時存在時，酶活性才會被完全抑制。如色氨酸單獨存在時，可抑制酶活性的16%，CTP為14%，氨基甲酰磷酸為13

42、%，AMP為41%，這4種產(chǎn)物同時過量時，酶活性被抑制63%。所剩的37%酶活性則受到其它四種產(chǎn)物的累積抑制。第95頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 4順序反饋控制 直接對第一個共同的酶起控制作用的并不是末端產(chǎn)物，而是分支點上的中間產(chǎn)物。每個末端產(chǎn)物均對緊接分支點B后導向各自分支途徑的酶進行控制，E抑制C向D反應，G抑制C向F反應，E、G單獨或兩者共同的抑制作用將導致C的積累，過量的C又會抑制A向C反應。 第96頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第97頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三芳香族氨基酸合成的順序反饋調(diào)節(jié)

43、枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸第98頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三 5同工酶控制 不同的同工酶可能受各不相同的末端產(chǎn)物控制。如果緊接分支點后的酶受其對應的末端產(chǎn)物控制，那么，同工酶控制體系將更有效。如圖從A到B反應由同工酶a和b催化，當末端產(chǎn)物F過量時，受F 控制的從A到B的同工酶b和從B到E的酶被抑制，而同工酶a不受影響，使A能順利合成D，因此，F(xiàn)的過量不會干擾D的合成。同樣道理，D的過量也不會干擾F的合成。第99頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三同工酶反饋抑制示意圖ABGFJDCH-E1E2E3E4第100頁，共117頁，2022年，5月2

44、0日，18點20分，星期三 大腸桿菌有三個天門冬氨酸激酶和兩個高絲氨酸脫氫酶參與催化賴氨酸和蘇氨酸的合成。天冬氨酸激酶和高絲氨酸脫氫酶可被蘇氨酸抑制和阻遏，高絲氨酸脫氫酶可被甲硫氨酸阻遏，天冬氨酸激酶可被賴氨酸抑制和阻遏，見圖。E表示末端產(chǎn)物反饋抑制；R表示末端產(chǎn)物反饋阻遏第101頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三6.代謝互鎖第102頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三（三） 輔因子對酶活性的調(diào)節(jié) 能荷對代謝的調(diào)節(jié) NADH/NAD+對代謝的調(diào)節(jié) 金屬離子濃度對代謝的調(diào)節(jié)第103頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三能荷對

45、代謝的調(diào)節(jié)糖代謝的調(diào)節(jié)主要受能荷的控制，也就是受細胞內(nèi)能量水平的控制。糖代謝最重要的生理功能是以ATP的形式供給能量，在葡萄糖氧化過程中，中間產(chǎn)物積累或減少時，進而引起能荷的變化，造成代謝終產(chǎn)物ATP的過剩或減少，這些中間產(chǎn)物和腺嘌呤核苷酸(ATP、ADP、AMP)通過抑制或激活糖代謝各階段關(guān)鍵酶活性來調(diào)節(jié)能量的生成。第104頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三第105頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三能荷(Energy charge)能荷=(ATP)+1/2(ADP)/(ATP)+(ADP)+(AMP)當細胞全部是ATP時,能荷最大,為100%當細胞全部是AMP 時,能荷最小,為0當細胞全部是ADP 時,能荷為50% 第106頁，共117頁，2022年，5月20日，18點20分，星期三能荷太低時當生物體內(nèi)生物合成或其它需能反應加強時，細胞內(nèi)ATP分解生成ADP或AMP，ATP減少，ADP或AMP增加，即能荷降低，就會激活某些催化糖類分解的酶或解除ATP對這些酶的抑制(如糖元磷酸化酶、磷酸果糖澈酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶等)，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)，從而加速酵解、TCA環(huán)產(chǎn)生能量，通過氧化磷酸化作用生成ATP。 第107頁，共117頁，2022年，