第二章微生物的代谢调控机制.doc

第二章微生物的代谢调控机制通过代谢调节，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”微生物细胞具有高度严密的自我调节能力，这对于微生物在工业上的应用，则有利也有弊2.1 酶的调节机理微生物的自我调节作用都是通过协调控制酶来实现的，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制2.1.1 酶浓度的调控2.1.1.1 酶的诱导合成组成酶：细胞所固有的，经常存在于细胞内，以恒定速度和恒定数量生成，不随微生物的代谢状态而变化的一类酶诱导酶：在一般情况下细胞内不生成或数量很少，这些酶只有在底物或其结构类似物存在时才生成的一类酶组成酶和诱导酶是相对的概念酶的诱导合成现象是微生物普遍存在的，许多分解代谢的酶属于诱导酶类，有些合成酶（如细胞色素）也是诱导酶类酶合成的诱导对于微生物的意义：＞加强微生物对环境的适应能力＞避免了生物合成的原料和能量的浪费2.1.1.2 酶合成的反馈阻遏当代谢途径中某终产物过量时，或培养基中已提供了此产物时，就会阻遏自身合成途径中第一个酶或其他关键酶的进一步合成，从而控制代谢的进行，减少终产物的生成这种效应称为反馈阻遏。

酶的阻遏在微生物中是很普遍的现象，常出现在与氨基酸、嘌吟、嘧啶的生物合成有关的酶中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）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分支代谢途径多价阻遏作用：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”仅受所有分支途径末端产物的阻遏积累阻遏：每个分支合成途径的终产物仅部分地阻遏初始酶的合成，且各阻遏的百分数，不管第二个阻遏物存在与否，都是一样的2）分解代谢产物阻遏二次生长现象“葡萄糖效应”：葡萄糖干扰其他碳源利用的现象随后的研究表明，葡萄糖效应并非由葡萄糖直接造成，而是其某种分解代谢产物所引起的分解阻遏不仅仅限于葡萄糖，其他碳源和氮源也能起相同作用分解代谢物的阻遏作用：指代谢反应链中，某些中间代谢物或末端代谢物的过量累积而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象分解代谢物阻遏对微生物的意义：＞只要有一个容易同化的底物存在，细胞就不必耗费能量和原料去合成效率较低的途径的酶系，而使其代谢作用能更多地用于产生生长所必需的组分＞分解代谢物阻遏机制在不同的微生物、不同酶系中各异葡萄糖分解代谢物阻遏大肠杆菌降解乳糖的机制2.1.1.3酶合成的诱导和阻遏的机制操纵子学说操纵子：在细菌基因组中，编码一组在功能上相关的蛋白质的几个结构基因，与共同的控制位点组成一个基因表达的协同单位。

结构基因：携带遗传信息操纵基因：与调节蛋白结合控制结构基因的转录启动子：与RNA聚合酶结合的部位调节基因：编码一种变构蛋白，有两个位点，一个位点与操纵基因结合，另一位点与调节物结合操纵子分两类:一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象如乳糖操纵子另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去阻遏作用才能起动如色氨酸操纵子2.1.2酶活性的调控酶活性调节是通过改变已存在的酶分子活性来调节代谢速度，包括在酶活性的激活和抑制调节酶活力比调节酶的合成更迅速、及时而有效受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶异促变构酶分子由活性中心和调节中心组成异促别构酶的作用程序如下：专一性的代谢物（变构效应物）与酶蛋白表面的特定部位（变构部位）结合一酶分子的构象变化（变构转换）一活性中心的修饰一抑制或促进酶活性变构中心具有独立性，因此，变构酶经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性，即为脱敏作用同促别构酶＞酶分子中没有专门的调节中心，活性中心就是调节中心，底物就是调节物。

2.1.2.1别构酶的动力学性质协同效应：先与酶活性中心结合的底物分子，对后继底物分子与酶分子中其他活性中心的结合所产生的影响正协同效应：能提高酶对后继底物分子亲和力的效应正协同效应在代谢控制上的生理意义：＞既可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度，又能保证细胞处于一个相对恒定的状态负协同效应:降低酶对后继底物分子亲和力的效应负协同效应的生理功能：＞酶反应速度对底物浓度变化相对不敏感，这对于细胞内那些和多条代谢途径有联系的酶反应来说，能保证其恒定正常地工作＞例如，磷酸甘油醛脱氢酶对底物NAD+的结合具有负协同效应2.1.2.2别构酶的活性调节机理（1）MWC模式(2)KNF模式2.1.2.3别构酶对代谢的调节作用（1）异促别构酶的前体激活前体激活：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2）反馈抑制的类型1）直线式代谢途径中的反馈抑制苏氨酸透舉謳亶鲨「酮丁脱——一异亮氟鵰t1反画制异壳氨酸合成逢径中的直线式良谎抑制2）分支代谢途径中的反馈抑制其共同特点是每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用① 协同反馈抑制指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶，如果末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用的一种反馈调节方式。

② 累积反馈抑制每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，一种末端产物单独过量并不影响其它末端产物的形成，当几种末端产物共同存在时，由于它们的抑制作用是累积的，因而对途径中的第一个酶会产生较大的抑制③合作反馈抑制又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用合佗所馈抑制示意愛④顺序反馈抑制⑤同功酶调节同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用同功龜调节的示奩图2.1.3微生物代谢调节的特性（1）酶活性调节与酶量调节的区别与配合区别：酶量的调节是在转录水平上阻遏或诱导酶的合成，但这种措施对于环境变化的反应比较迟缓；反馈抑制不涉及蛋白质的合成过程，这种调节比较直接、迅速和灵活配合：当酶量调节与酶活性调节两者共存时，就能获得最大调节效果前者称为粗调，后者称为细调2）终产物反馈调节与终产物浓度的关系终产物反馈调节取决于终产物浓度，保证了代谢过程中原料和能量的供应既无过剩又无短缺，使代谢在经济、节约的基础上顺利进行。

3）代谢途径中反馈调节的作用点反馈调节的作用点往往与调节酶有关调节酶：主要是处在代谢途径中的不可逆步骤的酶、分支途径的第一个酶，以及异质代谢系（如糖、氨基酸、脂肪等）转换点的酶等2.2微生物初级代谢的调节初级代谢：微生物细胞在生长繁殖过程中，产生对细胞生长、分化和繁殖必需的物质的代谢氨基酸、有机酸、核苷酸以及维生素等都属于初级代谢产物2.2.1能荷的调节细胞中的能量状态通常用能荷（EC）表示，能荷计算公式：能荷：在全部腺昔酸中含有相当于ATP的数量的百分比葡萄糖在有氧条件下的分解过程主要经过的阶段：糖酵解一生成乙酰辅酶A—三竣酸循环EMP途径###Hp-O-PHO-C-HAH、D$極甘袖醛H,G-a-FC-0IHp-OH蹄二理丙酮?ACi-PH-C-OKHp-AF1,3-二确酸甘油虧ADTx^果惟7,卜二磷酸##COO'71C-Q-PCHj□磷服甘;由既{J-OH决貞鑿H-C-QHH-C-CH®HjC-CH®眄0HHMP途径升桝陵甘油釀2-W甘袖酸醯酸烯醇式丙裁酸扎TPI冷二确靈果糖FfeO®P縫戡木酿奪匚H4HIcrioHCOHCHjO®弘眸较甘戡醛HHCOHCH,O®5-确半楼陽犍HodH°Hi稱談二趕丙爾4^3禰嚴甘柚醴弘薇丽HCOHHDCHHODHHCOH如0H(pOHHCOH心曲g"NAI>PHH+H*H3冈綺螫®CHO亠HCOHHHCHaO®5「碑離蒲飯HCOHH丙酮就CHOHCOH中0®CHtO(S?隅讎累天HMP^e©磷酸茂椭備环)r碗盘酸骑議糖脫so莓碗屢螫璽鳗輕量费③番醴檢椭界构酶④詹醜植銅穗蚕相异构酶⑤转酶靜酶⑥辅盛醇酶⑦篠輩丙糖异构髀⑧醴常酶⑨眞&二議酸果轉磷酸醋醸⑭磷馥葡苟牺异梅酶■ TCA循环■ CO2固定反应乙醛酸(DCA)循环#«4«广COOHCH,fJI—C—Wlh»HNAHH+HNAD+草醸酵醸CUOHMOCHCOOH(^HaCOOH.MADH/丙W:HjCOCQCH用CaA®/：ADP+Picoon草醜乙酸CHaCOCoA£器併需林志ATP柠豪験谑H2GFADCriASHHOOOCHI二II1KW0H配丁鬻二厳FADHSCHjCOOHCFtCDOH就珀醴ATPADP+PifflCHCOOH.CHf』卜COOHCOlCH5ho魁CHjOTOHi严*4NADP+⑦COOH丫日‘KADHNCOCcA忖1需鹰一康琥JBHtZW…理一製CHGOOHCOOH+草赵琦駅COOH-H-NH；COOHI』舍範離TCA(tticarboxyJkacid)循环与乙盤酸循环#① 丙爾酸耽氢酶宜合律包柠檬醸合戍酶③ATP-柠樣酸裂解酶④号头酸酶⑤异仔檯醜脱氮爾矗小漏戊二酸他割醯境合协⑦琥珀StdA合成厨⑧號珀酸脱氢肄⑨施胡盍敵酶⑩苹黑酸脱氢酶⑪异柠權醸斑霹酶⑫苹果酸合成酶⑬乙酰比A含成囲⑭谷氨嚴脱董酶⑮草戲乙載水解酹⑯乌头戢脱損廊⑰乙BtCoA歳比酶⑱磷酸烯稈式丙酮戢報化酶⑲內闱駿規优酶购苹果酸酶㉑黄專吟齟化酶DCA环的作用① 弥补TCA环中由于缺乏四碳化合物所引起的二碳化合物不能被充分氧化的缺陷。

② 以二碳化合物作为唯一碳源培养微生物，必须靠DCA环来补充TCA环③ 在脂肪转化成糖的过程中起“齿轮”作用脂肪一脂肪酸一乙酰CoA—草酰乙酸一磷酸烯醇式丙酮酸一葡萄糖能荷对酵解途径及三羧酸循环的调节当能荷降低时，则激活催化糖分解的某些酶或解除ATP对这些酶的抑制，并抑制糖原合成酶，1,6-二磷酸果糖酯酶的活性，从而加速了糖酵解，三羧酸循环的产能过程反之亦然巴斯德效应：酵母菌在有氧时，酒精的产量下降，糖的消耗速度减慢IEPPDF—QrIL-APEP.溝醸烯薛丙詣議.Pyrt祠鬣酸ILac,乳酸=PFK,网鶴眾瓣滋海匸?K<丙明廈黴IJhHK,已着蹴携2.2.。