微生物代谢调节

1、 第七章第七章 微生物代谢调节微生物代谢调节报告人：卢健报告人：卢健 为了使细胞生长处于平衡状态，并对为了使细胞生长处于平衡状态，并对外界环境的改变能够做出迅速响应，在长外界环境的改变能够做出迅速响应，在长期的进化过程中，微生物建立了一套严密期的进化过程中，微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系，使之能严、精确、灵敏的代谢调节体系，使之能严格地控制代谢活动，灵活地适应外界环境格地控制代谢活动，灵活地适应外界环境，经济合理地利用和合成所需的各种物质，经济合理地利用和合成所需的各种物质和能量，以达到新的代谢平衡。微生物的和能量，以达到新的代谢平衡。微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点，

2、主代谢调节具有多系统、多层次的特点，主要机制有两类，即要机制有两类，即酶活性的调节（激活或酶活性的调节（激活或抑制）和酶合成的调节（诱导或阻遏）抑制）和酶合成的调节（诱导或阻遏）。这些调节机制的协同作用保证微生物细胞这些调节机制的协同作用保证微生物细胞的新陈代谢，实现细胞的经济运行。的新陈代谢，实现细胞的经济运行。微生物代谢调节微生物代谢调节 代谢调节的部位代谢调节的部位 酶活性的调节酶活性的调节 酶合成的调节酶合成的调节 代谢调控代谢调控7.1代谢调节的部位代谢调节的部位 微生物的代谢调节是发生在微生物细胞中的微生物的代谢调节是发生在微生物细胞中的生物化学现象，是通过微生物细胞本身来实现的生

3、物化学现象，是通过微生物细胞本身来实现的，主要通过养分的吸收、排泄，调节与酶和底物，主要通过养分的吸收、排泄，调节与酶和底物的相对位置，控制细胞内现有酶量及其活性等几的相对位置，控制细胞内现有酶量及其活性等几个方面来实现的。个方面来实现的。原核微生物细胞的代谢调节部位（模式图）原核微生物细胞的代谢调节部位（模式图）真核微生物细胞的代谢调节部位（模式图）真核微生物细胞的代谢调节部位（模式图）7.1.1 细胞（及细胞器）膜细胞（及细胞器）膜 细胞质膜既是溶质进出细胞的主要屏障，又是养细胞质膜既是溶质进出细胞的主要屏障，又是养分吸收与分泌的通道。营养物质主动或者被动输送进分吸收与分泌的通道。营养物质

4、主动或者被动输送进入细胞的过程和代谢产物的排出细胞都要受到膜的组入细胞的过程和代谢产物的排出细胞都要受到膜的组成、结构和功能的影响。成、结构和功能的影响。 微生物自我调节的三个部位实际上就是微生微生物自我调节的三个部位实际上就是微生物代谢调节的三种主要方式，包括细胞透性的调物代谢调节的三种主要方式，包括细胞透性的调节、代谢途径的区域化和流向以及代谢速度的调节、代谢途径的区域化和流向以及代谢速度的调节，这三种方式都涉及到酶促反应调节。酶促反节，这三种方式都涉及到酶促反应调节。酶促反应调节的方式包括应调节的方式包括酶活性调节酶活性调节和和酶合成调节酶合成调节两大两大类。类。 与膜密切相关的调节主要

5、包括以下四个方面。与膜密切相关的调节主要包括以下四个方面。 膜的脂质（磷脂及其他脂类）的分子结构，以膜的脂质（磷脂及其他脂类）的分子结构，以及环境条件（如离子强度、及环境条件（如离子强度、pHpH、温度等）对膜脂质理、温度等）对膜脂质理化性质的影响。化性质的影响。 膜蛋白质（如酶、载体蛋白、电子传递链的成膜蛋白质（如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其他蛋白质）的绝对数量及其活性的调节。员及其他蛋白质）的绝对数量及其活性的调节。 跨膜的电化学梯度以及跨膜的电化学梯度以及ATPATP、ADPADP、AMPAMP体系及体系及无机磷浓度对溶质输送的调节。无机磷浓度对溶质输送的调节。 细胞壁结构（特别是

6、骨架结构）的部分破坏或细胞壁结构（特别是骨架结构）的部分破坏或变形，简介影响到膜对溶质的通透性。变形，简介影响到膜对溶质的通透性。7.1.2 7.1.2 酶本身酶本身 调节酶的方法有两种，一是调节酶的调节酶的方法有两种，一是调节酶的生成量生成量，可以通过增加或减少关键酶的合，可以通过增加或减少关键酶的合成速度或降解速度进行；二是改变已有酶成速度或降解速度进行；二是改变已有酶分子的分子的活性活性（激活或抑制），特别是关键（激活或抑制），特别是关键酶的活性。酶的活性。7.1.3 7.1.3 酶与底物的相对位置及间隔状况酶与底物的相对位置及间隔状况 细胞具有复杂的膜结构，这使其代谢细胞具有复杂的膜结

7、构，这使其代谢活动只能在特定的部位上进行，即代谢活活动只能在特定的部位上进行，即代谢活动是区域化的，其实质是控制酶与底物的动是区域化的，其实质是控制酶与底物的接触，使各个反应有序地进行。这种通过接触，使各个反应有序地进行。这种通过控制酶与底物的相对位置来控制代谢途径控制酶与底物的相对位置来控制代谢途径活性的方式被称作活性的方式被称作代谢通道控制作用代谢通道控制作用。7.2 7.2 酶活性的调节酶活性的调节 通过改变代谢途径中一个或几个关键通过改变代谢途径中一个或几个关键酶的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节，它是蛋白质水平上的调节酶活性的调节，它是

8、蛋白质水平上的调节。通过特异的小分子代谢物与酶的可逆性。通过特异的小分子代谢物与酶的可逆性结合来实现。结合来实现。底物和产物的性质和浓度底物和产物的性质和浓度影响影响因素因素环境因子环境因子其他酶的存在其他酶的存在7.2.1 7.2.1 激活和抑制激活和抑制酶活性的酶活性的激活激活：是指在某个酶促反应系统中，导：是指在某个酶促反应系统中，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高，从而使得该酶促反应速度提高的过程。性提高，从而使得该酶促反应速度提高的过程。常见于分解代谢途径。常见于分解代谢途径。酶活性的酶活性的抑制抑制：是指在某个酶促反应系统中

9、，加：是指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质后，导致酶活力降低的过入某种低分子量的物质后，导致酶活力降低的过程。程。7.2.2 7.2.2 酶活性调节的方式酶活性调节的方式7.2.2.1 7.2.2.1 无分支途径的调节方式无分支途径的调节方式（1 1）前馈作用：）前馈作用： 前馈作用指的是在代谢途径中前面的底物对前馈作用指的是在代谢途径中前面的底物对其后某一催化反应的调节酶有作用。该作用可以其后某一催化反应的调节酶有作用。该作用可以是对酶活性的激活或抑制。是对酶活性的激活或抑制。（2 2）终产物抑制）终产物抑制 反馈抑制调节方式可以分为多种类型，在直反馈抑制调节方式可以分为多种类型

10、，在直链反应链反应ABABPP中，当产物中，当产物P P仅对顺序反应中的仅对顺序反应中的第一个酶第一个酶E E1 1的活性产生抑制作用，该作用类型被的活性产生抑制作用，该作用类型被称为终产物抑制。称为终产物抑制。（3）补偿性激活）补偿性激活 在分支代谢途径中，还存在有一种补偿性激活的在分支代谢途径中，还存在有一种补偿性激活的调节方式，如苏氨酸脱氨酶为调节方式，如苏氨酸脱氨酶为AMP所激活。即当某所激活。即当某一终产物的合成需要两种前体时，另一种前体物的大一终产物的合成需要两种前体时，另一种前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的量存在可能激活受终产物抑制的酶酶的活性。的活性。激活激活抑制抑制7.

11、2.2.2 7.2.2.2 分支代谢途径的调节方式分支代谢途径的调节方式（1 1）协同反馈抑制）协同反馈抑制 分支代谢途径的几个末端产物同时过量时，该途分支代谢途径的几个末端产物同时过量时，该途径的第一个酶才会搜到反馈阻遏或反馈抑制，此调控径的第一个酶才会搜到反馈阻遏或反馈抑制，此调控模式称为协同反馈抑制。如天冬氨酸激酶受赖氨酸和模式称为协同反馈抑制。如天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同抑制。苏氨酸的协同抑制。（2）累积反馈抑制）累积反馈抑制 累积反馈抑制即每个分支途径的末端产物都独立累积反馈抑制即每个分支途径的末端产物都独立于其他末端产物，并以一定的百分比控制该途径的由于其他末端产物，并以一

12、定的百分比控制该途径的由第一个共同的酶所催化的反应。当几个末端产物同时第一个共同的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应的一直是累积的，各末端产物存在时，它们对酶反应的一直是累积的，各末端产物之间既无协同效应，也无拮抗作用。之间既无协同效应，也无拮抗作用。 A BCD EFG多分支途径多分支途径单个终产物起抑制作用，多个终产物共同作用更大单个终产物起抑制作用，多个终产物共同作用更大(3) 增效反馈抑制增效反馈抑制 任何一个终产物单独过多时，只部分地抑制第一任何一个终产物单独过多时，只部分地抑制第一个酶的活性，几个终产物同时过多时，可引起强烈抑个酶的活性，几个终产物同时过多时，可

13、引起强烈抑制，其抑制程度大于各自单独存在时抑制作用的总和，制，其抑制程度大于各自单独存在时抑制作用的总和，这种调节称为合作反馈抑制，或增效反馈抑制。这种调节称为合作反馈抑制，或增效反馈抑制。A AB BG GF FJ JD DC CH HE E1 1E E2 2E E3 3E E4 4a%a%b%b%c c% %（4） 顺序反馈抑制顺序反馈抑制 在顺序反馈抑制中，其中任一分支的最终产物过在顺序反馈抑制中，其中任一分支的最终产物过剩时，都会引起分支点剩时，都会引起分支点C底物的积累，分支点底物的底物的积累，分支点底物的积累又转而反馈抑制第一步反应的进行。积累又转而反馈抑制第一步反应的进行。ABC

14、DEFG各自终产物先抑制中间产物，中间产物抑制第各自终产物先抑制中间产物，中间产物抑制第一个酶一个酶（5）同工酶调节）同工酶调节 同工酶是指催化相同的生化反应，但酶蛋白结构同工酶是指催化相同的生化反应，但酶蛋白结构有差异，而且控制特征也不同的一组酶的通称。在分有差异，而且控制特征也不同的一组酶的通称。在分支代谢中，在分支点之前的一个较早反应（关键反应）支代谢中，在分支点之前的一个较早反应（关键反应）是由几个同工酶催化时，分支代谢的几个终产物分别是由几个同工酶催化时，分支代谢的几个终产物分别对这几个同工酶产生抑制作用，从而起到协同调节的对这几个同工酶产生抑制作用，从而起到协同调节的功效。一个终产

15、物控制一种同工酶，只有在所有终产功效。一个终产物控制一种同工酶，只有在所有终产物都过量时，几个同工酶才全部被抑制，反应完全终物都过量时，几个同工酶才全部被抑制，反应完全终止。止。 在图中在图中A BA B步骤三个步骤三个同功酶（同功酶（e e1 1、e e2 2 、e e3 3）催）催化，它们分别受三种产物化，它们分别受三种产物E E、G G 、H H的专一性反馈抑制的专一性反馈抑制 G G过量时，并不干扰过量时，并不干扰E E的合的合成。成。 如：大肠杆菌有如：大肠杆菌有3 3个不同的个不同的天冬氨酸激酶和天冬氨酸激酶和2 2个不同的个不同的高丝氨酸脱氢酶。高丝氨酸脱氢酶。同功酶调节模式同功

16、酶调节模式7.2.3 酶活性调节的分子机制酶活性调节的分子机制7.2.3.1 变构调节变构调节理论理论反馈的普遍机制反馈的普遍机制 有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即变构变构中心中心。 变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但它变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但它可以与某些化合物（称为变构剂）发生可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价非共价结结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用。这类酶通常称为制的作用。这

17、类酶通常称为变构酶变构酶，由于，由于变构剂变构剂与变构中心的结合与变构中心的结合而而引起酶活性改变的引起酶活性改变的现象则称现象则称为为变构调节作用变构调节作用。 目前已知的变构酶均为目前已知的变构酶均为寡聚酶，寡聚酶，含两个或两个以含两个或两个以上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂的空上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂的空间结构。间结构。 大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，由大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，由变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的竞争性竞争性或非竞争性抑制或非竞争性抑制作用的数量关系。作用的数量关系。变构酶的作用程序：变构

18、酶的作用程序： 专一性的代谢物（变构效应物）与酶蛋白表面的专一性的代谢物（变构效应物）与酶蛋白表面的特定部位（变构部位）结合特定部位（变构部位）结合 酶分子构象酶分子构象发生变化（变构转换）发生变化（变构转换） 活性中心修饰活性中心修饰 抑制或促进酶活性。抑制或促进酶活性。变构酶的模型变构酶的模型 莫诺德等人的协调模型莫诺德等人的协调模型 模型要点模型要点: (1)变构酶一般是具有多亚基四级结构的蛋白质。变构酶一般是具有多亚基四级结构的蛋白质。 (2)变构酶存在着两种构象状态变构酶存在着两种构象状态。 (3) 底物、激活剂或抑制剂可以使两种状态之间底物、激活剂或抑制剂可以使两种状态之间的平衡发

19、生移动。的平衡发生移动。 (4) 变构酶蛋白分子具有对称性，各亚基对称排变构酶蛋白分子具有对称性，各亚基对称排列，当酶的状态发生改变时，分子的对称性仍列，当酶的状态发生改变时，分子的对称性仍维持不变。维持不变。 科什兰等人的顺序模型科什兰等人的顺序模型 构象的变化并不是同时发生在所有的亚基上，而是仅发生构象的变化并不是同时发生在所有的亚基上，而是仅发生在结合有配体的亚基上。在结合有配体的亚基上。 由于这一构象的变化才使得临近亚基间发生相互作用的变由于这一构象的变化才使得临近亚基间发生相互作用的变化，从而促进或减弱了底物与其他亚基的亲和力化，从而促进或减弱了底物与其他亚基的亲和力，并在其，并在其

20、影响下促进下一个配体的结合。影响下促进下一个配体的结合。动力学性质动力学性质 变构酶的反应速度与底变构酶的反应速度与底物浓度的关系曲线呈物浓度的关系曲线呈S-型。型。 当底物浓度固定时，变当底物浓度固定时，变构抑制剂浓度与酶反应构抑制剂浓度与酶反应速度之间的关系也呈速度之间的关系也呈S-型曲线。型曲线。脱敏作用脱敏作用 变构酶经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变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作用，称为脱敏作用。构效应物的敏感作用，称为脱敏作用。 方法方法： (1) 利用物理化学方法使变构酶解聚。利用物理化学方法使变构酶解聚。 (2) 基因突变。基因突变。 脱敏作用的现

21、象，说明了脱敏作用的现象，说明了变构中心的独立性变构中心的独立性。变构剂可分为两类变构剂可分为两类 激活变构剂：激活变构剂：变构剂与酶分子结合后，酶的构象变构剂与酶分子结合后，酶的构象发生了变化，这种新的构象有利于底物分子与酶发生了变化，这种新的构象有利于底物分子与酶的结合，使酶促反应速度提高。的结合，使酶促反应速度提高。 抑制变构剂：抑制变构剂：变构剂与酶分子结合所引起的酶的变构剂与酶分子结合所引起的酶的构象变化不利于与底物的结合，表现出一定程度构象变化不利于与底物的结合，表现出一定程度的抑制作用。的抑制作用。 实验发现，在变构酶中起实验发现，在变构酶中起催化作用催化作用，称为，称为催化亚催

22、化亚基基；与变构剂结合的对反应起调节作用，称为；与变构剂结合的对反应起调节作用，称为调调节亚基。节亚基。 7.2.3.2 共价修饰调节理论共价修饰调节理论 可由共价修饰引起酶活性改变的酶称为可由共价修饰引起酶活性改变的酶称为共价共价调节酶调节酶，这类酶的特点是：可由在修饰酶的催化，这类酶的特点是：可由在修饰酶的催化下被共价地修饰，即在它分子上共价地结合或释下被共价地修饰，即在它分子上共价地结合或释放一个低分子量的基团而使其酶活发生改变。共放一个低分子量的基团而使其酶活发生改变。共价修饰作用可分为可逆的共价修饰和不可逆的共价修饰作用可分为可逆的共价修饰和不可逆的共价修饰两种。价修饰两种。（1）可

23、逆共价修饰）可逆共价修饰 细胞中有些酶以活细胞中有些酶以活性形式和非活性形式性形式和非活性形式存在，而且两种形式存在，而且两种形式可以通过另外的酶的可以通过另外的酶的催化作用进行共价修催化作用进行共价修饰而相互转换。饰而相互转换。酶的可逆性共价修饰作用的酶的可逆性共价修饰作用的意义意义：可在短时间内生成大量的活性改变了的酶，有效可在短时间内生成大量的活性改变了的酶，有效地控制细胞的代谢状况；地控制细胞的代谢状况；可逆修饰更易做到响应代谢环境的变化而控制酶可逆修饰更易做到响应代谢环境的变化而控制酶的活性。的活性。（2）不可逆共价修饰）不可逆共价修饰 不可逆共价修饰主要的例子就是不可逆共价修饰主要

24、的例子就是酶原激活。酶原激活。即即无无活性的酶原活性的酶原被相应的蛋白酶作用切被相应的蛋白酶作用切去去一小段多肽而被一小段多肽而被激活成有活性的蛋白。激活成有活性的蛋白。 体内合成的蛋白质有时不具有生物体内合成的蛋白质有时不具有生物活性，活性，经蛋白经蛋白水解酶专一的作用后，水解酶专一的作用后，构象发生变化构象发生变化，形成酶的活性，形成酶的活性部位，变成活性蛋白质这个不具有生物活性的蛋白质部位，变成活性蛋白质这个不具有生物活性的蛋白质称为称为前体。前体。如果活性蛋白质是酶，这个前体称为如果活性蛋白质是酶，这个前体称为酶原酶原。 酶原变为酶的过程是不可逆的，而且酶原的活化酶原变为酶的过程是不可

25、逆的，而且酶原的活化是是级联式反应级联式反应，不断放大的。，不断放大的。 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶弹性蛋白酶、胃蛋白酶等重胃蛋白酶等重要的水解蛋白质的酶，他们在体内都以酶原的形要的水解蛋白质的酶，他们在体内都以酶原的形式存在，如果他们以式存在，如果他们以活化的形式存在，那么我们活化的形式存在，那么我们体内的消化道就会被水解而破体内的消化道就会被水解而破坏坏。因此我们体内。因此我们体内有一些保护机制，以有一些保护机制，以防止这些酶原过早活化防止这些酶原过早活化。 胰脏中酶原的激活都要通过胰蛋白酶的作用胰脏中酶原的激活都要通过胰蛋白酶的作用，可见胰蛋白酶是一个关键，因此在胰脏中存在，可

26、见胰蛋白酶是一个关键，因此在胰脏中存在着丰富的胰蛋白酶抑制剂，抑制蛋白酶的活性。着丰富的胰蛋白酶抑制剂，抑制蛋白酶的活性。酶原在胰脏中过早活化是胰腺炎的特征，严重时酶原在胰脏中过早活化是胰腺炎的特征，严重时致命致命。因此胰蛋白酶抑制剂是治疗胰腺炎的药物。因此胰蛋白酶抑制剂是治疗胰腺炎的药物的主要物质。的主要物质。胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原的激活 胰蛋白酶原胰蛋白酶原去掉去掉N端的一个己肽端的一个己肽胰蛋白酶胰蛋白酶完成使命完成使命降解降解胃蛋白酶原的激活胃蛋白酶原的激活 胃蛋白酶原是由胃壁细胞分泌的，由胃蛋白酶原是由胃壁细胞分泌的，由392个氨基酸个氨基酸残基组成，在胃酸残基组成，在胃酸H作用

27、下，低于作用下，低于PH5时，酶原时，酶原自动激活，自动激活，从氨基端失去从氨基端失去44个氨基酸残基个氨基酸残基（碱性碱性的前体片段的前体片段），转变为高酸性的，有活性的胃蛋，转变为高酸性的，有活性的胃蛋白酶。白酶。（3）其他调节方式）其他调节方式 缔合与解离缔合与解离 蛋白的活化与钝化是通过组成它的亚单位的缔合蛋白的活化与钝化是通过组成它的亚单位的缔合与解离实现的与解离实现的 竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制7.3 酶合成的调节酶合成的调节 在微生物生物合成体系中，通过代谢产物抑在微生物生物合成体系中，通过代谢产物抑制酶的合成或诱导酶的生物合成来调节生物的代制酶的合成或诱导酶的生物

28、合成来调节生物的代谢。这类调节在基因转录水平上进行，对代谢活谢。这类调节在基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接而缓慢的。主要有动的调节是间接而缓慢的。主要有酶合成的诱导酶合成的诱导和和酶合成的阻遏酶合成的阻遏两种类型。两种类型。7.3.1 酶合成的诱导酶合成的诱导组成酶组成酶：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶，如与糖酵解途径有关的一些酶。成的酶，如与糖酵解途径有关的一些酶。诱导酶诱导酶：依赖底物或者底物结构类似物存在而合成：依赖底物或者底物结构类似物存在而合成的酶。如乳糖酶。的酶。如乳糖酶。7.3.2 7.3.2 酶合成的阻遏酶合成的阻遏

29、是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更一系列酶的合成的现象，从而更彻底彻底的控的控制和减少末端产物的生成。主要有分解代制和减少末端产物的生成。主要有分解代谢产物阻遏和末端代谢产物阻遏两种类型谢产物阻遏和末端代谢产物阻遏两种类型。阻遏作用的类型阻遏作用的类型 （1）分解代谢产物阻遏）分解代谢产物阻遏 在细胞内同时存在两种可利用底物时，利用在细胞内同时存在两种可利用底物时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物相关的酶的合成快的底物会阻遏与利用慢的底物相关的酶的合成。现在知道，这种阻遏并不是由于快速利用底物。现在知道，这种阻遏并不是由于快速利用底物直

30、接作用的结果，而是由这种底物分解过程中产直接作用的结果，而是由这种底物分解过程中产生的生的中间代谢产物中间代谢产物引起的，所以称之为分解代谢引起的，所以称之为分解代谢产物阻遏。产物阻遏。 分解代谢产物阻遏过去被称为葡分解代谢产物阻遏过去被称为葡萄糖效应萄糖效应1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期2.同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长二次生长（2 2）末端代谢产物阻遏）末端代谢产物阻遏 由于终产物的过量积累而导致生物合成途径由于终产物

31、的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、核中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、核苷酸和维生素的生物合成途径中。苷酸和维生素的生物合成途径中。 例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。许多酶的合成。两种调节方式的区别与联系：两种调节方式的区别与联系： 区别：区别： a.a.从从调节对象调节对象看：看： 酶合成的调节是通过酶量的变化控制酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，代谢速率， 酶活性的调节是对已存在的酶活性进酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化；行控制，它不涉及酶量变化； b.从从调节

32、效果调节效果看：看： 酶活性调节直接而迅速，酶活性调节直接而迅速， 酶合成调节间接而缓慢；酶合成调节间接而缓慢；c.从从调节机制调节机制看：看： 酶合成调节是基因水平调节，它调节酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成；控制酶合成； 酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。 联系：联系： 细胞内两种方式同时存在，密切配合，细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。高效、准确控制代谢的正常进行。 两种调节的对比两种调节的对比回本章目录7.3.3 酶合成调节的分子机制酶合成调节的分子机制 操纵子学说概述操纵子学说概述 操纵子是基因表达和控制的

33、一个完整单元，其中操纵子是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。 结构基因：结构基因：是决定某一多肽的是决定某一多肽的DNA 模板，可根据模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可，然后再可通过核糖体转译出相应的酶通过核糖体转译出相应的酶;（编码蛋白质的（编码蛋白质的DNA序列序列） 启动子：启动子：能被依赖于能被依赖于DNA的的RNA聚合酶所识别的聚合酶所识别的碱基碱基序列序列，是，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的

34、调节蛋；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）白结合位点。） 操纵子：操纵子：位于启动基因和结构基因之间的一段碱位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；物相结合来决定结构基因的转录是否能进行； 调节基因：调节基因：用于编码组成型调节蛋白的基因，一用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子般远离操纵子,但在原核生物中但在原核生物中,可以位于操纵子旁可以位于操纵子旁边边,编码调节蛋白。编码调节蛋白。7.3.3.17.3.3.1诱导作用的分子机制诱导作用的分子机制

35、酶合成诱导的现象：酶合成诱导的现象：已知分解利用乳糖的酶有：半乳糖苷酶；已知分解利用乳糖的酶有：半乳糖苷酶； - -半乳半乳糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶。糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶。实验：实验：大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时，细胞大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时，细胞内无上述三种酶合成；内无上述三种酶合成；大肠杆菌生长在乳糖培养基上时，细胞内有上述大肠杆菌生长在乳糖培养基上时，细胞内有上述三种酶合成；三种酶合成；表明菌体生物合成的经济原则：表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成需要时才合成。调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA 阻

36、遏蛋白阻遏蛋白（有活性（有活性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子ORA、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构诱导诱导PLacZLacYLaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子ORmRNAZ mRNAYmRNAa 阻遏蛋阻遏蛋白（无活白（无活性）性） 基基 因因 表表达达mRNAB、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 乳糖乳糖 阻遏蛋阻遏蛋白（有活白（有活性）性）7.3.3.2末端产物阻遏末端产物阻遏 由某代谢途径末端产物的过量累积引起的阻遏由某代谢途径末端产物的过量累积引起的阻遏。 酶合成阻遏的现象：酶合成阻遏的现象： 实验：实验： 大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培

37、养基上时大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时， 检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在；检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在； 在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。 表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌体生长的经济原则，体现了菌体生长的经济原则:不需要就不合成不需要就不合成。 色氨酸操纵子色氨酸操纵子酶的阻遏酶的阻遏调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏

38、物辅阻遏物阻遏蛋白不能与操纵基因结合，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因表达结构基因表达代谢产物与阻遏蛋白结代谢产物与阻遏蛋白结合，使之构象发生变化合，使之构象发生变化与操纵基因结合，结构与操纵基因结合，结构基因不能表达基因不能表达酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏阻遏蛋白蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡阻遏蛋白阻挡操纵基因结构操纵基因结构基因不表达基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏使阻遏蛋白不

39、能起到阻挡操纵基因的作蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂酶蛋白酶蛋白阻遏蛋白不能跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无无活性活性)mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因挡操纵基因,结构基因不结构基因不表达表达代谢产代谢产物物酶合成的诱导与阻遏操纵子模型调控作用对比酶合成的诱导与阻遏操纵子模型

40、调控作用对比7.3.3.3分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）指细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。的底物的有关酶合成的现象。 分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的结果，而是通过甲碳源甲碳源本身直接作用的结果，而是通过甲碳源（或氮源等）在其分解过程中所产生的中间代（或氮源等）在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。谢物所引起的阻遏作用。02468020406080 细胞 浓 度(O

41、D)时 间(h) 这一现象又称葡萄糖效应这一现象又称葡萄糖效应，产生的原因是由于葡萄糖降，产生的原因是由于葡萄糖降解物阻遏了分解乳糖酶系的合解物阻遏了分解乳糖酶系的合成。成。此调节基因的产物是环腺此调节基因的产物是环腺苷酸受体蛋白（苷酸受体蛋白（CRP）,亦称亦称降降解物基因活化蛋白（解物基因活化蛋白（CAP）。）。分解代谢物阻遏现象：分解代谢物阻遏现象： 实验：实验：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长，细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长，优先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖优先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期，产生了两个对数生长

42、期中间隔开一个生长延滞期的的“二次生长现象二次生长现象”(diauxie或或biphasic growth）。）。分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏RLacZLacY LacamRNAmRNAZ mRNAY mRNAa基基 因因 表表达达CRP基基因因结构基因结构基因TCRPOCRP-cAMP结合结合部位部位 RNA聚合聚合酶酶TcAMP -CRPP葡萄葡萄糖糖分解分解代谢代谢产物产物腺苷腺苷酸环酸环化酶化酶磷酸二磷酸二酯酶酯酶ATPcAMP5-AMP抑抑制制激激活活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMPCRP：降解物基因活化蛋白（：降解物基因活化蛋白（catabolic gene

43、 activation protein）降低降低cAMP浓度浓度使使CRP呈失活呈失活状态状态7.4 代谢调控代谢调控7.4.1 产能代谢的调节：产能代谢的调节：能荷调节能荷调节 能荷是机体能量在数量上的衡量形式。为能荷是机体能量在数量上的衡量形式。为了了从从量上表示细胞内量上表示细胞内ATP-ADP-AMP的能量情况，的能量情况，1968年年Alkinson提出了能荷概念。提出了能荷概念。 2/ 1AMPADPATPADPATPE能荷 细胞内能荷水平最高值为细胞内能荷水平最高值为 1， 最低值为最低值为0。当。当细胞中只含有细胞中只含有ADP时，细胞的能荷水平时，细胞的能荷水平 1/2 。作用原理：作用原理： 能荷能荷低低时，时，ATP的酶合成系统被的酶合成系统被激活激活，ATP消耗酶系统受消耗酶系统受抑制抑制。也就是说能荷低则促进。也就是说能荷低则促进ATP的生成，主要是促进糖酵解、三羧酸循环、氧化的生成，主要是促进糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化和光和磷酸化等进程。反之能荷高则这些磷酸化和光和磷酸