第十二章代谢的调节控制

第十二章代谢的调节控制不同水平上的调控方式代谢调控在工业上的应用第一节不同水平上的调控（一）酶活力调节酶活力构象调节酶数量调节酶原激活变构调节共价修饰转录水平翻译水平蛋白稳定性其它水平诱导阻遏葡萄糖阻遏色操纵子氨酸（1）酶活力调节

——酶原的激活酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心

一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程（1）酶活力调节

——共价修饰

酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白（1）酶活力调节

——变构调节变构抑制剂的来源

前馈（feedforward

）和反馈（feedback）分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现的。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反馈前馈①速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶(limitingvelocityenzymes)。②催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向。③这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节。关键酶催化的反应具有以下特点：

变构调节的一般对象-关键酶分支反馈类型

-协同反馈抑制定义：分支代谢途径中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的一种反馈调节方式。

天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。分支反馈类型

-合作反馈抑制定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。分支反馈类型

-累计反馈抑制一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节分支反馈类型

-顺序反馈抑制定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：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。———某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节分支反馈类型

-同工酶反馈抑制（2）酶数量的调节

——诱导乳糖乳糖酶的诱导

PLacZLacYLacamRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭ORPLacZLacYLaca调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏蛋白（无活性）mRNA基因表达（2）酶数量的调节

——阻遏.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物（2）酶数量的调节

——代谢物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCGP(CAP)OCAP结合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系

cAMP

CGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）

CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态帮助聚合酶结合分解代谢物阻遏（Cataboliterepression）当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。现象：阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为分解代谢物阻遏。原因：葡萄糖效应二次生长现象大肠杆菌利用混合碳源生长时时，发现葡萄糖会抑制其它糖的利用大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中，优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数生长期中间的第二个生长停滞期分解代谢产物阻遏乳糖与葡萄糖同时存在时，因为分解葡萄糖的酶类属于组成酶，能迅速地将葡萄糖降解成某种中间产物（X），X既会阻止ATP环化形成cAMP，同时又会促进cAMP分解成AMP，从而降低了cAMP的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。只有当葡萄糖耗尽后，cAMP才能回升到正常浓度，操纵子重新开启，并开始利用乳糖作为碳源，形成菌体的二次生长。（2）酶数量的调节

——色氨酸操纵子（2）酶数量的调节

翻译水平调节过多的核糖体蛋白不能结合在rRNA上，反而结合在mRNA导致模板封闭，翻译停止溶酶体蛋白酶体——

释放蛋白水解酶，降解蛋白质——泛素识别、结合蛋白质；蛋白水解酶降解蛋白质通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。（2）酶数量的调节

蛋白稳定性真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节（剪切，修饰，编辑）翻译调节mRNA降解调节（帽子和尾巴）翻译后加工的调节核细胞质真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译水平调节翻译后加工的调节真核基因调控主要是正调控顺式作用元件和反式作用因子转录因子的相互作用控制转录活性蛋白的稳定性调节染色质丢失修饰重排扩增蛋白运输分泌调节mRNA分泌调节代谢途径（酶或酶系）细胞内分布代谢途径（酶或酶系）细胞内分布糖酵解胞液氧化磷酸化(呼吸链)线粒体三羧酸循环线粒体尿素合成胞液、线粒体磷酸戊糖途径胞液蛋白质合成内质网、胞液糖异生胞液DNA合成细胞核糖原合成与分解胞液mRNA合成细胞核脂肪酸β氧化线粒体tRNA合成核质脂肪酸合成胞液rRNA合成核仁呼吸链线粒体血红素合成胞液、线粒体多种水解酶溶酶体胆红素生成微粒体、胞液磷脂合成内质网胆固醇合成内质网、胞液

酶的区域分布（二）细胞水平上的调控酶定位的区域化线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;细胞核:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成区域化的酶可专一调整一些酶的活性，而不影响到另外一些酶的代谢膜结构对代谢的调控

（1）.控制浓度梯度膜的三种最基本功能即物质运输、能量转换和信息传递都与离子和电位梯度的产生和控制有关，如质子梯度可合成ATP，钠离子梯度可运输氨基酸和糖，钙可作为细胞内信使。（2）.控制细胞和细胞器的物质运输通过底物和产物的运输可调节代谢，如葡萄糖进入肌肉和脂肪细胞的运输是其代谢的限速步骤，胰岛素可促进其主动运输，从而降低血糖。（3）.内膜系统对代谢的分隔内膜形成分隔区，其中含有浓集的酶和辅因子，有利于反应。而且分隔可防止反应之间的互相干扰，有利于对不同区域代谢的调控。（4）.膜与酶的可逆结合某些酶可与膜可逆结合而改变性质，称为双关酶。离子、代谢物、激素等都可改变其状态，发挥迅速、灵敏的调节作用。

（三）激素水平上的调控质膜受体激素（含氮激素）亲水性的，不易通过质膜的脂双层，只能与靶细胞表面受体结合后通过胞内的第二信使起作用的。胞内受体激素亲脂性的，易透过质膜的脂双层进入靶细胞内起作用的。甾醇类激素作用原理示意图肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图

ATP

cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白cAMP激活蛋白激酶的作用机理第二信使

第一信使指激素、神经递质等体内的化学信号分子。第二信使激素作为第一信使，通过受体的相互作用，将信号传至效应器后所产生的一种具有传递和放大信息作用的生物小分子，如cAMP、cGMP、Ca离子、三磷酸肌醇酚(IP3)、甘油二酯(DAG)和NO等。G蛋白的概念、种类及特征定义

GTP结合的异三聚体蛋白，是存在于质膜上的一组信息传递蛋白，由、、三个亚基组成，激素与受体结合后，经G蛋白将信号传递给效应器，产生第二信使分子，引发生理效应。种类

Gs(激动性G蛋白)激活Ac刺激cAMP产生

Gi(抑制性G蛋白)抑制Ac抑制cAMP产生特征由、、三亚基组成，其中上有GTP和GDP的受体结合位点，同时还具有GTpase活性，亚基具有多样性和专一性，和较保守，不易分开。cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸环化酶(adenylate

cyclase,AC)人及高等动物具有高度发达的神经系统，这类生物的各种活动和代谢的调节机制都处于中枢神经系统的控制之下。神经系统既直接影响各种酶的合成，又影响内分泌腺分泌激素的种类和水平，所以神经系统的调节具有整体性特点。神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过调节激素的分泌来实现的。（三）神经水平上的调控第二节代谢调控在工业上的应用

现代工业发酵实际上是用各种方法打破微生物原有代谢平衡，使微生物建立新的代谢平衡，在保证其基本生存条件的前提下，为人类生产尽可能多的产品，是微生物代谢的一种控制过程。突破微生物自我调节机制，使代谢物尽可能大量积累的方式有三种:一是应用营养缺陷型菌株进行生产二是选育抗代谢物类似物突变种三是改变微生物细胞膜的通透性，使最终产物不在细胞内积累，提高发酵物的产率。营养缺陷型菌株是指原菌株由于基因突变（一般为合成途径中某一个酶结构基因突变），使其正常代谢途径中断，不能合成自身所需的某种或某些必需营养物质的突变菌株。营养缺陷型菌株由于不能合成代谢调节所需的最终末端产物，从根本上减少或降低了反馈抑制作用的发生。（一）营养缺陷型菌株选育及应用L-谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰--谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸--半醛-N-乙酰鸟氨酸L-鸟氨酸瓜氨酸精氨酸N-乙酰谷氨酸激酶（-）鸟氨酸转氨甲酰基酶×鸟氨酸合成及控制示意图在分支代谢途径中由于一般都会有多个终未产物的形成，主要通过协同反馈抑制方式进行调节，其中部分终末产物的积累不会对整个代谢途径产生抑制，因此可以利用这种机制，选用一个或两个末端产物合成缺陷的菌株生产有关的末端产物，如赖氨酸发酵。葡萄糖天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸半醛高丝氨酸蛋氨酸苏氨酸赖氨酸二氨基庚二酸天冬氨酸激酶协同反馈抑制×异亮氨酸谷氨酸棒杆菌合成赖氨酸及反馈控制示意图调节酶结构(基因)突变，使抑制剂与酶结合改变酶活力的能力降低调节基因突变或操纵基因突变。可诱导体系由于调节基因突变或操纵基因突变，致使在无需诱导物的存在酶就能合成的突变称为组成性突变。（二）抗代谢类似物突变种的应用

代谢类似物.无活性阻遏蛋