第2章微生物代谢的调节机制

第二章微生物代谢的调节机制代谢控制发酵课程授课教师：张侠E-mail：zhangxia79@微生物的代谢错综复杂，参与代谢的物质多种多样，即使同一物质也会有不同的代谢途径，而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。在长期进化过程中，微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系，能严格控制代谢活动。微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点。本章主要讨论对酶的调节。微生物可以按照适应环境的需要调节酶的表达（即酶蛋白的合成）及调节酶的活性（即酶的激活或抑制）。第一节酶合成的调节通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。在基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接的，也是缓慢的。优点：通过阻止酶的过量合成，能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节类型：酶的诱导、酶的阻遏。一、酶的诱导enzymeinduction按照酶合成与环境影响的不同关系，分为两大类：组成酶Structuralenzymes：细胞固有的酶，其合成与环境无关，在菌体内的含量相对稳定，如EMP有关的酶；诱导酶Inducibleenzyme，只在环境中存在诱导剂时才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止，如乳糖代谢有关的β-半乳糖苷酶。该过程称为酶的诱导。诱导酶与组成酶在本质上是相同的，区别在于酶合成体系受控制的程度不同。在微生物育种中，常采取诱变等手段使诱导酶转化成组成酶，以利于大量积累所需的代谢产物。诱导的生理作用是可以保证能量与氨基酸不浪费，不把它们用于合成那些暂时无用的酶上，只有在需要时细胞才迅速合成它们。酶的诱导合成又可分为两种：同时诱导：即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到E.coli培养基中后，可同时诱导出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成。顺序诱导：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。几个术语诱导作用：培养基中某种基质与微生物接触而增加（诱导）细胞中其相应酶的合成速率。诱导酶：只有在其底物，即有诱导物存在时才被合成的酶。诱导物（inducer）：能引起诱导作用的化合物，可以是底物，也可以是底物的衍生物，甚至是产物。安慰诱导物（gratuitors）：酶底物的结构类似物常是出色的诱导物，但它们不能作为底物被酶转化。1.1操纵子学说——转录水平调节Monod和Jacob（1961）提出了操纵子（Operon）学说用于解释酶的诱导机制。大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被发现的操纵子。所谓操纵子（元）是指结构上、功能上协同作用的相关基因组成的一个片段（区域）。操纵子假说认为：编码一系列功能相关的酶的基因在染色体中紧密排列在一起，且它们的表达与关闭是通过同一控制点协同进行的。每个操纵子（元）至少由4个基因（部分）组成：（1）调节基因（Regulatorygene)：编码组成型调节蛋白的基因；（2）操纵基因（Operatorgene）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）结合，以此来决定结构基因的转录能否进行；（3）结构基因（Structuralgene）：决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，再通过核糖体翻译出相应的酶蛋白；（4）启动基因（Promotergene）：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，即使RNA聚合酶的结合部位，也是转录的起始点。（1）调节基因（Regulatorygene)

它能编码调节（阻遏）蛋白，是一类变构蛋白，有2个特殊位点，一可与操纵基因结合，另一可与效应物结合，并发生变构作用，相应的提高或降低与操纵基因的结合能力。现发现有两种调节蛋白：

1.负作用调节蛋白——在没有诱导物时能与操纵基因结合，阻止RNA多聚酶接近启动基因或操纵基因，也称为阻遏物（repressor）。

2.正作用调节蛋白——与启动子或启动子附近的DNA结合，能起增强RNA多聚酶与该启动子结合的效应。此种调节蛋白也称为激活因子（actiration）。（2）操纵基因（Operatorgene）

它能控制决定蛋白质（酶）的氨基酸顺序的一整套结构基因的转录，而操纵基因可受调节基因产生的阻遏物所阻遏，许多情况下，单个操纵基因可以控制一个或多个结构基因。

（3）结构基因（Structuralgene）

是指在操纵基因邻近（一般在下游处）存在一个或多个基因，它编码不起调控转录作用的蛋白质，如酶、膜蛋白和核糖体等。一部分结构基因的mRNA合成速度精确地被控制，但许多结构基因以一种（或多或少）不变的速度持续地转录DNA上的遗传信息，生成相应的mRNA进而转译成特定的酶（蛋白质）。（4）启动基因（Promotergene）

启动子（基因）含有两个和RNA聚合酶结合的顺序，一个集中在RNA聚合酶起始位置前约10个碱基对，另一个则集中在这个位置前35个碱基对，当RNA聚合酶与启动子接触并结合上去，mRNA合成即开始。如阻遏物（阻遏调节蛋白）与操纵基因结合，则RNA聚合酶就不能和操纵基因结合，不能向前移动，也就不能转录出互补于结构基因的DNA顺序的mRNA，也就没有酶的生成。但在E.coli中启动子必须经过cAMP受体蛋白复合物的激活后，才能启动。

这些基因形成整套调节控制机制，才能使生命系统在功能上有序、有效及开放。

1.2乳糖操纵子（lac

operon）——

酶合成的负调控诱导调控机制酶合成的正调节诱导——大肠杆菌的麦芽糖操纵子1.3阿拉伯糖操纵子（arabinose

operon）一、Ara操纵子模型1、Ara操纵子的结构基因在葡萄糖缺乏时，阿拉伯糖是另一个可以为大肠杆菌提供碳源的五碳糖，在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因。araB基因编码核酮糖激酶；araA基因编码L-阿拉伯糖异构酶；araD基因编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶以上3种酶能将Ara分解为大肠杆菌能利用的木酮糖。2、Ara操纵子的结构与araB、araA和araD这3个结构基因相邻的是一个复合启动子区和一个调节基因C，由调节基因C合成的AraC蛋白是一个自我调节蛋白（autoregulatedprotein），它既是ara操纵子的正调节蛋白，又是负调节蛋白。复合启动子区主要有：

PBAD区：AraBAD启动子区

AraC位点：C蛋白·阿拉伯糖复合物与操纵子结合区

-280区：C蛋白与操纵子结合区二、AraC蛋白的正、负调节作用1、AraC蛋白的正调节作用正调节蛋白是激活蛋白，它存在时，结构基因表达。在阿拉伯糖存在时，AraC蛋白与其形成C蛋白·阿拉伯糖复合物，复合物与启动子区的AraC位点结合，激活PBAD，活化RNA聚合酶，使结构基因mRNA正常转录，产生上述3种酶，完成调控。2、AraC蛋白的负调节作用没有阿拉伯糖时，AraC蛋白同时与AraC位点及远距离的-280区结合，造成DNA链的扭曲，不能起始mRNA的转录。酶诱导物的种类：可分3类胰蛋白酶1.4诱导调节的克服

只有需要时才合成所需的酶是微生物应有的、正常的调节机制。如果要使所需要的诱导酶大量生产，可采用诱变方法，借强力因素诱变引起的突变，消除诱导酶，跨越必需依赖诱导物这种障碍。如突变不是发生在结构基因上，而是发生在调节基因或操纵基因上，从而导致调节基因编码的阻遏物（阻遏蛋白）无活性，或操纵基因对活性阻遏物的亲和力衰退，则无需诱导物便能产生诱导酶。这种突变作用称为调节性或组成型突变。具有这种特性的菌株称为组成型突变株。组成型突变株的富集方法

1、在诱导物为限制性基质的恒化器中筛选恒化器：一种微生物连续培养器。它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低于最快生长速度。这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。一亲株经诱变的群体，生长在含有很低浓度的诱导物的恒化器中，有利于不需诱导物的组成型突变株的生长。那些由于诱导物浓度很低而生长缓慢的亲株被恒化器逐渐淘汰。恒化器起到一种富集组成型突变株的作用。如大肠杆菌在低浓度乳糖的恒化器中生长，就可以筛选出没有诱导物存在也能生产β-半乳糖苷酶的组成型突变株。2、将菌株轮番在有、无诱导物的培养基中培养在第一个生长周期在含葡萄糖的培养基中极少量的组成型突变株与占绝对优势的亲株将以同样的速率生长。然后，将此混合培养物移种到乳糖为唯一碳源的培养基中，有利于突变株的生长；未突变的亲株需诱导半乳糖苷酶的合成，经较长的停滞期才开始生长。每次移种到含有葡萄糖的培养基后会使亲株的β-半乳糖苷酶合成立即停止。再移种到含乳糖的培养基中亲株又需经一段停滞期后才能开始生长，因此反复交替上述培养过程，最终会使组成型突变株占优势。3.使用诱导性能很差的基质将经诱变的群体生长在一种能作为碳源，不能作为诱导物或其诱导性能很差的基质上，可筛选出组成型突变株。如，用苯-β-半乳糖苷与2-硝基苯-α-L-阿拉伯糖苷可筛选出大肠杆菌组成型的β-半乳糖苷酶的突变株。4.使用阻碍诱导作用的抑制剂有些化合物会阻扰酶的诱导作用。如，氰乙酰胺抑制绿脓杆菌酰胺酶的诱导合成；2-硝基苯-β-墨角藻糖苷抑制大肠杆菌诱导β-半乳糖苷酶的合成。让细胞生长在含有诱导物和诱导抑制剂的培养基中生长，只有那些不需要诱导物的突变株才能生长。

5.提高筛选效率的方法诱变后的菌群中组成突变株一般只占10-9-10-6个，经上述的方法富集后数量可提高103倍，那么它们在菌群中的相对数量提高到10-6-10-3个，要从一千个菌中找出1个突变株也不是轻而易举的事。如何将少数的组成型突变株在琼脂培养基平板上显形再提高筛选效率呢？要使少数的组成型突变株在琼脂培养基上显形，可采用下面的方法。要筛选β-半乳糖苷酶组成型突变株，可通过富集过的培养物铺在以甘油为碳源的琼脂平板培养基上，待菌落长成后，在平板上喷洒邻硝基酚-β-半乳糖苷，在没有诱导物下，只有组成型突变株能产生β-半乳糖苷酶，能将邻硝基酚-β-半乳糖苷水解，生成黄色的邻硝基酚。在众多白色亲株菌落中，出现一个或数个黄色所需菌落很容易察觉。二、酶的阻遏在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量。阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏（色氨酸操纵子）和分解代谢产物阻遏。2.1末端代谢产物阻遏

（end-productrepression）指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏，例如精氨酸的生物合成途径。对分支代谢途径来说，情况就较复杂。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”受所有分支途径末端产物的阻遏，此即称多价阻遏作用（multivalentrepression）。也就是说，任何单独一种末端产物的存在，都没有影响，只有当所有末端产物都同时存在时，才能发挥出阻遏功能。典型的例子——芳香族氨基酸、天冬氨酸族和丙酮酸族氨基酸的生物合成中的反馈阻遏。末端产物阻遏在代谢调节中有着重要的作用，它可保证细胞内各种物质维持适当的浓度。有些操纵子编码的酶参与降解化合物获得分解代谢产物和能量以构成细胞生长所需的其它分子，称为降解操纵子；另一些操纵子编码的酶催化合成细胞所需的化合物，如核苷酸、氨基酸、维生素等，这些操纵子成为合成操纵子。生物合成操纵子也受阻遏物的负调控。能与阻遏物蛋白结合并使其结合于操纵基因的效应物成为辅阻遏物；调节基因编码的阻遏物（蛋白）不结合辅阻遏物就没有阻遏活性，没有阻遏活性的阻遏物（蛋白）称脱阻遏物（蛋白），目前统称为阻遏物蛋白，一旦阻遏物蛋白与辅阻遏物结合，就能结合到操纵基因上，这时就称它为阻遏物。色氨酸操纵子（Tryptophane

operon）氨基酸的合成也是由操纵子调节的，其基因表达一般都是可阻遏调节。1、色氨酸操纵子的结构色氨酸的合成分5步完成，每个环节需要一种酶，而且编码这5种酶的基因是紧密连锁在一起的，即色氨酸操纵子的结构基因是由这5个基因组成的。

TrpE基因编码邻氨基苯甲酸合成酶；TrpD基因编码邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶;TrpC基因编码邻氨基苯甲酸异构酶；TrpB基因编码色氨酸合成酶；TrpA基因编码吲哚甘油-3-磷酸合成酶。2、色氨酸操纵子的调节基因色氨酸操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远，其基因产物被称为辅阻遏蛋白。Trp操纵子的转录调控除了阻遏系统外，还存在弱化系统，使色氨酸的合成达到微细水平调控。3、Trp操纵子的阻遏状态培养基中色氨酸浓度高时，trpR基因的产物——辅阻遏蛋白+色氨酸→有活性的阻遏物→与trp操纵基因结合→阻止结构基因表达4、Trp操纵子的激活状态培养基中色氨酸浓度低时，trpR基因的产物——辅阻遏蛋白不能与trp操纵基因结合→有活性的操作区→结构基因能够表达在没有末端产物的情况下，阻遏蛋白不能与辅阻遏物（如色氨酸）结合成完全阻遏物，因此操纵基因的“开关”是打开的，这时转录、翻译可正常进行，诱导合成酶大量转录翻译合成；反之，阻遏蛋白可与辅阻遏物结合成一个有活性的完全阻遏物，它与操纵基因相结合，使转录的“开关”关闭，从而无法进行转录和转译。弱化作用（attenuation）

——次级基因表达调控机制随着对trp的深入研究，发现有些现象与以阻遏作为唯一调节机制的观点不相一致。在缺乏色氨酸的状态下，trp的转录速率是在有色氨酸存在的状态下的600倍。但阻遏物失活的突变不能完全消除色氨酸对trp

operon表达的影响，没有阻遏物时，在培养基中含或不含色氨酸的条件下观察到转录速度相差8-10倍。这种色氨酸操纵子表达产物的减少是由于弱化作用(attenuation)所造成的，即色氨酸操纵子在第二水平上的调控。弱化机制的加入使基因表达调控达到更高一级的水平。在第一个基因(trpE)的前面5‘端有一个长162bp的序列，称为前导序列(leader

sequence)或前导区(leaderregion)。当此序列发生部分缺失或突变时trp基因表达可提高6000倍。这个前导区称为弱化区，所表达出来的前导肽称为弱化子(attenuator)。弱化子实际上是一个转录暂停信号。弱化作用就是通过一个位于mRNA前导序列末端的位点控制转录终止来实现的，只有当负责搬运Trp的tRNA-Trp存在时才会发生这种操纵子转录的提早终止(prematuretermination)。当发生这种提早终止(或叫弱化作用)的时候，RNA聚合酶往往不能通过弱化子序列，而只产生一个140bp左右的核苷酸片段。弱化的作用的调控实质是以翻译手段来控制基因的转录。3∶4茎-环（发夹）是不依赖转录因子终止信号的一部份，是一段富含G/C的回文序列，可以形成发夹结构，当这种结构形成时，使得RNA聚合酶终止转录。阻遏作用和弱化作用的区别与协调

细菌通过弱化作用辅助了阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始了的转录，则只能通过弱化作用使它中途停顿下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少，而弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA，它通过前导肽的翻译来控制转录的进行。

到目前为止，已在大肠杆菌中，鼠伤寒沙门氏菌中发现Thr、Ile、Val、Trp、Lea、Phe、His等7种氨基酸合成过程中都存在这种弱化作用机制。在细菌细胞内这两种方式的协同作用，体现了生物体内精密、高效的基因表达调控。

那么细菌中为什么需要弱化子调控系统呢？其原因可能是：

a.阻遏物从有活性到无活性的转变速度极低，需要有一个能更快地做出反应的系统来维持适当氨基酸的水平。

b.弱化子系统主要是对外源氨基酸（色氨酸）浓度作出反应。例如：外源氨基酸（色氨酸）浓度很低的信号，虽然足以引起Trp操纵子去阻遏作用。但这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。于是在环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加Trp基因表达，从而提高内源色氨酸的浓度。

为什么还要阻遏体系呢？没有阻遏体系，似乎只有弱化作用也可以调节色氨酸酶系的合成。目前认为当有大量外源色氨酸存在时，通过阻遏体系阻止非必须的先导mRNA合成，使合成更加经济。当然His操纵子中，没有阻遏体系，只有弱化子调节。说明弱化子的调节作用是控制转录的终止，控制转录精细，是阻遏调控体系的次级调节。2.2分解代谢物阻遏

（cataboliticrepression）指细胞内同时有两种可利用底物（碳源或氮源）存在时，利用快的底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。这种阻遏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。也就是在代谢反应链中，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。1942年，Monod将E.coli培养在含乳糖和葡萄糖的培养基上，发现该菌可优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就产生了在两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次生长现象”。其原因是，葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成。这一现象又称葡萄糖效应。后来发现葡萄糖不仅对乳糖降解酶合成阻遏，而且对好几条降解途径的酶系，如山梨糖醇、木糖醇、阿拉伯糖、甘油等途径的酶合成发生阻遏。由于这类现象在其他代谢中（例如铵离子的存在可阻遏微生物对精氨酸的利用等）的普遍存在，1961年Magasanik将其统称为分解代谢物阻遏。这种阻遏对微生物是很有利的，只要有一个容易同化的底物存在，细胞就不必耗费能量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成分，是微生物细胞经济的一个方面。1、cAMP是对酶合成水平的控制——正调节2.2.1分解代谢物阻遏的机制乳糖操纵子的启动基因P包含两个位点：A，RNA聚合酶结合的位点；B，CAP-cAMP复合物结合位点。CAP是降解物基因活化蛋白（又称为cAMP受体蛋白，CRP）。在只含有乳糖的培养环境中，转录开始时，cAMP先与CAP结合生成cAMP-CAP复合物，该复合物能与乳糖操纵子中的启动子的CAP结合位点结合，激活启动基因，进而促进RNA聚合酶与其结合位点的结合，使转录启动（CAP起正调控的作用），所以解除了分解代谢物阻遏。当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，能迅速将葡萄糖降解成中间产物X，X既会阻止ATP环化形成cAMP，同时又促进cAMP分解成AMP，从而降低了cAMP的浓度，继而阻遏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，开始利用乳糖作为碳源，形成菌体的二次生长。若CAP基因失活的突变株，就不能诱导任何分解代谢物阻遏系统酶的合成，因而只能在易被利用的基质上生长。腺苷酸环化酶丧失的突变株，cAMP水平下降，就不能在受阻遏的碳源（如甘油、乳糖、蔗糖等）上生长，但它和CAP缺陷突变株不同，外源加入cAMP还是有效的。2.2.2葡萄糖对细胞内cAMP水平的调节（1）可能是由于葡萄糖分解过程中的某些中间产物抑制了细胞内cAMP的形成；（2）可能是这种中间产物激活了cAMP的分解。X抑制激活2.2.3分解代谢物阻遏作用的克服一种碳源起分解代谢物阻遏作用的效能取决于它作为碳源的效率，而不是它的化学结构。在一种微生物中起分解代谢物阻遏作用的化合物可能在另一种微生物中不起作用。如，对于大肠杆菌，葡萄糖比琥珀酸更易起分解代谢物阻遏作用，而对恶臭假单胞菌的作用恰好相反。工业生产上，在生产培养基内不使用阻遏性碳源，将有利于对分解代谢物阻遏敏感的酶的生产。例如，采用甘露糖培养荧光假单胞菌纤维素变株，其纤维素酶的产量相当于生长在半乳糖上的1500倍。如果出于经济上的原因，必须使用阻遏性碳源时，可通过过程补糖的办法限制生产菌的糖耗速率，以消除分解代谢物阻遏对酶生产的影响。如给荧光假单胞菌纤维素变株缓慢补糖，可使纤维素酶的产量几乎增加200倍。2.2.4耐分解代谢物阻遏的突变株获得用强力因素诱变与适当的筛选方法可以获得耐分解代谢物阻遏的突变株。这类突变株的葡萄糖利用速率减慢，解除了对单一种或一系列酶合成的阻遏作用。筛选原理是：以一种能引起分解代谢物阻遏的基质作为唯一的氮源，用含有这种氮源的培养基的琼脂平板培养筛选诱变后的菌株。在葡萄糖-脯氨酸琼脂平板上可筛选出耐分解代谢物阻遏的脯氨酸氧化酶的生产菌株（鼠伤寒杆菌突变株）。因脯氨酸氧化酶的合成受葡萄糖的阻遏，野生型亲株不能生长在这样的培养基上，只有耐分解代谢物阻遏的突变株才能从氧化脯氨酸中取得生长所需的氮源。组氨酸降解酶类受葡萄糖的阻遏，而从组氨酸的分解代谢中获得氮源又是菌株生长所必需的。将产气气杆菌连续移植到含有葡萄糖及组氨酸为唯一氮源的培养基上，用于筛选耐分解代谢物阻遏的突变株。因此能在这种培养基上生长的必然是能耐葡萄糖阻遏的突变株。另一方法是轮番让菌株在含有葡萄糖和不含葡萄糖的培养基上生长。小结酶的诱导、分解代谢物阻遏和末端产物阻遏可以同时发生在同一微生物体内。这样，当某些底物存在时微生物体内就会合成诱导酶，几种底物同时存在时，优先利用能被快速或容易代谢的底物；而与代谢较慢的底物有关酶的合成将被阻遏；当末端代谢产物能满足微生物生长需要时，与代谢有关酶的合成又被终止。操纵子学说是从原核微生物代谢调节的研究中建立起来的，对于真核微生物，情况更复杂。酶合成的调节除可发生在上述转录水平，也可能发生在翻译水平。蛋白质翻译水平上的调节是指改变某些氨基酰tRNA的浓度及调节蛋白质的合成速度，高浓度的氨基酰tRNA可阻止肽链的合成。第二节酶活性的调节

——蛋白质水平上的调节通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的方式称为酶活性的调节。与酶合成调节方式相比，这种方式更直接，见效快。某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，称为调节酶（regulatoryenzyme）。这种影响可以是激活或抑制。底物对酶的影响称为前馈，产物对酶的影响称为反馈。酶活性的调节包括酶活性的激活和抑制两个方面。酶的激活指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进，例如粪链球菌（Streptococcusfaecalis）的乳酸脱氢酶活性可被果糖-1，6-二磷酸所促进等。这类激活作用主要有两种：前体激活、代谢中间产物的反馈激活。2.1酶的激活1、前体激活：指代谢途径中后面的酶可被途径中较前一个中间产物所促进。粪链球菌的乳酸脱氢酶活性可被果糖-1，6-二磷酸所促进；粗糙脉孢菌（Neurospora

crassa）的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进。2、代谢中间产物反馈激活，指代谢中间产物对该代谢途径前面的酶起激活作用。较少见，典型例子：果糖-1，6-二磷酸是磷酸果糖激酶的激活剂。2.2酶活性的抑制——反馈抑制酶活性的抑制主要是反馈抑制（feedbackinhibition），它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。反馈抑制具有作用直接、效果快速以及当末端产物浓度降低时又可重新解除等优点。2.2.1反馈抑制的类型1．直线式代谢途径中的反馈抑制2．分支代谢途径中的反馈抑制（1）同工酶调节（2）协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibiton）（3）合作反馈抑制（cooperativefeedbackinhibiton）（4）累积反馈抑制（cumulativefeedbackinhibiton）（5）顺序反馈抑制（sequentialfeedbackinhibiton）（6）终产物抑制的补偿性逆转(compensatoryreversalofend-productinhibition)1．直线式代谢途径中的反馈抑制E.coli在合成异亮氨酸时，合成产物过多可抑制途径中第一个酶——苏氨酸脱氨酶的活性，从而使α-酮丁酸及其后一系列中间代谢物都无法合成，最终导致异亮氨酸合成的停止。大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成CTP时需要7种酶，当CTP达到一定浓度后，便反馈抑制催化第一个反应的酶，即天冬氨酸转氨甲酰酶。（1）同工酶调节同工酶是指能催化同一生化反应，但结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。特点：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被H抑制，另一个酶被G抑制。只有当H和G同时过量才能完全阻止A转变为B。（2）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的一种反馈调节方式。如多粘芽孢杆菌（Bacilluspolymyxa）、谷氨酸棒杆菌的单一的天门冬氨酸激酶（AK）受终产物Lys和Thr的协同反馈抑制，这种抑制在Lys或Thr单独过量存在时并不会发生。（3）合作反馈抑制又称增效反馈抑制，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。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%。如乳糖发酵短杆菌的AK受Thr和Lys的增效性抑制，即Thr和Lys中任何一个过量对AK均有抑制作用，Thr和Lys同时存在时，抑制作用加强。（4）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，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。在各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。累积反馈抑制最早在E.coli的谷氨酰胺合成酶调节中发现，该酶受8个最终产物的累积反馈抑制，只有当它们同时存在时，酶活力才被全部抑制。如色氨酸单独存在时，可抑制酶活力的16％，CTP相应为14％，氨基甲酰磷酸为13％，AMP为41％。这4种末端产物同时存在时，酶活力的抑制程度可这样计算：色氨酸先抑制16％，剩下的84％又被CTP抑制掉11.8％（即84％×14％）；留下的72.2％活性中，又被氨基甲酰磷酸抑制掉9.4％（即72.2％×13％），还剩余62.8％；这62.8％再被AMP抑制掉25.8％（即62.8％×41％），最后只剩下原活力的37％。当8个产物同时存在时，酶活力才被全部抑制。（5）顺序反馈抑制这一现象最初是在研究枯草杆菌的芳香族氨基酸生物合成时发现的。当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度过高而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增加。过量的G抑制了C→F，造成C的浓度进一步增加。过量C又对A→B间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸的合成途径中分支点中间产物预苯酸和分支酸抑制DAHP合成酶，而Trp、Phe和Tyr则分别抑制各自分途径的第一个酶。（6）终产物抑制的补偿性逆转一个分支途径的终产物（E）能完全抑制共同序列的第一个酶，另一个分支的前体（I）却是同一个酶的激活剂，起到抑制效应的对抗物作用。大肠杆菌中，一个分支的终产物是UMP，另一个分支的终产物是Arg。UMP抑制催化共有反应的氨甲酰磷酸合成酶。鸟氨酸作为另一个分支的前体却能激活这个酶，以防止它被UMP完全抑制。反馈阻遏与反馈抑制的比较2.2.2反馈抑制的机制酶活性调节机制有多种理论解释，主要有:1、酶分子的化学修饰理论——其核心是酶分子结构的改变2、别构（变构）调节理论——其核心是酶分子构象的改变3、缔合与离解等（一）酶的共价修饰共价修饰是酶蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解离，使其活性改变（导致调节酶活化或抑制）以控制代谢的速度和方向，这是一种快速、灵敏、高效的细调方式。由共价修饰引起酶活性（有时还涉及调节特性）改变的酶叫共价调节酶。共价修饰作用可分为可逆共价修饰和不可逆共价修饰。

细胞中有些酶存在活性和非活性两种状态，它们可以通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。例如，磷酸化酶是通过激酶或磷酸酯酶来调节活性的。1、可逆共价修饰由于小化学基团对蛋白质结构进行共价修饰，使酶蛋白在活性（高活性）和非活性（低活性）转变。已知有多种类型的可逆共价修饰蛋白（酶），包括：

1.磷酸化/去磷酸化

2.乙酰化/去乙酰化

3.腺苷酰化/去腺苷酰化

4.尿苷酰化/去尿苷酰化

5.甲基化/去甲基化

6.S-S/SH相互转换等蛋白质共价结合部位,一般为丝氨酸残基的-CH2OH。反应类型共价修饰被修饰的氨基酸残基磷酸化腺苷酰化尿苷酰化Tyr，Ser，Thr，HisTyrTyr甲基化GluS-腺苷-MetS-腺苷酶的可逆共价修饰作用的意义在于：⑴可在短时间内改变酶的活性，有效地控制细胞的生理代谢；⑵这种作用更易为响应环境变化而控制酶的活性。2、不可逆共价修饰典型的例子是酶原激活。这是无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切去一小段肽链而被激活。酶原变成酶是不可逆的。胰蛋白酶原活化是信号放大的一个典型例子，其活化需从N-端除去一个己肽（Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys）。少量的肠肽酶可激发大量的胰蛋白酶原转变成胰蛋白酶，这是因为胰蛋白酶催化其自身的活化。一旦这些胰酶完成其使命后，便被降解而不再恢复为酶原。这种活性的关闭作用是极其重要的。3、酶共价修饰调节的特点

作用方式：酶都具有两种形式即无活性（低活性）和有活性（高活性）。作用本质：酶分子共价键发生了改变，即酶的一级结构发生改变，而别构酶中酶分子只发生非共价键的改变，即构象的改变。作用能耗：所需酶分子比生物合成酶要少，在酶分子发生磷酸化等修饰作用反应中，一般每个亚基只消耗耗1个ATP，比每亚基生物合成所需的ATP少很多。作用效率：共价调节酶的调节信号具有放大效应，其催化效率比别构酶调节要高很多。（二）变构效应（allostericeffect）酶活性调控的实质就是变构酶的变构调节。变构（别构）效应是指一种小分子物质与一种蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的相互作用。

变构效应是Gerhart与Pardee于1962年研究胞苷三磷酸（CTP）对其自身合成的反馈抑制作用时发现的。变构酶(allostericenzyme)：具有变构效应的酶。有些酶除了活性中心外，还有一个或几个部位，当特异性分子非共价地结合到这些部位时，可改变酶的构象，进而改变酶的活性。酶的这种调节作用称为变构调节，受变构调节的酶称变构酶，这些特异性分子称为效应剂。

1、变构酶的结构和特性

含多个亚基的四级结构的蛋白质（一般为四聚体），亚基的结构和功能可以相同，也可以不同。变构酶含有两个中心，一个是与底物结合的活性中心（也称催化部位或活性部位）；另一个调节中心（也称变构部位）。它们在空间上是分开的，可以在不同的亚基上，也可以在同一亚基的不同部位上。当调节中心（变构部位）与最终产物结合之后就改变了酶分子的构象，从而影响了底物与活性中心的结合。这种结合是可逆的。每个变构酶的分子可以结合一个或多个配体（底物或效应物），理论上结合底物的最大数目与催化中心的数目相等。结合效应物的最大数目应与调节中心的数目相等。2、变构酶活性调节机理（1）Monod-Wyman-Changeux模型（齐变模型，concertedmodel）——MWC模型变构酶存在着两种构象状态，R状态（催化状态或松弛态，利于结合底物）和T状态（抑制状态或紧张态，不利结合底物）。添加配体（包括底物、激活剂或抑制剂）可以使R状态和T状态之间的平衡发生移动，转变对每个亚基都是同步（齐步）发生的。(2)Koshland-Nemethy-Filmer模型（序变模型，sequentialmodel）——KNF模型构象的变化并不是同时发生在所有的亚基上，而是仅发生在结合有配体的亚基上。这个亚基-配体复合体致使邻近亚基间发生相互作用的变化，从而促进或减弱底物与变构酶分子中其他亚基结合的亲和力，并在其影响下促进下一个配体的结合。3、变构酶的动力学性质变构酶的反应动力学不同于普通酶，它不符合米氏动力学方程式。变构酶的反应速度与底物浓度（或变构抑制剂的浓度）的关系曲线呈S型，这表明有协同性。当底物浓度固定时，变构抑制剂浓度与酶反应速度之间的关系也呈S形曲线，这是变构蛋白的基本性质。当底物或效应物浓度极低时，酶反应速度的变化极微小，这是因为效应物浓度极低时，不具有协同性，当效应物浓度超过某个水平（阈值）时酶反应速度急剧增大（减小）。即存在着底物或效应物对反应速度发生影响的阈值。这在代谢控制上具有很大的生理意义。4、变构酶调节的实例

E.coli的天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATC，对嘧啶核苷酸合成的调节起关键酶的作用。它是以构象转变进行反馈抑制的典型例子。ATC催化Asp与氨基甲酰-P之间的转移而合成氨基甲酰天冬氨酸。此酶受末端终产物CTP的反馈抑制，并能为ATP所激活。其酶反应速度与底物Asp浓度的关系呈S形，有协同性。图：底物Asp浓度对ATC受CTP抑制时的影响。S形曲线表明，随Asp浓度的增加，ATC酶与底物的亲和力协同性增大；CTP能抑制ATC酶活性，但不能全部抑制，增加Asp的浓度可以恢复酶的全部活力。可见，CTP与底物是分别与酶结合而不是竞争同一个活性中心；底物浓度饱和而达到的最大反应速度不受抑制剂的影响，当显著提高底物浓度时，看不到抑制。5、变构酶的脱敏作用变构酶经特殊处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性，称为脱敏作用（desensitingation）。可通过许多方法：加热处理、0—5℃低温处理、化学试剂（汞盐、对氯汞苯甲酸（PCMB）、尿素等）透析、X射线照射、蛋白酶有限水解、pH的改变等。（1）变构酶解聚利用上述物理、化学等方法处理变构酶后，可使变构酶多聚物解聚导致对效应物脱敏，失去调节功能。解聚后的单体不再相互作用，失去协同性，反应速度与底物浓度之间的关系曲线不再呈S形，而是普通酶的双曲线。（2）基因突变为变构酶编码的结构基因的突变可引起脱敏，如诱变育种获得抗类似物突变株中多发生这种变化，在氨基酸和核苷酸发酵育种上，已作为突破微生物代谢控制的一个重要手段利用。（三）缔合与解离

（Associationanddissociation）能进行这种转变的蛋白质由多个亚基组成。蛋白质活化与钝化是通过组成它的亚单位的缔合与解离实现的。这类互相转变有时是由共价修饰或由若干配基的缔合启动的。2.2.3调节酶特性调节酶（regulatoryenzyme）在多酶体系中对代谢过程起调节作用的酶，一般是反应途径中的第一个酶，或是代谢途径分支点的酶。其催化活性受到严格的调节控制。包括变构酶、同功酶和多功能酶。多功能酶（multifunctio