第八章微生物代谢代谢控制育种

第八章微生物代谢代谢控制育种第1页，共114页，2023年，2月20日，星期一Contents概论

微生物的代谢调控代谢调节控制育种次级代谢的调节控制第2页，共114页，2023年，2月20日，星期一第一节概论初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。

一、初级代谢和初级代谢物第3页，共114页，2023年，2月20日，星期一

非细胞生物（如病毒）虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的能力。初级代谢产物:如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质。第4页，共114页，2023年，2月20日，星期一

次级代谢：某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。二、次级代谢产物和次级代谢第5页，共114页，2023年，2月20日，星期一

灰黄青霉在Czapek—Dox培养基上培养时可以合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素；

产黄青霉在在Raulin中培养时可以合成青霉酸。但在Czapek—Dox中培养则不产青霉酸。

Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M的锌离子的Czapek培养基里培养时合成的主要次级代谢产物是6-氨基水杨酸，但在含0.5×10-6M的锌离子的Czapek培养基里培养时不合成6-氨基水杨酸，而合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。

第6页，共114页，2023年，2月20日，星期一

次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物。每类常是一群化学结构相似的不同成分的混合物。新霉素有4种

杆菌肽有10多种

多粘菌素有10多种

放线菌素有20多种第7页，共114页，2023年，2月20日，星期一次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。第8页，共114页，2023年，2月20日，星期一

初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。1、存在范围及产物类型不同

次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。三、初级代谢和次级代谢关系第9页，共114页，2023年，2月20日，星期一青霉合成青霉素芽孢杆菌合成杆菌肽黑曲霉合成柠檬酸2.不同的微生物可产生不同的次级代谢产物第10页，共114页，2023年，2月20日，星期一初级代谢产物，如蛋白质、核酸、多糖、脂类等都是机体生存必不可少的物质，这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻引起生长停止、重导致机体发生突变或死亡。次级代谢产物对于产生者来说，不是生存必需的，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。3、对产生者自身的重要性不同第11页，共114页，2023年，2月20日，星期一初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长过程呈平行关系；次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。4、同微生物生长过程的关系明显不同第12页，共114页，2023年，2月20日，星期一初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。5、对环境条件变化的敏感性第13页，共114页，2023年，2月20日，星期一6、相关酶的专一性不同催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是在产生菌对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因环境条件变化而不能合成。相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。第14页，共114页，2023年，2月20日，星期一7、遗传控制上既有相同部分，也有不相同部分。相同：同样受到核内DNA控制；不同：次级代谢产物还受到与初级代谢产物生物合成无关的遗传物质控制。第15页，共114页，2023年，2月20日，星期一第二节初级代谢调节控制

代谢途径的区域化(细胞结构对代谢途径的分隔控制)

代谢流向的调控代谢速度的控制第16页，共114页，2023年，2月20日，星期一一、代谢途径的区域化(一)细胞结构对代谢途径的分隔控制真核细胞(如酵母)内的各种细胞器，都是为膜所包围的特异结构，不同代谢途径的酶系分别集中在不同的膜结构中。相应的底物和产物浓度也都由膜的选择性透过机能加以调节。细胞中所进行的错综复杂的代谢活动犹如一个大工厂设有各个车间一样，各自独立，互相有关又互不干扰。第17页，共114页，2023年，2月20日，星期一真核微生物第18页，共114页，2023年，2月20日，星期一线粒体: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;磷脂合成第19页，共114页，2023年，2月20日，星期一原核微生物原核微生物细胞结构没有细胞器的分化，但不同酶系在胞内也有相对集中的区域分布，与某一代谢途径有关的酶系集中于某一区域，以保证这一代谢途径中的酶促反应顺利进行。如与呼吸有关的酶系集中在细胞质膜上，与蛋白质合成有关的酶系则位于核糖核蛋白体上，分解大分子的水解酶，在革兰氏阴性细菌里位于细胞壁与膜间隙中，而革兰氏阳性细菌则将这些水解酶类分泌于胞外。第20页，共114页，2023年，2月20日，星期一(二)代谢流向的调控

1.由一个关键酶控制的可逆反应同一个酶可以通过不同辅基(或辅酶)控制代谢物的流向，因而微生物可以通过不同的辅基来控制代谢物的流向。2.由两种酶控制的逆单向反应逆单向反应是在生物体代谢的关键部位的某些反应，它是由两种各自不同的酶来催化的一个“可逆”反应，其中一种酶催化正反应，而另一种酶催化逆反应，这类反应被称为逆单向反应.第21页，共114页，2023年，2月20日，星期一(三)代谢速度的控制在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性或酶的数量来控制代谢物的流量。酶活性和酶量的调节是微生物代谢调节的核心。微生物在不同条件下能按照需要，通过激活或抑制原有酶的活性，或通过诱导或阻遏酶的合成来调节其代谢速度。

第22页，共114页，2023年，2月20日，星期一酶活性调节和酶合成(即酶量)调节酶活性调节是通过调节代谢途径中关键酶(或称限速酶)的活性来控制酶促反应的速率；酶合成(即酶量)调节是通过控制关键酶的酶数量来控制酶促反应的速率。代谢途径中的关键酶通常是指催化不可逆反应或催化分支代谢途径中分支点后面第一步反应的酶，有时也指催化代谢途径中第一步反应的酶。第23页，共114页，2023年，2月20日，星期一根据目前的研究结果表明，分解代谢中心途径中的有关酶调节主要是在酶活性水平上进行,调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的；外周途径则主要是在酶合成水平上进行调节,调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的；合成代谢途径中的酶调节往往是酶活性与酶合成的调节同时存在。第24页，共114页，2023年，2月20日，星期一第三节

酶合成的调节

酶合成的调节是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。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的、也是缓慢的。

这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节！

第25页，共114页，2023年，2月20日，星期一酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。第26页，共114页，2023年，2月20日，星期一一

酶的诱导

按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类，一类称为组成酶，它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径(EMP)有关的酶。另一类酶称为诱导酶，只有在环境中存在诱导剂时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止。第27页，共114页，2023年，2月20日，星期一1诱导酶诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。第28页，共114页，2023年，2月20日，星期一诱导酶举例：在对数生长期的大肠杆菌(E.coli)培养基中加入乳糖，就会产生与乳糖代谢有关的ß-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。这时，细胞生长速度和总的蛋白质合成速度几乎没有改变，这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称为酶的诱导。第29页，共114页，2023年，2月20日，星期一第30页，共114页，2023年，2月20日，星期一2酶的诱导合成类型同时诱导：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。如，将乳糖加入到E．coli培养基中后，即可同时诱导出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。第31页，共114页，2023年，2月20日，星期一3分解代谢途径中酶合成的诱导第32页，共114页，2023年，2月20日，星期一第33页，共114页，2023年，2月20日，星期一第34页，共114页，2023年，2月20日，星期一第35页，共114页，2023年，2月20日，星期一二

、酶合成的阻遏

在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶。第36页，共114页，2023年，2月20日，星期一阻遏的作用和类型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和分解代谢产物阻遏两种。第37页，共114页，2023年，2月20日，星期一1

末端代谢产物阻遏

由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏称为末端代谢产物阻遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成。末端产物阻遏可保证细胞内各种物质维持适当的浓度，在代谢调节中有着重要的作用。第38页，共114页，2023年，2月20日，星期一第39页，共114页，2023年，2月20日，星期一（1）直线式反应途径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。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。

第40页，共114页，2023年，2月20日，星期一（2）对分支代谢反应途径末端产物阻遏对分支代谢途径来说，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。第41页，共114页，2023年，2月20日，星期一第42页，共114页，2023年，2月20日，星期一

末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有着重要的作用，它保证了细胞内各种物质维持适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物，或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。

第43页，共114页，2023年，2月20日，星期一

2

分解代谢物阻遏

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。研究表明这种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。第44页，共114页，2023年，2月20日，星期一第45页，共114页，2023年，2月20日，星期一

分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应。图培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响

1.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；2.同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长第46页，共114页，2023年，2月20日，星期一

当末端产物D浓度下降时，第一个酶恢复合成，导致中间产物B在胞内累积。B浓度的增高，又诱导第二、三个酶的合成，使途径逐渐畅通。当D浓度上升到一定值时，第一个酶的合成受阻，B浓度下降，不再诱导第二、三个酶的合成，该途径逐渐阻塞。三末端产物阻遏与中间产物诱导的混合形式第47页，共114页，2023年，2月20日，星期一

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。当某些底物存在时微生物内就会合成诱导酶，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。第48页，共114页，2023年，2月20日，星期一（一）诱导作用（酶合成的诱导作用）

是指培养基中某种基质与微生物接触而增加（诱导）细胞中相应酶的合成速率。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。四酶合成调节的机制--基因表达的调控第49页，共114页，2023年，2月20日，星期一1、诱导机制（操纵子转录）

1）操纵子（元）所谓操纵子（元）是指结构上、功能上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。第50页，共114页，2023年，2月20日，星期一每个操纵子（元）至少由3个基因组成。（1）启动基因（2）操纵基因（3）结构基因调节基因（R.I.C）:有两个特殊的位点，分别与操纵基因和效应物结合。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。第51页，共114页，2023年，2月20日，星期一启动基因（Promotergene）

启动子（基因）含有两个和RNA多聚酶结合的顺序，一个集中在RNA多聚酶起始位置前约10个碱基对，另一个则集中在这个位置前35个碱基对，当RNA多聚酶与启动子接触并结合上去，mRNA合成即开始。如阻遏物与操作基因结合，则RNA聚合酶就不能和操作基因结合，就不能向前移动，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。而在E.coli中启动基因必须经过激活后，才能启动。

第52页，共114页，2023年，2月20日，星期一操纵基因（Operatorgene）

是操纵子中一个成员，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一个以上（多个）结构基因。第53页，共114页，2023年，2月20日，星期一结构基因（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RNA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，生成相应的信使RNA（mRNA）进而转译成特定的酶（蛋白质）。第54页，共114页，2023年，2月20日，星期一操纵子分两类:诱导型操纵子：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。阻遏型操纵子：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。第55页，共114页，2023年，2月20日，星期一调节基因（R.I.C）

它能编码、调节（阻遏）蛋白，现发现有两种调节蛋白：

1.阴性（负作用）调节蛋白（Negatire-actingprotein），此种调节蛋白也称为阻遏物。

2.正作用调节蛋白（Positire-acting-protein）,此种调节蛋白也称为激活因子。

第56页，共114页，2023年，2月20日，星期一（1）调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。第57页，共114页，2023年，2月20日，星期一（2）效应物是一类低分子量的信号物质（如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因的结合能力。第58页，共114页，2023年，2月20日，星期一调节基因阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白不能阻挡操纵基因基因表达（无活性）（有活性）酶合成的诱导机理第59页，共114页，2023年，2月20日，星期一调节基因

阻遏蛋白

阻遏物阻遏蛋白阻挡操纵基因基因不表达（无活性）（有活性）实例：大肠杆菌乳糖操纵子（如图）酶合成的阻遏机理第60页，共114页，2023年，2月20日，星期一酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因

阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA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第61页，共114页，2023年，2月20日，星期一乳

糖

操

纵

子

的

负

调

控调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA

阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子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）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构

B、乳糖酶的诱导

乳糖

阻遏蛋白（有活性）第62页，共114页，2023年，2月20日，星期一乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP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cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态第63页，共114页，2023年，2月20日，星期一第四节

酶活性的调节

通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。包括酶活性的激活和抑制。酶活性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。这种调节方式更直接,且见效快,是发生在蛋白质水平上的调节。第64页，共114页，2023年，2月20日，星期一蛋白质水平上的调节

蛋白质水平上的调节就是通过调节酶分子的活性来调节代谢中间物和能量的产生和消耗速度，这种调节是因蛋白质（酶）分子构象的变化而实现的，其特点是响应快。

第65页，共114页，2023年，2月20日，星期一在代谢途径中调节酶活力的方式有以下几种形式：(1)抑制作用①简单抑制指一种代谢产物在细胞内累积多时，由于物质作用定律的关系，可抑制其本身的形成。②反馈抑制是指酶促反应终产物对酶活力的抑制。(2)活化作用机体为了使代谢正常也用增进酶活力的方式进行代谢调节。第66页，共114页，2023年，2月20日，星期一一酶活性的调控方式1.在代谢途径中调节酶活性几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条代谢途径。在一条代谢途径中，常常是前一个酶促反应的产物，便是下一个酶促反应的底物。第67页，共114页，2023年，2月20日，星期一反馈抑制

一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况称为“反馈抑制”。

第68页，共114页，2023年，2月20日，星期一第69页，共114页，2023年，2月20日，星期一反馈激活和前馈激活把产物对酶的影响称为反馈，底物对酶的影响称为前馈。前馈作用一般是激活酶的活性。在分解代谢中，后面的反应可被较前面反应的中间产物所促进，如粪链球菌的乳酸脱氢酶活性可被1,6-二磷酸果糖所激活；又如在粗糙脉孢霉培养时，柠檬酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性。第70页，共114页，2023年，2月20日，星期一酶

的

反

馈

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柠檬酸-酮戊二酸1，6-二磷酸果糖第71页，共114页，2023年，2月20日，星期一前馈激活第72页，共114页，2023年，2月20日，星期一2.共价调节

在酶分子上以共价键连上或脱下某种特殊化学基团所引起的酶分子活性改变,称为酶的共价调节，也称共价修饰。共价修饰的结果，使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变。值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。第73页，共114页，2023年，2月20日，星期一3竞争性抑制有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些类似物与底物竞争结合酶的活性中心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。这种情况称为酶的竞争性抑制。

第74页，共114页，2023年，2月20日，星期一竞争性抑制剂在结构上与底物相似第75页，共114页，2023年，2月20日，星期一二调节酶

某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，这些酶称为调节酶。

这种影响可以是激活、也可以是抑制酶活性。激活过程的效应物称为激活剂，而抑制过程的效应物称为抑制剂。调节酶通常是变构酶，一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。第76页，共114页，2023年，2月20日，星期一1变构作用与变构酶效应物如代谢产物，能与酶分子上的非催化部位(调节位)作用，使酶蛋白分子发生构象改变，从而改变酶活性(激活或抑制)，这类调节称为变构调节或别位调节。能接受这种变构作用的酶称为变构酶或别位酶，能使酶起变构作用的物质（效应物）称为变构剂。第77页，共114页，2023年，2月20日，星期一2酶活性调节的机制---变构作用代谢物别构中心活性中心第78页，共114页，2023年，2月20日，星期一3变构酶的激活和抑制过程图变构酶受效应物的调节过程1.激活剂激活无活性的酶；2.抑制剂抑制有活性的酶第79页，共114页，2023年，2月20日，星期一第一个酶（有活性）第一个酶（无活性）终产物终产物（调节物）结合在调节中心第80页，共114页，2023年，2月20日，星期一三代谢途径中酶活性的调节

直线式代谢途径（只有一个终端产物，没有分支）的反馈控制

分支代谢途径（多个终端产物，有分支的）的反馈控制辅因子对酶活性的调节第81页，共114页，2023年，2月20日，星期一（一）

直线式代谢途径的反馈控制

当末端代谢产物达到一定浓度时，就会反馈控制该代谢途径。末端产物抑制一般是抑制该途径第一个酶的活性（反馈阻遏一般是阻止该途径中所有酶的合成）。第82页，共114页，2023年，2月20日，星期一

例：苏氨酸是合成异亮氨酸的前体，在培养基中给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时，该菌株可以合成异亮氨酸，但若同时在培养基中添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异亮氨酸，异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途径的第一个酶，即L-苏氨酸脱氨酶.第83页，共114页，2023年，2月20日，星期一第84页，共114页，2023年，2月20日，星期一

大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天门冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸(CTP)时需要七种酶，当CTP达到一定浓度后，便反馈抑制催化第一个反应的酶，即天门冬氨酸转氨甲酰酶。第85页，共114页，2023年，2月20日，星期一（二）

分支代谢途径的反馈控制由几种末端代谢产物共同对生物合成途径进行控制的体系较为复杂。即便是同一代谢途径，不同菌种也会有不同的控制模式。这些控制可以是反馈抑制或反馈阻遏单独作用的结果，也可以是两者共同作用的结果。第86页，共114页，2023年，2月20日，星期一

多终产物控制:催化分支途径共同部分的初始酶，在仅一种终产物过剩时，完全不受或微弱或部分地反馈抑制（或阻遏），只是在多数终产物共存下才强烈地控制。有以下几种情况：①协同（或多价）反馈抑制：②合作（或增效）反馈抑制：③积累反馈抑制：④顺序反馈抑制⑤同功酶控制：第87页，共114页，2023年，2月20日，星期一1

协同或多价反馈控制

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受到反馈抑制。如多粘芽孢杆菌在合成天门冬氨酸族氨基酸时，天门冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。如果仅是苏氨酸或赖氨酸过量，并不能引起抑制作用。

第88页，共114页，2023年，2月20日，星期一问题？对多粘芽孢杆菌诱变后筛选什么样的突变类型，才能大量积累赖氨酸？第89页，共114页，2023年，2月20日，星期一协同调节示意图ABGFJDCH-E1E3E2---第90页，共114页，2023年，2月20日，星期一2

合作反馈控制（增效）

与协同反馈控制类似，但是该体系中的末端产物都有较弱的独立控制作用。当所有的末端产物同时过剩时，会导致增效的抑制或阻遏，即比各自独立过量时的总和还要大。当只有一个末端产物(图中的D)过量时，紧接着分支点(图中的B)后的反馈控制立即起作用，限制该末端产物的合成，代谢将转向细胞需要合成的其它产物继续进行(图中的F)。第91页，共114页，2023年，2月20日，星期一第92页，共114页，2023年，2月20日，星期一

3

累积反馈控制

每个分支途径的末端产物是以一定百分比控制该途径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，它们对酶反应的抑制是累积的，各末端产物之间既无协同效应，也无拮抗作用。如图所示，E和G分别独立地抑制第一个酶活性的20%和50%。而每个末端产物肯定会对紧接分支点B后的反应控制，以使共同的中间产物B不再用于已过量的产物合成。第93页，共114页，2023年，2月20日，星期一累积反馈抑制示意图第94页，共114页，2023年，2月20日，星期一

累积反馈抑制最早在大肠杆菌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，酶活性才会被完全抑制。如色氨酸单独存在时，可抑制酶活性的16%，CTP为14%，氨基甲酰磷酸为13%，AMP为41%，这4种产物同时过量时，酶活性被抑制63%。所剩的37%酶活性则受到其它四种产物的累积抑制。第95页，共114页，2023年，2月20日，星期一4

顺序反馈控制

直接对第一个共同的酶起控制作用的并不是末端产物，而是分支点上的中间产物。每个末端产物均对紧接分支点B后导向各自分支途径的酶进行控制，E抑制C向D反应，G抑制C向F反应，E、G单独或两者共同的抑制作用将导致C的积累，过量的C又会抑制A向C反应。

第96页，共114页，2023年，2月20日，星期一第97页，共114页，2023年，2月20日，星期一芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸第98页，共114页，2023年，2月20日，星期一5

同工酶控制

不同的同工酶可能受各不相同的末端产物控制。如果紧接分支点后的酶受其对应的末端产物控制，那么，同工酶控制体系将更有效。如图从A到B反应由同工酶a和b催化，当末端产物F过量时，受F控制的从A到B的同工酶b和从B到E的酶被抑制，而同工酶a不受影响，使A能顺利合成D，因此，F的过量不会干扰D的合成。同样道理，D的过量也不会干扰F的合成。第99页，共114页，2023年，2月20日，星期一同工酶反馈抑制示意图ABGFJDCH----E1E2E3E4第100页，共114页，2023年，2月20日，星期一

大肠杆菌有三个天门冬氨酸激酶和两个高丝氨酸脱氢酶参与催化赖氨酸和苏氨酸的合成。天冬氨酸激酶Ⅰ和高丝氨酸脱氢酶Ⅰ可被苏氨酸抑制和阻遏，高丝氨酸脱氢酶Ⅱ可被甲硫氨酸阻遏，天冬氨酸激酶Ⅲ可被赖氨酸抑制和阻遏，见图。

E表示末端产物反馈抑制；R表示末端产物反馈阻遏第101页，共114页，2023年，2月20日，星期一6.代谢互锁第102页，共114页，2023年，2月20日，星期一（三）辅因子对酶活性的调节

能荷对代谢的调节

[NADH]/[NAD+]对代谢的调节

金属离子浓度对代谢的调节第103页，共114页，2023年，2月20日，星期一能荷对代谢的调节糖代谢的调节主要受能荷的控制，也就是受细胞内能量水平的控制。糖代谢最重要的生理功能是以ATP的形式供给能量，在葡萄糖氧化过程中，中间产物积累或减少时，进而引起能荷的变化，造成代谢终产物ATP的过剩或减少，这些中间产物和腺嘌呤核苷酸(ATP、ADP、AMP)通过抑制或激活糖代谢各阶段关键酶活性来调节能量的生成。第104页，共114页，2023年，2月20日，星期一第105页，共114页，2023年，2月20日，星期一能荷(Energycharge)能荷