第三章微生物代谢调节机制和调节模式_第1页
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文档简介

第三章微生物代谢调节机制和调节模式第1页,课件共102页,创作于2023年2月第三章代谢调节机制和调节模式代谢调节机制1酶合成的调节机制2酶活性的调节机制3细胞膜透性的调节5能荷的调节4微生物代谢途径的调节模式6第2页,课件共102页,创作于2023年2月生命活动是由产能与生物合成中各种代谢途径组成的代谢网络互相协调来维持的。生物要在自然界生存与竞争,就必须生长迅速,以便很快适应环境,细胞必须拥有适当的方法来平衡各种代谢途径的物流。为了响应环境变化的需要,细胞能够对其代谢机构作定量调整代谢调节一、代谢调节机制第3页,课件共102页,创作于2023年2月细胞只合成本身所需要的中间代谢产物,严格防止氨基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后,细胞立即停止该物质的合成,一直到所供应的养料消耗到很低浓度,细胞才能重新开始进行该物质的合成代谢调节一、代谢调节机制第4页,课件共102页,创作于2023年2月从细胞对能量和化学物质的内外交换、增收节支、协调自强的规律的客观存在出发,可以把细胞作为按特殊的经济规律运行的经济实体看待。细胞经济性可以以生成细胞的质量与消耗基质的质量之比值——细胞经济系数衡量野生型微生物在其所处的环境中是富有竞争能力的,它们的代谢流量在代谢网络中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜,细胞经济系数大于人为改造的发酵工业微生物代谢调节一、代谢调节机制第5页,课件共102页,创作于2023年2月原核微生物细胞代谢调节部位DNA底物产物底物中间产物产物RNA①①③③③③②②②①②③可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送

代谢途径的酶的催化

酶和载体蛋白的合成

一、代谢调节机制第6页,课件共102页,创作于2023年2月原核微生物细胞代谢调节部位与细胞质膜密切相关的调节

膜的脂质(磷脂及其它脂类)的分子结构,以及环境条件(如离子强度、温度、pH等)对膜脂质理化性质的影响。膜蛋白(如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其它蛋白质)的绝对数量及其活性的调节跨膜的电化学梯度以及ATP、ADP、AMP体系及无机(P)浓度对溶质输送的调节。细胞壁结构(特别是骨架结构)的部分破坏或变形,间接影响到膜对溶质的通透性一、代谢调节机制第7页,课件共102页,创作于2023年2月原核微生物细胞代谢调节部位酶分子的数量及活性的调节微生物可改变生物合成代谢途径中的酶量,特别是关键酶合成或降解的相对速率,进而调节代谢流向可改变酶的活性,特别是关键酶的活性(力)来调节代谢速度。酶和底物的相对位置:限制酶与基质的有形接触(代谢途径的区域化)一、代谢调节机制第8页,课件共102页,创作于2023年2月真核微生物细胞代谢调节部位①②③可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送

代谢途径的酶的催化

细胞质中进行的翻译④核中进行的转录

DNA底物产物底物中间产物产物RNA①①③②②②④⑤④④⑤细胞内溶质的跨膜传送一、代谢调节机制第9页,课件共102页,创作于2023年2月一、代谢调节机制代谢途径细胞内定位分解代谢酵解PP环β氧化TCA环呼吸链细胞质细胞质线粒体线粒体线粒体合成代谢生物异生作用脂肪酸合成细胞质细胞质第10页,课件共102页,创作于2023年2月一、代谢调节机制细胞器酶系细胞核DNA、RNA、NAD的合成,酵解、三羧酸循环(TCA环)、戊糖磷酸循环(PPi)等线粒体TNA、电子传递、氧化磷酸化、尿素循环、脂肪酸氧化、脂肪酸合成(碳链延长)、铁噗啉生成、转氨作用、蛋白质合成、DNA、RNA聚合等溶酶体水解酶类(脂肪酶、酸性磷酸酶、DNA酶、组织蛋白酶等)微粒体蛋白质合成、菌物解毒、脂肪酸合成(碳链延长)、粘多糖、胆固醇、磷脂合成等过氧化物体氧化酶、过氧化氢酶等高而基体多糖、核蛋白、粘液硷细胞质EMP途径、PPi、糖原分解、糖原合成、糖异生、脂肪酸合成(从头合成)、嘌呤嘧啶分解、氨基酸合成等质膜ATP酶、腺苷酸环化酶等(cAMP环化酶)第11页,课件共102页,创作于2023年2月真核微生物细胞代谢调节部位在真核微生物细胞中,存在酶体系的区域化,酶与底物的分隔,使酶反应的调节更复杂化、多样化。酶反应系列的总速度不仅取决于相邻两区域中的调节酶,底物的浓度,调节酶的活力,而且更取决于代谢中间产物的跨膜的交换速度。而这种交换速度是借助于载体(蛋白质),所以,这些载体的绝对数量及活性也成为代谢调节的部位一、代谢调节机制第12页,课件共102页,创作于2023年2月基因表达

原核生物

真核生物1.没有分化的细胞核和核膜,其DNA不受RNA与蛋白质结合的控制,其基因调控比较简单。不同染色体数目为12.没有膜分隔,转录、翻译相偶联,结构基因与mRNA是共线的3.原核生物有关功能的基因连锁分布,组成多顺反子mRNA,整个系统处于一个启动区域的控制下,即以操纵子进行转录调控4.原核生物细胞中染色体常与染色体外的遗传成分(质粒)共存,并同步各自复制。大部分DNA处于非结合状态,不存在染色质结构5.原核生物除了重复的rRNA和tRNA基因和少数特异性短序外,很少含重复序列,所以基因组80%以上都进行功能性表达1.DNA、RNA染色体蛋白在细胞核中,由核膜将核质和胞质分开,不同染色体数目大于12.真核生物基因的转录在核,转录在胞质中。基因在核内形成前体mRNA与胞质成熟的mRNA不共线3.真核生物中功能相关的基因(称因基簇)常距很远,甚至位于不同的染色体上,其mRNA通常是单顺反子。除转录调控外,转录后的加工,和翻译后修饰也很重要。4.真核生物细胞中组蛋白对DNA转录起着非常特异(专一性)性的抑制作用,而非组蛋白却能解除此种抑制。5.真核生物DNA分子量庞大,并且DNA有相当一部分由若干核苷酸序列重复,所以DNAP的相当大一部碱基序列不翻译一、代谢调节机制第13页,课件共102页,创作于2023年2月酶水平的调节细胞水平的调节激素水平的调节神经水平的调节一、代谢调节机制第14页,课件共102页,创作于2023年2月酶合成的调节酶活性的调节能荷的调节细胞膜透性的调节酶、细胞水平调节

变构调节

酶的结构调节(快调)

酶促化学修饰调节细胞水平

的调节

诱导

酶蛋白的合成

酶的数量调节

阻遏

(慢调)

酶蛋白的降解一、代谢调节机制第15页,课件共102页,创作于2023年2月二、酶合成的调节机制酶的诱导负向控制(如乳糖对β-半乳糖苷酶)与正向控制终产物阻遏作用和弱化调节分解代谢物阻遏(如葡萄糖对β-半乳糖苷酶的阻遏)转录后的调节第16页,课件共102页,创作于2023年2月二、酶合成的调节机制微生物细胞并不是任何空间、时间内合成它们所能合成的各种酶。在一定生理条件下,微生物细胞只在有限空间内合成它们当时所需的酶。尽管指导酶系合成的基因是稳定的,但微生物在改变其成分和代谢状况来响应环境的变化方向具有惊人的灵活性,环境并不影响遗传物质的结构,却能显著左右基因的表达。能否合成某个酶首先取决于微生物内因,即有无合成此酶的基因。环境外因只影响基因表达的水平。酶合成的调节说到底就是基因的转录(DNA→mRNA)和转译(mRNA→蛋白质)水平的调节第17页,课件共102页,创作于2023年2月酶合成的诱导作用诱导作用(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.能引起诱导作用的化合物称为诱导物(Inducer),它可以是基质、基质的衍生物,甚至是产物。一般来说酶基质的结构类似物常常是很好的诱导物,它们不能作为基质被酶转化二、酶合成的调节机制第18页,课件共102页,创作于2023年2月诱导机制操纵子是DNA上的一段区域,它包括共转录到一条mRNA上的多个结构基因和这些基因转录所需的顺式作用序列,这些序列包括启动序列、调节基因和转录调控有关的操纵序列;因为一个操纵子的所有结构基因均由同一启动子起始转录并受相同调控元件的调节,所以从结构上可以将它们看作同一个整体二、酶合成的调节机制第19页,课件共102页,创作于2023年2月调节基因调节基因编码调节(阻遏)蛋白,有两种调节蛋白负作用调节蛋白,结合DNA阻断操纵子转录,此种调节蛋白也称为阻遏物正作用调节蛋白,结合DNA启动操纵子转录,此种调节蛋白也称为激活因子与阻遏物或激活因子结合,从而启动操纵子转录的效应物称作该操作子的诱导物与阻遏物结合而阻断转录的效应物称为辅阻遏物二、酶合成的调节机制第20页,课件共102页,创作于2023年2月调节基因阻遏物诱导物基因诱导基因阻遏阻遏物辅阻遏物二、酶合成的调节机制第21页,课件共102页,创作于2023年2月操纵序列操纵序列: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)结构基因二、酶合成的调节机制第22页,课件共102页,创作于2023年2月结构基因结构基因: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)二、酶合成的调节机制第23页,课件共102页,创作于2023年2月启动序列启动序列: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合成即开始阻遏物与操纵序列结合,则RNA聚合酶就不能向前移动,也就不能转录出结构基因的mRNA二、酶合成的调节机制第24页,课件共102页,创作于2023年2月DNA与蛋白结合二、酶合成的调节机制阻遏物操纵子的操纵基因上,阻碍RNA多聚酶通过操纵基因而关闭操纵子的转录;而激活物常结合于启动子-35区上游,与RNA多聚酶作用,促使操纵子转录DNA结合蛋白:螺旋——转角——螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链螺旋-转角-螺旋锌指结构亮氨酸拉链第25页,课件共102页,创作于2023年2月正、负调控凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现,而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现,这种调控就属于正调控;凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能不能实现,而这一成分的消失或失活使这一功能得以实现,这种调控就属于负调控按照这个定义,阻遏物对操纵子的作用为负调控,这是由于其活性状态抑制了操纵子的转录;相反,激活因子对操纵子的作用为正调控,原因是其活性状态能够开启它所控制的操纵子基因的转录二、酶合成的调节机制第26页,课件共102页,创作于2023年2月正、负调控负调控正调控诱导阻遏二、酶合成的调节机制第27页,课件共102页,创作于2023年2月负调控(乳糖操纵子)二、酶合成的调节机制第28页,课件共102页,创作于2023年2月正调控(麦芽糖操纵子)二、酶合成的调节机制第29页,课件共102页,创作于2023年2月正、负调控(阿拉伯糖操纵子)负调控正调控二、酶合成的调节机制第30页,课件共102页,创作于2023年2月诱导物的种类二、酶合成的调节机制第31页,课件共102页,创作于2023年2月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。采用诱变方法,借强力因素诱变,引起突变,消除诱导酶合成所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二、酶合成的调节机制第32页,课件共102页,创作于2023年2月组成型突变株筛选在诱导物为限制性基质的恒化器中筛选将菌株轮番在有、无诱导物的培养基中培养使用诱导性能很差的基质,如苯-β-半乳糖苷使用阻碍诱导作用的抑制剂提高筛选效率的方法,组成型突变株的富集二、酶合成的调节机制第33页,课件共102页,创作于2023年2月酶合成的阻遏和弱化二、酶合成的调节机制色氨酸操纵子阻遏第34页,课件共102页,创作于2023年2月弱化子二、酶合成的调节机制在TrpE基因起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区,在前导区中碱基序列为123~150位的区域,当mRNA合成起始以后,除非培养基中完全没有色氨酸,否则转录总在这一区域终止。产生一个只有140个核苷酸的RNA分子,它编码一条末端有多个色氨酸的多肽链(前导链)。若将此区域缺失后,trp基因表达可提高6000倍。这个前导区域称为弱化区域,这个前导肽称为弱化子第35页,课件共102页,创作于2023年2月弱化子二、酶合成的调节机制第36页,课件共102页,创作于2023年2月酶合成的阻遏和弱化二、酶合成的调节机制高色氨酸时低色氨酸时第37页,课件共102页,创作于2023年2月阻遏和弱化的协调二、酶合成的调节机制野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物。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(弱化子)来维持适当氨基酸的水平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His操纵子中,没有阻遏体系,只有弱化子调节。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第38页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制分解代谢物阻遏是指当细胞内具有一优先利用的营养物(通常是,但并不总是葡萄糖)时,其分解产物对分解利用其它(难利用)营养物质所需的酶系合成起阻遏作用。后来研究发现,分解代谢物阻遏并不仅限于碳源,能被优先利用的氮源,如铵离子,谷氨酰胺也阻遏降解其它含氮代谢的酶系阻遏机制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中的酶系,而使其代谢作用能更多地用于产生细胞生长所必需的组分第39页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制菌种受分解代谢物阻遏的酶或酶系引起阻遏的物质大肠杆菌乳糖操纵子,半乳糖操纵子,阿拉伯糖操纵子,油酸酶,组氨酸的降解易利用的碳源,葡萄糖,葡萄糖酸,6-P-葡萄糖酸枯草杆菌蔗糖酶孢子形成酶系易利用的碳源易利用的碳源与氮源根酶菌属与固氮细菌氮固定酶系易利用的氮源,尤其是氮离子假单孢菌属葡萄糖氧化琥珀酸酵母麦芽糖酶精氨酸酶易利用的碳源易利用的碳源与氮源构巢曲霉Pro,Arg酰胺酶易利用的碳源与氮源易利用的氮源粗糙链孢酶转化酶葡萄糖、甘露糖、果糖、木糖嗜热芽孢杆菌α-淀粉酶果糖绿色木霉纤维素酶葡萄糖、甘油、淀粉、纤维二糖节芽孢杆菌亚甲基羧化酶乙酸第40页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制分解代谢物阻遏的引起,并不是葡萄糖本身,而是一种共同的代谢产物cAMP可解除分解代谢物的阻遏分解代谢物阻遏的实质是由于细胞内缺少了cAMP大量实验证实了分解代谢物阻遏作用是发生在转录水平上,cAMP在乳糖操纵子等操纵子中的作用,是调节mRNA的生成第41页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制cAMP在乳糖操纵子转录中的作用第42页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制转录开始时,cAMP先与CAP或结合生成cAMP-CAP复合物CAP-cAMP复合物再与启动基因的CAP结合位点结合,从而激活了位点,进而促进RNA多聚酶与它的结合位点结合,使转录启动RNA多聚酶进入RNA多聚酶位点向前漂移当有诱导物存在时,RNA多聚酶进入操纵基因O位点内的转录起始点cAMP在乳糖操纵子转录中是通过CAP-cAMP复合物与DNA结合时促进转录的,这种调控是正调控第43页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制葡萄糖如何调节cAMP?第44页,课件共102页,创作于2023年2月分解代谢物阻遏二、酶合成的调节机制分解代谢物阻遏的克服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酶的生产;或采用流加补糖策略可利用一种不能代谢的诱导物的类似物,或缓慢补入诱导物或使用只能缓慢代谢的诱导物的衍生物来增加酶的生产选育耐(抗)分解代谢阻遏的突变株第45页,课件共102页,创作于2023年2月转录后的调节二、酶合成的调节机制转录产物的加工和转运调节,通过不同方式的拼接可产生不同的mRNA,从而产生多种多样的蛋白质翻译水平的调节主要是控制mRNA的稳定性和mRNA翻译的起始频率翻译后水平的调节主要控制多肽链的加工和折叠,产生不同功能活性的蛋白质第46页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制酶活性的调节是指一定数量的酶,通过其分子结构的改变来调节其催化反应的速率调节酶活性比调节酶的合成迅速、及时而有效,这是微生物饥饿情况下的一种经济的调节方式通过改变代谢途径中一个或几个关键酶的活性,以影响代谢途径中各中间化合物的流量,这种活性调节通常由一个特异的小分子代谢物(终产物等变构效应物)与酶的可逆性结合来进行这些小分子化合物存在于细胞内,由细胞产生,通过它们调节酶反应速率、激活或抑制关键酶,从而有效地控制各种代谢过程第47页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制酶活性调节的影响因素底物和产物的性质和浓度环境因子(如浓度、压力、pH、离子强度和辅助因子等)以及其它酶的存在都有可能激活或抑制酶的活性激活:在激活剂的作用下,使原来无活性酶转变的有活性或使原来活性低的酶提高。这种现象称为激活或活化。凡能提高酶活性的物质称为激活剂抑制:由于某些物质的存在,降低酶活性,称为抑制。抑制可以是不可逆的,也可以是可逆的,即当抑制剂除去后酶活性又恢复,在代谢调节过程中所发生的抑制现象主要是可逆的,而且大多属于反馈抑制第48页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制酶活性调节类型别构(变构)调节(其核心是酶分子构象的改变)酶分子的共价修饰(其核心是酶分子结构的改变)第49页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制变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蛋白质是表现变构效应的蛋白(例如阻遏蛋白),具有变构作用的酶称为变构酶由于效应物的结合使酶活性升高者,称为正效应物或变构激活剂相反,使酶的活性降低者,称为负效应物或变构抑制剂变构调节

第50页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制有活性变构抑制剂

低活性无活性变构激活剂高活性C

R

C变构调节

第51页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制变构酶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,也可以不同变构酶分子中含有两个中心,即催化中心和调节中心,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配体和酶蛋白的不同部位(或亚基)结合时,可在底物——底物,效应物——底物和效应物——效应物之间发生协同反应,此效应可以是促进(正协同)或阻抑的(负协同)变构酶结构和特性第52页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制一个效应物分子与变构酶的变构中心结合后对第二个分子结合的影响称为协同效应有些变构酶与调节物结合后,本身的构象发生改变,这种新的构象有利于后续的底物分子或调节物的结合,这些变构酶称为具正协同效应的变构酶这种变构酶的V-[S]曲线为S型而不是简单的双曲线。酶具有S型曲线的动力学性质,对于较小底物浓度的变化,酶反应速度可作出灵敏应答当底物浓度固定时,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变构酶结构和特性第53页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制变构酶的S形动力学曲线意味着存在底物及效应物对反应速度发生影响的阈值。它表示当底物或效应物达到一定水平之前,酶反应非常迟缓或不呈现效应物效果,但当超过该水平时,或反应急速转快(底物),或呈现由效应物引起的变化,这在代谢控制上具有很大的生理意义,因为在生理条件下,底物浓度的变化一般较小变构酶结构和特性1-变构酶

V=(Vmax[S])n/(Km+[S]n)2-普通酶

V=(Vmax[S])/(Km+[S])第54页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制有些变构酶与一分子底物或调节物结合后,构象发生改变,这种新的构象不利于后续底物分子或调节物结合。这些变构酶称为具负协同效应的变构酶,即酶的反应速度对外界环境中底物浓度的变化不敏感这对于那些和多条代谢途径有联系的酶促反应来说,保证其恒定地、正常地工作是十分重要的,因为它不会受到其它反应的快慢而明显地变化如磷酸甘油醛脱氢酶,它需要NAD+,而NAD+和许多脱氢酶的反应有关;细胞中NAD+的浓度常可能发生较大的变化,而磷酸甘油醛脱氢酶却始终可以不受大的干扰而保持较稳定水平变构酶结构和特性第55页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制多数变构酶是具有正协同效应和负协同效应的变构酶,它们既受底物分子的调节,又受底物以外的其它小分子(如终产物)的调节变构酶结构和特性

天冬氨酸氨甲酰转移酶调控

第56页,课件共102页,创作于2023年2月变构酶多处于合成代谢途径上,大多数发生在氨基酸和核苷酸生物合成途径上,而且一般在代谢途径的第一步或处于代谢途径的分支点上,多受最终产物的反馈抑制;但其只有在终产物过量的条件下,才受到抑制(阈值以上),并能为其第一步反应底物所激活;当显著提高底物浓度时,看不到抑制作用;终产物在结构上与底物无相似性中间产物不影响调节酶的活性变构酶后面酶的活性对最终产物是不敏感的通过变构酶与负效应物非共价结合而引起的变构作用,对酶活性的控制是一种快速、敏感和高效的细调方式三、酶活性的调节机制变构调节的意义第57页,课件共102页,创作于2023年2月脱敏作用:变构酶经特定处理后,可以不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性,人们将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的现象可以通过各种方法使变构酶脱敏利用汞盐、对氯汞苯甲酸(PCMB)处理0~5℃低温处理诸如冷水、尿素或蛋白酶处理等为变构酶编码的结构基因发生突变亦可引起脱敏作用,如抗类似物突变株中多发生这种变化脱敏作用现象表明了变构中心的独立性三、酶活性的调节机制脱敏作用第58页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制共价修饰调节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。从酶蛋白质中除去或加入小化学基因可以是磷酸基、甲基、乙基、腺苷酰基蛋白质共价结合部位,一般为丝氨酸残基的-CH2OH,由共价修饰引起酶活性改变的酶叫共价调节酶。共价修饰作用可分为可逆的和不可逆的第59页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制可逆共价修饰细胞中有些酶存在活性和非活性两状态,两者可以通过另一种酶催化作共价修饰(共价调节酶)互相转换这些酶它们由于小化学基团(磷酸基、甲基、乙基、腺苷酰基等)对其酶蛋白质结构进行共价修饰,使其结构在活性←→非活性转变。已知有多种类型的可逆共价修饰蛋白(酶):磷酸化/去磷酸化乙酰化/去乙酰化腺苷酰化/去腺苷酰化尿苷酰化/去尿苷酰化甲基化/去甲基化S-S/SH相互转换第60页,课件共102页,创作于2023年2月E——OHE——O-PO3

ATP

ADP

蛋白激酶H2O

蛋白磷酸酶

Pi

EE三、酶活性的调节机制可逆共价修饰

酶类

低活性状态

高活性状态

生物功能

来源糖原合成酶(去磷酸化)酶(磷酸化)酶

糖原代谢真核细胞糖原磷酸化酶(磷酸化)酶(去磷酸化)酶真核细胞磷酸化酶激酶(磷酸化)酶(去磷酸化)酶哺乳动物丙酮酸脱氢酶(去磷酸化)酶(磷酸化)酶真核细胞乙酰COr羧化酶(乙酰化)(乙酰化)酶脂肪酸的合成真核细胞谷氨酰胺合成酶(腺苷酰化)酶(去腺苷酰化)酶谷氨酸在许多合成反应中起N的给体作用原核细胞黄嘌呤氧化酶(—SH化)酶(—S—S化)酶哺乳动物磷酸化去磷酸化第61页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制可逆共价修饰寡聚酶的解聚和聚合是一种特殊的可逆共价修饰调节大多数寡聚酶随着酶的聚合、解聚,酶的活性也往往发生改变,如乙酰辅酶A羧化酶由四个亚基组成,是脂肪酸合成途径中的第一个酶,它催化乙酰辅酶A羧化为丙二酰辅酶A;该酶可被柠檬酸激活,但被软脂酰辅酶A抑制第62页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制可逆共价修饰可逆共价修饰意义因酶构型的转换是由酶催化的,故可在很短时间内经信号启动,触发生成大量有活性的酶(或改变酶的活性)有效控制细胞的生理代谢这种修饰作用可更容易控制酶的活性的响应代谢环境的变化,这系统有能随时响应的特性,经常处于活化与钝化状态之间的来回变换第63页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制不可逆共价修饰酶活性调节的另一种方式是通过专一性蛋白酶的水解作用来实现的,如消化系统中的各种蛋白酶,以无活性的前体形式合成和分泌,然后输送到特定的部位,当功能需要时,经特异性蛋白酶的作用转变为有活性的酶而行使其功能。此外,还有执行防御功能的酶原不具催化活性的酶的前体称为酶原,某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原激活酶原被激活的机制与上述变构酶调节、共价修饰调节不同,这种激活机制不需要能量供应;同时这种激活作用在酶的“一生”中只能进行一次第64页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制不可逆共价修饰胰凝乳蛋白酶原激活第65页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制共价调节酶的特点作用方式: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:与别构调节不同,是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一个分子ATP,比一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级联式的放大效应,其催化效率比别构酶调节要高很多第66页,课件共102页,创作于2023年2月三、酶活性的调节机制共价调节酶的特点化学修饰的级联式的调节第67页,课件共102页,创作于2023年2月能荷是一个表示细胞能量状态的参数,是细胞中所含腺苷酸中含有相当于ATP的数量百分比,其表示式为:能荷(EC)=([ATP]+0.5[ADP])/([ATP]+[ADP]+[AMP])×100%当细胞中腺苷酸全部是ATP,能荷为1当细胞中腺苷酸全部是ADP,能荷为0.5当细胞中腺苷酸全部是AMP,能荷为0当细胞或线粒体中三种核苷酸同时并存时,能荷大小随三者比例而异,三者的比例随细胞生理状态而变化四、能荷的调节能荷第68页,课件共102页,创作于2023年2月四、能荷的调节另外一个度量细胞能量状态的参数是磷酸化值磷酸化值=[ATP]/[ADP][Pi]磷酸化值除了腺苷酸外,还决定于无机磷浓度。磷酸化值与能荷相比,其值变化范围更宽,因此是反映细胞能量状态更加灵敏的指标磷酸化值第69页,课件共102页,创作于2023年2月在某种意义上,可把ATP当作糖代谢的末端产物。当ATP过量时会对合成ATP系统产生反馈抑制。当ATP分解为ADP、AMP、Pi时。将其能量供给合成反应时,ATP生物合成的反馈调节被解除,ATP又得以合成。因此,能量不仅调节生成ATP的分解代谢酶类的活性,也能调节利用ATP的生物合成酶类的活性。糖代谢和中心代谢途径中的酶活性受能荷的调节四、能荷的调节ATP第70页,课件共102页,创作于2023年2月当能荷降低时:则激活催化糖分解,能量生成酶系,或解除ATP对这些酶的抑制(如糖原磷酸化酶、果糖磷酸激酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、反丁烯二酸酶等)并抑制糖原合成酶,1、6磷酸果糖酯酶,从而加速糖分解和TCA的产能代谢当能荷生高时:细胞中AMP,ADP转变为ATP,这时ATP则抑制糖原降解以及糖酵解和TCA环中的关键酶(如糖原磷酸化酶,磷酸果糖激酶,柠檬酸合成酶,异柠檬酸脱氢酶)并激活糖类合成酶(糖原合成酶、1、6-P-果糖酯酶)从而抑制糖的分解,加速糖原的合成四、能荷的调节第71页,课件共102页,创作于2023年2月巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现:在通氧的情况下,由于进行呼吸作用,酒精产量大大下降,糖的消耗速度也变缓,这种有氧呼吸抑制发酵的作用被称为巴斯德效应巴斯德效应的本质是能荷调节四、能荷的调节巴斯德效应第72页,课件共102页,创作于2023年2月EMP和TCA环均为生成ATP的途径。当有氧时,酵母细胞线粒体氧化,使ATP上升,线粒体中的异柠檬酸脱氢酶受ATP的抑制,导致柠檬酸等中间产物在线粒体中积累。线粒体中的ATP和柠檬酸可经载体进入细胞质中两者结合起来,就会抑制磷酸果糖激酶PFK和丙酮酸激酶,造成细胞质中G-6-P对己糖激酶HK有反馈抑制作用,从而间接地造成葡萄糖输入细胞的速度下降。葡萄糖消耗速度也下降另外ADP对PFK和HK酶有激活作用,当供氧充足时,细胞质中的ADP经载体进入线粒体去合成ATP,因而降低了ADP对PFK和HK酶的激活作用,其结果还是使葡萄糖的降解速率下降四、能荷的调节巴斯德效应第73页,课件共102页,创作于2023年2月四、能荷的调节能荷调节的克服选育呼吸弱(缺乏)的突变株,降低菌株呼吸链的强度在培养基中加入硫氰酸苄脂,由于氰化物与含铁噗啉的酶中的Fe2+

结合,使酶失活、抑制呼吸链电子传递选育具有较强呼吸旁路系统的菌株丙酮酸苹果酸异柠檬酸α-酮戊二酸侧链呼吸链第74页,课件共102页,创作于2023年2月不产生ATP的呼吸侧链四、能荷的调节研究发现在黑曲霉柠檬酸产生菌和谷氨酸棒杆菌中。在柠檬酸发酵过程中,除了有上述的正常呼吸链外,发现不产生ATP的侧呼吸链若代谢中脱下来的氢完全通过正常的呼吸链交给O2,ATP大量产生,糖代谢和生成柠檬酸和谷氨酸的酶系受抑制,就无法大量生成发酵产物。因此在产物形成时,有部分氢是通过旁路交给O2的,不产生ATP通过诱变等选育具有较强呼吸旁路系统的菌株,那么菌种代谢生成的NADH,NADPH可较多地通过此测链将氢交给O2,既满足菌种生存,又减少ATP生成,这样就减轻ATP对糖代谢关键酶和柠檬酸、谷氨酸生成酶系的反馈抑制作用,更有利于高产柠檬酸、谷氨酸第75页,课件共102页,创作于2023年2月由于微生物具有高度严密的自我调节能力,中间代谢产物不会大量积累而排除体外。发酵工程的任务之一是人为地改变微生物代谢调控机制,其中包括改变代谢物的膜透性,使目的产物及时地分泌出体外,避免在体内积累而引起反馈抑制与氨基酸吸收的情况一样,氨基酸分泌机制因菌种及氨基酸种类而异。只有当细胞内生物合成的氨基酸不被用于合成蛋白质或其它代谢系统时,使库存量提高,才容易作为排出物向细胞外分泌核苷酸是不易分泌出细胞外的,抗生素、表面活性剂等物质有时可调节膜的核苷酸分泌蛋白质(酶)分泌依靠信号肽

五、细胞膜透性的调节第76页,课件共102页,创作于2023年2月控制磷脂的合成生物素缺陷型油酸缺陷型添加C16~C18饱和脂肪酸或C16~C18脂肪酸的表面活性剂阻碍细胞壁的合成磷霉素干扰UDP-N-乙酰胞壁酸合成D-环丝氨酸抑制Ala消旋酶青霉素抑制肽聚糖的转肽作用衣霉素干扰肽聚糖磷壁酸和壁醛酸的装配代谢产物分泌的控制五、细胞膜透性的调节第77页,课件共102页,创作于2023年2月转肽酶作用位点青霉素与肽聚糖D-Ala-D-Ala末端的结构类似,抑制肽聚糖链交联过程的转肽作用五、细胞膜透性的调节代谢产物分泌的控制第78页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式反馈抑制和阻遏在微生物细胞中,初级代谢产物的水平,也就是分解代谢和合成代谢的途径主要受反馈控制体系的调节,主要有反馈抑制和反馈阻遏。反馈抑制(feedbackinhibition):是指代谢途径的终产物对催化该途径中的一个反应(通常是第一个反应)的酶活力的抑制,其实质是终产物结合到酶的变构部位,从而干扰酶和它底物的结合,当然与此相反为酶活性的激活。反馈阻遏(feedbackrepression):是指终产物(或终产物的结构类似物)阻止催化该途径的一个或几个反应中的一个或几个酶的合成,其实质是调节基因的作用,这是微生物不通过基因突变而适应于环境改变的一种措施,当然与此相反有酶合成的诱导第79页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式反馈阻遏和抑制反馈抑制与反馈阻遏的比较项目类型反馈阻遏反馈抑制控制对象酶的生物合成酶的活性控制量终产物浓度终产物浓度控制的水平DNA→mRNA→酶蛋白酶蛋白的构象变化控制装置终产物与阻遏蛋白的亲和力终产物与变构部位的亲和力控制装置的动作阻遏蛋白与操纵基因结合通过变构效应,酶的结构发生变化不能合成mRNA形成的控制开、关控制控制酶活性大小反应迟缓、粗的控制迅速、精确的控制代谢途径无定向代谢途径和合成代谢途径分支点等无定向代谢途径和合成代谢途径分支点等细胞经济高分子化合物(酶蛋白)低分子化合物(酶反应生成物)第80页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式单个终产物的生物合成途径简单终产物阻遏:当终产物过量时,途径中所有的酶均被阻遏。当终产物浓度降低时,均被解除阻遏第81页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式可被阻遏的酶的产物的诱导作用:终产物的阻遏只施加在途径的第一个酶上,这个酶催化的反应产物(B)的高浓度,能激活下游的酶的合成单个终产物的生物合成途径第82页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式多个单功能酶的简单终产物的阻遏——同工酶阻遏:共同途径从A到B之间的反应受多个单功能的同工酶催化,这几个同工酶分别受各自分支的终产物的阻遏多个终产物的生物合成途径第83页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式多功能酶的多价阻遏:第一酶Ea、第二酶Eb是多功能酶肽链上的两个酶。C是它前面终产物,又是它后面途径的起始底物,只有当途径中C和E都过量时,Ea才被阻遏多个终产物的生物合成途径第84页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式分解代谢阻遏:易被降解的化合物或其分解代谢物对各位降解的化合物的降解酶合成的阻遏分解代谢途径第85页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式起始底物的诱导作用:起始底物A诱导合成降解途径的酶分解代谢途径第86页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式降解代谢途径中间产物所引起的诱导作用:起始底物A必须首先被转化为诱导物B后,才能由B诱导合成降解A途径的酶分解代谢途径第87页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节模式影响酶量的调节方式催化两条不同合成途径的共同酶系的阻遏:催化两条不同的代谢途径,有时发现是同一套酶系在作用,那么这套酶系均受这两条代谢途径的终产物所阻遏分解代谢途径第88页,课件共102页,创作于2023年2月六、微生物代谢途径的调节

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