微生物生理学第七章

防氧保护机制共生固氮类菌体氨基酸合成嘌呤核苷酸合成及调节嘧啶核苷酸合成及调节第七章微生物代谢调节代谢调节的部位酶活性的调节酶合成的调节代谢调控代谢调节（Regulationofmetabolism）：微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。也就是使微生物的生理活动过程同环境高度地统一起来，主要的调节是酶量和酶活性的调节，另外细胞膜的透性也具有重要意义。第一节代谢调节的部位原核微生物细胞的代谢调节部位（模式图）1－溶质或产物的跨膜传送2－代谢途径的酶的催化3－酶和载体蛋白的合成

真核微生物细胞的代谢调节部位（模式图）1－溶质或产物的跨膜传送2－代谢途径的酶的催化3－核内转录4－细胞质中的翻译5－细胞器跨膜传送溶质一、细胞（及细胞器）膜膜构成能量细胞壁脂质膜蛋白质分子结构绝对数量跨膜质子梯度骨架结构的完整性环境条件的影响活性磷酸腺苷酸体系二、酶本身酶的生成量酶的活性，特别是关键酶的活性。三、酶与底物的相对位置及间隔状况（代谢通道）代谢通道（Metabolicpathway）：通过控制酶与底物的相对位置来控制代谢途径活性的方式。实质是控制酶与底物接触。方式：酶体系的区域化；多酶复合物或与细胞膜结合成整体

代谢调节的三种主要方式：细胞透性的调节代谢途径的区域化和流向代谢速度的调节通过酶的生物合成与活性调节而实现对代谢反应的调节！代谢流向的调控①可逆反应：不同的辅基（辅酶）控制流向谷氨酸脱氢酶：谷氨酸合成：NADP+

谷氨酸的分解：NAD+②互逆单向反应：不同的酶控制不同方向的反应

微生物细胞的代谢调节主要有两种类型：酶活性调节，调节的是已有酶分子的活性。

酶合成的调节，调节的是酶分子的合成量。在酶化学水平上发生的精细调节在遗传学水平上发生的粗调节第二节酶活性的调节以酶分子结构为基础指调节胞内已有酶分子的构象或分子结构来改变酶活性，从而调节所催化的代谢反应的速率特点：作用直接、响应快、可逆一、激活和抑制激活（activation）：

在某个酶促反应系统中，某种低分子质量的物质加入后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高，使酶促反应速率提高的过程。激活剂（activator）：

能引起酶的活力提高（或获得）的物质称为酶的激活剂。

A→B→C→DA→B→C→DEcEa前体激活反馈激活

抑制（inhibition）：

在某个酶促反应系统中，某种低分子质量的物质加入后，导致酶活力降低的过程。抑制剂（inhibitor）：这种能引起酶的活力降低（或丧失）的物质称为酶的抑制剂。

抑制主要是可逆的，而且大多属于反馈抑制（feedbackinhibition）

。

直线式代谢途径

反馈抑制顺序反馈抑制

同功酶调节

分支代谢途径

合作反馈抑制

协同反馈抑制

累加反馈抑制

ABC

D

E1、直线式代谢途径的调节方式前馈作用（feedforward）：

抑制或激活终产物抑制（endproductinhibition）：

A

B

C

D

E补偿性激活（compensatoryaetivation）：

A

B

C

D

EF

G

HI（1）协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibition）

A

B

C

F

GD

EH2、分支代谢途径的调节方式ASP

ASP-P

Asa

Lys

ThrAK荚膜红假单胞菌苏氨酸和赖氨酸对天门冬氨酸激酶的协同反馈抑制（2）累积反馈抑制（cumulativefeedbackinhibition）A

B

CD

E

GF30%58%40%例：大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶受8种终产物的积累反馈抑制，包括氨甲酰磷酸、AMP、GMP、甘氨酸、组氨酸等。（3）增效（合作）反馈抑制（synergisticfeedbackinhibition）ABCDFGE15%20%90%PRPP+GlnPRAIMPXMPSAMPAMPGMP10%10%50%嘌呤核苷酸生物合成中增效反馈抑制作用（4）顺序反馈抑制（sequentialfeedbackinhibition）EABCDFGDAHP

CAPerTyr

PheDS枯草芽孢杆菌中芳香族氨基酸合成的顺序反馈抑制PEP

+E4PHPPAPPAAATrpA

B

C

F

GD

EH（5）同工酶的反馈抑制（isoenzymefeedbackinhibition）大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸合成的同工酶反馈抑制ASPASP-PAsaHseThrIleMetLysAKⅠAKⅡAKⅢHSDHⅠHSDHⅡ谷氨酸→N-乙酰谷氨酸→→鸟氨酸→瓜氨酸→→精氨酸谷氨酰胺+CO2+ATP氨甲酰磷酸天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸UMPCTP氨甲酰磷酸合成酶天门冬氨酸转氨甲酰酶

CTP合成酶

IMP、XMP、GMP

（6）联合调节作用3、代谢途径的横向调节A

BCD

E

E1F

G

E2E3（1）平衡合成（2）代谢互锁ABCDEF

XYGHI代谢互锁

表面完全不相关的两条途径之间的调节。这种作用一般在高浓度下才显示，且为部分抑制。Asp Asp-p Asa DAP Lys，二氢吡啶二

羧酸合成酶

Hse

Thr IlePy

异丙基 Leu

苹果酸分支途径酶活性的调节类型

反馈抑制的类型

调节作用针对的酶

单一末端产物过量

多个末端产物过量

协同/多价

共同途径的第一个酶

不能引起抑制作用

同时过量发生抑制

合作/增效

共同途径的第一个酶

轻微作用

同时过量，作用大于各种之和，不能100%抑制

累积

共同途径的第一个酶

按一定百分率单独抑制，互不影响

共同过量时，抑制作用累积，可100%抑制

顺序

共同途径的第一个酶

无直接作用

通过分支点上的中间代谢物作用，逐步有顺序调节

同功酶

催化形成对应产物的酶

只抑制相应酶的活力，互不影响

分别抑制相应的酶

三、酶活性的调节机制酶的变构调节（

allostericregulation）：酶分子空间构型上的变化

酶的共价修饰（

covalentmodificationofenzyme）：酶分子本身化学组成上的改变

1、变构调节理论变构蛋白：如果某种特殊的小分子（效应物）与之结合，就会使它的构象发生变化，从而导致其活性的变化。非酶变构蛋白

变构酶

调节蛋白

载体蛋白变构蛋白乳糖的吸收受到cAMP环化酶与渗透酶（载体蛋白）的共同调节。调节蛋白（RPr）通过磷酸化与去磷酸化的方式控制2个酶的活性。有葡萄糖无葡萄糖有葡萄糖无葡萄糖变构酶一般是寡聚酶，具有多亚基四级结构；具有两个或两个以上结合部位，且2个中心在空间上是分开的。变构酶的作用程序：变构效应物与酶蛋白变构部位结合→酶分子的构象变化（变构转换）→活性中心的修饰→抑制或促进酶活性。Allostericregulation①变构酶模型

MWCKNFMWC模型：a、两种构象R和T不同，二者保持平衡，且对称性不变；

b、R和T转变时对于亚基都是同步的，齐步发生的。KNF模型：亚基结合小分子物质（底物or调节物）后，亚基构象逐个地依次变化，最后使全部亚基都可发生同样的构象变化。②动力学性质：大多数别构酶不遵从米氏方程，而是Hill方程，即v=Vmax[s]n/km+[s]n

。v-[s]曲线为S形而不是双曲线，这种s形曲线表明酶结合1分子底物后，构象发生了变化，新构象大大有利于（或不利于）后续分子与酶的结合。生理意义：底物及变构效应物的浓度与酶活性的关系示意图这种s形曲线意味着当酶分子结合一分子底物后，在未达到Vmax时，随着底物浓度的略微增加，则带来反应速度的极大增长。而米氏酶，速度随底物浓度的增或减而慢慢地起变化。底物浓度对两种催化反应速率的影响a.非调节酶的双曲线b.变构酶的S形曲线③脱敏作用脱敏作用：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。脱敏的方法多种：汞盐、对氯汞苯甲酸（PCMB）、0~5℃低温以及尿素或蛋白酶处理等方法。脱敏原因：变构酶解聚和基因突变本质是选择性除去或改变调节部位的构象，使之不再受变构剂的作用，而对催化活性无明显作用。④变构调节的特征：具有一个以上的结合部位。效应物同调节性酶的结合与基质同酶的结合位点是分开的，但又相互有联系的。变构酶的反应动力学性质与一般的酶不同。主要部位和副部位可同时被占据。⑤别构酶举例：

天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）通过蔗糖梯度超离心研究表明它有2种不同的亚基，其中5.8s有催化活性，2.8s无催化活性，但有调节活性，二者位于不同亚基的特定部位上。

ATCase两个亚基的性质酶或亚基分子大小酶活力同CTP结合同ATP结合R亚基2.8S－++C亚基5.8S+－

－

R+C11.7S+++大肠杆菌ATCase的亚基

C为催化亚基；R为调节亚基大肠杆菌ATCase亚基的排列

C为催化亚基；R为调节亚基

ATCase由12条多肽链组成，每条C链上有1个活性中心，每条R链上有1个CTP结合位点，2个中心分别位于不同的亚基上，但CTP结合后引起酶的构象变化，使催化活性产生抑制，也就是这种信息从R链传到了C链，所以CTP的结合必定连接2个亚基多肽链。ATCase亚基组成排列如图：2、共价修饰调节理论共价修饰是酶在修饰酶的催化下与某些物质发生共价键的结合或解离，从而改变酶的活性。分为可逆的和不可逆的两种。（1）可逆共价修饰这类酶结构在活性与非活性形式之间相互转变，修饰的类型多样。磷酸化/去磷酸化：糖原磷酸化酶

腺苷酰化/去腺苷酰化：谷氨酰胺合成酶意义：①可在短时间内生成大量活性改变了的酶，有效地控制细胞的代谢状况；②可逆修饰更易做到为响应代谢环境的变化而控制酶的活性，具有能随机应变的特点。（2）不可逆共价修饰酶原激活（zymogenactivation）

（3）共价调节的特点：①共价修饰的方式有共同点，这类酶都具有两种形式，即无活性（低活性）和有活性（高活性）。②作用本质是共价键发生了改变。③能耗比合成酶时要少。④效率比别构酶高，具有放大效益，1个酶分子可以在一定时间内催化形成几千个分子产物。⑤与别构调节的共同点是都不涉及基因表达的改变。代谢调节平衡合成调节部位代谢互锁代谢通道变构蛋白激活与抑制变构酶反馈抑制S形曲线补偿性激活脱敏作用协同反馈抑制共价修饰累积反馈抑制增效反馈抑制顺序反馈抑制同工酶调节第三节酶合成的调节一、酶合成的诱导（Induction）组成酶（constitutiveenzyme）

是一类对环境不敏感的酶，不依赖于底物，这类酶在细胞内的合成量相对比较稳定。诱导酶（inducibleenzyme）

是一类对环境敏感的酶，依赖于诱导物的存在。诱导酶在微生物中普遍存在。一般真核生物的诱导效果不如原核生物显著。

培养基中加入乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成二、酶合成的阻遏（repression）1、分解代谢物的阻遏在酶合成的阻遏中，如果代谢产物是某种化合物分解的中间产物，这种阻遏称为分解代谢产物阻遏。

二次生长：凡是快速被利用的基质都可阻止对其他基质的利用，只有当快速利用的基质被消耗之后，才开始利用第二种基质，即二次生长，中间有一个停滞期。

1942年Monod发现。原因：组成酶、诱导酶；与cAMP的浓度有关。DiauxicgrowthofE.coli微生物酶与操纵子阻遏物大肠杆菌乳糖操纵子半乳糖操纵子组氨酸分解酶色氨酸分解酶碳源（特别是葡萄糖）葡萄糖酸、6-磷酸葡萄糖酸碳源、氮源碳源、氮源芽孢杆菌蔗糖酶三羧酸循环酶系孢子形成酶系碳源碳源碳源根瘤菌等固氮菌固氮酶铵盐克氏杆菌硫酸盐还原酶氮源（尤以铵盐为主要阻遏物）某种假单胞菌葡萄糖氧化酶琥珀酸酵母麦芽糖酶精氨酸酶碳源碳源、氮源构巢曲霉脯氨酸分解精氨酸分解酰胺酶碳源、氮源碳源、氮源氮源某些微生物分解代谢产物的阻遏作用2、终产物阻遏在酶合成的阻遏中，如果代谢产物是某种合成途径的终产物，这种阻遏称为末端代谢产物阻遏。这种现象在氨基酸、维生素和核苷酸等合成途径中普遍存在。在一些氨基酸合成途径中，末端产物氨基酸必须和它的tRNA结合后，才能起到阻遏作用。

天门冬氨酸高丝氨酸胱氨酸高半胱氨酸蛋氨酸图：蛋氨酸反馈阻遏大肠杆菌合成蛋氨酸的酶的生成Onemorekiss三、酶的诱导和阻遏的调节方式1、单个终产物的生物合成途径ABCD简单终产物阻遏可被阻遏的酶的产物的诱导作用

ABCD2、多个终产物的生物合成途径同功酶阻遏多功能酶的多价阻遏ABCDFEGABCDE

多功能酶是指多肽链上有两个或两个以上具有催化活力的酶。

大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸合成的同工酶反馈抑制ASPASP-PAsaHseThrIleMetLysAKⅠAKⅡAKⅢHSDHⅠHSDHⅡ催化两条不同合成途径的共用酶系的阻遏A或EB或FC或GD或H3、分解代谢途径分解代谢物阻遏

S′BCDS或S的分解代谢物L-苏氨酸α-酮丁酸丙酮酸α-乙酰-α-羟丁酸α,β-二羟-β-甲基戊酸α-酮-β-甲基戊酸L-异亮氨酸α-乙酰乳酸α,β-二羟异戊酸α-酮异戊酸L-缬氨酸①②③④⑤⑥⑦⑧⑨α-异丙基苹果酸β-异丙基苹果酸α-酮异己酸L-亮氨酸起始底物的诱导作用

ABCD降解代谢途径的中间产物所引起的诱导作用ABCD汇流降解代谢途径多功能途径的诱导AHBICJDEFGA或FB或GC或HD或IE或J儿茶酚和原儿茶酸的邻位裂解途径

4-氧代己二酸烯醇内酯假单胞菌中对芳香氨基酸的降解四、酶合成调节的分子机制：操纵子学说

操纵子的构造操纵子的构成

名称

作用启动基因promoterRNA多聚酶的结合部位操纵基因operator与阻遏物结合的碱基序列，决定结构基因的转录是否能进行结构基因structure编码一个或多个酶的基因，被转录成对应的mRNA调节基因regulationgene编码调节蛋白（阻遏物repressor）Geneinduction1、诱导作用的分子机制⑴正控制与负控制正控制：指操纵子只有在控制因子存在时才有功能。这种控制因子是调节基因的产物，是一种激活蛋白，在有诱导物存在下可转化为转录激活剂，是转录作用所必需的。如大肠杆菌的Ara操纵子。负控制：指操纵子只有在控制因子不存在时才有功能。这种控制因子也是调节基因的产物，它是一种阻遏蛋白，阻止转录的进行，在与诱导物结合后即失活，转录开始进行。Jacob-Monod模型中的诱导作用是一种负控制。（2）协同诱导与顺序诱导协同诱导：加入一种诱导剂后，微生物能同时或几乎同时合成几种酶，主要存在于较短的代谢途径中，合成这些酶的基因由同一个操纵子所控制。顺序诱导：第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成，第一种酶的产物又可诱导第二种酶的合成，依此类推合成一系列的酶。顺序诱导常见于较长的用来降解好几个底物的降解途径。顺序诱导协同诱导参与假单胞菌中对芳香氨基酸降解的酶类的顺序诱导有关分解乳糖酶的顺序诱导

2、分解代谢物阻遏的分子机制分解代谢物阻遏的实质是由于细胞内缺少了环腺苷酸（cAMP）。葡萄糖对cAMP形成的影响Positivecontrolofthelac

operoncAMPreceptorproteinGenerepression反馈阻遏模型中，操纵子的开关情况正好与诱导模型相反。

3、末端代谢产物阻遏的分子机制

Negativecontrolofthetrp

operon弱化（attenuation）调节

氨基酸生物合成途径中的酶的合成受相应的氨基酰-tRNA浓度的控制当有过量的氨基酰-tRNA存在时，对于已被引发的转录，但在第一个结构基因被转录之前即终止转录。是细菌辅助阻遏作用的一种精细调控。阻遏是对转录启动的控制；

弱化是对已被引发的转录实现转录终止的控制trp

operon

受trp-tRNA的弱化调节，受trp的阻遏大肠杆菌色氨酸操纵子弱化作用模式图（a）Trp高水平时形成CD配对的终止结构；（b）Trp低水平时形成BC配对的非终止结构弱化作用是由于形成不同的mRNA的二级结构造成的。机制变构蛋白效应物变构蛋白的活性生理结果游离与效应物结合末端产物反馈抑制（嘧啶合成的反馈控制）途径第一个酶（天冬氨酸转氨甲酰酶）途径的末端产物（CTP）

催化途径的第一个酶催化活性降低或消失调节小分子的生物合成（CTP）酶诱导/负向控制（β-半乳糖苷酶的诱导）阻遏物（lacI基因产物）诱导物（乳糖）结合到染色体上，阻止酶的合成不能与染色体结合，酶合成出现只有诱导物存在于培养基内酶才被合成酶诱导/正向控制（代谢阿拉伯糖酶的合成）阻遏物-激活剂（araC基因产物）诱导物（阿拉伯糖）阻遏物形成，与染色体结合阻止酶的合成激活剂形成，与染色体结合促进酶的合成只有诱导物存在于培养基内酶才被合成分解代谢物阻遏（β-半乳糖苷酶合成的葡萄糖阻遏）CRP蛋白cAMP不能与染色体结合与染色体结合，阻止酶的合成让细菌使用最为有利的碳源，调节分解代谢速率末端代谢产物反馈阻遏（合成色氨酸所需酶的调节）阻遏物（trpR基因产物）途径的末端产物（色氨酸）不能与染色体结合与染色体结合，阻止酶的合成调节生物合成酶的合成（色氨酸合成途径的酶）

细菌的主要代谢调节机制项目反馈抑制反馈阻遏控制对象控制量控制的水平控制的手段控制的效应控制的结果反应代谢途径细胞经济酶的活性终产物浓度酶蛋白的构象变化终产物与变构部位的亲和力通过变构效应，酶的结构变化控制酶活性大小迅速、精确的控制无定向代谢途径和合成代谢分支点等低分子化合物（酶反应生成物）酶的生物合成终产物浓度DNA→mRNA→酶蛋白终产物与阻遏蛋白的亲和力阻遏蛋白与操纵基因结合，不能合成mRNA酶的合成与否迟缓、粗略的控制无定向代谢途径和合成代谢分支点等高分子化合物（酶蛋白）五、反馈抑制与反馈阻遏比较代谢的人工控制：人为地打破微生物细胞内代谢的自动调节，使细胞过量积累目的代谢产物。代谢控制发酵： 利用生物化学和遗传学的原理，控制培养条件，使微生物代谢朝向人们希望的方向进行，过量积累代谢产物。代谢控制育种： 通过遗传变异来改变微生物的正常代谢，使某种代谢产物形成和积累。第四节代谢调控[ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=[ATP]+1/2[ADP]一、产能代谢的调节：能荷调节能荷（energycharge）：指细胞内单位腺苷酸中所含相当于ATP的数量，也就是细胞中全部腺苷酸中含有相当于ATP的数量的百分比。E.coli正常生长时EC≈0.8，一般EC＜0.5生长即停止。曲线R代表ATP合成酶系统；曲线U代表ATP消耗的酶系统

受能荷调节的酶系磷酸化位：度量细胞能量状态的另一个参数。

[ADP]×[Pi]磷酸化位=[ATP]磷酸化位与能荷相比，其值的变化范围要宽，因此是反映细胞能量状态更加灵敏的指标。通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）酒精生成量耗糖量/单位时间细胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失现象：巴斯德效应(ThePasteureffect)概念：在有氧情况下，由于呼吸作用，酒精产量大大下降，糖的消耗速率大幅减慢。即有氧呼吸抑制发酵的作用。本质：能荷调节。意义：合理利用能源

通氧[ATP][柠檬酸]能荷异柠檬酸脱氢酶活性磷酸果糖激酶活性[6—磷酸葡萄糖]葡萄糖利用速率乙醛还原生成乙醇需要NADH，呼吸时NADH进入呼吸链，因而没有足够的NADH，乙醇产量下降。二、细胞渗透性调控提高细胞渗透性主要方法：①通过诱变育种的方法，筛选细胞透性突变株。②限制培养基中生物素浓度在1-5mg/L，控制细胞膜中脂质的合成。③添加表面活性剂或脂溶剂将脂类从细胞壁中溶解出来，使细胞壁疏松，通透性增加。④添加青霉素。⑤控制Mn2+、Zn2+的浓度，干扰细胞膜或细胞壁的形成。细胞壁调控

发酵工业上用的菌株对细胞透性的要求容许营养物质进入细胞对中间产物的透性不大目的产物形成后可以尽快透过细胞膜进入环境三、菌种遗传特性的改变目的代谢产物大量累积人为打破自动调节，改变代谢流向减少或切断支路产物的形成提高细胞膜的通透性减少育种的盲目性初级代谢产物生产，成效显著次生代谢产物生产，效果不明显代谢调控育种的措施营养缺陷型突变株抗反馈控制突变株组成型突变株抗性突变株增加结构基因数目1、营养缺陷型突变株的应用利用营养缺陷型大量积累特定代谢产物的途径限量添加E限量添加E限量添加E和G限量添加E和G限量添加I应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节（高丝氨酸营养缺陷型(Hser-)生产赖氨酸）天冬氨酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸半醛高丝氨酸苏氨酸

甲硫氨酸

C.glutamicum的代谢调节与赖氨酸生产赖氨酸为反馈抑制为阻遏AKHSDH2、应用抗反馈调节突变株（结构类似物抗性突变株）抗反馈调节突变株：指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变株，或兼而有之的突变株。结构类似物（analog）（抗代谢物antimetabolite）

是一种与初级代谢产物结构类似但缺乏生理功能的化合物。结构类似物产生两种结果：一是与代谢物竞争同一个酶，使代谢物不能合成菌体需要的成分；二是代替代谢物合成生理上无活性的化合物。目标产物结构类似物色氨酸5-甲基色氨酸苏氨酸

-氨基--羟基戊酸（AHV)甲硫氨酸乙硫氨酸异亮氨酸缬氨酸苯丙氨酸对氟苯丙氨酸亮氨酸三氟亮氨酸

选育抗反馈突变菌株所使用的结构类似物

ThrAHV

a-Amino-b-hydroxyvaleric

a-氨基-b-羟戊酸例：黄色短杆菌AHVr突变株可解除Thr的反馈抑制而积累苏氨酸突变前突变后抗反馈抑制突变的机制抗反馈阻遏突变的机制应用营养缺陷型回复突变解除反馈抑制营养缺陷型的机制酶的催化部位发生改变，失去催化活性酶的催化部位和调节部位同时改变营养缺陷型回复突变株的机制催化部位和调节部位同时发