微生物的代謝調(diào)節(jié)-.ppt

第五章微生物的代謝調(diào)節(jié) 微生物在生長過程中 機(jī)體內(nèi)的復(fù)雜的代謝過程可以互相協(xié)調(diào) 相輔相成 導(dǎo)致微生物的生理活動(dòng)過程同環(huán)境高度地統(tǒng)一起來 這是通過代謝調(diào)節(jié)的方式來實(shí)現(xiàn)的 第一節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)概論 生物體的代謝是和其周圍環(huán)境分不開的 生物具有適應(yīng)環(huán)境的能力 只有隨著環(huán)境的變化 生物機(jī)體才能同時(shí)調(diào)整和改變其體內(nèi)的代謝過程去適應(yīng)新的環(huán)境 才能生存和發(fā)展 否則只能被淘汰 代謝的平衡是動(dòng)態(tài)的 相對(duì)的 生物界存在三種不同水平上的調(diào)節(jié) 細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié) 微生物屬此類 最原始的也是基本的調(diào)節(jié)激素調(diào)節(jié) 是高一級(jí)的調(diào)節(jié)方式神經(jīng)調(diào)節(jié) 最高級(jí)的調(diào)節(jié)方式后兩種在高等生物中進(jìn)行 同時(shí)也進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié) 一 微生物代謝調(diào)節(jié)的方式 1 細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)2 代謝途徑區(qū)域化3 代謝流向的調(diào)控4 代謝速度的調(diào)控 1 細(xì)胞透性的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的透性直接影響物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌 從而影響到細(xì)胞內(nèi)代謝的變化 大多數(shù)基質(zhì)輸入細(xì)胞需要借助透性酶和能量 所以通過控制透性酶本身的合成及ATP的供應(yīng) 可以調(diào)節(jié)基質(zhì)的輸入 2 代謝途徑區(qū)域化 真核微生物細(xì)胞內(nèi) 各種酶系被細(xì)胞器隔離分布 底物分別儲(chǔ)存在各種有膜的細(xì)胞器內(nèi) 從而影響酶與底物的作用 例如與呼吸產(chǎn)能有關(guān)的酶系集中于線粒體內(nèi)膜上 與DNA合成的酶位于細(xì)胞核內(nèi) 原核微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)雖然簡單 但也劃分出不同的區(qū)域 對(duì)于某一代謝途徑有關(guān)的酶系集中在某一區(qū)域 保證該代謝途徑的酶促反應(yīng)正常進(jìn)行 例如呼吸的酶系集中在細(xì)胞質(zhì)膜上 分解大分子的水解酶 陰性細(xì)菌位于壁膜間隙中 陽性細(xì)菌則分泌至胞外 3 代謝流向的調(diào)控 微生物在不同的條件下可以通過控制各代謝途徑中某個(gè)酶促反應(yīng)的速率來控制代謝的流向 這種控制可按以下方式進(jìn)行 由一個(gè)關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng) 同一個(gè)酶可以通過不同的輔基或輔酶控制代謝物的流向 例如 3 磷酸甘油醛脫氫酶 在EMP途徑中催化3 磷酸甘油醛氧化成3 磷酸甘油酸 但在卡爾文循環(huán)中則催化3 磷酸甘油酸還原成3 磷酸甘油醛 前者是NAD 為輔酶 后者則以NADP 為輔酶 由兩種酶控制的逆單向反應(yīng) 即在一個(gè) 可逆 反應(yīng)中 其中一種酶催化正反應(yīng) 而另一種酶則催化逆反應(yīng) 4 代謝速度的調(diào)控 在不可逆反應(yīng)中 微生物通過調(diào)節(jié)酶的活性和酶量來控制代謝物的流量 細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)主要是通過控制酶的作用而實(shí)現(xiàn)的 也就是說 細(xì)胞內(nèi)各種酶類的活性都處在受控制的狀態(tài)下 必須根據(jù)細(xì)胞對(duì)能量以及對(duì)合成某些組分的要求而進(jìn)行各種酶促反應(yīng) 并可隨時(shí)減慢或加速某一物質(zhì) 氨基酸等 的合成 微生物的代謝調(diào)節(jié)一般指反應(yīng)速度的調(diào)節(jié)和對(duì)代謝途徑方向的控制兩個(gè)方面 但后者必須在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行 二 細(xì)胞調(diào)節(jié)的類型 1 酶活性調(diào)節(jié) 屬代謝調(diào)節(jié) 對(duì)已有酶分子的活性調(diào)節(jié) 酶化學(xué)水平 酶活性的調(diào)節(jié)主要通過終產(chǎn)物或中間產(chǎn)物對(duì)已有的酶分子活性的激活或抑制來控制代謝速率 也稱反饋抑制 包括正反饋 負(fù)反饋 分解代謝中較多見如EMP 在代謝途徑中的第一個(gè)酶一般稱為限速酶 反饋抑制中 終產(chǎn)物總是往往抑制限速酶 有分支代謝途徑的情況相對(duì)較復(fù)雜 因在分支途徑中也有 第一個(gè)酶 限速酶 2 酶合成調(diào)節(jié) 屬基因調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)酶分子的合成量 遺傳學(xué)水平 酶合成的調(diào)節(jié) 基因調(diào)節(jié) 主要通過酶量的變化來控制代謝速率 主要通過 誘導(dǎo)式導(dǎo)致酶的合成阻遏式阻止酶的合成以上兩種調(diào)節(jié)均能改變代謝途徑中的物質(zhì)流 可使細(xì)胞系統(tǒng)中的物質(zhì)既不會(huì)堆積起來造成浪費(fèi) 也不會(huì)因代謝短缺而供不應(yīng)求 始終能保持各種代謝物的濃度相對(duì)穩(wěn)定或代謝過程的動(dòng)態(tài)平衡 第二節(jié)酶活性的調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié)是通過改變代謝途徑中一個(gè)或幾個(gè)關(guān)鍵酶的活性來調(diào)節(jié)代謝速度的調(diào)節(jié)方式 包括酶活性的激活和抑制 一 酶活性的激活和抑制 一 酶活性的激活指在某個(gè)酶促反應(yīng)系統(tǒng)中 加入某種低分子量的物質(zhì)后 導(dǎo)致原來無活性或活性很低的酶轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚曰蚧钚蕴岣?從而使酶促反應(yīng)速度提高的過程 激活劑可以是外源物質(zhì) 金屬離子或機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生與累積的代謝產(chǎn)物 主要 代謝調(diào)節(jié)的激活作用主要是指代謝物對(duì)酶的激活 主要有兩種情況 前體激活和代謝中間產(chǎn)物的反饋激活 較少見 前體激活 代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)可被該途徑中較前面的一個(gè)中間物所促進(jìn) 反饋激活 代謝途徑中間產(chǎn)物對(duì)該途徑中前面的酶起激活作用 二 酶活性的抑制指在某個(gè)酶促反應(yīng)系統(tǒng)中 加入某種低分子量的物質(zhì)后 導(dǎo)致酶活力降低的過程 抑制劑可以是外源物質(zhì) 競(jìng)爭性抑制 和機(jī)體自身代謝過程中產(chǎn)生與累積的代謝產(chǎn)物 反饋抑制 二 酶活性調(diào)節(jié)的類型 一 反饋調(diào)節(jié)的模式反饋指的是代謝反應(yīng)某些中間代謝物或末端產(chǎn)物對(duì)前面反應(yīng)的影響 包括正反饋和負(fù)反饋 其中以負(fù)反饋為主 單向途徑的反饋調(diào)節(jié) 2種 單價(jià)終產(chǎn)物的反饋抑制前饋?zhàn)饔梅种緩降姆答佉种?5種 協(xié)同反饋抑制累積反饋抑制增效反饋抑制順序反饋抑制同功酶調(diào)節(jié) 1 單價(jià)終產(chǎn)物的反饋抑制 負(fù)反饋 negativefeedback 終產(chǎn)物X抑制限速酶 2 前饋?zhàn)饔们绑w代謝物的激活 前饋激活 指前體代謝物對(duì)催化后階段反應(yīng)中某酶的激活作用 前饋抑制 指前體代謝物對(duì)催化后階段反應(yīng)中某酶的抑制作用 中間代謝物的激活 反饋激活 指中間代謝物對(duì)途徑中的前階段或第一個(gè)酶活性的激活 3 協(xié)同反饋抑制 concertedfeedbackinhibition 有2種情況 在分支代謝途徑中有2個(gè)或2個(gè)以上終產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí) E G 可抑制共同途徑的起始步驟 單獨(dú)過量時(shí)不表現(xiàn)抑制作用 協(xié)同反饋抑制或多價(jià)反饋抑制 當(dāng)終產(chǎn)物單獨(dú)過量時(shí) 抑制各終產(chǎn)物前的酶活性 不抑制共同途徑酶活性 只有同時(shí)過量時(shí) 才協(xié)同抑制 天冬氨酸族的氨基酸 包括賴氨酸 甲硫氨酸 蘇氨酸和異亮氨酸 這些氨基酸合成的第一步都是在天冬氨酸激酶的作用下完成的 該酶活性也受這些氨基酸的反饋抑制 天冬氨酸酶在反饋控制方面存在較大的差異 實(shí)際上存在多價(jià)抑制 協(xié)同抑制2種情況 甚至也有同功酶的調(diào)節(jié)作用 催化同一組反應(yīng)的酶 酶蛋白分子不同 4 累積反饋抑制分支代謝途徑中的幾個(gè)終產(chǎn)物 任何一個(gè)過量時(shí)都能對(duì)共同途徑中的某個(gè)酶產(chǎn)生部分抑制作用 總的效果是累加的 并且各個(gè)末端產(chǎn)物所引起的抑制作用互不影響 只是影響這個(gè)酶促反應(yīng)的效率 5 增效反饋抑制分支代謝途徑的幾個(gè)終產(chǎn)物 其中任何一個(gè)過量時(shí)僅部分抑制共同途徑中某個(gè)酶的活性 同時(shí)過量時(shí) 其抑制程度可超過各產(chǎn)物單獨(dú)存在時(shí)抑制值的總和 6 順序反饋抑制通過逐步調(diào)節(jié) 達(dá)到平衡 終產(chǎn)物過量并分步進(jìn)行調(diào)節(jié) 7 同功酶反饋抑制的調(diào)節(jié)是指一組不同的酶蛋白分子催化同一種反應(yīng) 同功酶對(duì)細(xì)胞發(fā)育代謝調(diào)節(jié)是很重要的 在分支途徑中的第一個(gè)酶有幾種結(jié)構(gòu)不同的酶 a1 a2 每一種代謝終產(chǎn)物只對(duì)一種同功酶有反饋抑制作用 只有所有終產(chǎn)物同時(shí)過量才分別作用于幾種同功酶而使反應(yīng)不能進(jìn)行 但也可通過各自的反饋調(diào)節(jié) 使代謝過程能達(dá)到平衡 當(dāng)其中的一種同功酶受到抑制時(shí) 其余的仍在起作用 這是生物體對(duì)環(huán)境變化或代謝變化的另一種調(diào)節(jié)方式 三 酶活性調(diào)節(jié)的分子基礎(chǔ)前述 酶活性調(diào)節(jié)的類型 中雖有多種模式 但也有共同特性 尤其是在分支代謝過程中 每一條分支途徑的終產(chǎn)物控制該分支后的第一個(gè)酶 而有時(shí)各分支途徑的終產(chǎn)物對(duì)整個(gè)途徑的第一個(gè)酶有部分控制作用 從而控制整個(gè)代謝的進(jìn)行 可以這樣說 除了限速反應(yīng)本身在體內(nèi)起著流量控制作用以外 更重要的是處在該限速反應(yīng)的酶的參與 而其中大多數(shù)是調(diào)節(jié)酶 包括別構(gòu)酶 同功酶 共價(jià)調(diào)節(jié)酶等 一 同功酶與代謝調(diào)節(jié)是指催化同一反應(yīng) 酶分子結(jié)構(gòu)組成有異的一組酶 由兩個(gè)或兩個(gè)以上的肽鏈聚合而成 每一種代謝終產(chǎn)物只對(duì)一種同功酶具有反饋抑制作用 只有當(dāng)幾種終產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)才分別作用于幾種同功酶而使反應(yīng)不能進(jìn)行 如 天冬氨酸激酶有3種同功酶 高絲氨酸脫氫酶有2種 如抑制其中的一種同功酶 反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行 同功酶還存在于枯草桿菌和鼠傷寒沙門氏菌的氨基酸合成途徑中 芳香族 二 多功能酶與代謝調(diào)節(jié)多功能酶是催化兩種或兩種以上的化學(xué)反應(yīng)的酶 一般它們具有多催化部位 這種酶在某種條件下 某催化部位活化而催化一種反應(yīng) 其他的活性部位受到抑制 這種多功能酶在代謝調(diào)節(jié)中具有較靈活的調(diào)節(jié)作用 前面的大腸桿菌天冬氨酸激酶 AK1 和高絲氨酸脫氫酶 HD1 是一種多功能酶分子 由4個(gè)亞基組成 2種酶活性中心同在一個(gè)亞基 其氨基端為天冬氨酸激酶 羧基端為高絲氨酸脫氫酶 AK2和HD2也是一種多功能酶 同一條多肽鏈即同一酶蛋白 催化兩種反應(yīng) 當(dāng)其中一種產(chǎn)物過剩時(shí) 可向另一產(chǎn)物方向合成 調(diào)節(jié)較靈活 三 變構(gòu)酶 變位酶 別構(gòu)酶 與代謝調(diào)節(jié)1 變構(gòu)酶的結(jié)構(gòu) 變構(gòu)效應(yīng)及其調(diào)節(jié)物結(jié)構(gòu) 是調(diào)節(jié)酶中較重要的一種酶 同時(shí)兼有酶活性中心和別構(gòu)中心 它們處于酶分子的不同部位 其中活性中心負(fù)責(zé)酶與底物的結(jié)合 別構(gòu)中心負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)酶的活性 調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)分子 一般是底物 也可以是底物以外的代謝物 變構(gòu)效應(yīng) 調(diào)節(jié)物或效應(yīng)物與酶分子的別構(gòu)中心結(jié)合后 誘導(dǎo)或穩(wěn)定住該分子的某種構(gòu)象 因結(jié)合后的該亞基形狀即改變 并可促使其他亞基的結(jié)合部位發(fā)生變化 從而導(dǎo)致酶活性中心與底物的結(jié)合受到影響 調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度及代謝過程 變構(gòu)效應(yīng)有2種情況 1 同促效應(yīng) 調(diào)節(jié)物即底物 一般有2個(gè)以上底物結(jié)合中心 其調(diào)節(jié)作用取決于被占據(jù)的底物結(jié)合中心數(shù) 2 異促效應(yīng) 調(diào)節(jié)物不是底物分子 是底物以外的代謝物 更多的別構(gòu)酶兼有同促 異促效應(yīng) 2 變構(gòu)酶對(duì)酶反應(yīng)速度的調(diào)節(jié) 變構(gòu)酶反應(yīng)初速度不符合典型的米氏方程 而是S形曲線 這是一種 正同促反應(yīng) 或 正協(xié)調(diào)性 協(xié)同結(jié)合 酶與底物分子 或調(diào)節(jié)物 結(jié)合后 構(gòu)象發(fā)生變化 新構(gòu)象有利于后續(xù)分子與酶分子的結(jié)合 指親和性 也有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶 底物與酶分子結(jié)合后 構(gòu)象的變化使后續(xù)分子與酶的親和性降低 負(fù)協(xié)調(diào)性 可以用Rs來判斷三類酶 典型的米氏類型酶Rs 81正協(xié)同別構(gòu)酶Rs81 3 變構(gòu)作用機(jī)制的分子模型 協(xié)調(diào)模型 齊變 對(duì)稱模型 變構(gòu)酶存在兩種構(gòu)象狀態(tài) 即R狀態(tài) 催化狀態(tài)或松弛態(tài) 和T狀態(tài) 抑制狀態(tài)或緊張態(tài) 在兩種狀態(tài)間有一個(gè)平衡 添加底物 激活劑或抑制劑可以使R狀態(tài)和T狀態(tài)兩種構(gòu)象狀態(tài)的平衡發(fā)生移動(dòng) 底物和激活劑對(duì)R狀態(tài)親和性大 當(dāng)激活劑與酶的一個(gè)亞基結(jié)合后 所有亞基都變成易于與底物結(jié)合的活化型 結(jié)果提高了酶的活性 反之 抑制劑與酶結(jié)合后變成抑制型 使酶活性降低或消失 順序模型 序變模型 該模型認(rèn)為 酶的活化型和抑制型之間有一個(gè)連續(xù)的中間狀態(tài) 當(dāng)激活劑與酶的一個(gè)亞基結(jié)合后 其余的亞基的構(gòu)象逐個(gè)依次變化 最后形成活化型的酶分子 反之 抑制劑與酶分子結(jié)合后 各個(gè)亞基經(jīng)順序變構(gòu)后 形成抑制型的酶分子 4 效應(yīng)物對(duì)變構(gòu)酶的影響凡能與酶的別構(gòu)部位結(jié)合并產(chǎn)生正或負(fù)的協(xié)同效應(yīng)的物質(zhì)稱為效應(yīng)物 即變構(gòu)激活劑或抑制劑 5 變構(gòu)酶對(duì)代謝調(diào)節(jié)舉例變構(gòu)酶分子上的催化中心和調(diào)節(jié)中心處于不同的空間部位 因此它使催化活性和調(diào)節(jié)活性成為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng) 催化過程不限制調(diào)節(jié)過程 但調(diào)節(jié)系統(tǒng)卻可以影響催化系統(tǒng) 變構(gòu)酶學(xué)說得到不少實(shí)驗(yàn)的支持 最有利的證明是脫敏感作用 脫敏感作用 采用溫和的變性條件處理變構(gòu)酶 使變構(gòu)酶失去對(duì)調(diào)節(jié)劑的敏感性 但不改變其催化活性 例如大腸桿菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶 ATCase CTP為負(fù)效應(yīng)物 ATP為正效應(yīng)物 6 多價(jià)別構(gòu)酶的調(diào)節(jié)酶分子上有許多變構(gòu)位點(diǎn) 如分支代謝途徑 一種終產(chǎn)物抑制部分酶活性 所有終產(chǎn)物抑制全部酶活性 累積反饋抑制 四 共價(jià)調(diào)節(jié)酶與代謝調(diào)節(jié) 修飾調(diào)節(jié) 對(duì)酶分子多肽鏈上的某些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價(jià)修飾 使之處于有活性與無活性的互變狀態(tài) 從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)酶的活化或抑制 以控制代謝反應(yīng)的速度和方向 與別構(gòu)調(diào)節(jié)不同 共價(jià)調(diào)節(jié)是酶分子共價(jià)鍵發(fā)生了改變 而變構(gòu)調(diào)節(jié)只是酶分子單純的構(gòu)象變化 共價(jià)調(diào)節(jié)酶的特點(diǎn)是 它可以在另外一個(gè)酶 修飾酶 的催化下 對(duì)酶分子進(jìn)行共價(jià)修飾 即在酶分子上結(jié)合或釋放一個(gè)低分子量物質(zhì) 從而改變酶的活性 1 腺苷酰化 脫腺苷?；瘜?duì)酶活性的調(diào)節(jié)大腸桿菌谷氨酰胺合成酶 GS 大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶由12個(gè)亞基組成 每個(gè)亞基都有被腺苷?；c去腺苷酰化的兩種形式 由腺苷?；M成的酶活性很低 并對(duì)反饋抑制敏感 由去 脫 腺苷?；M成的酶活性最大 并對(duì)反饋抑制不敏感 腺苷?；?脫腺苷?；晒劝滨０废佘挣＾D(zhuǎn)移酶 AT催化 并受一系列尿苷?；饔玫目刂?AT必須在調(diào)節(jié)蛋白P 存在下才能進(jìn)行催化 而P 又受到尿苷?；?脫尿苷?；目赡嫘揎?分別由尿苷酰化轉(zhuǎn)移酶UT和尿苷?；摮窾R進(jìn)行催化 GS的活性調(diào)節(jié)很復(fù)雜 還與 酮戊二酸和谷氨酰胺的濃度有關(guān) 谷氨酰胺濃度高 GS酶的每個(gè)亞基上的一個(gè)酪氨酸可以連接一個(gè)腺苷酸 導(dǎo)致酶活性很低 避免谷胺酰胺過量合成 谷氨酰胺濃度低 腺苷酸釋放 GS活性高 谷氨酰胺迅速合成 其他的如UTP ATP和Pi等代謝物也會(huì)對(duì)GS的活性產(chǎn)生控制 2 磷酸化 脫磷酸化對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)酵母菌的磷酸果糖激酶受ATP抑制 發(fā)生磷酸化的激酶ATP不成為抑制物 磷酸化部位可能在酶蛋白絲氨酸殘基上 但磷酸果糖激酶又可能被某種磷酸酯酶催化 脫去Pi后恢復(fù)原狀 又受ATP抑制 3 乙?；?去乙酰化對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)膠質(zhì)紅假單胞菌的檸檬酸裂解酶 乙?；瘷幟仕崃呀饷改艽呋瘷幟仕崃呀鉃椴蒗Ｒ宜岷鸵宜?去乙酰化的檸檬酸裂解酶沒有此活性 谷氨酸抑制酶的去乙?；饔?檸檬酸促進(jìn)酶的乙?；饔?第三節(jié)酶合成的調(diào)節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié)是通過酶量的變化 控制代謝的速率 是基因水平上的調(diào)節(jié) 它有誘導(dǎo)和阻遏兩種方式 基因的表達(dá)受到調(diào)控 各基因之間的活性相互制約 其優(yōu)點(diǎn)是通過阻止酶的過量合成 有利于節(jié)約生物合成的原料和能量 根據(jù)基因表達(dá)其產(chǎn)物時(shí)所受外界反應(yīng)能力的差異 可分為兩大類型 組成型 表達(dá)穩(wěn)定 不受細(xì)胞內(nèi)代謝狀態(tài)影響 EMP TCA途徑中的酶均屬此類 適應(yīng)型 誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)合成阻遏酶阻止合成基因表達(dá)受營養(yǎng)條件 外界 細(xì)胞內(nèi)有關(guān)因子的影響 組成酶和誘導(dǎo)酶是一個(gè)相對(duì)的概念 同一種酶在這種生物中是組成酶 而在另一種微生物中則可能是誘導(dǎo)酶 一 酶合成的誘導(dǎo) 底物誘導(dǎo)產(chǎn)物誘導(dǎo) 通過蛋白質(zhì)合成總速度與酶合成速度之間的關(guān)系 可知某種酶是被誘導(dǎo)產(chǎn)生的 酶活性的增加是誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶蛋白量增加的結(jié)果 一般情況下 底物是酶最好的誘導(dǎo)物 有時(shí)和底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)也可以作為誘導(dǎo)物 但它卻不是底物 于此相反 有些物質(zhì)雖然是酶的底物 但是不能作為該酶的誘導(dǎo)劑 另外 不同的誘導(dǎo)劑 其有到能力是不同的 并且誘導(dǎo)能力還與誘導(dǎo)劑的濃度有關(guān) 酶的誘導(dǎo)合成有兩種情況 協(xié)同 同時(shí) 誘導(dǎo) 誘導(dǎo)劑加入后 微生物能夠同時(shí)或幾乎同時(shí)合成幾種酶 順序誘導(dǎo) 先合成分解底物的酶 接著再依次合成分解各中間代謝物的酶 一般來說 原核生物中酶合成的誘導(dǎo)效果比真核生物明顯 一 底物誘導(dǎo) 半乳糖苷酶的誘導(dǎo)過程 野生型大腸桿菌是不利用乳糖的 5個(gè)分子 半乳糖苷酶 細(xì)胞 當(dāng)處在乳糖為唯一碳源時(shí) 野生型大腸桿菌就將乳糖分解成葡萄糖 半乳糖 進(jìn)入己糖代謝途徑 如到有葡萄糖的環(huán)境 酶量又恢復(fù)到5個(gè)分子 半乳糖苷酶 細(xì)胞 在需要時(shí)才產(chǎn)生 一般底物是最好的誘導(dǎo)物 乳糖能誘導(dǎo)產(chǎn)生的三種酶 半乳糖苷酶 半乳糖苷滲透酶 膜結(jié)合酶 和 硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；?或 半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶 這三種酶的基因在大腸桿菌基因組內(nèi)是互相毗鄰排列的 它們通過協(xié)同誘導(dǎo)的方式被誘導(dǎo)產(chǎn)生 主要存在于短的代謝途徑中 在分解代謝途徑中多種酶的協(xié)同誘導(dǎo)合成對(duì)細(xì)胞是有利的 這使細(xì)胞在該底物存在時(shí)能夠迅速進(jìn)行代謝 二 產(chǎn)物誘導(dǎo)某些分解代謝酶受代謝途徑中在其前或其后的酶反應(yīng)產(chǎn)物的誘導(dǎo) 色氨酸的分解途徑 反應(yīng)途徑中各酶均受犬尿氨酸的誘導(dǎo) 意義 細(xì)胞內(nèi)色氨酸不會(huì)大量分解 除非培養(yǎng)基中加入色氨酸或細(xì)胞內(nèi)色氨酸濃度很高 從營養(yǎng)角度看 當(dāng)環(huán)境中存在某種可利用的物質(zhì)時(shí) 通過誘導(dǎo)作用可以誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶 使微生物從環(huán)境中取得所需營養(yǎng)物底從而增強(qiáng)微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力 從酶本身來說 某些酶雖然在代謝中很重要 但在不需要時(shí)也不合成 這樣就避免了生物合成原料和能量的浪費(fèi) 二 酶合成的阻遏指細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝反應(yīng)鏈中某些中間代謝物或末端產(chǎn)物過量積累 阻遏了代謝途徑中某些酶合成的現(xiàn)象 終產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒?終產(chǎn)物積累 分解代謝產(chǎn)物阻遏 兩種C源或N源同時(shí)存在時(shí) 對(duì)不易利用的一種物質(zhì)的酶的阻遏 如 大腸桿菌能利用銨鹽 碳源合成氨基酸 當(dāng)加入現(xiàn)成氨基酸時(shí) 則利用銨鹽的酶受阻遏 一 終產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒敉ㄟ^終產(chǎn)物濃度變化來控制酶的合成 一般終產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒艟饔玫谝粋€(gè)酶上 在氨基酸 核苷酸的合成途徑中已有很多實(shí)例 大腸桿菌可以從天冬氨酸 賴氨酸 終產(chǎn)物的反饋抑制較重要 反饋?zhàn)瓒舻淖饔貌课恢饕诘谝粋€(gè)酶上 通過終產(chǎn)物濃度變化來控制酶的合成 可保證細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)維持在適當(dāng)?shù)臐舛?二 分解代謝產(chǎn)物阻遏在酶合成的阻遏中 如果代謝產(chǎn)物是某化合物分解的中間產(chǎn)物 這種阻遏稱為分解代謝產(chǎn)物阻遏 葡萄糖效應(yīng) 說明此現(xiàn)象 大腸桿菌 葡萄糖乳糖兩種碳源 一度生長 生長停頓 二度生長 2個(gè)對(duì)數(shù)期 葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖的酶系合成 葡萄糖效應(yīng)除了乳糖外 其他的碳源物質(zhì)也有同樣的情況 此現(xiàn)象在微生物中很普遍 并不局限于葡萄糖 如銨鹽 精氨酸同時(shí)存在 銨鹽被優(yōu)先利用 分解精氨酸的酶受阻遏 葡萄糖效應(yīng)是屬于分解代謝產(chǎn)物阻遏 即 細(xì)胞在有優(yōu)先可被利用的物質(zhì)時(shí) 其他分解途徑受到阻遏 這種阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結(jié)果 而是由這種底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的 由此微生物可以不必將大量的代謝能量消耗在合成那些效果不大的酶系上 三 酶合成誘導(dǎo)和阻遏的機(jī)制酶是蛋白質(zhì) 酶的合成就是蛋白質(zhì)的合成 也就是基因的表達(dá) 一 基因表達(dá)與蛋白質(zhì)生物合成及其調(diào)控概述任何蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 說到底是由DNA上的基因決定的 DNA分子上的遺傳信息 轉(zhuǎn)錄 mRNA分子攜帶 在依賴于DNA的RNA聚合酶催化作用下合成互補(bǔ)的mRNA 所以 基因表達(dá)就是遺傳信息通過mRNA的傳遞而翻譯成專一性的蛋白質(zhì) 從而表現(xiàn)出細(xì)胞的各種生命活動(dòng)功能 是DNA的表現(xiàn)工具 對(duì)蛋白質(zhì)合成的調(diào)控實(shí)質(zhì)上是對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 這是一個(gè)極其復(fù)雜的過程 從許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看 蛋白質(zhì)生物合成的調(diào)控可發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上 即在一定時(shí)間有選擇性地控制mRNA的轉(zhuǎn)錄 也可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后的翻譯水平上 即在一定時(shí)間內(nèi)控制mRNA的翻譯 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)主要在轉(zhuǎn)錄水平上 真核生物中 mRNA和翻譯水平上的調(diào)控更為重要 二 乳糖操縱子F Jacob和J Monod在1961年提出了乳糖操縱子模型 開辟了調(diào)控基因作用機(jī)制研究的新的領(lǐng)域 酶合成的機(jī)理可用操縱子理論來解釋 操縱子學(xué)說的要點(diǎn)是 基因是可分的 染色體的DNA鏈上有調(diào)節(jié)基因和操縱子 操縱子包括一串功能關(guān)連的結(jié)構(gòu)基因 操縱基因和啟動(dòng)基因 啟動(dòng)子 調(diào)節(jié)基因可控制蛋白質(zhì)或酶的合成 操縱結(jié)構(gòu)基因的表達(dá) 控制結(jié)構(gòu)基因 操縱子 一系列在作用上密切相關(guān)而又排列在一起的結(jié)構(gòu)基因的總稱 它受同一操縱基因所控制 在轉(zhuǎn)錄中產(chǎn)生一個(gè)mRNA 1 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)在大腸桿菌對(duì)乳糖的利用中有兩種酶是必需的 一種是促使乳糖進(jìn)入細(xì)胞的 半乳糖苷透性酶 它存在于在大腸桿菌的細(xì)胞膜上 另一種是細(xì)胞質(zhì)中的 半乳糖苷酶 它催化乳糖水解為葡萄糖和半乳糖這一反應(yīng) 已有實(shí)驗(yàn)證實(shí) 大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)存在這2種酶蛋白 此外 還有一種 半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶 這酶可能具有使類似物乙?；慕舛竟δ?編碼這三種酶的結(jié)構(gòu)基因可寫作lacY lacZ和lacA 或者簡寫作y z a 用乳糖操縱子模型來解釋乳糖體系的調(diào)節(jié)機(jī)理已被人們廣泛接受 結(jié)構(gòu)基因可轉(zhuǎn)錄出一條mRNA 翻譯出相應(yīng)的酶可看作蛋白質(zhì)的合成過程 啟動(dòng)子 P 受乳糖操縱子控制 與RNA聚合酶結(jié)合的部位 結(jié)合以后啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄 操縱基因 O 是與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的部位 控制結(jié)構(gòu)基因 S 的轉(zhuǎn)錄 蛋白質(zhì) P O都不編碼蛋白質(zhì) 另外 還有一個(gè)調(diào)節(jié)基因R 它編碼調(diào)節(jié)蛋白 150000 又稱阻遏蛋白 347個(gè)氨基酸組成 并分四個(gè)亞基 調(diào)節(jié)蛋白可以與操縱基因O結(jié)合 也可以與調(diào)節(jié)物 誘導(dǎo)物或阻遏物 結(jié)合 調(diào)節(jié)蛋白與調(diào)節(jié)物 誘導(dǎo)物或阻遏物 結(jié)合后 影響到其與操縱基因o的結(jié)合 從而促進(jìn)或抑制mRNA的轉(zhuǎn)錄 2 乳糖操縱子的誘導(dǎo)機(jī)制 負(fù)調(diào)控在沒有乳糖作誘導(dǎo)物時(shí) 調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因O親和力大 結(jié)合在啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因P上的RNA聚合酶不能移動(dòng)到結(jié)構(gòu)基因 就不能轉(zhuǎn)錄生成mRNA 也就不能合成酶了 分解乳糖 在有乳糖作誘導(dǎo)物時(shí) 調(diào)節(jié)蛋白與乳糖結(jié)合使其對(duì)操縱子 O 親和力小 阻遏蛋白失活 不能封閉操縱基因 結(jié)構(gòu)基因得以表達(dá) 就能合成分解乳糖的酶類 當(dāng)誘導(dǎo)物用盡 調(diào)節(jié)蛋白不再與乳糖結(jié)合 而與O結(jié)合 轉(zhuǎn)錄就不再進(jìn)行 3 乳糖操縱子的分解代謝產(chǎn)物的阻遏機(jī)制 正調(diào)節(jié) 由于細(xì)胞內(nèi)缺少了環(huán)腺苷酸 cAMP 以大腸桿菌降解其他碳源的酶系受葡萄糖阻遏為例 1957年Sutherland發(fā)現(xiàn)環(huán)式AMP cAMP 并在動(dòng)物組織中廣泛存在 cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶作用下由ATP轉(zhuǎn)化而來的 調(diào)節(jié)蛋白CRP cAMP受體蛋白 或CAP 分解代謝產(chǎn)物激活蛋白 CRP 有時(shí)也稱CAP 含有一個(gè)稱為代謝產(chǎn)物活化因子蛋白 cataboliteactivatorProtein 由crp基因編碼 能與cAMP形成一個(gè)復(fù)合體 復(fù)合體cAMP CAP或CRP是正調(diào)節(jié)物 起正調(diào)節(jié)作用 當(dāng)cAMP與CAP形成復(fù)合物后 可以與啟動(dòng)基因P 有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn) 一個(gè)與RNA聚合酶相結(jié)合 另一個(gè)與cAMP CAP復(fù)合體相結(jié)合 結(jié)合 從而啟動(dòng)mRNA的轉(zhuǎn)錄 只有當(dāng)cAMP在細(xì)胞內(nèi)的濃度很高時(shí) 才能與CRP結(jié)合 cAMP的濃度受環(huán)境中葡萄糖濃度的影響 在環(huán)境中 葡萄糖的濃度升高可使cAMP濃度下降 從而使乳酸操縱子不能起始轉(zhuǎn)錄 葡萄糖分解產(chǎn)物會(huì)抑制合成cAMP所需要的酶 腺苷酸環(huán)化酶 的活力 或促進(jìn)分解cAMP的酶 磷酸二酯酶 的活力 第四節(jié)代謝調(diào)節(jié)理論及其在實(shí)踐中的應(yīng)用 代謝調(diào)節(jié)的深入研究 對(duì)于微生物在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用有著重大的現(xiàn)實(shí)意義 尤其是在工業(yè)發(fā)酵中的應(yīng)用 代謝調(diào)控發(fā)酵 階段 常用的控制微生物發(fā)酵途徑的方法有 控制發(fā)酵條件 改變細(xì)胞膜透性以及改變微生物遺傳特性等 一 代謝功能之間的平衡調(diào)節(jié)介紹各代謝途徑之間如何維持平衡 主要是調(diào)節(jié)劑和調(diào)節(jié)酶從中發(fā)揮作用 1 調(diào)節(jié)劑在平衡代謝中的作用調(diào)節(jié)劑是代謝庫中往返于幾個(gè)代謝途徑之間的重要代謝物 通過 偶聯(lián) 激活 抑制 等手段 協(xié)調(diào)著各種代謝功能 多為小分子物質(zhì) 如NAD NADH或NADP NADPH 或ATP ADP AMP等 1 能荷調(diào)節(jié) 腺苷酸調(diào)節(jié) 細(xì)胞通過改變ATP ADP AMP三者比例來調(diào)節(jié)其代謝活動(dòng) 能荷隨三種腺苷酸比例而變化 能荷是代表了細(xì)胞的能量狀態(tài) 而能荷的本質(zhì)是各種腺苷酸的比例 2 能荷與代謝調(diào)節(jié)的關(guān)系 通過糖代謝各途徑之間的調(diào)節(jié)來說明 糖代謝途徑中的酶活性往往依賴于腺苷酸 ATP或AMP 的濃度 ATP ADP AMP能量依次遞減 細(xì)胞內(nèi)的這3種腺苷酸的比例不同 能荷也隨之不同 巴斯德效應(yīng) 說明能荷對(duì)代謝過程的調(diào)節(jié)作用 即 O2的存在可使酵母菌細(xì)胞行呼吸作用而造成乙醇產(chǎn)量顯著下降 單位時(shí)間內(nèi) 糖消耗速度減慢 有氧呼吸抑制發(fā)酵 乙醇下降 解釋巴斯德效應(yīng) 用代謝調(diào)節(jié)來解釋EMP途徑與有氧氧化途徑的調(diào)節(jié) 主要是由于O2的存在 使EMP途徑中PFK 磷酸果糖激酶 活性降低 O2的存在繼EMP途徑之后 O2呼吸其產(chǎn)物 ATP 檸檬酸 異檸檬酸