微生物代谢调节机制和调节模式.ppt

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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,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,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,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,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,RNA,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,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,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,真核微生物细胞代谢调节部位,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,核中进行的转录,DNA,底物,产物,底物,中间产物,产物,RNA,细胞内溶质的跨膜传送,一、代谢调节机制,一、代谢调节机制,代谢途径,细胞内定位,分解代谢,酵解,PP环,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,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）,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,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1,2.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1,2.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,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,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,二、酶合成的调节机制,酶的诱导负向控制（如乳糖对,-,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,-,半乳糖苷酶的阻遏）,转录后的调节,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（,DNAmRNA,）和转译,(mRNA,蛋白质,),水平的调节,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,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,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,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,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,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,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,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,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,正、负调控,负调控,正调控,诱,导,阻,遏,二、酶合成的调节机制,负调控（乳糖操纵子）,二、酶合成的调节机制,正调控（麦芽糖操纵子）,二、酶合成的调节机制,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,诱导物的种类,二、酶合成的调节机制,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,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,-,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,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,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,123150,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,弱化子,二、酶合成的调节机制,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,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,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,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,-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,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,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,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,分解代谢物阻遏,二、酶合成的调节机制,葡萄糖如何调节cAMP?,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,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,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,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,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）,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,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,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,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,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=(VmaxS),n,/(Km+S,n,),2-普通酶,V=(VmaxS)/(Km+S),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,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,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,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,05,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,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,-CH,2,OH,，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,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,E,OH,E,O-PO3,ATP,ADP,蛋白激酶,H,2,O,蛋白磷酸酶,Pi,E,E,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,（SS化）酶,哺乳动物,磷酸化,去磷酸化,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,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,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,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,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,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,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+0.5ADP,）,/,（,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,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/,ADPPi,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,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,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,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,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,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,Fe,2+,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,-酮戊二酸,侧链呼吸链,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,O,2,，,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,O,2,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,O,2,，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,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,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,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,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,（,feedback inhibition,）：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,（,feedback repression,）：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,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),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,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,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,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,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,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,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,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,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶量的调节方式,分解代谢途径,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶量的调节方式,汇流降解代谢途径的诱导：,两条可诱导途径导致一个共同的中间产物，进而诱导一条对两个初始底物而言是共同的降解途径,分解代谢途径,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶量的调节方式,分解代谢途径,多功能途径的诱导：,两个化合物（,A,或,F,，,C,或,H,）中每个均诱导一些反应，从而构成能降解这两个化合物（,A,、,F,）的途径,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶活性的调节方式,终产物的简单反馈抑制：,途径的终产物抑制途径中第一个专一性酶,只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶活性的调节方式,只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式,前体激活或称代谢激活：,反应途径的某一后边的反应受前面某中间代谢产物的激活，这种方式常见于分解代谢途径中,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶活性的调节方式,只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式,补偿激活：,若某一化合物的利用取决于另一反应序列（途径）的运行，那么这个化合物就能激活这个反应序列的第一个酶,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶活性的调节方式,协同反馈抑制,或称,多价反馈抑制：,当一条代谢途径中有两个以上终产物时，任何一个终产物都不能单独抑制途径第一个共同的酶促反应，但当两者同时过剩时，它们协同抑制第一个酶反应,多个终端产物的途径（分支代谢途径）的调节方式,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶活性的调节方式,合作反馈抑制,也称为,增效反馈抑制：,当任何一个终产物单独过剩时，都会部分地反馈抑制初始酶的活性，两个以上的终产物同时过剩时，产生强烈的抑制作用，其抑制作用大于各自单独存在时的和,多个终端产物的途径（分支代谢途径）的调节方式,六、微生物代谢途径的调节模式,影响酶活性的调节方式,累积性抑制：,任一终产物单独过剩时，能独立地对共同途径的一个多价变构酶产生部分反馈抑制（某个百分比抑制），并且各终产物的反馈抑制作用互不影响，指既无协作也无对抗。当多种终产物同时过剩时它们的反馈抑制作用是累积的,多个终端产物的途径（分支代谢途径）的调节方式,六、微生物代谢途径的调节