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1、生化工程课件-3微生物代谢调节(1)第一节第一节 基本代谢的调节基本代谢的调节新陈代谢：新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（）和合成代谢（anabolism）的总和。的总和。新陈代谢新陈代谢=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢分解代谢：分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能）形式的能量和还原力的作用。量和还原力的作用。合成代谢：合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分
2、子、分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。的过程。代谢概论代谢概论复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPATPHHC.glutamicum 合成生物絮凝剂的代谢网络合成生物絮凝剂的代谢网络 代谢控制机制代谢控制机制酶活性的调节酶活性的调节 -活化或钝化活化或钝化酶合成的调节酶合成的调节 -诱导或阻遏诱导或阻遏遗传控制遗传控制n酶合成水平的调节一般比酶活的调节更为经济。酶合成水平的调节一般比酶活的调节更为经济。n调节步骤主要存在于转录和转译的启动部位，在调节步骤主要存在于转录和转译的
3、启动部位，在多步骤生物合成或分解代谢途径中其关键部位酶多步骤生物合成或分解代谢途径中其关键部位酶活的快速调节主要靠变构控制机制。活的快速调节主要靠变构控制机制。n共价修饰共价修饰n变构效应变构效应n缔合与解离n竞争性抑制酶活性的调节方式酶活性的调节方式n共价修饰共价修饰 可逆修饰可逆修饰 不可逆修饰不可逆修饰可逆共价修饰可逆共价修饰n细胞中有些酶存在活性和非活性两种状态，两者可以细胞中有些酶存在活性和非活性两种状态，两者可以通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。酶的可逆共价修饰作用的意义酶的可逆共价修饰作用的意义n因酶构型的转换是由酶催化的，故可在很短
4、的时间内经因酶构型的转换是由酶催化的，故可在很短的时间内经信号启动，触发生成大量有活性的酶，有效控制细胞生信号启动，触发生成大量有活性的酶，有效控制细胞生理代谢理代谢n这种修饰作用可更易控制酶的活性以响应代谢环境的变这种修饰作用可更易控制酶的活性以响应代谢环境的变化。（随时响应）化。（随时响应）不可逆共价修饰不可逆共价修饰n酶原激活酶原激活无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切去一小段肽链而被激活。去一小段肽链而被激活。n胰蛋白酶原的活化靠从胰蛋白酶原的活化靠从N端除去一个己肽。端除去一个己肽。胰蛋白酶原活化是信号放大的一个典型例子。胰蛋白酶原活化是信号放大的一个
5、典型例子。一旦胰酶完成了其使命后，便被降解而不能再恢复为一旦胰酶完成了其使命后，便被降解而不能再恢复为酶原酶原这种酶活性的关闭作用是极其重要的。这种酶活性的关闭作用是极其重要的。变构控制变构控制n变构效应：别构/副位效应，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。n变构酶：具有变构作用的酶。协同作用协同作用n协同作用：酶蛋白分子的一个位点与配基的结合协同作用：酶蛋白分子的一个位点与配基的结合会影响同一分子的另一位点与基质的结合。会影响同一分子的另一位点与基质的结合。n正协同作用：若起始的配基结合促进分子的另一正协同
6、作用：若起始的配基结合促进分子的另一位置的更多的基质的结合，便认定这种蛋白质具位置的更多的基质的结合，便认定这种蛋白质具有正向协同作用。有正向协同作用。n负协同作用：若这种结合使进一步结合受阻。负协同作用：若这种结合使进一步结合受阻。代谢途径的支点和代谢可逆步骤中常发现变构代谢途径的支点和代谢可逆步骤中常发现变构控制酶。控制酶。其它调节方式其它调节方式n缔合与解离缔合与解离 蛋白质活化与钝化是通过组成它的亚单蛋白质活化与钝化是通过组成它的亚单位的缔合与解离实现的。位的缔合与解离实现的。n竞争性抑制竞争性抑制 一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制。一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制。需
7、要氧化性需要氧化性NAD的反应可能被还原性的反应可能被还原性NADH的竞争性抑制；的竞争性抑制；需需ATP的反应可能受的反应可能受ADP或或AMP的竞争性抑制；的竞争性抑制；一些酶常受其反应过程产物的竞争性抑制。一些酶常受其反应过程产物的竞争性抑制。酶合成的调节方式酶合成的调节方式n酶的诱导酶的诱导n分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏n终产物的调节终产物的调节（反馈调节）（反馈调节）n协调控制协调控制诱导作用诱导作用n组成酶组成酶：酶的合成速率受基质浓度变化的影响很：酶的合成速率受基质浓度变化的影响很小。无需诱导自动合成。小。无需诱导自动合成。n诱导酶诱导酶：只有诱导物存在时才被合成。：只有诱导物存
8、在时才被合成。诱导物可以是诱导物可以是基质基质，也可以是基质的，也可以是基质的衍生物，甚至是产物。衍生物，甚至是产物。酶基质的结构类似物常是很好的诱导酶基质的结构类似物常是很好的诱导物，但不作为基质被酶转化（物，但不作为基质被酶转化（安慰诱导物安慰诱导物）。）。n意义：保证能量与氨基酸不浪费。意义：保证能量与氨基酸不浪费。诱导作用分子水平的机制诱导作用分子水平的机制nJacob-MonodJacob-Monod模型（操纵子假说）模型（操纵子假说）n假说认为假说认为：（1 1）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）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 （2 2）它
9、们的表达与关闭是通过同一控制位点协同进行的）它们的表达与关闭是通过同一控制位点协同进行的。分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏n能快速利用的基质，其分解代谢物会阻遏能快速利用的基质，其分解代谢物会阻遏另一种异化较难利用基质的酶的合成。另一种异化较难利用基质的酶的合成。早期称为葡萄糖效应！早期称为葡萄糖效应！早期称为葡萄糖效应！早期称为葡萄糖效应！分解代谢物效应分解代谢物效应许多工业生成的酶都受这类调控。许多工业生成的酶都受这类调控。如何克服分解代谢物阻遏？如何克服分解代谢物阻遏？培养基中不使用培养基中不使用阻遏性碳源阻遏性碳源筛选耐分解代谢物筛选耐分解代谢物阻遏突变株阻遏突变株采用过程补糖的方法采用过
10、程补糖的方法限制生产菌的糖耗速率限制生产菌的糖耗速率n筛选原理筛选原理:以一种受分解代谢物阻遏的基以一种受分解代谢物阻遏的基质作为唯一的氮源，用含有这种氮源的培质作为唯一的氮源，用含有这种氮源的培养基的琼脂平板培养筛选经诱变的菌株。养基的琼脂平板培养筛选经诱变的菌株。n例如：例如：鼠伤寒杆菌突变株鼠伤寒杆菌突变株，在葡萄糖，在葡萄糖-脯氨酸脯氨酸琼脂平板上筛选耐分解代谢物阻遏的琼脂平板上筛选耐分解代谢物阻遏的脯氨脯氨酸氧化酶酸氧化酶生成菌株；生成菌株；耐分解代谢物阻遏突变株的获得耐分解代谢物阻遏突变株的获得终产物的调节（反馈调节）终产物的调节（反馈调节）n氨基酸、嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的控制
11、总是氨基酸、嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的控制总是以反馈调节方式进行。以反馈调节方式进行。n生理意义：避免物流的浪费及不需要的酶的合成。生理意义：避免物流的浪费及不需要的酶的合成。n反馈调节的类型：反馈调节的类型：反馈抑制与反馈阻遏反馈抑制与反馈阻遏反馈调节n反馈阻遏反馈阻遏：通过阻遏蛋白对操纵子的控制：通过阻遏蛋白对操纵子的控制抑制酶基因转录。抑制酶基因转录。n反馈抑制反馈抑制：终点产物对该途径的酶的活性：终点产物对该途径的酶的活性调节，所引起的抑制作用调节，所引起的抑制作用。n反馈阻遏的分子作用机制反馈阻遏的分子作用机制反馈抑制如何实现的？反馈抑制如何实现的？反馈阻遏呢？反馈阻遏呢？n两种机制
12、都起着调节代谢途径末端产物的生产速率的两种机制都起着调节代谢途径末端产物的生产速率的作用，以适应细胞中大分子合成对前体的需求。两种作用，以适应细胞中大分子合成对前体的需求。两种作用相辅相成，其联合作用可使细胞生物合成途径达作用相辅相成，其联合作用可使细胞生物合成途径达到高效调节。到高效调节。反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢，反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢，反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。此外，前者的作用往往会影响催化一系反此外，前者的作用往往会影响催化一系反应的多个酶，而后者往往只对是一系列反应的多个酶，而后者往往只对是一系列反应中的第一个
13、酶起作用。应中的第一个酶起作用。反馈抑制与阻遏的异同反馈调节作用的消除？反馈调节作用的消除？n策略：限制末端产物积累（筛选营养缺策略：限制末端产物积累（筛选营养缺陷型）。陷型）。代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。例例如如：负负责责乳乳糖糖分分解解代代谢谢的的酶酶在在合合成成速速率率方方面面显显示示出出协协同同控控制制作作用用，即即其其合合成成速速率率在在所所有有生生长长条条件件下下均均以以恒恒定定的的比比例例进进行行。当当-半半乳乳糖糖苷苷酶酶被被诱诱导导时时，其其他他两两种种PrPr，半半乳乳糖糖苷苷透透酶酶和和-半半乳乳糖糖苷苷转转乙乙基基酶酶也也
14、同同时时被被诱诱导导出出来来。前前者者负负责责乳乳糖糖和和其其他他有有关关物物质质，如如硫硫-D-D半半乳乳糖糖苷苷运运输输到细胞内，后者生理作用不明。到细胞内，后者生理作用不明。微生物的协调控制微生物的协调控制n精氨酸生物合成途径精氨酸生物合成途径部分显示协同控制作用部分显示协同控制作用将细胞从含有精氨将细胞从含有精氨酸的培养基移种到酸的培养基移种到缺少它的培养基中缺少它的培养基中,鸟氨酸氨甲酰转移鸟氨酸氨甲酰转移酶去阻遏达酶去阻遏达100100倍倍,而其他酶去阻遏约而其他酶去阻遏约1010倍倍.大肠杆菌中精氨酸同时阻遏鸟氨酸氨甲酰基大肠杆菌中精氨酸同时阻遏鸟氨酸氨甲酰基转移酶和精氨酸合成中的其他几种酶。转移酶和精氨酸合成中的其他几种酶。遗传控制遗传控制n基因转录的调节 -生物化学n乳糖操纵子 此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢