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1、微生物生理学 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1.191.19世纪世纪7070年代以后，随着人们对酿酒、动植物病害、人类疾年代以后，随着人们对酿酒、动植物病害、人类疾病的防治和土壤微生物活动等的研究，微生物生理学逐渐兴盛病的防治和土壤微生物活动等的研究，微生物生理学逐渐兴盛起来。起来。19051905年，哈登和杨发现磷酸盐对酒精发酵的作用；年，哈登和杨发现磷酸盐对酒精发酵的作用；19111911年，诺伊贝格开始对酒精发酵作系统研究；年，诺伊贝格开始对
2、酒精发酵作系统研究；2020世纪世纪3030年代，年代，生物化学的进展又推动了人们对微生物代谢的研究。生物化学的进展又推动了人们对微生物代谢的研究。2.2.随后，克勒伊沃和范尼尔等人从比较生物化学的角度，说随后，克勒伊沃和范尼尔等人从比较生物化学的角度，说明了某些微生物的相互关系和生理学问题。明了某些微生物的相互关系和生理学问题。19331933年，克勒伊沃建立了摇床培养技术，导致现代化微生物工年，克勒伊沃建立了摇床培养技术，导致现代化微生物工业深层培养的生理研究和应用。业深层培养的生理研究和应用。3.3.同时，同位素、电子显微镜、超速离心、微量快速生物化学同时，同位素、电子显微镜、超速离心、
3、微量快速生物化学分析以及生物化学突变株等技术的普遍应用，也推动了微生物分析以及生物化学突变株等技术的普遍应用，也推动了微生物生理学研究的发展。生理学研究的发展。二、微生物生理学的发展过程二、微生物生理学的发展过程4.随着分子生物学的发展，微生物生理学的研究不断地深入到，随着分子生物学的发展，微生物生理学的研究不断地深入到，细胞中的生物化学转化、能量的产生和转换；生物大分子的细胞中的生物化学转化、能量的产生和转换；生物大分子的结构与功能；分子水平上的形态建成、分化及其行为等方面结构与功能；分子水平上的形态建成、分化及其行为等方面的研究方面。的研究方面。5.近年来，微生物生理学的研究扩展到了新的或
4、过去不引人注近年来，微生物生理学的研究扩展到了新的或过去不引人注意的微生物类群和可更新能源方面，这使人们对分解纤维素意的微生物类群和可更新能源方面，这使人们对分解纤维素微生物和甲烷产生菌的生理进行深入的考察，并从化能自养微生物和甲烷产生菌的生理进行深入的考察，并从化能自养菌的研究扩展到利用硫杆菌进行微生物浸矿。菌的研究扩展到利用硫杆菌进行微生物浸矿。6.另外微生物与其他生物之间的共生、寄生关系是人们多年来另外微生物与其他生物之间的共生、寄生关系是人们多年来一直注意的领域，尤其是共生固氧的研究已有较大的进展。一直注意的领域，尤其是共生固氧的研究已有较大的进展。能使石油氧化、农药降解和人工合成的高
5、分子物质分解的微能使石油氧化、农药降解和人工合成的高分子物质分解的微生物，也越来越多地成为人们研究的对象。总之，每一新菌生物，也越来越多地成为人们研究的对象。总之，每一新菌属和新现象的发现，都将为微生物生理学研究提供新的对象，属和新现象的发现，都将为微生物生理学研究提供新的对象，开辟新的领域。开辟新的领域。第二节第二节 微生物生理学研究中常用的技术微生物生理学研究中常用的技术和方法和方法1.1.电子显微镜技术电子显微镜技术 6.6.层析技术层析技术 2.DNA2.DNA分子铺展技术分子铺展技术 7.7.电泳技术电泳技术3.3.超离心技术超离心技术 8.8.电位、电势、极谱技术电位、电势、极谱技
6、术4.4.光谱技术光谱技术5.5.同位素技术同位素技术微生物生理学研究内容：微生物生理学研究内容：1.1.生物化学方面生物化学方面 研究微生物代谢、产物合成途径、能量转化等；研究一研究微生物代谢、产物合成途径、能量转化等；研究一些特殊类型微生物的生理活动。些特殊类型微生物的生理活动。2.2.研究生物大分子结构与功能研究生物大分子结构与功能 阐明微生物遗传信息传递与表达的方式和规律，研究膜阐明微生物遗传信息传递与表达的方式和规律，研究膜结构和功能；极端环境条件下微生物抗性与敏感性的机理及结构和功能；极端环境条件下微生物抗性与敏感性的机理及其调节等。其调节等。3.3.研究微生物细胞的重建、形态发生
7、、分化过程与趋向性研究微生物细胞的重建、形态发生、分化过程与趋向性 研究运动的本质、形态发生与分化的分子机理及有生物活研究运动的本质、形态发生与分化的分子机理及有生物活性细胞结构的过程。性细胞结构的过程。第三章第三章 微生物的营养与物质运输微生物的营养与物质运输第三节第三节 营养物质运输的调节营养物质运输的调节一、营养物质本身的性质一、营养物质本身的性质 细胞膜的结构决定了不同的物质透过膜的难易细胞膜的结构决定了不同的物质透过膜的难易程度有差异，物质的化学特性包括分子量、溶解性、程度有差异，物质的化学特性包括分子量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物进入细胞的难易程度。电负性、极性等都影响营养
8、物进入细胞的难易程度。小分子小分子 大分子、脂溶性大分子、脂溶性 水溶性、不带电荷水溶性、不带电荷 带电带电荷物质荷物质二、环境条件二、环境条件 1.1.温度温度 2.pH2.pH 3.3.代谢和呼吸的抑制剂代谢和呼吸的抑制剂 4.4.通透性诱导物与被运输物质的结构通透性诱导物与被运输物质的结构类似物。类似物。三、载体物质生物合成调节三、载体物质生物合成调节在酶在酶的作用的作用下下HPr被激活被激活在酶在酶的作用下的作用下P-HPr将将磷酸转移给糖磷酸转移给糖运送机制运送机制:是依靠磷酸转移酶系统是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇即磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统己糖磷酸转移酶系统.
9、运送步骤运送步骤:1.1.热稳载体蛋白热稳载体蛋白(HPr)HPr)的激活的激活 细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEPPEP）的磷的磷酸基团把酸基团把HPrHPr激活。激活。酶酶 PEP+HPr PEP+HPr 丙酮酸丙酮酸+P-HPrP-HPrHPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。具有高能磷酸载体的作用。2 2、糖被磷酸化后运入膜内、糖被磷酸化后运入膜内 膜外环境中的糖先与外膜表面的酶膜外环境中的糖先与外膜表面的酶结合，再被结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被转运到内膜
10、表面。这时，糖被P-HPrP-HPr上的磷酸激活，上的磷酸激活，并通过酶并通过酶的作用将的作用将糖糖-磷酸磷酸释放到细胞内。释放到细胞内。酶酶 P-HPr+P-HPr+糖糖 糖糖-P+HPrP+HPr 酶酶是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶列与底物分子相应的酶。大肠杆菌己糖磷酸运输系统生物合成调节大肠杆菌己糖磷酸运输系统生物合成调节中有两种蛋白在起作用：中有两种蛋白在起作用：1.1.存在于细胞质中的活化蛋白存在于细胞质中的活化蛋白A A；2.2.位于
11、细胞膜上的转膜调节蛋白位于细胞膜上的转膜调节蛋白MRMR。外外 膜膜 内内外外 膜膜 内内MR CMR C A AMR CMR C A AG-6-PG-6-P四、载体物质生理活性调节四、载体物质生理活性调节1.1.膜电势调节膜电势调节2.2.胞内磷酸糖调节胞内磷酸糖调节3.cAMP3.cAMP环化酶与渗透酶的共同调节环化酶与渗透酶的共同调节PEPPEPPyrPyrHPrHPrHPrHPr-Pi-Pi-Pi-PiRPrRPrRPrRPrRPrRPrPasePasePasePase-Pi-Pi AC ACRPrRPr-Pi-Pi AC AC无活性无活性有活性有活性无活性无活性有活性有活性乳糖渗透酶
12、与腺苷酸环化酶的协调作用乳糖渗透酶与腺苷酸环化酶的协调作用第四节第四节 代谢产物的分泌代谢产物的分泌一、氨基酸的分泌一、氨基酸的分泌干燥菌体内磷脂含量干燥菌体内磷脂含量干燥菌体内磷脂含量干燥菌体内磷脂含量/%/%/%/%菌体外菌体外菌体外菌体外L-L-L-L-谷氨酸量谷氨酸量谷氨酸量谷氨酸量/mg.mL/mg.mL/mg.mL/mg.mL-1-1-1-12.02.015.415.42.22.212.112.13.13.11.91.93.63.61.21.2表表3-10 3-10 乳酸发酵短杆菌细胞内磷脂含量与谷氨酸分泌的关系乳酸发酵短杆菌细胞内磷脂含量与谷氨酸分泌的关系 谷氨酸发酵控制谷氨酸发
13、酵控制 生物素：生物素：作为催化脂肪酸生物合成最初反应的作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰关键酶乙酰CoACoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。而影响磷酯的合成。当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液中。生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产中。生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。或少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。O=CHNNHHC CHH2CC
14、SH（CH2）4CNHBCCP赖氨酸残基生物素羧基载体蛋白（biotin carboxyl carrier protein BCCP）生物素O=HOH+H2OATPADPCO2生物素羧化酶-酶O=CNNHHC CHH2CCSH（CH2）4CO=NHO=C-OBCCP-羧基生物素BCCP-羧基生物素在转羧酶作用下，形成羧基生物素在转羧酶作用下，形成丙二酰丙二酰CoA丙二酰丙二酰CoA与乙酰与乙酰CoA缩合并脱羧，生成缩合并脱羧，生成丁酰丁酰CoA，如此反复进行合成高级脂肪酸，如此反复进行合成高级脂肪酸，再合成磷脂再合成磷脂生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸的生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸的生
15、成，从而影响了磷脂的生成，导致磷脂生成，从而影响了磷脂的生成，导致磷脂含量不足，使细胞膜结构不完全，从而提含量不足，使细胞膜结构不完全，从而提高细胞膜的通透性高细胞膜的通透性怎样克服生物素过量带来的问题怎样克服生物素过量带来的问题 为了控制生物素的数量，除了选用的菌种必为了控制生物素的数量，除了选用的菌种必须是生物素缺陷型以外，所用的原料（主要是玉须是生物素缺陷型以外，所用的原料（主要是玉米浆）每批都要通过摇床实测后确定加入量。当米浆）每批都要通过摇床实测后确定加入量。当前还有一些措施可以使用。前还有一些措施可以使用。A、选用油酸缺陷型：选用油酸缺陷型：在大量的研究工作中，发现了这样的现象，即
16、培养基在大量的研究工作中，发现了这样的现象，即培养基中缺乏生物素时，只要加入油酸，就能起到和生物素相同中缺乏生物素时，只要加入油酸，就能起到和生物素相同的效果。的效果。如上所述，生物素的作用在于影响细胞膜中的脂肪酸，如上所述，生物素的作用在于影响细胞膜中的脂肪酸，而油酸的加入直接增加了合成磷脂所需的不饱和脂肪酸，而油酸的加入直接增加了合成磷脂所需的不饱和脂肪酸，所以选育油酸缺陷型就成为了重要的替代手段。当选用油所以选育油酸缺陷型就成为了重要的替代手段。当选用油酸缺陷型时，只要控制油酸的亚适量，就能控制细胞膜的酸缺陷型时，只要控制油酸的亚适量，就能控制细胞膜的透性，而与生物素的含量无关。透性，而
17、与生物素的含量无关。B B、选用甘油缺陷型：、选用甘油缺陷型：试验证明，限量甘油（试验证明，限量甘油（0.02%0.02%）培养，细胞膜）培养，细胞膜的磷脂含量只有非甘油缺陷型菌株的的磷脂含量只有非甘油缺陷型菌株的50%50%。只有。只有甘油的加入量起作用，而与生物素以及油酸的含甘油的加入量起作用，而与生物素以及油酸的含量无关。量无关。这些现象都可以解释一个问题，那就是因为这些现象都可以解释一个问题，那就是因为磷脂是由脂肪酸、甘油、磷酸和磷脂是由脂肪酸、甘油、磷酸和R R（胆碱、乙醇（胆碱、乙醇酸、丝氨酸、肌醇）酸、丝氨酸、肌醇）4 4部分组成，缺少其中的一个部分组成，缺少其中的一个都不可能和
18、成，控制其中之一，都可以控制磷脂都不可能和成，控制其中之一，都可以控制磷脂的含量。的含量。图图6-46-4 C、温度敏感性变异株：当细菌进行诱变处理后，可以获得温度敏感性变异株。例如在30C时生长旺盛，而在较高温度（37C）则不生长，或稍生长，而能大量生成谷氨酸。于是可用这样的变异株在富含生物素的培养基中，前期进行30C培养，当菌的生长达到最大时，提高温度至40C，使其大量积累谷氨酸。D D、在生物素丰富的条件下，添加聚氧乙烯乙二在生物素丰富的条件下，添加聚氧乙烯乙二醇的棕榈酸（醇的棕榈酸（C18C18）、十七烷酸（）、十七烷酸（C17C17）、硬脂）、硬脂酸（酸（C16C16）等的饱和脂肪酸
19、酯类或饱和脂肪酸，）等的饱和脂肪酸酯类或饱和脂肪酸，都能使大量谷氨酸排出于菌体外。都能使大量谷氨酸排出于菌体外。表面活性剂、高级饱和脂肪酸的作用，不在表面活性剂、高级饱和脂肪酸的作用，不在于它的表面效果，而是在不饱和脂肪酸的合成过于它的表面效果，而是在不饱和脂肪酸的合成过程中，作为抗代谢物具有抑制作用，对生物素或程中，作为抗代谢物具有抑制作用，对生物素或油酸又拮抗作用，阻遏脂肪酸生物合成，于是磷油酸又拮抗作用，阻遏脂肪酸生物合成，于是磷脂形成减少，膜透性加大，有利于谷氨酸向外渗脂形成减少，膜透性加大，有利于谷氨酸向外渗漏。漏。E E、在生物素丰富时，培养中途如果添加青霉素、在生物素丰富时，培养
20、中途如果添加青霉素、头孢霉素头孢霉素C C，可以使谷氨酸生成。青霉素的作用，可以使谷氨酸生成。青霉素的作用机制与控制生物素、控制油酸或添加表面活性剂机制与控制生物素、控制油酸或添加表面活性剂以及控制甘油的机制都不同。以及控制甘油的机制都不同。添加青霉素是抑制细菌细胞壁的后期合成，添加青霉素是抑制细菌细胞壁的后期合成，对细胞壁糖肽生物合成系统起作用。这是因为青对细胞壁糖肽生物合成系统起作用。这是因为青霉素取代合成糖肽的底物而和酶的活性中心结合，霉素取代合成糖肽的底物而和酶的活性中心结合，使网状结构连接不起来，结果形成不完全的细胞使网状结构连接不起来，结果形成不完全的细胞壁。没有细胞壁保护的细胞膜
21、由于膜内外的渗透壁。没有细胞壁保护的细胞膜由于膜内外的渗透压差，是细胞膜受到机械损伤，失去了作为渗透压差，是细胞膜受到机械损伤，失去了作为渗透障碍物的作用，从而使谷氨酸排出。另一种解释障碍物的作用，从而使谷氨酸排出。另一种解释是：青霉素虽不能抑制磷脂的合成，但能造成磷是：青霉素虽不能抑制磷脂的合成，但能造成磷脂向胞外分泌。表脂向胞外分泌。表6-5 6-5 CH2OHOCH2OHOOOCH3-CH-C=ONHC CH3HC=ONHCH-OOC（CH2）2C=OC=ONHC(CH2)4HOHNHC=OCH3NHC=OCH3L-AlaD-GluNH3+NHCCH3HC=OL-LysD-Ala（Gly
22、）5NAMNAG肽聚糖结构NH二、核苷酸的分泌二、核苷酸的分泌 核苷酸不容易分泌到细胞外。核苷酸不容易分泌到细胞外。MnMn2+2+对产氨短杆对产氨短杆菌核苷酸分泌起关键作用。菌核苷酸分泌起关键作用。MnMn2+2+可引起细胞形态可引起细胞形态变化，在肌苷变化，在肌苷-磷酸（磷酸（IMPIMP）发酵中，控制）发酵中，控制MnMn2+2+限限量，造成细胞膨胀，呈不规则型，膜产生异常，量，造成细胞膨胀，呈不规则型，膜产生异常，膜通透性被破坏，膜通透性被破坏，IMPIMP、HxHx和和R-5-PR-5-P都分泌于体外；都分泌于体外；当当MnMn2+2+过量时，菌体呈小球状，抑制这些物质的过量时，菌体
23、呈小球状，抑制这些物质的分泌。分泌。三、胞外酶的分泌三、胞外酶的分泌第四章第四章 异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化第五章第五章 自养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化第六章第六章 微生物的合成代谢微生物的合成代谢一、微生物代谢过程中的自我调节一、微生物代谢过程中的自我调节一、微生物代谢过程中的自我调节一、微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢调节系统的特点：微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：成因：细胞体积小，所处环境多变。细胞体积小，所处环境多变。举例：举例：大肠杆菌细胞中存在大肠杆菌
24、细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？解决方式：解决方式：组成酶（组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞底物或其类似物存在时才合成，诱导
25、酶的总量占细胞总蛋白含量的总蛋白含量的10%。第七章第七章 微生物代谢调节微生物代谢调节Plac工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。产物。代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。使代谢朝着人们希望的方向进行。人工控制代谢的手段：人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性改变微生物遗传特性(遗传学方法）；遗传学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；改变细胞膜透性；改变细胞膜透性；第一节第一节 代谢调节的部位代谢调节的部位一、
26、控制营养物质透过细胞膜进入细胞一、控制营养物质透过细胞膜进入细胞二、通过酶的定位控制酶与底物的接触二、通过酶的定位控制酶与底物的接触三、控制代谢物流向三、控制代谢物流向:一、细胞（及细胞器）膜一、细胞（及细胞器）膜1 1）细胞膜既是溶质进出细胞的主要屏障，有是养分吸收）细胞膜既是溶质进出细胞的主要屏障，有是养分吸收和分泌的通道。通过对透性酶本身的合成控制以及和分泌的通道。通过对透性酶本身的合成控制以及ATPATP的的供应，可以调节基质的输入。中间产物的透性，可以通过供应，可以调节基质的输入。中间产物的透性，可以通过控制环境条因素，影响膜双分子层中的磷脂和细菌细胞壁控制环境条因素，影响膜双分子层
27、中的磷脂和细菌细胞壁的肽聚糖的形成来调节。的肽聚糖的形成来调节。2 2）真核微生物膜密切相关的调节有：）真核微生物膜密切相关的调节有：环境条件对膜脂理化性质的影响；环境条件对膜脂理化性质的影响；膜蛋白质的绝对数量及其活性的调节；膜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跨膜的电化学梯度以及ATPATP、ADPADP、AMPAMP体系及无机磷浓体系及无机磷浓度对溶质输送的调节。度对溶质输送的调节。细胞壁结构的部分破坏或变形，间接影响到膜对溶质的细胞壁结构的部分破坏或变形，间接影响到膜对溶质的通透性。通透性。1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞控制营养物质透过细胞膜进入细胞 如：只有当速
28、效碳源或氮源耗尽时，微生物如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。的酶系统。二、酶本身二、酶本身1.1.调节酶的生成量调节酶的生成量 基因水平调节基因水平调节2.2.调节酶的活性调节酶的活性 分子水平调节分子水平调节 1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如物流向：如:两种两种Glu脱氢酶脱氢酶：以以NADP为辅基为辅基 Glu合成合成 以以NAD为辅基为辅基 Glu分解分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。通过调节酶的活性
29、或酶的合成量。关键酶关键酶:某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。粗调：调节酶的合成量粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。通过调节产能代谢速率。控制代谢物流向：控制代谢物流向：(通过酶促反应速度来调节通过酶促反应速度来调节)三、酶与底物的相对位置及间隔状况三、酶与底物的相对位置及间隔状况1 1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使某种特异的功能；某种特异的功能；2 2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能：）原核
30、微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能：与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；同核苷酸吸收有关的酶在同核苷酸吸收有关的酶在G G-菌的周质区。菌的周质区。第二节第二节 酶活性的调节酶活性的调节通通过过改改变变现现成成的的酶酶分分子子活活性性来来调调节节新新陈陈代代谢谢的的速速率率的的方方式式。是是酶酶分分子子水水平平上的调节，属于精细的调节。上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式（一）调节方式：包括两个方面：包括两个方面：1、酶酶活活性性的的激激活活：在在代代谢谢途途径径中中后后面面的的反反应应可
31、可被被较较前前面面的的反反应应产产物物所所促促进的现象；常见于分解代谢途径。进的现象；常见于分解代谢途径。如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进2、酶活性的抑制、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。：包括：竞争性抑制和反馈抑制。反馈反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。凡使反应速度加快的称凡使反应速度加快的称正反馈正反馈；凡使反应速度减慢的称凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）负反馈（反馈抑制）；反反馈馈抑抑制制主主要要表表现现在在某某代代
32、谢谢途途径径的的末末端端产产物物过过量量时时可可反反过过来来直直接接抑抑制制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除如：天门冬氨酸转氨甲酰酶受如：天门冬氨酸转氨甲酰酶受ATP激活，激活，受受CTP抑制（终产物）。抑制（终产物）。大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有激活剂和抑制剂（表激活剂和抑制剂（表3-1）。共同控制糖）。共同控制糖代谢。代谢。二、酶活性调节的方式二、酶活性调节的方式1
33、.1.终产物抑制与激活终产物抑制与激活2.2.底物水平的抑制与激活底物水平的抑制与激活3.3.辅助因子的调节辅助因子的调节4.4.酶原的激活酶原的激活5.5.潜在酶的激活潜在酶的激活1.1.无分支途径的调节方式无分支途径的调节方式（1 1）前馈作用（前馈作用（feedforwordfeedforword）指的是在代谢途径中前指的是在代谢途径中前面的底物对其后某一催化反应的酶又作用。该作用可以面的底物对其后某一催化反应的酶又作用。该作用可以是对酶活性的抑制或激活。是对酶活性的抑制或激活。（2 2）终产物抑制终产物抑制 反馈抑制反馈抑制主要表现在某代谢途径主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过
34、来直接抑制该途径中第一个酶的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。（3 3）补偿性激活补偿性激活 分支代谢途径中，当某一终产物的合分支代谢途径中，当某一终产物的合成需要两种前体时，另一前体物的大量存在可能激活受成需要两种前体时，另一前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的酶的活性。终产物抑制的酶的活性。1.协同反馈抑制concerted feedback inhibitionconcerted feedback inhibition定义：分支代谢途径中几个末定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才
35、能抑制共端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。馈调节方式。举例：谷氨酸棒杆菌举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）多粘芽孢杆菌（多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。酸的协同反馈抑制和阻遏。二、分支代谢途径的调节方式二、分支代谢途径的调节方式 天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸 E,RE,R 4-4-磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸E E天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛天
36、冬氨酸半醛天冬氨酸半醛E,RE,R E E二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸E,RE,R R R O-O-琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸 E,RE,R六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸 胱硫醚胱硫醚胱硫醚胱硫醚 2-2-酮丁酸酮丁酸酮丁酸酮丁酸 R R 二氨基庚二酸二氨基庚二酸二氨基庚二酸二氨基庚二酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸 R R 赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸 甲硫氨酸甲硫
37、氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸 天冬氨酸族天冬氨酸族（谷氨酸棒杆菌）（谷氨酸棒杆菌）2.积累反馈抑制积累反馈抑制cumulative feedback inhibitioncumulative feedback inhibition定义：每一分支定义：每一分支途径末端产物按途径末端产物按一定百分比单独一定百分比单独抑制共同途径中抑制共同途径中前面的酶，所以前面的酶，所以当几种末端产物当几种末端产物共同存在时它们共同存在时它们的抑制作用是积的抑制作用是积累的，各末端产累的，各末端产物之间既无协同物之间既无协同效应，亦无拮抗效应，亦无拮抗作用。作用。3.合作反馈抑制coop
38、erative feedback cooperative feedback inhibitioninhibition定义：定义：两种末端产物两种末端产物同时存在时，共同的同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二反馈抑制作用大于二者单独作用之和。者单独作用之和。举例：举例：在嘌呤核苷酸在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受磷酸酶受AMP和和GMP（和（和IMP）的）的合作反馈抑制，二者合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，而二者单独过量时，分别抑制其活性的分别抑制其活性的70%和和10%。（5 5）顺序反馈抑制）
39、顺序反馈抑制sequential sequential feedback inhibitionfeedback inhibition 一一种种终终产产物物的的积积累累,导导致致前前一一中中间间产产物物的的积积累累，通通过过后后者者反反馈馈抑抑制制合合成成途途径径关关键键酶酶的的活活性性，使使合合成终止。成终止。举例：枯草芽孢举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基杆菌芳香族氨基酸合成的调节酸合成的调节5.同功酶调节isoenzyme定义：定义：定义：定义：催化相同的生化反催化相同的生化反催化相同的生化反催化相同的生化反应，而酶分子结构有差应，而酶分子结构有差应，而酶分子结构有差应，而酶分子结构有差别的一组
40、酶。别的一组酶。别的一组酶。别的一组酶。意义：意义：意义：意义：在一个分支代谢途在一个分支代谢途在一个分支代谢途在一个分支代谢途径中，如果在分支点以径中，如果在分支点以径中，如果在分支点以径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是前的一个较早的反应是前的一个较早的反应是前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，由几个同功酶催化时，由几个同功酶催化时，由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终则分支代谢的几个最终则分支代谢的几个最终则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个产物往往分别对这几个产物往往分别对这几个产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。同功酶发生抑制作用。同功酶发生抑制作用。同功酶发生抑
41、制作用。某一产物过量仅抑制某一产物过量仅抑制某一产物过量仅抑制某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。相应酶活，对其他产物没影响。相应酶活，对其他产物没影响。相应酶活，对其他产物没影响。举例：举例：举例：举例：大肠杆菌的天冬氨大肠杆菌的天冬氨大肠杆菌的天冬氨大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节酸族氨基酸合成的调节酸族氨基酸合成的调节酸族氨基酸合成的调节天冬氨酸族 天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸E,RE,RE,RE,R III I III I III I III IE,RE,RE,RE,R4-4-4-4-磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸E E E E天冬氨酸半醛天冬氨酸半
42、醛天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛E,RE,RE,RE,R II I II I II I II I E E E E二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸同型丝氨酸磷酸E,RE,RE,RE,R R R R R O-O-O-O-琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸 E,RE,RE,RE,R六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸六氢吡啶二羧酸 胱硫醚胱硫醚胱硫醚胱硫醚 2-2-2-2-酮丁酸酮丁酸酮丁酸酮丁酸 R R R R 二氨基庚二酸二氨基庚二酸
43、二氨基庚二酸二氨基庚二酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸同型半胱氨酸 R R R R 赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸（1）平衡合成 在黄色短杆菌（在黄色短杆菌（在黄色短杆菌（在黄色短杆菌（Brevibacterium flavusBrevibacterium flavus）中天冬）中天冬）中天冬）中天冬氨酸的合成氨酸的合成氨酸的合成氨酸的合成PEPPEP PyPy草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoAAspAsp 柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸ATPATPCOCO2 23.代谢途径的横向调节（2）代谢互锁表面完全
44、不相关的两条途径之间的调节。这种作用一般在高浓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。度下才显示，且为部分抑制。度下才显示，且为部分抑制。度下才显示，且为部分抑制。AspAspAspAspAsp-pAsp-pAsp-pAsp-pAsaAsaAsaAsaDAPDAPDAPDAPLysLysLysLys，二氢吡啶二，二氢吡啶二，二氢吡啶二，二氢吡啶二羧酸合成酶羧酸合成酶羧酸合成酶羧酸合成酶HseHseHseHseThrThrThrThr Ile Ile
45、 Ile IlePyPyPyPy 异丙基异丙基异丙基异丙基LeuLeuLeuLeu 苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸(三三)酶活力调节的机制酶活力调节的机制变构酶理论：变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。位，一个是活性中心，另一个是调节中心。活性位点活性位点:与底物结合与底物结合变构位点变构位点:与抑制剂结合与抑制剂结合,构象变化构象变化,不能与底物结合不能与底物结合 与激活剂结合与激活剂结合,构象变化构象变
46、化,促进与底物结合促进与底物结合 变构酶根据变构酶蛋白的作用，可以把它们分为两类根据变构酶蛋白的作用，可以把它们分为两类:(1)(1)非酶变构蛋白酶非酶变构蛋白酶 主要包括调节蛋白和受控载体主要包括调节蛋白和受控载体蛋白。调节蛋白即由调节基因编码的在操纵子表达中蛋白。调节蛋白即由调节基因编码的在操纵子表达中起调节作用的蛋白，其本身没有催化活性，但是它们起调节作用的蛋白，其本身没有催化活性，但是它们可以控制相应的酶的活性，或影响酶与蛋白质的合成。可以控制相应的酶的活性，或影响酶与蛋白质的合成。有些载体蛋白也是变构蛋白，如乳糖透性酶。有些载体蛋白也是变构蛋白，如乳糖透性酶。（2 2）变构酶）变构酶
47、2.2.共价修饰调节理论共价修饰调节理论（1 1）可逆性共价修饰）可逆性共价修饰（2 2）不可逆共价修饰）不可逆共价修饰3.3.其他调节方式其他调节方式（1 1）缔合与解离）缔合与解离（2 2）竞争性抑制）竞争性抑制第二节 酶合成的调节通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。（一）酶合成调节的类型（一）酶合成调节的类型1.诱导诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的
48、过程。微生物通过诱导作用而产生成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为的酶称为诱导酶（诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。的酶类）。举例：举例：E.coli在含乳糖的培养基中合成在含乳糖的培养基中合成-半乳糖苷酶和半乳糖半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。苷渗透酶等。诱导物诱导物(inducer)：底物或结构类似物，如：异丙基：底物或结构类似物，如：异丙基-D-硫硫代半乳糖苷（代半乳糖苷（IPTG，isopropylthiogalactoside）。）。诱导作用的类型诱导作用的类型：同时诱导同时诱导：诱导物加入后，微生物
49、能同：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。顺序诱导顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。组成酶（固有酶）组成酶（固有酶）：不依赖底物或底物结构类似：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：物的存在而合成的酶。如：EMPEMP途径的一些酶。途径的一些酶。诱导酶：诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。合成的酶。如：乳糖酶
50、。（一）酶合成调节的类型-22.阻遏（repressionrepression）：是阻碍是阻碍是阻碍是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶一系列酶一系列酶一系列酶的的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。成。阻遏作用的类型阻遏作用的类型：末端产物阻遏（末端产物阻遏（end-product repression）：由于终）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要