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ABCDE1、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）：ABCDE•补偿性激活（compensatoryaetivation）：ABCDEFGHI（1）协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibition）ABCFGDEH2、分支代谢途径的调节方式ASPASP-PAsaLysThrAK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）ABCDEGF30%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）EABCDFGDAHPCAPerTyrPheDS枯草芽孢杆菌中芳香族氨基酸合成的顺序反馈抑制PEP+E4PHPPAPPAAATrpABCFGDEH（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ABCDEE1FGE2E3（1）平衡合成（2）代谢互锁ABCDEFXYGHI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。AspAsp-pAsaDAPLys，二氢吡啶二羧酸合成酶HseThrIlePy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