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第五章微生物的代谢调节微生物在生长过程中，机体内的复杂的代谢过程可以互相协调，相辅相成，导致微生物的生理活动过程同环境高度地统一起来，这是通过代谢调节的方式来实现的。第一节微生物代谢调节概论生物体的代谢是和其周围环境分不开的。生物具有适应环境的能力，只有随着环境的变化，生物机体才能同时调整和改变其体内的代谢过程去适应新的环境，才能生存和发展，否则只能被淘汰。代谢的平衡是动态的、相对的，生物界存在三种不同水平上的调节：细胞内调节----微生物属此类，最原始的也是基本的调节激素调节----是高一级的调节方式神经调节----最高级的调节方式后两种在高等生物中进行，同时也进行细胞内调节。一、微生物代谢调节的方式1、细胞透性的调节2、代谢途径区域化3、代谢流向的调控4、代谢速度的调控1、细胞透性的调节细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。大多数基质输入细胞需要借助透性酶和能量，所以通过控制透性酶本身的合成及ATP的供应，可以调节基质的输入。2、代谢途径区域化真核微生物细胞内，各种酶系被细胞器隔离分布，底物分别储存在各种有膜的细胞器内，从而影响酶与底物的作用。•例如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，与DNA合成的酶位于细胞核内。原核微生物的细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集中在某一区域，保证该代谢途径的酶促反应正常进行。•例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，分解大分子的水解酶，阴性细菌位于壁膜间隙中，阳性细菌则分泌至胞外。3、代谢流向的调控微生物在不同的条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢的流向。这种控制可按以下方式进行：由一个关键酶控制的可逆反应：同一个酶可以通过不同的辅基或辅酶控制代谢物的流向。•例如：3-磷酸甘油醛脱氢酶，在EMP途径中催化3-磷酸甘油醛氧化成3-磷酸甘油酸；但在卡尔文循环中则催化3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛，前者是NAD+为辅酶，后者则以NADP+为辅酶。由两种酶控制的逆单向反应：即在一个“可逆”反应中，其中一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖己糖激酶6-磷酸葡萄糖+H2O葡萄糖+Pi6-磷酸葡萄糖酯酶4、代谢速度的调控在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用而实现的，也就是说，细胞内各种酶类的活性都处在受控制的状态下，必须根据细胞对能量以及对合成某些组分的要求而进行各种酶促反应，并可随时减慢或加速某一物质（氨基酸等）的合成。微生物的代谢调节一般指反应速度的调节和对代谢途径方向的控制两个方面，但后者必须在前者的基础上进行。二、细胞调节的类型：1、酶活性调节——属代谢调节，对已有酶分子的活性调节（酶化学水平）；酶活性的调节主要通过终产物或中间产物对已有的酶分子活性的激活或抑制来控制代谢速率（也称反馈抑制），包括正反馈、负反馈(分解代谢中较多见如EMP），在代谢途径中的第一个酶一般称为限速酶，反馈抑制中，终产物总是往往抑制限速酶，有分支代谢途径的情况相对较复杂，因在分支途径中也有“第一个酶”（限速酶）。2、酶合成调节——属基因调节，调节酶分子的合成量（遗传学水平）；酶合成的调节（基因调节）主要通过酶量的变化来控制代谢速率。主要通过:诱导式导致酶的合成阻遏式阻止酶的合成以上两种调节均能改变代谢途径中的物质流，可使细胞系统中的物质既不会堆积起来造成浪费，也不会因代谢短缺而供不应求，始终能保持各种代谢物的浓度相对稳定或代谢过程的动态平衡。第二节酶活性的调节酶活性的调节是通过改变代谢途径中一个或几个关键酶的活性来调节代谢速度的调节方式。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个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质后，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，从而使酶促反应速度提高的过程。激活剂可以是外源物质、金属离子或机体代谢过程中产生与累积的代谢产物（主要）。代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活，主要有两种情况：前体激活和代谢中间产物的反馈激活(较少见)。ABCDE前体激活：代谢途径中后面的酶促反应可被该途径中较前面的一个中间物所促进。ABCDE反馈激活：代谢途径中间产物对该途径中前面的酶起激活作用。（二）酶活性的抑制指在某个酶促反应系统中，加入某种低分子量的物质后，导致酶活力降低的过程。抑制剂可以是外源物质（竞争性抑制）和机体自身代谢过程中产生与累积的代谢产物（反馈抑制）二、酶活性调节的类型（一）反馈调节的模式反馈指的是代谢反应某些中间代谢物或末端产物对前面反应的影响。包括正反馈和负反馈，其中以负反馈为主。单向途径的反馈调节(2种)单价终产物的反馈抑制前馈作用分支途径的反馈抑制(5种)协同反馈抑制累积反馈抑制增效反馈抑制顺序反馈抑制同功酶调节1．单价终产物的反馈抑制（负反馈,negativefeedback）终产物X抑制限速酶2．前馈作用前体代谢物的激活（前馈激活）----指前体代谢物对催化后阶段反应中某酶的激活作用。前馈抑制：指前体代谢物对催化后阶段反应中某酶的抑制作用。乙酰CoA+CO2+H2O+ATP乙酰CoA羧化酶丙二酸单酰CoA+ADP+Pi中间代谢物的激活（反馈激活）----指中间代谢物对途径中的前阶段或第一个酶活性的激活。3．协同反馈抑制(concertedfeedbackinhibition)有2种情况①在分支代谢途径中有2个或2个以上终产物同时过量时(E，G)，可抑制共同途径的起始步骤，单独过量时不表现抑制作用（协同反馈抑制或多价反馈抑制）。②当终产物单独过量时，抑制各终产物前的酶活性，不抑制共同途径酶活性，只有同时过量时，才协同抑制。天冬氨酸族的氨基酸，包括赖氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和异亮氨酸，这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，该酶活性也受这些氨基酸的反馈抑制。天冬氨酸酶在反馈控制方面存在较大的差异，实际上存在多价抑制、协同抑制2种情况，甚至也有同功酶的调节作用（催化同一组反应的酶，酶蛋白分子不同）。4．累积反馈抑制分支代谢途径中的几个终产物，任何一个过量时都能对共同途径中的某个酶产生部分抑制作用，总的效果是累加的，并且各个末端产物所引起的抑制作用互不影响，只是影响这个酶促反应的效率。5．增效反馈抑制分支代谢途径的几个终产物，其中任何一个过量时仅部分抑制共同途径中某个酶的活性。同时过量时，其抑制程度可超过各产物单独存在时抑制值的总和。6．顺序反馈抑制通过逐步调节，达到平衡。（终产物过量并分步进行调节）7．同功酶反馈抑制的调节是指一组不同的酶蛋白分子催化同一种反应。同功酶对细胞发育代谢调节是很重要的。在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的酶――a1、a2……,每一种代谢终产物只对一种同功酶有反馈抑制作用，只有所有终产物同时过量才分别作用于几种同功酶而使反应不能进行（但也可通过各自的反馈调节，使代谢过程能达到平衡）。当其中的一种同功酶受到抑制时，其余的仍在起作用，这是生物体对环境变化或代谢变化的另一种调节方式。三、酶活性调节的分子基础前述“酶活性调节的类型”中虽有多种模式，但也有共同特性，尤其是在分支代谢过程中，每一条分支途径的终产物控制该分支后的第一个酶，而有时各分支途径的终产物对整个途径的第一个酶有部分控制作用，从而控制整个代谢的进行。可以这样说，除了限速反应本身在体内起着流量控制作用以外，更重要的是处在该限速反应的酶的参与，而其中大多数是调节酶，包括别构酶、同功酶、共价调节酶等。（一）同功酶与代谢调节是指催化同一反应，酶分子结构组成有异的一组酶，由两个或两个以上的肽链聚合而成。每一种代谢终产物只对一种同功酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时才分别作用于几种同功酶而使反应不能进行。如：天冬氨酸激酶有3种同功酶，高丝氨酸脱氢酶有2种，如抑制其中的一种同功酶，反应继续进行。同功酶还存在于枯草杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的氨基酸合成途径中（芳香族）。（二）多功能酶与代谢调节多功能酶是催化两种或两种以上的化学反应的酶，一般它们具有多催化部位，这种酶在某种条件下，某催化部位活化而催化一种反应，其他的活性部位受到抑制。这种多功能酶在代谢调节中具有较灵活的调节作用。前面的大肠杆菌天冬氨酸激酶Ⅰ（AK1）和高丝氨酸脱氢酶Ⅰ（HD1）是一种多功能酶分子，由4个亚基组成，2种酶活性中心同在一个亚基，其氨基端为天冬氨酸激酶，羧基端为高丝氨酸脱氢酶；AK2和HD2也是一种多功能酶（同一条多肽链即同一酶蛋白）催化两种反应，当其中一种产物过剩时，可向另一产物方向合成，调节较灵活。（三）变构酶（变位酶、别构酶）与代谢调节1．变构酶的结构、变构效应及其调节物结构：是调节酶中较重要的一种酶，同时兼有酶活性中心和别构中心，它们处于酶分子的不同部位。其中活性中心负责酶与底物的结合，别构中心负责调节酶的活性。调节酶活性的调节分子，一般是底物，也可以是底物以外的代谢物。变构效应：调节物或效应物与酶分子的别构中心结合后，诱导或稳定住该分子的某种构象，因结合后的该亚基形状即改变――并可促使其他亚基的结合部位发生变化，从而导致酶活性中心与底物的结合受到影响，调节酶的反应速度及代谢过程。变构效应有2种情况：（1）同促效应，调节物即底物，一般有2个以上底物结合中心，其调节作用取决于被占据的底物结合中心数。（2）异促效应：调节物不是底物分子，是底物以外的代谢物。更多的别构酶兼有同促-异促效应。2．变构酶对酶反应速度的调节变构酶反应初速度不符合典型的米氏方程，而是S形曲线，这是一种“正同促反应”或“正协调性”、“协同结合”，酶与底物分子（或调节物）结合后，构象发生变化，新构象有利于后续分子与酶分子的结合，指亲和性。也有负协同效应的别构酶，底物与酶分子结合后，构象的变化使后续分子与酶的亲和性降低――负协调性。可以用Rs来判断三类酶：典型的米氏类型酶Rs＝81正协同别构酶Rs81负协同别构酶Rs813.变构作用机制的分子模型①协调模型（齐变、对称模型）变构酶存在两种构象状态，，即R状态（催化状态或松弛态）和T状态（抑制状态或紧张态），在两种状态间有一个平衡，添加底物、激活剂或抑制剂可以使R状态和T状态两种构象状态的平衡发生移动，底物和激活剂对R状态亲和性大，当激活剂与酶的一个亚基结合后，所有亚基都变成易于与底物结合的活化型，结果提高了酶的活性，反之，抑制剂与酶结合后变成抑制型，使酶活性降低或消失。②顺序模型（序变模型）该模型认为，酶的活化型和抑制型之间有一个连续的中间状态，当激活剂与酶的一个亚基结合后，其余的亚基的构象逐个依次变化，最后形成活化型的酶分子。反之，抑制剂与酶分子结合后，各个亚基经顺序变构后，形成抑制型的酶分子。4.效应物对变构酶的影响凡能与酶的别构部位结合并产生正或负的协同效应的物质称为效应物，即变构激活剂或抑制剂。5．变构酶对代谢调节举例变构酶分子上的催化中心和调节中心处于不同的空间部位，因此它使催化活性和调节活性成为两个独立的系统。催化过程不限制调节过程，但调节系统却可以影响催化系统。变构酶学说得到不少实验的支持，最有利的证明是脱敏感作用。脱敏感作用：采用温和的变性条件处理变构酶，使变构酶失去对调节剂的敏感性，但不改变其催化活性。例如大肠杆菌的天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）CTP为负效应物，ATP为正效应物。6．多价别构酶的调节酶分子上有许多变构位点，如分支代谢途径，一种终产物抑制部分酶活性，所有终产物抑制全部酶活性（累积反馈抑制）。（四）共价调节酶与代谢调节（修饰调节）对酶分子多肽链上的某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于有活性与无活性的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢反应的速度和方向。与别构调节不同，共价调节是酶分子共价键发生了改变，而变构调节只是酶分子单纯的构象变化。共价调节酶的特点是：它可以在另