第四章微生物代谢的调节 l/17 第四章微生物代谢的调节 微生物的新陈代谢错综复杂,参与代谢的物质又多种多样,即使同一种物质也会有不同 的代谢途径,而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。在长期的进化过 程中,微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系,能严格地控制代谢活动,使之 有序而高效地运行,并能灵活地适应外界环境,最经济地利用环境中的营养物。 微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点,目前,人们对此了解还十分有限。本章 将主要讨论对酶的调节。微生物细胞内的遗传物质上储存着能催化所有生化反应所需的酶以 及调节酶活性的信息。微生物可以按照适应环境的需要调节酶的表达(即酶蛋白的合成)及 调节酶的活性(即酶的激活或抑制)。 了解微生物的代谢调节系统不仅有理论意义,更重要的是能有目的地改造微生物和为微 生物提供最适合的环境条件,使微生物能最大限度地生产人类所需的代谢产品。从某种意义 上讲,越是理想的高产菌株,背离它自然进化中发展起来的调控机制就越远。遗传育种工作 就是为获得目标代谢产物合成不受或少受代谢调控的“不正常”的菌株 4.1酶合成的调节 这是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水 平上进行,对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。它的优点是通过阻止酶的过量合成 能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节主要有两种类型:酶的诱导和酶的阻遏 4.1.1醇的诱导( Enzyme induction) 按照酶的合成与环境影响的不同关系,可以将酶分为两大类,一类称为组成酶 ( Structural enzymes),它们的合成与环境无关,随菌体形成而合成,是细胞固有的酶,在 菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径(EMP)有关的酶。另一类酶称为诱导酶( Inducible enzyme),只有在环境中存在诱导剂( Inducer)时,它们才开始合成,一旦环境中没有了诱 导剂,合成就终止。例如,在对数生长期的大肠杆菌(E.coli)培养基中加入乳糖,就会产 生与乳糖代谢有关的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。这时,细胞生长速度和总的蛋白质 合成速度几乎没有改变,见图4.1.1。这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称 为酶的诱导 总蛋白质 相 对细胞数量 8半乳糖 加入乳糖 时间 图4.1.1.培养基中加入乳糖诱导β半乳糖苷酶的合成 早期,诱导酶被称为“适应酶”。有人发现某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才会 产生淀粉酶;而曲霉只有生长在含有蔗糖的培养基中才会产生蔗糖酶。 Karstron(1931-1938 曾系统地研究了这种适应现象,见表4.1.1。表中显示,只有事先生长在含乳糖的培养基中 的肠膜状明串珠菌才能发酵乳糖,只有事先生长在含阿拉伯糖的培养基中,该菌才能发酵阿 拉伯糖。但是,无论事先是生长在含葡萄糖、阿拉伯糖、乳糖或是不含糖而含其它碳源的培
第四章 微生物代谢的调节 1/17 第四章 微生物代谢的调节 微生物的新陈代谢错综复杂，参与代谢的物质又多种多样，即使同一种物质也会有不同 的代谢途径，而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。在长期的进化过 程中，微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系，能严格地控制代谢活动，使之 有序而高效地运行，并能灵活地适应外界环境，最经济地利用环境中的营养物。 微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点，目前，人们对此了解还十分有限。本章 将主要讨论对酶的调节。微生物细胞内的遗传物质上储存着能催化所有生化反应所需的酶以 及调节酶活性的信息。微生物可以按照适应环境的需要调节酶的表达（即酶蛋白的合成）及 调节酶的活性（即酶的激活或抑制）。 了解微生物的代谢调节系统不仅有理论意义，更重要的是能有目的地改造微生物和为微 生物提供最适合的环境条件，使微生物能最大限度地生产人类所需的代谢产品。从某种意义 上讲，越是理想的高产菌株，背离它自然进化中发展起来的调控机制就越远。遗传育种工作 就是为获得目标代谢产物合成不受或少受代谢调控的“不正常”的菌株。 4.1 酶合成的调节 这是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水 平上进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。它的优点是通过阻止酶的过量合成， 能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。 4.1.1 酶的诱导(Enzyme induction) 按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类，一类称为组成酶 (Structural enzymes)，它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在 菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径（EMP）有关的酶。另一类酶称为诱导酶(Inducible enzyme)，只有在环境中存在诱导剂（Inducer)时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱 导剂，合成就终止。例如，在对数生长期的大肠杆菌（E.coli）培养基中加入乳糖，就会产 生与乳糖代谢有关的-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。这时，细胞生长速度和总的蛋白质 合成速度几乎没有改变，见图 4.1.1。这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称 为酶的诱导。 图 4.1.1. 培养基中加入乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成 早期，诱导酶被称为“适应酶”。有人发现某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才会 产生淀粉酶；而曲霉只有生长在含有蔗糖的培养基中才会产生蔗糖酶。Karstron(1931-1938) 曾系统地研究了这种适应现象，见表 4.1.1。表中显示，只有事先生长在含乳糖的培养基中 的肠膜状明串珠菌才能发酵乳糖，只有事先生长在含阿拉伯糖的培养基中，该菌才能发酵阿 拉伯糖。但是，无论事先是生长在含葡萄糖、阿拉伯糖、乳糖或是不含糖而含其它碳源的培
第四章微生物代谢的调节 养基中的肠膜状明串珠菌,一旦转移到葡萄糖培养基中时,都能立即发酵葡萄糖。跟据这 现象, Karstron认为该菌与阿拉伯糖或乳糖发酵有关的酶是适应酶,而发酵葡萄糖的酶是 组成酶。 表4.1.1肠膜状明串珠菌适应藤的生成 预培养基中‖能发酵 含糖的种类「葡萄糖乳糖 阿拉伯糖 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 其后,人们发现适应现象不仅存在于微生物利用某些糖的酶系,微生物对蛋白质、氨基 酸及芳香族化合物等的利用也存在这种适应现象。甚至细胞色素和细菌叶绿素也是由适应酶 催化生成的。酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色素,环境无氧时,细胞色素就消失,再回 到有氧环境,又恢复生成细胞色素。紫色细菌的叶绿素在黑暗中消失,见光后又会恢复合成 能力。因此,适应酶普遍存在于整个微生物世界中。 Monod和cohn(1952)在研究大肠杆菌β-半乳糖苷酶适应生成的问题时,发现酶底物 (乳糖)的结构类似物,如甲基β-D-硫代半乳糖苷,也可以象乳糖一样,诱导β-半乳糖苷 酶的生成,相反,有些可以作为该酶底物的物质,如苯基-β-D半乳糖苷,却不能诱导β-半 乳糖苷酶的合成。因此,他们将适应酶改称为诱导酶,将诱导酶生成的物质称为诱导物。在 大多数情况下,诱导酶的底物就是有效的诱导物。但然,诱导物不一定就是诱导酶的底物, 有些非底物的诱导剂比底物具有更好的诱导效果,见表4.1.2 表4.1.2某些诱导酶的正常底物和非底物高效诱导物 正常底物 非底物的高效诱导剂 半乳糖苷酶 乳糖 异丙基→βD硫代半乳糖苷 青霉素酶 苄基青霉素 2,6-二甲氧基苯基青霉素 厅烯二酸顺反异构酶 顺丁烯二酸 丙二酸 脂肪族酰胺酶 乙酰胺 甲基乙酰胺 甘露糖链霉素酶 甘露糖 α-甲基甘露糖苷 Monod和 Jacob(1961)提出了操纵子学说用于解释酶的诱导机制。操纵子( Operon) 指一组功能上相关的基因,它们由启动基因( Promoter)、操纵基因 (operator)和结构基因 ( Structural gene)三部分组成,见图4.1.2。启动基因是一种能被依赖于DNA的RMA聚合 酶所识别的碱基序列,它既是RNA聚合酶的结合位点,又是转录的起始点。操纵基因是位于 启动基因和结构基因之间的碱基序列,它能与阻遏物( Repressor)相结合,以此来决定结构 基因的转录能否进行。结构基因是确定酶蛋白氨基酸序列的DNA模板,可根据它的碱基序列 转录生成mRNA,然后再通过蛋白质翻译生成相应的酶。一个操纵子往往含有多个结构基因 如大肠杆菌的乳糖操纵子中就有三个紧邻的结构基因,分别是β-半乳糖苷酶(水解乳糖) β-半乳糖苷透过酶(控制乳糖透过细胞膜进入细胞)和半乳糖苷转乙酰酶(催化从乙酰CoA 转移乙酰基到半乳糖苷受体上)的遗传基因。在操纵子附近还有调节基因( Regulator gene) 它是编码调节蛋白( Regulatory protein)的基因。调节蛋白是一类变构蛋白,它有两个特 殊的位点,其中的一个位点能与操纵基因结合,另一个能与效应物结合。在酶的诱导中,调 节蛋白就是阻遏物。效应物就是诱导物。大肠杆菌乳糖操纵子的阻遏蛋白已被分离纯化,它 的分子量约为160,00,由四个相同的亚单元所组成。在没有诱导物存在时,阻遏物与操纵 基因相结合,使得RNA聚合酶无法从起始点滑向结构基因,转录无法进行,结构基因处于休 眠状态。当诱导物出现时,阻遏物与诱导物结合,随即发生变构效应。经变构后阻遏物无法 再与操纵基因结合,操纵子的“开关”被打开,使结构基因的转录、翻译过程能够顺利进行 当诱导物耗尽后,阻遏物可再与操纵基因结合,操纵子的“开关”又被关上。这时,细胞内
第四章 微生物代谢的调节 2/17 养基中的肠膜状明串珠菌，一旦转移到葡萄糖培养基中时，都能立即发酵葡萄糖。跟据这一 现象，Karstron 认为该菌与阿拉伯糖或乳糖发酵有关的酶是适应酶，而发酵葡萄糖的酶是 组成酶。 表 4.1.1 肠膜状明串珠菌适应酶的生成 预培养基中 含糖的种类 能发酵 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 不含糖 + + + + - + - - - - + - 其后，人们发现适应现象不仅存在于微生物利用某些糖的酶系，微生物对蛋白质、氨基 酸及芳香族化合物等的利用也存在这种适应现象。甚至细胞色素和细菌叶绿素也是由适应酶 催化生成的。酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色素，环境无氧时，细胞色素就消失，再回 到有氧环境，又恢复生成细胞色素。紫色细菌的叶绿素在黑暗中消失，见光后又会恢复合成 能力。因此，适应酶普遍存在于整个微生物世界中。 Monod 和 Cohn（1952）在研究大肠杆菌-半乳糖苷酶适应生成的问题时，发现酶底物 （乳糖）的结构类似物，如甲基--D-硫代半乳糖苷，也可以象乳糖一样，诱导-半乳糖苷 酶的生成，相反，有些可以作为该酶底物的物质，如苯基--D-半乳糖苷，却不能诱导-半 乳糖苷酶的合成。因此，他们将适应酶改称为诱导酶，将诱导酶生成的物质称为诱导物。在 大多数情况下，诱导酶的底物就是有效的诱导物。但然，诱导物不一定就是诱导酶的底物， 有些非底物的诱导剂比底物具有更好的诱导效果，见表 4.1.2。 表 4.1.2 某些诱导酶的正常底物和非底物高效诱导物 酶 正常底物 非底物的高效诱导剂 -半乳糖苷酶 青霉素酶 丁烯二酸顺反异构酶 脂肪族酰胺酶 甘露糖链霉素酶 乳糖 苄基青霉素 顺丁烯二酸 乙酰胺 甘露糖 异丙基--D-硫代半乳糖苷 2,6-二甲氧基苯基青霉素 丙二酸 N-甲基乙酰胺 -甲基甘露糖苷 Monod 和 Jacob（1961）提出了操纵子学说用于解释酶的诱导机制。操纵子（Operon) 指一组功能上相关的基因，它们由启动基因(Promoter)、操纵基因(operator)和结构基因 (Structural gene)三部分组成，见图 4.1.2。启动基因是一种能被依赖于 DNA 的 RNA 聚合 酶所识别的碱基序列，它既是 RNA 聚合酶的结合位点，又是转录的起始点。操纵基因是位于 启动基因和结构基因之间的碱基序列，它能与阻遏物（Repressor)相结合，以此来决定结构 基因的转录能否进行。结构基因是确定酶蛋白氨基酸序列的 DNA 模板，可根据它的碱基序列 转录生成 mRNA，然后再通过蛋白质翻译生成相应的酶。一个操纵子往往含有多个结构基因， 如大肠杆菌的乳糖操纵子中就有三个紧邻的结构基因，分别是-半乳糖苷酶（水解乳糖）、 -半乳糖苷透过酶（控制乳糖透过细胞膜进入细胞）和半乳糖苷转乙酰酶（催化从乙酰 CoA 转移乙酰基到半乳糖苷受体上）的遗传基因。在操纵子附近还有调节基因（Regulator gene)， 它是编码调节蛋白（Regulatory protein)的基因。调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特 殊的位点，其中的一个位点能与操纵基因结合，另一个能与效应物结合。在酶的诱导中，调 节蛋白就是阻遏物。效应物就是诱导物。大肠杆菌乳糖操纵子的阻遏蛋白已被分离纯化，它 的分子量约为 160,000，由四个相同的亚单元所组成。在没有诱导物存在时，阻遏物与操纵 基因相结合，使得 RNA 聚合酶无法从起始点滑向结构基因，转录无法进行，结构基因处于休 眠状态。当诱导物出现时，阻遏物与诱导物结合，随即发生变构效应。经变构后阻遏物无法 再与操纵基因结合，操纵子的“开关”被打开，使结构基因的转录、翻译过程能够顺利进行。 当诱导物耗尽后，阻遏物可再与操纵基因结合，操纵子的“开关”又被关上。这时，细胞内
第四章微生物代谢的调节 已转录生成的皿RNA迅速被核酸内切酶降解,操纵子控制的有关酶蛋白在细胞内的含量急剧 下降。如果调节基因发生突变,正常的阻遏物无法产生,那么,操纵子的“开关”始终开启 着,原有的调节机制被解除,诱导酶就成了组成酶 操纵子 控制区 结构基因 DNA调节基因 启动基因操纵基因基因1基因2基因3 阻遏蛋白 (合阻蛋自*** DNA调节基因启动基因操纵基因基因1基因2基因3 RNA聚合 阻遏蛋白 mRNA 透导物阻遏蛋白 诱透导物) 诱导酶 图4.1.2酶诱导的操纵子模型1.没有诱导物存在时,结构基因的表达被阻断;2.在诱导 物存在时,结构基因表达生成诱导藤 酶的诱导又可以分为两种情况。一种是同时诱导,即加入一种诱导剂后,微生物能同时 或几乎同时合成几种酶,它主要存在于较短的代谢途径中,合成这些酶的基因由同一个操纵 子所控制。例如将乳糖加入到E.coli培养基中,即可同时诱导β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷 透过酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成,这三种酶都由乳糖操纵子控制。另一种称为顺序诱导 第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成,第一种酶的产物又可诱导第二种酶的合成,依此类 推合成一系列的酶。例如:先合成能分解底物的酶,再依次合成分解中间代谢物的酶,以达 到对较复杂代谢途径的分段调节。在 E. coli中,最初的诱导物乳糖诱导了代谢乳糖酶系的 合成,将乳糖转化成半乳糖,半乳糖在细胞内浓度升高,又触发与半乳糖代谢相关酶的诱导 合成,见图4.1.3 酶的类型诱导物 催化的反应 β-半乳糖苷透过酶 乳糖 β-半乳糖苷酶 诱导酶 半乳糖+葡萄糖 半乳糖苷激酶 乳糖 转移酶 差向异构酶 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 组成酶 参与糖酵解的酶 丙酮酸 图4.13有关分解乳糖酶的顺序诱导
第四章 微生物代谢的调节 3/17 已转录生成的 mRNA 迅速被核酸内切酶降解，操纵子控制的有关酶蛋白在细胞内的含量急剧 下降。如果调节基因发生突变，正常的阻遏物无法产生，那么，操纵子的“开关”始终开启 着，原有的调节机制被解除，诱导酶就成了组成酶。 图 4.1.2 酶诱导的操纵子模型 1. 没有诱导物存在时，结构基因的表达被阻断；2.在诱导 物存在时，结构基因表达生成诱导酶 酶的诱导又可以分为两种情况。一种是同时诱导，即加入一种诱导剂后，微生物能同时 或几乎同时合成几种酶，它主要存在于较短的代谢途径中，合成这些酶的基因由同一个操纵 子所控制。例如将乳糖加入到 E.coli 培养基中，即可同时诱导-半乳糖苷酶、-半乳糖苷 透过酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成，这三种酶都由乳糖操纵子控制。另一种称为顺序诱导， 第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成，第一种酶的产物又可诱导第二种酶的合成，依此类 推合成一系列的酶。例如：先合成能分解底物的酶，再依次合成分解中间代谢物的酶，以达 到对较复杂代谢途径的分段调节。在 E.coli 中，最初的诱导物乳糖诱导了代谢乳糖酶系的 合成，将乳糖转化成半乳糖，半乳糖在细胞内浓度升高，又触发与半乳糖代谢相关酶的诱导 合成，见图 4.1.3。 图 4.1.3 有关分解乳糖酶的顺序诱导 酶的类型 诱导物 酶 催化的反应 乳糖 -半乳糖苷透过酶 乳糖 乳糖 -半乳糖苷酶 诱导酶 半乳糖 + 葡萄糖 半乳糖苷激酶 半乳糖 转移酶 差向异构酶 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 组成酶 参与糖酵解的酶 丙酮酸
第四章微生物代谢的调节 由于存在酶的诱导机制,微生物只有在代谢活动需要时才合成有关的酶,从而避免了营 养物和能量的浪费。 诱导酶与组成酶在本质上是相同的,两者的区别在于酶合成调节体系受控制的程度不 同。在微生物育种中,常采取诱变等手段使诱导酶转化为组成酶,以利于大量积累所需的代 谢产物 4.1.2酶合成的阻遏( Enzyme repression) 在某代谢途径中,当末端产物过量时,微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键 酶在内的一系列酶的合成,从而彻底地控制代谢,减少末端产物生成,这种现象称为酶合成 的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶( repressible enzyme)。阻遏的生理学功能是节约 生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两 种类型 4.1.2.1末端代谢产物阻遏( End-product repression) 由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏称为末端代谢产物阻 遏。通常发生在合成代谢中,特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生 物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成。如:对数生长期的大肠杆 菌的培养基中加λ精氨酸,将阻遏精氨酸合成酶系(氨甲酰基转移酶、精氨酸琥珀酸合成酶 和精氨酸琥珀酸裂合酶)的合成,而此时细胞生长速度和总蛋白质的合成速度几乎不变,见 图4.1.4。若代谢途径是直线式的,末端产物阻遏情况较为简单,末端产物引起代谢途径中 各种酶的合成终止。如图4.1.5所示,大肠杆菌的蛋氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨 酸合成的,在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中,大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为蛋氨酸 的三种酶,但当培养基中加入蛋氨酸时,这三种酶消失。又如鼠伤寒沙门氏杆菌合成组氨酸 需要十种酶,这十种酶的合成都同时受到组氨酸的阻遏。有时,合成途径中各种酶受末端产 物阻遏的程度会有所不同,如大肠杆菌的精氨酸生物合成酶系中每个酶受精氨酸阻遏的程度 存在着差异 相 对细跑数量 总蛋白质 精氨酸合成酶系 加入精氨酸 时间 图4.1.4培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成 天冬氢酸一 高丝氢酸→胱硫醚一高半胱氨酸一甲硫氨酸 图4.1.5甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成藤的合成 (R):表示反馈阻遏 对于分支代谢途径来说,情况比较复杂。每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条分
第四章 微生物代谢的调节 4/17 由于存在酶的诱导机制，微生物只有在代谢活动需要时才合成有关的酶，从而避免了营 养物和能量的浪费。 诱导酶与组成酶在本质上是相同的，两者的区别在于酶合成调节体系受控制的程度不 同。在微生物育种中，常采取诱变等手段使诱导酶转化为组成酶，以利于大量积累所需的代 谢产物。 4.1.2 酶合成的阻遏(Enzyme repression) 在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键 酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成 的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶（repressible enzyme）。阻遏的生理学功能是节约 生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两 种类型。 4.1.2.1 末端代谢产物阻遏（End-product repression ) 由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的（反馈）阻遏称为末端代谢产物阻 遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生 物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成。如：对数生长期的大肠杆 菌的培养基中加入精氨酸，将阻遏精氨酸合成酶系（氨甲酰基转移酶、精氨酸琥珀酸合成酶 和精氨酸琥珀酸裂合酶）的合成，而此时细胞生长速度和总蛋白质的合成速度几乎不变，见 图 4.1.4。若代谢途径是直线式的，末端产物阻遏情况较为简单，末端产物引起代谢途径中 各种酶的合成终止。如图 4.1.5 所示，大肠杆菌的蛋氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨 酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为蛋氨酸 的三种酶，但当培养基中加入蛋氨酸时，这三种酶消失。又如鼠伤寒沙门氏杆菌合成组氨酸 需要十种酶，这十种酶的合成都同时受到组氨酸的阻遏。有时, 合成途径中各种酶受末端产 物阻遏的程度会有所不同，如大肠杆菌的精氨酸生物合成酶系中每个酶受精氨酸阻遏的程度 存在着差异。 图 4.1.4 培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成 图 4.1.5 甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成 （R）：表示反馈阻遏 对于分支代谢途径来说，情况比较复杂。每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条分
第四章微生物代谢的调节 5/17 支途径的酶,而代谢途径分支点前的“公共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻遏。任 何一种末端产物的单独存在,都不影响酶合成,只有当所有末端产物同时存在时,才能发挥 阻遏作用的现象称为多价阻遏( Multivalent repression)。多价阻遏的典型例子是芳香族 氨基酸、天冬氨酸族和丙酮氨酸族氨基酸生物合成中存在的反馈阻遏。 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。有些末端代谢产物本身具有独立的阻遏作用,但若与某些物质结合形成复合物,则会增 强阻遏作用。如杆菌肽和F铁离子形成复合物后,反馈阻遏作用增强。 末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有着重要的作用,它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物,或外界加入该物质后,就停止有关酶的合成 而缺乏该物质时,又开始合成有关的酶。 末端代谢产物阻遏的机制也可以用操纵子学说解释。如大肠杆菌色氨酸操纵子控制着5 个结构基因,分别为“分支酸—→邻氨基苯甲酸—→丶磷酸核糖邻氨基苯甲酸—→羧苯氨基脱 氧核糖磷酸_→吲哚甘油磷酸→色氨酸”途径中5种酶的基因。其调节基因远离操纵子, 所表达的调节蛋白不能直接与操纵基因结合,结构基因的表达能顺利进行。这时的调节蛋白 称为原阻遏物( prerepressor)。当代谢产生末端代谢产物色氨酸后,色氨酸作为效应物与 原阻遏物结合,使后者发生变构效应,并能与操纵基因结合,从而阻止了结构基因的表达。 其过程见图4.1.6 结构基因 NA调节基因二 启公控制区色氨酸操纵子 操纵基因基因基因2基因3基因4基因 RNA聚合峋 原阻遏物 (1) 阻遏酶○∞□Q DNA|调节基因 启动基因探纵基因基因基因2基因3基因4斗基因 RNA聚合酶 原阻遏物 C半**半* 效应物 阻遏物 (2)(色氨酸) 图4.1.6酶阻遏的色氨酸操纵子模型1.在没有效应物(色氨酸)存在时,结构基因表 达色氨酸合成酶系(邻氨基苯甲酸合成藤I和Ⅱ、吲哚甘油磷酸酯合成酶、色氨酸合成藤B 和A);2.色氨酸与原阻遏物结合构成阻遇物,色氨酸合成酶系的合成被阻断 4.1.2.2.分解代谢物阻遏( Catabolite repression) 当细胞内同时存在两种可利用底物(碳源或氮源)时,利用快的底物会阻遏与利用慢的 底物有关的酶合成。现在知道,这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果,而是由 这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的,所以称为分解代谢物阻遏。 分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应。1942年 Monod在研究大肠杆菌利用混合碳源 生长时时,发现葡萄糖会抑制其它糖的利用。例如大肠杄菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中 优先利用葡萄糖,并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖,这就形成了在两个对数生长期中 间的第二个生长停滞期,即出现了“二次生长现象”,见图4.1.7。用山梨醇或乙酸代替乳 糖,也有类似结果,见图4.1.8。 Monod提出的乳糖操纵子模型可以较好地解释分解代谢物的阻遏机制。如图4.1.9所示 乳糖操纵子的启动基因内,除RMA聚合酶结合位点外,还有一个称为 CAP-CAMP复合物的结 合位点。CAP是降解物基因活化蛋白(又称为cAMP受体蛋白,CRP),当CAP与cAMP结合 后,就会被活化,复合物又会激活启动基因,并使RNA聚合酶与启动基因结合。在只含有 乳糖的培养环境中,乳糖操纵子的“开关”开启(见前述),三种与乳糖代谢有关的酶能被
第四章 微生物代谢的调节 5/17 支途径的酶，而代谢途径分支点前的“公共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻遏。任 何一种末端产物的单独存在，都不影响酶合成，只有当所有末端产物同时存在时，才能发挥 阻遏作用的现象称为多价阻遏（Multivalent repression）。多价阻遏的典型例子是芳香族 氨基酸、天冬氨酸族和丙酮氨酸族氨基酸生物合成中存在的反馈阻遏。 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。有些末端代谢产物本身具有独立的阻遏作用，但若与某些物质结合形成复合物，则会增 强阻遏作用。如杆菌肽和 F 铁离子形成复合物后，反馈阻遏作用增强。 末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有着重要的作用，它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物，或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。 而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。 末端代谢产物阻遏的机制也可以用操纵子学说解释。如大肠杆菌色氨酸操纵子控制着 5 个结构基因，分别为“分支酸⎯→邻氨基苯甲酸⎯→磷酸核糖邻氨基苯甲酸⎯→羧苯氨基脱 氧核糖磷酸⎯→吲哚甘油磷酸⎯→色氨酸”途径中 5 种酶的基因。其调节基因远离操纵子， 所表达的调节蛋白不能直接与操纵基因结合，结构基因的表达能顺利进行。这时的调节蛋白 称为原阻遏物（prerepressor)。当代谢产生末端代谢产物色氨酸后，色氨酸作为效应物与 原阻遏物结合，使后者发生变构效应，并能与操纵基因结合，从而阻止了结构基因的表达。 其过程见图 4.1.6。 图 4.1.6 酶阻遏的色氨酸操纵子模型 1. 在没有效应物（色氨酸）存在时，结构基因表 达色氨酸合成酶系（邻氨基苯甲酸合成酶Ⅰ和Ⅱ、吲哚甘油磷酸酯合成酶、色氨酸合成酶 B 和 A）；2.色氨酸与原阻遏物结合构成阻遏物，色氨酸合成酶系的合成被阻断 4.1.2.2.分解代谢物阻遏（Catabolite repression） 当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的 底物有关的酶合成。现在知道，这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是由 这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为分解代谢物阻遏。 分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应。1942 年 Monod 在研究大肠杆菌利用混合碳源 生长时时，发现葡萄糖会抑制其它糖的利用。例如大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中， 优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数生长期中 间的第二个生长停滞期，即出现了“二次生长现象”，见图 4.1.7。用山梨醇或乙酸代替乳 糖，也有类似结果，见图 4.1.8。 Monod 提出的乳糖操纵子模型可以较好地解释分解代谢物的阻遏机制。如图4.1.9所示， 乳糖操纵子的启动基因内，除 RNA 聚合酶结合位点外，还有一个称为 CAP-cAMP 复合物的结 合位点。CAP 是降解物基因活化蛋白（又称为 cAMP 受体蛋白，CRP），当 CAP 与 cAMP 结合 后，就会被活化，复合物又会激活启动基因，并使 RNA 聚合酶与启动基因结合。在只含有 乳糖的培养环境中，乳糖操纵子的“开关”开启（见前述），三种与乳糖代谢有关的酶能被
第四章微生物代谢的调节 顺利合成,而当乳糖与葡萄糖同时存在时,因为分解葡萄糖的酶类属于组成酶,能迅速地将 葡萄糖降解成某种中间产物(X),X既会阻止ATP环化形成cAMP,同时又会促进cAMP分解 成AP,从而降低了cAⅧP的浓度,继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。在如葡萄糖 培养基中的大肠杆菌细胞内,cAMP浓度比生长在乳糖培养基中的低1000倍,只有当葡萄糖 耗尽后,cAP才能回升到正常浓度,操纵子重新开启,并开始利用乳糖作为碳源,形成菌 体的二次生长 次生长订二次生长 生葡萄糖 长速度 乳糖 生长速度 时间 2 时间 图4.1.7培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时,菌体生长几乎没有延迟期;单独加入乳糖时,菌体生长有明显的 延迟期;2.同时加入葡萄糖和乳糖时,菌体呈二次生长 3 光50 43.5 度 26.5 时间(小时) 图4.1.8大肠杆菌在含葡萄糖和山梨醇培养基中的二次生长 1.葡萄糖50微克/毫升,山梨醇150微克/毫升;2.葡萄糖100徽克/毫升,山梨醇100 微克/毫升;3.葡萄糖150微克/毫升,山梨醇50微克/毫升 酶的诱导、分解代谢物阻遏和末端产物阻遏可以同时发生在同一微生物体内。这样 某些底物存在时微生物内就会合成诱导酶,几种底物同时存在时,优先利用能被快速或容易 代谢的底物;而与代谢较慢的底物有关酶的合成将被阻遏;当末端代谢产物能满足微生物生 长需要时,与代谢有关酶的合成又被终止 操纵子学说是从原核微生物代谢调节的硏究中建立起来的,对于真核微生物,情况更复 杂。酶合成的调节除可发生在上述的转录水平,也可能发生在翻译水平。蛋白质翻译水平上 的调节是指改变某些氨基酰tRNA的浓度以调节蛋白质的合成速度,高浓度的氨基酰tRNA 可阻止肽链的合成
第四章 微生物代谢的调节 6/17 顺利合成，而当乳糖与葡萄糖同时存在时，因为分解葡萄糖的酶类属于组成酶，能迅速地将 葡萄糖降解成某种中间产物（X），X 既会阻止 ATP 环化形成 cAMP，同时又会促进 cAMP 分解 成 AMP，从而降低了 cAMP 的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。在如葡萄糖 培养基中的大肠杆菌细胞内，cAMP 浓度比生长在乳糖培养基中的低 1000 倍，只有当葡萄糖 耗尽后，cAMP 才能回升到正常浓度，操纵子重新开启，并开始利用乳糖作为碳源，形成菌 体的二次生长。 图 4.1.7 培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期；单独加入乳糖时，菌体生长有明显的 延迟期；2. 同时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长 图 4.1.8 大肠杆菌在含葡萄糖和山梨醇培养基中的二次生长 1.葡萄糖 50 微克/毫升，山梨醇 150 微克/毫升；2.葡萄糖 100 微克/毫升，山梨醇 100 微克/毫升；3.葡萄糖 150 微克/毫升，山梨醇 50 微克/毫升 酶的诱导、分解代谢物阻遏和末端产物阻遏可以同时发生在同一微生物体内。这样，当 某些底物存在时微生物内就会合成诱导酶，几种底物同时存在时，优先利用能被快速或容易 代谢的底物；而与代谢较慢的底物有关酶的合成将被阻遏；当末端代谢产物能满足微生物生 长需要时，与代谢有关酶的合成又被终止。 操纵子学说是从原核微生物代谢调节的研究中建立起来的，对于真核微生物，情况更复 杂。酶合成的调节除可发生在上述的转录水平，也可能发生在翻译水平。蛋白质翻译水平上 的调节是指改变某些氨基酰 tRNA 的浓度以调节蛋白质的合成速度，高浓度的氨基酰 tRNA 可阻止肽链的合成
第四章微生物代谢的调节 7/17 ATP 葡萄糖→X (阻断 AMP CAP 控制区~乳糖操纵子 一结构基因 启动基因操纵基因 DNA调节基 CAP-cAMP RNApo 0 LacZ LacY LacA 阻遏蛋白 RNA聚合酶 mRNA ●阻遏蛋白 乳糖 半乳糖苷酶透过酶转乙酰基酶 图4.1.9分解代谢物阻遏的乳糖操纵子模型(葡萄糖分解代谢物X阻止 cAP-cAP的形成,从而阻止了RNA聚合醇与启动基因上结合位点( RNapol.)的结合,即使 有诱导物乳糖存在,与乳精代谢有关的酶仍无法合成 4.2酶活性的调节 通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。与酶合成调节方 式相比,这种调节方式更直接,并且见效快。是发生在蛋白质水平上的调节。 某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响,这些酶称为调节酶( Regulatory enzyme)。这种影响可以是激活、也可以是抑制酶的活性。我们把底物对酶的影响称为前馈, 产物对酶的影响称为反馈。见图42.1。前馈作用一般是激活酶的活性。在分解代谢中,后 面的反应可被较前面反应的中间产物所促进,如粪链球菌( Streptococcus feacalis)的乳 酸脱氢酶活性可被1,6-二磷酸果糖所激活:又如在粗糙脉孢霉( Neurospora crassa)培养 时,柠檬酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性。 前馈± 反馈± 图4.2.1底物或产物对酶活性的调节(+表示激活,一表示抑制) 底物 底物 催化亚基 催化亚基 调节亚基 调节亚基 效应物 活性状态 活性状态 (不能结合底物) (激活剂) 效应物 (抑制剂) 图4.2.2变构酶受效应物的调节过程 1.激活剂激活无活性的酶;2.抑制剂抑制有活性的酶 调节酶通常是变构酶,一般具有多个亚基,包括催化亚基和调节亚基。变构酶的激活和 抑制过程见图42.2。激活过程的效应物称为激活剂( activator),而抑制过程的效应物 称为抑制剂( inhibitor)。在微生物代谢调节中更常见的是反馈调节,尤其是末端产物对酶 活的反馈抑制。抑制剂与调节亚基结合引起酶构象发生变化,使催化亚基的活性中心不再能 与底物结合,酶的催化性能随之消失。调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类似物
第四章 微生物代谢的调节 7/17 图 4.1.9 分解代谢物阻遏的乳糖操纵子模型（葡萄糖分解代谢物 X 阻止 CAP-cAMP 的形成，从而阻止了 RNA 聚合酶与启动基因上结合位点（RNApol.）的结合，即使 有诱导物乳糖存在，与乳糖代谢有关的酶仍无法合成） 4.2 酶活性的调节 通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。与酶合成调节方 式相比，这种调节方式更直接，并且见效快。是发生在蛋白质水平上的调节。 某些酶的活性受到底物或产物或其结构类似物的影响，这些酶称为调节酶（Regulatory enzyme)。这种影响可以是激活、也可以是抑制酶的活性。我们把底物对酶的影响称为前馈， 产物对酶的影响称为反馈。见图 4.2.1。前馈作用一般是激活酶的活性。在分解代谢中，后 面的反应可被较前面反应的中间产物所促进，如粪链球菌（Streptococcus feacalis)的乳 酸脱氢酶活性可被 1,6-二磷酸果糖所激活；又如在粗糙脉孢霉（Neurospora crassa)培养 时，柠檬酸会促进异柠檬酸脱氢酶活性。 图 4.2.1 底物或产物对酶活性的调节（+ 表示激活，-表示抑制） 图 4.2.2 变构酶受效应物的调节过程 1. 激活剂激活无活性的酶；2.抑制剂抑制有活性的酶 调节酶通常是变构酶，一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。变构酶的激活和 抑制过程见图 4.2.2。激活过程的效应物称为激活剂（activator），而抑制过程的效应物 称为抑制剂(inhibitor)。在微生物代谢调节中更常见的是反馈调节，尤其是末端产物对酶 活的反馈抑制。抑制剂与调节亚基结合引起酶构象发生变化，使催化亚基的活性中心不再能 与底物结合，酶的催化性能随之消失。调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类似物， 前馈± 反馈± ⎯→ E0 ⎯⎯⎯⎯⎯ So ⎯⎯⎯→ Si ……⎯⎯⎯→Sn En-1
第四章微生物代谢的调节 作用是抑制酶的活性。效应物的作用是可逆的,一旦效应物浓度降低,酶活性就会恢复。调 节酶常常是催化分支代谢途径一系列反应中第一个反应的酶,这样就避免了不必要的能量浪 费 在微生物的代谢活动中,三磷酸腺苷(ATP)是为许多反应提供能量的高能磷酸化物。ATP 释放岀能量后转化为二磷酸腺苷(ADP)或单磷酸腺苷(AMP),也可以由AMP或ADP合成 ATP。细胞中的ATP、ADP和AMP含量处于相对平衡的状态。有人用能荷( Energy charge) 来表示细胞中的能量状态。能荷(EC)可用下式来表示 EC= [A7]+[AD2 [ATP]+[ADP]+[AMp 系统中只有ATP时,EC值为1:只有AMP时,EC值等于零。大肠杆菌在生长期的EC值 为0.8,稳定期时逐渐降低到0.5,当EC值小于0.5时,细胞将死亡 酶活性将受到细胞能荷的调节。能荷不仅能调节分解代谢形成ATP的酶活性,也能调节 合成代谢利用ATP的酶活性。如异柠檬酸脱氢酶和磷酸果糖激酶等会受到高能荷的抑制,而 丙酮酸羧化酶、乙酰CoA羧化酶和天门冬氨酸激酶等会受到高能荷的激活。 巴斯德在硏究酵母的酒精发酵时发现:厌氧条件下酵母菌进行酒精发酵,葡萄糖的消耗 速度很快:而在有氧条件下,酵母菌进行呼吸作用,糖的消耗速度较低,酒精产量也降低。 这种呼吸抑制发酵作用的的现象被后人称为巴斯德效应( Pasteur effect)。巴斯德效应的 本质是能荷调节。糖酵解(EMP)和三羧酸循环(TCA)途径都能产生ATP。有氧条件下,TCA 循环活泼,呼吸链的氧化磷酸化大量合成ATP,细胞能荷増加,异柠檬酸脱氢酶受到ATP抑 制,导致柠檬酸的积累,柠檬酸和ATP都是磷酸果糖激酶活性的抑制剂,从而限制了葡萄糖 的利用速度。在厌氧条件下,酵母菌无法通过呼吸链产生ATP,细胞能荷较低,ADP和AMP 激活磷酸果糖激酶,使利用葡萄糖生产酒精的速度加快。图4.2.3说明了巴斯德效应的机理。 柠檬酸 葡萄糖→葡萄糖-6卩一果糖6卩→果糖-1.6-二磷酸→…一丙酮酸→乙酰CoA 草酰乙酸 异柠檬酸 3-E) ATP ATP α-酮戊二酸 图4.2.3巴斯德效应的本质 PFK:磷酸果糖激酶;I:异柠槺酸脱氢酶;(E):表示抑制 4.3微生物代谢调节的模式 在微生物合成代谢过程中,反馈阻遏和反馈抑制往往共同对代谢起着调节作用,它们通 过对酶的合成和酶的活性进行调节,使细胞内各种代谢物浓度保持在适当的水平。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。此外,前者的 作用往往会影响催化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酶起作 用。下面将讨论它们对代谢调节的模式 4.3.1直线式代谢途径的反馈控制 对于只有一个末端代谢产物的途径,即直线式代谢途径,当末端代谢产物达到一定浓度 时,就会反馈控制该代谢途径。末端产物的反馈阻遏一般是阻止该途径中所有酶的合成,末 端产物抑制一般是抑制该途径第一个酶的活性。如图4.3.1所示,由A生成E,需要经过中 间代谢产物B、C和D,当E达到一定浓度后,它或者反馈抑制催化A生成B反应的酶活性 或者反馈阻遏分别催化A到B、B到C、C到D和D到E反应的所有酶的合成 在研究大肠杆菌的异亮氨酸合成途径时,首先发现了直线式代谢途径的反馈抑制。苏氨 酸是合成异亮氨酸的前体,在培养基中给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时,该菌株可以 合成异亮氨酸,但若同时在培养基中添加异亮氨酸,就不能利用苏氨酸合成异亮氨酸了。这 是因为异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途径的第一个酶,即L-苏氨酸脱氨酶,见 图4.3.2。后来发现其它氨基酸和核苷酸的代谢途径中也有类似的现象。如图4.3.3所示的
第四章 微生物代谢的调节 8/17 作用是抑制酶的活性。效应物的作用是可逆的，一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢复。调 节酶常常是催化分支代谢途径一系列反应中第一个反应的酶，这样就避免了不必要的能量浪 费。 在微生物的代谢活动中，三磷酸腺苷(ATP)是为许多反应提供能量的高能磷酸化物。ATP 释放出能量后转化为二磷酸腺苷（ADP）或单磷酸腺苷（AMP），也可以由 AMP 或 ADP 合成 ATP。细胞中的 ATP、ADP 和 AMP 含量处于相对平衡的状态。有人用能荷（Energy charge） 来表示细胞中的能量状态。能荷（EC）可用下式来表示： ATP ADP AMP ATP ADP EC + + + = / 2 系统中只有 ATP 时，EC 值为 1；只有 AMP 时，EC 值等于零。大肠杆菌在生长期的 EC 值 为 0.8，稳定期时逐渐降低到 0.5，当 EC 值小于 0.5 时，细胞将死亡。 酶活性将受到细胞能荷的调节。能荷不仅能调节分解代谢形成 ATP 的酶活性，也能调节 合成代谢利用 ATP 的酶活性。如异柠檬酸脱氢酶和磷酸果糖激酶等会受到高能荷的抑制，而 丙酮酸羧化酶、乙酰 CoA 羧化酶和天门冬氨酸激酶等会受到高能荷的激活。 巴斯德在研究酵母的酒精发酵时发现：厌氧条件下酵母菌进行酒精发酵，葡萄糖的消耗 速度很快；而在有氧条件下，酵母菌进行呼吸作用，糖的消耗速度较低，酒精产量也降低。 这种呼吸抑制发酵作用的的现象被后人称为巴斯德效应（Pasteur effect）。巴斯德效应的 本质是能荷调节。糖酵解（EMP）和三羧酸循环（TCA）途径都能产生 ATP。有氧条件下，TCA 循环活泼，呼吸链的氧化磷酸化大量合成 ATP，细胞能荷增加，异柠檬酸脱氢酶受到 ATP 抑 制，导致柠檬酸的积累，柠檬酸和 ATP 都是磷酸果糖激酶活性的抑制剂，从而限制了葡萄糖 的利用速度。在厌氧条件下，酵母菌无法通过呼吸链产生 ATP，细胞能荷较低，ADP 和 AMP 激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生产酒精的速度加快。图 4.2.3 说明了巴斯德效应的机理。 图 4.2.3 巴斯德效应的本质 PFK：磷酸果糖激酶；ID：异柠檬酸脱氢酶；（E）：表示抑制 4.3 微生物代谢调节的模式 在微生物合成代谢过程中，反馈阻遏和反馈抑制往往共同对代谢起着调节作用，它们通 过对酶的合成和酶的活性进行调节，使细胞内各种代谢物浓度保持在适当的水平。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。此外，前者的 作用往往会影响催化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酶起作 用。下面将讨论它们对代谢调节的模式。 4.3.1 直线式代谢途径的反馈控制 对于只有一个末端代谢产物的途径，即直线式代谢途径，当末端代谢产物达到一定浓度 时，就会反馈控制该代谢途径。末端产物的反馈阻遏一般是阻止该途径中所有酶的合成，末 端产物抑制一般是抑制该途径第一个酶的活性。如图 4.3.1 所示, 由 A 生成 E，需要经过中 间代谢产物 B、C 和 D，当 E 达到一定浓度后，它或者反馈抑制催化 A 生成 B 反应的酶活性， 或者反馈阻遏分别催化 A 到 B、B 到 C、C 到 D 和 D 到 E 反应的所有酶的合成。 在研究大肠杆菌的异亮氨酸合成途径时，首先发现了直线式代谢途径的反馈抑制。苏氨 酸是合成异亮氨酸的前体，在培养基中给苏氨酸缺陷型大肠杆菌补充苏氨酸时，该菌株可以 合成异亮氨酸，但若同时在培养基中添加异亮氨酸，就不能利用苏氨酸合成异亮氨酸了。这 是因为异亮氨酸抑制了由苏氨酸转化为异亮氨酸途径的第一个酶，即 L-苏氨酸脱氨酶，见 图 4.3.2。后来发现其它氨基酸和核苷酸的代谢途径中也有类似的现象。如图 4.3.3 所示的
第四章微生物代谢的调节 大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天门冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸(CTP)时需要七种酶,当CTP 达到一定浓度后,便反馈抑制催化第一个反应的酶,即天门冬氨酸转氨甲酰酶。 (-)反馈抑制 A→B→。G→D→E (一)反馈阻遏 图4.3.1直线式末端产物反馈控制 苏氨酸 -酮丁酸→ 异亮氨酸 苏氨酸脱氨酶 图4.32异亮氨酸合成途径中的直线式反馈抑制 氢甲酰磷酸 天冬氨酸 天冬氨酸天冬氨酸一一乳清酸—尿嘧啶尿嘧啶核_胞嘧啶核 氨甲酰 核苷酸—苷三磷酸苷三磷酸 转氨甲酰酶 (UMP) (UTP) (CTP) 图4.3.3大肠杆菌CTP合成途径中的直线式反馈抑制 反馈阻遏还有另一种形式,即末端产物阻遏与中间产物诱导的混合形式。如图4.3.4 所示,末端产物D的积累会阻遏该途径中第一个酶的合成。当末端产物D浓度下降时,第一 个酶恢复合成,从而导致中间产物B在胞内累积。B浓度的增高,又诱导第二、三个酶的合 戎,使途径逐渐畅通。当D浓度上升到一定值时,第一个酶的合成受阻,B浓度下降,不再 诱导第二、三个酶的合成,该途径逐渐阻塞。这种模式存在于粗糙链孢霉的亮氨酸合成途径 中,产物亮氨酸会阻遏该合成体系的第一个酶一一异丙基苹果酸合成酶的合成,同时抑制其 活性。这个酶的产物异丙基苹果酸却能诱导反应序列中第二、三个酶的合成。 ()反馈阻遏 A一B→G←D (+)前馈诱导 图4.3.4末端产物阻遏和中间产物诱导的混合控制 43.2分支代谢途径的反馈控制 由几种末端代谢产物共同对生物合成途径进行控制的体系较为复杂。即便是同一代谢途 径,不同菌种也会有不同的控制模式。这些控制可以是反馈阻遏或反馈抑制单独作用的结果 也可以是两者共同作用的结果 4.3.2.1协同或多价反馈控制( Concerted or multivalent feedback control) 分支代谢途径的几个末端产物同时过量时,该途径的第一个酶才会受到反馈阻遏或反馈
第四章 微生物代谢的调节 9/17 大肠杆菌中由氨甲酰磷酸和天门冬氨酸合成胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）时需要七种酶，当 CTP 达到一定浓度后，便反馈抑制催化第一个反应的酶，即天门冬氨酸转氨甲酰酶。 图 4.3.1 直线式末端产物反馈控制 图 4.3.2 异亮氨酸合成途径中的直线式反馈抑制 图 4.3.3 大肠杆菌 CTP 合成途径中的直线式反馈抑制 反馈阻遏还有另一种形式，即末端产物阻遏与中间产物诱导的混合形式。如图 4.3.4 所示，末端产物 D 的积累会阻遏该途径中第一个酶的合成。当末端产物 D 浓度下降时，第一 个酶恢复合成，从而导致中间产物 B 在胞内累积。B 浓度的增高，又诱导第二、三个酶的合 成，使途径逐渐畅通。当 D 浓度上升到一定值时，第一个酶的合成受阻，B 浓度下降，不再 诱导第二、三个酶的合成，该途径逐渐阻塞。这种模式存在于粗糙链孢霉的亮氨酸合成途径 中，产物亮氨酸会阻遏该合成体系的第一个酶——异丙基苹果酸合成酶的合成，同时抑制其 活性。这个酶的产物异丙基苹果酸却能诱导反应序列中第二、三个酶的合成。 图 4.3.4 末端产物阻遏和中间产物诱导的混合控制 4.3.2 分支代谢途径的反馈控制 由几种末端代谢产物共同对生物合成途径进行控制的体系较为复杂。即便是同一代谢途 径，不同菌种也会有不同的控制模式。这些控制可以是反馈阻遏或反馈抑制单独作用的结果， 也可以是两者共同作用的结果。 4.3.2.1 协同或多价反馈控制（Concerted or multivalent feedback control) 分支代谢途径的几个末端产物同时过量时，该途径的第一个酶才会受到反馈阻遏或反馈
第四章微生物代谢的调节 抑制(见图43.5)。如多粘芽孢杆菌( Bacillus polymyxa)在合成天门冬氨酸族氨基酸时, 天门冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协冋反馈抑制。如果仅是苏氨酸或赖氨酸过量,并不能 引起抑制作用 一)反馈控制(阻遏或抑制 c→D A E→F 图4.3.5末端产物D和F协同反馈控制模式 4.3.22合作反馈控制( Coopreative feedback control) 这类控制体系与协同反馈控制类似,但是该体系中的末端产物都有较弱的独立控制作 用。当所有的末端产物同时过剩时,会导致增效的阻遏或抑制,即其阻遏或抑制的程度比这 些末端产物各自独立过量时的总和还要大,因此,又称为增效反馈控制( Synergistic feedback control),见图4.3.6。当只有一个末端产物(图中的D)过量时,紧接着分支 点(图中的B)后的反馈控制立即起作用,限制该末端产物的合成,代谢将转向细胞仍需要 合成的其它产物继续进行(图中的F)。 日(-) c→D A"B37 E→F 图4.36末端产物D和F合作反馈控制模式 4.3.2.3累积反馈控制( Cumulative feedback control) 每个分支途径的末端产物都独立于其它末端产物,以一定百分比控制该途径第一个共同 的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时,它们对酶反应的抑制是累积的,各末端产 物之间既无协同效应,也无拮抗作用。如图4.3.7所示,D和F分别独立地抑制第一个酶活 性的30%和40%,那么,当D和F均过量时,它们对第一个酶的总抑制是58%,即100% (100%-30%)×(100%-40%)=58%。与合作反馈控制的情况相似,每个末端产物肯定会对紧 接分支点B后的反应施加控制,以使共同的中间产物B不再用于已过量的产物合成 (-) c→D B =2 E→F 图4.3.7末端产物D和F的累积反馈控制模式 累积反馈抑制最早在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶调节中发现,见图4.3.8。该酶受8个
第四章 微生物代谢的调节 10/17 抑制（见图 4.3.5）。如多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa)在合成天门冬氨酸族氨基酸时， 天门冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。如果仅是苏氨酸或赖氨酸过量，并不能 引起抑制作用。 图 4.3.5 末端产物 D 和 F 协同反馈控制模式 4.3.2.2.合作反馈控制（Coopreative feedback control） 这类控制体系与协同反馈控制类似，但是该体系中的末端产物都有较弱的独立控制作 用。当所有的末端产物同时过剩时，会导致增效的阻遏或抑制，即其阻遏或抑制的程度比这 些末端产物各自独立过量时的总和还要大，因此，又称为增效反馈控制（Synergistic feedback control），见图 4.3.6。当只有一个末端产物（图中的 D）过量时，紧接着分支 点（图中的 B）后的反馈控制立即起作用，限制该末端产物的合成，代谢将转向细胞仍需要 合成的其它产物继续进行（图中的 F）。 图 4.3.6 末端产物 D 和 F 合作反馈控制模式 4.3.2.3 累积反馈控制（Cumulative feedback control） 每个分支途径的末端产物都独立于其它末端产物，以一定百分比控制该途径第一个共同 的酶所催化的反应。当几个末端产物同时存在时，它们对酶反应的抑制是累积的，各末端产 物之间既无协同效应，也无拮抗作用。如图 4.3.7 所示，D 和 F 分别独立地抑制第一个酶活 性的 30%和 40%，那么，当 D 和 F 均过量时，它们对第一个酶的总抑制是 58%，即 100%- （100%-30%）×（100%-40%）=58%。与合作反馈控制的情况相似，每个末端产物肯定会对紧 接分支点 B 后的反应施加控制，以使共同的中间产物 B 不再用于已过量的产物合成。 图 4.3.7 末端产物 D 和 F 的累积反馈控制模式 累积反馈抑制最早在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶调节中发现，见图 4.3.8。该酶受 8 个