代谢控制发酵 Chapter 4 微生物代谢途径的调节模式
代谢控制发酵 Chapter 4 微生物代谢途径的调节模式
前边我们较详细地介绍代谢调节的机 制，酶的合成和酶活性的调节机制，同 时还介绍了化能异养微生物对有机化合 物分解代谢和合成代谢的途径，微生物 是怎样调节这些代谢途径的？有那种调 节模式？
前边我们较详细地介绍代谢调节的机 制，酶的合成和酶活性的调节机制，同 时还介绍了化能异养微生物对有机化合 物分解代谢和合成代谢的途径，微生物 是怎样调节这些代谢途径的？有那种调 节模式？
第一节 反馈抑制和阻遏（feedback inhibition，feedback repression） 一、反馈抑制和阻遏的概念 在微生物细胞中，初级代谢产物的水平，也就是分解代谢和合 成代谢的途径主要受反馈控制体系的调节，主要有反馈抑制 和反馈阻遏。 反馈抑制（feedback inhibition）：是指代谢途径的终产物对催 化该途径中的一个反应（通常是第一个反应）的酶活力的抑 制，其实质是终产物结合到酶的变构部位，从而干扰酶和它 底物的结合，当然与此相反为酶活性的激活。 反馈阻遏（feedback repression）：是指终产物（或终产物的结 构类似物）阻止催化该途径的一个或几个反应中的一个或几 个酶的合成，其实质是调节基因的作用，这是微生物不通过 基因突变而适应于环境改变的一种措施，当然与此相反有酶 合成的诱导
第一节 反馈抑制和阻遏（feedback inhibition，feedback repression） 一、反馈抑制和阻遏的概念 在微生物细胞中，初级代谢产物的水平，也就是分解代谢和合 成代谢的途径主要受反馈控制体系的调节，主要有反馈抑制 和反馈阻遏。 反馈抑制（feedback inhibition）：是指代谢途径的终产物对催 化该途径中的一个反应（通常是第一个反应）的酶活力的抑 制，其实质是终产物结合到酶的变构部位，从而干扰酶和它 底物的结合，当然与此相反为酶活性的激活。 反馈阻遏（feedback repression）：是指终产物（或终产物的结 构类似物）阻止催化该途径的一个或几个反应中的一个或几 个酶的合成，其实质是调节基因的作用，这是微生物不通过 基因突变而适应于环境改变的一种措施，当然与此相反有酶 合成的诱导
二、反馈抑制与反馈阻遏的比较 反馈抑制或激活，不涉及到蛋白质 （酶）合成过程，比较直接而快、当终产 物浓度或底物浓度达到一定水平时，即使 酶活性暂时丧失（或提高），待最终产物 的浓度降低（或底物耗尽）后，酶活力又 重新恢复（或降低）。 反馈阻遏（诱导）是对酶合成的阻遏 （促进）所以其效果不如反馈抑制那样迅 速，但可以节约原料，对微生物来说是经 济的
二、反馈抑制与反馈阻遏的比较 反馈抑制或激活，不涉及到蛋白质 （酶）合成过程，比较直接而快、当终产 物浓度或底物浓度达到一定水平时，即使 酶活性暂时丧失（或提高），待最终产物 的浓度降低（或底物耗尽）后，酶活力又 重新恢复（或降低）。 反馈阻遏（诱导）是对酶合成的阻遏 （促进）所以其效果不如反馈抑制那样迅 速，但可以节约原料，对微生物来说是经 济的
反馈阻遏与反馈抑制的比较 项目 反馈阻遏 反馈抑制 控制对象 酶的生物合成 酶的活性（力） 控制量 终产物浓度 终产物浓度 控制水平 DNA mRNA 酶蛋白 酶蛋白的构象变化 控制装置 终产物与阻遏蛋白的亲和力 终产物与变构部位的亲和力 控制装置的动作 阻遏蛋白与操纵子基因结合，不能 合成 mRNA 通过变构效应，酶的结构变化 形成的控制 合成酶与不合成酶的控制（有、无） 控制酶活性的大小（大、小） 反应 迟缓、粗的控制 迅速、精确的控制 代谢途径 无定向代谢途径和合成代谢途径分 支点等 无定向代谢途径和合成代谢途径分 支点等 细胞经济 高分子化合物（酶蛋白） 低分子化合物（酶反应生成物）
反馈阻遏与反馈抑制的比较 项目 反馈阻遏 反馈抑制 控制对象 酶的生物合成 酶的活性（力） 控制量 终产物浓度 终产物浓度 控制水平 DNA mRNA 酶蛋白 酶蛋白的构象变化 控制装置 终产物与阻遏蛋白的亲和力 终产物与变构部位的亲和力 控制装置的动作 阻遏蛋白与操纵子基因结合，不能 合成 mRNA 通过变构效应，酶的结构变化 形成的控制 合成酶与不合成酶的控制（有、无） 控制酶活性的大小（大、小） 反应 迟缓、粗的控制 迅速、精确的控制 代谢途径 无定向代谢途径和合成代谢途径分 支点等 无定向代谢途径和合成代谢途径分 支点等 细胞经济 高分子化合物（酶蛋白） 低分子化合物（酶反应生成物）
第二节 影响酶活性的调节方式 （一）只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式 1、终产物的简单反馈抑制，这种调节方式判别特征是途径的终产物抑制途径中第一个 专一性酶。 A B C D 例如，E.coli 的从 Thr Ile 的途径中 Ile 对第一个酶 Thr 的反馈抑制。 Thr ooo β-酮基丁酸 Ile 2、前体激活（Precursor actiration）或称代谢激活 A B C D 判别特征：反应序列（途径）的某一后边的反应受前面某中间代谢产物的激活，这种方 式常见于分解代谢途径中。 例如，E.coli EMP 途径的中间产物 FDP 激活 PK（丙酮酸激酶）酶 G F-6-P FDP ooo PEP PYR PK
第二节 影响酶活性的调节方式 （一）只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式 1、终产物的简单反馈抑制，这种调节方式判别特征是途径的终产物抑制途径中第一个 专一性酶。 A B C D 例如，E.coli 的从 Thr Ile 的途径中 Ile 对第一个酶 Thr 的反馈抑制。 Thr ooo β-酮基丁酸 Ile 2、前体激活（Precursor actiration）或称代谢激活 A B C D 判别特征：反应序列（途径）的某一后边的反应受前面某中间代谢产物的激活，这种方 式常见于分解代谢途径中。 例如，E.coli EMP 途径的中间产物 FDP 激活 PK（丙酮酸激酶）酶 G F-6-P FDP ooo PEP PYR PK
3、补偿激活（compensatory actiration） A B C D E F G 判别特征：若某一化合物的利用取决于另一反应序列（途径）的运行，那么这个化合物 就能激活这个反应序列的第一个酶。 例如 PEP OAA Asp ooo UMP UDP UTP R-5-○P ooo ATP ATP 激活 PEP 羧化酶，这个酶催化反应对生成 UTP 很重要。 H
3、补偿激活（compensatory actiration） A B C D E F G 判别特征：若某一化合物的利用取决于另一反应序列（途径）的运行，那么这个化合物 就能激活这个反应序列的第一个酶。 例如 PEP OAA Asp ooo UMP UDP UTP R-5-○P ooo ATP ATP 激活 PEP 羧化酶，这个酶催化反应对生成 UTP 很重要。 H
二）多个终端产物的途径（分支代谢途径）的调节方式 1、终产物的多价抑制（Multralent end-product inhibition） A B C D E F G 又称协同反馈抑制（concerted inhibition） 判别特征：分支代谢的两个（或多个）终产物共同地而不是单独地过量存在时，对公共 途径的第一个酶发生反馈抑制。 例如：谷氨酸棒杆菌的单一 Asp 激酶（AK）受终产物 Lys 和 Thr 的协同反馈抑制，这 种抑制在 Lys 或 Thr 单独过量时不会发生。 ooo Met Asp Asp-○P AsA Hse ooo Thr ooo Lys AK
二）多个终端产物的途径（分支代谢途径）的调节方式 1、终产物的多价抑制（Multralent end-product inhibition） A B C D E F G 又称协同反馈抑制（concerted inhibition） 判别特征：分支代谢的两个（或多个）终产物共同地而不是单独地过量存在时，对公共 途径的第一个酶发生反馈抑制。 例如：谷氨酸棒杆菌的单一 Asp 激酶（AK）受终产物 Lys 和 Thr 的协同反馈抑制，这 种抑制在 Lys 或 Thr 单独过量时不会发生。 ooo Met Asp Asp-○P AsA Hse ooo Thr ooo Lys AK
2、终产物的增效性抑制（也称合作抑制）（Cooperated/Synergistic end-product inhibition） A B C D E F G 当任何一个终产物单独过剩时，都会部分地反馈抑制初始酶的活性，两个以上的终产物同时 过剩 4，产生强烈的抑制作用，其抑制作用大于各自单独存在时的和。 15% 90% 20%
2、终产物的增效性抑制（也称合作抑制）（Cooperated/Synergistic end-product inhibition） A B C D E F G 当任何一个终产物单独过剩时，都会部分地反馈抑制初始酶的活性，两个以上的终产物同时 过剩 4，产生强烈的抑制作用，其抑制作用大于各自单独存在时的和。 15% 90% 20%
例如：乳糖发酵短杆菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑制。 图 2-52 黄色短杆菌的从 OAA 始发的天门冬氨酸族氨基酸的合成代谢流 表示调节闸位
例如：乳糖发酵短杆菌的AK酶受Thr和Lys的增效抑制。 图 2-52 黄色短杆菌的从 OAA 始发的天门冬氨酸族氨基酸的合成代谢流 表示调节闸位