微生物代谢调节培训课件

微生物代微生物代谢调节本章内容：本章内容：第一节第一节 基本代谢的调节基本代谢的调节第二节第二节 次级代谢的调节次级代谢的调节第三节第三节 代谢工程代谢工程2微生物代谢调节第一节第一节 基本代谢的调节基本代谢的调节3微生物代谢调节微生物的代谢控制特征：微生物的代谢控制特征：、高效利用养分的能力、高效利用养分的能力、快速响应环境变化的能力。、快速响应环境变化的能力。原原因因：通通过过快快速速启启动动或或关关闭闭Pr的的合合成成和和有有关关的的代代谢谢途途径径，平衡各代谢物流和反应速率来适应外界环境的变化。平衡各代谢物流和反应速率来适应外界环境的变化。4微生物代谢调节代谢控制机制：代谢控制机制：、酶活调节、酶活调节(活化或钝化活化或钝化)、酶合成调节、酶合成调节(诱导或阻遏诱导或阻遏)。5微生物代谢调节 Pr合合成成水水平平调调节节一一般般比比酶酶活活调调节节更更为为经经济济，后后者者快快速速，但但浪浪费费能能量量和和建建筑筑单单位位。调调节节步步骤骤主主要要存存在在于于转转录录和和转转译译的启动部位。的启动部位。多多步步生生物物合合成成或或分分解解代代谢谢途途径径中中其其关关键键部部位位酶酶活活的的快快速调节主要靠变构控制机制。速调节主要靠变构控制机制。为为避避免免前前体体代代谢谢物物和和建建筑筑材材料料过过量量生生成成，M细细胞胞必必需需协协调调组组成成代代谢谢和和分分解解代代谢谢。必必需需协协调调(例例如如，同同步步地地)大大分分子子（如如核核酸酸Pr或或膜膜）的的形形成成，以以便便在在胞胞内内外外环环境境条条件件变变化化期间细胞还能生长好。期间细胞还能生长好。此此外外，还还需需尽尽可可能能微微调调透透过过各各种种代代谢谢途途径径的的碳碳流流，以以避避开开代代谢谢瓶瓶颈颈或或不不需需要要的的反反应应。常常需需消消除除这这些些调调节节机机制制，使所需代谢产物能过量生产。使所需代谢产物能过量生产。6微生物代谢调节M初级代谢调节方式：初级代谢调节方式：酶活调节酶活调节酶合成调节酶合成调节遗传控制遗传控制7微生物代谢调节3.1.1.1 代谢调节的部位代谢调节的部位 M代代谢谢调调节节部部位位：养养分分吸吸收收排排泄泄、限限制制基基质质与与酶酶接近、控制代谢流（图接近、控制代谢流（图3-1）。）。真核生物与原核生物区别真核生物与原核生物区别：前者有细胞器。：前者有细胞器。3.1.1 酶活性的调节酶活性的调节8微生物代谢调节图3-1 原核生物代谢调节部位原核生物代谢调节部位9微生物代谢调节图3-1 真核生物代谢调节部位真核生物代谢调节部位10微生物代谢调节（1）养分吸收分泌的通道）养分吸收分泌的通道 大大多多数数亲亲水水分分子子难难于于透透过过细细胞胞膜膜，需需酶酶系系统统（如如透透酶酶），某些运输反应需要能量。，某些运输反应需要能量。代谢调节的部位代谢调节的部位:11微生物代谢调节（2）限制基质与酶接近）限制基质与酶接近 真真核核生生物物：各各种种代代谢谢库库的的基基质质分分别别存存在在于于细细胞胞器器内内。例例如如：链链孢孢霉霉中中精精氨氨酸酸存存在在于于细细胞胞质质和和液液泡泡内内。这这两两处处参参与精氨酸代谢的酶量有很大差别。与精氨酸代谢的酶量有很大差别。原原核核生生物物：有有些些酶酶以以多多酶酶复复合合物物存存在在或或与与细细胞胞膜膜结结合合，类似于酶固定化，不能自由活动。类似于酶固定化，不能自由活动。12微生物代谢调节M控制代谢物流的方法控制代谢物流的方法：调调节节酶酶量量增增加加或或减减少少途途径径中中有有关关酶酶的的合合成成或或降降解解速速率；率；改改变变酶酶活活性性通通过过小小分分子子化化合合物物调调节节酶酶反反应应速速率率，激激活或抑制，有效地控制各种代谢过程。活或抑制，有效地控制各种代谢过程。酶活性调节包括酶活性调节包括：共价修饰、变（别）构效应、缔合：共价修饰、变（别）构效应、缔合与解离、竞争性抑制。与解离、竞争性抑制。（3）代谢途径的通量扩展）代谢途径的通量扩展13微生物代谢调节 共共价价修修饰饰：Pr分分子子中中一一个个或或多多个个AA残残基基与与一一化化学学基基团团共共价价连连接接或或解解开开，使使其其活活性性改改变变的的作作用用。共共价价修修饰饰可可使使酶酶钝钝化或活化。化或活化。化学基团化学基团：磷酸基，甲基，乙基，腺苷酰基：磷酸基，甲基，乙基，腺苷酰基 Pr的共价结合部位的共价结合部位：一般为丝氨酸残基的：一般为丝氨酸残基的-CH2OH。共价修饰作用分类：共价修饰作用分类：可逆的和不可逆。可逆的和不可逆。3.1.1.2 共价修饰共价修饰14微生物代谢调节 有有些些酶酶存存在在活活性性和和非非活活性性两两种种状状态态，可可通通过过共共价价修修饰而互相转换饰而互相转换.（1）可逆共价修饰）可逆共价修饰15微生物代谢调节例例1：磷磷酸酸化化可可改改变变真真核核生生物物中中磷磷酸酸果果糖糖激激酶酶或或蛋蛋白白激激酶酶的的活活性性。粗粗糙糙链链孢孢霉霉的的糖糖原原磷磷酸酸化化酶酶以以磷磷酸酸化化形形式式存存在在，无无5-AMP时时具具有有完完全全活活性性；其其去去磷磷酸酸化化需需要要5-AMP才才显显示示其其活活性性。这这两两种种形形式式可可藉藉特特殊殊的的激激酶酶和和磷磷酸酸酯酯酶酶互互相相转转换换。某某些些具具有有两两种种组组分分调调节节系系统统的的调调节节蛋蛋白白也也受受磷磷酸化激活。酸化激活。例例2:大肠杆菌谷氨酰胺合成酶活性即通过大肠杆菌谷氨酰胺合成酶活性即通过腺苷酰化腺苷酰化调节。调节。16微生物代谢调节可逆共价修饰作用的意义可逆共价修饰作用的意义：、可可在在短短时时间间内内改改变变酶酶活活性性，有有效效地地控控制制细细胞胞的的生生理理代谢；代谢；、这种作用更易为响应环境变化而控制酶的活性。、这种作用更易为响应环境变化而控制酶的活性。17微生物代谢调节 典型例子是典型例子是酶原激活酶原激活。酶原被相应的蛋白酶切去一小。酶原被相应的蛋白酶切去一小段肽链而被激活。段肽链而被激活。例例1 1、胰蛋白酶原胰蛋白酶原的活化从的活化从N-端除去一个己肽端除去一个己肽(Val-Asp-Asp-Asp-Asp-lys)。胰蛋白酶原活化是信号放大的一个胰蛋白酶原活化是信号放大的一个典型例子典型例子。因胰蛋白酶具有自身催化作用，少量肠肽酶可。因胰蛋白酶具有自身催化作用，少量肠肽酶可激发大量胰蛋白酶原转变成胰蛋白酶。这些胰酶完成了其激发大量胰蛋白酶原转变成胰蛋白酶。这些胰酶完成了其使命后，便被降解。这种酶活性的关闭作用是极其重要的。使命后，便被降解。这种酶活性的关闭作用是极其重要的。（2）不可逆共价修饰）不可逆共价修饰18微生物代谢调节 除除受受某某些些反反应应基基质质和和产产物物的的直直接接影影响响外外，许许多多酶酶还还受受一些一些效应物效应物的控制。的控制。这些这些效应物效应物是一种酶的基质、产物或调节性代谢物。是一种酶的基质、产物或调节性代谢物。效效应应物物促促进进或或抑抑制制酶酶的的反反应应速速率率，影影响响酶酶对对基基质质的的亲亲和和力力。效效应应物物结结合合在在酶酶的的某某一一位位点点会会影影响响另另一一配配基基对对第第二二个个位位点点的的结结合合，这这种种可可逆逆的的相相互互作作用用机机制制称称为为变变构构活活化化或或变构抑制变构抑制。前体的活化前体的活化和和反馈抑制反馈抑制是常见的机制。是常见的机制。3.1.1.3 变（别）构控制变（别）构控制19微生物代谢调节 变变构构酶酶通通常常是是具具有有多多个个结结合合位位点点的的寡寡聚聚蛋蛋白白。效效应应物物和和基基质质结结合合位位点点的的占占据据会会影影响响亚亚单单位位间间构构象象的的相相互互作作用，导致基质亲和力的变化。用，导致基质亲和力的变化。20微生物代谢调节图图3-2 酶活的变构调节酶活的变构调节 结结合合位位点点间间的的正正向向协协同同作作用用导导致致基基质质浓浓度度对对反反应速率的影响呈应速率的影响呈S型型(图图3-2)。21微生物代谢调节 变变构构酶酶：以以两两种种构构象象形形式式存存在在，活活性性（a）态态和和钝钝化化（b）态。）态。正正效效应应物物的的结结合合将将增增加加酶酶的的a态态部部分分，而而负负效效应应物物的的结结合合会使平衡移向会使平衡移向b态。态。加加入入正正效效应应物物会会使使曲曲线线向向左左移移，因因而而消消除除了了正正向向协协同同作作用，使曲线符合米用，使曲线符合米-孟动力学模型；负效应物增加协同现象。孟动力学模型；负效应物增加协同现象。22微生物代谢调节 在在代代谢谢途途径径的的支支点点和和代代谢谢可可逆逆步步骤骤(如如供供、需需ATP步步骤骤)中中常常发发现现变变构构控控制制酶酶，如如在在酵酵解解、糖糖原原异异生生和和TCA中中（图（图3-3）。）。23微生物代谢调节 酵酵解解、糖糖原原异异生生可可在在细细胞胞内内同同时时进进行行。小小的的配配基基，如如AMP，NAD，ADP，F-1,6-BP，AcCoA等等可可作作为为变变构构效效应应物物。在在葡葡萄萄糖糖分分解解代代谢谢中中AMP，ADP，ATP或或NADH的的浓浓度度反反映映细细胞胞能能量量或或氧氧化化还还原原变变化化的的现现状状。故故过过量量ATP会会减减缓能量代谢，而高浓度缓能量代谢，而高浓度ADP和和AMP会促进能量代谢。会促进能量代谢。24微生物代谢调节 变构调节机制可归纳为以下几点：变构调节机制可归纳为以下几点：、天天冬冬氨氨酸酸转转氨氨甲甲酰酰酶酶是是具具代代表表性性的的一一类类变变构构酶酶。有有一一个个以以上上的的结结合合位位点点。除除了了结结合合底底物物的的活活性性中中心心外外，在在同同一一分子内还有一些分立的效应物结合位点；分子内还有一些分立的效应物结合位点；、主要位点和副位点可同时被占据；、主要位点和副位点可同时被占据；、副位点可结合不同的效应物，产生不同的效应；、副位点可结合不同的效应物，产生不同的效应；、效效应应物物在在副副位位点点上上的的结结合合可可引引起起Pr分分子子构构象象变变化化，影影响酶活性中心的催化活性；响酶活性中心的催化活性；、变变构构效效应应是是反反馈馈抑抑制制的的理理论论基基础础，是是调调节节代代谢谢的的有有效效方法。方法。25微生物代谢调节（1）缔合与解离）缔合与解离p进行这种转变的进行这种转变的Pr由多个亚基组成。由多个亚基组成。pPr活化与钝化通过亚基的缔合与解离实现。活化与钝化通过亚基的缔合与解离实现。p这类互相转变有时由共价修饰或若干配基的缔合启动。这类互相转变有时由共价修饰或若干配基的缔合启动。3.1.1.4 其他调节方式其他调节方式26微生物代谢调节（2）竞争性抑制）竞争性抑制 一些一些Pr的生物活性受代谢物的竞争性抑制。的生物活性受代谢物的竞争性抑制。例例如如，需需要要NAD的的反反应应可可能能受受NADH的的竞竞争争抑抑制制；需需ATP的的反反应应可可能能受受ADP或或AMP的的竞竞争争性性抑抑制制；有有些些酶酶受受反应过程产物的竞争性抑制。反应过程产物的竞争性抑制。27微生物代谢调节3.1.2.1 诱导作用诱导作用 诱导酶诱导酶：培养基中某种基质的存在会增加培养基中某种基质的存在会增加（诱导诱导）细细胞中相应酶的合成速率。能引起诱导作用的化合物称为胞中相应酶的合成速率。能引起诱导作用的化合物称为诱诱导物导物（inducer），可以是基质、基质衍生物，或产物。，可以是基质、基质衍生物，或产物。组成型酶：组成型酶：如酶的合成速率受基质浓度变化的影响很如酶的合成速率受基质浓度变化的影响很小，称小，称组成型酶组成型酶。3.1.2 酶合成的调节酶合成的调节28微生物代谢调节 诱诱导导动动力力学学定定量量：测定在各种适当生长条件下培养物的酶比活（U/mg Pr），或采用Monod微分方程作图表示。在恒定环境中平衡生长（分批培养对数生长早期或连续培养）期间，细胞Pr以一定的比例合成。29微生物代谢调节 酶酶的的微微分分合合成成速速率率：酶占总的新合成Pr的分数。为了获得微分曲线，在分批生长期间间歇取样，测定酶活的Pr含量。只要培养条件恒定，通常能获得一直线，其斜率代表合成的微分速率。到对数生长末期，随培养基中代谢物的积累，曲线会偏离直线。30微生物代谢调节 在在生生长长期期间间加加入入一一种种能能诱诱导导酶酶的的化化合合物物异异丙丙基基-D-硫硫代代半半乳乳糖糖苷苷（IPTG），作作图图会会显显示示出出两两条条直直线线，分分别别代代表表有有和和没没有有诱诱导物的合成速率。导物的合成速率。图图3-4显显示示一一种种安安慰慰诱诱导导物物对对大大肠肠杆杆菌菌-半乳糖苷酶的诱导作用。半乳糖苷酶的诱导作用。31微生物代谢调节32微生物代谢调节 试验是在最低盐分试验是在最低盐分-麦芽糖培养基中进行。过麦芽糖培养基中进行。过程添加的程添加的ITPG最终浓度为最终浓度为10-4mol/L。有诱导物。有诱导物IPTG时，时，-半乳糖苷酶的比活为半乳糖苷酶的比活为104U/mg Pr；无；无诱导物时为诱导物时为10U/mg Pr（图中虚线）（图中虚线）将培养物过将培养物过滤后重新培养在不含滤后重新培养在不含IPTG的培养基中的结果。的培养基中的结果。33微生物代谢调节安慰诱导物：安慰诱导物：-半乳糖苷酶能水解乳糖成葡萄糖和半乳糖。有些诱导物半乳糖苷酶能水解乳糖成葡萄糖和半乳糖。有些诱导物不被代谢，被称为不被代谢，被称为安慰诱导物安慰诱导物（gratuitors），如异丙基硫，如异丙基硫-半乳糖苷，半乳糖苷，IPTG。诱导系数：诱导系数：酶合成的诱导速率与非诱导速率之比称为酶合成的诱导速率与非诱导速率之比称为诱导系数诱导系数。ITPG的诱导系数为的诱导系数为1000。34微生物代谢调节 指指培培养养基基中中某某种种基基质质的的存存在在会会减减少少（阻阻遏遏）细细胞中相应酶的合成速率。胞中相应酶的合成速率。阻阻遏遏物物（repressor）在在分分解解代代谢谢中中是是操操纵纵子子调调节节基基因因（R）编编码码的的阻阻遏遏蛋蛋白白，能能可可逆逆地地同同操操纵纵基基因因（O）结结合合，从从而而控控制制其其相相邻邻的的结结构构基基因因（S）的的转转录。录。3.1.2.2 分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏35微生物代谢调节 能能被被快快速速利利用用的的基基质质，如如葡葡萄萄糖糖，其其分分解解代代谢谢物会阻遏另一种异化较难利用基质的酶的合成。物会阻遏另一种异化较难利用基质的酶的合成。图图3-5为为大大肠肠杆杆菌菌K12中中精精氨氨酸酸对对鸟鸟氨氨酸酸氨氨甲甲酰酰基基转转移移酶酶合合成成的的阻阻遏遏作作用用。后后者者参参与与精精氨氨酸酸的的生生物物合合成成。精精氨氨酸酸加加入入到到培培养养物物中中，其其合合成成速速率率很很快快受受到到阻阻遏遏；精精氨氨酸酸去去除除，阻阻遏遏作作用用很很快快被被解解除除（derepression）。）。阻阻阻阻遏遏遏遏率率率率：合合成成的的阻阻遏遏速速率率与与去去阻阻遏遏速速率率之之比比称称为为阻阻遏率遏率。36微生物代谢调节37微生物代谢调节 试验在最低盐分-麦芽糖培养基中进行。添加精氨酸时，鸟氨酸氨甲酰基转移酶的比活为1.5U/mg Pr-图中实线；除去精氨酸的后比活为1200U/mg Pr-图中虚线，是将培养物过滤后重新培养在不含精氨酸的培养基中的结果。38微生物代谢调节 AA，嘌嘌呤呤和和嘧嘧啶啶核核苷苷酸酸生生物物合合成成的的控控制制以以反反馈馈调节调节方式进行。方式进行。其其生生理理意意义义在在于于避避免免物物流流的的浪浪费费和和不不需需要要酶酶的的合成。合成。反反馈馈抑抑制制一一般般针针对对紧紧接接代代谢谢途途径径支支点点后后的的酶酶；而阻遏往往影响从支点到终点的酶。而阻遏往往影响从支点到终点的酶。3.1.2.3 反馈调节反馈调节39微生物代谢调节 操操纵纵子子编编码码的的阻阻遏遏Pr无无活活性性，需需与与辅辅阻阻遏遏物物（co-repressor，即即终终产产物物或或其其衍衍生生物物）结结合合才才能能阻阻止止编编码码合合成成途途径径中的第一个酶的基因转录。中的第一个酶的基因转录。图图3-6为简单支路途径的调节方式。为简单支路途径的调节方式。（1）反馈阻遏）反馈阻遏40微生物代谢调节41微生物代谢调节 肠道细菌可能具有两种同功酶催化AB的反应，其一由E控制；其二由G控制。酶2的阻遏通常属于协同作用。顺序反馈抑制，首先在枯草杆菌芳香氨基酸系统中发现。如图3-6所示，E抑制酶3和G抑制酶5，从而积累C，C再抑制酶1。42微生物代谢调节 反馈抑制的补偿拮抗作用可举大肠杆菌氨甲酰磷酸合酶的例子。其产物，氨甲酰磷酸用于Arg和嘧啶的合成。其合酶受UMP抑制，此抑制作用受鸟氨酸拮抗，后者可以与氨甲酰磷酸反应产生瓜氨酸。图3-6中的H拮抗G对酶1的抑制作用。43微生物代谢调节 图3-7a.为枯草杆菌和地衣杆菌的分支酸形成途径调节方式。枯草杆菌具有两种明显不同的莽草酸激酶(s)和两个分支酸变位酶(c)；地衣杆菌有两个s酶，一个c酶。枯草杆菌的s同功酶之一像酶p（磷酸-2-酮-3-脱氧景天庚酮糖酸醛缩酶）那样受分支酸或预苯酸的抑制；地衣杆菌的s酶只受分支酸的抑制。枯草杆菌中p、s和c的活性受酪氨酸的阻遏；而地衣杆菌中的酶s是组成型的，酪氨酸阻遏p和c的活性。44微生物代谢调节45微生物代谢调节46微生物代谢调节 不同细菌属的酶p受阻遏方式不同。芽孢杆菌属中的顺序反馈抑制作用也存在于链球菌中。链霉菌中色氨酸是惟一的抑制剂。假单孢菌属中酪氨酸是主要抑制剂。要最大限度地抑制需苯丙酮酸(苯丙氨酸的直接前体)和酪氨酸的联合作用，色氨酸只产生部分抑制作用。酪氨酸和色氨酸的抑制作用可被PEP克服；而苯丙酮酸的抑制作用则被D-赤藓糖-4-磷酸所克服。即如途径起始材料不足，产率受终产物反馈抑制的影响特别显著。47微生物代谢调节 图3-7b为枯草杆菌和绿脓杆菌的色氨酸合成末端途径的调节。枯草杆菌与肠道杆菌调节方式相似，第一个酶，邻邻氨氨基基苯苯甲甲酸酸合合酶酶a受色氨酸抑制。a和其他酶还受色氨酸的反馈阻遏。48微生物代谢调节49微生物代谢调节对假单孢菌，a受色氨酸阻遏，但酶合成的调节方式不同：a，o（邻邻氨氨基基苯苯甲甲酸酸核核糖糖基基转转移移酶酶）和I（吲吲哚哚甘甘油油磷磷酸酸合合酶酶）受色氨酸阻遏，r（磷磷酸酸核核糖糖基基-邻邻氨氨基基苯苯甲甲酸酸异异构构酶酶）是组成型。其色氨酸合酶复合物t受其基质茚哚甘油磷酸的诱导。这些酶合成控制的差异也反映在相应基因的定位上。在枯草杆菌中这些基因如同在肠道杆菌那样形成一簇，而在绿脓杆菌和Psputida中酶a，o和i的基因构成一簇，色氨酸合酶两个组分的基因构成另一簇，酶r的基因单独存在。50微生物代谢调节 是一种常用于组成代谢的负向变构控制。在大肠杆菌色是一种常用于组成代谢的负向变构控制。在大肠杆菌色氨酸抑制其自身生物合成中的第一步，即催化赤藓糖氨酸抑制其自身生物合成中的第一步，即催化赤藓糖-4-P与与PEP缩合的同功酶；其他同功酶则分别受苯丙氨酸和酪氨酸缩合的同功酶；其他同功酶则分别受苯丙氨酸和酪氨酸的调节（图的调节（图3-8）。终产物的反馈控制使细胞能保持某一代谢物适当的浓度。终产物的反馈控制使细胞能保持某一代谢物适当的浓度。代谢途径分支点处的酶分别受不同终产物的调节。代谢途径分支点处的酶分别受不同终产物的调节。（2）反馈抑制）反馈抑制51微生物代谢调节52微生物代谢调节53微生物代谢调节 代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。代谢途径中酶的诱导和阻遏常常是平行的。例例如如：负负责责乳乳糖糖分分解解代代谢谢的的酶酶在在合合成成速速率率方方面面显显示示出出协协同同控控制制作作用用，即即其其合合成成速速率率在在所所有有生生长长条条件件下下均均以以恒恒定定的的比比例例进进行行。当当-半半乳乳糖糖苷苷酶酶被被诱诱导导时时，其其他他两两种种Pr，半半乳乳糖糖苷苷透透酶酶和和-半半乳乳糖糖苷苷转转乙乙基基酶酶也也同同时时被被诱诱导导出出来来。前前者者负负责责乳乳糖糖和和其其他他有有关关物物质质，如如硫硫-D半乳糖苷运输到细胞内，后者生理作用不明。半乳糖苷运输到细胞内，后者生理作用不明。再再例例如如：大大肠肠杆杆菌菌K12中中精精氨氨酸酸同同时时阻阻遏遏鸟鸟氨氨酸酸氨氨甲甲酰酰基基转转移移酶酶和和精精氨氨酸酸合合成成中中的的其其他他几几种种酶酶。这这一一现现象象有有时时称称为为调调节节子子(regulon)。3.1.2.4 协调控制协调控制54微生物代谢调节 精氨酸生物合成酶中有些显示协同控制作用，精氨酸生物合成酶中有些显示协同控制作用，有些没有有些没有。如：将细胞从含有精氨酸的培养基移种到缺少它的培养基中，如：将细胞从含有精氨酸的培养基移种到缺少它的培养基中，鸟氨酸氨甲酰基转移酶鸟氨酸氨甲酰基转移酶去阻遏达去阻遏达100倍，其他酶去阻遏约倍，其他酶去阻遏约10倍。倍。原因：原因：一种可能的解释是一种可能的解释是鸟氨酸氨甲酰基转移酶鸟氨酸氨甲酰基转移酶与与天冬氨酸氨天冬氨酸氨甲酰基转移酶甲酰基转移酶（从酶催化嘧啶合成的第一步）竞争同一基质，氨甲（从酶催化嘧啶合成的第一步）竞争同一基质，氨甲酰磷酸。为此，在胞内低精氨酸浓度下需确保有足够的氨甲酰磷酸酰磷酸。为此，在胞内低精氨酸浓度下需确保有足够的氨甲酰磷酸流向精氨酸合成途径。反之也一样，在缺少尿嘧啶或胞嘧啶下天冬流向精氨酸合成途径。反之也一样，在缺少尿嘧啶或胞嘧啶下天冬氨酸氨甲酰基转移酶的去阻遏的程度比其他嘧啶生物合成酶更大。氨酸氨甲酰基转移酶的去阻遏的程度比其他嘧啶生物合成酶更大。55微生物代谢调节 在一途径中胞内不同酶的含量是变化的。代谢途径可分为两种极端类型：通通道道型型；库库存存型型。3.1.3 代谢系统的分子控制机制代谢系统的分子控制机制3.1.3.1 遗传控制遗传控制56微生物代谢调节 通通道道型型途途径径中中某某些些中中间间体体保保持持与与Pr结结合合状状态态（局局域域化化），有有时时组组成成超超大大分分子子的的多多酶酶结结构构，催催化化某某一一代代谢谢的的连连续续步步骤骤。这些中间体不能与中间体库自由交换。这些中间体不能与中间体库自由交换。库库存存型型途途径径中中所所有有中中间间体体可可以以自自由由交交换换（扩扩散散），它它们们在在细细胞胞内内不不与与Pr结结合合。因因此此，一一种种代代谢谢物物既既可可作作为为一一种种酶酶的的基质又可作为效应物。基质又可作为效应物。代代谢谢控控制制理理论论运运用用库库存存型型代代谢谢方方式式以以数数学学模模型型（微微分分方方程）描述代谢物流和代谢途径的控制步骤。程）描述代谢物流和代谢途径的控制步骤。57微生物代谢调节 细胞中的遗传物质总称为基基因因组组，由DNA构成，编码了细胞该如何运行的指示。每一种酶或多肽的合成分别由基因或遗传信息顺序（大约含600碱基对）调节。若M的基因组里不存在某一种酶的基因，该M不能合成相应的酶。不是所有基因都是结构基因。有些基因产物具有调节功能，是一种能抑制或促进一些代谢过程的Pr。58微生物代谢调节60微生物代谢调节61微生物代谢调节 在在大大肠肠杆杆菌菌中中其其转转录录始始于于RNA聚聚合合酶酶复复合合物物（RPC）与与启启动动子子DNA序序列列（位位于于基基因因的的上上游游）结结合合，形形成成一一关关闭闭的的DNA复复合合物物，由由此此形形成成RPC（图图3-10）。负负责责转转录录管管家家基基因因的的RPC具具有有一一亚亚单单位位，70（上上标标代代表表蛋蛋白白质质的的相相对对分分子子质质量量），由由它它决决定定启启动动子子区区域域和和开开始始DNA的的转转录录为为mRNA。在在RPC沿沿着着DNA移移动动过过程程中中70被被释释放放，由由一一种种外外来来的的蛋蛋白白NusA取取代代。这这时时两两股股DNA打打开开成成为为开开放放复复合合物物，由由此此启启动动DNA转转录录。转转录录期期间间NusA一一直直与与RNA聚聚合合酶酶在在一一起起，直直到到遇遇到到DNA转转录录中中止止结结构构整整个个基基因因转转录录完完毕毕。RNA聚聚合合酶酶与与NusA蛋蛋白白解解离离，又又可重新进入新一轮的转录。可重新进入新一轮的转录。62微生物代谢调节63微生物代谢调节 RNA聚合酶复合物（RPC）含有2个、1个和1个亚单位以及70因子。外来蛋白NusA在开放复合物位置上替代70，并留在RPC上，直到遇到DNA脂质结构。RPC从DNA处解离，开始新一轮转录。作为调节性组分的因子在大肠杆菌中DNA的识别是由RPC亚单位，70控制的，后者引导RNA聚合酶结合到启动子上。对距转录起点上游1035bp的距离(-10-35盒)处，70亚单位对两盒DNA的68bp是专一性的。64微生物代谢调节 70启动子主要由碱基A或T组成。在-10与-35盒之间被一1618个碱基对组成的干涉DNA分开。大肠杆菌还存在另外一些因子，32、43、54(分别具有32 000，43 000和54 000相对分子质量)。枯草杆菌，链霉菌等的专一性启动子区域的特征与70启动子同感区域有所不同。这些因子每个控制多组基因(一组多到50个)，它们只在一定的环境条件(如N-限制，热冲击，孢子形成，氧应激等)下被转录。这些因子本身的形成受严密调节和对不同环境做出响应。65微生物代谢调节l细菌中，细菌中，DNA结合结合Pr与与位于基因前头的位于基因前头的DNA区域区域相互作用。相互作用。l这些这些Pr通过通过干扰干扰RNA聚合酶，聚合酶，允许或阻止下游序列的转录。允许或阻止下游序列的转录。l那那些些能能让让RNA聚聚合合酶酶与与DNA更更紧紧密密结结合合（专专一一）的的Pr称称为为激激活剂活剂（正向调节）；（正向调节）；l而那些在早期阻止转录的称为而那些在早期阻止转录的称为阻遏物阻遏物（负向调节）（负向调节）（图（图3-9）。）。3.1.3.2 DNA结合蛋白：激活剂与阻遏物结合蛋白：激活剂与阻遏物66微生物代谢调节67微生物代谢调节 为了取得充分的为了取得充分的DNA结合活性，这些结合活性，这些Pr往往依赖于小的往往依赖于小的效应物分子。效应物分子。例如：例如：肠道细菌中肠道细菌中cAMP与与cAMP受体受体Pr（CAP）结合形成结合形成一复合物。此复合物可结合到一复合物。此复合物可结合到DNA的专一性位点，促进的专一性位点，促进RNA聚合酶的结合和转录（聚合酶的结合和转录（=活化）。活化）。例如：例如：色氨酸可作为一种辅阻遏物，它能改变色氨酸可作为一种辅阻遏物，它能改变TrpR阻遏阻遏物分子，使其变成活性形式，阻遏物分子，使其变成活性形式，阻遏TrpR基因的转录。基因的转录。68微生物代谢调节p 分解代谢途径中的分解代谢途径中的阻遏物分子阻遏物分子可被可被诱导物分子诱导物分子（通常（通常是基质或其衍生物）钝化是基质或其衍生物）钝化 例如：例如：lac基因中的乳糖。乳糖分解代谢酶的合成受乳基因中的乳糖。乳糖分解代谢酶的合成受乳糖的诱导。糖的诱导。p 某些情况下同一某些情况下同一Pr分子分子既可作为激活剂，又可作为阻既可作为激活剂，又可作为阻遏物遏物，这取决于其基质和它所结合的，这取决于其基质和它所结合的DNA区域。区域。例如例如:肠道细菌的肠道细菌的L-阿拉伯糖利用系统是这方面的典阿拉伯糖利用系统是这方面的典型例子。型例子。69微生物代谢调节A.细菌的二元调节系统含有两种Pr：传传感感器器（发射器），调调节节器器（接收器）。B.传传感感器器分分子子是跨膜Pr，起Pr激酶作用，能催化需ATP的自动磷酸化作用和将磷酸基转移给其他Pr的作用（如调节器）。C.受外界或内部刺激(如渗透压、化学吸引剂、特殊分子存在或缺乏)，传感器分子便自动磷酸化，把刺激转换成生化信号（传感器分子磷酸化状态）。此信号可通过磷酸基的转移将信号传给可溶性调节器可溶性调节器PrPr（图3-11）。D.磷酸化调节器可作为转录的激活剂或阻遏物再与DNA序列相互作用。E.此二元系统是M中的信号传导模型，参与硫酸盐代谢和氮代谢的调节。3.1.3.3 二元调节系统二元调节系统70微生物代谢调节71微生物代谢调节u一旦形成转录本一旦形成转录本mRNA，仍然有方法控制此转录本的转译。仍然有方法控制此转录本的转译。u一一种种称称为为衰衰减减器器模模型型（attenuator model）是是在在mRNA水水平平调调节上起作用的。节上起作用的。u它它是是在在研研究究大大肠肠杆杆菌菌的的嘧嘧啶啶和和几几种种AA（组组氨氨酸酸，苯苯丙丙氨氨酸酸，色氨酸）的生物合成中发现的。色氨酸）的生物合成中发现的。u特特征征：mRNA含含有有一一引引导导区区域域（在在第第一一个个结结构构基基因因的的上上游游部部分），显示出一种分），显示出一种不平常不平常AA密码子的堆积密码子的堆积。3.1.3.4 RNA水平的调节机制：衰减器模型水平的调节机制：衰减器模型72微生物代谢调节u 图图3-12为为大大肠肠杆杆菌菌色色氨氨酸酸调调节节衰衰减减器器模模型型。两两个个Trp密密码码子子相邻地位于引导区，通常很少看见相邻地位于引导区，通常很少看见Pr编码有编码有Trp密码子。密码子。u衰减器模型能区分以下两种情况：衰减器模型能区分以下两种情况：、细胞含有丰富、细胞含有丰富AA 、细胞缺乏某种细胞缺乏某种AA。色氨酸衰减器模型色氨酸衰减器模型73微生物代谢调节 细胞含有大量携带细胞含有大量携带Trp的的tRNA，迅速形成引导肽。迅速形成引导肽。在在trp mRNA上上工工作作的的核核糖糖体体复复合合物物与与合合成成trp mRNA的的RNA聚合酶聚合酶同步运行。同步运行。由由此此，第第一一个个可可能能的的mRNA次次级级结结构构，干干环环(stem loops)构构型型形成一种形成一种中止环中止环(1：2)，加上一，加上一终止区环终止区环(3：4)，见，见图图3-12。如如出出现现这这种种情情况况，RNA聚聚合合酶酶复复合合物物十十有有八八九九会会停停止止在在终终止止区环上并解离。随后结构基因转录终止。区环上并解离。随后结构基因转录终止。当色氨酸丰富时：当色氨酸丰富时：当色氨酸丰富时：当色氨酸丰富时：74微生物代谢调节75微生物代谢调节u缺少负荷的缺少负荷的tRNAtrp，trp引导区的转译被停止，核糖体便停引导区的转译被停止，核糖体便停顿在顿在Trp密码子上，并阻止中止环的形成。密码子上，并阻止中止环的形成。u其结果形成一种其结果形成一种抗终止区环抗终止区环（2：3），从而抑制终止区环的从而抑制终止区环的形成。形成。uRNA聚合酶继续转录聚合酶继续转录trp基因。基因。当色氨酸缺乏时：当色氨酸缺乏时：当色氨酸缺乏时：当色氨酸缺乏时：76微生物代谢调节