一、初級代謝調節
包括酶合成的調節和酶活性的調節。
（一）酶合成調節（教材：P27）
酶合成的調節是一種通過(guò)調節酶的合成量進(jìn)而調節代謝速率的調節機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉錄水平上）的代謝調節。凡是能促進(jìn)酶合成的調節稱(chēng)為誘導；而能阻礙酶合成的調節稱(chēng)為阻遏。
1、酶合成調節的類(lèi)型
（1）、酶合成的誘導（induction）
組成酶：不依賴(lài)于酶底物或類(lèi)似物的存在而合成；如葡萄糖轉化為丙酮酸過(guò)程中的各種酶
誘導酶：依賴(lài)于某種底物或底物的結構類(lèi)似物的存在而合成；如大腸桿菌乳糖利用酶
誘導劑可以是誘導酶的底物，也可是底物的結構類(lèi)似物，也可以不是該酶的作用底物。
酶的誘導可分兩種：
A、同時(shí)誘導：當誘導物加入后，同時(shí)或幾乎同時(shí)誘導幾種酶的合成；主要存在于短的代謝途徑中。
B、順序誘導：先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復雜代謝途徑的分段調節。
（2）、酶合成的阻遏 (repression)
A、末端產(chǎn)物阻遏 (end-product repression):指由某代謝途徑末端產(chǎn)物過(guò)量積累而引起的阻遏。
B、分解代謝物阻遏 (catabolite repression)：指兩種碳源（或氮源）分解底物同時(shí)存在時(shí)，細胞利用快的那種分解底物會(huì )阻遏利用慢的底物的有關(guān)分解酶合成的現象。
2、酶合成調節機制：操縱子模型
（二）酶活性調節（教材：P23）
1、酶合成調節類(lèi)型：激活和抑制
2、酶活性調節機制
（1）共價(jià)修飾調節：指蛋白質(zhì)分子中的一個(gè)或多個(gè)氨基酸殘基與一化學(xué)基團共價(jià)連接或解開(kāi)，使其活性改變的作用，分可逆和不可逆兩種。
可逆共價(jià)修飾：有些酶存在活性和非活性?xún)煞N狀態(tài)，它們可以通過(guò)另一種酶的催化作共價(jià)修飾而互相轉換。如: 糖原磷酸化酶通過(guò)激酶和磷酸酯酶來(lái)調節活性；磷酸化形式有活性，去磷酸化形式無(wú)活性。
不可逆共價(jià)修飾：典型的例子是酶原激活——無(wú)活性的酶原被相應的蛋白酶作用，切去一小段肽鏈而被激活。
酶可逆共價(jià)修飾的意義：
① 因酶構型的轉換是由酶催化的，故可在很短的時(shí)間內經(jīng)信號啟動(dòng)，觸發(fā)生成大量有活性的酶；
② 這種修飾作用可更易控制酶的活性以響應代謝環(huán)境的變化。
（2）變構或別構(allosterism)效應：變構或別構效應是指一種小分子物質(zhì)與一種蛋白質(zhì)分子發(fā)生可逆的相互作用，導致這種蛋白質(zhì)的構象發(fā)生改變，從而改變這種蛋白質(zhì)與第三種分子的相互作用。變構蛋白是表現變構效應的蛋白，如阻遏蛋白；具有變構作用的酶稱(chēng)作變構酶。
變構調節機制：
1）變構酶具有一個(gè)以上的結合位點(diǎn)，除了結合底物的活性中心外，在同一分子內還有一些分立的效應物結合位點(diǎn)（副位點(diǎn)）；2）主位點(diǎn)和副位點(diǎn)可同時(shí)被占據；3）副位點(diǎn)可結合不同的效應物，產(chǎn)生不同的效應；4）效應物在副位點(diǎn)上的結合可隨后引起蛋白質(zhì)分子構象的變化，從而影響酶活性中心的催化活性；5）變構效應是反饋控制的理論基礎，是調節代謝的有效方法。
3、締合與解離：能進(jìn)行這種轉變的蛋白質(zhì)由多個(gè)亞基組成； 蛋白質(zhì)活化與鈍化是通過(guò)亞基締合與解離實(shí)現的。
4、競爭性抑制：一些蛋白質(zhì)的生物活性受代謝物的競爭性抑制，如需要氧化性NAD+的反應可能被還原型NADH的競爭抑制；需ATP的反應可能受ADP或AMP的競爭型抑制；有些酶受反應過(guò)程產(chǎn)物的競爭性抑制。
（三）、分支生物合成途徑的調節
1、同工酶調節：某一分支途徑中的第一步反應可由多種酶催化，但這些酶受不同的終產(chǎn)物的反饋調節。
如：大腸桿菌的天門(mén)冬氨酸族氨基酸的合成途徑中，有三個(gè)同工酶：天門(mén)冬氨酸激酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分別受賴(lài)氨酸、蘇氨酸和甲硫氨酸的反饋調節
2、協(xié)同反饋調節：需有一種以上終產(chǎn)物的過(guò)量存在方有明顯的效果；單個(gè)終產(chǎn)物過(guò)量，不產(chǎn)生或只產(chǎn)生很小的影響。
3、累加反饋調節：每一種末端產(chǎn)物過(guò)量只能部分抑制或阻遏，總的效果是累加的。
4、增效反饋調節：代謝途徑中任一末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，僅部分抑制共同反應中第一個(gè)酶的活性，但兩個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，其抑制作用可超過(guò)各末端產(chǎn)物產(chǎn)生的抑制作用的總和。
5、順序反饋調節：
6、聯(lián)合激活或抑制調節：由一種生物合成的中間產(chǎn)物參與兩個(gè)完全獨立的、不交叉的合成途徑的控制。這種中間體物質(zhì)濃度的變化會(huì )影響這兩個(gè)獨立代謝途徑的代謝速率。
（四）、能荷調節：能荷——指細胞中ATP、ADP、AMP系統中可為代謝反應供能的高能磷酸鍵的量度。能荷調節——指細胞通過(guò)改變ATP、ADP、AMP三者比例來(lái)調節其代謝活動(dòng)，也稱(chēng)腺苷酸調節。能荷不僅調節形成ATP的分解代謝酶類(lèi)（如磷酸果糖激酶、異檸檬酸脫氫酶、檸檬酸合成酶等）的活性，也調節利用ATP的生物合成酶類(lèi)（如檸檬酸裂解酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的活性。
二、次級代謝調節
（一）次級代謝產(chǎn)物的誘導調節
次級代謝產(chǎn)物的誘導機制可能按以下兩種方式進(jìn)行：誘導物→刺激影響初級代謝造成代謝流的改變成→大量生產(chǎn)次生代謝物；誘導物→次生代謝物合成酶的合成→大量生產(chǎn)次生代謝物。
大多數分解代謝酶屬于誘導酶，可以通過(guò)加入誘導物使酶的產(chǎn)量大幅度提高。如在鏈霉素生產(chǎn)中，如果加入誘導物甘露聚糖，可使甘露糖鏈霉素酶產(chǎn)量提高，而這種酶是轉化甘露糖鏈霉素為鏈霉素的關(guān)鍵酶。因此甘露聚糖的加入會(huì )提高鏈霉素產(chǎn)量。
（二）次級代謝自身產(chǎn)物的反饋調節
Lagstor在1935年發(fā)現：產(chǎn)生50µg／ml氯霉素的委內瑞拉鏈霉菌被50µg／ml外源氯霉素所抑制。Gordee在1972年發(fā)現，產(chǎn)黃青霉加入10µg／ml外源青霉素對其生長(cháng)無(wú)影響，而青霉素合成幾乎完全被抑制，其他多種青霉素及其鈉鹽亦有類(lèi)似現象。有關(guān)鏈霉素、卡那霉素等氨基糖苷類(lèi)抗生素的系統研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。
抗生素對自身產(chǎn)物的抑制有一定的規律：抑制特定產(chǎn)生菌合成抗生素所需濃度與生產(chǎn)水平具有相關(guān)性，一般產(chǎn)生菌產(chǎn)量高，對自身抗生素的耐受力強，反之則越敏感。例如氯霉素對芳基氨合成酶的反饋調節，已知氯霉素通過(guò)莽草酸的分支代謝途徑產(chǎn)生，芳基氨合成酶是分支點(diǎn)后第一個(gè)酶，這種酶只存于產(chǎn)氯霉素的菌體內，當培養基內的氯霉素濃度達100mg／L時(shí)，可完全阻遏該酶的生成，但不影響菌體的生長(cháng)，也不影響芳香族氨基酸途徑的其他酶類(lèi)。進(jìn)一步研究表明，氯霉素本身不一定是阻遏物，氯霉素通過(guò)順序阻遏，使L—對氨基苯丙氨酸及L蘇—對氨基苯絲氨酸對芳基氨合成酶實(shí)行反饋抑制。氯霉素的甲硫基類(lèi)似物比氯霉素容易透入細胞，其抑制作用比氯霉素還大。由此可見(jiàn)，次生產(chǎn)物反饋調節機制的復雜性。
（三）次級代謝產(chǎn)物的分解調節
1、碳源分解調節
20世紀40年代初期就發(fā)現，青霉素發(fā)酵過(guò)程中，雖然葡萄糖被菌體利用最快，但對青霉素合成并不適宜。而乳糖利用雖然較為緩慢，卻能提高青霉素產(chǎn)量。如果細菌在葡萄糖和乳糖的混合培養基中生長(cháng)，那么在抗生素合成前，菌體一般首先利用葡萄糖，在葡萄糖耗盡后，抗生素合成開(kāi)始，此時(shí)菌體才利用第二種碳源。這種情況說(shuō)明，次級代謝的碳源分解調節比初級代謝更為復雜。
關(guān)于抗生素受碳源分解調節的機制，目前尚未完全搞清楚，存在以下幾種情況：第一，可能與菌體生長(cháng)速率控制抗生素合成有關(guān)，菌體生長(cháng)最好蒔碳源能抑制抗生素合成。因此，在低生長(cháng)率的情況下(例如青霉素合成中緩慢補加葡萄糖)可減少葡萄糖的干擾作用。第二，可能與分解代謝產(chǎn)物的堆積濃度有關(guān)，乳糖之所以比葡萄糖優(yōu)越是因為前者被水解為可利用的單糖的速度正好符合青霉菌在生產(chǎn)期合成抗生素的需要，而不會(huì )有分解代謝產(chǎn)物如丙酮酸的堆積。我國有關(guān)單位研究葡萄糖和乳糖對灰黃霉素生物合成的影響表明，丙酮酸的堆積可使灰黃霉素產(chǎn)量降低。
2、氮源分解調節
氮源分解調節是類(lèi)似于碳源分解調節一類(lèi)的分解阻遏方式。它主要指含氮底物的酶(如蛋白酶、硝酸還原酶、酰胺酶、組氨酸酶和脲酶)的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。
（四）初級代謝物的反饋調節
第一方式：次級途徑和初級途徑具有共同的分叉中間體，由分叉中間體產(chǎn)生的次級代謝終產(chǎn)物的反饋調節可能影響次級代謝產(chǎn)物的形成。
例如賴(lài)氨酸對青霉素生物合成的反饋調節。青霉素的生物合成是從賴(lài)氨酸合成途徑中分支出來(lái)的，α—氨基己二酸為分支的中間體，賴(lài)氨酸是初級代謝產(chǎn)物，能抑制本身合成途徑中的第一個(gè)酶—同型檸檬酸合成酶，因而使合成青霉素的前體—α-氨基己二酸的合成受到影響，進(jìn)而導致青霉素的產(chǎn)量下降。
第二種方式：在抗生素生物合成途徑中，初級代謝的終產(chǎn)物作為前體合成次生產(chǎn)物。由于這些終產(chǎn)物是受初級代謝反饋調節的，因而也必然影響到后面的抗生素的合成，外源前體也將導致反饋調節。
例如纈氨酸對青霉素生物合成的反饋調節。在青霉素生物合成途徑中，α—氨基己二酸是必不可少的前體物質(zhì)。α—氨基己二酸的初級代謝的終產(chǎn)物是賴(lài)氨酸，分支的次級代謝產(chǎn)物是青霉素。所以。α—氨基己二酸是青霉素和賴(lài)氨酸生物合成中的共同中間體。
已知賴(lài)氨酸對青霉素的生物合成有抑制作用，α—氨基己二酸又能逆轉賴(lài)氨酸的抑制作用。研究表明由于賴(lài)氨酸能反饋抑制賴(lài)氨酸合成途徑中的第一個(gè)酶—高檸檬酸合成酶，導致α—氨基己二酸的合成受阻，因而減少合成請青霉素生物中間體的供給，使抗生素產(chǎn)量降低。
同時(shí)必須注意到，纈氨酸作為青霉素合成前體而摻人α—氨基苯己二酸而合成青霉素途徑。它是合成四氫噻唑環(huán)的直接前體，但是又能反饋抑制自身合成途徑中的第一個(gè)酶—乙酰羥羧酸合成酶的活性，從而使青霉素合成受影響。又如抗生素發(fā)酵過(guò)程中，加入前體可顯著(zhù)增產(chǎn)，但外源前體多數并非菌體生長(cháng)所必須的，超過(guò)一定的限度時(shí)，則引起對菌體的“毒性”。青霉素G側鏈前體一苯乙酸的濃度超過(guò)0．1％時(shí)，就抑制青霉菌的生長(cháng)發(fā)育。
（五）磷酸鹽的調節
磷酸鹽不僅是菌體生長(cháng)的主要限制性營(yíng)養成分，還是調節抗生素生物合成的重要參數。已發(fā)現過(guò)量磷酸鹽對四環(huán)類(lèi)、氨基糖苷類(lèi)和多烯大環(huán)內酯類(lèi)等32種抗生素的生物合成產(chǎn)生阻抑作用。所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，磷酸鹽常常被控制在適合菌體生長(cháng)的濃度以下，即所謂的亞適量。當磷酸鹽為0.3-300mmol/L的濃度時(shí)，可促進(jìn)菌體的生長(cháng)；濃度為10mmol/L或大于10mmol/L的濃度時(shí)，對許多抗生素的合成就產(chǎn)生阻遏，如10mmol/L的磷酸鹽就能完全抑制殺假絲菌素的合成。磷酸鹽濃度高低還能調節發(fā)酵合成期出現的早晚，磷酸鹽接近耗盡后，才開(kāi)始進(jìn)入合成期。磷酸鹽起始濃度高，耗盡時(shí)間長(cháng)，合成期就向后拖延。金霉素、萬(wàn)古霉素等的發(fā)酵都有此現象。磷酸鹽還能使處于非生長(cháng)狀態(tài)的、產(chǎn)抗生素的菌體逆轉成生長(cháng)狀態(tài)的、不產(chǎn)抗生素的菌體。
磷酸鹽調節抗生素的生物合成有不同的機制。按效應來(lái)說(shuō)，有直接作用(即磷酸鹽自身影響抗生素合成)和間接效應(即磷酸鹽調節胞內其他效應劑，如ATP、腺苷酸、能荷和cAMP)，進(jìn)而影響抗生素合成。具體地說(shuō)，磷酸鹽能影響抗生素合成中磷酸酯酶和前體形成過(guò)程中某種酶的活性；ATP直接影響某些抗生素合成和糖代謝中某些酶的活性。
（六）細胞膜透性的調節
微生物的細胞膜對于細胞內外物質(zhì)的運輸具有高度選擇性。如果細胞膜對某物質(zhì)不能運輸或者運輸功能發(fā)生了障礙，其結果：一方面正如我們前面已討論過(guò)，細胞內合成代謝的產(chǎn)物不能分泌到胞外，必然會(huì )產(chǎn)生反饋調節作用，影響發(fā)酵物的生產(chǎn)量，另一方面的可能是細胞外的營(yíng)養物質(zhì)不能進(jìn)入細胞內，從而影響產(chǎn)物的合成，造成產(chǎn)量下降。例如在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生菌細胞膜輸入硫化物能力的大小，是影響青霉素發(fā)酵單位高低的一個(gè)因素，因為菌體內需要有足夠的硫源來(lái)合成青霉素。利用誘變方法獲得的青霉素高產(chǎn)菌株中，有的就是因為提高了細胞膜攝取無(wú)機硫酸鹽的能力，即提高了細胞內硫酸鹽的濃度，從而能有效地將無(wú)機硫轉變?yōu)榘腚装彼�，增加了合成青霉素的前體物質(zhì)。因此，細胞膜的通透性是代謝調節的一個(gè)重要方面。
上一篇：微生物代謝概論
下一篇：代謝調控及育種
海博微信公眾號
海博天貓旗艦店
