微生物代謝的調節

   生命活動(dòng)的基礎在于新陳代謝。微生物細胞內各種代謝反應錯綜復雜，各個(gè)反應過(guò)程之間是相互制約，彼此協(xié)調的，可隨環(huán)境條件的變化而迅速改變代謝反應的速度。微生物細胞代謝的調節主要是通過(guò)控制酶的作用來(lái)實(shí)現的，因為任何代謝途徑都是一系列酶促反應構成的。微生物細胞的代謝調節主要有兩種類(lèi)型，一類(lèi)是酶活性調節，調節的是已有酶分子的活性，是在酶化學(xué)水平上發(fā)生的；另一類(lèi)是酶合成的調節，調節的是酶分子的合成量，這是在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的。在細胞內這兩種方式協(xié)調進(jìn)行。

一、酶活性調節

    酶活性調節是指一定數量的酶，通過(guò)其分子構象或分子結構的改變來(lái)調節其催化反應的速率。這種調節方式可以使微生物細胞對環(huán)境變化作出迅速地反應。酶活性調節受多種因素影響，底物的性質(zhì)和濃度、環(huán)境因子，以及其他酶的存在都有可能激活或抑制酶的活性。酶活性調節的方式主要有兩種：變構調節和酶分子的修飾調節。

1 ．變構調節

    在某些重要的生化反應中，反應產(chǎn)物的積累往往會(huì )抑制這個(gè)反應的酶的活性，這是由于反應產(chǎn)物與酶的結合抑制了底物與酶活性中心的結合。在一個(gè)由多步反應組成的代謝途徑中，末端產(chǎn)物通常會(huì )反饋抑制該途徑的第一個(gè)酶，這種酶通常被稱(chēng)為變構酶 (a110steric enzyme) 。例如，合成異亮氨酸的第一個(gè)酶是蘇氨酸脫氨酶，這種酶被其末端產(chǎn)物異亮氦酸反饋抑制。變構酶通常是某一代謝途徑的第一個(gè)酶或是催化某一關(guān)鍵反應的酶。細菌細胞內的糖酵解和三羧酸循環(huán)的調控也是通過(guò)反饋抑制進(jìn)行的。

2 ．修飾調節

    修飾調節是通過(guò)共價(jià)調節酶來(lái)實(shí)現的。共價(jià)調節酶通過(guò)修飾酶催化其多膚鏈上某些基團進(jìn)行可逆的共價(jià)修飾，使之處于活性和非活性的互變狀態(tài)，從而導致調節酶的活化或抑制，以控制代謝的速度和方向。

    酶促共價(jià)修飾與酶的變構調節不同，酶促共價(jià)修飾對酶活性調節是酶分子共價(jià)鍵發(fā)生了改變，即酶的一級結構發(fā)生了變化。而在變構調節中，酶分子只是單純的構象變化。在酶分子發(fā)生磷酸化等修飾反應時(shí)，一般每個(gè)亞基消耗一分子 ATP ，比新合成一個(gè)酶分子所耗的能量要少得多。因此，這是一種體內較經(jīng)濟的代謝調節方式。另外，酶促共價(jià)修飾對調節信號具放大效應，其催化效率比變構酶調節要高。

二、分支合成途徑調節

    不分支的生物合成途徑中的第一個(gè)酶受末端產(chǎn)物的抑制，而在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支代謝途徑中，調節方式較為復雜。其共同特點(diǎn)是每個(gè)分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶，同時(shí)每個(gè)末端產(chǎn)物又對整個(gè)途徑的第一個(gè)酶有部分的抑制作用，分支代謝的反饋調節方式有多種。

1 ．同工酶

    同工酶 (iDeMyne) 是指能催化同一種化學(xué)反應，但其酶蛋白本身的分子結構組成卻有所不同的一組酶。同工酶對分支途徑的反饋調節模式見(jiàn)圖。其特點(diǎn)是：在分支途徑中的第一個(gè)酶有幾種結構不同的一組同工酶，每一種代謝終產(chǎn)物只對一種同工酶具有反饋抑制作用，只有當幾種終產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，才能完全阻止反應的進(jìn)行。這種調節方式的典型例子是大腸桿菌天門(mén)冬氨酸族氨基酸的合成。有三個(gè)天門(mén)冬氨酸激酶催化途徑的第一個(gè)反應，分別受賴(lài)氨酸、蘇氫酸、甲硫氨酸的調節。

2 ．協(xié)同反饋抑制

    在分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物同時(shí)都過(guò)量，才對途徑中的第一個(gè)酶具有抑制作用。若某一末端產(chǎn)物單獨過(guò)量則對途徑中的第一個(gè)酶無(wú)抑制作用。例如，在多粘芽抱桿菌合成賴(lài)氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的途徑中，終產(chǎn)物蘇氨酸和賴(lài)氨酸協(xié)同抑制天門(mén)冬氨酸激酶。

3 ．累積反饋抑制

    在分支代謝途徑中，任何一種末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)都能對共同途徑中的第一個(gè)酶起抑制作用，而且各種末端產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當各種末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，它們的抑制作用是累加的見(jiàn)圖。如果末端產(chǎn)物 H 單獨過(guò)量時(shí)，抑制 AB 酶活性的 40 ％，剩余酶活性為 60 ％，如果末端產(chǎn)物 Z 單獨過(guò)量時(shí)抑制 AB 酶活性的 30 ％，當 HZ 同時(shí)過(guò)量時(shí)，其抑制活性為： 40 ％十 (1 — 40 ％ ) × 30 ％＝ 58 ％。累積反饋抑制最早是在大腸桿菌的谷氨酰胺合成酶的調節過(guò)程中發(fā)現的，該酶受 8 個(gè)最終產(chǎn)物的積累反饋抑制。 8 個(gè)最終產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，酶活力完全被抑制。

4 ．順序反饋抑制

    分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個(gè)酶，而是分別抑制分支點(diǎn)后的反應步驟，造成分支點(diǎn)上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個(gè)酶的活性。因此，只有當兩個(gè)末端產(chǎn)物都過(guò)量時(shí)，才能對途徑中的第一個(gè)酶起到抑制作用見(jiàn)圖�？莶菅挎邨U菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進(jìn)行調節。

三、酶合成的調節

    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的代謝調節。凡能促進(jìn)酶生物合成的現象，稱(chēng)為誘導，而能阻礙酶生物合成的現象，則稱(chēng)為阻遏。與上述調節酶活性的反饋抑制相比，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)阻止酶的過(guò)量合成，有利于節約生物合成的原料和能量。其調節方式有兩種。

1 ．誘導 根據酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導酶兩類(lèi)。組成酶是細胞固有的酶類(lèi)，其合成是在相應的基因控制下進(jìn)行的，它不因分解底物或其結構類(lèi)似物的存在而受影響，例如 EMP 途徑的有關(guān)酶類(lèi)。誘導酶則是細胞為適應外來(lái)底物或其結構類(lèi)似物而臨時(shí)合成的一類(lèi)酶，例如 E.coli 在含乳糖培養基中所產(chǎn)生的 β - 半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。能促進(jìn)誘導酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱(chēng)為誘導物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類(lèi)似物或是閽物的前體物質(zhì)。例如能誘導β- 半乳糖苷酶除了其正常底物——乳糖外，不能被其他利用的異丙基 -β-D- 硫代半乳糖苷也可誘導，且其誘導效果要比乳糖高。

    酶的誘導合成又可分為兩種，其一稱(chēng)同時(shí)誘導，即當誘導物加入后，微生物能同時(shí)或幾乎同時(shí)誘導幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如將乳糖加入 E.coli 培養基中后，即可同時(shí)誘導出β- 半乳糖苷透性酶、β- 半乳糖苷酶和β- 半乳糖苷轉乙酰酶的合成；另一則稱(chēng)順序誘導，即先合成能分解底物的酶。再儀次合成分解各中間代謝的酶，以達到對較復雜代謝途徑的分段調節。

2 ．阻遏 在微生物的代謝過(guò)程中，當代謝途徑中某些未端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)，除可用前述的反饋抑制的方式來(lái)抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少未端產(chǎn)物的生成外，還可通過(guò)阻遏作用來(lái)阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少未端產(chǎn)物的合成。阻遏作用有利于生物體節省有限的養料和能量。阻遏的類(lèi)型主要有未端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。

（ 1 ）未端產(chǎn)物阻遏 指由某代謝途徑未端產(chǎn)物的過(guò)量累積而引起的阻遏。對直線(xiàn)式反應途徑來(lái)說(shuō)，未端產(chǎn)物阻遏止的情況較為簡(jiǎn)單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏止，例如精氨酸的生物合成途徑。對分支代謝途徑來(lái)說(shuō)，情況較為復雜性。每種未端產(chǎn)物僅專(zhuān)一地阻遏合成它的那作分支途徑的酶。

（ 2 ）分解代謝物阻遏 指細胞內同時(shí)有兩種分解底物存在時(shí)，利用快的那種底物會(huì )阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現象。例如有人將大腸桿菌培養在含乳糖和葡萄糖的增減基上，發(fā)現該菌可優(yōu)先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗盡后才開(kāi)始利用乳糖，這就產(chǎn)生了兩個(gè)對數生長(cháng)期中間隔開(kāi)一個(gè)生長(cháng)延滯期的“二次生長(cháng)現象”其原歷是，葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成。這一現象稱(chēng)葡萄糖效應。由于這類(lèi)現象在其他代謝的普遍存在，后來(lái)人們索性把類(lèi)似葡萄糖效應的阻遏止統稱(chēng)為分解代謝物阻遏止。