資源簡介

高中生物備考-微生物發酵過程--代謝產物的代謝調控
在生物進化過程中，微生物細胞形成了愈來愈完善的代謝調節機制，使細胞內復雜的生化反應能高度有序地進行，并對外界環境的改變迅速作出反應，因而在代謝繁殖過程中，能量的利用以及對細胞生長繁殖過程中所需的各種物質的形成是非常合理和經濟的，需要多少合成多少，不需要的不合成或合成量很少，細胞經常處于平衡生長狀態，不會有代謝產物的積累。從進化角度看，代謝產物的過量產生，對細胞能量的利用和細胞組成物質的合成都是一種浪費。在自然環境中，只有當條件改變時才會造成微生物積累某些代謝產物，如在厭氧條件下酒精、乳酸和醋酸的大量形成。通過改變培養條件和遺傳特性，使微生物的代謝途徑；改變或代謝調節失控而獲得某一發酵產物的過量產生，正是現代發酵工業要研究的主要內容。其方法大體可分為兩類，一是改變產生菌的基因型而改變代謝途徑；二是改變控制代謝速率，即影響基因型的表達。
代謝調節是指微生物的代謝速度和方向按照微生物的需要而改變的一種作用。包括酶量的調節和酶活性的調節。
微生物代謝的控制是指運用人為的方法對微生物的代謝調節進行遺傳改造和條件的控制，以期按照人們的愿望，生產有用的微生物制品。
一、代謝調節方式
1.細胞透性的調節
細胞質膜的透性直接影響物質的吸收和代謝產物的分泌，從而影響到細胞內代謝的變化。細胞質膜的透性的調節是微生物代謝調節的重要方式，由它控制著營養物質的吸收。
例如，大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌吸收乳糖是由滲透酶和環狀AMP(cAMP)協同控制來完成的。cAMP的濃度是由腺苷酸環化酶(AC)的活性控制的，也就是說，乳糖的吸收受滲透酶和AMP環化酶的控制，調節蛋白通過磷酸化的形式和腺苷酸環化酶（AC）或滲透酶結合，分別使腺苷酸環化酶活化或使滲透酶失活。當有葡萄糖時，乳糖的滲透酶以無活性狀態存在，而腺苷酸環化酶也以非活性狀態存在。
2.代謝途徑區域化
原核微生物細胞結構雖然簡單，但也劃分出不同的區域，對于某一代謝途徑有關的酶系則集中某一區域，以保證這一代謝途徑的酶促反應順利進行，避免了其他途徑的干擾。例如呼吸的酶系集中在細胞質膜上；而與蛋白質合成有關的酶系則位于核蛋白體上；分解大分子的水解酶，在革蘭氏陰性菌里是位于壁膜間隙中，而革蘭氏陽性菌則將這些水解酶類，分泌于胞外。
在真核微生物細胞里，各種酶系被細胞器隔離分布。如與呼吸產能有關的酶系集中于線粒體內膜上；蛋白質的合成酶系位于核蛋白體上；DNA合成的某些酶位于細胞核里。
細胞具有復雜的膜結構使其代謝活動只能在特定的部位上進行，即代謝活動是區域化的，其實質是控制酶與底物接觸，使各個反應有序地進行。
3.代謝流向的調控
微生物在不同條件下可以通過控制各代謝途徑中某個酶促反應的速率來控制代謝物的流向，從而保持機體代謝的平衡。它包括兩種形式：由一個關鍵酶控制的可逆反應和由兩種酶控制的逆單向反應。
（1）由一個關鍵酶控制的可逆反應
同一個酶可以通過不同輔基(或輔酶)控制代謝物的流向。例如，谷氨酸脫氫酶以NADP+為輔酶時，主要是催化谷氨酸的合成，當以NAD+為輔酶時，則催化谷氨酸的分解。因此微生物可以通過不同的輔基來控制代謝物的流向。
（2）由兩種酶控制的逆單向反應
逆單向反應是在生物體代謝的關鍵部位的某些反應，它是由兩種各自不同的酶來催化的。即在一個“可逆”反應中，其中一種酶催化正反應，而另一種酶則催化逆反應。例如，葡萄糖轉化為6-磷酸葡萄糖是由己糖激酶催化的，而其逆反應則是由6-磷酸葡萄糖酯酶催化的。6-磷酸果糖轉化為1，6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激酶催化的，逆反應則由1，6-二磷酸果糖酯酶催化。
4.代謝速度的調控
在不可逆反應中，微生物通過調節酶的活性和酶量來控制代謝物的流量。微生物在不同條件下能按照需要，通過酶活或抑制原有酶的活性或通過誘導或阻遏酶的合成來自我調節其代謝速度，使之高度經濟有效地利用能量和原科進行生長繁殖。
二、酶合成的調節
1.酶合成的誘導
許多編碼酶合成的結構基因在酶的基質不存在時—般是無活性的。就是說，酶的合成正常地被阻遏。但是，當加入基質時，結構基因被“開放”，產生了酶。這樣的一種過程就叫做“誘導作用”或“脫阻遏作用”
酶合成的誘導作用可表現出以下兩種情況：
（1）協同誘導（coordinated induction）：一種誘導劑可以同時誘導產生若干種酶的現象叫做協同誘導。例如，半乳糖可同時誘導產生半乳糖激酶、轉移酶和表異構酶；乳糖可同時誘導產生滲透酶，β-半乳糖苷酶和轉乙酰基酶。
（2）順序誘導(sequential induction) 一種誘導劑可以連續誘導產生一系列酶的現象叫做順序誘導。例如，熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)降解芳香族化合物的酶系，就是順序誘導出來的
2. 酶合成的誘導的機制
3. 酶合成的阻遏
某些酶在微生物生長時可正常地產生，但當生化途徑的終產物濃度增加時或向生長培養基加入這種終產物時，酶的合成就被阻遏。這種低分子量的終產物(輔阻遏物)被認為是同胞內由調節基因編碼的蛋白質(阻遏蛋白)結合，產生一種阻遏物，該阻遏物“關閉”對酶編碼的結構基因。這樣的酶稱為可受阻遏的酶。阻遏酶合成的物質稱為阻遏物。
根據阻遏物的不同，可將阻遏分成兩類：
終點產物反饋阻遏(feed-back repression) ：阻遏物是被阻遏生成的酶(或酶系)所催化生成的終點產物。
（2）分解代謝物阻遏(catabolic repression)：阻遏物是被阻遏生成的酶(或酶系)分解代謝的產物。
4.酶合成的阻遏的機制
三、酶活性的調節
1.概念
酶活性調節：是指一定數量的酶，通過其分子構象或分子結構的改變來調節其催化反應的速率。
2. 影響因素
影響酶活性的因素有：
（1）底物和產物的性質和濃度
（2）環境因子(如壓力、pH、離子強度和輔助因子等)
（3）其他的酶的存在
3. 調節方式
酶活性的調節方式有兩種：激活已有酶的活性和抑制已有酶的活性
（1）激活
激活：在激活劑的作用下，使原來無活性的酶變成有活性，或使原來活性低的酶提高了活性的現象。
代謝調節的激活作用：主要是指代謝物對酶的激活。前體激活，指代謝途徑中后面的酶促反應，可被該途徑中較前面的一個中間產物所促進。代謝中間產物的反饋激活，指代謝中間產物對該代謝途徑的前面的酶起激活作用
（2）抑制
抑制和激活相反。由于某些物質的存在，降低酶活性，稱為抑制。抑制可以是不可逆的，這將造成代謝作用的停止；抑制也有可逆的，當抑制劑除去后，酶活性又恢復。在代謝調節過程中所發生的抑制現象主要是可逆的，而且大多屬于反饋抑制。
反遺抑制：反饋抑制是指代謝的末端產物對酶(往往是代謝途徑中的第一個酶)活性的抑 制。反饋抑制作用在生物體內普通存在，它在維持細胞正常代謝、經濟有效地利用代謝原料、以及適應環境的變化，都具有重要作用。包括無分支代謝途徑的調節和有分支代謝途徑的調節。
無分支代謝途徑的調節
通常是在線形的代謝途徑中末端產物對催化第一步反應的酶活性有抑制作用。例如，在大腸桿菌中，由蘇氨酸(Thr)合成異亮氨酸(IIeu)時，異亮氨酸對催化反應途徑中的第一步反應的蘇氨酸脫氨酶(TD)有抑制作用。
有分支代謝途徑的調節
在有兩種或兩種以上的末端產物的分支合成代謝途徑中，調節方式較復雜，其共同特點是每個分支途徑的末端產物控制分支點后的第一個酶，同時每個末端產物又對整個途徑的第一個酶有部分的抑制作用，分支代謝的反饋調節方式有多種:
酶的順序反饋抑制
分支代謝途徑中的兩個末端產物，不能直接抑制途徑中的第一個酶，只有當兩個末端產物都過量時，才能對途徑中的第一個酶有抑制作用。
例如，枯草桿菌在芳香族氨基酸合成中，色氨酸(Try)抑制鄰氨基苯甲酸合成酶(AS)，苯丙氨酸(Phe)抑制預苯酸脫水酶(PT)，酪氨酸(Tyr)抑制預苯酸脫氫酶(PD)，預苯酸和分支酸又部分地抑制7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶(DS)。
EP：磷酸烯醇丙酮酸；E4P：4-磷酸赤蘚糖；DAHP：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸；CA：分支酸；Per：預苯酸；AA：鄰氨基苯甲酸；HPPA：對羥基苯丙酮酸；PPA：苯丙酮酸；Tyr：酪氨酸；Try：色氨酸；Phe：苯丙氨酸；I：7-磷酸-2-酮-3-脫氧庚糖酸合成酶；II：鄰氨基苯甲酸合成酶；III：分支酸變位酶；IV：預苯酸脫氫酶；V：預苯酸脫水酶
同工酶的反饋抑制
同功酶是指能催化同一生化反應，但它們的結構稍有不同，可分別被相應的末端產物抑制的一類酶。其特點是：途徑中第一個反應被兩個不同的酶所催化，一個酶被Y抑制，另一個酶被Z抑制。只有當Y和Z同時過量才能完全阻止A轉變為B。
例如，大腸桿菌以天門冬氨酸為前體合成蘇氨酸(Thr)、異亮氨酸(Ileu)、甲硫氨酸(Met)和賴氨酸(Lys)的代謝途徑中有三種天門冬氨酸激酶的同功酶(AKI、AKII和AKIII)和兩種高絲氨酸脫氫酶的同功酶(HSDHI和HSDHII)。其中AKI和HSDHI受到蘇氨酸、異亮氨酸的反饋抑制和阻遏，AKII和HSDHII受甲硫氨酸的反饋抑制和阻遏；AKIII受賴氨酸的反饋抑制和阻遏。
Asp：天門冬氨酸；Asp-Pi：天門冬酰磷酸；Asa：天門冬氨酸半醛；Hse：高絲氨酸；Thr：蘇氨酸；Ileu：異亮氨酸；KB：-酮丁酸；Met：甲硫氨酸；Lys：賴氨酸；R：阻遏作用；I：反饋抑制；AK：天門冬氨酸激酶；HSDH：高絲氨酸脫氫酶
協同反饋抑制
在分支代謝系統中，幾種末端產物同時都過量，才對途徑中的第一個酶具有抑制作用，如果末端產物單獨過量則對途徑中的第一個酶無抑制作用。
例如，莢膜紅假單胞菌中天門冬氨酸族氨基酸生物合成途徑中，天門冬氨酸激酶(AK)是受末端產物賴氨酸和蘇氨酸的協同反饋抑制。
Asp：天門冬氨酸；Asp-Pi：天門冬酰磷酸；Asa：天門冬氨酸半醛Thr：蘇氨酸；Lys：賴氨酸；AK：天門冬氨酸激酶
累積反饋抑制
在分支代謝途徑中各種末端產物單獨過量時，它們各自能對途徑中的第一個反應的酶僅產生較小的抑制作用。一種末端產物單獨過量并不影響其它末端產物的形成，只有當幾種末端產物同時過量時，才對途徑中的第一個酶產生較大的抑制。
例如，大腸桿菌谷氨酰胺合成酶(GS)活性的調節是一個典型的累積反饋調節的例子。谷氨酰胺由谷氨酸、銨和ATP合成。谷氨酰胺中的酰胺基是色氨酸、組氨酸、氨基甲酰磷酸、6—磷酸葡萄糖胺、CTP、AMP、GMP等化合物生物合成過程中的氮源。谷氨酰胺合成酶被谷氨酰胺代謝的每種末端產物以及丙氨酸和甘氨酸所累積抑制。谷氨酰胺合成酶對這些抑制物中的每一種末端產物均有特異的結合部位。當上述8種末端產物同時過量都與酶結合時，谷氨酰胺合成酶的活性將受到最大的抑制。
超相加反饋抑制
超相加反饋抑制是一種既不同于協同反饋抑制又不同于累積反饋抑制。對一個分支代謝途徑中，幾種末端產物單獨過量時，僅產生對共同途徑的第一個酶部分的抑制。如果每種末端產物都過量時，其抑制作用則超過各種末端產物單獨過量時抑制的總和。
例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途徑中，催化第一步反應的酶，5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)的酰胺基轉移酶，可被各種嘌呤核苷酸產物(如AMP、GMP)所抑制。例如，一定量的GMP或AMP僅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸酰胺基轉移酶活力的10％，而當二者混合時，則可抑制其酶活力的50％。因為這些嘌呤核苷酸與5-磷酸核糖-1-焦磷酸并無結構相似性，又因該酶是一種調節酶，GMP和AMP可能分別結合在該酶的不同部位上。
4. 酶活性調節的分子機制
解釋酶活性調節機制的理論：
（1）別構調節理論(其核心是酶分子構象的改變)
（2）酶分子的化學修飾理論(其核心是酶分子結構的改變)。
四、初級代謝的調節
初級代謝的調節方式有：
1.產能代謝的調節：能荷調節
2.核蛋白體合成的調節
氨基酸、核苷酸合成代謝的調節
五、次級代謝的調節
次級代謝的調節方式有：
1.初級代謝對次級代謝的調節
2.碳代謝物的調節作用
3.氮代謝物的調節作用
4.磷酸鹽的調節作用
5.次級代謝中的誘導作用及產物的反饋作用
6.次級代謝中細胞膜透性調節

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