第十二章代謝的調(diào)節(jié)控制

第十二章代謝的調(diào)節(jié)控制不同水平上的調(diào)控方式代謝調(diào)控在工業(yè)上的應(yīng)用第一節(jié)不同水平上的調(diào)控（一）酶活力調(diào)節(jié)酶活力構(gòu)象調(diào)節(jié)酶數(shù)量調(diào)節(jié)酶原激活變構(gòu)調(diào)節(jié)共價(jià)修飾轉(zhuǎn)錄水平翻譯水平蛋白穩(wěn)定性其它水平誘導(dǎo)阻遏葡萄糖阻遏色操縱子氨酸（1）酶活力調(diào)節(jié)

——酶原的激活酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心

一個(gè)或幾個(gè)特定的肽鍵斷裂，水解掉一個(gè)或幾個(gè)短肽在特定條件下賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活過(guò)程（1）酶活力調(diào)節(jié)

——共價(jià)修飾

酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白（1）酶活力調(diào)節(jié)

——變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)抑制劑的來(lái)源

前饋（feedforward

）和反饋（feedback）分別借用來(lái)說(shuō)明底物和代謝產(chǎn)物對(duì)代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)可能是正調(diào)控，也可能是負(fù)調(diào)控，其調(diào)節(jié)機(jī)理是通過(guò)酶的變構(gòu)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反饋前饋①速度最慢，它的速度決定整個(gè)代謝途徑的總速度，故又稱其為限速酶(limitingvelocityenzymes)。②催化單向反應(yīng)不可逆或非平衡反應(yīng)，它的活性決定整個(gè)代謝途徑的方向。③這類酶活性除受底物控制外，還受多種代謝物或效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)。關(guān)鍵酶催化的反應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

變構(gòu)調(diào)節(jié)的一般對(duì)象-關(guān)鍵酶分支反饋類型

-協(xié)同反饋抑制定義：分支代謝途徑中幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。

天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制和阻遏。定義：兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，共同的反饋抑制作用大于二者單獨(dú)作用之舉例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反饋抑制，二者共同存在時(shí)，可以完全抑制該酶的活性。而二者單獨(dú)過(guò)量時(shí)，分別抑制其活性的70%和10%。分支反饋類型

-合作反饋抑制定義：每一分支途徑末端產(chǎn)物按一定百分比單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)它們的抑制作用是積累的，各末端產(chǎn)物之間既無(wú)協(xié)同效應(yīng)，亦無(wú)拮抗作用。分支反饋類型

-累計(jì)反饋抑制一種終產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致前一中間產(chǎn)物的積累，通過(guò)后者反饋抑制合成途徑關(guān)鍵酶的活性，使合成終止。舉例：枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成的調(diào)節(jié)分支反饋類型

-順序反饋抑制定義：催化相同的生化反應(yīng)，而酶分子結(jié)構(gòu)有差別的一組酶。意義：在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用。———某一產(chǎn)物過(guò)量?jī)H抑制相應(yīng)酶活，對(duì)其他產(chǎn)物沒(méi)影響。舉例：大腸桿菌的天冬氨酸族氨基酸合成的調(diào)節(jié)分支反饋類型

-同工酶反饋抑制（2）酶數(shù)量的調(diào)節(jié)

——誘導(dǎo)乳糖乳糖酶的誘導(dǎo)

PLacZLacYLacamRNA阻遏蛋白（有活性）基因關(guān)閉ORPLacZLacYLaca調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏蛋白（無(wú)活性）mRNA基因表達(dá)（2）酶數(shù)量的調(diào)節(jié)

——阻遏.無(wú)活性阻遏蛋白無(wú)活性阻遏蛋白加輔阻遏劑阻遏蛋白不能跟操縱基因結(jié)合,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)阻遏蛋白(無(wú)活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)代謝產(chǎn)物（2）酶數(shù)量的調(diào)節(jié)

——代謝物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表達(dá)CAP基因結(jié)構(gòu)基因TCGP(CAP)OCAP結(jié)合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系

cAMP

CGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）

CAP：環(huán)腺苷酸受體蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)幫助聚合酶結(jié)合分解代謝物阻遏（Cataboliterepression）當(dāng)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種可利用底物（碳源或氮源）時(shí)，利用快的底物會(huì)阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶合成?，F(xiàn)象：阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結(jié)果，而是由這種底物分解過(guò)程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏。原因：葡萄糖效應(yīng)二次生長(zhǎng)現(xiàn)象大腸桿菌利用混合碳源生長(zhǎng)時(shí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)葡萄糖會(huì)抑制其它糖的利用大腸桿菌在含乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基中，優(yōu)先利用葡萄糖，并只有當(dāng)葡萄糖耗盡后才開(kāi)始利用乳糖，這就形成了在兩個(gè)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中間的第二個(gè)生長(zhǎng)停滯期分解代謝產(chǎn)物阻遏乳糖與葡萄糖同時(shí)存在時(shí)，因?yàn)榉纸馄咸烟堑拿割悓儆诮M成酶，能迅速地將葡萄糖降解成某種中間產(chǎn)物（X），X既會(huì)阻止ATP環(huán)化形成cAMP，同時(shí)又會(huì)促進(jìn)cAMP分解成AMP，從而降低了cAMP的濃度，繼而阻遏了與乳糖降解有關(guān)的誘導(dǎo)酶合成。只有當(dāng)葡萄糖耗盡后，cAMP才能回升到正常濃度，操縱子重新開(kāi)啟，并開(kāi)始利用乳糖作為碳源，形成菌體的二次生長(zhǎng)。（2）酶數(shù)量的調(diào)節(jié)

——色氨酸操縱子（2）酶數(shù)量的調(diào)節(jié)

翻譯水平調(diào)節(jié)過(guò)多的核糖體蛋白不能結(jié)合在rRNA上，反而結(jié)合在mRNA導(dǎo)致模板封閉，翻譯停止溶酶體蛋白酶體——

釋放蛋白水解酶，降解蛋白質(zhì)——泛素識(shí)別、結(jié)合蛋白質(zhì)；蛋白水解酶降解蛋白質(zhì)通過(guò)改變酶蛋白分子的降解速度，也能調(diào)節(jié)酶的含量。（2）酶數(shù)量的調(diào)節(jié)

蛋白穩(wěn)定性真核生物基因表達(dá)調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)（剪切，修飾，編輯）翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解調(diào)節(jié)（帽子和尾巴）翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細(xì)胞質(zhì)真核基因表達(dá)調(diào)控的五個(gè)水平

DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯水平調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控順式作用元件和反式作用因子轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄活性蛋白的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)染色質(zhì)丟失修飾重排擴(kuò)增蛋白運(yùn)輸分泌調(diào)節(jié)mRNA分泌調(diào)節(jié)代謝途徑（酶或酶系）細(xì)胞內(nèi)分布代謝途徑（酶或酶系）細(xì)胞內(nèi)分布糖酵解胞液氧化磷酸化(呼吸鏈)線粒體三羧酸循環(huán)線粒體尿素合成胞液、線粒體磷酸戊糖途徑胞液蛋白質(zhì)合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、胞液糖異生胞液DNA合成細(xì)胞核糖原合成與分解胞液mRNA合成細(xì)胞核脂肪酸β氧化線粒體tRNA合成核質(zhì)脂肪酸合成胞液rRNA合成核仁呼吸鏈線粒體血紅素合成胞液、線粒體多種水解酶溶酶體膽紅素生成微粒體、胞液磷脂合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膽固醇合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、胞液

酶的區(qū)域分布（二）細(xì)胞水平上的調(diào)控酶定位的區(qū)域化線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化細(xì)胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;細(xì)胞核:核酸合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成區(qū)域化的酶可專一調(diào)整一些酶的活性，而不影響到另外一些酶的代謝膜結(jié)構(gòu)對(duì)代謝的調(diào)控

（1）.控制濃度梯度膜的三種最基本功能即物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞都與離子和電位梯度的產(chǎn)生和控制有關(guān)，如質(zhì)子梯度可合成ATP，鈉離子梯度可運(yùn)輸氨基酸和糖，鈣可作為細(xì)胞內(nèi)信使。（2）.控制細(xì)胞和細(xì)胞器的物質(zhì)運(yùn)輸通過(guò)底物和產(chǎn)物的運(yùn)輸可調(diào)節(jié)代謝，如葡萄糖進(jìn)入肌肉和脂肪細(xì)胞的運(yùn)輸是其代謝的限速步驟，胰島素可促進(jìn)其主動(dòng)運(yùn)輸，從而降低血糖。（3）.內(nèi)膜系統(tǒng)對(duì)代謝的分隔內(nèi)膜形成分隔區(qū)，其中含有濃集的酶和輔因子，有利于反應(yīng)。而且分隔可防止反應(yīng)之間的互相干擾，有利于對(duì)不同區(qū)域代謝的調(diào)控。（4）.膜與酶的可逆結(jié)合某些酶可與膜可逆結(jié)合而改變性質(zhì)，稱為雙關(guān)酶。離子、代謝物、激素等都可改變其狀態(tài)，發(fā)揮迅速、靈敏的調(diào)節(jié)作用。

（三）激素水平上的調(diào)控質(zhì)膜受體激素（含氮激素）親水性的，不易通過(guò)質(zhì)膜的脂雙層，只能與靶細(xì)胞表面受體結(jié)合后通過(guò)胞內(nèi)的第二信使起作用的。胞內(nèi)受體激素親脂性的，易透過(guò)質(zhì)膜的脂雙層進(jìn)入靶細(xì)胞內(nèi)起作用的。甾醇類激素作用原理示意圖肽類激素通過(guò)cAMP-蛋白激酶調(diào)節(jié)代謝示意圖

ATP

cAMP+PPi內(nèi)在蛋白質(zhì)的磷酸化作用改變細(xì)胞的生理過(guò)程細(xì)胞膜細(xì)胞膜cR蛋白激酶（無(wú)活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）受體環(huán)化酶激素G蛋白cAMP激活蛋白激酶的作用機(jī)理第二信使

第一信使指激素、神經(jīng)遞質(zhì)等體內(nèi)的化學(xué)信號(hào)分子。第二信使激素作為第一信使，通過(guò)受體的相互作用，將信號(hào)傳至效應(yīng)器后所產(chǎn)生的一種具有傳遞和放大信息作用的生物小分子，如cAMP、cGMP、Ca離子、三磷酸肌醇酚(IP3)、甘油二酯(DAG)和NO等。G蛋白的概念、種類及特征定義

GTP結(jié)合的異三聚體蛋白，是存在于質(zhì)膜上的一組信息傳遞蛋白，由、、三個(gè)亞基組成，激素與受體結(jié)合后，經(jīng)G蛋白將信號(hào)傳遞給效應(yīng)器，產(chǎn)生第二信使分子，引發(fā)生理效應(yīng)。種類

Gs(激動(dòng)性G蛋白)激活A(yù)c刺激cAMP產(chǎn)生

Gi(抑制性G蛋白)抑制Ac抑制cAMP產(chǎn)生特征由、、三亞基組成，其中上有GTP和GDP的受體結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)還具有GTpase活性，亞基具有多樣性和專一性，和較保守，不易分開(kāi)。cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸環(huán)化酶(adenylate

cyclase,AC)人及高等動(dòng)物具有高度發(fā)達(dá)的神經(jīng)系統(tǒng)，這類生物的各種活動(dòng)和代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制都處于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制之下。神經(jīng)系統(tǒng)既直接影響各種酶的合成，又影響內(nèi)分泌腺分泌激素的種類和水平，所以神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)具有整體性特點(diǎn)。神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)生命活動(dòng)的調(diào)控在很大程度上是通過(guò)調(diào)節(jié)激素的分泌來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（三）神經(jīng)水平上的調(diào)控第二節(jié)代謝調(diào)控在工業(yè)上的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵實(shí)際上是用各種方法打破微生物原有代謝平衡，使微生物建立新的代謝平衡，在保證其基本生存條件的前提下，為人類生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品，是微生物代謝的一種控制過(guò)程。突破微生物自我調(diào)節(jié)機(jī)制，使代謝物盡可能大量積累的方式有三種:一是應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株進(jìn)行生產(chǎn)二是選育抗代謝物類似物突變種三是改變微生物細(xì)胞膜的通透性，使最終產(chǎn)物不在細(xì)胞內(nèi)積累，提高發(fā)酵物的產(chǎn)率。營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株是指原菌株由于基因突變（一般為合成途徑中某一個(gè)酶結(jié)構(gòu)基因突變），使其正常代謝途徑中斷，不能合成自身所需的某種或某些必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的突變菌株。營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株由于不能合成代謝調(diào)節(jié)所需的最終末端產(chǎn)物，從根本上減少或降低了反饋抑制作用的發(fā)生。（一）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株選育及應(yīng)用L-谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰--谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸--半醛-N-乙酰鳥氨酸L-鳥氨酸瓜氨酸精氨酸N-乙酰谷氨酸激酶（-）鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰基酶×鳥氨酸合成及控制示意圖在分支代謝途徑中由于一般都會(huì)有多個(gè)終未產(chǎn)物的形成，主要通過(guò)協(xié)同反饋抑制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中部分終末產(chǎn)物的積累不會(huì)對(duì)整個(gè)代謝途徑產(chǎn)生抑制，因此可以利用這種機(jī)制，選用一個(gè)或兩個(gè)末端產(chǎn)物合成缺陷的菌株生產(chǎn)有關(guān)的末端產(chǎn)物，如賴氨酸發(fā)酵。葡萄糖天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸半醛高絲氨酸蛋氨酸蘇氨酸賴氨酸二氨基庚二酸天冬氨酸激酶協(xié)同反饋抑制×異亮氨酸谷氨酸棒桿菌合成賴氨酸及反饋控制示意圖調(diào)節(jié)酶結(jié)構(gòu)(基因)突變，使抑制劑與酶結(jié)合改變酶活力的能力降低調(diào)節(jié)基因突變或操縱基因突變?？烧T導(dǎo)體系由于調(diào)節(jié)基因突變或操縱基因突變，致使在無(wú)需誘導(dǎo)物的存在酶就能合成的突變稱為組成性突變。（二）抗代謝類似物突變種的應(yīng)用

代謝類似物.無(wú)活性阻遏蛋