第四章微生物代谢的调节 l/17 第四章微生物代谢的调节 微生物的新陈代谢错综复杂,参与代谢的物质又多种多样,即使同一种物质也会有不同 的代谢途径,而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。在长期的进化过 程中,微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系,能严格地控制代谢活动,使之 有序而高效地运行,并能灵活地适应外界环境,最经济地利用环境中的营养物。 微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点,目前,人们对此了解还十分有限。本章 将主要讨论对酶的调节。微生物细胞内的遗传物质上储存着能催化所有生化反应所需的酶以 及调节酶活性的信息。微生物可以按照适应环境的需要调节酶的表达(即酶蛋白的合成)及 调节酶的活性(即酶的激活或抑制)。 了解微生物的代谢调节系统不仅有理论意义,更重要的是能有目的地改造微生物和为微 生物提供最适合的环境条件,使微生物能最大限度地生产人类所需的代谢产品。从某种意义 上讲,越是理想的高产菌株,背离它自然进化中发展起来的调控机制就越远。遗传育种工作 就是为获得目标代谢产物合成不受或少受代谢调控的“不正常”的菌株 4.1酶合成的调节 这是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水 平上进行,对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。它的优点是通过阻止酶的过量合成 能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节主要有两种类型:酶的诱导和酶的阻遏 4.1.1醇的诱导( Enzyme induction) 按照酶的合成与环境影响的不同关系,可以将酶分为两大类,一类称为组成酶 ( Structural enzymes),它们的合成与环境无关,随菌体形成而合成,是细胞固有的酶,在 菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径(EMP)有关的酶。另一类酶称为诱导酶( Inducible enzyme),只有在环境中存在诱导剂( Inducer)时,它们才开始合成,一旦环境中没有了诱 导剂,合成就终止。例如,在对数生长期的大肠杆菌(E.coli)培养基中加入乳糖,就会产 生与乳糖代谢有关的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。这时,细胞生长速度和总的蛋白质 合成速度几乎没有改变,见图4.1.1。这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称 为酶的诱导 总蛋白质 相 对细胞数量 8半乳糖 加入乳糖 时间 图4.1.1.培养基中加入乳糖诱导β半乳糖苷酶的合成 早期,诱导酶被称为“适应酶”。有人发现某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才会 产生淀粉酶;而曲霉只有生长在含有蔗糖的培养基中才会产生蔗糖酶。 Karstron(1931-1938 曾系统地研究了这种适应现象,见表4.1.1。表中显示,只有事先生长在含乳糖的培养基中 的肠膜状明串珠菌才能发酵乳糖,只有事先生长在含阿拉伯糖的培养基中,该菌才能发酵阿 拉伯糖。但是,无论事先是生长在含葡萄糖、阿拉伯糖、乳糖或是不含糖而含其它碳源的培
第四章 微生物代谢的调节 1/17 第四章 微生物代谢的调节 微生物的新陈代谢错综复杂，参与代谢的物质又多种多样，即使同一种物质也会有不同 的代谢途径，而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。在长期的进化过 程中，微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系，能严格地控制代谢活动，使之 有序而高效地运行，并能灵活地适应外界环境，最经济地利用环境中的营养物。 微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点，目前，人们对此了解还十分有限。本章 将主要讨论对酶的调节。微生物细胞内的遗传物质上储存着能催化所有生化反应所需的酶以 及调节酶活性的信息。微生物可以按照适应环境的需要调节酶的表达（即酶蛋白的合成）及 调节酶的活性（即酶的激活或抑制）。 了解微生物的代谢调节系统不仅有理论意义，更重要的是能有目的地改造微生物和为微 生物提供最适合的环境条件，使微生物能最大限度地生产人类所需的代谢产品。从某种意义 上讲，越是理想的高产菌株，背离它自然进化中发展起来的调控机制就越远。遗传育种工作 就是为获得目标代谢产物合成不受或少受代谢调控的“不正常”的菌株。 4.1 酶合成的调节 这是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水 平上进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的。它的优点是通过阻止酶的过量合成， 能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。 4.1.1 酶的诱导(Enzyme induction) 按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类，一类称为组成酶 (Structural enzymes)，它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在 菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径（EMP）有关的酶。另一类酶称为诱导酶(Inducible enzyme)，只有在环境中存在诱导剂（Inducer)时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱 导剂，合成就终止。例如，在对数生长期的大肠杆菌（E.coli）培养基中加入乳糖，就会产 生与乳糖代谢有关的-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶等。这时，细胞生长速度和总的蛋白质 合成速度几乎没有改变，见图 4.1.1。这种环境物质促使微生物细胞中合成酶蛋白的现象称 为酶的诱导。 图 4.1.1. 培养基中加入乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成 早期，诱导酶被称为“适应酶”。有人发现某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才会 产生淀粉酶；而曲霉只有生长在含有蔗糖的培养基中才会产生蔗糖酶。Karstron(1931-1938) 曾系统地研究了这种适应现象，见表 4.1.1。表中显示，只有事先生长在含乳糖的培养基中 的肠膜状明串珠菌才能发酵乳糖，只有事先生长在含阿拉伯糖的培养基中，该菌才能发酵阿 拉伯糖。但是，无论事先是生长在含葡萄糖、阿拉伯糖、乳糖或是不含糖而含其它碳源的培
第四章微生物代谢的调节 养基中的肠膜状明串珠菌,一旦转移到葡萄糖培养基中时,都能立即发酵葡萄糖。跟据这 现象, Karstron认为该菌与阿拉伯糖或乳糖发酵有关的酶是适应酶,而发酵葡萄糖的酶是 组成酶。 表4.1.1肠膜状明串珠菌适应藤的生成 预培养基中‖能发酵 含糖的种类「葡萄糖乳糖 阿拉伯糖 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 其后,人们发现适应现象不仅存在于微生物利用某些糖的酶系,微生物对蛋白质、氨基 酸及芳香族化合物等的利用也存在这种适应现象。甚至细胞色素和细菌叶绿素也是由适应酶 催化生成的。酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色素,环境无氧时,细胞色素就消失,再回 到有氧环境,又恢复生成细胞色素。紫色细菌的叶绿素在黑暗中消失,见光后又会恢复合成 能力。因此,适应酶普遍存在于整个微生物世界中。 Monod和cohn(1952)在研究大肠杆菌β-半乳糖苷酶适应生成的问题时,发现酶底物 (乳糖)的结构类似物,如甲基β-D-硫代半乳糖苷,也可以象乳糖一样,诱导β-半乳糖苷 酶的生成,相反,有些可以作为该酶底物的物质,如苯基-β-D半乳糖苷,却不能诱导β-半 乳糖苷酶的合成。因此,他们将适应酶改称为诱导酶,将诱导酶生成的物质称为诱导物。在 大多数情况下,诱导酶的底物就是有效的诱导物。但然,诱导物不一定就是诱导酶的底物, 有些非底物的诱导剂比底物具有更好的诱导效果,见表4.1.2 表4.1.2某些诱导酶的正常底物和非底物高效诱导物 正常底物 非底物的高效诱导剂 半乳糖苷酶 乳糖 异丙基→βD硫代半乳糖苷 青霉素酶 苄基青霉素 2,6-二甲氧基苯基青霉素 厅烯二酸顺反异构酶 顺丁烯二酸 丙二酸 脂肪族酰胺酶 乙酰胺 甲基乙酰胺 甘露糖链霉素酶 甘露糖 α-甲基甘露糖苷 Monod和 Jacob(1961)提出了操纵子学说用于解释酶的诱导机制。操纵子( Operon) 指一组功能上相关的基因,它们由启动基因( Promoter)、操纵基因 (operator)和结构基因 ( Structural gene)三部分组成,见图4.1.2。启动基因是一种能被依赖于DNA的RMA聚合 酶所识别的碱基序列,它既是RNA聚合酶的结合位点,又是转录的起始点。操纵基因是位于 启动基因和结构基因之间的碱基序列,它能与阻遏物( Repressor)相结合,以此来决定结构 基因的转录能否进行。结构基因是确定酶蛋白氨基酸序列的DNA模板,可根据它的碱基序列 转录生成mRNA,然后再通过蛋白质翻译生成相应的酶。一个操纵子往往含有多个结构基因 如大肠杆菌的乳糖操纵子中就有三个紧邻的结构基因,分别是β-半乳糖苷酶(水解乳糖) β-半乳糖苷透过酶(控制乳糖透过细胞膜进入细胞)和半乳糖苷转乙酰酶(催化从乙酰CoA 转移乙酰基到半乳糖苷受体上)的遗传基因。在操纵子附近还有调节基因( Regulator gene) 它是编码调节蛋白( Regulatory protein)的基因。调节蛋白是一类变构蛋白,它有两个特 殊的位点,其中的一个位点能与操纵基因结合,另一个能与效应物结合。在酶的诱导中,调 节蛋白就是阻遏物。效应物就是诱导物。大肠杆菌乳糖操纵子的阻遏蛋白已被分离纯化,它 的分子量约为160,00,由四个相同的亚单元所组成。在没有诱导物存在时,阻遏物与操纵 基因相结合,使得RNA聚合酶无法从起始点滑向结构基因,转录无法进行,结构基因处于休 眠状态。当诱导物出现时,阻遏物与诱导物结合,随即发生变构效应。经变构后阻遏物无法 再与操纵基因结合,操纵子的“开关”被打开,使结构基因的转录、翻译过程能够顺利进行 当诱导物耗尽后,阻遏物可再与操纵基因结合,操纵子的“开关”又被关上。这时,细胞内
第四章 微生物代谢的调节 2/17 养基中的肠膜状明串珠菌，一旦转移到葡萄糖培养基中时，都能立即发酵葡萄糖。跟据这一 现象，Karstron 认为该菌与阿拉伯糖或乳糖发酵有关的酶是适应酶，而发酵葡萄糖的酶是 组成酶。 表 4.1.1 肠膜状明串珠菌适应酶的生成 预培养基中 含糖的种类 能发酵 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 葡萄糖 乳糖 阿拉伯糖 不含糖 + + + + - + - - - - + - 其后，人们发现适应现象不仅存在于微生物利用某些糖的酶系，微生物对蛋白质、氨基 酸及芳香族化合物等的利用也存在这种适应现象。甚至细胞色素和细菌叶绿素也是由适应酶 催化生成的。酵母菌在有氧的环境中会生成细胞色素，环境无氧时，细胞色素就消失，再回 到有氧环境，又恢复生成细胞色素。紫色细菌的叶绿素在黑暗中消失，见光后又会恢复合成 能力。因此，适应酶普遍存在于整个微生物世界中。 Monod 和 Cohn（1952）在研究大肠杆菌-半乳糖苷酶适应生成的问题时，发现酶底物 （乳糖）的结构类似物，如甲基--D-硫代半乳糖苷，也可以象乳糖一样，诱导-半乳糖苷 酶的生成，相反，有些可以作为该酶底物的物质，如苯基--D-半乳糖苷，却不能诱导-半 乳糖苷酶的合成。因此，他们将适应酶改称为诱导酶，将诱导酶生成的物质称为诱导物。在 大多数情况下，诱导酶的底物就是有效的诱导物。但然，诱导物不一定就是诱导酶的底物， 有些非底物的诱导剂比底物具有更好的诱导效果，见表 4.1.2。 表 4.1.2 某些诱导酶的正常底物和非底物高效诱导物 酶 正常底物 非底物的高效诱导剂 -半乳糖苷酶 青霉素酶 丁烯二酸顺反异构酶 脂肪族酰胺酶 甘露糖链霉素酶 乳糖 苄基青霉素 顺丁烯二酸 乙酰胺 甘露糖 异丙基--D-硫代半乳糖苷 2,6-二甲氧基苯基青霉素 丙二酸 N-甲基乙酰胺 -甲基甘露糖苷 Monod 和 Jacob（1961）提出了操纵子学说用于解释酶的诱导机制。操纵子（Operon) 指一组功能上相关的基因，它们由启动基因(Promoter)、操纵基因(operator)和结构基因 (Structural gene)三部分组成，见图 4.1.2。启动基因是一种能被依赖于 DNA 的 RNA 聚合 酶所识别的碱基序列，它既是 RNA 聚合酶的结合位点，又是转录的起始点。操纵基因是位于 启动基因和结构基因之间的碱基序列，它能与阻遏物（Repressor)相结合，以此来决定结构 基因的转录能否进行。结构基因是确定酶蛋白氨基酸序列的 DNA 模板，可根据它的碱基序列 转录生成 mRNA，然后再通过蛋白质翻译生成相应的酶。一个操纵子往往含有多个结构基因， 如大肠杆菌的乳糖操纵子中就有三个紧邻的结构基因，分别是-半乳糖苷酶（水解乳糖）、 -半乳糖苷透过酶（控制乳糖透过细胞膜进入细胞）和半乳糖苷转乙酰酶（催化从乙酰 CoA 转移乙酰基到半乳糖苷受体上）的遗传基因。在操纵子附近还有调节基因（Regulator gene)， 它是编码调节蛋白（Regulatory protein)的基因。调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特 殊的位点，其中的一个位点能与操纵基因结合，另一个能与效应物结合。在酶的诱导中，调 节蛋白就是阻遏物。效应物就是诱导物。大肠杆菌乳糖操纵子的阻遏蛋白已被分离纯化，它 的分子量约为 160,000，由四个相同的亚单元所组成。在没有诱导物存在时，阻遏物与操纵 基因相结合，使得 RNA 聚合酶无法从起始点滑向结构基因，转录无法进行，结构基因处于休 眠状态。当诱导物出现时，阻遏物与诱导物结合，随即发生变构效应。经变构后阻遏物无法 再与操纵基因结合，操纵子的“开关”被打开，使结构基因的转录、翻译过程能够顺利进行。 当诱导物耗尽后，阻遏物可再与操纵基因结合，操纵子的“开关”又被关上。这时，细胞内
第四章微生物代谢的调节 已转录生成的皿RNA迅速被核酸内切酶降解,操纵子控制的有关酶蛋白在细胞内的含量急剧 下降。如果调节基因发生突变,正常的阻遏物无法产生,那么,操纵子的“开关”始终开启 着,原有的调节机制被解除,诱导酶就成了组成酶 操纵子 控制区 结构基因 DNA调节基因 启动基因操纵基因基因1基因2基因3 阻遏蛋白 (合阻蛋自*** DNA调节基因启动基因操纵基因基因1基因2基因3 RNA聚合 阻遏蛋白 mRNA 透导物阻遏蛋白 诱透导物) 诱导酶 图4.1.2酶诱导的操纵子模型1.没有诱导物存在时,结构基因的表达被阻断;2.在诱导 物存在时,结构基因表达生成诱导藤 酶的诱导又可以分为两种情况。一种是同时诱导,即加入一种诱导剂后,微生物能同时 或几乎同时合成几种酶,它主要存在于较短的代谢途径中,合成这些酶的基因由同一个操纵 子所控制。例如将乳糖加入到E.coli培养基中,即可同时诱导β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷 透过酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成,这三种酶都由乳糖操纵子控制。另一种称为顺序诱导 第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成,第一种酶的产物又可诱导第二种酶的合成,依此类 推合成一系列的酶。例如:先合成能分解底物的酶,再依次合成分解中间代谢物的酶,以达 到对较复杂代谢途径的分段调节。在 E. coli中,最初的诱导物乳糖诱导了代谢乳糖酶系的 合成,将乳糖转化成半乳糖,半乳糖在细胞内浓度升高,又触发与半乳糖代谢相关酶的诱导 合成,见图4.1.3 酶的类型诱导物 催化的反应 β-半乳糖苷透过酶 乳糖 β-半乳糖苷酶 诱导酶 半乳糖+葡萄糖 半乳糖苷激酶 乳糖 转移酶 差向异构酶 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 组成酶 参与糖酵解的酶 丙酮酸 图4.13有关分解乳糖酶的顺序诱导
第四章 微生物代谢的调节 3/17 已转录生成的 mRNA 迅速被核酸内切酶降解，操纵子控制的有关酶蛋白在细胞内的含量急剧 下降。如果调节基因发生突变，正常的阻遏物无法产生，那么，操纵子的“开关”始终开启 着，原有的调节机制被解除，诱导酶就成了组成酶。 图 4.1.2 酶诱导的操纵子模型 1. 没有诱导物存在时，结构基因的表达被阻断；2.在诱导 物存在时，结构基因表达生成诱导酶 酶的诱导又可以分为两种情况。一种是同时诱导，即加入一种诱导剂后，微生物能同时 或几乎同时合成几种酶，它主要存在于较短的代谢途径中，合成这些酶的基因由同一个操纵 子所控制。例如将乳糖加入到 E.coli 培养基中，即可同时诱导-半乳糖苷酶、-半乳糖苷 透过酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成，这三种酶都由乳糖操纵子控制。另一种称为顺序诱导， 第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成，第一种酶的产物又可诱导第二种酶的合成，依此类 推合成一系列的酶。例如：先合成能分解底物的酶，再依次合成分解中间代谢物的酶，以达 到对较复杂代谢途径的分段调节。在 E.coli 中，最初的诱导物乳糖诱导了代谢乳糖酶系的 合成，将乳糖转化成半乳糖，半乳糖在细胞内浓度升高，又触发与半乳糖代谢相关酶的诱导 合成，见图 4.1.3。 图 4.1.3 有关分解乳糖酶的顺序诱导 酶的类型 诱导物 酶 催化的反应 乳糖 -半乳糖苷透过酶 乳糖 乳糖 -半乳糖苷酶 诱导酶 半乳糖 + 葡萄糖 半乳糖苷激酶 半乳糖 转移酶 差向异构酶 葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 组成酶 参与糖酵解的酶 丙酮酸
第四章微生物代谢的调节 由于存在酶的诱导机制,微生物只有在代谢活动需要时才合成有关的酶,从而避免了营 养物和能量的浪费。 诱导酶与组成酶在本质上是相同的,两者的区别在于酶合成调节体系受控制的程度不 同。在微生物育种中,常采取诱变等手段使诱导酶转化为组成酶,以利于大量积累所需的代 谢产物 4.1.2酶合成的阻遏( Enzyme repression) 在某代谢途径中,当末端产物过量时,微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键 酶在内的一系列酶的合成,从而彻底地控制代谢,减少末端产物生成,这种现象称为酶合成 的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶( repressible enzyme)。阻遏的生理学功能是节约 生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两 种类型 4.1.2.1末端代谢产物阻遏( End-product repression) 由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏称为末端代谢产物阻 遏。通常发生在合成代谢中,特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生 物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成。如:对数生长期的大肠杆 菌的培养基中加λ精氨酸,将阻遏精氨酸合成酶系(氨甲酰基转移酶、精氨酸琥珀酸合成酶 和精氨酸琥珀酸裂合酶)的合成,而此时细胞生长速度和总蛋白质的合成速度几乎不变,见 图4.1.4。若代谢途径是直线式的,末端产物阻遏情况较为简单,末端产物引起代谢途径中 各种酶的合成终止。如图4.1.5所示,大肠杆菌的蛋氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨 酸合成的,在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中,大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为蛋氨酸 的三种酶,但当培养基中加入蛋氨酸时,这三种酶消失。又如鼠伤寒沙门氏杆菌合成组氨酸 需要十种酶,这十种酶的合成都同时受到组氨酸的阻遏。有时,合成途径中各种酶受末端产 物阻遏的程度会有所不同,如大肠杆菌的精氨酸生物合成酶系中每个酶受精氨酸阻遏的程度 存在着差异 相 对细跑数量 总蛋白质 精氨酸合成酶系 加入精氨酸 时间 图4.1.4培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成 天冬氢酸一 高丝氢酸→胱硫醚一高半胱氨酸一甲硫氨酸 图4.1.5甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成藤的合成 (R):表示反馈阻遏 对于分支代谢途径来说,情况比较复杂。每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条分
第四章 微生物代谢的调节 4/17 由于存在酶的诱导机制，微生物只有在代谢活动需要时才合成有关的酶，从而避免了营 养物和能量的浪费。 诱导酶与组成酶在本质上是相同的，两者的区别在于酶合成调节体系受控制的程度不 同。在微生物育种中，常采取诱变等手段使诱导酶转化为组成酶，以利于大量积累所需的代 谢产物。 4.1.2 酶合成的阻遏(Enzyme repression) 在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键 酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成 的阻遏。合成可被阻遏的酶称为阻遏酶（repressible enzyme）。阻遏的生理学功能是节约 生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两 种类型。 4.1.2.1 末端代谢产物阻遏（End-product repression ) 由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的（反馈）阻遏称为末端代谢产物阻 遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸、核苷酸和维生素的合成途径中十分常见。生 物合成末端产物阻遏的特点是同时阻止合成途径中所有酶的合成。如：对数生长期的大肠杆 菌的培养基中加入精氨酸，将阻遏精氨酸合成酶系（氨甲酰基转移酶、精氨酸琥珀酸合成酶 和精氨酸琥珀酸裂合酶）的合成，而此时细胞生长速度和总蛋白质的合成速度几乎不变，见 图 4.1.4。若代谢途径是直线式的，末端产物阻遏情况较为简单，末端产物引起代谢途径中 各种酶的合成终止。如图 4.1.5 所示，大肠杆菌的蛋氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚和高半胱氨 酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转化为蛋氨酸 的三种酶，但当培养基中加入蛋氨酸时，这三种酶消失。又如鼠伤寒沙门氏杆菌合成组氨酸 需要十种酶，这十种酶的合成都同时受到组氨酸的阻遏。有时, 合成途径中各种酶受末端产 物阻遏的程度会有所不同，如大肠杆菌的精氨酸生物合成酶系中每个酶受精氨酸阻遏的程度 存在着差异。 图 4.1.4 培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成 图 4.1.5 甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成 （R）：表示反馈阻遏 对于分支代谢途径来说，情况比较复杂。每种末端产物只专一地阻遏合成它自身那条分
第四章微生物代谢的调节 5/17 支途径的酶,而代谢途径分支点前的“公共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻遏。任 何一种末端产物的单独存在,都不影响酶合成,只有当所有末端产物同时存在时,才能发挥 阻遏作用的现象称为多价阻遏( Multivalent repression)。多价阻遏的典型例子是芳香族 氨基酸、天冬氨酸族和丙酮氨酸族氨基酸生物合成中存在的反馈阻遏。 在一些氨基酸合成途径中,末端产物氨基酸必须和它的tRNA结合后,才能起到阻遏作 用。有些末端代谢产物本身具有独立的阻遏作用,但若与某些物质结合形成复合物,则会增 强阻遏作用。如杆菌肽和F铁离子形成复合物后,反馈阻遏作用增强。 末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有着重要的作用,它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物,或外界加入该物质后,就停止有关酶的合成 而缺乏该物质时,又开始合成有关的酶。 末端代谢产物阻遏的机制也可以用操纵子学说解释。如大肠杆菌色氨酸操纵子控制着5 个结构基因,分别为“分支酸—→邻氨基苯甲酸—→丶磷酸核糖邻氨基苯甲酸—→羧苯氨基脱 氧核糖磷酸_→吲哚甘油磷酸→色氨酸”途径中5种酶的基因。其调节基因远离操纵子, 所表达的调节蛋白不能直接与操纵基因结合,结构基因的表达能顺利进行。这时的调节蛋白 称为原阻遏物( prerepressor)。当代谢产生末端代谢产物色氨酸后,色氨酸作为效应物与 原阻遏物结合,使后者发生变构效应,并能与操纵基因结合,从而阻止了结构基因的表达。 其过程见图4.1.6 结构基因 NA调节基因二 启公控制区色氨酸操纵子 操纵基因基因基因2基因3基因4基因 RNA聚合峋 原阻遏物 (1) 阻遏酶○∞□Q DNA|调节基因 启动基因探纵基因基因基因2基因3基因4斗基因 RNA聚合酶 原阻遏物 C半**半* 效应物 阻遏物 (2)(色氨酸) 图4.1.6酶阻遏的色氨酸操纵子模型1.在没有效应物(色氨酸)存在时,结构基因表 达色氨酸合成酶系(邻氨基苯甲酸合成藤I和Ⅱ、吲哚甘油磷酸酯合成酶、色氨酸合成藤B 和A);2.色氨酸与原阻遏物结合构成阻遇物,色氨酸合成酶系的合成被阻断 4.1.2.2.分解代谢物阻遏( Catabolite repression) 当细胞内同时存在两种可利用底物(碳源或氮源)时,利用快的底物会阻遏与利用慢的 底物有关的酶合成。现在知道,这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果,而是由 这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的,所以称为分解代谢物阻遏。 分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应。1942年 Monod在研究大肠杆菌利用混合碳源 生长时时,发现葡萄糖会抑制其它糖的利用。例如大肠杄菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中 优先利用葡萄糖,并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖,这就形成了在两个对数生长期中 间的第二个生长停滞期,即出现了“二次生长现象”,见图4.1.7。用山梨醇或乙酸代替乳 糖,也有类似结果,见图4.1.8。 Monod提出的乳糖操纵子模型可以较好地解释分解代谢物的阻遏机制。如图4.1.9所示 乳糖操纵子的启动基因内,除RMA聚合酶结合位点外,还有一个称为 CAP-CAMP复合物的结 合位点。CAP是降解物基因活化蛋白(又称为cAMP受体蛋白,CRP),当CAP与cAMP结合 后,就会被活化,复合物又会激活启动基因,并使RNA聚合酶与启动基因结合。在只含有 乳糖的培养环境中,乳糖操纵子的“开关”开启(见前述),三种与乳糖代谢有关的酶能被
第四章 微生物代谢的调节 5/17 支途径的酶，而代谢途径分支点前的“公共酶”则受所有分支途径末端产物的共同阻遏。任 何一种末端产物的单独存在，都不影响酶合成，只有当所有末端产物同时存在时，才能发挥 阻遏作用的现象称为多价阻遏（Multivalent repression）。多价阻遏的典型例子是芳香族 氨基酸、天冬氨酸族和丙酮氨酸族氨基酸生物合成中存在的反馈阻遏。 在一些氨基酸合成途径中，末端产物氨基酸必须和它的 tRNA 结合后，才能起到阻遏作 用。有些末端代谢产物本身具有独立的阻遏作用，但若与某些物质结合形成复合物，则会增 强阻遏作用。如杆菌肽和 F 铁离子形成复合物后，反馈阻遏作用增强。 末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有着重要的作用，它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物，或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。 而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。 末端代谢产物阻遏的机制也可以用操纵子学说解释。如大肠杆菌色氨酸操纵子控制着 5 个结构基因，分别为“分支酸⎯→邻氨基苯甲酸⎯→磷酸核糖邻氨基苯甲酸⎯→羧苯氨基脱 氧核糖磷酸⎯→吲哚甘油磷酸⎯→色氨酸”途径中 5 种酶的基因。其调节基因远离操纵子， 所表达的调节蛋白不能直接与操纵基因结合，结构基因的表达能顺利进行。这时的调节蛋白 称为原阻遏物（prerepressor)。当代谢产生末端代谢产物色氨酸后，色氨酸作为效应物与 原阻遏物结合，使后者发生变构效应，并能与操纵基因结合，从而阻止了结构基因的表达。 其过程见图 4.1.6。 图 4.1.6 酶阻遏的色氨酸操纵子模型 1. 在没有效应物（色氨酸）存在时，结构基因表 达色氨酸合成酶系（邻氨基苯甲酸合成酶Ⅰ和Ⅱ、吲哚甘油磷酸酯合成酶、色氨酸合成酶 B 和 A）；2.色氨酸与原阻遏物结合构成阻遏物，色氨酸合成酶系的合成被阻断 4.1.2.2.分解代谢物阻遏（Catabolite repression） 当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的 底物有关的酶合成。现在知道，这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果，而是由 这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为分解代谢物阻遏。 分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应。1942 年 Monod 在研究大肠杆菌利用混合碳源 生长时时，发现葡萄糖会抑制其它糖的利用。例如大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中， 优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数生长期中 间的第二个生长停滞期，即出现了“二次生长现象”，见图 4.1.7。用山梨醇或乙酸代替乳 糖，也有类似结果，见图 4.1.8。 Monod 提出的乳糖操纵子模型可以较好地解释分解代谢物的阻遏机制。如图4.1.9所示， 乳糖操纵子的启动基因内，除 RNA 聚合酶结合位点外，还有一个称为 CAP-cAMP 复合物的结 合位点。CAP 是降解物基因活化蛋白（又称为 cAMP 受体蛋白，CRP），当 CAP 与 cAMP 结合 后，就会被活化，复合物又会激活启动基因，并使 RNA 聚合酶与启动基因结合。在只含有 乳糖的培养环境中，乳糖操纵子的“开关”开启（见前述），三种与乳糖代谢有关的酶能被