微生物代谢调节

来源：青岛海博《微生物工程》
一、初级代谢调节 包括酶合成的调节和酶活性的调节。 （一）酶合成调节（教材：P27） 酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。凡是能促进酶合成的调节称为诱导；而能阻碍酶合成的调节称为阻遏。   1、酶合成调节的类型 （1）、酶合成的诱导（induction） 组成酶：不依赖于酶底物或类似物的存在而合成；如葡萄糖转化为丙酮酸过程中的各种酶 诱导酶：依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成；如大肠杆菌乳糖利用酶 诱导剂可以是诱导酶的底物，也可是底物的结构类似物，也可以不是该酶的作用底物。 酶的诱导可分两种： A、同时诱导：当诱导物加入后，同时或几乎同时诱导几种酶的合成；主要存在于短的代谢途径中。 B、顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。   （2）、酶合成的阻遏 (repression) A、末端产物阻遏 (end-product repression):指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。 B、分解代谢物阻遏 (catabolite repression)：指两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶合成的现象。   2、酶合成调节机制：操纵子模型 （二）酶活性调节（教材：P23）   1、酶合成调节类型：激活和抑制   2、酶活性调节机制 （1）共价修饰调节：指蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开，使其活性改变的作用，分可逆和不可逆两种。   可逆共价修饰：有些酶存在活性和非活性两种状态，它们可以通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。如:  糖原磷酸化酶通过激酶和磷酸酯酶来调节活性；磷酸化形式有活性，去磷酸化形式无活性。   不可逆共价修饰：典型的例子是酶原激活——无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切去一小段肽链而被激活。    酶可逆共价修饰的意义： ① 因酶构型的转换是由酶催化的，故可在很短的时间内经信号启动，触发生成大量有活性的酶； ② 这种修饰作用可更易控制酶的活性以响应代谢环境的变化。   （2）变构或别构(allosterism)效应：变构或别构效应是指一种小分子物质与一种蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的相互作用。变构蛋白是表现变构效应的蛋白，如阻遏蛋白；具有变构作用的酶称作变构酶。   变构调节机制： 1）变构酶具有一个以上的结合位点，除了结合底物的活性中心外，在同一分子内还有一些分立的效应物结合位点（副位点）；2）主位点和副位点可同时被占据；3）副位点可结合不同的效应物，产生不同的效应；4）效应物在副位点上的结合可随后引起蛋白质分子构象的变化，从而影响酶活性中心的催化活性；5）变构效应是反馈控制的理论基础，是调节代谢的有效方法。   3、缔合与解离：能进行这种转变的蛋白质由多个亚基组成； 蛋白质活化与钝化是通过亚基缔合与解离实现的。   4、竞争性抑制：一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制，如需要氧化性NAD+的反应可能被还原型NADH的竞争抑制；需ATP的反应可能受ADP或AMP的竞争型抑制；有些酶受反应过程产物的竞争性抑制。   （三）、分支生物合成途径的调节   1、同工酶调节：某一分支途径中的第一步反应可由多种酶催化，但这些酶受不同的终产物的反馈调节。 如：大肠杆菌的天门冬氨酸族氨基酸的合成途径中，有三个同工酶：天门冬氨酸激酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分别受赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸的反馈调节 2、协同反馈调节：需有一种以上终产物的过量存在方有明显的效果；单个终产物过量，不产生或只产生很小的影响。 3、累加反馈调节：每一种末端产物过量只能部分抑制或阻遏，总的效果是累加的。 4、增效反馈调节：代谢途径中任一末端产物过量时，仅部分抑制共同反应中第一个酶的活性，但两个末端产物同时过量时，其抑制作用可超过各末端产物产生的抑制作用的总和。 5、顺序反馈调节： 6、联合激活或抑制调节：由一种生物合成的中间产物参与两个完全独立的、不交叉的合成途径的控制。这种中间体物质浓度的变化会影响这两个独立代谢途径的代谢速率。   （四）、能荷调节：能荷——指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。能荷调节——指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动，也称腺苷酸调节。能荷不仅调节形成ATP的分解代谢酶类（如磷酸果糖激酶、异柠檬酸脱氢酶、柠檬酸合成酶等）的活性，也调节利用ATP的生物合成酶类（如柠檬酸裂解酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的活性。   二、次级代谢调节 （一）次级代谢产物的诱导调节 次级代谢产物的诱导机制可能按以下两种方式进行：诱导物→刺激影响初级代谢造成代谢流的改变成→大量生产次生代谢物；诱导物→次生代谢物合成酶的合成→大量生产次生代谢物。 大多数分解代谢酶属于诱导酶，可以通过加入诱导物使酶的产量大幅度提高。如在链霉素生产中，如果加入诱导物甘露聚糖，可使甘露糖链霉素酶产量提高，而这种酶是转化甘露糖链霉素为链霉素的关键酶。因此甘露聚糖的加入会提高链霉素产量。   （二）次级代谢自身产物的反馈调节     Lagstor在1935年发现：产生50µg／ml氯霉素的委内瑞拉链霉菌被50µg／ml外源氯霉素所抑制。Gordee在1972年发现，产黄青霉加入10µg／ml外源青霉素对其生长无影响，而青霉素合成几乎完全被抑制，其他多种青霉素及其钠盐亦有类似现象。有关链霉素、卡那霉素等氨基糖苷类抗生素的系统研究也证实了这一点。   抗生素对自身产物的抑制有一定的规律：抑制特定产生菌合成抗生素所需浓度与生产水平具有相关性，一般产生菌产量高，对自身抗生素的耐受力强，反之则越敏感。例如氯霉素对芳基氨合成酶的反馈调节，已知氯霉素通过莽草酸的分支代谢途径产生，芳基氨合成酶是分支点后第一个酶，这种酶只存于产氯霉素的菌体内，当培养基内的氯霉素浓度达100mg／L时，可完全阻遏该酶的生成，但不影响菌体的生长，也不影响芳香族氨基酸途径的其他酶类。进一步研究表明，氯霉素本身不一定是阻遏物，氯霉素通过顺序阻遏，使L—对氨基苯丙氨酸及L苏—对氨基苯丝氨酸对芳基氨合成酶实行反馈抑制。氯霉素的甲硫基类似物比氯霉素容易透入细胞，其抑制作用比氯霉素还大。由此可见，次生产物反馈调节机制的复杂性。   （三）次级代谢产物的分解调节 1、碳源分解调节 20世纪40年代初期就发现，青霉素发酵过程中，虽然葡萄糖被菌体利用最快，但对青霉素合成并不适宜。而乳糖利用虽然较为缓慢，却能提高青霉素产量。如果细菌在葡萄糖和乳糖的混合培养基中生长，那么在抗生素合成前，菌体一般首先利用葡萄糖，在葡萄糖耗尽后，抗生素合成开始，此时菌体才利用第二种碳源。这种情况说明，次级代谢的碳源分解调节比初级代谢更为复杂。 关于抗生素受碳源分解调节的机制，目前尚未完全搞清楚，存在以下几种情况：第一，可能与菌体生长速率控制抗生素合成有关，菌体生长最好莳碳源能抑制抗生素合成。因此，在低生长率的情况下(例如青霉素合成中缓慢补加葡萄糖)可减少葡萄糖的干扰作用。第二，可能与分解代谢产物的堆积浓度有关，乳糖之所以比葡萄糖优越是因为前者被水解为可利用的单糖的速度正好符合青霉菌在生产期合成抗生素的需要，而不会有分解代谢产物如丙酮酸的堆积。我国有关单位研究葡萄糖和乳糖对灰黄霉素生物合成的影响表明，丙酮酸的堆积可使灰黄霉素产量降低。  
2、氮源分解调节 氮源分解调节是类似于碳源分解调节一类的分解阻遏方式。它主要指含氮底物的酶(如蛋白酶、硝酸还原酶、酰胺酶、组氨酸酶和脲酶)的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。   （四）初级代谢物的反馈调节 第一方式：次级途径和初级途径具有共同的分叉中间体，由分叉中间体产生的次级代谢终产物的反馈调节可能影响次级代谢产物的形成。 例如赖氨酸对青霉素生物合成的反馈调节。青霉素的生物合成是从赖氨酸合成途径中分支出来的，α—氨基己二酸为分支的中间体，赖氨酸是初级代谢产物，能抑制本身合成途径中的第一个酶—同型柠檬酸合成酶，因而使合成青霉素的前体—α-氨基己二酸的合成受到影响，进而导致青霉素的产量下降。   第二种方式：在抗生素生物合成途径中，初级代谢的终产物作为前体合成次生产物。由于这些终产物是受初级代谢反馈调节的，因而也必然影响到后面的抗生素的合成，外源前体也将导致反馈调节。 例如缬氨酸对青霉素生物合成的反馈调节。在青霉素生物合成途径中，α—氨基己二酸是必不可少的前体物质。α—氨基己二酸的初级代谢的终产物是赖氨酸，分支的次级代谢产物是青霉素。所以。α—氨基己二酸是青霉素和赖氨酸生物合成中的共同中间体。   已知赖氨酸对青霉素的生物合成有抑制作用，α—氨基己二酸又能逆转赖氨酸的抑制作用。研究表明由于赖氨酸能反馈抑制赖氨酸合成途径中的第一个酶—高柠檬酸合成酶，导致α—氨基己二酸的合成受阻，因而减少合成请青霉素生物中间体的供给，使抗生素产量降低。   同时必须注意到，缬氨酸作为青霉素合成前体而掺人α—氨基苯己二酸而合成青霉素途径。它是合成四氢噻唑环的直接前体，但是又能反馈抑制自身合成途径中的第一个酶—乙酰羟羧酸合成酶的活性，从而使青霉素合成受影响。又如抗生素发酵过程中，加入前体可显著增产，但外源前体多数并非菌体生长所必须的，超过一定的限度时，则引起对菌体的“毒性”。青霉素G侧链前体一苯乙酸的浓度超过0．1％时，就抑制青霉菌的生长发育。   （五）磷酸盐的调节     磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。已发现过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多烯大环内酯类等32种抗生素的生物合成产生阻抑作用。所以，在工业生产中，磷酸盐常常被控制在适合菌体生长的浓度以下，即所谓的亚适量。当磷酸盐为0.3-300mmol/L的浓度时，可促进菌体的生长；浓度为10mmol/L或大于10mmol/L的浓度时，对许多抗生素的合成就产生阻遏，如10mmol/L的磷酸盐就能完全抑制杀假丝菌素的合成。磷酸盐浓度高低还能调节发酵合成期出现的早晚，磷酸盐接近耗尽后，才开始进入合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就向后拖延。金霉素、万古霉素等的发酵都有此现象。磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗生素的菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体。     磷酸盐调节抗生素的生物合成有不同的机制。按效应来说，有直接作用(即磷酸盐自身影响抗生素合成)和间接效应(即磷酸盐调节胞内其他效应剂，如ATP、腺苷酸、能荷和cAMP)，进而影响抗生素合成。具体地说，磷酸盐能影响抗生素合成中磷酸酯酶和前体形成过程中某种酶的活性；ATP直接影响某些抗生素合成和糖代谢中某些酶的活性。   （六）细胞膜透性的调节     微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。如果细胞膜对某物质不能运输或者运输功能发生了障碍，其结果：一方面正如我们前面已讨论过，细胞内合成代谢的产物不能分泌到胞外，必然会产生反馈调节作用，影响发酵物的生产量，另一方面的可能是细胞外的营养物质不能进入细胞内，从而影响产物的合成，造成产量下降。例如在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的大小，是影响青霉素发酵单位高低的一个因素，因为菌体内需要有足够的硫源来合成青霉素。利用诱变方法获得的青霉素高产菌株中，有的就是因为提高了细胞膜摄取无机硫酸盐的能力，即提高了细胞内硫酸盐的浓度，从而能有效地将无机硫转变为半胱氨酸，增加了合成青霉素的前体物质。因此，细胞膜的通透性是代谢调节的一个重要方面。