[工学]4微生物代谢的自动调节.ppt

微生物代谢的自动调节 微生物代谢的自动调节 1 微生物酶的自动调节 2 微生物膜的自动调节 微生物细胞只在其有限空间合成它们当时所需要的一定量的酶分子，是否合成，合成多少，首先取决于为这些酶编码的基因是否被转录以及被转录的水平。 转录水平的调节包括降解反应途径的酶的诱导(包括酶诱导合成的自生控制)、营养阻遏(nutritional repression)、生物合成反应途径中的酶的反馈阻遏和弱化(attenuation)机制和中心代谢途径中的酶的合成的诱导和阻遏。 为乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙酰基转移酶编码的基因相邻定位于大肠杆菌的染色体DNA上，它们与启动子和操纵基因一起形成一个功能性单位，称作为乳糖操纵子。当培养基中没有乳糖时，乳糖操纵子上为这3个酶编码的结构基因不被转录，这是因为操纵子的操纵基因被阻遏蛋白(由调节基因编码的变构蛋白质)阻塞的缘故。 当培养基中的乳糖(α-D-半乳糖-β-1,4-D-葡萄糖)少量地进入大肠杆菌细胞时，它就被细胞中固有的(组成型的)β-半乳糖苷酶转化成别构乳糖(α-D-半乳糖-β-1,6-D-葡萄糖)，当然在未经诱导的细胞中，β-半乳糖苷酶的量是相当少的。生成的别构乳糖(allolactose)即可与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能再与操纵基因相结合，从而允许对应于上述3个酶的结构基因转录，接着经翻译而合成乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙酰基转移酶。乳糖透性酶进而促进乳糖跨膜进入细胞，从而参加进一步的诱导合成。 从模式图可以看出诱导酶的合成机制，当细胞内没有诱导物(效应物)时，由调节基因编码的与操纵基因有结合活性的阻遏蛋白(一种变构蛋白)与操纵基因结合，阻止RNA多聚酶对结构基因的转录，因而诱导途径的酶系没有合成；当细胞内诱导物(效应物)浓度上升某一程度时，它就与阻遏蛋白结合，使后者因构象发生变化而失去与操纵基因有结合活性，从操纵基因上脱落下来，RNA多聚酶就可以对结构基因的进行转录，诱导途径的酶系就被诱导合成。 酶的诱导对于微生物是十分有意义的。从营养的角度看，微生物可以根据环境所提供的生长底物，诱导合成相应的酶(蛋白质)，以分解生长底物，吸收营养，进行代谢活动，从而加强微生物对环境的适应能力。从细胞经济的角度看，仅仅根据需要诱导合成必要的酶(蛋白质)，可以避免核苷酸、氨基酸和代谢能的浪费。 从诱导模型分析，若调节基因I、启动基因P、操纵基因O上发生突变，都可能影响酶的正常诱导。如果启动基因P缺失，则RNA多聚酶无从结合到操纵子上去，不管有没有诱导物，转录都不会进行，这种突变株称超阻遏突变株。如果操纵基因缺失，则不管有没有诱导物，操纵子都不会受阻塞，不需诱导也能使结构基因转录并翻译，这种突变株就是组成型突变株。这两种突变株在工业上都可能得到应用，特别是在微生物酶制剂工业上。 进一步的研究并没有发现有这种降解代谢物存在，碳源降解物阻遏似乎并不是由葡萄糖或其他能被迅速同化的碳源的降解物引起的，因此把这种阻遏叫做“碳源阻遏”比叫“降解物阻遏”更切合实际。葡萄糖的存在对乳糖利用的影响是典型的碳源营养阻遏(图4-6)。这一类阻遏不但发生在对碳源的利用过程中，也发生在对氮源、磷源和硫源的利用过程中，因此用营养阻遏(nutritional repression)这个名称来包容不同营养源的阻遏。 研究证明，大肠杆菌的碳源阻遏与细胞中环腺苷酸(cAMP)水平有关。细胞对葡萄糖(Glc)的利用导致胞内cAMP浓度大幅度下降，当大部分Glc被消耗掉，cAMP浓度才回升。乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，还需要cAMP。cAMP与一个叫做CAP(环腺苷酸接受蛋白)的蛋白质形成复合物，这个复合物与启动子P结合而刺激转录(提高RNA聚合酶与启动子P的亲合性)。 细胞内合成反应途径的产物的浓度能够通过对其自身合成途径的酶的合成(胞内酶分子的数量)进行自动调节，使之与所需要合成的产物的量相协调。这种调节依赖终端产物的反馈阻遏、弱化等机制，或两者兼用。这些自动调节机制可以节约细胞内的原料和代谢能，对微生物的好处也是显而易见的。 许多氨基酸生物合成途径不但受该氨基酸本身的调节而且受其对应的氨基酰tRNA的调节，前者指的是反馈阻遏(图4-6)，也就是氨基酸合成途径的终端产物(与氨基酸合成途径相对应的氨基酸)作为辅阻遏物阻碍转录的发动；后者指的是叫做弱化(图4-7)的另一种类型的控制，这种控制涉及到与合成途径的终端产物氨基酸相对应的氨基酰tRNA和转录的终止，即