微生物代谢的调节

   生命活动的基础在于新陈代谢。微生物细胞内各种代谢反应错综复杂，各个反应过程之间是相互制约，彼此协调的，可随环境条件的变化而迅速改变代谢反应的速度。微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的，因为任何代谢途径都是一系列酶促反应构成的。微生物细胞的代谢调节主要有两种类型，一类是酶活性调节，调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的；另一类是酶合成的调节，调节的是酶分子的合成量，这是在遗传学水平上发生的。在细胞内这两种方式协调进行。

一、酶活性调节

    酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。这种调节方式可以使微生物细胞对环境变化作出迅速地反应。酶活性调节受多种因素影响，底物的性质和浓度、环境因子，以及其他酶的存在都有可能激活或抑制酶的活性。酶活性调节的方式主要有两种：变构调节和酶分子的修饰调节。

1 ．变构调节

    在某些重要的生化反应中，反应产物的积累往往会抑制这个反应的酶的活性，这是由于反应产物与酶的结合抑制了底物与酶活性中心的结合。在一个由多步反应组成的代谢途径中，末端产物通常会反馈抑制该途径的第一个酶，这种酶通常被称为变构酶 (a110steric enzyme) 。例如，合成异亮氨酸的第一个酶是苏氨酸脱氨酶，这种酶被其末端产物异亮氦酸反馈抑制。变构酶通常是某一代谢途径的第一个酶或是催化某一关键反应的酶。细菌细胞内的糖酵解和三羧酸循环的调控也是通过反馈抑制进行的。

2 ．修饰调节

    修饰调节是通过共价调节酶来实现的。共价调节酶通过修饰酶催化其多肤链上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向。

    酶促共价修饰与酶的变构调节不同，酶促共价修饰对酶活性调节是酶分子共价键发生了改变，即酶的一级结构发生了变化。而在变构调节中，酶分子只是单纯的构象变化。在酶分子发生磷酸化等修饰反应时，一般每个亚基消耗一分子 ATP ，比新合成一个酶分子所耗的能量要少得多。因此，这是一种体内较经济的代谢调节方式。另外，酶促共价修饰对调节信号具放大效应，其催化效率比变构酶调节要高。

二、分支合成途径调节

    不分支的生物合成途径中的第一个酶受末端产物的抑制，而在有两种或两种以上的末端产物的分支代谢途径中，调节方式较为复杂。其共同特点是每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种。

1 ．同工酶

    同工酶 (iDeMyne) 是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成却有所不同的一组酶。同工酶对分支途径的反馈调节模式见图。其特点是：在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的一组同工酶，每一种代谢终产物只对一种同工酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反应的进行。这种调节方式的典型例子是大肠杆菌天门冬氨酸族氨基酸的合成。有三个天门冬氨酸激酶催化途径的第一个反应，分别受赖氨酸、苏氢酸、甲硫氨酸的调节。

2 ．协同反馈抑制

    在分支代谢途径中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用。若某一末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。例如，在多粘芽抱杆菌合成赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸的途径中，终产物苏氨酸和赖氨酸协同抑制天门冬氨酸激酶。

3 ．累积反馈抑制

    在分支代谢途径中，任何一种末端产物过量时都能对共同途径中的第一个酶起抑制作用，而且各种末端产物的抑制作用互不干扰。当各种末端产物同时过量时，它们的抑制作用是累加的见图。如果末端产物 H 单独过量时，抑制 AB 酶活性的 40 ％，剩余酶活性为 60 ％，如果末端产物 Z 单独过量时抑制 AB 酶活性的 30 ％，当 HZ 同时过量时，其抑制活性为： 40 ％十 (1 — 40 ％ ) × 30 ％＝ 58 ％。累积反馈抑制最早是在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现的，该酶受 8 个最终产物的积累反馈抑制。 8 个最终产物同时过量时，酶活力完全被抑制。

4 ．顺序反馈抑制

    分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的积累，这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。因此，只有当两个末端产物都过量时，才能对途径中的第一个酶起到抑制作用见图。枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢途径就采取这种方式进行调节。

三、酶合成的调节

    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的代谢调节。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导，而能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。与上述调节酶活性的反馈抑制相比，其优点是通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。其调节方式有两种。

1 ．诱导 根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱导酶两类。组成酶是细胞固有的酶类，其合成是在相应的基因控制下进行的，它不因分解底物或其结构类似物的存在而受影响，例如 EMP 途径的有关酶类。诱导酶则是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶，例如 E.coli 在含乳糖培养基中所产生的 β - 半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是阍物的前体物质。例如能诱导β- 半乳糖苷酶除了其正常底物——乳糖外，不能被其他利用的异丙基 -β-D- 硫代半乳糖苷也可诱导，且其诱导效果要比乳糖高。

    酶的诱导合成又可分为两种，其一称同时诱导，即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如将乳糖加入 E.coli 培养基中后，即可同时诱导出β- 半乳糖苷透性酶、β- 半乳糖苷酶和β- 半乳糖苷转乙酰酶的合成；另一则称顺序诱导，即先合成能分解底物的酶。再仪次合成分解各中间代谢的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。

2 ．阻遏 在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某些未端产物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少未端产物的生成外，还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少未端产物的合成。阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量。阻遏的类型主要有未端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。

（ 1 ）未端产物阻遏 指由某代谢途径未端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，未端产物阻遏止的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏止，例如精氨酸的生物合成途径。对分支代谢途径来说，情况较为复杂性。每种未端产物仅专一地阻遏合成它的那作分支途径的酶。

（ 2 ）分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。例如有人将大肠杆菌培养在含乳糖和葡萄糖的增减基上，发现该菌可优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次生长现象”其原历是，葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成。这一现象称葡萄糖效应。由于这类现象在其他代谢的普遍存在，后来人们索性把类似葡萄糖效应的阻遏止统称为分解代谢物阻遏止。