第二章 代谢控制发酵的基本思想

V：酶促反应速度，Vmax：最大反应速度， 最大反应速度， 酶促反应速度， S：底物浓度，Km：米氏常数，n：亚基数 底物浓度， 米氏常数，
图2－3 底物及变构效应物的浓度与酶活性的关系 －
1－－变构酶酶活性与底物浓度的关系 －－变构酶酶活性与底物浓度的关系 －－ 2－－普通酶酶活性与底物浓度的关系－－普通酶酶活性与底物浓度的关系 －－ 3－－底物浓度一定时，变构抑制剂浓度与变构酶活性的关系 －－底物浓度一定时， －－底物浓度一定时
2、终产物的增效性抑制（也称合作抑制） （Cooperated/Synergistic end-product inhibition） 90% 15% A B C 20% D F E G
A B C D 判别特征：反应序列（途径）的某一后边的反应受前面某中间代谢产物的激活，这种方 式常见于分解代谢途径中。 例如，E.coli EMP 途径的中间产物 FDP 激活 PK（丙酮酸激酶）酶 PK G F-6-P FDP ooo PEP PYR
3、补偿激活（compensatory actiration） A B C D H E F G 判别特征：若某一化合物的利用取决于另一反应序列（途径）的运行，那么这个化合物 就能激活这个反应序列的第一个酶。 例如 PEP OAA Asp ooo UMP UDP UTP
2、别构（变构）酶的作用程序： 别构（变构）酶的作用程序：
专一性代谢物与变构部位结合 酶分子构象变化 活性中心修饰 抑制或促进酶活性
3、变构酶活性调节类型（模型） 变构酶活性调节类型（模型）
（1）莫诺德等人的模型（协同模型） 莫诺德等人的模型（协同模型） (2) 科仕兰等人的模型或称顺序模型
4、变构酶的反应动力学性质
（1）使变构酶解聚： 使变构酶解聚： 可利用上述物理、化学等方法处理变构酶， 可利用上述物理、化学等方法处理变构酶， 可使变构酶多聚物解聚导致对效应物脱敏， 可使变构酶多聚物解聚导致对效应物脱敏 ， 失去调节功能。 失去调节功能。 （2）基因突变： 基因突变： 为变构酶编码的结构基因的突变可引起 脱敏，如诱变育种获得抗类似物突变株 抗类似物突变株中多 脱敏，如诱变育种获得抗类似物突变株中多 发生这种变化， 发生这种变化，在氨基酸的核苷酸发酵育种 上，已作为突破微生物代谢控制的一个重要 手段利用。 手段利用。
7、变构酶调节的特征： 变构酶调节的特征：
Monod， changcux与 Jacob认为变构酶调节有以下特 ， 与 认为变构酶调节有以下特 征： （1）参加与酶活性调节的变构因子是一类能与变构蛋白分 ） 子互补结合的小分子化合物， 子互补结合的小分子化合物 ， 又称为效应物或调节性分 通常这些效应物在结构上同基质或产物完全不同） 子 （ 通常这些效应物在结构上同基质或产物完全不同） 。 （2）许多变构酶的反应动力学性质与一般酶不同，以酶反 ）许多变构酶的反应动力学性质与一般酶不同， 应初速率与基质浓度作曲线，得到的不是典型的双曲线， 应初速率与基质浓度作曲线， 得到的不是典型的双曲线， 而是带点S形曲线 形曲线（ 形表示在低基质浓度下 形表示在低基质浓度下， 而是带点 形曲线（ S形表示在低基质浓度下， 随基质浓 度的提高，酶反应速率的提高加快） 度的提高 ，酶反应速率的提高加快 ） 这种现象称为正协 调作用。 调作用。
1、别构（变构）酶的结构和特性： 别构（变构）酶的结构和特性：
（ 1 ） 别构酶是含多个亚基的四级结构的蛋白质 一般为四聚体） （ 一般为四聚体 ） ， 亚基的结构和功能可以相 也可以不同。 同，也可以不同。 别构酶分子中含有两个中心， （ 2 ） 别构酶分子中含有两个中心 ， 即活性中心 和调节中心，它们在空间上是分开的， 和调节中心 ， 它们在空间上是分开的 ， 可以在 不同的亚基上， 不同的亚基上 ， 也可以在同一亚基的不同部位 上。 （ 3 ） 每个别构酶的分子可以结合一个或多个配 底物或效应物） 体 （ 底物或效应物 ） 理论上结合底物的最大数 目与催化中心的数目相等。 目与催化中心的数目相等 。 结合效应物的最大 数目应与调节中心的数目相等。 数目应与调节中心的数目相等。
这种激活较少见，比较著名的是 1、6 二磷酸果糖是磷酸果糖激酶的激活剂。
（二）抑制 抑制与激活相反， 抑制与激活相反 ， 由于某些物质的 存在，降低酶活性，称为抑制。 存在 ， 降低酶活性 ， 称为抑制 。 抑制可 以是不可逆的， 以是不可逆的 ， 这将造成代谢作用的停 也可以是可逆的， 止 ； 也可以是可逆的 ， 即当抑制剂除去 后酶活性又恢复， 后酶活性又恢复 ， 在代谢调节过程中所 发生的抑制现象主要是可逆的， 发生的抑制现象主要是可逆的 ， 而且大 多属于反馈抑制。 多属于反馈抑制。
酶活性调节机制
酶活性调节机制有多种理论解释， 酶活性调节机制有多种理论解释 ， 主要有: 主要有: 别构（ 变构） 调节理论（ （ 1 ） 别构 （ 变构 ） 调节理论 （ 其核心是 酶分子构象的改变） 酶分子构象的改变） 酶分子的化学修饰理论（ （ 2 ） 酶分子的化学修饰理论 （ 其核心是 酶分子结构的改变） 酶分子结构的改变） （3）其它调节机制
1、前体激活。即指代谢途径中后面的酶，可被途径中较前的一个中间产物所促进。 A B C D Ed E
例如类链球菌的乳酸脱氢酶的活性，可被前体物 1、6 二磷酸果糖所激活。粗糙脉 胞酶以 NAD+为辅酶的异柠檬酸脱氢酶活性为柠檬酸促进。 2、代谢终产物反馈激活，是代谢中间产物对该代谢途径前面的酶起激活作用。 A Ea B C D E F
变构酶的反应速度与底物浓度（ 变构酶的反应速度与底物浓度 （ 或变构抑制剂的 浓度）的关系曲线呈S 浓度）的关系曲线呈S型，有协同性；当底物或效应物 有协同性； 浓度极低时，酶反应速度的变化极微小， 浓度极低时 ， 酶反应速度的变化极微小 ， 这是因为效 应物浓度极低时， 不具有协同性， 应物浓度极低时 ， 不具有协同性 ， 当效应物浓度超过 某个水平（ 阈值） 时酶反应速度急剧增大（ 减小） 某个水平 （ 阈值 ） 时酶反应速度急剧增大 （ 减小 ） 。 即存在着底物或效应物对反应速度发生影响的阈值。 即存在着底物或效应物对反应速度发生影响的阈值 。 这在代谢控制上具有很大的生理意义。 这在代谢控制上具有很大的生理意义。
影响酶活性的调节方式
（一）只有一个终产物的途径（无分支途径）的调节方式 1、终产物的简单反馈抑制，这种调节方式判别特征是途径的终产物抑制途径中第一个 专一性酶。 A B C 例如，E.coli 的从 Thr D Ile 的途径中 Ile 对第一个酶 Thr 的反馈抑制。 Ile
Thr ooo β-酮基丁酸 2、前体激活（Precursor actiration）或称代谢激活
酶活性调节的影响因素
（1）底物和产物的性质和浓度 （2）环境因子（如浓度、压力、pH、离子 环境因子（如浓度、压力、pH、 强度和辅助因子等） 强度和辅助因子等）以及其它酶的存在都 有可能激活或抑制酶的活性。 有可能激活或抑制酶的活性。
（一）激活
在激活剂的作用下， 在激活剂的作用下 ， 使原来无活性 酶转变的有活性或使原来活性低的酶酶 活提高。 这种现象称为激活或活化。 活提高 。 这种现象称为激活或活化 。 凡 能提高酶活性的物质称为激活剂。 能提高酶活性的物质称为激活剂。 属于代谢调节的激活作用主要是指 代谢物对酶的激活， 代谢物对酶的激活 ， 这类激活作用主要 有两种。 有两种。
代谢控制发酵
Chapter 2 代谢控制发酵的基本思想
第一节 微生物细胞的调节机制
一、微生物细胞的代谢调节的主要举措
抑制、 抑制、激活
1. 酶活性的调节
辅酶水平 酶原活化 潜在酶的活化
2. 酶合成的调节
诱导 阻遏
3.细胞膜透性的调节
二、关键酶
是参与代谢调节的酶的总称。 是参与代谢调节的酶的总称。作为一个反应的限 速因子，对整个反应起限速作用。 速因子，对整个反应起限速作用。这些酶在代谢 流的枢纽之处形成支柱，不论对代谢流的质和量 流的枢纽之处形成支柱， 都起着制约作用。 都起着制约作用。 关键酶可以是变构酶、同功酶、多功能酶。 关键酶可以是变构酶、同功酶、多功能酶。 关键酶可处于分支点也可不处于。 关键酶可处于分支点也可不处于。
变构酶的反应动力学不同于普通酶的， 变构酶的反应动力学不同于普通酶的，它 不符合米氏动力学方程式。 不符合米氏动力学方程式。 普通酶反应速度和底物浓度的关系为： 普通酶反应速度和底物浓度的关系为： V=（Vmax[S]）/（Km+[S]） V=（ [S]） +[S]） 变构酶反应速度和底物浓度的关系为： 变构酶反应速度和底物浓度的关系为： V=（Vmax[S]）n/（Km+[S]n） V=（ [S]）
（ 3 ） 效应物同调节性酶的结合与基质同酶的结合位点 是分开的，但又相互联系的， 是分开的，但又相互联系的，用多种物理或化学方法 处理能使酶脱敏（即对效应物不再敏感） 处理能使酶脱敏（即对效应物不再敏感），但保留其 催化活性。 催化活性。 （ 4 ） 酶的活性中心及变构中心 （ 调节性位点 ） 可同时 酶的活性中心及变构中心（调节性位点） 被结合，变构中心（副位点） 被结合，变构中心（副位点）的结合不一定是特异性 的（专一性），可以结合不同的物质，产生不同的效 专一性） 可以结合不同的物质， 变构中心的结合可能引起蛋白质分子构象的变化， 应，变构中心的结合可能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。 从而影响酶活性中心的催化活性。 （5）变构效应是反馈抑制的基础，是调节代谢的有效 变构效应是反馈抑制的基础， 方法。 方法。
5、变构酶调节的实例
图2－4 异亮氨酸和苏氨酸对苏氨酸脱氨酶活性的影响
6、变构酶的脱敏作用（desensitingation） 变构酶的脱敏作用（desensitingation）
变构酶经特殊处理后， 变构酶经特殊处理后 ， 不丧失酶活性而失 去了对变构效应物的敏感性，称为脱敏作用。 去了对变构效应物的敏感性，称为脱敏作用。 可通过许多方法： 加热处理 、 0—50C 低温 可通过许多方法 ： 加热处理、 处理、化学试剂（汞盐、对氯汞苯甲酸 PCMB） 尿素等） 透析、 射线照射、 （ PCMB ） 、 尿素等 ） 、 透析 、 X 射线照射 、 蛋白酶有限水解、pH的改变等等 的改变等等。 蛋白酶有限水解、pH的改变等等。