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微生物代謝的酶合成的調(diào)節(jié)

這是通過調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞中酶合成的量來控制微生物生長(zhǎng)代謝速度的調(diào)節(jié)機(jī)制。這種調(diào)節(jié)方式雖然相對(duì)緩慢，但卻是經(jīng)濟(jì)的，避免了能量和合成前體的浪費(fèi)，保證了在任何時(shí)刻只有需要的酶才被合成。那些在代謝途徑中的主要分支點(diǎn)后的前、二個(gè)酶是可能的控制位點(diǎn)，因?yàn)樵谶@里調(diào)控為經(jīng)濟(jì)。

微生物DNA上的遺傳信息指導(dǎo)著酶的合成。雖然基因型是穩(wěn)定的，但隨著環(huán)境的變化，微生物的細(xì)胞成分和代謝狀況能靈活地做出反應(yīng)。環(huán)境在定程度上左右著基因的表達(dá)，因此微生物通常不會(huì)過量合成代謝產(chǎn)物。酶合成的調(diào)節(jié)主要發(fā)生在RNA轉(zhuǎn)錄水平上，其調(diào)節(jié)方式可歸納為以下三種：

1.酶合成的誘導(dǎo)

根據(jù)酶的合成方式和存在時(shí)間不同，微生物細(xì)胞內(nèi)的酶可分為組成酶和誘導(dǎo)酶。組成酶是指那些微生物細(xì)胞中固有的酶。這些酶隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖而被合成，在細(xì)胞中的含量相對(duì)固定，受環(huán)境條件影響很小，只受到遺傳基因的控制，例如糖酵解、三羧酸循環(huán)中的催化酶。誘導(dǎo)酶是在環(huán)境中有某些誘導(dǎo)物存在的情況下，細(xì)胞才開始合成的酶，旦這些誘導(dǎo)物消失，合成就會(huì)停止。誘導(dǎo)酶的合成實(shí)際上是誘導(dǎo)物和遺傳基因共同作用的結(jié)果，遺傳基因是內(nèi)因，誘導(dǎo)物是外因。

2脫氧葡萄糖葡萄糖苷

雅各布（F.Jacob）和莫諾德（J.Monod）等人對(duì)大腸桿菌（E.coli）乳糖發(fā)酵過程中酶合成的誘導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究，并于1960-1961年提出了乳糖操縱子模型（lac operon model），開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)制研究的新域，很好地解釋了酶合成的誘導(dǎo)現(xiàn)象。該模型已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界的廣泛接受，并得到了許多遺傳學(xué)和生理學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。所謂操縱子是原核生物在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達(dá)的組協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)基因（promoter）、操縱基因（operator）以及在功能上彼此相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因（structural gene）組成。其中結(jié)構(gòu)基因是酶的編碼基因，由它轉(zhuǎn)錄出的RNA被用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而確定酶蛋白質(zhì)的氨基酸序列。啟動(dòng)基因位于結(jié)構(gòu)基因的上游，是種能被依賴于DNA的RNA聚合酶特異性識(shí)別的堿基序列，是RNA聚合酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)。操縱基因是位于結(jié)構(gòu)基因和啟動(dòng)基因之間的段堿基序列，通過與阻遏物的結(jié)合與否來決定下游的結(jié)構(gòu)基因能否被轉(zhuǎn)錄，此外，有些操縱子還有調(diào)節(jié)基因（regulator gene），是阻遏物的編碼基因。

下面以大腸桿菌（E.coli）乳糖操縱子為例來具體說明操縱子的作用機(jī)制。大腸桿菌（E.coli）的乳糖操縱子是個(gè)被發(fā)現(xiàn)的操縱子，它由啟動(dòng)基因、操縱基因和三個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。三個(gè)結(jié)構(gòu)基因分別是lacZ、lacY和lacA，它們分別編碼β伴乳糖苷酶（水解乳糖）、β半乳糖苷透性酶（吸收乳糖）和B硫代半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶（對(duì)透性酶輸入的某些毒性物質(zhì)有解毒功能）。啟動(dòng)基因是RNA聚合酶的結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)。在啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間存在著操縱基因。操縱基因lacO本身不編碼任何蛋白質(zhì)，它是阻遇蛋白的結(jié)合部位。

阻遏蛋白是由操縱子附近的調(diào)節(jié)基因表達(dá)產(chǎn)生的種別構(gòu)蛋白，它有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，個(gè)可以與操縱基因結(jié)合，個(gè)可以與誘導(dǎo)物結(jié)合。當(dāng)環(huán)境中沒有誘導(dǎo)物（乳糖）的時(shí)候，阻遏蛋白可以與操縱基因結(jié)合，阻擋了RNA聚合酶的向前移動(dòng)，從而阻斷RNA聚合酶對(duì)下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，結(jié)果是結(jié)構(gòu)基因不會(huì)表達(dá)，大腸桿菌細(xì)胞中沒有代謝乳糖的三個(gè)酶。

誘導(dǎo)物（乳糖）可與阻遏蛋白結(jié)合，導(dǎo)致阻遏蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，構(gòu)象變化后的阻遏蛋白不能再與操縱基因結(jié)合，于是RNA聚合酶在結(jié)合到啟動(dòng)基因以后可以順利移動(dòng)到結(jié)構(gòu)基因部位進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，操縱子“開關(guān)"被打開，結(jié)構(gòu)基因順利表達(dá)，大腸桿菌細(xì)胞中出現(xiàn)了代謝乳糖的三個(gè)酶。當(dāng)乳糖被耗盡以后，阻遏蛋白失去了誘導(dǎo)物的結(jié)合，構(gòu)象又得以恢復(fù)，又能重新與操縱基因結(jié)合，操縱子“開關(guān)"又被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因進(jìn)入休眠狀態(tài)，細(xì)胞中代謝乳糖的三個(gè)酶的含量迅速下降。

如果操縱子中的調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，不能產(chǎn)生阻遏蛋白，或者產(chǎn)生的阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，則無論是否存在誘導(dǎo)物，細(xì)胞都能順利表達(dá)結(jié)構(gòu)基因，原來的調(diào)控機(jī)制被打破，該誘導(dǎo)酶就變成了組成酶。誘導(dǎo)酶和組成酶在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，只是合成過程中的調(diào)控方式不同而已。在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，常通過些微生物育種的方法將些誘導(dǎo)酶轉(zhuǎn)變成組成酶，以增大這些酶在細(xì)胞中的含量，從而提高些代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。例如，大腸桿菌在低濃度乳糖的恒化器中生長(zhǎng)，就可以篩選出沒有誘導(dǎo)物存在時(shí)也能生產(chǎn)β半乳糖苷酶的組成型突變株。此突變株能合成相當(dāng)于其總蛋白含量25%的β半乳糖苷酶（種有助于奶制品中乳糖消化的添加劑）。

酶合成的誘導(dǎo)可以分成兩種情況：種是同時(shí)誘導(dǎo)。例如上面所述的乳糖操縱子中的三個(gè)酶，它們受到同組啟動(dòng)基因和調(diào)節(jié)基因的控制，當(dāng)受到誘導(dǎo)物誘導(dǎo)時(shí)同時(shí)被合成。另種是順序誘導(dǎo)，種酶的底物誘導(dǎo)種酶的合成，該酶的產(chǎn)物又誘導(dǎo)二種酶的合成，依此類推合成系列的酶。例如，乳糖能誘導(dǎo)β半乳糖酶的合成，B半乳糖酶將乳糖水解成半乳糖和葡萄糖，隨著細(xì)胞內(nèi)半乳糖含量的逐漸升高，半乳糖作為新的誘導(dǎo)物又可以誘導(dǎo)系列代謝半乳糖的酶的合成。

2.終產(chǎn)物阻遏

由某些阻遏物的過量積累所引起的相關(guān)酶合成的（反饋）阻遏稱為終產(chǎn)物阻遏。阻遏物常常是該代謝途徑的未端產(chǎn)物本身或者未端代謝產(chǎn)物的衍生物。該機(jī)制常發(fā)生在生物合成代謝中，尤其在氨基酸、維生素、核苷酸的合成代謝中十分普遍。例如，在處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的大腸桿菌的培養(yǎng)液中加入，能有效抑制合成相關(guān)酶（氨甲?；D(zhuǎn)移酶、代琥珀酸合成酶、代琥珀酸裂解酶）的合成，而由于細(xì)胞能從培養(yǎng)液中獲得，細(xì)胞生長(zhǎng)幾乎不受影響。再如，大腸桿菌培養(yǎng)過程中，半的存在能阻遏半合成相關(guān)酶的合成，的存在則能阻遏合成相關(guān)酶的合成。終產(chǎn)物阻遏的機(jī)制也可以用操縱子模型來解釋，下面以大腸桿菌操縱子為例來說明。和乳糖操縱子類似，大腸桿菌的操縱子也由啟動(dòng)基因、操縱基因和幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。

終產(chǎn)物阻遏機(jī)制保證了細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)維持在適當(dāng)?shù)臐舛?。?dāng)細(xì)胞缺乏某種物質(zhì)的時(shí)候，相關(guān)酶被合成出來，用于代謝產(chǎn)生該物質(zhì)。而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)某種物質(zhì)的生成量已經(jīng)很充足，或者細(xì)胞可以很容易地從外界環(huán)境中獲取該物質(zhì)的時(shí)候，則有關(guān)酶的合成被阻遏。這樣可以有效避免不需要的酶的合成和某些代謝產(chǎn)物或中間物的過量積累，節(jié)約了生物體內(nèi)的能量和物流，在細(xì)胞代謝調(diào)控中具有十分重要的意義。

對(duì)于直線式的代謝途徑，終產(chǎn)物阻遏可以引起代謝途徑中各種酶合成的終止。對(duì)于分支代謝途徑，情況則比較復(fù)雜。每種未端終產(chǎn)物可專作用于其分支途徑中的酶。對(duì)于代謝途徑分支點(diǎn)之前的“共同酶"，有些未端終產(chǎn)物可以立發(fā)揮阻遏作用；有些未端終產(chǎn)物不能立發(fā)揮作用，只有當(dāng)多個(gè)未端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，才能發(fā)揮阻遏作用。例如，在合成芳香族氨基酸、天冬氨酸族和族的氨基酸時(shí)，只有多個(gè)未端產(chǎn)物都存在，才能對(duì)共同代謝途徑中的酶發(fā)揮阻遏作用。

3.分解代謝物阻遏

當(dāng)細(xì)胞生存環(huán)境中存在兩種可利用碳源時(shí)，利用快的底物會(huì)阻遏與利用慢的底物有關(guān)的酶的合成。這種現(xiàn)象是由利用快的底物的分解代謝所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏。由于人們?cè)绨l(fā)現(xiàn)的分解代謝物阻遏現(xiàn)象是葡萄糖對(duì)微生物利用其他碳源的阻遏，因此過去它曾被稱為葡萄糖效應(yīng)。

從分子水平上看，分解代謝物阻遏與細(xì)胞內(nèi)種叫腺苷3，5環(huán)化磷酸（cAMp）的物質(zhì)的含量有關(guān)。cAMp是ATp在腺苷酸環(huán)化酶的催化下生成的，同時(shí)又能在cAMp磷酸二酯酶的催化下變成AMp。

cAMp在細(xì)胞內(nèi)的濃度與ATp的合成速率成反比，胞內(nèi)cAMp的水平反映了細(xì)胞的能量狀況，cAMp濃度高，說明細(xì)胞處于能量供應(yīng)不足的狀態(tài)，反之則說明能量供應(yīng)充足。般來說，當(dāng)細(xì)胞利用易于利用的碳源（如葡萄糖）時(shí)，其胞內(nèi)的cAMp含量較低；而利用難以利用的碳源時(shí)，則cAMp含量較高。例如，當(dāng)大腸桿菌生長(zhǎng)在含葡萄糖的培養(yǎng)基中時(shí)，細(xì)胞內(nèi)cAMp的濃度比其生長(zhǎng)在只有乳糖作為碳源的培養(yǎng)基中時(shí)要低1000倍。其原因是，葡萄糖降解產(chǎn)物能夠抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，而同時(shí)促進(jìn)cAMp磷酸二酯酶的活性，使cAMp的濃度下降。

cAMp能促進(jìn)誘導(dǎo)酶的合成，是些微生物誘導(dǎo)酶的操縱子轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)節(jié)分子。下面以大腸桿菌乳糖操縱子模型為例，說明cAMp在誘導(dǎo)酶合成中所發(fā)揮的作用。大腸桿菌乳糖操縱子的啟動(dòng)基因內(nèi)，除RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)以外，還存在個(gè)CApEcAMp復(fù)合物結(jié)合位點(diǎn)。CAp是種特殊的蛋白質(zhì)，稱為降解物基因活化蛋白（又稱為cAMp受體蛋白，CRp）。當(dāng)CAp與cAMp結(jié)合以后，CAp被活化，形成的復(fù)合物能結(jié)合到操縱子的啟動(dòng)基因上，此復(fù)合物與啟動(dòng)基因的結(jié)合能增強(qiáng)該基因和RNA聚合酶的親和力，并且是RNA聚合酶順利結(jié)合到啟動(dòng)基因上所必需的前提。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)cAMp濃度較高時(shí)，如大腸桿菌生長(zhǎng)在只有乳糖作為碳源的培養(yǎng)基上時(shí)，CAp和cAMp結(jié)合形成的復(fù)合物能與乳糖操縱子啟動(dòng)基因結(jié)合，增強(qiáng)啟動(dòng)基因與RNA聚合酶結(jié)合的親和力，使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的頻率增加，促進(jìn)乳糖代謝相關(guān)的誘導(dǎo)酶的合成。而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)cAMp濃度較低時(shí)，如大腸桿菌生長(zhǎng)環(huán)境中有葡萄糖存在時(shí)，CAp不能和cAMp結(jié)合形成復(fù)合物，也就不能和啟動(dòng)基因結(jié)合，RNA聚合酶不能順利結(jié)合到啟動(dòng)基因上，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)受到阻遏，乳糖代謝相關(guān)的誘導(dǎo)酶不能合成。這種分子機(jī)制在宏觀上表現(xiàn)為，大腸桿菌生長(zhǎng)在同時(shí)含有的葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中時(shí)，總是優(yōu)先利用葡萄糖，只有在葡萄糖耗盡以后才開始利用乳糖。

種碳源起分解代謝物阻遏作用的能力取決于它作為碳源和能源的效率，而不是它的化學(xué)結(jié)構(gòu)。由于不同微生物對(duì)碳源和能源的偏好不同，分解代謝物阻遏作用在不同微生物中的表現(xiàn)也就不同。同化合物，可能在種微生物中起分解代謝物阻遏作用，而在另種微生物中不起作用。例如，對(duì)于大腸桿菌，葡萄糖比琥珀酸更易起分解代謝物阻遏作用；而對(duì)惡臭假單胞菌（pseudomonas putida）的作用恰好相反。