微生物代謝的調節

   生命活動的基礎在於新陳代謝。微生物細胞內各種代謝反應錯綜複雜，各個反應過程之間是相互製約，彼此協調的，可隨環境條件的變化而迅速改變代謝反應的速度。微生物細胞代謝的調節主要是通過控製酶的作用來實現的，因為任何代謝途徑都是一係列酶促反應構成的。微生物細胞的代謝調節主要有兩種類型，一類是酶活性調節，調節的是已有酶分子的活性，是在酶化學水平上發生的；另一類是酶合成的調節，調節的是酶分子的合成量，這是在遺傳學水平上發生的。在細胞內這兩種方式協調進行。

一、酶活性調節

    酶活性調節是指一定數量的酶，通過其分子構象或分子結構的改變來調節其催化反應的速率。這種調節方式可以使微生物細胞對環境變化作出迅速地反應。酶活性調節受多種因素影響，底物的性質和濃度、環境因子，以及其他酶的存在都有可能激活或抑製酶的活性。酶活性調節的方式主要有兩種：變構調節和酶分子的修飾調節。

1 ．變構調節

    在某些重要的生化反應中，反應產物的積累往往會抑製這個反應的酶的活性，這是由於反應產物與酶的結合抑製了底物與酶活性中心的結合。在一個由多步反應組成的代謝途徑中，末端產物通常會反饋抑製該途徑的第一個酶，這種酶通常被稱為變構酶 (a110steric enzyme) 。例如，合成異亮氨酸的第一個酶是蘇氨酸脫氨酶，這種酶被其末端產物異亮氦酸反饋抑製。變構酶通常是某一代謝途徑的第一個酶或是催化某一關鍵反應的酶。細菌細胞內的糖酵解和三羧酸循環的調控也是通過反饋抑製進行的。

2 ．修飾調節

    修飾調節是通過共價調節酶來實現的。共價調節酶通過修飾酶催化其多膚鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使之處於活性和非活性的互變狀態，從而導致調節酶的活化或抑製，以控製代謝的速度和方向。

    酶促共價修飾與酶的變構調節不同，酶促共價修飾對酶活性調節是酶分子共價鍵發生了改變，即酶的一級結構發生了變化。而在變構調節中，酶分子隻是單純的構象變化。在酶分子發生磷酸化等修飾反應時，一般每個亞基消耗一分子 ATP ，比新合成一個酶分子所耗的能量要少得多。因此，這是一種體內較經濟的代謝調節方式。另外，酶促共價修飾對調節信號具放大效應，其催化效率比變構酶調節要高。

二、分支合成途徑調節

    不分支的生物合成途徑中的第一個酶受末端產物的抑製，而在有兩種或兩種以上的末端產物的分支代謝途徑中，調節方式較為複雜。其共同特點是每個分支途徑的末端產物控製分支點後的第一個酶，同時每個末端產物又對整個途徑的第一個酶有部分的抑製作用，分支代謝的反饋調節方式有多種。

1 ．同工酶

    同工酶 (iDeMyne) 是指能催化同一種化學反應，但其酶蛋白本身的分子結構組成卻有所不同的一組酶。同工酶對分支途徑的反饋調節模式見圖。其特點是：在分支途徑中的第一個酶有幾種結構不同的一組同工酶，每一種代謝終產物隻對一種同工酶具有反饋抑製作用，隻有當幾種終產物同時過量時，才能完全阻止反應的進行。這種調節方式的典型例子是大腸杆菌天門冬氨酸族氨基酸的合成。有三個天門冬氨酸激酶催化途徑的第一個反應，分別受賴氨酸、蘇氫酸、甲硫氨酸的調節。

2 ．協同反饋抑製

    在分支代謝途徑中，幾種末端產物同時都過量，才對途徑中的第一個酶具有抑製作用。若某一末端產物單獨過量則對途徑中的第一個酶無抑製作用。例如，在多粘芽抱杆菌合成賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的途徑中，終產物蘇氨酸和賴氨酸協同抑製天門冬氨酸激酶。

3 ．累積反饋抑製

    在分支代謝途徑中，任何一種末端產物過量時都能對共同途徑中的第一個酶起抑製作用，而且各種末端產物的抑製作用互不幹擾。當各種末端產物同時過量時，它們的抑製作用是累加的見圖。如果末端產物 H 單獨過量時，抑製 AB 酶活性的 40 ％，剩餘酶活性為 60 ％，如果末端產物 Z 單獨過量時抑製 AB 酶活性的 30 ％，當 HZ 同時過量時，其抑製活性為： 40 ％十 (1 — 40 ％ ) × 30 ％＝ 58 ％。累積反饋抑製最早是在大腸杆菌的穀氨酰胺合成酶的調節過程中發現的，該酶受 8 個最終產物的積累反饋抑製。 8 個最終產物同時過量時，酶活力完全被抑製。

4 ．順序反饋抑製

    分支代謝途徑中的兩個末端產物，不能直接抑製代謝途徑中的第一個酶，而是分別抑製分支點後的反應步驟，造成分支點上中間產物的積累，這種高濃度的中間產物再反饋抑製第一個酶的活性。因此，隻有當兩個末端產物都過量時，才能對途徑中的第一個酶起到抑製作用見圖。枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進行調節。

三、酶合成的調節

    酶合成的調節是一種通過調節酶的合成量進而調節代謝速率的調節機製，這是一種在基因水平上的代謝調節。凡能促進酶生物合成的現象，稱為誘導，而能阻礙酶生物合成的現象，則稱為阻遏。與上述調節酶活性的反饋抑製相比，其優點是通過阻止酶的過量合成，有利於節約生物合成的原料和能量。其調節方式有兩種。

1 ．誘導 根據酶的生成是否與環境中所存在的該酶底物或其有關物的關係，可把酶劃分成組成酶和誘導酶兩類。組成酶是細胞固有的酶類，其合成是在相應的基因控製下進行的，它不因分解底物或其結構類似物的存在而受影響，例如 EMP 途徑的有關酶類。誘導酶則是細胞為適應外來底物或其結構類似物而臨時合成的一類酶，例如 E.coli 在含乳糖培養基中所產生的 β - 半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。能促進誘導酶產生的物質稱為誘導物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是閽物的前體物質。例如能誘導β- 半乳糖苷酶除了其正常底物——乳糖外，不能被其他利用的異丙基 -β-D- 硫代半乳糖苷也可誘導，且其誘導效果要比乳糖高。

    酶的誘導合成又可分為兩種，其一稱同時誘導，即當誘導物加入後，微生物能同時或幾乎同時誘導幾種酶的合成，它主要存在於短的代謝途徑中。例如將乳糖加入 E.coli 培養基中後，即可同時誘導出β- 半乳糖苷透性酶、β- 半乳糖苷酶和β- 半乳糖苷轉乙酰酶的合成；另一則稱順序誘導，即先合成能分解底物的酶。再儀次合成分解各中間代謝的酶，以達到對較複雜代謝途徑的分段調節。

2 ．阻遏 在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某些未端產物過量時，除可用前述的反饋抑製的方式來抑製該途徑中關鍵酶的活性以減少未端產物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關鍵酶在內的一係列酶的生物合成，從而更徹底地控製代謝和減少未端產物的合成。阻遏作用有利於生物體節省有限的養料和能量。阻遏的類型主要有未端代謝產物阻遏和分解代謝產物阻遏兩種。

（ 1 ）未端產物阻遏 指由某代謝途徑未端產物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應途徑來說，未端產物阻遏止的情況較為簡單，即產物作用於代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏止，例如精氨酸的生物合成途徑。對分支代謝途徑來說，情況較為複雜性。每種未端產物僅專一地阻遏合成它的那作分支途徑的酶。

（ 2 ）分解代謝物阻遏 指細胞內同時有兩種分解底物存在時，利用快的那種底物會阻遏利用慢的底物的有關酶合成的現象。例如有人將大腸杆菌培養在含乳糖和葡萄糖的增減基上，發現該菌可優先利用葡萄糖，並於葡萄糖耗盡後才開始利用乳糖，這就產生了兩個對數生長期中間隔開一個生長延滯期的“二次生長現象”其原曆是，葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶係的合成。這一現象稱葡萄糖效應。由於這類現象在其他代謝的普遍存在，後來人們索性把類似葡萄糖效應的阻遏止統稱為分解代謝物阻遏止。