微生物代谢及调控

微生物代谢及调控 11- 1 - 1. .................................................................................................................................................. 2 1.1. 微生物的代谢 ................................................................................................................. 2 1.2. 微生物代谢的调节 ......................................................................................................... 2 2. .......................................................................................................................... 2 2.1. 能量代谢 ......................................................................................................................... 2 2.1.1. 能量代谢的载体ATP ............................................................................................. 2 2.1.2. ATP的代谢方式 ..................................................................................................... 2 2.2. 分解代谢 ......................................................................................................................... 3 2.2.1. 糖的代谢 ................................................................................................................. 3 2.2.2. 脂肪和脂肪酸的代谢 ............................................................................................. 3 2.2.3. 氨基酸的代谢 ......................................................................................................... 4 2.2.4. 核酸的代谢 ............................................................................................................. 4 2.3. 合成代谢 ......................................................................................................................... 4 2.3.1. 糖类的合成 ............................................................................................................. 4 2.3.2. 脂类的合成 ............................................................................................................. 5 2.3.3. 氨基酸的合成 ......................................................................................................... 5 2.3.4. 蛋白质的合成 ......................................................................................................... 6 2.3.5. 核苷酸与核酸的合成 ............................................................................................. 7 3. .......................................................................................................................... 7 3.1. 次级代谢概述 ................................................................................................................. 7 3.2. 次级代谢的意义 ............................................................................................................. 8 3.3. 次级代谢的生物合成 ..................................................................................................... 8 3.4. 次级代谢的特点 ............................................................................................................. 8 4. .......................................................................................................................... 9 4.1. 代谢调节的部位 ............................................................................................................. 9 4.1.1. 原核微生物细胞的代谢调节部位 ......................................................................... 9 4.1.2. 真核微生物细胞的代谢调节部位 ......................................................................... 9 4.2. 代谢调节的方式 ............................................................................................................. 9 4.3. 酶活性的调节 ................................................................................................................. 9 4.3.1. 酶活性调节的调节机制 ......................................................................................... 9 4.3.2. 前馈与反馈 ........................................................................................................... 10 4.3.3. 反馈抑制 ............................................................................................................... 10 4.4. 酶合成的调节 ............................................................................................................... 10 4.4.1. 酶合成的诱导 ....................................................................................................... 10 4.4.2. 酶合成的阻遏 ....................................................................................................... 10 4.4.3. 酶合成诱导和阻遏的机制 ................................................................................... 10 5. ................................................................................................................................................ 11 贺浩耘 091015 11- 2 - 微生物代谢包括在微生物细胞中进行的所有生物化学反应的总和。在代谢过程中，凡是 能释放能量的物质分解过程称为分解代谢；吸收能量的物质合成过程称为合成代谢，因其导 致新物质的生化合成也称为生物合成。 通过代谢，细胞吸收营养物质，并把它们转化为细胞成分，同时将废物排泄到体外。无 论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成，其前一步反应的 产物是后续反应的底物。细胞通过各种方式有效的调节相关的酶促反应来保证整个代谢途径 的协调性与完整性，从而使微生物细胞的生命活动的以正常进行。理解微生物的代谢及其能 量转换规律，可以更好的理解和控制微生物的生长繁殖，以及有用代谢产物的合成。 代谢调节是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。微生物的 代谢调节与所处环境分不开，当环境条件改变时，微生物的生存过程也就是不断的进行代谢 调节和控制的过程，这种调节促使微生物不断发展进化。 微生物代谢的自动调节机制是通过自然选择逐步完善的，而微生物的代谢离不开酶，酶 的的控制是微生物代谢的主要调节手段。由此，微生物代谢调节有两种主要类型：一是酶活 性调节，它是代谢调节，调节的是已有酶分子的活性；另一类是酶合成的调节，它是基因调 节，调节的是酶分子的合成量。 研究微生物的代谢规律及调节机制，不但有学术上的意义，而更主要的是为了发展生产， 造福人类。当人类的经济利益与微生物的代谢的自动调节发生矛盾是，人们可以通过修正微 生物的代谢调节机制，以实现微生物的生产利益。 2.1.1. 能量代谢的载体ATP ATP中文名称为腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷(腺苷三磷酸)，简称为ATP，是生 物能量代谢过程中能量传递的载体。ATP几乎可以为一切生命活动提供能量，是生物体内极 为重要的一种高能化合物，常被称为生物体内能量的流通货币。 微生物在能量代谢过程中，先将能量转化成ATP，当需要能量时，ATP分子上的高能 键水解，将存储的能量释放出来。这些能量既可以用来参与许多化合反应，也可以用来克服 渗透压的障碍及物质运输方面的问题。生物能量代谢的实质就是ATP和酰基辅酶A、酰基 磷酸等的生成和利用问题。 2.1.2. ATP的代谢方式 产生ATP的代谢方式主要有三种：发酵、呼吸和光合作用。发酵是以有机化合物作为 电子供体和电子受体的产生ATP的代谢过程；呼吸是以有机或无机化合物为电子供体，但 以无机化合物微电子最终受体的ATP产生代谢过程；光合作用是以光作为能量来源的一种 机制复杂的代谢方式，ATP在光电子通过电子传递链的传递时产生。 贺浩耘 091015 11- 3 - ATP在代谢过程中主要通过三种磷酸化反应: (1)底物水平磷酸化 在底物水平磷酸化中，高能磷酸基团直接从磷酸化合物转移到ADP而形成ATP。一般的，磷酸基团在较早的底物被氧化的反应中就获得能量。 (2)氧化磷酸话 电子从有机化合物通过一些列的电子载体被转给分子氧或其他有机分子时发生氧化磷 酸化。氧化磷酸化发生在原核微生物得质膜内膜上或真核微生物的线粒体内膜上。氧化磷酸 化中的一系列电子载体组成了电子传递链，电子从一个电子载体转移到下一个电子载体时， 能量被释放，这些被释放的能量中，一部分通过化学渗透作用把能量传给ADP而形成ATP。 (3)光合磷酸化 光合磷酸化只存在于光合作用细胞中。这种细胞含有捕获光能的色素，在光合作用时， 利用光能，有低能化合物CO2和水合成有机分子。在此过程中，光合磷酸化吧光能转化为 以ATP和NADH形式储存的化学能，进而被利用与合成有机分子。 2.2.1. 糖的代谢 碳水化合物（主要是糖类物质）是生物体最重要的能源和碳源。因而分解碳水化合物产 生能量在细胞代谢中是极为重要的。葡萄糖是细胞最常用的碳水化合物能量和碳源来源。 微生物利用葡萄糖产生能量主要有两种代谢过程：呼吸和发酵。这两种反应过程的初始 阶段的反应相同都是糖酵解，糖酵解之后的反应过程则是不同的。 葡萄糖的呼吸主要分为三个阶段：糖酵解、三羧酸循环和电子传递链。糖酵解是氧化葡 萄糖产生丙酮酸的过程，同时也产生一些ATP和NADH，糖酵解也叫EMP途径，除了通过糖酵解氧化葡萄糖之外，微生物几种替代的氧化途径有磷酸戊糖途径（HMP途径）、ED途径和PK途径；三羧酸循环是氧化丙酮酸衍生物产生CO2的过程，同时产生一些ATP和NADH以及林那个一种还原性电子载体FADH2，三羧酸循环过程中主要进行的反应有脱羧 反应、氧化还原反应等几个类型；电子传递链是由一系列能够进行氧化和还原的载体分子组 成的序列，在电子传递链中，NADH和FADH2被氧化产生能量，产生的能量用于合成大量 的ATP，呼吸过程的ATP主要在这个阶段产生，。 发酵的起始阶段也是糖糖酵解过程，糖酵解完成后，根据细胞的类型，产生的丙酮酸 被转化为一种或多种图同的产物。这些产物包括乙醇和乳酸等，与呼吸过程不同，在发酵中 不存在三羧酸循环和多种传递链过程，因此发酵过程只在糖酵解时产生ATP。 发酵过程中，电子和质子一起从还原型辅酶被转移到丙酮酸或其衍生物中，这些电子 最终受体被还原成各种副产物。在此过程中，NAD+和NADP+被再生，就可以进入另一轮糖的酵解过程。微生物发酵各种底物产生什么样的末端产物依赖于微生物的种类、底物和所 存在并起作用的酶。 2.2.2. 脂肪和脂肪酸的代谢 脂肪是由脂肪酸和甘油组成的脂类，微生物产生胞外酯酶分解脂肪产生脂肪酸和甘油， 然后脂肪酸和甘油分别被代谢氧化。 （1）甘油的分解 脂肪水解产生的甘油，可以通过甘油激酶催化产生α-磷酸甘油，这个反应要消耗一分 子的ATP，再经过α-磷酸甘油脱氢酶催化生成磷酸二羟丙酮，再进入EMP或HMP途径进行分解。 （2）脂肪酸的降解 贺浩耘 091015 11- 4 - 组成脂肪的高级脂肪酸，主要是十六碳饱和脂肪酸、十八碳饱和酸、十八碳不饱和烯 酸、十八碳不饱和二烯酸和不饱和三烯酸。微生物对制脂肪酸的分解过程和动植物分解脂肪 酸方式相同，都是通过β-氧化途径。 2.2.3. 氨基酸的代谢 微生物分解氨基酸的能力菌种而异，一般认为革兰氏阴性菌分解能力大于革兰氏阳性 菌，微生物分解氨基酸主要有三种方式：脱羧作用、脱氨作用和转氨基作用。 （1）脱羧作用 脱羧作用是指氨基酸脱去羧基生成胺的过程。在微生物细胞内的氨基酸脱羧酶具有如下 特点：氨基酸脱羧酶专一性强，一般是一种氨基酸需要一种相对应的脱羧酶；氨基酸脱羧没 大都是诱导酶；氨基酸脱羧酶一般都需要磷酸吡哆醛作为辅酶；氨基酸脱羧酶催化反应都是 不可逆的。 （2）脱氨作用 氨基酸失去氨基的作用称为脱氨基作用，不同的微生物在不同条件下脱氨方式不同， 一般分为氧化脱氨和非氧化脱氨两种。 氧化脱氨是一个需氧过程，好氧和兼性好样微生物都可通过这种方式脱氨基。催化氧 化脱氨的酶有两类：氨基酸氧化酶和氨基酸脱氢酶。非氧化脱氨包括还原脱氨、脱水脱氨、 水解脱氨、斯提兰克反应等多种方式。 氨基酸通过不同的氧化途径氧化分解，主要形成五类产物（乙酰CoA、α-酮戊二酸、 琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸）进入三羧酸循环进行进一步的氧化分解，最后形成CO2 和水。 2.2.4. 核酸的代谢 核苷酸是核酸的基本结构单位，它又碱基、戊糖和磷酸组成。微生物细胞内存在多种游 离的核苷酸，这是一类在代谢上极其重要的物质，他们几乎参与细胞所有的生化过程， 起来有以下几方面的作用：核苷酸是核酸生物合成的前体；核苷酸衍生物是许多生物合成的 活性中间物；ATP是生物能量代谢中通用的高能化合物；腺苷酸是三种重要辅酶（烟酰胺核 苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶A）的组分；某些核苷酸是代谢的调节物质，如CAMP 和cGMP是许多激素引起生理效应的中间介质。 核酸是由许多核苷酸以3’,5’-磷酸二酯键连接而成的大分子化合物，核酸分解代谢的第 一步是水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键生成低级的多核苷酸或单核苷酸。核苷酸水解下磷 酸后称为核苷，核苷经核苷酶作用分解为嘌呤碱基或嘧啶碱基和戊糖。 2.3.1. 糖类的合成 单糖在微生物很少以游离态形式出现，糖类在微生物体内多以多糖或多聚糖形式存在， 或者少量的糖磷酸酯或糖核苷酸的形式存在。单糖或多糖的合成对自养和异养微生物的生命 活动具有十分重要的意义，在细菌荚膜、细胞壁的形成中尤为重要。 （1）单糖的合成 EMP途径的你行可惜合6-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖再转化为其他形式的单糖或双糖以及多糖。用于合成葡萄糖的前体物质有：丙酮酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、3-磷酸 -甘油醛等。 在EMP途径中，有PEP转化为丙酮酸的反应是由丙酮酸激酶催化的，是个放能过程， 贺浩耘 091015 11- 5 - 为不可逆反应。若有丙酮酸转化为PEP，则需要消耗能量，由另外两个酶催化，一个是磷酸 烯醇式丙酮酸合成酶，需要ATP。另一个是丙酮酸二激酶，需要ATP和磷酸。 （2）多糖的合成 微生物细胞内的多糖可分为同型多糖、异型多糖，因此多糖的合成也可分为同型多糖 的合成和异型多糖的合成。 （1）同型多糖的合成 微生物细胞内同型多糖的合成基本是有相同途径，合成起始时都是需要一个寡聚糖作 引物然后单糖逐一添加在引物上使练延长。但作为供体的单糖或的单糖衍生物先必须转变成 活性型的磷酸糖或核苷酸二磷酸糖，然后才能靠糖-磷酸键水解释放的能量推动合成反应的 进行。常见的同型多糖有淀粉、葡萄糖胶、纤维素、几丁质等。 （2）异型多糖的合成 微生物细胞内的异型多糖都是结构多糖，如肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、透明质酸等。 多糖的合成有以下几个特点：不需要模板的指令，是由转移酶类的特异性来决定亚单 位在多聚链上的次序；合成的开始阶段需要引子，引子是多糖的一个小片段；多糖合成时有 糖核苷酸作为糖基载体，将单糖分子转移到受体分子上，使多糖链逐步加长。 2.3.2. 脂类的合成 脂类物质可以分为两大类：一类是复合脂类，如酰基甘油酯、磷脂酸等；另一类是简单 脂类，如甾醇类，类异戊二烯聚合物等。 （1）脂肪的合成 脂肪即酰基甘油酯，是由脂肪酸和甘油结合而成，脂肪的合成可以分为三步：二分子 脂酰-ACP和一分子α-磷酸甘油，在脂酰转移酶的作用下生成α-磷酸甘油二酯；α-磷酸甘油二酯在磷酸酯酶的作用下脱磷酸，生成甘油二酯；甘油二酯在脂酰转移酶的作用下，与另 一分子脂酰-ACP反应生成甘油三酯。 脂肪酸步不仅是构成脂肪的主要成分，也是细胞膜的主要组分之一。脂肪酸的合成都 是以乙酰CoA为原料，在一种叫做酰基载体蛋白的参与下逐步合成。大致可分为如下几个步 骤：引物乙酰-酰基载体蛋白的生成；供体丙二酸单酰的生成；脂肪酸碳链的延长。 （2）磷脂酸的合成 磷脂酸可由三种方式生成。第一种方式是由3-磷酸甘油酸与脂酰CoA反应生成磷脂酸；第二种方式是由甘油二酯激酶催化下，经磷酸化生成的；第三种方式是甘油一脂经ATP磷酸化后，再与CoA结合而成。 磷脂酸在接受一分子脂酰CoA，脱去磷酸就成为甘油三酯，磷脂酸与CTP反应，生成CDP-甘油二酯。CDP-甘油二酯与α-磷酸甘油或丝氨酸反应，通过磷酸二酯键形成各种磷脂。 两分子的磷脂酰甘油在心磷脂合成酶的催化下，缩合生成一分子心磷脂和一份子甘油。 此外，磷脂乙醇胺经S-腺苷甲硫氨酸转甲基作用，可以生成磷脂胆碱。 （3）甾醇类的合成 甾醇是以环戊烷多氢菲为基本结构的一类化合物，在真核微生物中，特别是酵母菌的 细胞中含量较高。以麦角甾醇为例，其合成可分为四个阶段，即甲羟戊酸的生成，二甲基丙 烯焦磷酸的生成，法尼脂焦磷酸的生成以及甾醇的生成。 2.3.3. 氨基酸的合成 氨基酸的合成大致有三种方式： （1）直接吸收氨合成氨基酸 能直接吸收氨合成氨基酸的有α-酮戊二酸、丙酮酸、延胡索酸、谷氨酸等几种。微生 贺浩耘 091015 11- 6 - 物在不同生长条件下，同化氨的途径会略有不同，这可以从它们的与氨吸收有关的酶活性上 反映出来。此外，氨还可经合成氨架线磷酸而同化，氨甲酰磷酸是嘧啶合成的前体，也可作 为一种氨基供体。 （2）通过转氨基作用合成氨基酸 通过转氨基作用，微生物消耗一些含量较多的氨基酸，以得到某些含量较少的氨基酸。 不同的氨基酸-酮酸之间的转氨基反应需要不同的转氨酶催化，生物体中的转氨酶可分为A、B、C三组。A组转氨酶只能催化某些氨基酸与α-酮戊二酸之间的转氨基作用，如亮氨酸、 苯丙氨酸和酪氨酸与α-酮戊二酸之间。B组转氨酶的催化特性与A相似，它能催化一组氨基酸中氨基酸与酮酸之间的转氨作用。C组转氨酶催化缬氨酸和丙氨酸之间的转氨基作用。 （3）由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸 氨基酸通过糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸，根据前体的不同，可将他们分为六组 （如下表），其中除赖氨酸外，其余所有的氨基酸合成途径在原核生物和真核生物中基本相 同。 2.3.4. 蛋白质的合成 蛋白质的合成是在遗传信息的指导下进行的。遗传信息即脱氧核糖核酸（DNA），有些病毒不含DNA，它们的遗传信息由核糖核酸（RNA）担任。遗传信息的单位为基因，每一 个基因就是一段DNA，它包含了合成一段多肽的信息。在合成蛋白质时，DNA首先将信息转录，即在DNA的指导下合成信使RNA,然后再按照信使RNA的指令合成蛋白质。 蛋白质的合成可以粗略的划分为四个阶段： （1）氨基酰-tRNA的合成阶段 贺浩耘 091015 11- 7 - 氨基酰-tRNA的形成分两步进行。首先，由ATP提供能量将氨基酸活化，形成酶-氨基酰腺苷酸复合体（E-aa-AMP）。然后E-aa-AMP中的酰基转移到tRNA的3’-末端腺苷残基上。 （2）肽链合成的起始阶段 在大肠杆菌中，蛋白质的合成第一步是起始因子结合于游离的30s核糖体亚基上，第二步是mRNA与30s亚基结合，第三步是携带甲酰甲硫氨酸的tRNA与30s亚基结合。真核生物中肽链合成的起始要复杂些，除了有独特的起始tRNA，并需要为数众多的起始因子。 除GTP，还需要有ATP参加。 （3）肽链的延伸阶段 肽链的衍生分为三部进行：首先，密码子所识别的氨基酰-tRNA在A部位结合到核糖体上；然后A部位的氨基酸其氨基攻击P部位的肽酰-tRNA的羰基，并以肽键带代替酯键， 于是P部位tRNA上的肽链转移到A部位的氨基酸上，形成多一个氨基酸的肽链；最后P部位的tRNA交出肽链后离开核糖体，核糖体向右移动，原A部位的肽酰-tRNA进入P部位，空出A部位以便接受下一个氨基酰-tRNA。肽链生长过程中，无论是原核生物还是真核 生物，都需要延伸因子。 （4）肽链合成的终止与释放阶段 肽链的终止需要释放因子（RF）的作用。当肽链合成到糖体的A部位出现终止密码子时， 与GTP结合的释放因子再结合到终止密码子上，这种复合物能水解肽酰-tRNA上的脂键，从而使新的合成的肽链释放，随着肽链的释放、tRNA和释放因子也与核糖体脱离，随后核 糖体也解体成两个分离的亚基，蛋白质的合成终止。 2.3.5. 核苷酸与核酸的合成 核苷酸是核酸的基本结构单位，它是有碱基、戊糖和磷酸所组成。根据碱基可把核苷酸 分为嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。 （1）嘌呤核糖核苷酸的合成：次黄嘌呤核苷酸的全新合成、由次黄嘌呤核苷酸合成腺嘌呤 核苷酸和鸟嘌呤核苷酸、由嘌呤和嘌呤核苷合成嘌呤核苷酸、脱氧嘌呤核苷酸的合成。 （2）嘧啶核糖核苷酸的合成：尿嘧啶核苷酸的全新合成、胞嘧啶核苷酸的合成、脱氧嘧啶 核苷酸的合成、由嘧啶和嘧啶核苷合成嘧啶核苷酸。 核酸是核苷酸的聚合体，由于核苷酸的组成不同，核酸可以分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。 （1）DNA的合成 DNA是脱氧核糖核酸双链分子，DNA合成时双链解开，各在一条链上合成自己的互补 链，因此DNA合成过程是DNA大分子自我复制过程。DNA自我复制后，由一个DNA分子变成两个DNA分子，每个DNA分子中有一条新的脱氧核糖核酸链，同时又有原有的一 条旧的脱氧核糖核酸链，固合成过程也称半保留复制。 （2）RNA的合成 RNA是单链分子，是以DNA为模板复制的。各种RNA如：rRNA、tRNA、mRNA 等的合成都可以称为转录，rRNA和tRNA转录后不再翻译。合成过程在依赖DNA的RNA聚合酶的催化下进行，需要Mg 2+2+或Mn。 微生物除了有从外界吸收各种营养物质、通过分解代谢和和合成代谢产生出维持生命 活动的物质和能量的初级代谢过程外，还有生命活动所必需的次级代谢过程。次级代谢并没 有一个严格的定义，他是相对于初级代谢而提出的一个概念，主要指初级代谢物的合成。微 贺浩耘 091015 11- 8 - 生物在一定的生长时期（一般指稳定生长期），以初级代谢产物为前提，合成一些对微生物 活动没有明确功能的过程就是次级代谢，这一过程的产物即为次级代谢物。 次级代谢的生理意义并不似初级代谢那样明确，一般说，次级代谢产物不是生长繁殖所 必需的物质。次级代谢途径中某个环节发生障碍，只是不能合成某个次级代谢产物，但不影 响菌体生长繁殖。关于次级代谢的意义，目前人们认为人为主要可能体现在以下几方面： （1）维持初级代谢的平衡 初级代谢的某些中间体产物是次级代谢的前体，而次级代谢又是在菌体生长后期，体内 酶活性下降，某些物质累积的情况下才进行。因此，可以认为此时菌体代谢体系发生较大调 整，次级代谢将初级代谢积累下来的产物进行其他形式的转化，保持了初级代谢的平衡。 （2）次级代谢产物是储藏物质的一种形式 次级代谢可能是个别构造单元的来源是保证某些君主具有特有、独特功能的代谢储备， 如链霉素的额合成，人们认为链霉素是过剩氮的储存形式。不过次级代谢物种类繁多，并不 是所有的次级代谢产物都可以堪称一种储存物质。 （3）噬菌体在生存竞争中占优势 这种看法主要来自抗生素的作用，抗生素可以一直或杀死某些微生物，而一般对产生微 生物自身不敏感，因此，在自然条件下，微生物产生抗生素可以使其自身在生存竞争中占据 优势。 （4）与细胞分化有关 分化是指营养细胞转化为孢子的过程。有研究表明，抗生素是分化不可缺少的重要物质。 此外，人们已从真菌和霉菌中分离出诱导细胞分化的调节分子，并证明通过特殊的内源因子 的帮助可以调节形态分化过程。因为这些内源因子在微生物营养生长阶段不具有任何功能， 故可被认为是次级代谢物。 总之，次级代谢具体有什么生理意义目前尚无定论，但其对微生物自身生存和种群的延 续有极其重要的意义这一点已是毋庸置疑的。 次级代谢的合成以初级代谢产物为前体，进入次级代谢产物合成途径后，大约经过前体 聚合，结构修饰和不同组分的装配等三个步骤，合成次级代谢产物。 次级代谢产物由少数充当前提的起始物分子合成。它们或者直接通过修饰而产生起始物 分子新的化学衍生物，或者与寡聚糖物质偶联后再修饰产生。各种结构物按照一定的生物合 成原理在聚缩过程中结源、甚至异源构造成分合成。 次级代谢只有一小部分的前体结构物用于次级代谢产物的形成，包括低级脂肪酸的辅酶 A衍生物、甲羟戊酸、氨基酸和莽草酸，糖以及核苷。 次级代谢与初级代谢相比具有以下特点： （1）次级代谢以初级代谢产物为前体，并受初级代谢的调节； （2）次级代谢产物一般在菌体生长后期合成； （3）次级代谢酶的专一性低； （4）次级代谢产物的合成具有菌株特异性； （5）次级代谢可能与质粒有关。 贺浩耘 091015 11- 9 - 微生物的代谢调节是微生物细胞决定的，并通过微生物细胞本身实现的，环境条件的变 化，必须通过微生物细胞本身来影响微生物的代谢。归根结蒂，微生物的代谢调节是发生在 微生物细胞中的生物化学现象。因此，有必要研究代谢调节主要在微生物的什么部位发生， 以及发生什么样的调节。 4.1.1. 原核微生物细胞的代谢调节部位 原核微生物细胞内不存在典型的细胞核，也不存在典型的细胞器，代谢调节主要有以下 部位：一是与细胞膜密切相关的调节，包括膜的脂质的理化性质的调节、膜蛋白质的绝对数 量及活性的调节、溶质传输的调节、细胞膜对溶质通透性的调节；二是细胞空间内酶分子数 量及其活性的调节；三是酶与底物相对位置的调节。 4.1.2. 真核微生物细胞的代谢调节部位 真核微生物细胞比原核生物细胞复杂而多样化。真核微生物细胞的代谢调节除了和原 核微生物一样的三个调节部位外，因其细胞内空间被膜结构分隔成许多小室而增加了不少调 节的内容，即小室内部的调节。 总之，真核微生物细胞中，由于小室的分隔，导致没的区域化、酶与底物的分离，使 得酶反应更加复杂化多样化。 微生物的代谢调节方式主要包括细胞透性的调节、代谢途径区域化和流向调节，以及代 谢速度的调节。 （1）细胞透性的调节：细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响 到细胞内代谢的变化。细胞质膜透性的调节是微生物代谢调节的重要方式，它控制着营养物 质的吸收。 （2）代谢途径区域化：原核微生物细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，与某一代 谢途径有关的酶集中于某一区域，以保证代谢的正常进行，避免了其他途径的干扰。在真和 微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布。 （3）代谢流向的调节：微生物不同条件下通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控 制代谢产物的流向，从而保证机体的代谢平衡。 （4）代谢速度的调节：在不同的逆反应中，为啥那怪物通过调节酶的活性和酶量来终止代 谢物的流量。酶活性和酶量的调节是代谢调节的核心。微生物在不同条件下能按照需要，通 过诱导或阻遏没的合成、激活或抑制已有酶的活性，来调节其代谢速度。 总之，代谢调节的核心和关键是酶，归根到底，代谢调节是通过控制每辆和酶的活性 来实现的。 4.3.1. 酶活性调节的调节机制 酶活性的调节就是通过改变已有酶分子的活性来控制代谢的速率。酶活性的变化，使微 生物细胞能够迅速适应代谢环境中的突然变化。酶活性的调节受多种因素的影响：底物、产 物的性质和浓度，环境因子。酶活性调节是通过激活或抑制已有酶的活性实现的，其特点是 反应快速。 酶活性调节有多种调节机制： （1）酶原激活 贺浩耘 091015 11- 10 - 将合成之初的无活性酶原通过切断某些肽键或切掉某些肽段改变空间构象成为有活性 酶的过程，属于不可逆共价修饰调节。 （2）可逆共价修饰 在其它酶催化下，酶分子通过共价键结合或脱去某些基团，引起酶活性改变的过程称 为酶的共价修饰，这类酶称共价调节酶。 （3）变构调节 以变构（别构）的方式进行活性调节的酶是变构酶。变构酶除结合底物的活性部位外， 还有结合调节物的变构部位（调节部位）。通过正、负调节物的结合改变酶的活性。 （4）聚合与解离 一些酶的活性和专一性可以通过酶分子亚基间的聚合或解离进行调节。如：谷氨酸脱 氢酶。 4.3.2. 前馈与反馈 底物浓度对关键酶的调节称为前馈。常见正前馈作用—底物浓度促进酶的活性；少见负前馈—高浓度底物抑制酶活性作用。 终产物浓度对关键酶的调节称为反馈。常见负反馈作用—产物浓度抑制酶的活性；少见正反馈—高浓度终产物激活酶活性作用。 4.3.3. 反馈抑制 由代谢终产物作为变构剂抑制合成此产物过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用， 称为反馈抑制。这是一种负反馈机制，反馈抑制能够阻止细胞过多合成其自身所需的代谢物。 反馈抑制可以分为三种类型：一是协同反馈抑制、二是积累反馈抑制、三是同功能酶反 馈抑制。反馈抑制作用有三个特点，只有代谢最终产物或者它的结构类似物具有反馈机制作 用；受到抑制的一般是一系列酶中的第一个酶；反馈机制作用是可逆的。 酶合成的调节就是通过酶量的变化来控制代谢的速率，它是基因表达水平上的调节，它 有诱导和阻遏两种调节方式，前者导致酶的合成，后者停止酶的合成。 4.4.1. 酶合成的诱导 根据酶合成对底物的依赖关系，可以把酶分为两大类：一类是诱导酶，它是适应环境中 诱导物所生成的酶；另一类是组成酶（又叫固有酶），不论底物是否存在，这类经常存在于 细胞内。诱导酶合成的物质称为诱导物。 酶合成的诱导作用可表现一下两种情况：协同诱导，一种诱导物可以同时诱导产生若干 种酶的现象叫做协同诱导；顺序诱导，一种诱导物产生一系列酶的现象叫顺序诱导。 4.4.2. 酶合成的阻遏 阻止酶合成的现象称为酶合成的阻遏。阻遏酶合成的物质称为阻遏物。根据阻遏物两种 不同的来源，酶合成的阻遏可分为两种情况：一是终产物反馈阻遏，其阻遏产物是被阻遏的 酶所催化生成的终产物，这种阻遏现象主要发生过在合成代谢途径上；二是分解代谢阻遏， 其阻遏物是分解代谢的产物，分解代谢阻遏现象是在研究微生物对混合碳源利用所表现出来 的二次生长现象的过程被揭露出来的。 4.4.3. 酶合成诱导和阻遏的机制 酶的化学本质是蛋白质，酶的合成就是蛋白质的生物合成。对没合成的调控就是对蛋白 质生物合成的调控，也就是对基因表达的调控。这是一个极其复杂的过程，它即可以发生在 转录水平上，即在一定时间有选择地控制mRNA的转录；也可以发生在转录后的翻译水平 贺浩耘 091015 11- 11 - 上，即在一定时间内控制mRNA的翻译。目前的研究表明，原核生物基因表达的调节主要 发生在转录水平上，真核微生物中，mRNA和翻译水平的调控更为重要。 目前研究出微生物原核生物中酶合成的调控机制有：乳糖操纵子、色氨酸操纵子、半乳 糖操纵子、阿拉伯糖操纵子等。 微生物在自然界中广泛存在，不仅是在生态环境起着保护、净化、和修饰被污染和破坏 的环境的重要作用，在现代社会的医学、工业、农业等领域有着广泛的应用，研究微生物对 人类社会的发展进步有着重要的意义。 本文从微生物生理的角度介绍了微生物代谢及调控的相关知识。全文分章节粗略介绍了 微生物的能量代谢、物质代谢、微生物代谢调节以及次级代谢的知识，如要进一步了解相关 知识可以参阅本论文的参考文献。 【1】 刘志恒，2002，现代微生物学，北京：科学出版社 【2】 陈世和，陈建华，王士芬，1992，微生物生理学原理，上海：同济大学出版社 【3】 周群英，高廷耀，2000，环境微生物学，北京：高等教育出版社 【4】 张胜华，郭一飞，靳慧霞，水处理微生物学，北京：化学工业出版社 贺浩耘 091015