食品酶学导论：酶（蛋白质）合成的调节方法

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：根据生物细胞中酶合成与环境条件关系，酶可分为组成酶和诱导酶两大类，其中决定诱导酶有两个不同的基因群，并已证实它们的存在。另一个为调节基因R，它使操纵基因或“开”或“关”，调节酶和蛋白质合成有时进行或有时停止。在诱导酶合成时加入诱导物便能诱导酶的合成。目前已经生产的酶或将来需投产的酶品种，大部分受到这种阻遏作用的调节，而且除了葡萄糖外，其他一些分解代谢产物也能对某些酶合成起阻遏作用。

任何活细胞在执行生物学功能时，有着复杂的化学变化（或新陈代谢），但是，这种变化是有秩序、有条不紊地进行的，这说明活细胞有自我调节的机制。例如，构成天然蛋白质的氨基酸有20种，而作为合成蛋白质原料的20种氨基酸并非等量合成的，如果不是合成蛋白质所需要的氨基酸，在细胞里便会停止合成，相应酶的合成也即停止，否则会造成“浪费”，这种现象是科学家们在20世纪50年代初发现的，细胞所必需物质的合成有两个负的调节系统，即通过抑制酶活力和阻遏酶的合成来调节。

20世纪60年代初，法国巴黎巴斯德研究所的F.Jacob和J.Monod等从分子水平上解释了诱导酶合成调节系统。他们研究了突变对三个基因（即三个顺反子编码区）的影响，这三个基因控制分解乳糖所必需的三种酶的合成，这些基因一个个排列着，形成乳糖基因区（即乳糖操纵子Lac-operron）。乳糖操纵子假说的基本要点为：

（1）决定蛋白质结构的基因群一个个排列在DNA分子中，经转录排列在编码区中。

（2）根据生物细胞中酶合成与环境条件关系，酶可分为组成酶和诱导酶两大类，其中决定诱导酶有两个不同的基因群，并已证实它们的存在。一个是操纵子，包括操纵基因O（operoter gene）、启动基因P（promotor gene）和结构基因S（structural gene），决定着酶和其他蛋白质的结构。另一个为调节基因R（regulator gene），它使操纵基因或“开”或“关”，调节酶和蛋白质合成有时进行或有时停止。因为调节基因可产生一种阻遏蛋白（repressor protein），在乳糖缺乏条件下，无诱导物与阻遏物结合，能正常地与操纵子基因结合并能抑制或关闭结构基因，阻碍RNA聚合酶将三个乳糖分解基因转录为mRNA，从而阻遏β-半乳糖苷酶等三种酶的产生。而在乳糖存在条件下，这种阻遏蛋白与诱导物（或乳糖或乳糖结构类似物）结合，本质上钝化了阻遏蛋白，使它与操纵基因亲和力大大丧失，RNA聚合酶便能启动，三个乳糖分解酶便能诱导合成。

（3）调节基因指导合成的阻遏蛋白，是一种调节作用的蛋白质，1971年已从大肠杆菌（E.coli）分离纯化出阻遏蛋白，分子质量为150～200ku，调节基因是DNA信息链的前一端，而启动基因、操纵基因和结构基因则按顺序排列在DNA信息链的另一端。

乳糖操纵子假说解释诱导酶合成机制如图6-11所示。

图6-11 酶诱导合成的乳糖操纵子调节

（1）无诱导物存在时（2）有诱导物存在时

乳糖操纵子假说对指导酶发酵生产应用具有实践意义。

（1）采用现代诱变育种技术，若使细胞中调节基因发生突变，致使调节基因不能转录翻译产生阻遏蛋白，诱导酶变成组成酶，RNA聚合酶便能起作用，操纵子便能持久地“开”，并连续产生β-半乳糖苷酶，这种作用在遗传学上称为变异突变体，它不产生阻遏蛋白或产生阻遏蛋白是无活性的，这就导致操纵基因持久地开启并使结构基因连续地合成酶。

另一种组成突变体为具有变异的操纵基因，它不易因阻遏蛋白的作用而失活，又导致操纵基因开放而连续产生酶。

（2）在诱导酶合成时加入诱导物便能诱导酶的合成。食品工业应用的酶包括淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、葡萄糖异构酶、β-半乳糖苷酶等，均属于诱导酶，根据上述原理，其合成时最好的诱导物为该酶作用的底物或其结构类似物。

例如，β-半乳糖苷酶的作用底物为乳糖，当其诱导合成时，用乳糖以外的糖繁殖的细菌，几乎不合成分解乳糖的酶系，如果培养基中不含葡萄糖，而加入乳糖作为唯一碳源时，几分钟后，细菌便能大量合成β-半乳糖苷酶。若加入乳糖的结构类似物，如1，6-半乳糖、异丙基-β-D-硫代半乳糖（IPTG）和甲基-β-D-半乳糖等非代谢物质诱导物，同样可诱导合成β-半乳糖苷酶。

又如葡萄糖异构酶（或称木糖异构酶），可在细菌培养基中加入0.02%木糖便能诱导合成该种酶，在实际生产上，为了降低成本也可采用廉价的玉米芯的降解产物来代替。

反馈阻遏是指酶作用的终产物对酶合成产生阻遏作用，引起反馈阻遏的终产物往往是小分子物质，或称为共阻遏物（co-repressor），其调节机制也是用操纵子假说解释的。调节基因产生立体阻遏物（aporepressor），当有终产物或共阻遏物存在时，使它与立体阻遏物结合并与操纵基因结合，致使RNA聚合酶停止作用，操纵基因表现关闭状态，酶合成受到反馈阻遏。如果解除共阻遏物即无终产物存在时，RNA聚合酶起作用，操纵基因则表现开启状态，酶合成便能继续进行，这种作用机制如图6-12所示。

图6-12 酶的反馈阻遏机制

这种理论在指导食品酶生产时也具有重要实践意义。如何消除反馈阻遏是酶生物合成的关键。根据前人的研究成果，在生产实践中可采用两种方法：

其一，设法从培养基中除去其终产物，以消除反馈阻遏。例如，生产蛋白酶的枯草芽孢杆菌培养基中含有氨基酸时产生很少蛋白酶，如除去氨基酸，便可大大提高蛋白酶产量。此外，限制培养基中氨的含量或限制末端产物在细胞内的积累，也可增加酶的产量。

其二，向培养基中加入代谢途径的某个抑制因子，切断代谢途径通路，也可限制细胞内末端产物的积累，便可达到缓解其反馈阻遏的目的。例如，在组氨酸合成10个酶的合成过程中，加入抑制物α-噻唑丙氨酸，便能使酶合成提高30倍。又如硫胺素生物合成的4个酶，加入抑制物腺嘌呤，也可使其酶的合成提高5～10倍。

分解代谢阻遏作用（或称为葡萄糖效应）是指微生物在其培养基中由于葡萄糖的存在虽然能迅速生长，但明显地抑制某些分解代谢诱导酶的形成。现已研究证实，这种作用是由于葡萄糖的存在能影响细胞内环腺苷酸（cAMP）的产生，因为cAMP对于启动RNA聚合酶的作用是不可缺少的辅助因子，cAMP的缺少导致对分解代谢酶的形成产生阻遏作用。这一点的理论解释也是以操纵子理论作为依据的。

在食品级酶制剂工业生产中，这一作用得到广泛应用。目前已经生产的酶或将来需投产的酶品种，大部分受到这种阻遏作用的调节，而且除了葡萄糖外，其他一些分解代谢产物也能对某些酶合成起阻遏作用。表6-2所示为某些分解代谢产物对酶合成的阻遏作用。

表6-2 某些分解代谢产物对酶合成的阻遏作用

从表6-2可知，用甘油代替果糖培养嗜热脂肪芽孢杆菌，α-淀粉酶产量可提高25倍。采用甘露糖作为荧光假单胞杆菌培养时，纤维素酶的产量比用半乳糖作为培养基时要高1500倍以上。如果微生物需要某些代谢阻遏物作为碳源的话，在工业生产中则可采用限量流加碳源的办法，便可减少或避免这种阻遏作用。

以上三种调节系统均属于阻遏调节系统，在酶制剂工业生产中已得到广泛应用。(www.chuimin.cn)

控制酶活力的反馈抑制不同于反馈阻遏，其最终产物P是反作用于第一步反应，抑制其所需要的酶的活性。如反应系列为：

例如：

这一作用不是以操纵子理论为依据，而是用“变构蛋白理论”来解释的。

1963年，Jacob和Changeux等从酶蛋白分子水平上解释这种作用，提出“变构蛋白”概念。他们认为，在反馈抑制中接受控制的酶，至少有两个不同的结合部位，便产生两种三维空间构象或出现两种形态，甚至两者之间出现动态平衡。这两种蛋白质称为变构蛋白质（allosteric protein）。其互变反应如图6-13所示。

图6-13 变构酶调控互变反应示意图

sub-底物 act-激活剂inh-抑制剂

从上述反应式中可知，苏氨酸脱氨酶等调节酶既有与底物氨基酸的结合部位，又有与抑制物异亮氨酸的结合部位。当这种酶显示活性时，底物部位能与苏氨酸结合表现正常状态，但抑制物部位却变了形，不能与L-异亮氨酸结合。当无抑制物时，大部分酶与底物结合，形成稳定状态。

细胞膜是细胞质膜和亚细胞器膜的总称。原核细胞一般较小（0.5～500μm³），而且亚细胞结构的分化程度较低；真核细胞较大（200～15000μm³），其亚细胞结构分化清晰。真核细胞的外层一般为半透性的细胞膜，在细菌和植物的细胞膜外，尚有一层保护性的细胞壁。细胞是由多种亚细胞组成的，包括细胞核、线粒体、溶酶体、内质网、高尔基体等。细胞膜的基本结构是由蛋白质和磷脂组成的双层磷脂（phospholipid bilayer），其间的蛋白质（膜蛋白）可在脂中自由侧向扩散。磷脂的极性头位于双层表面，而长的碳氢链构成疏水的层间质（图6-14）。

图6-14 酵母菌细胞结构

（1）细胞核细胞核是最重要的大细胞器，核膜是多孔双层膜，具有半渗透性，核内除核仁外，核质中有均一状的染色体（chromsome），它是DNA和蛋白质存在的部位。细胞核也是DNA和RNA合成的场所，细胞核存在DNA、RNA聚合酶系。

（2）线粒体（mitochondron）线粒体是真核细胞的一种亚细胞器，具有双膜结构，外膜平滑，内膜内伸成嵴，是提供能量的场所，大量分布着呼吸作用和氧化酶类，如脂肪酸β-氧化酶类存在于线粒体外膜，而两条典型呼吸链（NAD·2H和FAD·2H）则存在于线粒体内膜。

（3）溶酶体（lysosome）溶酶体是细胞内一种特殊结构，含酸性磷酸酯酶、酸性DNA酶及RNA酶、组织蛋白酶，借助溶酶体膜防止这些酶进入细胞浆，否则，便会危及生命。

（4）内质网（endoplasmic reticulum）内质网是由脂蛋白膜组成的网状结构，可分为滑面和粗面两种类型，粗面内质网膜上附着大量高密度的小颗粒，后来经证实为核糖体（ribosome），担负着蛋白质合成场所和其他代谢物质运转的功能。

（5）高尔基体高尔基体是和内质网相连的另一种细胞器，由一堆滑面扁平的范囊膜组成，其功能主要将生物合成的产物进行加工包被。

细胞膜的透性调节作用主要有如下几种：

（1）调节胞外酶的分泌酶是在细胞内合成的，根据酶在细胞中存在位置，可分为胞外酶和胞内酶，前者分子质量较小（一般不超过80ku），胞内合成后分泌至胞外起作用，大部分水解酶属此类。而后者则在细胞内或表层（结合膜）存在，称为胞内酶（如RNA酶、碱性磷酸酶和氧化酶类等）。在膜表层结合的酶又称表面酶或透性酶。

胞外酶如何通过细胞膜分泌，迄今为止，尚未有统一观点。

第一种观点认为，一般胞外酶分子质量较小，用伸长的直链结构通过多孔细胞膜，再形成蛋白质二、三级结构，而且分泌与活化同时发生。

第二种观点认为，酶在细胞的外侧合成，由于核糖体是在细胞内结合的，因此，不可能设想酶的前体氨基酸或多肽会以一定规则排列在细胞外侧。

第三种观点认为，采用枯草芽孢杆菌生产α-淀粉酶时，发现 α-淀粉酶生成期，同时在细胞内产生类似溶解酶的自溶素（autolysine）和原生质溶解质，因而认为这两种物质减弱细胞壁和细胞膜，有利于淀粉酶的分泌。

（2）主动运输的调节（regulation of active transport）通过透性酶或表面酶（如碱性磷酸酶）的作用能主动将细胞内合成的酶输送并分泌至细胞外。例如，大肠杆菌（E.coli）摄取K⁺致使细胞内与细胞外的浓度梯度可达3000倍的耗能过程，形成反浓度梯度的作用。

（3）间隔作用的调节（regulation of compartmention）这种作用可把细胞这一部分与另一部分隔开，各自通过酶系发挥其生命活动。因此，酶的催化速率受到亚细胞器结构的选择性和通透性的调节。

食品酶学导论：酶（蛋白质）合成的调节方法

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