【正文】 體之間的分工協(xié)作，可從 表 42 得到反映。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 35 起始底物 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 36 在真核微生物細(xì)胞中，這種酶（酶體系）的區(qū)域化、酶與底物的分隔，使酶反應(yīng)的調(diào)節(jié)更加復(fù)雜化、多樣化。酶反應(yīng)系列的總速度不僅決定于相鄰兩區(qū)域中的調(diào)節(jié)酶、底物的濃度和調(diào)節(jié)酶的活性，而且也決定于重要代謝中間物跨膜的交換速度。因?yàn)檫@種跨膜交換要借助于載體（由 DNA編碼的蛋白質(zhì)），所以，這些載體的絕對(duì)數(shù)量及活性也會(huì)成為代謝調(diào)節(jié)的部位。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 37 微生物酶（蛋白質(zhì)）的自動(dòng)調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié) 翻譯水平上的調(diào)節(jié) 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié) 整個(gè)細(xì)胞水平上的調(diào)節(jié) (全局性調(diào)節(jié) ) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 38 微生物的代謝主要是借助于酶與膜來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的。而微生物酶的結(jié)構(gòu)與功能，膜的結(jié)構(gòu)、組成與功能，以及它們的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制的信息都存在于 DNA中； 在不同的環(huán)境條件下，微生物細(xì)胞遵循細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律（代謝自動(dòng)調(diào)節(jié)規(guī)律），對(duì)其自身的遺傳信息作選擇性的表達(dá)，對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 39 值得注意的是，在物種不變（基因組不變）的情況下，微生物通過(guò)自我調(diào)節(jié)對(duì)其所處的環(huán)境作出響應(yīng)，反饋信息的傳遞在蛋白質(zhì)水平上是通過(guò)存在于 細(xì)胞質(zhì)和膜中的調(diào)節(jié)酶及非酶變構(gòu)蛋白 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此有必要從 酶和 膜 兩方面入手討論微生物代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 40 遺傳控制機(jī)制本質(zhì)上更適合于原核生物，允許它們迅速地調(diào)節(jié)酶濃度以滿足變化著的細(xì)胞要求。 這里要以原核生物為例，敘述通過(guò)酶實(shí)現(xiàn)的代謝自動(dòng)調(diào)節(jié)的機(jī)制。 對(duì)于指定的微生物菌株（即遺傳物質(zhì)確定的情況下），代謝自動(dòng)調(diào)節(jié)表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)和整個(gè)細(xì)胞等 4個(gè)不同的水平上。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 41 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié) ⑴酶的誘導(dǎo)的機(jī)制 ⑵營(yíng)養(yǎng)阻遏的機(jī)制 ⑶終端產(chǎn)物對(duì)其自身合成途徑的酶系的 合成的反饋?zhàn)瓒艉腿趸臋C(jī)制 ⑷中心代謝途徑的酶合成的調(diào)節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 42 ⑴酶的誘導(dǎo) (induction)的機(jī)制 圖 43誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)合成模型（負(fù)控制） Ri， 誘導(dǎo)酶的調(diào)節(jié)基因； P， 啟動(dòng)子； O， 操縱基因； S S S3， 大腸桿菌乳糖操縱子的 3個(gè)結(jié)構(gòu)基因 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 43 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物）時(shí)，由調(diào)節(jié)基因編碼的與操縱基因有結(jié)合活性的阻遏蛋白（一種 變構(gòu)蛋白 ）與操縱基因結(jié)合，阻止 RNA 聚合酶對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄， 因而誘導(dǎo)途徑的酶系沒(méi)有合成；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)物（效應(yīng)物）濃度上升某一程度時(shí)，它就與阻遏蛋白結(jié)合，使后者因 構(gòu)象 發(fā)生變化而失去與操縱基因的結(jié)合活性，從操縱基因上脫落下來(lái)， RNA聚合酶就可對(duì)結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)途徑的酶系就被誘導(dǎo)合成。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 44 從而可以看出 誘導(dǎo)的本質(zhì)就是解阻遏 （誘導(dǎo)物解除了阻遏蛋白對(duì)操縱基因的阻塞）。 值得注意的是， 這種誘導(dǎo)物與阻遏蛋白的結(jié)合是可逆的 ，結(jié)合或解除結(jié)合取決于細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)物的濃度。正因?yàn)榻Y(jié)合是可逆的，所以 調(diào)節(jié)可以雙向進(jìn)行。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 45 酶的誘導(dǎo)對(duì)于微生物是十分有意義的。從營(yíng)養(yǎng)的角度看 ，微生物可以根據(jù)環(huán)境所提供的生長(zhǎng)底物，誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶（蛋白質(zhì)），以分解生長(zhǎng)底物，吸收營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)行代謝活動(dòng)，從而形成微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。 從細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的角度看 ，僅僅根據(jù)需要誘導(dǎo)合成必要的酶（蛋白質(zhì)），可以避免核苷酸、氨基酸和代謝能的浪費(fèi)。微生物有了誘導(dǎo)機(jī)制就能更好地適應(yīng)環(huán)境的變化，節(jié)約使用營(yíng)養(yǎng)和代謝能，表現(xiàn)出 細(xì)胞生命活動(dòng)的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 46 研究誘導(dǎo)模型也可以給人以啟迪。從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因 I、 啟動(dòng)基因 P、 操縱基因 O上發(fā)生突變，都可能影響酶的正常誘導(dǎo)。如果啟動(dòng)基因 P缺失，則 RNA多聚酶無(wú)從結(jié)合到操縱子上去，不管有沒(méi)有誘導(dǎo)物，轉(zhuǎn)錄都不會(huì)進(jìn)行，這種突變株稱 超阻遏突變株 。如果操縱基因缺失，則不管有沒(méi)有誘導(dǎo)物，操縱子都不會(huì)受阻塞，不需誘導(dǎo)也能使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄并翻譯，這種突變株就是 組成型突變株 。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應(yīng)用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 47 ⑵營(yíng)養(yǎng)阻遏 (nutritional repression)的機(jī)制 在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中只有一個(gè) 碳源降解酶系 在起作用，也就是培養(yǎng)基中能被最迅速地同化的碳源的降解酶系，而且， 在該碳源用完之前，其它碳源的降解酶系的合成一直受到阻遏。 過(guò)去曾假設(shè)，是能被迅速同化的碳源（如葡萄糖）降解過(guò)程中的某代謝產(chǎn)物阻遏了其余降解酶系的合成，因此曾經(jīng)把這種現(xiàn)象叫做降解物阻遏（ catabolite repression）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 48 進(jìn)一步的研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有這種降解代謝物的存在，碳源降解的阻遏似乎并不是由葡萄糖或其他能被迅速同化的碳源的降解物引起的，因此把這種阻遏叫做碳源阻遏比叫降解物阻遏更切合實(shí)際。 這一類阻遏不但發(fā)生在對(duì)碳源的利用過(guò)程中，也發(fā)生在對(duì)氮源、磷源和硫源的利用過(guò)程中，我們用 營(yíng)養(yǎng)阻遏 （ nutritional repression ） 這個(gè)名稱來(lái)包容不同營(yíng)養(yǎng)源的阻遏；因此就有 碳源營(yíng)養(yǎng)阻遏 、 氮源營(yíng)養(yǎng)阻遏 等名稱。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 49 圖 44 大腸桿菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏的解阻遏模型 當(dāng)葡萄糖濃度下降時(shí)， Ⅲ Glc 濃度下降，葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P濃度上升。 較低的 Ⅲ Glc 濃度可使乳糖透性酶活性恢復(fù)，導(dǎo)致胞內(nèi)乳糖 （ 乳糖操縱子的誘導(dǎo)物 ）濃度的上升；葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P濃度上升，將激活腺苷酸環(huán)化酶，使胞內(nèi) cAMP 濃度上升， …… 最終促成了 乳糖操縱子編碼的 那幾個(gè)酶的誘導(dǎo)合成。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 50 葡萄糖的存在對(duì)乳糖利用的影響是典型的 碳源營(yíng)養(yǎng)阻遏 （圖 44）。研究證明大腸桿菌的碳源阻遏與細(xì)胞中 cAMP水平（即濃度）有關(guān)。乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄不但需要有誘導(dǎo)物，還需要 cAMP。 細(xì)胞對(duì)葡萄糖（ Glc） 的利用導(dǎo)致胞內(nèi) cAMP濃度大幅度下降，當(dāng)大部分Glc被消耗掉， cAMP 濃度才回升。 cAMP與一個(gè)叫做 CAP的蛋白質(zhì)（環(huán)腺苷酸接受蛋白）形成復(fù)合物， 這個(gè)復(fù)合物與啟動(dòng)子 P 結(jié)合而刺激轉(zhuǎn)錄（提高 RNA多聚酶與 P的親合性）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 51 細(xì)胞中的 cAMP的濃度取決于腺苷酸環(huán)化酶。腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合在膜上，并且受細(xì)胞吸收葡萄糖的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（ PTS） 的因子 Ⅲ Glc 的磷酸化狀態(tài)（ Ⅲ GlcP ） 的激活（圖 44 ）。當(dāng)受 PTS 輸送的葡萄糖濃度高時(shí)，因子 Ⅲ Glc的磷酸化程度就低，腺苷酸環(huán)化酶的活性就下降， cAMP 的濃度就下降，從而導(dǎo)致乳糖操縱子上啟動(dòng)子 P被激活程度的下降。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 52 與此同時(shí)，因子 Ⅲ Glc的高濃度會(huì)使乳糖透性酶（乳糖進(jìn)入細(xì)胞的載體蛋白）活力受到抑制，誘導(dǎo)物乳糖在胞內(nèi)的濃度下降，乳糖操縱子也就只能處于阻遏狀態(tài)之下。 由于這兩方面的原因，造成葡萄糖對(duì)利用乳糖的酶系的阻遏。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 53 氮源營(yíng)養(yǎng)阻遏 指的是：高濃度的氨或某些含氮有機(jī)化合物對(duì)催化含氮底物降解的酶的阻遏的調(diào)節(jié)控制機(jī)制。 受這種控制的酶有蛋白酶、酰胺酶、脲酶（尿素酶）和氨基酸降解酶。 在曲霉菌中，控制氮源阻遏的基因（ areA） 已被檢出。這個(gè)基因?yàn)橐粋€(gè)對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行正控制的調(diào)節(jié)蛋白編碼。這個(gè)調(diào)節(jié)蛋白在解阻遏條件（如銨濃度低）下表現(xiàn)活性，在阻遏條件（如銨濃度高）下失去活性。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 54 高濃度的磷源（特別是正磷酸鹽）和硫源（特別是無(wú)機(jī)硫酸鹽）也會(huì)對(duì)某些酶發(fā)生營(yíng)養(yǎng)阻遏。 例如，核酸酶和磷酸酯酶通常受到磷酸鹽的阻遏，蛋白酶和硫酸酯酶常常受硫酸鹽或含硫氨基酸（ sulfur amino acids） 的阻遏。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 55 營(yíng)養(yǎng)阻遏的意義：微生物細(xì)胞在其所處的環(huán)境條件下，利用其細(xì)胞中已有的酶系首先降解最易利用的生長(zhǎng)底物，必要時(shí)才會(huì)去合成降解另一種生長(zhǎng)底物的酶系，體現(xiàn)了細(xì)胞運(yùn)作的經(jīng)濟(jì)性和自我保障機(jī)制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 56 ⑶ 終端產(chǎn)物對(duì)其自身合成途徑的酶的合成的反饋?zhàn)瓒簦? repression ） 和弱化 ( attenuation )的機(jī)制 化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞如果要在以葡萄糖為碳源和能源的基本培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，那它就必須合成所有要用來(lái)形成生物大分子的分子模塊（ building block）， 如氨基酸、核苷酸等等。這些分子模塊的合成量，要正好用來(lái)合成組成細(xì)胞的生物大分子；分子模塊的過(guò)量產(chǎn)生，是必須避免的。如果在完全培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，微生物細(xì)胞可以從其所處的環(huán)境獲得分子模塊，就沒(méi)有必要靠細(xì)胞自身來(lái)合成。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 57 微生物 調(diào)節(jié)合成代謝 的酶的水平（ 即胞內(nèi)酶分子的數(shù)量或酶濃度），使之與所需要合成的產(chǎn)物的量相協(xié)調(diào)。這種調(diào)節(jié) 依賴終端產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒?、弱化等機(jī)制，或兩者兼用 。 這些自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制可以節(jié)約細(xì)胞內(nèi)的原料和能量 ，對(duì)微生物的好處也是顯而易見的。 阻遏控制轉(zhuǎn)錄的開始，弱化控制轉(zhuǎn)錄的中止 （也就是在已開始的轉(zhuǎn)錄的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄機(jī)會(huì)的控制）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 58 許多氨基酸生物合成途徑不但受該氨基酸本身的調(diào)節(jié)，而且受其對(duì)應(yīng)的氨基酰 tRNA 的調(diào)節(jié)。前者指的是 反饋?zhàn)瓒?，也就是氨基酸合成途徑的終端產(chǎn)物（與合成途徑相對(duì)應(yīng)的氨基酸）作為輔阻遏物 阻礙轉(zhuǎn)錄的發(fā)動(dòng)（即轉(zhuǎn)錄的開始） ；后者指的是叫做 弱化 的另一種類型的控制，這種控制涉及到與合成途徑的終端產(chǎn)物氨基酸相對(duì)應(yīng)的氨基酰 tRNA 和轉(zhuǎn)錄的中止，即 當(dāng)細(xì)胞中存在過(guò)量的對(duì)應(yīng)氨基酰 tRNA 時(shí)，已發(fā)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄會(huì)在操縱子的第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄前中止。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 59 圖 45 酶合成的反饋?zhàn)瓒裟Ｐ? R， 酶阻遏的調(diào)節(jié)基因； P， 啟動(dòng)子； O， 操縱基因； S S S3為生物合成途徑的酶的結(jié)構(gòu)基因 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 60 圖 45所示阻遏模型與誘導(dǎo)模型不同，由阻遏酶的調(diào)節(jié)基因 Rr編碼的原阻遏物本身沒(méi)有與操縱基因 O 結(jié)合的活性，它必須受阻遏物（ 即終產(chǎn)物 ） 激活后才可與 O 結(jié)合。 反饋?zhàn)瓒裟Ｐ椭?，操縱子的開關(guān)情況正好與誘導(dǎo)模型相反。前者是以效應(yīng)物（阻遏物）的高濃度關(guān)閉操縱子，后者以效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）的高濃度打開操縱子。反饋?zhàn)瓒襞c誘導(dǎo)模型最大的相似之處是：效應(yīng)物（這里指阻遏物）與調(diào)節(jié)蛋白（這里是原阻遏物）的結(jié)合是可逆的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 61 在 原核細(xì)胞中 ，誘導(dǎo)和反饋?zhàn)瓒糁钥梢酝瑫r(shí)調(diào)節(jié)幾個(gè)相關(guān)的酶的合成，其原因在于一條代謝途徑中的幾個(gè)酶的結(jié)構(gòu)基因往往成串地分布在同一個(gè)操縱子上，或者盡管分散在不同的操縱子上，但這些操縱子受同一個(gè)調(diào)節(jié)基因編碼的變構(gòu)蛋白的控制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 62 如果對(duì)應(yīng)于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)生突變或調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，使操縱基因的阻塞無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這種解除了調(diào)節(jié)的突變株可以過(guò)量合成相關(guān)途徑的酶或終產(chǎn)物。這樣的突變株叫做 調(diào)節(jié)突變株 ，可在工業(yè)生產(chǎn)上得到應(yīng)用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 63 （ 4）中心代謝途徑的酶合成的調(diào)節(jié) “ 誘導(dǎo) ” 這個(gè)術(shù)語(yǔ)常常與分解代謝酶有關(guān) ， “ 阻遏 ” 這個(gè)術(shù)語(yǔ)常常與合成代謝的酶有關(guān) 。 中心途徑是兩用途徑 ， 中心代謝途徑中的有些 酶的合成 也常常處于調(diào)控之中 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 64 ① 生長(zhǎng)基質(zhì)的種類和濃度的變化引起的調(diào)控，如異檸檬酸裂合酶（ IL） 和蘋