【正文】 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 1 第四章 發(fā)酵學(xué)第三假說(shuō) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說(shuō) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 2 本章提示： 的一個(gè)細(xì)胞，那么是否能把微生物細(xì)胞看作為它所處的生態(tài)環(huán)境中的一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)體 呢？ 的微生物，其 細(xì)胞代謝規(guī)律（細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管理原則） 是不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移的，就像 市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中價(jià)值規(guī)律 那樣起作用，微生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化的過(guò)程中 已將細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律寫(xiě)入了 DNA。 ,這個(gè)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律實(shí)際上是微生物細(xì)胞 自主經(jīng)濟(jì)的保障 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 3 微生物細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放體系，是在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上形成的 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系 。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是微生物細(xì)胞生存的保障體系 ，它為細(xì)胞的 適應(yīng)性 、 經(jīng)濟(jì)性 和 代謝的持續(xù)性 提供保障。 細(xì) 胞 經(jīng) 濟(jì) 假 說(shuō) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 4 19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了三個(gè)智慧成果。 德國(guó)物理學(xué)家 克勞修斯（ Clausius） 發(fā)現(xiàn)的熱力學(xué)第二定律（ 1850年）指出，熱不可能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體。 也就是說(shuō)，熱力學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)過(guò)程的總是向熵增加的方向（即有序性程度減少、無(wú)序程度增加的方向）發(fā)展。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 5 英國(guó)生物學(xué)家 達(dá)爾文（ Darwin ） 1859 年出版了《 物種起源 》一書(shū)，提出了生物系統(tǒng)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)的進(jìn)化趨向。 馬克思 通過(guò)對(duì)生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系、以及經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和上層建筑的關(guān)系的歷史考察， 出版了 《 資本論 》第一卷（ 1867年）， 完成《資本論》 13 卷的草稿，揭示了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的方向。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 6 熱力學(xué)系統(tǒng)比之于生命系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)，似乎遵循著兩種不同的自然規(guī)律，有著兩種不同的趨向。并且，熱力學(xué)第二定律無(wú)法說(shuō)明系統(tǒng)由無(wú)序到有序、由低級(jí)的有序到高級(jí)的有序的演化和發(fā)展的趨向；也無(wú)法解釋混沌的自然界怎么能演化、發(fā)展成為 “ 自組織 ” 的生命系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)。 經(jīng)典的熱力學(xué)理論對(duì)自然界中大量“自組織”現(xiàn)象束手無(wú)策。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 7 一個(gè)世紀(jì)以后，比利時(shí) 普利高津（ Prigogine） 于 1969年提出 耗散結(jié)構(gòu)理論 。耗散結(jié)構(gòu)理論研究耗散結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，以及它的性質(zhì)、穩(wěn)定條件和演變規(guī)律； 這個(gè)理論為熱力學(xué)系統(tǒng)與生命系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律的統(tǒng)一提供了理論根據(jù)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 8 所謂耗散結(jié)構(gòu)是指一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)（力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的，乃至社會(huì)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)）。耗散結(jié)構(gòu)與外界不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，當(dāng)外界條件的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，可以從原有的無(wú)序或低序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間、空間上或功能上的有序狀態(tài)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 9 耗散結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生并存在于開(kāi)放系統(tǒng)中，只能依靠與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換來(lái)維持其生命力。 “耗散結(jié)構(gòu)”這一術(shù)語(yǔ)就是用來(lái)表示系統(tǒng)的這種 物質(zhì)交換和能量耗散的特征 的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 10 在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上形成的微生物代謝體系，是保障微生物細(xì)胞生存的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系。 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，以及細(xì)胞對(duì)環(huán)境變化的積極響應(yīng)，最終都是由細(xì)胞的遺傳物質(zhì)規(guī)定的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 11 可把微生物細(xì)胞作為 按特殊經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)實(shí)體 來(lái)看待。 本章將從代謝和代謝調(diào)節(jié)的角度分析細(xì)胞生命活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)規(guī)律， 以求比較圓滿地處理 工業(yè)發(fā)酵目的 與 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 之間的對(duì)立和統(tǒng)一關(guān)系，從而能應(yīng)順自然規(guī)律，用好微生物這個(gè)工具， 為人類(lèi)造福，為世界消災(zāi)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 12 第一節(jié) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假設(shè)的微生物 學(xué)與分子生物學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié) 微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的運(yùn) 行規(guī)律 第三節(jié) 代謝網(wǎng)絡(luò)中碳架物質(zhì)流 的調(diào)動(dòng) 第四節(jié) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說(shuō)與細(xì)胞經(jīng) 濟(jì)學(xué) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 13 第一節(jié) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假設(shè)的微生物 學(xué)與分子生物學(xué)基礎(chǔ) 微生物細(xì)胞中代謝調(diào)節(jié)的部位 微生物酶（蛋白質(zhì)）的自動(dòng)調(diào)節(jié) 微生物膜的自動(dòng)調(diào)節(jié) 微生物代謝途徑的調(diào)節(jié)模式 信息傳遞與信息流 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 14 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假設(shè)的微生物學(xué)基礎(chǔ)是微生物 代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié) 。微生物代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)最終借助于 酶 與 膜 來(lái)實(shí)現(xiàn)。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)胞對(duì)遺傳信息作選擇性的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而對(duì)環(huán)境做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 15 微生物代謝是一種 集成的過(guò)程 ，這個(gè)過(guò)程需要協(xié)調(diào)好無(wú)數(shù)酶或蛋白質(zhì)的作用，將環(huán)境中的主要營(yíng)養(yǎng)同化成細(xì)胞組成物質(zhì)。這又是一種 節(jié)省的過(guò)程 ，也就是說(shuō)在正常情況下，細(xì)胞不會(huì)消耗能量或營(yíng)養(yǎng)去合成那些可以從環(huán)境中得到的化合物，也不過(guò)量合成中間代謝物。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 16 代謝的協(xié)調(diào)能保證在任何特定時(shí)刻、特定的細(xì)胞空間，只合成必要的酶系（參與代謝的多種酶）和剛夠用的酶量。 一旦特定物質(zhì)的合成達(dá)到足夠的量，與這些物質(zhì)合成有關(guān)的酶就不再合成了。并且，已合成的酶的活力受到許多調(diào)節(jié)機(jī)制的控制，以確保新陳代謝全面協(xié)調(diào)，主要是在反饋信息的觸發(fā)下發(fā)生的抑制、激活、阻遏、誘導(dǎo)等基本調(diào)節(jié)機(jī)制。這些 調(diào)節(jié)機(jī)制的協(xié)同作用為微生物細(xì)胞的新陳代謝、細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保證。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 17 在微生物代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，反饋信息的傳遞往往發(fā)生在蛋白質(zhì)水平上，這種傳遞是借助存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞的 膜 結(jié)構(gòu)中的 調(diào)節(jié)酶 和 非酶變構(gòu)蛋白 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此有必要首先 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 18 真核生物與原核生物的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是有很多不同的，這是它們不同“生活方式”的反映。原核細(xì)胞通常是自由生活的單細(xì)胞生物，在環(huán)境條件適宜且營(yíng)養(yǎng)充足的情況下，它們可無(wú)限制的生長(zhǎng)和分裂。 原核生物系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方向是盡可能高效利用營(yíng)養(yǎng)實(shí)現(xiàn)最大生長(zhǎng)。由于沒(méi)有核，原核生物的 DNA連續(xù)接受來(lái)自細(xì)胞質(zhì)的調(diào)節(jié)信號(hào)；因此，蛋白質(zhì)合成的開(kāi)關(guān)控制常是在轉(zhuǎn)錄水平上實(shí)現(xiàn)的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 19 真核生物通常是多細(xì)胞的（酵母、藻類(lèi)和原生動(dòng)物除外）結(jié)構(gòu)上更復(fù)雜的、較大的生物。細(xì)胞分化尤其需要特定類(lèi)型的調(diào)節(jié)，因?yàn)椴煌M織的細(xì)胞有不同的需求。例如，在一個(gè)胚胎中，一個(gè)細(xì)胞不僅需產(chǎn)生新一代細(xì)胞，而且也需經(jīng)歷許多相當(dāng)大的形態(tài)的和生化的變化，并需無(wú)限維持這些變化。這類(lèi)永久開(kāi)關(guān)需要在細(xì)胞中運(yùn)用其他調(diào)節(jié)策略，例如基因丟失、基因失活、基因擴(kuò)增和基因重排。哺乳動(dòng)物代謝則是通過(guò)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和激素在遺傳水平進(jìn)行調(diào)控的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 20 總的說(shuō)來(lái)，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。本章討論的有關(guān)代謝調(diào)節(jié)的內(nèi)容主要來(lái)自原核細(xì)胞。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 21 微生物細(xì)胞中代謝調(diào)節(jié)的部位 真核生物與原核生物的調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的比較 原核生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié) 部位 真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào) 節(jié)部位 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 22 微生物的代謝調(diào)節(jié)是由微生物細(xì)胞決定的，是通過(guò)微生物細(xì)胞本身來(lái)實(shí)現(xiàn)的，環(huán)境條件的變化，必須通過(guò)微生物細(xì)胞本身來(lái)影響微生物的代謝。歸根結(jié)蒂，微生物的代謝調(diào)節(jié)是發(fā)生在微生物 細(xì)胞中的生物化學(xué)現(xiàn)象 ，是對(duì)發(fā)生在微生物細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過(guò)程的調(diào)節(jié)，屬于 微生物生理學(xué)問(wèn)題 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 23 生理學(xué)與生物化學(xué)的區(qū)別在于，生理學(xué)十分強(qiáng)調(diào)生物化學(xué)反應(yīng)在活體內(nèi)發(fā)生的 部位 ，以及該生物化學(xué) 反應(yīng)發(fā)生前后活體生理狀況的變化 。因此，有必要研究 代謝調(diào)節(jié)主要在微生物細(xì)胞的什么部位發(fā)生，發(fā)生什么樣的調(diào)節(jié)，以及調(diào)節(jié)的規(guī)律。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 24 真核生物與原核生物的調(diào)節(jié)系 統(tǒng)的比較 真核生物與原核生物的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是有很多不同的，這是它們不同 “ 生活方式 ” 的反映。雖然原核細(xì)胞與真核細(xì)胞所具有的很多功能頗為類(lèi)似，但它們?cè)谌舾山Y(jié)構(gòu)的及遺傳的性能方面有區(qū)別。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 25 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 26 原核生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送； 2， 代謝途徑的酶的催化作用； 3， 酶和載體蛋白的合成 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 27 ⑴與細(xì)胞質(zhì)膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜是溶質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的主要屏障。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主動(dòng)或被動(dòng)輸送進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程，以及代謝產(chǎn)物（某種代謝產(chǎn)物或能量代謝副產(chǎn)物）排出細(xì)胞的過(guò)程，都要受到膜的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 28 與膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)主要包括以下 4個(gè)方面：① 膜的脂質(zhì) （磷脂及其它脂類(lèi) ） 的分子結(jié)構(gòu)， 以及環(huán)境條件（ 如離子強(qiáng)度、溫度、 pH等 ）對(duì)膜脂質(zhì)理化性質(zhì)的影響； ② 膜蛋白質(zhì) （ 如酶、載體蛋白、電子傳遞鏈的成員及其它蛋白質(zhì) ） 的絕對(duì)數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)； 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 29 ③ 跨膜的電化學(xué)梯度 （膜的生理狀態(tài)）以及胞內(nèi) ATP、 ADP、 AMP庫(kù)和 Pi濃度對(duì)溶質(zhì)輸送的調(diào)節(jié)；④ 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特別是骨架結(jié)構(gòu)的部分破壞或變形，間接影響膜（ 膜的物理狀態(tài) ）對(duì)溶質(zhì)的通透性。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 30 ⑵酶催化能力的調(diào)節(jié) 也就是細(xì)胞空間內(nèi)存在的酶分子的數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)。在原核細(xì)胞中，各種酶和各種底物同存在于一個(gè)空間中。處在一定環(huán)境和生理?xiàng)l件下的原核細(xì)胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度進(jìn)行反應(yīng)，均受到嚴(yán)格的自動(dòng)調(diào)節(jié)。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)包括兩個(gè)方面：一是調(diào)節(jié)反應(yīng)途徑中的酶水平（ 酶分子的濃度 ），特別是關(guān)鍵酶合成或降解的相對(duì)速率，二是改變已存在的 酶的活力 ，特別是關(guān)鍵酶的活力。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 31 ⑶酶與底物的相對(duì)位置 原核細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有典型的細(xì)胞器，除了細(xì)胞質(zhì)膜上存在一些凹陷、皺褶外，細(xì)胞內(nèi)不存在被膜分隔的多個(gè)空間，因此，在細(xì)胞內(nèi)似乎不存在酶與底物的相對(duì)位置影響酶作用的問(wèn)題。但實(shí)際上，在原核細(xì)胞中有時(shí)也有這種形式的調(diào)控，比如當(dāng)一個(gè)酶反應(yīng)系統(tǒng)以 多酶復(fù)合體 （ multienzyme plex ） 的形式存在時(shí)，就可以使酶反應(yīng)在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進(jìn)行。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 32 真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送； 2， 代謝途徑的酶的催化作用； 3， 在核中進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄； 4， 在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的翻譯； 5，不同細(xì)胞空間的溶質(zhì)的跨膜輸送 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 33 真核微生物細(xì)胞比原核生物細(xì)胞復(fù)雜而多樣化。最簡(jiǎn)單的真核微生物酵母細(xì)胞就有典型的細(xì)胞核和一個(gè)或多個(gè)線粒體、液泡等。在核膜外層與細(xì)胞質(zhì)膜之間又有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)存在，由此可見(jiàn)， 真核微生物細(xì)胞內(nèi)的空間被膜結(jié)構(gòu)分隔成許多小室 。由于這些小室的存在，真核微生物的代謝調(diào)節(jié)要比原核生物復(fù)雜得多，就單個(gè)細(xì)胞相比較，真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位要比原核生物細(xì)胞多得多。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 34 真核微生物細(xì)胞同樣存在前述原核生物細(xì)胞的 3 個(gè)代謝調(diào)節(jié)部位。唯有第三個(gè)調(diào)節(jié)部位，即酶與底物的相對(duì)位置，則因分隔小室而增加了不少調(diào)節(jié)的內(nèi)容。 小室是使合成代謝和分解代謝能夠分開(kāi)進(jìn)行和分開(kāi)調(diào)節(jié)的重要輔助手段。 其中，細(xì)胞質(zhì)與線粒