【正文】 。 小室是使合成代謝和分解代謝能夠分開進(jìn)行和分開調(diào)節(jié)的重要輔助手段。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， 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 。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。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。 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。 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 。 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。細(xì)胞分化尤其需要特定類型的調(diào)節(jié)，因?yàn)椴煌M織的細(xì)胞有不同的需求。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。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。 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)。 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， 為人類造福，為世界消災(zāi)。 “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。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 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。 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。 ,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 。 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。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)。 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)）。 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。 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) 。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。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。 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)。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。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。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。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。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)。 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 。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。 其中，細(xì)胞質(zhì)與線粒體之間的分工協(xié)作，可從 表 42 得到反映。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 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。 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。 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）。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)。 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。 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。乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄不但需要有誘導(dǎo)物，還需要 cAMP。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 ）。 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。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 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 。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。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。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 65 ② 許多“厭氧酶”的合成需要一種 Fnr 調(diào)節(jié)蛋白（ formatenitrate regulation protein ） 的合成，它是 fnr 基因的產(chǎn)物。有硝酸鹽存在時(shí)（沒有分子氧），只有硝酸鹽還原酶的基因表達(dá)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 68 翻譯水平上的調(diào)節(jié) ⑴翻譯速度的控制 ⑵異常蛋白質(zhì)的降解 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 69 這里包括兩層意思，其一是對(duì)翻譯速度的調(diào)節(jié)，其二是對(duì)已翻譯錯(cuò)了的、會(huì)成為細(xì)胞代謝包袱的蛋白質(zhì)分子的破壞性降解，即異常蛋白的降解 。 在含有葡萄糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素和脂肪酸的營(yíng)養(yǎng)豐富培養(yǎng)基中，細(xì)胞不必合成這些分子模塊，因此生長(zhǎng)極為迅速，世代時(shí)間少于 30min。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 74 2. 翻譯起始的概率的調(diào)節(jié) 某些酶的遺傳控制也能夠發(fā)生在翻譯水平，被稱為轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 76 微生物細(xì)胞中似乎存在一個(gè)專門用來(lái)降解異常蛋白的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)，它主要在大多數(shù)異常蛋白質(zhì)的降解中起作用。余下的 ADP仍連在已失活的 Lon蛋白酶上，直到有一個(gè)新的蛋白質(zhì)作為它的合格底物，去誘發(fā)它的離去。代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊上的 12個(gè)代謝前體物就是這樣的節(jié)點(diǎn)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 81 在細(xì)胞的生命活動(dòng)中，細(xì)胞的蛋白質(zhì)可以是 酶、載體蛋白、電子傳遞鏈成員、調(diào)節(jié)蛋白（原阻遏物、阻遏蛋白、受體蛋白等）等功能性蛋白和各種各樣的結(jié)構(gòu)蛋白 。 這些調(diào)節(jié)包括 可逆的和不可逆的調(diào)節(jié) ，實(shí)質(zhì)上是影響總的可利用酶分子中表現(xiàn)活性的酶分子的數(shù)量。這兩種調(diào)節(jié)機(jī)制均涉及到一類特殊的蛋白質(zhì) —— 變構(gòu)蛋白 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 85 ①非酶變構(gòu)蛋白： 主要包括 調(diào)節(jié)蛋白 和 受控載體蛋白 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 86 作為輸送工具的載體蛋白，有些也是變構(gòu)蛋白，稱為受控載體蛋白 例如大腸桿菌中，由乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因編碼的乳糖透性酶（一種載體蛋白，用于乳糖輸送）就可能是這種變構(gòu)蛋白。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 88 調(diào)節(jié)酶的亞單位除了有活性部位之處，還有調(diào)節(jié)部位（也稱變構(gòu)部位），這個(gè)部位是獨(dú)立于活性部位之外的另一與配位體（ 1igand）結(jié)合的部位。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 90 可由共價(jià)修飾引起酶活性（有時(shí)還涉及調(diào)節(jié)特性）改變的酶叫共價(jià)調(diào)節(jié)酶。 將醋酸添加到一含葡萄糖很少的培養(yǎng)基中，正在培養(yǎng)中的這兩種細(xì)菌的異檸檬酸脫氫酶（ ID ） 迅速失活。丙酮酸脫氫酶（ PDH） 復(fù)合物、檸檬酸合成酶（ CS）， 蘋果酸脫氫酶（ MD） 受到 NADH的抑制， CS 還受到 αKG的抑制， PDH 復(fù)合物還受到 AcCoA的抑制。許多微生物 （ 如乳糖發(fā)酵短桿菌 ）細(xì)胞含丙酮酸羧化酶（ PC ）， 并以它作為回補(bǔ)酶（ anaplerotic enzyme ） 來(lái)替代 PEPC ， 大多數(shù)微生物的 PC也受 AcCoA的激活。胞內(nèi) PEP的高濃度是胞