【正文】 。 小室是使合成代謝和分解代謝能夠分開進行和分開調(diào)節(jié)的重要輔助手段。在核膜外層與細胞質(zhì)膜之間又有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)存在，由此可見， 真核微生物細胞內(nèi)的空間被膜結(jié)構(gòu)分隔成許多小室 。但實際上，在原核細胞中有時也有這種形式的調(diào)控，比如當一個酶反應(yīng)系統(tǒng)以 多酶復(fù)合體 （ multienzyme plex ） 的形式存在時，就可以使酶反應(yīng)在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進行。在原核細胞中，各種酶和各種底物同存在于一個空間中。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 25 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 26 原核生物細胞的代謝調(diào)節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營養(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與細胞質(zhì)膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié) 細胞質(zhì)膜是溶質(zhì)進出細胞的主要屏障。 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 總的說來，遺傳控制機制本質(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胞要求。細胞分化尤其需要特定類型的調(diào)節(jié)，因為不同組織的細胞有不同的需求。原核細胞通常是自由生活的單細胞生物，在環(huán)境條件適宜且營養(yǎng)充足的情況下，它們可無限制的生長和分裂。并且，已合成的酶的活力受到許多調(diào)節(jié)機制的控制，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 集成的過程 ，這個過程需要協(xié)調(diào)好無數(shù)酶或蛋白質(zhì)的作用，將環(huán)境中的主要營養(yǎng)同化成細胞組成物質(zhì)。 本章將從代謝和代謝調(diào)節(jié)的角度分析細胞生命活動的經(jīng)濟規(guī)律， 以求比較圓滿地處理 工業(yè)發(fā)酵目的 與 細胞經(jīng)濟運行 之間的對立和統(tǒng)一關(guān)系，從而能應(yīng)順自然規(guī)律，用好微生物這個工具， 為人類造福，為世界消災(zāi)。 “耗散結(jié)構(gòu)”這一術(shù)語就是用來表示系統(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)的形成機理，以及它的性質(zhì)、穩(wěn)定條件和演變規(guī)律； 這個理論為熱力學(xué)系統(tǒng)與生命系統(tǒng)、社會系統(tǒng)的運行規(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。 ,這個細胞經(jīng)濟規(guī)律實際上是微生物細胞 自主經(jīng)濟的保障 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 3 微生物細胞是遠離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，是在物競天擇的基礎(chǔ)上形成的 細胞經(jīng)濟體系 。 也就是說，熱力學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)過程的總是向熵增加的方向（即有序性程度減少、無序程度增加的方向）發(fā)展。并且，熱力學(xué)第二定律無法說明系統(tǒng)由無序到有序、由低級的有序到高級的有序的演化和發(fā)展的趨向；也無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)是指一個遠離平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)（力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的，乃至社會的經(jīng)濟系統(tǒng)）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 10 在物競天擇的基礎(chǔ)上形成的微生物代謝體系，是保障微生物細胞生存的細胞經(jīng)濟體系。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 12 第一節(jié) 細胞經(jīng)濟假設(shè)的微生物 學(xué)與分子生物學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié) 微生物的細胞經(jīng)濟的運 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 第四節(jié) 細胞經(jīng)濟假說與細胞經(jīng) 濟學(xué) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 13 第一節(jié) 細胞經(jīng)濟假設(shè)的微生物 學(xué)與分子生物學(xué)基礎(chǔ) 微生物細胞中代謝調(diào)節(jié)的部位 微生物酶（蛋白質(zhì)）的自動調(diào)節(jié) 微生物膜的自動調(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 細胞經(jīng)濟假設(shè)的微生物學(xué)基礎(chǔ)是微生物 代謝的自動調(diào)節(jié) 。這又是一種 節(jié)省的過程 ，也就是說在正常情況下，細胞不會消耗能量或營養(yǎng)去合成那些可以從環(huán)境中得到的化合物，也不過量合成中間代謝物。這些 調(diào)節(jié)機制的協(xié)同作用為微生物細胞的新陳代謝、細胞的經(jīng)濟運行提供保證。 原核生物系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方向是盡可能高效利用營養(yǎng)實現(xiàn)最大生長。例如，在一個胚胎中，一個細胞不僅需產(chǎn)生新一代細胞，而且也需經(jīng)歷許多相當大的形態(tài)的和生化的變化，并需無限維持這些變化。本章討論的有關(guān)代謝調(diào)節(jié)的內(nèi)容主要來自原核細胞。因此，有必要研究 代謝調(diào)節(jié)主要在微生物細胞的什么部位發(fā)生，發(fā)生什么樣的調(diào)節(jié)，以及調(diào)節(jié)的規(guī)律。營養(yǎng)物質(zhì)主動或被動輸送進入細胞的過程，以及代謝產(chǎn)物（某種代謝產(chǎn)物或能量代謝副產(chǎn)物）排出細胞的過程，都要受到膜的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響。處在一定環(huán)境和生理條件下的原核細胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度進行反應(yīng)，均受到嚴格的自動調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 32 真核微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營養(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， 在核中進行的轉(zhuǎn)錄； 4， 在細胞質(zhì)中進行的翻譯； 5，不同細胞空間的溶質(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，就單個細胞相比較，真核微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)部位要比原核生物細胞多得多。 其中，細胞質(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) 整個細胞水平上的調(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實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的。 這里要以原核生物為例，敘述通過酶實現(xiàn)的代謝自動調(diào)節(jié)的機制。 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操縱基因的阻塞）。從營養(yǎng)的角度看 ，微生物可以根據(jù)環(huán)境所提供的生長底物，誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶（蛋白質(zhì)），以分解生長底物，吸收營養(yǎng)，進行代謝活動，從而形成微生物對環(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營養(yǎng)阻遏 (nutritional repression)的機制 在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細胞中只有一個 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 當葡萄糖濃度下降時， 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 氮源營養(yǎng)阻遏 指的是：高濃度的氨或某些含氮有機化合物對催化含氮底物降解的酶的阻遏的調(diào)節(jié)控制機制。這個調(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)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏（ repression ） 和弱化 ( attenuation )的機制 化能異養(yǎng)型微生物細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，那它就必須合成所有要用來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)物的反饋阻遏、弱化等機制，或兩者兼用 。前者指的是 反饋阻遏 ，也就是氨基酸合成途徑的終端產(chǎn)物（與合成途徑相對應(yīng)的氨基酸）作為輔阻遏物 阻礙轉(zhuǎn)錄的發(fā)動（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)物氨基酸相對應(yīng)的氨基酰 tRNA 和轉(zhuǎn)錄的中止，即 當細胞中存在過量的對應(yīng)氨基酰 tRNA 時，已發(fā)動的轉(zhuǎn)錄會在操縱子的第一個結(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（沒有分子氧），只有硝酸鹽還原酶的基因表達。 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，其一是對翻譯速度的調(diào)節(jié)，其二是對已翻譯錯了的、會成為細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養(yǎng)豐富培養(yǎng)基中，細胞不必合成這些分子模塊，因此生長極為迅速，世代時間少于 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 微生物細胞中似乎存在一個專門用來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個代謝前體物就是這樣的節(jié)點。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 81 在細胞的生命活動中，細胞的蛋白質(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），這個部位是獨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 可由共價修飾引起酶活性（有時還涉及調(diào)節(jié)特性）改變的酶叫共價調(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 ）細胞含丙酮酸羧化酶（ PC ）， 并以它作為回補酶（ anaplerotic enzyme ） 來替代 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