【正文】 酵原理 92 分解代謝和中心代謝途徑運(yùn)行可為細(xì)胞進(jìn)行生物合成提供能量和原料，因此把能量代謝的最終產(chǎn)物（以 ATP為代表）和用作合成代謝前體的中心代謝途徑的某些 中間代謝物 ，作為控制中心代謝途徑的 調(diào)節(jié)信號(hào)（效應(yīng)物） 是合乎情理的。 共價(jià)調(diào)節(jié)酶的好處在于：只要微生物細(xì)胞內(nèi)某個(gè)代謝產(chǎn)物的濃度有相對(duì)小的變化，就能誘發(fā)由這個(gè)代謝產(chǎn)物控制的共價(jià)調(diào)節(jié)酶的充分的激活或完全失活（或幾乎完全失活）。效應(yīng)物結(jié)合到調(diào)節(jié)部位上可引起活性部位構(gòu)象的改變，這種改變或是增強(qiáng)酶的催化活力（ 激活 ），或是降低酶的催化活力（ 抑制 ）。變構(gòu)酶以低聚體（ oligomer）的形式存在，它們可由 6 或更多亞單位組成，這些亞單位可以是相同的多肽，也可以是不同的多肽。當(dāng)它們處于活性構(gòu)象狀態(tài)時(shí)，就能與操縱子上相應(yīng)部位相結(jié)合，從而阻塞（或促進(jìn)）操縱子的轉(zhuǎn)錄。 因?yàn)檫@種結(jié)合（非共價(jià)結(jié)合）是可逆的，所以變構(gòu)蛋白就能在代謝調(diào)節(jié)中直接地或間接地發(fā)生作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 83 ⑴變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)機(jī)制 不論是酶合成的調(diào)節(jié)還是酶的活性的調(diào)節(jié)，均由效應(yīng)物（往往是低分子質(zhì)量的化合物）的介入而引起。 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)主要包括：變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)、共價(jià)調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)、中心代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)、合成代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)等。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 80 離心途徑中的關(guān)鍵反應(yīng)的酶，就是該途徑中最重要的調(diào)控點(diǎn)；而催化這個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)的酶往往是分支后面的第一個(gè)不可逆反應(yīng)的酶。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 78 ⑴變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)機(jī)制 ⑵共價(jià)調(diào)節(jié)酶 ⑶中心代謝途徑的酶的活性的調(diào)節(jié) ⑷合成代謝途徑（即代謝網(wǎng)絡(luò)中離 心途徑）的酶活性的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 77 研究證明，用于降解異常蛋白的 Lon蛋白酶只認(rèn)辨和作用于未折疊的蛋白質(zhì) ，這個(gè)事實(shí)將幫助我們解釋?zhuān)摪麅?nèi)蛋白酶怎么能夠在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離存在，而不破壞細(xì)胞必需的蛋白質(zhì)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 75 ⑵異常蛋白質(zhì)的降解 異常蛋白質(zhì)包括：由無(wú)意義突變引起的不完全蛋白質(zhì)、有氨基酸替代的完全蛋白質(zhì)、過(guò)量合成的多聚復(fù)合物大分子的某些亞基（如 σ亞基）。把細(xì)菌細(xì)胞從營(yíng)養(yǎng)豐富培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移到基本培養(yǎng)基的試驗(yàn)結(jié)果表明，每個(gè)細(xì)胞的核糖體含量因 rRNA的合成暫停而相應(yīng)地減少。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 71 1. 蛋白質(zhì)合成的總速率的調(diào)節(jié) 翻譯的調(diào)節(jié)發(fā)生在為核糖體蛋白編碼的幾個(gè)操縱子上。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 67 應(yīng)該指出，在厭氧條件下，大腸桿菌形成第二種甲酸脫氫酶 (FDHl)，它與硝酸鹽還原酶或延胡索酸酶有聯(lián)系。這種蛋白的存在，可促進(jìn)硝酸鹽還原酶 （ nitrate reductase ）、 延胡索酸還原酶和甲酸 氫裂合酶（ FDH2，一種甲酸脫氫酶和氫化酶的復(fù)合物）的基因的轉(zhuǎn)錄。 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 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 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。 阻遏控制轉(zhuǎn)錄的開(kāi)始，弱化控制轉(zhuǎn)錄的中止 （也就是在已開(kāi)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）。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。 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。 在曲霉菌中，控制氮源阻遏的基因（ areA） 已被檢出。 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。 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 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）。 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。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 。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。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 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 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)。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。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。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。 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。 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)。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。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 。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 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。 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。 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。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 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。 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。 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 。 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。 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。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。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。 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。 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。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)。 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。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)。 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。 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) 。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。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。 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。 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。 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