【正文】 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) ）對溶質(zhì)的通透性。這種自動調(diào)節(jié)包括兩個方面：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 33 真核微生物細胞比原核生物細胞復雜而多樣化。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 34 真核微生物細胞同樣存在前述原核生物細胞的 3 個代謝調(diào)節(jié)部位。 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)更加復雜化、多樣化。而微生物酶的結(jié)構(gòu)與功能，膜的結(jié)構(gòu)、組成與功能，以及它們的自動調(diào)節(jié)機制的信息都存在于 DNA中； 在不同的環(huán)境條件下，微生物細胞遵循細胞經(jīng)濟規(guī)律（代謝自動調(diào)節(jié)規(guī)律），對其自身的遺傳信息作選擇性的表達，對環(huán)境做出響應(yīng)。 對于指定的微生物菌株（即遺傳物質(zhì)確定的情況下），代謝自動調(diào)節(jié)表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)和整個細胞等 4個不同的水平上。 值得注意的是， 這種誘導物與阻遏蛋白的結(jié)合是可逆的 ，結(jié)合或解除結(jié)合取決于細胞內(nèi)效應(yīng)物的濃度。 從細胞經(jīng)濟的角度看 ，僅僅根據(jù)需要誘導合成必要的酶（蛋白質(zhì)），可以避免核苷酸、氨基酸和代謝能的浪費。如果啟動基因 P缺失，則 RNA多聚酶無從結(jié)合到操縱子上去，不管有沒有誘導物，轉(zhuǎn)錄都不會進行，這種突變株稱 超阻遏突變株 。 過去曾假設(shè)，是能被迅速同化的碳源（如葡萄糖）降解過程中的某代謝產(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）。 較低的 Ⅲ Glc 濃度可使乳糖透性酶活性恢復，導致胞內(nèi)乳糖 （ 乳糖操縱子的誘導物 ）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 那幾個酶的誘導合成。 細胞對葡萄糖（ Glc） 的利用導致胞內(nèi) cAMP濃度大幅度下降，當大部分Glc被消耗掉， cAMP 濃度才回升。當受 PTS 輸送的葡萄糖濃度高時，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，從而導致乳糖操縱子上啟動子 P被激活程度的下降。 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。 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（特別是無機硫酸鹽）也會對某些酶發(fā)生營養(yǎng)阻遏。這些分子模塊的合成量，要正好用來合成組成細胞的生物大分子；分子模塊的過量產(chǎn)生，是必須避免的。 這些自動調(diào)節(jié)機制可以節(jié)約細胞內(nèi)的原料和能量 ，對微生物的好處也是顯而易見的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 59 圖 45 酶合成的反饋阻遏模型 R， 酶阻遏的調(diào)節(jié)基因； P， 啟動子； O， 操縱基因； S S S3為生物合成途徑的酶的結(jié)構(gòu)基因 。反饋阻遏與誘導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 63 （ 4）中心代謝途徑的酶合成的調(diào)節(jié) “ 誘導 ” 這個術(shù)語常常與分解代謝酶有關(guān) ， “ 阻遏 ” 這個術(shù)語常常與合成代謝的酶有關(guān) 。這種 Fnr蛋白能辨別有氧和無氧條件， 受環(huán)境的氧化還原條件控制 ，只有在沒有分子氧時才合成。 推測 Fnr 調(diào)節(jié)蛋白在這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的作用，類似于營養(yǎng)阻遏的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的環(huán)腺苷酸接受蛋白（ CRP） 所起的作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 70 ⑴翻譯速度的控制 一般情況下，翻譯速度的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)以下任何一項來實現(xiàn)： ①翻譯（蛋白質(zhì)合成）的總速率； ②翻譯起始的概率。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 72 因為核糖體對蛋白質(zhì)的合成能力是有限的（ 37℃ 下每秒鐘約翻譯 15個氨基酸分子），所以在不同的比生長速率下（因而，不同的蛋白質(zhì)合成速率下），每個細胞的核糖體數(shù)目也隨之變化。這種調(diào)節(jié)機制用來控制成品 mRNA分子被翻譯的次數(shù)。 對異常蛋白質(zhì)的及時降解，既可以卸除代謝的包袱，又可以使氨基酸及時得到回用，因此是微生物的一種節(jié)約機制。這種機制能 保證細胞內(nèi)不會發(fā)生不加選擇的蛋白質(zhì)水解 。離心途徑從這些代謝前體物出發(fā)，經(jīng)離心途徑合成典型的工業(yè)發(fā)酵的目的產(chǎn)物， 或者從離心途徑的某中間代謝物分出的合成另一種目的產(chǎn)物的二級離心途徑。以上蛋白質(zhì)有相當部分屬于 變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶 ，另一些蛋白質(zhì)不是變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶，但它們都可以 接受蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)。這些調(diào)節(jié) 能在極短的（調(diào)節(jié)酶的）特性時間里迅速地得到響應(yīng) ，因為這種調(diào)節(jié)是通過影響蛋白質(zhì)（酶）分子構(gòu)象的變化來實現(xiàn)的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 84 變構(gòu)蛋白是這樣一類蛋白質(zhì)，如果某特定的小分子（效應(yīng)物）與它結(jié)合，它的構(gòu)象就會發(fā)生變化，由此而引起活性的變化。由調(diào)節(jié)基因編碼，在操縱子表達中起調(diào)節(jié)作用的變構(gòu)蛋白叫調(diào)節(jié)蛋白（如誘導和阻遏模型中的阻遏蛋白和原阻遏物）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 87 ②變構(gòu)酶： 變構(gòu)酶在代謝調(diào)節(jié)中起重要作用的酶，它們往往是代謝網(wǎng)絡(luò)中分支途徑的第一個酶。 活性部位的配位體是酶的底物，而調(diào)節(jié)部位的配位體一般是效應(yīng)物（激活劑或抑制劑） ，而效應(yīng)物與酶的底物在結(jié)構(gòu)上一般有差異（但有時底物本身就是酶的激活劑）。 共價調(diào)節(jié)酶可以在另外一個酶（修飾酶）的催化下被共價地修飾，即在它分子上共價地結(jié)合上或者釋放一個低分子量基團，從而使酶的活性（有時還涉及調(diào)節(jié)性能）發(fā)生變化。原因是 ID被磷酸化了： ID是 TCA環(huán)和 GOA 環(huán)兩者分叉處（ 異檸檬酸節(jié)點）的酶， ID 的失活可使更多的碳架物質(zhì)經(jīng)異檸檬酸裂合酶（ IL ） 進入 GOA 環(huán)，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸（可用于葡萄糖異生成方向）的形成，進而形成糖的磷酸酯，然后可以進入細胞壁多糖、 DNA、 RNA。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 95 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（ PEPC） 受Asp 和蘋果酸（ MLA） 的抑制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 96 圖 412 大腸桿菌中酵解和糖原合成途徑的酶活性調(diào)節(jié) I， 抑制； A， 激活； 括號內(nèi)是酶名稱的縮寫 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 97 F1,62P（ 即 FDP ） 是酵解和糖原形成途徑的關(guān)鍵分支點，它在細胞內(nèi)的濃度是受到調(diào)節(jié)控制的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 98 ⑷離心（合成代謝）途徑的酶活性的調(diào)節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)中有許多可以形成途徑分支的點，稱為“節(jié)點”。這里將從酶的角度分析合成代謝途徑的調(diào)節(jié)情況（圖 413）。多價變構(gòu)酶往往處于多分支的分支途徑的共同途徑上，它的效應(yīng)物則是它的多個終產(chǎn)物。比如大腸桿菌的 Asp 族氨基酸的合成途徑是有 3 個分支的途徑，在這一族氨基酸的合成代謝途徑上，天冬氨酸激酶（ AK）和高絲氨酸脫氫酶（ HD ） 分別由 3 個和 2 個同工酶組成。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 104 ④多功能酶對合成代謝的調(diào)節(jié)： 從圖 413 可以看到，在大腸桿菌中 AK 和 HD都是同工酶。然而，降解代謝確實受到了反饋調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 108 為了衡量細胞的能量狀態(tài)， Atkinson設(shè)定了一個能表示 細胞能量狀態(tài)的參數(shù) ，并把這個參數(shù)叫做 能荷 （ energy charge）。 生長中的大腸桿菌細胞的 EC = ， 當 EC＜，細胞停止生命活動。因為上式中包含磷酸根，所以磷酸化位的值的范圍較能荷寬，這個值是細胞能量狀態(tài)的更加靈敏的指標。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 114 細胞經(jīng)受所有以上這些外界壓迫 （ stresses ）， 仍能在 DNA復制、細胞生長和分裂之間維持所需的平衡。細胞利用調(diào)節(jié)信號控制細胞生理學的諸多方面，并對前述的任何一種環(huán)境變化做出協(xié)調(diào)響應(yīng)。 調(diào)節(jié)子（ regulon） 往往是指這樣一組受同一個調(diào)節(jié)蛋白的控制的基因， 雖然這些基因不像操縱子那樣聯(lián)在一起，而是沿著染色體分散著。為強調(diào)全局性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的錯綜復雜和相互覆蓋的性質(zhì)，引入了術(shù)語 調(diào)整子（ modulon） ， 并將它定義為 “ 處于同一個多效性調(diào)節(jié)蛋白的控制之下的操縱子和（或）調(diào)節(jié)子。 全局調(diào)節(jié)子上的所有操縱子響應(yīng)環(huán)境壓迫的最簡單的方法是產(chǎn)生信號分子警報子（ alarmone） ， 這種分子是在細胞受環(huán)境壓迫時累積的。以細菌的翻譯機構(gòu)為例，它至少涉及 150 個基因產(chǎn)物的集合，包括 rRNA， 核糖體蛋白， 起始因子、延長因子及終止因子，氨?；?tRNA合成酶和 tRNAs。對大多數(shù)細菌來說，葡萄糖是優(yōu)質(zhì)基質(zhì)，當存在于生長培養(yǎng)基時，它阻礙第二種或備用底物的代謝所需酶系的表達（營養(yǎng)阻遏）。 此外還有氮同化和氮固定的調(diào)節(jié)、受磷酸鹽饑餓控制的激勵子的調(diào)節(jié)，以及蛋白質(zhì)分解的控制（即 Lon 蛋白酶）的調(diào)節(jié)等。 課外講座： 《 微生物代謝的自動調(diào)節(jié)》 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 124 微生物膜的自動調(diào)節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 125 膜脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與膜流動性 的關(guān)系 恒粘適應(yīng)現(xiàn)象 膜蛋白質(zhì)的活性和合成的調(diào) 節(jié)（參考 ） 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 126 膜脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與 膜流動性的關(guān)系 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 127 膜脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與膜流動性的關(guān)系：如果構(gòu)成膜脂質(zhì)雙分子層的磷脂分子的脂?；耆?直鏈飽和脂?；?的話，由于脂酰基之間的 位阻 效應(yīng)，脂質(zhì)分子能夠緊密地排列，其結(jié)果是膜脂質(zhì)雙分子層具有相對高的相變溫度，脂肪酸的熔點和膜脂質(zhì)雙分子層的相變溫度直接取決于 飽和脂肪酸（酰）鏈的長度 。雙鍵越多，這種現(xiàn)象越嚴重。 究竟屬哪一種類型的脂肪酸取決于甲基分支的位置，若脂肪酸分支的碳氫鏈末端第二個碳原子前的碳原子上有分支，則為前異式脂肪酸。根據(jù)前面討論的脂質(zhì)的幾何構(gòu)型知識，可以期望，增加脂肪酰鏈的平均長度，將前異式轉(zhuǎn)化為異式，降低不飽和鏈與飽和鏈之比，均可以提高脂質(zhì)的相變溫度。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 135 總之，嗜溫微生物生長時，溫度條件的下降會導致膜中影響脂質(zhì)分子整齊排列的脂質(zhì)分子的增加；當生長（培養(yǎng)）溫度上升時，則情況正好相反。 膜的流動性是決定最高和最低生長溫度的主要因素 ，盡管膜脂質(zhì)分子的組成并不是決定膜脂質(zhì)流動性的唯一因素。當溫度下降時，膜因脂質(zhì)逐漸剛化而失去活性。 除了溫度以外，能影響膜脂質(zhì)流動性的其他環(huán)境因子，如壓力也能觸發(fā)恒黏適應(yīng)。這里僅介紹一些與跨膜輸送有關(guān)的膜蛋白的研究結(jié)果： 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 144 ①在黃色短桿菌（一種用來生產(chǎn)氨基酸的菌種 ）中：果糖激酶（ FK ） 幾乎測不出來，但在果糖的誘導下，可以合成果糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（ PTS）， 以基團轉(zhuǎn)移機制吸收果糖；并且在一缺失葡萄糖 PTS 的突變株中觀察到，這個 果糖 PTS 受到葡萄糖的阻遏。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 146 ③通常膜對 葡萄糖的磷酸酯 是不具通透性的：但大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和某些其它細菌能形成一種 可誘導的主動輸送系統(tǒng) ，以推動 6磷酸葡萄糖、 2脫氧 6磷酸葡萄糖、 6 磷酸甘露糖、 6磷酸果糖、 1 磷酸葡萄糖和 1 磷酸果糖的吸收作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 148 粗糙脈孢菌除了有分別用于中性、堿性和酸性氨基酸的專一性的輸送（吸收）系統(tǒng)，還有第四種非專一性的吸收系統(tǒng)。第二種吸收系統(tǒng)受氨的阻遏或抑制，而氨的存在還會使其他含氮化合物不能被利用。載體 Ⅰ 對硫酸根的親和力較弱，主要存在于孢子中；載體 Ⅱ 對硫酸根的親和力要強得多，主要存在于菌絲體中。一條代謝途徑的終產(chǎn)物，可能是另一條代謝途徑的起始物，因此代謝途徑的終端產(chǎn)物是相對的。此處從略，必要時可在課外作專題講座 。 我們對生物信息的渴望尤為強烈，因為只有它能給我們帶來工業(yè)發(fā)酵劃時代