【正文】 我們對(duì)生物信息的渴望尤為強(qiáng)烈，因?yàn)橹挥兴芙o我們帶來(lái)工業(yè)發(fā)酵劃時(shí)代的變革。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(duì)的。第二種吸收系統(tǒng)受氨的阻遏或抑制，而氨的存在還會(huì)使其他含氮化合物不能被利用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 146 ③通常膜對(duì) 葡萄糖的磷酸酯 是不具通透性的：但大腸桿菌、鼠傷寒沙門(mén)氏菌、金黃色葡萄球菌和某些其它細(xì)菌能形成一種 可誘導(dǎo)的主動(dòng)輸送系統(tǒng) ，以推動(dòng) 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。 除了溫度以外，能影響膜脂質(zhì)流動(dòng)性的其他環(huán)境因子，如壓力也能觸發(fā)恒黏適應(yīng)。 膜的流動(dòng)性是決定最高和最低生長(zhǎng)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(dòng)性的唯一因素。根據(jù)前面討論的脂質(zhì)的幾何構(gòu)型知識(shí)，可以期望，增加脂肪酰鏈的平均長(zhǎng)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。雙鍵越多，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。 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(lì)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。以細(xì)菌的翻譯機(jī)構(gòu)為例，它至少涉及 150 個(gè)基因產(chǎn)物的集合，包括 rRNA， 核糖體蛋白， 起始因子、延長(zhǎng)因子及終止因子，氨?；?tRNA合成酶和 tRNAs。為強(qiáng)調(diào)全局性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)綜復(fù)雜和相互覆蓋的性質(zhì)，引入了術(shù)語(yǔ) 調(diào)整子（ modulon） ， 并將它定義為 “ 處于同一個(gè)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。細(xì)胞利用調(diào)節(jié)信號(hào)控制細(xì)胞生理學(xué)的諸多方面，并對(duì)前述的任何一種環(huán)境變化做出協(xié)調(diào)響應(yīng)。因?yàn)樯鲜街邪姿岣?，所以磷酸化位的值的范圍較能荷寬，這個(gè)值是細(xì)胞能量狀態(tài)的更加靈敏的指標(biāo)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 108 為了衡量細(xì)胞的能量狀態(tài)， Atkinson設(shè)定了一個(gè)能表示 細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù) ，并把這個(gè)參數(shù)叫做 能荷 （ energy charge）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 104 ④多功能酶對(duì)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。多價(jià)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(gè)終產(chǎn)物。 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(diǎn)，稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)”。 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(píng)果酸（ MLA） 的抑制。 共價(jià)調(diào)節(jié)酶可以在另外一個(gè)酶（修飾酶）的催化下被共價(jià)地修飾，即在它分子上共價(jià)地結(jié)合上或者釋放一個(gè)低分子量基團(tuán)，從而使酶的活性（有時(shí)還涉及調(diào)節(jié)性能）發(fā)生變化。 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(gè)酶。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 84 變構(gòu)蛋白是這樣一類(lèi)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(huì)發(fā)生變化，由此而引起活性的變化。以上蛋白質(zhì)有相當(dāng)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)。這種機(jī)制能 保證細(xì)胞內(nèi)不會(huì)發(fā)生不加選擇的蛋白質(zhì)水解 。這種調(diào)節(jié)機(jī)制用來(lái)控制成品 mRNA分子被翻譯的次數(shù)。 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(guò)調(diào)節(jié)以下任何一項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)： ①翻譯（蛋白質(zhì)合成）的總速率； ②翻譯起始的概率。這種 Fnr蛋白能辨別有氧和無(wú)氧條件， 受環(huán)境的氧化還原條件控制 ，只有在沒(méi)有分子氧時(shí)才合成。反饋?zhàn)瓒襞c誘導(dǎo)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。 這些自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制可以節(jié)約細(xì)胞內(nèi)的原料和能量 ，對(duì)微生物的好處也是顯而易見(jiàn)的。 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(wú)機(jī)硫酸鹽）也會(huì)對(duì)某些酶發(fā)生營(yíng)養(yǎng)阻遏。當(dāng)受 PTS 輸送的葡萄糖濃度高時(shí)，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(dǎo)致乳糖操縱子上啟動(dòng)子 P被激活程度的下降。 較低的 Ⅲ Glc 濃度可使乳糖透性酶活性恢復(fù)，導(dǎo)致胞內(nèi)乳糖 （ 乳糖操縱子的誘導(dǎo)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(gè)酶的誘導(dǎo)合成。如果啟動(dòng)基因 P缺失，則 RNA多聚酶無(wú)從結(jié)合到操縱子上去，不管有沒(méi)有誘導(dǎo)物，轉(zhuǎn)錄都不會(huì)進(jìn)行，這種突變株稱(chēng) 超阻遏突變株 。 值得注意的是， 這種誘導(dǎo)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(xì)胞內(nèi)效應(yīng)物的濃度。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)胞遵循細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律（代謝自動(dòng)調(diào)節(jié)規(guī)律），對(duì)其自身的遺傳信息作選擇性的表達(dá)，對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)。 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。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 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。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 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) 。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)。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 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。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。 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 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。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 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。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。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 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。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。 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)。正因?yàn)榻Y(jié)合是可逆的，所以 調(diào)節(jié)可以雙向進(jìn)行。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 。 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 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。 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。 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）。 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。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。 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 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）。 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)。 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。 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。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。 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）。 MLA的高水平（ 指細(xì)胞中的高濃度 ）是不需要合成4 C羧酸的信號(hào)， 而乙酰輔酶 A （ AcCoA）的高濃度則表示缺乏 4C羧酸。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 101 ②共價(jià)調(diào)節(jié)酶對(duì)合成代謝途徑的調(diào)節(jié)： 如果共價(jià)調(diào)節(jié)酶催化分支代謝途徑的關(guān)鍵反應(yīng)，就可以滿(mǎn)意地調(diào)節(jié)這條分支途徑的代謝通量。研究結(jié)果證明， AKⅠ 和 HDⅠ 酶分子由 4 個(gè)亞基組成， 2個(gè)酶的活性中心同在 1 個(gè)亞基上，亞基多肽鏈的 N 端是 AK， C 端是 HD，也就是說(shuō) AKⅠ 和 HDⅠ 同存在于一條多肽鏈上， AKⅠ 和 HDⅠ 構(gòu)成一個(gè)多功能酶。 上式給出的能荷對(duì)流