【正文】 量的協(xié)調控制 ， 式中帶下標的 c分別表示下標對應的腺苷酸的濃度 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 111 整個細胞水平上的調節(jié) ( 全局性調節(jié) ) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 112 作為基因調節(jié)的一個例子，乳糖操縱子的調節(jié)機制的揭示，激起了研究其他操縱子的強烈興趣，導致很多新操縱子的發(fā)現(xiàn)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 116 這樣的調節(jié)網絡包括多套 操縱子（ operon） 和多套 調節(jié)子 （ regulon ） ，它們的功能表面上無關，在染色體圖上的物理位置也不連續(xù)。它們通過共享一個 多效調節(jié)蛋白 ，可在不同的特定控制之下，引發(fā)不止一種效應。 如此眾多的、相互關聯(lián)組分的協(xié)調調節(jié)，對細胞生長的總效率是很重要的，而且，將所有這些基因包容在一個操縱子內也幾乎是不可能的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 123 細菌細胞通過代謝調節(jié)自動開源節(jié)流的現(xiàn)象，已成為微生物細胞的經濟運行的有說服力的證據。單不飽和脂還有 順式 與 反式 之分，膜中經常出現(xiàn)的是順式單不飽和脂，這種不飽和脂的熔點更低。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 134 事實也確實如此，許多種微生物在環(huán)境溫度上升時就會發(fā)生如上一種或幾種轉變；當環(huán)境溫度下降時，嗜溫微生物的膜的脂質的成分就會發(fā)生相反方向的轉變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 137 對許多嗜熱和嗜冷微生物檢測的結果表明，在同一個分類學上的種內與嗜溫微生物相比，嗜熱微生物的膜脂質含有較高比例的直鏈飽和和異式分支脂肪酸（?；?，嗜冷微生物含有較高比例的鏈較短的飽和脂肪酸或更加不飽和及有前異式分支的脂肪酸鏈。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 141 膜蛋白質的活性和合成的調節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 142 除了被動擴散以外，化學物質跨膜需依賴載體蛋白、酶和代謝能，因此可以認為膜蛋白參與經膜實現(xiàn)的極大多數(shù)動態(tài)過程。 外源的糖磷酸酯誘導該體系的機制尚不清楚。具備這兩種吸收系統(tǒng)對這種微生物是有利的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 154 微生物代謝途徑的調節(jié)方式是多種多樣的，為了研究的方便，建立了 21種調節(jié)模式。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 157 遺傳信息流和理化信息流 多基因系統(tǒng)處理信息的功能 借助于磷酸化作用實現(xiàn)的信號 轉換 代謝網絡的調節(jié)（ regulation of metabolic works） 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 158 生物信息流和理化信息流 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 159 可以把微生物細胞看作是 信息處理器 ，它們 復制 和 傳遞 自己的生物信息， 接收 細胞內外的物理、化學甚至生物信息，并在對這些信息流進行 綜合處理 的基礎上， 發(fā)出代謝調控的指令，控制微生物細胞自身的生命活動。 用矛盾的對立統(tǒng)一的觀點來全面認識物質，能量和信息之間的關系，樹立發(fā)酵工程的科學發(fā)展觀，在信息技術飛速發(fā)展的今天尤為重要。代謝途徑與跨膜系統(tǒng)是代謝網絡的兩個重要組成部分。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 150 ⑤構巢曲霉通過 兩種控制系統(tǒng)來調節(jié)氨的吸收 ：第一種吸收系統(tǒng)不受環(huán)境中氨濃度的調節(jié)，氨的吸收速率決定于細胞內的氨濃度，直到細胞內的氨濃度超過某一定值才停止吸收。這是合乎微生物的節(jié)約原理的，因為如果環(huán)境中葡萄糖較高時，單靠結構性（組成型）的促進擴散系統(tǒng)便能維持細胞內有一合適的糖濃度；而當環(huán)境中葡萄糖濃度較低的情況下，親和力高的主動輸送系統(tǒng)就可以發(fā)揮有效的吸收作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 140 然而，膜脂質的適應性改變，似乎僅僅是決定特定微生物生長溫度范圍的一個因素，因為磷脂分子極性頭的性質、膜中蛋白質與脂質的總的比率似乎也要影響膜的流動性。從嗜溫微生物脂肪酰基改變的性質出發(fā)可以設想：在進化的過程中，只能在高溫或低溫下生長的微生物已改變了這種自動調節(jié)的范圍，從而保證在這些極端條件下，它們的膜脂質仍具有適當?shù)牧鲃有浴? 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 132 恒黏適應現(xiàn)象 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 133 已經發(fā)現(xiàn)嗜溫微生物是通過 改變膜脂質的脂肪?；鶃眄憫h(huán)境溫度的變化的，這種改變可以使得膜的流動性在新的溫度下保持恒定，這種現(xiàn)象叫做恒黏適應（ homeoviscous） 現(xiàn)象。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 129 這是因為雙鍵使脂肪酸鏈發(fā)生轉折，從而限制了磷脂分子的互相靠近；這樣的磷脂形成的脂質雙分子層即使在 0℃ 以下 ，仍保持不整齊的狀態(tài)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 122 以研究的細菌代謝的全局控制的機制有：⑴ SOS響應網絡（可誘導的修復）， ⑵ 熱刺激響應 ，⑶ 有氧及無氧激勵子 ， ⑷ 緊縮響應 。 第一，某些細胞過程所涉及的基因多于一個單獨的操縱子所能容納的基因。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 118 激勵子（ stimulon ） 是用來指稱對應于單一環(huán)境刺激的全部調節(jié)子，或者說，用來描述對一個給定環(huán)境壓迫作出響應的所有基因、操縱子和調節(jié)子。全局控制是細胞利用調節(jié)信號的與生俱來的能力 。它與能荷不同之處是它在數(shù)值上還決定于無機磷酸鹽的濃度： 式中帶下標的 c 分別表示下標對應的腺苷酸或磷酸根的濃度。 ATP、 ADP、 AMP 分子數(shù)的比例反映了細胞的能量狀態(tài)。當其中一種同工酶受到抑制或缺損時，另外的同工酶仍在起作用，從而保證微生物細胞的代謝繼續(xù)進行。變構酶的活力及該酶所在分支途徑上的代謝通量受該分支途徑的終產物的濃度控制。胞內 PEP的高濃度是胞內有充足的 ATP 供應的信號， 其結果是PFK（ 圖 412中 2）受抑制；同時，激活 ADPGlc焦磷酸化酶（圖 412中 4），促進糖原的合成。丙酮酸脫氫酶（ PDH） 復合物、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 復合物還受到 AcCoA的抑制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 90 可由共價修飾引起酶活性（有時還涉及調節(jié)特性）改變的酶叫共價調節(jié)酶。 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，由乳糖操縱子的結構基因編碼的乳糖透性酶（一種載體蛋白，用于乳糖輸送）就可能是這種變構蛋白。這兩種調節(jié)機制均涉及到一類特殊的蛋白質 —— 變構蛋白 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 81 在細胞的生命活動中，細胞的蛋白質可以是 酶、載體蛋白、電子傳遞鏈成員、調節(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構蛋白 。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作為它的合格底物，去誘發(fā)它的離去。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 74 2. 翻譯起始的概率的調節(jié) 某些酶的遺傳控制也能夠發(fā)生在翻譯水平，被稱為轉錄后的調節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 68 翻譯水平上的調節(jié) ⑴翻譯速度的控制 ⑵異常蛋白質的降解 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分子的破壞性降解，即異常蛋白的降解 。 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 調節(jié)蛋白（ formatenitrate regulation protein ） 的合成，它是 fnr 基因的產物。前者是以效應物（阻遏物）的高濃度關閉操縱子，后者以效應物（誘導物）的高濃度打開操縱子。這種調節(jié) 依賴終端產物的反饋阻遏、弱化等機制，或兩者兼用 。這個調節(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。腺苷酸環(huán)化酶結合在膜上，并且受細胞吸收葡萄糖的磷酸轉移酶系統(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 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。從誘導模型分析，若調節(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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 44 從而可以看出 誘導的本質就是解阻遏 （誘導物解除了阻遏蛋白對操縱基因的阻塞）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 37 微生物酶（蛋白質）的自動調節(jié) 轉錄水平上的調節(jié) 翻譯水平上的調節(jié) 蛋白質水平上的調節(jié) 整個細胞水平上的調節(jié) (全局性調節(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)自動調節(jié)的。由于這些小室的存在，真核微生物的代謝調節(jié)要比原核生物復雜得多，就單個細胞相比較，真核微生物細胞的代謝調節(jié)部位要比原核生物細胞多得多。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，均受到嚴格的自動調節(jié)。因此，有必要研究 代謝調節(jié)主要在微生物細胞的什么部位發(fā)生，發(fā)生什么樣的調節(jié)，以及調節(jié)的規(guī)律。例如，在一個胚胎中，一個細胞不僅需產生新一代細胞，而且也需經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。這些 調節(jié)機制的協(xié)同作用為微生物細胞的新陳代謝、細胞的經濟運行提供保證。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 12 第一節(jié) 細胞經濟假設的微生物 學與分子生物學基礎 第二節(jié) 微生物的細胞經濟的運 行規(guī)律 第三節(jié) 代謝網絡中碳架物質流 的調動 第四節(jié) 細胞經濟假說與細胞經 濟學 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 13 第一節(jié) 細胞經濟假設的微生物 學與分子生物學基礎 微生物細胞中代謝調節(jié)的部位 微生物酶（蛋白質）的自動調節(jié) 微生物膜的自動調節(jié) 微生物代謝途徑的調節(jié)模式 信息傳遞與信息流 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 14 細胞經濟假設的微生物學基礎是微生物 代謝的自動調節(jié) 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 8 所謂耗散結構是指一個遠離平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)（力學的、物理的、化學的、生物的，乃至社會的經濟系統(tǒng)）。 也就是說，熱力學系統(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。 ,這個細胞經濟規(guī)律實際上是微生物細胞 自主經濟的保障 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 6 熱力學系統(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。 “耗散結構”這一術語就是用來表示系統(tǒng)的這種 物質交換和能量耗散的特征 的。 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)調好無數(shù)酶或蛋白質的作用，將環(huán)境中的主要營養(yǎng)同化成細胞組成物質。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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 20 總的說來，遺傳控制機制本質上更適合于原核生物，允許它們迅速地調節(jié)酶濃度以滿足變化著的細胞要求。 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節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營養(yǎng)物質或代謝產物的跨膜輸送； 2， 代謝途徑的酶的催化作用； 3， 酶和載體蛋白的合成