【正文】 量的協(xié)調(diào)控制 ， 式中帶下標(biāo)的 c分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的腺苷酸的濃度 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 111 整個(gè)細(xì)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 112 作為基因調(diào)節(jié)的一個(gè)例子，乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制的揭示，激起了研究其他操縱子的強(qiáng)烈興趣，導(dǎo)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(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)包括多套 操縱子（ operon） 和多套 調(diào)節(jié)子 （ regulon ） ，它們的功能表面上無(wú)關(guān)，在染色體圖上的物理位置也不連續(xù)。它們通過(guò)共享一個(gè) 多效調(diào)節(jié)蛋白 ，可在不同的特定控制之下，引發(fā)不止一種效應(yīng)。 如此眾多的、相互關(guān)聯(lián)組分的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的總效率是很重要的，而且，將所有這些基因包容在一個(gè)操縱子內(nèi)也幾乎是不可能的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 123 細(xì)菌細(xì)胞通過(guò)代謝調(diào)節(jié)自動(dòng)開(kāi)源節(jié)流的現(xiàn)象，已成為微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有說(shuō)服力的證據(jù)。單不飽和脂還有 順式 與 反式 之分，膜中經(jīng)常出現(xiàn)的是順式單不飽和脂，這種不飽和脂的熔點(diǎn)更低。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 134 事實(shí)也確實(shí)如此，許多種微生物在環(huán)境溫度上升時(shí)就會(huì)發(fā)生如上一種或幾種轉(zhuǎn)變；當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，嗜溫微生物的膜的脂質(zhì)的成分就會(huì)發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 137 對(duì)許多嗜熱和嗜冷微生物檢測(cè)的結(jié)果表明，在同一個(gè)分類學(xué)上的種內(nèi)與嗜溫微生物相比，嗜熱微生物的膜脂質(zhì)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(zhì)的活性和合成的調(diào)節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 142 除了被動(dòng)擴(kuò)散以外，化學(xué)物質(zhì)跨膜需依賴載體蛋白、酶和代謝能，因此可以認(rèn)為膜蛋白參與經(jīng)膜實(shí)現(xiàn)的極大多數(shù)動(dòng)態(tài)過(guò)程。 外源的糖磷酸酯誘導(dǎo)該體系的機(jī)制尚不清楚。具備這兩種吸收系統(tǒng)對(duì)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(diào)節(jié)方式是多種多樣的，為了研究的方便，建立了 21種調(diào)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(shí)現(xiàn)的信號(hào) 轉(zhuǎn)換 代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)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(xì)胞看作是 信息處理器 ，它們 復(fù)制 和 傳遞 自己的生物信息， 接收 細(xì)胞內(nèi)外的物理、化學(xué)甚至生物信息，并在對(duì)這些信息流進(jìn)行 綜合處理 的基礎(chǔ)上， 發(fā)出代謝調(diào)控的指令，控制微生物細(xì)胞自身的生命活動(dòng)。 用矛盾的對(duì)立統(tǒng)一的觀點(diǎn)來(lái)全面認(rèn)識(shí)物質(zhì)，能量和信息之間的關(guān)系，樹(shù)立發(fā)酵工程的科學(xué)發(fā)展觀，在信息技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)重要組成部分。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 150 ⑤構(gòu)巢曲霉通過(guò) 兩種控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)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(diào)節(jié)，氨的吸收速率決定于細(xì)胞內(nèi)的氨濃度，直到細(xì)胞內(nèi)的氨濃度超過(guò)某一定值才停止吸收。這是合乎微生物的節(jié)約原理的，因?yàn)槿绻h(huán)境中葡萄糖較高時(shí)，單靠結(jié)構(gòu)性（組成型）的促進(jìn)擴(kuò)散系統(tǒng)便能維持細(xì)胞內(nèi)有一合適的糖濃度；而當(dāng)環(huán)境中葡萄糖濃度較低的情況下，親和力高的主動(dòng)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(zhì)的適應(yīng)性改變，似乎僅僅是決定特定微生物生長(zhǎng)溫度范圍的一個(gè)因素，因?yàn)榱字肿訕O性頭的性質(zhì)、膜中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的總的比率似乎也要影響膜的流動(dòng)性。從嗜溫微生物脂肪?；淖兊男再|(zhì)出發(fā)可以設(shè)想：在進(jìn)化的過(guò)程中，只能在高溫或低溫下生長(zhǎng)的微生物已改變了這種自動(dòng)調(diào)節(jié)的范圍，從而保證在這些極端條件下，它們的膜脂質(zhì)仍具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 132 恒黏適應(yīng)現(xiàn)象 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 133 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嗜溫微生物是通過(guò) 改變膜脂質(zhì)的脂肪?；鶃?lái)響應(yīng)環(huán)境溫度的變化的，這種改變可以使得膜的流動(dòng)性在新的溫度下保持恒定，這種現(xiàn)象叫做恒黏適應(yīng)（ homeoviscous） 現(xiàn)象。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 129 這是因?yàn)殡p鍵使脂肪酸鏈發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhì)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(xì)菌代謝的全局控制的機(jī)制有：⑴ SOS響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（可誘導(dǎo)的修復(fù)）， ⑵ 熱刺激響應(yīng) ，⑶ 有氧及無(wú)氧激勵(lì)子 ， ⑷ 緊縮響應(yīng) 。 第一，某些細(xì)胞過(guò)程所涉及的基因多于一個(gè)單獨(dú)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(lì)子（ stimulon ） 是用來(lái)指稱對(duì)應(yīng)于單一環(huán)境刺激的全部調(diào)節(jié)子，或者說(shuō)，用來(lái)描述對(duì)一個(gè)給定環(huán)境壓迫作出響應(yīng)的所有基因、操縱子和調(diào)節(jié)子。全局控制是細(xì)胞利用調(diào)節(jié)信號(hào)的與生俱來(lái)的能力 。它與能荷不同之處是它在數(shù)值上還決定于無(wú)機(jī)磷酸鹽的濃度： 式中帶下標(biāo)的 c 分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)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(xì)胞的能量狀態(tài)。當(dāng)其中一種同工酶受到抑制或缺損時(shí)，另外的同工酶仍在起作用，從而保證微生物細(xì)胞的代謝繼續(xù)進(jìn)行。變構(gòu)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(chǎn)物的濃度控制。胞內(nèi) PEP的高濃度是胞內(nèi)有充足的 ATP 供應(yīng)的信號(hào)， 其結(jié)果是PFK（ 圖 412中 2）受抑制；同時(shí)，激活 ADPGlc焦磷酸化酶（圖 412中 4），促進(jìn)糖原的合成。丙酮酸脫氫酶（ PDH） 復(fù)合物、檸檬酸合成酶（ CS）， 蘋(píng)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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 90 可由共價(jià)修飾引起酶活性（有時(shí)還涉及調(diào)節(jié)特性）改變的酶叫共價(jià)調(diào)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(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。這兩種調(diào)節(jié)機(jī)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 81 在細(xì)胞的生命活動(dòng)中，細(xì)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 。余下的 ADP仍連在已失活的 Lon蛋白酶上，直到有一個(gè)新的蛋白質(zhì)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(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 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(duì)翻譯速度的調(diào)節(jié)，其二是對(duì)已翻譯錯(cuò)了的、會(huì)成為細(xì)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 。 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。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(kāi)操縱子。這種調(diào)節(jié) 依賴終端產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒簟⑷趸葯C(jī)制，或兩者兼用 。這個(gè)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。腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合在膜上，并且受細(xì)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 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(dāng)葡萄糖濃度下降時(shí)， Ⅲ Glc 濃度下降，葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P濃度上升。從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因 I、 啟動(dòng)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 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(duì)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(zhì)）的自動(dòng)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(gè)細(xì)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(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的。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(gè)細(xì)胞相比較，真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位要比原核生物細(xì)胞多得多。處在一定環(huán)境和生理?xiàng)l件下的原核細(xì)胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度進(jìn)行反應(yīng)，均受到嚴(yán)格的自動(dòng)調(diào)節(jié)。因此，有必要研究 代謝調(diào)節(jié)主要在微生物細(xì)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。例如，在一個(gè)胚胎中，一個(gè)細(xì)胞不僅需產(chǎn)生新一代細(xì)胞，而且也需經(jīng)歷許多相當(dāng)大的形態(tài)的和生化的變化，并需無(wú)限維持這些變化。這些 調(diào)節(jié)機(jī)制的協(xié)同作用為微生物細(xì)胞的新陳代謝、細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保證。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 12 第一節(jié) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)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(xì)胞經(jīng)濟(jì)的運(yùn) 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(dòng) 第四節(jié) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說(shuō)與細(xì)胞經(jīng) 濟(jì)學(xué) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 13 第一節(jié) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假設(shè)的微生物 學(xué)與分子生物學(xué)基礎(chǔ) 微生物細(xì)胞中代謝調(diào)節(jié)的部位 微生物酶（蛋白質(zhì)）的自動(dòng)調(diào)節(jié) 微生物膜的自動(dòng)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(xì)胞經(jīng)濟(jì)假設(shè)的微生物學(xué)基礎(chǔ)是微生物 代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié) 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 8 所謂耗散結(jié)構(gòu)是指一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)（力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的，乃至社會(huì)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)）。 也就是說(shuō)，熱力學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)過(guò)程的總是向熵增加的方向（即有序性程度減少、無(wú)序程度增加的方向）發(fā)展。 ,這個(gè)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律實(shí)際上是微生物細(xì)胞 自主經(jīng)濟(jì)的保障 。 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(huì)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(jié)構(gòu)”這一術(shù)語(yǔ)就是用來(lái)表示系統(tǒng)的這種 物質(zhì)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(guò)程 ，這個(gè)過(guò)程需要協(xié)調(diào)好無(wú)數(shù)酶或蛋白質(zhì)的作用，將環(huán)境中的主要營(yíng)養(yǎng)同化成細(xì)胞組成物質(zhì)。原核細(xì)胞通常是自由生活的單細(xì)胞生物，在環(huán)境條件適宜且營(yíng)養(yǎng)充足的情況下，它們可無(wú)限制的生長(zhǎng)和分裂。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 20 總的說(shuō)來(lái)，遺傳控制機(jī)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(xì)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(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營(yíng)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