【正文】 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 27 ⑴與細(xì)胞質(zhì)膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜是溶質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的主要屏障。但實(shí)際上，在原核細(xì)胞中有時(shí)也有這種形式的調(diào)控，比如當(dāng)一個(gè)酶反應(yīng)系統(tǒng)以 多酶復(fù)合體 （ multienzyme plex ） 的形式存在時(shí)，就可以使酶反應(yīng)在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進(jìn)行。 小室是使合成代謝和分解代謝能夠分開(kāi)進(jìn)行和分開(kāi)調(diào)節(jié)的重要輔助手段。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 40 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(mǎn)足變化著的細(xì)胞要求。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 45 酶的誘導(dǎo)對(duì)于微生物是十分有意義的。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應(yīng)用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。研究證明大腸桿菌的碳源阻遏與細(xì)胞中 cAMP水平（即濃度）有關(guān)。 由于這兩方面的原因，造成葡萄糖對(duì)利用乳糖的酶系的阻遏。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 55 營(yíng)養(yǎng)阻遏的意義：微生物細(xì)胞在其所處的環(huán)境條件下，利用其細(xì)胞中已有的酶系首先降解最易利用的生長(zhǎng)底物，必要時(shí)才會(huì)去合成降解另一種生長(zhǎng)底物的酶系，體現(xiàn)了細(xì)胞運(yùn)作的經(jīng)濟(jì)性和自我保障機(jī)制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 58 許多氨基酸生物合成途徑不但受該氨基酸本身的調(diào)節(jié)，而且受其對(duì)應(yīng)的氨基酰 tRNA 的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 62 如果對(duì)應(yīng)于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)生突變或調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，使操縱基因的阻塞無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這種解除了調(diào)節(jié)的突變株可以過(guò)量合成相關(guān)途徑的酶或終產(chǎn)物。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 66 這些基因的表達(dá)程度取決于細(xì)胞內(nèi)所存在的終端電子受體的氧化還原電位，當(dāng)有分子氧存在時(shí)，就不表達(dá)。所有細(xì)菌的生長(zhǎng)速率都隨其生長(zhǎng)培養(yǎng)基組成而變化，在可以被微生物充分利用的碳源（如葡萄糖）為碳源的基本培養(yǎng)基中，大腸桿菌細(xì)胞于 37℃ 大約每 45min分裂一次，而在較“差”的碳源（如脯氨酸）為碳源的基本培養(yǎng)基中，同樣溫度下則需要約 500min。異常蛋白質(zhì)通常是指在胞內(nèi)并不能累積到它們對(duì)應(yīng)的正常蛋白質(zhì)的水平（濃度）的蛋白質(zhì)， 這些異常蛋白質(zhì)的降解與營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)無(wú)關(guān)，因此即使在微生物迅速生長(zhǎng)時(shí)也會(huì)發(fā)生。 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 79 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 82 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)是指對(duì)已存在于細(xì)胞中的酶（蛋白質(zhì)）分子的活性的調(diào)節(jié)。 根據(jù)變構(gòu)蛋白的性質(zhì)和作用，可以把它們分成兩類(lèi)： 非酶變構(gòu)蛋白 和 變構(gòu)酶 。在代謝調(diào)節(jié)中起重要作用的調(diào)節(jié)酶屬于變構(gòu)酶。 ⑵共價(jià)調(diào)節(jié)酶 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 91 例如：大腸桿菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌的依賴(lài)NADP+ 的異檸檬酸脫氫酶（ ID ） 受到磷酸化和脫磷酸化作用的調(diào)節(jié)。 AcCoA 作為PEPC的激活劑，能提高胞內(nèi) 4C羧酸的濃度。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(jí)離心途徑。好處是：某代謝產(chǎn)物濃度的相對(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)酶的充分激活或失活。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 105 ⑸能荷（ energy charge） 與磷酸化位 對(duì)于合成代謝途徑的調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)機(jī)制已作了分析，合成代謝中最引人注目的一種在蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)方式是反饋抑制，也就是終產(chǎn)物對(duì)其合成途徑的酶的反饋抑制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 109 從上述推導(dǎo)過(guò)程可看到， 能荷即 ATP、ADP、 AMP體系中高能鍵負(fù)荷的度量 ，其數(shù)值在 0～ 1之間。對(duì)這些操縱子的系統(tǒng)的研究和分析的過(guò)程中，形成了一個(gè)共識(shí)：操縱子并不是孤立地起作用，而是作為高水平調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的成員發(fā)揮作用。 在全局性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中，各套操縱子都被統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制（見(jiàn)上圖），盡管它們?cè)谖锢砩戏稚⒃谡麄€(gè)細(xì)菌基因組，并且有時(shí)表現(xiàn)出完全不同的功能?！? 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 119 全局調(diào)節(jié)子由受控于同一個(gè)調(diào)節(jié)蛋白的多個(gè)操縱子組成。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 121 第二，盡管有些基因需要被獨(dú)立調(diào)節(jié)，但有 更高級(jí)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也是至關(guān)重要的 。 以上全局控制的機(jī)制的講述要求學(xué)生具有分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 130 在許多微生物的脂質(zhì)分子中還普遍存在著有分枝的脂肪酸或脂?；＠?，大腸桿菌 K12的生長(zhǎng)（ 培養(yǎng) ）溫度的下降，將導(dǎo)致膜脂質(zhì)中不飽和脂的比例的上升。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 138 因此，恒黏適應(yīng)是這樣一種機(jī)制，有了它，當(dāng)溫度變化時(shí)，微生物能避免膜脂質(zhì)的過(guò)分的剛性化（ 膜活性喪失）或過(guò)分的流動(dòng)化（ 膜失去屏障作用）。膜脂質(zhì)雙分子層是離子和大多數(shù)極性分子的通透性屏障，它與膜蛋白一起組成膜，形成空間分隔；而膜蛋白則具備獨(dú)特的運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、催化等功能，膜脂質(zhì)又為這樣的膜蛋白提供合適的發(fā)揮功能的場(chǎng)所。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 147 ④ 大部氨基酸的輸送系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)性 （ 組成型）的：然而有些，特別是輸送系統(tǒng)中含 周質(zhì)結(jié)合蛋白 的 （ 在大腸桿菌中，周質(zhì)蛋白參與 Glu、 Gln、His、 Cys、 堿性氨基酸和分支氨基酸的吸收 ），其 結(jié)合蛋白是可以阻遏 的。當(dāng)環(huán)境中缺少氮源時(shí)，兩種吸收系統(tǒng)都起作用；當(dāng)環(huán)境中氮源豐富時(shí)，只有一種系統(tǒng)起作用。把酶（已存在的）的活性的調(diào)節(jié)方式歸納成 3 類(lèi)，覆蓋 10種調(diào)節(jié)模式；把酶分子的數(shù)量的調(diào)節(jié)方式也歸納成 3類(lèi)，覆蓋 11種 調(diào)節(jié)模式。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 160 ⑴生物信息流 生物體（包括微生物）的生長(zhǎng)、代謝、分化、發(fā)育的過(guò)程，始終是其自身儲(chǔ)存遺傳信息表達(dá)、加工及傳遞的過(guò)程；實(shí)質(zhì)上微生物細(xì)胞的生物信息流主要是遺傳信息流，細(xì)胞遺傳信息的一部分，從基因組到基因（ DNA）， 到 mRNA，到多肽，到酶和功能性蛋白質(zhì)，就是 生物信息流傳遞的過(guò)程。 然而這三個(gè)假說(shuō)是互相聯(lián)系，相互依托，協(xié)調(diào)統(tǒng)一的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 152 微生物代謝途徑的調(diào)節(jié)模式 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 153 在第三章（代謝網(wǎng)絡(luò)假設(shè)）已全面討論了化能異養(yǎng)型微生物對(duì)有機(jī)化合物的分解代謝和合成代謝的途徑，繪出了從葡萄糖到各種細(xì)胞物質(zhì)的代謝途徑。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 149 通常氨基酸的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物（它們常常強(qiáng)烈地抑制微生物的生長(zhǎng)）能被對(duì)應(yīng)的氨基酸的吸收體系吸收，因而氨基酸結(jié)構(gòu)類(lèi)似物可用來(lái)篩選結(jié)構(gòu)類(lèi)似物抗性突變株（調(diào)節(jié)突變株）和對(duì)應(yīng)的輸送（吸收）系統(tǒng)缺失的突變株。如果生長(zhǎng)在低濃度葡萄糖培養(yǎng)基中，另一種對(duì)葡萄糖親和力較高的主動(dòng)輸送系統(tǒng)被誘導(dǎo)出來(lái)。 有證據(jù)說(shuō)明，這種適應(yīng)性是由兩個(gè)因素促成的：一是在磷脂合成水平上 ?；D(zhuǎn)移酶 的專(zhuān)一性隨溫度的變化而變化；二是 脂肪酸合成酶體系的活力的改變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 136 有了這種膜脂質(zhì)黏度（流動(dòng)性）的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，微生物就能在一個(gè) 較寬的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng) 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 131 盡管膜脂質(zhì)中脂肪酰基的結(jié)構(gòu)與在特定溫度下膜脂質(zhì)的狀態(tài)密切相關(guān)，但必須強(qiáng)調(diào)，其它一些因素，包括磷脂分子 極性端的基團(tuán) 不同， 蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的相互作用 ，以及 陽(yáng)離子與脂質(zhì)的相互作用 等也是決定膜的流動(dòng)性的重要因素。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 128 圖 416 含有不同脂肪?；牧字逆湹膸缀螛?gòu)型示意圖 (a)， 飽和； (b)， 順式單不飽和； (c)， 反式不飽和； (d)，順式雙不飽和 。因此，需要一個(gè)調(diào)節(jié)體系（ regulatory anization）來(lái)替代單個(gè)操縱子的孤立的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 120 這種全局調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)（圖 415）的存在至少有兩個(gè)理由。然而，即使簡(jiǎn)單的環(huán)境變化通常都會(huì)誘導(dǎo)幾個(gè)調(diào)節(jié)子。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 115 圖 415 全局調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò) 全局控制（ global control） 是整個(gè)細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 110 磷酸化位是另一個(gè)度量細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 107 因?yàn)橄佘账峤柚d體蛋白跨膜傳遞的比例是 1∶ 1，所以，真核微生物細(xì)胞的線(xiàn)粒體或原核細(xì)胞的腺苷酸庫(kù)（包含 AMP、 ADP、ATP） 基本穩(wěn)定；但細(xì)胞或線(xiàn)粒體內(nèi) ATP、 ADP、 AMP 分子數(shù)的比例則隨著細(xì)胞的代謝生理狀態(tài)而變化。 同工酶是生物體對(duì)環(huán)境變化或代謝變化的另一種有利的調(diào)節(jié)方式。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 100 ①變構(gòu)酶對(duì)合成代謝途徑的調(diào)節(jié)： 合成代謝途徑的終端產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)有很大可能是借助變構(gòu)酶實(shí)現(xiàn)的反饋抑制作用，也就是說(shuō)， 若是有分支的途徑的話(huà)，分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶往往是變構(gòu)酶（調(diào)節(jié)酶），而終產(chǎn)物則是這個(gè)調(diào)節(jié)酶的效應(yīng)物。過(guò)量的糖將導(dǎo)致 FDP濃度的上升，這將促進(jìn)酵解，因?yàn)?PK和 PEPC受 FDP激活（前體激活）。 ⑶中心代謝途徑的酶的活性的調(diào)節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 93 表 44概括了大腸桿菌中涉及中心代謝途徑(central metabolic pathway) 的一些變構(gòu)酶及它們對(duì)應(yīng)的抑制劑和激活物： 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 94 細(xì)胞內(nèi) NADH 濃度的上升就是呼吸鏈已經(jīng)被 NADH 飽和的信號(hào)，也是 TCA 環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)即將減弱的信號(hào)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 89 由于變構(gòu)酶在蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)過(guò)程中沒(méi)有改變多肽鏈上的氨基酸順序，沒(méi)有切斷肽鏈，而僅僅改變了酶蛋白的三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)，因此 變構(gòu)酶為代謝過(guò)程提供了一個(gè)非常靈活迅速的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。調(diào)節(jié)蛋白與操縱子的結(jié)合活性可因它與效應(yīng)物的結(jié)合而改變，從而間接地影響到 mRNA的合成（轉(zhuǎn)錄）和蛋白質(zhì)（酶）分子的合成（翻譯）。這些低分子質(zhì)量化合物可以來(lái)自環(huán)境，也可以是細(xì)胞代謝的中間產(chǎn)物。這里將從酶的角度分析合成代謝途徑的調(diào)節(jié)情況 。 ATP 的水解導(dǎo)致 Lon蛋白酶分子在每次水解反應(yīng)后的自動(dòng)失活。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 73 在不同生長(zhǎng)速率下， rRNA 與核糖體的恒定的比例和核糖體蛋白質(zhì)與核糖體的恒定比例，受兩種反饋機(jī)制的調(diào)節(jié)： ①核糖體反饋調(diào)節(jié)：當(dāng)核糖體合成少許地過(guò)量時(shí)，游離的、非翻譯狀態(tài)的核糖體抑制 rRNA的合成； ②翻譯阻遏（ translational repression）：某些核糖體蛋白質(zhì)抑制某些編碼一種或多種核糖體蛋白質(zhì)的 mRNA 的翻譯。這個(gè)酶并不處于氧化還原控制之下（ 它是甲酸 氫裂合酶的部分 ），它是由甲酸誘導(dǎo)而合成的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 64 ① 生長(zhǎng)基質(zhì)的種類(lèi)和濃度的變化引起的調(diào)控，如異檸檬酸裂合酶（ IL） 和蘋(píng)果酸合成酶（ MS ） 受葡萄糖的 阻遏 ，受醋酸的 誘導(dǎo) 。 反饋?zhàn)瓒裟Ｐ椭?，操縱子的開(kāi)關(guān)情況正好與誘導(dǎo)模型相反。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 57 微生物 調(diào)節(jié)合成代謝 的酶的水平（ 即胞內(nèi)酶分子的數(shù)量或酶濃度），使之與所需要合成的產(chǎn)物的量相協(xié)調(diào)。這個(gè)基因?yàn)橐粋€(gè)對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行正控制的調(diào)節(jié)蛋白編碼。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 51 細(xì)胞中的 cAMP的濃度取決于腺苷酸環(huán)化酶。 這一類(lèi)阻遏不但發(fā)生在對(duì)碳源的利用過(guò)程中，也發(fā)生在對(duì)氮源、磷源和硫源的利用過(guò)程中，我們用 營(yíng)養(yǎng)阻遏 （ nutritional repression ） 這個(gè)名稱(chēng)來(lái)包容不同營(yíng)養(yǎng)源的阻遏；因此就有 碳源營(yíng)養(yǎng)阻遏 、 氮源營(yíng)養(yǎng)阻遏 等名稱(chēng)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 46 研究誘導(dǎo)模型也可以給人以啟迪。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 43 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物）時(shí)，由調(diào)節(jié)基因編碼的與操縱基因有結(jié)合活性的阻遏蛋白（一種 變構(gòu)蛋白 ）與操縱基因結(jié)合，