【正文】 阻止 RNA 聚合酶對結構基因的轉錄， 因而誘導途徑的酶系沒有合成；當細胞內(nèi)誘導物（效應物）濃度上升某一程度時，它就與阻遏蛋白結合，使后者因 構象 發(fā)生變化而失去與操縱基因的結合活性，從操縱基因上脫落下來， RNA聚合酶就可對結構基因進行轉錄，誘導途徑的酶系就被誘導合成。因為這種跨膜交換要借助于載體（由 DNA編碼的蛋白質），所以，這些載體的絕對數(shù)量及活性也會成為代謝調節(jié)的部位。在核膜外層與細胞質膜之間又有內(nèi)質網(wǎng)存在，由此可見， 真核微生物細胞內(nèi)的空間被膜結構分隔成許多小室 。在原核細胞中，各種酶和各種底物同存在于一個空間中。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 23 生理學與生物化學的區(qū)別在于，生理學十分強調生物化學反應在活體內(nèi)發(fā)生的 部位 ，以及該生物化學 反應發(fā)生前后活體生理狀況的變化 。細胞分化尤其需要特定類型的調節(jié)，因為不同組織的細胞有不同的需求。并且，已合成的酶的活力受到許多調節(jié)機制的控制，以確保新陳代謝全面協(xié)調，主要是在反饋信息的觸發(fā)下發(fā)生的抑制、激活、阻遏、誘導等基本調節(jié)機制。 本章將從代謝和代謝調節(jié)的角度分析細胞生命活動的經(jīng)濟規(guī)律， 以求比較圓滿地處理 工業(yè)發(fā)酵目的 與 細胞經(jīng)濟運行 之間的對立和統(tǒng)一關系，從而能應順自然規(guī)律，用好微生物這個工具， 為人類造福，為世界消災。耗散結構理論研究耗散結構的形成機理，以及它的性質、穩(wěn)定條件和演變規(guī)律； 這個理論為熱力學系統(tǒng)與生命系統(tǒng)、社會系統(tǒng)的運行規(guī)律的統(tǒng)一提供了理論根據(jù)。 德國物理學家 克勞修斯（ Clausius） 發(fā)現(xiàn)的熱力學第二定律（ 1850年）指出，熱不可能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 3 微生物細胞是遠離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，是在物競天擇的基礎上形成的 細胞經(jīng)濟體系 。并且，熱力學第二定律無法說明系統(tǒng)由無序到有序、由低級的有序到高級的有序的演化和發(fā)展的趨向；也無法解釋混沌的自然界怎么能演化、發(fā)展成為 “ 自組織 ” 的生命系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 10 在物競天擇的基礎上形成的微生物代謝體系，是保障微生物細胞生存的細胞經(jīng)濟體系。這又是一種 節(jié)省的過程 ，也就是說在正常情況下，細胞不會消耗能量或營養(yǎng)去合成那些可以從環(huán)境中得到的化合物，也不過量合成中間代謝物。 原核生物系統(tǒng)的調節(jié)方向是盡可能高效利用營養(yǎng)實現(xiàn)最大生長。本章討論的有關代謝調節(jié)的內(nèi)容主要來自原核細胞。營養(yǎng)物質主動或被動輸送進入細胞的過程，以及代謝產(chǎn)物（某種代謝產(chǎn)物或能量代謝副產(chǎn)物）排出細胞的過程，都要受到膜的組成、結構和功能的影響。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 32 真核微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(chǎn)物的跨膜輸送； 2， 代謝途徑的酶的催化作用； 3， 在核中進行的轉錄； 4， 在細胞質中進行的翻譯； 5，不同細胞空間的溶質的跨膜輸送 。 其中，細胞質與線粒體之間的分工協(xié)作，可從 表 42 得到反映。 這里要以原核生物為例，敘述通過酶實現(xiàn)的代謝自動調節(jié)的機制。從營養(yǎng)的角度看 ，微生物可以根據(jù)環(huán)境所提供的生長底物，誘導合成相應的酶（蛋白質），以分解生長底物，吸收營養(yǎng)，進行代謝活動，從而形成微生物對環(huán)境的適應能力。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 47 ⑵營養(yǎng)阻遏 (nutritional repression)的機制 在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細胞中只有一個 碳源降解酶系 在起作用，也就是培養(yǎng)基中能被最迅速地同化的碳源的降解酶系，而且， 在該碳源用完之前，其它碳源的降解酶系的合成一直受到阻遏。乳糖操縱子的轉錄不但需要有誘導物，還需要 cAMP。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 53 氮源營養(yǎng)阻遏 指的是：高濃度的氨或某些含氮有機化合物對催化含氮底物降解的酶的阻遏的調節(jié)控制機制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 56 ⑶ 終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏（ repression ） 和弱化 ( attenuation )的機制 化能異養(yǎng)型微生物細胞如果要在以葡萄糖為碳源和能源的基本培養(yǎng)基中生長，那它就必須合成所有要用來形成生物大分子的分子模塊（ building block）， 如氨基酸、核苷酸等等。前者指的是 反饋阻遏 ，也就是氨基酸合成途徑的終端產(chǎn)物（與合成途徑相對應的氨基酸）作為輔阻遏物 阻礙轉錄的發(fā)動（即轉錄的開始） ；后者指的是叫做 弱化 的另一種類型的控制，這種控制涉及到與合成途徑的終端產(chǎn)物氨基酸相對應的氨基酰 tRNA 和轉錄的中止，即 當細胞中存在過量的對應氨基酰 tRNA 時，已發(fā)動的轉錄會在操縱子的第一個結構基因被轉錄前中止。這樣的突變株叫做 調節(jié)突變株 ，可在工業(yè)生產(chǎn)上得到應用。有硝酸鹽存在時（沒有分子氧），只有硝酸鹽還原酶的基因表達。 在含有葡萄糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素和脂肪酸的營養(yǎng)豐富培養(yǎng)基中，細胞不必合成這些分子模塊，因此生長極為迅速，世代時間少于 30min。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 76 微生物細胞中似乎存在一個專門用來降解異常蛋白的蛋白質降解系統(tǒng)，它主要在大多數(shù)異常蛋白質的降解中起作用。代謝網(wǎng)絡的中心板塊上的 12個代謝前體物就是這樣的節(jié)點。 這些調節(jié)包括 可逆的和不可逆的調節(jié) ，實質上是影響總的可利用酶分子中表現(xiàn)活性的酶分子的數(shù)量。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 85 ①非酶變構蛋白： 主要包括 調節(jié)蛋白 和 受控載體蛋白 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 88 調節(jié)酶的亞單位除了有活性部位之處，還有調節(jié)部位（也稱變構部位），這個部位是獨立于活性部位之外的另一與配位體（ 1igand）結合的部位。 將醋酸添加到一含葡萄糖很少的培養(yǎng)基中，正在培養(yǎng)中的這兩種細菌的異檸檬酸脫氫酶（ ID ） 迅速失活。許多微生物 （ 如乳糖發(fā)酵短桿菌 ）細胞含丙酮酸羧化酶（ PC ）， 并以它作為回補酶（ anaplerotic enzyme ） 來替代 PEPC ， 大多數(shù)微生物的 PC也受 AcCoA的激活。 離心途徑中的關鍵反應的酶，就是該途徑中最重要的調控點；而催化這個關鍵反應的酶往往是分支后面的第一個不可逆反應的酶 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 102 ③同工酶對合成代謝途徑的調節(jié)： 在有分枝的合成代謝途徑中，其共同途徑的第一個酶可能是同工酶。 化能異養(yǎng)型微生物依靠分解代謝將糖降解，在糖的分解代謝途徑中沒有固定不變的或者可以稱為終產(chǎn)物的代謝產(chǎn)物，因此，似乎談不上有反饋調節(jié)的機制。當腺苷酸庫中全是 AMP時， EC = 0； 當全是 ATP時， EC = 1。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 113 大腸桿菌具有在下列各種環(huán)境條件下生長和生存的能力：從營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基轉入基本培養(yǎng)基（ minimal media ）； 改變碳源；氨基酸供應受限制（ limitations ）； 供氧與缺氧環(huán)境間的轉換（僅對兼性微生物）；熱刺激（培養(yǎng)溫度突然升高）（ heat shock ）；會引起細胞饑餓的環(huán)境條件（如磷酸鹽、氮和碳源）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 117 應該注意某些用來描述全局性調節(jié)網(wǎng)絡的術語。 然而， 一個全局調節(jié)子的成員可能也是另一個全局調節(jié)子的成員。這些情況的例子常見于編碼分解代謝酶的基因中，而這些酶參與碳源和能源的利用。此處從略，必要時可在課外作專題講座。它們分別來自兩種不同類型的分支脂肪酸，即異式或 前異式（ anteiso ） 。芽孢桿菌和梭菌的膜脂質分子中大抵均含有分支的脂肪?；?，這些微生物對溫度變化的響應或者是單不飽和脂的量的相對量的變化，或者是異式與前異式之間的轉變。如果沒有這種自動調節(jié)機制，當溫度上升時，膜脂質雙分子層的分子排列的混亂程度隨之增加，從而導致膜的滲漏，最終可能導致滲透屏障的破裂。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 143 膜有各種各樣功能性蛋白質，包括起輸送作用的載體蛋白、與輸送或與合成有關的蛋白或酶、電子傳遞鏈成員 ( 指帶輔基的多肽 ) ， 還有其它各種功能的蛋白及膜上功能尚不清楚的功能性蛋白質。 在某些細菌中 也偶然可發(fā)現(xiàn) 可誘導的輸送體系 （ 其功能是組成型體系的雙倍）。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 151 ⑥硫酸鹽、磷酸鹽的吸收系統(tǒng)及其調節(jié)： 在真菌中， 對硫酸鹽有兩種吸收系統(tǒng) ，它們均受到 Met的阻遏。 以上 代謝途徑的調節(jié)方式 的講述涉及動態(tài)生物化學。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 161 ⑵理化信息及理化信息。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 155 信息傳遞與信息流 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 156 本書推出的 3 個假說分別從能量，物質和信息 3 個角度對微生物細胞正常運轉的驅動系統(tǒng)，操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了深入的探討。對磷酸鹽也有兩種吸收系統(tǒng) ，一種具有高親和力， 只在磷酸鹽饑餓時才被誘導出來 ；另一種是低親和力系統(tǒng)，它能在磷酸鹽充足的條件下仍維持生長。 這些輸送系統(tǒng)，在氮源耗竭的條件下誘導產(chǎn)生，在培養(yǎng)基中有充足的氮源存在時這些輸送體系受阻遏。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 145 ② 粗糙脈孢菌中有兩種葡萄糖輸送系統(tǒng)：一種是對葡萄糖親和力較低的促進擴散系統(tǒng)，這系統(tǒng)在以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基中起作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 139 恒黏適應體現(xiàn)了微生物在膜的自動調節(jié)方面的適應性和生存保障作用。從而使膜脂質雙分子層的流動性保持恒定（表 45）。 分支的位置明顯地影響脂質的流動性質 ，但前異式脂肪酸參與磷脂分子結構，對于磷脂分子的整齊排列的干擾較之異式結構更大。有一個 雙鍵的單不飽和脂 的熔點要比它的飽和形式要低，同樣道理前者對應的脂質雙分子層的相變溫度也明顯地低于后者對應的脂質雙分子層的相變溫度。然而，在沒有優(yōu)質基質存在時，每個操縱子都必備其對應基質存在時獨立誘導對應的降解酶系的能力。警報子常常是小的核苷酸分子，諸如 cAMP或四磷酸鳥苷 (ppGpp)。 全局調節(jié)子 ( global regulon)定義為：在一個全局性調節(jié)網(wǎng)絡中，處于一個共同調節(jié)蛋白控制下的操縱子網(wǎng)絡。 把涉及細胞生理學的單方面調節(jié)納入對環(huán)境壓迫協(xié)調響應中去的控制方式稱作全局控制 ( global contro1 )。一般說來， 高能荷抑制補充代謝能的酶系， 同時激活消耗 ATP的酶系，例如生物合成酶系；反之低能荷則抑制消耗代謝能的酶系， 同時激活生成 ATP的酶系。那么什么是糖分代謝的可以被看作效應物的“終產(chǎn)物”呢 ? 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 106 有人把 ATP視為糖分解代謝的“終產(chǎn)物”，這樣就可以以反饋抑制的機制來解釋 ATP 過量時對糖的分解代謝途徑的抑制，以及當 ATP分解為 ADP 或 AMP時上述反饋抑制被解除的現(xiàn)象。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 103 比如 AK的 3個同工酶 AKⅠ 受一個分支的終產(chǎn)物 Thr的反饋抑制， AKⅢ 受另一個分支的終產(chǎn)物 Lys 的反饋抑制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 99 圖 413 大腸桿菌中天冬氨酸族氨基酸合成代謝的調節(jié)機制的示意圖 I， 抑制； R， 阻遏； 下標羅馬數(shù)字表示不同的同工酶。 AMP 濃度的上升 （ ATP缺乏的信號）會抑制糖原的形成，因為 ADPGlc焦磷酸化酶（圖 412中 4 ）和果糖二磷酸酯酶（ 圖 412中 3）受到 AMP抑制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 92 分解代謝和中心代謝途徑運行可為細胞進行生物合成提供能量和原料，因此把能量代謝的最終產(chǎn)物（以 ATP為代表）和用作合成代謝前體的中心代謝途徑的某些 中間代謝物 ，作為控制中心代謝途徑的 調節(jié)信號（效應物） 是合乎情理的。效應物結合到調節(jié)部位上可引起活性部位構象的改變，這種改變或是增強酶的催化活力（ 激活 ），或是降低酶的催化活力（ 抑制 ）。當它們處于活性構象狀態(tài)時，就能與操縱子上相應部位相結合，從而阻塞（或促進）操縱子的轉錄。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 83 ⑴變構蛋白和變構酶的調節(jié)機制 不論是酶合成的調節(jié)還是酶的活性的調節(jié)，均由效應物（往往是低分子質量的化