【正文】 阻止 RNA 聚合酶對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄， 因而誘導(dǎo)途徑的酶系沒有合成；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)物（效應(yīng)物）濃度上升某一程度時(shí)，它就與阻遏蛋白結(jié)合，使后者因 構(gòu)象 發(fā)生變化而失去與操縱基因的結(jié)合活性，從操縱基因上脫落下來， RNA聚合酶就可對(duì)結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)途徑的酶系就被誘導(dǎo)合成。因?yàn)檫@種跨膜交換要借助于載體（由 DNA編碼的蛋白質(zhì)），所以，這些載體的絕對(duì)數(shù)量及活性也會(huì)成為代謝調(diào)節(jié)的部位。在核膜外層與細(xì)胞質(zhì)膜之間又有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)存在，由此可見， 真核微生物細(xì)胞內(nèi)的空間被膜結(jié)構(gòu)分隔成許多小室 。在原核細(xì)胞中，各種酶和各種底物同存在于一個(gè)空間中。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 23 生理學(xué)與生物化學(xué)的區(qū)別在于，生理學(xué)十分強(qiáng)調(diào)生物化學(xué)反應(yīng)在活體內(nèi)發(fā)生的 部位 ，以及該生物化學(xué) 反應(yīng)發(fā)生前后活體生理狀況的變化 。細(xì)胞分化尤其需要特定類型的調(diào)節(jié)，因?yàn)椴煌M織的細(xì)胞有不同的需求。并且，已合成的酶的活力受到許多調(diào)節(jié)機(jī)制的控制，以確保新陳代謝全面協(xié)調(diào)，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(dǎo)等基本調(diào)節(jié)機(jī)制。 本章將從代謝和代謝調(diào)節(jié)的角度分析細(xì)胞生命活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)規(guī)律， 以求比較圓滿地處理 工業(yè)發(fā)酵目的 與 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 之間的對(duì)立和統(tǒng)一關(guān)系，從而能應(yīng)順自然規(guī)律，用好微生物這個(gè)工具， 為人類造福，為世界消災(zāi)。耗散結(jié)構(gòu)理論研究耗散結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，以及它的性質(zhì)、穩(wěn)定條件和演變規(guī)律； 這個(gè)理論為熱力學(xué)系統(tǒng)與生命系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律的統(tǒng)一提供了理論根據(jù)。 德國物理學(xué)家 克勞修斯（ Clausius） 發(fā)現(xiàn)的熱力學(xué)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(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，是在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上形成的 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系 。并且，熱力學(xué)第二定律無法說明系統(tǒng)由無序到有序、由低級(jí)的有序到高級(jí)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(huì)系統(tǒng)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 10 在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上形成的微生物代謝體系，是保障微生物細(xì)胞生存的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系。這又是一種 節(jié)省的過程 ，也就是說在正常情況下，細(xì)胞不會(huì)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(diào)節(jié)方向是盡可能高效利用營養(yǎng)實(shí)現(xiàn)最大生長(zhǎng)。本章討論的有關(guān)代謝調(diào)節(jié)的內(nèi)容主要來自原核細(xì)胞。營養(yǎng)物質(zhì)主動(dòng)或被動(dòng)輸送進(jìn)入細(xì)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(xì)胞的過程，都要受到膜的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 32 真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位 圖中： 1， 可溶性營養(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， 在核中進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄； 4， 在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的翻譯； 5，不同細(xì)胞空間的溶質(zhì)的跨膜輸送 。 其中，細(xì)胞質(zhì)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(shí)現(xiàn)的代謝自動(dòng)調(diào)節(jié)的機(jī)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(zhǎng)底物，誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶（蛋白質(zhì)），以分解生長(zhǎng)底物，吸收營養(yǎng)，進(jìn)行代謝活動(dòng)，從而形成微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 47 ⑵營養(yǎng)阻遏 (nutritional repression)的機(jī)制 在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中只有一個(gè) 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(zhuǎn)錄不但需要有誘導(dǎo)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(jī)化合物對(duì)催化含氮底物降解的酶的阻遏的調(diào)節(jié)控制機(jī)制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 56 ⑶ 終端產(chǎn)物對(duì)其自身合成途徑的酶的合成的反饋?zhàn)瓒簦? repression ） 和弱化 ( attenuation )的機(jī)制 化能異養(yǎng)型微生物細(xì)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(zhǎng)，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?zhàn)瓒?，也就是氨基酸合成途徑的終端產(chǎn)物（與合成途徑相對(duì)應(yīng)的氨基酸）作為輔阻遏物 阻礙轉(zhuǎn)錄的發(fā)動(dòng)（即轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的氨基酰 tRNA 和轉(zhuǎn)錄的中止，即 當(dāng)細(xì)胞中存在過量的對(duì)應(yīng)氨基酰 tRNA 時(shí)，已發(fā)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄會(huì)在操縱子的第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄前中止。這樣的突變株叫做 調(diào)節(jié)突變株 ，可在工業(yè)生產(chǎn)上得到應(yīng)用。有硝酸鹽存在時(shí)（沒有分子氧），只有硝酸鹽還原酶的基因表達(dá)。 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(xì)胞不必合成這些分子模塊，因此生長(zhǎng)極為迅速，世代時(shí)間少于 30min。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 76 微生物細(xì)胞中似乎存在一個(gè)專門用來降解異常蛋白的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)，它主要在大多數(shù)異常蛋白質(zhì)的降解中起作用。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)。 這些調(diào)節(jié)包括 可逆的和不可逆的調(diào)節(jié) ，實(shí)質(zhì)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(gòu)蛋白： 主要包括 調(diào)節(jié)蛋白 和 受控載體蛋白 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 88 調(diào)節(jié)酶的亞單位除了有活性部位之處，還有調(diào)節(jié)部位（也稱變構(gòu)部位），這個(gè)部位是獨(dú)立于活性部位之外的另一與配位體（ 1igand）結(jié)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(xì)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(xì)胞含丙酮酸羧化酶（ PC ）， 并以它作為回補(bǔ)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(guān)鍵反應(yīng)的酶，就是該途徑中最重要的調(diào)控點(diǎn)；而催化這個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)的酶往往是分支后面的第一個(gè)不可逆反應(yīng)的酶 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 102 ③同工酶對(duì)合成代謝途徑的調(diào)節(jié)： 在有分枝的合成代謝途徑中，其共同途徑的第一個(gè)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(diào)節(jié)的機(jī)制。當(dāng)腺苷酸庫中全是 AMP時(shí)， EC = 0； 當(dāng)全是 ATP時(shí)， 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(zhǎng)和生存的能力：從營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)入基本培養(yǎng)基（ minimal media ）； 改變碳源；氨基酸供應(yīng)受限制（ limitations ）； 供氧與缺氧環(huán)境間的轉(zhuǎn)換（僅對(duì)兼性微生物）；熱刺激（培養(yǎng)溫度突然升高）（ heat shock ）；會(huì)引起細(xì)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(yīng)該注意某些用來描述全局性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的術(shù)語。 然而， 一個(gè)全局調(diào)節(jié)子的成員可能也是另一個(gè)全局調(diào)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(shí)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(zhì)分子中大抵均含有分支的脂肪?；@些微生物對(duì)溫度變化的響應(yīng)或者是單不飽和脂的量的相對(duì)量的變化，或者是異式與前異式之間的轉(zhuǎn)變。如果沒有這種自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，當(dāng)溫度上升時(shí)，膜脂質(zhì)雙分子層的分子排列的混亂程度隨之增加，從而導(dǎo)致膜的滲漏，最終可能導(dǎo)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(zhì)，包括起輸送作用的載體蛋白、與輸送或與合成有關(guān)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(zhì)。 在某些細(xì)菌中 也偶然可發(fā)現(xiàn) 可誘導(dǎo)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(diào)節(jié)： 在真菌中， 對(duì)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(diào)節(jié)方式 的講述涉及動(dòng)態(tài)生物化學(xué)。 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(gè)假說分別從能量，物質(zhì)和信息 3 個(gè)角度對(duì)微生物細(xì)胞正常運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的探討。對(duì)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(shí)才被誘導(dǎo)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(zhǎng)。 這些輸送系統(tǒng)，在氮源耗竭的條件下誘導(dǎo)產(chǎn)生，在培養(yǎng)基中有充足的氮源存在時(shí)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(duì)葡萄糖親和力較低的促進(jìn)擴(kuò)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(yīng)體現(xiàn)了微生物在膜的自動(dòng)調(diào)節(jié)方面的適應(yīng)性和生存保障作用。從而使膜脂質(zhì)雙分子層的流動(dòng)性保持恒定（表 45）。 分支的位置明顯地影響脂質(zhì)的流動(dòng)性質(zhì) ，但前異式脂肪酸參與磷脂分子結(jié)構(gòu)，對(duì)于磷脂分子的整齊排列的干擾較之異式結(jié)構(gòu)更大。有一個(gè) 雙鍵的單不飽和脂 的熔點(diǎn)要比它的飽和形式要低，同樣道理前者對(duì)應(yīng)的脂質(zhì)雙分子層的相變溫度也明顯地低于后者對(duì)應(yīng)的脂質(zhì)雙分子層的相變溫度。然而，在沒有優(yōu)質(zhì)基質(zhì)存在時(shí)，每個(gè)操縱子都必備其對(duì)應(yīng)基質(zhì)存在時(shí)獨(dú)立誘導(dǎo)對(duì)應(yīng)的降解酶系的能力。警報(bào)子常常是小的核苷酸分子，諸如 cAMP或四磷酸鳥苷 (ppGpp)。 全局調(diào)節(jié)子 ( global regulon)定義為：在一個(gè)全局性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中，處于一個(gè)共同調(diào)節(jié)蛋白控制下的操縱子網(wǎng)絡(luò)。 把涉及細(xì)胞生理學(xué)的單方面調(diào)節(jié)納入對(duì)環(huán)境壓迫協(xié)調(diào)響應(yīng)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(bǔ)充代謝能的酶系， 同時(shí)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(shí)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(yīng)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(jī)制來解釋 ATP 過量時(shí)對(duì)糖的分解代謝途徑的抑制，以及當(dāng) ATP分解為 ADP 或 AMP時(shí)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(gè)同工酶 AKⅠ 受一個(gè)分支的終產(chǎn)物 Thr的反饋抑制， AKⅢ 受另一個(gè)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(diào)節(jié)機(jī)制的示意圖 I， 抑制； R， 阻遏； 下標(biāo)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(hào)）會(huì)抑制糖原的形成，因?yàn)?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(yùn)行可為細(xì)胞進(jìn)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(diào)節(jié)信號(hào)（效應(yīng)物） 是合乎情理的。效應(yīng)物結(jié)合到調(diào)節(jié)部位上可引起活性部位構(gòu)象的改變，這種改變或是增強(qiáng)酶的催化活力（ 激活 ），或是降低酶的催化活力（ 抑制 ）。當(dāng)它們處于活性構(gòu)象狀態(tài)時(shí)，就能與操縱子上相應(yīng)部位相結(jié)合，從而阻塞（或促進(jìn)）操縱子的轉(zhuǎn)錄。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 83 ⑴變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)機(jī)制 不論是酶合成的調(diào)節(jié)還是酶的活性的調(diào)節(jié)，均由效應(yīng)物（往往是低分子質(zhì)量的化