【正文】 環(huán)境，也可以是細胞代謝的中間產(chǎn)物。 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)過程中沒有改變多肽鏈上的氨基酸順序，沒有切斷肽鏈，而僅僅改變了酶蛋白的三級或四級結(jié)構(gòu)，因此 變構(gòu)酶為代謝過程提供了一個非常靈活迅速的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。過量的糖將導致 FDP濃度的上升，這將促進酵解，因為 PK和 PEPC受 FDP激活（前體激活）。 同工酶是生物體對環(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 110 磷酸化位是另一個度量細胞能量狀態(tài)的參數(shù)。然而，即使簡單的環(huán)境變化通常都會誘導幾個調(diào)節(jié)子。因此，需要一個調(diào)節(jié)體系（ regulatory anization）來替代單個操縱子的孤立的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 131 盡管膜脂質(zhì)中脂肪?；慕Y(jié)構(gòu)與在特定溫度下膜脂質(zhì)的狀態(tài)密切相關(guān)，但必須強調(diào)，其它一些因素，包括磷脂分子 極性端的基團 不同， 蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的相互作用 ，以及 陽離子與脂質(zhì)的相互作用 等也是決定膜的流動性的重要因素。 有證據(jù)說明，這種適應性是由兩個因素促成的：一是在磷脂合成水平上 酰基轉(zhuǎn)移酶 的專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 149 通常氨基酸的結(jié)構(gòu)類似物（它們常常強烈地抑制微生物的生長）能被對應的氨基酸的吸收體系吸收，因而氨基酸結(jié)構(gòu)類似物可用來篩選結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株（調(diào)節(jié)突變株）和對應的輸送（吸收）系統(tǒng)缺失的突變株。 然而這三個假說是互相聯(lián)系，相互依托，協(xié)調(diào)統(tǒng)一的。把酶（已存在的）的活性的調(diào)節(jié)方式歸納成 3 類，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，覆蓋 11種 調(diào)節(jié)模式。 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 138 因此，恒黏適應是這樣一種機制，有了它，當溫度變化時，微生物能避免膜脂質(zhì)的過分的剛性化（ 膜活性喪失）或過分的流動化（ 膜失去屏障作用）。 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?；?。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 121 第二，盡管有些基因需要被獨立調(diào)節(jié)，但有 更高級的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也是至關(guān)重要的 。 在全局性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡中，各套操縱子都被統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制（見上圖），盡管它們在物理上分散在整個細菌基因組，并且有時表現(xiàn)出完全不同的功能。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 109 從上述推導過程可看到， 能荷即 ATP、ADP、 AMP體系中高能鍵負荷的度量 ，其數(shù)值在 0～ 1之間。好處是：某代謝產(chǎn)物濃度的相對小的變化，就能誘發(fā)由這個代謝產(chǎn)物控制的共價調(diào)節(jié)酶的充分激活或失活。 AcCoA 作為PEPC的激活劑，能提高胞內(nèi) 4C羧酸的濃度。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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 82 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)是指對已存在于細胞中的酶（蛋白質(zhì)）分子的活性的調(diào)節(jié)。異常蛋白質(zhì)通常是指在胞內(nèi)并不能累積到它們對應的正常蛋白質(zhì)的水平（濃度）的蛋白質(zhì)， 這些異常蛋白質(zhì)的降解與營養(yǎng)的供應無關(guān)，因此即使在微生物迅速生長時也會發(fā)生。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 66 這些基因的表達程度取決于細胞內(nèi)所存在的終端電子受體的氧化還原電位，當有分子氧存在時，就不表達。 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)，而且受其對應的氨基酰 tRNA 的調(diào)節(jié)。 由于這兩方面的原因，造成葡萄糖對利用乳糖的酶系的阻遏。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 40 遺傳控制機制本質(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胞要求。但實際上，在原核細胞中有時也有這種形式的調(diào)控，比如當一個酶反應系統(tǒng)以 多酶復合體 （ multienzyme plex ） 的形式存在時，就可以使酶反應在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進行。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 20 總的說來，遺傳控制機制本質(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胞要求。 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(diào)好無數(shù)酶或蛋白質(zhì)的作用，將環(huán)境中的主要營養(yǎng)同化成細胞組成物質(zhì)。 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。 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 12 第一節(jié) 細胞經(jīng)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(jīng)濟的運 行規(guī)律 第三節(jié) 代謝網(wǎng)絡中碳架物質(zhì)流 的調(diào)動 第四節(jié) 細胞經(jīng)濟假說與細胞經(jīng) 濟學 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 13 第一節(jié) 細胞經(jīng)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(diào)節(jié)的部位 微生物酶（蛋白質(zhì)）的自動調(diào)節(jié) 微生物膜的自動調(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 細胞經(jīng)濟假設的微生物學基礎是微生物 代謝的自動調(diào)節(jié) 。例如，在一個胚胎中，一個細胞不僅需產(chǎn)生新一代細胞，而且也需經(jīng)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。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(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 37 微生物酶（蛋白質(zhì)）的自動調(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) 整個細胞水平上的調(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實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的。從誘導模型分析，若調(diào)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。腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合在膜上，并且受細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 ）。這種調(diào)節(jié) 依賴終端產(chǎn)物的反饋阻遏、弱化等機制，或兩者兼用 。 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。 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 81 在細胞的生命活動中，細胞的蛋白質(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 。 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。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。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。 ATP、 ADP、 AMP 分子數(shù)的比例反映了細胞的能量狀態(tài)。全局控制是細胞利用調(diào)節(jié)信號的與生俱來的能力 。 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 129 這是因為雙鍵使脂肪酸鏈發(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)。從嗜溫微生物脂肪?；淖兊男再|(zhì)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(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?shù)牧鲃有浴＿@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(jié)構(gòu)性（組成型）的促進擴散系統(tǒng)便能維持細胞內(nèi)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。代謝途徑與跨膜系統(tǒng)是代謝網(wǎng)絡的兩個重要組成部分。 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(zhuǎn)換 代謝網(wǎng)絡的調(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(nèi)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(diào)控的指令，控制微生物細胞自身的生命活動。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 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 除了被動擴散以外，化學物質(zhì)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(jīng)膜實現(xiàn)的極大多數(shù)動態(tài)過程。 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(zhuǎn)變；當環(huán)境溫度下降時，嗜溫微生物的膜的脂質(zhì)的成分就會發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 123 細菌細胞通過代謝調(diào)節(jié)自動開源節(jié)流的現(xiàn)象，已成為微生物細胞的經(jīng)濟運行的有說服力的證據(jù)。它們通過共享一個 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 111 整個細胞水平上的調(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)的一個例子，乳糖操縱子的調(diào)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)。研究結(jié)果證明， AKⅠ 和 HDⅠ 酶分子由 4 個亞基組成， 2個酶的活性中心同在 1 個亞基上，亞基多肽鏈的 N 端是 AK， C 端是 HD，也就是說 AKⅠ 和 HDⅠ 同存在于一條多肽鏈上， AKⅠ 和 HDⅠ 構(gòu)成一個多功能酶。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。 共價調(diào)節(jié)酶的好處在于：只要微生物細胞內(nèi)某個代謝產(chǎn)物的濃度有相對小的變化，就能誘發(fā)由這個代謝產(chǎn)物控制的共價調(diào)節(jié)酶的充分的激活或完全失活（或幾乎完全失活）。 因為這種結(jié)合（非共價結(jié)合）是可逆的，所以變構(gòu)蛋白就能在代謝調(diào)節(jié)中直接地或間接地發(fā)生作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 78 ⑴變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)機制 ⑵共價調(diào)節(jié)酶 ⑶中心代謝途徑的酶的活性的調(diào)節(jié) ⑷合成代謝途徑（即代謝網(wǎng)絡中離 心途徑）的酶活性的調(diào)節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 71 1. 蛋白質(zhì)合成的總速率的