【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 果酸合成酶（ MS ） 受葡萄糖的 阻遏 ，受醋酸的 誘導(dǎo) 。 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。這種 Fnr蛋白能辨別有氧和無氧條件， 受環(huán)境的氧化還原條件控制 ，只有在沒有分子氧時(shí)才合成。這種蛋白的存在，可促進(jìn)硝酸鹽還原酶 （ nitrate reductase ）、 延胡索酸還原酶和甲酸 氫裂合酶（ FDH2，一種甲酸脫氫酶和氫化酶的復(fù)合物）的基因的轉(zhuǎn)錄。 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)。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)。 推測(cè) Fnr 調(diào)節(jié)蛋白在這個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的作用，類似于營(yíng)養(yǎng)阻遏的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的環(huán)腺苷酸接受蛋白（ CRP） 所起的作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 67 應(yīng)該指出，在厭氧條件下，大腸桿菌形成第二種甲酸脫氫酶 (FDHl)，它與硝酸鹽還原酶或延胡索酸酶有聯(lián)系。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 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 70 ⑴翻譯速度的控制 一般情況下，翻譯速度的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)以下任何一項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)： ①翻譯（蛋白質(zhì)合成）的總速率； ②翻譯起始的概率。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 71 1. 蛋白質(zhì)合成的總速率的調(diào)節(jié) 翻譯的調(diào)節(jié)發(fā)生在為核糖體蛋白編碼的幾個(gè)操縱子上。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。 在含有葡萄糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素和脂肪酸的營(yíng)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 72 因?yàn)楹颂求w對(duì)蛋白質(zhì)的合成能力是有限的（ 37℃ 下每秒鐘約翻譯 15個(gè)氨基酸分子），所以在不同的比生長(zhǎng)速率下（因而，不同的蛋白質(zhì)合成速率下），每個(gè)細(xì)胞的核糖體數(shù)目也隨之變化。把細(xì)菌細(xì)胞從營(yíng)養(yǎng)豐富培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移到基本培養(yǎng)基的試驗(yàn)結(jié)果表明，每個(gè)細(xì)胞的核糖體含量因 rRNA的合成暫停而相應(yīng)地減少。 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。 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)。這種調(diào)節(jié)機(jī)制用來控制成品 mRNA分子被翻譯的次數(shù)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 75 ⑵異常蛋白質(zhì)的降解 異常蛋白質(zhì)包括：由無意義突變引起的不完全蛋白質(zhì)、有氨基酸替代的完全蛋白質(zhì)、過量合成的多聚復(fù)合物大分子的某些亞基（如 σ亞基）。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)無關(guān)，因此即使在微生物迅速生長(zhǎng)時(shí)也會(huì)發(fā)生。 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。 對(duì)異常蛋白質(zhì)的及時(shí)降解，既可以卸除代謝的包袱，又可以使氨基酸及時(shí)得到回用，因此是微生物的一種節(jié)約機(jī)制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 77 研究證明，用于降解異常蛋白的 Lon蛋白酶只認(rèn)辨和作用于未折疊的蛋白質(zhì) ，這個(gè)事實(shí)將幫助我們解釋，該胞內(nèi)蛋白酶怎么能夠在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離存在，而不破壞細(xì)胞必需的蛋白質(zhì)。 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。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。這種機(jī)制能 保證細(xì)胞內(nèi)不會(huì)發(fā)生不加選擇的蛋白質(zhì)水解 。 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(jī)制 ⑵共價(jià)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(luò)中離 心途徑）的酶活性的調(diào)節(jié)。 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)，稱為“節(jié)點(diǎn)”。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)。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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 80 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。這里將從酶的角度分析合成代謝途徑的調(diào)節(jié)情況 。 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 。以上蛋白質(zhì)有相當(dāng)部分屬于 變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶 ，另一些蛋白質(zhì)不是變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶，但它們都可以 接受蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)。 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)主要包括：變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)、共價(jià)調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)、中心代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)、合成代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)等。 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)。 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。這些調(diào)節(jié) 能在極短的（調(diào)節(jié)酶的）特性時(shí)間里迅速地得到響應(yīng) ，因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)是通過影響蛋白質(zhì)（酶）分子構(gòu)象的變化來實(shí)現(xiàn)的。 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)量的化合物）的介入而引起。這些低分子質(zhì)量化合物可以來自環(huán)境，也可以是細(xì)胞代謝的中間產(chǎn)物。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 84 變構(gòu)蛋白是這樣一類蛋白質(zhì)，如果某特定的小分子（效應(yīng)物）與它結(jié)合，它的構(gòu)象就會(huì)發(fā)生變化，由此而引起活性的變化。 因?yàn)檫@種結(jié)合（非共價(jià)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。 根據(jù)變構(gòu)蛋白的性質(zhì)和作用，可以把它們分成兩類： 非酶變構(gòu)蛋白 和 變構(gòu)酶 。 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 。由調(diào)節(jié)基因編碼，在操縱子表達(dá)中起調(diào)節(jié)作用的變構(gòu)蛋白叫調(diào)節(jié)蛋白（如誘導(dǎo)和阻遏模型中的阻遏蛋白和原阻遏物）。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。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）。 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 87 ②變構(gòu)酶： 變構(gòu)酶在代謝調(diào)節(jié)中起重要作用的酶，它們往往是代謝網(wǎng)絡(luò)中分支途徑的第一個(gè)酶。變構(gòu)酶以低聚體（ oligomer）的形式存在，它們可由 6 或更多亞單位組成，這些亞單位可以是相同的多肽，也可以是不同的多肽。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 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。 活性部位的配位體是酶的底物，而調(diào)節(jié)部位的配位體一般是效應(yīng)物（激活劑或抑制劑） ，而效應(yīng)物與酶的底物在結(jié)構(gòu)上一般有差異（但有時(shí)底物本身就是酶的激活劑）。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 ）。 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(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)，因此 變構(gòu)酶為代謝過程提供了一個(gè)非常靈活迅速的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。 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。 共價(jià)調(diào)節(jié)酶可以在另外一個(gè)酶（修飾酶）的催化下被共價(jià)地修飾，即在它分子上共價(jià)地結(jié)合上或者釋放一個(gè)低分子量基團(tuán)，從而使酶的活性（有時(shí)還涉及調(diào)節(jié)性能）發(fā)生變化。 共價(jià)調(diào)節(jié)酶的好處在于：只要微生物細(xì)胞內(nèi)某個(gè)代謝產(chǎn)物的濃度有相對(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)酶的充分的激活或完全失活（或幾乎完全失活）。 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氏菌的依賴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)。 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。原因是 ID被磷酸化了： ID是 TCA環(huán)和 GOA 環(huán)兩者分叉處（ 異檸檬酸節(jié)點(diǎn)）的酶， ID 的失活可使更多的碳架物質(zhì)經(jīng)異檸檬酸裂合酶（ IL ） 進(jìn)入 GOA 環(huán)，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸（可用于葡萄糖異生成方向）的形成，進(jìn)而形成糖的磷酸酯，然后可以進(jìn)入細(xì)胞壁多糖、 DNA、 RNA。 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。 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)。丙酮酸脫氫酶（ PDH） 復(fù)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(fù)合物還受到 AcCoA的抑制。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 95 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（ PEPC） 受Asp 和蘋果酸（ MLA） 的抑制。 MLA的高水平（ 指細(xì)胞中的高濃度 ）是不需要合成4 C羧酸的信號(hào)， 而乙酰輔酶 A （ AcCoA）的高濃度則表示缺乏 4C羧酸。 AcCoA 作為PEPC的激活劑，能提高胞內(nèi) 4C羧酸的濃度。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