【正文】 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、代謝、分化、發(fā)育的過程，始終是其自身儲存遺傳信息表達、加工及傳遞的過程；實質上微生物細胞的生物信息流主要是遺傳信息流，細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，就是 生物信息流傳遞的過程。 然而這三個假說是互相聯(lián)系，相互依托，協(xié)調統(tǒng)一的。把酶（已存在的）的活性的調節(jié)方式歸納成 3 類，覆蓋 10種調節(jié)模式；把酶分子的數量的調節(jié)方式也歸納成 3類，覆蓋 11種 調節(jié)模式。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 152 微生物代謝途徑的調節(jié)模式 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 153 在第三章（代謝網絡假設）已全面討論了化能異養(yǎng)型微生物對有機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胞物質的代謝途徑。當環(huán)境中缺少氮源時，兩種吸收系統(tǒng)都起作用；當環(huán)境中氮源豐富時，只有一種系統(tǒng)起作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 149 通常氨基酸的結構類似物（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，因而氨基酸結構類似物可用來篩選結構類似物抗性突變株（調節(jié)突變株）和對應的輸送（吸收）系統(tǒng)缺失的突變株。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 147 ④ 大部氨基酸的輸送系統(tǒng)是結構性 （ 組成型）的：然而有些，特別是輸送系統(tǒng)中含 周質結合蛋白 的 （ 在大腸桿菌中，周質蛋白參與 Glu、 Gln、His、 Cys、 堿性氨基酸和分支氨基酸的吸收 ），其 結合蛋白是可以阻遏 的。如果生長在低濃度葡萄糖培養(yǎng)基中，另一種對葡萄糖親和力較高的主動輸送系統(tǒng)被誘導出來。膜脂質雙分子層是離子和大多數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；而膜蛋白則具備獨特的運輸、能量轉換、催化等功能，膜脂質又為這樣的膜蛋白提供合適的發(fā)揮功能的場所。 有證據說明，這種適應性是由兩個因素促成的：一是在磷脂合成水平上 ?；D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 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 136 有了這種膜脂質黏度（流動性）的自動調節(jié)機制，微生物就能在一個 較寬的溫度范圍內生長 。例如，大腸桿菌 K12的生長（ 培養(yǎng) ）溫度的下降，將導致膜脂質中不飽和脂的比例的上升。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 131 盡管膜脂質中脂肪?；慕Y構與在特定溫度下膜脂質的狀態(tài)密切相關，但必須強調，其它一些因素，包括磷脂分子 極性端的基團 不同， 蛋白質與脂質的相互作用 ，以及 陽離子與脂質的相互作用 等也是決定膜的流動性的重要因素。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 130 在許多微生物的脂質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 128 圖 416 含有不同脂肪?；牧字逆湹膸缀螛嬓褪疽鈭D (a)， 飽和； (b)， 順式單不飽和； (c)， 反式不飽和； (d)，順式雙不飽和 。 以上全局控制的機制的講述要求學生具有分子生物學的基礎。因此，需要一個調節(jié)體系（ regulatory anization）來替代單個操縱子的孤立的調節(jié)。 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節(jié)，但有 更高級的協(xié)調控制系統(tǒng)也是至關重要的 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 120 這種全局調節(jié)網絡（圖 415）的存在至少有兩個理由?！? 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 119 全局調節(jié)子由受控于同一個調節(jié)蛋白的多個操縱子組成。然而，即使簡單的環(huán)境變化通常都會誘導幾個調節(jié)子。 在全局性調節(jié)網絡中，各套操縱子都被統(tǒng)一協(xié)調控制（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 115 圖 415 全局調節(jié)網絡 全局控制（ global control） 是整個細胞水平的調節(jié)。對這些操縱子的系統(tǒng)的研究和分析的過程中，形成了一個共識：操縱子并不是孤立地起作用，而是作為高水平調節(jié)網絡的成員發(fā)揮作用。 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。 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 ，其數值在 0～ 1之間。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 107 因為腺苷酸借助載體蛋白跨膜傳遞的比例是 1∶ 1，所以，真核微生物細胞的線粒體或原核細胞的腺苷酸庫（包含 AMP、 ADP、ATP） 基本穩(wěn)定；但細胞或線粒體內 ATP、 ADP、 AMP 分子數的比例則隨著細胞的代謝生理狀態(tài)而變化。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 105 ⑸能荷（ energy charge） 與磷酸化位 對于合成代謝途徑的調節(jié)方式和調節(jié)機制已作了分析，合成代謝中最引人注目的一種在蛋白質水平上的調節(jié)方式是反饋抑制，也就是終產物對其合成途徑的酶的反饋抑制。 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節(jié)方式。好處是：某代謝產物濃度的相對小的變化，就能誘發(fā)由這個代謝產物控制的共價調節(jié)酶的充分激活或失活。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 100 ①變構酶對合成代謝途徑的調節(jié)： 合成代謝途徑的終端產物的反饋調節(jié)有很大可能是借助變構酶實現(xiàn)的反饋抑制作用，也就是說， 若是有分支的途徑的話，分支點后的第一個酶往往是變構酶（調節(jié)酶），而終產物則是這個調節(jié)酶的效應物。離心途徑從這些代謝前體物出發(fā)，經離心途徑合成典型的工業(yè)發(fā)酵的目的產物，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物的二級離心途徑。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）。 AcCoA 作為PEPC的激活劑，能提高胞內 4C羧酸的濃度。 ⑶中心代謝途徑的酶的活性的調節(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) 的一些變構酶及它們對應的抑制劑和激活物： 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 94 細胞內 NADH 濃度的上升就是呼吸鏈已經被 NADH 飽和的信號，也是 TCA 環(huán)運轉即將減弱的信號。 ⑵共價調節(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節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 89 由于變構酶在蛋白質水平上的調節(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構，因此 變構酶為代謝過程提供了一個非常靈活迅速的調節(jié)系統(tǒng) 。在代謝調節(jié)中起重要作用的調節(jié)酶屬于變構酶。調節(jié)蛋白與操縱子的結合活性可因它與效應物的結合而改變，從而間接地影響到 mRNA的合成（轉錄）和蛋白質（酶）分子的合成（翻譯）。 根據變構蛋白的性質和作用，可以把它們分成兩類： 非酶變構蛋白 和 變構酶 。這些低分子質量化合物可以來自環(huán)境，也可以是細胞代謝的中間產物。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 82 蛋白質水平上的調節(jié)是指對已存在于細胞中的酶（蛋白質）分子的活性的調節(jié)。這里將從酶的角度分析合成代謝途徑的調節(jié)情況 。 蛋白質水平上的調節(jié) 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 79 微生物代謝網絡中有許多可以形成途徑分支的點，稱為“節(jié)點”。 ATP 的水解導致 Lon蛋白酶分子在每次水解反應后的自動失活。異常蛋白質通常是指在胞內并不能累積到它們對應的正常蛋白質的水平（濃度）的蛋白質， 這些異常蛋白質的降解與營養(yǎng)的供應無關，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 73 在不同生長速率下， rRNA 與核糖體的恒定的比例和核糖體蛋白質與核糖體的恒定比例，受兩種反饋機制的調節(jié)： ①核糖體反饋調節(jié)：當核糖體合成少許地過量時，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）：某些核糖體蛋白質抑制某些編碼一種或多種核糖體蛋白質的 mRNA 的翻譯。所有細菌的生長速率都隨其生長培養(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。這個酶并不處于氧化還原控制之下（ 它是甲酸 氫裂合酶的部分 ），它是由甲酸誘導而合成的。 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 64 ① 生長基質的種類和濃度的變化引起的調控，如異檸檬酸裂合酶（ IL） 和蘋果酸合成酶（ MS ） 受葡萄糖的 阻遏 ，受醋酸的 誘導 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 62 如果對應于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)生突變或調節(jié)基因發(fā)生突變，使操縱基因的阻塞無法實現(xiàn)，這種解除了調節(jié)的突變株可以過量合成相關途徑的酶或終產物。 反饋阻遏模型中，操縱子的開關情況正好與誘導模型相反。 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節(jié)，而且受其對應的氨基酰 tRNA 的調節(jié)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 57 微生物 調節(jié)合成代謝 的酶的水平（ 即胞內酶分子的數量或酶濃度），使之與所需要合成的產物的量相協(xié)調。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 55 營養(yǎng)阻遏的意義：微生物細胞在其所處的環(huán)境條件下，利用其細胞中已有的酶系首先降解最易利用的生長底物，必要時才會去合成降解另一種生長底物的酶系，體現(xiàn)了細胞運作的經濟性和自我保障機制。這個基因為一個對轉錄進行正控制的調節(jié)蛋白編碼。 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 51 細胞中的 cAMP的濃度取決于腺苷酸環(huán)化酶。研究證明大腸桿菌的碳源阻遏與細胞中 cAMP水平（即濃度）有關。 這一類阻遏不但發(fā)生在對碳源的利用過程中，也發(fā)生在對氮源、磷源和硫源的利用過程中，我們用 營養(yǎng)阻遏 （ nutritional repression ） 這個名稱來包容不同營養(yǎng)源的阻遏；因此就有 碳源營養(yǎng)阻遏 、 氮源營養(yǎng)阻遏 等名稱。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 46 研究誘導模型也可以給人以啟迪。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 45 酶的誘導對于微生物是十分有意義的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 43 當細胞內沒有誘導物（效應物）時，由調節(jié)基因編碼的與操縱基因有結合活性的阻遏蛋白（一種 變構蛋白 ）與操縱基因結合，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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 40 遺傳控制機制本質上更適合于原核生物，允許它們迅速地調節(jié)酶濃度以滿足變化著的細胞要求。因為這種跨膜交換要借助于載體（由 DNA編碼的蛋白質），所以，這些載體的絕對數量及活性也會成為代謝調節(jié)的部位