【正文】 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 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(shí)現(xiàn)的信號(hào) 轉(zhuǎn)換 代謝網(wǎng)絡(luò)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(xì)胞看作是 信息處理器 ，它們 復(fù)制 和 傳遞 自己的生物信息， 接收 細(xì)胞內(nèi)外的物理、化學(xué)甚至生物信息，并在對(duì)這些信息流進(jìn)行 綜合處理 的基礎(chǔ)上， 發(fā)出代謝調(diào)控的指令，控制微生物細(xì)胞自身的生命活動(dòng)。 用矛盾的對(duì)立統(tǒng)一的觀點(diǎn)來全面認(rèn)識(shí)物質(zhì)，能量和信息之間的關(guān)系，樹立發(fā)酵工程的科學(xué)發(fā)展觀，在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天尤為重要。 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。 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 154 微生物代謝途徑的調(diào)節(jié)方式是多種多樣的，為了研究的方便，建立了 21種調(diào)節(jié)模式。代謝途徑與跨膜系統(tǒng)是代謝網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)重要組成部分。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。 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。具備這兩種吸收系統(tǒng)對(duì)這種微生物是有利的。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 150 ⑤構(gòu)巢曲霉通過 兩種控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)氨的吸收 ：第一種吸收系統(tǒng)不受環(huán)境中氨濃度的調(diào)節(jié)，氨的吸收速率決定于細(xì)胞內(nèi)的氨濃度，直到細(xì)胞內(nèi)的氨濃度超過某一定值才停止吸收。 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。 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）。 外源的糖磷酸酯誘導(dǎo)該體系的機(jī)制尚不清楚。這是合乎微生物的節(jié)約原理的，因?yàn)槿绻h(huán)境中葡萄糖較高時(shí)，單靠結(jié)構(gòu)性（組成型）的促進(jìn)擴(kuò)散系統(tǒng)便能維持細(xì)胞內(nèi)有一合適的糖濃度；而當(dāng)環(huán)境中葡萄糖濃度較低的情況下，親和力高的主動(dòng)輸送系統(tǒng)就可以發(fā)揮有效的吸收作用。 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 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)。 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(dòng)擴(kuò)散以外，化學(xué)物質(zhì)跨膜需依賴載體蛋白、酶和代謝能，因此可以認(rèn)為膜蛋白參與經(jīng)膜實(shí)現(xiàn)的極大多數(shù)動(dòng)態(tài)過程。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 140 然而，膜脂質(zhì)的適應(yīng)性改變，似乎僅僅是決定特定微生物生長溫度范圍的一個(gè)因素，因?yàn)榱字肿訕O性頭的性質(zhì)、膜中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的總的比率似乎也要影響膜的流動(dòng)性。 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。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 137 對(duì)許多嗜熱和嗜冷微生物檢測(cè)的結(jié)果表明，在同一個(gè)分類學(xué)上的種內(nèi)與嗜溫微生物相比，嗜熱微生物的膜脂質(zhì)含有較高比例的直鏈飽和和異式分支脂肪酸（酰基），嗜冷微生物含有較高比例的鏈較短的飽和脂肪酸或更加不飽和及有前異式分支的脂肪酸鏈。從嗜溫微生物脂肪?；淖兊男再|(zhì)出發(fā)可以設(shè)想：在進(jìn)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(dòng)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(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。從而使膜脂質(zhì)雙分子層的流動(dòng)性保持恒定（表 45）。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酰基，這些微生物對(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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 134 事實(shí)也確實(shí)如此，許多種微生物在環(huán)境溫度上升時(shí)就會(huì)發(fā)生如上一種或幾種轉(zhuǎn)變；當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，嗜溫微生物的膜的脂質(zhì)的成分就會(huì)發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 132 恒黏適應(yīng)現(xiàn)象 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 133 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嗜溫微生物是通過 改變膜脂質(zhì)的脂肪酰基來響應(yīng)環(huán)境溫度的變化的，這種改變可以使得膜的流動(dòng)性在新的溫度下保持恒定，這種現(xiàn)象叫做恒黏適應(yīng)（ homeoviscous） 現(xiàn)象。 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。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 ） 。單不飽和脂還有 順式 與 反式 之分，膜中經(jīng)常出現(xiàn)的是順式單不飽和脂，這種不飽和脂的熔點(diǎn)更低。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 129 這是因?yàn)殡p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)。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。此處從略，必要時(shí)可在課外作專題講座。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 123 細(xì)菌細(xì)胞通過代謝調(diào)節(jié)自動(dòng)開源節(jié)流的現(xiàn)象，已成為微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有說服力的證據(jù)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 122 以研究的細(xì)菌代謝的全局控制的機(jī)制有：⑴ SOS響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（可誘導(dǎo)的修復(fù)）， ⑵ 熱刺激響應(yīng) ，⑶ 有氧及無氧激勵(lì)子 ， ⑷ 緊縮響應(yīng) 。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。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。 如此眾多的、相互關(guān)聯(lián)組分的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，對(duì)細(xì)胞生長的總效率是很重要的，而且，將所有這些基因包容在一個(gè)操縱子內(nèi)也幾乎是不可能的。 第一，某些細(xì)胞過程所涉及的基因多于一個(gè)單獨(dú)的操縱子所能容納的基因。警報(bào)子常常是小的核苷酸分子，諸如 cAMP或四磷酸鳥苷 (ppGpp)。 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。它們通過共享一個(gè) 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(yīng)。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 118 激勵(lì)子（ stimulon ） 是用來指稱對(duì)應(yīng)于單一環(huán)境刺激的全部調(diào)節(jié)子，或者說，用來描述對(duì)一個(gè)給定環(huán)境壓迫作出響應(yīng)的所有基因、操縱子和調(diào)節(jié)子。 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)。 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 116 這樣的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)包括多套 操縱子（ operon） 和多套 調(diào)節(jié)子 （ regulon ） ，它們的功能表面上無關(guān)，在染色體圖上的物理位置也不連續(xù)。全局控制是細(xì)胞利用調(diào)節(jié)信號(hào)的與生俱來的能力 。 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 )。 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(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 111 整個(gè)細(xì)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(gè)例子，乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制的揭示，激起了研究其他操縱子的強(qiáng)烈興趣，導(dǎo)致很多新操縱子的發(fā)現(xiàn)。它與能荷不同之處是它在數(shù)值上還決定于無機(jī)磷酸鹽的濃度： 式中帶下標(biāo)的 c 分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的腺苷酸或磷酸根的濃度。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。當(dāng)腺苷酸庫中全是 AMP時(shí)， EC = 0； 當(dāng)全是 ATP時(shí)， EC = 1。 上式給出的能荷對(duì)流量的協(xié)調(diào)控制 ， 式中帶下標(biāo)的 c分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的腺苷酸的濃度 。 ATP、 ADP、 AMP 分子數(shù)的比例反映了細(xì)胞的能量狀態(tài)。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。 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。研究結(jié)果證明， AKⅠ 和 HDⅠ 酶分子由 4 個(gè)亞基組成， 2個(gè)酶的活性中心同在 1 個(gè)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(gè)多功能酶。當(dāng)其中一種同工酶受到抑制或缺損時(shí)，另外的同工酶仍在起作用，從而保證微生物細(xì)胞的代謝繼續(xù)進(jìn)行。 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 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。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 101 ②共價(jià)調(diào)節(jié)酶對(duì)合成代謝途徑的調(diào)節(jié)： 如果共價(jià)調(diào)節(jié)酶催化分支代謝途徑的關(guān)鍵反應(yīng)，就可以滿意地調(diào)節(jié)這條分支途徑的代謝通量。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。 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。 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 。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)。胞內(nèi) PEP的高濃度是胞內(nèi)有充足的 ATP 供應(yīng)的信號(hào)， 其結(jié)果是PFK（ 圖 412中 2）受抑制；同時(shí)，激活 ADPGlc焦磷酸化酶（圖 412中 4），促進(jìn)糖原的合成。 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。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 P