【教学课件】第四章发酵学第三假说.ppt
2023/8/7,1,第四章 发酵学第三假说,细胞经济假说,2023/8/7,2,本章提示：1.早就有人把实业公司看作为市场经济体系中的一个细胞，那么是否能把微生物细胞看作为它所处的生态环境中的一个经济实体呢？2.假定经过千千万万年的物竞天择而幸存下来的微生物，其细胞代谢规律（细胞经济管理原则）是不以人的主观意志为转移的，就像市场经济中价值规律那样起作用，微生物在漫长的进化的过程中已将细胞经济规律写入了DNA。3.如果把微生物细胞的代谢看作经济运行的话,这个细胞经济规律实际上是微生物细胞自主经济的保障。,2023/8/7,3,微生物细胞是远离平衡状态的不平衡的开放体系，是在物竞天择的基础上形成的细胞经济体系。细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系，它为细胞的适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。,细 胞 经 济 假 说,2023/8/7,4,19世纪中叶出现了三个智慧成果。德国物理学家克劳修斯（Clausius）发现的热力学第二定律（1850年）指出，热不可能自发地由低温物体传向高温物体。也就是说，热力学系统的自发过程的总是向熵增加的方向（即有序性程度减少、无序程度增加的方向）发展。,2023/8/7,5,英国生物学家达尔文（Darwin）1859 年出版了 物种起源 一书，提出了生物系统由简单到复杂、由低级到高级的进化趋向。马克思通过对生产力和生产关系、以及经济基础和上层建筑的关系的历史考察，出版了 资本论 第一卷（1867年），完成资本论 1-3 卷的草稿，揭示了人类社会发展的方向。,2023/8/7,6,热力学系统比之于生命系统、社会系统，似乎遵循着两种不同的自然规律，有着两种不同的趋向。并且，热力学第二定律无法说明系统由无序到有序、由低级的有序到高级的有序的演化和发展的趋向；也无法解释混沌的自然界怎么能演化、发展成为“自组织”的生命系统和社会系统。经典的热力学理论对自然界中大量“自组织”现象束手无策。,2023/8/7,7,一个世纪以后，比利时普利高津（Prigogine）于1969年提出耗散结构理论。耗散结构理论研究耗散结构的形成机理，以及它的性质、稳定条件和演变规律；这个理论为热力学系统与生命系统、社会系统的运行规律的统一提供了理论根据。,2023/8/7,8,所谓耗散结构是指一个远离平衡状态的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的，乃至社会的经济系统）。耗散结构与外界不断地进行物质和能量交换，当外界条件的变化达到一定的阈值时，可以从原有的无序或低序的混乱状态，转变为一种在时间、空间上或功能上的有序状态。,2023/8/7,9,耗散结构只能产生并存在于开放系统中，只能依靠与外界进行物质和能量的交换来维持其生命力。“耗散结构”这一术语就是用来表示系统的这种物质交换和能量耗散的特征的。,2023/8/7,10,在物竞天择的基础上形成的微生物代谢体系，是保障微生物细胞生存的细胞经济体系。细胞经济体系运行的经济调度，以及细胞对环境变化的积极响应，最终都是由细胞的遗传物质规定的。,2023/8/7,11,可把微生物细胞作为按特殊经济规律运行的经济实体来看待。本章将从代谢和代谢调节的角度分析细胞生命活动的经济规律，以求比较圆满地处理工业发酵目的与细胞经济运行之间的对立和统一关系，从而能应顺自然规律，用好微生物这个工具，为人类造福，为世界消灾。,2023/8/7,12,第一节 细胞经济假设的微生物 学与分子生物学基础第二节 微生物的细胞经济的运 行规律第三节 代谢网络中碳架物质流 的调动第四节 细胞经济假说与细胞经 济学,2023/8/7,13,第一节 细胞经济假设的微生物 学与分子生物学基础4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位4.1.2 微生物酶（蛋白质）的自动调节4.1.3 微生物膜的自动调节4.1.4 微生物代谢途径的调节模式4.1.5 信息传递与信息流,2023/8/7,14,细胞经济假设的微生物学基础是微生物代谢的自动调节。微生物代谢的自动调节最终借助于酶与膜来实现。而微生物酶的结构与功能，膜的结构、组成与功能，以及它们的自动调节机制的信息都存在于DNA中；在不同的环境条件下，微生物细胞对遗传信息作选择性的表达，实现代谢的自动调节，从而对环境做出适当的响应。,2023/8/7,15,微生物代谢是一种集成的过程，这个过程需要协调好无数酶或蛋白质的作用，将环境中的主要营养同化成细胞组成物质。这又是一种节省的过程，也就是说在正常情况下，细胞不会消耗能量或营养去合成那些可以从环境中得到的化合物，也不过量合成中间代谢物。,2023/8/7,16,代谢的协调能保证在任何特定时刻、特定的细胞空间，只合成必要的酶系（参与代谢的多种酶）和刚够用的酶量。一旦特定物质的合成达到足够的量，与这些物质合成有关的酶就不再合成了。并且，已合成的酶的活力受到许多调节机制的控制，以确保新陈代谢全面协调，主要是在反馈信息的触发下发生的抑制、激活、阻遏、诱导等基本调节机制。这些调节机制的协同作用为微生物细胞的新陈代谢、细胞的经济运行提供保证。,2023/8/7,17,在微生物代谢的自动调节过程中，反馈信息的传递往往发生在蛋白质水平上，这种传递是借助存在于细胞质和细胞的膜结构中的调节酶和非酶变构蛋白来实现的，因此有必要首先从酶和膜两方面入手，讨论微生物代谢的自动调节。,2023/8/7,18,真核生物与原核生物的调节系统是有很多不同的，这是它们不同“生活方式”的反映。原核细胞通常是自由生活的单细胞生物，在环境条件适宜且营养充足的情况下，它们可无限制的生长和分裂。原核生物系统的调节方向是尽可能高效利用营养实现最大生长。由于没有核，原核生物的DNA连续接受来自细胞质的调节信号；因此，蛋白质合成的开关控制常是在转录水平上实现的。,2023/8/7,19,真核生物通常是多细胞的（酵母、藻类和原生动物除外）结构上更复杂的、较大的生物。细胞分化尤其需要特定类型的调节，因为不同组织的细胞有不同的需求。例如，在一个胚胎中，一个细胞不仅需产生新一代细胞，而且也需经历许多相当大的形态的和生化的变化，并需无限维持这些变化。这类永久开关需要在细胞中运用其他调节策略，例如基因丢失、基因失活、基因扩增和基因重排。哺乳动物代谢则是通过营养基质和激素在遗传水平进行调控的。,2023/8/7,20,总的说来，遗传控制机制本质上更适合于原核生物，允许它们迅速地调节酶浓度以满足变化着的细胞要求。本章讨论的有关代谢调节的内容主要来自原核细胞。,2023/8/7,21,4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位 4.1.1.1 真核生物与原核生物的调 节系统的比较 4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节 部位 4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调 节部位,2023/8/7,22,微生物的代谢调节是由微生物细胞决定的，是通过微生物细胞本身来实现的，环境条件的变化，必须通过微生物细胞本身来影响微生物的代谢。归根结蒂，微生物的代谢调节是发生在微生物细胞中的生物化学现象，是对发生在微生物细胞内的生物化学过程的调节，属于微生物生理学问题。,2023/8/7,23,生理学与生物化学的区别在于，生理学十分强调生物化学反应在活体内发生的部位，以及该生物化学反应发生前后活体生理状况的变化。因此，有必要研究代谢调节主要在微生物细胞的什么部位发生，发生什么样的调节，以及调节的规律。,2023/8/7,24,4.1.1.1 真核生物与原核生物的调节系 统的比较 真核生物与原核生物的调节系统是有很多不同的，这是它们不同“生活方式”的反映。虽然原核细胞与真核细胞所具有的很多功能颇为类似，但它们在若干结构的及遗传的性能方面有区别。,2023/8/7,25,2023/8/7,26,4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节部位,图中：1，可溶性营养物质或代谢产物的跨膜输送；2，代谢途径的酶的催化作用；3，酶和载体蛋白的合成,2023/8/7,27,与细胞质膜密切相关的调节 细胞质膜是溶质进出细胞的主要屏障。营养物质主动或被动输送进入细胞的过程，以及代谢产物（某种代谢产物或能量代谢副产物）排出细胞的过程，都要受到膜的组成、结构和功能的影响。,2023/8/7,28,与膜密切相关的调节主要包括以下4个方面：膜的脂质（磷脂及其它脂类）的分子结构，以及环境条件（如离子强度、温度、pH等）对膜脂质理化性质的影响；膜蛋白质（如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其它蛋白质）的绝对数量及其活性的调节；,2023/8/7,29,跨膜的电化学梯度（膜的生理状态）以及胞内ATP、ADP、AMP库和Pi浓度对溶质输送的调节；细胞壁结构特别是骨架结构的部分破坏或变形，间接影响膜（膜的物理状态）对溶质的通透性。,2023/8/7,30,酶催化能力的调节 也就是细胞空间内存在的酶分子的数量及其活性的调节。在原核细胞中，各种酶和各种底物同存在于一个空间中。处在一定环境和生理条件下的原核细胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度进行反应，均受到严格的自动调节。这种自动调节包括两个方面：一是调节反应途径中的酶水平（酶分子的浓度），特别是关键酶合成或降解的相对速率，二是改变已存在的酶的活力，特别是关键酶的活力。,2023/8/7,31,酶与底物的相对位置 原核细胞内没有典型的细胞器，除了细胞质膜上存在一些凹陷、皱褶外，细胞内不存在被膜分隔的多个空间，因此，在细胞内似乎不存在酶与底物的相对位置影响酶作用的问题。但实际上，在原核细胞中有时也有这种形式的调控，比如当一个酶反应系统以多酶复合体（multienzyme complex）的形式存在时，就可以使酶反应在一定空间范围内按特定顺序进行。,2023/8/7,32,4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调节部位,图中：1，可溶性营养物质或代谢产物的跨膜输送；2，代谢途径的酶的催化作用；3，在核中进行的转录；4，在细胞质中进行的翻译；5，不同细胞空间的溶质的跨膜输送。,2023/8/7,33,真核微生物细胞比原核生物细胞复杂而多样化。最简单的真核微生物酵母细胞就有典型的细胞核和一个或多个线粒体、液泡等。在核膜外层与细胞质膜之间又有内质网存在，由此可见，真核微生物细胞内的空间被膜结构分隔成许多小室。由于这些小室的存在，真核微生物的代谢调节要比原核生物复杂得多，就单个细胞相比较，真核微生物细胞的代谢调节部位要比原核生物细胞多得多。,2023/8/7,34,真核微生物细胞同样存在前述原核生物细胞的 3 个代谢调节部位。唯有第三个调节部位，即酶与底物的相对位置，则因分隔小室而增加了不少调节的内容。小室是使合成代谢和分解代谢能够分开进行和分开调节的重要辅助手段。其中，细胞质与线粒体之间的分工协作，可从 表 4-2 得到反映。,2023/8/7,35,2023/8/7,36,在真核微生物细胞中，这种酶（酶体系）的区域化、酶与底物的分隔，使酶反应的调节更加复杂化、多样化。酶反应系列的总速度不仅决定于相邻两区域中的调节酶、底物的浓度和调节酶的活性，而且也决定于重要代谢中间物跨膜的交换速度。因为这种跨膜交换要借助于载体（由DNA编码的蛋白质），所以，这些载体的绝对数量及活性也会成为代谢调节的部位。,2023/8/7,37,4.1.2 微生物酶（蛋白质）的自动调节 4.1.2.1 转录水平上的调节 4.1.2.2 翻译水平上的调节 4.1.2.3 蛋白质水平上的调节 4.1.2.4 整个细胞水平上的调节(全局性调节),2023/8/7,38,微生物的代谢主要是借助于酶与膜来实现自动调节的。而微生物酶的结构与功能，膜的结构、组成与功能，以及它们的自动调节机制的信息都存在于DNA中；在不同的环境条件下，微生物细胞遵循细胞经济规律（代谢自动调节规律），对其自身的遗传信息作选择性的表达，对环境做出响应。,2023/8/7,39,值得注意的是，在物种不变（基因组不变）的情况下，微生物通过自我调节对其所处的环境作出响应，反馈信息的传递在蛋白质水平上是通过存在于细胞质和膜中的调节酶及非酶变构蛋白来实现的，因此有必要从酶和膜两方面入手讨论微生物代谢的自动调节。,2023/8/7,40,遗传控制机制本质上更适合于原核生物，允许它们迅速地调节酶浓度以满足变化着的细胞要求。这里要以原核生物为例，叙述通过酶实现的代谢自动调节的机制。对于指定的微生物菌株（即遗传物质确定的情况下），代谢自动调节表现在转录、翻译、蛋白质和整个细胞等4个不同的水平上。,2023/8/7,41,4.1.2.1 转录水平上的调节,酶的诱导的机制 营养阻遏的机制 终端产物对其自身合成途径的酶系的 合成的反馈阻遏和弱化的机制中心代谢途径的酶合成的调节,2023/8/7,42,酶的诱导(induction)的机制,图4-3诱导酶的诱导合成模型（负控制）Ri，诱导酶的调节基因；P，启动子；O，操纵基因；S1、S2、S3，大肠杆菌乳糖操纵子的3个结构基因。,2023/8/7,43,当细胞内没有诱导物（效应物）时，由调节基因编码的与操纵基因有结合活性的阻遏蛋白（一种变构蛋白）与操纵基因结合，阻止 RNA 聚合酶对结构基因的转录，因而诱导途径的酶系没有合成；当细胞内诱导物（效应物）浓度上升某一程度时，它就与阻遏蛋白结合，使后者因构象发生变化而失去与操纵基因的结合活性，从操纵基因上脱落下来，RNA聚合酶就可对结构基因进行转录，诱导途径的酶系就被诱导合成。,2023/8/7,44,从而可以看出诱导的本质就是解阻遏（诱导物解除了阻遏蛋白对操纵基因的阻塞）。值得注意的是，这种诱导物与阻遏蛋白的结合是可逆的，结合或解除结合取决于细胞内效应物的浓度。正因为结合是可逆的，所以调节可以双向进行。,2023/8/7,45,酶的诱导对于微生物是十分有意义的。从营养的角度看，微生物可以根据环境所提供的生长底物，诱导合成相应的酶（蛋白质），以分解生长底物，吸收营养，进行代谢活动，从而形成微生物对环境的适应能力。从细胞经济的角度看，仅仅根据需要诱导合成必要的酶（蛋白质），可以避免核苷酸、氨基酸和代谢能的浪费。微生物有了诱导机制就能更好地适应环境的变化，节约使用营养和代谢能，表现出细胞生命活动的适应性和经济性。,2023/8/7,46,研究诱导模型也可以给人以启迪。从诱导模型分析，若调节基因I、启动基因P、操纵基因O上发生突变，都可能影响酶的正常诱导。如果启动基因P缺失，则RNA多聚酶无从结合到操纵子上去，不管有没有诱导物，转录都不会进行，这种突变株称超阻遏突变株。如果操纵基因缺失，则不管有没有诱导物，操纵子都不会受阻塞，不需诱导也能使结构基因转录并翻译，这种突变株就是组成型突变株。这两种突变株在工业上都可能得到应用，特别是在微生物酶制剂工业上。,2023/8/7,47,营养阻遏(nutritional repression)的机制,在用混合碳源培养大肠杆菌的研究中发现，细胞中只有一个碳源降解酶系在起作用，也就是培养基中能被最迅速地同化的碳源的降解酶系，而且，在该碳源用完之前，其它碳源的降解酶系的合成一直受到阻遏。过去曾假设，是能被迅速同化的碳源（如葡萄糖）降解过程中的某代谢产物阻遏了其余降解酶系的合成，因此曾经把这种现象叫做降解物阻遏（catabolite repression）。,2023/8/7,48,进一步的研究并没有发现有这种降解代谢物的存在，碳源降解的阻遏似乎并不是由葡萄糖或其他能被迅速同化的碳源的降解物引起的，因此把这种阻遏叫做碳源阻遏比叫降解物阻遏更切合实际。这一类阻遏不但发生在对碳源的利用过程中，也发生在对氮源、磷源和硫源的利用过程中，我们用营养阻遏（nutritional repression）这个名称来包容不同营养源的阻遏；因此就有碳源营养阻遏、氮源营养阻遏等名称。,2023/8/7,49,图4-4 大肠杆菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏的解阻遏模型,当葡萄糖浓度下降时，Glc 浓度下降，葡萄糖PTS的GlcP浓度上升。较低的 Glc 浓度可使乳糖透性酶活性恢复，导致胞内乳糖（乳糖操纵子的诱导物）浓度的上升；葡萄糖 PTS的GlcP浓度上升，将激活腺苷酸环化酶，使胞内 cAMP 浓度上升，最终促成了 乳糖操纵子编码的 那几个酶的诱导合成。,2023/8/7,50,葡萄糖的存在对乳糖利用的影响是典型的碳源营养阻遏（图4-4）。研究证明大肠杆菌的碳源阻遏与细胞中 cAMP水平（即浓度）有关。乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，还需要cAMP。细胞对葡萄糖（Glc）的利用导致胞内 cAMP浓度大幅度下降，当大部分Glc被消耗掉，cAMP 浓度才回升。cAMP与一个叫做CAP的蛋白质（环腺苷酸接受蛋白）形成复合物，这个复合物与启动子 P 结合而刺激转录（提高RNA多聚酶与P的亲合性）。,2023/8/7,51,细胞中的 cAMP的浓度取决于腺苷酸环化酶。腺苷酸环化酶结合在膜上，并且受细胞吸收葡萄糖的磷酸转移酶系统（PTS）的因子 Glc 的磷酸化状态（Glc-P）的激活（图4-4）。当受 PTS 输送的葡萄糖浓度高时，因子Glc的磷酸化程度就低，腺苷酸环化酶的活性就下降，cAMP 的浓度就下降，从而导致乳糖操纵子上启动子 P被激活程度的下降。,2023/8/7,52,与此同时，因子Glc的高浓度会使乳糖透性酶（乳糖进入细胞的载体蛋白）活力受到抑制，诱导物乳糖在胞内的浓度下降，乳糖操纵子也就只能处于阻遏状态之下。由于这两方面的原因，造成葡萄糖对利用乳糖的酶系的阻遏。,2023/8/7,53,氮源营养阻遏指的是：高浓度的氨或某些含氮有机化合物对催化含氮底物降解的酶的阻遏的调节控制机制。受这种控制的酶有蛋白酶、酰胺酶、脲酶（尿素酶）和氨基酸降解酶。在曲霉菌中，控制氮源阻遏的基因（areA）已被检出。这个基因为一个对转录进行正控制的调节蛋白编码。这个调节蛋白在解阻遏条件（如铵浓度低）下表现活性，在阻遏条件（如铵浓度高）下失去活性。,2023/8/7,54,高浓度的磷源（特别是正磷酸盐）和硫源（特别是无机硫酸盐）也会对某些酶发生营养阻遏。例如，核酸酶和磷酸酯酶通常受到磷酸盐的阻遏，蛋白酶和硫酸酯酶常常受硫酸盐或含硫氨基酸（sulfur amino acids）的阻遏。,2023/8/7,55,营养阻遏的意义：微生物细胞在其所处的环境条件下，利用其细胞中已有的酶系首先降解最易利用的生长底物，必要时才会去合成降解另一种生长底物的酶系，体现了细胞运作的经济性和自我保障机制。,2023/8/7,56,终端产物对其自身合成途径的酶的合成的反馈阻遏（repression）和弱化(attenuation)的机制,化能异养型微生物细胞如果要在以葡萄糖为碳源和能源的基本培养基中生长，那它就必须合成所有要用来形成生物大分子的分子模块（building block），如氨基酸、核苷酸等等。这些分子模块的合成量，要正好用来合成组成细胞的生物大分子；分子模块的过量产生，是必须避免的。如果在完全培养基中生长，微生物细胞可以从其所处的环境获得分子模块，就没有必要靠细胞自身来合成。,2023/8/7,57,微生物调节合成代谢的酶的水平（即胞内酶分子的数量或酶浓度），使之与所需要合成的产物的量相协调。这种调节依赖终端产物的反馈阻遏、弱化等机制，或两者兼用。这些自动调节机制可以节约细胞内的原料和能量，对微生物的好处也是显而易见的。阻遏控制转录的开始，弱化控制转录的中止（也就是在已开始的转录的情况下对结构基因转录机会的控制）。,2023/8/7,58,许多氨基酸生物合成途径不但受该氨基酸本身的调节，而且受其对应的氨基酰 tRNA 的调节。前者指的是反馈阻遏，也就是氨基酸合成途径的终端产物（与合成途径相对应的氨基酸）作为辅阻遏物阻碍转录的发动（即转录的开始）；后者指的是叫做弱化的另一种类型的控制，这种控制涉及到与合成途径的终端产物氨基酸相对应的氨基酰 tRNA 和转录的中止，即当细胞中存在过量的对应氨基酰 tRNA 时，已发动的转录会在操纵子的第一个结构基因被转录前中止。,2023/8/7,59,图4-5 酶合成的反馈阻遏模型R，酶阻遏的调节基因；P，启动子；O，操纵基因；S1、S2、S3为生物合成途径的酶的结构基因。,2023/8/7,60,图4-5所示阻遏模型与诱导模型不同，由阻遏酶的调节基因Rr编码的原阻遏物本身没有与操纵基因O 结合的活性，它必须受阻遏物（即终产物）激活后才可与 O 结合。反馈阻遏模型中，操纵子的开关情况正好与诱导模型相反。前者是以效应物（阻遏物）的高浓度关闭操纵子，后者以效应物（诱导物）的高浓度打开操纵子。反馈阻遏与诱导模型最大的相似之处是：效应物（这里指阻遏物）与调节蛋白（这里是原阻遏物）的结合是可逆的。,2023/8/7,61,在原核细胞中，诱导和反馈阻遏之所以可以同时调节几个相关的酶的合成，其原因在于一条代谢途径中的几个酶的结构基因往往成串地分布在同一个操纵子上，或者尽管分散在不同的操纵子上，但这些操纵子受同一个调节基因编码的变构蛋白的控制。,2023/8/7,62,如果对应于合成途径的操纵子的操纵基因发生突变或调节基因发生突变，使操纵基因的阻塞无法实现，这种解除了调节的突变株可以过量合成相关途径的酶或终产物。这样的突变株叫做调节突变株，可在工业生产上得到应用。,2023/8/7,63,（4）中心代谢途径的酶合成的调节,“诱导”这个术语常常与分解代谢酶有关，“阻遏”这个术语常常与合成代谢的酶有关。中心途径是两用途径，中心代谢途径中的有些酶的合成也常常处于调控之中。,2023/8/7,64,生长基质的种类和浓度的变化引起的调控，如异柠檬酸裂合酶（IL）和苹果酸合成酶（MS）受葡萄糖的阻遏，受醋酸的诱导。,2023/8/7,65,许多“厌氧酶”的合成需要一种 Fnr 调节蛋白（formate-nitrate regulation protein）的合成，它是 fnr 基因的产物。这种 Fnr蛋白能辨别有氧和无氧条件，受环境的氧化还原条件控制，只有在没有分子氧时才合成。这种蛋白的存在，可促进硝酸盐还原酶（nitrate reductase）、延胡索酸还原酶和甲酸-氢裂合酶（FDH2，一种甲酸脱氢酶和氢化酶的复合物）的基因的转录。,2023/8/7,66,这些基因的表达程度取决于细胞内所存在的终端电子受体的氧化还原电位，当有分子氧存在时，就不表达。有硝酸盐存在时（没有分子氧），只有硝酸盐还原酶的基因表达。推测Fnr 调节蛋白在这个调节系统中的作用，类似于营养阻遏的调节系统中的环腺苷酸接受蛋白（CRP）所起的作用。,2023/8/7,67,应该指出，在厌氧条件下，大肠杆菌形成第二种甲酸脱氢酶(FDHl)，它与硝酸盐还原酶或延胡索酸酶有联系。这个酶并不处于氧化还原控制之下（它是甲酸-氢裂合酶的部分），它是由甲酸诱导而合成的。,2023/8/7,68,4.1.2.2 翻译水平上的调节,翻译速度的控制 异常蛋白质的降解,2023/8/7,69,这里包括两层意思，其一是对翻译速度的调节，其二是对已翻译错了的、会成为细胞代谢包袱的蛋白质分子的破坏性降解，即异常蛋白的降解。,2023/8/7,70,翻译速度的控制 一般情况下，翻译速度的调节可以通过调节以下任何一项来实现：翻译（蛋白质合成）的总速率；翻译起始的概率。,2023/8/7,71,1.蛋白质合成的总速率的调节 翻译的调节发生在为核糖体蛋白编码的几个操纵子上。所有细菌的生长速率都随其生长培养基组成而变化，在可以被微生物充分利用的碳源（如葡萄糖）为碳源的基本培养基中，大肠杆菌细胞于37大约每45min分裂一次，而在较“差”的碳源（如脯氨酸）为碳源的基本培养基中，同样温度下则需要约500min。在含有葡萄糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素和脂肪酸的营养丰富培养基中，细胞不必合成这些分子模块，因此生长极为迅速，世代时间少于30min。,2023/8/7,72,因为核糖体对蛋白质的合成能力是有限的（37下每秒钟约翻译15个氨基酸分子），所以在不同的比生长速率下（因而，不同的蛋白质合成速率下），每个细胞的核糖体数目也随之变化。把细菌细胞从营养丰富培养基转移到基本培养基的试验结果表明，每个细胞的核糖体含量因 rRNA的合成暂停而相应地减少。,2023/8/7,73,在不同生长速率下，rRNA 与核糖体的恒定的比例和核糖体蛋白质与核糖体的恒定比例，受两种反馈机制的调节：核糖体反馈调节：当核糖体合成少许地过量时，游离的、非翻译状态的核糖体抑制 rRNA的合成；翻译阻遏（translational repression）：某些核糖体蛋白质抑制某些编码一种或多种核糖体蛋白质的 mRNA 的翻译。,2023/8/7,74,2.翻译起始的概率的调节 某些酶的遗传控制也能够发生在翻译水平，被称为转录后的调节。这种调节机制用来控制成品mRNA分子被翻译的次数。,2023/8/7,75,异常蛋白质的降解 异常蛋白质包括：由无意义突变引起的不完全蛋白质、有氨基酸替代的完全蛋白质、过量合成的多聚复合物大分子的某些亚基（如亚基）。异常蛋白质通常是指在胞内并不能累积到它们对应的正常蛋白质的水平（浓度）的蛋白质，这些异常蛋白质的降解与营养的供应无关，因此即使在微生物迅速生长时也会发生。,2023/8/7,76,微生物细胞中似乎存在一个专门用来降解异常蛋白的蛋白质降解系统，它主要在大多数异常蛋白质的降解中起作用。对异常蛋白质的及时降解，既可以卸除代谢的包袱，又可以使氨基酸及时得到回用，因此是微生物的一种节约机制。,2023/8/7,77,研究证明，用于降解异常蛋白的 Lon蛋白酶只认辨和作用于未折叠的蛋白质，这个事实将帮助我们解释，该胞内蛋白酶怎么能够在细胞质内游离存在，而不破坏细胞必需的蛋白质。ATP 的水解导致Lon蛋白酶分子在每次水解反应后的自动失活。余下的ADP仍连在已失活的Lon蛋白酶上，直到有一个新的蛋白质作为它的合格底物，去诱发它的离去。这种机制能保证细胞内不会发生不加选择的蛋白质水解。,2023/8/7,78,变构蛋白和变构酶的调节机制共价调节酶中心代谢途径的酶的活性的调节 合成代谢途径（即代谢网络中离 心途径）的酶活性的调节。,4.1.2.3 蛋白质水平上的调节,2023/8/7,79,微生物代谢网络中有许多可以形成途径分支的点，称为“节点”。代谢网络的中心板块上的12个代谢前体物就是这样的节点。离心途径从这些代谢前体物出发，经离心途径合成典型的工业发酵的目的产物，或者从离心途径的某中间代谢物分出的合成另一种目的产物的二级离心途径。,2023/8/7,80,离心途径中的关键反应的酶，就是该途径中最重要的调控点；而催化这个关键反应的酶往往是分支后面的第一个不可逆反应的酶。这里将从酶的角度分析合成代谢途径的调节情况。,2023/8/7,81,在细胞的生命活动中，细胞的蛋白质可以是酶、载体蛋白、电子传递链成员、调节蛋白（原阻遏物、阻遏蛋白、受体蛋白等）等功能性蛋白和各种各样的结构蛋白。以上蛋白质有相当部分属于变构蛋白和变构酶，另一些蛋白质不是变构蛋白和变构酶，但它们都可以接受蛋白质水平上的调节。蛋白质水平上的调节主要包括：变构蛋白和变构酶的调节、共价调节酶的调节、中心代谢途径的酶活性的调节、合成代谢途径的酶活性的调节、能荷调节等。,2023/8/7,82,蛋白质水平上的调节是指对已存在于细胞中的酶（蛋白质）分子的活性的调节。这些调节包括可逆的和不可逆的调节，实质上是影响总的可利用酶分子中表现活性的酶分子的数量。这些调节能在极短的（调节酶的）特性时间里迅速地得到响应，因为这种调节是通过影响蛋白质（酶）分子构象的变化来实现的。,2023/8/7,83,变构蛋白和变构酶的调节机制 不论是酶合成的调节还是酶的活性的调节，均由效应物（往往是低分子质量的化合物）的介入而引起。这些低分子质量化合物可以来自环境，也可以是细胞代谢的中间产物。这两种调节机制均涉及到一类特殊的蛋白质变构蛋白。,2023/8/7,84,变构蛋白是这样一类蛋白质，如果某特定的小分子（效应物）与它结合，它的构象就会发生变化，由此而引起活性的变化。因为这种结合（非共价结合）是可逆的，所以变构蛋白就能在代谢调节中直接地或间接地发生作用。根据变构蛋白的性质和作用，可以把它们分成两类：非酶变构蛋白和变构酶。,2023/8/7,85,非酶变构蛋白：主要包括调节蛋白和受控载体蛋白。由调节基因编码，在操纵子表达中起调节作用的变构蛋白叫调节蛋白（如诱导和阻遏模型中的阻遏蛋白和原阻遏物）。当它们处于活性构象状态时，就能与操纵子上相应部位相结合，从而阻塞（或促进）操纵子的转录。调节蛋白与操纵子的结合活性可因它与效应物的结合而改变，从而间接地影响到mRNA的合成（转录）和蛋白质（酶）分子的合成（翻译）。,2023/8/7,86,作为输送工具的载体蛋白，有些也是变构蛋白，称为受控载体蛋白例如大肠杆菌中，由乳糖操纵子的结构基因编码的乳糖透性酶（一种载体蛋白，用于乳糖输送）就可能是这种变构蛋白。,2023/8/7,87,变构酶：变构酶在代谢调节中起重要作用的酶，它们往往是代谢网络中分支途径的第一个酶。变构酶以低聚体（oligomer）的形式存在，它们可由2、4、6 或更多亚单位组成，这些亚单位可以是相同的多肽，也可以是不同的多肽。在代谢调节中起重要作用的调节酶属于变构酶。,2023/8/7,88,调节酶的亚单位除了有活性部位之处，还有调节部位（也称变构部位），这个部位是独立于活性部位之外的另一与配位体（1igand）结合的部位。活性部位的配位体是酶的底物，而调节部位的配位体一般是效应物（激活剂或抑制剂），而效应物与酶的底物在结构上一般有差异（但有时底物本身就是酶的激活剂）。效应物结合到调节部位上可引起活性部位构象的改变，这种改变或是增强酶的催化活力（激活），或是降低酶的催化活力（抑制）。,2023/8/7,89,由于变构酶在蛋白质水平上的调节过程中没有改变多肽链上的氨基酸顺序，没有切断肽链，而仅仅改变了酶蛋白的三级或四级结构，因此变构酶为代谢过程提供了一个非常灵活迅速的调节系统。,2023/8/7,90,可由共价修饰引起酶活性（有时还涉及调节特性）改变的酶叫共价调节酶。共价调节酶可以在另外一个酶（修饰酶）的催化下被共价地修饰，即在它分子上共价地结合上或者释放一个低分子量基团，从而使酶的活性（有时还涉及调节性能）发生变化。共价调节酶的好处在于：只要微生物细胞内某个代谢产物的浓度有相对小的变化，就能诱发由这个代谢产物控制的共价调节酶的充分的激活或完全失活（或几乎完全失活）。,共价调节酶,2023/8/7,91,例如：大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的依赖NADP+的异柠檬酸脱氢酶（ID）受到磷酸化和脱磷酸化作用的调节。将醋酸添加到一含葡萄糖很少的培养基中，正在培养中的这两种细菌的异柠檬酸脱氢酶（ID）迅速失活。原因是ID被磷酸化了：ID是TCA环和GOA 环两者分叉处（异柠檬酸节点）的酶，ID 的失活可使更多的碳架物质经异柠檬酸裂合酶（IL）进入 GOA 环，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸（可用于葡萄糖异生成方向）的形成，进而形成糖的磷酸酯，然后可以进入细胞壁多糖、DNA、RNA。,2023/8/7,92,分解代谢和中心代谢途径运行可为细胞进行生物合成提供能量和原料，因此把能量代谢的最终产物（以ATP为代表）和用作合成代谢前体的中心代谢途径的某些中间代谢物，作为控制中心代谢途径的调节信号（效应物）是合乎情理的。,中心代谢途径的酶的活性的调节,2023/8/7,93,表4-4概括了大肠杆菌中涉及中心代谢途径(central metabolic pathway)的一些变构酶及它们对应的抑制剂和激活物：,2023/8/7,94,细胞内 NADH 浓度的上升就是呼吸链已经被 NADH 饱和的信号，也是 TCA 环运转即将减弱的信号。丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物、柠檬酸合成酶（CS），苹果酸脱氢酶（MD）受到 NADH的抑制，CS 还受到-KG的抑制，PDH 复合物还受到AcCoA的抑制。,2023/8/7,95,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）受Asp 和苹果酸（MLA）的抑制。MLA的高水平（指细胞中的高浓度）是不需要合成4 C羧酸的信号，而乙酰辅酶A（AcCoA）的高浓度则表示缺乏4C羧酸。AcCoA 作为PEPC的激活剂，能提高胞内4C羧酸的浓度。许多微生物（如乳糖发酵短杆菌）细胞含丙酮酸羧化酶（PC），并以它作为回补酶（anaplerotic enzyme）来替代 PEPC，大多数微生物的PC也受AcCoA的激活。,2023/8/7,96,图4-12大肠杆菌中酵解和糖原合成途径的酶活性调节I，抑制；A，激活；括号内是酶名称的缩写,2023/8/7,97,F-1,6-2P（即FDP）是酵解和糖原形成途径的关键分支点，它在细胞内的浓度是受到调节控制的。AMP 浓度的上升（ATP缺乏的信号）会抑制糖原的形成，因为ADP-Glc焦磷酸化酶（图4-12中4）和果糖二磷酸酯酶（图4-12中3）受到AMP抑制。过量的糖将导致 FDP浓度的上升，这将促进酵解，因为PK和PEPC受FDP激活（前体激活）。胞内PEP的高浓度是胞内有充足的 ATP 供应的信号，其结果是PFK（图4-12中2）受抑制；同时，激活ADP-Glc焦磷酸化酶（图4-12中4），促进糖原的合成。,2023/8/7,98,离心（合成代谢）途径的酶活性的调节 微生物代谢网络中有许多可以形成途径分支的点，称为“节点”。代谢网络的中心板块上的12个代谢前体物就是这样的节点。离心途径从这些代谢前体物出发，经离心途径合成典型的工业发酵的目的产物，或者从离心途径的某中间代谢物分出的合成另一种目的产物的二级离心途径。离心途径中的关键反应的酶，就是该途径中最重要的调控点；而催化这个关键反应的酶往往是分支后面的第一个不可逆反应的酶。这里将从酶的角度分析合成代谢途径的调节情况（图4-13）。,2023/8/7,99,图4-13 大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸合成代谢的调节机制的示意图I，抑制；R，阻遏；下标罗马数字表示不同的同工酶。,2023/8/7,100,变构酶对合成代谢途径的调节：合成代谢途径的终端产物的反馈调节有很大可能是借助变构酶实现的反馈抑制作用，也就是说，若是有分支的途径的话，分支点后的第一个酶往往是变构酶（调节酶），而终产物则是这个调节酶的效应物。变构酶的活力及该酶所在分支途径上的代谢通量受该分支途径的终产物的浓度控制。多价变构酶往往处于多分支的分支途径的共同途径上，它的效应物则是它的多个终产物。,2023/8/7,101,共价调节酶对合成代谢途径的调节：如果共价调节酶催化分支代谢途径的关键反应，就可以满意地调节这条分支途径的代谢通量。好处是：某代谢产物浓度的相对小的变化，就能诱发由这个代谢产物控制的共价调节酶的充分激活或失活。,2023/8/7,102,同工酶对合成代谢途径的调节：在有分枝的合成代谢途径中，其共同途径的第一个酶可能是同工酶。比如大肠杆菌的 Asp 族氨基酸的合成途径是有 3 个分支的途径，在这一族氨基酸的合成代谢途径上，天冬氨酸激酶（AK）和高丝氨酸脱氢酶（HD）分别由 3 个和 2 个同工酶组成。,2023/8/7,103,比如AK的3个同工酶AK受一个分支的终产物 Thr的反馈抑制，AK 受另一个分支的终产物 Lys 的反馈抑制。同工酶是生物体对环境变化或代谢变化的另一种有利的调节方式。当其中一种同工酶受到抑制或缺损时，另外的同工酶仍在起作用，从而保证微生物细胞的代谢继续进行。,2023/8/7,104,多功能酶对合成代谢的调节：从图4-13 可以看到，在大肠杆菌中AK 和HD都是同工酶。研究结果证明，AK和HD酶分子由 4 个亚基组成，2个酶的活性中心同在1 个亚基上，亚基多肽链的N 端是AK，C 端是HD，也就是说 AK 和 HD 同存在于一条多肽链上，AK和HD构成一个多功能酶。,2023/8/7,105,能荷（energy charge）与磷酸化位 对于合成代谢途径的调节方式和调节机制已作了分析，合成代谢中最引人注目的一种在蛋白质水平上的调节方式是反馈抑制，也就是终产物对其合成途径的酶的反馈抑制。化能异养型微生物依靠分解代谢将糖降解，在糖的分解代谢途
