《发酵原理》PPT课件.ppt

第第二二章章 发发酵酵原原理理 第第四四节节 发发酵酵学学第第三三假假说说：细细胞胞经经济济假假说说1微生物细胞是远离平衡状态的不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平衡的开放体系，是在物竞天择的基础上形成的上形成的细胞经济体系。细胞经济体系。细胞经济体系为微生物细胞的适应细胞经济体系为微生物细胞的适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。性、经济性和代谢的持续性提供保障。是细胞生存的保障体系。是细胞生存的保障体系。“细细 胞胞 经经 济济 假假 说说”2 本部分将从代谢和代谢调节的角本部分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，以度分析细胞生命活动的经济规律，以求比较圆满地处理求比较圆满地处理工业发酵目的工业发酵目的与与细细胞经济运行胞经济运行之间的对立和统一关系，之间的对立和统一关系，从而能顺应自然规律，主动与微生物从而能顺应自然规律，主动与微生物合作，为人类造福。合作，为人类造福。3细胞经济假设的微生物学基础是：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微生物代谢的自动调节最终借助于微生物代谢的自动调节最终借助于酶酶与与膜膜来来实现，其自动调节机制的信息都存在于实现，其自动调节机制的信息都存在于DNA中。中。代谢调控的目的：代谢调控的目的：代谢调控的目的：代谢调控的目的：1.1.高效利用养分；高效利用养分；高效利用养分；高效利用养分；2.2.快速响应环境变化。快速响应环境变化。快速响应环境变化。快速响应环境变化。4代谢的协调能保证在任何特定时刻、特代谢的协调能保证在任何特定时刻、特定的细胞空间，只合成定的细胞空间，只合成必要的酶系必要的酶系（参与代（参与代谢的多种酶）和谢的多种酶）和刚够用的酶量刚够用的酶量。并且，已合。并且，已合成的酶的活力受到许多调节机制的控制，主要成的酶的活力受到许多调节机制的控制，主要是在反馈信息的触发下发生的是在反馈信息的触发下发生的抑制、激活、抑制、激活、阻遏、诱导阻遏、诱导等基本调节机制。这些调节机制等基本调节机制。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。经济运行提供保证。5真核生物与原核生物的调节系统比较：真核生物与原核生物的调节系统比较：真核生物与原核生物的调节系统是真核生物与原核生物的调节系统是有很多有很多不同的不同的，这是它们不同，这是它们不同“生活方式生活方式”的反映。的反映。虽然原核细胞与真核细胞所具有的很多功能颇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为类似，但它们在若干结构的及遗传的性能方面有区别。面有区别。一、一、微生物细胞中代谢调节的部位微生物细胞中代谢调节的部位6原核细胞原核细胞通常是自由生活的单细胞生物，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，它们在在环境条件适宜且营养充足的情况下，它们在理论上是可以无限制地生长和分裂的。原核生理论上是可以无限制地生长和分裂的。原核生物系统的物系统的调节方向调节方向是尽可能高效利用营养实现是尽可能高效利用营养实现最大生长。由于没有核，原核生物的最大生长。由于没有核，原核生物的DNA连续连续接受来自细胞质的调节信号；因此，蛋白质合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成的开关控制常是在转录水平转录水平转录水平转录水平上实现的。上实现的。7真核生物真核生物通常是多细胞（酵母、藻类和原生通常是多细胞（酵母、藻类和原生动物除外）、结构更复杂、较大的生物。细胞分化动物除外）、结构更复杂、较大的生物。细胞分化尤其需要特定类型的调节。例如，在一个胚胎中，尤其需要特定类型的调节。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。传水平进行调控的。8图中：图中：1.可溶性营养物质或代谢产物的跨膜输送；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；代谢途径的酶的催化作用；3.酶和载体蛋白的合成。酶和载体蛋白的合成。1.原核生物细胞的代谢调节部位原核生物细胞的代谢调节部位91.1 1.1 1.1 1.1 与细胞质膜密切相关的调节：与细胞质膜密切相关的调节：与细胞质膜密切相关的调节：与细胞质膜密切相关的调节：主要包括以下主要包括以下主要包括以下主要包括以下4 4 4 4个方面：个方面：个方面：个方面：膜的脂质膜的脂质（磷脂及其它脂类）的分子结构，以及环境（磷脂及其它脂类）的分子结构，以及环境（如离子强度、温度、（如离子强度、温度、pH等）对膜脂质理化性质的影响；等）对膜脂质理化性质的影响；膜蛋白质膜蛋白质（如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其（如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其它蛋白质它蛋白质）的绝对数量及其活性的调节；）的绝对数量及其活性的调节；跨膜的电化学梯度跨膜的电化学梯度（膜的生理状态）以及胞内（膜的生理状态）以及胞内ATP、ADP、AMP库和库和Pi浓度对溶质输送的调节；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（响膜（膜的物理状态膜的物理状态）对溶质的通透性。）对溶质的通透性。101.2酶催化能力的调节：酶催化能力的调节：也就是细胞空间内存在的酶分子的也就是细胞空间内存在的酶分子的数量数量及其及其活性活性的调节。在原核细胞中，各种酶和各种底物同存在于一的调节。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，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。严格的自动调节。自动调节包括两个方面：自动调节包括两个方面：一是调节反应途径中的一是调节反应途径中的酶水平（酶水平（酶分子的浓度酶分子的浓度），特别是关键酶合成或降解的），特别是关键酶合成或降解的相对速率，二是改变已存在的相对速率，二是改变已存在的酶的活力酶的活力，特别是关键酶，特别是关键酶的活力。的活力。111.3酶与底物的相对位置：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，在原核细胞中，当一在被膜分隔的多个空间，在原核细胞中，当一个酶反应系统以个酶反应系统以多酶复合体多酶复合体（multienzymecomplex）的形式存在时，就可以使酶反应）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。在一定空间范围内按特定顺序进行。12图图中中：1.可可溶溶性性营营养养物物质质或或代代谢谢产产物物的的跨跨膜膜输输送送；2.代代谢谢途途径径中中酶酶的的催催化化作作用用；3.在在核核中中进进行行的的转转录录；4.在在细细胞胞质质中中进进行行的的翻译；翻译；5.不同细胞空间溶质的跨膜输送。不同细胞空间溶质的跨膜输送。2.真核微生物细胞的代谢调节部位真核微生物细胞的代谢调节部位13真核微生物细胞内的空间被膜结构分隔成真核微生物细胞内的空间被膜结构分隔成许多小室许多小室。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。生物复杂得多。真核微生物细胞同样存在前述原核生物细胞的真核微生物细胞同样存在前述原核生物细胞的3个个代谢调节部位。但代谢调节部位。但第三个调节部位，即酶与底物的相对第三个调节部位，即酶与底物的相对位置，位置，则因分隔小室而增加了不少调节的内容。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。调节的重要辅助手段。其中，细胞质与线粒体之间的分其中，细胞质与线粒体之间的分工协作，可从工协作，可从下表中得到反映。下表中得到反映。真核微生物细胞比原核微生物细胞真核微生物细胞比原核微生物细胞的代谢调节复杂而多样化的代谢调节复杂而多样化14起始底物15二、二、微生物酶（蛋白质）的自动调节微生物酶（蛋白质）的自动调节1转录水平上的调节转录水平上的调节2翻译水平上的调节翻译水平上的调节3蛋白质水平上的调节蛋白质水平上的调节4整个细胞水平上的调节整个细胞水平上的调节(全局性调节全局性调节)161.转录水平上的调节转录水平上的调节1.11.1酶的诱导的机制酶的诱导的机制 1.21.2营养阻遏的机制营养阻遏的机制 1.31.3终端产物对其自身合成途径的酶系的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合成的反馈阻遏和弱化的机制1.41.4中心代谢途径的酶合成的调节中心代谢途径的酶合成的调节 171.1酶的诱导酶的诱导(induction)的机制的机制诱导酶的诱导合成模型（诱导酶的诱导合成模型（负控诱导负控诱导）I，诱导酶的调节基因；，诱导酶的调节基因；P，启动子；，启动子；O，操纵基因；，操纵基因；S1、S2、S3，大肠杆菌乳糖操纵子的，大肠杆菌乳糖操纵子的3个结构基因。个结构基因。诱导的本质是解阻遏。诱导物与阻遏蛋白的结合是诱导的本质是解阻遏。诱导物与阻遏蛋白的结合是诱导的本质是解阻遏。诱导物与阻遏蛋白的结合是诱导的本质是解阻遏。诱导物与阻遏蛋白的结合是可逆的，调节可以双向进行。可逆的，调节可以双向进行。可逆的，调节可以双向进行。可逆的，调节可以双向进行。18研究诱导模型给人们的启迪是：研究诱导模型给人们的启迪是：从诱导模型分析，若调节基因从诱导模型分析，若调节基因I、启动基因、启动基因P、操纵、操纵基因基因O上发生突变，都可能影响酶的正常诱导。上发生突变，都可能影响酶的正常诱导。如果启动基因如果启动基因P缺失，则缺失，则RNA多聚酶无法结合到操纵多聚酶无法结合到操纵子上去，不管有无诱导物，转录都不会进行，这种突变子上去，不管有无诱导物，转录都不会进行，这种突变株称株称超阻遏突变株超阻遏突变株。如果操纵基因如果操纵基因O缺失，则不管有缺失，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，这种突变株就是构基因转录并翻译，这种突变株就是组成型突变株组成型突变株。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。物酶制剂工业上。191.2营养阻遏营养阻遏(nutritionalrepression)的机制的机制 在用混合碳源培养大肠杆菌的研究中发现，细在用混合碳源培养大肠杆菌的研究中发现，细胞中只有一个胞中只有一个碳源降解酶碳源降解酶系系在起作用，也就是培在起作用，也就是培养基中能被最迅速地同化的碳源的降解酶系，而养基中能被最迅速地同化的碳源的降解酶系，而且，且，在该碳源用完之前，其它碳源的降解酶系的在该碳源用完之前，其它碳源的降解酶系的合成一直受到阻遏。合成一直受到阻遏。这种现象也称为这种现象也称为分解代谢物分解代谢物分解代谢物分解代谢物阻遏阻遏阻遏阻遏（最早发现葡萄糖有此阻遏效应，故又称为（最早发现葡萄糖有此阻遏效应，故又称为葡萄糖效应葡萄糖效应葡萄糖效应葡萄糖效应）。20典型实例：典型实例：葡萄糖对乳糖利用的影响。葡萄糖对乳糖利用的影响。葡萄糖对乳糖利用的影响。葡萄糖对乳糖利用的影响。研究证明大肠杆菌的碳源阻遏与细胞中研究证明大肠杆菌的碳源阻遏与细胞中cAMP水平水平（即浓度）有关。（即浓度）有关。乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，还需要还需要cAMP（下图所示）（下图所示）。cAMP与一种称为分解物与一种称为分解物激活蛋白激活蛋白CAP（环腺苷酸接受蛋白）形成复合物，（环腺苷酸接受蛋白）形成复合物，才能才能与启动子与启动子P结合而刺激转录（提高结合而刺激转录（提高RNA聚合酶与聚合酶与P的亲的亲合性）。合性）。葡萄糖的利用导致胞内葡萄糖的利用导致胞内cAMP浓度大幅度下降，浓度大幅度下降，RNA聚合酶不能与聚合酶不能与P结合，转录即不能进行。因此，营结合，转录即不能进行。因此，营养阻遏实际上是养阻遏实际上是cAMP缺少的结果。缺少的结果。21大肠杆菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏模型大肠杆菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏模型（a）启动基因）启动基因P受到受到CPA-cAMP 复合物的激活，复合物的激活，RNA聚合酶结合到聚合酶结合到P上；上；（b）启动基因）启动基因P没有被激活，没有被激活，RNA聚合酶不能与聚合酶不能与P结合。结合。图中：图中：P-III【A】表示】表示P-III对酶的激活作用。对酶的激活作用。22 营养阻遏的意义：营养阻遏的意义：微生物细胞在其所处的环境条件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下，利用其细胞中已有的酶系首先降解解最易利用最易利用的生长底物，必要时才会的生长底物，必要时才会去合成用于降解另一种生长底物的酶去合成用于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系，体现了细胞运作的经济性和自我保障机制。保障机制。23微生物调节微生物调节合成代谢合成代谢的酶的水平（即胞内酶的酶的水平（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。这种调节物的量相协调。这种调节依赖终端产物的反馈阻依赖终端产物的反馈阻遏、弱化等机制，或两者兼用。遏、弱化等机制，或两者兼用。这些自动调节机这些自动调节机制可以节约细胞内的原料和能量。制可以节约细胞内的原料和能量。1.31.3终端产物对其自身合成途径的酶系合成的终端产物对其自身合成途径的酶系合成的终端产物对其自身合成途径的酶系合成的终端产物对其自身合成途径的酶系合成的反馈阻遏（反馈阻遏（反馈阻遏（反馈阻遏（repressionrepression）和弱化）和弱化）和弱化）和弱化(attenuation)(attenuation)机制机制机制机制24许多氨基酸生物合成途径不但受该氨基酸本身的调节，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而且受其对应的氨基酰tRNA的调节。前者为的调节。前者为反馈阻遏反馈阻遏，即即氨基酸合成途径的终端产物作为辅阻遏物阻碍转录的开始；氨基酸合成途径的终端产物作为辅阻遏物阻碍转录的开始；后者是指称为后者是指称为“弱化弱化”的另一种类型的控制，这种控制涉及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到与合成途径的终端产物氨基酸相对应的氨基酰tRNA和转和转录的中止，录的中止，即当细胞中存在过量的对应氨基酰即当细胞中存在过量的对应氨基酰tRNA时，已时，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。发动的转录会在操纵子的第一个结构基因被转录前中止。反馈阻遏反馈阻遏控制转录的控制转录的开始开始弱化机制弱化机制控制转录的控制转录的中止中止25 酶合成的反馈阻遏模型酶合成的反馈阻遏模型R，酶阻遏的调节基因；，酶阻遏的调节基因；P，启动子；，启动子；O，操纵基因；，操纵基因；S1、S2、S3为生物合成途径的酶的结构基因。为生物合成途径的酶的结构基因。反馈阻遏：反馈阻遏：26 如果对应于合成途径的操纵子的如果对应于合成途径的操纵子的操纵操纵基因基因发生突变或发生突变或调节基因调节基因发生突变，使操发生突变，使操纵基因的阻塞无法实现，这种解除了调节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。这样的突变株叫做产物。这样的突变株叫做调节突变株调节突变株，可，可在工业生产上得到应用。在工业生产上得到应用。272.翻译水平上的调节翻译水平上的调节包括两层意思：包括两层意思：其一是对翻译速度的调节；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，即异包袱的蛋白质分子的破坏性降解，即异常蛋白的降解。常蛋白的降解。282.1翻译速度的控制翻译速度的控制一般情况下，翻译速度的调节可以通过调一般情况下，翻译速度的调节可以通过调节以下任何一项来实现：节以下任何一项来实现：蛋白质合成的总速率；蛋白质合成的总速率；翻译起始的概率；翻译起始的概率；mRNA的稳定性。的稳定性。29 蛋白质合成总速率的调节蛋白质合成总速率的调节翻译的调节发生在为核糖体蛋白编码翻译的调节发生在为核糖体蛋白编码的几个操纵子上。的几个操纵子上。有两种反馈调节机制：有两种反馈调节机制：a)a)核糖体反馈调节核糖体反馈调节：当核糖体合成少许过量时，：当核糖体合成少许过量时，游离的、非翻译状态的核糖体抑制游离的、非翻译状态的核糖体抑制rRNArRNA的合成；的合成；b)b)翻译阻遏翻译阻遏（translational repressiontranslational repression）：某）：某些核糖体蛋白质抑制某些编码一种或多种核糖体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蛋白质的 mRNA mRNA 的翻译。的翻译。30 翻译起始的概率的调节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。这种调节译水平，被称为转录后的调节。这种调节机制用来控制一个完整的机制用来控制一个完整的mRNA分子被翻分子被翻译的次数。译的次数。312.2异常蛋白质的降解异常蛋白质的降解异常蛋白质通常是指在胞内并不能累积到它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，们对应的正常蛋白质的水平（浓度）的蛋白质，异常蛋白质的降解与营养的供应无关，即使在微异常蛋白质的降解与营养的供应无关，即使在微生物迅速生长时也会发生。生物迅速生长时也会发生。这些异常蛋白质包括：由无意义突变引起的这些异常蛋白质包括：由无意义突变引起的不完全蛋白质；发生了氨基酸替代的完全蛋白质；不完全蛋白质；发生了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（如过量合成的多聚复合物大分子的某些亚基（如亚亚基）。基）。32微生物细胞中似乎存在一个专门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，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它主要在大多数异常蛋白质的降解中起作用。起作用。对异常蛋白质的及时降解，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，因此是微生物的基酸及时得到回用，因此是微生物的一种节约机制。一种节约机制。33蛋白质水平的调节主要包括：蛋白质水平的调节主要包括：1.变构蛋白和变构酶的调节变构蛋白和变构酶的调节2.共价调节酶的调节；共价调节酶的调节；3.中心代谢途径的酶活性调节；中心代谢途径的酶活性调节；4.合成代谢途径（即代谢网络中离心途径）的合成代谢途径（即代谢网络中离心途径）的酶活性的调节；酶活性的调节；5.能荷调节。能荷调节。3.蛋白质水平上的调节蛋白质水平上的调节34在细胞的生命活动中，细胞的蛋白质可以在细胞的生命活动中，细胞的蛋白质可以是是酶、载体蛋白、电子传递链成员、调节蛋白酶、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）（原阻遏物、阻遏蛋白、受体蛋白等）等功能等功能性蛋白和各种各样的结构蛋白。以上蛋白质有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相当部分属于变构蛋白和变构酶，变构蛋白和变构酶，另一些蛋白另一些蛋白质不是变构蛋白和变构酶，但它们都可以接受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。35蛋白质水平上的调节蛋白质水平上的调节是指对已存在于细胞是指对已存在于细胞中的酶（蛋白质）分子的活性的调节。中的酶（蛋白质）分子的活性的调节。这些调这些调节包括节包括可逆的可逆的和和不可逆的不可逆的调节，实质上是影响调节，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。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迅速地得到响应，因为这种调节是通过影响蛋白质（酶）白质（酶）分子构象的变化分子构象的变化来实现的。来实现的。363.1变构蛋白和变构酶的调节机制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不论是酶合成的调节还是酶的活性的调节，均由节，均由效应物效应物（往往是低分子质量的化合物）（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种调节机制均涉及到一类特殊的蛋白质变变构蛋白构蛋白。37变构蛋白是这样一类蛋白质：变构蛋白是这样一类蛋白质：如果某特如果某特定的小分子（效应物）与它结合，它的构象就会定的小分子（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。发生变化，由此而引起活性的变化。因为这种结因为这种结合（非共价结合）是可逆的，所以变构蛋白就能合（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。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，可以把它们分根据变构蛋白的性质和作用，可以把它们分成两类：成两类：非酶变构蛋白非酶变构蛋白和和变构酶变构酶。38非酶变构蛋白：非酶变构蛋白：主要包括主要包括调节蛋白调节蛋白和和受控载体蛋白受控载体蛋白。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白叫调节蛋白（如诱导和阻遏模型中的阻遏蛋白阻遏蛋白和和原阻原阻遏物遏物）。当它们处于活性构象状态时，就能与操纵子上）。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。相应部位相结合，从而阻塞（或促进）操纵子的转录。作为输送工具的载体蛋白，有些也是变构蛋白，称作为输送工具的载体蛋白，有些也是变构蛋白，称为为受控载体蛋白。受控载体蛋白。例如大肠杆菌中，由乳糖操纵子的结构例如大肠杆菌中，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）基因编码的乳糖透性酶（一种载体蛋白，用于乳糖输送）就是这种变构蛋白。就是这种变构蛋白。39变构酶：变构酶：变构酶在代谢调节中起重要作用的酶，它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们往往是代谢网络中分支途径的第一个酶。分支途径的第一个酶。变构酶以变构酶以低聚体（低聚体（oligomer）的形式存在，的形式存在，可由可由2、4、6或更多亚单位组成，这些亚单位或更多亚单位组成，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。代谢调节中起重要作用的调节酶属于变构酶。40调节酶的亚单位除了有活性部位之处，还有调节酶的亚单位除了有活性部位之处，还有调节部位（也称调节部位（也称变构部位变构部位），这个部位是独立于），这个部位是独立于活性部位之外的、另一与配位体（活性部位之外的、另一与配位体（1igand）结合）结合的部位。的部位。活性部位的配位体是酶的底物，而调节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）。部位的配位体一般是效应物（激活剂或抑制剂）。效应物与酶的底物在结构上一般有差异（但有时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）。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构象的改变，这种改变或是增强酶的催化活力（激活激活），或是降低酶的催化活力（），或是降低酶的催化活力（抑制抑制）。）。41可由共价修饰引起酶活性（有时还涉及调节特性）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。改变的酶叫共价调节酶。共价调节酶可以在另外一个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。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：共价调节酶的好处在于：只要微生物细胞内某个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）。（或几乎完全失活）。3.2 共价调节酶共价调节酶42例如：例如：大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的依赖大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的依赖NADP+的的异柠檬酸脱氢酶（异柠檬酸脱氢酶（ID）受到磷酸化和脱受到磷酸化和脱磷酸化作用的调节。磷酸化作用的调节。将将醋酸醋酸添加到一含葡萄糖很少的培养基中，正在培养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（中的这两种细菌的异柠檬酸脱氢酶（ID）迅速失活。原因）迅速失活。原因是是ID被磷酸化了：被磷酸化了：ID是是TCA环和环和GOA环两者分叉处（环两者分叉处（异柠异柠檬酸节点）的酶，檬酸节点）的酶，ID的失活可使更多的碳架物质经异柠檬的失活可使更多的碳架物质经异柠檬酸裂合酶（酸裂合酶（IL）进入）进入GOA环，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇环，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，参与细胞壁多糖、糖的磷酸酯，参与细胞壁多糖、DNA、RNA等的合成。等的合成。43分解代谢和中心代谢途径运行可为细胞进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（以的最终产物（以ATP为代表）和用作合成代谢为代表）和用作合成代谢前前体体的中心代谢途径的某些的中心代谢途径的某些中间代谢物中间代谢物，作为控，作为控制中心代谢途径的制中心代谢途径的调节信号（效应物）调节信号（效应物）是合乎是合乎情理的。情理的。3.3 中心代谢途径的酶的活性的调节中心代谢途径的酶的活性的调节44表表4-4概括了大肠杆菌中涉及中心代谢途径概括了大肠杆菌中涉及中心代谢途径(centralmetabolicpathway)的一些变构酶及它们对应的抑的一些变构酶及它们对应的抑制剂和激活物：制剂和激活物：45 细胞内细胞内 NADH NADH 浓度浓度的上升就是呼吸链已经的上升就是呼吸链已经被被 NADH NADH 饱和的信号，也是饱和的信号，也是 TCA TCA 环运转即将减环运转即将减弱的信号。丙酮酸脱氢酶（弱的信号。丙酮酸脱氢酶（PDH PDH）复合物、柠）复合物、柠檬酸合成酶（檬酸合成酶（CSCS），），苹果酸脱氢酶（苹果酸脱氢酶（MDMD）受受到到 NADH NADH的抑制，的抑制，CSCS还受到还受到-KG-KG的抑制，的抑制，PDH PDH 复合物还受到复合物还受到AcCoAAcCoA的抑制。的抑制。46F-1,6-2P（即（即FDP）是酵解和糖原合成途径的是酵解和糖原合成途径的关关键分支点，键分支点，它在细胞内的浓度是受到调节控制的。它在细胞内的浓度是受到调节控制的。AMP浓度的上升浓度的上升（ATP缺乏的信号）会抑制糖原的形成，缺乏的信号）会抑制糖原的形成，因为因为ADP-Glc焦磷酸化酶和果糖二磷酸酯酶受到焦磷酸化酶和果糖二磷酸酯酶受到AMP抑制。抑制。过量的糖将导致过量的糖将导致FDP浓度的上升，这将促进酵解，因为浓度的上升，这将促进酵解，因为PK和和PEPC受受FDP激活（前体激活）。胞内激活（前体激活）。胞内PEP的高浓度是胞的高浓度是胞内有充足的内有充足的ATP供应的信号，供应的信号，其结果是其结果是PFK受抑制；同时，受抑制；同时，激活激活ADP-Glc焦磷酸化酶，促进糖原的合成。焦磷酸化酶，促进糖原的合成。473.4离心（合成代谢）途径的酶活性的调节离心（合成代谢）途径的酶活性的调节离心途径从离心途径从代谢前体物代谢前体物出发，经离心途径合成典型的出发，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。出的合成另一种目的产物的二级离心途径。离心途径中的离心途径中的关键酶，关键酶，就是该途径中最重要的调控点；而催化这个关键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反应的酶往往是分支后面的第一个不可逆反应的酶分支后面的第一个不可逆反应的酶。这里。这里将从酶的角度分析合成代谢途径的调节情况（图将从酶的角度分析合成代谢途径的调节情况（图4-13）。）。48图图4-13 大大肠肠杆杆菌菌中中天天冬冬氨氨酸酸族族氨氨基基酸酸合合成成代代谢谢的的调调节节机制的示意图机制的示意图I，抑制；，抑制；R，阻遏；，阻遏；下标罗马数字表下标罗马数字表示不同的同工酶。示不同的同工酶。49Lys、Thr协协同反馈抑制同反馈抑制AK。50变构酶对合成代谢途径的调节：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，大可能是借助变构酶实现的反馈抑制作用，也也就是说，就是说，若是有分支的途径的话，分支点后的若是有分支的途径的话，分支点后的第一个酶第一个酶往往是变构酶（调节酶），而往往是变构酶（调节酶），而终产物终产物则是这个调节酶的效应物。则是这个调节酶的效应物。变构酶的活力及该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。终产物的浓度控制。51共价调节酶对合成代谢途径的调节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键反应，就可以满意地调节这条分支途径的代谢通量。谢通量。好处是：好处是：某代谢产物浓度的相对小的变化，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。充分激活或失活。52同工酶对合成代谢途径的调节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，其在有分枝的合成代谢途径中，其共同途径的第一共同途径的第一个酶个酶可能是同工酶。比如大肠杆菌的可能是同工酶。比如大肠杆菌的Asp族氨基酸的合族氨基酸的合成途径是有成途径是有3个分支的途径，在这一族氨基酸的合成代个分支的途径，在这一族氨基酸的合成代谢途径上，天冬氨酸激酶（谢途径上，天冬氨酸激酶（AK）和高丝氨酸脱氢酶（）和高丝氨酸脱氢酶（HD）分别由）分别由3个和个和2个同工酶组成。个同工酶组成。同工酶是生物体对环境变化或代谢变化的另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。而保证微生物细胞的代谢继续进行。53图图4-13 大大肠肠杆杆菌菌中中天天冬冬氨氨酸酸族族氨氨基基酸酸合合成成代代谢谢的的调调节节机制的示意图机制的示意图I，抑制；，抑制；R，阻遏；，阻遏；下标罗马数字表下标罗马数字表示不同的同工酶。示不同的同工酶。54多功能酶对合成代谢的调节：多功能酶对合成代谢的调节：从图从图4-13可以看到，在大肠杆菌中可以看到，在大肠杆菌中AK和和HD都是同工酶。研究结果证明，都是同工酶。研究结果证明，AK和和HD酶分子酶分子由由4个亚基组成，个亚基组成，2个酶的活性中心同在个酶的活性中心同在1个亚基个亚基上，亚基多肽链的上，亚基多肽链的N端是端是AK，C端是端是HD，也就，也就是说是说AK和和HD同存在于同存在于一条多肽链上一条多肽链上，AK和和HD构成一个多功能酶。构成一个多功能酶。55能荷（能荷（energycharge）的调节）的调节降解代谢确实受到了反馈调节。降解代谢确实受到了反馈调节。什么是糖代什么是糖代谢的、可以被看作效应物的谢的、可以被看作效应物的“终产物终产物”呢呢?可以把可以把ATP视为糖分解代谢的视为糖分解代谢的“终产物终产物”，这，这样就可以用反馈抑制的机制来解释样就可以用反馈抑制的机制来解释 ATP 过量时过量时对糖的分解代谢途径的抑制，以及当对糖的分解代谢途径的抑制，以及当ATP分解分解为为 ADP 或或AMP时上述反馈抑制被解除的现象。时上述反馈抑制被解除的现象。56因为腺苷酸借助载体蛋白跨膜传递的比例是因为腺苷酸借助载体蛋白跨膜传递的比例是1 1，所以，真核微生物细胞的线粒体或原核细胞，所以，真核微生物细胞的线粒体或原核细胞的腺苷酸库（包含的腺苷酸库（包含AMP、ADP、ATP）基本稳定；）基本稳定；但细胞或线粒体内但细胞或线粒体内ATP、ADP、AMP分子数的分子数的比例则随着细胞的代谢生理状态而变化。比例则随着细胞的代谢生理状态而变化。ATP、ADP、AMP分子数的分子数的比例比例反映了细胞反映了细胞的的能量状态能量状态。57为了衡量细胞的能量状态，为了衡量细胞的能量状态，Atkinson设定了设定了一个能表示一个能表示细胞能量状态的参数细胞能量状态的参数，并把这个参数，并把这个参数叫做叫做能荷（能荷（energycharge）。）。上式给出的能荷对流量的协调控制，式中带下标的上式给出的能荷对流量的协调控制，式中带下标的c分别表示下标对应的腺苷酸的浓度。分别表示下标对应的腺苷酸的浓度。58从上述推导过程可看到，从上述推导过程可看到，能荷即能荷即ATP、ADP、AMP体系中高能键负荷的度量，其数值体系中高能键负荷的度量，其数值在在01。一般说来，高能荷抑制补充代谢能的酶系，一般说来，高能荷抑制补充代谢能的酶系，同时激活消耗同时激活消耗ATP的酶系，例如生物合成酶系；的酶系，例如生物合成酶系；反之低能荷则抑制消耗代谢能的酶系，反之低能荷则抑制消耗代谢能的酶系，同时激同时激活生成活生成ATP的酶系。的酶系。巴斯德效应是能荷调节的一个典型实例。巴斯德效应是能荷调节的一个典型实例。594.整个细胞水平上的调节整个细胞水平上的调节(全局性调节全局性调节)作为基因调节的一个例子，乳糖操纵子的调作为基因调节的一个例子，乳糖操纵子的调节机制的揭示，激起了研究其他操纵子的强烈兴节机制的揭示，激起了研究其他操纵子的强烈兴趣，导致很多新操纵子的发现。对这些操纵子的趣，导致很多新操纵子的发现。对这些操纵子的系统的研究和分析的过程中，系统的研究和分析的过程中，形成了一个共识：形成了一个共识：形成了一个共识：形成了一个共识：操纵子并不是孤立地起作用，而是作为高水平调操纵子并不是孤立地起作用，而是作为高水平调节网络的成员发挥作用。节网络的成员发挥作用。60例：大肠杆菌具有在下列各种环境条件例：大肠杆菌具有在下列各种环境条件下生长和生存的能力：下生长和生存的能力：从营养丰富的培养基转入基本培养基；改变碳