微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件

微生物代謝的自動調(diào)節(jié)11/14/20221微生物代謝的自動調(diào)節(jié)11/10/20221微生物代謝的自動調(diào)節(jié)1微生物酶的自動調(diào)節(jié)2微生物膜的自動調(diào)節(jié)微生物代謝的自動調(diào)節(jié)1微生物酶的自動調(diào)節(jié)21.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)1.2翻譯水平上的調(diào)節(jié)1.3蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)1.4酶在不同空間的分布1.5整個細(xì)胞水平上的調(diào)節(jié)(全局性調(diào)節(jié))1.6信息傳導(dǎo)的響應(yīng)

1微生物酶的自動調(diào)節(jié)1.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)1微生物酶的自動調(diào)節(jié)3酶的分類酶的分類4

微生物并不是在所有空間、時間內(nèi)合成它所能合成的全部酶，在一定生理條件下，微生物只合成它當(dāng)時所需要的酶；存在于細(xì)胞內(nèi)的酶活力是受到控制的，酶的催化過程必須與細(xì)胞對能量和細(xì)胞組分的需求相協(xié)調(diào)。微生物并不是在所有空間、時間內(nèi)合成它所能合成的全51.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)1.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)6微生物細(xì)胞只在其有限空間合成它們當(dāng)時所需要的一定量的酶分子，是否合成，合成多少，首先取決于為這些酶編碼的基因是否被轉(zhuǎn)錄以及被轉(zhuǎn)錄的水平。微生物細(xì)胞只在其有限空間合成它們當(dāng)時所7轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)包括降解反應(yīng)途徑的酶的誘導(dǎo)(包括酶誘導(dǎo)合成的自生控制)、營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)、生物合成反應(yīng)途徑中的酶的反饋阻遏和弱化(attenuation)機制和中心代謝途徑中的酶的合成的誘導(dǎo)和阻遏。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)包括降解反應(yīng)途徑的酶的誘8①酶的誘導(dǎo)的機制

②營養(yǎng)阻遏的機制

③終端產(chǎn)物對其自身合

成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制①酶的誘導(dǎo)的機制

②營養(yǎng)阻遏的機制

③終9①降解途徑的酶的誘導(dǎo)的機制基因的表達受到完美的控制，某些基因在生長的細(xì)胞中經(jīng)常得到表達，諸如在任何條件下必須具備的酶(constitutiveenzyme，組成酶)；而另一些基因則需要根據(jù)特定的生理狀態(tài)下的需求來決定表達與否，大腸桿菌乳糖降解酶系的誘導(dǎo)合成是比較典型的例子(圖4-1)。

①降解途徑的酶的誘導(dǎo)的機制基因的表達受到完10圖4-1誘導(dǎo)的模式圖（a)未經(jīng)誘導(dǎo)的情況；(b)酶的誘導(dǎo)合成

在葡萄糖為生長底物的培養(yǎng)基中生長的大腸桿菌細(xì)胞，不含降解乳糖和其他生長底物的酶系(或酶水平極低)，這個事實說明基因的表達受到完美的控制。圖4-1誘導(dǎo)的模式圖在葡萄糖為生長底物的培養(yǎng)基11微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件12微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件13微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件14為乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙酰基轉(zhuǎn)移酶編碼的基因相鄰定位于大腸桿菌的染色體DNA上，它們與啟動子和操縱基因一起形成一個功能性單位，稱作為乳糖操縱子。當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時，乳糖操縱子上為這3個酶編碼的結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄，這是因為操縱子的操縱基因被阻遏蛋白(由調(diào)節(jié)基因編碼的變構(gòu)蛋白質(zhì))阻塞的緣故。為乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙?；D(zhuǎn)15當(dāng)培養(yǎng)基中的乳糖(α-D-半乳糖-β-1,4-D-葡萄糖)少量地進入大腸桿菌細(xì)胞時，它就被細(xì)胞中固有的(組成型的)β-半乳糖苷酶轉(zhuǎn)化成別構(gòu)乳糖(α-D-半乳糖-β-1,6-D-葡萄糖)，當(dāng)然在未經(jīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞中，β-半乳糖苷酶的量是相當(dāng)少的。生成的別構(gòu)乳糖(allolactose)即可與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白不能再與操縱基因相結(jié)合，從而允許對應(yīng)于上述3個酶的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，接著經(jīng)翻譯而合成乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙?；D(zhuǎn)移酶。乳糖透性酶進而促進乳糖跨膜進入細(xì)胞，從而參加進一步的誘導(dǎo)合成。當(dāng)培養(yǎng)基中的乳糖(α-D-半乳糖-β16從模式圖可以看出誘導(dǎo)酶的合成機制，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒有誘導(dǎo)物(效應(yīng)物)時，由調(diào)節(jié)基因編碼的與操縱基因有結(jié)合活性的阻遏蛋白(一種變構(gòu)蛋白)與操縱基因結(jié)合，阻止RNA多聚酶對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，因而誘導(dǎo)途徑的酶系沒有合成；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)物(效應(yīng)物)濃度上升某一程度時，它就與阻遏蛋白結(jié)合，使后者因構(gòu)象發(fā)生變化而失去與操縱基因有結(jié)合活性，從操縱基因上脫落下來，RNA多聚酶就可以對結(jié)構(gòu)基因的進行轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)途徑的酶系就被誘導(dǎo)合成。從模式圖可以看出誘導(dǎo)酶的合成機制，當(dāng)17酶的誘導(dǎo)對于微生物是十分有意義的。從營養(yǎng)的角度看，微生物可以根據(jù)環(huán)境所提供的生長底物，誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶(蛋白質(zhì))，以分解生長底物，吸收營養(yǎng)，進行代謝活動，從而加強微生物對環(huán)境的適應(yīng)能力。從細(xì)胞經(jīng)濟的角度看，僅僅根據(jù)需要誘導(dǎo)合成必要的酶(蛋白質(zhì))，可以避免核苷酸、氨基酸和代謝能的浪費。酶的誘導(dǎo)對于微生物是十分有意義的。從18從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因I、啟動基因P、操縱基因O上發(fā)生突變，都可能影響酶的正常誘導(dǎo)。如果啟動基因P缺失，則RNA多聚酶無從結(jié)合到操縱子上去，不管有沒有誘導(dǎo)物，轉(zhuǎn)錄都不會進行，這種突變株稱超阻遏突變株。如果操縱基因缺失，則不管有沒有誘導(dǎo)物，操縱子都不會受阻塞，不需誘導(dǎo)也能使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄并翻譯，這種突變株就是組成型突變株。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應(yīng)用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因I、啟動基19②營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)機制在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞只生成能降解培養(yǎng)基中能最迅速被同化的碳源的酶系，而用來降解其他碳源的酶系的合成在該碳源用完前一直受到阻遏。過去曾假設(shè)，是能被迅速同化的碳源(如葡萄糖)降解過程中的某代謝產(chǎn)物阻遏了其余降解酶系的合成，因此把這種現(xiàn)象叫做“降解物阻遏”。

②營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)機20進一步的研究并沒有發(fā)現(xiàn)有這種降解代謝物存在，碳源降解物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，因此把這種阻遏叫做“碳源阻遏”比叫“降解物阻遏”更切合實際。葡萄糖的存在對乳糖利用的影響是典型的碳源營養(yǎng)阻遏(圖4-6)。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，因此用營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)這個名稱來包容不同營養(yǎng)源的阻遏。進一步的研究并沒有發(fā)現(xiàn)有這種降解代謝21微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件22研究證明，大腸桿菌的碳源阻遏與細(xì)胞中環(huán)腺苷酸(cAMP)水平有關(guān)。細(xì)胞對葡萄糖(Glc)的利用導(dǎo)致胞內(nèi)cAMP濃度大幅度下降，當(dāng)大部分Glc被消耗掉，cAMP濃度才回升。乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄不但需要有誘導(dǎo)物，還需要cAMP。cAMP與一個叫做CAP(環(huán)腺苷酸接受蛋白)的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，這個復(fù)合物與啟動子P結(jié)合而刺激轉(zhuǎn)錄(提高RNA聚合酶與啟動子P的親合性)。研究證明，大腸桿菌的碳源阻遏與細(xì)胞中23GlcG-6-PLacLacc-AMP胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)膜葡萄糖對乳糖的營養(yǎng)阻遏GlcG-6-PLacLacc-AMP胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)膜葡萄糖對乳24微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件25③終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制(attenuation)化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞在以葡萄糖為碳源和能源的基本培養(yǎng)基中生長，那它就必須按代謝途徑來合成所有要用來形成生物大分子的“分子模塊”(buildingblock)，如氨基酸和核苷酸等。這些分子模塊的合成量，要正好用來合成組成細(xì)胞的生物大分子；分子模塊的過量產(chǎn)生，是必須避免的。如果模塊可以從細(xì)胞所處環(huán)境獲得，那么，就沒有必要靠細(xì)胞自身來合成。③終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制26細(xì)胞內(nèi)合成反應(yīng)途徑的產(chǎn)物的濃度能夠通過對其自身合成途徑的酶的合成(胞內(nèi)酶分子的數(shù)量)進行自動調(diào)節(jié)，使之與所需要合成的產(chǎn)物的量相協(xié)調(diào)。這種調(diào)節(jié)依賴終端產(chǎn)物的反饋阻遏、弱化等機制，或兩者兼用。這些自動調(diào)節(jié)機制可以節(jié)約細(xì)胞內(nèi)的原料和代謝能，對微生物的好處也是顯而易見的。細(xì)胞內(nèi)合成反應(yīng)途徑的產(chǎn)物的濃度能夠通27許多氨基酸生物合成途徑不但受該氨基酸本身的調(diào)節(jié)而且受其對應(yīng)的氨基酰tRNA的調(diào)節(jié)，前者指的是反饋阻遏(圖4-6)，也就是氨基酸合成途徑的終端產(chǎn)物(與氨基酸合成途徑相對應(yīng)的氨基酸)作為輔阻遏物阻礙轉(zhuǎn)錄的發(fā)動；后者指的是叫做弱化(圖4-7)的另一種類型的控制，這種控制涉及到與合成途徑的終端產(chǎn)物氨基酸相對應(yīng)的氨基酰tRNA和轉(zhuǎn)錄的終止，即當(dāng)細(xì)胞中存在過量的對應(yīng)氨基酰tRNA時，已發(fā)動的轉(zhuǎn)錄會在(操縱子的)第一個結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄前終止。簡而言之，阻遏控制轉(zhuǎn)錄的開始，弱化控制轉(zhuǎn)錄的終止。許多氨基酸生物合成途徑不但受該氨基酸28圖4-6終產(chǎn)物組氨酸對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏圖4-6終產(chǎn)物組氨酸對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏29微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件30如果將Trp和His加入到正在生長中的大腸桿菌培養(yǎng)物中，大腸桿菌細(xì)胞就會停止從PRPP(磷酸核糖焦磷酸)到His和從分支酸到Trp合成途徑的酶的合成。在鼠傷寒沙門氏菌中，對應(yīng)于His生物合成的酶系的9個基因存在于1個操縱子中。對應(yīng)于從分支酸到Trp的合成過程的酶系的5個基因也在1個操縱子上。當(dāng)合成途徑的終端產(chǎn)物(效應(yīng)物)在細(xì)胞中累積時，它就與由調(diào)節(jié)基因(r)編碼的原阻遏物結(jié)合，使后者成為具活性的阻遏物，然后這個活性的阻遏物就結(jié)合到操縱基因上，阻塞操縱子的轉(zhuǎn)錄。如果將Trp和His加入到正在生長中31終產(chǎn)物反饋阻遏的對象主要是反應(yīng)序列中第一個酶或相關(guān)聯(lián)的幾個酶。在有分支的合成途徑中，反饋阻遏主要發(fā)生在分支后的第一個酶，另外，分支途徑中每個分支的終產(chǎn)物對公共途徑的第一個酶也有部分阻遏(這往往是因為這個酶是同工酶，而且并不是全部同工酶都受到阻遏)。終產(chǎn)物反饋阻遏的對象主要是反應(yīng)序列中第32反饋阻遏模型中，操縱子的開關(guān)情況正好與誘導(dǎo)模型相反。前者是以效應(yīng)物(阻遏物)的高濃度關(guān)閉操縱子，后者以效應(yīng)物(誘導(dǎo)物)的高濃度打開操縱子。在原核細(xì)胞中，誘導(dǎo)和反饋阻遏之所以可以同時調(diào)節(jié)幾個相關(guān)的酶的合成，其原因即在于一條代謝途徑中的幾個酶的結(jié)構(gòu)基因往往成串地分布在同一個操縱子上，或者盡管分散在不同的操縱子上，但這些操縱子受同一個調(diào)節(jié)基因編碼的變構(gòu)蛋白的控制。反饋阻遏模型中，操縱子的開關(guān)情況正好33如果對應(yīng)于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)生突變或調(diào)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(diào)節(jié)的突變株可以過量合成相關(guān)途徑的酶或終產(chǎn)物。這樣的突變株叫做調(diào)節(jié)突變株，可在工業(yè)生產(chǎn)上得到應(yīng)用。如果對應(yīng)于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)34在研究大腸桿菌色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)時發(fā)現(xiàn)了一種新的代謝調(diào)節(jié)機制：弱化(attenuation)。這種機制可能存在于細(xì)菌的所有氨基酸合成途徑的操縱子中。到目前為止，已在大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)包括Thr、Ile、val、Trp、Leu、Phe、His7種氨基酸的合成過程中都存在這種控制機制。在研究大腸桿菌色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)時發(fā)現(xiàn)35事實證明，很多氨基酸合成途徑的酶不僅受其終端產(chǎn)物氨基酸本身的阻遏，而且也受到對應(yīng)的氨基酰tRNA的調(diào)節(jié)。所不同的是反饋阻遏因終端產(chǎn)物氨基酸作為輔阻遏物干擾轉(zhuǎn)錄的發(fā)動，而弱化作用則是對已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄的終止控制。當(dāng)有過量的對應(yīng)的氨基酰tRNA存在時，已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄，可能在操縱子上第一個結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄前就終止轉(zhuǎn)錄。事實證明，很多氨基酸合成途徑的酶不僅受36具有弱化控制機制的操縱子的第一個結(jié)構(gòu)基因S1與啟動基因P、操縱基因O之間，有一段叫做前導(dǎo)DNA的核苷酸序列(1eadersequence)或稱弱化子(attenuator)。操縱子的轉(zhuǎn)錄必須經(jīng)這前導(dǎo)區(qū)，才能進入結(jié)構(gòu)基因區(qū)。圖4-7具有弱化控制機制的操縱子及其轉(zhuǎn)錄(模式圖)具有弱化控制機制的操縱子的第一個37以大腸桿菌的色氨操縱子為例，該操縱子可以形成一個含7000個核苷酸的色氨酸轉(zhuǎn)錄本(transcript)，其中包括5’端的前導(dǎo)RNA序列(162個核苷酸)，接著是對應(yīng)于色氨酸合成途徑的所有mRNA序列。其前導(dǎo)mRNA上有4個特殊區(qū)域(A、B、C和D)，A區(qū)可以翻譯成14個氨基酸殘基，其中有2個Trp殘基，A區(qū)后面緊接著終止密碼子(UGA)。C區(qū)和D區(qū)堿基配對則形成“終止結(jié)構(gòu)”，C區(qū)和B區(qū)的堿基配對則形成“非終止結(jié)構(gòu)”。以大腸桿菌的色氨操縱子為例，該操縱子38圖4-8大腸桿菌色氨酸操縱子弱化作用模式圖(a)Trp高水平時形成CD配對的終止結(jié)構(gòu)；(b)Trp低水平時形成BC配對的非終止結(jié)構(gòu)圖4-8大腸桿菌色氨酸操縱子弱化作用模式圖39微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件40微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件41微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件42微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件43微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件44在大腸桿菌中，色氨酸生物合成途徑的酶在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)包括反饋阻遏和弱化作用，也就是說這種細(xì)菌的色氨酸操縱子同時受操縱基因及弱化子的控制。當(dāng)細(xì)胞中Trp濃度很高時，Trp與原阻遏物形成活性復(fù)合物，這復(fù)合物與操縱基因結(jié)合就會使轉(zhuǎn)錄無法啟動。當(dāng)細(xì)胞中Trp濃度下降時，阻遏作用解除，轉(zhuǎn)錄開始進行。在大腸桿菌中，色氨酸生物合成途徑的酶在45但是，在轉(zhuǎn)錄過程中，有些正在轉(zhuǎn)錄中的RNA聚合酶分子在經(jīng)過前導(dǎo)DNA序列時，可以從模板上脫落，有些則可進入結(jié)構(gòu)基因區(qū)，轉(zhuǎn)錄完整的色氨酸合成途徑的酶系的mRNA。而當(dāng)Trp濃度進一步下降時，能進入結(jié)構(gòu)基因區(qū)的RNA聚合酶的比率就逐漸增加到1，用于色氨酸合成的酶系的合成的調(diào)節(jié)逐漸地被解除，直到完全地被解除。但是，在轉(zhuǎn)錄過程中，有些正在轉(zhuǎn)錄中的R461.2翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括兩層意思，其一是對翻譯速度的調(diào)節(jié)；其二是對已譯成的、會成為細(xì)胞的包袱的蛋白質(zhì)分子的破壞性降解。1.2翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括兩層意思，其一47（1）對翻譯速度的調(diào)節(jié)[AAs][ppGpp][rRNA]L,S蛋白多余阻礙其自身翻譯[核糖體][蛋白質(zhì)]生長速度（2）異常蛋白質(zhì)的降解對已譯錯的、會成為細(xì)胞的包袱的蛋白質(zhì)的降解（1）對翻譯速度的調(diào)節(jié)48

在大腸桿菌中，核糖體的合成受到與細(xì)胞生長速率成比例的調(diào)節(jié)。56種核糖體蛋白(30S亞基中22種、50S亞基中34種)和3種rRNA(30S亞基中的16SrRNA和50S亞基中的23SrRNA和5SrRNA)作為核糖體的組成成員的合成速率是平衡的，因此能協(xié)調(diào)地響應(yīng)環(huán)境條件的變化。

（1）對翻譯速度的調(diào)節(jié)在大腸桿菌中，核糖體的合成受到與細(xì)胞生長速率成493222322250

在大腸桿菌中，為核糖體蛋白編碼的16個操縱子分別包含1～11個結(jié)構(gòu)基因。核糖體蛋白合成的自生控制模型表明，對應(yīng)于一個操縱子上的結(jié)構(gòu)基因的一組核糖體蛋白的翻譯，受到與它們同處于一個操縱子上的某基因編碼的蛋白質(zhì)的控制。這種蛋白質(zhì)能與對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄本的前導(dǎo)區(qū)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)合，阻礙核糖體附著到mRNA上，從而使翻譯不能進行。這種阻礙翻譯的蛋白質(zhì)被稱為翻譯阻遏物。在大腸桿菌中，為核糖體蛋白編碼的16個操縱子分51

在正常代謝的過程中，隨著核糖體的裝配，許多翻譯阻遏物蛋白質(zhì)逐一地結(jié)合到16SrRNA或23SrRNA上，不會發(fā)生對翻譯的控制作用。如果因為某種原因，微生物生長速度放慢，必伴隨著rRNA的減少，這時，翻譯阻遏物就不再全部結(jié)合到16SrRNA或23SrRNA上，其多余部分與它們自己對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄本相結(jié)合，阻礙核糖體對轉(zhuǎn)錄本的翻譯，造成核糖體蛋白質(zhì)合成(翻譯)受阻的后果，從而影響核糖體的構(gòu)建。核糖體數(shù)量的下降又將進一步影響其它細(xì)胞蛋白質(zhì)(包括酶)的翻譯。在正常代謝的過程中，隨著核糖體的裝配，許多翻譯阻52（2）異常蛋白質(zhì)的降解

細(xì)胞中特定蛋白質(zhì)的水平不但取決于它的合成速率，而且也取決于它的降解速率。在細(xì)胞處于碳源或氮源饑餓的生理狀態(tài)時，蛋白質(zhì)降解的總速率要提高好幾倍。細(xì)胞中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)的降解，能為蛋白質(zhì)的繼續(xù)合成提供氨基酸源和能源。蛋白質(zhì)降解作用的增強是與穩(wěn)定的RNA（指rRNA）的合成的終止以及信號分子四磷酸烏苷(ppGpp)的累積協(xié)調(diào)地發(fā)生的。

（2）異常蛋白質(zhì)的降解細(xì)胞中特定蛋白質(zhì)的水平53異常蛋白包括：①由無意義突變引起的不完全蛋白質(zhì)；②發(fā)生了氨基酸替代的完全蛋白質(zhì)，翻譯不合格(出錯的)的多肽；③過量合成的多聚復(fù)合物大分子的某些亞基，例如，在大腸桿菌細(xì)胞中，某個核糖體蛋白質(zhì)(多肽)或者RNA聚合酶的亞單位合成過量了，那么它們就會被迅速降解。異常蛋白包括：①由無意義突變引起的不完54

突變造成的異常蛋白在細(xì)胞內(nèi)并不能累積到與它們對應(yīng)的正常蛋白的濃度水平。這些異常蛋白的降解與營養(yǎng)條件無關(guān)，即使在迅速生長時也會發(fā)生。這些異常蛋白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)，以及被過量合成的多聚復(fù)合物大分子的某些亞單位。例如，在大腸桿菌細(xì)胞中，核糖體蛋白質(zhì)（多肽）或者RNA聚合酶的亞單位合成過量了，那么它們就會被迅速降解。似乎有一個專用的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)主要在大多數(shù)異常蛋白質(zhì)的降解中起作用。

突變造成的異常蛋白在細(xì)胞內(nèi)并不能累積到與它們55大腸桿菌中異常蛋白的降解途徑

Lon蛋白酶只辯認(rèn)并作用于未折疊蛋白質(zhì)，因此，能夠在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離存在而不破壞必需的細(xì)胞蛋白質(zhì)。而且，ATP的水解使該酶在每次水解反應(yīng)后，一次又一次地自動失活，余下的ADP仍連在已失活的Lon蛋白酶分子上，直到有一個新的蛋白質(zhì)底物促使它離去。

大腸桿菌中Lon蛋白酶只辯認(rèn)并作用于未折疊561.3蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)

蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)酶分子的活性來調(diào)節(jié)代謝中間物和能量的產(chǎn)生和消耗速度，這種調(diào)節(jié)是因蛋白質(zhì)（酶）分子構(gòu)象的變化而實現(xiàn)的，其特點是響應(yīng)快。蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)主要包括：①變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)；②共價調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)；③中心代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)；④合成代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)。

1.3蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)水平上的調(diào)57非酶變構(gòu)蛋白的調(diào)節(jié)：①調(diào)節(jié)蛋白（誘導(dǎo)模型中的阻遏蛋白阻遏模型中的原阻遏物）②受控的載體蛋白（乳糖透性酶受PTS的因子Ⅲ的抑制）（1）變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)機制非酶變構(gòu)蛋白的調(diào)節(jié)：（1）變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶的調(diào)58由調(diào)節(jié)基因編碼，在操縱子表達中起調(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，就能與操縱子上相應(yīng)部位相結(jié)合，從而阻塞(或促進)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rnRNA的合成(轉(zhuǎn)錄)和蛋白質(zhì)(多肽)分子的合成(翻譯)。由調(diào)節(jié)基因編碼，在操縱子表達中起調(diào)節(jié)作用的變構(gòu)蛋白叫調(diào)節(jié)蛋白59變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)：①競爭性抑制（如圖）②反饋抑制③變構(gòu)酶的抑制和激活變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)：60作為輸送工具的一些載體蛋白，有些已被證明是變構(gòu)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。大腸桿菌對乳糖的吸收是借助載體蛋白“乳糖透性酶”的主動輸送，對葡萄糖的吸收是借助磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(PTS)的基團轉(zhuǎn)移過程。作為輸送工具的一些載體蛋白，有些已被證61

可由共價修飾引起酶活性或（和）調(diào)節(jié)特性改變的酶叫共價調(diào)節(jié)酶。共價調(diào)節(jié)酶可以在另外一個酶（修飾酶）的催化下被共價地修飾，即在它分子上共價地結(jié)合上或者釋放一個低分子量基團，從而使酶的活性(有時還涉及調(diào)節(jié)性能)發(fā)生變化。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)。（2）共價調(diào)節(jié)酶（或蛋白質(zhì)）可由共價修飾引起酶活性或（和）調(diào)節(jié)特性改變62異檸檬酸脫氫酶（ID）是TCA環(huán)和GOA環(huán)兩者分叉處的一個酶，ID的失活可使更多的代謝底物進入GOA環(huán)，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸(可用于葡萄糖異生的方向)的形成。IDID-P4激酶磷酸酯酶4ATP4H2O（沒有活性）（有活性）異檸檬酸脫氫酶（ID）是TCA環(huán)和GOA環(huán)兩63微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件64

共價調(diào)節(jié)酶的好處在于：只要微生物細(xì)胞內(nèi)某個代謝產(chǎn)物的濃度有相對小的變化，就能誘發(fā)由這個代謝產(chǎn)物控制的共價調(diào)節(jié)酶的充分的激活或完全失活(或幾乎完全失活)。共價調(diào)節(jié)酶的好處在于：只要微生物細(xì)胞內(nèi)某個代謝65例如：大腸桿菌乳糖透性酶的“效應(yīng)物”因子Ⅲ，它與乳糖透性酶的結(jié)合活性受其是否與磷酸結(jié)合的共價調(diào)節(jié)（因子Ⅲ有結(jié)合活性，它與乳糖透性酶結(jié)合抑制其活性，Ⅲ-P則無此結(jié)合活性）。-P-P-P-P外外內(nèi)內(nèi)LacLac例如：大腸桿菌乳糖透性酶的“效應(yīng)物”因子Ⅲ，66

中心代謝途徑運行（分解代謝）可為細(xì)胞進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（效應(yīng)物）是合乎情理的。（3）中心代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)中心代謝途徑運行（分解代謝）可為細(xì)胞進行生物67變構(gòu)酶名稱抑制劑激活劑ADP-Glc焦磷酸化酶AMPPYR,F-6-P,FDP果糖二磷酸酯酶AMP-磷酸果糖激酶（PFK）PEPADP,GDP丙酮酸激酶（PK）

FDPPEP羧化酶（PEPC）Asp,MLAAcCoA,FDP,GTP,GDP丙酮酸脫氫酶（PDH）NADH,AcCoAPEP,AMP,GDP檸檬酸合成酶（CS）NADH,α-KG,ATP

蘋果酸脫氫酶（MD）NADH

大腸桿菌中涉及中心代謝途徑的一些變構(gòu)酶

及它們對應(yīng)的抑制劑和激活物變構(gòu)酶名稱抑制劑激活劑ADP-Glc焦磷酸化酶AMPPYR,68

a變構(gòu)酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)b共價調(diào)節(jié)酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)c同工酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)d多功能酶對合成代謝的調(diào)節(jié)

（4）合成代謝途徑的酶活性的調(diào)節(jié)a變構(gòu)酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)（4）合成代謝途徑的酶活69

合成代謝途徑的終端產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)有很大可能是借助變構(gòu)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(gòu)酶(調(diào)節(jié)酶)，而終產(chǎn)物則是這個調(diào)節(jié)酶的效應(yīng)物。a.變構(gòu)酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)合成代謝途徑的終端產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)有很大可能是借助70共價調(diào)節(jié)酶因以不同存在方式存在時的酶活力不同（有時對效應(yīng)物的敏感性也不同）。如果共價調(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。好處是：某代謝產(chǎn)物濃度的相對小的變化，就能誘發(fā)由這個代謝產(chǎn)物控制的共價調(diào)節(jié)酶的充分激活或失活。b.共價調(diào)節(jié)酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)共價調(diào)節(jié)酶因以不同存在方式存在時的酶活力不同71在有分枝的合成代謝途徑中，其共同途徑的第一個酶可能是同工酶。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(diào)節(jié)方式。當(dāng)其中一種同工酶受到抑制或缺損時，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)進行。c.同工酶對合成代謝途徑的調(diào)節(jié)在有分枝的合成代謝途徑中，其共同途徑的第一個72

在用多功能酶調(diào)節(jié)的代謝途徑中，若一個分支途徑的終產(chǎn)物過量時，可以同時使共同途徑的第一個酶和分支途徑的第一個酶受到調(diào)節(jié)，使代謝物流轉(zhuǎn)向另一個分支途徑。因此多功能酶比一般的同工酶具更有效更靈活的調(diào)節(jié)作用。d.多功能酶對合成代謝的調(diào)節(jié)d.多功能酶對合成代謝的調(diào)節(jié)73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)的機制。然而，降解代謝確實受到了反饋調(diào)節(jié)。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?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制來解釋ATP過量時對糖的分解代謝途徑的抑制，以及當(dāng)ATP分解為ADP或AMP時上述反饋抑制被解除的現(xiàn)象。（5）能荷調(diào)節(jié)化能異養(yǎng)型微生物依靠分解代謝將糖降解，在糖的74

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(xì)胞的線粒體或原核細(xì)胞的腺苷酸庫(包含AMP、ADP、ATP)基本穩(wěn)定；但是，細(xì)胞或線粒體內(nèi)ATP、ADP、AMP分子數(shù)的比例則隨著細(xì)胞的代謝生理狀態(tài)而變化。ATP、ADP、AMP分子數(shù)的比例反映了細(xì)胞的能量狀態(tài)，因為ATP和ADP是高能磷酸的載體。因為腺苷酸借助載體蛋白跨膜傳遞的比例是75

為了衡量細(xì)胞的能量狀態(tài)，Atkinson設(shè)定了一個能表示細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)，并把這個參數(shù)叫做能荷(EnergyCharge)。

為了衡量細(xì)胞的能量狀態(tài)，Atkinson設(shè)定了76能荷可由實驗所測得的腺苷酸的量推算，其值在0(表示全是AMP)～1(表示全是ATP)的范圍內(nèi)變化。

實際上對細(xì)菌而言，能荷值的范圍為0.87～0.95，不會隨比生長速率的變化而發(fā)生明顯的變化。通常，高水平的能荷抑制用于代謝能補充的酶的活性，激活利用ATP的途徑的酶(如生物合成途徑的酶)，反之亦然。能荷可由實驗所測得的腺苷酸的量推算，其值在77（6）

還原負(fù)荷的調(diào)節(jié)

嘧啶核苷酸NAD(P)+擔(dān)當(dāng)還原力的載體。NAD主要在供給途徑(fuelingpathway)的氧化還原反應(yīng)中起作用，NADP+通常用于生物合成反應(yīng)。在供給反應(yīng)中，NAD+是反應(yīng)物，而生物合成途徑中則要用NADPH。（6）還原負(fù)荷的調(diào)節(jié)嘧啶核苷酸NAD(P78

不同氧化還原狀態(tài)下的氧化還原反應(yīng)途徑，受到“還原負(fù)荷”的調(diào)節(jié)。氧化還原狀態(tài)可由下列氧化還原指數(shù)來描述：異化還原負(fù)荷:（CRC）=CNADH/(CNADH+CNAD+

)同化還原負(fù)荷:（ARC）=CNADPH/(CNADPH+CNADP+

)不同氧化還原狀態(tài)下的氧化還原反應(yīng)途徑，受到“還79

在生理條件下，存在于細(xì)胞內(nèi)的大多數(shù)NAD以氧化態(tài)的形式(NAD+)出現(xiàn)，而NADP以還原態(tài)的形式(NADPH)出現(xiàn)。細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)指數(shù)處于一定的范圍之內(nèi)。異化還原負(fù)荷的數(shù)值范圍大約0.03～0.07，同化還原負(fù)荷的數(shù)值范圍大約要比它大10倍。在生理條件下，存在于細(xì)胞內(nèi)的大多數(shù)NAD以80

這兩種輔酶也可借助于煙酰胺核苷酸轉(zhuǎn)氫酶的作用互相轉(zhuǎn)換，這個酶按下列反應(yīng)式催化NAD+和NADP+之間的電子和氫離子的轉(zhuǎn)換：NADP++NADH2

NADPH2+NAD+這兩種輔酶也可借助于煙酰胺核苷酸轉(zhuǎn)氫酶的作用互811.4酶在不同空間的分布的調(diào)節(jié)葉綠體過氧化物酶體次級溶酶體丙糖磷酸線粒體乙醛酸循環(huán)體1.4酶在不同空間的分布的調(diào)節(jié)葉綠體過氧化物酶體次級溶82

整個細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)又稱全局性調(diào)節(jié)(globalcontrol)，主要包括SOS響應(yīng)系統(tǒng)（可誘導(dǎo)的復(fù)修系統(tǒng)）、熱刺激響應(yīng)、需氧-厭氧激勵子控制、緊縮控制(stringentcontrol)，此外還有氮同化和氮固定的調(diào)節(jié)、受磷酸鹽饑餓控制的激勵子的調(diào)節(jié)，以及Lon蛋白酶（即蛋白質(zhì)分解的控制）的調(diào)節(jié)等。1.5整個細(xì)胞水平上的調(diào)節(jié)

（全局性調(diào)節(jié)）整個細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)又稱全局性調(diào)節(jié)(globa831.5.1SOS調(diào)節(jié)子(SOS-可誘導(dǎo)的復(fù)修響應(yīng))

調(diào)節(jié)子(regulon)，這個術(shù)語一般用來描述在同樣生理條件或壓迫下，受協(xié)同調(diào)節(jié)的一組不連續(xù)的基因。在同一個調(diào)節(jié)子中的基因組受到一個共同的調(diào)節(jié)蛋白的同樣的控制。就如下面就要提及的SOS調(diào)節(jié)子中的基因組受到一個共同的調(diào)節(jié)蛋白LexA阻遏蛋白的同樣的控制。1.5.1SOS調(diào)節(jié)子(SOS-可誘導(dǎo)的復(fù)修響應(yīng))

84

如果將大腸桿菌暴露在損壞DNA或干擾DNA復(fù)制的環(huán)境條件下，細(xì)胞將增加SOS調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)（可誘導(dǎo)復(fù)修體系）成員的基因的表達，也就是幾種用于DNA損傷的修復(fù)的酶被誘導(dǎo)合成。這個復(fù)修體系巧妙地影響DNA損傷的復(fù)修，最終決定究竟產(chǎn)生不產(chǎn)生可遺傳的突變。其機制如下圖所示：

如果將大腸桿菌暴露在損壞DNA或干擾DNA85微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件86

SOS體系處于recA和lexA基因的協(xié)調(diào)控制之下。在未經(jīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞中，lexA基因的產(chǎn)物L(fēng)exA對許多不直接相聯(lián)的基因，包括recA和lexA，起阻遏作用。這些基因中的某些基因，如recA和lexA，即使在阻遏蛋白LexA控制之下其它基因受阻遏的狀態(tài)下，也有明顯的表達。RecA蛋白質(zhì)與它共存的酶(即synaptase)一起，也具有蛋白酶的活力。RecA蛋白酶的活力能被在DNA損壞時產(chǎn)生的某些誘導(dǎo)性信號物可逆地激活。

SOS體系處于recA和lexA基因的協(xié)調(diào)87RecA蛋白酶能在肽鏈的Ala-Gly處把LexA阻遏蛋白裂解成兩個LexA片段；當(dāng)細(xì)胞中LexA阻遏蛋白因裂解而減少時，SOS基因們的表達增加。與LexA阻遏蛋白結(jié)合較弱的操縱基因所在的操縱子上的基因(recA和lexA)首先被誘導(dǎo)表達。從誘導(dǎo)處理恢復(fù)的過程中，細(xì)胞中RecA蛋白質(zhì)分子回復(fù)到它們的沒有水解蛋白質(zhì)的能力的原始狀態(tài)，這就容許LexA阻遏蛋白在細(xì)胞累積，從而阻遏SOS基因系列的表達。RecA蛋白酶能在肽鏈的Ala-Gly處88

紫外光輻射引起的生理學(xué)響應(yīng)之一是菌體伸長呈絲狀或停止分裂?？刂萍?xì)胞分裂的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以sulA基因產(chǎn)物SulA為中心的。如前圖所示，基因sulA的表達受LexA蛋白的阻遏，誘變發(fā)生后，當(dāng)LexA蛋白質(zhì)被RecA蛋白酶裂解，SulA蛋白得以合成并結(jié)合到ftsZ基因的產(chǎn)物FtsZ上去抑制其活力。FtsZ通常在細(xì)胞分裂過程中起作用。當(dāng)有SulA蛋白產(chǎn)生時，F(xiàn)tsZ受抑制，細(xì)胞分裂就不會發(fā)生，結(jié)果形成長長的絲狀細(xì)胞；當(dāng)細(xì)胞從輻射中恢復(fù)，lon基因的產(chǎn)物，一種降解異常蛋白的蛋白酶，將降解SulA蛋白質(zhì)，從而恢復(fù)細(xì)胞分裂過程。紫外光輻射引起的生理學(xué)響應(yīng)之一是菌體伸長呈絲狀89

SOS誘導(dǎo)的最主要的遺傳響應(yīng)是突變的產(chǎn)生。已經(jīng)確定umuD和umuC兩個基因是或至少部分是引起突變的原因。如前圖所示，這兩個基因處于同一個操縱子上，并且也受到LexA蛋白的控制。UmuD和UmuC蛋白對于SOS過程和突變產(chǎn)生是必需的，因為在它們之中的任何一個位點發(fā)生突變，都會導(dǎo)致不可突變的表型。當(dāng)其他的SOS功能在umuC突變株中被誘導(dǎo)，突變率并不增加。發(fā)生突變的機制涉及到一個改變了的或新的不具備合格驗證閱讀性質(zhì)的多聚酶。因此，SOS過程需要不同的多聚酶的參與，或者既需要PolI﹡需要UmuCD的參與。SOS誘導(dǎo)的最主要的遺傳響應(yīng)是突變的產(chǎn)生。已經(jīng)90

應(yīng)該強調(diào)的是許多發(fā)生在誘變處理后的突變是易出錯的依賴recA+的SOS復(fù)修體系造成的。例如：因SOS誘導(dǎo)而合成的已改變了的多聚酶用于復(fù)制時，可以通過DNA鏈上嘧啶二聚體的區(qū)段，而嵌入相對于該二聚體對應(yīng)位置的堿基卻是任選的，這就創(chuàng)造了發(fā)生誘變的好機會，因為嵌入不合適的堿基就意味著出錯和突變發(fā)生。應(yīng)該強調(diào)的是許多發(fā)生在誘變處理后的突變是易出911.5.2熱刺激響應(yīng)(heatshockresponse)

大腸桿菌會因培養(yǎng)溫度的突然提高而使一系列熱刺激蛋白的合成速率迅速上升。在大腸桿菌中已鑒定了17種熱刺激蛋白。對于熱刺激響應(yīng)的一種解釋是：在溫度升高時，RNA多聚酶的一種σ亞單位(σ-32)合成，或者它的活力增加，進而引起更多的熱刺激蛋白的合成。在幾分鐘內(nèi)熱刺激響應(yīng)到達頂峰。幾分鐘后，熱刺激蛋白的合成速度迅速下降，然后在較高的溫度下下降而達到一個新的穩(wěn)態(tài)的水平。

1.5.2熱刺激響應(yīng)(heatshockrespon92

多種環(huán)境因子均能引發(fā)熱刺激響應(yīng)，如乙醇、紫外幅射和DNA旋轉(zhuǎn)酶的抑制劑。這些因子均通過σ-32起誘發(fā)作用。加熱能使DNA的單股或雙股鏈斷裂，并且可能影響超螺旋結(jié)構(gòu)。乙醇因破壞細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)部的離子環(huán)境發(fā)生改變，從而影響DNA的結(jié)構(gòu)。

已發(fā)現(xiàn)有一個與這個總網(wǎng)絡(luò)的信號表達有關(guān)的潛在的警報子，這就是二腺苷-5′,5″-P1,P4-四磷酸(AppppA)。多種環(huán)境因子均能引發(fā)熱刺激響應(yīng)，如乙醇、紫外幅射931.5.3有氧及無氧激勵子

(aerobic-anaerobicstimulons)

兼性微生物，如大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌，在有氧和厭氧條件下能改變它們的代謝，以調(diào)節(jié)生長。有氧和厭氧代謝之間的轉(zhuǎn)變伴隨著電子流動速率、路線和收獲代謝能的效率的改變。因此，存在這樣一個呼吸控制體系，在這個體系中，氧化還原電位較“負(fù)”的電子轉(zhuǎn)移體系受氧化還原電位較“正”的終端氧化劑（在能量上更有利）的制約。例如，在有延胡索酸存在時，乙醇脫氫酶受到阻遏；在有硝酸鹽存在時延胡索酸還原酶受到阻遏；在有氧存在時，硝酸鹽還原酶受到阻遏。1.5.3有氧及無氧激勵子

(aer94氧化劑還原劑氧化劑還原劑95基質(zhì)膜內(nèi)空間基質(zhì)膜內(nèi)空間96

大腸桿菌的許多厭氧酶的合成受一種調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控，這種調(diào)節(jié)蛋白就是由fnr基因（formate-nitrateregulationgene,甲酸鹽-硝酸鹽調(diào)節(jié)基因）編碼Fnr蛋白，它包含一個結(jié)合Fe2+的氧敏感中心，因此能辨別有氧和無氧條件。Fnr蛋白已被確認(rèn)是某幾個受厭氧條件控制的基因的正調(diào)節(jié)物，推測其作用方式類似于營養(yǎng)阻遏中的環(huán)腺苷酸受體蛋白（CAP），F(xiàn)nr蛋白和CAP都屬于調(diào)整子（modulon）的多效性調(diào)節(jié)蛋白。調(diào)整子是指在一個多效性調(diào)節(jié)蛋白的控制下的多個操縱子和多組調(diào)節(jié)子。

大腸桿菌的許多厭氧酶的合成受一種調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控97

鼠傷寒沙門氏菌至少有兩個調(diào)節(jié)位點用來控制無氧激勵子不同部分(varioussubsets)。也有證據(jù)認(rèn)為DNA超螺旋結(jié)構(gòu)可能在控制需氧與無氧表達中起作用。鼠傷寒沙門氏菌的嚴(yán)格需氧和嚴(yán)格厭氧的突變株分別缺失DNA旋轉(zhuǎn)酶和局部異構(gòu)酶I。從這個研究引出的理論認(rèn)為，細(xì)菌在對氧做出響應(yīng)時，其“染色體”DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使某些啟動子更易接近，或者使某些啟動子被隔離。顯然，為獲得“受氧調(diào)節(jié)的基因表達”的完整概念，還有必要做許多研究工作。鼠傷寒沙門氏菌至少有兩個調(diào)節(jié)位點用來控制無氧激981.5.4緊縮響應(yīng)(stringentresponse)

緊縮響應(yīng)（stringentresponse）是指細(xì)菌細(xì)胞的這樣一種響應(yīng)：當(dāng)氨基酸缺乏時，細(xì)菌中rRNA和tRNA的合成隨即受到抑制，從而避免核糖體（以氨基酸為原料的翻譯機器）的不必要的生成。這是一種自我保護和生存保障的機制。

1.5.4緊縮響應(yīng)(stringentresponse99

對于迅速生長中的細(xì)胞而言，其代謝能有相當(dāng)部分用于核糖體合成。因此，在氨基酸饑餓條件下，阻礙核糖體的合成是厲行節(jié)約、自我保護和生存保障的有力措施。引起緊縮響應(yīng)的條件，對與核糖體的合成有關(guān)的成分，如rRNA、tRNA和對應(yīng)于核糖體蛋白的mRNA的合成，發(fā)生專一性的抑制作用，從而導(dǎo)致核糖體合成速率的突然下降。對于迅速生長中的細(xì)胞而言，其代謝能有相當(dāng)部分用于100

當(dāng)培養(yǎng)基中氨基酸缺乏時，空載的tRNA濃度上升?？蛰d的tRNA分子與核糖體的結(jié)合觸發(fā)了ppGpp的合成。在核糖體上，結(jié)合在核糖體的焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，即relA基因的產(chǎn)物緊縮因子RelA，催化從GTP（或GDP）和ATP生成ppGpp的反應(yīng)。從早期對ppGpp在緊縮控制中的作用的研究結(jié)果推測，在細(xì)胞內(nèi)ppGpp可能影響蛋白質(zhì)合成中需要GTP的反應(yīng)，如起始反應(yīng)和伸長反應(yīng)。

當(dāng)培養(yǎng)基中氨基酸缺乏時，空載的tRNA濃度101緊縮響應(yīng)的一個主要結(jié)果是降低穩(wěn)定的RNA累積的速率，這是與細(xì)胞中ppGpp濃度上升有密切關(guān)系的一種響應(yīng)。某些研究使人聯(lián)想RNA聚合酶是ppGpp作用的目標(biāo)，并且在緊縮響應(yīng)時被調(diào)節(jié)的是轉(zhuǎn)錄本身。轉(zhuǎn)錄的開始和暫停被假定為ppGpp作用的主要目標(biāo)。這樣，ppGpp將減小RNA多聚酶對rRNA基因所在的操縱子的啟動基因的親合力，這顯然就會降低可用來合成核糖體的rRNA的總量，進而影響到核糖體蛋白的合成。緊縮響應(yīng)的一個主要結(jié)果是降低穩(wěn)定的RNA累積102結(jié)合前面已討論過的反饋抑制、反饋阻遏或弱化機制，可以認(rèn)為細(xì)菌細(xì)胞有如下調(diào)節(jié)：當(dāng)胞內(nèi)氨基酸濃度較高時，氨基酸合成受阻(反饋抑制、反饋阻遏和弱化)或部分受阻。這時，rRNA合成核糖體的水平（濃度）正常，翻譯可以正常進行。

當(dāng)氨基酸缺乏時，rRNA合成受阻，核糖體水平（濃度）降低，翻譯受影響，蛋白質(zhì)合成速度下降，ATP的使用量（每加上一分子氨基酸使用4分子ATP）下降，細(xì)胞代謝自動進入細(xì)胞經(jīng)濟緊縮狀態(tài)。結(jié)合前面已討論過的反饋抑制、反饋阻遏或弱化機103胞內(nèi)任何氨基酸的缺乏均可能導(dǎo)致從GTP產(chǎn)生ppGpp，這個胞內(nèi)效應(yīng)物會對細(xì)胞活動重新定向，以補償氨基酸的不足。ppGpp除了抑制rRNA、tRNA合成外、還抑制脂肪酸、脂肪、核苷酸、肽聚糖、碳水化合物和多胺等的合成；另一方面，促進氨基酸合成途徑的操縱子的轉(zhuǎn)錄、激活蛋白酶，以產(chǎn)生氨基酸。因此緊縮響應(yīng)在總體上提高了細(xì)胞在氨基酸和能量供應(yīng)受到限制時的存活能力，一旦條件得到改善時，細(xì)胞代謝將迅速恢復(fù)正常，并重新引發(fā)生長。胞內(nèi)任何氨基酸的缺乏均可能導(dǎo)致從GTP產(chǎn)生p1041.6信息傳導(dǎo)的響應(yīng)(胰高血糖素)轉(zhuǎn)導(dǎo)物效應(yīng)物腺苷酸環(huán)化酶細(xì)胞質(zhì)剌激響應(yīng)抑制響應(yīng)茶堿咖啡因靶子蛋白的磷酸化剌激激素1.6信息傳導(dǎo)的響應(yīng)(胰高血糖素)轉(zhuǎn)導(dǎo)物效應(yīng)物腺苷酸細(xì)胞105

2.1膜脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與膜流動性的關(guān)系

2.2恒粘適應(yīng)現(xiàn)象

2.3膜蛋白質(zhì)的活性和合成的調(diào)節(jié)

2微生物膜的自動調(diào)節(jié)2.1膜脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與膜流動性的關(guān)系2微生物膜106質(zhì)膜磷脂雙層糖脂碳水化合物側(cè)鏈?zhǔn)杷畢^(qū)內(nèi)膜蛋白胞質(zhì)糖蛋白膜周邊蛋白糖蛋白碳水化合物側(cè)鏈親水區(qū)質(zhì)膜磷脂雙層糖脂碳水化合物側(cè)鏈?zhǔn)杷畢^(qū)內(nèi)膜蛋白胞質(zhì)糖蛋白膜周邊107內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核膜高爾基體溶酶體固定核糖體吞噬細(xì)胞胞飲內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核膜高爾基體溶酶體固定核糖體吞噬細(xì)胞胞飲108

微生物適應(yīng)環(huán)境的手段無疑包括改變膜的組成。膜脂質(zhì)是膜的基本組成成分，只有當(dāng)膜脂質(zhì)處于液晶狀態(tài)時，膜才有可能表現(xiàn)活性。而液晶狀態(tài)的促成除了外界溫度條件外，主要取決于膜脂質(zhì)組成成分及其分子結(jié)構(gòu)。膜脂質(zhì)的組成成分及其分子結(jié)構(gòu)在一定溫度范圍內(nèi)的自動調(diào)節(jié)能力是由微生物菌種的遺傳性能決定的。2.1膜脂質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與膜流動性的關(guān)系微生物適應(yīng)環(huán)境的手段無疑包括改變膜的組成109

如果構(gòu)成膜脂質(zhì)雙分子層的磷脂分子的脂?；耆侵辨滐柡椭；脑?，由于脂?；g的位阻效應(yīng)，脂質(zhì)分子能夠緊密地排列，其結(jié)果是膜脂質(zhì)雙分子層具有相對高的相變溫度，脂肪酸的熔點和膜脂質(zhì)雙分子層的相變溫度直接取決于飽和脂肪酸(酰)鏈的長度。如果構(gòu)成膜脂質(zhì)雙分子層的磷脂分子的脂?；耆?10

有一個雙鍵的單不飽和脂的熔點要比它的飽和形式要低，同樣道理前者對應(yīng)的脂質(zhì)雙分子層的相變溫度也明顯地低于后者對應(yīng)的脂質(zhì)雙分子層的相變溫度。這是因為雙鍵使脂肪酸鏈發(fā)生轉(zhuǎn)折，從而限制了磷脂分子的互相靠近。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更低。有一個雙鍵的單不飽和脂的熔點要比它的飽和形式111

盡管膜脂質(zhì)中脂肪酰基的結(jié)構(gòu)與在特定溫度下膜脂質(zhì)的狀態(tài)密切相關(guān)，但必須強調(diào)，其它一些因素，包括磷脂分子極性端的基團不同，蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的相互作用，以及陽離子與脂質(zhì)的相互作用等也是決定膜的流動性的重要因素，這些因素與環(huán)境密切相關(guān)。盡管膜脂質(zhì)中脂肪?；慕Y(jié)構(gòu)與在特定溫度下膜脂質(zhì)112

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嗜溫微生物是通過改變膜脂質(zhì)的脂肪?；鶃眄憫?yīng)環(huán)境溫度的變化的，這種改變可以使得膜的流動性在新的溫度下保持恒定，這種現(xiàn)象叫做恒粘適應(yīng)（homeoviscous）現(xiàn)象。

2.2恒粘適應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嗜溫微生物是通過改變膜脂質(zhì)的脂肪?；?13

根據(jù)前面討論的脂質(zhì)的幾何構(gòu)型知識，可以期望，增加脂肪酰鏈的平均長度，將前異式轉(zhuǎn)化為異式，降低不飽和鏈與飽和鏈之比，均可以提高脂質(zhì)的相變溫度。事實也確實如此，許多種微生物在環(huán)境溫度上升時就會發(fā)生如上一種或幾種轉(zhuǎn)變；當(dāng)環(huán)境溫度下降時，嗜溫微生物的膜的脂質(zhì)的成分就會發(fā)生相反方向的轉(zhuǎn)變（相變溫度下降）。根據(jù)前面討論的脂質(zhì)的幾何構(gòu)型知識，可以期望，114

異式和前異式(anteiso-)，究竟是屬于哪一種類型，取決于甲基分支的位置。分支的位置明顯地影響脂質(zhì)的流動性質(zhì)，但前異式結(jié)構(gòu)對于磷脂分子的整齊排列干擾較之異式結(jié)構(gòu)更大。

異式和前異式(anteiso-)，究竟是屬于哪115

因此，恒粘適應(yīng)是這樣一種機制，有了它，當(dāng)溫度變化時，微生物能避免膜脂質(zhì)的過分的剛性化或過分的流動化。有證據(jù)說明，這種適應(yīng)性是由兩個因素促成的：一是在磷脂合成水平上酰基轉(zhuǎn)移酶們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。因此，恒粘適應(yīng)是這樣一種機制，有了它，當(dāng)116除了溫度以外，能影響膜脂質(zhì)流動性的其它環(huán)境因子，如壓力也能觸發(fā)恒粘適應(yīng)。如果微生物沒有這種自動調(diào)節(jié)機制，當(dāng)溫度上升時，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。當(dāng)溫度下降時，膜因脂質(zhì)逐漸剛化而失去活性。除了溫度以外，能影響膜脂質(zhì)流動性的其它環(huán)境因117膜脂質(zhì)雙分子層是離子和大多數(shù)極性分子的通透性屏障，它與膜蛋白互相補充，體現(xiàn)膜對化學(xué)物質(zhì)和代謝中間產(chǎn)物的選擇性通過性。在發(fā)酵工業(yè)上，已采取了一些措施(包括菌種選育和發(fā)酵工藝控制的措施)，對微生物細(xì)胞的膜脂質(zhì)的組成進行調(diào)節(jié)，并已取得成效。膜脂質(zhì)雙分子層是離子和大多數(shù)極性分子的通透性118

除了被動擴散以外，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)膜實現(xiàn)的極大多數(shù)動態(tài)過程。膜脂質(zhì)雙分子層是離子和大多數(shù)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(zhuǎn)換、催化等功能，膜脂質(zhì)又為這樣的膜蛋白提供合適的發(fā)揮功能的場所。2.3膜蛋白質(zhì)的活性和合成的調(diào)節(jié)除了被動擴散以外，化學(xué)物質(zhì)跨膜需依賴載119

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)的蛋白質(zhì)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質(zhì)及膜上功能尚不清楚的功能性蛋白質(zhì)。調(diào)節(jié)酶與非酶變構(gòu)蛋白

在自動調(diào)節(jié)中的作用膜有各種各樣功能性蛋白質(zhì)，包括起輸送作120微生物代謝的自動調(diào)節(jié)11/14/2022121微生物代謝的自動調(diào)節(jié)11/10/20221微生物代謝的自動調(diào)節(jié)1微生物酶的自動調(diào)節(jié)2微生物膜的自動調(diào)節(jié)微生物代謝的自動調(diào)節(jié)1微生物酶的自動調(diào)節(jié)1221.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)1.2翻譯水平上的調(diào)節(jié)1.3蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié)1.4酶在不同空間的分布1.5整個細(xì)胞水平上的調(diào)節(jié)(全局性調(diào)節(jié))1.6信息傳導(dǎo)的響應(yīng)

1微生物酶的自動調(diào)節(jié)1.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)1微生物酶的自動調(diào)節(jié)123酶的分類酶的分類124

微生物并不是在所有空間、時間內(nèi)合成它所能合成的全部酶，在一定生理條件下，微生物只合成它當(dāng)時所需要的酶；存在于細(xì)胞內(nèi)的酶活力是受到控制的，酶的催化過程必須與細(xì)胞對能量和細(xì)胞組分的需求相協(xié)調(diào)。微生物并不是在所有空間、時間內(nèi)合成它所能合成的全1251.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)1.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)126微生物細(xì)胞只在其有限空間合成它們當(dāng)時所需要的一定量的酶分子，是否合成，合成多少，首先取決于為這些酶編碼的基因是否被轉(zhuǎn)錄以及被轉(zhuǎn)錄的水平。微生物細(xì)胞只在其有限空間合成它們當(dāng)時所127轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)包括降解反應(yīng)途徑的酶的誘導(dǎo)(包括酶誘導(dǎo)合成的自生控制)、營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)、生物合成反應(yīng)途徑中的酶的反饋阻遏和弱化(attenuation)機制和中心代謝途徑中的酶的合成的誘導(dǎo)和阻遏。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)包括降解反應(yīng)途徑的酶的誘128①酶的誘導(dǎo)的機制

②營養(yǎng)阻遏的機制

③終端產(chǎn)物對其自身合

成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制①酶的誘導(dǎo)的機制

②營養(yǎng)阻遏的機制

③終129①降解途徑的酶的誘導(dǎo)的機制基因的表達受到完美的控制，某些基因在生長的細(xì)胞中經(jīng)常得到表達，諸如在任何條件下必須具備的酶(constitutiveenzyme，組成酶)；而另一些基因則需要根據(jù)特定的生理狀態(tài)下的需求來決定表達與否，大腸桿菌乳糖降解酶系的誘導(dǎo)合成是比較典型的例子(圖4-1)。

①降解途徑的酶的誘導(dǎo)的機制基因的表達受到完130圖4-1誘導(dǎo)的模式圖（a)未經(jīng)誘導(dǎo)的情況；(b)酶的誘導(dǎo)合成

在葡萄糖為生長底物的培養(yǎng)基中生長的大腸桿菌細(xì)胞，不含降解乳糖和其他生長底物的酶系(或酶水平極低)，這個事實說明基因的表達受到完美的控制。圖4-1誘導(dǎo)的模式圖在葡萄糖為生長底物的培養(yǎng)基131微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件132微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件133微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件134為乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙?；D(zhuǎn)移酶編碼的基因相鄰定位于大腸桿菌的染色體DNA上，它們與啟動子和操縱基因一起形成一個功能性單位，稱作為乳糖操縱子。當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時，乳糖操縱子上為這3個酶編碼的結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄，這是因為操縱子的操縱基因被阻遏蛋白(由調(diào)節(jié)基因編碼的變構(gòu)蛋白質(zhì))阻塞的緣故。為乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙?；D(zhuǎn)135當(dāng)培養(yǎng)基中的乳糖(α-D-半乳糖-β-1,4-D-葡萄糖)少量地進入大腸桿菌細(xì)胞時，它就被細(xì)胞中固有的(組成型的)β-半乳糖苷酶轉(zhuǎn)化成別構(gòu)乳糖(α-D-半乳糖-β-1,6-D-葡萄糖)，當(dāng)然在未經(jīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞中，β-半乳糖苷酶的量是相當(dāng)少的。生成的別構(gòu)乳糖(allolactose)即可與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白不能再與操縱基因相結(jié)合，從而允許對應(yīng)于上述3個酶的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，接著經(jīng)翻譯而合成乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙?；D(zhuǎn)移酶。乳糖透性酶進而促進乳糖跨膜進入細(xì)胞，從而參加進一步的誘導(dǎo)合成。當(dāng)培養(yǎng)基中的乳糖(α-D-半乳糖-β136從模式圖可以看出誘導(dǎo)酶的合成機制，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒有誘導(dǎo)物(效應(yīng)物)時，由調(diào)節(jié)基因編碼的與操縱基因有結(jié)合活性的阻遏蛋白(一種變構(gòu)蛋白)與操縱基因結(jié)合，阻止RNA多聚酶對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，因而誘導(dǎo)途徑的酶系沒有合成；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)物(效應(yīng)物)濃度上升某一程度時，它就與阻遏蛋白結(jié)合，使后者因構(gòu)象發(fā)生變化而失去與操縱基因有結(jié)合活性，從操縱基因上脫落下來，RNA多聚酶就可以對結(jié)構(gòu)基因的進行轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)途徑的酶系就被誘導(dǎo)合成。從模式圖可以看出誘導(dǎo)酶的合成機制，當(dāng)137酶的誘導(dǎo)對于微生物是十分有意義的。從營養(yǎng)的角度看，微生物可以根據(jù)環(huán)境所提供的生長底物，誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶(蛋白質(zhì))，以分解生長底物，吸收營養(yǎng)，進行代謝活動，從而加強微生物對環(huán)境的適應(yīng)能力。從細(xì)胞經(jīng)濟的角度看，僅僅根據(jù)需要誘導(dǎo)合成必要的酶(蛋白質(zhì))，可以避免核苷酸、氨基酸和代謝能的浪費。酶的誘導(dǎo)對于微生物是十分有意義的。從138從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因I、啟動基因P、操縱基因O上發(fā)生突變，都可能影響酶的正常誘導(dǎo)。如果啟動基因P缺失，則RNA多聚酶無從結(jié)合到操縱子上去，不管有沒有誘導(dǎo)物，轉(zhuǎn)錄都不會進行，這種突變株稱超阻遏突變株。如果操縱基因缺失，則不管有沒有誘導(dǎo)物，操縱子都不會受阻塞，不需誘導(dǎo)也能使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄并翻譯，這種突變株就是組成型突變株。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應(yīng)用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因I、啟動基139②營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)機制在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞只生成能降解培養(yǎng)基中能最迅速被同化的碳源的酶系，而用來降解其他碳源的酶系的合成在該碳源用完前一直受到阻遏。過去曾假設(shè)，是能被迅速同化的碳源(如葡萄糖)降解過程中的某代謝產(chǎn)物阻遏了其余降解酶系的合成，因此把這種現(xiàn)象叫做“降解物阻遏”。

②營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)機140進一步的研究并沒有發(fā)現(xiàn)有這種降解代謝物存在，碳源降解物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，因此把這種阻遏叫做“碳源阻遏”比叫“降解物阻遏”更切合實際。葡萄糖的存在對乳糖利用的影響是典型的碳源營養(yǎng)阻遏(圖4-6)。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，因此用營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)這個名稱來包容不同營養(yǎng)源的阻遏。進一步的研究并沒有發(fā)現(xiàn)有這種降解代謝141微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件142研究證明，大腸桿菌的碳源阻遏與細(xì)胞中環(huán)腺苷酸(cAMP)水平有關(guān)。細(xì)胞對葡萄糖(Glc)的利用導(dǎo)致胞內(nèi)cAMP濃度大幅度下降，當(dāng)大部分Glc被消耗掉，cAMP濃度才回升。乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄不但需要有誘導(dǎo)物，還需要cAMP。cAMP與一個叫做CAP(環(huán)腺苷酸接受蛋白)的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，這個復(fù)合物與啟動子P結(jié)合而刺激轉(zhuǎn)錄(提高RNA聚合酶與啟動子P的親合性)。研究證明，大腸桿菌的碳源阻遏與細(xì)胞中143GlcG-6-PLacLacc-AMP胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)膜葡萄糖對乳糖的營養(yǎng)阻遏GlcG-6-PLacLacc-AMP胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)膜葡萄糖對乳144微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件145③終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制(attenuation)化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞在以葡萄糖為碳源和能源的基本培養(yǎng)基中生長，那它就必須按代謝途徑來合成所有要用來形成生物大分子的“分子模塊”(buildingblock)，如氨基酸和核苷酸等。這些分子模塊的合成量，要正好用來合成組成細(xì)胞的生物大分子；分子模塊的過量產(chǎn)生，是必須避免的。如果模塊可以從細(xì)胞所處環(huán)境獲得，那么，就沒有必要靠細(xì)胞自身來合成。③終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制146細(xì)胞內(nèi)合成反應(yīng)途徑的產(chǎn)物的濃度能夠通過對其自身合成途徑的酶的合成(胞內(nèi)酶分子的數(shù)量)進行自動調(diào)節(jié)，使之與所需要合成的產(chǎn)物的量相協(xié)調(diào)。這種調(diào)節(jié)依賴終端產(chǎn)物的反饋阻遏、弱化等機制，或兩者兼用。這些自動調(diào)節(jié)機制可以節(jié)約細(xì)胞內(nèi)的原料和代謝能，對微生物的好處也是顯而易見的。細(xì)胞內(nèi)合成反應(yīng)途徑的產(chǎn)物的濃度能夠通147許多氨基酸生物合成途徑不但受該氨基酸本身的調(diào)節(jié)而且受其對應(yīng)的氨基酰tRNA的調(diào)節(jié)，前者指的是反饋阻遏(圖4-6)，也就是氨基酸合成途徑的終端產(chǎn)物(與氨基酸合成途徑相對應(yīng)的氨基酸)作為輔阻遏物阻礙轉(zhuǎn)錄的發(fā)動；后者指的是叫做弱化(圖4-7)的另一種類型的控制，這種控制涉及到與合成途徑的終端產(chǎn)物氨基酸相對應(yīng)的氨基酰tRNA和轉(zhuǎn)錄的終止，即當(dāng)細(xì)胞中存在過量的對應(yīng)氨基酰tRNA時，已發(fā)動的轉(zhuǎn)錄會在(操縱子的)第一個結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄前終止。簡而言之，阻遏控制轉(zhuǎn)錄的開始，弱化控制轉(zhuǎn)錄的終止。許多氨基酸生物合成途徑不但受該氨基酸148圖4-6終產(chǎn)物組氨酸對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏圖4-6終產(chǎn)物組氨酸對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏149微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件150如果將Trp和His加入到正在生長中的大腸桿菌培養(yǎng)物中，大腸桿菌細(xì)胞就會停止從PRPP(磷酸核糖焦磷酸)到His和從分支酸到Trp合成途徑的酶的合成。在鼠傷寒沙門氏菌中，對應(yīng)于His生物合成的酶系的9個基因存在于1個操縱子中。對應(yīng)于從分支酸到Trp的合成過程的酶系的5個基因也在1個操縱子上。當(dāng)合成途徑的終端產(chǎn)物(效應(yīng)物)在細(xì)胞中累積時，它就與由調(diào)節(jié)基因(r)編碼的原阻遏物結(jié)合，使后者成為具活性的阻遏物，然后這個活性的阻遏物就結(jié)合到操縱基因上，阻塞操縱子的轉(zhuǎn)錄。如果將Trp和His加入到正在生長中151終產(chǎn)物反饋阻遏的對象主要是反應(yīng)序列中第一個酶或相關(guān)聯(lián)的幾個酶。在有分支的合成途徑中，反饋阻遏主要發(fā)生在分支后的第一個酶，另外，分支途徑中每個分支的終產(chǎn)物對公共途徑的第一個酶也有部分阻遏(這往往是因為這個酶是同工酶，而且并不是全部同工酶都受到阻遏)。終產(chǎn)物反饋阻遏的對象主要是反應(yīng)序列中第152反饋阻遏模型中，操縱子的開關(guān)情況正好與誘導(dǎo)模型相反。前者是以效應(yīng)物(阻遏物)的高濃度關(guān)閉操縱子，后者以效應(yīng)物(誘導(dǎo)物)的高濃度打開操縱子。在原核細(xì)胞中，誘導(dǎo)和反饋阻遏之所以可以同時調(diào)節(jié)幾個相關(guān)的酶的合成，其原因即在于一條代謝途徑中的幾個酶的結(jié)構(gòu)基因往往成串地分布在同一個操縱子上，或者盡管分散在不同的操縱子上，但這些操縱子受同一個調(diào)節(jié)基因編碼的變構(gòu)蛋白的控制。反饋阻遏模型中，操縱子的開關(guān)情況正好153如果對應(yīng)于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)生突變或調(diào)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(diào)節(jié)的突變株可以過量合成相關(guān)途徑的酶或終產(chǎn)物。這樣的突變株叫做調(diào)節(jié)突變株，可在工業(yè)生產(chǎn)上得到應(yīng)用。如果對應(yīng)于合成途徑的操縱子的操縱基因發(fā)154在研究大腸桿菌色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)時發(fā)現(xiàn)了一種新的代謝調(diào)節(jié)機制：弱化(attenuation)。這種機制可能存在于細(xì)菌的所有氨基酸合成途徑的操縱子中。到目前為止，已在大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)包括Thr、Ile、val、Trp、Leu、Phe、His7種氨基酸的合成過程中都存在這種控制機制。在研究大腸桿菌色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)時發(fā)現(xiàn)155事實證明，很多氨基酸合成途徑的酶不僅受其終端產(chǎn)物氨基酸本身的阻遏，而且也受到對應(yīng)的氨基酰tRNA的調(diào)節(jié)。所不同的是反饋阻遏因終端產(chǎn)物氨基酸作為輔阻遏物干擾轉(zhuǎn)錄的發(fā)動，而弱化作用則是對已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄的終止控制。當(dāng)有過量的對應(yīng)的氨基酰tRNA存在時，已被引發(fā)的轉(zhuǎn)錄，可能在操縱子上第一個結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄前就終止轉(zhuǎn)錄。事實證明，很多氨基酸合成途徑的酶不僅受156具有弱化控制機制的操縱子的第一個結(jié)構(gòu)基因S1與啟動基因P、操縱基因O之間，有一段叫做前導(dǎo)DNA的核苷酸序列(1eadersequence)或稱弱化子(attenuator)。操縱子的轉(zhuǎn)錄必須經(jīng)這前導(dǎo)區(qū)，才能進入結(jié)構(gòu)基因區(qū)。圖4-7具有弱化控制機制的操縱子及其轉(zhuǎn)錄(模式圖)具有弱化控制機制的操縱子的第一個157以大腸桿菌的色氨操縱子為例，該操縱子可以形成一個含7000個核苷酸的色氨酸轉(zhuǎn)錄本(transcript)，其中包括5’端的前導(dǎo)RNA序列(162個核苷酸)，接著是對應(yīng)于色氨酸合成途徑的所有mRNA序列。其前導(dǎo)mRNA上有4個特殊區(qū)域(A、B、C和D)，A區(qū)可以翻譯成14個氨基酸殘基，其中有2個Trp殘基，A區(qū)后面緊接著終止密碼子(UGA)。C區(qū)和D區(qū)堿基配對則形成“終止結(jié)構(gòu)”，C區(qū)和B區(qū)的堿基配對則形成“非終止結(jié)構(gòu)”。以大腸桿菌的色氨操縱子為例，該操縱子158圖4-8大腸桿菌色氨酸操縱子弱化作用模式圖(a)Trp高水平時形成CD配對的終止結(jié)構(gòu)；(b)Trp低水平時形成BC配對的非終止結(jié)構(gòu)圖4-8大腸桿菌色氨酸操縱子弱化作用模式圖159微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件160微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件161微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件162微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件163微生物代謝的自動調(diào)節(jié)課件164在大腸桿菌中，色氨酸生物合成途徑的酶在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)包括反饋阻遏和弱化作用，也就是說這種細(xì)菌的色氨酸操縱子同時受操縱基因及弱化子的控制。當(dāng)細(xì)胞中Trp濃度很高時，Trp與原阻遏物形成活性復(fù)合物，這復(fù)合物與操縱基因結(jié)合就會使轉(zhuǎn)錄無法啟動。當(dāng)細(xì)胞中Trp濃度下降時，阻遏作用解除，轉(zhuǎn)錄開始進行。在大腸桿菌中，色氨酸生物合成途徑的酶在165但是，在轉(zhuǎn)錄過程中，有些正在轉(zhuǎn)錄中的RNA聚合酶分子在經(jīng)過前導(dǎo)DNA序列時，可以從模板上脫落，有些則可進入結(jié)構(gòu)基因區(qū)，轉(zhuǎn)錄完整的色氨酸合成途徑的酶系的mRNA。而當(dāng)Trp濃度進一步下降時，能進入結(jié)構(gòu)基因區(qū)的RNA聚合酶的比率就逐漸增加到1，用于色氨酸合成的酶系的合成的調(diào)節(jié)逐漸地被解除，直到完全地被解除。但是，在轉(zhuǎn)錄過程中，有些正在轉(zhuǎn)錄中的R1661.2翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括兩層意思，其一是對翻譯速度的調(diào)節(jié)；其二是對已譯成的、會成為細(xì)胞的包袱的蛋白質(zhì)分子的破壞性降解。1.2翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括兩層意思，其一167（1）對翻譯速度的調(diào)節(jié)[AAs][ppGpp][rRNA]L,S蛋白多余阻礙其自身翻譯[核糖體][蛋白質(zhì)]生長速度（2）異常蛋白質(zhì)的降解對已譯錯的、會成為細(xì)胞的包袱的蛋白質(zhì)的降解（1）對翻譯速度的調(diào)節(jié)168

在大腸桿菌中，核糖體的合成受到與細(xì)胞生長速率成比例的調(diào)節(jié)。56種核糖體蛋白(30S亞基中22種、50S亞基中34種)和3種rRNA(30S亞基中的16SrRNA和50S亞基中的23SrRNA和5SrRNA)作為核糖體的組成成員的合成速率是平衡的，因此能協(xié)調(diào)地響應(yīng)環(huán)境條件的變化。

（1）對翻譯速度的調(diào)節(jié)在大腸桿菌中，核糖體的合成受到與細(xì)胞生長速率成16932223222170

在大腸桿菌中，為核糖體蛋白編碼的16個操縱子分別包含1～11個結(jié)構(gòu)基因。核糖體蛋白合成的自生控制模型表明，對應(yīng)于一個操縱子上的結(jié)構(gòu)基因的一組核糖體蛋白的翻譯，受到與它們同處于一個操縱子上的某基因編碼的蛋白質(zhì)的控制。這種蛋白質(zhì)能與對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄本的前導(dǎo)區(qū)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)合，阻礙核糖體附著到mRNA上，從而使翻譯不能進行。這種阻礙翻譯的蛋白質(zhì)被稱為翻譯阻遏物。在大腸桿菌中，為核糖體蛋白編碼的16個操縱子分171

在正常代謝的過程中，隨著核糖體的裝配，許多翻譯阻遏物蛋白質(zhì)逐一地結(jié)合到16SrRNA或23SrRNA上，不會發(fā)生對翻譯的控制作用。如果因為某種原因，微生物生長速度放慢，必伴隨著rRNA的減少，這時，翻譯阻遏物就不再全部結(jié)合到16SrRNA或23SrRNA上，其多余部分與它們自己對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄本相結(jié)合，阻礙核糖體對轉(zhuǎn)錄本的翻譯，造成核糖體蛋白質(zhì)合成(翻譯)受阻的后果，從而影響核糖體的構(gòu)建。核糖體數(shù)量的下降又將進一步影響其它細(xì)胞蛋白質(zhì)(包括酶)的翻譯。在正常代謝的過程中，隨著核糖體的裝配，許多翻譯阻172（2）異常蛋白質(zhì)的降解

細(xì)胞中特定蛋白質(zhì)的水平不但取決于它的合成速率，而且