第四章发酵学第三假说

第四章发酵学第三假说内容摘要：

果酸合成酶（ MS ） 受葡萄糖的 阻遏 ，受醋酸的 诱导。 2020/11/17 张星元：发酵原理 65 ② 许多“厌氧酶”的合成需要一种 Fnr 调节蛋白（ formatenitrate 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 68 翻译水平上的调节 ⑴翻译速度的控制 ⑵异常蛋白质的降解 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 70 ⑴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： ①翻译（蛋白质合成）的总速率； ②翻译起始的概率。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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： ①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； ②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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 75 ⑵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 σ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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 78 ⑴变构蛋白和变构酶的调节机制 ⑵共价调节酶 ⑶中心代谢途径的酶的活性的调节 ⑷合成代谢途径（即代谢网络中离 心途径）的酶活性的调节。 蛋白质水平上的调节 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 83 ⑴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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 85 ①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）。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 87 ②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 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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 ）。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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）。 ⑵共价调节酶 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。 ⑶中心代谢途径的酶的活性的调节 2020/11/17 张星元：发酵原理 93 表 44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： 2020/11/17 张星元：发酵原理 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 αKG的抑制， PDH 复合物还受到 AcCoA的抑制。 2020/11/17 张星元：发酵原理 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。