工学微生物代谢的自动调节

工学微生物代谢的自动调节第1页/共121页微生物代谢的自动调节1微生物酶的自动调节2微生物膜的自动调节第2页/共121页1.1转录水平上的调节1.2翻译水平上的调节1.3蛋白质水平上的调节1.4酶在不同空间的分布1.5整个细胞水平上的调节(全局性调节)1.6信息传导的响应

1微生物酶的自动调节第3页/共121页酶的分类第4页/共121页

微生物并不是在所有空间、时间内合成它所能合成的全部酶，在一定生理条件下，微生物只合成它当时所需要的酶；存在于细胞内的酶活力是受到控制的，酶的催化过程必须与细胞对能量和细胞组分的需求相协调。第5页/共121页1.1转录水平上的调节第6页/共121页

微生物细胞只在其有限空间合成它们当时所需要的一定量的酶分子，是否合成，合成多少，首先取决于为这些酶编码的基因是否被转录以及被转录的水平。第7页/共121页

转录水平的调节包括降解反应途径的酶的诱导(包括酶诱导合成的自生控制)、营养阻遏(nutritionalrepression)、生物合成反应途径中的酶的反馈阻遏和弱化(attenuation)机制和中心代谢途径中的酶的合成的诱导和阻遏。第8页/共121页①酶的诱导的机制

②营养阻遏的机制

③终端产物对其自身合

成途径的酶的合成的反馈阻遏和弱化的机制第9页/共121页①降解途径的酶的诱导的机制

基因的表达受到完美的控制，某些基因在生长的细胞中经常得到表达，诸如在任何条件下必须具备的酶(constitutiveenzyme，组成酶)；而另一些基因则需要根据特定的生理状态下的需求来决定表达与否，大肠杆菌乳糖降解酶系的诱导合成是比较典型的例子(图4-1)。

第10页/共121页图4-1诱导的模式图（a)未经诱导的情况；(b)酶的诱导合成

在葡萄糖为生长底物的培养基中生长的大肠杆菌细胞，不含降解乳糖和其他生长底物的酶系(或酶水平极低)，这个事实说明基因的表达受到完美的控制。第11页/共121页第12页/共121页第13页/共121页第14页/共121页

为乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙酰基转移酶编码的基因相邻定位于大肠杆菌的染色体DNA上，它们与启动子和操纵基因一起形成一个功能性单位，称作为乳糖操纵子。当培养基中没有乳糖时，乳糖操纵子上为这3个酶编码的结构基因不被转录，这是因为操纵子的操纵基因被阻遏蛋白(由调节基因编码的变构蛋白质)阻塞的缘故。第15页/共121页

当培养基中的乳糖(α-D-半乳糖-β-1,4-D-葡萄糖)少量地进入大肠杆菌细胞时，它就被细胞中固有的(组成型的)β-半乳糖苷酶转化成别构乳糖(α-D-半乳糖-β-1,6-D-葡萄糖)，当然在未经诱导的细胞中，β-半乳糖苷酶的量是相当少的。生成的别构乳糖(allolactose)即可与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能再与操纵基因相结合，从而允许对应于上述3个酶的结构基因转录，接着经翻译而合成乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶和乙酰基转移酶。乳糖透性酶进而促进乳糖跨膜进入细胞，从而参加进一步的诱导合成。第16页/共121页

从模式图可以看出诱导酶的合成机制，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多聚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有结合活性，从操纵基因上脱落下来，RNA多聚酶就可以对结构基因的进行转录，诱导途径的酶系就被诱导合成。第17页/共121页

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，从而加强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。第18页/共121页

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。第19页/共121页②营养阻遏(nutritionalrepression)机制

在用混合碳源培养大肠杆菌的研究中发现，细胞只生成能降解培养基中能最迅速被同化的碳源的酶系，而用来降解其他碳源的酶系的合成在该碳源用完前一直受到阻遏。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，因此把这种现象叫做“降解物阻遏”。

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进一步的研究并没有发现有这种降解代谢物存在，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，因此把这种阻遏叫做“碳源阻遏”比叫“降解物阻遏”更切合实际。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4-6)。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，因此用营养阻遏(nutritionalrepression)这个名称来包容不同营养源的阻遏。第21页/共121页第22页/共121页

研究证明，大肠杆菌的碳源阻遏与细胞中环腺苷酸(cAMP)水平有关。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。乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，还需要cAMP。cAMP与一个叫做CAP(环腺苷酸接受蛋白)的蛋白质形成复合物，这个复合物与启动子P结合而刺激转录(提高RNA聚合酶与启动子P的亲合性)。第23页/共121页GlcG-6-PLacLacc-AMP胞内细胞质膜葡萄糖对乳糖的营养阻遏第24页/共121页第25页/共121页③终端产物对其自身合成途径的酶的合成的反馈阻遏和弱化的机制(attenuation)

化能异养型微生物细胞在以葡萄糖为碳源和能源的基本培养基中生长，那它就必须按代谢途径来合成所有要用来形成生物大分子的“分子模块”(buildingblock)，如氨基酸和核苷酸等。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。如果模块可以从细胞所处环境获得，那么，就没有必要靠细胞自身来合成。第26页/共121页

细胞内合成反应途径的产物的浓度能够通过对其自身合成途径的酶的合成(胞内酶分子的数量)进行自动调节，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代谢能，对微生物的好处也是显而易见的。第27页/共121页

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(图4-6)，也就是氨基酸合成途径的终端产物(与氨基酸合成途径相对应的氨基酸)作为辅阻遏物阻碍转录的发动；后者指的是叫做弱化(图4-7)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和转录的终止，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终止。简而言之，阻遏控制转录的开始，弱化控制转录的终止。第28页/共121页图4-6终产物组氨酸对其自身合成途径的酶的合成的反馈阻遏第29页/共121页第30页/共121页

如果将Trp和His加入到正在生长中的大肠杆菌培养物中，大肠杆菌细胞就会停止从PRPP(磷酸核糖焦磷酸)到His和从分支酸到Trp合成途径的酶的合成。在鼠伤寒沙门氏菌中，对应于His生物合成的酶系的9个基因存在于1个操纵子中。对应于从分支酸到Trp的合成过程的酶系的5个基因也在1个操纵子上。当合成途径的终端产物(效应物)在细胞中累积时，它就与由调节基因(r)编码的原阻遏物结合，使后者成为具活性的阻遏物，然后这个活性的阻遏物就结合到操纵基因上，阻塞操纵子的转录。第31页/共121页

终产物反馈阻遏的对象主要是反应序列中第一个酶或相关联的几个酶。在有分支的合成途径中，反馈阻遏主要发生在分支后的第一个酶，另外，分支途径中每个分支的终产物对公共途径的第一个酶也有部分阻遏(这往往是因为这个酶是同工酶，而且并不是全部同工酶都受到阻遏)。第32页/共121页

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。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，其原因即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。第33页/共121页

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。第34页/共121页

在研究大肠杆菌色氨酸操纵子的调节时发现了一种新的代谢调节机制：弱化(attenuation)。这种机制可能存在于细菌的所有氨基酸合成途径的操纵子中。到目前为止，已在大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌中发现包括Thr、Ile、val、Trp、Leu、Phe、His7种氨基酸的合成过程中都存在这种控制机制。第35页/共121页

事实证明，很多氨基酸合成途径的酶不仅受其终端产物氨基酸本身的阻遏，而且也受到对应的氨基酰tRNA的调节。所不同的是反馈阻遏因终端产物氨基酸作为辅阻遏物干扰转录的发动，而弱化作用则是对已被引发的转录的终止控制。当有过量的对应的氨基酰tRNA存在时，已被引发的转录，可能在操纵子上第一个结构基因被转录前就终止转录。第36页/共121页

具有弱化控制机制的操纵子的第一个结构基因S1与启动基因P、操纵基因O之间，有一段叫做前导DNA的核苷酸序列(1eadersequence)或称弱化子(attenuator)。操纵子的转录必须经这前导区，才能进入结构基因区。图4-7具有弱化控制机制的操纵子及其转录(模式图)第37页/共121页

以大肠杆菌的色氨操纵子为例，该操纵子可以形成一个含7000个核苷酸的色氨酸转录本(transcript)，其中包括5’端的前导RNA序列(162个核苷酸)，接着是对应于色氨酸合成途径的所有mRNA序列。其前导mRNA上有4个特殊区域(A、B、C和D)，A区可以翻译成14个氨基酸残基，其中有2个Trp残基，A区后面紧接着终止密码子(UGA)。C区和D区碱基配对则形成“终止结构”，C区和B区的碱基配对则形成“非终止结构”。第38页/共121页图4-8大肠杆菌色氨酸操纵子弱化作用模式图(a)Trp高水平时形成CD配对的终止结构；(b)Trp低水平时形成BC配对的非终止结构第39页/共121页第40页/共121页第41页/共121页第42页/共121页第43页/共121页第44页/共121页

在大肠杆菌中，色氨酸生物合成途径的酶在转录水平上的调节包括反馈阻遏和弱化作用，也就是说这种细菌的色氨酸操纵子同时受操纵基因及弱化子的控制。当细胞中Trp浓度很高时，Trp与原阻遏物形成活性复合物，这复合物与操纵基因结合就会使转录无法启动。当细胞中Trp浓度下降时，阻遏作用解除，转录开始进行。第45页/共121页

但是，在转录过程中，有些正在转录中的RNA聚合酶分子在经过前导DNA序列时，可以从模板上脱落，有些则可进入结构基因区，转录完整的色氨酸合成途径的酶系的mRNA。而当Trp浓度进一步下降时，能进入结构基因区的RNA聚合酶的比率就逐渐增加到1，用于色氨酸合成的酶系的合成的调节逐渐地被解除，直到完全地被解除。第46页/共121页1.2翻译水平上的调节

包括两层意思，其一是对翻译速度的调节；其二是对已译成的、会成为细胞的包袱的蛋白质分子的破坏性降解。第47页/共121页（1）对翻译速度的调节[AAs][ppGpp][rRNA]L,S蛋白多余阻碍其自身翻译[核糖体][蛋白质]生长速度（2）异常蛋白质的降解对已译错的、会成为细胞的包袱的蛋白质的降解第48页/共121页

在大肠杆菌中，核糖体的合成受到与细胞生长速率成比例的调节。56种核糖体蛋白(30S亚基中22种、50S亚基中34种)和3种rRNA(30S亚基中的16SrRNA和50S亚基中的23SrRNA和5SrRNA)作为核糖体的组成成员的合成速率是平衡的，因此能协调地响应环境条件的变化。

（1）对翻译速度的调节第49页/共121页3222第50页/共121页

在大肠杆菌中，为核糖体蛋白编码的16个操纵子分别包含1～11个结构基因。核糖体蛋白合成的自生控制模型表明，对应于一个操纵子上的结构基因的一组核糖体蛋白的翻译，受到与它们同处于一个操纵子上的某基因编码的蛋白质的控制。这种蛋白质能与对应的转录本的前导区的二级结构发生结合，阻碍核糖体附着到mRNA上，从而使翻译不能进行。这种阻碍翻译的蛋白质被称为翻译阻遏物。第51页/共121页

在正常代谢的过程中，随着核糖体的装配，许多翻译阻遏物蛋白质逐一地结合到16SrRNA或23SrRNA上，不会发生对翻译的控制作用。如果因为某种原因，微生物生长速度放慢，必伴随着rRNA的减少，这时，翻译阻遏物就不再全部结合到16SrRNA或23SrRNA上，其多余部分与它们自己对应的转录本相结合，阻碍核糖体对转录本的翻译，造成核糖体蛋白质合成(翻译)受阻的后果，从而影响核糖体的构建。核糖体数量的下降又将进一步影响其它细胞蛋白质(包括酶)的翻译。第52页/共121页（2）异常蛋白质的降解

细胞中特定蛋白质的水平不但取决于它的合成速率，而且也取决于它的降解速率。在细胞处于碳源或氮源饥饿的生理状态时，蛋白质降解的总速率要提高好几倍。细胞中已经存在的蛋白质的降解，能为蛋白质的继续合成提供氨基酸源和能源。蛋白质降解作用的增强是与稳定的RNA（指rRNA）的合成的终止以及信号分子四磷酸乌苷(ppGpp)的累积协调地发生的。

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异常蛋白包括：①由无意义突变引起的不完全蛋白质；②发生了氨基酸替代的完全蛋白质，翻译不合格(出错的)的多肽；③过量合成的多聚复合物大分子的某些亚基，例如，在大肠杆菌细胞中，某个核糖体蛋白质(多肽)或者RNA聚合酶的亚单位合成过量了，那么它们就会被迅速降解。第54页/共121页

突变造成的异常蛋白在细胞内并不能累积到与它们对应的正常蛋白的浓度水平。这些异常蛋白的降解与营养条件无关，即使在迅速生长时也会发生。这些异常蛋白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，以及被过量合成的多聚复合物大分子的某些亚单位。例如，在大肠杆菌细胞中，核糖体蛋白质（多肽）或者RNA聚合酶的亚单位合成过量了，那么它们就会被迅速降解。似乎有一个专用的蛋白质降解系统主要在大多数异常蛋白质的降解中起作用。

第55页/共121页大肠杆菌中异常蛋白的降解途径

Lon蛋白酶只辩认并作用于未折叠蛋白质，因此，能够在细胞质内游离存在而不破坏必需的细胞蛋白质。而且，ATP的水解使该酶在每次水解反应后，一次又一次地自动失活，余下的ADP仍连在已失活的Lon蛋白酶分子上，直到有一个新的蛋白质底物促使它离去。

第56页/共121页1.3蛋白质水平上的调节

蛋白质水平上的调节就是通过调节酶分子的活性来调节代谢中间物和能量的产生和消耗速度，这种调节是因蛋白质（酶）分子构象的变化而实现的，其特点是响应快。蛋白质水平上的调节主要包括：①变构蛋白和变构酶的调节；②共价调节酶的调节；③中心代谢途径的酶活性的调节；④合成代谢途径的酶活性的调节。

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非酶变构蛋白的调节：①调节蛋白（诱导模型中的阻遏蛋白阻遏模型中的原阻遏物）②受控的载体蛋白（乳糖透性酶受PTS的因子Ⅲ的抑制）（1）变构蛋白和变构酶的调节机制第58页/共121页由调节基因编码，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rnRNA的合成(转录)和蛋白质(多肽)分子的合成(翻译)。第59页/共121页变构酶的调节：①竞争性抑制（如图）②反馈抑制③变构酶的抑制和激活第60页/共121页

作为输送工具的一些载体蛋白，有些已被证明是变构蛋白。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。大肠杆菌对乳糖的吸收是借助载体蛋白“乳糖透性酶”的主动输送，对葡萄糖的吸收是借助磷酸转移酶系统(PTS)的基团转移过程。第61页/共121页

可由共价修饰引起酶活性或（和）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。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。（2）共价调节酶（或蛋白质）第62页/共121页

异柠檬酸脱氢酶（ID）是TCA环和GOA环两者分叉处的一个酶，ID的失活可使更多的代谢底物进入GOA环，有利于草酰乙酸和磷酸烯醇式丙酮酸(可用于葡萄糖异生的方向)的形成。IDID-P4激酶磷酸酯酶4ATP4H2O（没有活性）（有活性）第63页/共121页第64页/共121页

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)。第65页/共121页

例如：大肠杆菌乳糖透性酶的“效应物”因子Ⅲ，它与乳糖透性酶的结合活性受其是否与磷酸结合的共价调节（因子Ⅲ有结合活性，它与乳糖透性酶结合抑制其活性，Ⅲ-P则无此结合活性）。-P-P-P-P外外内内LacLac第66页/共121页

中心代谢途径运行（分解代谢）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。（3）中心代谢途径的酶活性的调节第67页/共121页变构酶名称抑制剂激活剂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丙酮酸脱氢酶（PDH）NADH,AcCoAPEP,AMP,GDP柠檬酸合成酶（CS）NADH,α-KG,ATP

苹果酸脱氢酶（MD）NADH

大肠杆菌中涉及中心代谢途径的一些变构酶

及它们对应的抑制剂和激活物第68页/共121页

a变构酶对合成代谢途径的调节

b共价调节酶对合成代谢途径的调节

c同工酶对合成代谢途径的调节

d多功能酶对合成代谢的调节

（4）合成代谢途径的酶活性的调节第69页/共121页

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。a.变构酶对合成代谢途径的调节第70页/共121页

共价调节酶因以不同存在方式存在时的酶活力不同（有时对效应物的敏感性也不同）。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。b.共价调节酶对合成代谢途径的调节第71页/共121页

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。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。c.同工酶对合成代谢途径的调节第72页/共121页

在用多功能酶调节的代谢途径中，若一个分支途径的终产物过量时，可以同时使共同途径的第一个酶和分支途径的第一个酶受到调节，使代谢物流转向另一个分支途径。因此多功能酶比一般的同工酶具更有效更灵活的调节作用。d.多功能酶对合成代谢的调节第73页/共121页

化能异养型微生物依靠分解代谢将糖降解，在糖的分解代谢途径中没有固定不变的或者可以称为终产物的代谢产物，因此，似乎谈不上有反馈调节的机制。然而，降解代谢确实受到了反馈调节。那么什么是糖分代谢的可以被看作效应物的“终产物”呢?有人把ATP视为糖分解代谢的“终产物”，这样就可以以反馈抑制的机制来解释ATP过量时对糖的分解代谢途径的抑制，以及当ATP分解为ADP或AMP时上述反馈抑制被解除的现象。（5）能荷调节第74页/共121页

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的腺苷酸库(包含AMP、ADP、ATP)基本稳定；但是，细胞或线粒体内ATP、ADP、AMP分子数的比例则随着细胞的代谢生理状态而变化。ATP、ADP、AMP分子数的比例反映了细胞的能量状态，因为ATP和ADP是高能磷酸的载体。第75页/共121页

为了衡量细胞的能量状态，Atkinson设定了一个能表示细胞能量状态的参数，并把这个参数叫做能荷(EnergyCharge)。

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能荷可由实验所测得的腺苷酸的量推算，其值在0(表示全是AMP)～1(表示全是ATP)的范围内变化。

实际上对细菌而言，能荷值的范围为0.87～0.95，不会随比生长速率的变化而发生明显的变化。通常，高水平的能荷抑制用于代谢能补充的酶的活性，激活利用ATP的途径的酶(如生物合成途径的酶)，反之亦然。第77页/共121页（6）

还原负荷的调节

嘧啶核苷酸NAD(P)+担当还原力的载体。NAD主要在供给途径(fuelingpathway)的氧化还原反应中起作用，NADP+

通常用于生物合成反应。在供给反应中，NAD+是反应物，而生物合成途径中则要用NADPH。第78页/共121页

不同氧化还原状态下的氧化还原反应途径，受到“还原负荷”的调节。氧化还原状态可由下列氧化还原指数来描述：异化还原负荷:（CRC）=CNADH/(CNADH+CNAD+

)同化还原负荷:（ARC）=CNADPH/(CNADPH+CNADP+

)第79页/共121页

在生理条件下，存在于细胞内的大多数NAD以氧化态的形式(NAD+)出现，而NADP以还原态的形式(NADPH)出现。细胞的氧化还原状态指数处于一定的范围之内。异化还原负荷的数值范围大约0.03～0.07，同化还原负荷的数值范围大约要比它大10倍。第80页/共121页

这两种辅酶也可借助于烟酰胺核苷酸转氢酶的作用互相转换，这个酶按下列反应式催化NAD+和NADP+之间的电子和氢离子的转换：NADP++NADH2

NADPH2+NAD+第81页/共121页1.4酶在不同空间的分布的调节叶绿体过氧化物酶体次级溶酶体丙糖磷酸线粒体乙醛酸循环体第82页/共121页

整个细胞水平的调节又称全局性调节(globalcontrol)，主要包括SOS响应系统（可诱导的复修系统）、热刺激响应、需氧-厌氧激励子控制、紧缩控制(stringentcontrol)，此外还有氮同化和氮固定的调节、受磷酸盐饥饿控制的激励子的调节，以及Lon蛋白酶（即蛋白质分解的控制）的调节等。1.5整个细胞水平上的调节

（全局性调节）第83页/共121页1.5.1SOS调节子(SOS-可诱导的复修响应)

调节子(regulon)，这个术语一般用来描述在同样生理条件或压迫下，受协同调节的一组不连续的基因。在同一个调节子中的基因组受到一个共同的调节蛋白的同样的控制。就如下面就要提及的SOS调节子中的基因组受到一个共同的调节蛋白LexA阻遏蛋白的同样的控制。第84页/共121页

如果将大肠杆菌暴露在损坏DNA或干扰DNA复制的环境条件下，细胞将增加SOS调节网络（可诱导复修体系）成员的基因的表达，也就是几种用于DNA损伤的修复的酶被诱导合成。这个复修体系巧妙地影响DNA损伤的复修，最终决定究竟产生不产生可遗传的突变。其机制如下图所示：第85页/共121页第86页/共121页

SOS体系处于recA和lexA基因的协调控制之下。在未经诱导的细胞中，lexA基因的产物LexA对许多不直接相联的基因，包括recA和lexA，起阻遏作用。这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状态下，也有明显的表达。RecA蛋白质与它共存的酶(即synaptase)一起，也具有蛋白酶的活力。RecA蛋白酶的活力能被在DNA损坏时产生的某些诱导性信号物可逆地激活。

第87页/共121页RecA蛋白酶能在肽链的Ala-Gly处把LexA阻遏蛋白裂解成两个LexA片段；当细胞中LexA阻遏蛋白因裂解而减少时，SOS基因们的表达增加。与LexA阻遏蛋白结合较弱的操纵基因所在的操纵子上的基因(recA和lexA)首先被诱导表达。从诱导处理恢复的过程中，细胞中RecA蛋白质分子回复到它们的没有水解蛋白质的能力的原始状态，这就容许LexA阻遏蛋白在细胞累积，从而阻遏SOS基因系列的表达。第88页/共121页

紫外光辐射引起的生理学响应之一是菌体伸长呈丝状或停止分裂。控制细胞分裂的调节系统是以sulA基因产物SulA为中心的。如前图所示，基因sulA的表达受LexA蛋白的阻遏，诱变发生后，当LexA蛋白质被RecA蛋白酶裂解，SulA蛋白得以合成并结合到ftsZ基因的产物FtsZ上去抑制其活力。FtsZ通常在细胞分裂过程中起作用。当有SulA蛋白产生时，FtsZ受抑制，细胞分裂就不会发生，结果形成长长的丝状细胞；当细胞从辐射中恢复，lon基因的产物，一种降解异常蛋白的蛋白酶，将降解SulA蛋白质，从而恢复细胞分裂过程。第89页/共121页

SOS诱导的最主要的遗传响应是突变的产生。已经确定umuD和umuC两个基因是或至少部分是引起突变的原因。如前图所示，这两个基因处于同一个操纵子上，并且也受到LexA蛋白的控制。UmuD和UmuC蛋白对于SOS过程和突变产生是必需的，因为在它们之中的任何一个位点发生突变，都会导致不可突变的表型。当其他的SOS功能在umuC突变株中被诱导，突变率并不增加。发生突变的机制涉及到一个改变了的或新的不具备合格验证阅读性质的多聚酶。因此，SOS过程需要不同的多聚酶的参与，或者既需要PolI﹡需要UmuCD的参与。第90页/共121页

应该强调的是许多发生在诱变处理后的突变是易出错的依赖recA+的SOS复修体系造成的。例如：因SOS诱导而合成的已改变了的多聚酶用于复制时，可以通过DNA链上嘧啶二聚体的区段，而嵌入相对于该二聚体对应位置的碱基却是任选的，这就创造了发生诱变的好机会，因为嵌入不合适的碱基就意味着出错和突变发生。第91页/共121页1.5.2热刺激响应(heatshockresponse)

大肠杆菌会因培养温度的突然提高而使一系列热刺激蛋白的合成速率迅速上升。在大肠杆菌中已鉴定了17种热刺激蛋白。对于热刺激响应的一种解释是：在温度升高时，RNA多聚酶的一种σ亚单位(σ-32)合成，或者它的活力增加，进而引起更多的热刺激蛋白的合成。在几分钟内热刺激响应到达顶峰。几分钟后，热刺激蛋白的合成速度迅速下降，然后在较高的温度下下降而达到一个新的稳态的水平。

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多种环境因子均能引发热刺激响应，如乙醇、紫外幅射和DNA旋转酶的抑制剂。这些因子均通过σ-32起诱发作用。加热能使DNA的单股或双股链断裂，并且可能影响超螺旋结构。乙醇因破坏细胞膜，使细胞内部的离子环境发生改变，从而影响DNA的结构。

已发现有一个与这个总网络的信号表达有关的潜在的警报子，这就是二腺苷-5′,5″-P1,P4-四磷酸(AppppA)。第93页/共121页1.5.3有氧及无氧激励子

(aerobic-anaerobicstimulons)

兼性微生物，如大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌，在有氧和厌氧条件下能改变它们的代谢，以调节生长。有氧和厌氧代谢之间的转变伴随着电子流动速率、路线和收获代谢能的效率的改变。因此，存在这样一个呼吸控制体系，在这个体系中，氧化还原电位较“负”的电子转移体系受氧化还原电位较“正”的终端氧化剂（在能量上更有利）的制约。例如，在有延胡索酸存在时，乙醇脱氢酶受到阻遏；在有硝酸盐存在时延胡索酸还原酶受到阻遏；在有氧存在时，硝酸盐还原酶受到阻遏。第94页/共121页氧化剂还原剂第95页/共121页基质膜内空间第96页/共121页

大肠杆菌的许多厌氧酶的合成受一种调节蛋白的调控，这种调节蛋白就是由fnr基因（formate-nitrateregulationgene,甲酸盐-硝酸盐调节基因）编码Fnr蛋白，它包含一个结合Fe2+的氧敏感中心，因此能辨别有氧和无氧条件。Fnr蛋白已被确认是某几个受厌氧条件控制的基因的正调节物，推测其作用方式类似于营养阻遏中的环腺苷酸受体蛋白（CAP），Fnr蛋白和CAP都属于调整子（modulon）的多效性调节蛋白。调整子是指在一个多效性调节蛋白的控制下的多个操纵子和多组调节子。

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鼠伤寒沙门氏菌至少有两个调节位点用来控制无氧激励子不同部分(varioussubsets)。也有证据认为DNA超螺旋结构可能在控制需氧与无氧表达中起作用。鼠伤寒沙门氏菌的严格需氧和严格厌氧的突变株分别缺失DNA旋转酶和局部异构酶I。从这个研究引出的理论认为，细菌在对氧做出响应时，其“染色体”DNA的超螺旋结构发生改变，从而使某些启动子更易接近，或者使某些启动子被隔离。显然，为获得“受氧调节的基因表达”的完整概念，还有必要做许多研究工作。第98页/共121页1.5.4紧缩响应(stringentresponse)

紧缩响应（stringentresponse）是指细菌细胞的这样一种响应：当氨基酸缺乏时，细菌中rRNA和tRNA的合成随即受到抑制，从而避免核糖体（以氨基酸为原料的翻译机器）的不必要的生成。这是一种自我保护和生存保障的机制。

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对于迅速生长中的细胞而言，其代谢能有相当部分用于核糖体合成。因此，在氨基酸饥饿条件下，阻碍核糖体的合成是厉行节约、自我保护和生存保障的有力措施。引起紧缩响应的条件，对与核糖体的合成有关的成分，如rRNA、tRNA和对应于核糖体蛋白的mRNA的合成，发生专一性的抑制作用，从而导致核糖体合成速率的突然下降。第100页/共121页

当培养基中氨基酸缺乏时，空载的tRNA浓度上升。空载的tRNA分子与核糖体的结合触发了ppGpp的合成。在核糖体上，结合在核糖体的焦磷酸转移酶，即relA基因的产物紧缩因子RelA，催化从GTP（或GDP）和ATP生成ppGpp的反应。从早期对ppGpp在紧缩控制中的作用的研究结果推测，在细胞内ppGpp可能影响蛋白质合成中需要GTP的反应，如起始反应和伸长反应。

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紧缩响应的一个主要结果是降低稳定的RNA累积的速率，这是与细胞中ppGpp浓度上升有密切关系的一种响应。某些研究使人联想RNA聚合酶是ppGpp作用的目标，并且在紧缩响应时被调节的是转录本身。转录的开始和暂停被假定为ppGpp作用的主要目标。这样，ppGpp将减小RNA多聚酶对rRNA基因所在的操纵子的启动基因的亲合力，这显然就会降低可用来合成核糖体的rRNA的总量，进而影响到核糖体蛋白的合成。第102页/共121页

结合前面已讨论过的反馈抑制、反馈阻遏或弱化机制，可以认为细菌细胞有如下调节：当胞内氨基酸浓度较高时，氨基酸合成受阻(反馈抑制、反馈阻遏和弱化)或部分受阻。这时，rRNA合成核糖体的水平（浓度）正常，翻译可以正常进行。

当氨基酸缺乏时，rRNA合成受阻，核糖体水平（浓度）降低，翻译受影响，蛋白质合成速度下降，ATP的使用量（每加上一分子氨基酸使用4分子ATP）下降，细胞代谢自动进入细胞经济紧缩状态。第103页/共121页

胞内任何氨基酸的缺乏均可能导致从GTP产生ppGpp，这个胞内效应物会对细胞活动重新定向，以补偿氨基酸的不足。ppGpp除了抑制rRNA、tRNA合成外、还抑制脂肪酸、脂肪、核苷酸、肽聚糖、碳水化合物和多胺等的合成；另一方面，促进氨基酸合成途径的操纵子的转录、激活蛋白酶，以产生氨基酸。因此紧缩响应在总体上提高了细胞在氨基酸和能量供应受到限制时的存活能力，一旦条件得到改善时，细胞代谢将迅速恢复正常，并重新引发生长。第104页/共121页1.6信息传导的响应(胰高血糖素)转导物效应物腺苷酸环化酶细胞质剌激响应抑制响应茶碱咖啡因靶子蛋白的磷酸化剌激激素第105页/共121页

2.1膜脂质分子结构与膜流动性的关系

2.2恒粘适应现象

2.3膜蛋白质的活性和合成的调节

2微生物膜的自动调节第106页/共121页质膜磷脂双层糖脂碳水化合物侧链疏水区内膜蛋白胞质糖蛋白膜周边蛋白糖蛋白碳水化合物侧链亲水区第107页/共121页内质网核膜高尔基体溶酶体固定核糖体吞噬细胞胞饮第108页/共121页

微生物适应