微生物代谢的自动调节
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 2
为了向学生说明笔者的观
点，本讲座也编入了一些引自
别人的图表，这些图表已标上
“引进”字样，以有别于笔者
自己的图表，特此说明。
笔者对引进这些图表的作
者们深表谢意。
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微生物代谢的自动调节
1.微生物酶的自动调节
2.微生物的膜的自动调节
3.调节酶与非酶变构蛋白在
自动调节中的作用 (讨论 )
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 4
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
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酶的
分类
引
进
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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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 7
1.1 转录水平上的调节
引
进
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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
引
进
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① 酶的诱导的机制
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引
进
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引
进
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②营养阻遏 (nutritional repression)
机制
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? PEP EnzymeⅠ P-HPr III
? Pyruvate P- Ⅰ HPr P-III
Glc
G-6-P
LacLac
C-AMP胞内
细胞质膜
葡萄糖对乳糖的营养阻遏
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引
进
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前导序列反馈阻遏：
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)
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 17引进
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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)
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 19引进
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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)
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 21引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 22引进
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1.2 翻译水平上的调节
引
进
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（ 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
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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 16S
rRNA 和 50S 亚基中的 23S rRNA和 5S
rRNA ) 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：
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32
22
引
进
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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（如 L10,L7） 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（ translational repressor） 。
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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（如 L10,L7） 逐一地
结合到 16S rRNA或 23S rRNA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 16S rRNA
或 23S rRNA 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
译速度。
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（ 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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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。
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大肠杆菌中异常蛋白的降解途径
Lon 蛋白酶只认辨
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 32
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 33
Supply-demand analysis
shows that what were thought
to be `rate-limiting' steps
catalyzed by allosteric
enzymes actually have nothing
to do with flux control,but
are responsible for the
homeostasis of metabolites.
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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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 35
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 36
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
(I D)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）
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 37
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 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 (可用于葡萄糖异生成方向 )的形成 。
I D I D-P4
激酶
磷酸酯酶
4 ATP
4 H2O （没有活性）（有活性）
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 38引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 39
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 )。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 40
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
Lac
Lac
-P
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 41
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
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：
变构酶名称 抑制剂 激活剂
ADP-Glc焦磷酸化酶 AMP PYR,F-6-P,FDP
果糖二磷酸酯酶 AMP -
磷酸果糖激酶 （ PFK） PEP ADP,GDP
丙酮酸激酶 （ PK） FDP
PEP羧化酶 （ PEPC） Asp,MLA AcCoA,FDP,GTP,
GDP
丙酮酸脱氢酶 （ PDH） NADH,AcCoA PEP,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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 43
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 44
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：
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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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 46
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 47
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 48
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 49
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 50
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 (Energy Charge)。
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? 2
1012
A M PA D PA T P
A M PA D PA T PEC
??
???
? ? ? ?
? ? ? ? ? ? 2
112
A M PA D PA T P
A D PA T PEC
??
??
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 51
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 52
（ 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 ( fueling pathway) 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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 53
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+ )
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 54
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 55
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+
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 56
1.4 酶在不同空间的分布的调节
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 57
整个细胞水平的调节又称全局性
调节 （ global control）, 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 （ stringent control）, 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）
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 58
1.5.1 SOS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
节子中的基因们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
调节子中的基因们受到一个共同的调节蛋
白 Lex A 阻遏蛋白 的同样的控制。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 59
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 60引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 61
SOS体系处于 rec A和 1ex A基因的协调控
制之下。在未经诱导的细胞中,lex A 基因的
产物 Lex A对许多不直接相联的基因，包括
rec A和 lex A,起阻遏作用。这些基因中的某
些基因，如 rec A和 1ex A,即使在 阻遏蛋白
Lex A 控制之下其它基因受阻遏的状态下，
也有明显的表达。 Rec A 蛋白质 与它共存的
酶 （ 即 synaptase） 一起，也具有蛋白酶的活
力。 Rec A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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 62
Rec A 蛋白酶能在肽链的 Ala-Gly处把 Lex
A阻遏蛋白裂解成两个 Lex A 片段； 当细胞
中 Lex A 阻遏蛋白因裂解而减少时,SOS 基
因们的表达增加。 与 Lex A 阻遏蛋白结合较弱
的操纵基因所在的操纵子上的基因（ rec A和
lex A ）首先被诱导表达。 从诱导处理恢复的
过程中，细胞中 Rec A 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 Lex A阻遏蛋白在细胞累积，从而阻遏
SOS基因系列的表达。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 63
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 sul A 基因产物 Sul A为中心的。 如前
图所示，基因 sul A 的表达受 Lex A蛋白的阻遏，
诱变发生后，当 Lex A 蛋白质被 Rec A 蛋白酶
裂解,Sul A 蛋白得以合成并结合到 fts Z 基因
的产物 Fts Z 上去抑制其活力。 FtsZ 通常在细
胞分裂过程中起作用。当有 Sul A 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 Sul A蛋白质，从而恢复细胞分裂过程。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 64
SOS 诱导的最主要的遗传响应是突变的产
生。已经确定 umu D 和 umu C 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
Lex A 蛋白的控制。 Umu D和 Umu C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 umu C 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 Pol I﹡ 又需
要 Umu CD的参与。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 65
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 rec A+ 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 66
1.5.2 热刺激响应 (heat shock response)
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 67
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)。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 68
1.5.3 有氧及无氧激励子 (aerobic-anaerobic
stimulons)
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 69
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 70引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 71
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-nitrate regulation gene ） 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 72
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 (various subsets)。 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 73
1.5.4 紧缩响应 (stringent response)
紧缩响应（ stringent response） 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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 74
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 75
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 rel A 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 76
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 77
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 78
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 79
1.6 信息传导的响应
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 80
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 81引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 82
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 83
微生物适应环境的手段无疑包括改
变膜的组成 。 膜脂质是膜的基本组成成
分, 只有当膜脂质处于液晶状态时, 膜
才有可能表现活性 。 而液晶状态的促成
除了外界温度条件外, 主要取决于膜脂
质组成成分及其分子结构 。 膜脂质的组
成成分及其分子结构在一定温度范围内
的自动调节能力是由微生物菌种的遗传
性能决定的 。
2.1 膜脂质分子结构与膜流动性的
关系
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 84
如果构成膜脂质双分子层的磷脂分
子的脂酰基 完全是直链饱和脂酰基的话,
由于脂酰基之间的位阻效应，脂质分子
能够紧密地排列，其结果是膜脂质双分
子层具有相对高的相变温度，脂肪酸的
熔点和膜脂质双分子层的 相变温度直接
取决于饱和脂肪酸 (酰 )链的长度 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 85
有一个双键的单不饱和脂的熔点
要比它的饱和形式要低,同样道理前
者对应的脂质双分子层的相变温度也
明显地低于后者对应的脂质双分子层
的相变温度。这是因为双键使脂肪酸
链发生转折，从而限制了磷脂分子的
互相靠近。单不饱和脂还有顺式与反
式之分，膜中经常出现的是 顺式 单不
饱和脂，这种 不饱和脂的熔点更低 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 86
尽管膜脂质中脂肪酰基的结构与
在特定温度下膜脂质的状态密切相关,
但必须强调, 其它一些因素, 包括磷
脂分子极性端的基团不同, 蛋白质与
脂质的相互作用, 以及阳离子与脂质
的相互作用等也是决定膜的流动性的
重要因素, 这些因素与环境密切相关 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 87
已经发现嗜温微生物是 通过
改变膜脂质的脂肪酰基来响应环
境温度的变化的，这种改变可以
使得膜的流动性在新的温度下保
持恒定，这种现象叫做恒粘适应
（ homeoviscous） 现象。
2.2 恒粘适应现象
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 88
根据前面讨论的脂质的几何构型
知识，可以期望，增加脂肪酰链的平
均长度，将前异式转化为异式，降低
不饱和链与饱和链之比，均可以提高
脂质的相变温度。事实也确实如此，
许多种微生物在环境温度上升时就会
发生如上一种或几种转变；当环境温
度下降时，嗜温微生物的膜的脂质的
成分就会发生相反方向的转变（相变
温度下降）。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 89
异式和前异式 (anteiso-),究竟是属于
哪一种类型，取决于甲基分支的位置。分
支的位置明显地影响脂质的流动性质，但
前异式结构对于磷脂分子的整齐排列干扰
较之异式结构更大。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 90
因此，恒粘适应是这样一种
机制，有了它，当温度变化时，
微生物能避免膜脂质的过分的刚
性化或过分的流动化。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 91
有证据说明，这种适应性是由两个因素
促成的：一是在磷脂合成水平上 酰基转移酶
们的专一性随温度的变化而变化；二是 脂肪
酸合成酶 体系的活力的改变。除了温度以外，
能影响膜脂质流动性的其它环境因子，如压
力也能触发恒粘适应。如果微生物没有这种
自动调节机制，当温度上升时，膜脂质双分
子层的分子排列的混乱程度随之增加，从而
导致膜的渗漏，最终可能导致渗透屏障的破
裂。当温度下降时，膜因脂质逐渐刚化而失
去活性。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 92
膜脂质双分子层是离子和大多数极
性分子的通透性屏障，它与膜蛋白互相
补充，体现膜对化学物质和代谢中间产
物的选择性通过性。在发酵工业上，已
采取了一些措施 ( 包括菌种选育和发酵
工艺控制的措施 ),对微生物细胞的膜
脂质的组成进行调节，并已取得成效。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 93
除了被动扩散以外，化学物质跨膜需
依赖载体蛋白、酶和代谢能，因此可以认
为膜蛋白参与经膜实现的极大多数动态过
程。膜脂质双分子层是离子和大多数极性
分子的通透性屏障，它与膜蛋白一起组成
膜，形成空间分隔；而膜蛋白则具备独特
的运输、能量转换、催化等功能，膜脂质
又为这样的膜蛋白提供合适的发挥功能的
场所。
2.3 膜蛋白质的活性和合成的调节
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 94
膜有各种各样功能性蛋白质, 包括
起输送作用的载体蛋白, 与输送或与合
成有关的蛋白质或酶, 电子传递链成员
(指带辅基的多肽 ),还有其它各种功能
的蛋白质及膜上功能尚不清楚的功能性
蛋白质 。 蛋白质的调节前面已有讨论 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 95
抓住 蛋白质的空间构型 及 与之匹配
的效应物的空间结构 的关系进行讨论。
酶的活性部位与底物，变构酶的调
节部位与效应物，跟诱导型操纵子配套
的阻遏蛋白与诱导物，跟阻遏型操纵子
配套的原阻遏物与阻遏物，专性的载体
蛋白与被输送物，抗体与抗原,……
3,调节酶与非酶变构蛋白在自
动调节中的作用 (讨论 )
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 2
为了向学生说明笔者的观
点，本讲座也编入了一些引自
别人的图表，这些图表已标上
“引进”字样，以有别于笔者
自己的图表，特此说明。
笔者对引进这些图表的作
者们深表谢意。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 3
微生物代谢的自动调节
1.微生物酶的自动调节
2.微生物的膜的自动调节
3.调节酶与非酶变构蛋白在
自动调节中的作用 (讨论 )
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 4
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 5
酶的
分类
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 6
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 7
1.1 转录水平上的调节
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 8
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
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 9
① 酶的诱导的机制
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 10
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 11引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 12
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 13
②营养阻遏 (nutritional repression)
机制
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 14
? PEP EnzymeⅠ P-HPr III
? Pyruvate P- Ⅰ HPr P-III
Glc
G-6-P
LacLac
C-AMP胞内
细胞质膜
葡萄糖对乳糖的营养阻遏
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 15
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 16
前导序列反馈阻遏：
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)
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 17引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 18
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)
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 19引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 20
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)
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 21引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 22引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 23
1.2 翻译水平上的调节
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 24
（ 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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 25
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 16S
rRNA 和 50S 亚基中的 23S rRNA和 5S
rRNA ) 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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 26
32
22
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 27
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（如 L10,L7） 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（ translational repressor） 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 28
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（如 L10,L7） 逐一地
结合到 16S rRNA或 23S rRNA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 16S rRNA
或 23S rRNA 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
译速度。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 29
（ 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 30
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 31
大肠杆菌中异常蛋白的降解途径
Lon 蛋白酶只认辨
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 32
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 33
Supply-demand analysis
shows that what were thought
to be `rate-limiting' steps
catalyzed by allosteric
enzymes actually have nothing
to do with flux control,but
are responsible for the
homeostasis of metabolites.
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 34
※ 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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 35
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 36
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
(I D)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）
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 37
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 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 (可用于葡萄糖异生成方向 )的形成 。
I D I D-P4
激酶
磷酸酯酶
4 ATP
4 H2O （没有活性）（有活性）
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 38引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 39
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 )。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 40
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
Lac
Lac
-P
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 41
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 42
：
变构酶名称 抑制剂 激活剂
ADP-Glc焦磷酸化酶 AMP PYR,F-6-P,FDP
果糖二磷酸酯酶 AMP -
磷酸果糖激酶 （ PFK） PEP ADP,GDP
丙酮酸激酶 （ PK） FDP
PEP羧化酶 （ PEPC） Asp,MLA AcCoA,FDP,GTP,
GDP
丙酮酸脱氢酶 （ PDH） NADH,AcCoA PEP,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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 43
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 44
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 45
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 46
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 47
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 48
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 49
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 50
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 (Energy Charge)。
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? 2
1012
A M PA D PA T P
A M PA D PA T PEC
??
???
? ? ? ?
? ? ? ? ? ? 2
112
A M PA D PA T P
A D PA T PEC
??
??
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 51
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 52
（ 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 ( fueling pathway) 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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 53
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+ )
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 54
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 55
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+
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 56
1.4 酶在不同空间的分布的调节
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 57
整个细胞水平的调节又称全局性
调节 （ global control）, 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 （ stringent control）, 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）
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 58
1.5.1 SOS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
节子中的基因们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
调节子中的基因们受到一个共同的调节蛋
白 Lex A 阻遏蛋白 的同样的控制。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 59
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：
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 60引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 61
SOS体系处于 rec A和 1ex A基因的协调控
制之下。在未经诱导的细胞中,lex A 基因的
产物 Lex A对许多不直接相联的基因，包括
rec A和 lex A,起阻遏作用。这些基因中的某
些基因，如 rec A和 1ex A,即使在 阻遏蛋白
Lex A 控制之下其它基因受阻遏的状态下，
也有明显的表达。 Rec A 蛋白质 与它共存的
酶 （ 即 synaptase） 一起，也具有蛋白酶的活
力。 Rec A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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 62
Rec A 蛋白酶能在肽链的 Ala-Gly处把 Lex
A阻遏蛋白裂解成两个 Lex A 片段； 当细胞
中 Lex A 阻遏蛋白因裂解而减少时,SOS 基
因们的表达增加。 与 Lex A 阻遏蛋白结合较弱
的操纵基因所在的操纵子上的基因（ rec A和
lex A ）首先被诱导表达。 从诱导处理恢复的
过程中，细胞中 Rec A 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 Lex A阻遏蛋白在细胞累积，从而阻遏
SOS基因系列的表达。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 63
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 sul A 基因产物 Sul A为中心的。 如前
图所示，基因 sul A 的表达受 Lex A蛋白的阻遏，
诱变发生后，当 Lex A 蛋白质被 Rec A 蛋白酶
裂解,Sul A 蛋白得以合成并结合到 fts Z 基因
的产物 Fts Z 上去抑制其活力。 FtsZ 通常在细
胞分裂过程中起作用。当有 Sul A 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 Sul A蛋白质，从而恢复细胞分裂过程。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 64
SOS 诱导的最主要的遗传响应是突变的产
生。已经确定 umu D 和 umu C 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
Lex A 蛋白的控制。 Umu D和 Umu C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 umu C 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 Pol I﹡ 又需
要 Umu CD的参与。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 65
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 rec A+ 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 66
1.5.2 热刺激响应 (heat shock response)
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 67
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)。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 68
1.5.3 有氧及无氧激励子 (aerobic-anaerobic
stimulons)
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 69
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 70引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 71
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-nitrate regulation gene ） 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 72
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 (various subsets)。 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 73
1.5.4 紧缩响应 (stringent response)
紧缩响应（ stringent response） 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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 74
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 75
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 rel A 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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 76
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 77
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 78
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 79
1.6 信息传导的响应
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 80
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
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 81引进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 82
引
进
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 83
微生物适应环境的手段无疑包括改
变膜的组成 。 膜脂质是膜的基本组成成
分, 只有当膜脂质处于液晶状态时, 膜
才有可能表现活性 。 而液晶状态的促成
除了外界温度条件外, 主要取决于膜脂
质组成成分及其分子结构 。 膜脂质的组
成成分及其分子结构在一定温度范围内
的自动调节能力是由微生物菌种的遗传
性能决定的 。
2.1 膜脂质分子结构与膜流动性的
关系
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 84
如果构成膜脂质双分子层的磷脂分
子的脂酰基 完全是直链饱和脂酰基的话,
由于脂酰基之间的位阻效应，脂质分子
能够紧密地排列，其结果是膜脂质双分
子层具有相对高的相变温度，脂肪酸的
熔点和膜脂质双分子层的 相变温度直接
取决于饱和脂肪酸 (酰 )链的长度 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 85
有一个双键的单不饱和脂的熔点
要比它的饱和形式要低,同样道理前
者对应的脂质双分子层的相变温度也
明显地低于后者对应的脂质双分子层
的相变温度。这是因为双键使脂肪酸
链发生转折，从而限制了磷脂分子的
互相靠近。单不饱和脂还有顺式与反
式之分，膜中经常出现的是 顺式 单不
饱和脂，这种 不饱和脂的熔点更低 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 86
尽管膜脂质中脂肪酰基的结构与
在特定温度下膜脂质的状态密切相关,
但必须强调, 其它一些因素, 包括磷
脂分子极性端的基团不同, 蛋白质与
脂质的相互作用, 以及阳离子与脂质
的相互作用等也是决定膜的流动性的
重要因素, 这些因素与环境密切相关 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 87
已经发现嗜温微生物是 通过
改变膜脂质的脂肪酰基来响应环
境温度的变化的，这种改变可以
使得膜的流动性在新的温度下保
持恒定，这种现象叫做恒粘适应
（ homeoviscous） 现象。
2.2 恒粘适应现象
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 88
根据前面讨论的脂质的几何构型
知识，可以期望，增加脂肪酰链的平
均长度，将前异式转化为异式，降低
不饱和链与饱和链之比，均可以提高
脂质的相变温度。事实也确实如此，
许多种微生物在环境温度上升时就会
发生如上一种或几种转变；当环境温
度下降时，嗜温微生物的膜的脂质的
成分就会发生相反方向的转变（相变
温度下降）。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 89
异式和前异式 (anteiso-),究竟是属于
哪一种类型，取决于甲基分支的位置。分
支的位置明显地影响脂质的流动性质，但
前异式结构对于磷脂分子的整齐排列干扰
较之异式结构更大。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 90
因此，恒粘适应是这样一种
机制，有了它，当温度变化时，
微生物能避免膜脂质的过分的刚
性化或过分的流动化。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 91
有证据说明，这种适应性是由两个因素
促成的：一是在磷脂合成水平上 酰基转移酶
们的专一性随温度的变化而变化；二是 脂肪
酸合成酶 体系的活力的改变。除了温度以外，
能影响膜脂质流动性的其它环境因子，如压
力也能触发恒粘适应。如果微生物没有这种
自动调节机制，当温度上升时，膜脂质双分
子层的分子排列的混乱程度随之增加，从而
导致膜的渗漏，最终可能导致渗透屏障的破
裂。当温度下降时，膜因脂质逐渐刚化而失
去活性。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 92
膜脂质双分子层是离子和大多数极
性分子的通透性屏障，它与膜蛋白互相
补充，体现膜对化学物质和代谢中间产
物的选择性通过性。在发酵工业上，已
采取了一些措施 ( 包括菌种选育和发酵
工艺控制的措施 ),对微生物细胞的膜
脂质的组成进行调节，并已取得成效。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 93
除了被动扩散以外，化学物质跨膜需
依赖载体蛋白、酶和代谢能，因此可以认
为膜蛋白参与经膜实现的极大多数动态过
程。膜脂质双分子层是离子和大多数极性
分子的通透性屏障，它与膜蛋白一起组成
膜，形成空间分隔；而膜蛋白则具备独特
的运输、能量转换、催化等功能，膜脂质
又为这样的膜蛋白提供合适的发挥功能的
场所。
2.3 膜蛋白质的活性和合成的调节
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 94
膜有各种各样功能性蛋白质, 包括
起输送作用的载体蛋白, 与输送或与合
成有关的蛋白质或酶, 电子传递链成员
(指带辅基的多肽 ),还有其它各种功能
的蛋白质及膜上功能尚不清楚的功能性
蛋白质 。 蛋白质的调节前面已有讨论 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 95
抓住 蛋白质的空间构型 及 与之匹配
的效应物的空间结构 的关系进行讨论。
酶的活性部位与底物，变构酶的调
节部位与效应物，跟诱导型操纵子配套
的阻遏蛋白与诱导物，跟阻遏型操纵子
配套的原阻遏物与阻遏物，专性的载体
蛋白与被输送物，抗体与抗原,……
3,调节酶与非酶变构蛋白在自
动调节中的作用 (讨论 )
