2010-5-16 张星元：发酵原理 1
第四章 发酵学第三假说
细胞经济假说
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
本章提示：
1.早就有人把实业公司看作为市场经济体系中
的一个细胞，那么是否能把微生物细胞看作为
它所处的生态环境中的一个经济实体 呢？
2.假定经过千千万万年的物竞天择而幸存下来
的微生物，其 细胞代谢规律（细胞经济管理原
则） 是不以人的主观意志为转移的，就像 市场
经济中价值规律 那样起作用，微生物在漫长的
进化的过程中 已将细胞经济规律写入了 DNA。
3.如果把微生物细胞的代谢看作经济运行的话,
这个细胞经济规律实际上是微生物细胞 自主经
济的保障 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
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
天择的基础上形成的 细胞经济体
系 。细胞经济体系是微生物细胞
生存的保障体系,它为细胞的 适
应性, 经济性 和 代谢的持续性 提
供保障。
细 胞 经 济 假 说
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
19世纪中叶出现了三个智慧成果。
德国物理学家 克劳修斯（ Clausius）
发现的热力学第二定律（ 1850年）指出，
热不可能自发地由低温物体传向高温物
体。 也就是说，热力学系统的自发过程
的总是向熵增加的方向（即有序性程度
减少、无序程度增加的方向）发展。
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
英国生物学家 达尔文（ Darwin ）
1859 年出版了,物种起源,一书，
提出了生物系统由简单到复杂、由低
级到高级的进化趋向。
马克思 通过对生产力和生产关系、
以及经济基础和上层建筑的关系的历
史考察,出版了, 资本论,第一卷
（ 1867年）,完成《资本论,1-3 卷
的草稿，揭示了人类社会发展的方向。
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
热力学系统比之于生命系统、社会
系统，似乎遵循着两种不同的自然规律，
有着两种不同的趋向。并且，热力学第
二定律无法说明系统由无序到有序、由
低级的有序到高级的有序的演化和发展
的趋向；也无法解释混沌的自然界怎么
能演化、发展成为, 自组织, 的生命
系统和社会系统。 经典的热力学理论对
自然界中大量“自组织”现象束手无策。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
一个世纪以后，比利时 普利高
津（ Prigogine） 于 1969年提出 耗散
结构理论 。耗散结构理论研究耗散
结构的形成机理，以及它的性质、
稳定条件和演变规律； 这个理论为
热力学系统与生命系统、社会系统
的运行规律的统一提供了理论根据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
所谓耗散结构是指一个远离平衡
状态的开放系统（力学的、物理的、
化学的、生物的，乃至社会的经济系
统）。耗散结构与外界不断地进行物
质和能量交换，当外界条件的变化达
到一定的阈值时，可以从原有的无序
或低序的混乱状态，转变为一种在时
间、空间上或功能上的有序状态。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
耗散结构只能产生并存在于
开放系统中，只能依靠与外界进
行物质和能量的交换来维持其生
命力。,耗散结构”这一术语就
是用来表示系统的这种 物质交换
和能量耗散的特征 的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
在物竞天择的基础上形成的
微生物代谢体系，是保障微生物
细胞生存的细胞经济体系。 细胞
经济体系运行的经济调度，以及
细胞对环境变化的积极响应，最
终都是由细胞的遗传物质规定的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
可把微生物细胞作为 按特殊经
济规律运行的经济实体 来看待。 本
章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,以求比
较圆满地处理 工业发酵目的 与 细胞
经济运行 之间的对立和统一关系，
从而能应顺自然规律，用好微生物
这个工具,为人类造福，为世界消
灾。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
第一节 细胞经济假设的微生物
学与分子生物学基础
第二节 微生物的细胞经济的运
行规律
第三节 代谢网络中碳架物质流
的调动
第四节 细胞经济假说与细胞经
济学
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
第一节 细胞经济假设的微生物
学与分子生物学基础
4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位
4.1.2 微生物酶（蛋白质）的自动调节
4.1.3 微生物膜的自动调节
4.1.4 微生物代谢途径的调节模式
4.1.5 信息传递与信息流
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
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
的自动调节最终借助于 酶 与 膜 来实现。
而微生物酶的结构与功能，膜的结构、
组成与功能，以及它们的自动调节机
制的信息都存在于 DNA中； 在不同的
环境条件下，微生物细胞对遗传信息
作选择性的表达，实现代谢的自动调
节，从而对环境做出适当的响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
微生物代谢是一种 集成的过程,这
个过程需要协调好无数酶或蛋白质的作
用，将环境中的主要营养同化成细胞组
成物质。这又是一种 节省的过程,也就
是说在正常情况下，细胞不会消耗能量
或营养去合成那些可以从环境中得到的
化合物，也不过量合成中间代谢物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
代谢的协调能保证在任何特定时刻、
特定的细胞空间，只合成必要的酶系（参
与代谢的多种酶）和刚够用的酶量。 一旦
特定物质的合成达到足够的量，与这些物
质合成有关的酶就不再合成了。并且，已
合成的酶的活力受到许多调节机制的控制，
以确保新陈代谢全面协调，主要是在反馈
信息的触发下发生的抑制、激活、阻遏、
诱导等基本调节机制。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
经济运行提供保证。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
在微生物代谢的自动调节过程中，
反馈信息的传递往往发生在蛋白质水
平上，这种传递是借助存在于细胞质
和细胞的 膜 结构中的 调节酶 和 非酶变
构蛋白 来实现的，因此有必要首先 从
酶和膜两方面入手，讨论微生物代谢
的自动调节 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
真核生物与原核生物的调节系统是有很
多不同的，这是它们不同“生活方式”的反
映。原核细胞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
可无限制的生长和分裂。 原核生物系统的调
节方向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 DNA连续接受来自
细胞质的调节信号；因此，蛋白质合成的开
关控制常是在转录水平上实现的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
真核生物通常是多细胞的（酵母、藻类
和原生动物除外）结构上更复杂的、较大的
生物。细胞分化尤其需要特定类型的调节，
因为不同组织的细胞有不同的需求。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
素在遗传水平进行调控的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
总的说来，遗传控制机制本质上
更适合于原核生物，允许它们迅速地
调节酶浓度以满足变化着的细胞要求。
本章讨论的有关代谢调节的内容主要
来自原核细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位
4.1.1.1 真核生物与原核生物的调
节系统的比较
4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节
部位
4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调
节部位
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
微生物的代谢调节是由微生物细
胞决定的，是通过微生物细胞本身来
实现的，环境条件的变化，必须通过
微生物细胞本身来影响微生物的代谢。
归根结蒂，微生物的代谢调节是发生
在微生物 细胞中的生物化学现象,是
对发生在微生物细胞内的生物化学过
程的调节，属于 微生物生理学问题 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
生理学与生物化学的区别在于，
生理学十分强调生物化学反应在活体
内发生的 部位,以及该生物化学 反应
发生前后活体生理状况的变化 。因此，
有必要研究 代谢调节主要在微生物细
胞的什么部位发生，发生什么样的调
节，以及调节的规律。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
4.1.1.1 真核生物与原核生物的调节系
统的比较
真核生物与原核生物的调节系统是
有很多不同的，这是它们不同, 生活
方式, 的反映。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面有区
别。
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节部位
图中,1,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； 3,酶和载体蛋白的合成
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
⑴与细胞质膜密切相关的调节
细胞质膜是溶质进出细胞的主要
屏障。营养物质主动或被动输送进入
细胞的过程，以及代谢产物（某种代
谢产物或能量代谢副产物）排出细胞
的过程，都要受到膜的组成、结构和
功能的影响。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
与膜密切相关的调节主要包括以
下 4个方面：① 膜的脂质 （磷脂及其
它脂类 ） 的分子结构,以及环境条
件（ 如离子强度、温度,pH等 ）对
膜脂质理化性质的影响； ② 膜蛋白
质 （ 如酶、载体蛋白、电子传递链
的成员及其它蛋白质 ） 的绝对数量
及其活性的调节；
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
③ 跨膜的电化学梯度 （膜的生理状
态）以及胞内 ATP,ADP,AMP库
和 Pi浓度对溶质输送的调节；④ 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（ 膜的物理
状态 ）对溶质的通透性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
⑵酶催化能力的调节
也就是细胞空间内存在的酶分子的数
量及其活性的调节。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，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。这种自动调
节包括两个方面：一是调节反应途径中的
酶水平（ 酶分子的浓度 ），特别是关键酶
合成或降解的相对速率，二是改变已存在
的 酶的活力,特别是关键酶的活力。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
⑶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，因此，在
细胞内似乎不存在酶与底物的相对位置影
响酶作用的问题。但实际上，在原核细胞
中有时也有这种形式的调控，比如当一个
酶反应系统以 多酶复合体 （ multienzyme
complex ） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调节部位
图中,1,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； 3,在核中进行的转录； 4,在细胞质中进行的翻译； 5，
不同细胞空间的溶质的跨膜输送 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
真核微生物细胞比原核生物细胞复杂
而多样化。最简单的真核微生物酵母细胞
就有典型的细胞核和一个或多个线粒体、
液泡等。在核膜外层与细胞质膜之间又有
内质网存在，由此可见,真核微生物细胞
内的空间被膜结构分隔成许多小室 。由于
这些小室的存在，真核微生物的代谢调节
要比原核生物复杂得多，就单个细胞相比
较，真核微生物细胞的代谢调节部位要比
原核生物细胞多得多。
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
真核微生物细胞同样存在前述原
核生物细胞的 3 个代谢调节部位。唯
有第三个调节部位，即酶与底物的相
对位置，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调节的重
要辅助手段。 其中，细胞质与线粒体
之间的分工协作，可从 表 4-2 得到反
映。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
起始底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
在真核微生物细胞中，这种酶（酶体
系）的区域化、酶与底物的分隔，使酶反
应的调节更加复杂化、多样化。酶反应系
列的总速度不仅决定于相邻两区域中的调
节酶、底物的浓度和调节酶的活性，而且
也决定于重要代谢中间物跨膜的交换速度。
因为这种跨膜交换要借助于载体（由 DNA
编码的蛋白质），所以，这些载体的绝对
数量及活性也会成为代谢调节的部位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
4.1.2 微生物酶（蛋白质）的自动调节
4.1.2.1 转录水平上的调节
4.1.2.2 翻译水平上的调节
4.1.2.3 蛋白质水平上的调节
4.1.2.4 整个细胞水平上的调节
(全局性调节 )
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
微生物的代谢主要是借助于酶与
膜来实现自动调节的。而微生物酶的
结构与功能，膜的结构、组成与功能，
以及它们的自动调节机制的信息都存
在于 DNA中； 在不同的环境条件下，
微生物细胞遵循细胞经济规律（代谢
自动调节规律），对其自身的遗传信
息作选择性的表达，对环境做出响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
值得注意的是，在物种不变（基
因组不变）的情况下，微生物通过自
我调节对其所处的环境作出响应，反
馈信息的传递在蛋白质水平上是通过
存在于 细胞质和膜中的调节酶及非酶
变构蛋白 来实现的，因此有必要从 酶
和 膜 两方面入手讨论微生物代谢的自
动调节。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
遗传控制机制本质上更适合于原
核生物，允许它们迅速地调节酶浓度
以满足变化着的细胞要求。 这里要以
原核生物为例，叙述通过酶实现的代
谢自动调节的机制。 对于指定的微生
物菌株（即遗传物质确定的情况下），
代谢自动调节表现在转录、翻译、蛋
白质和整个细胞等 4个不同的水平上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
4.1.2.1 转录水平上的调节
⑴酶的诱导的机制
⑵营养阻遏的机制
⑶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
⑷中心代谢途径的酶合成的调节
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
⑴酶的诱导 (induction)的机制
图 4-3诱导酶的诱导合成模型（负控制）
Ri,诱导酶的调节基因； P,启动子； O,操纵基因； S1,S2,S3,大肠杆菌乳糖
操纵子的 3个结构基因 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
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 聚合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
与操纵基因的结合活性，从操纵基因上脱落
下来,RNA聚合酶就可对结构基因进行转录，
诱导途径的酶系就被诱导合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
从而可以看出 诱导的本质就
是解阻遏 （诱导物解除了阻遏蛋
白对操纵基因的阻塞）。
值得注意的是,这种诱导物
与阻遏蛋白的结合是可逆的,结
合或解除结合取决于细胞内效应
物的浓度。正因为结合是可逆的，
所以 调节可以双向进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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，从而形成微生物对环境的适
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。微
生物有了诱导机制就能更好地适应环境的
变化，节约使用营养和代谢能，表现出 细
胞生命活动的适应性和经济性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
研究诱导模型也可以给人以启迪。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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
⑵营养阻遏 (nutritional repression)的机制
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 碳源降解酶系 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，而且,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。 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，因此曾经把这种现象叫做降解物
阻遏（ catabolite repression）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
进一步的研究并没有发现有这种降解代
谢物的存在，碳源降解的阻遏似乎并不是由
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。
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，我们用 营养阻遏 （ nutritional
repression ） 这个名称来包容不同营养源的
阻遏；因此就有 碳源营养阻遏, 氮源营养阻
遏 等名称。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
图 4-4 大肠杆菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏的解阻遏模型
当葡萄糖浓度下降时,Ⅲ Glc 浓度下降，葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P浓度上升。 较低
的 Ⅲ Glc 浓度可使乳糖透性酶活性恢复，导致胞内乳糖 （ 乳糖操纵子的诱导物 ）浓
度的上升；葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P浓度上升，将激活腺苷酸环化酶，使胞内 cAMP
浓度上升,…… 最终促成了 乳糖操纵子编码的 那几个酶的诱导合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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 4-4）。研究证明大肠杆
菌的碳源阻遏与细胞中 cAMP水平（即浓度）
有关。乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，
还需要 cAMP。 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。 cAMP与
一个叫做 CAP的蛋白质（环腺苷酸接受蛋白）
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多聚酶与 P的亲合性）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
细胞中的 cAMP的浓度取决于腺苷酸环
化酶。腺苷酸环化酶结合在膜上，并且受细
胞吸收葡萄糖的磷酸转移酶系统（ PTS） 的
因子 Ⅲ Glc 的磷酸化状态（ Ⅲ Glc-P ） 的激活
（图 4-4 ）。当受 PTS 输送的葡萄糖浓度高
时，因子 Ⅲ Glc的磷酸化程度就低，腺苷酸环
化酶的活性就下降,cAMP 的浓度就下降，
从而导致乳糖操纵子上启动子 P被激活程度
的下降。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
与此同时，因子 Ⅲ Glc的高浓度会
使乳糖透性酶（乳糖进入细胞的载体
蛋白）活力受到抑制，诱导物乳糖在
胞内的浓度下降，乳糖操纵子也就只
能处于阻遏状态之下。
由于这两方面的原因，造成葡萄
糖对利用乳糖的酶系的阻遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
氮源营养阻遏 指的是：高浓度的氨或某
些含氮有机化合物对催化含氮底物降解的酶
的阻遏的调节控制机制。 受这种控制的酶有
蛋白酶、酰胺酶、脲酶（尿素酶）和氨基酸
降解酶。 在曲霉菌中，控制氮源阻遏的基因
（ areA） 已被检出。这个基因为一个对转录
进行正控制的调节蛋白编码。这个调节蛋白
在解阻遏条件（如铵浓度低）下表现活性，
在阻遏条件（如铵浓度高）下失去活性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
高浓度的磷源（特别是正磷酸盐）
和硫源（特别是无机硫酸盐）也会对
某些酶发生营养阻遏。 例如，核酸酶
和磷酸酯酶通常受到磷酸盐的阻遏，
蛋白酶和硫酸酯酶常常受硫酸盐或含
硫氨基酸（ sulfur amino acids） 的阻
遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
营养阻遏的意义：微生物细胞在
其所处的环境条件下，利用其细胞中
已有的酶系首先降解最易利用的生长
底物，必要时才会去合成降解另一种
生长底物的酶系，体现了细胞运作的
经济性和自我保障机制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
⑶ 终端产物对其自身合成途径的酶的合成的
反馈阻遏（ repression ） 和弱化 ( attenuation )
的机制
化能异养型微生物细胞如果要在以葡萄糖
为碳源和能源的基本培养基中生长，那它就必
须合成所有要用来形成生物大分子的分子模块
（ building block）,如氨基酸、核苷酸等等。
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。如果在完全培养基中生长，微生
物细胞可以从其所处的环境获得分子模块，就
没有必要靠细胞自身来合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
微生物 调节合成代谢 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
胞内的原料和能量,对微生物的好处也是
显而易见的。
阻遏控制转录的开始，弱化控制转录
的中止 （也就是在已开始的转录的情况下
对结构基因转录机会的控制）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
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,也就是氨基酸合
成途径的终端产物（与合成途径相对应的氨基
酸）作为辅阻遏物 阻碍转录的发动（即转录的
开始） ；后者指的是叫做 弱化 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 和转录的中止，
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
转录前中止。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
图 4-5 酶合成的反馈阻遏模型
R,酶阻遏的调节基因； P,启动子； O,操纵基因； S1,S2,S3为生物合成途径的酶的结
构基因 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
图 4-5所示阻遏模型与诱导模型不同，
由阻遏酶的调节基因 Rr编码的原阻遏物本
身没有与操纵基因 O 结合的活性，它必须
受阻遏物（ 即终产物 ） 激活后才可与 O
结合。 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。
反馈阻遏与诱导模型最大的相似之处是：
效应物（这里指阻遏物）与调节蛋白（这
里是原阻遏物）的结合是可逆的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
（ 4）中心代谢途径的酶合成的调节
,诱导, 这个术语常常与分解代
谢酶有关,, 阻遏, 这个术语常常与
合成代谢的酶有关 。
中心途径是两用途径, 中心代谢
途径中的有些 酶的合成 也常常处于调
控之中 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
① 生长基质的种类和浓度的变
化引起的调控，如异柠檬酸裂合酶
（ IL） 和苹果酸合成酶（ MS ） 受
葡萄糖的 阻遏,受醋酸的 诱导 。
2010-5-16 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（ formate-nitrate 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
4.1.2.2 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
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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。
4.1.2.3 蛋白质水平上的调节
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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）。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 2,4,6 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。
2010-5-16 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 ）。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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
2010-5-16 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。
2010-5-16 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
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
表 4-4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：
2010-5-16 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 α-KG的
抑制,PDH 复合物还受到 AcCoA的抑
制。
2010-5-16 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
多数微生物的 PC也受 AcCoA的激活。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
图 4-12
大 肠 杆 菌中 酵
解 和 糖 原合 成
途 径 的 酶活 性
调节
I,抑制；
A,激活；
括号内是酶名
称的缩写
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
F-1,6-2P（ 即 FDP ） 是酵解和糖原形成途
径的关键分支点，它在细胞内的浓度是受到调
节控制的。 AMP 浓度的上升 （ ATP缺乏的信
号）会抑制糖原的形成，因为 ADP-Glc焦磷酸
化酶（图 4-12中 4 ）和果糖二磷酸酯酶（ 图 4-
12中 3）受到 AMP抑制。过量的糖将导致 FDP
浓度的上升，这将促进酵解，因为 PK和 PEPC
受 FDP激活（前体激活）。胞内 PEP的高浓度
是胞内有充足的 ATP 供应的信号,其结果是
PFK（ 图 4-12中 2）受抑制；同时，激活 ADP-
Glc焦磷酸化酶（图 4-12中 4），促进糖原的合
成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
⑷离心（合成代谢）途径的酶活性的调节
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。 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（图 4-13）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
图 4-13
大肠杆菌中天
冬氨酸族氨基
酸合成代谢的
调节机制的示
意图
I,抑制；
R,阻遏；
下标罗马数字
表示不同的同
工酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
①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。
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终产物的浓度控制。
多价变构酶往往处于多分支的分支途径的
共同途径上，它的效应物则是它的多个终
产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
②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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
③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，其共
同途径的第一个酶可能是同工酶。比如
大肠杆菌的 Asp 族氨基酸的合成途径是
有 3 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（ AK）
和高丝氨酸脱氢酶（ HD ） 分别由 3 个
和 2 个同工酶组成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
比如 AK的 3个同工酶 AKⅠ 受一个
分支的终产物 Thr的反馈抑制,AKⅢ
受另一个分支的终产物 Lys 的反馈抑
制。 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
④多功能酶对合成代谢的调节：
从图 4-13 可以看到，在大肠杆菌
中 AK 和 HD都是同工酶。研究结果证
明,AKⅠ 和 HDⅠ 酶分子由 4 个亚基组
成,2个酶的活性中心同在 1 个亚基上，
亚基多肽链的 N 端是 AK,C 端是 HD，
也就是说 AKⅠ 和 HDⅠ 同存在于一条
多肽链上,AKⅠ 和 HDⅠ 构成一个多功
能酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
⑸能荷（ energy charge） 与磷酸化位
对于合成代谢途径的调节方式和调节机
制已作了分析，合成代谢中最引人注目的一
种在蛋白质水平上的调节方式是反馈抑制，
也就是终产物对其合成途径的酶的反馈抑制。
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?
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
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）。
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
从上述推导过程可看到,能荷即 ATP、
ADP,AMP体系中高能键负荷的度量,其
数值在 0～ 1之间。当腺苷酸库中全是 AMP
时,EC = 0； 当全是 ATP时,EC = 1。 生
长中的大肠杆菌细胞的 EC = 0.8,当 EC＜
0.5时，细胞停止生命活动。一般说来,高
能荷抑制补充代谢能的酶系,同时激活消
耗 ATP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,同时激
活生成 ATP的酶系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
磷酸化位是另一个度量细胞能量状态
的参数。它与能荷不同之处是它在数值上
还决定于无机磷酸盐的浓度：
式中带下标的 c 分别表示下标对应的
腺苷酸或磷酸根的浓度。因为上式中包含
磷酸根，所以磷酸化位的值的范围较能荷
宽，这个值是细胞能量状态的更加灵敏的
指标。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
4.1.2.4 整个细胞水平上的调节
( 全局性调节 )
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
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，形成了一
个共识：操纵子并不是孤立地起作用，
而是作为高水平调节网络的成员发挥
作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
大肠杆菌具有在下列各种环境条件下生
长和生存的能力：从营养丰富的培养基转入
基本培养基（ minimal media ）； 改变碳源；
氨基酸供应受限制（ limitations ）； 供氧与
缺氧环境间的转换（仅对兼性微生物）；热
刺激（培养温度突然升高）（ heat shock ）；
会引起细胞饥饿的环境条件（如磷酸盐、氮
和碳源）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
细胞经受所有以上这些外界压迫
（ stresses ）,仍能在 DNA复制、细
胞生长和分裂之间维持所需的平衡。
把涉及细胞生理学的单方面调节
纳入对环境压迫协调响应中去的控制
方式称作全局控制 ( global contro1 )。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
图 4-15 全局调节网络
全局控制（ global
control） 是整个细胞
水平的调节。全局控
制是细胞利用调节信
号的与生俱来的能力 。
细胞利用调节信号控
制细胞生理学的诸多
方面，并对前述的任
何一种环境变化做出
协调响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
这样的调节网络包括多套 操纵子
（ operon） 和多套 调节子 （ regulon ）,
它们的功能表面上无关，在染色体图上
的物理位置也不连续。
在全局性调节网络中，各套操纵子
都被统一协调控制（见上图），尽管它
们在物理上分散在整个细菌基因组，并
且有时表现出完全不同的功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
应该注意某些用来描述全局性调节网
络的术语。 调节子（ regulon） 往往是指这
样一组受同一个调节蛋白的控制的基因，
虽然这些基因不像操纵子那样联在一起，
而是沿着染色体分散着。
全局调节子 ( global regulon)定义为：
在一个全局性调节网络中，处于一个共同
调节蛋白控制下的操纵子网络。然而，即
使简单的环境变化通常都会诱导几个调节
子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
激励子（ stimulon ） 是用来指称对应
于单一环境刺激的全部调节子，或者说，
用来描述对一个给定环境压迫作出响应的
所有基因、操纵子和调节子。为强调全局
性调节网络的错综复杂和相互覆盖的性质，
引入了术语 调整子（ modulon）, 并将它
定义为, 处于同一个多效性调节蛋白的
控制之下的操纵子和（或）调节子。它们
通过共享一个 多效调节蛋白,可在不同的
特定控制之下，引发不止一种效应。”
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
全局调节子由受控于同一个调节蛋
白的多个操纵子组成。 然而,一个全局
调节子的成员可能也是另一个全局调节
子的成员。
全局调节子上的所有操纵子响应环
境压迫的最简单的方法是产生信号分子
警报子（ alarmone）, 这种分子是在细
胞受环境压迫时累积的。警报子常常是
小的核苷酸分子，诸如 cAMP或四磷酸
鸟苷 (ppGpp)。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
这种全局调节网络（图 4-15）的存在
至少有两个理由。
第一，某些细胞过程所涉及的基因多
于一个单独的操纵子所能容纳的基因。以
细菌的翻译机构为例，它至少涉及 150 个
基因产物的集合，包括 rRNA,核糖体蛋
白,起始因子、延长因子及终止因子，氨
酰基 -tRNA合成酶和 tRNAs。 如此众多的、
相互关联组分的协调调节，对细胞生长的
总效率是很重要的，而且，将所有这些基
因包容在一个操纵子内也几乎是不可能的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
第二，尽管有些基因需要被独立调节，但
有 更高级的协调控制系统也是至关重要的 。这
些情况的例子常见于编码分解代谢酶的基因中，
而这些酶参与碳源和能源的利用。对大多数细
菌来说，葡萄糖是优质基质，当存在于生长培
养基时，它阻碍第二种或备用底物的代谢所需
酶系的表达（营养阻遏）。然而，在没有优质
基质存在时，每个操纵子都必备其对应基质存
在时独立诱导对应的降解酶系的能力。因此，
需要一个调节体系（ regulatory organization）
来替代单个操纵子的孤立的调节。
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
以研究的细菌代谢的全局控制的
机制有：⑴ SOS响应网络（可诱导的
修复）,⑵ 热刺激响应,⑶ 有氧及
无氧激励子, ⑷ 紧缩响应 。 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，以及蛋白
质分解的控制（即 Lon 蛋白酶）的调
节等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
细菌细胞通过代谢调节自动开
源节流的现象，已成为微生物细胞
的经济运行的有说服力的证据。
以上全局控制的机制的讲述要
求学生具有分子生物学的基础。此
处从略，必要时可在课外作专题讲
座。 课外讲座：, 微生物代谢的自
动调节》
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
4.1.3 微生物膜的自动调节
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
4.1.2.1 膜脂质分子结构与膜流动性
的关系
4.1.2.2 恒粘适应现象
4.1.2.3 膜蛋白质的活性和合成的调
节（参考 4.1.1）
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
4.1.2.1 膜脂质分子结构与
膜流动性的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
膜脂质分子结构与膜流动性的关系：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 。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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
图 4-16 含有不同脂肪酰基的磷脂的链的几何构型示意图
(a),饱和； (b),顺式单不饱和； (c),反式不饱和； (d)，
顺式双不饱和 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
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；
这样的磷脂形成的脂质双分子层即使
在 0℃ 以下,仍保持不整齐的状态。
双键越多，这种现象越严重。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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
在许多微生物的脂质分子中还普遍存
在着有分枝的脂肪酸或脂酰基。它们分别
来自两种不同类型的分支脂肪酸，即异式
或 前异式（ anteiso- ） 。 究竟属哪一种类
型的脂肪酸取决于甲基分支的位置，若脂
肪酸分支的碳氢链末端第二个碳原子前的
碳原子上有分支，则为前异式脂肪酸。 分
支的位置明显地影响脂质的流动性质,但
前异式脂肪酸参与磷脂分子结构，对于磷
脂分子的整齐排列的干扰较之异式结构更
大。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
4.1.2.2 恒黏适应现象
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
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，
这种现象叫做恒黏适应（ homeoviscous） 现象。
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
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。例如，大
肠杆菌 K12的生长（ 培养 ）温度的下降，将
导致膜脂质中不饱和脂的比例的上升。芽孢
杆菌和梭菌的膜脂质分子中大抵均含有分支
的脂肪酰基，这些微生物对温度变化的响应
或者是单不饱和脂的量的相对量的变化，或
者是异式与前异式之间的转变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
总之，嗜温微生物生长时，温度条件
的下降会导致膜中影响脂质分子整齐排列
的脂质分子的增加；当生长（培养）温度
上升时，则情况正好相反。从而使膜脂质
双分子层的流动性保持恒定（表 4-5）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
有了这种膜脂质黏度（流动性）的自动
调节机制，微生物就能在一个 较宽的温度范
围内生长 。从嗜温微生物脂肪酰基改变的性
质出发可以设想：在进化的过程中，只能在
高温或低温下生长的微生物已改变了这种自
动调节的范围，从而保证在这些极端条件下，
它们的膜脂质仍具有适当的流动性。 膜的流
动性是决定最高和最低生长温度的主要因素,
尽管膜脂质分子的组成并不是决定膜脂质流
动性的唯一因素。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
对许多嗜热和嗜冷微生物检测的
结果表明，在同一个分类学上的种内
与嗜温微生物相比，嗜热微生物的膜
脂质含有较高比例的直链饱和和异式
分支脂肪酸（酰基），嗜冷微生物含
有较高比例的链较短的饱和脂肪酸或
更加不饱和及有前异式分支的脂肪酸
链。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
因此，恒黏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（ 膜活性丧失）
或过分的流动化（ 膜失去屏障作用）。
如果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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
恒黏适应体现了微生物在膜的
自动调节方面的适应性和生存保障
作用。
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 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
然而，膜脂质的适应性改变，似
乎仅仅是决定特定微生物生长温度范
围的一个因素，因为磷脂分子极性头
的性质、膜中蛋白质与脂质的总的比
率似乎也要影响膜的流动性。
除了温度以外，能影响膜脂质流
动性的其他环境因子，如压力也能触
发恒黏适应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
4.1.2.3 膜蛋白质的活性和合成的调节
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
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及
膜上功能尚不清楚的功能性蛋白质。这里
仅介绍一些与跨膜输送有关的膜蛋白的研
究结果：
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
①在黄色短杆菌（一种用来生产氨基酸的
菌种 ）中：果糖激酶（ FK ） 几乎测不出
来，但在果糖的诱导下，可以合成果糖磷
酸转移酶系统（ PTS）,以基团转移机制
吸收果糖；并且在一缺失葡萄糖 PTS 的突
变株中观察到，这个 果糖 PTS 受到葡萄糖
的阻遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
② 粗糙脉孢菌中有两种葡萄糖输送系统：
一种是对葡萄糖亲和力较低的促进扩散系
统，这系统在以葡萄糖为碳源的培养基中
起作用。如果生长在低浓度葡萄糖培养基
中，另一种对葡萄糖亲和力较高的主动输
送系统被诱导出来。这是合乎微生物的节
约原理的，因为如果环境中葡萄糖较高时，
单靠结构性（组成型）的促进扩散系统便
能维持细胞内有一合适的糖浓度；而当环
境中葡萄糖浓度较低的情况下，亲和力高
的主动输送系统就可以发挥有效的吸收作
用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
③通常膜对 葡萄糖的磷酸酯 是不具通透性
的：但大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄
色葡萄球菌和某些其它细菌能形成一种 可
诱导的主动输送系统,以推动 6-磷酸葡萄
糖,2-脱氧 -6-磷酸葡萄糖,6- 磷酸甘露糖、
6-磷酸果糖,1-磷酸葡萄糖和 1- 磷酸果糖
的吸收作用。 外源的糖磷酸酯诱导该体系
的机制尚不清楚。
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
④ 大部氨基酸的输送系统是结构
性 （ 组成型）的：然而有些，特别是
输送系统中含 周质结合蛋白 的 （ 在大
肠杆菌中，周质蛋白参与 Glu,Gln、
His,Cys,碱性氨基酸和分支氨基酸
的吸收 ），其 结合蛋白是可以阻遏 的。
在某些细菌中 也偶然可发现 可诱导的
输送体系 （ 其功能是组成型体系的双
倍）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
粗糙脉孢菌除了有分别用于中
性、碱性和酸性氨基酸的专一性的
输送（吸收）系统，还有第四种非
专一性的吸收系统。 这些输送系统，
在氮源耗竭的条件下诱导产生，在
培养基中有充足的氮源存在时这些
输送体系受阻遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
通常氨基酸的结构类似物（它
们常常强烈地抑制微生物的生长）
能被对应的氨基酸的吸收体系吸收，
因而氨基酸结构类似物可用来筛选
结构类似物抗性突变株（调节突变
株）和对应的输送（吸收）系统缺
失的突变株。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
⑤构巢曲霉通过 两种控制系统来调节
氨的吸收,第一种吸收系统不受环境中氨
浓度的调节，氨的吸收速率决定于细胞内
的氨浓度，直到细胞内的氨浓度超过某一
定值才停止吸收。第二种吸收系统受氨的
阻遏或抑制，而氨的存在还会使其他含氮
化合物不能被利用。具备这两种吸收系统
对这种微生物是有利的。当环境中缺少氮
源时，两种吸收系统都起作用；当环境中
氮源丰富时，只有一种系统起作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
⑥硫酸盐、磷酸盐的吸收系统及其调节：
在真菌中,对硫酸盐有两种吸收系统,它们
均受到 Met的阻遏。载体 Ⅰ 对硫酸根的亲和
力较弱，主要存在于孢子中；载体 Ⅱ 对硫酸
根的亲和力要强得多，主要存在于菌丝体中。
对磷酸盐也有两种吸收系统,一种具有高亲
和力,只在磷酸盐饥饿时才被诱导出来 ；另
一种是低亲和力系统，它能在磷酸盐充足的
条件下仍维持生长。
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
4.1.4 微生物代谢途径的调节模式
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
在第三章（代谢网络假设）已全面讨
论了化能异养型微生物对有机化合物的分
解代谢和合成代谢的途径，绘出了从葡萄
糖到各种细胞物质的代谢途径。代谢途径
与跨膜系统是代谢网络的两个重要组成部
分。一条代谢途径的终产物，可能是另一
条代谢途径的起始物，因此代谢途径的终
端产物是相对的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
微生物代谢途径的调节方式是多种
多样的，为了研究的方便，建立了 21种
调节模式。把酶（已存在的）的活性的
调节方式归纳成 3 类，覆盖 10种调节模
式；把酶分子的数量的调节方式也归纳
成 3类，覆盖 11种 调节模式。 以上 代谢
途径的调节方式 的讲述涉及动态生物化
学。此处从略，必要时可在课外作专题
讲座 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
4.1.5 信息传递与信息流
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
本书推出的 3 个假说分别从能量，物
质和信息 3 个角度对微生物细胞正常运转
的驱动系统，操作系统和控制系统进行了
深入的探讨。 然而这三个假说是互相联系，
相互依托，协调统一的。 用矛盾的对立统
一的观点来全面认识物质，能量和信息之
间的关系，树立发酵工程的科学发展观，
在信息技术飞速发展的今天尤为重要。 我
们对生物信息的渴望尤为强烈，因为只有
它能给我们带来工业发酵划时代的变革。
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
4.1.5.1 遗传信息流和理化信息流
4.1.5.2 多基因系统处理信息的功能
4.1.5.3 借助于磷酸化作用实现的信号
转换
4.1.5.4 代谢网络的调节（ regulation of
metabolic networks）
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
4.1.5.1 生物信息流和理化信息流
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
可以把微生物细胞看作是 信息
处理器,它们 复制 和 传递 自己的生
物信息,接收 细胞内外的物理、化
学甚至生物信息，并在对这些信息
流进行 综合处理 的基础上,发出代
谢调控的指令，控制微生物细胞自
身的生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
⑴生物信息流
生物体（包括微生物）的生长、代
谢、分化、发育的过程，始终是其自身
储存遗传信息表达、加工及传递的过程；
实质上微生物细胞的生物信息流主要是
遗传信息流，细胞遗传信息的一部分，
从基因组到基因（ DNA）,到 mRNA，
到多肽，到酶和功能性蛋白质，就是 生
物信息流传递的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
⑵理化信息及理化信息流
培养基配方（包括成分和浓度）、
pH 值、温度、溶解氧浓度等都属于理
化信息,理化信息 还有胞外胞内之分。
理化信息从微生物的环境传递到细胞内
适当的信息接受器的过程，形成理化信
息流。
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
⑶微生物细胞的生物传感器
理化信息流与遗传信息流的交汇，借
助于各类 生物传感器,它们中相当一部分
是 变构蛋白或变构酶,例如，诱导模型中
的 阻遏蛋白,葡萄糖营养阻遏模型中的 环
腺苷酸受体蛋白（ CRP） 和阻遏模型中的
原阻遏物 等都属于变构蛋白； EMP 途径
中的磷酸果糖激酶（ PFK） 和 HMP 途径
中的 6-磷酸葡萄糖脱氢酶（ G6PDH ）、
6- 磷酸葡萄糖酸脱氢酶（ 6PGDH ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
4.1.5.2 多基因系统处理信息的功能
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
多基因系统的一个重要的特性
是处理信息的功能，这常常是通过
蛋白质与蛋白质相互作用来执行的
一种功能。细菌对环境刺激响应的
遗传及生化分析表明，响应这种刺
激的信号转导常常是通过两类蛋白
质对之间的通讯而发生的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
每对蛋白都由传感器蛋白和调节器蛋
白组成，传感器蛋白能够检测环境的变化
进而将信号传送到与其合作的调节器蛋白。
随后受感应的调节器蛋白将影响（正面地
或负面地）某几套操纵子的转录起始。 在
每类信号转导蛋白成员之间已观察到相当
大的同源性。在多数情况下，传感器蛋白
C- 端的保守区域延伸到超过 250 个氨基酸，
而调节器蛋白 N-端的保守区域延伸到超过
120个氨基酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
据估计，细菌细胞已演化出几百个多基
因系统。但至今仍几乎没有对它们进行深入
研究。书上表 4-6 列出了不同细菌的一些实
例，按细胞对营养限制的响应、对氧化还原
状态变化的响应、对不利环境条件的响应等
三大类安排条目。显然，细菌已演化出了各
种各样的全局性调节机制，对这些机制的解
释刚刚开始。毫不奇怪,这种调节网络的许
多组成部分，诸如蛋白阻遏物、激活物或 σ
因子，都是从操纵子调节系统借用的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
热刺激响应系统和芽孢形成系统利用
σ因子 改组 RNA聚合酶,使它能识别成员
操纵子的启动子。
SOS 响应网络、氧化损伤和无氧电子
传递系统 （ anaerobic electron transport
systems ） 等则 利用蛋白阻遏物或蛋白激
活物,来识别位于每个成员操纵子控制区
的一段特定序列。而最普遍、最难理解的
操纵子之一 —— 紧缩控制系统，它没有明
显的蛋白调节物，而是利用核苷酸鸟苷四
磷酸（ ppGpp） 作为全局性调节分子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
4.1.5.3 借助于“蛋白质 -蛋白质”
相
互作用的多基因系统
2010-5-16 张星元：发酵原理 169
这是一种典型的“蛋白质 -蛋白质”
相互作用的多基因系统,它借助于磷
酸化作用，实现的信号转换 （ signal
transduction by phosphorylation ） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 170
许多多基因系统含有一种成对的蛋白质，
组成对子的双方分别属于两个蛋白质系列。
在一个典型的, 传感蛋白 -调节蛋白
（ sensor-regulator ）,二元调节系统中，一
个跨膜的功能域把传感蛋白分离成能感受特
定的环境刺激的周质功能域（ periplasmic
domain）,随后诱发其羧基端的自动的磷酸
化。蛋白质激酶（ PKS ） 是第一个蛋白质系
列的成员，因 ATP的磷酸基团向该酶的组氨
酸残基的转移而被磷酸化：
ATP +（ PK-His） →ADP + （ PK-His-P）
2010-5-16 张星元：发酵原理 171
第二步是磷酸基团被传递到与其配
对的调节蛋白的氨基端。在这一步，这
些磷酸基团又被转移到蛋白质系列的第
二个成员（磷酸化响应调节蛋白 PRRS）
的天冬氨酸残基上：
（ PK-His-P） + （ PRR-Asp）
→ （ PK-His） + （ PRR-Asp-P）
2010-5-16 张星元：发酵原理 172
最后一步，从磷酸化响应调节蛋
白的磷酸天冬氨酸残基上水解除去该
磷酸基团,
（ PRR-Asp-P） → （ PRR-Asp） + Pi
在一个典型的微生物细胞中，估
计可能存在 50种这样的转换系统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 173
已经发现在微生物世界广泛存在
着通过磷酸化发信号的现象。这种信
号系统调控着各种各样的功能 （书中
表 4-7 ），诸如基因表达、趋化性或
发育途径等。组氨酸蛋白质激酶系列
成员具有保留 （ conserved ） 的羧基
端，而 PRRS 则在氨基端附近具有大
约 100 个 氨基酸残基的保留功能域
（ conserved domain）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 174
这种保留的重要意义在于，在某些
情况下可以允许不同系统之间的相互作
用。例如：在 phoR 突变株中（即带有
已破坏的 phoR 基因的细胞，因此而缺
乏蛋白质 PhoR 活性）,phoM 基因的
产物（ 显然是另一种 PK ） 在对 PhoB
（ PRR） 的修饰中，可部分替代有缺陷
的 PhoR 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 175
作为这种交叉对话的结果，一种
适应性响应，可能容许细胞通过交叉
磷酸化，而部分地激活一个同源的系
统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 176
尽管在调节网络（ regulating networks）
中,蛋白质 -蛋白质,相互作用是非常重要
的，但是不同操纵子的组合被协调的方式是
多种多样的。例如，大肠杆菌对热休克的响
应是受 RNA 聚合酶的一种 σ32 因子的细胞
水平的控制的,σ32 水平的升高可诱导一套
基因（约 20 个）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 177
能够诱导大约 20个 DNA修复蛋白的
SOS 系统，是通过成员操纵子的 共同阻
遏物蛋白的裂解 而实现诱导的。还有第
三种机制，一套基因（约 12个左右） 受
氧化性伤害的诱导作用 是通过正调节蛋
白 OxyR 的激活而引起的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 178
4.1.5.4 代谢网络的调节
（ regulation of metabolic networks）
2010-5-16 张星元：发酵原理 179
代谢调节的实质就是反应速率（作为控制
变量）对各种信号的响应。有代表性的信号通
常包括代谢物、效应物及其他调节分子的浓度。
这种控制系统的基本性质是，它们的实际输出
仅由信号决定，因而与该控制系统各个组分的
性质无关。就像控制液体流动的阀门，受到反
馈调节的酶反应的通过能力小于可能达到的最
大的流量，而通量本身仅取决于所收到的信号。
虽然酶和信号的总量分别决定了最大通量及实
际通量的大小，但该控制的动力学性质是特定
调节机制的函数。
2010-5-16 张星元：发酵原理 180
在包含不止一种酶的一条代谢途径中，
途径中的流量是由途径中各个酶的动力学
及调节来决定的。对于中心碳代谢板块的
途径（如糖酵解和 TCA循环），虽然这些
酶不是以物理方式组织的，但它们在化学
框架中被高度组织起来。在某些情况下，
途径流量由存在的某一个酶的总量所控制，
该酶的量低得堪称速率控制步骤。在另一
些情况下，途径的流量控制分摊在几个酶
上，而途径中其他反应进行得很快，结果
成了受底物或辅因子浓度的限制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 181
在这种代谢框架中，催化活动不是酶
的唯一功能，因为它们在途径流量的调控
中也起着重要作用。尽管不必在物理上接
触，但每个酶可通过特定的化学信号（如
底物、产物或特定调节物如 ATP,NADH
等的浓度）被告知代谢途径的状态，这些
化学信号控制酶反应速率，进而扩大到控
制途径流量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 182
在一个有功能的细胞中，反应速率必
须被非常精确地调整。因此，很容易把变
构酶看做动态的实体，酶分子的结构对在
底物和变构激活剂、抑制剂水平的相当小
的变化做出响应。这些结构改变是通过改
变酶与其底物的亲和力而影响酶活性的，
这显著地不同于通过酶与抑制剂的共价结
合而引起酶的失活。
2010-5-16 张星元：发酵原理 183
催化非平衡反应的酶的识别，可能为
网络的调节控制提供线索。理解代谢控制
的困难之一在于调节酶的确定，因为在某
种程度上，一条途径中所有酶的活性都需
与通过途径的流量改变相协调。于是，关
键问题就变成是否存在一种酶（主控酶），
其首先对原始代谢信号做出响应，从而在
剩余的一些酶（从属酶）的活性中引发次
级响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 184
为识别调节酶而导出的一系列准则简述
如下：
①这种酶应当催化非平衡（不可逆）反应。
一个“非平衡酶”具有低的催化活性，因此
其能限制通过途径的流量。另一方面，
,平衡酶, 被认为是过量的，而且，途径
的流量不会对其扰动做出显著的响应。
②这种酶应当具有调节性质，例如变构位点。
也可能没有单独的调节酶存在，但宁可说一
条途径中几种酶的活性是先后响应于变化着
的条件和随之引起的代谢信号而改变的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 185
对于处于“基础”水平的在控酶
（ controlling enzymes ）,酶浓度的微小增加
可能使通过途径的流量成直线地上升。然而，
酶浓度的增加超过某一水平则就无效了，为了
优化和协调流量，就需考虑其他因素。根据经
验,在大多数场合下，将某特定酶的转录水平
增加 10倍以上是不实际的。从细胞经济观点来
看，这是十分重要的，因为细胞的资源是有限
的，许多途径之间存在着对于同样的前体库的
竞争性需求。
2010-5-16 张星元：发酵原理 186
例如，对某一分子模块的需求突然
下降时，为了防止积压，就应该把产生
这种特定单体的酶的水平和活性都降下
来。利用放射性标记的化合物对于在基
本培养基中生长的细胞进行的示踪实验
显示，在某种氨基酸加入后的几秒钟内，
所有流向该氨基酸的生物合成途径的碳
架流都停止了；体现了 细胞的经济性 。
第四章 发酵学第三假说
细胞经济假说
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
本章提示：
1.早就有人把实业公司看作为市场经济体系中
的一个细胞，那么是否能把微生物细胞看作为
它所处的生态环境中的一个经济实体 呢？
2.假定经过千千万万年的物竞天择而幸存下来
的微生物，其 细胞代谢规律（细胞经济管理原
则） 是不以人的主观意志为转移的，就像 市场
经济中价值规律 那样起作用，微生物在漫长的
进化的过程中 已将细胞经济规律写入了 DNA。
3.如果把微生物细胞的代谢看作经济运行的话,
这个细胞经济规律实际上是微生物细胞 自主经
济的保障 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
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
天择的基础上形成的 细胞经济体
系 。细胞经济体系是微生物细胞
生存的保障体系,它为细胞的 适
应性, 经济性 和 代谢的持续性 提
供保障。
细 胞 经 济 假 说
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
19世纪中叶出现了三个智慧成果。
德国物理学家 克劳修斯（ Clausius）
发现的热力学第二定律（ 1850年）指出，
热不可能自发地由低温物体传向高温物
体。 也就是说，热力学系统的自发过程
的总是向熵增加的方向（即有序性程度
减少、无序程度增加的方向）发展。
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
英国生物学家 达尔文（ Darwin ）
1859 年出版了,物种起源,一书，
提出了生物系统由简单到复杂、由低
级到高级的进化趋向。
马克思 通过对生产力和生产关系、
以及经济基础和上层建筑的关系的历
史考察,出版了, 资本论,第一卷
（ 1867年）,完成《资本论,1-3 卷
的草稿，揭示了人类社会发展的方向。
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
热力学系统比之于生命系统、社会
系统，似乎遵循着两种不同的自然规律，
有着两种不同的趋向。并且，热力学第
二定律无法说明系统由无序到有序、由
低级的有序到高级的有序的演化和发展
的趋向；也无法解释混沌的自然界怎么
能演化、发展成为, 自组织, 的生命
系统和社会系统。 经典的热力学理论对
自然界中大量“自组织”现象束手无策。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
一个世纪以后，比利时 普利高
津（ Prigogine） 于 1969年提出 耗散
结构理论 。耗散结构理论研究耗散
结构的形成机理，以及它的性质、
稳定条件和演变规律； 这个理论为
热力学系统与生命系统、社会系统
的运行规律的统一提供了理论根据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
所谓耗散结构是指一个远离平衡
状态的开放系统（力学的、物理的、
化学的、生物的，乃至社会的经济系
统）。耗散结构与外界不断地进行物
质和能量交换，当外界条件的变化达
到一定的阈值时，可以从原有的无序
或低序的混乱状态，转变为一种在时
间、空间上或功能上的有序状态。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
耗散结构只能产生并存在于
开放系统中，只能依靠与外界进
行物质和能量的交换来维持其生
命力。,耗散结构”这一术语就
是用来表示系统的这种 物质交换
和能量耗散的特征 的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
在物竞天择的基础上形成的
微生物代谢体系，是保障微生物
细胞生存的细胞经济体系。 细胞
经济体系运行的经济调度，以及
细胞对环境变化的积极响应，最
终都是由细胞的遗传物质规定的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
可把微生物细胞作为 按特殊经
济规律运行的经济实体 来看待。 本
章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,以求比
较圆满地处理 工业发酵目的 与 细胞
经济运行 之间的对立和统一关系，
从而能应顺自然规律，用好微生物
这个工具,为人类造福，为世界消
灾。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
第一节 细胞经济假设的微生物
学与分子生物学基础
第二节 微生物的细胞经济的运
行规律
第三节 代谢网络中碳架物质流
的调动
第四节 细胞经济假说与细胞经
济学
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
第一节 细胞经济假设的微生物
学与分子生物学基础
4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位
4.1.2 微生物酶（蛋白质）的自动调节
4.1.3 微生物膜的自动调节
4.1.4 微生物代谢途径的调节模式
4.1.5 信息传递与信息流
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
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
的自动调节最终借助于 酶 与 膜 来实现。
而微生物酶的结构与功能，膜的结构、
组成与功能，以及它们的自动调节机
制的信息都存在于 DNA中； 在不同的
环境条件下，微生物细胞对遗传信息
作选择性的表达，实现代谢的自动调
节，从而对环境做出适当的响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
微生物代谢是一种 集成的过程,这
个过程需要协调好无数酶或蛋白质的作
用，将环境中的主要营养同化成细胞组
成物质。这又是一种 节省的过程,也就
是说在正常情况下，细胞不会消耗能量
或营养去合成那些可以从环境中得到的
化合物，也不过量合成中间代谢物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
代谢的协调能保证在任何特定时刻、
特定的细胞空间，只合成必要的酶系（参
与代谢的多种酶）和刚够用的酶量。 一旦
特定物质的合成达到足够的量，与这些物
质合成有关的酶就不再合成了。并且，已
合成的酶的活力受到许多调节机制的控制，
以确保新陈代谢全面协调，主要是在反馈
信息的触发下发生的抑制、激活、阻遏、
诱导等基本调节机制。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
经济运行提供保证。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
在微生物代谢的自动调节过程中，
反馈信息的传递往往发生在蛋白质水
平上，这种传递是借助存在于细胞质
和细胞的 膜 结构中的 调节酶 和 非酶变
构蛋白 来实现的，因此有必要首先 从
酶和膜两方面入手，讨论微生物代谢
的自动调节 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
真核生物与原核生物的调节系统是有很
多不同的，这是它们不同“生活方式”的反
映。原核细胞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
可无限制的生长和分裂。 原核生物系统的调
节方向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 DNA连续接受来自
细胞质的调节信号；因此，蛋白质合成的开
关控制常是在转录水平上实现的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
真核生物通常是多细胞的（酵母、藻类
和原生动物除外）结构上更复杂的、较大的
生物。细胞分化尤其需要特定类型的调节，
因为不同组织的细胞有不同的需求。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
素在遗传水平进行调控的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
总的说来，遗传控制机制本质上
更适合于原核生物，允许它们迅速地
调节酶浓度以满足变化着的细胞要求。
本章讨论的有关代谢调节的内容主要
来自原核细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位
4.1.1.1 真核生物与原核生物的调
节系统的比较
4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节
部位
4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调
节部位
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
微生物的代谢调节是由微生物细
胞决定的，是通过微生物细胞本身来
实现的，环境条件的变化，必须通过
微生物细胞本身来影响微生物的代谢。
归根结蒂，微生物的代谢调节是发生
在微生物 细胞中的生物化学现象,是
对发生在微生物细胞内的生物化学过
程的调节，属于 微生物生理学问题 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
生理学与生物化学的区别在于，
生理学十分强调生物化学反应在活体
内发生的 部位,以及该生物化学 反应
发生前后活体生理状况的变化 。因此，
有必要研究 代谢调节主要在微生物细
胞的什么部位发生，发生什么样的调
节，以及调节的规律。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
4.1.1.1 真核生物与原核生物的调节系
统的比较
真核生物与原核生物的调节系统是
有很多不同的，这是它们不同, 生活
方式, 的反映。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面有区
别。
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节部位
图中,1,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； 3,酶和载体蛋白的合成
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
⑴与细胞质膜密切相关的调节
细胞质膜是溶质进出细胞的主要
屏障。营养物质主动或被动输送进入
细胞的过程，以及代谢产物（某种代
谢产物或能量代谢副产物）排出细胞
的过程，都要受到膜的组成、结构和
功能的影响。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
与膜密切相关的调节主要包括以
下 4个方面：① 膜的脂质 （磷脂及其
它脂类 ） 的分子结构,以及环境条
件（ 如离子强度、温度,pH等 ）对
膜脂质理化性质的影响； ② 膜蛋白
质 （ 如酶、载体蛋白、电子传递链
的成员及其它蛋白质 ） 的绝对数量
及其活性的调节；
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
③ 跨膜的电化学梯度 （膜的生理状
态）以及胞内 ATP,ADP,AMP库
和 Pi浓度对溶质输送的调节；④ 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（ 膜的物理
状态 ）对溶质的通透性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
⑵酶催化能力的调节
也就是细胞空间内存在的酶分子的数
量及其活性的调节。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，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。这种自动调
节包括两个方面：一是调节反应途径中的
酶水平（ 酶分子的浓度 ），特别是关键酶
合成或降解的相对速率，二是改变已存在
的 酶的活力,特别是关键酶的活力。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
⑶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，因此，在
细胞内似乎不存在酶与底物的相对位置影
响酶作用的问题。但实际上，在原核细胞
中有时也有这种形式的调控，比如当一个
酶反应系统以 多酶复合体 （ multienzyme
complex ） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调节部位
图中,1,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； 3,在核中进行的转录； 4,在细胞质中进行的翻译； 5，
不同细胞空间的溶质的跨膜输送 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
真核微生物细胞比原核生物细胞复杂
而多样化。最简单的真核微生物酵母细胞
就有典型的细胞核和一个或多个线粒体、
液泡等。在核膜外层与细胞质膜之间又有
内质网存在，由此可见,真核微生物细胞
内的空间被膜结构分隔成许多小室 。由于
这些小室的存在，真核微生物的代谢调节
要比原核生物复杂得多，就单个细胞相比
较，真核微生物细胞的代谢调节部位要比
原核生物细胞多得多。
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
真核微生物细胞同样存在前述原
核生物细胞的 3 个代谢调节部位。唯
有第三个调节部位，即酶与底物的相
对位置，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调节的重
要辅助手段。 其中，细胞质与线粒体
之间的分工协作，可从 表 4-2 得到反
映。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
起始底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
在真核微生物细胞中，这种酶（酶体
系）的区域化、酶与底物的分隔，使酶反
应的调节更加复杂化、多样化。酶反应系
列的总速度不仅决定于相邻两区域中的调
节酶、底物的浓度和调节酶的活性，而且
也决定于重要代谢中间物跨膜的交换速度。
因为这种跨膜交换要借助于载体（由 DNA
编码的蛋白质），所以，这些载体的绝对
数量及活性也会成为代谢调节的部位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
4.1.2 微生物酶（蛋白质）的自动调节
4.1.2.1 转录水平上的调节
4.1.2.2 翻译水平上的调节
4.1.2.3 蛋白质水平上的调节
4.1.2.4 整个细胞水平上的调节
(全局性调节 )
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
微生物的代谢主要是借助于酶与
膜来实现自动调节的。而微生物酶的
结构与功能，膜的结构、组成与功能，
以及它们的自动调节机制的信息都存
在于 DNA中； 在不同的环境条件下，
微生物细胞遵循细胞经济规律（代谢
自动调节规律），对其自身的遗传信
息作选择性的表达，对环境做出响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
值得注意的是，在物种不变（基
因组不变）的情况下，微生物通过自
我调节对其所处的环境作出响应，反
馈信息的传递在蛋白质水平上是通过
存在于 细胞质和膜中的调节酶及非酶
变构蛋白 来实现的，因此有必要从 酶
和 膜 两方面入手讨论微生物代谢的自
动调节。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
遗传控制机制本质上更适合于原
核生物，允许它们迅速地调节酶浓度
以满足变化着的细胞要求。 这里要以
原核生物为例，叙述通过酶实现的代
谢自动调节的机制。 对于指定的微生
物菌株（即遗传物质确定的情况下），
代谢自动调节表现在转录、翻译、蛋
白质和整个细胞等 4个不同的水平上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
4.1.2.1 转录水平上的调节
⑴酶的诱导的机制
⑵营养阻遏的机制
⑶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
⑷中心代谢途径的酶合成的调节
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
⑴酶的诱导 (induction)的机制
图 4-3诱导酶的诱导合成模型（负控制）
Ri,诱导酶的调节基因； P,启动子； O,操纵基因； S1,S2,S3,大肠杆菌乳糖
操纵子的 3个结构基因 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
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 聚合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
与操纵基因的结合活性，从操纵基因上脱落
下来,RNA聚合酶就可对结构基因进行转录，
诱导途径的酶系就被诱导合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
从而可以看出 诱导的本质就
是解阻遏 （诱导物解除了阻遏蛋
白对操纵基因的阻塞）。
值得注意的是,这种诱导物
与阻遏蛋白的结合是可逆的,结
合或解除结合取决于细胞内效应
物的浓度。正因为结合是可逆的，
所以 调节可以双向进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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，从而形成微生物对环境的适
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。微
生物有了诱导机制就能更好地适应环境的
变化，节约使用营养和代谢能，表现出 细
胞生命活动的适应性和经济性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
研究诱导模型也可以给人以启迪。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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
⑵营养阻遏 (nutritional repression)的机制
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 碳源降解酶系 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，而且,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。 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，因此曾经把这种现象叫做降解物
阻遏（ catabolite repression）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
进一步的研究并没有发现有这种降解代
谢物的存在，碳源降解的阻遏似乎并不是由
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。
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，我们用 营养阻遏 （ nutritional
repression ） 这个名称来包容不同营养源的
阻遏；因此就有 碳源营养阻遏, 氮源营养阻
遏 等名称。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
图 4-4 大肠杆菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏的解阻遏模型
当葡萄糖浓度下降时,Ⅲ Glc 浓度下降，葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P浓度上升。 较低
的 Ⅲ Glc 浓度可使乳糖透性酶活性恢复，导致胞内乳糖 （ 乳糖操纵子的诱导物 ）浓
度的上升；葡萄糖 PTS的 Ⅲ Glc— P浓度上升，将激活腺苷酸环化酶，使胞内 cAMP
浓度上升,…… 最终促成了 乳糖操纵子编码的 那几个酶的诱导合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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 4-4）。研究证明大肠杆
菌的碳源阻遏与细胞中 cAMP水平（即浓度）
有关。乳糖操纵子的转录不但需要有诱导物，
还需要 cAMP。 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。 cAMP与
一个叫做 CAP的蛋白质（环腺苷酸接受蛋白）
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多聚酶与 P的亲合性）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
细胞中的 cAMP的浓度取决于腺苷酸环
化酶。腺苷酸环化酶结合在膜上，并且受细
胞吸收葡萄糖的磷酸转移酶系统（ PTS） 的
因子 Ⅲ Glc 的磷酸化状态（ Ⅲ Glc-P ） 的激活
（图 4-4 ）。当受 PTS 输送的葡萄糖浓度高
时，因子 Ⅲ Glc的磷酸化程度就低，腺苷酸环
化酶的活性就下降,cAMP 的浓度就下降，
从而导致乳糖操纵子上启动子 P被激活程度
的下降。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
与此同时，因子 Ⅲ Glc的高浓度会
使乳糖透性酶（乳糖进入细胞的载体
蛋白）活力受到抑制，诱导物乳糖在
胞内的浓度下降，乳糖操纵子也就只
能处于阻遏状态之下。
由于这两方面的原因，造成葡萄
糖对利用乳糖的酶系的阻遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
氮源营养阻遏 指的是：高浓度的氨或某
些含氮有机化合物对催化含氮底物降解的酶
的阻遏的调节控制机制。 受这种控制的酶有
蛋白酶、酰胺酶、脲酶（尿素酶）和氨基酸
降解酶。 在曲霉菌中，控制氮源阻遏的基因
（ areA） 已被检出。这个基因为一个对转录
进行正控制的调节蛋白编码。这个调节蛋白
在解阻遏条件（如铵浓度低）下表现活性，
在阻遏条件（如铵浓度高）下失去活性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
高浓度的磷源（特别是正磷酸盐）
和硫源（特别是无机硫酸盐）也会对
某些酶发生营养阻遏。 例如，核酸酶
和磷酸酯酶通常受到磷酸盐的阻遏，
蛋白酶和硫酸酯酶常常受硫酸盐或含
硫氨基酸（ sulfur amino acids） 的阻
遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
营养阻遏的意义：微生物细胞在
其所处的环境条件下，利用其细胞中
已有的酶系首先降解最易利用的生长
底物，必要时才会去合成降解另一种
生长底物的酶系，体现了细胞运作的
经济性和自我保障机制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
⑶ 终端产物对其自身合成途径的酶的合成的
反馈阻遏（ repression ） 和弱化 ( attenuation )
的机制
化能异养型微生物细胞如果要在以葡萄糖
为碳源和能源的基本培养基中生长，那它就必
须合成所有要用来形成生物大分子的分子模块
（ building block）,如氨基酸、核苷酸等等。
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。如果在完全培养基中生长，微生
物细胞可以从其所处的环境获得分子模块，就
没有必要靠细胞自身来合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
微生物 调节合成代谢 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
胞内的原料和能量,对微生物的好处也是
显而易见的。
阻遏控制转录的开始，弱化控制转录
的中止 （也就是在已开始的转录的情况下
对结构基因转录机会的控制）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
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,也就是氨基酸合
成途径的终端产物（与合成途径相对应的氨基
酸）作为辅阻遏物 阻碍转录的发动（即转录的
开始） ；后者指的是叫做 弱化 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 和转录的中止，
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
转录前中止。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
图 4-5 酶合成的反馈阻遏模型
R,酶阻遏的调节基因； P,启动子； O,操纵基因； S1,S2,S3为生物合成途径的酶的结
构基因 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
图 4-5所示阻遏模型与诱导模型不同，
由阻遏酶的调节基因 Rr编码的原阻遏物本
身没有与操纵基因 O 结合的活性，它必须
受阻遏物（ 即终产物 ） 激活后才可与 O
结合。 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。
反馈阻遏与诱导模型最大的相似之处是：
效应物（这里指阻遏物）与调节蛋白（这
里是原阻遏物）的结合是可逆的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
（ 4）中心代谢途径的酶合成的调节
,诱导, 这个术语常常与分解代
谢酶有关,, 阻遏, 这个术语常常与
合成代谢的酶有关 。
中心途径是两用途径, 中心代谢
途径中的有些 酶的合成 也常常处于调
控之中 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
① 生长基质的种类和浓度的变
化引起的调控，如异柠檬酸裂合酶
（ IL） 和苹果酸合成酶（ MS ） 受
葡萄糖的 阻遏,受醋酸的 诱导 。
2010-5-16 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（ formate-nitrate 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
4.1.2.2 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
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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。
4.1.2.3 蛋白质水平上的调节
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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）。
2010-5-16 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。
2010-5-16 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 2,4,6 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。
2010-5-16 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 ）。
2010-5-16 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 。
2010-5-16 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
2010-5-16 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。
2010-5-16 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
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
表 4-4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：
2010-5-16 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 α-KG的
抑制,PDH 复合物还受到 AcCoA的抑
制。
2010-5-16 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
多数微生物的 PC也受 AcCoA的激活。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
图 4-12
大 肠 杆 菌中 酵
解 和 糖 原合 成
途 径 的 酶活 性
调节
I,抑制；
A,激活；
括号内是酶名
称的缩写
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
F-1,6-2P（ 即 FDP ） 是酵解和糖原形成途
径的关键分支点，它在细胞内的浓度是受到调
节控制的。 AMP 浓度的上升 （ ATP缺乏的信
号）会抑制糖原的形成，因为 ADP-Glc焦磷酸
化酶（图 4-12中 4 ）和果糖二磷酸酯酶（ 图 4-
12中 3）受到 AMP抑制。过量的糖将导致 FDP
浓度的上升，这将促进酵解，因为 PK和 PEPC
受 FDP激活（前体激活）。胞内 PEP的高浓度
是胞内有充足的 ATP 供应的信号,其结果是
PFK（ 图 4-12中 2）受抑制；同时，激活 ADP-
Glc焦磷酸化酶（图 4-12中 4），促进糖原的合
成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
⑷离心（合成代谢）途径的酶活性的调节
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。 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（图 4-13）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
图 4-13
大肠杆菌中天
冬氨酸族氨基
酸合成代谢的
调节机制的示
意图
I,抑制；
R,阻遏；
下标罗马数字
表示不同的同
工酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
①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。
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终产物的浓度控制。
多价变构酶往往处于多分支的分支途径的
共同途径上，它的效应物则是它的多个终
产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
②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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
③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，其共
同途径的第一个酶可能是同工酶。比如
大肠杆菌的 Asp 族氨基酸的合成途径是
有 3 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（ AK）
和高丝氨酸脱氢酶（ HD ） 分别由 3 个
和 2 个同工酶组成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
比如 AK的 3个同工酶 AKⅠ 受一个
分支的终产物 Thr的反馈抑制,AKⅢ
受另一个分支的终产物 Lys 的反馈抑
制。 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
④多功能酶对合成代谢的调节：
从图 4-13 可以看到，在大肠杆菌
中 AK 和 HD都是同工酶。研究结果证
明,AKⅠ 和 HDⅠ 酶分子由 4 个亚基组
成,2个酶的活性中心同在 1 个亚基上，
亚基多肽链的 N 端是 AK,C 端是 HD，
也就是说 AKⅠ 和 HDⅠ 同存在于一条
多肽链上,AKⅠ 和 HDⅠ 构成一个多功
能酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
⑸能荷（ energy charge） 与磷酸化位
对于合成代谢途径的调节方式和调节机
制已作了分析，合成代谢中最引人注目的一
种在蛋白质水平上的调节方式是反馈抑制，
也就是终产物对其合成途径的酶的反馈抑制。
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?
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
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）。
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
从上述推导过程可看到,能荷即 ATP、
ADP,AMP体系中高能键负荷的度量,其
数值在 0～ 1之间。当腺苷酸库中全是 AMP
时,EC = 0； 当全是 ATP时,EC = 1。 生
长中的大肠杆菌细胞的 EC = 0.8,当 EC＜
0.5时，细胞停止生命活动。一般说来,高
能荷抑制补充代谢能的酶系,同时激活消
耗 ATP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,同时激
活生成 ATP的酶系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
磷酸化位是另一个度量细胞能量状态
的参数。它与能荷不同之处是它在数值上
还决定于无机磷酸盐的浓度：
式中带下标的 c 分别表示下标对应的
腺苷酸或磷酸根的浓度。因为上式中包含
磷酸根，所以磷酸化位的值的范围较能荷
宽，这个值是细胞能量状态的更加灵敏的
指标。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
4.1.2.4 整个细胞水平上的调节
( 全局性调节 )
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
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，形成了一
个共识：操纵子并不是孤立地起作用，
而是作为高水平调节网络的成员发挥
作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
大肠杆菌具有在下列各种环境条件下生
长和生存的能力：从营养丰富的培养基转入
基本培养基（ minimal media ）； 改变碳源；
氨基酸供应受限制（ limitations ）； 供氧与
缺氧环境间的转换（仅对兼性微生物）；热
刺激（培养温度突然升高）（ heat shock ）；
会引起细胞饥饿的环境条件（如磷酸盐、氮
和碳源）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
细胞经受所有以上这些外界压迫
（ stresses ）,仍能在 DNA复制、细
胞生长和分裂之间维持所需的平衡。
把涉及细胞生理学的单方面调节
纳入对环境压迫协调响应中去的控制
方式称作全局控制 ( global contro1 )。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
图 4-15 全局调节网络
全局控制（ global
control） 是整个细胞
水平的调节。全局控
制是细胞利用调节信
号的与生俱来的能力 。
细胞利用调节信号控
制细胞生理学的诸多
方面，并对前述的任
何一种环境变化做出
协调响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
这样的调节网络包括多套 操纵子
（ operon） 和多套 调节子 （ regulon ）,
它们的功能表面上无关，在染色体图上
的物理位置也不连续。
在全局性调节网络中，各套操纵子
都被统一协调控制（见上图），尽管它
们在物理上分散在整个细菌基因组，并
且有时表现出完全不同的功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
应该注意某些用来描述全局性调节网
络的术语。 调节子（ regulon） 往往是指这
样一组受同一个调节蛋白的控制的基因，
虽然这些基因不像操纵子那样联在一起，
而是沿着染色体分散着。
全局调节子 ( global regulon)定义为：
在一个全局性调节网络中，处于一个共同
调节蛋白控制下的操纵子网络。然而，即
使简单的环境变化通常都会诱导几个调节
子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
激励子（ stimulon ） 是用来指称对应
于单一环境刺激的全部调节子，或者说，
用来描述对一个给定环境压迫作出响应的
所有基因、操纵子和调节子。为强调全局
性调节网络的错综复杂和相互覆盖的性质，
引入了术语 调整子（ modulon）, 并将它
定义为, 处于同一个多效性调节蛋白的
控制之下的操纵子和（或）调节子。它们
通过共享一个 多效调节蛋白,可在不同的
特定控制之下，引发不止一种效应。”
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
全局调节子由受控于同一个调节蛋
白的多个操纵子组成。 然而,一个全局
调节子的成员可能也是另一个全局调节
子的成员。
全局调节子上的所有操纵子响应环
境压迫的最简单的方法是产生信号分子
警报子（ alarmone）, 这种分子是在细
胞受环境压迫时累积的。警报子常常是
小的核苷酸分子，诸如 cAMP或四磷酸
鸟苷 (ppGpp)。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
这种全局调节网络（图 4-15）的存在
至少有两个理由。
第一，某些细胞过程所涉及的基因多
于一个单独的操纵子所能容纳的基因。以
细菌的翻译机构为例，它至少涉及 150 个
基因产物的集合，包括 rRNA,核糖体蛋
白,起始因子、延长因子及终止因子，氨
酰基 -tRNA合成酶和 tRNAs。 如此众多的、
相互关联组分的协调调节，对细胞生长的
总效率是很重要的，而且，将所有这些基
因包容在一个操纵子内也几乎是不可能的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
第二，尽管有些基因需要被独立调节，但
有 更高级的协调控制系统也是至关重要的 。这
些情况的例子常见于编码分解代谢酶的基因中，
而这些酶参与碳源和能源的利用。对大多数细
菌来说，葡萄糖是优质基质，当存在于生长培
养基时，它阻碍第二种或备用底物的代谢所需
酶系的表达（营养阻遏）。然而，在没有优质
基质存在时，每个操纵子都必备其对应基质存
在时独立诱导对应的降解酶系的能力。因此，
需要一个调节体系（ regulatory organization）
来替代单个操纵子的孤立的调节。
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
以研究的细菌代谢的全局控制的
机制有：⑴ SOS响应网络（可诱导的
修复）,⑵ 热刺激响应,⑶ 有氧及
无氧激励子, ⑷ 紧缩响应 。 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，以及蛋白
质分解的控制（即 Lon 蛋白酶）的调
节等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
细菌细胞通过代谢调节自动开
源节流的现象，已成为微生物细胞
的经济运行的有说服力的证据。
以上全局控制的机制的讲述要
求学生具有分子生物学的基础。此
处从略，必要时可在课外作专题讲
座。 课外讲座：, 微生物代谢的自
动调节》
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
4.1.3 微生物膜的自动调节
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
4.1.2.1 膜脂质分子结构与膜流动性
的关系
4.1.2.2 恒粘适应现象
4.1.2.3 膜蛋白质的活性和合成的调
节（参考 4.1.1）
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
4.1.2.1 膜脂质分子结构与
膜流动性的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
膜脂质分子结构与膜流动性的关系：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 。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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
图 4-16 含有不同脂肪酰基的磷脂的链的几何构型示意图
(a),饱和； (b),顺式单不饱和； (c),反式不饱和； (d)，
顺式双不饱和 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
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；
这样的磷脂形成的脂质双分子层即使
在 0℃ 以下,仍保持不整齐的状态。
双键越多，这种现象越严重。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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
在许多微生物的脂质分子中还普遍存
在着有分枝的脂肪酸或脂酰基。它们分别
来自两种不同类型的分支脂肪酸，即异式
或 前异式（ anteiso- ） 。 究竟属哪一种类
型的脂肪酸取决于甲基分支的位置，若脂
肪酸分支的碳氢链末端第二个碳原子前的
碳原子上有分支，则为前异式脂肪酸。 分
支的位置明显地影响脂质的流动性质,但
前异式脂肪酸参与磷脂分子结构，对于磷
脂分子的整齐排列的干扰较之异式结构更
大。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
4.1.2.2 恒黏适应现象
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
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，
这种现象叫做恒黏适应（ homeoviscous） 现象。
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
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。例如，大
肠杆菌 K12的生长（ 培养 ）温度的下降，将
导致膜脂质中不饱和脂的比例的上升。芽孢
杆菌和梭菌的膜脂质分子中大抵均含有分支
的脂肪酰基，这些微生物对温度变化的响应
或者是单不饱和脂的量的相对量的变化，或
者是异式与前异式之间的转变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
总之，嗜温微生物生长时，温度条件
的下降会导致膜中影响脂质分子整齐排列
的脂质分子的增加；当生长（培养）温度
上升时，则情况正好相反。从而使膜脂质
双分子层的流动性保持恒定（表 4-5）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
有了这种膜脂质黏度（流动性）的自动
调节机制，微生物就能在一个 较宽的温度范
围内生长 。从嗜温微生物脂肪酰基改变的性
质出发可以设想：在进化的过程中，只能在
高温或低温下生长的微生物已改变了这种自
动调节的范围，从而保证在这些极端条件下，
它们的膜脂质仍具有适当的流动性。 膜的流
动性是决定最高和最低生长温度的主要因素,
尽管膜脂质分子的组成并不是决定膜脂质流
动性的唯一因素。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
对许多嗜热和嗜冷微生物检测的
结果表明，在同一个分类学上的种内
与嗜温微生物相比，嗜热微生物的膜
脂质含有较高比例的直链饱和和异式
分支脂肪酸（酰基），嗜冷微生物含
有较高比例的链较短的饱和脂肪酸或
更加不饱和及有前异式分支的脂肪酸
链。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
因此，恒黏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（ 膜活性丧失）
或过分的流动化（ 膜失去屏障作用）。
如果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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
恒黏适应体现了微生物在膜的
自动调节方面的适应性和生存保障
作用。
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 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
然而，膜脂质的适应性改变，似
乎仅仅是决定特定微生物生长温度范
围的一个因素，因为磷脂分子极性头
的性质、膜中蛋白质与脂质的总的比
率似乎也要影响膜的流动性。
除了温度以外，能影响膜脂质流
动性的其他环境因子，如压力也能触
发恒黏适应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
4.1.2.3 膜蛋白质的活性和合成的调节
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
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及
膜上功能尚不清楚的功能性蛋白质。这里
仅介绍一些与跨膜输送有关的膜蛋白的研
究结果：
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
①在黄色短杆菌（一种用来生产氨基酸的
菌种 ）中：果糖激酶（ FK ） 几乎测不出
来，但在果糖的诱导下，可以合成果糖磷
酸转移酶系统（ PTS）,以基团转移机制
吸收果糖；并且在一缺失葡萄糖 PTS 的突
变株中观察到，这个 果糖 PTS 受到葡萄糖
的阻遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
② 粗糙脉孢菌中有两种葡萄糖输送系统：
一种是对葡萄糖亲和力较低的促进扩散系
统，这系统在以葡萄糖为碳源的培养基中
起作用。如果生长在低浓度葡萄糖培养基
中，另一种对葡萄糖亲和力较高的主动输
送系统被诱导出来。这是合乎微生物的节
约原理的，因为如果环境中葡萄糖较高时，
单靠结构性（组成型）的促进扩散系统便
能维持细胞内有一合适的糖浓度；而当环
境中葡萄糖浓度较低的情况下，亲和力高
的主动输送系统就可以发挥有效的吸收作
用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
③通常膜对 葡萄糖的磷酸酯 是不具通透性
的：但大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄
色葡萄球菌和某些其它细菌能形成一种 可
诱导的主动输送系统,以推动 6-磷酸葡萄
糖,2-脱氧 -6-磷酸葡萄糖,6- 磷酸甘露糖、
6-磷酸果糖,1-磷酸葡萄糖和 1- 磷酸果糖
的吸收作用。 外源的糖磷酸酯诱导该体系
的机制尚不清楚。
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
④ 大部氨基酸的输送系统是结构
性 （ 组成型）的：然而有些，特别是
输送系统中含 周质结合蛋白 的 （ 在大
肠杆菌中，周质蛋白参与 Glu,Gln、
His,Cys,碱性氨基酸和分支氨基酸
的吸收 ），其 结合蛋白是可以阻遏 的。
在某些细菌中 也偶然可发现 可诱导的
输送体系 （ 其功能是组成型体系的双
倍）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
粗糙脉孢菌除了有分别用于中
性、碱性和酸性氨基酸的专一性的
输送（吸收）系统，还有第四种非
专一性的吸收系统。 这些输送系统，
在氮源耗竭的条件下诱导产生，在
培养基中有充足的氮源存在时这些
输送体系受阻遏。
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
通常氨基酸的结构类似物（它
们常常强烈地抑制微生物的生长）
能被对应的氨基酸的吸收体系吸收，
因而氨基酸结构类似物可用来筛选
结构类似物抗性突变株（调节突变
株）和对应的输送（吸收）系统缺
失的突变株。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
⑤构巢曲霉通过 两种控制系统来调节
氨的吸收,第一种吸收系统不受环境中氨
浓度的调节，氨的吸收速率决定于细胞内
的氨浓度，直到细胞内的氨浓度超过某一
定值才停止吸收。第二种吸收系统受氨的
阻遏或抑制，而氨的存在还会使其他含氮
化合物不能被利用。具备这两种吸收系统
对这种微生物是有利的。当环境中缺少氮
源时，两种吸收系统都起作用；当环境中
氮源丰富时，只有一种系统起作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
⑥硫酸盐、磷酸盐的吸收系统及其调节：
在真菌中,对硫酸盐有两种吸收系统,它们
均受到 Met的阻遏。载体 Ⅰ 对硫酸根的亲和
力较弱，主要存在于孢子中；载体 Ⅱ 对硫酸
根的亲和力要强得多，主要存在于菌丝体中。
对磷酸盐也有两种吸收系统,一种具有高亲
和力,只在磷酸盐饥饿时才被诱导出来 ；另
一种是低亲和力系统，它能在磷酸盐充足的
条件下仍维持生长。
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
4.1.4 微生物代谢途径的调节模式
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
在第三章（代谢网络假设）已全面讨
论了化能异养型微生物对有机化合物的分
解代谢和合成代谢的途径，绘出了从葡萄
糖到各种细胞物质的代谢途径。代谢途径
与跨膜系统是代谢网络的两个重要组成部
分。一条代谢途径的终产物，可能是另一
条代谢途径的起始物，因此代谢途径的终
端产物是相对的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
微生物代谢途径的调节方式是多种
多样的，为了研究的方便，建立了 21种
调节模式。把酶（已存在的）的活性的
调节方式归纳成 3 类，覆盖 10种调节模
式；把酶分子的数量的调节方式也归纳
成 3类，覆盖 11种 调节模式。 以上 代谢
途径的调节方式 的讲述涉及动态生物化
学。此处从略，必要时可在课外作专题
讲座 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
4.1.5 信息传递与信息流
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
本书推出的 3 个假说分别从能量，物
质和信息 3 个角度对微生物细胞正常运转
的驱动系统，操作系统和控制系统进行了
深入的探讨。 然而这三个假说是互相联系，
相互依托，协调统一的。 用矛盾的对立统
一的观点来全面认识物质，能量和信息之
间的关系，树立发酵工程的科学发展观，
在信息技术飞速发展的今天尤为重要。 我
们对生物信息的渴望尤为强烈，因为只有
它能给我们带来工业发酵划时代的变革。
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
4.1.5.1 遗传信息流和理化信息流
4.1.5.2 多基因系统处理信息的功能
4.1.5.3 借助于磷酸化作用实现的信号
转换
4.1.5.4 代谢网络的调节（ regulation of
metabolic networks）
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
4.1.5.1 生物信息流和理化信息流
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
可以把微生物细胞看作是 信息
处理器,它们 复制 和 传递 自己的生
物信息,接收 细胞内外的物理、化
学甚至生物信息，并在对这些信息
流进行 综合处理 的基础上,发出代
谢调控的指令，控制微生物细胞自
身的生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
⑴生物信息流
生物体（包括微生物）的生长、代
谢、分化、发育的过程，始终是其自身
储存遗传信息表达、加工及传递的过程；
实质上微生物细胞的生物信息流主要是
遗传信息流，细胞遗传信息的一部分，
从基因组到基因（ DNA）,到 mRNA，
到多肽，到酶和功能性蛋白质，就是 生
物信息流传递的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
⑵理化信息及理化信息流
培养基配方（包括成分和浓度）、
pH 值、温度、溶解氧浓度等都属于理
化信息,理化信息 还有胞外胞内之分。
理化信息从微生物的环境传递到细胞内
适当的信息接受器的过程，形成理化信
息流。
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
⑶微生物细胞的生物传感器
理化信息流与遗传信息流的交汇，借
助于各类 生物传感器,它们中相当一部分
是 变构蛋白或变构酶,例如，诱导模型中
的 阻遏蛋白,葡萄糖营养阻遏模型中的 环
腺苷酸受体蛋白（ CRP） 和阻遏模型中的
原阻遏物 等都属于变构蛋白； EMP 途径
中的磷酸果糖激酶（ PFK） 和 HMP 途径
中的 6-磷酸葡萄糖脱氢酶（ G6PDH ）、
6- 磷酸葡萄糖酸脱氢酶（ 6PGDH ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
4.1.5.2 多基因系统处理信息的功能
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
多基因系统的一个重要的特性
是处理信息的功能，这常常是通过
蛋白质与蛋白质相互作用来执行的
一种功能。细菌对环境刺激响应的
遗传及生化分析表明，响应这种刺
激的信号转导常常是通过两类蛋白
质对之间的通讯而发生的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
每对蛋白都由传感器蛋白和调节器蛋
白组成，传感器蛋白能够检测环境的变化
进而将信号传送到与其合作的调节器蛋白。
随后受感应的调节器蛋白将影响（正面地
或负面地）某几套操纵子的转录起始。 在
每类信号转导蛋白成员之间已观察到相当
大的同源性。在多数情况下，传感器蛋白
C- 端的保守区域延伸到超过 250 个氨基酸，
而调节器蛋白 N-端的保守区域延伸到超过
120个氨基酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
据估计，细菌细胞已演化出几百个多基
因系统。但至今仍几乎没有对它们进行深入
研究。书上表 4-6 列出了不同细菌的一些实
例，按细胞对营养限制的响应、对氧化还原
状态变化的响应、对不利环境条件的响应等
三大类安排条目。显然，细菌已演化出了各
种各样的全局性调节机制，对这些机制的解
释刚刚开始。毫不奇怪,这种调节网络的许
多组成部分，诸如蛋白阻遏物、激活物或 σ
因子，都是从操纵子调节系统借用的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
热刺激响应系统和芽孢形成系统利用
σ因子 改组 RNA聚合酶,使它能识别成员
操纵子的启动子。
SOS 响应网络、氧化损伤和无氧电子
传递系统 （ anaerobic electron transport
systems ） 等则 利用蛋白阻遏物或蛋白激
活物,来识别位于每个成员操纵子控制区
的一段特定序列。而最普遍、最难理解的
操纵子之一 —— 紧缩控制系统，它没有明
显的蛋白调节物，而是利用核苷酸鸟苷四
磷酸（ ppGpp） 作为全局性调节分子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
4.1.5.3 借助于“蛋白质 -蛋白质”
相
互作用的多基因系统
2010-5-16 张星元：发酵原理 169
这是一种典型的“蛋白质 -蛋白质”
相互作用的多基因系统,它借助于磷
酸化作用，实现的信号转换 （ signal
transduction by phosphorylation ） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 170
许多多基因系统含有一种成对的蛋白质，
组成对子的双方分别属于两个蛋白质系列。
在一个典型的, 传感蛋白 -调节蛋白
（ sensor-regulator ）,二元调节系统中，一
个跨膜的功能域把传感蛋白分离成能感受特
定的环境刺激的周质功能域（ periplasmic
domain）,随后诱发其羧基端的自动的磷酸
化。蛋白质激酶（ PKS ） 是第一个蛋白质系
列的成员，因 ATP的磷酸基团向该酶的组氨
酸残基的转移而被磷酸化：
ATP +（ PK-His） →ADP + （ PK-His-P）
2010-5-16 张星元：发酵原理 171
第二步是磷酸基团被传递到与其配
对的调节蛋白的氨基端。在这一步，这
些磷酸基团又被转移到蛋白质系列的第
二个成员（磷酸化响应调节蛋白 PRRS）
的天冬氨酸残基上：
（ PK-His-P） + （ PRR-Asp）
→ （ PK-His） + （ PRR-Asp-P）
2010-5-16 张星元：发酵原理 172
最后一步，从磷酸化响应调节蛋
白的磷酸天冬氨酸残基上水解除去该
磷酸基团,
（ PRR-Asp-P） → （ PRR-Asp） + Pi
在一个典型的微生物细胞中，估
计可能存在 50种这样的转换系统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 173
已经发现在微生物世界广泛存在
着通过磷酸化发信号的现象。这种信
号系统调控着各种各样的功能 （书中
表 4-7 ），诸如基因表达、趋化性或
发育途径等。组氨酸蛋白质激酶系列
成员具有保留 （ conserved ） 的羧基
端，而 PRRS 则在氨基端附近具有大
约 100 个 氨基酸残基的保留功能域
（ conserved domain）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 174
这种保留的重要意义在于，在某些
情况下可以允许不同系统之间的相互作
用。例如：在 phoR 突变株中（即带有
已破坏的 phoR 基因的细胞，因此而缺
乏蛋白质 PhoR 活性）,phoM 基因的
产物（ 显然是另一种 PK ） 在对 PhoB
（ PRR） 的修饰中，可部分替代有缺陷
的 PhoR 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 175
作为这种交叉对话的结果，一种
适应性响应，可能容许细胞通过交叉
磷酸化，而部分地激活一个同源的系
统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 176
尽管在调节网络（ regulating networks）
中,蛋白质 -蛋白质,相互作用是非常重要
的，但是不同操纵子的组合被协调的方式是
多种多样的。例如，大肠杆菌对热休克的响
应是受 RNA 聚合酶的一种 σ32 因子的细胞
水平的控制的,σ32 水平的升高可诱导一套
基因（约 20 个）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 177
能够诱导大约 20个 DNA修复蛋白的
SOS 系统，是通过成员操纵子的 共同阻
遏物蛋白的裂解 而实现诱导的。还有第
三种机制，一套基因（约 12个左右） 受
氧化性伤害的诱导作用 是通过正调节蛋
白 OxyR 的激活而引起的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 178
4.1.5.4 代谢网络的调节
（ regulation of metabolic networks）
2010-5-16 张星元：发酵原理 179
代谢调节的实质就是反应速率（作为控制
变量）对各种信号的响应。有代表性的信号通
常包括代谢物、效应物及其他调节分子的浓度。
这种控制系统的基本性质是，它们的实际输出
仅由信号决定，因而与该控制系统各个组分的
性质无关。就像控制液体流动的阀门，受到反
馈调节的酶反应的通过能力小于可能达到的最
大的流量，而通量本身仅取决于所收到的信号。
虽然酶和信号的总量分别决定了最大通量及实
际通量的大小，但该控制的动力学性质是特定
调节机制的函数。
2010-5-16 张星元：发酵原理 180
在包含不止一种酶的一条代谢途径中，
途径中的流量是由途径中各个酶的动力学
及调节来决定的。对于中心碳代谢板块的
途径（如糖酵解和 TCA循环），虽然这些
酶不是以物理方式组织的，但它们在化学
框架中被高度组织起来。在某些情况下，
途径流量由存在的某一个酶的总量所控制，
该酶的量低得堪称速率控制步骤。在另一
些情况下，途径的流量控制分摊在几个酶
上，而途径中其他反应进行得很快，结果
成了受底物或辅因子浓度的限制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 181
在这种代谢框架中，催化活动不是酶
的唯一功能，因为它们在途径流量的调控
中也起着重要作用。尽管不必在物理上接
触，但每个酶可通过特定的化学信号（如
底物、产物或特定调节物如 ATP,NADH
等的浓度）被告知代谢途径的状态，这些
化学信号控制酶反应速率，进而扩大到控
制途径流量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 182
在一个有功能的细胞中，反应速率必
须被非常精确地调整。因此，很容易把变
构酶看做动态的实体，酶分子的结构对在
底物和变构激活剂、抑制剂水平的相当小
的变化做出响应。这些结构改变是通过改
变酶与其底物的亲和力而影响酶活性的，
这显著地不同于通过酶与抑制剂的共价结
合而引起酶的失活。
2010-5-16 张星元：发酵原理 183
催化非平衡反应的酶的识别，可能为
网络的调节控制提供线索。理解代谢控制
的困难之一在于调节酶的确定，因为在某
种程度上，一条途径中所有酶的活性都需
与通过途径的流量改变相协调。于是，关
键问题就变成是否存在一种酶（主控酶），
其首先对原始代谢信号做出响应，从而在
剩余的一些酶（从属酶）的活性中引发次
级响应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 184
为识别调节酶而导出的一系列准则简述
如下：
①这种酶应当催化非平衡（不可逆）反应。
一个“非平衡酶”具有低的催化活性，因此
其能限制通过途径的流量。另一方面，
,平衡酶, 被认为是过量的，而且，途径
的流量不会对其扰动做出显著的响应。
②这种酶应当具有调节性质，例如变构位点。
也可能没有单独的调节酶存在，但宁可说一
条途径中几种酶的活性是先后响应于变化着
的条件和随之引起的代谢信号而改变的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 185
对于处于“基础”水平的在控酶
（ controlling enzymes ）,酶浓度的微小增加
可能使通过途径的流量成直线地上升。然而，
酶浓度的增加超过某一水平则就无效了，为了
优化和协调流量，就需考虑其他因素。根据经
验,在大多数场合下，将某特定酶的转录水平
增加 10倍以上是不实际的。从细胞经济观点来
看，这是十分重要的，因为细胞的资源是有限
的，许多途径之间存在着对于同样的前体库的
竞争性需求。
2010-5-16 张星元：发酵原理 186
例如，对某一分子模块的需求突然
下降时，为了防止积压，就应该把产生
这种特定单体的酶的水平和活性都降下
来。利用放射性标记的化合物对于在基
本培养基中生长的细胞进行的示踪实验
显示，在某种氨基酸加入后的几秒钟内，
所有流向该氨基酸的生物合成途径的碳
架流都停止了；体现了 细胞的经济性 。
