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本课件展开发酵学第三假说，先建立细胞经济体系的微生物学与分子生物学基础，依次讲解代谢调节的三种部位、酶在转录与翻译水平的调节、微生物膜的自动调节以及代谢途径的调节模式。
第四章 发酵学第三假说细胞经济假说
本页标示本节主题，正文由此展开微生物细胞是远离平衡状态的论述。
本章提示：
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第一节 细胞经济假设的微生物学与分子生物学基础
第一节 细胞经济假设的微生物学与分子生物学基础
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
4.1.1 微生物细胞中代谢调节的部位
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。
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。
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。
本页为4.1.1.1 真核生物与原核生物的调节系统的章节分隔页，标示本节讨论主题，正文由此展开4.1.1.2原核生物细胞的论述。
4.1.1.2 原核生物细胞的代谢调节部位
本页标示本节主题，正文由此展开⑴与细胞质膜密切相关的论述。
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。
与膜密切相关的调节主要包括以下4个方面：
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。
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。
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。
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。
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。
本页位于「4.1.1.3 真核微生物细胞的代谢调节部位」一节范围内。
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。
4.1.2 微生物酶
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。
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。
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。
4.1.2.1 转录水平上的调节
本页标示本节主题，正文由此展开⑴酶的诱导的论述。
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；S：
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。
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。
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。
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）。
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。
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，ⅢGlc 浓度下降，葡萄糖PTS的ⅢGlc—P浓度上升。
较低的ⅢGlc 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ⅢGlc—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。
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）。
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ⅢGlc 的磷酸化状态（ⅢGlc-P ）的激活（图4-4 ）。
当受PTS 输送的葡萄糖浓度高时，因子ⅢGlc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。
与此同时，因子ⅢGlc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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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；S：
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
4.1.2.2 翻译水平上的调节
本页标示本节主题，正文由此展开这里包括两层意思的论述。
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。
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. 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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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）。
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。
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
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。
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
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：
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。
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
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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?
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。
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。
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。
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 =：
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。
4.1.2.4 整个细胞水平上的调节
本页标示本节主题，正文由此展开作为基因调节的一个例子的论述。
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。
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）。
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 )。
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。
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。
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。
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。”
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)。
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。
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。
以研究的细菌代谢的全局控制的机制有：
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》
4.1.3 微生物膜的自动调节
本页标示本节主题，正文由此展开膜脂质分子结构与膜流动性的关系的论述。
4.1.2.1 膜脂质分子结构与膜流动性的关系
4.1.2.1 膜脂质分子结构与膜流动性的关系
本页标示本节主题，正文由此展开膜脂质分子结构与膜流动性的关系的论述。
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。
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。
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。
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。
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。
4.1.2.2 恒黏适应现象
本页标示本节主题，正文由此展开已经发现嗜温微生物的论述。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
4.1.2.3 膜蛋白质的活性和合成的调节
本页标示本节主题，正文由此展开除了被动扩散以外的论述。
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。
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：
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
4.1.4 微生物代谢途径的调节模式
本页标示本节主题，正文由此展开在第三章的论述。
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。
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。
4.1.5 信息传递与信息流
本页标示本节主题，正文由此展开本书推出的3 个假说分别从能量的论述。
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。
4.1.5.1 遗传信息流和理化信息流
4.1.5.1 生物信息流和理化信息流
本页标示本节主题，正文由此展开可以把微生物细胞看作是信息处理器的论述。
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。
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。
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。
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 ）。
4.1.5.2 多基因系统处理信息的功能
本页标示本节主题，正文由此展开多基因系统的一个重要的论述。
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。
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。
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。
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。
4.1.5.3 借助于“蛋白质-蛋白质”相互作用的多基因系统
本页标示本节主题，正文由此展开这是一种典型的论述。
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 ）。
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）
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）
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。
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）。
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 。
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。
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）。
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。
4.1.5.4 代谢网络的调节
本页标示本节主题，正文由此展开代谢调节的实质就是反应速率的论述。
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。
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。
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。
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。
为识别调节酶而导出的一系列准则简述如下：
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。
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。
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