生物工程_生物技术专业英语课文翻译_
2.3.5 甲烷和甲醇
少数(细菌和酵母)被称为甲基营养菌的微生物能够利用甲醇作为唯一的碳源;到目前为止,只发现一小部分细菌具有
利用甲烷的能力,称为甲烷营养菌。极少数微生物能利用甲酸为碳源。这三种化合物的代谢是相关的,被最终氧化为CO 2,它们合成细胞物质的机制与自养CO 2固定化作用机制是不同的。
[能够利用CO 2作为唯一碳源的包括进行光合作用的植物与微生物和很少一部分无机化能营养型细菌,其是利用无机化
合物的反应作为能量的来源。这些生物目前在生物工程中的应用较少。若想进一步了解CO 2自养固定化的读者可参阅任何一本生物化学课本,但必须注意到,至少有两种不同的代谢途径:卡尔文循环和还原性羧酸循环。]
甲烷的氧化过程为:(反应式)
第一步是通过一种氧合酶与NADH (或NADPH )辅因子来进行,(与上述高级烷烃的氧化相比较)。
氧合酶(3种蛋白质复合物)也可以氧化其它多种化合物,包括多种烷烃甚至甲醇本身。
接下来的第二步反应由甲醇脱氢酶催化,以一种新发现的物质吡咯并喹啉醌为辅因子。
在某些细菌中,甲醛进一步转化为甲酸的过程被同种酶催化;而在另一些细菌中,有一种独立作用的甲酸脱氢酶,NAD
是它的辅因子。
最后一步反应是将甲酸转化为CO 2,它是通过甲酸脱氢酶来催化进行的,伴有NAD +的还原过程。
来自甲醇或甲烷中的碳同化为细胞物质甲醛,经过两种独立的代谢途径:一磷酸核酮糖循环和丝氨酸途径,分别如图
2.11和2.12所示。
单磷酸核酮糖循环与卡尔文循环相似,都是通过磷酸戊糖途径的反应进行CO 2自养固定化而生成以后的C 1化合物受体,只多了两种酶:磷酸己糖合成酶和3-磷酸己糖异构酶。
丝氨酸途径中的关键酶是:生成乙酰CoA 和甘油的苹果酰CoA 以及丝氨酸转甲基酶,这是一种广泛存在的酶,作用于
四氢叶酸(四氢叶酸是一种辅因子,可形成必需的活化C 1中间产物,N 10-甲酰四氢叶酸,而后乙醛酸途径利用乙酰CoA 。所以细胞就可在C 2底物上进行生长。异柠檬酸裂解酶去阻遏从而确保C 3单元的生成。
酵母中,磷酸戊糖循环又进一步发生了一些变化,甲醛与5-磷酸木酮糖反应生成了3-磷酸甘油醛和2-羟基丙酮。此反
应过程由转酮酶催化,完成甲醛循化同化过程唯一需要另外加入的酶是一种新的激酶,它将二羟基丙酮转化为二羟基磷酸丙酮。
2.4 葡糖异生作用 时候,在丙酮酸的代谢水平或者低于该水平(例如脂肪烃、乙酸、乙醇或者乳酸),对有机体来说,就必须合成各种糖类以满足其代谢需求。这被称为葡糖异生作用。
尽管糖酵解途径中的大部分反应都是可逆的,但那些被丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶催化地反应则是不可逆的,对细胞
来说,就要避开这种阻碍。
一般而言,磷酸烯醇式丙酮酸不能由丙酮酸形成,尽管在少数有机体内存在一种磷酸烯醇式丙酮酸合成酶可以催化这
个反应。
通常,草酰乙酸作为磷酸烯醇式丙酮酸的前体物质。
这个反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化进行,它是葡糖异生作用中的关键酶。已经讲过草酰乙酸的生成,果糖二磷
酸化酶的作用可避开磷酸果糖激酶的不可逆作用的性质(其作用产生1,6-二磷酸果糖)。
从这一点来看,通过终止糖酵解途径可积累己糖,通过磷酸戊糖循环又可生成C 3和C 4糖,葡萄糖不是葡糖异生作用
的终产物, 然而6-磷酸葡萄糖被用来合成细胞壁组分,和各种细胞外物质及储备多糖。
2.5 好氧生物的能量代谢
在葡萄糖代谢和三羧酸循环中已经讲过,如何把各种代谢中间产物的氧化过程与辅因子(NAD +、NADP +、FAD +)
还原为其还原型(NADH 、NADPH 、FADH )的还原反应过程联系起来的。这些产物的还原性是由一系列复杂的反应过程而是释放。这个反应过程最终与空气中氧气的还原相关。在这个反应过程中,由电子传递上的ATP 或者2-3个具体位点上的无机磷而生成A TP ,这取决于最初还原剂的性质。如图2.14,总反应式如下:。。。。。。。
每摩尔葡萄糖经过恩伯纳-迈耶霍夫途径所生成的A TP 和丙酮酸经三羧酸循环产生的A TP 总结于表2.1。
能够被生物利用的A TP 形式的能量是在膜上产生的,可以是真核细胞的线粒体膜或者是细菌细胞的细胞质膜,其产
生过程大致相同。具体差异根据个体差异而不同。电子传递链的主要成分是黄素蛋白,醌和细胞色素。细胞色素具有还原性(接受氢离子或者电子),经过氧化可以有效释放电子到下一个载体上。每个载体都有不同的氧化-还原能,大约可以从NADH/NAD+反应的320摩尔到1/2O2/H2O 终反应的800mV 。在电子传递链上的特定位点,两个相邻电子载体的氧化-还原能差就已足够进行可逆反应:。。。。向合成ATP 的方向进行。这个过程需要一种复杂的多亚基酶A TPase 的协助。
有两种原理来说明A TPase 是怎样作用的。在化学渗透学说中,过去二十年里米歇尔对其进行了发展,认为电子传递
上的各组分是跨膜排列的,由于质子从一边向另一边移动,这样便产生了pH 和电子浓度梯度。质子跨膜运动就推动了A TPase 反应合成A TP 。ATPase 是定向作用的,质子只能从一边靠近催化位点,图2.15对这个概念进行了简单说明。
ATP 合成的第二种解释为,电子传递链上的载体与假设的将要被活化的中间产物相互作用使A TP 磷酸化。这种中间产物称为偶联因子。 两种理论个具有优缺点,都可以解释不成对氧化磷酸化作用产生的影响,如鱼藤酮、安必妥、抗霉素A 等。它们可
以阻止A TP 的合成。
2.6 厌氧生物能量生成过程
在2.5部分中所说的A TP 生成过程需要供应氧气。某些有机体则可以用磷酸盐,另一些则用硫酸盐或铁离子来代替氧气
分子,而且如果在培养集中,这些物质被大量供应,那么有机体利用电子传递体在没有空气的条件下仍可以生成A TP ,从而进行厌氧生长。如果没有合适的电子受体,或者(如大多数细菌)有机体缺少这类物质,那么一旦缺少氧气,有机体将不能以这样的方式合成A TP 。所以,进行厌氧生长的有机体就必须将A TP 合成反应与能量生成反应相联系,才能获得A TP ,这被称为底物水平磷酸化。这只发生在有限数量的反应中。反应自由能的变化必须能够进行ATP 磷酸化反应。其中最为重要的反应归纳于表2.2。
这6种反应,其中后3种只对少数生物体来说是重要的。表2.2中其它的3个反应中,反应1与反应2涉及糖酵解的中
间产物,涉及乙酰磷酸的反应3广泛存在于厌氧有机体中。乙酰磷酸由乙酰CoA 与无机磷反应而合成,它还是被磷酸酮醇酶作用的。
乙酰CoA 可以由乙酰乙酰CoA 降解而生成,或者由丙酮酸经3种反应中的一种而生成:丙酮酸脱氢酶反应,丙酮酸甲
酸裂解酶反应,铁氧还蛋白氧化还原酶反应,该反应与丙酮酸脱氢酶反应产生同样的产物,但是用到了一种铁硫蛋白,铁氧还蛋白不是NAD +作为还原剂(还原型铁氧还蛋白被氢化酶还原为铁氧蛋白,释放出氢气)这三种酶中,后两种对氧敏感,当含有它们的有机体被暴露于空气中的时候,它们便会迅速失活。
越来越多的证据表明,电子传递磷酸化同样可以进行延胡羧酸还原酶的反应。这种酶对于某些产甲烷菌,还原硫酸盐的
有机体及进行氢气与二氧化碳发酵的氢化菌来说大概是重要的。反应:。。。。。,氢原子可以由各种辅因子提供,包括NADPH ,而某些有机体如大肠杆菌、其氢原子的生成经过了电子传递链,即使与好氧有机体中的电子传递链不同,但也至少是类似的。因此,尽管没有氧气,有机体仍通过偶联不同的反应从而生成A TP 。
所有的厌氧有机体都面临两个问题:第一,在氧化磷酸化作用中,缺少将NADH 或NADPH 的再氧化与A TP 的生成相
联系。每摩尔底物所生成的A TP 量比好氧代谢产生的少。第二,不能将NADH 的氧化与氧气的还原相联系,这样如何进行这个重要的反应就成为一个问题,当所有的NAD +不可逆的转化为NADH ,代谢过程也就很快被停止。 厌氧生物采用很多方法使还原型辅因子重新被氧化。其中的核心部分为:。。。
这里,由AH 2 B 是补充还原反应所必需的,
也直接来源于底物;BH 2氧生物必须积累还原型代谢产物从而能够进行任何底物的降解过程。而且,就像已经说明的那样,既然厌氧生物从降解底物后获得极少的A TP ,那么还原型代谢产物的积累与合成的细胞物质必将有极大的联系。以这种方式进行的厌氧代谢将在后面内容中讲述。
2.7 厌氧代谢
选择底物来氧化还原剂,例如NADH 、NADPH 、FADH 2是非常普遍的现象,同时产生相应的各种终产物,因此对厌
氧代谢途径的描述也就是个体将积累何种终产物的描述。这些终产物例如乙醇有着很高的商业价值。即使是在厌氧条件下,葡萄糖仍是生成丙酮酸,但是只有小部分丙酮酸进入三羧酸循环从而生成用来合成主要的细胞物质的中间体。三羧酸循环反应只提供这些中间体而不生成能量,通常,三羧酸循环不会完全发挥作用,尤其是α-酮戊二酸脱氢酶不作用,因此,这个循环成为一个铁蹄形,其中草酰乙酸转化为琥珀酸,而柠檬酸转化为α-酮戊二酸。
2.7.1发酵产酒精
在酿酒酵母这样的酵母菌中,氧化剂是缩醛;从葡萄糖转化的丙酮酸大部分转化为酒精。(反应式)
1摩尔葡萄糖可生成2摩尔丙酮酸;产生的酒精可以重新氧化在磷酸丙糖脱氢酶反应过程中生成的NADH ,总的化学计
量如下式:
ATP 为酵母细胞的生长提供能量,但是由表2.1中比较得知,每摩尔葡萄糖在好氧条件下转化的量少于5%。
葡萄糖通过磷酸戊糖途经主要的代谢产物为必需的C 5和C 4糖,经过这个过程摩尔葡萄糖仅能生成1摩尔的丙酮酸,同
时产生2摩尔NADPH 和1摩尔NADH 。这些附属的还原性物质必须与其它反应相连从而被重新氧化。
这些反应中最重要的反应过程是脂肪酸的形成,它们是化学合成的还原性化合物,其合成过程需要大量的相应的还原性
物质。
某些细菌也可进行生产酒精,通常还伴有其他终产物的生成,某些霉菌也能生产酒精,而且厌氧条件一般对生产最大量
的酒精来说是必需的。如果产酒精的有机体可以像酿酒酵母那样进行好氧生长,那么一旦通入氧气,积累的酒精就常常被细胞吸收并以醋酸的形式作为生长底物而被利用。
2.7.2 乳酸发酵
发酵产乳酸的过程是仅次于酒精发酵的过程,对于食品工业均具有重要的历史意义。
除乳酸外,杂发酵乳酸菌生产各种还原性化合物,而且没有主要的糖酵酶-醛缩酶;而使用磷酸酮醇酶,它是生成乙酰
磷酸的酶。在厌氧条件下,乙酰磷酸经过生成A TP 的过程而转化为酒精和乙酸,酒精重新生产NAD +。磷酸酮醇酶的另一个反应产物是3-磷酸甘油,其通过普遍的糖酵解系列反应转化为丙酮酸,然后经过乳酸脱氢酶的作用转化为乳酸。
单纯乳酸菌也进行这样的反应过程;这类有机体没有磷酸酮醇酶,结果乳酸是位的终产物。某些乳酸杆菌生产D-乳酸,其他的则生产L-乳酸,而另一些乳酸杆菌则生产两种乳酸的混合物,主要是乳酸脱氢酶的不同。
2.7.3 丙酸发酵
丙酸菌,例如在格鲁–耶尔奶酪中发现,经过一系列以甲基丙二酰CoA 为中间产物的反应,可将丙酮酸转化为丙酸。
在特殊的转羧化反应中,被用作丙酸的直接来源。
甲基丙二酰CoA 经过内部转羧化作用,由琥珀酸CoA 形成,可由草酰乙酸重新生成(经苹果酸、延胡羧酸和琥珀酸),
同时2摩尔NADH 被氧化NAD +。在某些羧状芽孢杆菌中,丙酸可由丙酮酸经乳酸和丙烯酸直接生成;这个转化过程又将2摩尔NADH 重新氧化。
2.7.4 丁二醇发酵
。。。。。。。。。。2摩尔丙酮酸经过浓缩最终生成2,2-丁二醇, 只有最后一步反应与NADH 的氧化相联系,因此,1摩尔丙酮酸只生成0.5摩尔NAD +,这些有机体也可将丙酮酸转化为其他产物包括乳酸和甲酸。
2.7.5 甲酸发酵
在不同的细菌体内,丙酮酸部分转化为乳酸,部分转化为乙酰CoA+甲酸。后一种反应被称为磷酸裂解反应,甲酸能
够少量积累但常常被甲酸水解酶转化为CO 2+H2。这种从丙酮酸到乙酰CoA 的途径,其优点是它不生成NADH 从而避免了必需的再氧化过程。乙酰CoA 经过醛脱氢酶作用转化为乙醛。
将乙醛还原为乙醇的过程通过进一步的NADH 来完成。注意这种生成酒精的过程与酵母产酒精过程是不同的。
2.7.6 丁酸发酵
历史上,丁酸、丙酮和propan-2-ol 的生产过程是最古老的精细发酵过程,i.e. 从利用已知单菌株进行的发酵过程规律
发展而来。这类葡萄糖代谢的终产物经过图2.17的代谢流程,由羧状芽孢杆菌进行生产。
有一些不同的是,某些羧状芽孢杆菌生产丁酸、乙酸、CO 2和H 2;而另一些则主要生产丙酮而不是propan-2-ol ,
由于所选用的物种和菌株以及培养条件的不同,终产物所占的比例也就发生变化。
2.7.7 miscellaneous
2.8 生物合成与生长
微生物细胞可以利用简单的营养物进行自身的繁殖,生物细胞用以完成这个过程所利用的途径数目是巨大的。一个细
菌细胞可能包含有100多种酶,而真核生物细胞含有的酶的种类大约为细菌中的2倍。细胞中所有的大分子物质是由100多种单体而组成的(蛋白质、核酸、多糖等)。图2.18总结概括了这些单体物质生物合成途径(氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸、糖等)。这些生物合成途径是相互联系的,都依赖于有足够量的必要的中间体。然而,我们无法说明这些途径的特点,关于它们研究普通生物学的部分,这方面的参考书也较多。因此,由于特定的代谢途径与具体的发酵过程相联系,我们将在合适的章节中进行讲述。
由于细胞所进行的代谢活动是以平衡方式进行的,因此所产生的终产物不会过量也不会不足,这种过量与不足都是不
利的。为生物细胞必须能够对周围环境的变化做出调整,同时也要充分利用供给的氨基酸、嘌呤和嘧啶。这是自然习惯常会发生的情况,也是一个复杂的营养物作为生长底物被利用的场所。这些营养物含有大量的含碳化合物,因此,细胞可以通过停止合成已经足量的物质来保存碳和能量,而且通过停止合成多余的酶进一步实现节约,因此就有了两种完全不同的作用方式——酶活性的调控和酶合成的调控,通过这两种方法,细胞就能够调控各种化合物的合成过程。相同的调控机制也用来对合成过程进行平衡,甚至在没有天然物质供给的情况下。这种控制机制在这个部分讲述。
2.8.1 控制机制
2.8.1.1营养物的吸收
细胞代谢控制从细胞吸收营养物的调控开始。大部分营养物,除了氧气与极少数含碳化合物以外,都是通过特定的传
递机制而被吸收的,因此,这些营养物在细胞外的稀释液在细胞中得到浓缩,这种“主动传递”过程需要能量供应。这个过程是可以控制的,一旦吸收到细胞内的营养物的含量达到了所需要的浓度,就会停止后面营养物的摄入。
2.8.1.2 区分
第二种形式的代谢控制是利用细胞间隔或是细胞器以实现对代谢产物库的分隔,最明显的例子是真核细胞的线粒体把
三羧酸循环反应与细胞质中的反应分隔开来。另一个例子是,过氧化物酶体,它包含降解脂肪酸所有的酶。然而同时有些相似的酶可催化并合成脂肪酸。其他细胞器相类似的控制细胞中的其他反应(液泡、细胞核、叶绿体等)。
2.8.1..3 酶合成控制 细胞中的许多酶作为细胞的基本组成部分而存在,处于生长条件下。其他酶则在需要的时候“出现”,例如乙醛酸途
径中的异柠檬酸裂解酶是在当细胞在C 2底物上生长的时候才出现的,这被称为酶的诱导合成。相反的,当不再需要它们的时候,就会“消失”,例如,如果已经有足够的组氨酸满足细胞的生长需要,那么于组氨酸合成的酶就不再被合成,这被称为阻遏;如果化合物的供应一旦消失,进行物质合成的酶又将会重新出现,其合成过程称为去阻遏。
为了理解这样的控制是如何作用的,就有必要概述一下蛋白质的合成过程。
蛋白质(包括所有的酶)通过核糖体组织的酶复合物和RNA 系列添加氨基酸而合成(图2.19)。确保氨基酸的正确顺
序的密码位于信使RNA 上,而信使RNA 是DNA 的一个片断进行复制而在细胞染色体内合成的。这个过程由依赖DNA 的RNA 多聚酶催化,被称为转录。众所周知,染色体是由DNA 双螺旋按照精确排序的碱基组成的:腺嘌呤(A ),胞嘧啶(C ),胸腺嘧啶(T )和鸟嘌呤(G )。DNA 的两条链只是通过相邻碱基间的氢键相连接。由于A 总是与T 配对,而C 总是与G 配对,那么从一条单链就可生成一条新的DNA 链,这条单链与最初原来的那条链互补。DNA 以这样的方式进行复制,从而保留遗传信息或者密码;信使RNA 也是来自于DNA 的一条单链。除过用尿嘧啶代替胸腺嘧啶,RNA 互补于DNA 而且其自身的碱基同样携带者遗传密码。尽管许多mRNA 读取整条DNA 链,但是每个mRNA 只是DNA 链上的一小部分。
核糖体附着于mRNA 上,而且在核糖体中,mRNA 上的碱基每次被读取3个,转译为特定的氨基酸密码。这个密码
称为密码子。例如,密码子UCA 就至代表着丝氨酸而CAG 代表谷氨酸;因此,当黏附于核糖体的mRNA 遇到 UCACAG 那么就会生成丝-谷氨酸。以共价键连接在特殊转移RNA (tRNA )上的每个氨基酸都可识别mRNA 上与其相对应的3个碱基。氨酰- tRNA是反应单元,它被核糖体利用从而合成不断增长的肽链。
每个单一的mRNA 分子编码一个蛋白质,它来源于染色体上的一个基因(某些功能酶由不只一个蛋白质构成,例如
丙酮酸脱氢酶)。每个基因都可以被多次转录,染色体中就不是仅有这个基因的一个拷贝,从而遗传信息就被扩大了。
经过整个转录与转译过程,合成了蛋白质,对于这个过程的调控是非常复杂的。原核生物与真核生物尤其是在具体的
细节上是不同的,而且很多方面还无法解释。尽管如此,细菌系统中的调控机制是可以说明的。
由DNA 生成mRNA 的过程是由染色体上编码诱导蛋白或者阻遏蛋白的那部分控制的。这种机制如图2.20所示。DNA
上被称为调节基因的部分生成调控阻遏蛋白,它的作用是结合到另一个通常是相邻的基因上。将这个蛋白结合到操作基因上就阻止了一段基因的转录过程。这段基因是一个或多个结构基因,它负责编码酶蛋白的mRNA 的合成。如果有诱导物存在,诱导物结合到调控蛋白上,从而阻止了调控蛋白结合到操纵基因上,自由的操纵基因就允许结构基因进行转录而合成相应的蛋白质。这就是如何将一个新的代谢途径引进到操作中。只要有诱导分子的存在,那么酶的和成就一直进行,如果除去诱导物,或者诱导物被消耗完(常常是它诱导的代谢途径),那么酶将停止合成。
当某个分子常常是代谢终产物与阻遏蛋白作用生成一种封锁操纵基因产物的时候,酶合成阻遏就会发生。如果这个产
物被除去或者消耗完,那么阻遏蛋白将不再结合到操纵基因上,结构基因开始转录,同时终产物又重新开始合成。
2.8.1.4 分解代谢阻遏
这种代谢调控是对已建立的酶的诱导与阻遏调控的这种想法的延伸,通过向微生物培养液中添加外来营养物来实现。
分解代谢阻遏这个术语涉及许多普遍的现象,来看这个例子,当一个微生物可从同时提供给它的一种或多种碳源中进行选择的话,它们则选择利用其偏好的那种底物。例如,如果给一个微生物同时供给葡萄糖和乳糖,则乳糖被忽略直到所有的葡萄糖被消耗完。若供应多种可利用的氮源,那么会出现项类似的情况。对细胞来说,分解代谢物阻遏的优点在于能够以最少的能量消耗对其进行利用。
分解代谢物阻遏的具体机制以生物体发生较大的变化。图2.21所示的一系列事件是大肠杆菌中发生的分解代谢物阻
遏过程。对这个过程来讲,最关键的是化合物环化腺苷酸(cAMP ,它的磷酸基团连接在核糖部分的3’和5’-羟基上,从而
形成磷酯)。cAMP ,经腺苷酸环化酶作用由ATP 生成,它与特定的受体蛋白作用(CRP=环化腺苷酸受体蛋白),其正向促进一个操纵子的转录。磷酸二酯酶将cAMP 转化为AMP ,cAMP 的水平与2.2内容中提及的“能荷”紧密相关。葡萄糖代谢的各种产物看上去都是腺苷酸环化酶的强抑制剂[参考2.8.1.5(b )],只要这些物质存在于细胞中(暗示有连续的可利用的葡萄糖存在),那么基于cAMP- CRP 复合物控制的某些操纵子的转录将无法进行。分解代谢阻遏对控制厌氧代谢方式有重要影响,尤其在“次级代谢生物合成”现象中。
2.8.1.5 酶活性修饰
一旦酶被合成,它的活性就可以通过很多手段进行修饰。
(a ) 转录后修饰
某些酶的存在是有活性的或者低活性的形式,这通过与特定基团的共价吸附作用来相互转化(常常是磷酸,有
时是AMP 或者UMP )。这种吸附作用由一种单独酶作用,它没有其它的功能,其活性反过来由各种代谢产物来调
控。被第一个酶催化的反应可通过细胞的主要代谢状况来调节(如图2.22)。进行这种代谢的例子有大肠杆菌中的
谷氨酸合成酶(谷氨酸合成酶对细胞精细调节主要代谢中间产物谷氨酸与谷氨酰胺的库容量来说是非常重要的,它
们分别是酶的底物和产物。)和粗糙脓胞杆菌中的糖原磷酸化酶。
(b ) 效应物作用
酶的作用常常由于其所催化反应所生成底物的累积而减慢,这个化合物就被称为抑制剂或者酶的效应物。这个机制理解起来比较简单:反应物阻止底物靠近酶活性位点,在这个位点上,两者必须是合适的。然而,许多酶尤其
是代谢途径最开始进行时的那些酶,对于与它们所催化反应无关的化合物是敏感的。最为普遍的作用就是反馈抑制。
在这个作用中,代谢终产物是途径中早期的酶的活性的负效应物。这种抑制作用确保一旦有大量的终产物生成,那
么含碳物质单元则不会再按照该途径进行代谢。当培养基中有终产物存在时,它被摄入到细胞中, 此时同样出现
这种抑制作用。
反馈抑制与酶合成阻遏有相同的作用,也是因为过量终产物的存在而发生。它可被看作是良好的控制,可以快
速进行并容易逆转,而酶的阻遏提供串联控制,需要较长的时间来完成。
反馈抑制的一般机制是基于效应物与酶在某位点相结合,该位点不同于酶的活性位点;效应物改造了蛋白质的
形态,故酶对底物反应过程就不再是一个有效的催化剂。认为这种酶是变构控制的,可见于许多合成氨基酸、嘌呤、
嘧啶和其它单体物质的代谢途径中。
这个过程会变得相当的复杂,当从共同途径的支链生成了不只一种产物的时候。
这里重要的是,如果三种终产物F 、G 或者J 中的一个达到了他的最高库容量,就必须阻止它的更多生成,但
同时又要继续进行其他两种产物的合成。因此,在上面的图中,假设这三种终产物所需要的量是相等的,产物F
则完全阻止反应f ,反应c 的50%和反应a 的33%。因此,从A 开始,先是B 而后以2/3速率生成C ,C 不是生成
2倍于H 的D ,而是生成等量的这两种物质,所有的D 将转化为G ,H 仍如以往一样生成J 。
这种对酶活性部分抑制的方式,根据途径与有机体不同而不同,生物体所共同采用的一种常用的方法是同工酶。
那就是,对于上面的反应a ,有三种各不相同的酶以相同的效率催化该反应,尽管一个同工酶对于产物F 的反馈抑
制作用是敏感的,第二个是对G 敏感,第三个则是对H 敏感。这样,仅有一个同工酶被抑制,如果一种终产物达
到最大库浓度。反应C 也类似的由两种同工酶催化,一个受F 的反馈抑制,另一个则受G 的反馈抑制。
这类控制作用的例子发生在芳香环氨基酸,苯丙氨酸、酪氨酸的生物合成途径中以及苏氨酸、甲硫氨酸与赖氨
酸的生物合成过程中。
反馈抑制作用同时涉及了转运过程的控制。但是,将这个概念用到以下情况中是不准确的,这时代谢产物如
ATP 、ADP 、AMP 、NAD(P)+或NAD(P)H是某个特定的酶的正效应物或负效应物。例如,三羧酸循环中的某些酶
特别是柠檬酸合成酶被A TP 所抑制,同时由于A TP 是与循环反应相关的氧化磷酸化反应的终产物,这个应该被解
释为一种较间接形式的反馈抑制。
不考虑语义,这种通过不同形式或者辅因子进行的控制广泛作用于主要的代谢过程中的酶。
2.8.1.6 酶的降解
酶不是一种稳定的分子,能被迅速的破坏而且这个过程是不可逆的。正常的半衰期变化较大,短的只有几分钟,长的
则可以是数天。尽管可以从基因水平对酶的合成进行调控,但是一旦酶被合成,就可以在某时间内保持其功能。如果周围环境突然发生改变,就无法满足酶的合成的关闭,例如阻遏;细胞需要使酶失活以避免无用的甚至可能是有害的代谢活动。已知的某些例子有,激活的蛋白水解酶将破坏某个特定的酶。激活过程可能由主要代谢产物的出现和缺乏而引发。
2.8.2 同步代谢与生长
我们已经知道了细胞是怎样控制它们的许多组分的生物合成从而合成适量单体与不同的酶分子,这种控制机制受细胞
周围环境的影响,细胞总是试图优化内在的生化过程以便更有效的利用预先生成的含碳和含氮化合物,同时产生最大的能量,消耗最少的能量,并以最快的速度进行生长。
在限定的环境条件下,如果没有任何一种氮源,那么有机体就不能生长,在这种条件下,当有机体继续对可利用的碳
源进行生长代谢时,终产物将被累积。有机体生物合成过程必须要不停的运作,只有当生物体死亡,这时细胞的反应过程才能达到平衡。 因此,有机体保持其生化机能进行不停的运作是关键的,它们通过许多方法来达到这个目的,这些方法依赖于有机体所处的主要状态:通过阻遏新的厌氧代谢酶,有机体将含碳底物进行任意一种次级代谢;可产生大量的储备化合物如多聚-β-羟基丁酸、脂肪、糖原和其它多糖。如果处于“饥饿”状态,没有外来碳源供应,有机体便将降解这些储备物质,与细胞维持代谢途径相比,生成什么产物来说就显得不那么重要了。
在正常的情况下,如果所有的必需养分都能供应,则微生物就能生长。
在分批式培养中,细胞在关闭的系统中繁殖(一旦培养开始,就不会添减发酵罐中的物质),直到某些养分被耗尽或
积累的某些产物抑制了有机体的生长,或者细胞的数量达到了不能再有任何空间容纳新生细胞的水平,这个时候,细胞增值才会停止。在细胞生长过程中,各种化合物的相对含量发生变化,由于细胞在核糖体中合成越来越多的蛋白质,RNA 的量就会迅速增高,而如图2.23所示,DNA 的量就会减少,尽管减少的程度取决于细胞进行DNA 复制的速率。
细胞生长速率以倍增时间(td )表示细胞从一个变为2个所需要的时间,以及比生长速率(μ)表示单位重量的已有细
胞物质合成新物质的速率。这两个量按下式关联:。。。。。。。。
在分批式培养中,由于营养物质含量的持续下降,μ值一直是变化的;在好氧有机体的许多实际情况中,氧气供应的
速率最终控制它们生长的速率。只有在连续培养中,通过不断地加入新鲜养分,具体生长速率才会保持恒定。一个生物能够获得最大生长速率是由谁来控制的依不同生物而异,而且对大部分有机体来说都不得而知。可能是DNA 合成的最终速度,或者是细胞吸收某一特定养分的速度,或者是细胞的某部分如细胞壁的装配速度。倍增时间可以从Behakea natriegens的10分钟到酵母菌与真菌的几小时,大部分细菌的倍增时间为30分钟或更长,而某些则需要几天。表2.3例出了例子。
2.8.3 细胞周期与DNA 复制
细胞分裂过程在原核与真核生物中是不同的,尽管它们采用相似的机制来控制基因的表达和调控基因产物(酶蛋白)
的活性。在一个快速增长的细胞中,DNA 合成或多或少的是连续进行的,但在一个真核细胞中,它只在部分细胞周期中形成。细菌的基因是双螺旋结构中的2分子DNA 。它们头尾相连形成环状染色体,真核生物细胞含有多条独立的染色体。
在真核生物细胞中,细胞周期可分为几个阶段,每段持续的时间取决于生长条件。随着所有染色体的复制,周期达到
最高潮,然后通过有丝分裂两套染色体在母细胞和子细胞之间分配。当生物体进化到更高级的微生物领域将进行有性生殖而不是细菌体的简单的二次分裂或者是酵母的芽殖,这时有丝分裂过程将变得更为复杂。染色体分配的过程将通过减数分裂来进行,经过DNA 的复制,染色体将分配到生殖细胞中。
在所有的微生物中,DNA 都以相似的机制进行复制,双链DNA 解旋,每条链形成互补新链,这个过程如图2.24所示。每个复制叉作双向运动,也就是说,解链与互补新链的合成发生在同一个分离末端。
在细菌中,同一时刻有多个复制叉发挥作用,所以基因可以极快的速度进行复制。当DNA 完全复制的时间比细胞分
裂的时间长的时候,这个情况就会发生,而且在这样的条件下,每个细胞将含有多个染色体上被复制的部分的拷贝。这样使细胞分裂与染色体的完全复制同步进行,以使每个配体细胞在分裂隔膜形成前就获得自身的DNA 。显然,当DNA 复制过程完成时,一种“终端蛋白”被合成,就是这个蛋白引发隔膜的形成和细胞分裂。
真核细胞中,细胞成倍复制过程被复杂化,在细胞周期过程中,细胞器要进行分裂,线粒体和叶绿体有自身的DNA 并各自独立的分裂为细胞核子,这样,根据周围环境条件,线粒体与叶绿体的数量就会发生变化。例如,在厌氧条件下生长的酵母,不依赖线粒体提供A TP 从而线粒体的数量就比较少。
尽管载有遗传信息的DNA 能够精确复制从而使子细胞带有与它们父母相同的染色体图谱,但仍会出现错误。这样的
错误导致突变体的形成,突变体可自发的生成,通常以很低的频率(大约每108-1010细胞分裂中有一个突变体),或者被诱导生成,通过将生物体暴露于DNA 突变剂中。具有可变化的酶功能的突变体在发酵过程中对于提高产量来说是很有益的,尽管这样 ,从成千上万个不需要的突变体中寻找我们想要的那个突变体是一个漫长的过程。 在大多数情况下,突变体不能进行某些活动;许多情况下,这种作用将是致死性的从而细胞就不能生长。一般很少数
量的突变体能够存活下来 ,但由于在实验中应用了大量的微生物,因此0.001%的存活就代表着10000个生物。
2.8.4 微生物生长速率
微生物生长的速率常常以每消耗单位重量的底物所生成的细胞数量的形式来表示。摩尔生长率是细胞量(干重)与每
摩尔底物的比值,而碳转化系数是细胞量与每克含碳底物的比值,这个对于不同分子大小的底物之间的比较更有意义。表
2.4列举了这两种表达方式的一些典型数据,都是最大值,因为在某些特定情况下(尤其是处于低生长率情况下),用于细胞生长的底物的利用是不完全的。
表2.4显示了一个典型特点,参考前面的讨论是很容易理解的,即当兼性有机体从好氧状态转为厌氧状态时,生长率
降低,这个现象明显的与厌氧过程中能量降低的流向和A TP 产量的减少相关。
经验上,实际的生长率取决于很多因素:
(1) 碳源的性质
(2) 底物分解代谢途径
(3) 任何复杂底物的供应(排除某些合成途径)
(4) 同化其他养分的能量需求,特别是氮(如果供应的是氨基酸,那么它比利用NH 3所需要的能量少,而比以氮作为
氮源所需要的能量多)。
(5) ATP 生成反应的速率
(6) 抑制剂,不利离子的平衡,或者其他培养基组分,需要转运体系的参与。
(7) 生物体的生理状态;几乎所有的微生物都是根据外界环境来改变它们的发展,常常是大量的而且不同的发展过程必须要保持不同质量与能量的平衡。
在连续培养系统中 ,细胞的生长速度和营养状态时可以进行控制的,进一步的影响因素有:
(8) 限制性底物的性质;限制性碳源比限制性氮源的生长效率高;在这个过程中,对过量含碳底物的分解代谢将进入耗
能代谢途径。
(9) 所允许的生长速率 作为最终控制微生物活动各个方面的因素,必须要补充:
(10) 微生物的倾向与微生物学家的能力