医学课件第三节代谢网络中碳架物质流的调动.ppt

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1、12/13/2018,张星元：发酵原理,1,第三节 代谢网络中碳架 物质流的调动,坐坦意车漆趟褒布癌踪汝产宠补旁岭殴彩矣湖裁挎害群翱钓拇沾蚤藩娠刷第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,2,处于一定环境条件下的微生物培养物中，参与代谢的物质在代谢途径（网络）中按一定规律流动，形成微生物代谢的物质流。,忽甄攒牢瑶品靠耍蛾沟姥豢捡弄警痉四妹雕九赃骋摄凶疮竹撬如少璃淳催第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,3,代谢物质的流动过程是一种类似“流体流动” 的过程，它具备流动的一切

2、属性，诸如 方向性、连续性、有序性、可调性等等， 并且可以接受疏导、阻塞、分流、汇流等 “ 治理 ”， 也可能发生“ 干枯 ”和“溢出 ( 泛滥 ) ”等现象。此外，还有流速和流量等问题。,蒋济板允冠寞庆砌周横蒋插体咸茧榆毕抹脉舆砌羡饼墨滑俺译贡迟始仗邓第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,4,化能异养型微生物以有机化合物为碳源和能源。因此，在讨论化能异养型微生物代谢流动时，首先抓住碳元素代谢这个主要矛盾，研究微生物细胞的碳架物质流。,衫泞呀咏琉兼羚速柄壮感啥五鸵阑回徘咏鹅碗恨犁凋俭责悲荐颅司宫泼赢第三节代谢网络中碳架物质流的调动

3、第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,5,4.3.1 碳架物质在代谢途径（代 谢网络）中的流动 4.3.2 微生物的代谢流及其治理,堤猎隘被定乞莎剔甫月翻屑刨广皆形袱欲魁优喧往呢锚沪贬逛痢十扒岳遮第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,6,4.3.1 碳架物质在代谢途径（代谢网络）中的流动 在典型的工业发酵过程中，微生物的代谢流包括营养物质进入细胞、代谢中间物（碳架物质）在代谢途径中的流动和代谢产物从细胞进入环境这样顺序发生的过程。,吴雕园悯诊循赫高拙湛嫉史购拴遏今酥和惯距扯旨们歹室膛海圃滨奢缕胎第三

4、节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,7,4.3.1.1 有机化合物的组成元素及它们 各自在生命活动中的作用（略）,轨凶旱娜忆总丰盛馒科姓亮泣螺倍漠臭剁傣搂慰罪丹锥膘锋枣会咎凹悟扣第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,8,4.3.1.2 碳架物质在代谢途径中的流动 以代谢流动的观点加深对代谢网络的认识：碳架物质在网络的有关途径中流动，从原料到终端产物碳架物质流经的路径叫做载流路径。,花寿烘旱酚鸥框矽串粱默盒润几资孪爱适阵言徐免繁入晶婚赞朝询酌痢逛第三节代谢网络中碳架物质流

5、的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,9,4.3.1.3 典型工业发酵的工作模式 典型的工业发酵要从发酵液中获得微生物的代谢产物，也就是要让原料有机化合物在微生物细胞的有关的代谢途径（载流路径）中流动的过程中，转化成工业发酵的目的产物，最后目的产物分泌出细胞。,革墙碰哉陆晌浦敢椎鹊遍估忍哭影减章始锣汰盂嘿措措瓜家喊巧歉帅母式第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,10,凝拎诲量趾酣姑皖峨垒幅绒板晾变羔镊闲质腮磁例衔贿鹅绵吱抑侩收哗桓第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,1

6、2/13/2018,张星元：发酵原理,11,上图中，白色椭圆代表细胞的界面，界面包围部分是细胞机器，界面外侧是细胞机器所在的环境。带箭头的黑线代表典型的工业发酵的细胞机器的载流路径。 N代表营养物质， P代表目的产物。,菠垢缚锥俭勉稍忌貉遇枫敲残入邮措崎莎置钎播拢赌幕颜钓道琶买封檀倔第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,12,4.3.2 微生物的代谢流及其治理,尽澡抢针受压讶蕊哄郧冶炒怔蔬收郡潞杜金硬链啄器缅还惋仟瘫遭休嘶氮第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,13,

7、我们曾从热力学的角度把微生物看作远离平衡状态的不平衡的开放体系；我们曾借助电学的知识来讨论生物氧化和代谢能的问题；我们曾借用互联网的概念来讨论代谢网络的延伸问题；在这里我们要借用流体力学的常识来分析微生物细胞的代谢流。,仓瓶欠忆肺烹炮友陵贩褂躺驳当桅盛疮沾札橱骤梦浓辫辕迪豫把耶好脆脂第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,14,如果把碳架物质流看作水一样的流体，那么按照工业发酵的工作模式，就可把微生物活细胞看作是有一个总的进水口和一个总的出水口的、包含特定的管道网的大容器，组成管道网的管道有粗有细，管道网的管道有分支、有交叉，有可控

8、的阀门。代谢物质流就如同自来水一样在管道和阀门的控制下流进和流出细胞，形成代谢流。,伞瘁刺鹊痈逢卜警谁鱼务债须巡潦英贩募聚符八丁响振识棵佃瓣阐揖热咸第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,15,在这个认识的基础上，结合代谢能支撑假说和代谢网络假说的内容，讨论微生物的代谢及代谢流的变动性；结合本章（ 代谢调节的 3 个子系统 ）的内容，讨论代谢流对环境条件的响应和代谢流治理的可能性。最后还要讨论有关代谢节点的刚性的问题。,警秋艇熄征私所舰妖诺币胰镐蛊误劫抒绍斧醋辆蓝充倡瑞萝诱李徊娶哑涧第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三

9、假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,16,微生物的代谢途经的变动性和可调节性，不但是代谢流飘移的内在原因，而且也是人工控制代谢流的生物学根据。工业发酵中，人的主观能动作用表现在对代谢流的治理上。治理的直接的目的是让微生物细胞过量合成（ overproduction ）人们所需要的代谢产物。,譬升讳墟寅襄摧较色硝冷太活舰锚亭桌漱倡絮辨矽厢梯熏垮热蜀垦送眷硅第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,17,4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的 分支处及各分支的流量分配 4.3.2.2 过量合成与微生物的异常代谢 4.3

10、.2.3 溢出代谢 4.3.2.4 代谢流治理的可能性和现实性 4.3.2.5 代谢网络的刚性,怒饵伴嗓芳蛛严情绦先密玩厨耽汰迅磕坦街纸凑饯补覆辙从胞术壳缨哨鸡第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,18,4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的分支处及各分支的流量分配 我们把代谢网络中代谢途径的交叉点叫做代谢网络的 “ 节点 ”， 实际上它们是碳架物质在代谢网络中流经的代谢中间物。初级代谢网络的中心板块上的 12 种前体代谢物是当然的节点，而且还是代谢途径的分流或汇流处。,哥顽卓姥惑亦臻节粹仿挞乐天日晾哦谩停拯氏舔伶琵在法窟婶背

11、奖辈婉雏第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,19,节点处不论发生汇流还是分流，都存在流量分配的问题。这个分配既与遗传因素有关，又与条件因素有关。不同微生物物种的代谢途径基本一致，因此，可在微生物学有关工具书查到有关的途径；而代谢调节机制并不完全一样，不一致的情况可在有关论文或综述中找到。,据幅本虱编署青颁印苛烛荣钟岁瘴务瓮旷悬企栏声钩冗独诲苗滋弊淄润刚第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,20,在生物化学中，早有一套描述代谢途径的调节机制的方法，例如，用一个从效应物

12、（途径的终端产物）引出的、指向途径中某个代表酶的短箭头的长箭头来标示反馈调节。这种标示方法对于线状途径或偶有分支的途径来说，是很有用的，但是，如果在代谢网络图中使用，代表调节的箭头与代表酶的箭头交织在一起，容易引起误解。 因此我们要启用一种新的代谢调节图图例，用来标记代谢网络图。这种标记方法有四个要点：,噪超猾憎列珍罐鹃眨韶筏浚悯业拽河抱笔次兢烂稽泻号复曝黑掘昆善衡彰第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,21, 标明调节方式 用“I”表示抑制（inhibition），用“A”表示激活（ activation ），用 “R” 表示阻

13、遏（repression）； 标明效应物 一般用三个字母标示效应物（ 调节特定的酶的水平或活性的化合物 叫做这种酶的效应物） ；,古时洒适守额吻赋商诅倪簧税抱腰襄流躺权谓片者猎础咽坞坍邑捶锰幼轻第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,22,标明受调节的酶： 代谢网络图中箭头所代表的酶的名称放在括号内， 标在该箭头旁边； 对酶的调节的具体的表示方法： 在代表酶的箭头旁边标上代表效应物的 3 个字母和代表调节机制的特定字母。,纶混涝嵌滔瓮岸揍分然趣盛痘贾反锁尧奉稠眷纳校弄谰叙择净灼蘸涩埂毖第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第

14、三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,23,例如：某效应物名称后面加上 “I”， 标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该酶的抑制作用；效应物名称后面加上 “A”，标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该酶的激活作用；效应物名称后面加上 “R”，标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该酶的阻遏作用。如果 2 种效应物协同作用，则在两个效应物的名称都写上，再在后面加上对应的英文字母。,惺匡碎钦酸鼓腾篆保骨庚奔杯矫冉傈墓隐痘姬殉尝晕椅估礼境嘛扩显炼峙第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,24,汉姨巍族贪疲英空吼春又瓤希僻描融

15、广蛙善头巨挡墒涨硕毁脆拟捎舒瘤机第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,25,上图（碳架物质在 EMP和 HMP途径上的分流控制图）是一张按此方法标示的网络图，请按此方法读图，并从以下说明中得到帮助。 大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶（PFK）的酶水平随条件而变动，有氧生长中细胞的PFK水平低于厌氧生长中的细胞，有氧生长中的细胞的PFK（由二聚体组成），对ATP不敏感，厌氧生长中的细胞的PFK （由四聚体组成），对ATP敏感。,批媳鸿镇呆苑辽寺嘲扛芒闹弗砖威惺静舌书爹蝗玫喂旱丫使牛靡链值勿惮第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三

16、假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,26,在有氧条件下，由于PFK的低水平和 FDP 醛缩酶（FDPA）的极端低水平，大肠杆菌主要经 HMP 途径降解葡萄糖。因为在有氧条件下 PFK 对 ATP不敏感，且其活力高于FDP醛缩酶（FDPA ），FDP 有累积，所以它可能对 HMP 途径的 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（ 6PGDH ）起抑制物的作用，使6PGDH成为HMP降解流上的一个“阀门”（有氧条件下的控制“阀门”）。,澄腋息私笔枝呕轩详喝接粤太顾绪短宦岛愧理嚷供踩庄溃窿卿显茄裴细毛第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理

17、,27,在厌氧条件下，PFK和FDPA水平较有氧时高，因而 EMP 途径对葡萄糖降解代谢的参与程度增加。 因为 PFK 的水平仍高于FDPA，FDP 仍然累积并继续抑制 6PGDH，但随着EMP参与程度的增加，EMP 途径所产生的NADH浓度增高。NADH是6-磷酸葡萄糖脱氢酶（ G6PDH ）的效应物，NADH 浓度上升就会抑制 G6PDH，使 G6PDH 成为 HMP降解流上的另一个 “ 阀门 ” （ 厌氧条件下的控制 “ 阀门 ” ）。,合伪队砰臼宵柬夯揣标貌抑谱梭洛澳耀炎暑膀眠僧灶硅构其蜂扫瘸戎艳慧第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星

18、元：发酵原理,28,这种抑制作用是必要的，因为提高葡萄糖浓度可以使 FDPA水平上升许多倍，而 PFK 水平基本保持不变，这样 FDP 浓度势必是低的，以致无法控制 6PGDH ，这时 NADH就通过对 G6PDH 的抑制作用控制 HMP 降解流。这种两个“阀门 ”交替控制的机制可以解释为什么在严格厌氧条件下，大肠杆菌经 HMP 途径降解的葡萄糖只占葡萄糖降解总量的2030。,廊床走然脖豁棋舒进纱督董面痔干鳖俊滔甩显苫剩令鹏膨辊癌卢糊谭童槽第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,29,4.3.2.2 过量合成和微生物的异常代谢 野生

19、菌株在它们天然栖息地在其生长或维持，需要时也能合成人们所希望的代谢产物，但在其固有的代谢调节机制的控制下合成的量不多不少，只够细胞自身生长或维持的需要。体现了微生物细胞的经济性。,棋涪遗炼复照臭出礼日弓很骤瑞期铬魏非始庇理斋嘱膘噶啼慰由伦博呜授第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,30,适用于发酵生产的微生物必须具有有过量合成的能力，也就是说是其目的产物的合成量必须大大高于它通常的合成量。要做到这一点，不仅要求合成目的产物的途径畅通，还必须有将目的产物排出细胞的满意的机制。过量合成的速率取决于微生物的遗传性能，以及在培养条件下细胞

20、的生理状态。,抓享提宫穴妒矾圣添鹊孕瞪跨炸根雾悼钓炊骋匙余端咕裕窥炙涛月龙伟郁第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,31,把自然界中自然竞争中幸存的微生物称为野生型微生物，它们具有比较严密的代谢调节功能，至少在它们幸存的环境条件下不会过量合成初级代谢产物。在这样的细胞经济体系中，细胞的生产力体现在其自身的增殖。细胞固有的生产关系支持细胞自身的增殖（生产细胞），不支持（人的） 目的产物的过量生产（生产特定的初级代谢产物）。,祭简扮瘴泰纯忍瑚嫩冻祈裔绒拌袭哮恕撅赌话臭跪脚宜囱镰走较泌姑捅俗第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学

21、第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,32,要解放细胞对于目的产物（特定的初级代谢产物）的生产力，就有必要改变细胞原有的生产关系。对微生物进行遗传改造，就是要修正原有的生产关系。,腕旦幌楼钨凳可虽膏恫厢畏嚎嘴关酮峡影疑须墅梁孰线扎掣基圣呆邀内邪第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,33,微生物过量合成目的产物（特定的代谢中间产物）的过程，实质上是功能残缺或遗传失常的微生物细胞在人为的特定条件下进行异常代谢的过程。因此，研究微生物过量合成指定的初级代谢产物的机理，就是研究工业微生物的病理学。,驼叔仿无貉临革练稀己兽

22、伸硕泡夺坊火秀剂毋涡拆归霍课剑拐旦择丙熏米第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,34,微生物排出某些能量代谢副产物的过程，实质上是兼性厌氧微生物在环境条件逼迫下（如缺氧），变通地维持生计的过程。兼性厌氧微生物细胞在缺氧的条件下，以变通的方式实现还原力的平衡和辅酶的再生和回用，使细胞的能量代谢得以维持，与此同时形成并分泌出能量代谢副产物。例如酿酒酵母在发酵液中累积能量代谢副产物乙醇的过程，就是这样的过程。,岩四诉人毯惶倍育访黑瞻揣登鹃啼泻心盛窟掣裴宪握蜜汉锋览粪磊购碱妄第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,1

23、2/13/2018,张星元：发酵原理,35,4.3.2.3 溢出代谢 发生溢出代谢（overflow metabolism）的原因是，代谢途径前段的运转速率大于后段的运转速率。采用改变环境条件或限制营养供应等方法，可促使微生物进行溢出代谢。 这里介绍两个溢出代谢的实例： TCA环中间产物柠檬酸的溢出代谢， 导致能量代谢的副产物乙醇生成的溢出代谢。,汲哨橙苇肌脆驱痉险屎溯正蓑驹跌厉忿骗凸踞尉旋寝孕骸遣娜余狠斩驳酌第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,36, 柠檬酸的溢出代谢： 多种微生物均能因受激而过量合成柠檬酸。研究柠檬酸溢出代谢

24、的最好的例子无疑是黑曲霉。黑曲霉之所以能在特定环境条件下累积柠檬酸，是因为在这种环境条件下代谢途径前段的运转速率大于后段的运转速率。柠檬酸的溢出代谢是黑曲霉特有的遗传和生化机制与培养条件共同起作用的结果。引起溢出代谢的原因包括以下三个方面：,遣瞒炼靡更哪漾竣振画径狸误要浆扔既壳服常摩籽孕呀忽淮振泵厢翟九法第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,37,Glc,G-6-P,(PFK),CTA ,NH4,I,+,A,FDP,PYR,OAA,AcCoA,CTA,(CS),(KD),黑曲霉中柠檬酸的代谢溢出,平虏项茬朴倡砾援泉抨霄眷孩墩迢脆卿

25、忧魔绎秋吓辅选酷借召赁辙躁诵草第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,38,高水平的柠檬酸合成能力。这个能力由 3 个因素构成。第一是在有高浓度草酰乙酸（OAA ）的情况下对 AcCoA 具有高度亲和力的组成型的柠檬酸合成酶 （ CS ） 的存在；第二是催化丙酮酸 （ PYR ）固定 CO2 生成草酰乙酸反应的高水平的组成型的丙酮酸羧化酶（ PC ） 的存在；第三是在缺少锰的条件下，蛋白质分解或蛋白质合成受阻造成的铵的高浓度能解除柠檬酸（CTA）对磷酸果糖激酶（PFK）的抑制。此外，柠檬酸的分泌降低其胞内浓度。,军睬泣样虾燃柜雍闭亚

26、亚忍浚上乙尸姻拂辽突忱赁规戴畜撵抨郭举坝嚼掣第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,39,较低的降解柠檬酸的能力。这能力由两个因素构成。第一是低水平的-酮戊二酸脱氢酶（ KD ）影响 TCA环运行的畅通程度， 使TCA环前半部的中间产物积压； 第二，在锰缺乏的条件下，顺乌头酸酶（ AE ）和 异柠檬酸脱氢酶 （ID）的活性降低，从而使柠檬酸的累积比其它几种酸（ 顺乌头酸、异柠檬酸和-酮戊二酸）更明显。,认量墅掩兄窖柞篙凿它彬千朔骑来真贡茬茧桂濒作龄智磕邵涩哥悦缮俐岗第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/

27、13/2018,张星元：发酵原理,40, 在柠檬酸过量合成阶段，培养基的 pH 值显然会影响细胞膜对目的产物柠檬酸和的跨膜输送；柠檬酸的分泌也会影响培养基的 pH 值。锰与铁的缺乏有利于柠檬酸的排出。,韶红蕴将吗窄于塞划拢墙超纸养淀隶嗣今怜啮毖峨珐壹歪倒疟笨卯沿热洲第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,41, 乙醇的溢出代谢： 葡萄糖为碳源，对酿酒酵母进行批式培养，出现二段生长（ two growth phase）现象：在第一阶段，葡萄糖浓度较大，萄萄糖的消耗伴随着乙醇的产生；第二阶段，葡萄糖浓度下降到某值以下，乙醇被氧化。,隆蔬

28、球茄虎哺疚甲斟氖脓彝俘汝领珍朱风屿财宿屡葫鉴嫁阶蓟僚挡秘红澄第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,42,这样的二段生长现象曾被认为是呼吸途径的阻遏和解阻遏，而且认为是分解代谢物阻遏（此名称已被营养阻遏代替，见本章4.1.2.1 ）。后来才认识到，酿酒酵母之所以在葡萄糖培养基中累积乙醇，是因为该微生物有限的呼吸能力，并把这种现象称为瓶颈效应（ bottleneck effect）。,沉徽颊爽爽误韧犯酸瞄侣肋倦茹剿刁汽槛涉涉值猿胖梧椎灾娇卞哲秆铸隙第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星

29、元：发酵原理,43,细胞并不会因为葡萄糖的高速消耗而附带地形成足够高的呼吸能力（指呼吸链使NADH再生的能力）与之配套；而且葡萄糖的异生成途径（需NADH）因受到高浓度的葡萄糖的调节而受阻，更加强了瓶颈效应。因此瓶颈是对生物氧化中呼吸链电子传递通道的相对狭窄而言的。,租糯峪簿耐既妮鬼劫榔谊砷戏檀棕绒蛀饶辊泳俐瓣寻争绑王压链酬赁跪锦第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,44,在供氧情况下，酿酒酵母细胞中葡萄糖主要经 EMP-TCA 途径（ 少量经HMP途径 ）氧化降解。这些途径运行中形成的NADH和FADH2分子上的电子需经电子传递

30、链（呼吸链）传递给分子氧。 当葡萄糖浓度较低时，葡萄糖氧化降解过程所需配套的电子传递能力处于电子传递链传递能力范围以内，这时氧的吸收速率与细胞的生长速率成线性关系。辅酶NADH 和辅基 FADH2 完全可以在电子传递链释放电子而得到再生。,罪嫁逗萨叉蟹麓惦镑酞胖欧兆住奴淆类皋韩匿三呢年哄萌盲烩饲涧套毁岿第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,45,当葡萄糖的浓度超过某值，葡萄糖氧化降解过程所需配套的电子传递能力超越微生物细胞电子传递链传递能力范围，一部分NADH不能通过电子传递链而再生成 NAD+， 只好将电子交给内源的有机化合物乙

31、醛，将乙醛还原成乙醇，从而实现还原力的平衡。从而导致生成乙醇的溢出代谢。由此可见，乙醇的溢出代谢实际上是细胞内生物氧化过程中形成的还原力相对于电子传递链的呼吸能力的溢出，推动了乙醛还原生成乙醇的发酵过程。,诸嘘滋捧例迷丙摊几默如体阻急砾立亲赦窒威迂杉腑久秸亥郴汲穿铣堵锰第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,46,从以上实例可以看到，溢出代谢的发生，不但要求微生物本身具有相应的遗传根据，还必须具备相应的环境条件。 对于工业发酵来说，就是特定的生产菌种和与其对应的生产工艺条件。,政油膝涩粪惋阉镀掩舌决捅钩藤铺疆盐欣押鲁讼经搽爵泻滚核踏

32、轰关渐奇第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,47,4.3.2.4 代谢流“治理”的可能性和 现实性 代谢流具有流体流动的基本属性，因此具有“治理”的可能性；微生物代谢的变动性和微生物遗传的保守性，加上人的主观能动性，能使可能变为现实。 本课程主要讨论初级代谢产物的过量合成，兼顾次级代谢产物的合成。,蓄刷稻助磐谣尖淆覆奋批帧骨吁八典牧添沧粕称顶傀译疯突碱打亦箱哩诈第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,48,现代发酵工程依靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产线上不可缺少的加

33、工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物活细胞就是工业发酵生产线上不可缺少的微生物生物机器（或称细胞机器），是发酵工厂里关键的生产机器。,仆痔迹讽囊梗慈鸟龙佯逝战菏球逃岩嘲玩鄂部舅耪奔斥迄蔚呸习呸阁驴待第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,49,细胞机器与普通意义上的机器不同，它们必须由代谢能 （ metabolic energy）直接驱动。在发酵工厂的生产线上，微生物必须完成微生物细胞机器的在线制造（细胞增殖）和生产运行（目的产物的合成和输出）的双重任务。,亦掠瘪鞘太最像咱艰藩愉锈钠惶路痴诗毡膛辕蓟蜂恢婪翼教朔赚诣陛乾痔第三节代谢

34、网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,50,根据工业发酵的现状，把依靠化能异养型微生物合成某最终被分泌到胞外的初级代谢产物的过程，作为工业发酵的典型过程来研究，并把代谢研究的重点放在碳的代谢上。从而建立了生物机器（又称细胞机器）工作的基本模式。在此工作模式的基础上，提出了工业发酵中微生物代谢的五段式和初级代谢产物的过量合成的五字策略。,虽怔岁擞有玫夷狐倔昏乌兹孔感吮窑皆铱浆半憾舰吨集慷闹傲俯滔仟潜唁第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,51,在物竞天择的基础上建立的细胞经济体系

35、已经经受长期的实践检验，并已成为微生物细胞生命活动的保障体系。微生物通过生存竞争而获得的一整套自我调节机制，原本服务于微生物的自然竞争和生命保障，因此它不会大量的合成维持自我生存之外的代谢产物。而人类因自我发展的需要，却希望微生物能够大量地合成能满足人类需求为目的产物（微生物的代谢产物）。,坚垒赢哈褐滋忠胃膊戚揩舆暴唇篮居漳仅布掏照淤渺轨图聪奴撞墟琼兵驱第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,52,微生物代谢产物的生物合成是系统工程，要完成这一类系统工程，必须依靠微生物的高度有序的生命活动，决不是打乱它，而是在可能的范围内对它进行有

36、效的引导。 工业发酵呼唤人与微生物的合作，而在合作中，人处于主导的地位，人应该发挥主观能动作用。,甘谱否逢猫田富斗呀片厄邦刊纯唆窿昨喀灌若纯八慨紫坡租克辛伶筏务池第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,53, 初级代谢产物的合成 初级代谢产物是指这样一些低分子质量的合成途径的终产物，它们是构建生物大分子的分子模块，是微生物营养性生长所必需的生长因子，如氨基酸、嘌呤和嘧啶的核苷与核苷酸以及维生素。,墒揖涅榷倚挠稽混亥刺始啊疥瑞坯辅口夸她墒然萄燕戌搁延才擦莉租介锁第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/

37、2018,张星元：发酵原理,54,初级代谢产物都是从中心代谢途径的中间产物（12种前体代谢物）开始合成的。因为它们都是微生物营养性生长所必需的，除了遗传上有缺陷的菌株外，微生物细胞具有齐全的初级代谢途径基因，也就是说在合适的环境条件下它们的初级代谢途径是普遍存在的。初级途径上的酶的特异性比次级代谢的酶的特异性要高。,簧哆钦椿苦夷切哆竹砷尺炳皮活蚌达汝钙漠哆试的裴西炭挝钓衍蜡丛夯晃第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,55,各种微生物的初级代谢产物的合成途径基本相同，在同一属微生物中，初级代谢产物合成途径的差异是十分罕见的，但在合成

38、的调节机制上有较大的差异。 初级代谢产物合成的途径是稳定的，不同微生物物种的调节机制是可以弄清楚或基本弄清楚的，这就是对这种合成代谢流“治理”的基础。这种“治理”要用到遗传手段（遗传脱钩），并辅之以培养条件的优化（环境协调），以求达到初级代谢产物过量合成的目的。,脾坞婚碉帖丛泡买荒瘁钝蒜兆桌辟琅恨醒渣腮辐喜屑磋朔后敦晋建雁侮溪第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,56,. 初级代谢产物过量合成的五字策略 在分析细胞机器的生产运行时，可把它看作是分步进行的过程。首先细胞外的营养物质从环境（培养基）跨膜进入细胞；然后，一般要经过向心、

39、中心和离心 3 段连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目的产物；最后，目的产物经过膜排出细胞，回到环境（发酵醪液）。,其或漾志尾牡严愚枚孰揭灌今凤傣杜掂嫂胺枣畸贷倡筹凡褂础危沦劈苇佛第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,57,“载流途径”泛指承载代谢物流的代谢途径。“载流路径”泛指由不止一条载流途径按序首尾衔接而组成的代谢通道。 在发酵工程领域，“载流路径”作为发酵工程的专用术语，被定义为从主要有机原料到目的产物一组载流途径的有序组合。,炊但柜困六帚罐稽织护戌取顿赋符帖输体店敝植淌盒绝叹谤庭拭痊蛰啥姨第三节代谢网络中碳架物质流的调

40、动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,58,典型的载流路径是指存在于代谢网络中的这样的代谢通道，即由多至五段承担不同代谢分工的、依次衔接的代谢途径组成的代谢通道。因此有载流路径的五段式之称。在这条载流路径上流动的代谢主流对应地也有五段，从而派生出代谢主流的五段式。载流途径的五段式和代谢主流的五段式统称为微生物代谢的五段式。,酗叁悲扰胳媳馆忙印卫活秦伴宇抖葡考糕们惠敢稍念方献苟广庚孩趾浑庚第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,59,在此五段式的基础上，从不同的角度出发，提出能作为一个整体，用于设计育

41、种以及发酵工艺控制的五字策略（简称工业发酵的五字策略）：进、通、节、堵、出。“ 五字策略 ” 就是从合作的良好愿望出发，发挥人的主观能动作用，主动与微生物合作实现工业发酵效益的策略。这个策略来自初级代谢产物过量合成的研究，故实际上是初级代谢产物过量合成的五字策略。,哈惨终寻翠槽卑瓦辜皿臻岗崩础哑甄挤负令职埋校抓绞炕苛威磐鲜蜜溜藉第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,60,工业发酵的“五字策略”,落克侠廉磐槛汇曙贴厂敖股填银唆氏够坡诣蕾更籽涉柔庭锯欧卑名旺滦罗第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/

42、2018,张星元：发酵原理,61,高产菌种的代谢特征：不同来源的碳架物质畅通地“注入”载流路径，高速生成并顺利释出目的产物，如下图。,暇检滞溉季括詹绳班日白翱替谩搅誊莫惯鸵闽颤鄙鞘馁形乳搁檀件车状滁第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,62,进：在育种和发酵控制方面都要促进细胞对营养物质的吸收。在发酵过程中，一般都希望菌体能迅速达到一定的浓度，因此，就必需选用生长旺盛的菌株，这类菌株吸收营养物质的能力往往也较强。同时要选择适当的容易吸收的培养基，和适宜的培养条件，以促进微生物的生长。为了消除底物在培养过程中的抑制作用，有的还采用流

43、加的培养方法。为了促进微生物的生长和支持目的产物的合成，还要从代谢生理学的角度优化流加条件。,情起拯何蜂模胖秃阁否旺羚兢芥梁责缨鸯余曙腑窍衡淑侯转暗馆届悯梢摈第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,63,通：在育种方面，解除对途径中某些酶的反馈调节；在发酵控制方面，诱导这些酶的合成或激活这些酶，从而使来自各代谢物流（除碳架物流外还包括其他支持生物合成的物流）能够畅通地注入载流路径，汇入代谢主流，流向目的产物。特别是当发酵进入目的产物合成阶段后，必需确保载流路径畅通，代谢主流优势明显。,崔栖群汕氦睦部丙酗持兢槽资伯佳榷症蔗屿买何臣恒悬

44、翠蜕吉敞区十沸寸第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,64,这些酶包括用于目的产物自身合成的酶（如下图中酶）和用于目的产物的前体合成的酶（ 如下图中酶和，用于前体C的合成，酶，用于前体D的合成）。,羞滴网吭嘎韶岿绵抠泌混嗅谐搂歌糕尺速票熬了舆寝呵检膜笔绳咽室镁剿第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,65,例如在谷氨酸的发酵过程中，作为谷氨酸合成原料的 NH4+ 的缺乏， 就可能使谷氨酸合成途径的中断，导致谷氨酸产量下降，大量-酮戊二酸积累。当然，合成途径中的任何一个限

45、制因子，都可能产生类似的情况。因此，在发酵过程中应尽可能的使通向载流路径的代谢途径畅通无阻，使不同的营养物质能顺利地注入代谢主流，最终流向目的产物。,良郡苛常慷俭贞交瑟必喜择振锄到淑纠引缄畦摄报洗奠敲茅卵指疽丛弓舀第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,66,节：采用育种或发酵控制手段，节制载流路径上与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物。这里所谓的 “ 节制 ” 是指封闭或削弱以目的产物合成途径的起始底物（如下图中的A）或各中间产物（如下图中的B、C 和D）为起始底物的分支途径（ 即下图中通向

46、K，G，I，J 的途径）。,溅掏赏芭钥眺剃康颧息尤瓢褂浇邑讳赡糯弛彬么亩辜貉峦枝愤扶谜公碘啪第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,67,射医荧庄诉梆艺栏蹲屠糟纫长刃秘蹈谷嗅秽忍卷蹭咙抿鉴冶寸锁忱格梦狮第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,68,经过千千万万年的物竞天择，微生物细胞已经成为自我保障的经济体系。细胞严格的调节机制不允许代谢中间产物的过量合成，要想实现目的产物的过量合成，就必需对其代谢进行导向（包括遗传根据和培养条件的导向），迫使代谢朝着过量合成目的产物方向

47、进行。因此，不是目的产物生产所必需的途径，应做到不同程度的关闭，也就是“节”。,儿匿呼闯瓢奉辕窗咋纹贡兽搬维南熏词能对渡丝买红翅叫侨迄更火苏迭栓第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,69,堵：采用育种或发酵控制手段堵塞或削弱目的产物进一步代谢的途径（如上图中 F 以后的途径），包括目的产物参与的分解代谢和合成代谢。如果菌株生产目的产物的途径畅通，但同时目的产物进一步代谢（包括目的产物参与的分解代谢和合成代谢）的途径也畅通，或者随着生产的进行目的产物进一步的代谢加强，都会最终影响目的产物的溢出代谢，降低工业发酵的效益。,普内悦烛呕吱

48、叼插碳娟兄获口入耍南腰亩萄拥儡票企匆履喧惟糊狠菇伪沸第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,70,为了消除这种影响，就必须降低目的产物进一步代谢的酶的酶活力或酶量，以消除或削弱目的产物进一步的代谢。若不能对菌株进行有效的改造，也可以通过工艺手段来达到堵的目的。例如，采用及时将目的产物从发酵液的分离出来的办法，也可以间接地消除或削弱胞内目的产物的进一步代谢，甚至能拉动溢出代谢。,睡望檀诱余肇矮百齐讨详驹尾姜虑先替灾尽颅逊胁帚杠抿龚估蚌铣秆谊程第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发

49、酵原理,71,出：促进目的产物向胞外空间分泌。根据微生物细胞经济学原理（节约原理、适应原理、生命保障原理），如果细胞内某代谢中间产物浓度超过其阈值，必将受到细胞内相关代谢调节机制的干预。胞内目的产物的浓度过高，就会对合成目的产物的代谢过程施加负反馈调节，迫使其回到正常浓度。因此，及时将目的产物转移到细胞外，无论从化学平衡的角度，还是从生物学信息反馈的角度，都将有利于载流路径上代谢主流的流动。,咸喊碱按蜡勘蔼恍抹冀刚替艘枝回露隶扩腮篙沮欺泰职戒相阴坏脱码寅皂第三节代谢网络中碳架物质流的调动第四章 发酵学第三假说（3）,12/13/2018,张星元：发酵原理,72,在育种和发酵控制方面加强“出”的办法很多，如调节细胞对目的产物的通透性，增加输送目的产物的载体蛋白的量，为目的产物的主动输送提供代谢能等，都能使在胞内生成的目的产物尽快的转移出细胞，降低其细胞中的浓度；为了进一