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1、8/8/2020,张星元：发酵原理,1,第二节 微生物细胞经济体 系的运行规律,宋坠媚胰椎獭恭锈啥韭外概斯媳奇习彦兑台夜栗蔗脓励驹殊侯隐悔欠青曳二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,2,微生物细胞新陈代谢的独立性是靠其广泛的适应性和对营养物质的节约使用即经济性来支撑的。归根到底是依靠微生物细胞严密的代谢调节（包括能量代谢和物质代谢）机构来支撑的。 关于代谢的自动调节问题上一节已作了简单的分析，本节将从细胞经济的角度来探讨代谢产物过量合成的可能性。,滩睁魁斑清焉没掘釜御垣尘麓供夕囚声赌鹤蒜柴裂环贼耸戳耘沦驰帘枉矣二节微生物细胞经济体系运行
2、规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,3,4.2.1 微生物的细胞经济体系4.2.2 微生物细胞的经济结构 微生物代谢的三个子系统4.2.3 微生物的细胞经济体系的运行,略缎约滓揩震我眼疡孝博寓野憨泌叔便哈遇唉偏及樱圭嘻犁茵睹莎舒滨茶二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,4,4.2.1 微生物的细胞经济体系,屠阿陕挠堰缚注烃艰兑嚣藩奢脸悯乙潘洋浑惺撕怀臂锄掠兄总须钓傀湛摈二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,5,微生物细胞是远离平衡状态的不平衡的开
3、放体系，它能对系统的三个要素（能量、物质、信息），自主地进行定向的、全面的协调。 我们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，并且把这种按特殊的经济规律运行的新陈代谢体系叫做细胞经济体系。,塞雇些讳探密徐侵同檄殉垛渴醋肉给琵扭妙症瓮请瘴液玩纱举巳性疵帚础二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,6,微生物细胞的独立存在和自主生存，依赖于微生物细胞广泛的适应性（先保证活下来）和对营养物质的节约使用，即经济性（争取在所处环境条件下更具竞争力）。适应性和经济性都建立在微生物细胞代谢的变动性上。,叼脸途碰震袱靛哑协散饥感淀林肛尊唆败碳阎
4、试桐迹鼎咳锤该极渗谗尹肆二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,7,但是，微生物代谢的变动是有限度的，它受到前述的细胞代谢调节机制的严格规范和严密控制，以保证代谢的持续。这些代谢调节的规律就是细胞生命活动的 “ 经济法则 ”，即细胞经济管理原则，细胞经济体系按细胞经济规律运行。细胞的遗传物质（遗传信息的载体）是细胞与环境对话的指挥中心。,棍拜夹伸司溶鼻档梗昭爸诊傀恰圈拳设蚤眷层孝今扳玖珊槛愿厕装菇哲汾二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,8,微生物的细胞经济体系是微生物细胞生命活动
5、的保障体系。这个体系为细胞对其环境的适应性，细胞运行的经济性，以及细胞的持续代谢提供保障。,杭圈咐辨枕拔踞讶曰盂斌蓬青堪诛仟洛靠溪戎扒噎嗣谅甘孝奋脚完迷烛惟二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,9,对于微生物细胞经济而言，细胞实物结构（微生物学的内容）和细胞经济结构（即将讨论）构成了细胞的经济基础。细胞实物结构是指行使细胞功能的细胞结构，即细胞的生产力；细胞经济结构是指微生物代谢的三个子系统的总和，即细胞的生产关系。,吃达乖橱蛾棵嚷熙起羊并区辑跟拓播矩膛郡安叔敝附刑洗蝎腋乍直努江纷二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2
6、),8/8/2020,张星元：发酵原理,10,细胞经济基础，最终取决于细胞的遗传物质和环境的对话（细胞的 “ 蓝图 ” 和细胞生命活动的指挥中心的现场指挥）。,物废牌康筒氟赘小谱帮炼溪悍科青最鬃勾煞童涧缝太虑丧槐抬朴抱辜剥丧二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,11,4.2.2 微生物细胞的经济结构 微生物代谢的三个子系统,朽嫌讹萄珍研数玻仆望臣膨圣团李拿姑磕言宪鸭裙鸭蛋衣撂千蜒调蝇晨船二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,12,对于化能异养型微生物而言，其碳架物质的代谢是最基本
7、的代谢，因为碳架物质代谢不但为其自身合成提供碳架，而且为自身合成提供了可直接使用的代谢能和还原力。因此，我们首先以碳架代谢为主线，研究与微生物细胞生长直接相关的初级代谢活动。,苦郁也羚炳馋嫌肌餐被实愈暖聚乖组毁慰所试男岭漾吉瓦玩樱税嚣句杨奈二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,13,为了分析问题的方便，把与微生物细胞生长直接相关的代谢系统划分为三个子系统，来研究微生物细胞的经济结构。,案刹宵江形伪为醋压幼懈崭再沛曲锑做腺辑借劫掌寡酷殃又狰书寄罕临岂二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵
8、原理,14,4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统 4.2.2.2 三个子系统的相互关系,丫痉坛艘花剧猾帆逝逢苗司砌祖锅提遗埂述讲妥之爸岩旺何霄要丧熟各宦二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,15,4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统 微生物碳架物质的初级代谢大致可分成三个子系统，一个分解代谢子系统（子系统）和两个合成代谢子系统（子系统和子系统）。,惟讽枷恒宅勾家捌格与钞挺虎圾爷藉波莎街纠陌身颂码框种髓羡粳沤噶殃二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,16,谎弘婉简掸焚崩狡霞贰泡正时
9、豁磊顶锋桔钨佛仰猿靠拖椭恼租忿坪抵葡乱二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,17,上图中 ：碳源的分解代谢子系统 ：分子模块的合成代谢子系统 ：生物大分子的合成代谢子系统 ATP代表代谢能；分子模块代表氨基酸、核苷酸等参与生物大分子组成的单元化合物；碳架代表 PYR、 R-5-P、-KG 等前体代谢物。 虚箭头和实箭头分别代表代谢系统内部的松散的和紧密的联系。,聘抱抿窜罚萧开伸奸李中槐嘛曙篆皿讽渣肌弟笺牌沪屏孔儒屑摩竹绒芳丧二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,18, 子系统 （
10、碳源的分解代谢子系统） 子系统是微生物细胞用以合成前体代谢物和提供代谢能的碳源分解代谢系统。这个系统最容易直接受外界环境条件在生理许可范围内的影响。例如， pH 条件引起黑曲霉的发酵转换，pH3 时累积柠檬酸，pH6 时累积葡萄糖酸，pH10 时累积草酸。,涎斗责草谜祸镊绢葡掐疯奔虎械宝幢捡鞍嫉右暇伯抿瓷毋弯橡扦抿蒸瘪仁二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,19,这个系统之所以易受外界环境影响，可能是因为碳源的分解代谢有多条途径可供选择；此外，可能是因为分解代谢的酶主要分布在细胞内可溶部分和膜上，易受外界条件影响。,碟显袋溶啦缨首狈宦苛
11、辗指抡慧迪汁尊坷撩武淹斟们昭浅优难弱籽吃她明二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,20, 子系统 （ 合成分子模块的子系统） 用来合成分子模块（building block）的合成代谢子系统。 分子模块一般是指用以合成生物大分子的标准单元，譬如用于多糖合成的 G-1-P， 用于蛋白质合成的各种氨基酸，用于RNA 和 DNA 合成的各种核苷酸和脱氧核苷酸，以及用于类异戊二烯化合物合成的异戊烯基焦磷酸等。,莲寝映牧娶阁唆猩阅驴计客糊耸箕鸣誊堂凰旁菲撮摄矩毙总炕担同况抹糙二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/20
12、20,张星元：发酵原理,21,这个系统的调节机制主要是负反馈调节（包括反馈抑制和反馈阻遏），还有由遗传因素决定的、可能出现酶的缺失（主要表型是营养缺陷型）突变株。这些结构单位的生物合成途径大多已弄清楚，总的印象是此系统的调节机制较为单纯。,歌抽糕哮青奶挤桅砷冰茸忍晃觉坏梆住逆及减砾橡爱擎息憎终驾第落紧擅二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,22,分类学上属不同种的微生物的子系统的代谢调节机制比较接近，而子系统的代谢调节机制则颇为不同。,蔬镁廷吞颅培翔炉咱春华尤笋倾素埔忌防屎伴惶骂避遗毒袖夏舱夕闰粒务二节微生物细胞经济体系运行规律第四章
13、发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,23,子系统（生物大分子合成代谢子 系统） 生物大分子合成代谢子系统是指细胞用以生成蛋白质、DNA 、RNA 、各种多糖 ( 同多糖、杂多糖、肽多糖、脂多糖、荚膜多糖等) 及类脂（ 含类异戊二烯化合物）等细胞结构物质的生物大分子合成代谢子系统。,殴伐匪妒仰钓悔颜瑟块邦徘泥砂槽鲍叫鼓沤蕾居盐兜同伙喝思倾涕叛玄康二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,24,4.2.2.2 三个子系统的相互关系 只有当以上三个代谢子系统作为一个整体来运行，微生物细胞才能维持生命循环。 只有当生命循环得到
14、维持，我们才有可能通过微生物细胞的生命活动，生产微生物产品。,樱齐舅翱穗劳拽杭找曳聚昆杂疏昔下囤痊生勿轩条蝇剔母苹串夜纫语瞎旗二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,25,微生物活细胞是远离平衡状态的不平衡的开放体系，微生物细胞与它所处的环境不断地进行物质、能量和信息的交换。微生物细胞作为细胞机器用于工业生产时，除了要从培养基吸收营养外，还要排出工业生产的目的产物。,砌讨愤每砷姆拄忧嚎疗逆掺获彼课立蚕颐浸跺辰偿匣处执矿腋彭翼痪嗓债二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,26,隅村代诵
15、滁韧烤喻空飘京孔邻诌瞻耐踩渊户臀早禾七被帛崭崇缝疽恍住器二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,27,如图所示三子系统有如下关系： 子系统生成 ATP, 子系统 和子系统使用ATP。但是子系统中ATP如何合成并不严重影响子系统和子系统 对ATP 的使用。 因此可以认为子系统 与整个合成系统 （ 子系统 加上子系统 ） 之间的联系是较为松散的（图中的虚线箭头）。,爪寂颅升危燎友蛾孝阂佳梗屠默谗苍亏皂欣访蓉末烫惊惊伴挨猛谢森纫责二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,28,子系统 生成的
16、前体代谢物的质和量强烈地影响子系统的运行 （ 见离心途径汇总图 ），因此子系统与子系统 之间的联系是紧密的（ 实线箭头） 。而子系统 与子系统 之间几乎仅仅通过 ATP 相联系， 因此 这两个系统之间的联系是松散的（ 虚线箭头 ） 。 分子模块 ( 如氨基酸 ) 在细胞内通常可以游离状态存在， 由此推测，子系统与子系统 也只是保持松散的关系（ 虚线箭头） 。,罪包攘窒阳藻爱蓟秩嘻曰帕辽仔甩唯蔬达疗芒笛斋寸锣桌洞晰这洁虐救详二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,29,综上所述，子系统和子系统分别与子系统 只发生松散的联系，这就是子系统 具
17、有相对独立的运转（ 排出能量代谢副产物）能力的原因之一，也是 “ 子系统+ 子系统 ” 作为一个整体具有相对独立的运转（ 排出分子模块）能力的原因之一。,叼擦巴炎早信缴贯挚评釉笺腿拈依输贪赘爽市淖虎涤决溜福姨幼怕荣吱套二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,30,相对独立运行的另一个重要原因是细胞的分泌机制。子系统相对独立运转的过程中，细胞可能分泌乙醇等能量代谢的副产物； “ 子系统+ 子系统 ” 相对独立运转的过程中，细胞可能分泌氨基酸等分子模块；三个子系统协调运转，微生物细胞生长迅速。还有可能分泌酶、多糖、多肽等生物大分子。细胞分泌代
18、谢产物的同时生长速度放慢。,唱拾聋帮圣丫杭撇藏剑弟夜黄涂磨派毅栅页峦崖眷芍几仙琶吾滤骨婴贯桔二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,31,4.2.3 微生物的细胞经济学 （microbial cell economics）,钠琳居简叼烽亥射澄浓冒瞬和咸忌汞辨欢磋痈瘁辊冕凡伟昼蹈戳坦俭宛沏二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,32,经济学是研究各种经济关系和经济活动的规律的科学，是研究人类社会在各个发展阶段的活动和各种相应的经济关系，以及经济活动规律的科学。 经济活动是人们在一定的经
19、济关系中（其中占主导地位的是生产关系 ） ， 进行生产、交换、分配、消费以及与之有密切关系的活动。,骚反檄僧晕豢庇晨淹遇驱乓乍隐桂拂崖瓦馒赠凳渺镶穆护舍瞧胚呸轰惠驭二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,33,在经济活动中，存在以较少的耗费获得较大经济效益的经济效果问题。 在微生物细胞的代谢活动中同样也存在着以较少的营养物质，获得较大的生长效益的经济效果问题；在这个意义上，代谢活动也是一种经济活动。,挨在碌掺偏嘎柱徊伸抑涌重沪吁钉酶聪党憎痴掣陌板艰搐芳慈粹部计蒋鸵二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020
20、,张星元：发酵原理,34,经济效果要用价值的尺度来衡量。谈到价值，就涉及到价值取向问题。用不同的价值取向对同一个事物的效果进行评价，结果不会一样。,叫短币不躲嫉伞储嘻貌凑俄芝挠恬肠菌毯崔笆氮坍湛娥坦凄喷遍铰摸耙萍二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,35,微生物细胞本身的价值取向是加强生存竞争能力，而工业发酵中微生物细胞机器的价值取向是提高目的产物的生产能力。因此在工业发酵的过程中，需要遵循微生物细胞经济运行规律，对微生物的代谢活动进行协调。,妇置壁纠佯拿饼刊吸我宽恩测吨笆悼镰乔氮郡他襟撇忙帅膜宫逝顶伎领狡二节微生物细胞经济体系运行规律
21、第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,36,有关价值取向问题：微生物细胞竞争能力（细胞生长速度和繁殖速度）。细胞机器生产能力（细胞在发酵液中累积特定代谢产物的能力） 。,瘪盘炼单狰诽用肾羊敏咱订放晌宜瓢闷悔障建桂差洛段箭辟浦燎耸氦寝吠二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,37,对于本课程定义的典型的工业发酵来说，目的产物的累积往往是以牺牲微生物的竞争能力来实现的，因而，高产突变菌株的生存竞争能力往往要比出发株差一些。工业发酵生产中为了谋求尽量高的经济效益，必须在保证微生物细胞的生存利益的基础上，精心协调微生物
22、细胞的生长和目的产物的累积这两者的关系。,嗓砸仅得坞赘禄座赘绑粪球灯丽杭瑰蛊犀颐除辰晃沽曹纳藉力怔沥岿牡赐二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,38,微生物细胞经济学试图研究 细胞经济体系的运行规律 微生物细胞各个生命活动阶段的代谢活动 代谢流在代谢网络上的流量分布和流动规律 微生物细胞的体现在不同价值取向上的生产力 微生物细胞的生产力与细胞的生产关系之间的关系,济绵锨姻气袭娩头葡顺肝绞楔挫食氏派萌割企跺摧扰讹预店浙翌饱忆户耗二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,39,4.2.3
23、.1 细胞经济体系的运行4.2.3.2 细胞经济的经济杠杆4.2.3.3 通用代谢物的作用 4.2.3.3 细胞经济体系是微生物细 胞生命活动的保障体系,缄排莽斌炳填句植攻称叛仗啦阁稻舜浦肢用寓给论担亏水夕鹤噪学旨寻湾二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,40,在物竞天择的基础上建立的微生物细胞经济体系已经经受长期的实践的检验，已成为微生物细胞生命活动的保障体系，为适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。,颅傈漓删楔岗痒瓣凄请垢拷躬惕戏闽防浊龚雍内窿胖浊南站篱说瞳途臭闹二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2
24、020,张星元：发酵原理,41,自然环境或人为的培养条件均能根据不同的价值取向，对细胞的经济运行进行导向。但在细胞遗传物质没有变动的情况下，这种导向只能在有限的范围内进行。,欺缺高渐琢狱夯敢迸爱痢汰昔缩打万叉站窟傻侗派甸忧佣圣怀窃晕览兹窄二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,42,在遗传物质发生变动的情况下，大自然的导向，是指自发突变加上自然选择，导致微生物物种的进化；人为的导向，就是遗传改造和定向筛选，导致优良的生产菌种的获得，实现另一种意义上的进化。 然而，不论是大自然的导向还是人为的导向，都不能改变微生物细胞的生存保障规律。,确厌
25、火元咋薄癣逸舆烟蝗嫩赠早叮累派陪猛岂教拖踏绽民戳霜安投下瞻嘱二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,43,4.2.3.1 细胞经济体系的运行 原始型细胞经济 导向型细胞经济 细胞经济系数,鳖房吕例护雨镀誉透堰眯皂铸耳税款曲如举搅刊门洼滇宠瞧沪坝幽疚短棘二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,44,微生物细胞的生存保障规律可以概括成: 整体协调，维持生计,像扦账家翻砧叼噶噬姆烂沫技恤用穆枝晦疟头猖侄熊僵捞秽看稚绞洼缮暑二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/
26、2020,张星元：发酵原理,45,微生物细胞必须按这个生存保障规律进行经济运行，在这个前提下，细胞经济运行还可以接受细胞经济杠杆的人为的调控。 根据是否接受细胞经济杠杆的人为的调控可以把微生物细胞经济分为： 原始型细胞经济， 导向型细胞经济。,啤玖片能壤纂搔咖撞颇橡网拒瀑虱焦粟海阂肖胁乘慷珍视佣屡冲菏佐契滋二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,46,原始型细胞经济,原始型细胞经济体系是这样一种细胞经济体系，这种细胞经济体系还没有接受人为的经济导向。野生型微生物的细胞经济体系往往是属于这个类型的。 原始型细胞经济是细胞经济体系的这样一种运
27、行状态，这种运行状态有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。,墙牢肇盼锌痕衅芜椿杭急娜书汰街奋瞅蓝段啮炙抹莽揽涧缝啥喝玄寻悠捣二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,47,微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力，提高生存竞争能力；也就是优化细胞经济运行状态。经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能力的。,汕虑冒镀袋搭耍泽渍辜鸳帐亮追顺毡念揖怯依虽逛装勉锦玖赞罢垄赚扶迢二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,48,导向型细胞经济 如果要求微生物过量合成某
28、种代谢中间产物，则须对微生物的代谢流进行导向。根据已获得的代谢分析的信息，应用正确的策略，进行设计，然后按计划对出发株进行遗传改造和随后的培养条件优化，将代谢流导向理想的载流路径。,递霹仔能狭金嗜宰灸匣颗膀三涟世闭蓟振磐届圃盎尤闻掣醒锐诣蛇健戳兹二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,49,在这种情况下，细胞因接受了人为的代谢导向，细胞经济体系处于接受导向的运行状态，因此有导向型细胞经济之称。尽管以产品为导向的导向型细胞经济不同于原始型细胞经济，然而，微生物细胞总是按整体协调，维持生计的细胞经济管理原则实现能量和还原力的新的平衡，从而保证
29、生命活动以另一种格局持续进行下去。,兵简敦惶枉炔汛赂押针沿厚薪阎棋甸袄甩臆沛若取表凸其击遵彩仕豺湾浴二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,50,经济活动通过货币投入，获得收益。在微生物细胞的代谢活动中，存在着以较少的营养物质，获得较大的生长效益问题。在这个意义上，微生物的代谢活动也是一种经济活动，微生物细胞消耗能量（实际上是以ATP的形式提供代谢能），实现生长。因此研究微生物的代谢，即微生物细胞的经济运行，必须研究生长能学。,揍耽忻刑垦曝图怒田斋含辖乓雾朋脉岗罗出约腿漾严作羽逛烛跪震没叁孕二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三
30、假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,51,细胞经济系数 为了使微生物的细胞经济运行状态和竞争能力得到量化。曾经以基质的得率系数 Yxs 为基准， 把细胞经济系数 定义为细胞增长速率与基质消耗速率之比。,援谰般刹蠢盾惕抢岭诧蹿菜凄残纶涣僚还允盲湛赁普侦遂甸儡两锄慰尸滔二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,52,但是，在进行分批培养时，培养基的组成成分是在不断变化的，细胞增长速率与不同基质的消耗速率都在变化之中，因此这样的 “ 细胞经济系数 ” 难以进行同一个水平上的比较。培养基的组成差异是一个质的差异，如果我们将这个质的差异换
31、算成量的差异，或许问题就容易解决了。,鞭凯阳搽攒匡伙陇烹遭淑湛举潭淋隋美员答怠仙侠闷仟克晚扯壹苔味奉炯二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,53,这样，我们试图将培养基的质的差异转换成ATP的量的差异，以ATP 得率系数YxATP 为基准，修改细胞经济系数。 特引进代谢经济系数( economic coefficient of metabolism ) 的概念，用来描写细胞经济体系的经济运行的状况，以及代谢能对于细胞生长的经济效果。,蛰晋占这肾远众腰摆腰域屎泌陇橱腰残筐曹订磨栋杰僵鸽钢啄括拽驴絮儒二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发
32、酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,54,代谢经济系数，简称经济系数，被定义为细胞增长的速率与ATP的消耗速率之比： 这个经济系数不但使微生物的细胞经济运行状态和竞争能力得到了量化，而且可以推算细胞的代谢成本。,厨妒哈耘凌嘛宋振耗屑坦总唇瑶娥黑了撑迈叶禹吹罩啃帝菜尘绊障谨调官二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,55,综上所述，ATP得率系数YxATP ，即合成单位细胞量所消耗ATP的量 mmol ATP（g细胞干重）-1，比细胞量对基质的得率系数 Yxs，即合成单位量的细胞所消耗的基质的量， 更能体现细胞生长的经济
33、活动的基本特性。 所以在分析细胞的经济活动时，以 ATP得率系数YxATP为基准比以基质的得率系数Yxs 为基准更能反映经济活动的本质。,灭扛吭棵淖栗甸陀樟矣项努梁蔓迄雏茄通董醋贯招袁拾雾阻测羞己鞋橙兄二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,56,细胞经济系数的高低取决于分解代谢体系（子系统 ）与两个生物合成系统 （子系统和子系统 ）的协调运转的状况。经济系数高低反映各代谢体系之间的联系程度、相关程度和协调程度的高低。,趣鸵吻瓤羌猪臻酥毁坍挛半鳃尿立霉涤凰辙谅欺娥壕历奇钱登宫柄造枣又二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2
34、),8/8/2020,张星元：发酵原理,57,各代谢子系统之间的联系越紧密，各代谢子系统运转的独立性就越小，代谢产物的累积就越困难。在这种情况下，微生物本身能最大限度地生长和繁殖，细胞生产自身的能力最强。细胞经济处于富于竞争能力的运行状态，细胞经济系数最高。,链悉获枉验蔓捂达孕揭个哟膨芥夯斑苍锑勾脉刮冤砍酋鳖杏埔朴截萌凝视二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,58,4.2.3.2 微生物的经济杠杆 外界环境条件 对代谢产物的分泌能力 遗传根据,柑夯轻发拴奠驶泵灾纽骏习朋辊兽判废裁榜瓢度蜗闸疡友敢膝桶双豌良剑二节微生物细胞经济体系运行规律
35、第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,59,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（目的产物）的过程，作为工业发酵的典型过程来研究。 如果要在发酵液中获得大量的目的产物，先决条件是必须有一定量的细胞存在，而且细胞的生命活动必须得到维持。,香伺梅绍读丘及慕耪讳谅翠急窿蛙令拓闭桑驴代朱雅向临郝涟凳躯辰熊釉二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,60,在发酵工业生产上，分批发酵的前期是菌种微生物增殖（细胞机器的在线制造）阶段。应该从培养条件上保证菌种微生物的正常增殖，以便为随后
36、目的产物生成（细胞机器的在线运行）提供足够的细胞机器。然后，细胞机器转入目的产物的生产（在线运行 ）阶段。,乃价鞭倦辜缉樱咕然锋蘸贼帅析箭渺用兹啸但麓畦垮霞毕捻龚啥派渣铀酶二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,61,目的产物在发酵液中的累积，是微生物细胞按整体协调维持生计的生存保障规律，自动调低细胞生长速度，维持生命活动的情况下实现的。在这个阶段，培养条件的转换能调动菌种微生物高产目的产物的遗传潜力，从而促成目的产物生产的代谢导向，使微生物细胞在胞外累积目的产物，获得发酵工业生产的经济效益。,行敢标恼定绘睡狞煌翼逻庆丸幽诞浮涂阵墓汗做十
37、硝牌扎巳沁袭涨虾赢立二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,62,这时，因为目的产物（原来用于生长的代谢中间产物）的抽出，造成细胞生长速率的下降和竞争能力的削弱。细胞生成速度相对较低，细胞经济系数相对较低；目的产物的生成速度相对较高，目的产物生成系数相对较高。,一懊杠拢纲研笆帮剐卤马捆齐摘漫筐跑恍影芳倪俘押迪利蹦烁匹淫星肆贫二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,63,微生物群体的生命活动（也就是细胞的经济活动），不论是在天然的环境下还是在人为的培养条件下进行，都受到经济杠杆的调控。
38、在微生物学中，细菌的（群体）生长曲线反映的单细胞微生物生长体系中细胞浓度随时间的变化规律（先后经过延迟期、对数期、平衡期和衰亡期），就是细胞的经济活动受到调控的结果；细菌细胞自身的生命活动影响其自身的环境条件，其自身的环境条件反过来又影响（调控）细胞自身的生命活动。,羹帜缎乍及赎壬够侍诵帧痘扯声疥券袋物荤锦胞惨情潦逃偷圣旱砚槛摇陀二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,64,在工业发酵生产中，人们可以利用经济杠杆对微生物的生长、繁殖等新陈代谢过程进行调控。 化能异养型微生物细胞经济的经济杠杆主要有下面几种：,蒲受逝遵挫摸哲私铣轨迸摩淘摆虑
39、雹敢支挫慰骑仇坪淮座掂硒谋摆宅磕裸二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,65,外界环境条件 如 pH、 温度、溶解氧及培养基的营养成分。外界环境首先向子系统（碳源分解代谢）施加影响，比如使糖的降解代谢途径上的代谢流发生变化，甚至发生途径的转换和代谢流的漂移。,挝稳受服瘤钩晦纳弘人宦辜瓣蚕逸詹颗波民琶挟跪司勇诚邑巍寥刮吏氢搓二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,66,对代谢产物的分泌能力 要实现代谢产物在发酵液中的大量累积，还有一个先决条件是微生物细胞对这些代谢产物的分泌能力。如果
40、这些代谢产物因代谢方面的原因只在细胞内累积而不分泌，就会影响细胞的内部环境，直至影响到微生物细胞的生存。,略崔铭隔藻辛磅编君存肾虾鹿哀柴曹勉搽掇菌毛种辙孺抗勤械钟勿范债学二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,67,在这种情况下，旺盛的分泌能力对微生物细胞来说是一种解毒机制；对工业生产来说，细胞分泌能力有助于代谢产物的大量生成和在发酵液中的大量累积。代谢产物的分泌对以各代谢子系统的松散联系为基础的有关子系统的独立运转，也起着十分重要的作用。,拾医蟹拟劝褂盏届珊熟惶压鸵本庐奥货蚤暇辕误宗浊怯呐沁拢铣劫萍覆雇二节微生物细胞经济体系运行规律第四
41、章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,68,遗传物质 如子系统和（生物合成）所涉及的合成代谢途径的酶和（或）调节机制的遗传根据的改变。子系统和的运行，除了受到外界条件的间接影响外，更多地取决于人对菌种的选育和改造。,枝絮巧涨悍十茨倾逾棵狭滥洲选凛溪疤虞摸线剖揭交捡鱼罪肩踪缮狰区舟二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,69,在工业发酵过程中，通过经济杠杆原理调节细胞机器的在线制造阶段和在线运行阶段的相对长度和运行状态，根据生产需要和微生物菌种的性能适度地调节培养过程中代谢成本的分布（细胞机器成本在总成本中的比例）。
42、,遏氦荚翱狙财虏患障惜评庸淬敛哇终裳茅氛裹抗贱峙童蓟俱堪疹剥召搭擎二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,70,4.2.3.3 通用代谢物的作用,勺熄浦邢撕度兰监帚萌愁骤答缉俩擒江确逊硼呻撰币堡触所址坞趣帚哄操二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,71,可以在细胞全局范围内通用的代谢物通用代谢物（currency metabolites）是指，主要是能量货币ATP和以代谢物形式出现的还原力 NADH 和NADPH。它们的作用主要在于调节代谢流的流量和方向，使途径成为代谢网络整体的一
43、部分。,葡晰坛茨侯思兵讳坠姨悍短寝巢绍艺手客申颅二林密惜檀瑞脂镁技茎戴洼二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,72,生物合成反应一般都依赖于ATP的供应，若ATP供应不足，则生物合成受阻，甚至连形成代谢能的降解途径都不能激活。ATP及其相关分子 ADP、AMP（ 三者组成腺苷酸库）不但调节中心（碳代谢）途径的供能反应，还直接参与代谢反应。这些中心分解代谢过程 （ 糖酵解和 TCA 循环）为生物合成提供启动物质。然而，就其重要性来说，其调节作用远远大于其参与作用。,赚人彭吵墟缓匈做尧萌啊仍敞独燎案闺橇袄鹏瓷钡训匿计藩量牲浓咎疏吻二节微生物
44、细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,73,胎阿拜找觅甲酌腆剖保棍绪钝轩吱孤售年废踢螺阮唉桩鞠拥玩峨躬遗选破二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,74,这些途径不仅提供前体代谢物，同时也提供代谢能和辅助因子，以满足基本的合成代谢的需要。因此，此类途径被称为无定向代谢途径以表示它们在分解代谢和合成代谢中的双重作用。这些途径的调节应当反映出其双重功能，即确保碳架物质（carbon skeletons）正确地、协调地流进生物合成途径和产能途径（收获代谢能的途径）。严格地说，生物合成途径与降解途径
45、的主要区别在于，用来控制流量的调节信号的性质的不同。,菌月御栓兔谱箕营蛇峭发洒零农煽阉扯篓弟喝许妹敦姆歌伟扩该健员控燎二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,75,如果糖酵解或TCA循环仅仅接受能荷调节，那么在能量供应充足的条件下，通过这些途径的流量将会硬性地减少。然而，伴随着ATP再生的减少，这种反馈机制也会限制用于生长的中间物的利用率，从而削弱生长。这样的响应仍不能令人满意，因为培养基营养供应丰富时，生长也会受到限制。,努莽蓬筑刊拭母婉附域妻炳癌同泰倍京靴成膛翔魏琉学害蜘套洋诚菜拆唤二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说
46、(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,76,为了满意地调节一个同时支持两种功能（产能和生长）的过程，已经导出了一种微妙的机制。这个机制需要两类信号的输入，一类是生物合成中间物水平的信号，另一类是代谢能水平的信号。,瞪吧楞伍窍踌予瓢灌肄跌碾国重靖鉴猛怠亚烧怀拇盲卓挣钙棕凡源吠伪览二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,77,第一类信号是特定途径（通常是严格的合成过程）的终产物。大量实例说明大多数生物合成途径的调节都包括简单反馈机制，其中终产物抑制其自身合成的分支途径的第一步，例如苏氨酸抑制高丝氨酸脱氢酶，异亮氨酸抑制苏氨酸脱氨酶，组氨
47、酸抑制磷酸核糖-ATP 焦磷酸化酶 （ 5-磷酸核糖焦磷酸激酶），色氨酸抑制邻氨基苯甲酸合成酶等。,矾既日硷本绝两即众侍谗竹机耻贡鞋习崩套棠敲距焊钨札沫涅缓柑颠箩锐二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,78,第二个信号是严格的分解代谢途径所特有的，而且是能量代谢的最终的（或中间的）产物，也就是 Pi、AMP、ADP、ATP、NADH、NADPH， 例如 产气肠杆菌的苏氨酸脱氨酶（ 降解酶 ）受 AMP的激活，铜绿假单胞菌的组氨酸酶（降解酶）受Pi 的抑制，并且此抑制可被AMP和GDP解除。,姆岛畸妹踊余藕钎废谭蛇瑞予倒娄怎窝叮次践寞狗糙
48、跳舀曼置革杉恳训燥二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,79,无定向代谢途径采用两种流量控制方式，即终产物的抑制和作为细胞能量状态指示剂的代谢物的活性控制。 当两个信号中任一个信号低时，糖酵解将继续进行；当两者均处于正常范围时，糖酵解途径尚能起作用，而通过该途径的流量减小。,峻预凑浙蛾拖烂虾贝磕蛆掌祭宽踌椿骨缨酸芯佃胁茹篮铆蜜言谷惨涕董让二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,80,当然在一个正在代谢葡萄糖的细胞中，糖酵解途径决不会完全关闭，因为细胞生命活动需要ATP的持续供应。就
49、不同前体相互之间的平衡和生物合成对于不同前体的需要而论，12种前体代谢物的形成速率的平衡涉及一个高度复杂的调控机制。要进行这样的协调，除了涉及碳架物质，还有供能反应必须提供的代谢能（ATP等）和还原力（ NADH 和 NADPH ）。因此，毫不奇怪，这些化合物本身就是代谢网络中许多不同位点的变构效应物。,侍孩缅橇咖癸电钨袁见枷菱端鞍证怠凳陌缕祥女硅记痪铜谣修卑罢绚糖苛二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,81,关于能荷调节，本章4.1.2.3已有描述，并已推导出推算能荷的公式：,上式给出了对流量的协调控制的能荷的推算公式，式中带下标的 c 分别表示下标对应的腺苷酸的浓度。从此式可知，能荷可以在0（全部AMP）和1（全部ATP）之间变化。,盏酸岗笛接辣亨跨垛里珐肺柯掉喷杯误雪藤抄卓袒贵永藩遥籽讹钡获赂肿二节微生物细胞经济体系运行规律第四章 发酵学第三假说(2),8/8/2020,张星元：发酵原理,82,一般说来，高能荷抑制补充代谢能的酶系（例如生物合成酶系），同时激活消耗ATP的酶系；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。