代谢工程复习

一、根据生化代谢系统反应反应特点对生物体生化反应进行分类：
1. 装配反应（Assembly Reaction）：完成大分子的修饰，并将大分子运输到细胞内的特定区域，最终使其参与细胞结构元件的合成，如细胞壁、细胞膜等
2. 聚合反应（Polymerization Reaction）：使细胞构建单体聚合形成生物大分子，聚合过程均为长链式，中间伴有分支反应。

3. 生物合成反应（Biosynthesis Reaction）：最终产物是参与聚合反应的构建单体以及一些辅酶等。

以级联形式组合，形成特定的生物合成途径，合成途径中编码不同酶的基因成簇分布，通常是一个操纵子。

4. 产能反应（Fueling Reaction）：分解代谢途径中的12种生物合成前体，产生能量合成ATP。

ATP提供能量，产生还原力（NADPH）。

二、术语
1. 底物：培养基中的化合物，能被细胞进一步代谢或直接构成细胞组分。

碳源、氮源、能源、无机盐
2. 代谢产物：细胞产生并分泌到细胞外的化合物，分为初级代谢产物（CO2、乙醇等）、次级代谢产物（该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素、毒素、激素、色素等）、蛋白质
3. 生物基质要素：生物大分子，RNA、DNA、蛋白质、脂质、糖类
4. 胞内代谢物：代谢途径的中间产物以及用于合成大分子的结构单元
5. 途径：代谢物的转化、信息传递以及其他反应的过程
6. 生化反应途径、代谢途径：由一系列连续的生化反应构成。

在活细胞中则称为代谢途径
7. 生物反应网络：生化途径汇总构成网络
8. 代谢网络：包括物质代谢网络、能量代谢网络，由分解、合成、膜运输途径构成
9. 代谢网络的联网：通过化学反应或生化反应将化合物与代谢网络连接
10. 通量/物流：物质、信息通过代谢途径产生的速率
11. 代谢流（碳架物质流）：代谢物在代谢途径中形成代谢流，某一代谢途径的代谢流（Flux）定义为流入代谢物被途径加工成流出代谢物的速率。

在代谢工程上称为，碳架物质流
12. 代谢主流：一定培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流为该条件下的代谢主流
13. 载流途径：代谢主流经过的代谢途径，代谢工程中，指碳流在网络中通过的主要途径，即生产产物让碳流相对集中进行生产的途径
14. 代谢主流的变动性、选择性：微生物的代谢主流处于不断变化中（变动性），其方向、流量、载流途径由于环境影响而发生改变（选择性）
15. 理想载流途径：代谢主流从设定的途径通过，该途径为理想载流途径
16. 代谢网络节点：代谢网络的交叉点即代谢网络分流处的代谢产物（代谢流的集散处）。

条件改变，代谢流去向变化大的节点为主节点。

分为柔性（流量分配容易改变并满足代谢需求的一类节点）、柔刚性（介于两者之间）、强刚性（是流量分配不容易改变的一类节点）
17. 节点的刚性：微生物自动抵制节点处流量分配的改变的特性
18. 代谢网络的刚性：微生物自动抵制代谢网络流量分布的改变的特性
19. 代谢物流分析：计算各途径的物流，描述不同途径间的相互作用以及支点物流分布
20. 代谢控制分析：指通过某一途径的物流与以流量控制系数表示的酶活之间的定量关系
21. 流量控制系数：流量的百分比变化/某一酶酶活（该酶理论上能够引起的流量的变化）的百分比变化
22. 总和原理：某一代谢系统中某一物流的所有酶的流量控制系数之和，为1
23. 弹性系数：表示酶催化反应速率对代谢浓度的敏感性；弹性系数是个别酶的特性
24. 物流分担比：途径A与途径B的物流比
生物技术的上、中、下游过程：
上游加工----最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂
下游加工-----从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品
中游加工-------生物反应器为中心
生物化学工程------包括中下游两部分
黑箱模型：
1黑箱模型中细胞生物基质以黑箱形式与环境进行物质交换，因而生物活细胞内上千种生化反应被简化为单一反应，即生物基质的生长。

2进出黑箱的物质流量用特殊的反应速率来表征，即底物摄取速率r s和产物形成速率r p，其定义分别为单位时间单位生物基质所生成和消耗的物质量。

3第三个参数是黑箱模型中生物基质的积累量，用比生长速率m来表示。

代谢途径的组合：
是指在遵循各生化反应化学计量规律的前体下，寻找从初始化合物到目的化合物各种可能存在的生物合成途径。

细胞代谢流分析的基本理论：
1在测定胞外物质变化的基础上，通过细胞内各种生化反应的化学计量可以计算出胞内各物质的流量分配，相比之下，胞外流量是通过对细胞底物摄取率及产物分泌率的测定而获得的。

2代谢流分析的最终任务是绘制完整的代谢过程流量图，该图包括由各相关反应组成的完整代谢途径以及各代谢物在稳定态时的流量精细分布。

确定细胞内代谢途径中的刚性节点：
刚性节点的分支流量不会发生较大的改变，而柔性节点分支流量会随着环境或细胞性状的改变进行相应调节。

细胞代谢流的测定：直接法测定法、同位素标记测定法
根据底物在代谢反应中对通用性酶和特异性酶的使用要求，可将细胞内所有的生物分子分成两大类：
（1）一级基因产物，如tRNA、rRNA、多糖、酯类、蛋白质和核酸等，其生物合成和分解只需要有限的几种通用性的酶及蛋白因子，包括RNA聚合酶、RNA剪切酶、DNA聚合酶、糖苷酶、脂酶、氨酰基-tRNA合成酶、肽基转移酶、核酸酶等；
（2）二级基因产物，如氨基酸、维生素、抗生素、核苷酸等小分子化合物，它们的生物全合成和降解少则涉及几个基因多则需要几十个基因所编码的酶系，而且这些酶大都具有使用的特异性。

代谢流及其控制机制的三大基本步骤：
①建立一种能尽可能多的观察代谢网络并测定其流量的方法
②在代谢网络中施加一个已知的扰动，以确定在系统松散之后达到新的稳态时的代谢流。

③要系统分析代谢流扰动的结果。

代谢工程基本过程：
靶点设计：根据代谢流分布和控制的分析结果确定代谢设计的合理靶点，通常包括拟修饰基因的靶点、拟导入途径的靶点或者拟阻断途径的靶点等。

基因操作：基因重组是途径工程重要的特征操作技术
效果分析
代谢工程的基本原理：
1.涉及细胞物质代谢规律及途径组合的生物化学原理
2.涉及细胞代谢流及其控制分析的化学计量学、分子反应动力学、热力学和控制学原理，这是代谢途径修饰的理论依据；
3.涉及途径代谢流推动力的酶学原理，包括酶反应动力学、变构抑制效应、修饰激活效应等
4.涉及基因操作与控制的分子生物学和分子遗传学原理，它们阐明了基因表达的基本规律，同时也提供了基因操作的一整套相关技术；
5.涉及细胞生理状态平衡的细胞生理学原理，它为细胞代谢机能提供一个全景式的描述，因此是一个代谢速率和生理状态表征研
究的理想平台；
6.涉及发酵或细胞培养的工艺和工程控制的生化工程和化学工程原理
7.涉及生物信息收集、分析与应用的基因组学、蛋白质组学原理
代谢工程的研究技术：
检测技术
分析技术
操作技术
增加目标产物的积累的五个方面：
增加代谢途径中限速步骤酶编码基因的拷贝数
强化以启动子为主的关键基因的表达系统
提高目标途径激活因子的合成速率
灭活目标途径抑制因子的编码基因
阻断与目标途径相竞争的代谢途径
代谢组学
代谢组学是研究生物体系（细胞，组织或生物体）受外部刺激所产生的所有代谢产物的变化，可以认为代谢组学是基因组学和蛋白组学的延伸
基因组
基因组是指一种微生物（包括细菌和病毒）或其它生物体细胞中的总DNA或RNA(是指逆转录病毒),包括核DNA，细胞器DNA(动植物线粒体DNA和植物叶绿体DNA)和染色体外遗传成分(如细菌的质粒DNA)。

转录组
转录组即一个活细胞所能转录出来的所有mRNA
蛋白质组
蛋白质组是某种生物所能表达的所有蛋白质，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质，它们都是由RNA从基因那里转录、剪辑信息后选择性拼接和修饰产生。

代谢组(metabolome)
代谢组应该是指某一生物或细胞所有的代谢产物。

生物过程(reactome)
Reactome是一个人为规定的人类核心生物途径和反应的数据库
Reactome数据库的基本单元是一个生物反应
代谢产物的分析层次
Oliver Fiehn 将对生物体系的代谢产物分析分为4个层次：
1）代谢物靶标分析（Metabolite target analysis）：某个或某几个特定组分的分析；
2）代谢轮廓分析（Metabolic profiling）：少数预设的一些代谢产物的定量分析，如某一类结构、性质相关的化合物或某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分；
3）代谢组学（Metabolomics）：限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的定性和定量；
4）代谢物指纹分析（Metabolic fingerprinting）：不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类（如表型的快速鉴定）；代谢组学的应用
生理条件对代谢谱的影响：建立生理条件下对代谢谱的正确认识,是研究各种病理条件或刺激干预的前提。

生物学研究领域：作为基因型与表型之间的桥梁, 代谢组学将基因产物和基因关联起来, 实现基因功能的鉴定。

农业和食品领域：加快农作物品质改良的进程，对转基因生物及其食品进行安全性评估
医药领域：药物安全性评价
疾病诊断和发病机理探讨：诊断先天性疾病。