第2章细胞功能到产品
生理学 第二章 细胞的基本功能
+
2. 继发性主动转运
方向： 低→高 介导蛋白质：转运蛋白 分类： 同向转运 逆向转运 转运物质举例：
Na
+
葡萄糖(小肠上皮、肾小 管上皮)、氨基酸
小分子物质跨膜运输方式的比较
单纯扩散 运输方向 载体 能量 举例 顺浓度梯度 不需要 不耗能 O2、CO2、H2O、 甘油、乙醇、苯 等 易化扩散 顺浓度梯度 需要 不耗能 葡萄糖进入红细 胞 主动转运 逆浓度梯度 需要 耗能 Na+、K+、Ca+等 离子； 小肠吸收葡萄糖、 氨基酸等
静息状态下细胞膜对K+的通透性最大
3)膜外正电变为流动阻力
4)当动力(浓度差)=阻力(电位 差)时，跨膜流动停止
5)达到 K+的电－化学平衡电位，
即 K+平衡电位。
结论：静息电位相当于K+平衡电位
3. 静息电位小结
1) K+外流是静息电位形成的主要原因，静息电位接近于K+的 电－化学平衡电位。 2) 静息状态时细胞膜对Na+也有一定的通透性，通常静息电位 略低于K+平衡电位。 3)静息电位=极化状态，是一个现象的两种表达方式。 4)静息电位的大小主要受细胞内外K+浓度的影响，细胞代谢障 碍也可影响静息电位。
一、小分子物质和离子的跨膜转运
二、大分子物质和颗粒物质的跨膜转运
一、小分子物质和离子的跨膜转运
(一)被动转运
(二)主动转运
(一)被动转运
概念： 是指物质从高浓度一侧向低浓度一侧（顺浓度差）的跨膜 转运形式，转运过程不需要细胞代谢提供能量，其动力为细 胞膜两侧存在的浓度差(或电位差)。 分类： 1．单纯扩散（不需膜蛋白辅助） 2．易化扩散（需膜蛋白辅助）
生理学基础讲义 第二章 细胞的基本功能
13
测得的静息电位值与计算所得的 EK 接近，而与 ENa 相差较远。但是，静息电位的实测值也并不等于 EK，而是略小于 EK，其原因是胞膜对 Na+也有一定的通透性。
9
（二）G 蛋白耦联受体
1.配体与受体 激活这类受体的配体包括儿茶酚胺、5‐羟色胺、乙酰胆碱、氨基酸类神经递质以及几乎所有的多肽和 蛋白质类神经递质和（或）激素（钠尿肽家族除外），还有光子、嗅质和味质等。这类受体均为称 7 次 跨膜受体。 2.G 蛋白 也称鸟苷酸结合蛋白，位于胞膜内侧面，是由α、β、γ三个亚单位构成的三聚体。其中，α亚单 位具有结合 GTP 或 GDP 的能力，还有 GTP 酶活性。G 蛋白平时无活性，配体与受体结合后使其激活。 失活态 G 蛋白呈αβγ三聚体‐GDP 复合物, 激活态 G 蛋白分为α亚单位‐GTP 复合物和βγ复合体两部 分。α亚单位发挥 GTP 酶活性，分解 GTP，则 G 蛋白又回到失活态。 3.G 蛋白效应器 包括腺苷酸环化酶(AC) 、磷脂酶 C(PLC)、磷脂酶 A2 (PLA2)和磷酸二酯酶(PDE)等。G 蛋白激活后， 可调节上述效应器酶的活性。这些酶的作用是催化生成（或分解）第二信使物质。 4. 第二信使 包括环磷酸腺苷（cAMP）、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油 (DG)、环磷酸鸟苷(cGMP)、Ca2+、花生 四烯酸(AA)及其代谢产物等。第二信使大多由效应器酶催化产生，然后进一步通过激活蛋白激酶或离子 通道，最终导致细胞功能改变。 5. 第二信使依赖性蛋白激酶
16
膜电位去极化→膜去极化达到一定程度（即阈电位）后，去极化与 GNa↑之间出现正反馈，膜电位
生理学第二章_细胞的基本功能
出胞(exocytosis)
胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。 例如
外分泌腺细胞排放酶原颗粒和粘液 内分泌腺细胞分泌激素 神经纤维末梢神经递质的释放。 形式 持续性出胞：安静自发 Байду номын сангаас调节性出胞：诱导释放
效应器酶：催化生成第二信使 腺苷酸环化酶 (AC)、磷脂酶C (PLC)、 磷脂酶A2 (PLA2)、鸟苷酸环化酶 (GC)
离子通道 转运蛋白
第二信使 （second messenger）
环磷酸腺苷(cAMP)、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DG)、环磷 酸鸟苷(cGMP)、Ca2+
作用：使靶蛋白（蛋白激酶、离子通道）磷酸化、构象变化
Ca2+信号系统 Ca2+
总结：G蛋白偶联受体介导的信号转导过程
第一信使
G蛋白耦联 受体
G蛋白 α α
G蛋白 GT
GDβγ
PP
细胞 功能 改变
…
…
效应器酶 第二信使
蛋白激酶 或通道
三、酶联型受体介导的信号转导
酶联型受体： 自身具有酶的活性或能与酶结合的膜受体 结构特征：
仅一个跨膜区段 胞外结构域含有可结合配体的部位 胞内结构域则具有酶的活性或含能与酶结合的位点
本质：载体或转运体（transporter）:贯穿脂质双层整合蛋白 对象：水溶性小分子（如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等） 特点：
（1）结构特异性 （2）饱和现象 （3）竞争性抑制 （4）顺浓差或电位差 机制： 载体蛋白分子内部的变构
（三）主动转运 (active transport)
生理学笔记——第二章细胞的基本功能
⼀、细胞膜的基本结构——液态镶嵌模型 该模型的基本内容：以液态脂质双分⼦层为基架，其中镶嵌着具有不同⽣理功能的蛋⽩质分⼦，并连有⼀些寡糖和多糖链。
特点： （1）脂质膜不是静⽌的，⽽是动态的、流动的。
（2）细胞膜两侧是不对称的，因为两侧膜蛋⽩存在差异，同时两侧的脂类分⼦也不完全相同。
（3）细胞膜上相连的糖链主要发挥细胞间"识别"的作⽤。
（4）膜蛋⽩有多种不同的功能，如发挥转动物质作⽤的载体蛋⽩、通道蛋⽩、离⼦泵等，这些膜蛋⽩主要以螺旋或球形蛋⽩质的形式存在，并且以多种不同形式镶嵌在脂质双分⼦层中，如靠近膜的内侧⾯、外侧⾯、贯穿整个脂质双层三种形式均有。
（5）细胞膜糖类多数*露在膜的外侧，可以作为它们所在细胞或它们所结合的蛋⽩质的特异性标志。
⼆、细胞膜物质转运功能 物质进出细胞必须通过细胞膜，细胞膜的特殊结构决定了不同物质通过细胞的难易。
例如，细胞膜的基架是双层脂质分⼦，其间不存在⼤的空隙，因此，仅有能溶于脂类的⼩分⼦物质可以⾃由通过细胞膜，⽽细胞膜对物质团块的吞吐作⽤则是细胞膜具有流动性决定的。
不溶于脂类的物质，进出细胞必须依赖细胞膜上特殊膜蛋⽩的帮助。
物质通过细胞膜的转运有以下⼏种形式： （⼀）被动转运：包括单纯扩散和易化扩散两种形式。
1.是指⼩分⼦脂溶性物质由⾼浓度的⼀侧通过细胞膜向低浓度的⼀侧转运的过程。
跨膜扩散的最取决于膜两侧的物质浓度梯度和膜对该物质的通透性。
单纯扩散在物质转运的当时是不耗能的，其能量来⾃⾼浓度本⾝包含的势能。
2.易化扩散：指⾮脂溶性⼩分⼦物质在特殊膜蛋⽩的协助下，由⾼浓度的⼀侧通过细胞膜向低浓度的⼀侧移动的过程。
参与易化扩散的膜蛋⽩有载体蛋⽩质和通道蛋⽩质。
以载体为中介的易化扩散特点如下：（1）竞争性抑制；（2）饱和现象；（3）结构特异性。
以通道为中介的易化扩散特点如下：（1）相对特异性；（2）⽆饱和现象；（3）通道有"开放"和"关闭"两种不同的机能状态。
第二章 细胞的基本功能
一、G蛋白耦联受体介导的信号转导 （一）信号分子
1. G蛋白
2. G蛋白耦联受体
3. G蛋白效应器
4. 第二信使
5. 蛋白激酶
1. G蛋白
即鸟苷酸结合蛋白，是 耦联细胞膜受体和蛋白效 应器的膜蛋白。
结构特征： ① 由α、β和γ三个亚单位组成，α亚单位 起催化作用； ② 有鸟苷酸结合位点；与受体及效应蛋白的 作用位点； ③ 有GTP酶活性； ④ 两种存在形式：与GDP结合的非活性形 式；与 GTP结合活性形式。
2. G蛋白耦联受体
受体：细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子（配体） 并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质 。 其中一类受体需在G蛋白介导作用下才能完成其信号 转导功能，称为G蛋白耦联受体。 结构：一条多肽链，7个跨膜α-螺旋，膜外N末端，膜内C末端 作用：与配体结合后能结合并激活G蛋白
5. 蛋白激酶
能催化蛋白质磷酸化的一类酶。按作用底物分为：
①丝/苏氨酸蛋白激酶；（主要）②酪氨酸蛋白激酶。
蛋白质磷酸化的作用：
① 使酶活性改变→代谢改变； ② 通道开放→膜电位改变→兴奋性改变；
生理学基础习题第二章 细胞的基本功能
第二章细胞的基本功能一、名词解释1．单纯扩散2．易化扩散3．主动转运4．受体5．静息电位6．动作电位7．极化8．去极化9．超极化10．兴奋-收缩耦联11．等长收缩12．等张收缩二、填空题1．细胞膜的物质转运形式有、、、四种。
2．在细胞膜的物质转运形式中，不耗能的有和，耗能的有、和。
3．C02和02等脂溶性物质进出细胞是通过___ 转运形式进行的。
4．易化扩散是指一些不溶于脂质或在脂质中溶解度很少的物质，借助于膜上的帮助出入细胞的过程。
5．参与易化扩散的蛋白质有两种，一种是，另一种是。
6．主动转运与被动转运不同之处在于前者是逆梯度和能量的转运过程。
7．从生物电角度看，兴奋表现为细胞膜的，抑制表现为细胞膜的。
8．从生物电现象看，兴奋的标志是产生；细胞生理静息状态的标志是。
9.在静息状态下，膜对____有较大的通透性，所以静息电位又称____的平衡电位。
10.当神经细胞受刺激，局部产生去极化达到____ 水平时，膜对____的通透性突然增大，从而引起动作电位的产生。
11.动作电位上升支（去极化）的出现是由于膜对____的通透性突然增大，而下降支（复极化）则与随后出现的通透性的增大有关。
12.在同一细胞上动作电位的传导机制是通过兴奋部位与安静部位之间产生的____ 的结果。
14.骨骼肌细胞兴奋-收缩耦联的结构是，耦联因子是。
-骨骼肌接头处释放的递质是。
16.肌肉收缩按其刺激频率表现为____ 收缩和____ 收缩。
17．强直收缩分为、。
18.正常体内骨骼肌收缩绝大多数属于强直收缩，这是因为运动神经传出的通常是一连串的。
收缩，然后才有收缩。
三、选择题A1型题1．O2、CO2进出细胞过程属于：A．单纯扩散B．易化扩散C．主动转运D．入胞E．出胞2．静息电位产生的机制是：A．Na+内流B．Na+外流C．K+内流D．K+外流E．Ca2+内流3．物质在特殊膜蛋白的帮助下，顺电-化学梯度通过细胞膜的过程属于：A．单纯扩散B．易化扩散c．主动转运D．出胞E．入胞4．离子被动跨膜转运的动力是：A．电位差B．浓度差C．电-化学梯度D．钠泵供能E．自由运动5．安静时K+由细胞内流向细胞外属于：A．单纯扩散B．通道转运C．载体转运D．主动转E．出胞6．关于钠泵的论述，不正确的是：A．又称为Na+-K+ ATP酶B．排出K+摄入Na+C．对细胞膜内Na+、膜外K+浓度变化敏感D．一次转运排出3个Na+，摄人2个K+E．转运N a+ - K+过程是耦联过程7．细胞膜的主动转运是借助于膜上：A．载体蛋白的耗能过程B．通道蛋白的耗能过程C．泵蛋白的耗能过程D．受体蛋白的耗能过程E．泵蛋白的非耗能过程8．被动转运和主动转运的共同特点是：A．消耗能量B．顺浓度梯度C．借助膜蛋白帮助D．转运的物质都是小分子E．转运的物质都是脂溶性9．细胞膜上的泵、通道和载体的共同点是：A．转运脂溶性物质B．均消耗能量C．均是化学门控D．均是电压门控E．转运小分子物质或离子10．中性粒细胞的吞噬过程属于:A．出胞B．入胞C．主动转运D．单纯扩散E．易化扩散11．静息状态的标志是:A．极化B．抑制C．阈值D．动作电位E．兴奋12．动作电位去极化产生的离子基础是:A．Na+内流B．Na+外流C．K+外流D．K+内流E．Ca2+内流13．引起肌细胞收缩的直接动因是:A．Ca2+的释放B．Ca2+的回收C．Na+的释放D．Cl-的释放E．Mg2+的释放14．后负荷无限大时，肌肉的收缩形式是:A．单收缩B．等长收缩C．等张收缩D．全强直收缩E．完全强直收缩15．可兴奋细胞受到阈刺激后将产生:A．静息电位B．动作电位C．阈电位D．局部电位E．上述电位都可能16．当静息电位的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为: A．极化B．去极化C．复极化D．反极化E．超极化17．肌肉开始收缩时，表现为张力增加而长度不变。
生理学课件 第二章 细胞的基本功能
原发性主动转运
主动转运
继发性主动转运
扩展
扩展
四、入胞和出胞
概念：一些大分子物质或团块通过细胞膜变形活动进出细胞的过程，需细 胞消耗能量 入胞 吞噬 吞饮 出胞
二、易化扩散
概念：水溶性或脂溶性很小的物质，在特殊膜蛋白的帮助下，由高浓度一 侧通过细胞膜向低浓度一侧扩散的现象。 特点：①顺浓度差：不需细胞消耗能量 ②需要特殊膜蛋白的帮助 载体转运 分类： 通道转运
1.载体转运
物质：葡萄糖、氨基酸等
特点：① 高度的特异性：一种载体一般只能第二章 细胞的基本功能
第一节 细胞膜的物质转运功能
细胞膜的结构：脂质双分子层液态镶嵌结构
一、单纯扩散
概念：是指脂溶性的小分子物质从细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧转 运的过程。 特点：顺浓度差；不需细胞消耗能量 物质：CO2、O2、NH3、乙醇等 注：某种物质能否通过单纯扩散方式过膜，除了取决于膜两侧浓度差， 还取决于细胞膜的通透性。
③ 竞争性抑制：一种载体同时转运两种或两种以上结构相似的物质 时，一种物质的增加，将减弱对另一物质的转运。
CONTENTS
2.通道转运
物质：无机离子、水 特点：通道的开或关 受化学因素的调控——化学门控通道 受电压因素的调控——电压门控通道
三、主动转运
概念：借助细胞膜泵蛋白的作用，将物质由低浓度一侧转运到高浓度一侧
一、骨骼肌的收缩原理
滑行学说——肌肉的缩短是通过肌小节中细肌丝与粗肌丝相互滑行的结 果（其间肌丝本身的长度不变）。
(完整word)临床医学五年制 组织学与胚胎学 第2章 细胞讲义
第2章细胞细胞是一切生物体形态结构、生理功能和生长发育的基本单位。
人体虽有数百种大小、形态、功能各异的细胞，但它们都有一个共同特点,即细胞的结构均由细胞膜、细胞质与细胞核三部分组成 (图2-1)。
一、细胞膜细胞膜 (cell membrane) 又称质膜（plasmalemma），是包裹于细胞表面，将细胞与外界环境隔离，形成的一种屏障；细胞内也有丰富的膜性结构称细胞内膜系统（endomembrane system)，如细胞器膜与核膜，常把质膜与细胞内膜统称为生物膜（biomembrane）, 又称为单位膜（unit membrane）, 下面以细胞膜为例讲述其结构与功能。
（一）细胞膜的结构细胞膜厚度约为7.5 nm~10nm,在高倍电镜下细胞膜呈现为平行的三层结构，即电子致密的内、外两层与电子透明的中间夹层.细胞膜的化学组成主要是蛋白质和脂类,此外，还含有糖类、水、无机盐和金属离子。
根据目前公认的生物膜液态镶嵌模型（fluid mosaic model)，脂类常排列成双分子层，蛋白质通过非共价键与其结合，构成膜的主体；糖类通过共价键与膜的某些脂类或蛋白质结合组成糖脂或糖蛋白 (图2-2)。
膜脂以磷脂为主，还含有胆固醇和糖脂.它们的分子头部为亲水极，另一端是疏水极的尾部。
在水溶液中它们能自动形成双分子层结构,使疏水的尾部埋藏在里面，即膜的中央，亲水的头部露在外面，朝向膜的内外表面。
在电镜标本制备过程中，类脂的亲水极嗜锇性较强，呈电子致密状;疏水极的嗜锇性极弱，呈电子透明态，于是，类脂双层在电镜下表现为三层结构。
在膜内,类脂分子一方面以自身长轴为中心做垂直于膜平面的旋转，另一方面在单层内作侧向移动，从而膜脂呈现整体的流动性,这种流动性受其分子中脂肪酸链非饱和程度的影响，也受其中胆固醇的调节。
膜蛋白是膜执行各种功能的物质基础.可构成膜受体、载体、酶和抗原等。
膜蛋白为球形蛋白质，其70%～80％以不同深度镶嵌于双层类脂中,称为内在蛋白（intrinsic protein)，又称为跨膜蛋白（transmembrane protein），内在蛋白表面兼具亲水性和疏水性的氨基酸基团，前者与类脂的亲水极相结合，暴露于细胞膜的内外表面；后者则包埋于类脂双层的疏水极区域.其余20%～30％膜蛋白表面仅有亲水性氨基酸基团，附着在细胞膜内、外表面，称外在蛋白或外周蛋白 (extrinsic or peripheral protein）。
(2)细胞的基本功能
三. 骨骼肌收缩的分子机制（滑行学说 ）
（一） 骨骼肌肌丝的分子结构
1．粗肌丝：由肌球蛋白组成杆+头（横桥） 与细肌丝可逆结合，拖动细肌丝向M线滑行
具ATP酶活性，分解ATP供能 2．细肌丝：由三种蛋白组成 1）肌动蛋白：可与横桥可逆结合，被拖动滑行 2）原肌球蛋白：隔离横桥与肌动蛋白
3）肌钙蛋白：与Ca2+结合，改变构象
（二）骨骼肌细胞在光镜下结构
1．肌原纤维 暗带（粗肌丝）：中间较明的为H区 明带（细肌丝）：Z线连接
肌小节：暗带+ 2个1/2的明带
2．肌管系统
横管：肌膜延续，内为细胞外液传递电信号 纵管（肌质网）：末端称终池（钙池） 贮存、释放Ca
三联体：横管+两侧2个终池，兴奋-收缩耦连的关键部位 3．兴奋-收缩耦连过程 肌膜Ap 至横管膜三联体（关键部位）终池 Ca通道开放Ca内流 肌浆中Ca（关键耦连物） 肌丝滑行收缩
3．产生机制
1）去极化：细胞受刺激时 Na通道开放，Na快速内流
膜内外Na浓度比约110 (动力) Na内流 受刺激时Na通道开放 ( 通透性)
浓度差（动力） Na 平衡电位
电位差（阻力）
即ap去极化至+30mv时
=
2）复极化：细胞去极化至一定程度 Na通道关闭，K通道 开放，在细胞内外K 的作用下 K外流，形成复极化
前提
本质表现
外在表现
2 刺激
1）刺激三要素：刺激强度、时间、强度-时间变化率
刺 激 信 号 波 形
2）分类 按性质分：机械性、化学性、生物性、精神性等
按强度分：阈刺激、阈下刺激、阈上刺激
刚能引起组织产生反应的最小刺激，此时刺激强度即阈强度（阈值）
细胞的功能PPT课件
48
（二）阈电位与动作电位 概念:指能使细胞膜上Na+通道大量开放而引发 动作电位的临界膜电位值。 是激活电压门控性Na+通道的临界值。即刺 激先引发一定数量的Na+通道开放，引起Na+ 的内流，使膜内的电位升高，达到某一临界值， Na+通道大量开放，Na+迅速大量内流后，再 引发更多数量的Na+通道开放，导致Na+通道 开放与Na+内流之间出现再生性循环。从而爆 发动作电位。阈电位一般比静息电位的绝对值 小10～20mV。
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（二）动作电位产生原理： 1.去极化（上升支）：Na+平衡电位。
既Na+内流所形成的电-化学差平衡电位。
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2.复极化（下降支）：Na+平衡电位恢复为 K+平衡电位，主要由细胞内K+外流而产生。
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3.复极后：钠泵激活，使细胞膜内外的离 子分布恢复到安静时的水平。 膜内[Na+ ]↑和膜外[K+]↑→钠泵激活→排 出Na+、摄入K+
8
一、被动转运： 概念：物质顺浓度差或电位差不需要消耗能量
的转运方式称为被动转运。 特点： ①不耗能（转运动力依赖物质的电-化学梯 度所贮存的势能）； ②顺电-化学差进行； ③依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”。 分类： ①单纯扩散 ②易化扩散
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1.单纯扩散： 概念:脂溶性的小分子物质从细胞膜高浓度一侧
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入胞:
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出胞：
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第二章 细胞的基本功能 ppt课件1
在近端小管前半段，Na+进入上皮细胞的 过程或与H+的分泌或葡萄糖、氨基酸的 转运相耦联----继发性主动转运
（三）入胞和出胞
一些大分子物质或团块进出细胞,是通过细胞本身的 吞吐活动进行的,亦属于耗能性主动转运过程。
入胞:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程。 转运的物质是固体,称为吞噬; 转运的物质是液体,称为吞饮。
2 效应器酶：腺苷酸环化酶、磷酯酶C等
3 第二信使：cAMP、IP3、DG、cGMP、 PG、钙离子等
三、酶耦联受体介导的信号转导
由酪氨酸激酶受体 (TKR) 完成的跨膜信号转导 组成：
配体：肽类激素如胰岛素，细胞因子如NGF，EGF，FGF， CSF等。
TKR膜外侧肽段：决定特异配体。 TKR膜内肽段：tyrosine kinase.
超 常 期 稍高于正常 对阈下刺激可起反应
低 常 期 稍低于正常 对阈上刺激起反应
维持[Na+]o高、[K+]i高的不均匀分布 ↓
具有再进入膜内的势能贮备 ↓
用于细胞膜的其它一些物质的转运:如肠上皮细胞或肾小管上 皮细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收,是以Na+-载体-葡萄糖、
Na+-载体-氨基酸复合体的形式进行的协同转运
P5
钠-钾泵意义
20-30% ①细胞内高钾--代谢反应必须 ②排钠--维持细胞内的渗透压和细胞容积 ③细胞外高钠--继发主动转运前提 ④细胞内高钾、细胞外高钠--生物电前提 ⑤生电性使膜电位更负
第二章 细胞的基本功能 ppt课件1
脂质双分子层—骨架
构成：由双嗜性脂质分子两两相对 排列成双分子层
双 嗜 性 脂 质 分 子
功能蛋白质—实现转运
表面蛋白 整合蛋白
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Synthesis
Genetic modifications
Molecular biology Recombinant DNA technology •Cloning •Transformation
Design
Future modifications
Analysis
Metabolic characterization
第一个生产厂 ：“瓶工厂” Prizer公司：深层发酵法青霉素的商业化生产 纯培养阶段和深层通气培养阶段的产品特点：不存 在严格的代谢调控机制。
代谢控制育种发酵时期
随着人们对微生物中各种产物的生物合成途 径的深入了解（合成途径及调控机制、酶学性质 等），可以利用传统诱变技术和定向筛选技术得 到解除代谢调控的生产菌。 • 这一时期发酵产品得到极大的扩展，大部分产品 的生物合成途径中存在严格的代谢调控机制。
Penicillicum chrysogenum
细胞在消耗ATP的情况下，泵出质子(主动运输过程）
苯氧乙酸、rglu
、
高浓度有机酸造成ATP泄漏!
r氧
Ycell/glu
[ H ][ A ] 10 pH cdiss Ka HA cundiss
( pK a pH )
P20 能量泄漏的数据
Interpretation of the analysis Suggestions for further modifications
Fermentation physiology Metabolic pathway analysis Analytical techniques •Expression analysis (DNA arrays) •Protein analysis •Metabolite levels •Flux analysis
纯培养技术发明：
1881年，德国细菌学家科赫发明了营养明胶上划线以 分离细菌纯种的方法，后经其助手海斯夫人的建议，改用 更实用的琼脂来取代明胶，从而有力地推动了纯种分离技 术的发展。
通气培养时期
• 1942年，由于第二次世界大战中救护伤员的迫 切需要，推动了青霉素深层液体发酵技术的发 展，同时将生物反应器的设计、通气搅拌技术 引入发酵工业，并导致在发酵工程中具有革命 性和普遍意义的生物反应器技术的建立。
• 自由扩散（被动运输）
相间扩散 膜内扩散 相间扩散
• 促进扩散（被动运输） P16表2.2 一些化合物的运输类型 （细菌与真菌） • 主动运输
自由扩散的特点
运输速率与膜两侧物质浓度差、被输送物质的分 子大小、电荷、其在膜中溶解性、膜厚度有关 熵增过程，不需能量、自发进行 无专一性，具有方向性：顺浓度梯度 Dmem K par (ca cb ) 速率遵从费克第一定律：J P(ca cb )
体外基因重组技术
• 1973年，美国斯坦福大学医学院的科恩和博耶等人将 大肠杆菌中两种不同特性的质粒片段用内切酶和连接 酶进行剪切和拼接，获得了第一个重组质粒，然后通 过转化技术将它引入大肠杆菌细胞中进行复制，并发 现它能表达原先两个亲本质粒的遗传信息，从而开创 了遗传工程的新纪元。 • 对代谢途径中的特定的酶反应进行精确的修饰（控制 酶的质与量）,成为代谢工程的重要技术基础。
反向代谢工程的研究方法和工具
代谢工程的科学意义
确定细胞的基因型与表型关系
基因型：所有基因的组合 表 型：基因型所表达的功能 基因型决定表型 表型还受到环境的影响 细胞优化：确定基因型对目标表型的贡献度 环境优化：确定环境因素对目标表型的贡献度
代谢工程和系统生物学阶段
Ideker et al. Annu. Rev. Genomics HUM. Genet.2001. 2:343-73 A new approach to decoding life: systems biology
系统生物学是运用生物的、遗传的、化学的及物理的方法对生物系统进行 扰动从而对生物系统产生的响应进行研究，其需要检测基因、蛋白质、代 谢物及信号途径的响应，进而对所得信息、数据进行综合，构建描述系统 结构及其响应于上述各种扰动的数学模型。最终通过该模型来进行准确的 预测。 细胞反应网络、调控网络、信号转导网络、蛋白互作网络以及动力学模型 描述单个细胞系统的模型……计算机中的细胞 科学意义：细胞的各个部分如何有机的整合成一体，这个系统如何保证 细胞的“有效性”。
r Jacell Pacell (ca cb )
d mem
P 渗透系数：单位浓度差单位时间单位界面积的传递量
疏水性小分子>不带电荷的极性小分子>不带电荷的极性大分子>离子
O2 、N2 等
脲、H2O、CO2、甘油
葡萄糖 蔗糖
H+ 等
An example:有机酸的自由扩散
HA H+
pK a pH
ctotal cundiss cdiss 10 (1) pH pK a 1 10 At pseudo-steady conditions: rHA,in rA ,out PHA（ a cHA,extra cHA,int ra ) PA- a (cA- ,int ra cA- ,ex t ra ) (2) PA- a[(ctotal,intra cHA,int ra ) (ctotal,extra cHA,ex t ra )] ctotal ,intra ctotal ,extra ctotal ,intra ctotal ,extra 1 10 pHintra pKa 1 10 pHint ra pK a PHA PApH extra pK a pK a pH extra 1 10 1 10 PHA PA- 10 pHint ra pK a 1 10 pHintra pKa 1 10 pH extra pKa (3) (4)
• 代谢工程定义：利用DNA重组技术对特定的生 化反应进行修饰或引入新的反应以定向改进产 物的生成或细胞的性质。Rational method • 代谢工程方法顺利实施的焦点是精确定向，其 最显著的特点是全面系统的分析（MFA、MCA、 动力学模型），为了完成分析的任务，其实验 部分需要用到各种分析方法。代谢工程的发展 是和分析技术的发展紧密相结合的。
2.细胞生长中的反应类型
• 运输反应：底物的输入、代谢产物及酶的输出 • 产能反应：属于分解代谢反应，将底物分解、转化 为前体代谢物(12种），为生物质的合成提供基本 的碳骨架、能量（ATP）和还原力（NADH、NADPH） • 生物合成反应：由前体代谢物到构造单元（氨基酸、 核苷酸、磷脂、肽聚糖等）、辅酶、信号分子。合 成代谢反应 • 聚合反应：由构造单元到生物大分子（蛋白质、 DNA、RNA等）。合成代谢反应 • 装配反应：由生物大分子到细胞结构（细胞壁、膜、 核、鞭毛等） • 基因表达及其调节过程、信号转导过程：对细胞功 能进行总体控制
• 运输速率符合饱和型动力学：速率在低底物浓度是一 级，高浓度为0级（不变） P22 速率公式的推导
• 常见于真菌中，细菌中很少有这种运输方式（E.coli 甘油、 Zynomonas mobilis 葡萄糖、真菌糖类）
Porin
A bacterium like E. coli （outer membrane） can have up to 105 copies of porins OmpF, OmpC, or PhoE, which tend to form a barrel of antiparallel β-sheets, consisting of trimeric complexes of identical subunits of ca. 35 kDa, with an approximate diameter of 1 nm that allows the passage for molecules up to a mass of about 600 Da.
进一步扩展了生物基工业产品的种类（各种治疗蛋白、疫苗） 早期的工程菌构建策略比较简单，通过已有的生化知识和局 部分析可以推断出需要操作的目标基因（如何避免盲目性？） 基因工程技术和代谢控制育种相结合
代谢工程和系统生物学阶段
Bailey, J.E.(1991) Science, 252,1668-1674, “Toward a Science of Metabolic Engineering”:
Macromolecules
Secretion Assembly reactions
P11
Proteins
的运输反应
Modification of transport systems can result in the improvement of several cellular properties including: increasing the range of carbon source utilization increasing metabolic precursor availability for the synthesis of amino acids, shikimate pathway intermediates, TCA cycle intermediates, and fermentation products like ethanol increasing the efficiency in sugar mixture utilization by partial disruption of catabolic repression controlling overflow metabolism, thus reducing acetate production
1 10 10 6.13.1 1 10
7.13.1