三节代谢网络中碳架物质流的调动

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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。
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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。
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4.3.2 微生物的代谢流及其治理
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4.3.2.1
4.3.2.2 4.3.2.3 4.3.2.4 4.3.2.5
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 过量合成与微生物的异常代谢 溢出代谢 代谢流治理的可能性和现实性 代谢网络的刚性
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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
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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。
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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。
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4.3.2.2 过量合成和微生物的异常代谢 野生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。
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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。
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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
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。
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工业发酵细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation
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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。
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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）
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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。
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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。
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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。
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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 培养条件下细胞的生理状态。
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代谢。
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⑴ 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：
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③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； ④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。
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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。
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：
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① 标明调节方式 用“I”表示抑制（inhibition），用
“A”表示激活（ activation ），用 “R” 表示阻遏（repression）； ②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） ；
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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 （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。
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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。
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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20％～30％。
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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。
门”）。
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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 ” ）。
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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。
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Glc 黑 曲 霉 中 柠 檬 酸 的 代 谢 溢 出
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G-6-P
(PFK) CTA I ,NH4 A
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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）。
第三节 代谢网络中碳架 物质流的调动
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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。
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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。
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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。
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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： ⑴TCA环中间产物柠檬酸的溢出代谢， ⑵导致能量代谢的副产物乙醇生成的溢出
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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。
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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