代谢工程重点整理

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一、名词解释

1、柔性节点(flexible node)：若流入每一分支的流量容易改变以满足需求，这样的节点称为柔性节点。（在柔性节点，导向每一分支的酶对节点代谢物的亲和性相近似，每个分支的反应速度也相近，每一分支的流量受相应的终端产物反馈抑制控制。）

2、刚性节点：若一个节点的一个或多个分支的分配率被严密控制，则称该节点是强刚性的，即刚性节点。（这种控制通常是通过反馈控制和一个代谢物对另一个分支的酶的交叉激活这两种作用的结合来实现的。）

3、反馈抑制（feedback inhibition）：也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的活力起抑制作用。

4、反馈阻遏：末端代谢产物阻止整个代谢途径酶的合成作用。

5、代谢组学：一门“在新陈代谢的动态进程中,系统研究代谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代谢本质”的科学。它所关注的是相对分子质量为1,000以下的小分子。

6、拟稳态假设：

7、超定系统和不定系统：AX(t)=0，如果方程数等于反应速率数目（代谢通量），方程有唯一确定解，称为正定系统。如果方程数小于反应速率数目（代谢通量），方程有无数解或不确定解，称为不定系统。如果方程数大于反应速率数目，称为超定系统。如果已测量的通量的个数小于系统的自由度，刚对网络通量存在无数个解----不定系统，这时如果能够规定一个合适的目标函数（例如使比生长速率最大这样的目标函数），那么就能利用线性规划来确定胞内通量分布。

8、比较基因组学（Comparative genomics）：在基因组图谱和序列分析的基础上，对已知基因和基因的结构进行比较，了解基因的功能、表达调控机制和物种进化过程的学科。

9、基因尺度的代谢网络构建：代谢网络模型的构建包含有序地收集生物系统内所有基因、蛋白质、生物化学反应的信息的过程，然后通过系统限制条件用数学方程将重构信息表达出来，从而将信息转化为模型。

二、填空题

1、三条代谢途径

2、几个分支代谢途径及其调节

分支途径的调节：1、同功酶调节：催化相同反应，但酶分子结构有差异；

2、协同反馈抑制：一个不能少；

3、累积反馈抑制：按比例累加，无协同效应，无拮抗作用；

4、增效反馈抑制：1+1>2；

5、顺序反馈抑制：按①→②→③顺序逐步抑制；

6、联合激活或抑制调节：途径产物各自调节，同一中间产物；

7、代谢网络的调节。

3、填空计算题

答：PPT代谢工程-6.7。

4、微生物代谢途径的表达（酶表达水平的调节方式、酶活性的三种调节方式、反馈调节2种方式的划分）答：微生物代谢：分解代谢和组成代谢

细胞组成：蛋白质、核酸、脂质、多糖

组成代谢及相关发酵产物：氨基酸、核苷酸、脂肪酸

酶水平调节的两种主要类型：1、酶活的调节----活化或钝化（这是快速调节，在几秒到几十分钟内完成。）2、酶表达水平的调节----诱导或阻遏（通过控制酶数量的调节要牵涉到基因、mRNA、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几分钟甚至几天内才能完成）

酶活性调节：

1、共价修饰：有物质成分的改变。（亦称化学修饰，就是在调节酶分子上一个或多个氨基酸残基与一个化学基团共价连接或解开，使其活性改变的作用。共价结合部位一般为丝氨酸残基。自从1955年Krebs和Sutherland

等有关糖原磷酸化酶的研究以来，到目前已经知道的有100多种酶在它被翻译后进行共价修饰。特点及生理意义：需另外酶的参与；共价修饰；具有级联放大效应；耗能少，作用快。）

2、变构控制：没有物质成分的改变，有形状的改变—构象的改变。（是指一种小分子物质与一种蛋白质分子发生可逆的相互作用，导致这种蛋白质的构象发生改变，从而改变这种蛋白质与第三种分子的相互作用。具有变构作用的酶称为变构酶。）

3、酶原激活。

酶表达水平调节：1、酶的诱导作用。2、分解代谢物阻遏。

微生物代谢调节（反馈调节）：氨基酸，嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的控制总是以反馈调节方式进行。其生理意义在于避免物流的浪费与不需要的酶的合成。两种主要类型的反馈调节:反馈抑制和反馈阻遏。反馈抑制作用是末端代谢产物抑制其合成途径中参与前几步反应的酶(通常是催化第一步反应的酶)活性的作用。反馈阻遏作用是末端代谢产物阻止整个代谢途径酶的合成作用。

5、C13的两种重要分析手段（13CMFA原理与方法的一段话背诵填空）

答： 13C MFA原理与方法：在13C标记实验中，以13C作特殊标记的底物（通常为葡萄糖）引入生物反应体系。随着生化反应的发生，经化学重排、化学键的断裂及新化学键的生成，标记碳原子遍布整个代谢网络、胞内代谢物及生物量组成之中，直至标记碳原子在代谢物库中的同位素丰度达到稳定后取样进行NMR或MS分析。

利用同位素标记底物及NMR或GC-MS(气相色谱-质谱仪)分析胞内代谢物的标记模式，可对单一碳原子建立碳平衡方程，从而将辅助因子的平衡方程排除在外。此外，由于有许多单一碳原子平衡方程可供利用，常得到一个超定系统。这种方程冗余能更加准确地估算未知通量。

1)（拟）稳态假设是MFA的重要前提。代谢稳态和同位素平衡状态。

2) 标记底物的选择必须慎重考虑。要合理设计标记底物组合方式以获得最大通量信息。

3) 为降低实验中底物用量方面的花费，生物反应器容积应尽量小。但反应器容积太小系统的稳定条件便很难达到。因此目前使用的生物反应器容积通常在300-1000mL。

4) 在样品处理方面，对不同代谢物应选择合适的样品处理方法以保证化合物结构不被破坏。

6、同位素进行代谢通量分析

答：代谢通量测定：同位素标记测定。

如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序，在周期表是同一位置的元素，所以两者就叫同位素。有放射性的同位素称为“放射性同位素”,没有放射性的则称为“稳定同位素”，并不是所有同位素都具有放射性。放射性同位素（radiosotlope）是不稳定的。它的原子核会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处化学状态的影响，只和时间有关。放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。

同位素示踪法的基本原理：可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如氨基酸、多肽、蛋白质、糖类、核酸类、类脂类、类固醇类及医学研究用的神经药物、受体、维生素和其他药物等）代替相应的不具有标记的化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气相层析仪、核磁共振等质量分析仪器来测定。

放射性同位素示踪法特点：

1、灵敏度高。放射性同位素示踪法可测到10-17－10-21Kg水平，即可以从1015个非放射性原子中检测出一个放射性原子，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-15Kg水平。

2、方法简便。放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤。

3、定位定量准确。放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些形态学技术相结合（如病理组织切片技术，电子显微镜技术等），可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。

4、强的射线对人体有害。

稳定性同位素示踪法的特点：

1、无放射性，无辐射效应及不良影响。