第六章 代谢网络的定量分析.ppt

第六章 代谢网络的定量分析 一、代谢网络定量分析的研究意义与目的 在由代谢途径组成的代谢系统中，往往几种调控机制同时发挥作用传播到整个代谢系统。 因为在分子水平上影响代谢通量的因素众多，在确定的环境中，对通过特定的代谢途径的代谢通量变化往往存在各种各样的解释。 如果这些解释使用的是定性的方法，就很难对这些解释进行评价了。在这种情况，用代谢网络定量分析的方法来解释细胞代谢的调控日益引起重视。 在国外1994年 Bailey 在 Science 中将代谢工程的定量分析方法，作为单独的一章加以介绍。 近几年代谢网络定量分析法发展迅猛，各种方法不断涌现、发展。 国内，在 1996 年 7月的第七届全国生物化工学术会议上才有涉及定量分析的研究论文出现。 鉴于代谢网络定量分析在代谢工程中的基础性作用，下面将具体介绍国内外近几年在该方面的研究进展。 二、 代谢网络定量分析的基本理论 ★代谢控制分析（MCA）的基本理论及应用 ★代谢通量分析（MFA）的基本理论及应用 ★生化系统理论（BST）的基本理论及应用 ★控制论模型（CM）的基本理论及应用 ★途径分析的基本理论及应用 ㈠代谢控制分析（MCA）的基本理论及应用 MCA是在生化反应系统敏感性分析的基础上发展起来的，是研究分析代谢途径中代谢控制在各个反应步骤之间如何分配的理论。 这一理论可以用数学形式表达，也可以同实验方法结合对 细胞代谢的调控问题 提出定量的解释 。 随着对复杂代谢现象认识的需要和在生物技术中研究和应用实例的积累，代谢控制分析理论日益引起广泛的关注。 基本理论 MCA 的基本研究对象是由代谢反应步骤以及代谢反应途径组成的代谢系统，单个反应步骤是组成系统的基本单元。 MCA 认为 代谢系统中所有反应步骤都对代谢通量和代谢物浓度进行控制，因此对其中一个反应步骤施加微扰而产生的代谢通量（或代谢物浓度）变化的大小，可以作为代谢系统分析理论的基本概念。 根据以上概念，在假设代谢系统是直线式代谢途径（恒态代谢系统中任何两个反应步骤是通过唯一的共同中间代谢物连接的），而且系统内代谢物是均匀分布的基础上，可以导出总和原理和连通原理。 这些概念和原理就形成 MCA 理论的基本形式。 根据MCA理论,代谢控制是细胞内代谢的系统属性,并可以用酶动力学性质进行定量表示。 MCA指出了“限速步骤”观念的局限性,认为代谢途径中酶促反应步骤对代谢的控制作用随系统内外条件的改变而变化。用理论计算或试验确定的控制系数能够加深对代谢的控制结构特性的理解。 代谢控制分析定义了一些重要的表征参数，如通量控制系数、浓度控制系数、弹性系数等，它们分别表示某一酶水平变化对 速率分布 或 浓度分布 的影响及 底物浓度变化 对速率分布的影响。 通过对其进行比较即可找到 限制性步骤 和 关键酶，为代谢工程提供了目的位点。 利用 加和原理、连接原理 等可由某些参数确定那些难以直接测量的参数。 控制系数 是指 在生理条件(即某一恒态)下，对代谢系统中某一步反应施加一个微小扰动，所引起指定的 代谢通量 或 代谢物浓度 的相对变化 与 该反应的反应速度 Vi 相对变化之比： 上式中如果 A 代表指定的代谢通量，则 称为该步骤关于这个 通量 的 通量控制系数。 上式中如果 A 代表指定代谢物的浓度，则 其 称为 该步骤关于这个 代谢物 的 浓度控制系数。 弹性系数 是指在一个与代谢系统中某一步反应具有相同参数的酶促反应中，对该反应某一参数 p (如底物、产物、酶浓度、温度、效应物等) 进行微扰，所引起的反应速度 Vi 的相对变化与该参数的相对变化之比，即: 而 总和原理 与 连通性原理 则是在假设代谢系统是直线式代谢途径 (恒态代谢系统中任何两个反应步骤是通过唯一的共同中间代谢物连接的)， 系统内代谢物是均匀分布的情况下推导出的。 局限性 ⑴ 控制系数 是否可以描述代谢的调节与控制，这在 MCA 出现伊始就引起质疑，其原因包括以下两点： ① 与变构酶的效应物作用相比，酶浓度不是对代谢调控特别有影响的参数； ② 控制系数 是否可以作为 代谢控制的标准 值得怀疑，因为 控制系数 只在测量条件下有效，并且随着系统状态的变化而变化，因此是 作用有限的预测值 。 有学者认为代谢网络中的 调控作用 不一定是 通量控制 。 ⑵ 当涉及 MCA