第三篇代谢网络中碳架物质流调动.ppt

张星元：发酵原理 张星元：发酵原理电子讲义 第四章 细胞经济假说 江南大学生物工程学院 通：在育种方面，解除对途径中某些酶的反馈调节；在发酵控制方面，诱导这些酶的合成或激活这些酶，从而使来自各代谢物流（除碳架物流外还包括其他支持生物合成的物流）能够畅通地注入载流路径，汇入代谢主流，流向目的产物。特别是当发酵进入目的产物合成阶段后，必需确保载流路径畅通，代谢主流优势明显。 ? 这些酶包括用于目的产物自身合成的酶（如下图中酶①～⑤）和用于目的产物的前体合成的酶（ 如下图中酶和⑥，用于前体C的合成，酶⑦⑧，用于前体D的合成）。 例如在谷氨酸的发酵过程中，作为谷氨酸合成原料的 NH4+ 的缺乏， 就可能使谷氨酸合成途径的中断，导致谷氨酸产量下降，大量α-酮戊二酸积累。当然，合成途径中的任何一个限制因子，都可能产生类似的情况。因此，在发酵过程中应尽可能的使通向载流路径的代谢途径畅通无阻，使不同的营养物质能顺利地注入代谢主流，最终流向目的产物。 节：采用育种或发酵控制手段，节制载流路径上与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物。这里所谓的 “ 节制 ” 是指封闭或削弱以目的产物合成途径的起始底物（如下图中的A）或各中间产物（如下图中的B、C 和D）为起始底物的分支途径（ 即下图中通向 K，G，I，J 的途径）。 经过千千万万年的物竞天择，微生物细胞已经成为自我保障的经济体系。细胞严格的调节机制不允许代谢中间产物的过量合成，要想实现目的产物的过量合成，就必需对其代谢进行导向（包括遗传根据和培养条件的导向），迫使代谢朝着过量合成目的产物方向进行。因此，不是目的产物生产所必需的途径，应做到不同程度的关闭，也就是“节”。 堵：采用育种或发酵控制手段堵塞或削弱目的产物进一步代谢的途径（如上图中 F 以后的途径），包括目的产物参与的分解代谢和合成代谢。如果菌株生产目的产物的途径畅通，但同时目的产物进一步代谢（包括目的产物参与的分解代谢和合成代谢）的途径也畅通，或者随着生产的进行目的产物进一步的代谢加强，都会最终影响目的产物的溢出代谢，降低工业发酵的效益。 为了消除这种影响，就必须降低目的产物进一步代谢的酶的酶活力或酶量，以消除或削弱目的产物进一步的代谢。若不能对菌株进行有效的改造，也可以通过工艺手段来达到堵的目的。例如，采用及时将目的产物从发酵液的分离出来的办法，也可以间接地消除或削弱胞内目的产物的进一步代谢，甚至能拉动溢出代谢。 出：促进目的产物向胞外空间分泌。根据微生物细胞经济学原理（节约原理、适应原理、生命保障原理），如果细胞内某代谢中间产物浓度超过其阈值，必将受到细胞内相关代谢调节机制的干预。胞内目的产物的浓度过高，就会对合成目的产物的代谢过程施加负反馈调节，迫使其回到正常浓度。因此，及时将目的产物转移到细胞外，无论从化学平衡的角度，还是从生物学信息反馈的角度，都将有利于载流路径上代谢主流的流动。 在育种和发酵控制方面加强“出”的办法很多，如调节细胞对目的产物的通透性，增加输送目的产物的载体蛋白的量，为目的产物的主动输送提供代谢能等，都能使在胞内生成的目的产物尽快的转移出细胞，降低其细胞中的浓度；为了进一步降低细胞中目的产物的浓度，还可能根据目的产物的理化性质，采用边发酵边分离目的产物的工艺，不断的将目的产物从反应器中转移出去，给代谢主流一个“拉动力”。 Ⅱ.有关碳架物质跨膜问题的分析 氨基酸的发酵法生产，属于本课程定义的典型的工业发酵。以糖质原料发酵生产氨基酸的过程至少依次包括糖质进入细胞、经过代谢在胞内生成目的氨基酸和目的氨基酸被分泌至培养基 3 个阶段。此外，氨基酸的生产过程还包括细菌细胞的适度生长和生命活动的维持。 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）。 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。 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。 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