4.第四章发酵学第三假说.ppt

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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 复习题 1. 试述细胞经济假说的要点。 2. 把微生物活细胞当作经济实体来研究是否有道理?是否可行? 3. 试述微生物的细胞经济结构。 4. 为什么微生物细胞机器的价值取向与微生物细胞自身的价值取向不一致?为什么微生物细胞的经济系数使微生物细胞的竞争能力得到量化? 5. 为什么“五字策略”有时不能尽如人愿? 6. 讨论:工业生产中应该怎样去协调人的经济利益与微生物细胞的生存利益? 4.4.2.1 途径分支点的分类 4.4.2.2 代谢网络与亚网络 4.4.2.3 节点刚性理论与五字策 略的互补性 4.4.2.1 途径分支点的分类? 代谢网络中,两条或多条代谢途径的中介分支点( intermediate branch point )称为节点(node)。 在生物学过程中,往往由于途径的酶水平或酶活性而影响途径的产品的得率。虽然指向产品的分支途径的酶的整体活性决定细胞机器的“生产力”,然而,产品得率是节点处流量分流(flux split ratio)的函数。 虽然由不同生物体调节代谢流量所用的代谢控制机制明显地多样化,然而基于在节点处代谢流的分流比的控制特性,对节点进行分类。如果处于分支点的代谢中间物在各个分支上的分流比不易改变,这样的分支点被叫做刚性节点( rigid node );反之,叫被叫做挠性节点( flexible node ),介于两者之间者则为弱刚性节点。刚,取其抵抗改变之意;挠,取其屈服顺从之意。 微生物代谢网络中的节点也是代谢流的集散处,微生物自动抵制节点处代谢物流量分流比的改变的特性叫做节点的刚性。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。 S,为底物;P,为产物。分支处为节点。 ① 刚性节点(rigid node):抵抗分流比改变的节点。如果某节点处的分流比受到该处的一条或多条支路严格的控制,这样的节点被称为刚性节点。这种控制往往是通过反馈控制和交叉激活两种机制的联合作用来实现的。所谓联合作用,是指各个分支途径自身的反馈控制和与之竞争原料的分支途径的产物对它的交叉激活,两种机制一起发生作用。刚性节点处的分流比不易发生改变,因为与节点相关的各种酶均存在特定的动力学关系。 ② 挠性节点(flexible node):屈服于分流比改变的节点。在此类节点处的分流比容易根据细胞代谢的需求做出响应,即容易做出相应的改变。从这些节点出发的互相竞争的分支途径的第一个酶,对节点(酶的底物)有类似的底物亲和力,有类似的酶反应速率。挠性节点不限制分支途径的产物得率,因为无论何时只要需要,任何分支途径的分流比都可能在0~100%范围变动,因此挠性节点是最“ 顺从”的(上图右半部分) 。 ③弱刚性节点(weakly rigid node):性能上处于前述两种节点之间的节点原则上都属于弱刚性节点。严格地说,如果一个节点的分流比主要取决于一条分支途径的动力学(即构成分支途径的所有酶的整体响应),这样的节点叫做弱刚性节点。 弱刚性节点的分流比由一个分支途径(优势分支)控制,这可能是由于优势分支途径的第一个酶具有较高的比活力和(或)较高的底物(节点)亲和力,并且不受反馈抑制;即使从属分支(假定是流向产物的分支)解除调节,还是有相当大的一部分流量依然进入优势分支,从而限制产物得率的上升。 弱刚性节点与挠性节点有如下不同:一条分支途径与另一条(一些)分支途径相比,占有明显的优势。这是由于优势分支途径的酶对共同代谢物(节点)有更大的亲和力,并且(或者)优势分支途径的酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活性。在这种情况下,完全解除从属分支途径的调节,也不会对流量有什么显著的影响。另一方面,如果优势分支途径的活性被减弱,就会显著增加流入从属分支途径的流量。 强刚性节点是被终端产物激活或抑制高度调控(上图左半部分)。在这个例子中,每个产物代谢物作为其竞争分支途径的激活剂,同时又作为其自己合成途径的抑制剂。反馈抑制总是施加在催化途径第一步反应的酶上。刚性节点对途径的产物得率施加控制性的影响,它的解除调节比酶学的弱化可能更为复杂。 因此在应用“五字策略”制订育种的具体方案时应尽量采用解除调节的育种手段。 假定目标是增加P1分支的分流比,而且,在没有激活剂 P2存在时,P1的稳态浓度(steady state concentration)高得足以抑制它本身的合成。在这种情况下,增加P1 分支途径的分流比就会减弱流向P2的流量。然而,对于强刚性节点,这种做法将导致P2的

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