§1.学术报告全国生物工程学会“三大”交流北京，2001.7章节.ppt

张星元：发酵原理 张星元：发酵原理电子讲义 附录1-1 江南大学生物工程学院 摘 要 工业发酵是微生物群体活动的动态过程。此过程靠如下三种流动来维系，即伴随能量形式的转换而发生的电子流动、伴随异化和同化作用而发生的物质流动以及伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动。在分析以上三种流动的运行规律和工业发酵(微生物生物工程)大量信息的基础上，运用归纳逻辑的方法提出了关于微生物生物工程的三个基本假说，即生物能支撑假说、代谢网络假说和细胞经济假说。根据这三个假说进行演绎推理对工业发酵的代谢导向做出了三条预测。 前 言 随着生物化学、细胞生物学、应用分子生物学、遗传工程和代谢工程的进展，工业发酵正在发生一个从技艺到科学的重大变化，正在向微生物生物工程过渡。在生物工程受到广泛重视的今天，有必要把微生物（菌种选育）、微生物学过程（发酵工艺）和微生物体系（生物反应器）作为一个整体，在科学的水平上对工业发酵进行重新审视。 第二部分工业发酵的三个基本观点 能量支撑的观点：细胞能学 代谢网络的观点：第二解剖学 细胞经济的观点：细胞经济学 1. 能量支撑的观点 2. 代谢网络的观点 由生化反应网络和跨膜的输送步骤组成的代谢网络既没有绝对的起点，也没有绝对的终点，代谢网络中任何一种中间产物 (包括可与代谢网络“联网”的任何一种化合物) 都可能被开发成为工业发酵的目的产物或原料。 3. 细胞经济的观点 微生物细胞的经济性是在自然选择的过程中逐渐形成的。野生的（未经人工变异的）微生物细胞在自然选择的过程中逐渐形成竞争型的细胞经济。而工业发酵往往要以目的产物的生产为主导，调整代谢网络中的代谢流，构建一种导向型细胞经济。从竞争型细胞经济到导向型经济的转变取决于遗传和环境因素的信息导向，这种导向必须遵循细胞经济的基本运行规律。 第三部分微生物生物工程基本理论的探索 从以上三个基本观点出发探索微生物生物工程（工业发酵）的基本理论： 1. 三个基本假说 2. 三个推理 第四部分工业发酵的23条基本概念 １．细胞能学（电子流）：第1－４条 ２．第二解剖学（物质流）：第５－17条 ３．细胞经济学（信息流）：第18－23条 细胞能学（1 —— 4） 电子流 1. 微生物细胞能为其自身提供生物能 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不同，微生物细胞能独立存在，自主生活。因此每个微生物细胞都具有能量转换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成能被其自身直接使用的生物动能 （ 如 ATP，GTP ）和生物势能（储存在膜上的质子运动势ΔP）， 暂且把生物动能和生物势能一起称为生物能。在生物能的直接支撑下，活细胞才能维持其高度有序的状态。 2. 细胞能量转换机构的组成 　微生物细胞的能量转换机构包括：需要生物能来激活的酶和这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及这些膜上的电子传递链和ATP酶，还有在能量代谢和主动输送中起辅助作用的有关载体。 3. 微生物代谢中的电子流和质子回路 发酵工业生产上普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被微生物直接利用的生物能。微生物细胞的生物氧化过程必须借助于辅酶。而且其呼吸过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子（或质子）的流动，形成微生物细胞代谢中的质子回路 4. 生物氧化和辅酶的回用 在微生物活细胞中，参与生物氧化反应的脱氢酶的辅酶在有关的细胞空间内数量有限，必须被再生和回用。还原型辅酶把电子释放给电子受体而得到再生，根据最终电子受体的类型，可把生物氧化分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。 第二解剖学（5 —— 15） 物质流 5. 生化反应途径和代谢途径 　 　 一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径；若这条途径在活细胞里运行，则为代谢途径。 6. 生化反应网络和代谢网络 生化反应途径按生物化学规律整合成生化反应网络，代谢途径与跨膜输送步骤按代谢规律整合成（物质）代谢网络。 7. 代谢网络的联网问题 代谢中间化合物都在代谢网络上，有些有机化合物虽然不在代谢网络中但仍有可能与代谢网络联网。所谓“联网”就是用化学、生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。联网可以用化学、生物化学或生物学方法（含DNA重组技术）来实现。广义的联网包含代谢网络细节不同的生命有机