[理学]2微生物代谢工程的基本概念.ppt

2002年春 张星元：发酵原理（讲座） 2002年春 张星元：发酵原理和代谢工程的基本概念 张星元：发酵原理（讲座） 代谢工程的基 本 概 念 工业发酵中细胞机器运行阶段理想载流路径的五段式： 1、胞外酶对原料的降解及营养物质进入细胞的过程 2、经胞内降解代谢途径汇入中心代谢途径 3、中心代谢途径及其控制 4、合成代谢流及其控制 5、目的产物的跨膜及其控制 课堂小测验 代谢工程的定义 代谢工程研究的内容 代谢工程研究的手段 22.信息流指导下的工业发酵 　　在工业发酵生产中，可以把微生物细胞看作是细胞机器，它们进行能量代谢和物质代谢；同时又可以把它们看作是信息处理器，它们复制和传递自己的生物信息，接收细胞内外的物理、化学甚至生物信息，并在对内外信息流进行综合处理的基础上，发出代谢调控的指令，在网络刚性的范围之内控制微生物细胞自身的生命活动。 23.限制性遗传信息之谜　　  可以推测在每个微生物细胞的遗传物质中必有其限制性的生死攸关的遗传信息，它们规定微生物细胞生命活动的基本的代谢网络及其调节机制。这些遗传信息是微生物细胞能够自主生活与独立存在的依据，也是微生物对环境的有限的适应性以及设计育种的计划往往不能完全兑现的内在原因。 * * 1. 微生物细胞能为其自身提供代谢能2. 细胞能量转换机构的组成3. 微生物代谢中的电子流和电子回路4. 生物氧化和辅酶的再生5. 生化反应途径和代谢途径6. 生化反应网络和代谢网络7. 代谢网络的联网问题8. 代谢流和碳架物质流9. 代谢主流 介绍 26 个基本概念： 10.载流途径与载流路径11.代谢主流的变动性和选择性12.理想载流途径13.微生物生物工程的难题14.代谢网络的节点及其刚性 15.工业发酵的五字策略16.代谢网络的节点及其刚性17.代谢网络的刚性18.微生物活细胞和细胞的经济性　　 19.正常代谢和竞争型细胞经济20.异常代谢和导向型细胞经济21.细胞经济受到严格的制约 22.信息流指导下的工业发酵23.限制性遗传信息之谜24.从发酵工程到代谢工程25.代谢工程26.代谢流及其控制的分析 1. 微生物细胞能为其自身提供代谢能 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能量(如 ATP、GTP 和储存在膜上的质子运动势 ΔP )，暂且把它们称为代谢能。在代谢能的直接支撑下，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：需要代谢能来激活的代谢途径的有关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系统。 3.微生物细胞代谢的电子流和电子回路 工业发酵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代谢能。微生物细胞的生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子（或质子）的流动，形成微生物代谢的跨膜的质子回路。【下续】 ATP ATP酶 呼吸链 微生物代谢的跨膜质子回路示意图 电子回路示意图 4.生物氧化和辅酶的再生  在微生物活细胞中，参与生物氧化反应的脱氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在其所在的细胞空间内。它们必须被再生，才能回用，以维持能量代谢。脱氢酶的辅酶在细胞的氧化还原反应中接受电子而被还原成还原型辅酶，还原型辅酶把电子释放给电子受体，从而实现脱氢酶的辅酶的再生。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。 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汇成生化反应网络；代谢途径与跨膜输送系统按代谢规律汇成（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上但仍有可能与代谢网络“联网”。所谓“联网”就是用化学或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