三节代谢网络中碳架物质流的调动

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1、2019/1/6,张星元：发酵原理,1,第三节 代谢网络中碳架 物质流的调动,2019/1/6,张星元：发酵原理,2,处于一定环境条件下的微生物培养物中，参与代谢的物质在代谢途径（网络）中按一定规律流动，形成微生物代谢的物质流。,2019/1/6,张星元：发酵原理,3,代谢物质的流动过程是一种类似“流体流动” 的过程，它具备流动的一切属性，诸如 方向性、连续性、有序性、可调性等等， 并且可以接受疏导、阻塞、分流、汇流等 “ 治理 ”， 也可能发生“ 干枯 ”和“溢出 ( 泛滥 ) ”等现象。此外，还有流速和流量等问题。,2019/1/6,张星元：发酵原理,4,化能异养型微生物以有机化合物为碳源

2、和能源。因此，在讨论化能异养型微生物代谢流动时，首先抓住碳元素代谢这个主要矛盾，研究微生物细胞的碳架物质流。,2019/1/6,张星元：发酵原理,5,4.3.1 碳架物质在代谢途径（代 谢网络）中的流动 4.3.2 微生物的代谢流及其治理,2019/1/6,张星元：发酵原理,6,4.3.1 碳架物质在代谢途径（代谢网络）中的流动 在典型的工业发酵过程中，微生物的代谢流包括营养物质进入细胞、代谢中间物（碳架物质）在代谢途径中的流动和代谢产物从细胞进入环境这样顺序发生的过程。,2019/1/6,张星元：发酵原理,7,4.3.1.1 有机化合物的组成元素及它们 各自在生命活动中的作用（略）,2019

3、/1/6,张星元：发酵原理,8,4.3.1.2 碳架物质在代谢途径中的流动 以代谢流动的观点加深对代谢网络的认识：碳架物质在网络的有关途径中流动，从原料到终端产物碳架物质流经的路径叫做载流路径。,2019/1/6,张星元：发酵原理,9,4.3.1.3 典型工业发酵的工作模式 典型的工业发酵要从发酵液中获得微生物的代谢产物，也就是要让原料有机化合物在微生物细胞的有关的代谢途径（载流路径）中流动的过程中，转化成工业发酵的目的产物，最后目的产物分泌出细胞。,2019/1/6,张星元：发酵原理,10,2019/1/6,张星元：发酵原理,11,上图中，白色椭圆代表细胞的界面，界面包围部分是细胞机器，界面

4、外侧是细胞机器所在的环境。带箭头的黑线代表典型的工业发酵的细胞机器的载流路径。 N代表营养物质， P代表目的产物。,2019/1/6,张星元：发酵原理,12,4.3.2 微生物的代谢流及其治理,2019/1/6,张星元：发酵原理,13,我们曾从热力学的角度把微生物看作远离平衡状态的不平衡的开放体系；我们曾借助电学的知识来讨论生物氧化和代谢能的问题；我们曾借用互联网的概念来讨论代谢网络的延伸问题；在这里我们要借用流体力学的常识来分析微生物细胞的代谢流。,2019/1/6,张星元：发酵原理,14,如果把碳架物质流看作水一样的流体，那么按照工业发酵的工作模式，就可把微生物活细胞看作是有一个总的进水口

5、和一个总的出水口的、包含特定的管道网的大容器，组成管道网的管道有粗有细，管道网的管道有分支、有交叉，有可控的阀门。代谢物质流就如同自来水一样在管道和阀门的控制下流进和流出细胞，形成代谢流。,2019/1/6,张星元：发酵原理,15,在这个认识的基础上，结合代谢能支撑假说和代谢网络假说的内容，讨论微生物的代谢及代谢流的变动性；结合本章（ 代谢调节的 3 个子系统 ）的内容，讨论代谢流对环境条件的响应和代谢流治理的可能性。最后还要讨论有关代谢节点的刚性的问题。,2019/1/6,张星元：发酵原理,16,微生物的代谢途经的变动性和可调节性，不但是代谢流飘移的内在原因，而且也是人工控制代谢流的生物学根

6、据。工业发酵中，人的主观能动作用表现在对代谢流的治理上。治理的直接的目的是让微生物细胞过量合成（ overproduction ）人们所需要的代谢产物。,2019/1/6,张星元：发酵原理,17,4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的 分支处及各分支的流量分配 4.3.2.2 过量合成与微生物的异常代谢 4.3.2.3 溢出代谢 4.3.2.4 代谢流治理的可能性和现实性 4.3.2.5 代谢网络的刚性,2019/1/6,张星元：发酵原理,18,4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的分支处及各分支的流量分配 我们把代谢网络中代谢途径的交叉点叫做代谢网络的 “ 节点 ”， 实际上它们是碳

7、架物质在代谢网络中流经的代谢中间物。初级代谢网络的中心板块上的 12 种前体代谢物是当然的节点，而且还是代谢途径的分流或汇流处。,2019/1/6,张星元：发酵原理,19,节点处不论发生汇流还是分流，都存在流量分配的问题。这个分配既与遗传因素有关，又与条件因素有关。不同微生物物种的代谢途径基本一致，因此，可在微生物学有关工具书查到有关的途径；而代谢调节机制并不完全一样，不一致的情况可在有关论文或综述中找到。,2019/1/6,张星元：发酵原理,20,在生物化学中，早有一套描述代谢途径的调节机制的方法，例如，用一个从效应物（途径的终端产物）引出的、指向途径中某个代表酶的短箭头的长箭头来标示反馈调

8、节。这种标示方法对于线状途径或偶有分支的途径来说，是很有用的，但是，如果在代谢网络图中使用，代表调节的箭头与代表酶的箭头交织在一起，容易引起误解。 因此我们要启用一种新的代谢调节图图例，用来标记代谢网络图。这种标记方法有四个要点：,2019/1/6,张星元：发酵原理,21, 标明调节方式 用“I”表示抑制（inhibition），用“A”表示激活（ activation ），用 “R” 表示阻遏（repression）； 标明效应物 一般用三个字母标示效应物（ 调节特定的酶的水平或活性的化合物 叫做这种酶的效应物） ；,2019/1/6,张星元：发酵原理,22,标明受调节的酶： 代谢网络图中箭

9、头所代表的酶的名称放在括号内， 标在该箭头旁边； 对酶的调节的具体的表示方法： 在代表酶的箭头旁边标上代表效应物的 3 个字母和代表调节机制的特定字母。,2019/1/6,张星元：发酵原理,23,例如：某效应物名称后面加上 “I”， 标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该酶的抑制作用；效应物名称后面加上 “A”，标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该酶的激活作用；效应物名称后面加上 “R”，标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该酶的阻遏作用。如果 2 种效应物协同作用，则在两个效应物的名称都写上，再在后面加上对应的英文字母。,2019/1/6,张星元：发酵原理,24,2019/1/6,张星元：

10、发酵原理,25,上图（碳架物质在 EMP和 HMP途径上的分流控制图）是一张按此方法标示的网络图，请按此方法读图，并从以下说明中得到帮助。 大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶（PFK）的酶水平随条件而变动，有氧生长中细胞的PFK水平低于厌氧生长中的细胞，有氧生长中的细胞的PFK（由二聚体组成），对ATP不敏感，厌氧生长中的细胞的PFK （由四聚体组成），对ATP敏感。,2019/1/6,张星元：发酵原理,26,在有氧条件下，由于PFK的低水平和 FDP 醛缩酶（FDPA）的极端低水平，大肠杆菌主要经 HMP 途径降解葡萄糖。因为在有氧条件下 PFK 对 ATP不敏感，且其活力高于FDP醛缩酶（FDPA

11、），FDP 有累积，所以它可能对 HMP 途径的 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（ 6PGDH ）起抑制物的作用，使6PGDH成为HMP降解流上的一个“阀门”（有氧条件下的控制“阀门”）。,2019/1/6,张星元：发酵原理,27,在厌氧条件下，PFK和FDPA水平较有氧时高，因而 EMP 途径对葡萄糖降解代谢的参与程度增加。 因为 PFK 的水平仍高于FDPA，FDP 仍然累积并继续抑制 6PGDH，但随着EMP参与程度的增加，EMP 途径所产生的NADH浓度增高。NADH是6-磷酸葡萄糖脱氢酶（ G6PDH ）的效应物，NADH 浓度上升就会抑制 G6PDH，使 G6PDH 成为 HMP降解流上的

12、另一个 “ 阀门 ” （ 厌氧条件下的控制 “ 阀门 ” ）。,2019/1/6,张星元：发酵原理,28,这种抑制作用是必要的，因为提高葡萄糖浓度可以使 FDPA水平上升许多倍，而 PFK 水平基本保持不变，这样 FDP 浓度势必是低的，以致无法控制 6PGDH ，这时 NADH就通过对 G6PDH 的抑制作用控制 HMP 降解流。这种两个“阀门 ”交替控制的机制可以解释为什么在严格厌氧条件下，大肠杆菌经 HMP 途径降解的葡萄糖只占葡萄糖降解总量的2030。,2019/1/6,张星元：发酵原理,29,4.3.2.2 过量合成和微生物的异常代谢 野生菌株在它们天然栖息地在其生长或维持，需要时也

13、能合成人们所希望的代谢产物，但在其固有的代谢调节机制的控制下合成的量不多不少，只够细胞自身生长或维持的需要。体现了微生物细胞的经济性。,2019/1/6,张星元：发酵原理,30,适用于发酵生产的微生物必须具有有过量合成的能力，也就是说是其目的产物的合成量必须大大高于它通常的合成量。要做到这一点，不仅要求合成目的产物的途径畅通，还必须有将目的产物排出细胞的满意的机制。过量合成的速率取决于微生物的遗传性能，以及在培养条件下细胞的生理状态。,2019/1/6,张星元：发酵原理,31,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

14、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）。,2019/1/6,张星元：发酵原理,32,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。,2019/1/6,张星元：发酵原理,33,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

15、物的病理学。,2019/1/6,张星元：发酵原理,34,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（如缺氧），变通地维持生计的过程。兼性厌氧微生物细胞在缺氧的条件下，以变通的方式实现还原力的平衡和辅酶的再生和回用，使细胞的能量代谢得以维持，与此同时形成并分泌出能量代谢副产物。例如酿酒酵母在发酵液中累积能量代谢副产物乙醇的过程，就是这样的过程。,2019/1/6,张星元：发酵原理,35,4.3.2.3 溢出代谢 发生溢出代谢（overflow metabolism）的原因是，代谢途径前段的运转速率大于后段的运转速率。采用改变环境条件或限制营养供应等方法，可促使微生

16、物进行溢出代谢。 这里介绍两个溢出代谢的实例： TCA环中间产物柠檬酸的溢出代谢， 导致能量代谢的副产物乙醇生成的溢出代谢。,2019/1/6,张星元：发酵原理,36, 柠檬酸的溢出代谢： 多种微生物均能因受激而过量合成柠檬酸。研究柠檬酸溢出代谢的最好的例子无疑是黑曲霉。黑曲霉之所以能在特定环境条件下累积柠檬酸，是因为在这种环境条件下代谢途径前段的运转速率大于后段的运转速率。柠檬酸的溢出代谢是黑曲霉特有的遗传和生化机制与培养条件共同起作用的结果。引起溢出代谢的原因包括以下三个方面：,2019/1/6,张星元：发酵原理,37,Glc,G-6-P,(PFK),CTA ,NH4,I,+,A,FDP,PYR,OAA,AcCoA,CTA,(CS),(KD),黑曲霉中柠檬酸的代谢溢出,2019/1/6,张星元：发酵原理,