代谢途径总结

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1、一、我国工业生物技术发展面临的主要问题我国是生物制造大国我国不是生物制造强国工业生产菌种的知识产权保护体系尚未建立 具体问题：工业生产菌种的技术水平较差 产品浓度低，造成能耗高、废水排放量大 具体问题：发酵工艺落后二、代谢途径工程的研究内容1工业微生物基因组测序与功能基因组分析2微生物基因组规模代谢网络重构与模型量化分析3工业微生物基因组的理性设计4基因组多位点快速进化5基因组规模的全局扰动6基因组删减优化(最小基因组)7人工合成基因组8大规模生化反应的胞外重构三、代谢途径工程的发展历史代谢工程的最早实例(1974)1974年，Chakrabarty在假单孢菌P putide和P. aerug

2、inosa中分别引入几个稳定的重组质粒，增加了两者对 樟脑和萘的降解催化活性。这是代谢工程的第一个应用实例，标志着代谢工程作为一门学科的诞生。 代谢工程作为一个专门学科的出现(1991) 早期代谢工程最为成功的实例(1992)代谢工程发展-19961996年在美国召开了第一届代谢工程大会，美国Mendes教授和Kel教授在大会上做了题为“代谢工程一让 细胞为人类工作”的报告，进一步确立了代谢工程的地位与研究方向。反向代谢工程一一1996先用诱变等手段改变某个表型，再根据导致这个表型变化的基因，进一步强化目标表型。是现代基于系统生物学的代谢途径工程思想的来源。代谢工程发展-1998代谢工程发展-

3、1999进化代谢工程一一2001利用适应性进化(Adaptive Evolution)有效提高微生物发酵生产速率、产率和终浓度的技术。系统代谢工程一一2005传统代谢工程只是对局部的代谢网络进行分析以及对局部的代谢途径进行改造。由于没有从全局的角度去分析 改造细胞，所以具有很大的局限性。高通量组学分析技术和基因组水平代谢网络模型构建等系统生物学技术能够从系统水平上分析细胞的代谢功 能。将这些系统生物学技术和传统代谢工程以及下游发酵工艺优化相互结合，进一步提出系统代谢工程 的概念。合成生物学2008合成生物学是以工程学理论为依据，设计和合成新的生物元件，或是设计改造已经存在的生物系统。这些设计

4、和合成的核心元件(如酶、基因电路、代谢途径等)具有特定的操作标准；小分子生物元件可以组装成大 的整合系统，从而解决各种特殊问题。四、代谢途径工程技术近期发展趋势传统代谢工程技术日趋成熟大量传统工业微生物的代谢工程升级：传统工业微生物向少数工业微生物的聚集：非微生物合成的产物改由微生物生产改造的复杂性和设计的精确性：复杂代谢工程已成为重要的技术发展趋势系统生物学飞速发展促进生物体设计改造日渐成熟合成生物学的发展促进生物模块的标准化对DNA操作能力的进化：量变-质变1. 系统生物学与工业生物技术组学技术（X-omics）超快基因组测序技术基于基因芯片的转录组学分析基于二维电泳和M ALDI-TOF

5、的蛋白质组学技术基于色谱分离和质谱鉴定技术的代谢物组学基于同位素技术的代谢通量组学系统生物学与工业生物技术2. 合成生物学与工业生物技术End代谢途径工程(Metabolic Pathway Engineering)第二章细胞代谢的生物化学基础 本章主要内容一. 工业生物技术中亟待解决的技术问题二. 微生物合成特定产物的生物化学基础三. 微生物的初级代谢四. 微生物的次级代谢（略）五. 非微生物来源天然产物的合成代谢一. 工业生物技术中亟待解决的技术问题1目标产物产量的进一步提高一高产量2副产物含量的降低/消除一高转化率3尽可能短的时间内完成发酵过程一高生产强度4异源蛋白的高效合成与理性修饰5

6、合成微生物原来不能合成的物质5合成微生物原来不来合成的物质6扩展底物利用范围非常规底物的耐受性问题高分子量底物的分解（蛋白质、多糖、脂类）底物的修饰一酸化过程吸收过程所需转运蛋白降解所需要的转运蛋白降解中间产物的耐受性问题高效降解所需的额外能量供给非常规底物降解的辅因子/氧化还原平衡问题7对极端环境的耐受性更酸更碱对于有机酸而言，更低的最适发酵pH值，意味着更少的中和剂的添加和产物分离过程中更少的强酸的消耗；对于碱性条件下稳定的产物（各种pKa偏碱性的蛋白，生物碱等）而言，更碱的pH值意味着更稳定的发酵产量。8对极端环境的耐受性更高/更低温度更高的发酵温度意味着更少的冷却水消耗；更低的贮藏温度

7、耐受性，意味着更长的贮藏周期（乳酸菌、芽抱杆菌等活菌制剂）。9对极端环境的耐受性一高浓度有机溶剂高浓度有机溶剂可以破坏细胞膜组分，从而造成细胞的死亡。对高浓度有机溶剂的耐受，可以显著提高微生物积累丙酮、丁醇等有机溶剂的效率和最终产量。二. 微生物合成特定产物的生物化学基础1. 细胞组分细胞生长的表征方法 测定总细胞体积 测定细胞数(0D) 测定细胞干重 测定细胞湿重 测定细胞有机物干重2. 大分子底物的降解3. 底物/产物的运输过程细胞膜的功能一1.选择性透过作用 转运方式(1) 离子通道介导的被动运输过程(2) 载体介导的氢离子共转运(3) 载体-受体介导的氢离子共转运(4) 基本的主动运输

8、(底物吸收)(5) 基团转位 能量耦合系统浓度梯度质子电动势ATP结合盒(ATP Binding Cassette)转运蛋白光吸收驱动底物水平磷酸化细胞膜的功能一2.离子稳定作用细胞膜的功能一3.代谢过程支撑作用 细胞膜的功能一4.微生物相互作用过程识别 细胞膜的功能一.信号转导过程的第一环节三. 微生物的初级代谢基本概念微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的生化反应，转 变成能量和构成细胞的物质，并排出不需要的产物。这一系列的生化过程称为新陈代谢。微生物的代谢(metabolism)是指发生在微生物细胞中的分解代谢(catabolism)与合成代

9、谢(anabolism)的总 和。新陈代谢包括分解代谢和合成代谢初级代谢和次级代谢物质代谢和能量代谢(能量代谢包括产能代谢和耗能代谢)基本概念合成代谢(Anabolism)：指细胞(酶)利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，这个过程要消耗能量。 合成代谢所利用的小分子物质，来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。分解代谢(catabolism)：指细胞(酶)将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。 分为三个阶段将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质将第一阶段产物劲一步分解成为更简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环

10、的某些中间产物, 产生一些ATP、NADH及FADH2通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2第二和第三阶段产生的通过电子传递链被氧化，产生大量的ATP 分解代谢和合成代谢关系分解代谢为合成代谢提供能量和原料；合成代谢是分解代谢的基础在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能，光合微生物还可将光能转化成化学能，这些能量用于：1.合 成代谢；2微生物的运动和运输；3热和光。无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的 底物。细胞能有效调节相关的酶促反应，使生命活动得以正常进行。某些微生物在代谢过程中，除产

11、生其生命活动所必需的初级代谢产物和能量外，还会产生一些次级代谢产物。 这些物质除有利于微生物生存，还与人类生产生活密切相关。基本概念初级代谢：(primary metabolite) 般指具有明确的生理功能，对维持生命活动不可缺少的物质代谢过程。 次级代谢：(secondary metabolite)指没有明确生理功能，似乎并不是维持生命活动所必需的物质代谢过 程。微生物代谢的特点由于微生物“比表面积巨大，因而代谢速率极快；由于种类繁多，因而代谢类型(途径)极其多样；代谢的严格的调节和灵活性1. 微生物分类微生物分类按DNA及核糖体RNA原核生物古细菌真核生物按能量来源光能营养型(光合作用)化

12、能营养型(化学反应) 微生物分类 按利用的碳源自养型微生物异养性微生物按利用氧的能力严格好氧菌兼性好氧菌耐氧厌氧菌严格厌氧菌2. 物质代谢概述代谢代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢 (anabolism)两个过程组成。分解代谢：将大分子物质降解成小分子物质的过程合成代谢：将简单的小分子物质合成复杂大分子的过程分解代谢的作用提供前体化合物提供细胞代谢活动所需的能量生长：细胞结构物质合成产物合成维持：物质运输、运动、亚细胞结构形成、大分子周转等提供还原力NADHNADPH合成代谢由前体化合物合成大分子单体由前体化合物合成

13、产物由单体形成大分子化合物蛋白核酸多糖脂肪分解代谢的三个阶段第一阶段：将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段：将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产 物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；第三阶段：通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2,并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。化能异氧微生物的生物氧化和产能形式：与氧结合，脱氢，失去电子过程：脱氢(电子)，递氢，受氢功能：产能(ATP),产还

14、原力(H),产小分子中间代谢物类型：发酵，有氧呼吸，无氧呼吸3. 中心代谢途径EMP途径受到严格的调控转录水平的调控(操纵子、转录起始区域的抑制)反馈抑制酶别构抑制胞内辅因子水平(ADP/ATP、NAD/NADH)碳代谢物阻遏效应氮源相关的调控饥饿状态的恢复情况其他限制性底物的供给HMP途径即单磷酸己糖途径(Hexose Monophosphate Pathway)，也称戊糖磷酸途径(Pentose Phosphate Pathway)。 分为氧化阶段和非氧化阶段功能：提供还原力(NADPH)提供前体化合物核糖磷酸(包括5-磷酸核糖-1-焦磷酸,PRPP) 磷酸赤藓糖HMP途径Glucose

15、6-phosphate + 2 NADP+ + H2Of ribulose 5-phosphate + 2 NADPH + 2 H+ + CO2ED途径ED途径(Entner-Douderoff pathway),亦称为KDPG 途径(2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate pathway)ED途径是HMP途径的6-P-GA处的分支途径，它有两个特殊的酶，6-P-GA脱水酶和2-酮-3-脱氧-6-磷酸 葡萄糖酸醛缩酶(KDPG醛缩酶)，因此ED途径又叫KDPG途径。在大多数假单胞菌中，ED途径可能是葡萄糖降解的主要代谢途径。发酵运动单胞菌是目前所知的唯一能在厌氧条件下使用ED途径的微生物。PK途 径(Phosphoketolase Pathway)PK途径也是从单磷酸己糖6-P-GA开始降解的，经历HMP途径氧化部分的反应，生成Xu-5-P后