代谢工程的基本概念

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1、微生物代谢工程基本概念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26个基本概念2021/8/8210.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2021/8/8319.正常代谢和

2、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.从发酵工程到微生物代谢工程25.微生物代谢工程26.代谢流及其控制的分析2021/8/841.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

3、高度有序的状态。2021/8/852.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。2021/8/863.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

4、质子回路。2021/8/87ATPATP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2021/8/884.生物氧化和辅酶的再生在微生物活细胞中，参与生物氧化反应脱氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在其所在的细胞内。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，还原型辅酶将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。2021/8/895.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

5、径；若这条途径在活细胞里运行，则为代谢途径。2021/8/8106.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。2021/8/8117.代谢网络的联网问题代谢中间物都在代谢网络上，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”可以用化学或生物学方法(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体之间接力赛式的代谢联

6、系。已在“网”上或者可以“联网”的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原料。2021/8/8128.代谢流和碳架物质流代谢物在代谢网络中流动形成代谢流。广义的代谢流还包括能量流和信息流。在代谢分析和代谢工程中，代谢流往往首先是指有机物流(碳架物质流)。2021/8/8139.代谢主流在一定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流量测定是代谢工程的重要组成部分。2021/8/81410.载流途径与载流路径从字面上讲，有代谢物流通过的代谢途径即载流途径。载流路径是工业发酵领域的术语。在

7、工业发酵的目的产物生产阶段，碳架物质从原料到目的产物流经的各段代谢途径(即载流途径)，按流经的先后次序首尾衔接，组合成载流路径。代谢工程没有必要研究所有的载流途径，但必须研究载流路径上的代谢流，也就是生产阶段的代谢主流。2021/8/81511.代谢主流的变动性和选择性微生物的代谢主流的方向、流量甚至所流经的途径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络中的途径的选择性。这种变动和选择的根据在微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。2021/8/81612.理想载流路径为了提高产物对原料的转化率

8、，就要求代谢主流(根据代谢分析的结果)经设定的载流路径流到目的产物。因为这样的载流路径是带有主观导向性的虚拟的载流途径，所以把它们叫做理想载流路径。2021/8/81713.微生物代谢工程的难