代谢网络中碳架物质流的调动课件.ppt
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- 代谢 网络 中碳架 物质 调动 课件
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1、第三节第三节 代谢网络中碳架代谢网络中碳架 物质流的调动物质流的调动 第1页,共104页。处于一定环境条件下的微处于一定环境条件下的微生物培养物中,参与代谢的物生物培养物中,参与代谢的物质在代谢途径(网络)中按一质在代谢途径(网络)中按一定规律流动,形成微生物代谢定规律流动,形成微生物代谢的物质流。的物质流。第2页,共104页。代谢物质的流动过程是一种类似代谢物质的流动过程是一种类似“流体流动流体流动”的过程,它具备流动的一切的过程,它具备流动的一切属性,诸如属性,诸如 方向性、连续性、有序性、可方向性、连续性、有序性、可调性等等,调性等等,并且可以接受疏导、阻塞、分并且可以接受疏导、阻塞、分
2、流、汇流等流、汇流等“治理治理”,也可能发生也可能发生“干枯干枯”和和“溢出溢出(泛滥泛滥)”等现象。此等现象。此外,还有流速和流量等问题。外,还有流速和流量等问题。第3页,共104页。化能异养型微生物以有机化化能异养型微生物以有机化合物为碳源和能源。因此,在合物为碳源和能源。因此,在讨论化能异养型微生物代谢流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动时,首先抓住碳元素代谢这个主要矛盾,研究微生物细胞个主要矛盾,研究微生物细胞的碳架物质流。的碳架物质流。第4页,共104页。4.3.1 碳架物质在代谢途径(代碳架物质在代谢途径(代 谢网络)中的流动谢网络)中的流动4.3.2 微生物的
3、代谢流及其治理微生物的代谢流及其治理第5页,共104页。4.3.1 碳架物质在代谢途径(代谢碳架物质在代谢途径(代谢网络)中的流动网络)中的流动 在典型的工业发酵过程中,微生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、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。这样顺序发生的过程。第6页,共104页。4.3.1.1 有机化合物的组成元素及它们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)各自在生命活动中的作用(略)第7页,共104页。
4、4.3.1.2 碳架物质在代谢途径中的流动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原料到终端产物碳架物质流经的路径叫做载载流路径流路径。第8页,共104页。4.3.1.3 典型工业发酵的工作模式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机化合物在微生物细胞的有关的代谢途径(载流路径)中流
5、动的过程中,转化径(载流路径)中流动的过程中,转化成工业发酵的目的产物,最后目的产物成工业发酵的目的产物,最后目的产物分泌出细胞。分泌出细胞。第9页,共104页。Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation工业发酵细胞机器的工作模式工业发酵细胞机器的工作模式第10页,共104页。上图中,白色椭圆代表细胞的上图中,白色椭圆代表细胞的界面界面,界面包围部分是界面包围部分是细胞机器细胞机器,界面外侧是,界面外侧是细胞机器所在的细胞机器所在的环境环境。带箭头的黑线代表。带箭头的黑线代表典型的工业发酵的细胞机器的典型的工业发酵的细胞
6、机器的载流路径载流路径。N代表代表营养物质营养物质,P代表代表目的产物目的产物。第11页,共104页。4.3.2 微生物的代谢流及其治理微生物的代谢流及其治理第12页,共104页。我们曾从我们曾从热力学热力学的角度把微生物看的角度把微生物看作远离平衡状态的不平衡的开放体系;作远离平衡状态的不平衡的开放体系;我们曾借助我们曾借助电学电学的知识来讨论生物氧化的知识来讨论生物氧化和代谢能的问题;我们曾借用和代谢能的问题;我们曾借用互联网互联网的概的概念来讨论代谢网络的延伸问题;在这里我念来讨论代谢网络的延伸问题;在这里我们要借用们要借用流体力学流体力学的常识来分析微生物的常识来分析微生物细胞的代谢流
7、。细胞的代谢流。第13页,共104页。如果把碳架物质流看作水一样的流体,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和一个总物活细胞看作是有一个总的进水口和一个总的出水口的、包含特定的管道网的大容器,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。有分支、有交叉,有可控的阀门。代谢物质代谢物质流就如同自来水一样在管道和阀门的控制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。下流进和流出
8、细胞,形成代谢流。第14页,共104页。在这个认识的基础上,结合代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容,讨论微生物的代谢及代谢流的变动性;结合本章(变动性;结合本章(代谢调节的代谢调节的 3 个子系统个子系统)的内容,讨论代谢流对)的内容,讨论代谢流对环境条件的响应和代谢流治理的可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能性。最后还要讨论有关代谢节点的刚性的问题。的刚性的问题。第15页,共104页。微生物的微生物的代谢途经的变动性和可调代谢途经的变动性和可调节性节性,不但是代谢流飘移的内在原因
9、,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据。而且也是人工控制代谢流的生物学根据。工业发酵中,人的主观能动作用表现在对工业发酵中,人的主观能动作用表现在对代谢流的治理上。代谢流的治理上。治理的直接的目的是让治理的直接的目的是让微生物细胞过量合成(微生物细胞过量合成(overproduction)人们所需要的代谢产物。人们所需要的代谢产物。第16页,共104页。4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的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过量合成与微生物的异常代谢4.3.2.3 溢出代谢溢出代
10、谢4.3.2.4 代谢流治理的可能性和现实性代谢流治理的可能性和现实性4.3.2.5 代谢网络的刚性代谢网络的刚性第17页,共104页。4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的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我们把代谢网络中代谢途径的交叉点叫做代谢网络的叫做代谢网络的“节点节点”,实际上它实际上它们是碳架物质在代谢网络中流经的们是碳架物质在代谢网络中流经的代代谢中间物谢中间物。初级代谢网络的中心板块上的。初级代谢网络的中心板块上的 12 种前体代谢物种前体代谢物是当然的是当然的节点节点,而且还,而且还是代谢途径的是代
11、谢途径的分流分流或或汇流汇流处。处。第18页,共104页。节点处不论发生汇流还是分流,节点处不论发生汇流还是分流,都存在都存在流量分配流量分配的问题。这个分配既的问题。这个分配既与遗传因素有关,又与条件因素有与遗传因素有关,又与条件因素有关。关。不同微生物物种的代谢途径基本不同微生物物种的代谢途径基本一致,一致,因此,可在微生物学有关工具因此,可在微生物学有关工具书查到有关的途径;书查到有关的途径;而代谢调节机制而代谢调节机制并不完全一样并不完全一样,不一致的情况可在有关,不一致的情况可在有关论文或综述中找到。论文或综述中找到。第19页,共104页。在生物化学中,早有一套描述代谢途径的在生物化
12、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节。这种标酶的短箭头的长箭头来标示反馈调节。这种标示方法对于线状途径或偶有分支的途径来说,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,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,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。容易引起误解。因此我们要因此我们要启用一种新的代谢调节图图例,启用一种新的
13、代谢调节图图例,用来标记代谢网络图用来标记代谢网络图。这种标记方法有四个要。这种标记方法有四个要点:点:第20页,共104页。标明调节方式标明调节方式 用用“I”表示表示抑制抑制(inhibition),),用用“A”表表示示激活激活(activation),),用用“R”表示表示阻遏阻遏(repression););标明效应物标明效应物 一般用三个字母标示效应物(一般用三个字母标示效应物(调节特定调节特定的酶的水平或活性的化合物的酶的水平或活性的化合物 叫做这种酶的叫做这种酶的效应物)效应物);第21页,共104页。标明受调节的酶:标明受调节的酶:代谢网络图中箭头所代表的酶的名代谢网络图中箭
14、头所代表的酶的名称放在括号内,称放在括号内,标在该箭头旁边;标在该箭头旁边;对酶的调节的对酶的调节的具体的表示方法具体的表示方法:在代表酶的箭头旁边标上代表效应物在代表酶的箭头旁边标上代表效应物的的 3 个字母和代表调节机制的特定字母。个字母和代表调节机制的特定字母。第22页,共104页。例如:某效应物名称后面加上例如:某效应物名称后面加上“I”,标标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的抑制抑制作用作用;效应物名称后面加上;效应物名称后面加上“A”,标在代表酶标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的的箭头旁边,表示该效应物对该酶的激活作用激活作用;
15、效应物名称后面加上效应物名称后面加上“R”,标在代表酶的箭标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的头旁边,表示该效应物对该酶的阻遏作用阻遏作用。如。如果果 2 种效应物种效应物协同作用协同作用,则在两个效应物的名称,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。都写上,再在后面加上对应的英文字母。第23页,共104页。第24页,共104页。上图(碳架物质在上图(碳架物质在 EMP和和 HMP途径上的途径上的分流控制图)是一张按此方法标示的网络图,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请按此方法读图,并从以下说明中得到帮助。助。大肠杆菌细胞磷酸果
16、糖激酶(大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶(PFK)的的酶水平随条件而变动,有氧生长中细胞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,有氧生长水平低于厌氧生长中的细胞,有氧生长中的细胞的中的细胞的PFK(由二聚体组成),对由二聚体组成),对ATP不不敏感,厌氧生长中的细胞的敏感,厌氧生长中的细胞的PFK(由四聚体组由四聚体组成),对成),对ATP敏感。敏感。第25页,共104页。在有氧条件下在有氧条件下,由于,由于PFK的低水平和的低水平和 FDP 醛缩酶(醛缩酶(FDPA)的极端低水平,的极端低水平,大肠大肠杆菌主要经杆菌主要经 HMP 途径降解葡萄糖途径降解葡萄糖。因为在有
17、因为在有氧条件下氧条件下 PFK 对对 ATP不敏感,且其活力高于不敏感,且其活力高于FDP醛缩酶(醛缩酶(FDPA),),FDP 有累积有累积,所以,所以它可能对它可能对 HMP 途径的途径的 6-磷酸葡萄糖酸脱氢磷酸葡萄糖酸脱氢酶(酶(6PGDH)起抑制物的作用,使起抑制物的作用,使6PGDH成为成为HMP降解流上的一个降解流上的一个“阀门阀门”(有氧条(有氧条件下的控制件下的控制“阀门阀门”)。)。第26页,共104页。在厌氧条件下在厌氧条件下,PFK和和FDPA水平较有氧水平较有氧时高,因而时高,因而 EMP 途径对葡萄糖降解代谢的参途径对葡萄糖降解代谢的参与程度增加与程度增加。因为因
18、为 PFK 的水平仍高于的水平仍高于FDPA,FDP 仍然累积并继续抑制仍然累积并继续抑制 6PGDH,但随着但随着EMP参与程度的增加,参与程度的增加,EMP 途径所产生的途径所产生的NADH浓度增高浓度增高。NADH是是6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH)的效应物,的效应物,NADH 浓度上升浓度上升就会就会抑制抑制 G6PDH,使使 G6PDH 成为成为 HMP降解流降解流上的另一个上的另一个“阀门阀门”(厌氧条件下的控制厌氧条件下的控制 “阀门阀门”)。)。第27页,共104页。这种抑制作用是必要的,因为提高葡这种抑制作用是必要的,因为提高葡萄糖浓度可以使萄糖浓度可以使
19、FDPA水平上升许多倍,而水平上升许多倍,而 PFK 水平基本保持不变,这样水平基本保持不变,这样 FDP 浓度势必浓度势必是低的,以致无法控制是低的,以致无法控制 6PGDH,这时这时 NADH就通过对就通过对 G6PDH 的抑制作用控制的抑制作用控制 HMP 降解流。这种两个降解流。这种两个“阀门阀门”交替控制的交替控制的机制可以解释为什么在机制可以解释为什么在严格厌氧条件下,大肠严格厌氧条件下,大肠杆菌经杆菌经 HMP 途径降解的葡萄糖只占葡萄糖降途径降解的葡萄糖只占葡萄糖降解总量的解总量的2030。第28页,共104页。4.3.2.2 过量合成和微生物的异常代谢过量合成和微生物的异常代
20、谢 野生菌株在它们天然栖息地在其生长野生菌株在它们天然栖息地在其生长或维持,需要时也能合成人们所希望的代或维持,需要时也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长或维持的需要。体现了微生物细胞的经经济性济性。第29页,共104页。适用于发酵生产的微生物必须具有有过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。要做到成量必须大大高于它通常的合成量
21、。要做到这一点,不仅要求合成目的产物的途径畅通,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。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,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。以及在培养条件下细胞的生理状态。第30页,共104页。把自然界中自然竞争中幸存的微把自然界中自然竞争中幸存的微生物称为生物称为野生型微生物野生型微生物,它们具有比较严,它们具有比较严密的代谢调节功能,至少在它们幸存的环密的代谢调节功能,至少在它们幸存的环境条件下不会过量合成初级代谢产物。境条件下不会过量合成初级代谢产物。在
22、在这样的细胞经济体系中,细胞的生产力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),关系支持细胞自身的增殖(生产细胞),不支持(人的)不支持(人的)目的产物的过量生产目的产物的过量生产(生产特定的初级代谢产物)。(生产特定的初级代谢产物)。第31页,共104页。要解放细胞对于目的产物(特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。有必要改变细胞原有的生产关系。对微生物进行遗传改造,就是要对微生物进行遗传改造,就是要修修正原有的生产关系
23、。正原有的生产关系。第32页,共104页。微生物过量合成目的产物(微生物过量合成目的产物(特定特定的代谢中间产物的代谢中间产物)的过程,实质上是)的过程,实质上是功能残缺功能残缺或或遗传失常遗传失常的微生物细胞在的微生物细胞在人为的特定条件下进行人为的特定条件下进行异常代谢异常代谢的过的过程。因此,程。因此,研究微生物过量合成指定研究微生物过量合成指定的初级代谢产物的机理,就是研究工的初级代谢产物的机理,就是研究工业业微生物的病理学微生物的病理学。第33页,共104页。微生物排出某些微生物排出某些能量代谢副产物能量代谢副产物的过的过程,实质上是兼性厌氧微生物在环境条件程,实质上是兼性厌氧微生物
24、在环境条件逼迫下(如缺氧),变通地逼迫下(如缺氧),变通地维持生计维持生计的过的过程。程。兼性厌氧微生物细胞在缺氧的条件下,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,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。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。副产物乙醇的过程,就是这样的过程。第34页,共104页。4.3.2.3 溢出代谢溢出代谢 发生溢出代谢(发生溢出代谢(o
25、verflow metabolism)的的原因是,代谢途径前段的运转速率大于后段原因是,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,可促使微生物进行溢出代谢。供应等方法,可促使微生物进行溢出代谢。这里介绍两个溢出代谢的实例: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,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导致能量代谢的副产物乙醇生成的溢出代谢。谢。第35页,共104页。柠檬酸的溢出代谢: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。多种微生物均能因受激而过量合成柠檬酸
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