第三节代谢网络中碳架物质流的调动-PPT精品课件.ppt
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- 三节 代谢 网络 中碳架 物质 调动 PPT 精品 课件
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1、2022-7-23张星元:发酵原理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 2022-7-23张星元:发酵原理2 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。2022-7-23张星元:发酵原理3 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,它具备流动的的过程,它具备流动的一切属性,诸如一切属性,诸如 方向性、连续性、有方向性、连续性、有序性、可调性等等
2、,序性、可调性等等,并且可以接受疏并且可以接受疏导、阻塞、分流、汇流等导、阻塞、分流、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(泛泛滥滥)”等现象。此外,还有流速和流等现象。此外,还有流速和流量等问题。量等问题。2022-7-23张星元:发酵原理4 化能异养型微生物以有机化能异养型微生物以有机化合物为碳源和能源。因此,化合物为碳源和能源。因此,在讨论化能异养型微生物代谢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流动时,首先抓住碳元素代谢这个主要矛盾,研究微生物细这个主要矛盾,研究微生物细胞的碳架物质流。胞的碳架物质流。2022-7-23张星元:发酵原理54.
3、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 微生物的代谢流及其治理微生物的代谢流及其治理2022-7-23张星元:发酵原理64.3.1 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。2022-7-23张星元:发酵原理74.3.
4、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)2022-7-23张星元:发酵原理84.3.1.2 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流动,从原料到终端产物碳架物质流经的路径叫做的路径叫做载流路径载流路径。2022-7-23张星元:发酵原理94.3.1.3 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典型的工业发酵要
5、从发酵液中获得微生物的代谢产物,也就是要让原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,最中,转化成工业发酵的目的产物,最后目的产物分泌出细胞。后目的产物分泌出细胞。2022-7-23张星元:发酵原理10Working 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2022-7-23张星元:发酵原理11 上图中,白色椭圆代表细胞的上图中,白色椭圆
6、代表细胞的界界面面,界面包围部分是,界面包围部分是细胞机器细胞机器,界面,界面外侧是细胞机器所在的外侧是细胞机器所在的环境环境。带箭头。带箭头的黑线代表典型的工业发酵的细胞机的黑线代表典型的工业发酵的细胞机器的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。2022-7-23张星元:发酵原理124.3.2 微生物的代谢流及其治理微生物的代谢流及其治理2022-7-23张星元:发酵原理13 我们曾从我们曾从热力学热力学的角度把微生物的角度把微生物看作远离平衡状态的不平衡的开放体看作远离平衡状态的不平衡的开放体系;我们曾借助系;我们曾借助电学电学的知识来讨论生的知识来
7、讨论生物氧化和代谢能的问题;我们曾借用物氧化和代谢能的问题;我们曾借用互联网互联网的概念来讨论代谢网络的延伸的概念来讨论代谢网络的延伸问题;在这里我们要借用问题;在这里我们要借用流体力学流体力学的的常识来分析微生物细胞的代谢流。常识来分析微生物细胞的代谢流。2022-7-23张星元:发酵原理14 如果把碳架物质流看作水一样的流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可把微生物活细胞看作是有一个总的进水口和一个总的出水口的、包含特定的水口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管道
8、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,粗有细,管道网的管道有分支、有交叉,有可控的阀门。有可控的阀门。代谢物质流就如同自来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。出细胞,形成代谢流。2022-7-23张星元:发酵原理15 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,
9、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。2022-7-23张星元:发酵原理16 微生物的微生物的代谢途经的变动性和可代谢途经的变动性和可调节性调节性,不但是代谢流飘移的内在原,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因,而且也是人工控制代谢流的生物学根据。学根据。工业发酵中,人的主观能动工业发酵中,人的主观能动作用表现在对代谢流的治理上。作用表现在对代谢流的治理上。治理治理的直接的目的是让微生物细胞过量合的直接的目的是让微生物细胞过量合成(成(overprod
10、uction)人们所需要的人们所需要的代谢产物。代谢产物。2022-7-23张星元:发酵原理174.3.2.1 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2022-7-23张星元:发酵原理184.3.2.1 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
11、代谢途径的交我们把代谢网络中代谢途径的交叉点叫做代谢网络的叉点叫做代谢网络的“节点节点”,实实际上它们是碳架物质在代谢网络中流际上它们是碳架物质在代谢网络中流经的经的代谢中间物代谢中间物。初级代谢网络的中。初级代谢网络的中心板块上的心板块上的 12 种前体代谢物种前体代谢物是当然是当然的的节点节点,而且还是代谢途径的,而且还是代谢途径的分流分流或或汇流汇流处。处。2022-7-23张星元:发酵原理19 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。这个分配的问题。这个分配既与遗传因素有关,又与条件因素既与遗传因素有关,又与条件因素有关。有关。不同微
12、生物物种的代谢途径不同微生物物种的代谢途径基本一致,基本一致,因此,可在微生物学有因此,可在微生物学有关工具书查到有关的途径;关工具书查到有关的途径;而代谢而代谢调节机制并不完全一样调节机制并不完全一样,不一致的,不一致的情况可在有关论文或综述中找到。情况可在有关论文或综述中找到。2022-7-23张星元:发酵原理20 在生物化学中,早有一套描述代谢途径在生物化学中,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(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节。个代表酶的短箭头的
13、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。头交织在一起,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启用一种新的代谢调节图图例,用来标记代谢网络图例,用来标记代谢网络图。这种标记方法有。这种标记方法有四个要点:四个要点:2022-7-23张星元:发酵原理21 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
14、”表示表示激活激活(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(调节特调节特定的酶的水平或活性的化合物定的酶的水平或活性的化合物 叫做这种酶叫做这种酶的效应物)的效应物);2022-7-23张星元:发酵原理22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代谢网络图中箭头所代表的酶的名称放在括号内,名称放在括号内,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在代表酶的箭头旁边标上代表效应物的应物的
15、3 个字母和代表调节机制的特个字母和代表调节机制的特定字母。定字母。2022-7-23张星元:发酵原理23 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”,标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的酶的抑制作用抑制作用;效应物名称后面加上;效应物名称后面加上“A”,标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的酶的激活作用激活作用;效应物名称后面加上;效应物名称后面加上“R”,标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该标在代表酶的箭头旁边,表示该效应物对该酶的酶的阻遏作用阻遏作用。如果。如果 2 种效应物种效应物协
16、同作用协同作用,则在两个效应物的名称都写上,再在后面加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。上对应的英文字母。2022-7-23张星元:发酵原理242022-7-23张星元:发酵原理25 上图(碳架物质在上图(碳架物质在 EMP和和 HMP途径途径上的分流控制图)是一张按此方法标示的上的分流控制图)是一张按此方法标示的网络图,网络图,请按此方法读图,并从以下说明请按此方法读图,并从以下说明中得到帮助。中得到帮助。大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶(大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶(PFK)的酶水平随条件而变动,有氧生长中细胞的酶水平随条件而变动,有氧生长中细胞的的PFK水平低于厌氧生长中的细胞
17、,有氧水平低于厌氧生长中的细胞,有氧生长中的细胞的生长中的细胞的PFK(由二聚体组成),由二聚体组成),对对ATP不敏感,厌氧生长中的细胞的不敏感,厌氧生长中的细胞的PFK(由四聚体组成),对由四聚体组成),对ATP敏感。敏感。2022-7-23张星元:发酵原理26 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,大大肠杆菌主要经肠杆菌主要经 HMP 途径降解葡萄糖途径降解葡萄糖。因因为在有氧条件下为在有氧条件下 PFK 对对 ATP不敏感,且不敏感,且其活力高于其活力高于FDP醛缩酶(醛缩酶(FDPA),),FDP
18、 有累积有累积,所以它可能对,所以它可能对 HMP 途径的途径的 6-磷磷酸葡萄糖酸脱氢酶(酸葡萄糖酸脱氢酶(6PGDH)起抑制物起抑制物的作用,使的作用,使6PGDH成为成为HMP降解流上的降解流上的一个一个“阀门阀门”(有氧条件下的控制(有氧条件下的控制“阀阀门门”)。)。2022-7-23张星元:发酵原理27 在厌氧条件下在厌氧条件下,PFK和和FDPA水平较有水平较有氧时高,因而氧时高,因而 EMP 途径对葡萄糖降解代谢途径对葡萄糖降解代谢的参与程度增加的参与程度增加。因为因为 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
19、随着EMP参与程度的增加,参与程度的增加,EMP 途径所途径所产生的产生的NADH浓度增高浓度增高。NADH是是6-磷酸葡磷酸葡萄糖脱氢酶(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抑制就会抑制 G6PDH,使使 G6PDH 成成为为 HMP降解流上的另一个降解流上的另一个“阀门阀门”(厌厌氧条件下的控制氧条件下的控制 “阀门阀门”)。)。2022-7-23张星元:发酵原理28 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 FDPA水平上升许多倍,水平上升许多倍,而而 PFK 水平基本保持不变,这样水平基本保持不变
20、,这样 FDP 浓浓度势必是低的,以致无法控制度势必是低的,以致无法控制 6PGDH,这时这时 NADH就通过对就通过对 G6PDH 的抑制作用的抑制作用控制控制 HMP 降解流。这种两个降解流。这种两个“阀门阀门”交交替控制的机制可以解释为什么在替控制的机制可以解释为什么在严格厌氧严格厌氧条件下,大肠杆菌经条件下,大肠杆菌经 HMP 途径降解的葡途径降解的葡萄糖只占葡萄糖降解总量的萄糖只占葡萄糖降解总量的2030。2022-7-23张星元:发酵原理294.3.2.2 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谢 野生菌株在它们天然栖息地在其野生菌株在它们天然栖息地在其生长或维持,需要
21、时也能合成人们所生长或维持,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,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。体只够细胞自身生长或维持的需要。体现了微生物细胞的现了微生物细胞的经济性经济性。2022-7-23张星元:发酵原理30 适用于发酵生产的微生物必须具有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,不仅要求合成目成量。要做到这一点,不仅要求合成目的产物
22、的途径畅通,还必须有将目的产的产物的途径畅通,还必须有将目的产物排出细胞的满意的机制。物排出细胞的满意的机制。过量合成的过量合成的速率取决于微生物的遗传性能,以及在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。培养条件下细胞的生理状态。2022-7-23张星元:发酵原理31 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,它们具有比较严密的代谢调节功能,至少在它们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成初级幸存的环境条件下不会过量合成初级代谢产物。代谢产物。在这样的细胞经济体系中,在这样的细胞经济体
23、系中,细胞的生产力体现在其自身的增殖。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)增殖(生产细胞),不支持(人的)目的产物的过量生产(生产特定的初目的产物的过量生产(生产特定的初级代谢产物)。级代谢产物)。2022-7-23张星元:发酵原理32 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。正原有的生产关系。2
24、022-7-23张星元:发酵原理33 微生物过量合成目的产物(微生物过量合成目的产物(特特定的代谢中间产物定的代谢中间产物)的过程,实质)的过程,实质上是上是功能残缺功能残缺或或遗传失常遗传失常的微生物的微生物细胞在人为的特定条件下进行细胞在人为的特定条件下进行异常异常代谢代谢的过程。因此,的过程。因此,研究微生物过研究微生物过量合成指定的初级代谢产物的机理,量合成指定的初级代谢产物的机理,就是研究工业就是研究工业微生物的病理学微生物的病理学。2022-7-23张星元:发酵原理34 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程,实质上是兼性厌氧微生物在的过程,实质上是兼性厌氧
25、微生物在环境条件逼迫下(如缺氧),变通地环境条件逼迫下(如缺氧),变通地维持生计维持生计的过程。的过程。兼性厌氧微生物细兼性厌氧微生物细胞在缺氧的条件下,以变通的方式实胞在缺氧的条件下,以变通的方式实现还原力的平衡和辅酶的再生和回用,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。时形成并分泌出能量代谢副产物。例例如酿酒酵母在发酵液中累积能量代谢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。2022-7-23张星元:发酵原理354.3.2.3 溢出代谢溢出代谢
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