張星元發(fā)酵原理

1、10/22/2021張星元：發(fā)酵原理1第二節(jié)第二節(jié) 微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體 系的運(yùn)行規(guī)律系的運(yùn)行規(guī)律10/22/2021張星元：發(fā)酵原理2 微生物細(xì)胞新陳代謝的獨(dú)立性是靠其微生物細(xì)胞新陳代謝的獨(dú)立性是靠其廣泛的廣泛的適應(yīng)性適應(yīng)性和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用即和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用即經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性來(lái)支撐的。來(lái)支撐的。歸根到底是依靠微生物歸根到底是依靠微生物細(xì)胞嚴(yán)密的代謝調(diào)節(jié)（包括能量代謝和物細(xì)胞嚴(yán)密的代謝調(diào)節(jié)（包括能量代謝和物質(zhì)代謝）機(jī)構(gòu)來(lái)支撐的。質(zhì)代謝）機(jī)構(gòu)來(lái)支撐的。 關(guān)于代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題上一節(jié)已作關(guān)于代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題上一節(jié)已作了簡(jiǎn)單的分析，本節(jié)將從細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的角度了簡(jiǎn)單的分析，本節(jié)將從細(xì)

2、胞經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)探討代謝產(chǎn)物過(guò)量合成的可能性。來(lái)探討代謝產(chǎn)物過(guò)量合成的可能性。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理34.2.1 微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系4.2.2 微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu) 微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)4.2.3 微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行10/22/2021張星元：發(fā)酵原理44.2.1 微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系10/22/2021張星元：發(fā)酵原理5 微生物細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不微生物細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放體系，平衡的開(kāi)放體系，它能對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)它能對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)要素（要素（能量、能量

3、、物質(zhì)、物質(zhì)、信息），信息），自主地進(jìn)行定向的、全面的協(xié)調(diào)。自主地進(jìn)行定向的、全面的協(xié)調(diào)。 我們把微生物細(xì)胞作為按特殊經(jīng)我們把微生物細(xì)胞作為按特殊經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)實(shí)體來(lái)看待，并且濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)實(shí)體來(lái)看待，并且把這種按特殊的經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的新陳把這種按特殊的經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的新陳代謝體系叫做細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系。代謝體系叫做細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理6 微生物細(xì)胞的微生物細(xì)胞的獨(dú)立存在和自主生獨(dú)立存在和自主生存存，依賴(lài)于微生物細(xì)胞廣泛的，依賴(lài)于微生物細(xì)胞廣泛的適應(yīng)性適應(yīng)性（先保證活下來(lái)）和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)（先保證活下來(lái)）和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用，即約使用，即經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性（爭(zhēng)取在所處環(huán)境

4、（爭(zhēng)取在所處環(huán)境條件下更具競(jìng)爭(zhēng)力）。條件下更具競(jìng)爭(zhēng)力）。適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性都建立在微生物細(xì)胞代謝的變動(dòng)性性都建立在微生物細(xì)胞代謝的變動(dòng)性上。上。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理7 但是，微生物但是，微生物代謝的變動(dòng)是有限度代謝的變動(dòng)是有限度的的，它受到前述的細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的，它受到前述的細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的嚴(yán)格規(guī)范和嚴(yán)密控制，嚴(yán)格規(guī)范和嚴(yán)密控制，以保證代謝的持以保證代謝的持續(xù)續(xù)。這些代謝調(diào)節(jié)的規(guī)律就是細(xì)胞生命。這些代謝調(diào)節(jié)的規(guī)律就是細(xì)胞生命活動(dòng)的活動(dòng)的 “ 經(jīng)濟(jì)法則經(jīng)濟(jì)法則 ”，即，即細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管理原則理原則，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系按細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系按細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行。細(xì)胞

5、的遺傳物質(zhì)（遺傳信息的載運(yùn)行。細(xì)胞的遺傳物質(zhì)（遺傳信息的載體）是體）是細(xì)胞與環(huán)境對(duì)話(huà)的指揮中心細(xì)胞與環(huán)境對(duì)話(huà)的指揮中心。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理8 微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的保障體保障體系系。這個(gè)體系為細(xì)胞對(duì)其環(huán)境。這個(gè)體系為細(xì)胞對(duì)其環(huán)境的的適應(yīng)性適應(yīng)性，細(xì)胞運(yùn)行的，細(xì)胞運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性，以及細(xì)胞的以及細(xì)胞的持續(xù)代謝持續(xù)代謝提供保障。提供保障。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理9 對(duì)于微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)而言，對(duì)于微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)而言，細(xì)細(xì)胞實(shí)物結(jié)構(gòu)（微生物學(xué)的內(nèi)容）和胞實(shí)物結(jié)構(gòu)（微生物學(xué)的內(nèi)容）和細(xì)胞經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)（即將討論）構(gòu)成

6、了細(xì)胞經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)（即將討論）構(gòu)成了細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。細(xì)胞實(shí)物結(jié)構(gòu)是細(xì)胞實(shí)物結(jié)構(gòu)是指行使細(xì)胞功能的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即細(xì)指行使細(xì)胞功能的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即細(xì)胞的胞的生產(chǎn)力生產(chǎn)力；細(xì)胞經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)是指微；細(xì)胞經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)是指微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)的總和，即生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)的總和，即細(xì)胞的細(xì)胞的生產(chǎn)關(guān)系生產(chǎn)關(guān)系。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理10 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，最終細(xì)胞經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，最終取決于細(xì)胞的取決于細(xì)胞的遺傳物質(zhì)和遺傳物質(zhì)和環(huán)境的對(duì)話(huà)環(huán)境的對(duì)話(huà)（細(xì)胞的（細(xì)胞的 “ 藍(lán)圖藍(lán)圖 ” 和細(xì)胞生命活和細(xì)胞生命活動(dòng)的指揮中心的現(xiàn)場(chǎng)指動(dòng)的指揮中心的現(xiàn)場(chǎng)指揮）。揮）。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理114.

7、2.2 微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu) 微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)10/22/2021張星元：發(fā)酵原理12 對(duì)于化能異養(yǎng)型微生物而言，對(duì)于化能異養(yǎng)型微生物而言，其碳架物質(zhì)的代謝是最基本的代謝，其碳架物質(zhì)的代謝是最基本的代謝，因?yàn)樘技芪镔|(zhì)代謝不但為其自身合因?yàn)樘技芪镔|(zhì)代謝不但為其自身合成提供碳架，而且為自身合成提供成提供碳架，而且為自身合成提供了可直接使用的代謝能和還原力。了可直接使用的代謝能和還原力。因此，我們首先因此，我們首先以碳架代謝為主線(xiàn)，以碳架代謝為主線(xiàn)，研究與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)直接相關(guān)的研究與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)直接相關(guān)的初級(jí)代謝活動(dòng)。初級(jí)代謝活動(dòng)。 10/22/2

8、021張星元：發(fā)酵原理13 為了分析問(wèn)題的方便，為了分析問(wèn)題的方便，把把與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)直接相與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)直接相關(guān)的關(guān)的代謝系統(tǒng)劃分為代謝系統(tǒng)劃分為三個(gè)子三個(gè)子系統(tǒng)系統(tǒng)，來(lái)研究微生物細(xì)胞的，來(lái)研究微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理14 4.2.2.1 碳架代謝的三個(gè)子系統(tǒng)碳架代謝的三個(gè)子系統(tǒng) 4.2.2.2 三個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系三個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系10/22/2021張星元：發(fā)酵原理154.2.2.1 碳架代謝的三個(gè)子系統(tǒng)碳架代謝的三個(gè)子系統(tǒng) 微生物碳架物質(zhì)的初級(jí)代謝微生物碳架物質(zhì)的初級(jí)代謝大致可分成三個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)分大致可分成三個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)分解代謝子系統(tǒng)

9、（子系統(tǒng)解代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)）和兩）和兩個(gè)合成代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)個(gè)合成代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)和和子系統(tǒng)子系統(tǒng)）。）。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理16碳架碳架atp分子模塊分子模塊微生物碳架代謝系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)微生物碳架代謝系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)10/22/2021張星元：發(fā)酵原理17上圖中上圖中 ：碳源的分解代謝子系統(tǒng)：碳源的分解代謝子系統(tǒng) ：分子模塊的合成代謝子系統(tǒng)：分子模塊的合成代謝子系統(tǒng) ：生物大分子的合成代謝子系統(tǒng)：生物大分子的合成代謝子系統(tǒng) atp代表代表代謝能代謝能；分子模塊分子模塊代表氨基酸、代表氨基酸、核苷酸等參與生物大分子組成的單元化合物；核苷酸等參與生物大分子組成的單元化合物

10、；碳架碳架代表代表 pyr、 r-5-p、-kg 等前體代謝等前體代謝物。物。 虛箭頭和實(shí)箭頭分別代表代謝系統(tǒng)內(nèi)部虛箭頭和實(shí)箭頭分別代表代謝系統(tǒng)內(nèi)部的松散的和緊密的聯(lián)系。的松散的和緊密的聯(lián)系。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理18 子系統(tǒng)子系統(tǒng) （碳源的分解代謝子系統(tǒng)）（碳源的分解代謝子系統(tǒng)） 子系統(tǒng)子系統(tǒng)是微生物細(xì)胞用以合成是微生物細(xì)胞用以合成前前體代謝物體代謝物和提供和提供代謝能代謝能的碳源的碳源分解代謝分解代謝系統(tǒng)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)最容易直接受外界環(huán)境。這個(gè)系統(tǒng)最容易直接受外界環(huán)境條件在生理許可范圍內(nèi)的影響。例如，條件在生理許可范圍內(nèi)的影響。例如， ph 條件引起黑曲霉的發(fā)酵轉(zhuǎn)換，條件引起

11、黑曲霉的發(fā)酵轉(zhuǎn)換，ph3 時(shí)累積檸檬酸，時(shí)累積檸檬酸，ph6 時(shí)累積葡萄糖酸，時(shí)累積葡萄糖酸，ph10 時(shí)累積草酸。時(shí)累積草酸。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理19 這個(gè)系統(tǒng)之所以易受外界環(huán)這個(gè)系統(tǒng)之所以易受外界環(huán)境影響，可能是因?yàn)榫秤绊?，可能是因?yàn)樘荚吹姆纸馓荚吹姆纸獯x有多條途徑可供選擇代謝有多條途徑可供選擇；此外，；此外，可能是因?yàn)榭赡苁且驗(yàn)榉纸獯x的酶主要分分解代謝的酶主要分布在細(xì)胞內(nèi)可溶部分和膜上布在細(xì)胞內(nèi)可溶部分和膜上，易，易受外界條件影響。受外界條件影響。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理20 子系統(tǒng)子系統(tǒng) （ 合成分子模塊的子系統(tǒng)）合成分子模塊的子系統(tǒng)） 用來(lái)合成分子

12、模塊（用來(lái)合成分子模塊（building block）的合成代謝子系統(tǒng)。的合成代謝子系統(tǒng)。 分子模塊分子模塊一般是指用以合成生物大一般是指用以合成生物大分子的標(biāo)準(zhǔn)單元，譬如用于多糖合成的分子的標(biāo)準(zhǔn)單元，譬如用于多糖合成的 g-1-p， 用于蛋白質(zhì)合成的各種用于蛋白質(zhì)合成的各種氨基酸，氨基酸，用于用于rna 和和 dna 合成的各種合成的各種核苷酸和核苷酸和脫氧核苷酸，脫氧核苷酸，以及用于類(lèi)異戊二烯化合以及用于類(lèi)異戊二烯化合物合成的物合成的異戊烯基焦磷酸異戊烯基焦磷酸等。等。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理21 這個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制主要是負(fù)反這個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制主要是負(fù)反饋調(diào)節(jié)饋調(diào)節(jié)（包括反饋

13、抑制和反饋?zhàn)瓒簦?，（包括反饋抑制和反饋?zhàn)瓒簦€有由遺傳因素決定的、可能出現(xiàn)酶還有由遺傳因素決定的、可能出現(xiàn)酶的缺失（主要表型是的缺失（主要表型是營(yíng)養(yǎng)缺陷型營(yíng)養(yǎng)缺陷型）突）突變株。這些結(jié)構(gòu)單位的生物合成途徑變株。這些結(jié)構(gòu)單位的生物合成途徑大多已弄清楚，總的印象是此系統(tǒng)的大多已弄清楚，總的印象是此系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制較為單純。調(diào)節(jié)機(jī)制較為單純。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理22 分類(lèi)學(xué)上屬不同種的微生物分類(lèi)學(xué)上屬不同種的微生物的子系統(tǒng)的子系統(tǒng)的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制比較的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制比較接近，而子系統(tǒng)接近，而子系統(tǒng)的代謝調(diào)節(jié)機(jī)的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制則頗為不同。制則頗為不同。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理23

14、子系統(tǒng)子系統(tǒng)（生物大分子合成代謝子（生物大分子合成代謝子 系統(tǒng)）系統(tǒng)） 生物大分子合成代謝子系統(tǒng)是指生物大分子合成代謝子系統(tǒng)是指細(xì)胞用以生成蛋白質(zhì)、細(xì)胞用以生成蛋白質(zhì)、dna 、rna 、各種多糖各種多糖 ( 同多糖、雜多糖、肽多糖、同多糖、雜多糖、肽多糖、脂多糖、莢膜多糖等脂多糖、莢膜多糖等) 及類(lèi)脂（及類(lèi)脂（ 含類(lèi)含類(lèi)異戊二烯化合物）等細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的異戊二烯化合物）等細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生物大分子合成代謝子系統(tǒng)。生物大分子合成代謝子系統(tǒng)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理244.2.2.2 三個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系三個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系 只有當(dāng)以上三個(gè)代謝子系統(tǒng)作為只有當(dāng)以上三個(gè)代謝子系統(tǒng)作為一個(gè)整

15、體來(lái)運(yùn)行，微生物細(xì)胞才能維一個(gè)整體來(lái)運(yùn)行，微生物細(xì)胞才能維持生命循環(huán)。持生命循環(huán)。 只有當(dāng)生命循環(huán)得到維持，我們只有當(dāng)生命循環(huán)得到維持，我們才有可能通過(guò)微生物細(xì)胞的生命活動(dòng)，才有可能通過(guò)微生物細(xì)胞的生命活動(dòng)，生產(chǎn)微生物產(chǎn)品。生產(chǎn)微生物產(chǎn)品。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理25 微生物活細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)微生物活細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放體系，微生物細(xì)胞的不平衡的開(kāi)放體系，微生物細(xì)胞與它所處的環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)、與它所處的環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換。微生物細(xì)胞作能量和信息的交換。微生物細(xì)胞作為細(xì)胞機(jī)器用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，除了為細(xì)胞機(jī)器用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，除了要從培養(yǎng)基吸收營(yíng)養(yǎng)外，還要

16、排出要從培養(yǎng)基吸收營(yíng)養(yǎng)外，還要排出工業(yè)生產(chǎn)的目的產(chǎn)物。工業(yè)生產(chǎn)的目的產(chǎn)物。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理26分泌能量代謝的副產(chǎn)物分泌能量代謝的副產(chǎn)物 （乙醇、乳酸等）（乙醇、乳酸等）分泌生物大分子的前分泌生物大分子的前體（氨基酸、核酸等）體（氨基酸、核酸等）分泌生物大分子（酶、分泌生物大分子（酶、微生物多糖等）微生物多糖等）碳架碳架atp分子模塊分子模塊營(yíng)養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)10/22/2021張星元：發(fā)酵原理27 如圖所示三子系統(tǒng)有如下關(guān)系：如圖所示三子系統(tǒng)有如下關(guān)系： 子系統(tǒng)子系統(tǒng)生成生成 atp, 子系統(tǒng)子系統(tǒng) 和子和子系統(tǒng)系統(tǒng)使用使用atp。但是子系統(tǒng)。但是子系統(tǒng)中中atp如何合成并不嚴(yán)重影響

17、子系統(tǒng)如何合成并不嚴(yán)重影響子系統(tǒng)和子系和子系統(tǒng)統(tǒng) 對(duì)對(duì)atp 的使用。的使用。 因此可以認(rèn)為子因此可以認(rèn)為子系統(tǒng)系統(tǒng) 與整個(gè)合成系統(tǒng)與整個(gè)合成系統(tǒng) （ 子系統(tǒng)子系統(tǒng) 加加上子系統(tǒng)上子系統(tǒng) ） 之間的聯(lián)系是較為松散之間的聯(lián)系是較為松散的（圖中的虛線(xiàn)箭頭）。的（圖中的虛線(xiàn)箭頭）。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理28 子系統(tǒng)子系統(tǒng) 生成的前體代謝物的質(zhì)和量生成的前體代謝物的質(zhì)和量強(qiáng)烈地影響子系統(tǒng)強(qiáng)烈地影響子系統(tǒng)的運(yùn)行的運(yùn)行 （ 見(jiàn)離心途徑見(jiàn)離心途徑匯總圖匯總圖 ），因此子系統(tǒng)），因此子系統(tǒng)與子系統(tǒng)與子系統(tǒng) 之間之間的聯(lián)系是緊密的（的聯(lián)系是緊密的（ 實(shí)線(xiàn)箭頭）實(shí)線(xiàn)箭頭） 。而子系統(tǒng)。而子系統(tǒng) 與

18、子系統(tǒng)與子系統(tǒng) 之間幾乎僅僅通過(guò)之間幾乎僅僅通過(guò) atp 相相聯(lián)系，聯(lián)系， 因此因此 這兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系是松散這兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系是松散的（的（ 虛線(xiàn)箭頭虛線(xiàn)箭頭 ） 。 分子模塊分子模塊 ( 如氨基酸如氨基酸 ) 在細(xì)胞內(nèi)通?？梢杂坞x狀態(tài)存在，在細(xì)胞內(nèi)通?？梢杂坞x狀態(tài)存在， 由此推由此推測(cè)，子系統(tǒng)測(cè)，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)與子系統(tǒng) 也只是保持松散也只是保持松散的關(guān)系（的關(guān)系（ 虛線(xiàn)箭頭）虛線(xiàn)箭頭） 。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理29 綜上所述，綜上所述，子系統(tǒng)子系統(tǒng)和子系統(tǒng)和子系統(tǒng)分別與子系統(tǒng)分別與子系統(tǒng) 只發(fā)生松散的聯(lián)只發(fā)生松散的聯(lián)系，這就是子系統(tǒng)系，這就是子系統(tǒng) 具有相對(duì)獨(dú)立具有相對(duì)獨(dú)

19、立的運(yùn)轉(zhuǎn)（的運(yùn)轉(zhuǎn)（ 排出能量代謝副產(chǎn)物）能排出能量代謝副產(chǎn)物）能力的原因之一，也是力的原因之一，也是 “ 子系統(tǒng)子系統(tǒng)+ 子系統(tǒng)子系統(tǒng) ” 作為一個(gè)整體具有相對(duì)作為一個(gè)整體具有相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)轉(zhuǎn)（獨(dú)立的運(yùn)轉(zhuǎn)（ 排出分子模塊）能力排出分子模塊）能力的原因之一。的原因之一。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理30相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的另一個(gè)重要原因相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的另一個(gè)重要原因是細(xì)胞的分泌機(jī)制。是細(xì)胞的分泌機(jī)制。子系統(tǒng)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，細(xì)胞可能分泌乙醇立運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，細(xì)胞可能分泌乙醇等能量代謝的副產(chǎn)物；等能量代謝的副產(chǎn)物； “ 子系統(tǒng)子系統(tǒng)+ 子系統(tǒng)子系統(tǒng) ” 相對(duì)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，相對(duì)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)

20、的過(guò)程中，細(xì)胞可能分泌氨基酸等分子模塊；三細(xì)胞可能分泌氨基酸等分子模塊；三個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，微生物細(xì)胞生長(zhǎng)個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，微生物細(xì)胞生長(zhǎng)迅速。還有可能分泌酶、多糖、多肽迅速。還有可能分泌酶、多糖、多肽等生物大分子。細(xì)胞分泌代謝產(chǎn)物的等生物大分子。細(xì)胞分泌代謝產(chǎn)物的同時(shí)生長(zhǎng)速度放慢。同時(shí)生長(zhǎng)速度放慢。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理31 4.2.3 微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué) （microbial cell economics） 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理32 經(jīng)濟(jì)學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)是研究各種經(jīng)濟(jì)關(guān)系和是研究各種經(jīng)濟(jì)關(guān)系和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的規(guī)律的科學(xué)，是研究人經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的規(guī)律的科學(xué)，是研

21、究人類(lèi)社會(huì)在各個(gè)發(fā)展階段的活動(dòng)和各類(lèi)社會(huì)在各個(gè)發(fā)展階段的活動(dòng)和各種相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，以及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)種相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，以及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。規(guī)律的科學(xué)。 經(jīng)濟(jì)活動(dòng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是人們?cè)谝欢ǖ慕?jīng)濟(jì)是人們?cè)谝欢ǖ慕?jīng)濟(jì)關(guān)系中（其中占主導(dǎo)地位的是生產(chǎn)關(guān)系中（其中占主導(dǎo)地位的是生產(chǎn)關(guān)系關(guān)系 ） ， 進(jìn)行生產(chǎn)、交換、分配、進(jìn)行生產(chǎn)、交換、分配、消費(fèi)以及與之有密切關(guān)系的活動(dòng)。消費(fèi)以及與之有密切關(guān)系的活動(dòng)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理33 在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，存在以較少的在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，存在以較少的耗費(fèi)獲得較大經(jīng)濟(jì)效益的耗費(fèi)獲得較大經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)濟(jì)效果經(jīng)濟(jì)效果問(wèn)題。問(wèn)題。 在微生物細(xì)胞的代謝活動(dòng)中同在微生物細(xì)胞的代謝活動(dòng)

22、中同樣也存在著以較少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲樣也存在著以較少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長(zhǎng)效益的得較大的生長(zhǎng)效益的經(jīng)濟(jì)效果經(jīng)濟(jì)效果問(wèn)題；問(wèn)題；在這個(gè)意義上，在這個(gè)意義上，代謝活動(dòng)也是一種代謝活動(dòng)也是一種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理34 經(jīng)濟(jì)效果要用經(jīng)濟(jì)效果要用價(jià)值價(jià)值的尺度來(lái)的尺度來(lái)衡量。談到價(jià)值，就涉及到衡量。談到價(jià)值，就涉及到價(jià)值價(jià)值取向取向問(wèn)題。問(wèn)題。用不同的價(jià)值取向?qū)τ貌煌膬r(jià)值取向?qū)ν粋€(gè)事物的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)同一個(gè)事物的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果不會(huì)一樣。果不會(huì)一樣。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理35 微生物細(xì)胞本身的價(jià)值取向是微生物細(xì)胞本身的價(jià)值取向是加強(qiáng)生存競(jìng)爭(zhēng)能力

23、加強(qiáng)生存競(jìng)爭(zhēng)能力，而工業(yè)發(fā)酵中，而工業(yè)發(fā)酵中微生物細(xì)胞機(jī)器的價(jià)值取向是微生物細(xì)胞機(jī)器的價(jià)值取向是提高提高目的產(chǎn)物的生產(chǎn)能力目的產(chǎn)物的生產(chǎn)能力。因此在工業(yè)。因此在工業(yè)發(fā)酵的過(guò)程中，需要遵循微生物細(xì)發(fā)酵的過(guò)程中，需要遵循微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)微生物的代謝胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)微生物的代謝活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)?；顒?dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理36有關(guān)價(jià)值取向問(wèn)題：有關(guān)價(jià)值取向問(wèn)題：微生物細(xì)胞微生物細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)能力（細(xì)胞生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力（細(xì)胞生長(zhǎng)速度和繁殖速度）。速度和繁殖速度）。細(xì)胞機(jī)器細(xì)胞機(jī)器生產(chǎn)能力（細(xì)胞在發(fā)酵生產(chǎn)能力（細(xì)胞在發(fā)酵液中累積特定代謝產(chǎn)物的能力）液中累積特定代謝產(chǎn)物的能力） 。1

24、0/22/2021張星元：發(fā)酵原理37 對(duì)于本課程定義的對(duì)于本課程定義的典型的工業(yè)發(fā)酵典型的工業(yè)發(fā)酵來(lái)說(shuō)，目的產(chǎn)物的累積往往是以犧牲微來(lái)說(shuō)，目的產(chǎn)物的累積往往是以犧牲微生物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的生物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而，高產(chǎn)，因而，高產(chǎn)突變菌株的生存競(jìng)爭(zhēng)能力往往要比出發(fā)突變菌株的生存競(jìng)爭(zhēng)能力往往要比出發(fā)株差一些。工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中為了謀求盡株差一些。工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中為了謀求盡量高的經(jīng)濟(jì)效益，必須在量高的經(jīng)濟(jì)效益，必須在保證微生物細(xì)保證微生物細(xì)胞的生存利益的基礎(chǔ)上，精心協(xié)調(diào)微生胞的生存利益的基礎(chǔ)上，精心協(xié)調(diào)微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和目的產(chǎn)物的累積這兩者物細(xì)胞的生長(zhǎng)和目的產(chǎn)物的累積這兩者的關(guān)系。的關(guān)系。10/2

25、2/2021張星元：發(fā)酵原理38 微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)試圖研究微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)試圖研究 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行規(guī)律運(yùn)行規(guī)律 微生物細(xì)胞各個(gè)生命活動(dòng)階段微生物細(xì)胞各個(gè)生命活動(dòng)階段的的代謝活動(dòng)代謝活動(dòng) 代謝流代謝流在代謝網(wǎng)絡(luò)上的流量分在代謝網(wǎng)絡(luò)上的流量分布和流動(dòng)規(guī)律布和流動(dòng)規(guī)律 微生物細(xì)胞的體現(xiàn)在不同價(jià)值微生物細(xì)胞的體現(xiàn)在不同價(jià)值取向上的取向上的生產(chǎn)力生產(chǎn)力 微生物細(xì)胞的微生物細(xì)胞的生產(chǎn)力生產(chǎn)力與細(xì)胞的與細(xì)胞的生產(chǎn)關(guān)系之間的關(guān)系生產(chǎn)關(guān)系之間的關(guān)系10/22/2021張星元：發(fā)酵原理394.2.3.1 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行4.2.3.2 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)杠桿經(jīng)濟(jì)杠桿4.

26、2.3.3 通用代謝物通用代謝物的作用的作用 4.2.3.3 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是微生物細(xì)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是微生物細(xì) 胞生命活動(dòng)的胞生命活動(dòng)的保障體系保障體系 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理40 在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上建立的在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上建立的微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系已經(jīng)經(jīng)受長(zhǎng)微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系已經(jīng)經(jīng)受長(zhǎng)期的實(shí)踐的檢驗(yàn)，已成為微生物期的實(shí)踐的檢驗(yàn)，已成為微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的細(xì)胞生命活動(dòng)的保障體系保障體系，為，為適應(yīng)性適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性和和代謝的持代謝的持續(xù)性續(xù)性提供保障。提供保障。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理41 自然環(huán)境自然環(huán)境或或人為的培養(yǎng)條人為的培養(yǎng)條件件均能根據(jù)不同的價(jià)值取向，均能根據(jù)

27、不同的價(jià)值取向，對(duì)細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行導(dǎo)向?qū)?xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行導(dǎo)向。但在細(xì)胞遺傳物質(zhì)沒(méi)有變動(dòng)的但在細(xì)胞遺傳物質(zhì)沒(méi)有變動(dòng)的情況下，這種導(dǎo)向只能在有限情況下，這種導(dǎo)向只能在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行。的范圍內(nèi)進(jìn)行。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理42 在遺傳物質(zhì)發(fā)生變動(dòng)的情況下，大在遺傳物質(zhì)發(fā)生變動(dòng)的情況下，大自然的導(dǎo)向，是指自然的導(dǎo)向，是指自發(fā)突變加上自然選自發(fā)突變加上自然選擇擇，導(dǎo)致微生物物種的進(jìn)化；人為的導(dǎo)，導(dǎo)致微生物物種的進(jìn)化；人為的導(dǎo)向，就是向，就是遺傳改造和定向篩選遺傳改造和定向篩選，導(dǎo)致優(yōu)，導(dǎo)致優(yōu)良的生產(chǎn)菌種的獲得，實(shí)現(xiàn)另一種意義良的生產(chǎn)菌種的獲得，實(shí)現(xiàn)另一種意義上的進(jìn)化。上的進(jìn)化。 然而，

28、然而，不論是大自然的導(dǎo)向還是人不論是大自然的導(dǎo)向還是人為的導(dǎo)向，都不能改變微生物細(xì)胞的生為的導(dǎo)向，都不能改變微生物細(xì)胞的生存保障規(guī)律。存保障規(guī)律。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理434.2.3.1 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行 原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì) 導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì) 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)10/22/2021張星元：發(fā)酵原理44 微生物細(xì)胞的微生物細(xì)胞的生存保障生存保障規(guī)律規(guī)律可以概括成可以概括成: 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理45 微生物細(xì)胞必須按這個(gè)生存保障微生物細(xì)胞必須按這個(gè)生存保障規(guī)律進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在這個(gè)前提下，規(guī)律進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在這個(gè)前提下，

29、細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行還可以接受細(xì)胞細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行還可以接受細(xì)胞經(jīng)濟(jì)杠經(jīng)濟(jì)杠桿桿的人為的調(diào)控。的人為的調(diào)控。 根據(jù)是否接受細(xì)胞經(jīng)濟(jì)杠桿的人根據(jù)是否接受細(xì)胞經(jīng)濟(jì)杠桿的人為的調(diào)控可以把微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)分為：為的調(diào)控可以把微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)分為： 原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)，原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)， 導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)。導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理46 原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì) 原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是這樣一是這樣一種細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系，這種細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體種細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系，這種細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系還沒(méi)有接受人為的經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向。野系還沒(méi)有接受人為的經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向。野生型微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系往往是生型微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系往往是屬于這

30、個(gè)類(lèi)型的。屬于這個(gè)類(lèi)型的。 原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)是細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體是細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的這樣一種運(yùn)行狀態(tài)，這種運(yùn)行系的這樣一種運(yùn)行狀態(tài)，這種運(yùn)行狀態(tài)有利于細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖和在競(jìng)狀態(tài)有利于細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖和在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝。爭(zhēng)中獲勝。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理47 微生物在生存競(jìng)爭(zhēng)中進(jìn)化的微生物在生存競(jìng)爭(zhēng)中進(jìn)化的方向是發(fā)展其自身的適應(yīng)能力，方向是發(fā)展其自身的適應(yīng)能力，提高生存競(jìng)爭(zhēng)能力；也就是優(yōu)化提高生存競(jìng)爭(zhēng)能力；也就是優(yōu)化細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)生存競(jìng)爭(zhēng)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)生存競(jìng)爭(zhēng)而幸存下來(lái)的野生型微生物在其而幸存下來(lái)的野生型微生物在其所棲身的環(huán)境中是富有競(jìng)爭(zhēng)能力所棲身的環(huán)境中是富有競(jìng)爭(zhēng)能力的。的。

31、 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理48 導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì) 如果要求微生物過(guò)量合成某如果要求微生物過(guò)量合成某種代謝中間產(chǎn)物，則須種代謝中間產(chǎn)物，則須對(duì)微生物對(duì)微生物的代謝流進(jìn)行導(dǎo)向的代謝流進(jìn)行導(dǎo)向。根據(jù)已獲得。根據(jù)已獲得的代謝分析的信息，應(yīng)用正確的的代謝分析的信息，應(yīng)用正確的策略，進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按計(jì)劃對(duì)策略，進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按計(jì)劃對(duì)出發(fā)株進(jìn)行出發(fā)株進(jìn)行遺傳改造遺傳改造和隨后的和隨后的培培養(yǎng)條件優(yōu)化養(yǎng)條件優(yōu)化，將代謝流導(dǎo)向理想，將代謝流導(dǎo)向理想的的載流路徑載流路徑。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理49 在這種情況下，細(xì)胞因接受了人為在這種情況下，細(xì)胞因接受了人為的代謝導(dǎo)向，細(xì)胞經(jīng)

32、濟(jì)體系處于接受導(dǎo)的代謝導(dǎo)向，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系處于接受導(dǎo)向的運(yùn)行狀態(tài)，因此有向的運(yùn)行狀態(tài)，因此有導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)之稱(chēng)。盡管以產(chǎn)品為導(dǎo)向的導(dǎo)向型細(xì)胞之稱(chēng)。盡管以產(chǎn)品為導(dǎo)向的導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)不同于原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)，然而，經(jīng)濟(jì)不同于原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)，然而，微微生物細(xì)胞總是按生物細(xì)胞總是按整體協(xié)調(diào)，維持生計(jì)整體協(xié)調(diào)，維持生計(jì)的的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管理原則細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管理原則實(shí)現(xiàn)能量和還原力的實(shí)現(xiàn)能量和還原力的新的平衡新的平衡，從而保證生命活動(dòng)以另一種，從而保證生命活動(dòng)以另一種格局格局持續(xù)進(jìn)行下去持續(xù)進(jìn)行下去。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理50 經(jīng)濟(jì)活動(dòng)通過(guò)貨幣投入，獲得收益。經(jīng)濟(jì)活動(dòng)通過(guò)貨幣投入，獲得收益。在

33、微生物細(xì)胞的代謝活動(dòng)中，存在著以較在微生物細(xì)胞的代謝活動(dòng)中，存在著以較少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長(zhǎng)效益問(wèn)題。少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長(zhǎng)效益問(wèn)題。在這個(gè)意義上，微生物的代謝活動(dòng)也是一在這個(gè)意義上，微生物的代謝活動(dòng)也是一種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，微生物細(xì)胞消耗能量（實(shí)際種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，微生物細(xì)胞消耗能量（實(shí)際上是以上是以atp的形式提供代謝能），實(shí)現(xiàn)生的形式提供代謝能），實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)。因此研究微生物的代謝，即微生物細(xì)長(zhǎng)。因此研究微生物的代謝，即微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須研究生長(zhǎng)能學(xué)。胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須研究生長(zhǎng)能學(xué)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理51 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù) 為了使微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為了使微生

34、物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)能力得到量化。曾經(jīng)以狀態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)能力得到量化。曾經(jīng)以基質(zhì)的得率系數(shù)基質(zhì)的得率系數(shù) yxs 為基準(zhǔn)，為基準(zhǔn)， 把細(xì)把細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù) 定義為細(xì)胞增長(zhǎng)速率定義為細(xì)胞增長(zhǎng)速率與基質(zhì)消耗速率之比。與基質(zhì)消耗速率之比。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理52 但是，但是，在進(jìn)行分批培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)在進(jìn)行分批培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)基的組成成分是在不斷變化的，細(xì)胞基的組成成分是在不斷變化的，細(xì)胞增長(zhǎng)速率與不同基質(zhì)的消耗速率都在增長(zhǎng)速率與不同基質(zhì)的消耗速率都在變化之中，因此這樣的變化之中，因此這樣的 “ 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)系數(shù) ” 難以進(jìn)行同一個(gè)水平上的比難以進(jìn)行同一個(gè)水平上的比較。培養(yǎng)基的

35、組成差異是一個(gè)質(zhì)的差較。培養(yǎng)基的組成差異是一個(gè)質(zhì)的差異，如果我們將這個(gè)異，如果我們將這個(gè)質(zhì)的差異換算成質(zhì)的差異換算成量的差異量的差異，或許問(wèn)題就容易解決了。，或許問(wèn)題就容易解決了。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理53 這樣，我們?cè)噲D這樣，我們?cè)噲D將培養(yǎng)基的質(zhì)的將培養(yǎng)基的質(zhì)的差異轉(zhuǎn)換成差異轉(zhuǎn)換成atp的量的差異的量的差異，以，以atp 得率系數(shù)得率系數(shù)yxatp 為基準(zhǔn)，修改細(xì)胞經(jīng)濟(jì)為基準(zhǔn)，修改細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)。系數(shù)。 特引進(jìn)代謝經(jīng)濟(jì)系數(shù)特引進(jìn)代謝經(jīng)濟(jì)系數(shù)( economic coefficient of metabolism ) 的概念，的概念，用來(lái)描寫(xiě)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的用來(lái)描寫(xiě)細(xì)胞經(jīng)

36、濟(jì)體系的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀況，以及代謝能對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)的經(jīng)狀況，以及代謝能對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)效果。濟(jì)效果。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理54 代謝經(jīng)濟(jì)系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)濟(jì)系數(shù)，被定代謝經(jīng)濟(jì)系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)濟(jì)系數(shù)，被定義為細(xì)胞增長(zhǎng)的速率與義為細(xì)胞增長(zhǎng)的速率與atp的消耗速率之比：的消耗速率之比： 這個(gè)經(jīng)濟(jì)系數(shù)不但使微生物的細(xì)胞經(jīng)這個(gè)經(jīng)濟(jì)系數(shù)不但使微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)能力得到了量化，而且濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)能力得到了量化，而且可以推算細(xì)胞的代謝成本。可以推算細(xì)胞的代謝成本。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理55 綜上所述，綜上所述，atp得率系數(shù)得率系數(shù)yxatp ，即，即合成單位細(xì)胞量所消耗合成單

37、位細(xì)胞量所消耗atp的量的量 mmol atp（g細(xì)胞干重）細(xì)胞干重）-1，比細(xì)胞量對(duì)基質(zhì)，比細(xì)胞量對(duì)基質(zhì)的得率系數(shù)的得率系數(shù) yxs，即合成單位量的細(xì)胞所，即合成單位量的細(xì)胞所消耗的基質(zhì)的量，消耗的基質(zhì)的量， 更能體現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)的更能體現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本特性。經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本特性。 所以所以在分析細(xì)胞在分析細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)，以的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)，以 atp得率系數(shù)得率系數(shù)yxatp為為基準(zhǔn)比以基質(zhì)的得率系數(shù)基準(zhǔn)比以基質(zhì)的得率系數(shù)yxs 為基準(zhǔn)更能為基準(zhǔn)更能反映經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的本質(zhì)。反映經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的本質(zhì)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理56 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)的高低取決于細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)的高低取決于分解代謝體

38、系（子系統(tǒng)分解代謝體系（子系統(tǒng) ）與兩）與兩個(gè)生物合成系統(tǒng)個(gè)生物合成系統(tǒng) （子系統(tǒng)（子系統(tǒng)和子和子系統(tǒng)系統(tǒng) ）的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況。經(jīng)）的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況。經(jīng)濟(jì)系數(shù)高低反映各代謝體系之間濟(jì)系數(shù)高低反映各代謝體系之間的聯(lián)系程度、相關(guān)程度和協(xié)調(diào)程的聯(lián)系程度、相關(guān)程度和協(xié)調(diào)程度的高低。度的高低。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理57 各代謝子系統(tǒng)之間的聯(lián)系越緊各代謝子系統(tǒng)之間的聯(lián)系越緊密，各代謝子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的獨(dú)立性就密，各代謝子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的獨(dú)立性就越小，代謝產(chǎn)物的累積就越困難。越小，代謝產(chǎn)物的累積就越困難。在這種情況下，微生物本身能最大在這種情況下，微生物本身能最大限度地生長(zhǎng)和繁殖，細(xì)胞生產(chǎn)自身限度地生長(zhǎng)和

39、繁殖，細(xì)胞生產(chǎn)自身的能力最強(qiáng)。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)處于富于競(jìng)的能力最強(qiáng)。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)處于富于競(jìng)爭(zhēng)能力的運(yùn)行狀態(tài)，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)爭(zhēng)能力的運(yùn)行狀態(tài)，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)最高。最高。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理584.2.3.2 微生物的微生物的經(jīng)濟(jì)杠桿經(jīng)濟(jì)杠桿 外界環(huán)境條件外界環(huán)境條件 對(duì)代謝產(chǎn)物的分泌能力對(duì)代謝產(chǎn)物的分泌能力 遺傳根據(jù)遺傳根據(jù)10/22/2021張星元：發(fā)酵原理59 根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，把依靠化根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，把依靠化能異養(yǎng)型微生物合成某最終被分泌到能異養(yǎng)型微生物合成某最終被分泌到胞外的初級(jí)代謝產(chǎn)物（目的產(chǎn)物）的胞外的初級(jí)代謝產(chǎn)物（目的產(chǎn)物）的過(guò)程，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過(guò)程來(lái)研過(guò)程，作為工業(yè)發(fā)酵

40、的典型過(guò)程來(lái)研究。究。 如果要在發(fā)酵液中獲得大量的目如果要在發(fā)酵液中獲得大量的目的產(chǎn)物，先決條件是必須有一定量的的產(chǎn)物，先決條件是必須有一定量的細(xì)胞細(xì)胞存在存在，而且細(xì)胞的生命活動(dòng)必須，而且細(xì)胞的生命活動(dòng)必須得到得到維持維持。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理60 在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上，分批發(fā)酵在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上，分批發(fā)酵的前期是的前期是菌種微生物增殖（細(xì)胞機(jī)菌種微生物增殖（細(xì)胞機(jī)器的在線(xiàn)制造）階段器的在線(xiàn)制造）階段。應(yīng)該從培養(yǎng)。應(yīng)該從培養(yǎng)條件上保證菌種微生物的正常增殖，條件上保證菌種微生物的正常增殖，以便為隨后以便為隨后目的產(chǎn)物生成（細(xì)胞機(jī)目的產(chǎn)物生成（細(xì)胞機(jī)器的在線(xiàn)運(yùn)行）器的在線(xiàn)運(yùn)行）提供足夠

41、的細(xì)胞機(jī)提供足夠的細(xì)胞機(jī)器。然后，細(xì)胞機(jī)器轉(zhuǎn)入目的產(chǎn)物器。然后，細(xì)胞機(jī)器轉(zhuǎn)入目的產(chǎn)物的生產(chǎn)（在線(xiàn)運(yùn)行的生產(chǎn)（在線(xiàn)運(yùn)行 ）階段。）階段。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理61 目的產(chǎn)物在發(fā)酵液中的累積，是目的產(chǎn)物在發(fā)酵液中的累積，是微生物細(xì)胞按微生物細(xì)胞按整體協(xié)調(diào)維持生計(jì)整體協(xié)調(diào)維持生計(jì)的的生生存保障規(guī)律存保障規(guī)律，自動(dòng)調(diào)低細(xì)胞生長(zhǎng)速度，自動(dòng)調(diào)低細(xì)胞生長(zhǎng)速度，維持生命活動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)的。維持生命活動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)的。在這在這個(gè)階段，培養(yǎng)條件的轉(zhuǎn)換能調(diào)動(dòng)菌種個(gè)階段，培養(yǎng)條件的轉(zhuǎn)換能調(diào)動(dòng)菌種微生物高產(chǎn)目的產(chǎn)物的遺傳潛力，從微生物高產(chǎn)目的產(chǎn)物的遺傳潛力，從而促成目的產(chǎn)物生產(chǎn)的代謝導(dǎo)向，而促成目的產(chǎn)物

42、生產(chǎn)的代謝導(dǎo)向，使使微生物細(xì)胞在胞外累積目的產(chǎn)物，獲微生物細(xì)胞在胞外累積目的產(chǎn)物，獲得發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。得發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理62 這時(shí)，因?yàn)槟康漠a(chǎn)物（原來(lái)用這時(shí)，因?yàn)槟康漠a(chǎn)物（原來(lái)用于生長(zhǎng)的代謝中間產(chǎn)物）的抽出，于生長(zhǎng)的代謝中間產(chǎn)物）的抽出，造成細(xì)胞生長(zhǎng)速率的下降和競(jìng)爭(zhēng)能造成細(xì)胞生長(zhǎng)速率的下降和競(jìng)爭(zhēng)能力的削弱。細(xì)胞生成速度相對(duì)較低，力的削弱。細(xì)胞生成速度相對(duì)較低，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)相對(duì)較低；目的產(chǎn)物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)相對(duì)較低；目的產(chǎn)物的生成速度相對(duì)較高，目的產(chǎn)物生的生成速度相對(duì)較高，目的產(chǎn)物生成系數(shù)相對(duì)較高。成系數(shù)相對(duì)較高。10/22/2021張星元：發(fā)酵原

43、理63 微生物群體的生命活動(dòng)（也就是細(xì)胞的微生物群體的生命活動(dòng)（也就是細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)），不論是在天然的環(huán)境下還是在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)），不論是在天然的環(huán)境下還是在人為的培養(yǎng)條件下進(jìn)行，都受到經(jīng)濟(jì)杠桿的人為的培養(yǎng)條件下進(jìn)行，都受到經(jīng)濟(jì)杠桿的調(diào)控。調(diào)控。在微生物學(xué)中，細(xì)菌的（群體）生長(zhǎng)在微生物學(xué)中，細(xì)菌的（群體）生長(zhǎng)曲線(xiàn)反映的單細(xì)胞微生物生長(zhǎng)體系中細(xì)胞濃曲線(xiàn)反映的單細(xì)胞微生物生長(zhǎng)體系中細(xì)胞濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律（先后經(jīng)過(guò)延遲期、對(duì)度隨時(shí)間的變化規(guī)律（先后經(jīng)過(guò)延遲期、對(duì)數(shù)期、平衡期和衰亡期），就是細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)數(shù)期、平衡期和衰亡期），就是細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)受到調(diào)控的結(jié)果；細(xì)菌細(xì)胞自身的生命活動(dòng)受到調(diào)控的結(jié)果；細(xì)菌細(xì)胞自

44、身的生命活動(dòng)影響其自身的環(huán)境條件，其自身的環(huán)境活動(dòng)影響其自身的環(huán)境條件，其自身的環(huán)境條件反過(guò)來(lái)又影響（調(diào)控）細(xì)胞自身的生命條件反過(guò)來(lái)又影響（調(diào)控）細(xì)胞自身的生命活動(dòng)。活動(dòng)。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理64 在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，人們可人們可以利用經(jīng)濟(jì)杠桿對(duì)微生物的生長(zhǎng)、以利用經(jīng)濟(jì)杠桿對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖等新陳代謝過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。繁殖等新陳代謝過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。 化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)杠桿主要有下面幾種：的經(jīng)濟(jì)杠桿主要有下面幾種：10/22/2021張星元：發(fā)酵原理65外界環(huán)境條件外界環(huán)境條件 如如 ph、 溫度、溶解氧及培溫度、溶解氧及培養(yǎng)基的

45、營(yíng)養(yǎng)成分。外界環(huán)境首先養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分。外界環(huán)境首先向子系統(tǒng)向子系統(tǒng)（碳源分解代謝）施（碳源分解代謝）施加影響，比如使糖的降解代謝途加影響，比如使糖的降解代謝途徑上的代謝流發(fā)生變化，甚至發(fā)徑上的代謝流發(fā)生變化，甚至發(fā)生途徑的轉(zhuǎn)換和代謝流的漂移。生途徑的轉(zhuǎn)換和代謝流的漂移。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理66對(duì)代謝產(chǎn)物的分泌能力對(duì)代謝產(chǎn)物的分泌能力 要實(shí)現(xiàn)代謝產(chǎn)物在發(fā)酵液中的大要實(shí)現(xiàn)代謝產(chǎn)物在發(fā)酵液中的大量累積，還有一個(gè)先決條件是微生物量累積，還有一個(gè)先決條件是微生物細(xì)胞對(duì)這些代謝產(chǎn)物的分泌能力。如細(xì)胞對(duì)這些代謝產(chǎn)物的分泌能力。如果這些代謝產(chǎn)物因代謝方面的原因只果這些代謝產(chǎn)物因代謝方面的原因只

46、在細(xì)胞內(nèi)累積而不分泌，就會(huì)影響細(xì)在細(xì)胞內(nèi)累積而不分泌，就會(huì)影響細(xì)胞的內(nèi)部環(huán)境，直至影響到微生物細(xì)胞的內(nèi)部環(huán)境，直至影響到微生物細(xì)胞的生存。胞的生存。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理67 在這種情況下，旺盛的分泌能力在這種情況下，旺盛的分泌能力對(duì)微生物細(xì)胞來(lái)說(shuō)是一種解毒機(jī)制；對(duì)微生物細(xì)胞來(lái)說(shuō)是一種解毒機(jī)制；對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，細(xì)胞分泌能力有助對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，細(xì)胞分泌能力有助于代謝產(chǎn)物的大量生成和在發(fā)酵液中于代謝產(chǎn)物的大量生成和在發(fā)酵液中的大量累積。代謝產(chǎn)物的分泌對(duì)以各的大量累積。代謝產(chǎn)物的分泌對(duì)以各代謝子系統(tǒng)的松散聯(lián)系為基礎(chǔ)的有關(guān)代謝子系統(tǒng)的松散聯(lián)系為基礎(chǔ)的有關(guān)子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，也起著十分重要子

47、系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，也起著十分重要的作用。的作用。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理68遺傳物質(zhì)遺傳物質(zhì) 如子系統(tǒng)如子系統(tǒng)和和（生物合成）所（生物合成）所涉及的合成代謝途徑的酶和（或）調(diào)涉及的合成代謝途徑的酶和（或）調(diào)節(jié)機(jī)制的遺傳根據(jù)的改變。子系統(tǒng)節(jié)機(jī)制的遺傳根據(jù)的改變。子系統(tǒng)和和的運(yùn)行，除了受到外界條件的間的運(yùn)行，除了受到外界條件的間接影響外，更多地取決于人對(duì)菌種的接影響外，更多地取決于人對(duì)菌種的選育和改造。選育和改造。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理69 在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)經(jīng)濟(jì)在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)經(jīng)濟(jì)杠桿原理調(diào)節(jié)細(xì)胞機(jī)器的在線(xiàn)制造杠桿原理調(diào)節(jié)細(xì)胞機(jī)器的在線(xiàn)制造階段和在線(xiàn)運(yùn)行階段的階

48、段和在線(xiàn)運(yùn)行階段的相對(duì)長(zhǎng)度相對(duì)長(zhǎng)度和和運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)生產(chǎn)需要和微生物，根據(jù)生產(chǎn)需要和微生物菌種的性能適度地調(diào)節(jié)培養(yǎng)過(guò)程中菌種的性能適度地調(diào)節(jié)培養(yǎng)過(guò)程中代謝成本的分布代謝成本的分布（細(xì)胞機(jī)器成本在（細(xì)胞機(jī)器成本在總成本中的比例）?？偝杀局械谋壤?10/22/2021張星元：發(fā)酵原理704.2.3.3 通用代謝物的作用通用代謝物的作用10/22/2021張星元：發(fā)酵原理71 可以在細(xì)胞全局范圍內(nèi)通用的代謝可以在細(xì)胞全局范圍內(nèi)通用的代謝物通用代謝物（物通用代謝物（currency metabolites）是指，主要是能量貨幣是指，主要是能量貨幣atp和以代謝物和以代謝物形式出現(xiàn)的還原力形

49、式出現(xiàn)的還原力 nadh 和和nadph。它們的作用主要在于它們的作用主要在于調(diào)節(jié)代謝流的流量調(diào)節(jié)代謝流的流量和方向，使途徑成為代謝網(wǎng)絡(luò)整體的一和方向，使途徑成為代謝網(wǎng)絡(luò)整體的一部分。部分。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理72 生物合成反應(yīng)一般都依賴(lài)于生物合成反應(yīng)一般都依賴(lài)于atp的供應(yīng)，的供應(yīng)，若若atp供應(yīng)不足，則生物合成受阻，甚至連供應(yīng)不足，則生物合成受阻，甚至連形成代謝能的降解途徑都不能激活。形成代謝能的降解途徑都不能激活。atp及及其相關(guān)分子其相關(guān)分子 adp、amp（ 三者組成腺苷酸三者組成腺苷酸庫(kù)）不但調(diào)節(jié)中心（碳代謝）途徑的供能反庫(kù)）不但調(diào)節(jié)中心（碳代謝）途徑的供能反應(yīng)，還

50、直接參與代謝反應(yīng)。這些中心分解代應(yīng)，還直接參與代謝反應(yīng)。這些中心分解代謝過(guò)程謝過(guò)程 （ 糖酵解和糖酵解和 tca 循環(huán)）為生物合成循環(huán)）為生物合成提供啟動(dòng)物質(zhì)。然而，提供啟動(dòng)物質(zhì)。然而，就其重要性來(lái)說(shuō)，其就其重要性來(lái)說(shuō)，其調(diào)節(jié)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其參與作用。調(diào)節(jié)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其參與作用。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理7310/22/2021張星元：發(fā)酵原理74 這些途徑不僅提供這些途徑不僅提供前體代謝物前體代謝物，同時(shí)，同時(shí)也提供也提供代謝能代謝能和和輔助因子輔助因子，以滿(mǎn)足基本的，以滿(mǎn)足基本的合成代謝的需要。因此，此類(lèi)途徑被稱(chēng)為合成代謝的需要。因此，此類(lèi)途徑被稱(chēng)為無(wú)定向代謝途徑以表示它們?cè)诜纸獯?/p>

51、謝和無(wú)定向代謝途徑以表示它們?cè)诜纸獯x和合成代謝中的雙重作用。這些途徑的調(diào)節(jié)合成代謝中的雙重作用。這些途徑的調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)反映出其雙重功能，即應(yīng)當(dāng)反映出其雙重功能，即確保碳架物質(zhì)確保碳架物質(zhì)（carbon skeletons）正確地、協(xié)調(diào)地流進(jìn)）正確地、協(xié)調(diào)地流進(jìn)生物合成途徑和產(chǎn)能途徑（收獲代謝能的生物合成途徑和產(chǎn)能途徑（收獲代謝能的途徑）途徑）。嚴(yán)格地說(shuō)，。嚴(yán)格地說(shuō)，生物合成途徑與降解生物合成途徑與降解途徑的主要區(qū)別在于，用來(lái)控制流量的調(diào)途徑的主要區(qū)別在于，用來(lái)控制流量的調(diào)節(jié)信號(hào)的性質(zhì)的不同。節(jié)信號(hào)的性質(zhì)的不同。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理75 如果糖酵解或如果糖酵解或tca循環(huán)僅僅接受

52、能循環(huán)僅僅接受能荷調(diào)節(jié)，那么在能量供應(yīng)充足的條件下，荷調(diào)節(jié)，那么在能量供應(yīng)充足的條件下，通過(guò)這些途徑的流量將會(huì)硬性地減少。通過(guò)這些途徑的流量將會(huì)硬性地減少。然而，伴隨著然而，伴隨著atp再生的減少，這種反再生的減少，這種反饋機(jī)制也會(huì)限制用于生長(zhǎng)的中間物的利饋機(jī)制也會(huì)限制用于生長(zhǎng)的中間物的利用率，從而削弱生長(zhǎng)。這樣的響應(yīng)仍不用率，從而削弱生長(zhǎng)。這樣的響應(yīng)仍不能令人滿(mǎn)意，因?yàn)榕囵B(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)豐富能令人滿(mǎn)意，因?yàn)榕囵B(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)豐富時(shí)，生長(zhǎng)也會(huì)受到限制。時(shí)，生長(zhǎng)也會(huì)受到限制。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理76 為了滿(mǎn)意地調(diào)節(jié)一個(gè)同時(shí)支為了滿(mǎn)意地調(diào)節(jié)一個(gè)同時(shí)支持兩種功能（產(chǎn)能和生長(zhǎng)）的過(guò)持兩種功能（

53、產(chǎn)能和生長(zhǎng)）的過(guò)程，已經(jīng)導(dǎo)出了一種微妙的機(jī)制。程，已經(jīng)導(dǎo)出了一種微妙的機(jī)制。這個(gè)機(jī)制需要兩類(lèi)信號(hào)的輸入，這個(gè)機(jī)制需要兩類(lèi)信號(hào)的輸入，一類(lèi)是生物合成中間物水平的信一類(lèi)是生物合成中間物水平的信號(hào)，另一類(lèi)是代謝能水平的信號(hào)。號(hào)，另一類(lèi)是代謝能水平的信號(hào)。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理77 第一類(lèi)信號(hào)是特定途徑（通常是嚴(yán)格第一類(lèi)信號(hào)是特定途徑（通常是嚴(yán)格的合成過(guò)程）的的合成過(guò)程）的終產(chǎn)物終產(chǎn)物。大量實(shí)例說(shuō)明大大量實(shí)例說(shuō)明大多數(shù)生物合成途徑的調(diào)節(jié)都包括簡(jiǎn)單反饋多數(shù)生物合成途徑的調(diào)節(jié)都包括簡(jiǎn)單反饋機(jī)制，其中機(jī)制，其中終產(chǎn)物抑制其自身合成的分支終產(chǎn)物抑制其自身合成的分支途徑的第一步途徑的第一步，例如蘇

54、氨酸抑制高絲氨酸，例如蘇氨酸抑制高絲氨酸脫氫酶，異亮氨酸抑制蘇氨酸脫氨酶，組脫氫酶，異亮氨酸抑制蘇氨酸脫氨酶，組氨酸抑制磷酸核糖氨酸抑制磷酸核糖-atp 焦磷酸化酶焦磷酸化酶 （ 5-磷酸核糖焦磷酸激酶），色氨酸抑制鄰氨磷酸核糖焦磷酸激酶），色氨酸抑制鄰氨基苯甲酸合成酶等?；郊姿岷铣擅傅?。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理78 第二個(gè)信號(hào)是嚴(yán)格的分解代謝第二個(gè)信號(hào)是嚴(yán)格的分解代謝途徑所特有的，而且是能量代謝的途徑所特有的，而且是能量代謝的最終的（或中間的）產(chǎn)物，也就是最終的（或中間的）產(chǎn)物，也就是 pi、amp、adp、atp、nadh、nadph， 例如例如 產(chǎn)氣腸桿菌的蘇氨產(chǎn)氣腸桿菌的

55、蘇氨酸脫氨酶（酸脫氨酶（ 降解酶降解酶 ）受）受 amp的激的激活，銅綠假單胞菌的組氨酸酶（降活，銅綠假單胞菌的組氨酸酶（降解酶）受解酶）受pi 的抑制，并且此抑制可的抑制，并且此抑制可被被amp和和gdp解除。解除。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理79 無(wú)定向代謝途徑采用兩種流量無(wú)定向代謝途徑采用兩種流量控制方式，即控制方式，即終產(chǎn)物的抑制終產(chǎn)物的抑制和作為和作為細(xì)胞能量狀態(tài)指示劑的細(xì)胞能量狀態(tài)指示劑的代謝物的活代謝物的活性控制性控制。 當(dāng)兩個(gè)信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)低時(shí)，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)低時(shí)，糖酵解將繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)兩者均處于糖酵解將繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)兩者均處于正常范圍時(shí)，糖酵解途徑尚能起作正常范

56、圍時(shí)，糖酵解途徑尚能起作用，而通過(guò)該途徑的流量減小。用，而通過(guò)該途徑的流量減小。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理80 當(dāng)然在一個(gè)正在代謝葡萄糖的細(xì)胞中，當(dāng)然在一個(gè)正在代謝葡萄糖的細(xì)胞中，糖酵解途徑?jīng)Q不會(huì)完全關(guān)閉，因?yàn)榧?xì)胞生糖酵解途徑?jīng)Q不會(huì)完全關(guān)閉，因?yàn)榧?xì)胞生命活動(dòng)需要命活動(dòng)需要atp的持續(xù)供應(yīng)。的持續(xù)供應(yīng)。就不同前體就不同前體相互之間的平衡和生物合成對(duì)于不同前體相互之間的平衡和生物合成對(duì)于不同前體的需要而論，的需要而論，12種前體代謝物的形成速率種前體代謝物的形成速率的平衡涉及一個(gè)高度復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。的平衡涉及一個(gè)高度復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。要要進(jìn)行這樣的協(xié)調(diào)，除了涉及碳架物質(zhì)，還進(jìn)行這樣的協(xié)調(diào)

57、，除了涉及碳架物質(zhì)，還有供能反應(yīng)必須提供的代謝能（有供能反應(yīng)必須提供的代謝能（atp等）等）和還原力（和還原力（ nadh 和和 nadph ）。）。因此，因此，毫不奇怪，這些化合物本身就是代謝網(wǎng)絡(luò)毫不奇怪，這些化合物本身就是代謝網(wǎng)絡(luò)中許多不同位點(diǎn)的變構(gòu)效應(yīng)物。中許多不同位點(diǎn)的變構(gòu)效應(yīng)物。10/22/2021張星元：發(fā)酵原理81 關(guān)于能荷調(diào)節(jié)，本章關(guān)于能荷調(diào)節(jié)，本章4.1.2.3已有描述，已有描述，并已推導(dǎo)出推算能荷的公式：并已推導(dǎo)出推算能荷的公式： 上式給出了對(duì)流量的協(xié)調(diào)控制的能荷上式給出了對(duì)流量的協(xié)調(diào)控制的能荷的推算公式，式中帶下標(biāo)的的推算公式，式中帶下標(biāo)的 c 分別表示下分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)

58、的腺苷酸的濃度。從此式可知，能標(biāo)對(duì)應(yīng)的腺苷酸的濃度。從此式可知，能荷可以在荷可以在0（全部（全部amp）和）和1（全部（全部atp）之間變化。之間變化。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理82 一般說(shuō)來(lái)，高能荷抑制補(bǔ)充代一般說(shuō)來(lái)，高能荷抑制補(bǔ)充代謝能的酶系（例如生物合成酶系），謝能的酶系（例如生物合成酶系），同時(shí)激活消耗同時(shí)激活消耗atp的酶系；反之低的酶系；反之低能荷則抑制消耗代謝能的酶系，同能荷則抑制消耗代謝能的酶系，同時(shí)激活生成時(shí)激活生成atp的酶系。的酶系。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理83 在氧化在氧化-還原反應(yīng)中也有類(lèi)似的情況。還原反應(yīng)中也有類(lèi)似的情況。氧化氧化 - 還原

59、反應(yīng)受到還原荷還原反應(yīng)受到還原荷 （ reduction charge ） 的類(lèi)似的調(diào)節(jié)。吡啶核苷酸作的類(lèi)似的調(diào)節(jié)。吡啶核苷酸作為氫負(fù)離子或還原力的載體：為氫負(fù)離子或還原力的載體：nad 主要主要在供能途徑的氧化還原反應(yīng)中起作用，在供能途徑的氧化還原反應(yīng)中起作用，nadp 通常用于生物合成反應(yīng)。通常用于生物合成反應(yīng)。 在供能在供能反應(yīng)中，反應(yīng)中，nad+ （ 氧化型的氧化型的nad ）是反）是反應(yīng)物，而合成反應(yīng)利用應(yīng)物，而合成反應(yīng)利用 nadph （ 還原還原型的型的 nadp ）。因此毫不奇怪，）。因此毫不奇怪，在生理在生理?xiàng)l件下大部分條件下大部分 nad 在胞內(nèi)是以在胞內(nèi)是以 nad+的的

60、形式存在，而形式存在，而nadp是以是以nadph的形式的形式存在。存在。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理84 可用分解代謝還原荷（可用分解代謝還原荷（ catabolic reduced charge ） 和合成代謝還原荷和合成代謝還原荷（anabolic reduced charge ） 來(lái)描述來(lái)描述細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)。分解代謝還原細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)。分解代謝還原荷，縮寫(xiě)為荷，縮寫(xiě)為 crc，其值約為，其值約為 0.03 0.07；合成代謝還原荷，縮寫(xiě)為；合成代謝還原荷，縮寫(xiě)為arc，其值約為其值約為 crc 的的10 倍。倍。 10/22/2021張星元：發(fā)酵原理85還原荷可用下面