第三節(jié)代謝網(wǎng)絡(luò)中碳架物質(zhì)流的調(diào)動(dòng)課件

第三節(jié)代謝網(wǎng)絡(luò)中碳架

物質(zhì)流的調(diào)動(dòng)

2022/12/191張星元：發(fā)酵原理第三節(jié)代謝網(wǎng)絡(luò)中碳架

處于一定環(huán)境條件下的微生物培養(yǎng)物中，參與代謝的物質(zhì)在代謝途徑（網(wǎng)絡(luò)）中按一定規(guī)律流動(dòng)，形成微生物代謝的物質(zhì)流。2022/12/192張星元：發(fā)酵原理處于一定環(huán)境條件下的微生物培養(yǎng)物中，參與代謝

代謝物質(zhì)的流動(dòng)過程是一種類似“流體流動(dòng)”的過程，它具備流動(dòng)的一切屬性，諸如方向性、連續(xù)性、有序性、可調(diào)性等等，并且可以接受疏導(dǎo)、阻塞、分流、匯流等“治理”，也可能發(fā)生“干枯”和“溢出(泛濫)”等現(xiàn)象。此外，還有流速和流量等問題。2022/12/193張星元：發(fā)酵原理代謝物質(zhì)的流動(dòng)過程是一種類似“流體流動(dòng)”

化能異養(yǎng)型微生物以有機(jī)化合物為碳源和能源。因此，在討論化能異養(yǎng)型微生物代謝流動(dòng)時(shí)，首先抓住碳元素代謝這個(gè)主要矛盾，研究微生物細(xì)胞的碳架物質(zhì)流。2022/12/194張星元：發(fā)酵原理化能異養(yǎng)型微生物以有機(jī)化合物為碳源和能源。因此4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代

謝網(wǎng)絡(luò)）中的流動(dòng)

4.3.2微生物的代謝流及其治理

2022/12/195張星元：發(fā)酵原理4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代

4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代謝網(wǎng)絡(luò)）中的流動(dòng)

在典型的工業(yè)發(fā)酵過程中，微生物的代謝流包括營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞、代謝中間物（碳架物質(zhì)）在代謝途徑中的流動(dòng)和代謝產(chǎn)物從細(xì)胞進(jìn)入環(huán)境這樣順序發(fā)生的過程。2022/12/196張星元：發(fā)酵原理4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代謝網(wǎng)絡(luò)）中的流動(dòng)

4.3.1.1有機(jī)化合物的組成元素及它們

各自在生命活動(dòng)中的作用（略）2022/12/197張星元：發(fā)酵原理4.3.1.1有機(jī)化合物的組成元素及它們

4.3.1.2碳架物質(zhì)在代謝途徑中的流動(dòng)

以代謝流動(dòng)的觀點(diǎn)加深對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)：碳架物質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)途徑中流動(dòng)，從原料到終端產(chǎn)物碳架物質(zhì)流經(jīng)的路徑叫做載流路徑。

2022/12/198張星元：發(fā)酵原理

4.3.1.2碳架物質(zhì)在代謝途徑中的流動(dòng)

4.3.1.3典型工業(yè)發(fā)酵的工作模式

典型的工業(yè)發(fā)酵要從發(fā)酵液中獲得微生物的代謝產(chǎn)物，也就是要讓原料有機(jī)化合物在微生物細(xì)胞的有關(guān)的代謝途徑（載流路徑）中流動(dòng)的過程中，轉(zhuǎn)化成工業(yè)發(fā)酵的目的產(chǎn)物，最后目的產(chǎn)物分泌出細(xì)胞。2022/12/199張星元：發(fā)酵原理4.3.1.3典型工業(yè)發(fā)酵的工作模式

典

Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation工業(yè)發(fā)酵細(xì)胞機(jī)器的工作模式2022/12/1910張星元：發(fā)酵原理

Workingpatternofcell-machi上圖中，白色橢圓代表細(xì)胞的界面，界面包圍部分是細(xì)胞機(jī)器，界面外側(cè)是細(xì)胞機(jī)器所在的環(huán)境。帶箭頭的黑線代表典型的工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器的載流路徑。N代表營養(yǎng)物質(zhì)，P代表目的產(chǎn)物。2022/12/1911張星元：發(fā)酵原理上圖中，白色橢圓代表細(xì)胞的界面，界面包圍部分4.3.2微生物的代謝流及其治理2022/12/1912張星元：發(fā)酵原理4.3.2微生物的代謝流及其治理2022/12/1812

我們?cè)鴱臒崃W(xué)的角度把微生物看作遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系；我們?cè)柚妼W(xué)的知識(shí)來討論生物氧化和代謝能的問題；我們?cè)栌没ヂ?lián)網(wǎng)的概念來討論代謝網(wǎng)絡(luò)的延伸問題；在這里我們要借用流體力學(xué)的常識(shí)來分析微生物細(xì)胞的代謝流。2022/12/1913張星元：發(fā)酵原理我們?cè)鴱臒崃W(xué)的角度把微生物看作遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的如果把碳架物質(zhì)流看作水一樣的流體，那么按照工業(yè)發(fā)酵的工作模式，就可把微生物活細(xì)胞看作是有一個(gè)總的進(jìn)水口和一個(gè)總的出水口的、包含特定的管道網(wǎng)的大容器，組成管道網(wǎng)的管道有粗有細(xì)，管道網(wǎng)的管道有分支、有交叉，有可控的閥門。代謝物質(zhì)流就如同自來水一樣在管道和閥門的控制下流進(jìn)和流出細(xì)胞，形成代謝流。2022/12/1914張星元：發(fā)酵原理如果把碳架物質(zhì)流看作水一樣的流體，那么按照工在這個(gè)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合代謝能支撐假說和代謝網(wǎng)絡(luò)假說的內(nèi)容，討論微生物的代謝及代謝流的變動(dòng)性；結(jié)合本章（代謝調(diào)節(jié)的3個(gè)子系統(tǒng)）的內(nèi)容，討論代謝流對(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)和代謝流治理的可能性。最后還要討論有關(guān)代謝節(jié)點(diǎn)的剛性的問題。2022/12/1915張星元：發(fā)酵原理在這個(gè)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合代謝能支撐假說和代謝微生物的代謝途經(jīng)的變動(dòng)性和可調(diào)節(jié)性，不但是代謝流飄移的內(nèi)在原因，而且也是人工控制代謝流的生物學(xué)根據(jù)。工業(yè)發(fā)酵中，人的主觀能動(dòng)作用表現(xiàn)在對(duì)代謝流的治理上。治理的直接的目的是讓微生物細(xì)胞過量合成（overproduction）人們所需要的代謝產(chǎn)物。2022/12/1916張星元：發(fā)酵原理微生物的代謝途經(jīng)的變動(dòng)性和可調(diào)節(jié)性，不但是代4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的

分支處及各分支的流量分配

4.3.2.2過量合成與微生物的異常代謝

4.3.2.3溢出代謝

4.3.2.4代謝流治理的可能性和現(xiàn)實(shí)性

4.3.2.5代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性2022/12/1917張星元：發(fā)酵原理4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的

4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的分支處及各分支的流量分配

我們把代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝途徑的交叉點(diǎn)叫做代謝網(wǎng)絡(luò)的“節(jié)點(diǎn)”，實(shí)際上它們是碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的代謝中間物。初級(jí)代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊上的12種前體代謝物是當(dāng)然的節(jié)點(diǎn)，而且還是代謝途徑的分流或匯流處。

2022/12/1918張星元：發(fā)酵原理4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的分支處及各分支的流節(jié)點(diǎn)處不論發(fā)生匯流還是分流，都存在流量分配的問題。這個(gè)分配既與遺傳因素有關(guān)，又與條件因素有關(guān)。不同微生物物種的代謝途徑基本一致，因此，可在微生物學(xué)有關(guān)工具書查到有關(guān)的途徑；而代謝調(diào)節(jié)機(jī)制并不完全一樣，不一致的情況可在有關(guān)論文或綜述中找到。

2022/12/1919張星元：發(fā)酵原理節(jié)點(diǎn)處不論發(fā)生匯流還是分流，都存在流量分配的在生物化學(xué)中，早有一套描述代謝途徑的調(diào)節(jié)機(jī)制的方法，例如，用一個(gè)從效應(yīng)物（途徑的終端產(chǎn)物）引出的、指向途徑中某個(gè)代表酶的短箭頭的長箭頭來標(biāo)示反饋調(diào)節(jié)。這種標(biāo)示方法對(duì)于線狀途徑或偶有分支的途徑來說，是很有用的，但是，如果在代謝網(wǎng)絡(luò)圖中使用，代表調(diào)節(jié)的箭頭與代表酶的箭頭交織在一起，容易引起誤解。

因此我們要啟用一種新的代謝調(diào)節(jié)圖圖例，用來標(biāo)記代謝網(wǎng)絡(luò)圖。這種標(biāo)記方法有四個(gè)要點(diǎn)：2022/12/1920張星元：發(fā)酵原理在生物化學(xué)中，早有一套描述代謝途徑的調(diào)節(jié)機(jī)制①標(biāo)明調(diào)節(jié)方式

用“I”表示抑制（inhibition），用“A”表示激活（activation），用“R”表示阻遏（repression）；

②標(biāo)明效應(yīng)物

一般用三個(gè)字母標(biāo)示效應(yīng)物（調(diào)節(jié)特定的酶的水平或活性的化合物叫做這種酶的效應(yīng)物）；2022/12/1921張星元：發(fā)酵原理①標(biāo)明調(diào)節(jié)方式

用“I”表示抑制（inhi③標(biāo)明受調(diào)節(jié)的酶：

代謝網(wǎng)絡(luò)圖中箭頭所代表的酶的名稱放在括號(hào)內(nèi)，標(biāo)在該箭頭旁邊；

④對(duì)酶的調(diào)節(jié)的具體的表示方法：

在代表酶的箭頭旁邊標(biāo)上代表效應(yīng)物的3個(gè)字母和代表調(diào)節(jié)機(jī)制的特定字母。2022/12/1922張星元：發(fā)酵原理③標(biāo)明受調(diào)節(jié)的酶：

代謝網(wǎng)絡(luò)圖中箭頭所代表的例如：某效應(yīng)物名稱后面加上“I”，標(biāo)在代表酶的箭頭旁邊，表示該效應(yīng)物對(duì)該酶的抑制作用；效應(yīng)物名稱后面加上“A”，標(biāo)在代表酶的箭頭旁邊，表示該效應(yīng)物對(duì)該酶的激活作用；效應(yīng)物名稱后面加上“R”，標(biāo)在代表酶的箭頭旁邊，表示該效應(yīng)物對(duì)該酶的阻遏作用。如果2種效應(yīng)物協(xié)同作用，則在兩個(gè)效應(yīng)物的名稱都寫上，再在后面加上對(duì)應(yīng)的英文字母。2022/12/1923張星元：發(fā)酵原理例如：某效應(yīng)物名稱后面加上“I”，標(biāo)在代2022/12/1924張星元：發(fā)酵原理2022/12/1824張星元：發(fā)酵原理上圖（碳架物質(zhì)在EMP和HMP途徑上的分流控制圖）是一張按此方法標(biāo)示的網(wǎng)絡(luò)圖，請(qǐng)按此方法讀圖，并從以下說明中得到幫助。

大腸桿菌細(xì)胞磷酸果糖激酶（PFK）的酶水平隨條件而變動(dòng)，有氧生長中細(xì)胞的PFK水平低于厭氧生長中的細(xì)胞，有氧生長中的細(xì)胞的PFK（由二聚體組成），對(duì)ATP不敏感，厭氧生長中的細(xì)胞的PFK（由四聚體組成），對(duì)ATP敏感。2022/12/1925張星元：發(fā)酵原理上圖（碳架物質(zhì)在EMP和HMP途徑上的分

在有氧條件下，由于PFK的低水平和FDP醛縮酶（FDPA）的極端低水平，大腸桿菌主要經(jīng)HMP途徑降解葡萄糖。因?yàn)樵谟醒鯒l件下PFK對(duì)ATP不敏感，且其活力高于FDP醛縮酶（FDPA），F(xiàn)DP有累積，所以它可能對(duì)HMP途徑的6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6PGDH）起抑制物的作用，使6PGDH成為HMP降解流上的一個(gè)“閥門”（有氧條件下的控制“閥門”）。2022/12/1926張星元：發(fā)酵原理

在有氧條件下，由于PFK的低水平和FDP醛

在厭氧條件下，PFK和FDPA水平較有氧時(shí)高，因而EMP途徑對(duì)葡萄糖降解代謝的參與程度增加。因?yàn)镻FK的水平仍高于FDPA，F(xiàn)DP仍然累積并繼續(xù)抑制6PGDH，但隨著EMP參與程度的增加，EMP途徑所產(chǎn)生的NADH濃度增高。NADH是6-磷酸葡萄糖脫氫酶（G6PDH）的效應(yīng)物，NADH濃度上升就會(huì)抑制G6PDH，使G6PDH成為HMP降解流上的另一個(gè)“閥門”（厭氧條件下的控制“閥門”）。

2022/12/1927張星元：發(fā)酵原理在厭氧條件下，PFK和FDPA水平較有氧時(shí)高這種抑制作用是必要的，因?yàn)樘岣咂咸烟菨舛瓤梢允笷DPA水平上升許多倍，而PFK水平基本保持不變，這樣FDP濃度勢必是低的，以致無法控制6PGDH，這時(shí)NADH就通過對(duì)G6PDH的抑制作用控制HMP降解流。這種兩個(gè)“閥門”交替控制的機(jī)制可以解釋為什么在嚴(yán)格厭氧條件下，大腸桿菌經(jīng)HMP途徑降解的葡萄糖只占葡萄糖降解總量的20％～30％。2022/12/1928張星元：發(fā)酵原理這種抑制作用是必要的，因?yàn)樘岣咂咸烟菨舛瓤梢?.3.2.2過量合成和微生物的異常代謝

野生菌株在它們天然棲息地在其生長或維持，需要時(shí)也能合成人們所希望的代謝產(chǎn)物，但在其固有的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的控制下合成的量不多不少，只夠細(xì)胞自身生長或維持的需要。體現(xiàn)了微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)性。2022/12/1929張星元：發(fā)酵原理4.3.2.2過量合成和微生物的異常代謝

適用于發(fā)酵生產(chǎn)的微生物必須具有有過量合成的能力，也就是說是其目的產(chǎn)物的合成量必須大大高于它通常的合成量。要做到這一點(diǎn)，不僅要求合成目的產(chǎn)物的途徑暢通，還必須有將目的產(chǎn)物排出細(xì)胞的滿意的機(jī)制。過量合成的速率取決于微生物的遺傳性能，以及在培養(yǎng)條件下細(xì)胞的生理狀態(tài)。2022/12/1930張星元：發(fā)酵原理適用于發(fā)酵生產(chǎn)的微生物必須具有有過量合成的能把自然界中自然競爭中幸存的微生物稱為野生型微生物，它們具有比較嚴(yán)密的代謝調(diào)節(jié)功能，至少在它們幸存的環(huán)境條件下不會(huì)過量合成初級(jí)代謝產(chǎn)物。在這樣的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系中，細(xì)胞的生產(chǎn)力體現(xiàn)在其自身的增殖。細(xì)胞固有的生產(chǎn)關(guān)系支持細(xì)胞自身的增殖（生產(chǎn)細(xì)胞），不支持（人的）目的產(chǎn)物的過量生產(chǎn)（生產(chǎn)特定的初級(jí)代謝產(chǎn)物）。2022/12/1931張星元：發(fā)酵原理把自然界中自然競爭中幸存的微生物稱為野生型微

要解放細(xì)胞對(duì)于目的產(chǎn)物（特定的初級(jí)代謝產(chǎn)物）的生產(chǎn)力，就有必要改變細(xì)胞原有的生產(chǎn)關(guān)系。對(duì)微生物進(jìn)行遺傳改造，就是要修正原有的生產(chǎn)關(guān)系。2022/12/1932張星元：發(fā)酵原理要解放細(xì)胞對(duì)于目的產(chǎn)物（特定的初級(jí)代謝產(chǎn)物）

微生物過量合成目的產(chǎn)物（特定的代謝中間產(chǎn)物）的過程，實(shí)質(zhì)上是功能殘缺或遺傳失常的微生物細(xì)胞在人為的特定條件下進(jìn)行異常代謝的過程。因此，研究微生物過量合成指定的初級(jí)代謝產(chǎn)物的機(jī)理，就是研究工業(yè)微生物的病理學(xué)。2022/12/1933張星元：發(fā)酵原理微生物過量合成目的產(chǎn)物（特定的代謝中間產(chǎn)物

微生物排出某些能量代謝副產(chǎn)物的過程，實(shí)質(zhì)上是兼性厭氧微生物在環(huán)境條件逼迫下（如缺氧），變通地維持生計(jì)的過程。兼性厭氧微生物細(xì)胞在缺氧的條件下，以變通的方式實(shí)現(xiàn)還原力的平衡和輔酶的再生和回用，使細(xì)胞的能量代謝得以維持，與此同時(shí)形成并分泌出能量代謝副產(chǎn)物。例如釀酒酵母在發(fā)酵液中累積能量代謝副產(chǎn)物乙醇的過程，就是這樣的過程。2022/12/1934張星元：發(fā)酵原理微生物排出某些能量代謝副產(chǎn)物的過程，實(shí)質(zhì)上是4.3.2.3溢出代謝

發(fā)生溢出代謝（overflowmetabolism）的原因是，代謝途徑前段的運(yùn)轉(zhuǎn)速率大于后段的運(yùn)轉(zhuǎn)速率。采用改變環(huán)境條件或限制營養(yǎng)供應(yīng)等方法，可促使微生物進(jìn)行溢出代謝。

這里介紹兩個(gè)溢出代謝的實(shí)例：

⑴TCA環(huán)中間產(chǎn)物檸檬酸的溢出代謝，

⑵導(dǎo)致能量代謝的副產(chǎn)物乙醇生成的溢出代謝。

2022/12/1935張星元：發(fā)酵原理4.3.2.3溢出代謝

發(fā)生溢出代謝⑴檸檬酸的溢出代謝：

多種微生物均能因受激而過量合成檸檬酸。研究檸檬酸溢出代謝的最好的例子無疑是黑曲霉。黑曲霉之所以能在特定環(huán)境條件下累積檸檬酸，是因?yàn)樵谶@種環(huán)境條件下代謝途徑前段的運(yùn)轉(zhuǎn)速率大于后段的運(yùn)轉(zhuǎn)速率。檸檬酸的溢出代謝是黑曲霉特有的遺傳和生化機(jī)制與培養(yǎng)條件共同起作用的結(jié)果。引起溢出代謝的原因包括以下三個(gè)方面：2022/12/1936張星元：發(fā)酵原理⑴檸檬酸的溢出代謝：

多種微生物均GlcG-6-P(PFK)CTA,NH4I+AFDPPYROAAAcCoACTACAAICAα-KG(PC)(CS)(KD)黑曲霉中檸檬酸的代謝溢出2022/12/1937張星元：發(fā)酵原理GlcG-6-P(PFK)CTA,NH4I+A

①高水平的檸檬酸合成能力。這個(gè)能力由3個(gè)因素構(gòu)成。第一是在有高濃度草酰乙酸（OAA）的情況下對(duì)AcCoA具有高度親和力的組成型的檸檬酸合成酶（CS）的存在；第二是催化丙酮酸（PYR）固定CO2

生成草酰乙酸反應(yīng)的高水平的組成型的丙酮酸羧化酶（PC）的存在；第三是在缺少錳的條件下，蛋白質(zhì)分解或蛋白質(zhì)合成受阻造成的銨的高濃度能解除檸檬酸（CTA）對(duì)磷酸果糖激酶（PFK）的抑制。此外，檸檬酸的分泌降低其胞內(nèi)濃度。2022/12/1938張星元：發(fā)酵原理①高水平的檸檬酸合成能力。這個(gè)能力由3

②較低的降解檸檬酸的能力。這能力由兩個(gè)因素構(gòu)成。第一是低水平的α-酮戊二酸脫氫酶（KD）影響TCA環(huán)運(yùn)行的暢通程度，使TCA環(huán)前半部的中間產(chǎn)物積壓；第二，在錳缺乏的條件下，順烏頭酸酶（AE）和異檸檬酸脫氫酶（ID）的活性降低，從而使檸檬酸的累積比其它幾種酸（順烏頭酸、異檸檬酸和α-酮戊二酸）更明顯。

2022/12/1939張星元：發(fā)酵原理②較低的降解檸檬酸的能力。這能力由兩個(gè)因素構(gòu)

③在檸檬酸過量合成階段，培養(yǎng)基的pH值顯然會(huì)影響細(xì)胞膜對(duì)目的產(chǎn)物檸檬酸和的跨膜輸送；檸檬酸的分泌也會(huì)影響培養(yǎng)基的pH值。錳與鐵的缺乏有利于檸檬酸的排出。2022/12/1940張星元：發(fā)酵原理③在檸檬酸過量合成階段，培養(yǎng)基的pH值⑵乙醇的溢出代謝：

葡萄糖為碳源，對(duì)釀酒酵母進(jìn)行批式培養(yǎng)，出現(xiàn)二段生長（twogrowthphase）現(xiàn)象：在第一階段，葡萄糖濃度較大，萄萄糖的消耗伴隨著乙醇的產(chǎn)生；第二階段，葡萄糖濃度下降到某值以下，乙醇被氧化。2022/12/1941張星元：發(fā)酵原理⑵乙醇的溢出代謝：

葡萄糖為碳源，對(duì)釀酒酵

這樣的二段生長現(xiàn)象曾被認(rèn)為是呼吸途徑的阻遏和解阻遏，而且認(rèn)為是分解代謝物阻遏（此名稱已被營養(yǎng)阻遏代替，見本章4.1.2.1）。后來才認(rèn)識(shí)到，釀酒酵母之所以在葡萄糖培養(yǎng)基中累積乙醇，是因?yàn)樵撐⑸镉邢薜暮粑芰?，并把這種現(xiàn)象稱為瓶頸效應(yīng)（bottleneckeffect）。2022/12/1942張星元：發(fā)酵原理這樣的二段生長現(xiàn)象曾被認(rèn)為是呼吸途徑的阻遏細(xì)胞并不會(huì)因?yàn)槠咸烟堑母咚傧亩綆У匦纬勺銐蚋叩暮粑芰Γㄖ负粑準(zhǔn)筃ADH再生的能力）與之配套；而且葡萄糖的異生成途徑（需NADH）因受到高濃度的葡萄糖的調(diào)節(jié)而受阻，更加強(qiáng)了瓶頸效應(yīng)。因此瓶頸是對(duì)生物氧化中呼吸鏈電子傳遞通道的相對(duì)狹窄而言的。2022/12/1943張星元：發(fā)酵原理細(xì)胞并不會(huì)因?yàn)槠咸烟堑母咚傧亩綆У匦纬勺阍诠┭跚闆r下，釀酒酵母細(xì)胞中葡萄糖主要經(jīng)EMP-TCA途徑（少量經(jīng)HMP途徑）氧化降解。這些途徑運(yùn)行中形成的NADH和FADH2分子上的電子需經(jīng)電子傳遞鏈（呼吸鏈）傳遞給分子氧。

當(dāng)葡萄糖濃度較低時(shí)，葡萄糖氧化降解過程所需配套的電子傳遞能力處于電子傳遞鏈傳遞能力范圍以內(nèi)，這時(shí)氧的吸收速率與細(xì)胞的生長速率成線性關(guān)系。輔酶NADH和輔基FADH2

完全可以在電子傳遞鏈釋放電子而得到再生。2022/12/1944張星元：發(fā)酵原理在供氧情況下，釀酒酵母細(xì)胞中葡萄糖主要經(jīng)E

當(dāng)葡萄糖的濃度超過某值，葡萄糖氧化降解過程所需配套的電子傳遞能力超越微生物細(xì)胞電子傳遞鏈傳遞能力范圍，一部分NADH不能通過電子傳遞鏈而再生成NAD+，只好將電子交給內(nèi)源的有機(jī)化合物乙醛，將乙醛還原成乙醇，從而實(shí)現(xiàn)還原力的平衡。從而導(dǎo)致生成乙醇的溢出代謝。由此可見，乙醇的溢出代謝實(shí)際上是細(xì)胞內(nèi)生物氧化過程中形成的還原力相對(duì)于電子傳遞鏈的呼吸能力的溢出，推動(dòng)了乙醛還原生成乙醇的發(fā)酵過程。2022/12/1945張星元：發(fā)酵原理當(dāng)葡萄糖的濃度超過某值，葡萄糖氧化降解過程所

從以上實(shí)例可以看到，溢出代謝的發(fā)生，不但要求微生物本身具有相應(yīng)的遺傳根據(jù)，還必須具備相應(yīng)的環(huán)境條件。

對(duì)于工業(yè)發(fā)酵來說，就是特定的生產(chǎn)菌種和與其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝條件。2022/12/1946張星元：發(fā)酵原理從以上實(shí)例可以看到，溢出4.3.2.4代謝流“治理”的可能性和

現(xiàn)實(shí)性

代謝流具有流體流動(dòng)的基本屬性，因此具有“治理”的可能性；微生物代謝的變動(dòng)性和微生物遺傳的保守性，加上人的主觀能動(dòng)性，能使可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

本課程主要討論初級(jí)代謝產(chǎn)物的過量合成，兼顧次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。2022/12/1947張星元：發(fā)酵原理4.3.2.4代謝流“治理”的可能性和

現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物活細(xì)胞來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上不可缺少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個(gè)意義上，微生物活細(xì)胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上不可缺少的微生物生物機(jī)器（或稱細(xì)胞機(jī)器），是發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器。2022/12/1948張星元：發(fā)酵原理現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物活細(xì)胞來完成發(fā)酵工

細(xì)胞機(jī)器與普通意義上的機(jī)器不同，它們必須由代謝能（metabolicenergy）直接驅(qū)動(dòng)。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物必須完成微生物細(xì)胞機(jī)器的在線制造（細(xì)胞增殖）和生產(chǎn)運(yùn)行（目的產(chǎn)物的合成和輸出）的雙重任務(wù)。2022/12/1949張星元：發(fā)酵原理細(xì)胞機(jī)器與普通意義上的機(jī)器不同，它們必須由根據(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胞外的初級(jí)代謝產(chǎn)物的過程，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過程來研究，并把代謝研究的重點(diǎn)放在碳的代謝上。從而建立了生物機(jī)器（又稱細(xì)胞機(jī)器）工作的基本模式。在此工作模式的基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)發(fā)酵中微生物代謝的五段式和初級(jí)代謝產(chǎn)物的過量合成的五字策略。2022/12/1950張星元：發(fā)酵原理根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，把依靠化能異養(yǎng)型微生物合在物競天擇的基礎(chǔ)上建立的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系已經(jīng)經(jīng)受長期的實(shí)踐檢驗(yàn)，并已成為微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的保障體系。微生物通過生存競爭而獲得的一整套自我調(diào)節(jié)機(jī)制，原本服務(wù)于微生物的自然競爭和生命保障，因此它不會(huì)大量的合成維持自我生存之外的代謝產(chǎn)物。而人類因自我發(fā)展的需要，卻希望微生物能夠大量地合成能滿足人類需求為目的產(chǎn)物（微生物的代謝產(chǎn)物）。2022/12/1951張星元：發(fā)酵原理在物競天擇的基礎(chǔ)上建立的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系已經(jīng)經(jīng)受微生物代謝產(chǎn)物的生物合成是系統(tǒng)工程，要完成這一類系統(tǒng)工程，必須依靠微生物的高度有序的生命活動(dòng)，決不是打亂它，而是在可能的范圍內(nèi)對(duì)它進(jìn)行有效的引導(dǎo)。

工業(yè)發(fā)酵呼喚人與微生物的合作，而在合作中，人處于主導(dǎo)的地位，人應(yīng)該發(fā)揮主觀能動(dòng)作用。2022/12/1952張星元：發(fā)酵原理微生物代謝產(chǎn)物的生物合成是系統(tǒng)工程，要完成這⑴初級(jí)代謝產(chǎn)物的合成

初級(jí)代謝產(chǎn)物是指這樣一些低分子質(zhì)量的合成途徑的終產(chǎn)物，它們是構(gòu)建生物大分子的分子模塊，是微生物營養(yǎng)性生長所必需的生長因子，如氨基酸、嘌呤和嘧啶的核苷與核苷酸以及維生素。2022/12/1953張星元：發(fā)酵原理⑴初級(jí)代謝產(chǎn)物的合成

初級(jí)代謝產(chǎn)物是指這樣

初級(jí)代謝產(chǎn)物都是從中心代謝途徑的中間產(chǎn)物（12種前體代謝物）開始合成的。因?yàn)樗鼈兌际俏⑸餇I養(yǎng)性生長所必需的，除了遺傳上有缺陷的菌株外，微生物細(xì)胞具有齊全的初級(jí)代謝途徑基因，也就是說在合適的環(huán)境條件下它們的初級(jí)代謝途徑是普遍存在的。初級(jí)途徑上的酶的特異性比次級(jí)代謝的酶的特異性要高。

2022/12/1954張星元：發(fā)酵原理初級(jí)代謝產(chǎn)物都是從中心代謝途徑的中間產(chǎn)物（12各種微生物的初級(jí)代謝產(chǎn)物的合成途徑基本相同，在同一屬微生物中，初級(jí)代謝產(chǎn)物合成途徑的差異是十分罕見的，但在合成的調(diào)節(jié)機(jī)制上有較大的差異。

初級(jí)代謝產(chǎn)物合成的途徑是穩(wěn)定的，不同微生物物種的調(diào)節(jié)機(jī)制是可以弄清楚或基本弄清楚的，這就是對(duì)這種合成代謝流“治理”的基礎(chǔ)。這種“治理”要用到遺傳手段（遺傳脫鉤），并輔之以培養(yǎng)條件的優(yōu)化（環(huán)境協(xié)調(diào)），以求達(dá)到初級(jí)代謝產(chǎn)物過量合成的目的。2022/12/1955張星元：發(fā)酵原理各種微生物的初級(jí)代謝產(chǎn)物的合成途徑基本相同，Ⅰ.初級(jí)代謝產(chǎn)物過量合成的五字策略

在分析細(xì)胞機(jī)器的生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，可把它看作是分步進(jìn)行的過程。首先細(xì)胞外的營養(yǎng)物質(zhì)從環(huán)境（培養(yǎng)基）跨膜進(jìn)入細(xì)胞；然后，一般要經(jīng)過向心、中心和離心3段連續(xù)的代謝途徑的代謝，才能在胞內(nèi)生成目的產(chǎn)物；最后，目的產(chǎn)物經(jīng)過膜排出細(xì)胞，回到環(huán)境（發(fā)酵醪液）。2022/12/1956張星元：發(fā)酵原理Ⅰ.初級(jí)代謝產(chǎn)物過量合成的五字策略

在分析“載流途徑”泛指承載代謝物流的代謝途徑?！拜d流路徑”泛指由不止一條載流途徑按序首尾銜接而組成的代謝通道。

在發(fā)酵工程領(lǐng)域，“載流路徑”作為發(fā)酵工程的專用術(shù)語，被定義為從主要有機(jī)原料到目的產(chǎn)物一組載流途徑的有序組合。2022/12/1957張星元：發(fā)酵原理“載流途徑”泛指承載代謝物流的代謝途徑?！拜d

典型的載流路徑是指存在于代謝網(wǎng)絡(luò)中的這樣的代謝通道，即由多至五段承擔(dān)不同代謝分工的、依次銜接的代謝途徑組成的代謝通道。因此有載流路徑的五段式之稱。在這條載流路徑上流動(dòng)的代謝主流對(duì)應(yīng)地也有五段，從而派生出代謝主流的五段式。載流途徑的五段式和代謝主流的五段式統(tǒng)稱為微生物代謝的五段式。2022/12/1958張星元：發(fā)酵原理典型的載流路徑是指存在于代謝

在此五段式的基礎(chǔ)上，從不同的角度出發(fā)，提出能作為一個(gè)整體，用于設(shè)計(jì)育種以及發(fā)酵工藝控制的五字策略（簡稱工業(yè)發(fā)酵的五字策略）：進(jìn)、通、節(jié)、堵、出?！拔遄植呗浴本褪菑暮献鞯牧己迷竿霭l(fā)，發(fā)揮人的主觀能動(dòng)作用，主動(dòng)與微生物合作實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵效益的策略。這個(gè)策略來自初級(jí)代謝產(chǎn)物過量合成的研究，故實(shí)際上是初級(jí)代謝產(chǎn)物過量合成的五字策略。2022/12/1959張星元：發(fā)酵原理在此五段式的基礎(chǔ)上，從不同的角度出發(fā)，提出能作NPP進(jìn)出通節(jié)堵工業(yè)發(fā)酵的“五字策略”2022/12/1960張星元：發(fā)酵原理NPP進(jìn)出通節(jié)堵工業(yè)發(fā)酵的“五字策略”2022/12/186高產(chǎn)菌種的代謝特征：不同來源的碳架物質(zhì)暢通地“注入”載流路徑，高速生成并順利釋出目的產(chǎn)物，如下圖。2022/12/1961張星元：發(fā)酵原理高產(chǎn)菌種的代謝特征：不同來源的碳架物質(zhì)暢通地進(jìn)：在育種和發(fā)酵控制方面都要促進(jìn)細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。在發(fā)酵過程中，一般都希望菌體能迅速達(dá)到一定的濃度，因此，就必需選用生長旺盛的菌株，這類菌株吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力往往也較強(qiáng)。同時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)娜菀孜盏呐囵B(yǎng)基，和適宜的培養(yǎng)條件，以促進(jìn)微生物的生長。為了消除底物在培養(yǎng)過程中的抑制作用，有的還采用流加的培養(yǎng)方法。為了促進(jìn)微生物的生長和支持目的產(chǎn)物的合成，還要從代謝生理學(xué)的角度優(yōu)化流加條件。2022/12/1962張星元：發(fā)酵原理進(jìn)：在育種和發(fā)酵控制方面都要促進(jìn)細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。在發(fā)酵通：在育種方面，解除對(duì)途徑中某些酶的反饋調(diào)節(jié)；在發(fā)酵控制方面，誘導(dǎo)這些酶的合成或激活這些酶，從而使來自各代謝物流（除碳架物流外還包括其他支持生物合成的物流）能夠暢通地注入載流路徑，匯入代謝主流，流向目的產(chǎn)物。特別是當(dāng)發(fā)酵進(jìn)入目的產(chǎn)物合成階段后，必需確保載流路徑暢通，代謝主流優(yōu)勢明顯。

2022/12/1963張星元：發(fā)酵原理通：在育種方面，解除對(duì)途徑中某些酶的反饋調(diào)節(jié)；在發(fā)酵控制方面

這些酶包括用于目的產(chǎn)物自身合成的酶（如下圖中酶①～⑤）和用于目的產(chǎn)物的前體合成的酶（如下圖中酶和⑥，用于前體C的合成，酶⑦⑧，用于前體D的合成）。2022/12/1964張星元：發(fā)酵原理

這些酶包括用于目的產(chǎn)物自身合成的酶（如下圖例如在谷氨酸的發(fā)酵過程中，作為谷氨酸合成原料的NH4+的缺乏，就可能使谷氨酸合成途徑的中斷，導(dǎo)致谷氨酸產(chǎn)量下降，大量α-酮戊二酸積累。當(dāng)然，合成途徑中的任何一個(gè)限制因子，都可能產(chǎn)生類似的情況。因此，在發(fā)酵過程中應(yīng)盡可能的使通向載流路徑的代謝途徑暢通無阻，使不同的營養(yǎng)物質(zhì)能順利地注入代謝主流，最終流向目的產(chǎn)物。2022/12/1965張星元：發(fā)酵原理例如在谷氨酸的發(fā)酵過程中，作為谷氨酸合成原料節(jié)：采用育種或發(fā)酵控制手段，節(jié)制載流路徑上與目的產(chǎn)物的形成無關(guān)或關(guān)系不大的代謝支流，使碳架物質(zhì)相對(duì)集中地流向目的產(chǎn)物。這里所謂的“節(jié)制”是指封閉或削弱以目的產(chǎn)物合成途徑的起始底物（如下圖中的A）或各中間產(chǎn)物（如下圖中的B、C和D）為起始底物的分支途徑（即下圖中通向K，G，I，J的途徑）。2022/12/1966張星元：發(fā)酵原理節(jié)：采用育種或發(fā)酵控制手段，節(jié)制載流路徑上與目的產(chǎn)物的形成無2022/12/1967張星元：發(fā)酵原理2022/12/1867張星元：發(fā)酵原理經(jīng)過千千萬萬年的物競天擇，微生物細(xì)胞已經(jīng)成為自我保障的經(jīng)濟(jì)體系。細(xì)胞嚴(yán)格的調(diào)節(jié)機(jī)制不允許代謝中間產(chǎn)物的過量合成，要想實(shí)現(xiàn)目的產(chǎn)物的過量合成，就必需對(duì)其代謝進(jìn)行導(dǎo)向（包括遺傳根據(jù)和培養(yǎng)條件的導(dǎo)向），迫使代謝朝著過量合成目的產(chǎn)物方向進(jìn)行。因此，不是目的產(chǎn)物生產(chǎn)所必需的途徑，應(yīng)做到不同程度的關(guān)閉，也就是“節(jié)”。2022/12/1968張星元：發(fā)酵原理經(jīng)過千千萬萬年的物競天擇，微生物細(xì)胞已經(jīng)成為堵：采用育種或發(fā)酵控制手段堵塞或削弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑（如上圖中F以后的途徑），包括目的產(chǎn)物參與的分解代謝和合成代謝。如果菌株生產(chǎn)目的產(chǎn)物的途徑暢通，但同時(shí)目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝（包括目的產(chǎn)物參與的分解代謝和合成代謝）的途徑也暢通，或者隨著生產(chǎn)的進(jìn)行目的產(chǎn)物進(jìn)一步的代謝加強(qiáng)，都會(huì)最終影響目的產(chǎn)物的溢出代謝，降低工業(yè)發(fā)酵的效益。2022/12/1969張星元：發(fā)酵原理堵：采用育種或發(fā)酵控制手段堵塞或削弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑為了消除這種影響，就必須降低目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的酶的酶活力或酶量，以消除或削弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步的代謝。若不能對(duì)菌株進(jìn)行有效的改造，也可以通過工藝手段來達(dá)到堵的目的。例如，采用及時(shí)將目的產(chǎn)物從發(fā)酵液的分離出來的辦法，也可以間接地消除或削弱胞內(nèi)目的產(chǎn)物的進(jìn)一步代謝，甚至能拉動(dòng)溢出代謝。2022/12/1970張星元：發(fā)酵原理為了消除這種影響，就必須降低目的產(chǎn)物進(jìn)一步代出：促進(jìn)目的產(chǎn)物向胞外空間分泌。根據(jù)微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)原理（節(jié)約原理、適應(yīng)原理、生命保障原理），如果細(xì)胞內(nèi)某代謝中間產(chǎn)物濃度超過其閾值，必將受到細(xì)胞內(nèi)相關(guān)代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的干預(yù)。胞內(nèi)目的產(chǎn)物的濃度過高，就會(huì)對(duì)合成目的產(chǎn)物的代謝過程施加負(fù)反饋調(diào)節(jié)，迫使其回到正常濃度。因此，及時(shí)將目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外，無論從化學(xué)平衡的角度，還是從生物學(xué)信息反饋的角度，都將有利于載流路徑上代謝主流的流動(dòng)。2022/12/1971張星元：發(fā)酵原理出：促進(jìn)目的產(chǎn)物向胞外空間分泌。根據(jù)微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)原理（節(jié)在育種和發(fā)酵控制方面加強(qiáng)“出”的辦法很多，如調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)目的產(chǎn)物的通透性，增加輸送目的產(chǎn)物的載體蛋白的量，為目的產(chǎn)物的主動(dòng)輸送提供代謝能等，都能使在胞內(nèi)生成的目的產(chǎn)物盡快的轉(zhuǎn)移出細(xì)胞，降低其細(xì)胞中的濃度；為了進(jìn)一步降低細(xì)胞中目的產(chǎn)物的濃度，還可能根據(jù)目的產(chǎn)物的理化性質(zhì)，采用邊發(fā)酵邊分離目的產(chǎn)物的工藝，不斷的將目的產(chǎn)物從反應(yīng)器中轉(zhuǎn)移出去，給代謝主流一個(gè)“拉動(dòng)力”。2022/12/1972張星元：發(fā)酵原理在育種和發(fā)酵控制方面加強(qiáng)“出”的辦法很多，如Ⅱ.有關(guān)碳架物質(zhì)跨膜問題的分析

氨基酸的發(fā)酵法生產(chǎn)，屬于本課程定義的典型的工業(yè)發(fā)酵。以糖質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸的過程至少依次包括糖質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞、經(jīng)過代謝在胞內(nèi)生成目的氨基酸和目的氨基酸被分泌至培養(yǎng)基3個(gè)階段。此外，氨基酸的生產(chǎn)過程還包括細(xì)菌細(xì)胞的適度生長和生命活動(dòng)的維持。2022/12/1973張星元：發(fā)酵原理Ⅱ.有關(guān)碳架物質(zhì)跨膜問題的分析

氨基酸的發(fā)酵法單考慮細(xì)胞內(nèi)的碳架物質(zhì)等的代謝是不夠的，至少還必須考慮營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞及目的產(chǎn)物排出細(xì)胞的問題，也就是碳架物質(zhì)通過細(xì)胞膜的問題。

有關(guān)碳架物質(zhì)跨膜問題，必要時(shí)可做專題講座。2022/12/1974張星元：發(fā)酵原理單考慮細(xì)胞內(nèi)的碳架物質(zhì)等的代謝是不夠的，至少Ⅲ.有關(guān)代謝途徑的流量調(diào)節(jié)的分析

以天冬氨酸族氨基酸的合成代謝為例，來討論代謝途徑的流量調(diào)節(jié)。對(duì)細(xì)菌來說，天門冬氨酸族氨基酸包括Asp、Asn、Lys、The、Ile和Met共6種氨基酸（或氨基酰胺），它們都是從TCA環(huán)中的前體代謝物草酰乙酸（OAA）開始合成的。2022/12/1975張星元：發(fā)酵原理Ⅲ.有關(guān)代謝途徑的流量調(diào)節(jié)的分析

以天冬氨酸微生物細(xì)胞以葡萄糖為原料合成天冬氨酸族氨基酸時(shí)，碳架物質(zhì)通過代謝網(wǎng)絡(luò)的載流路徑流向目的產(chǎn)物，其載流路徑的上游部分從葡萄糖起到草酰乙酸止，草酰乙酸以后為下游部分。其上游部分屬于中心途徑，下游部分屬于離心途徑。因此天冬氨酸族氨基酸合成代謝流是跨代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊和離心板塊的。關(guān)于天冬氨酸族氨基酸的合成代謝路線（下游部分）及其調(diào)節(jié)方式已匯總在下面幾張圖中：2022/12/1976張星元：發(fā)酵原理微生物細(xì)胞以葡萄糖為原料合成天冬氨酸族氨基酸OAAAspβ-Asp-PAsp-β-SAHomo-SerThrDDPLysMetIle(AK1)ThrIThrRIleR(AK2)MetR(AK3)LysILysRLysR(HD1)IleR

ThrR

(HD2)MetR

PYRPYRLysILysRMetI,MetRMetRThrIIleRE.coli天門冬氨酸族氨基酸合成代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制2022/12/1977張星元：發(fā)酵原理OAAAspβ-Asp-PAsp-β-SAHomo-SerOAAAspβ-Asp-PAsp-β-SAHomo-SerThrDDPLysMetIle(AK)(HD)MetRThrI

PYRPYRMetRThrIIleRBrevibacteriumflavium天門冬氨酸族氨基酸合成代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制(Thr+Lys)I2022/12/1978張星元：發(fā)酵原理OAAAspβ-Asp-PAsp-β-SAHomo-SerOAAAspβ-Asp-PAsp-β-SAHomo-SerThrDDPLysMetIle(AK)(HD)MetRThrI

PYRPYRMetRIleIBrevibacteriumlactofermentum天門冬氨酸族氨基酸合成代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制ThrI,Lys,(Thr+Lys)ILeuR2022/12/1979張星元：發(fā)酵原理OAAAspβ-Asp-PAsp-β-SAHomo-Ser

芳香族氨基酸的合成也有類似的情況。其載流路徑的上游部分從葡萄糖起到磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤蘚糖止，以后為下游部分。其上游部分屬于中心途徑，下游部分屬于離心途徑。因此芳香族氨基酸合成代謝流是跨代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊和離心板塊的。關(guān)于芳香族氨基酸的合成代謝路線（下游部分）及其調(diào)節(jié)方式已匯總在下面幾張圖中：2022/12/1980張星元：發(fā)酵原理芳香族氨基酸的合成也有類似的PEP

E-4-P(DS3)(DS2)(DS1)PheITyrIDHAPSMACMA(CM2)(CM1)PheITyrIPPAPEPPiPheTyrGluα-KGTrpGluα-KG3-P-GASerPRPPTrpIE.coli芳香族氨基酸的合成代謝調(diào)節(jié)機(jī)制2022/12/1981張星元：發(fā)酵原理PEPE-4-P(DS3)(DS2)(DS1)PheIPEP

E-4-P(DS)Tyr,(Phe+Tyr)IDHAPSMACMA(CM)PheIRTyrIPPAPEPPiPheTyrGluα-KGTrpGluα-KG3-P-GASerPRPPTrpIRCorynebacteriumglutamicum芳香族氨基酸的合成代謝調(diào)節(jié)機(jī)制TrpATyrATrpIPheITyrI2022/12/1982張星元：發(fā)酵原理PEPE-4-P(DS)Tyr,(Phe+Tyr)I下面是乳糖發(fā)酵短桿菌的賴氨酸高產(chǎn)菌株的設(shè)計(jì)育種示意圖。綠色箭頭連接成的路徑為用葡萄糖為主要碳源時(shí)的理想載流路徑。所謂“理想載流路徑”是指為了獲得高效益，人們期望代謝流流經(jīng)的路徑。2022/12/1983張星元：發(fā)酵原理下面是乳糖發(fā)酵短桿菌的賴氨酸高產(chǎn)菌株的設(shè)計(jì)育GlcPYRα-KGOAAAspAsp-β-SAβ-Asp-PDDPLysGluH-SerMetThrIle（AK）(HD)(Thr+Lys)IThrI

Met

RDIAMINOPIMERICACIDPATHWAYPEPG-6-PAsnHMPPYRPYRLeu

RLeuBrevibacteriumlactofermentum細(xì)胞外細(xì)胞內(nèi)2022/12/1984張星元：發(fā)酵原理GlcPYRα-KGOAAAspAsp-β-SAβ-Asp生物合成途徑同一性的一個(gè)例外：賴氨酸的生物合成途徑在細(xì)菌是二氨基庚二酸途徑，在真菌中是氨基己二酸途徑。上圖顯示的是乳糖發(fā)酵短桿菌的合成賴氨酸的二氨基庚二酸途徑，下圖顯示的是產(chǎn)黃青霉合成賴氨酸的氨基己二酸途徑。2022/12/1985張星元：發(fā)酵原理生物合成途徑同一性的一個(gè)例外：賴氨酸的生物合AMINOADIPICACIDPATHWAYGlcPYRα-KGH-ICAα-AAAPenicillinGα-AAA-ε-SALysLysILysRI-PenicillinNα-AAA-L-Cys-D-Valα-AAA-L-CysPenicilliumchrysogenum2022/12/1986張星元：發(fā)酵原理AMINOADIPICACIDPATHWAYGlcPYⅣ.應(yīng)用“五字策略”的實(shí)施

“節(jié)”的成功實(shí)施：若以黃色短桿菌為出發(fā)菌株，選育L-Lys

高產(chǎn)菌種，可采用高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型突變株。假設(shè)高絲氨酸營養(yǎng)缺陷是因?yàn)楦呓z氨酸脫氫酶（HD）缺損而造成的，從前面對(duì)應(yīng)的圖可找出造成L-Lys高產(chǎn)的原因：①阻止碳架物質(zhì)Asp-β-SA流向H-Ser；②解除Thr、Lys對(duì)天門冬氨酸激酶（AK）的協(xié)同反饋抑制（因?yàn)榧?xì)胞不能合成Thr）；③省下原用于11e合成的PYR，以支持Lys合成。2022/12/1987張星元：發(fā)酵原理Ⅳ.應(yīng)用“五字策略”的實(shí)施

“節(jié)”的成功實(shí)施從結(jié)構(gòu)類似物的超敏性突變株中獲得高產(chǎn)菌株是可行的，但必須注意這里“結(jié)構(gòu)類似物”是指酶的底物的結(jié)構(gòu)類似物，前述的“酶”必須是與微生物的生長密切有關(guān)的酶。與微生物生長有密切關(guān)系的酶的底物的結(jié)構(gòu)類似物，如果能競爭性地抑制這個(gè)酶的活性，就會(huì)直接影響微生物的生長，也就是這種微生物對(duì)這種結(jié)構(gòu)類似表現(xiàn)出敏感性。這種敏感性的大小與酶水平的高低相關(guān)，敏感性小的菌株酶水平高，敏感性大的菌株酶水平低，特別敏感的（超敏的）的菌株酶水平最低。2022/12/1988張星元：發(fā)酵原理從結(jié)構(gòu)類似物的超敏性突變株中獲得高產(chǎn)菌株是可

根據(jù)這個(gè)道理，有可能從這種酶的底物的結(jié)構(gòu)類似物的超敏性突變株中，找到這種酶的低水平突變株。酶水平低，代謝流的通道就窄，就意味著“節(jié)”（節(jié)流）。

氟代丙酮酸（FP）是丙酮酸（PYR）的結(jié)構(gòu)類似物。PYR是與生長密切相關(guān)的丙酮酸脫氫酶（PD）的底物，如果用葡萄糖為唯一碳源，PD是唯一通向AcCoA和TCA環(huán)的通道，若PD完全阻塞，微生物就無法通過TCA環(huán)和電子傳遞獲得代謝能，有關(guān)的合成代謝也無法進(jìn)行。2022/12/1989張星元：發(fā)酵原理根據(jù)這個(gè)道理，有可能從這種酶的底物的結(jié)構(gòu)類似已用超敏性突變株的方法選育了乳糖發(fā)酵短桿菌的氟代丙酮酸超敏性突變株（FPs）。根據(jù)對(duì)FP超敏程度的不同，選得不同程度的PD缺損株（PD的不同程度的低水平株），從中找到了PD水平低到恰到好處的突變株，既不過分削弱PD以提供足夠的代謝能，又能使碳架物質(zhì)較多地流向OAA以合成更多的Lys。從而實(shí)施了對(duì)PD通道的“節(jié)”。2022/12/1990張星元：發(fā)酵原理已用超敏性突變株的方法選育了乳糖發(fā)酵短桿菌的

“通”的實(shí)施：賴氨酸的結(jié)構(gòu)類似物S-（β-aminoethyl）-L-Cys，簡稱AEC，是最早用于氨基酸育種并取得明顯效果的結(jié)構(gòu)類似物。在黃色短桿菌的亮氨酸缺陷型突變株Leu-上再加上結(jié)構(gòu)類似物抗性標(biāo)記（AEC+Thr）r

后Lys產(chǎn)量大幅度上升，這是因?yàn)檫@個(gè)突變株已解除了Lys和Thr對(duì)天門冬氨酸激酶（AK）的協(xié)同反饋抑制，是個(gè)調(diào)節(jié)突變株。

關(guān)于“進(jìn)”、“出”、“堵”的策略應(yīng)用也都有成功的實(shí)例。

2022/12/1991張星元：發(fā)酵原理“通”的實(shí)施：賴氨酸的結(jié)構(gòu)類似物S-（β⑵次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成

人們一般把微生物營養(yǎng)性生長所需的代謝產(chǎn)物（直接或間接的參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)或組成）叫做初級(jí)代謝產(chǎn)物，把微生物在限制生長或沒有生長的條件下形成的、對(duì)微生物的營養(yǎng)性生長并不必需的代謝產(chǎn)物叫做次級(jí)代謝產(chǎn)物。2022/12/1992張星元：發(fā)酵原理⑵次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成

人們一般把微生物營養(yǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物種類很多，然而，它們的結(jié)構(gòu)單位主要是莽草酸（SMA）、氨基酸（ar-AA和al-AA

）和乙酸（AcCoA），也就是說它們可以從莽草酸、某些氨基酸和AcCoA等通過（有條件誘導(dǎo)的）次級(jí)代謝途徑來合成：2022/12/1993張星元：發(fā)酵原理次級(jí)代謝產(chǎn)物種類很多，然而，它們的結(jié)構(gòu)單位主GluG-6-PPEPPYRAcCoAR-5-PE-4-P糖類次生代謝產(chǎn)物（氨基糖苷類抗生素），核酸堿基類次生代謝產(chǎn)物arAAalAASMA其他次生代謝產(chǎn)物多肽類次生代謝產(chǎn)物（如β-內(nèi)酰胺類環(huán)肽類抗生素、生物堿類）聚酯類次生代謝（如類異戊二烯化合物、甾類化合物、類胡蘿卜素、大環(huán)抗生素）TCA環(huán)2022/12/1994張星元：發(fā)酵原理GluG-6-PPEPPYRAcCoAR-5-PE-4-P糖

次級(jí)代謝產(chǎn)物的存在已引起人們特別注意。在典型的次級(jí)代謝中，次級(jí)代謝產(chǎn)物以混合物狀態(tài)出現(xiàn)，即微生物可合成化學(xué)上相關(guān)聯(lián)的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物的混合物。顯然，這是因?yàn)榇渭?jí)代謝所涉及的某些酶的特異性比初級(jí)代謝的酶的特異性要低得多。2022/12/1995張星元：發(fā)酵原理次級(jí)代謝產(chǎn)物的存在已引起人們特別注意。在典

次級(jí)代謝產(chǎn)物合成途徑的型式也比初級(jí)代謝多得多。有人說次級(jí)代謝好像是有機(jī)物代謝演變的“操場”，這是有一定道理的。只要演變出來的次級(jí)代謝途徑或其產(chǎn)物對(duì)途徑的載體微生物沒有害處，它們對(duì)應(yīng)遺傳物質(zhì)就會(huì)隨次級(jí)代謝途徑的載體微生物的傳代而得以保留或改善；反之，如果對(duì)途徑的載體微生物有害，載體微生物本身就會(huì)被淘汰。2022/12/1996張星元：發(fā)酵原理次級(jí)代謝產(chǎn)物合成途徑的型式也比初級(jí)代謝多得多。

換句話說，為次級(jí)代謝途徑編碼的DNA如果對(duì)細(xì)胞的任何一種組織水平，包括中間代謝、調(diào)節(jié)、輸送、分化、形態(tài)發(fā)生等等，有好處，就會(huì)被保存下來，甚至得到擴(kuò)展；如果沒有用就有可能會(huì)被刪除。抗生素的合成途徑可能就是這樣來的。2022/12/1997張星元：發(fā)酵原理換句話說，為次級(jí)代謝途徑編碼

次級(jí)代謝一旦建立，就將服從寄主細(xì)胞固有的調(diào)節(jié)機(jī)制，并且有可能引伸出特殊的調(diào)節(jié)機(jī)制。在已建立的次級(jí)代謝體系中，曾發(fā)現(xiàn)直接或間接地作用于次級(jí)代謝的級(jí)聯(lián)(cascade)調(diào)節(jié)效應(yīng)。2022/12/1998張星元：發(fā)酵原理次級(jí)代謝一旦建立，就將服從寄主細(xì)胞固有的

抗生素是次級(jí)代謝產(chǎn)物中按功能而劃定的復(fù)雜化合物類群。同一菌種可以合成結(jié)構(gòu)相近的抗生素混合物，混合物中每種組分的比例決定于遺傳和環(huán)境因素。

雖然次級(jí)代謝產(chǎn)物多種多樣，但從生物化學(xué)的角度來看，大多數(shù)次級(jí)代謝產(chǎn)物都是從少數(shù)關(guān)鍵的中間代謝產(chǎn)物“組裝”的：

2022/12/1999張星元：發(fā)酵原理抗生素是次級(jí)代謝產(chǎn)物中按功能而劃定的復(fù)雜化合物

莽草酸、有關(guān)幾種氨基酸、AcCoA等

次級(jí)代謝的前體庫次級(jí)代謝產(chǎn)物2022/12/19100張星元：發(fā)酵原理莽草酸、有關(guān)幾種氨基酸、AcCoA等

次級(jí)代謝的前體庫

因此，用來匯入次級(jí)代謝前體庫的代謝流對(duì)次級(jí)代謝是至關(guān)重要的。在這個(gè)意義上，研究初級(jí)代謝流及其調(diào)節(jié)，對(duì)次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成代謝來說同樣是很重要的。2022/12/19101張星元：發(fā)酵原理因此，用來匯入次級(jí)代謝前體庫的代謝流對(duì)次級(jí)

次級(jí)代謝產(chǎn)物一般是在分批培養(yǎng)的分化期開始形成，即在限制生長或沒有生長的條件下形成的。

次級(jí)代謝途徑（酶）一般并不是組成型的，而是經(jīng)誘導(dǎo)（或解除阻遏）而形成的。2022/12/19102張星元：發(fā)酵原理次級(jí)代謝產(chǎn)物一般是在分批培養(yǎng)的分化期開始形不能忽視這個(gè)事實(shí)：

放線菌與細(xì)菌相比較，是次級(jí)代謝產(chǎn)物的更好的生產(chǎn)者，放線菌有細(xì)胞分化的能力，而次級(jí)代謝往往與分化過程有關(guān)。2022/12/19103張星元：發(fā)酵原理不能忽視這個(gè)事實(shí)：

放線菌與細(xì)菌相比較，是次

我們已討論了某些關(guān)于代謝產(chǎn)物過量合成的生理學(xué)的一般規(guī)律。產(chǎn)品形成的生理學(xué)的基本道理是容易理解的。同時(shí)，我們已經(jīng)注意到，在許多場合下，特別是關(guān)于次級(jí)代謝產(chǎn)物的生成，其生理學(xué)的知識(shí)仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此很有必要在此領(lǐng)域從事更多的研究，并要吸取在初級(jí)代謝生理學(xué)的類似研究中所得到的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。2022/12/19104張星元：發(fā)酵原理我們已討論了某些關(guān)于代謝產(chǎn)物過量合成的生理第三節(jié)代謝網(wǎng)絡(luò)中碳架

物質(zhì)流的調(diào)動(dòng)

2022/12/19105張星元：發(fā)酵原理第三節(jié)代謝網(wǎng)絡(luò)中碳架

處于一定環(huán)境條件下的微生物培養(yǎng)物中，參與代謝的物質(zhì)在代謝途徑（網(wǎng)絡(luò)）中按一定規(guī)律流動(dòng)，形成微生物代謝的物質(zhì)流。2022/12/19106張星元：發(fā)酵原理處于一定環(huán)境條件下的微生物培養(yǎng)物中，參與代謝

代謝物質(zhì)的流動(dòng)過程是一種類似“流體流動(dòng)”的過程，它具備流動(dòng)的一切屬性，諸如方向性、連續(xù)性、有序性、可調(diào)性等等，并且可以接受疏導(dǎo)、阻塞、分流、匯流等“治理”，也可能發(fā)生“干枯”和“溢出(泛濫)”等現(xiàn)象。此外，還有流速和流量等問題。2022/12/19107張星元：發(fā)酵原理代謝物質(zhì)的流動(dòng)過程是一種類似“流體流動(dòng)”

化能異養(yǎng)型微生物以有機(jī)化合物為碳源和能源。因此，在討論化能異養(yǎng)型微生物代謝流動(dòng)時(shí)，首先抓住碳元素代謝這個(gè)主要矛盾，研究微生物細(xì)胞的碳架物質(zhì)流。2022/12/19108張星元：發(fā)酵原理化能異養(yǎng)型微生物以有機(jī)化合物為碳源和能源。因此4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代

謝網(wǎng)絡(luò)）中的流動(dòng)

4.3.2微生物的代謝流及其治理

2022/12/19109張星元：發(fā)酵原理4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代

4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代謝網(wǎng)絡(luò)）中的流動(dòng)

在典型的工業(yè)發(fā)酵過程中，微生物的代謝流包括營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞、代謝中間物（碳架物質(zhì)）在代謝途徑中的流動(dòng)和代謝產(chǎn)物從細(xì)胞進(jìn)入環(huán)境這樣順序發(fā)生的過程。2022/12/19110張星元：發(fā)酵原理4.3.1碳架物質(zhì)在代謝途徑（代謝網(wǎng)絡(luò)）中的流動(dòng)

4.3.1.1有機(jī)化合物的組成元素及它們

各自在生命活動(dòng)中的作用（略）2022/12/19111張星元：發(fā)酵原理4.3.1.1有機(jī)化合物的組成元素及它們

4.3.1.2碳架物質(zhì)在代謝途徑中的流動(dòng)

以代謝流動(dòng)的觀點(diǎn)加深對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)：碳架物質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)途徑中流動(dòng)，從原料到終端產(chǎn)物碳架物質(zhì)流經(jīng)的路徑叫做載流路徑。

2022/12/19112張星元：發(fā)酵原理

4.3.1.2碳架物質(zhì)在代謝途徑中的流動(dòng)

4.3.1.3典型工業(yè)發(fā)酵的工作模式

典型的工業(yè)發(fā)酵要從發(fā)酵液中獲得微生物的代謝產(chǎn)物，也就是要讓原料有機(jī)化合物在微生物細(xì)胞的有關(guān)的代謝途徑（載流路徑）中流動(dòng)的過程中，轉(zhuǎn)化成工業(yè)發(fā)酵的目的產(chǎn)物，最后目的產(chǎn)物分泌出細(xì)胞。2022/12/19113張星元：發(fā)酵原理4.3.1.3典型工業(yè)發(fā)酵的工作模式

典

Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation工業(yè)發(fā)酵細(xì)胞機(jī)器的工作模式2022/12/19114張星元：發(fā)酵原理

Workingpatternofcell-machi上圖中，白色橢圓代表細(xì)胞的界面，界面包圍部分是細(xì)胞機(jī)器，界面外側(cè)是細(xì)胞機(jī)器所在的環(huán)境。帶箭頭的黑線代表典型的工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器的載流路徑。N代表營養(yǎng)物質(zhì)，P代表目的產(chǎn)物。2022/12/19115張星元：發(fā)酵原理上圖中，白色橢圓代表細(xì)胞的界面，界面包圍部分4.3.2微生物的代謝流及其治理2022/12/19116張星元：發(fā)酵原理4.3.2微生物的代謝流及其治理2022/12/1812

我們?cè)鴱臒崃W(xué)的角度把微生物看作遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系；我們?cè)柚妼W(xué)的知識(shí)來討論生物氧化和代謝能的問題；我們?cè)栌没ヂ?lián)網(wǎng)的概念來討論代謝網(wǎng)絡(luò)的延伸問題；在這里我們要借用流體力學(xué)的常識(shí)來分析微生物細(xì)胞的代謝流。2022/12/19117張星元：發(fā)酵原理我們?cè)鴱臒崃W(xué)的角度把微生物看作遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的如果把碳架物質(zhì)流看作水一樣的流體，那么按照工業(yè)發(fā)酵的工作模式，就可把微生物活細(xì)胞看作是有一個(gè)總的進(jìn)水口和一個(gè)總的出水口的、包含特定的管道網(wǎng)的大容器，組成管道網(wǎng)的管道有粗有細(xì)，管道網(wǎng)的管道有分支、有交叉，有可控的閥門。代謝物質(zhì)流就如同自來水一樣在管道和閥門的控制下流進(jìn)和流出細(xì)胞，形成代謝流。2022/12/19118張星元：發(fā)酵原理如果把碳架物質(zhì)流看作水一樣的流體，那么按照工在這個(gè)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合代謝能支撐假說和代謝網(wǎng)絡(luò)假說的內(nèi)容，討論微生物的代謝及代謝流的變動(dòng)性；結(jié)合本章（代謝調(diào)節(jié)的3個(gè)子系統(tǒng)）的內(nèi)容，討論代謝流對(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)和代謝流治理的可能性。最后還要討論有關(guān)代謝節(jié)點(diǎn)的剛性的問題。2022/12/19119張星元：發(fā)酵原理在這個(gè)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合代謝能支撐假說和代謝微生物的代謝途經(jīng)的變動(dòng)性和可調(diào)節(jié)性，不但是代謝流飄移的內(nèi)在原因，而且也是人工控制代謝流的生物學(xué)根據(jù)。工業(yè)發(fā)酵中，人的主觀能動(dòng)作用表現(xiàn)在對(duì)代謝流的治理上。治理的直接的目的是讓微生物細(xì)胞過量合成（overproduction）人們所需要的代謝產(chǎn)物。2022/12/19120張星元：發(fā)酵原理微生物的代謝途經(jīng)的變動(dòng)性和可調(diào)節(jié)性，不但是代4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的

分支處及各分支的流量分配

4.3.2.2過量合成與微生物的異常代謝

4.3.2.3溢出代謝

4.3.2.4代謝流治理的可能性和現(xiàn)實(shí)性

4.3.2.5代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性2022/12/19121張星元：發(fā)酵原理4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的

4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的分支處及各分支的流量分配

我們把代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝途徑的交叉點(diǎn)叫做代謝網(wǎng)絡(luò)的“節(jié)點(diǎn)”，實(shí)際上它們是碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的代謝中間物。初級(jí)代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊上的12種前體代謝物是當(dāng)然的節(jié)點(diǎn)，而且還是代謝途徑的分流或匯流處。

2022/12/19122張星元：發(fā)酵原理4.3.2.1碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)的分支處及各分支的流節(jié)點(diǎn)處不論發(fā)生匯流還是分流，都存在流量分配的問題。這個(gè)分配既與遺傳因素有關(guān)，又與條件因素有關(guān)。不同微生物物種的代謝途徑基本一致，因此，可在微生物學(xué)有關(guān)工具書查到有關(guān)的途徑；而代謝調(diào)節(jié)機(jī)制并不完全一樣，不一致的情況可在有關(guān)論文或綜述中找到。

2022/12/19123張星元：發(fā)酵原理節(jié)點(diǎn)處不論發(fā)生匯流還是分流，都存在流量分配的在生物化學(xué)中，早有一套描述代謝途徑的調(diào)節(jié)機(jī)制的方法，例如，用一個(gè)從效應(yīng)物（途徑的終端產(chǎn)物）引出的、指向途徑中某個(gè)代表酶的短箭頭的長箭頭來標(biāo)示反饋調(diào)節(jié)。這種標(biāo)示方法對(duì)于線狀途徑或偶有分支的途徑來說，是很有用的，但是，如果在代謝網(wǎng)絡(luò)圖中使用，代表調(diào)節(jié)的箭頭與代表酶的箭頭交織在一起，容易引起誤解。

因此我們要啟用一種新的代謝調(diào)節(jié)圖圖例，用來標(biāo)記代謝網(wǎng)絡(luò)圖。這種標(biāo)記方法有四個(gè)要點(diǎn)：2022/12/19124張星元：發(fā)酵原理在生物化學(xué)中，早有一套描述代謝途徑的調(diào)節(jié)機(jī)制①標(biāo)明調(diào)節(jié)方式

用“I”表示抑制（inhibition），用“A”表示激活（activation），用“R”表示阻遏（repression）；

②標(biāo)明效應(yīng)物

一般用三個(gè)字母標(biāo)示效應(yīng)物（調(diào)節(jié)特定的酶的水平或活性的化合物叫做這種酶的效應(yīng)物）；2022/12/19125張星元：發(fā)酵原理①標(biāo)明調(diào)節(jié)方式

用“I”表示抑制（inhi③標(biāo)明受調(diào)節(jié)的酶：

代謝網(wǎng)絡(luò)圖中箭頭所代表的酶的名稱放在括號(hào)內(nèi)，標(biāo)在該箭頭旁邊；

④對(duì)酶的調(diào)節(jié)的具體的表示方法：

在代表酶的箭頭旁邊標(biāo)上代表效應(yīng)物的3個(gè)字母和代表調(diào)節(jié)機(jī)制的特定字母。2022/12/19126張星元：發(fā)酵原理③標(biāo)明受調(diào)節(jié)的酶：

代謝網(wǎng)絡(luò)圖中箭頭所代表的例如：某效應(yīng)物名稱后面加上“I”，標(biāo)在代表酶的箭頭旁邊，表示該效應(yīng)物對(duì)該酶的抑制作用；效應(yīng)物名稱后面加上“A”，標(biāo)在代表酶的箭頭旁邊，表示該效應(yīng)物對(duì)該酶的激活作用；效應(yīng)物名稱后面加上“R”，標(biāo)在代表酶的箭頭旁邊，表示該效應(yīng)物對(duì)該酶的阻遏作用。如果2種效應(yīng)物協(xié)同作用，則在兩個(gè)效應(yīng)物的名稱都寫上，再在后面加上對(duì)應(yīng)的英文字母。2022/12/19127張星元：發(fā)酵原理例如：某效應(yīng)物名稱后面加上“I”，標(biāo)在代2022/12/19128張星元：發(fā)酵原理2022/12/1824張星元：發(fā)酵原理上圖（碳架物質(zhì)在EMP和HMP途徑上的分流控制圖）是一張按此方法標(biāo)示的網(wǎng)絡(luò)圖，請(qǐng)按此方法讀圖，并從以下說明中得到幫助。

大腸桿菌細(xì)胞磷酸果糖激酶（PFK）的酶水平隨條件而變動(dòng)，有氧生長中細(xì)胞的PFK水平低于厭氧生長中的細(xì)胞，有氧生長中的細(xì)胞的PFK（由二聚體組成），對(duì)ATP不敏感，厭氧生長中的細(xì)胞的PFK（由四聚體組成），對(duì)ATP敏感。2022/12/19129張星元：發(fā)酵原理上圖（碳架物質(zhì)在EMP和HMP途徑上的分

在有氧條件下，由于PFK的低水平和FDP醛縮酶（FDPA）的極端低水平，大腸桿菌主要經(jīng)HMP途徑降解葡萄糖。因?yàn)樵谟醒鯒l件下PFK對(duì)ATP不敏感，且其活力高于FDP醛縮酶（FDPA），F(xiàn)DP有累積，所以它可能對(duì)HMP途徑的6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6PGDH）起抑制物的作用，使6PGDH成為HMP降解流上的一個(gè)“閥門”（有氧條件下的控制“閥門”）。2022/12/19130張星元：發(fā)酵原理

在有氧條件下，由于PFK的低水平和FDP醛

在厭氧條件下，PFK和FDPA水平較有氧時(shí)高，因而EMP途徑對(duì)葡萄糖降解代謝的參與程度增加。因?yàn)镻FK的水平仍高于FDPA，F(xiàn)DP仍然累積并繼續(xù)抑制6PGDH，但隨著EMP參與程度的增加，EMP途徑所產(chǎn)生的NADH濃度增高。NADH是6-磷酸葡萄糖脫氫酶（G6PDH）的效應(yīng)物，NADH濃度上升就會(huì)抑制G6PDH，使G6PDH成為HMP降解流上的另一個(gè)“閥門”（厭氧條件下的控制“閥門”）。

2022/12/19131張星元：發(fā)酵原理在厭氧條件下，PFK和FDPA水平較有氧時(shí)高這種抑制作用是必要的，因?yàn)樘岣咂咸烟菨舛瓤梢允笷DPA水平上升許多倍，而PFK水平基本保持不變，這樣FDP濃度勢必是低的，以致無法控制6PGDH，這時(shí)NADH就通過對(duì)G6PDH的抑制作用控制HMP降解流。這種兩個(gè)“閥門”交替控制的機(jī)制可以解釋為什么在嚴(yán)格厭氧條件下，大腸桿菌經(jīng)HMP途徑降解的葡萄糖只占葡萄糖降解總量的20％～30％。2022/12/19132張星元：發(fā)酵原理這種抑制作用是必要的，因?yàn)樘岣咂咸烟菨舛瓤梢?.3.2.2過量合成和微生物的異常代謝

野生菌株在它們天然棲息地在其生長或維持，需要時(shí)也能合成人們所希望的代謝產(chǎn)物，但在其固有的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的控制下合成的量不多不少，只夠細(xì)胞自身生長或維持的需要。體現(xiàn)了微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)性。2022/12/19133張星元：發(fā)酵原理4.3.2.2過量合成和微生物的異常代謝

適用于發(fā)酵生產(chǎn)的微生物必須具有有過量合成的能力，也就是說是其目的產(chǎn)物的合成量必須大大高于它通常的合成量。要做到這一點(diǎn)，不僅要求合成目的產(chǎn)物的途徑暢通，還必須有將目的產(chǎn)物排出細(xì)胞的滿意的機(jī)制。過量合成的速率取決于微生物的遺傳性能，以及在培養(yǎng)條件下細(xì)胞的生理狀態(tài)。2022/12/19134張星元：發(fā)酵原理適用于發(fā)酵生產(chǎn)的微生物必須具有有過量合成的能把自然界中自然競爭中幸存的微生物稱為野生型微生物，它們具有比較嚴(yán)密的代謝調(diào)節(jié)功能，至少在它們幸存的環(huán)境條件下不會(huì)過量合成初級(jí)代謝產(chǎn)物。在這樣的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系中，細(xì)胞的生產(chǎn)力體現(xiàn)在其自身的增殖。細(xì)胞固有的生產(chǎn)關(guān)系支持細(xì)胞自身的增殖（生產(chǎn)細(xì)胞），不支持（人的）目的產(chǎn)物的過量生產(chǎn)（生產(chǎn)特定的初級(jí)代謝產(chǎn)物）。2022/12/19135張星元：發(fā)酵原理把自然界中自然競爭中幸存的微生物稱為野生型微

要解放細(xì)胞對(duì)于目的產(chǎn)物（特定的初級(jí)代謝產(chǎn)物）的生產(chǎn)力，就有必要改變細(xì)胞原有的生產(chǎn)關(guān)系。對(duì)微生物進(jìn)行遺傳改造，就是要修正原有的生產(chǎn)關(guān)系。2022/12/19136張星元：發(fā)酵原理要解放細(xì)胞對(duì)于目的產(chǎn)物（特定的初級(jí)代謝產(chǎn)物）

微生物過量合成目的產(chǎn)物（特定的代謝中間產(chǎn)物）的過程，實(shí)質(zhì)上是功能殘缺或遺傳失常的微生物細(xì)胞在人為的特定條件下進(jìn)行異常代謝的過程。因此，研究微生物過量合成指定的初級(jí)代謝產(chǎn)物的機(jī)理，就是研究工業(yè)微生物的病理學(xué)。2022/12/19137張星元：發(fā)酵原理微生物過量合成目的產(chǎn)物（特定的代謝中間產(chǎn)物

微生物排出某些能量代謝副產(chǎn)物的過程，實(shí)質(zhì)上是兼性厭氧微生物在環(huán)境條件逼迫下（如缺氧），變通地維持生計(jì)的過程。兼性厭氧微生物細(xì)胞在缺氧的條件下，以變通的方式實(shí)現(xiàn)還原力的平衡和輔酶的再生和回用，使細(xì)胞的能量代謝得以維持，與此同時(shí)形成并分泌出能量代謝副產(chǎn)物。例如釀酒酵母在發(fā)酵液中累積能量代謝副產(chǎn)物