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1、2023/9/24,张星元：发酵原理,1,第二节 微生物细胞经济体 系的运行规律,2023/9/24,张星元：发酵原理,2,微生物细胞新陈代谢的独立性是靠其广泛的适应性和对营养物质的节约使用即经济性来支撑的。归根到底是依靠微生物细胞严密的代谢调节（包括能量代谢和物质代谢）机构来支撑的。关于代谢的自动调节问题上一节已作了简单的分析，本节将从细胞经济的角度来探讨代谢产物过量合成的可能性。,2023/9/24,张星元：发酵原理,3,4.2.1 微生物的细胞经济体系4.2.2 微生物细胞的经济结构 微生物代谢的三个子系统4.2.3 微生物的细胞经济体系的运行,2023/9/24,张星元：发酵原理,4,
2、4.2.1 微生物的细胞经济体系,2023/9/24,张星元：发酵原理,5,微生物细胞是远离平衡状态的不平衡的开放体系，它能对系统的三个要素（能量、物质、信息），自主地进行定向的、全面的协调。我们把微生物细胞作为按特殊经济规律运行的经济实体来看待，并且把这种按特殊的经济规律运行的新陈代谢体系叫做细胞经济体系。,2023/9/24,张星元：发酵原理,6,微生物细胞的独立存在和自主生存，依赖于微生物细胞广泛的适应性（先保证活下来）和对营养物质的节约使用，即经济性（争取在所处环境条件下更具竞争力）。适应性和经济性都建立在微生物细胞代谢的变动性上。,2023/9/24,张星元：发酵原理,7,但是，微生
3、物代谢的变动是有限度的，它受到前述的细胞代谢调节机制的严格规范和严密控制，以保证代谢的持续。这些代谢调节的规律就是细胞生命活动的“经济法则”，即细胞经济管理原则，细胞经济体系按细胞经济规律运行。细胞的遗传物质（遗传信息的载体）是细胞与环境对话的指挥中心。,2023/9/24,张星元：发酵原理,8,微生物的细胞经济体系是微生物细胞生命活动的保障体系。这个体系为细胞对其环境的适应性，细胞运行的经济性，以及细胞的持续代谢提供保障。,2023/9/24,张星元：发酵原理,9,对于微生物细胞经济而言，细胞实物结构（微生物学的内容）和细胞经济结构（即将讨论）构成了细胞的经济基础。细胞实物结构是指行使细胞功
4、能的细胞结构，即细胞的生产力；细胞经济结构是指微生物代谢的三个子系统的总和，即细胞的生产关系。,2023/9/24,张星元：发酵原理,10,细胞经济基础，最终取决于细胞的遗传物质和环境的对话（细胞的“蓝图”和细胞生命活动的指挥中心的现场指挥）。,2023/9/24,张星元：发酵原理,11,4.2.2 微生物细胞的经济结构 微生物代谢的三个子系统,2023/9/24,张星元：发酵原理,12,对于化能异养型微生物而言，其碳架物质的代谢是最基本的代谢，因为碳架物质代谢不但为其自身合成提供碳架，而且为自身合成提供了可直接使用的代谢能和还原力。因此，我们首先以碳架代谢为主线，研究与微生物细胞生长直接相关
5、的初级代谢活动。,2023/9/24,张星元：发酵原理,13,为了分析问题的方便，把与微生物细胞生长直接相关的代谢系统划分为三个子系统，来研究微生物细胞的经济结构。,2023/9/24,张星元：发酵原理,14,4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统 4.2.2.2 三个子系统的相互关系,2023/9/24,张星元：发酵原理,15,4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统 微生物碳架物质的初级代谢大致可分成三个子系统，一个分解代谢子系统（子系统）和两个合成代谢子系统（子系统和子系统）。,2023/9/24,张星元：发酵原理,16,2023/9/24,张星元：发酵原理,17,上图中：碳源的分解代谢子系统
6、：分子模块的合成代谢子系统：生物大分子的合成代谢子系统 ATP代表代谢能；分子模块代表氨基酸、核苷酸等参与生物大分子组成的单元化合物；碳架代表 PYR、R-5-P、-KG 等前体代谢物。虚箭头和实箭头分别代表代谢系统内部的松散的和紧密的联系。,2023/9/24,张星元：发酵原理,18,子系统（碳源的分解代谢子系统）子系统是微生物细胞用以合成前体代谢物和提供代谢能的碳源分解代谢系统。这个系统最容易直接受外界环境条件在生理许可范围内的影响。例如，pH 条件引起黑曲霉的发酵转换，pH3 时累积柠檬酸，pH6 时累积葡萄糖酸，pH10 时累积草酸。,2023/9/24,张星元：发酵原理,19,这个系
7、统之所以易受外界环境影响，可能是因为碳源的分解代谢有多条途径可供选择；此外，可能是因为分解代谢的酶主要分布在细胞内可溶部分和膜上，易受外界条件影响。,2023/9/24,张星元：发酵原理,20,子系统（合成分子模块的子系统）用来合成分子模块（building block）的合成代谢子系统。分子模块一般是指用以合成生物大分子的标准单元，譬如用于多糖合成的 G-1-P，用于蛋白质合成的各种氨基酸，用于RNA 和 DNA 合成的各种核苷酸和脱氧核苷酸，以及用于类异戊二烯化合物合成的异戊烯基焦磷酸等。,2023/9/24,张星元：发酵原理,21,这个系统的调节机制主要是负反馈调节（包括反馈抑制和反馈阻
8、遏），还有由遗传因素决定的、可能出现酶的缺失（主要表型是营养缺陷型）突变株。这些结构单位的生物合成途径大多已弄清楚，总的印象是此系统的调节机制较为单纯。,2023/9/24,张星元：发酵原理,22,分类学上属不同种的微生物的子系统的代谢调节机制比较接近，而子系统的代谢调节机制则颇为不同。,2023/9/24,张星元：发酵原理,23,子系统（生物大分子合成代谢子 系统）生物大分子合成代谢子系统是指细胞用以生成蛋白质、DNA、RNA、各种多糖(同多糖、杂多糖、肽多糖、脂多糖、荚膜多糖等)及类脂（含类异戊二烯化合物）等细胞结构物质的生物大分子合成代谢子系统。,2023/9/24,张星元：发酵原理,2
9、4,4.2.2.2 三个子系统的相互关系 只有当以上三个代谢子系统作为一个整体来运行，微生物细胞才能维持生命循环。只有当生命循环得到维持，我们才有可能通过微生物细胞的生命活动，生产微生物产品。,2023/9/24,张星元：发酵原理,25,微生物活细胞是远离平衡状态的不平衡的开放体系，微生物细胞与它所处的环境不断地进行物质、能量和信息的交换。微生物细胞作为细胞机器用于工业生产时，除了要从培养基吸收营养外，还要排出工业生产的目的产物。,2023/9/24,张星元：发酵原理,26,2023/9/24,张星元：发酵原理,27,如图所示三子系统有如下关系：子系统生成 ATP,子系统 和子系统使用ATP。
10、但是子系统中ATP如何合成并不严重影响子系统和子系统 对ATP 的使用。因此可以认为子系统 与整个合成系统（子系统 加上子系统）之间的联系是较为松散的（图中的虚线箭头）。,2023/9/24,张星元：发酵原理,28,子系统 生成的前体代谢物的质和量强烈地影响子系统的运行（见离心途径汇总图），因此子系统与子系统 之间的联系是紧密的（实线箭头）。而子系统 与子系统 之间几乎仅仅通过 ATP 相联系，因此 这两个系统之间的联系是松散的（虚线箭头）。分子模块(如氨基酸)在细胞内通常可以游离状态存在，由此推测，子系统与子系统 也只是保持松散的关系（虚线箭头）。,2023/9/24,张星元：发酵原理,29
11、,综上所述，子系统和子系统分别与子系统 只发生松散的联系，这就是子系统 具有相对独立的运转（排出能量代谢副产物）能力的原因之一，也是“子系统+子系统”作为一个整体具有相对独立的运转（排出分子模块）能力的原因之一。,2023/9/24,张星元：发酵原理,30,相对独立运行的另一个重要原因是细胞的分泌机制。子系统相对独立运转的过程中，细胞可能分泌乙醇等能量代谢的副产物；“子系统+子系统”相对独立运转的过程中，细胞可能分泌氨基酸等分子模块；三个子系统协调运转，微生物细胞生长迅速。还有可能分泌酶、多糖、多肽等生物大分子。细胞分泌代谢产物的同时生长速度放慢。,2023/9/24,张星元：发酵原理,31,
12、4.2.3 微生物的细胞经济学（microbial cell economics）,2023/9/24,张星元：发酵原理,32,经济学是研究各种经济关系和经济活动的规律的科学，是研究人类社会在各个发展阶段的活动和各种相应的经济关系，以及经济活动规律的科学。经济活动是人们在一定的经济关系中（其中占主导地位的是生产关系），进行生产、交换、分配、消费以及与之有密切关系的活动。,2023/9/24,张星元：发酵原理,33,在经济活动中，存在以较少的耗费获得较大经济效益的经济效果问题。在微生物细胞的代谢活动中同样也存在着以较少的营养物质，获得较大的生长效益的经济效果问题；在这个意义上，代谢活动也是一种经
13、济活动。,2023/9/24,张星元：发酵原理,34,经济效果要用价值的尺度来衡量。谈到价值，就涉及到价值取向问题。用不同的价值取向对同一个事物的效果进行评价，结果不会一样。,2023/9/24,张星元：发酵原理,35,微生物细胞本身的价值取向是加强生存竞争能力，而工业发酵中微生物细胞机器的价值取向是提高目的产物的生产能力。因此在工业发酵的过程中，需要遵循微生物细胞经济运行规律，对微生物的代谢活动进行协调。,2023/9/24,张星元：发酵原理,36,有关价值取向问题：微生物细胞竞争能力（细胞生长速度和繁殖速度）。细胞机器生产能力（细胞在发酵液中累积特定代谢产物的能力）。,2023/9/24,
14、张星元：发酵原理,37,对于本课程定义的典型的工业发酵来说，目的产物的累积往往是以牺牲微生物的竞争能力来实现的，因而，高产突变菌株的生存竞争能力往往要比出发株差一些。工业发酵生产中为了谋求尽量高的经济效益，必须在保证微生物细胞的生存利益的基础上，精心协调微生物细胞的生长和目的产物的累积这两者的关系。,2023/9/24,张星元：发酵原理,38,微生物细胞经济学试图研究 细胞经济体系的运行规律 微生物细胞各个生命活动阶段的代谢活动 代谢流在代谢网络上的流量分布和流动规律 微生物细胞的体现在不同价值取向上的生产力 微生物细胞的生产力与细胞的生产关系之间的关系,2023/9/24,张星元：发酵原理,
15、39,4.2.3.1 细胞经济体系的运行4.2.3.2 细胞经济的经济杠杆4.2.3.3 通用代谢物的作用 4.2.3.3 细胞经济体系是微生物细 胞生命活动的保障体系,2023/9/24,张星元：发酵原理,40,在物竞天择的基础上建立的微生物细胞经济体系已经经受长期的实践的检验，已成为微生物细胞生命活动的保障体系，为适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。,2023/9/24,张星元：发酵原理,41,自然环境或人为的培养条件均能根据不同的价值取向，对细胞的经济运行进行导向。但在细胞遗传物质没有变动的情况下，这种导向只能在有限的范围内进行。,2023/9/24,张星元：发酵原理,42,在遗传物质
16、发生变动的情况下，大自然的导向，是指自发突变加上自然选择，导致微生物物种的进化；人为的导向，就是遗传改造和定向筛选，导致优良的生产菌种的获得，实现另一种意义上的进化。然而，不论是大自然的导向还是人为的导向，都不能改变微生物细胞的生存保障规律。,2023/9/24,张星元：发酵原理,43,4.2.3.1 细胞经济体系的运行 原始型细胞经济 导向型细胞经济 细胞经济系数,2023/9/24,张星元：发酵原理,44,微生物细胞的生存保障规律可以概括成:整体协调，维持生计,2023/9/24,张星元：发酵原理,45,微生物细胞必须按这个生存保障规律进行经济运行，在这个前提下，细胞经济运行还可以接受细胞
17、经济杠杆的人为的调控。根据是否接受细胞经济杠杆的人为的调控可以把微生物细胞经济分为：原始型细胞经济，导向型细胞经济。,2023/9/24,张星元：发酵原理,46,原始型细胞经济,原始型细胞经济体系是这样一种细胞经济体系，这种细胞经济体系还没有接受人为的经济导向。野生型微生物的细胞经济体系往往是属于这个类型的。原始型细胞经济是细胞经济体系的这样一种运行状态，这种运行状态有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。,2023/9/24,张星元：发酵原理,47,微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力，提高生存竞争能力；也就是优化细胞经济运行状态。经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所栖身的环境
18、中是富有竞争能力的。,2023/9/24,张星元：发酵原理,48,导向型细胞经济 如果要求微生物过量合成某种代谢中间产物，则须对微生物的代谢流进行导向。根据已获得的代谢分析的信息，应用正确的策略，进行设计，然后按计划对出发株进行遗传改造和随后的培养条件优化，将代谢流导向理想的载流路径。,2023/9/24,张星元：发酵原理,49,在这种情况下，细胞因接受了人为的代谢导向，细胞经济体系处于接受导向的运行状态，因此有导向型细胞经济之称。尽管以产品为导向的导向型细胞经济不同于原始型细胞经济，然而，微生物细胞总是按整体协调，维持生计的细胞经济管理原则实现能量和还原力的新的平衡，从而保证生命活动以另一种
19、格局持续进行下去。,2023/9/24,张星元：发酵原理,50,经济活动通过货币投入，获得收益。在微生物细胞的代谢活动中，存在着以较少的营养物质，获得较大的生长效益问题。在这个意义上，微生物的代谢活动也是一种经济活动，微生物细胞消耗能量（实际上是以ATP的形式提供代谢能），实现生长。因此研究微生物的代谢，即微生物细胞的经济运行，必须研究生长能学。,2023/9/24,张星元：发酵原理,51,细胞经济系数 为了使微生物的细胞经济运行状态和竞争能力得到量化。曾经以基质的得率系数 Yxs 为基准，把细胞经济系数 定义为细胞增长速率与基质消耗速率之比。,2023/9/24,张星元：发酵原理,52,但是
20、，在进行分批培养时，培养基的组成成分是在不断变化的，细胞增长速率与不同基质的消耗速率都在变化之中，因此这样的“细胞经济系数”难以进行同一个水平上的比较。培养基的组成差异是一个质的差异，如果我们将这个质的差异换算成量的差异，或许问题就容易解决了。,2023/9/24,张星元：发酵原理,53,这样，我们试图将培养基的质的差异转换成ATP的量的差异，以ATP 得率系数YxATP 为基准，修改细胞经济系数。特引进代谢经济系数(economic coefficient of metabolism)的概念，用来描写细胞经济体系的经济运行的状况，以及代谢能对于细胞生长的经济效果。,2023/9/24,张星元
21、：发酵原理,54,代谢经济系数，简称经济系数，被定义为细胞增长的速率与ATP的消耗速率之比：这个经济系数不但使微生物的细胞经济运行状态和竞争能力得到了量化，而且可以推算细胞的代谢成本。,2023/9/24,张星元：发酵原理,55,综上所述，ATP得率系数YxATP，即合成单位细胞量所消耗ATP的量 mmol ATP（g细胞干重）-1，比细胞量对基质的得率系数 Yxs，即合成单位量的细胞所消耗的基质的量，更能体现细胞生长的经济活动的基本特性。所以在分析细胞的经济活动时，以 ATP得率系数YxATP为基准比以基质的得率系数Yxs 为基准更能反映经济活动的本质。,2023/9/24,张星元：发酵原理
22、,56,细胞经济系数的高低取决于分解代谢体系（子系统）与两个生物合成系统（子系统和子系统）的协调运转的状况。经济系数高低反映各代谢体系之间的联系程度、相关程度和协调程度的高低。,2023/9/24,张星元：发酵原理,57,各代谢子系统之间的联系越紧密，各代谢子系统运转的独立性就越小，代谢产物的累积就越困难。在这种情况下，微生物本身能最大限度地生长和繁殖，细胞生产自身的能力最强。细胞经济处于富于竞争能力的运行状态，细胞经济系数最高。,2023/9/24,张星元：发酵原理,58,4.2.3.2 微生物的经济杠杆 外界环境条件 对代谢产物的分泌能力 遗传根据,2023/9/24,张星元：发酵原理,5
23、9,根据工业发酵的现状，把依靠化能异养型微生物合成某最终被分泌到胞外的初级代谢产物（目的产物）的过程，作为工业发酵的典型过程来研究。如果要在发酵液中获得大量的目的产物，先决条件是必须有一定量的细胞存在，而且细胞的生命活动必须得到维持。,2023/9/24,张星元：发酵原理,60,在发酵工业生产上，分批发酵的前期是菌种微生物增殖（细胞机器的在线制造）阶段。应该从培养条件上保证菌种微生物的正常增殖，以便为随后目的产物生成（细胞机器的在线运行）提供足够的细胞机器。然后，细胞机器转入目的产物的生产（在线运行）阶段。,2023/9/24,张星元：发酵原理,61,目的产物在发酵液中的累积，是微生物细胞按整
24、体协调维持生计的生存保障规律，自动调低细胞生长速度，维持生命活动的情况下实现的。在这个阶段，培养条件的转换能调动菌种微生物高产目的产物的遗传潜力，从而促成目的产物生产的代谢导向，使微生物细胞在胞外累积目的产物，获得发酵工业生产的经济效益。,2023/9/24,张星元：发酵原理,62,这时，因为目的产物（原来用于生长的代谢中间产物）的抽出，造成细胞生长速率的下降和竞争能力的削弱。细胞生成速度相对较低，细胞经济系数相对较低；目的产物的生成速度相对较高，目的产物生成系数相对较高。,2023/9/24,张星元：发酵原理,63,微生物群体的生命活动（也就是细胞的经济活动），不论是在天然的环境下还是在人为
25、的培养条件下进行，都受到经济杠杆的调控。在微生物学中，细菌的（群体）生长曲线反映的单细胞微生物生长体系中细胞浓度随时间的变化规律（先后经过延迟期、对数期、平衡期和衰亡期），就是细胞的经济活动受到调控的结果；细菌细胞自身的生命活动影响其自身的环境条件，其自身的环境条件反过来又影响（调控）细胞自身的生命活动。,2023/9/24,张星元：发酵原理,64,在工业发酵生产中，人们可以利用经济杠杆对微生物的生长、繁殖等新陈代谢过程进行调控。化能异养型微生物细胞经济的经济杠杆主要有下面几种：,2023/9/24,张星元：发酵原理,65,外界环境条件 如 pH、温度、溶解氧及培养基的营养成分。外界环境首先向
26、子系统（碳源分解代谢）施加影响，比如使糖的降解代谢途径上的代谢流发生变化，甚至发生途径的转换和代谢流的漂移。,2023/9/24,张星元：发酵原理,66,对代谢产物的分泌能力 要实现代谢产物在发酵液中的大量累积，还有一个先决条件是微生物细胞对这些代谢产物的分泌能力。如果这些代谢产物因代谢方面的原因只在细胞内累积而不分泌，就会影响细胞的内部环境，直至影响到微生物细胞的生存。,2023/9/24,张星元：发酵原理,67,在这种情况下，旺盛的分泌能力对微生物细胞来说是一种解毒机制；对工业生产来说，细胞分泌能力有助于代谢产物的大量生成和在发酵液中的大量累积。代谢产物的分泌对以各代谢子系统的松散联系为基
27、础的有关子系统的独立运转，也起着十分重要的作用。,2023/9/24,张星元：发酵原理,68,遗传物质 如子系统和（生物合成）所涉及的合成代谢途径的酶和（或）调节机制的遗传根据的改变。子系统和的运行，除了受到外界条件的间接影响外，更多地取决于人对菌种的选育和改造。,2023/9/24,张星元：发酵原理,69,在工业发酵过程中，通过经济杠杆原理调节细胞机器的在线制造阶段和在线运行阶段的相对长度和运行状态，根据生产需要和微生物菌种的性能适度地调节培养过程中代谢成本的分布（细胞机器成本在总成本中的比例）。,2023/9/24,张星元：发酵原理,70,4.2.3.3 通用代谢物的作用,2023/9/2
28、4,张星元：发酵原理,71,可以在细胞全局范围内通用的代谢物通用代谢物（currency metabolites）是指，主要是能量货币ATP和以代谢物形式出现的还原力 NADH 和NADPH。它们的作用主要在于调节代谢流的流量和方向，使途径成为代谢网络整体的一部分。,2023/9/24,张星元：发酵原理,72,生物合成反应一般都依赖于ATP的供应，若ATP供应不足，则生物合成受阻，甚至连形成代谢能的降解途径都不能激活。ATP及其相关分子 ADP、AMP（三者组成腺苷酸库）不但调节中心（碳代谢）途径的供能反应，还直接参与代谢反应。这些中心分解代谢过程（糖酵解和 TCA 循环）为生物合成提供启动物
29、质。然而，就其重要性来说，其调节作用远远大于其参与作用。,2023/9/24,张星元：发酵原理,73,2023/9/24,张星元：发酵原理,74,这些途径不仅提供前体代谢物，同时也提供代谢能和辅助因子，以满足基本的合成代谢的需要。因此，此类途径被称为无定向代谢途径以表示它们在分解代谢和合成代谢中的双重作用。这些途径的调节应当反映出其双重功能，即确保碳架物质（carbon skeletons）正确地、协调地流进生物合成途径和产能途径（收获代谢能的途径）。严格地说，生物合成途径与降解途径的主要区别在于，用来控制流量的调节信号的性质的不同。,2023/9/24,张星元：发酵原理,75,如果糖酵解或T
30、CA循环仅仅接受能荷调节，那么在能量供应充足的条件下，通过这些途径的流量将会硬性地减少。然而，伴随着ATP再生的减少，这种反馈机制也会限制用于生长的中间物的利用率，从而削弱生长。这样的响应仍不能令人满意，因为培养基营养供应丰富时，生长也会受到限制。,2023/9/24,张星元：发酵原理,76,为了满意地调节一个同时支持两种功能（产能和生长）的过程，已经导出了一种微妙的机制。这个机制需要两类信号的输入，一类是生物合成中间物水平的信号，另一类是代谢能水平的信号。,2023/9/24,张星元：发酵原理,77,第一类信号是特定途径（通常是严格的合成过程）的终产物。大量实例说明大多数生物合成途径的调节都
31、包括简单反馈机制，其中终产物抑制其自身合成的分支途径的第一步，例如苏氨酸抑制高丝氨酸脱氢酶，异亮氨酸抑制苏氨酸脱氨酶，组氨酸抑制磷酸核糖-ATP 焦磷酸化酶（5-磷酸核糖焦磷酸激酶），色氨酸抑制邻氨基苯甲酸合成酶等。,2023/9/24,张星元：发酵原理,78,第二个信号是严格的分解代谢途径所特有的，而且是能量代谢的最终的（或中间的）产物，也就是 Pi、AMP、ADP、ATP、NADH、NADPH，例如 产气肠杆菌的苏氨酸脱氨酶（降解酶）受 AMP的激活，铜绿假单胞菌的组氨酸酶（降解酶）受Pi 的抑制，并且此抑制可被AMP和GDP解除。,2023/9/24,张星元：发酵原理,79,无定向代谢途
32、径采用两种流量控制方式，即终产物的抑制和作为细胞能量状态指示剂的代谢物的活性控制。当两个信号中任一个信号低时，糖酵解将继续进行；当两者均处于正常范围时，糖酵解途径尚能起作用，而通过该途径的流量减小。,2023/9/24,张星元：发酵原理,80,当然在一个正在代谢葡萄糖的细胞中，糖酵解途径决不会完全关闭，因为细胞生命活动需要ATP的持续供应。就不同前体相互之间的平衡和生物合成对于不同前体的需要而论，12种前体代谢物的形成速率的平衡涉及一个高度复杂的调控机制。要进行这样的协调，除了涉及碳架物质，还有供能反应必须提供的代谢能（ATP等）和还原力（NADH 和 NADPH）。因此，毫不奇怪，这些化合物
33、本身就是代谢网络中许多不同位点的变构效应物。,2023/9/24,张星元：发酵原理,81,关于能荷调节，本章4.1.2.3已有描述，并已推导出推算能荷的公式：,上式给出了对流量的协调控制的能荷的推算公式，式中带下标的 c 分别表示下标对应的腺苷酸的浓度。从此式可知，能荷可以在0（全部AMP）和1（全部ATP）之间变化。,2023/9/24,张星元：发酵原理,82,一般说来，高能荷抑制补充代谢能的酶系（例如生物合成酶系），同时激活消耗ATP的酶系；反之低能荷则抑制消耗代谢能的酶系，同时激活生成ATP的酶系。,2023/9/24,张星元：发酵原理,83,在氧化-还原反应中也有类似的情况。氧化-还原
34、反应受到还原荷（reduction charge）的类似的调节。吡啶核苷酸作为氢负离子或还原力的载体：NAD 主要在供能途径的氧化还原反应中起作用，NADP 通常用于生物合成反应。在供能反应中，NAD+（氧化型的NAD）是反应物，而合成反应利用 NADPH（还原型的 NADP）。因此毫不奇怪，在生理条件下大部分 NAD 在胞内是以 NAD+的形式存在，而NADP是以NADPH的形式存在。,2023/9/24,张星元：发酵原理,84,可用分解代谢还原荷（catabolic reduced charge）和合成代谢还原荷（anabolic reduced charge）来描述细胞的氧化还原状态。分
35、解代谢还原荷，缩写为 CRC，其值约为 0.03 0.07；合成代谢还原荷，缩写为ARC，其值约为 CRC 的10 倍。,2023/9/24,张星元：发酵原理,85,还原荷可用下面公式计算：,式中带下标的 c 分别表示下标对应的吡啶核苷酸的浓度。,2023/9/24,张星元：发酵原理,86,CRC 和ARC 分别在协调供能反应与生物合成反应的过程中，起着重要作用，尽管对它们的作用的细节尚不如对能荷的作用那样清楚。大部分细胞中有 4 个供能反应能生成 NADPH，两个反应在磷酸戊糖途径，它们分别是 6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PDH）和 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（G6PDH）；另外两个反应在TCA环
36、，它们分别是异柠檬酸脱氢酶（ID）和苹果酸酶（ME）。生成的 NADPH 参与生物合成。,2023/9/24,张星元：发酵原理,87,CRC 和ARC 的调节被认为是通过转氢酶而发生的，该酶催化如下可逆反应：NADP+NADH NADPH+NAD+这是一个束缚在膜上的酶，它由质子运动势（proton-motive force）驱动；因此这个过程只能在能量化了的膜上进行，该反应的平衡被认为是靠质子运动势来改变的。,2023/9/24,张星元：发酵原理,88,4.2.3.4 细胞经济体系是微生物细 胞生命活动的保障体系,2023/9/24,张星元：发酵原理,89,工业发酵依靠菌种细胞群体的代谢来获
37、得产品。接受导向的细胞经济状态固然有利于特定的代谢产物的生产，但从富于竞争能力的原始型细胞经济状态向接受导向的导向型细胞经济状态的转化，取决于菌种的遗传条件（内因）和环境条件（外因），还受到能量代谢和还原力平衡的严格制约。,2023/9/24,张星元：发酵原理,90,微生物细胞的自动调节机制支持代谢的变动性，而微生物遗传的保守性又限制了代谢变动对环境变化的响应范围；微生物在此响应范围内变通地维持生计。微生物的细胞经济体系就是微生物细胞生命活动的保障体系。,2023/9/24,张星元：发酵原理,91,微生物的实物结构是指细胞学描述的结构，微生物的经济结构是指细胞经济体系的 3 个子系统。微生物的
38、实物结构和经济结构构成微生物细胞的经济基础微生物细胞生产关系的总和。为这个经济基础服务的细胞经济管理原则是整体协调、维持生计，它最终是由细胞的遗传物质规定的。,2023/9/24,张星元：发酵原理,92,尽管通过改变培养条件，调整相关的代谢子系统及它们之间的关系，也可能在生理弹性范围内引导野生型微生物细胞过量生产特定中间代谢产物；但若要大幅度提高对特定中间代谢产物的生产能力，必须对野生型的微生物进行遗传改造，通过调整细胞的生产关系，使细胞经济按新的生产格局运行：从生产细胞的原始型细胞经济格局转向生产目的产物（特定的初级代谢产物）的导向型细胞经济格局。,2023/9/24,张星元：发酵原理,93
39、,然而，尽管生产格局变了，微生物细胞整体协调、维持生计的经济管理原则没有变。人类有能力发现这个规律，但不能改变这个体现生命本质的规律。微生物细胞的这个细胞经济管理原则是千千万万年物竞天择的综合性成果，是微生物自我保护自我发展的基本原则。,2023/9/24,张星元：发酵原理,94,我们必须深入研究微生物细胞经济体系及其运行规律。尽管，微生物细胞天然的生产关系（支持细胞增殖的生产关系）仍在一定程度上束缚着（同时支持和维持着）发酵工业生产线上的细胞机器的生产力（指生产特定的初级代谢产物的生产力），我们期望经过在微生物生理学与遗传学方面的不懈的努力，把微生物细胞在典型的工业发酵中的生产关系与生产力之间的关系，从基本不适合（生产力受到束缚）优化为基本适合（生产力得到解放）。,2023/9/24,张星元：发酵原理,95,代谢成本：肽链上每添加一个氨基酸一共要消耗 4.3 个ATP；RNA上收编一个核苷酸（以单磷酸核苷酸计）的代谢能成本为 2.4 个 ATP；DNA 上结合一个脱氧核糖核苷酸（以单磷酸核苷酸计）的总能耗为 3.4 个ATP。多糖链上每添加一个糖基要消耗 1个UTP。,
