代謝工程復習

1、一、根據(jù)生化代謝系統(tǒng)反應反應特點對生物體生化反應進行分類：裝配反應（AssemblyReaction）：完成大分子的修飾，并將大分子運輸?shù)郊毎麅?nèi)的特定區(qū)域，最終使其參與細胞結構元件的合成，如細胞壁、細胞膜等聚合反應（PolymerizationReaction）：使細胞構建單體聚合形成生物大分子，聚合過程均為長鏈式，中間伴有分支反應。生物合成反應（BiosynthesisReaction）：最終產(chǎn)物是參與聚合反應的構建單體以及一些輔酶等。以級聯(lián)形式組合，形成特定的生物合成途徑，合成途徑中編碼不同酶的基因成簇分布，通常是一個操縱子。產(chǎn)能反應（FuelingReaction）分解代謝途徑中的12種

2、生物合成前體，產(chǎn)生能量合成ATPATP提供能量，產(chǎn)生還原力（NADPH）。二、術語底物：培養(yǎng)基中的化合物，能被細胞進一步代謝或直接構成細胞組分。碳源、氮源、能源、無機鹽代謝產(chǎn)物：細胞產(chǎn)生并分泌到細胞外的化合物，分為初級代謝產(chǎn)物（C02、乙醇等）、次級代謝產(chǎn)物（該生物無明顯生理功能,或并非是微生物生長和繁殖所必需的物質(zhì)，如抗生素、毒素、激素、色素等）、蛋白質(zhì)生物基質(zhì)要素：生物大分子，RNA、DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類胞內(nèi)代謝物：代謝途徑的中間產(chǎn)物以及用于合成大分子的結構單元途徑：代謝物的轉(zhuǎn)化、信息傳遞以及其他反應的過程生化反應途徑、代謝途徑：由一系列連續(xù)的生化反應構成。在活細胞中則稱為代謝途徑生

3、物反應網(wǎng)絡：生化途徑匯總構成網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡：包括物質(zhì)代謝網(wǎng)絡、能量代謝網(wǎng)絡，由分解、合成、膜運輸途徑構成代謝網(wǎng)絡的聯(lián)網(wǎng)：通過化學反應或生化反應將化合物與代謝網(wǎng)絡連接通量/物流：物質(zhì)、信息通過代謝途徑產(chǎn)生的速率代謝流（碳架物質(zhì)流）：代謝物在代謝途徑中形成代謝流，某一代謝途徑的代謝流（Flux）定義為流入代謝物被途徑加工成流出代謝物的速率。在代謝工程上稱為，碳架物質(zhì)流代謝主流：一定培養(yǎng)條件下，代謝物在代謝網(wǎng)絡中流動，流量相對集中的代謝流為該條件下的代謝主流載流途徑：代謝主流經(jīng)過的代謝途徑，代謝工程中，指碳流在網(wǎng)絡中通過的主要途徑，即生產(chǎn)產(chǎn)物讓碳流相對集中進行生產(chǎn)的途徑代謝主流的變動性、選擇性：微生物

4、的代謝主流處于不斷變化中（變動性），其方向、流量、載流途徑由于環(huán)境影響而發(fā)生改變（選擇性）理想載流途徑：代謝主流從設定的途徑通過，該途徑為理想載流途徑代謝網(wǎng)絡節(jié)點：代謝網(wǎng)絡的交叉點即代謝網(wǎng)絡分流處的代謝產(chǎn)物（代謝流的集散處）。條件改變，代謝流去向變化大的節(jié)點為主節(jié)點。分為柔性（流量分配容易改變并滿足代謝需求的一類節(jié)點）、柔剛性（介于兩者之間）、強剛性（是流量分配不容易改變的一類節(jié)點）節(jié)點的剛性：微生物自動抵制節(jié)點處流量分配的改變的特性代謝網(wǎng)絡的剛性：微生物自動抵制代謝網(wǎng)絡流量分布的改變的特性代謝物流分析：計算各途徑的物流，描述不同途徑間的相互作用以及支點物流分布代謝控制分析：指通過某一途徑的物

5、流與以流量控制系數(shù)表示的酶活之間的定量關系流量控制系數(shù)：流量的百分比變化/某一酶酶活（該酶理論上能夠引起的流量的變化）的百分比變化總和原理：某一代謝系統(tǒng)中某一物流的所有酶的流量控制系數(shù)之和，為1彈性系數(shù)：表示酶催化反應速率對代謝濃度的敏感性；彈性系數(shù)是個別酶的特性物流分擔比：途徑A與途徑B的物流比生物技術的上、中、下游過程：上游加工最重要的是提供和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑下游加工從反應液中提取目的產(chǎn)物加工精制成合格產(chǎn)品中游加工生物反應器為中心生物化學工程包括中下游兩部分黑箱模型：1黑箱模型中細胞生物基質(zhì)以黑箱形式與環(huán)境進行物質(zhì)交換，因而生物活細胞內(nèi)上千種生化反應被簡化為單一反應，即生

6、物基質(zhì)的生長。2進出黑箱的物質(zhì)流量用特殊的反應速率來表征，即底物攝取速率rs和產(chǎn)物形成速率rp,其定義分別為單位時間單位生物基質(zhì)所生成和消耗的物質(zhì)量。3第三個參數(shù)是黑箱模型中生物基質(zhì)的積累量，用比生長速率m來表示。代謝途徑的組合：是指在遵循各生化反應化學計量規(guī)律的前體下，尋找從初始化合物到目的化合物各種可能存在的生物合成途徑。細胞代謝流分析的基本理論：在測定胞外物質(zhì)變化的基礎上，通過細胞內(nèi)各種生化反應的化學計量可以計算出胞內(nèi)各物質(zhì)的流量分配，相比之下，胞外流量是通過對細胞底物攝取率及產(chǎn)物分泌率的測定而獲得的。代謝流分析的最終任務是繪制完整的代謝過程流量圖，該圖包括由各相關反應組成的完整代謝途徑

7、以及各代謝物在穩(wěn)定態(tài)時的流量精細分布。確定細胞內(nèi)代謝途徑中的剛性節(jié)點：剛性節(jié)點的分支流量不會發(fā)生較大的改變，而柔性節(jié)點分支流量會隨著環(huán)境或細胞性狀的改變進行相應調(diào)節(jié)。細胞代謝流的測定：直接法測定法、同位素標記測定法根據(jù)底物在代謝反應中對通用性酶和特異性酶的使用要求，可將細胞內(nèi)所有的生物分子分成兩大類：（1）一級基因產(chǎn)物，如tRNA、rRNA、多糖、酯類、蛋白質(zhì)和核酸等，其生物合成和分解只需要有限的幾種通用性的酶及蛋白因子，包括RNA聚合酶、RNA剪切酶、DNA聚合酶、糖苷酶、脂酶、氨酰基-tRNA合成酶、肽基轉(zhuǎn)移酶、核酸酶等；（2）二級基因產(chǎn)物，如氨基酸、維生素、抗生素、核苷酸等小分子化合物，

8、它們的生物全合成和降解少則涉及幾個基因多則需要幾十個基因所編碼的酶系，而且這些酶大都具有使用的特異性。代謝流及其控制機制的三大基本步驟：建立一種能盡可能多的觀察代謝網(wǎng)絡并測定其流量的方法在代謝網(wǎng)絡中施加一個已知的擾動，以確定在系統(tǒng)松散之后達到新的穩(wěn)態(tài)時的代謝流。要系統(tǒng)分析代謝流擾動的結果。代謝工程基本過程：靶點設計：根據(jù)代謝流分布和控制的分析結果確定代謝設計的合理靶點，通常包括擬修飾基因的靶點、擬導入途徑的靶點或者擬阻斷途徑的靶點等?；虿僮鳎夯蛑亟M是途徑工程重要的特征操作技術效果分析代謝工程的基本原理：涉及細胞物質(zhì)代謝規(guī)律及途徑組合的生物化學原理涉及細胞代謝流及其控制分析的化學計量學、分子

9、反應動力學、熱力學和控制學原理，這是代謝途徑修飾的理論依據(jù)；涉及途徑代謝流推動力的酶學原理，包括酶反應動力學、變構抑制效應、修飾激活效應等涉及基因操作與控制的分子生物學和分子遺傳學原理，它們闡明了基因表達的基本規(guī)律，同時也提供了基因操作的一整套相關技術；涉及細胞生理狀態(tài)平衡的細胞生理學原理，它為細胞代謝機能提供一個全景式的描述，因此是一個代謝速率和生理狀態(tài)表征研究的理想平臺；涉及發(fā)酵或細胞培養(yǎng)的工藝和工程控制的生化工程和化學工程原理涉及生物信息收集、分析與應用的基因組學、蛋白質(zhì)組學原理代謝工程的研究技術：檢測技術分析技術操作技術增加目標產(chǎn)物的積累的五個方面：增加代謝途徑中限速步驟酶編碼基因的拷

10、貝數(shù)強化以啟動子為主的關鍵基因的表達系統(tǒng)提高目標途徑激活因子的合成速率滅活目標途徑抑制因子的編碼基因阻斷與目標途徑相競爭的代謝途徑代謝組學代謝組學是研究生物體系（細胞，組織或生物體）受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物的變化，可以認為代謝組學是基因組學和蛋白組學的延伸ranscriptomi匚q組是指一種微生物嚴盤因租摩=k,.genomicsoroteomics因組研究戒象研究方法植物線粒體DNA代謝產(chǎn)物則以元素組感、原i菌和和病毒）或其它生物體細胞中的總款或RNa瀟逆轉(zhuǎn)錄病毒），差異顯示、減法雜交,DNAK片技術等同位素親和標簽、2D-MS技術由2LT氨基酸構成：梳酸（A.T/U.C.0以測序為

11、主核DNA,細胞器DNA（動轉(zhuǎn)錄組轉(zhuǎn)錄組即一個活細胞所能轉(zhuǎn)錄出來的所有mRNA蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組是某種生物所能表達的所有蛋白質(zhì)，即包括一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質(zhì)，它們都是由RNA從基因那里轉(zhuǎn)錄、剪輯信息后選擇性拼接和修飾產(chǎn)生。代謝組（metabolome）代謝組應該是指某一生物或細胞所有的代謝產(chǎn)物。生物過程（reactome）Reactome是一個人為規(guī)定的人類核心生物途徑和反應的數(shù)據(jù)庫Reactome數(shù)據(jù)庫的基本單元是一個生物反應代謝產(chǎn)物的分析層次OliverFiehn將對生物體系的代謝產(chǎn)物分析分為4個層次代謝物靶標分析(Metabolitetargetanalysis)：某個或某幾個特定組分的分析；代謝輪廓分析(Metabolicprofiling)：少數(shù)預設的一些代謝產(chǎn)物的定量分析，如某一類結構、性質(zhì)相關的化合物或某一代謝途徑的所有中間產(chǎn)物或多條代謝途徑的標志性組分；代謝組學(Metabolomics)：限定條件下的特定生物樣品中所有代謝組分的定性和定量；代謝物指紋分析(Metabolicfingerprinting)：不分離鑒定具體單一組分，而是對樣品進行快速分