第二章 發(fā)酵過程的生物學(xué)基礎(chǔ)

第二章發(fā)酵過程的生物學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)

代謝產(chǎn)物的代謝調(diào)控

代謝調(diào)節(jié)是指微生物的代謝速度和方向按照微生物的需要而改變的一種作用。包括酶量的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)。

微生物代謝的控制是指運(yùn)用人為的方法對(duì)微生物的代謝調(diào)節(jié)進(jìn)行遺傳改造和條件的控制，以期按照人們的愿望，生產(chǎn)有用的微生物制品。一、代謝調(diào)節(jié)方式1.細(xì)胞透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜的透性直接影響物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌，從而影響到細(xì)胞內(nèi)代謝的變化。細(xì)胞質(zhì)膜的透性的調(diào)節(jié)是微生物代謝調(diào)節(jié)的重要方式，由它控制著營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。2.代謝途徑區(qū)域化原核微生物細(xì)胞里，劃分出不同的區(qū)域，對(duì)于某一代謝途徑有關(guān)的酶系則集中某一區(qū)域，以保證這一代謝途徑的酶促反應(yīng)順利進(jìn)行，避免了其他途徑的干擾。真核微生物細(xì)胞里，各種酶系被細(xì)胞器隔離分布。細(xì)胞具有復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)使其代謝活動(dòng)只能在特定的部位上進(jìn)行，即代謝活動(dòng)是區(qū)域化的，其實(shí)質(zhì)是控制酶與底物接觸，使各個(gè)反應(yīng)有序地進(jìn)行。

3.代謝流向的調(diào)控微生物在不同條件下可以通過控制各代謝途徑中某個(gè)酶促反應(yīng)的速率來控制代謝物的流向，從而保持機(jī)體代謝的平衡。包括兩種形式：（1）由一個(gè)關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng)同一個(gè)酶可以通過不同輔基(或輔酶)控制代謝物的流向。（2）由兩種酶控制的逆單向反應(yīng)逆單向反應(yīng)是在生物體代謝的關(guān)鍵部位的某些反應(yīng)，它是由兩種各自不同的酶來催化的。即在一個(gè)“可逆”反應(yīng)中，其中一種酶催化正反應(yīng)，而另一種酶則催化逆反應(yīng)。4.代謝速度的調(diào)控在不可逆反應(yīng)中，微生物通過調(diào)節(jié)酶的活性和酶量來控制代謝物的流量。二、酶合成的調(diào)節(jié)1.酶合成的誘導(dǎo)根據(jù)酶合成與底物的關(guān)系將酶分為：組成型、誘導(dǎo)型（1）組成酶是細(xì)胞固有的酶，其合成受相應(yīng)基因控制，與底物、底物結(jié)構(gòu)類似物及環(huán)境條件無關(guān)，它主要用于調(diào)節(jié)初級(jí)代謝。（2）誘導(dǎo)酶是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或底物結(jié)構(gòu)類似物而臨時(shí)合成的酶。

誘導(dǎo)物：能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)?？勺鳛檎T導(dǎo)物的有：底物、難以代謝的底物結(jié)構(gòu)類似物、底物前體酶合成的誘導(dǎo)分為：協(xié)同誘導(dǎo)、順序誘導(dǎo)協(xié)同誘導(dǎo)指一種底物能同時(shí)誘導(dǎo)幾種酶的合成。順序誘導(dǎo)指先合成分解底物的酶，再依次合成分解各中間產(chǎn)物的酶，達(dá)到對(duì)復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。2.酶合成的誘導(dǎo)的機(jī)制3.酶合成的阻遏（1）終產(chǎn)物阻遏末端產(chǎn)物阻遏指某代謝途徑末端產(chǎn)物過量累積引起的阻遏。在直線反應(yīng)途徑中，末端產(chǎn)物阻遏即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使這些酶不能合成。（2）分解代謝產(chǎn)物阻遏分解代謝物阻遏指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種底物(碳源或氮源)時(shí)，易利用底物會(huì)阻遏難利用底物分解酶系的合成。其實(shí)質(zhì)是易利用底物分解過程中產(chǎn)生的中間代謝物或末端代謝物的過量累積，阻遏了代謝途徑中一些酶的合成?！岸紊L現(xiàn)象”4.酶合成的阻遏的機(jī)制三、酶活性的調(diào)節(jié)1.概念酶活性調(diào)節(jié)：是指一定數(shù)量的酶，通過其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。2.影響因素（1）底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度（2）環(huán)境因子（3）其他的酶的存在3.調(diào)節(jié)方式酶活性的調(diào)節(jié)方式有兩種：激活已有酶的活性、抑制已有酶的活性（1）激活

激活：在激活劑的作用下，使原來無活性的酶變成有活性，或使原來活性低的酶提高了活性的現(xiàn)象。代謝調(diào)節(jié)的激活作用：主要是指代謝物對(duì)酶的激活。前體激活：指代謝途徑中后面的酶促反應(yīng)，可被該途徑中較前面的一個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。代謝中間產(chǎn)物的反饋激活：指代謝中間產(chǎn)物對(duì)該代謝途徑的前面的酶起激活作用（2）抑制

抑制：由于某些物質(zhì)的存在，降低酶活性。不可逆的抑制，將造成代謝作用的停止?？赡娴囊种?，當(dāng)抑制劑除去后，酶活性又恢復(fù)。在代謝調(diào)節(jié)過程中所發(fā)生的抑制現(xiàn)象主要是可逆的，而且大多屬于反饋抑制。反遺抑制：反饋抑制是指代謝的末端產(chǎn)物對(duì)酶(往往是代謝途徑中的第一個(gè)酶)活性的抑制。包括：無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)、有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)A.無分支代謝途徑的調(diào)節(jié)通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對(duì)催化第一步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。例如：蘇氨酸α-酮丁酸異亮氨酸TDB.有分支代謝途徑的調(diào)節(jié)在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支合成代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式的共同特點(diǎn)是每個(gè)分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)后的第一個(gè)酶，同時(shí)每個(gè)末端產(chǎn)物又對(duì)整個(gè)途徑的第一個(gè)酶有部分的抑制作用。分支代謝的反饋調(diào)節(jié)方式有多種：酶的順序反饋抑制、同工酶的反饋抑制、協(xié)同反饋抑制、累積反饋抑制、超相加反饋抑制a.酶的順序反饋抑制分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制途徑中的第一個(gè)酶，只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過量時(shí)，才能對(duì)途徑中的第一個(gè)酶有抑制作用。b.同工酶的反饋抑制

同功酶是指能催化同一生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍有不同，可分別被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的一類酶。其特點(diǎn)是：途徑中第一個(gè)反應(yīng)被兩個(gè)不同的酶所催化，一個(gè)酶被H抑制，另一個(gè)酶被G抑制。只有當(dāng)H和G同時(shí)過量才能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)锽。c.協(xié)同反饋抑制在分支代謝系統(tǒng)中，幾種末端產(chǎn)物同時(shí)都過量，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶具有抑制作用，如果末端產(chǎn)物單獨(dú)過量則對(duì)途徑中的第一個(gè)酶無抑制作用。d.累積反饋抑制在分支代謝途徑中各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時(shí)，它們各自能對(duì)途徑中的第一個(gè)反應(yīng)的酶僅產(chǎn)生較小的抑制作用。一種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量并不影響其它末端產(chǎn)物的形成，只有當(dāng)幾種末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，才對(duì)途徑中的第一個(gè)酶產(chǎn)生較大的抑制。例如：大腸桿菌谷氨酰胺合成酶(GS)的累積反饋抑制e.超相加反饋抑制超相加反饋抑制是一種既不同于協(xié)同反饋抑制又不同于累積反饋抑制。對(duì)一個(gè)分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時(shí)，僅產(chǎn)生對(duì)共同途徑的第一個(gè)酶部分的抑制。如果每種末端產(chǎn)物都過量時(shí)，其抑制作用則超過各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過量時(shí)抑制的總和。4.酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制解釋酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制的理論：（1）別構(gòu)調(diào)節(jié)理論其核心是酶分子構(gòu)象的改變（2）酶分子的化學(xué)修飾理論其核心是酶分子結(jié)構(gòu)的改變四、初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)

初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)方式有：1.產(chǎn)能代謝的調(diào)節(jié)：能荷調(diào)節(jié)能荷：即指細(xì)胞中ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可為代謝反應(yīng)供能的高能磷酸鍵的量度。能荷調(diào)節(jié)：通過ATP、ADP和AMP分子對(duì)某些酶分子進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)行的。2.核蛋白體合成的調(diào)節(jié)3.氨基酸、核苷酸合成代謝的調(diào)節(jié)五、次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)

次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)方式有：1.初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)許多次級(jí)代謝產(chǎn)物的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級(jí)代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級(jí)代謝產(chǎn)物是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級(jí)代謝途徑并不是獨(dú)立的，而是與初級(jí)代謝途徑有密切關(guān)系的。因此次級(jí)代謝必然會(huì)受到初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)。2.碳代謝物的調(diào)節(jié)作用碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代謝產(chǎn)物，對(duì)其他代謝中的酶(包括分解酶和合成酶)的調(diào)節(jié)。分為：分解產(chǎn)物阻遏、抑制3.氮代謝物的調(diào)節(jié)作用在初級(jí)代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，即被迅速利用的氮源(氨)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸鹽還原酶、酰胺酶、脲酶、組氨酸酶)的合成。4.磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用磷酸鹽不僅是菌體生長的主要限制性營養(yǎng)成分，還是調(diào)節(jié)抗生素生物合成的重要參數(shù)。其機(jī)制按效應(yīng)劑說有直接作用，即磷酸鹽自身影響抗生素合成，和間接作用，即磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其他效應(yīng)劑(如ATP、腺苷酸能量負(fù)荷和cAMP)，進(jìn)而影響抗生素合成。5.次級(jí)代謝中的誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?.次級(jí)代謝中細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié)第二節(jié)微生物代謝產(chǎn)物的過量產(chǎn)生一、提高初級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法提高初級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法主要有以下幾種：

1.使用誘導(dǎo)物

2.除去誘導(dǎo)物——選育組成型產(chǎn)生菌

3.降低分解代謝產(chǎn)物濃度，減少阻遏的發(fā)生

4.解除分解代謝阻遏——篩選抗分解代謝阻退突變株

5.解除反饋抑制——篩選抗反饋抑制突變株

6.防止回復(fù)突變的產(chǎn)生和篩選負(fù)變菌株的回復(fù)突變株

7.改變細(xì)胞膜的通透性

8.篩選抗生素抗性突變株

9.選育條件抗性突變株

10.調(diào)節(jié)生長速率

11.加入酶的競爭性抑制劑二、提高次級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法次級(jí)代謝產(chǎn)物是指細(xì)胞生長不必需的、無明顯生理功能的微生物代謝產(chǎn)物。次級(jí)代謝產(chǎn)物可分為糖苷類、多肽類、?；?、核苷類及混雜類。

常用的提高次級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法有以下幾種：

1.補(bǔ)加前體類似物

2.加入誘導(dǎo)物

3.防止碳分解代謝阻退或抑制的發(fā)生

4.防止氮代謝阻遏的發(fā)生

5.篩選耐前體或前體類似物的突變抹

6.選育抗抗生素突變株

7.篩選營養(yǎng)缺陷型的回復(fù)突變株

8.抗毒性突變株的選育三、高濃度微生物的培養(yǎng)

1.為什么要采用高濃度微生物的培養(yǎng)？

2.高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)的原理采用一定的工藝技術(shù)，保證微生物生長的適宜條件，延長微生物的指數(shù)增殖過程，從而得到高濃度的細(xì)胞。

3.高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（1）可大大提高發(fā)酵設(shè)備的利用率（2）節(jié)省能源

4.高濃度細(xì)胞培養(yǎng)的方法（1）流加培養(yǎng)流加培養(yǎng)技術(shù)還可解決以下問題：底物抑制、分解代謝阻遏、葡萄糖效應(yīng)流加培養(yǎng)的控制方式：無反饋控制（恒速流加、變速流加）、反饋控制（DO-恒定控制、pH-恒定控制、CO2生成速率控制、細(xì)胞濃度控制、底物濃度控制）（2）高細(xì)胞濃度連續(xù)培養(yǎng)原理：無菌培養(yǎng)基以一定速度連續(xù)補(bǔ)入發(fā)酵液，同時(shí)采用離心、膜過濾等方法，回收排出液中的細(xì)胞，使之重新進(jìn)入發(fā)酵液中，這樣微生物就可以在發(fā)酵液中高濃度地積累。高濃度的細(xì)胞產(chǎn)生大量的發(fā)酵產(chǎn)物，這些產(chǎn)物隨排出液排出進(jìn)入提取過程，同時(shí)對(duì)細(xì)胞生長起抑制作用的代謝產(chǎn)物也被排出。除去抑制物質(zhì)的方法：透析培養(yǎng)萃取發(fā)酵過濾培養(yǎng)菌體循環(huán)利用過程：待分批發(fā)酵終了將菌體與發(fā)酵液分離，收集的菌體經(jīng)去雜菌等處理后返回發(fā)酵罐，再加入無菌培養(yǎng)基進(jìn)行第二批發(fā)酵，因發(fā)酵液中菌體濃度很高，故發(fā)酵時(shí)間可大大縮短。第二批發(fā)酵終了，進(jìn)行同樣處理，然后再開始第三批發(fā)酵；這種技術(shù)與前面所述兩種技術(shù)原理不同，但也能起到縮短發(fā)酵時(shí)間、提高設(shè)備利用率的作用。（3）高細(xì)胞濃度培養(yǎng)中的問題

A.培養(yǎng)基流加控制與其他條件控制

B.菌體分離裝置的效能

C.菌種退化第三節(jié)工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器

一、工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上的細(xì)胞機(jī)器

二、工業(yè)微生物細(xì)胞的工作模式請(qǐng)帶著以下問題聽此節(jié)：

1.什么叫做機(jī)器？工廠的機(jī)器從哪里來？

它們?cè)鯓訛槲覀児ぷ鳎?/p>

2.生物體能起機(jī)器的作用嗎？

3.微生物細(xì)胞能起機(jī)器的作用嗎？

4.微生物細(xì)胞機(jī)器與人們心目中的機(jī)器有

什么不同？

5.微生物細(xì)胞作為細(xì)胞機(jī)器意味著什么？

一、工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上的細(xì)胞機(jī)器

走進(jìn)現(xiàn)代發(fā)酵工廠，最引人注意的是，在排列整齊、縱橫交叉的彩色管道的映襯下，一排排的銀灰色的龐然大物，它們的名字叫發(fā)酵罐。在莊重而祥和的發(fā)酵罐里億萬微生物小兄弟正在為人類，也為自己的生存歡快地忙碌著。

面對(duì)此情此景人們不禁要問，工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器是發(fā)酵罐，還是微生物？1.生物機(jī)器和細(xì)胞機(jī)器的概念

“機(jī)器”最初定義為由電或蒸汽甚至人力推動(dòng)的、由各具一定功能的幾個(gè)部分組成的用于生產(chǎn)的裝置，如紡紗機(jī)、織布機(jī)、縫紉機(jī)等。因此“機(jī)器”應(yīng)該是屬于工程學(xué)的概念。

“動(dòng)物、植物、微生物”應(yīng)該是屬于生物學(xué)的概念，它們的生命活動(dòng)是由代謝能來驅(qū)動(dòng)的。在人的組織下，如果動(dòng)物、植物、微生物作為生產(chǎn)的“裝置”使用，就可納入“機(jī)器”的范疇，這就是生物機(jī)器。

生物機(jī)器是從機(jī)器衍生的新概念，生物機(jī)器是指由代謝能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。

在這個(gè)意義上牛奶工廠的奶牛，水果原料基地的果樹，發(fā)酵工廠的菌種微生物分別稱作為動(dòng)物生物機(jī)器、植物生物機(jī)器和微生物生物機(jī)器。

微生物細(xì)胞能自主生活和獨(dú)立存在，因此微生物生物機(jī)器也就是微生物細(xì)胞機(jī)器，簡稱細(xì)胞機(jī)器。2.發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器

多年來，我們從研究微生物的生命活動(dòng)規(guī)律入手，從生物學(xué)的角度重新審視了發(fā)酵工程，形成以下關(guān)于現(xiàn)代發(fā)酵工程新思路：（1）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。（2）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)。（3）微生物細(xì)胞機(jī)器按其自身固有的規(guī)律運(yùn)行。

為了引導(dǎo)微生物為我們服務(wù)，必須深入研究微生物細(xì)胞機(jī)器的工作原理。

要研究微生物細(xì)胞機(jī)器的工作原理，首先要建立微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式。二、微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式1.活細(xì)胞的基本性能

2.微生物細(xì)胞的工作模式

3.創(chuàng)新思路的理論基礎(chǔ)

微生物細(xì)胞能自主生活（free-living）和獨(dú)立存在。

單個(gè)微生物細(xì)胞能獨(dú)立地完成能量轉(zhuǎn)化及其自身的生長、繁殖等生命過程，而不直接依賴于其他同一類型的或不同類型的細(xì)胞。

而動(dòng)植物細(xì)胞（體細(xì)胞）在自然界不能單獨(dú)存活，只能作為動(dòng)植物個(gè)體的一部分而存在，具有相互依賴性。

細(xì)胞是微生物生命活動(dòng)的基本單位。

微生物細(xì)胞是一個(gè)由細(xì)胞膜（外面一般有細(xì)胞壁）包圍的，包含許多化學(xué)物質(zhì)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的整體。

細(xì)胞膜是將空間分為細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞外的界面，也是對(duì)細(xì)胞有保護(hù)作用的屏障。

細(xì)胞膜包圍的部分是細(xì)胞行使功能的結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)。

細(xì)胞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是核（或核區(qū)）以及細(xì)胞質(zhì)，前者儲(chǔ)存著用來制造更多細(xì)胞的生物信息，后者包含實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生長和細(xì)胞功能的機(jī)構(gòu)。

微生物細(xì)胞是動(dòng)態(tài)的單位

是其所在環(huán)境中的微生物細(xì)胞，它們每時(shí)每刻都在自我更新，通過與環(huán)境不斷的交換，保持相對(duì)穩(wěn)定的存在方式。

1.活細(xì)胞的基本性能

活細(xì)胞的基本性能主要包括以下5條：

（1）自我復(fù)制：自我復(fù)制是一切生物（包括非細(xì)胞生物和細(xì)胞生物）的基本性質(zhì)。（2）代謝和代謝能支撐：細(xì)胞生物的生命活性來自于組成其自身的活細(xì)胞。

活細(xì)胞的生命活動(dòng)，包括能源化合物被降解以前的激活和生物合成，以及細(xì)胞自身高度有序狀態(tài)的維持，均需要代謝能的支撐。細(xì)胞中的所有的生化反應(yīng)，包括降解代謝和合成代謝是一個(gè)整體，叫做代謝體系。細(xì)胞的代謝體系能將其他形式的能量轉(zhuǎn)變成代謝能，而代謝能反過來又支撐細(xì)胞代謝體系，即支持細(xì)胞的生命活動(dòng)。（3）進(jìn)化：是指經(jīng)自然選擇而獲得的遺傳性變異。

與無生命的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，單細(xì)胞或多細(xì)胞有機(jī)體會(huì)進(jìn)化。

遺傳性能的改變能以正的或負(fù)的方式影響微生物細(xì)胞的適應(yīng)性，進(jìn)化的結(jié)果是對(duì)最適合于在該特定環(huán)境中生活的那些微生物做出選擇（適者生存）。（4）分化：在生物體的生命循環(huán)過程的特定階段，某些細(xì)胞類型在形式或功能方面的發(fā)生改變的現(xiàn)象，通稱分化。

細(xì)胞分化時(shí)，某些分化前不能形成的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)得以形成，而某些分化前可以形成的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)不能再形成。

微生物細(xì)胞分化時(shí)往往生成次生代謝產(chǎn)物。（5）化學(xué)通訊：細(xì)胞間一般可通過化學(xué)信號(hào)互相通訊。

多細(xì)胞生物(如植物、動(dòng)物)由許多不同類型的細(xì)胞組成（分化的結(jié)果）。

在多細(xì)胞生物中，這些不同類型的細(xì)胞之間的復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致這些細(xì)胞的指定的行為和功能。在微生物細(xì)胞也存在化學(xué)通訊。

以上幾條中，代謝和代謝能支撐是活細(xì)胞最基本的性能。有生命就有代謝能的生成，沒有代謝能的支撐就沒有生命。生存和生長均需要代謝能來支撐。

（1）微生物細(xì)胞是個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)

（2）微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式

（3）微生物細(xì)胞機(jī)器的運(yùn)行特點(diǎn)2.微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式

世界上一切物體總是相互作用、相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)整體。

世界作為一個(gè)整體是無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的，為了實(shí)驗(yàn)和研究的方便，只好從這個(gè)整體分隔出一部分（我們感興趣的部分）來，這樣分隔出來的被界面包圍的部分（準(zhǔn)備進(jìn)行研究的部分），被稱為熱力學(xué)的體系（或系統(tǒng)），與體系相互作用著的其余部分稱為該體系的環(huán)境或外界。

根據(jù)界面的性能可將熱力學(xué)的體系分成3類：

①孤立系統(tǒng)（也稱隔離系統(tǒng)），指與環(huán)境既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)；

②封閉系統(tǒng)，指與環(huán)境沒有物質(zhì)交換，但可以有能量交換的系統(tǒng)；

③開放系統(tǒng)，指與環(huán)境既可有能量交換又可有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。（1）微生物細(xì)胞是個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)德國克勞修斯(R.E.Clausius)1850年發(fā)現(xiàn)的熱力學(xué)第二定律指出，熱不可能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體，即熱力學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)過程總是向有序性程度減少、無序程度增加（即熵增加）的方向發(fā)展。熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典熱力學(xué)表述是：在封閉體系及其所處的環(huán)境組成的孤立體系中，任何自發(fā)過程總是朝著越來越混亂的方向演化。

熱力學(xué)第二定律無法說明體系由無序到有序、由低級(jí)的有序到高級(jí)的有序的演化和發(fā)展的趨向。

1969年比利時(shí)普利高津（Prigogine）提出耗散結(jié)構(gòu)理論。

所謂耗散結(jié)構(gòu)（dissipativestructure）是指一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放體系，它可以是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的系統(tǒng)，也可以是社會(huì)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)與外界不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，當(dāng)外界條件的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，可以從原有的無序或低序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間、空間上或功能上的有序狀態(tài)。

作為經(jīng)典熱力學(xué)（靜態(tài)，孤立系統(tǒng)）理論的延伸，非平衡態(tài)熱力學(xué)（動(dòng)態(tài)，遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放體系）研究的是耗散結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只能在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡狀態(tài)的開放體系生成，并且需要不斷輸入能量來維持。

①微生物的活細(xì)胞任何時(shí)刻都離不開它生存的環(huán)境，只有在與環(huán)境的交換中才能維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)；

②如果微生物細(xì)胞是個(gè)封閉系統(tǒng)，那么根據(jù)熵增加原理，它們及它們所處的環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)必將自發(fā)地走向混亂，其結(jié)果必將是細(xì)胞的解體；

結(jié)論：微生物活細(xì)胞是個(gè)開放系統(tǒng)。

①微生物活細(xì)胞的生命活動(dòng)是朝著有序的方向進(jìn)行的，有序狀態(tài)的形成和維持都需要與環(huán)境之間有交流的、開放的條件；而交換則要靠細(xì)胞內(nèi)外的不平衡來推動(dòng)。

②微生物活細(xì)胞總是不斷地從環(huán)境取得營養(yǎng)，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化（補(bǔ)充“秩序”），同時(shí)把細(xì)胞內(nèi)部的不可逆過程產(chǎn)生的“混亂”的一部分以廢物和熱量的形式排放到環(huán)境中去（排除“混亂”）。

結(jié)論：微生物細(xì)胞是不平衡的開放體系。

①微生物細(xì)胞靠消耗能量來維持細(xì)胞的低熵（高度有序）狀態(tài)；

②為了使生物量有所增長，必須有足夠的能量輸入；

③能量輸入超過臨界值時(shí)，細(xì)胞狀態(tài)會(huì)發(fā)生宏觀變化，即出現(xiàn)一種新的有序狀態(tài)（生長）；④對(duì)于微生物細(xì)胞這個(gè)系統(tǒng)而言，細(xì)胞離開平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，“混亂”的輸出能力越強(qiáng)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，細(xì)胞的活力越強(qiáng)。結(jié)論：微生物活細(xì)胞是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)。綜上所述：微生物活細(xì)胞作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，它不僅是而且必須是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)，是一種耗散結(jié)構(gòu)。

微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的高度有序的狀態(tài)要靠消耗可被其自身直接利用的能量（代謝能）來維持；

要做到這一點(diǎn)，微生物活細(xì)胞必須是能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的有效的化學(xué)反應(yīng)體系?；罴?xì)胞又是自我復(fù)制的系統(tǒng)

細(xì)胞靠其結(jié)構(gòu)來行使功能，而用來再造自身的生物學(xué)信息則存在于細(xì)胞結(jié)構(gòu)之中。

工業(yè)發(fā)酵的被動(dòng)性在于：必需依賴微生物活細(xì)胞。

活細(xì)胞要靠消耗代謝能來維持。如果沒有代謝能的自我支撐，系統(tǒng)（微生物細(xì)胞）的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化。

微生物細(xì)胞與環(huán)境逐漸趨于平衡，細(xì)胞的生命活動(dòng)就會(huì)停止，微生物細(xì)胞就不可能為我們工作了。

（2）微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式

為了深入研究一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，有必要在不改變事物本質(zhì)的情況下，有條件地簡化所研究的過程。

基本模式建立的前提條件：

①把依靠化能異養(yǎng)型微生物合成某種最終被分泌到胞外的初級(jí)代謝產(chǎn)物的工業(yè)發(fā)酵，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過程來研究；

②把代謝研究的重點(diǎn)放在碳的代謝上，從而建立了微生物生物機(jī)器的工作的基本模式。微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation＊典型的工業(yè)發(fā)酵

1.生產(chǎn)者：化能異養(yǎng)型微生物

2.產(chǎn)品：初級(jí)代謝產(chǎn)物（胞內(nèi)合成，胞外收獲）

3.研究重點(diǎn)：碳元素代謝＊細(xì)胞機(jī)器的生產(chǎn)階段適用范圍模型各部分的含義：＊橢圓：細(xì)胞機(jī)器的界面＊帶箭頭的曲線：載流路徑及代謝主流

1.載流路徑：由跨膜進(jìn)入、向心途徑、中心途徑、離心途徑