張星元發(fā)酵原理

2023-07-301微生物細胞新陳代謝的獨立性是靠其廣泛的適應性和對營養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用即經(jīng)濟性來支撐的。歸根到底是依靠微生物細胞嚴密的代謝調(diào)節(jié)（包括能量代謝和物質(zhì)代謝）機構(gòu)來支撐的。關(guān)于代謝的自動調(diào)節(jié)問題上一節(jié)已作了簡單的分析，本節(jié)將從細胞經(jīng)濟的角度來探討代謝產(chǎn)物過量合成的可能性。第1第頁一頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3024.2.1

微生物的細胞經(jīng)濟體系微生物細胞的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)——微生物代謝的三個子系統(tǒng)微生物的細胞經(jīng)濟體系的運行第2第頁二頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3034.2.1

微生物的細胞經(jīng)濟體系第3第頁三頁/，共共96頁9。5頁2023-07-304微生物細胞是遠離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，它能對系統(tǒng)的三個要素（①能量、②物質(zhì)、③信息），自主地進行定向的、全面的協(xié)調(diào)。我們把微生物細胞作為按特殊經(jīng)濟規(guī)律運行的經(jīng)濟實體來看待，并且把這種按特殊的經(jīng)濟規(guī)律運行的新陳代謝體系叫做細胞經(jīng)濟體系。第4第頁四頁/，共共96頁9。5頁2023-07-305微生物細胞的獨立存在和自主生存，依賴于微生物細胞廣泛的適應性（先保證活下來）和對營養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用，即經(jīng)濟性（爭取在所處環(huán)境條件下更具競爭力）。適應性和經(jīng)濟性都建立在微生物細胞代謝的變動性上。第5第頁五頁/，共共96頁9。5頁2023-07-306但是，

微生物代謝的變動是有限度的，它受到前述的細胞代謝調(diào)節(jié)機制的嚴格規(guī)范和嚴密控制，以保證代謝的持續(xù)。這些代謝調(diào)節(jié)的規(guī)律就是細胞生命活動的

“

經(jīng)濟法則 ”，即細胞經(jīng)濟管理原則，

細胞經(jīng)濟體系按細胞經(jīng)濟規(guī)律運行。細胞的遺傳物質(zhì)（

遺傳信息的載體）是細胞與環(huán)境對話的指揮中心。第6第頁六頁/，共共96頁9。5頁2023-07-307適應性保障體系經(jīng)濟性持續(xù)代謝第7第頁七頁/，共共96頁9。5頁2023-07-308對于微生物細胞經(jīng)濟而言，細胞實物結(jié)構(gòu)（微生物學的內(nèi)容）和細胞經(jīng)濟結(jié)構(gòu)（即將討論）構(gòu)成了細胞的經(jīng)濟基礎(chǔ)。生產(chǎn)力生產(chǎn)關(guān)系第8第頁八頁/，共共96頁9。5頁2023-07-309細胞經(jīng)濟基礎(chǔ)，

最終取決于細胞的遺傳物質(zhì)和環(huán)境的對話（

細胞的

“

藍圖

”和細胞生命活動的指揮中心的現(xiàn)場指揮）。第9第頁九頁/，共共96頁9。5頁2023-07-30104

.

2

.

2

微生物細胞的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)

——微生物代謝的三個子系統(tǒng)第10第十頁頁，/共共96頁9。5頁2023-07-3011對于化能異養(yǎng)型微生物而言，其碳架物質(zhì)的代謝是最基本的代謝，因為碳架物質(zhì)代謝不但為其自身合

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。

因此，我們首先以碳架代謝為主線，研究與微生物細胞生長直接相關(guān)的初級代謝活動。第1第1十頁一頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3012為了分析問題的方便，把與微生物細胞生長直接相關(guān)的代謝系統(tǒng)劃分為三個子系統(tǒng)，來研究微生物細胞的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。第1第2十頁二頁/，共共96頁9。5頁2023-07-30134.2.2.1

碳架代謝的三個子系統(tǒng)4.2.2.2

三個子系統(tǒng)的相互關(guān)系第1第3十頁三頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3014微生物碳架物質(zhì)的初級代謝大致可分成三個子系統(tǒng)，一個分解代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)Ⅰ）和兩個合成代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)Ⅱ和子系統(tǒng)Ⅲ）。第1第4十頁四頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3015ⅠⅡⅢ碳架ATP分子模塊微生物碳架代謝系統(tǒng)的三個子系統(tǒng)第1第5十頁五頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3016上圖中Ⅰ：碳源的分解代謝子系統(tǒng)

Ⅱ：分子模塊的合成代謝子系統(tǒng)Ⅲ：生物大分子的合成代謝子系統(tǒng)ATP代表代謝能；

分子模塊代表氨基酸、核苷酸等參與生物大分子組成的單元化合物；

碳架代表

PYR、 R-

5

-

P、α-

KG等前體代謝物。虛箭頭和實箭頭分別代表代謝系統(tǒng)內(nèi)部的松散的和緊密的聯(lián)第1第6十頁六系頁/，共共96頁9。。5頁2023-07-3017子系統(tǒng)Ⅰ是微生物細胞用以合成前體代謝物和提供代謝能的碳源分解代謝系統(tǒng)。這個系統(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，

p

H條件引起黑曲霉的發(fā)酵轉(zhuǎn)換，p

H3

時累積檸檬酸，

pH6

時累積葡萄糖酸，p

H

10

時累積草酸。第1第7十頁七頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3018這個系統(tǒng)之所以易受外界環(huán)境影響，可能是因為碳源的分解代謝有多條途徑可供選擇；此外，可能是因為分解代謝的酶主要分布在細胞內(nèi)可溶部分和膜上，易受外界條件影響。第1第8十頁八頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3019用來合成分子模塊（buildingblock）的合成代謝子系統(tǒng)。分子模塊一般是指用以合成生物大分子的標準單元，譬如用于多糖合成的

G-1-P，

用于蛋白質(zhì)合成的各種氨基酸，用于RNA

和

DNA

合成的各種核苷酸和脫氧核苷酸，

以及用于類異戊二烯化合物合成的異戊烯基焦磷酸等。第1第9十頁九頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3020這個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機制主要是負反饋調(diào)節(jié)（包括反饋抑制和反饋阻遏），還有由遺傳因素決定的、可能出現(xiàn)酶的缺失（主要表型是營養(yǎng)缺陷型）突變株。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)的調(diào)節(jié)機制較為單純。第2第0二頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3021分類學上屬不同種的微生物的子系統(tǒng)Ⅰ的代謝調(diào)節(jié)機制比較接近，而子系統(tǒng)Ⅱ的代謝調(diào)節(jié)機制則頗為不同。第第2二1十頁一頁/，共共969頁5。頁2023-07-3022生物大分子合成代謝子系統(tǒng)是指細胞用以生成蛋白質(zhì)、DNA、RNA

、各種多糖

(

同多糖、雜多糖、肽多糖、脂多糖、莢膜多糖等)

及類脂（

含類異戊二烯化合物）等細胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生物大分子合成代謝子系統(tǒng)。第第2二2十頁二頁/，共共969頁5。頁2023-07-3023只有當以上三個代謝子系統(tǒng)作為一個整體來運行，微生物細胞才能維持生命循環(huán)。只有當生命循環(huán)得到維持，我們才有可能通過微生物細胞的生命活動，生產(chǎn)微生物產(chǎn)品。第第2二3十頁三頁/，共共969頁5。頁2023-07-3024微生物活細胞是遠離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，微生物細胞與它所處的環(huán)境不斷地進行物質(zhì)、能量和信息的交換。微生物細胞作

為細胞機器用于工業(yè)生產(chǎn)時，除了

要從培養(yǎng)基吸收營養(yǎng)外，還要排出

工業(yè)生產(chǎn)的目的產(chǎn)物。第2第二4十頁四頁/，共共969頁5。頁2023-07-3025分泌能量代謝的副產(chǎn)物（乙醇、乳酸等）ⅠⅡⅢ分泌生物大分子的前體（氨基酸、核酸等）分泌生物大分子（酶、微生物多糖等）碳架ATP分子模塊營養(yǎng)第第2二5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3026如圖所示三子系統(tǒng)有如下關(guān)系：子系統(tǒng)Ⅰ生成

ATP,

子系統(tǒng)

Ⅱ和子系統(tǒng)Ⅲ使用ATP。但是子系統(tǒng)Ⅰ中ATP如何合成并不嚴重影響子系統(tǒng)Ⅱ和子系統(tǒng)

Ⅲ

對ATP

的使用。

因此可以認為子系統(tǒng)Ⅰ與整個合成系統(tǒng)

（子系統(tǒng)Ⅱ

加上子系統(tǒng)

Ⅲ

）

之間的聯(lián)系是較為松散的（圖中的虛線箭頭）。第2第二6十頁六頁/，共共969頁5。頁2023-07-3027子系統(tǒng)Ⅰ

生成的前體代謝物的質(zhì)和量強烈地影響子系統(tǒng)Ⅱ的運行

（

見離心途徑匯總圖

），

因此子系統(tǒng)Ⅰ與子系統(tǒng)

Ⅱ之間的聯(lián)系是緊密的（

實線箭頭）

。而子系統(tǒng)

Ⅰ

與子系統(tǒng)

Ⅲ

之間幾乎僅僅通過

ATP相聯(lián)系，

因此

這兩個系統(tǒng)之間的聯(lián)系是松散的（

虛線箭頭

）

。分子模塊

(

如氨基酸

)

在細胞內(nèi)通?？梢杂坞x狀態(tài)存在，

由此推測，

子系統(tǒng)Ⅱ與子系統(tǒng)

Ⅲ

也只是保持松散的關(guān)系（

虛線箭頭）

。第2第二7十頁七頁/，共共969頁5。頁2023-07-3028綜上所述，第第2二8十頁八頁/，共共969頁5。頁2023-07-3029相對獨立運行的另一個重要原因是細胞的分泌機制。子系統(tǒng)Ⅰ相對獨立運轉(zhuǎn)的過程中，細胞可能分泌乙醇等能量代謝的副產(chǎn)物；“子系統(tǒng)Ⅰ+

子系統(tǒng)Ⅱ

”

相對獨立運轉(zhuǎn)的過程中，

細胞可能分泌氨基酸等分子模塊；

三個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，

微生物細胞生長迅速。還有可能分泌酶、多糖、多肽等生物大分子。細胞分泌代謝產(chǎn)物的同時生長速度放慢。第2第9二十頁九頁/，共共969頁。5頁2023-07-30304.2.3

微生物的細胞經(jīng)濟學（

m

ic

ro

b

ia

l

c

e

ll

e

c

o

n

o

m

ic

s

）第3第0三頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3031經(jīng)濟學是研究各種經(jīng)濟關(guān)系和經(jīng)濟活動的規(guī)律的科學，是研究人類社會在各個發(fā)展階段的活動和各種相應的經(jīng)濟關(guān)系，以及經(jīng)濟活動規(guī)律的科學。經(jīng)濟活動是人們在一定的經(jīng)濟關(guān)系中（其中占主導地位的是生產(chǎn)關(guān)系

）

，

進行生產(chǎn)、交換、分配、消費以及與之有密切關(guān)系的活動。第第3三1十頁一頁/，共共969頁5。頁2023-07-3032在經(jīng)濟活動中，存在以較少的耗費獲得較大經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效果問題。在微生物細胞的代謝活動中

同樣也存在著以較少的營養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長效益的經(jīng)濟效果問題；在這個意義上，代謝活動也是一種經(jīng)濟活動。第3第三2十頁二頁/，共共969頁5。頁2023-07-3033經(jīng)濟效果要用價值的尺度來衡量。談到價值，就涉及到價值取向問題。用不同的價值取向?qū)ν粋€事物的效果進行評價，結(jié)果不會一樣。第3第3三十頁三頁/，共共969頁。5頁2023-07-3034微生物細胞本身的價值取向是加強生存競爭能力，而工業(yè)發(fā)酵中微生物細胞機器的價值取向是提高目的產(chǎn)物的生產(chǎn)能力。因此在工業(yè)發(fā)酵的過程中，需要遵循微生物細胞經(jīng)濟運行規(guī)律，對微生物的代謝活動進行協(xié)調(diào)。第3第三4十頁四頁/，共共969頁5。頁2023-07-3035有關(guān)價值取向問題：＊微生物細胞——競爭能力（細胞生長速度和繁殖速度）。＊細胞機器——生產(chǎn)能力（細胞在發(fā)酵液中累積特定代謝產(chǎn)物的能力）

。第3第三5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3036典型的工業(yè)發(fā)酵來說，目的產(chǎn)物的累積往往是以犧牲微生物的競爭能力來實現(xiàn)的保證微生物細胞的生存利益的基礎(chǔ)上，精心協(xié)調(diào)微生物細胞的生長和目的產(chǎn)物的累積這兩者的關(guān)系。第第3三6十頁六頁/，共共969頁5。頁2023-07-3037微生物細胞經(jīng)濟學試圖研究①細胞經(jīng)濟體系的運行規(guī)律②微生物細胞各個生命活動階段的代謝活動③代謝流在代謝網(wǎng)絡(luò)上的流量分布和流動規(guī)律④微生物細胞的體現(xiàn)在不同價值取向上的生產(chǎn)力⑤微生物細胞的生產(chǎn)力與細胞的生產(chǎn)關(guān)系之間的關(guān)系第3第三7十頁七頁/，共共969頁5。頁2023-07-3038經(jīng)濟杠桿通用代謝物保障體系第3第三8十頁八頁/，共共969頁5。頁2023-07-3039在物競天擇的基礎(chǔ)上建立的微生物細胞經(jīng)濟體系已經(jīng)經(jīng)受長期的實踐的檢驗，已成為微生物細胞生命活動的保障體系，為①適應性、②經(jīng)濟性和③代謝的持續(xù)性提供保障。第第3三9十頁九頁/，共共969頁5。頁2023-07-3040自然環(huán)境或人為的培養(yǎng)條件均能根據(jù)不同的價值取向，對細胞的經(jīng)濟運行進行導向。但在細胞遺傳物質(zhì)沒有變動的情況下，這種導向只能在有限的范圍內(nèi)進行。第4第0四頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3041在遺傳物質(zhì)發(fā)生變動的情況下，大自然的導向，是指自發(fā)突變加上自然選擇，導致微生物物種的進化；人為的導向，就是遺傳改造和定向篩選，導致優(yōu)良的生產(chǎn)菌種的獲得，實現(xiàn)另一種意義上的進化。然而，不論是大自然的導向還是人為的導向，都不能改變微生物細胞的生存保障規(guī)律。第4第四1十頁一頁/，共共969頁5。頁2023-07-3042⑴⑶

細胞經(jīng)濟系數(shù)第第4四2十頁二頁/，共共969頁5。頁2023-07-3043微生物細胞的生存保障規(guī)律可以概括成:整體協(xié)調(diào)，維持生計第第4四3十頁三頁/，共共969頁5。頁2023-07-3044微生物細胞必須按這個生存保障規(guī)律進行經(jīng)濟運行，在這個前提下，細胞經(jīng)濟運行還可以接受細胞經(jīng)濟杠桿的人為的調(diào)控。根據(jù)是否接受細胞經(jīng)濟杠桿的人為的調(diào)控可以把微生物細胞經(jīng)濟分為：⑴原始型細胞經(jīng)濟，⑵導向型細胞經(jīng)濟。第4第4四十頁四頁/，共共969頁。5頁2023-07-3045⑴原始型細胞經(jīng)濟原始型細胞經(jīng)濟體系是這樣一種細胞經(jīng)濟體系，這種細胞經(jīng)濟體系還沒有接受人為的經(jīng)濟導向。野生型微生物的細胞經(jīng)濟體系往往是屬于這個類型的。原始型細胞經(jīng)濟是細胞經(jīng)濟體系的這樣一種運行狀態(tài)，這種運行狀態(tài)有利于細胞生長、繁殖和在競爭中獲勝。第第4四5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3046微生物在生存競爭中進化的方向是發(fā)展其自身的適應能力，提高生存競爭能力；也就是優(yōu)化細胞經(jīng)濟運行狀態(tài)。經(jīng)生存競爭而幸存下來的野生型微生物在其所棲身的環(huán)境中是富有競爭能力的。第4第6四十頁六頁/，共共969頁。5頁2023-07-3047⑵導向型細胞經(jīng)濟如果要求微生物過量合成

某種代謝中間產(chǎn)物，則須對微生物的代謝流進行導向。根據(jù)已獲得的代謝分析的信息，應用正確的策略，進行設(shè)計，然后按計劃對出發(fā)株進行遺傳改造和隨后的培養(yǎng)條件優(yōu)化，將代謝流導向理想的載流路徑。第第4四7十頁七頁/，共共969頁5。頁2023-07-3048在這種情況下，細胞因接受了人為的代謝導向，細胞經(jīng)濟體系處于接受導向的運行狀態(tài)，因此有導向型細胞經(jīng)濟之稱。盡管以產(chǎn)品為導向的導向型細胞經(jīng)濟不同于原始型細胞經(jīng)濟，然而，微生物細胞總是按整體協(xié)調(diào)，維持生計的細胞經(jīng)濟管理原則實現(xiàn)能量和還原力的新的平衡，從而保證生命活動以另一種格局持續(xù)進行下去。第4第四8十頁八頁/，共共969頁5。頁2023-07-3049經(jīng)濟活動通過貨幣投入，獲得收益。在微生物細胞的代謝活動中，存在著以較少的營養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長效益問題。在這個意義上，微生物的代謝活動也是一種經(jīng)濟活動，微生物細胞消耗能量（實際上是以ATP的形式提供代謝能），實現(xiàn)生長。因此研究微生物的代謝，即微生物細胞的經(jīng)濟運行，必須研究生長能學。第4第9四十頁九頁/，共共969頁。5頁2023-07-3050⑶細胞經(jīng)濟系數(shù)為了使微生物的細胞經(jīng)濟運行狀態(tài)和競爭能力得到量化。曾經(jīng)以基質(zhì)的得率系數(shù)

Yx

s

為基準，把細胞經(jīng)濟系數(shù)定義為細胞增長速率與基質(zhì)消耗速率之比。第5第0五頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3051但是，在進行分批培養(yǎng)時，培養(yǎng)基的組成成分是在不斷變化的，細胞增長速率與不同基質(zhì)的消耗速率都在變化之中，因此這樣的“細胞經(jīng)濟系

數(shù)”難以進行同一個水平上的比較。培養(yǎng)基的組成差異是一個質(zhì)的差異，如果我們將這個質(zhì)的差異換算成量的差異，或許問題就容易解決了。第5第1五十頁一頁/，共共969頁。5頁2023-07-3052這樣，我們試圖將培養(yǎng)基的質(zhì)的差異轉(zhuǎn)換成ATP的量的差異，以ATP

得率系數(shù)Yx

A

T

P

為基準，

修改細胞經(jīng)濟系數(shù)。特引進代謝經(jīng)濟系數(shù)(

economic

coefficient

ofmetabolism)的概念，用來描寫細胞經(jīng)濟體系的經(jīng)濟運行的狀況，以及代謝能對于細胞生長的經(jīng)濟效果。第5第2五十頁二頁/，共共969頁。5頁2023-07-3053代謝經(jīng)濟系數(shù)，簡稱經(jīng)濟系數(shù)，被定義為細胞增長的速率與ATP的消耗速率之比：這個經(jīng)濟系數(shù)不但使微生物的細胞經(jīng)濟運行狀態(tài)和競爭能力得到了量化，而且可以推算細胞的代謝成本。第第5五3十頁三頁/，共共969頁5。頁2023-07-3054綜上所述，ATP得率系數(shù)Y

x

A

T

P

，即合成單位細胞量所消耗ATP的量[mmol

ATP（

g細胞干重）

-

1

]，

比細胞量對基質(zhì)的得率系數(shù)

Yx

s

，

即合成單位量的細胞所消耗的基質(zhì)的量，

更能體現(xiàn)細胞生長的經(jīng)濟活動的基本特性。

所以在分析細胞的經(jīng)濟活動時，

以

ATP得率系數(shù)Y

x

A

T

P

為基準比以基質(zhì)的得率系數(shù)Yxs

為基準更能反映經(jīng)濟活動的本質(zhì)。第第5五4十頁四頁/，共共969頁5。頁2023-07-3055細胞經(jīng)濟系數(shù)的高低取決于分解代謝體系（子系統(tǒng)Ⅰ

）與兩個生物合成系統(tǒng)

（子系統(tǒng)Ⅱ和子系統(tǒng)

Ⅲ）的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的狀況。經(jīng)濟系數(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)程度的高低。第第5五5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3056各代謝子系統(tǒng)之間的聯(lián)系越緊密，各代謝子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的獨立性就越小，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

限度地生長和繁殖，細胞生產(chǎn)自身

的能力最強。細胞經(jīng)濟處于富于競

爭能力的運行狀態(tài)，細胞經(jīng)濟系數(shù)

最高。第5第五6十頁六頁/，共共969頁5。頁2023-07-3057經(jīng)濟杠桿第第5五7十頁七頁/，共共969頁5。頁2023-07-3058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代謝產(chǎn)物（目的產(chǎn)物）的過程，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過程來研究。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細胞存在，而且細胞的生命活動必須得到維持。第第5五8十頁八頁/，共共969頁5。頁2023-07-3059在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上，分批發(fā)酵的前期是菌種微生物增殖（細胞機器的在線制造）階段。應該從培養(yǎng)條件上保證菌種微生物的正常增殖，以便為隨后目的產(chǎn)物生成（細胞機器的在線運行）提供足夠的細胞機器。然后，細胞機器轉(zhuǎn)入目的產(chǎn)物的生產(chǎn)（在線運行）階段。第5第9五十頁九頁/，共共969頁。5頁2023-07-3060目的產(chǎn)物在發(fā)酵液中的累積，是微生物細胞按整體協(xié)調(diào)維持生計的生存保障規(guī)律，自動調(diào)低細胞生長速度，維持生命活動的情況下實現(xiàn)的。在這個階段，培養(yǎng)條件的轉(zhuǎn)換能調(diào)動菌種微生物高產(chǎn)目的產(chǎn)物的遺傳潛力，從而促成目的產(chǎn)物生產(chǎn)的代謝導向，使微生物細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)濟效益。第6第0六頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3061這時，因為目的產(chǎn)物（原來用于生長的代謝中間產(chǎn)物）的抽出，造成細胞生長速率的下降和競爭能

力的削弱。細胞生成速度相對較低，細胞經(jīng)濟系數(shù)相對較低；目的產(chǎn)物

的生成速度相對較高，目的產(chǎn)物生

成系數(shù)相對較高。第第6六1十頁一頁/，共共969頁5。頁2023-07-3062微生物群體的生命活動（也就是細胞的經(jīng)濟活動），不論是在天然的環(huán)境下還是在人為的培養(yǎng)條件下進行，都受到經(jīng)濟杠桿的調(diào)控。在微生物學中，細菌的（群體）生長曲線反映的單細胞微生物生長體系中細胞濃度隨時間的變化規(guī)律（先后經(jīng)過延遲期、對數(shù)期、平衡期和衰亡期），就是細胞的經(jīng)濟活動受到調(diào)控的結(jié)果；細菌細胞自身的生命活動影響其自身的環(huán)境條件，其自身的環(huán)境條件反過來又影響（調(diào)控）細胞自身的生命活動。第第6六2十頁二頁/，共共969頁5。頁2023-07-3063在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，人們可以利用經(jīng)濟杠桿對微生物的生長、繁殖等新陳代謝過程進行調(diào)控?；墚愷B(yǎng)型微生物細胞經(jīng)濟的經(jīng)濟杠桿主要有下面幾種：第第6六3十頁三頁/，共共969頁5。頁2023-07-3064如

pH、

溫度、溶解氧及培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分。外界環(huán)境首先向子系統(tǒng)Ⅰ（

碳源分解代謝）施加影響，

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)生途徑的轉(zhuǎn)換和代謝流的漂移。第6第六4十頁四頁/，共共969頁5。頁2023-07-3065要實現(xiàn)代謝產(chǎn)物在發(fā)酵液中的大量累積，還有一個先決條件是微生物細胞對這些代謝產(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在細胞內(nèi)累積而不分泌，就會影響細胞的內(nèi)部環(huán)境，直至影響到微生物細胞的生存。第第6六5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3066在這種情況下，旺盛的分泌能力對微生物細胞來說是一種解毒機制；對工業(yè)生產(chǎn)來說，細胞分泌能力有助

于代謝產(chǎn)物的大量生成和在發(fā)酵液中

的大量累積。代謝產(chǎn)物的分泌對以各

代謝子系統(tǒng)的松散聯(lián)系為基礎(chǔ)的有關(guān)

子系統(tǒng)的獨立運轉(zhuǎn)，也起著十分重要

的作用。第6第6六十頁六頁/，共共969頁。5頁2023-07-3067如子系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ（生物合成）所涉及的合成代謝途徑的酶和（或）調(diào)節(jié)機制的遺傳根據(jù)的改變。子系

統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ的運行，除了受到外界條

件的間接影響外，更多地取決于人

對菌種的選育和改造。第6第7六十頁七頁/，共共969頁。5頁2023-07-3068在工業(yè)發(fā)酵過程中，通過經(jīng)濟杠桿原理調(diào)節(jié)細胞機器的在線制造階段和在線運行階段的相對長度和運行狀態(tài)，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)過程中代謝成本的分布（細胞機器成本在總成本中的比例）。第6第8六十頁八頁/，共共969頁。5頁2023-07-3069第6第六9十頁九頁/，共共969頁5。頁2023-07-3070可以在細胞全局范圍內(nèi)通用的代謝物通用代謝物（currencymetabolites）是指，主要是能量貨幣

ATP和以代謝物形式出現(xiàn)的還原力NADH

和NADPH。它們的作用主要在于調(diào)節(jié)代謝流的流量和方向，使途徑成為代謝網(wǎng)絡(luò)整體的一部分。第7第0七頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3071生物合成反應一般都依賴于ATP的供應，若ATP供應不足，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。ATP及其相關(guān)分子

ADP、AMP（

三者組成腺苷酸庫）不但調(diào)節(jié)中心（碳代謝）途徑的供能反應，還直接參與代謝反應。這些中心分解代謝過程 （ 糖酵解和 TCA

循環(huán)）為生物合成提供啟動物質(zhì)。然而，

就其重要性來說，其調(diào)節(jié)作用遠遠大于其參與作用。第7第七1十頁一頁/，共共969頁5。頁2023-07-3072第7第七2十頁二頁/，共共969頁5。頁2023-07-3073這些途徑不僅提供前體代謝物，同

時也提供代謝能和輔助因子，以滿足基本的合成代謝的需要。因此，此類途徑被稱為無定向代謝途徑以表示它們在分解代謝和合成代謝中的雙重作用。這些途徑的調(diào)節(jié)應當反映出其雙重功能，即確保碳架物質(zhì)（

carbon

skeletons）

正確地、協(xié)調(diào)地流進生物合成途徑和產(chǎn)能途徑（收獲代謝能的途徑）。嚴格地說，生物合成途徑與降解途徑的主要區(qū)別在于，用來控制流量的調(diào)節(jié)信號的性質(zhì)的不同。第7第3七十頁三頁/，共共969頁。5頁2023-07-3074如果糖酵解或TCA循環(huán)僅僅接受能荷調(diào)節(jié)，那么在能量供應充足的條件下，通過這些途徑的流量將會硬性地減少。然而，伴隨著ATP再生的減少，這種反饋機制也會限制用于生長的中間物的利用率，從而削弱生長。這樣的響應仍不能令人滿意，因為培養(yǎng)基營養(yǎng)供應豐富時，生長也會受到限制。第第7七4十頁四頁/，共共969頁5。頁2023-07-3075為了滿意地調(diào)節(jié)一個同時支持兩種功能（產(chǎn)能和生長）的過程，已經(jīng)導出了一種微妙的機制。這個機制需要兩類信號的輸入，一類是生物合成中間物水平的信號，另一類是代謝能水平的信號。第第7七5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3076第一類信號是特定途徑（通常是嚴格的合成過程）的終產(chǎn)物。大量實例說明大多數(shù)生物合成途徑的調(diào)節(jié)都包括簡單反饋機制，

其中終產(chǎn)物抑制其自身合成的分支途徑的第一步，

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），

色氨酸抑制鄰氨基苯甲酸合成酶等。第第7七6十頁六頁/，共共969頁5。頁2023-07-3077第二個信號是嚴格的分解代謝途徑所特有的，而且是能量代謝的最終的（或中間的）產(chǎn)物，也就是Pi、AMP、ADP、ATP、NADH、NADPH，

例如

產(chǎn)氣腸桿菌的蘇氨酸脫氨酶（

降解酶

）受

AMP的激活，銅綠假單胞菌的組氨酸酶（降解酶）受Pi

的抑制，并且此抑制可被AMP和GDP解除。第第7七7十頁七頁/，共共969頁5。頁2023-07-3078無定向代謝途徑采用兩種流

量控制方式，即終產(chǎn)物的抑制和作為細胞能量狀態(tài)指示劑的代謝物的活性控制。當兩個信號中任一個信號低時，糖酵解將繼續(xù)進行；當兩者均處于正常范圍時，糖酵解途徑尚能起作用，而通過該途徑的流量減小。第7第8七十頁八頁/，共共969頁。5頁2023-07-3079當然在一個正在代謝葡萄糖的細胞中，糖酵解途徑?jīng)Q不會完全關(guān)閉，因為細胞生命活動需要ATP的持續(xù)供應。就不同前體相互之間的平衡和生物合成對于不同前體的需要而論，12種前體代謝物的形成速率的平衡涉及一個高度復雜的調(diào)控機制。要進行這樣的協(xié)調(diào)，

除了涉及碳架物質(zhì)，

還有供能反應必須提供的代謝能（

ATP等）

和還原力（

NADH

和

NADPH

）。因此，毫不奇怪，這些化合物本身就是代謝網(wǎng)絡(luò)中許多不同位點的變構(gòu)效應物。第第7七9十頁九頁/，共共969頁5。頁2023-07-3080關(guān)于能荷調(diào)節(jié)，本章4.1.2.3已有描述，并已推導出推算能荷的公式：上式給出了對流量的協(xié)調(diào)控制的能荷的推算公式，式中帶下標的c

分別表示下標對應的腺苷酸的濃度。從此式可知，能荷可以在0（全部AMP）和1（全部ATP）之間變化。第8第0八頁十頁/，共共96頁9。5頁2023-07-3081一般說來，高能荷抑制補充代謝能的酶系（例如生物合成酶系），同時激活消耗ATP的酶系；反之低能荷則抑制消耗代謝能的酶系，同時激活生成ATP的酶系。第8第1八十頁一頁/，共共969頁。5頁2023-07-3082在氧化-

還原反應中也有類似的情況。氧化

-

還原反應受到還原荷（

reduction

charge

）

的類似的調(diào)節(jié)。吡啶核苷酸作為氫負離子或還原力的載體：NAD

主要在供能途徑的氧化還原反應中起作用，

NADP

通常用于生物合成反應。在供能反應中，

NAD

+

（

氧化型的NAD ）是反應物，而合成反應利用NADPH

（

還原型的

NADP

）。因此毫不奇怪，

在生理條件下大部分

NAD

在胞內(nèi)是以

NAD

+

的形式存在，

而NADP是以NADPH的形式存在。第第8八2十頁二頁/，共共969頁5。頁2023-07-3083可用分解代謝還原荷（

catabolic

reduced

charge

）和合成代謝還原荷（anabolicreduced

charge

）

來描述細胞的氧化還原狀態(tài)。分解代謝還原荷，縮寫為

CRC，

其值約為

0.03

~0.07；

合成代謝還原荷，

縮寫為ARC，其值約為

CRC

的10

倍。第第8八3十頁三頁/，共共969頁5。頁2023-07-3084還原荷可用下面公式計算：式中帶下標的c

分別表示下標對應的吡啶核苷酸的濃度。第第8八4十頁四頁/，共共969頁5。頁2023-07-3085CRC

和ARC

分別在協(xié)調(diào)供能反應與生物合成反應的過程中，

起著重要作用，盡管對它們的作用的細節(jié)尚不如對能荷的作用那樣清楚。大部分細胞中有 4 個供能反應能生成

NADPH，

兩個反應在磷

酸戊糖途徑，

它們分別是

6

-

磷酸葡萄糖脫氫酶（

G

6

PDH ）

和

6

-

磷酸葡萄糖酸脫氫酶（

G

6

PDH

）；

另外兩個反應在TCA環(huán)，它們分別是異檸檬酸脫氫酶（

ID）和蘋果酸酶（

ME

）。生成的

NADPH參與生物合成。第第8八5十頁五頁/，共共969頁5。頁2023-07-3086CRC

和ARC

的調(diào)節(jié)被認為是通過轉(zhuǎn)氫酶而發(fā)生的，該酶催化如下可逆反應：NADP

+

+

NADH

←→

NADPH

+

NAD

+這是一個束縛在膜上的酶，

它由質(zhì)

子運動勢（

proton-

motive

for