第四节细胞经济假说与细胞经济学

第四节细胞经济假说与细胞经济学内容摘要：

物作为其竞争分支途径的激活剂，同时又作为其自己合成途径的抑制剂。 反馈抑制总是施加在催化途径第一步反应的酶上。 刚性节点对途径的产物得率施加控制性的影响，它的解除调节比酶学的弱化可能更为复杂。 因此在应用“五字策略”制订育种的具体方案时应尽量采用解除调节的育种手段。 2020/11/17 张星元：发酵原理 34 假定目标是增加 P1分支的分流比，而且，在没有激活剂 P2存在时， P1的稳态浓度（ steady state concentration） 高得足以抑制它本身的合成。 在这种情况下，增加P1 分支途径的分流比就会减弱流向 P2的流量。 然而，对于强刚性节点，这种做法将导致 P2的低水平，所以 P1 分支途径将会丧失 P2对它的激活作用。 简单地说，一条分支途径的弱化导致其竞争分支途径的弱化，结果是整个 节点崩溃（ collapse ） ， 每条分支途径的分流比相对来说没有改变。 2020/11/17 张星元：发酵原理 35 因为复杂、多样的控制结构和酶动力学，代谢网络并不总是呈现上述分类所暗示的对于流量分配的二元响应。 因此，强刚性节点的一条分支途径的弱化可能仅仅导致与它竞争的分支途径的部分弱化，以致有可能 在包含一个刚性节点的依赖型网络 （ dependent work ） 中实现产物得率改进。 也有可能因为弱化无用的途径而引起中间代谢物的分泌，而不是流量的降低或代谢流的方向的改变。 2020/11/17 张星元：发酵原理 36 尽管其他可能的控制结构也可能产生一个刚性节点，任何此类控制的关键问题是，在互相竞争的分支途径之间存在一个反馈（相互影响）机制，以维持分流比恒定的趋势。 刚性节点不仅能限制产物得率，而且通过 简单的 酶活性弱化不容易减轻这种作用。 2020/11/17 张星元：发酵原理 37 2020/11/17 张星元：发酵原理 38 上图所示的异柠檬酸节点是一个已经过全面研究的代谢分支点。 当细胞在醋酸盐基质上生长时，异柠檬酸裂合酶（ IL） 被诱导； 醋酸盐在碳架物质的回补方面起重要作用，否则碳架物质就会在 TCA循环中以 CO2的形式丢失。 当在醋酸盐基质上生长时，异柠檬酸脱氢酶（ IDH） 主要处于磷酸化状态（大约 80%），在这种状态下该酶没有活性。 当给予细胞更有利的碳源时，如葡萄糖， IDH就会迅速脱磷酸而被激活。 这是共价调节的一个典型例子。 2020/11/17 张星元：发酵原理 39 上图概括了在 乙酸盐上生长时，两种互相竞争酶的动力学 参数。 该分支点的一个重要特征是各自的 Km 值差别极大，异柠檬酸裂合酶（ IL） 的 Km 值是异柠檬酸脱氢酶（ IDH ） 的 75倍。 在异柠檬酸生理浓度时（ 约 160μmolL1）， IL 催化的反应是关于异柠檬酸的一级反应，而 IDH 则已被共同底物异柠檬酸所饱和。 因为这两种酶的动力学的相互控制，通过该支路的流量对异柠檬酸浓度水平的变化极端敏感。 2020/11/17 张星元：发酵原理 40 若向乙酸基质中生长的培养物中加入葡萄糖，不仅能使 IDH 的 vmax提高（ 葡萄糖可使 IDH 的 vmax增加 5 倍） ，同时通过柠檬酸裂合酶的碳流的相应减少，其总结果是胞内异柠檬酸水平降低（大约 170 倍）。 因为与IDH 相比， IL 对异柠檬酸有一个显著高的 Km ， 所以异柠檬酸浓度的下降使通过该支路的流量有一个很大程度（约 99%）的减少。 2020/11/17 张星元：发酵原理 41 因此，虽然没有任何已知的变构调节剂直接作用于 IL， 通过它的流量可从总量的 30% 下降到实际上的 0。 这种控制很有趣的特性是，最受影响的酶 IL 没有受到直接控制。 这种现象已经被称作 分支点效应。 2020/11/17 张星元：发酵原理 42 代谢网络与亚网络 代谢网络的包含 2 个以上节点的任何部分，都可以称为该代谢网络的亚网络。 代谢网络和亚网络的结构可以抽象为两个基本类型： 独立型亚网络 和依赖型亚网络。 2020/11/17 张星元：发酵原理 43 S B P 1 2 S B1 B2 P 依赖型亚网络 独立型亚网络 S基质 P目的产物 B副产物 节点 1 2 2020/11/17 张星元：发酵原理 44 依赖型亚网络： 亚网络中的每个节点向终端产物贡献一个 按化学计量 消耗的组成部分；所有分支的流量必须达到化学计量平衡，以防胞内代谢中间物的累积和分泌。 若要提高产物转化率两个节点的流量分配都必须改变，两个节点的重要性相同。 2020/11/17 张星元：发酵原理 45 独立型亚网络： 亚网络的主要节点不是以按比例缩合的方式形成产物，改变任何一个节点上的流量分配就有可能提高产物转化率，但节点的重要性不同。 2020/11/17 张星元：发酵原理 46 代谢网络中包含大量的节点，一般认为只有相当少的节点，其分流比实际上影响目的产物得率，这些节点称 为主要节点 （ principal node ）。 网络的刚性程度取决于主要节点的性质及其在网络中的分布。 不论在独立型还是依赖型的代谢网络中， 网络的刚性程度最终取决于将主节点的流量分布从适于生存竞争变成适于目的产物形成的难易程度。 2020/11/17 张星元：发酵原理 47 代谢工程与五字策略 的互补性 2020/11/17 张星元：发酵原理 48 微生物生物工程基本理论已对代谢流及其控制作了定性或半定量的分析，并在此基础上建立了代谢导向的五字策略。 这就为代谢流（及其控制）的定量分析架起了桥梁。 为发酵工程研究人员和技术人员学习和应用代谢工程的代谢分析和综合技术打好了理论基础。 2020/11/17 张星元：发酵原理 49 代谢工程。