细胞经济假说与细胞经济学张星元发酵原理课件.pptVIP

张星元：发酵原理 张星元：发酵原理电子讲义 第四章 细胞经济假说 江南大学生物工程学院 弱刚性节点的分流比由一个分支途径（优势分支）控制，这可能是由于优势分支途径的第一个酶具有较高的比活力和（或）较高的底物（节点）亲和力，并且不受反馈抑制；即使从属分支（假定是流向产物的分支）解除调节，还是有相当大的一部分流量依然进入优势分支，从而限制产物得率的上升。 弱刚性节点与挠性节点有如下不同：一条分支途径与另一条（一些）分支途径相比，占有明显的优势。这是由于优势分支途径的酶对共同代谢物（节点）有更大的亲和力，并且（或者）优势分支途径的酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活性。在这种情况下，完全解除从属分支途径的调节，也不会对流量有什么显著的影响。另一方面，如果优势分支途径的活性被减弱，就会显著增加流入从属分支途径的流量。 强刚性节点是被终端产物激活或抑制高度调控（上图左半部分）。在这个例子中，每个产物代谢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。 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。 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 network ） 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。 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。 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。 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160μmol·L-1），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。 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。 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。 4.4.2.2 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。 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 -