第四節(jié)細胞經(jīng)濟假說與細胞經(jīng)濟學(編輯修改稿)
2024-11-16 11:20 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 物作為其競爭分支途徑的激活劑，同時又作為其自己合成途徑的抑制劑。反饋抑制總是施加在催化途徑第一步反應的酶上。 剛性節(jié)點對途徑的產(chǎn)物得率施加控制性的影響，它的解除調(diào)節(jié)比酶學的弱化可能更為復雜。 因此在應用“五字策略”制訂育種的具體方案時應盡量采用解除調(diào)節(jié)的育種手段。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 34 假定目標是增加 P1分支的分流比，而且，在沒有激活劑 P2存在時， P1的穩(wěn)態(tài)濃度（ steady state concentration） 高得足以抑制它本身的合成。在這種情況下，增加P1 分支途徑的分流比就會減弱流向 P2的流量。然而，對于強剛性節(jié)點，這種做法將導致 P2的低水平，所以 P1 分支途徑將會喪失 P2對它的激活作用。簡單地說，一條分支途徑的弱化導致其競爭分支途徑的弱化，結(jié)果是整個 節(jié)點崩潰（ collapse ） ， 每條分支途徑的分流比相對來說沒有改變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 35 因為復雜、多樣的控制結(jié)構和酶動力學，代謝網(wǎng)絡并不總是呈現(xiàn)上述分類所暗示的對于流量分配的二元響應 。 因此，強剛性節(jié)點的一條分支途徑的弱化可能僅僅導致與它競爭的分支途徑的部分弱化，以致有可能 在包含一個剛性節(jié)點的依賴型網(wǎng)絡 （ dependent work ） 中實現(xiàn)產(chǎn)物得率改進。也有可能因為弱化無用的途徑而引起中間代謝物的分泌，而不是流量的降低或代謝流的方向的改變。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 36 盡管其他可能的控制結(jié)構也可能產(chǎn)生一個剛性節(jié)點，任何此類控制的關鍵問題是，在互相競爭的分支途徑之間存在一個反饋（相互影響）機制，以維持分流比恒定的趨勢。剛性節(jié)點不僅能限制產(chǎn)物得率，而且通過 簡單的 酶活性弱化不容易減輕這種作用。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 37 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 38 上圖所示的異檸檬酸節(jié)點是一個已經(jīng)過全面研究的代謝分支點。當細胞在醋酸鹽基質(zhì)上生長時，異檸檬酸裂合酶（ IL） 被誘導； 醋酸鹽在碳架物質(zhì)的回補方面起重要作用，否則碳架物質(zhì)就會在 TCA循環(huán)中以 CO2的形式丟失。 當在醋酸鹽基質(zhì)上生長時，異檸檬酸脫氫酶（ IDH） 主要處于磷酸化狀態(tài)（大約 80%），在這種狀態(tài)下該酶沒有活性。當給予細胞更有利的碳源時，如葡萄糖， IDH就會迅速脫磷酸而被激活。 這是共價調(diào)節(jié)的一個典型例子。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 39 上圖概括了在 乙酸鹽上生長時，兩種互相競爭酶的動力學 參數(shù)。該分支點的一個重要特征是各自的 Km 值差別極大，異檸檬酸裂合酶（ IL） 的 Km 值是異檸檬酸脫氫酶（ IDH ） 的 75倍。在異檸檬酸生理濃度時（ 約 160μmolL1）， IL 催化的反應是關于異檸檬酸的一級反應，而 IDH 則已被共同底物異檸檬酸所飽和。因為這兩種酶的動力學的相互控制，通過該支路的流量對異檸檬酸濃度水平的變化極端敏感。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 40 若向乙酸基質(zhì)中生長的培養(yǎng)物中加入葡萄糖，不僅能使 IDH 的 vmax提高（ 葡萄糖可使 IDH 的 vmax增加 5 倍） ，同時通過檸檬酸裂合酶的碳流的相應減少，其總結(jié)果是胞內(nèi)異檸檬酸水平降低（大約 170 倍）。 因為與IDH 相比， IL 對異檸檬酸有一個顯著高的 Km ， 所以異檸檬酸濃度的下降使通過該支路的流量有一個很大程度（約 99%）的減少。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 41 因此，雖然沒有任何已知的變構調(diào)節(jié)劑直接作用于 IL， 通過它的流量可從總量的 30% 下降到實際上的 0。這種控制很有趣的特性是，最受影響的酶 IL 沒有受到直接控制。這種現(xiàn)象已經(jīng)被稱作 分支點效應 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 42 代謝網(wǎng)絡與亞網(wǎng)絡 代謝網(wǎng)絡的包含 2 個以上節(jié)點的任何部分，都可以稱為該代謝網(wǎng)絡的亞網(wǎng)絡。 代謝網(wǎng)絡和亞網(wǎng)絡的結(jié)構可以抽象為兩個基本類型： 獨立型亞網(wǎng)絡 和依賴型亞網(wǎng)絡 。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 43 S B P 1 2 S B1 B2 P 依賴型亞網(wǎng)絡 獨立型亞網(wǎng)絡 S基質(zhì) P目的產(chǎn)物 B副產(chǎn)物 節(jié)點 1 2 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 44 依賴型亞網(wǎng)絡： 亞網(wǎng)絡中的每個節(jié)點向終端產(chǎn)物貢獻一個 按化學計量 消耗的組成部分；所有分支的流量必須達到化學計量平衡，以防胞內(nèi)代謝中間物的累積和分泌。若要提高產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率兩個節(jié)點的流量分配都必須改變，兩個節(jié)點的重要性相同。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 45 獨立型亞網(wǎng)絡： 亞網(wǎng)絡的主要節(jié)點不是以按比例縮合的方式形成產(chǎn)物，改變?nèi)魏我粋€節(jié)點上的流量分配就有可能提高產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率，但節(jié)點的重要性不同。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 46 代謝網(wǎng)絡中包含大量的節(jié)點，一般認為只有相當少的節(jié)點，其分流比實際上影響目的產(chǎn)物得率，這些節(jié)點稱 為主要節(jié)點 （ principal node ） 。網(wǎng)絡的剛性程度取決于主要節(jié)點的性質(zhì)及其在網(wǎng)絡中的分布。 不論在獨立型還是依賴型的代謝網(wǎng)絡中， 網(wǎng)絡的剛性程度最終取決于將主節(jié)點的流量分布從適于生存競爭變成適于目的產(chǎn)物形成的難易程度。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 47 代謝工程與五字策略 的互補性 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 48 微生物生物工程基本理論已對代謝流及其控制作了定性或半定量的分析，并在此基礎上建立了代謝導向的五字策略。這就為代謝流（及其控制）的定量分析架起了橋梁。為發(fā)酵工程研究人員和技術人員學習和應用代謝工程的代謝分析和綜合技術打好了理論基礎。 2020/11/17 張星元：發(fā)酵原理 49 代謝工程
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