【教学课件】第六节代谢网络假说的形成和发展

2022-9-251第六节第六节 代谢网络假说代谢网络假说 的形成和发展的形成和发展 2022-9-252 代谢网络假说为工业发酵菌代谢网络假说为工业发酵菌种选育及生产工艺的控制系统地种选育及生产工艺的控制系统地提供了可供选择的、可操作的可提供了可供选择的、可操作的可能性，为工业发酵新产品、新原能性，为工业发酵新产品、新原料开发画出了生物学蓝图。料开发画出了生物学蓝图。2022-9-2533.6.1 从目的产物假说从目的产物假说 到代谢网络假说到代谢网络假说2022-9-254 从目的产物假说到代从目的产物假说到代谢网络假说，是一个对微谢网络假说，是一个对微生物的代谢和工业发酵的生物的代谢和工业发酵的认识的深化的过程。认识的深化的过程。2022-9-2553.6.1.1 微生物生命及生命活动的主要层次微生物生命及生命活动的主要层次3.6.1.2 第一次质的飞跃第一次质的飞跃从途径到网络从途径到网络 （从局部到整体）（从局部到整体）3.6.1.3 第二次质的飞跃第二次质的飞跃代谢网络的延代谢网络的延 伸（逆向思维）伸（逆向思维）3.6.1.4 第三次质的飞跃第三次质的飞跃从代谢网络到从代谢网络到 代谢流（从相对静止到流动）代谢流（从相对静止到流动）3.6.1.5 第四次质的飞跃第四次质的飞跃代谢流的调动代谢流的调动 （人的主观能动作用）（人的主观能动作用）2022-9-2563.6.1.1 微生物生命及生命微生物生命及生命 活动的主要层次活动的主要层次2022-9-257微生物生命及生命活动的主要层次：微生物生命及生命活动的主要层次：1.基因及基因组（基因及基因组（DNA层次）层次）2.代谢途径及代谢网络（蛋白质代谢途径及代谢网络（蛋白质 层次）层次）3.代谢流（物流层次）代谢流（物流层次）4.代谢生理（微生物细胞层次）代谢生理（微生物细胞层次）2022-9-258 从低层次到高层次，从大平台到从低层次到高层次，从大平台到小平台，需要相应的逐级激活。小平台，需要相应的逐级激活。基因基因组里的一部分基因被激活而得到表达，组里的一部分基因被激活而得到表达，形成代谢途径及代谢网络形成代谢途径及代谢网络；任何时刻任何时刻代谢流只在代谢网络局部或某些途径代谢流只在代谢网络局部或某些途径中流动中流动；只有一部分代谢流促成微生只有一部分代谢流促成微生物细胞的某种生理状态的出现物细胞的某种生理状态的出现。2022-9-259 代谢网络没有绝对的起点，也没代谢网络没有绝对的起点，也没有绝对的终点，代谢网络的三个板块有绝对的终点，代谢网络的三个板块是一个整体，就像有许多铁路线组成是一个整体，就像有许多铁路线组成的各个铁路局和铁路交通网。当我们的各个铁路局和铁路交通网。当我们使用指定的原料生产某特定的发酵产使用指定的原料生产某特定的发酵产品时，我们期望碳架物质经最有利于品时，我们期望碳架物质经最有利于高产的途径（高产的途径（理想载流路径理想载流路径）代谢；）代谢；正如我们乘火车去某城市就要选定一正如我们乘火车去某城市就要选定一条合适的铁路线一样。条合适的铁路线一样。2022-9-2510 全国铁路网被分成几个铁路局辖全国铁路网被分成几个铁路局辖区，相当于代谢网络分成三个板块；区，相当于代谢网络分成三个板块；铁路线可以跨铁路局，相当于载流路铁路线可以跨铁路局，相当于载流路径可以跨网络的板块。径可以跨网络的板块。微生物细胞机微生物细胞机器的工作模式把载流路径描述成向心器的工作模式把载流路径描述成向心途径、中心途径和离心途径三者依次途径、中心途径和离心途径三者依次首尾衔接而贯通的一条路径。首尾衔接而贯通的一条路径。2022-9-2511 实际上微生物细胞的代谢网络实际上微生物细胞的代谢网络一直处于对环境的变动的响应之中，一直处于对环境的变动的响应之中，因此代谢网络是虚拟的网络概念。因此代谢网络是虚拟的网络概念。网络中的离心途径的终端又可能成网络中的离心途径的终端又可能成为向心途径的起点；网络中的中心为向心途径的起点；网络中的中心途径不止一条，而且有分支，向心途径不止一条，而且有分支，向心途径和离心途径也有多条，而且也途径和离心途径也有多条，而且也有汇合或分支。途径与途径之间还有汇合或分支。途径与途径之间还可能存在横向联系。可能存在横向联系。2022-9-2512 在停止生长的生理状态下的代在停止生长的生理状态下的代谢途径的延伸（次生代谢的途径诱谢途径的延伸（次生代谢的途径诱导），以及不同细胞空间对途径的导），以及不同细胞空间对途径的分隔，使代谢网络更加复杂化。分隔，使代谢网络更加复杂化。代谢网络假说的建立经历了以代谢网络假说的建立经历了以下四次飞跃；由于人类对代谢尚不下四次飞跃；由于人类对代谢尚不完全了解，目前对代谢网络的认识完全了解，目前对代谢网络的认识只是相对的，对代谢的认识还有待只是相对的，对代谢的认识还有待深入。深入。2022-9-2513 第一次质的飞跃第一次质的飞跃从途径到网络从途径到网络（从局部到整体）（从局部到整体）生化途径在支持生命体的代谢活动生化途径在支持生命体的代谢活动时称为代谢途径。生化途径的研究为代时称为代谢途径。生化途径的研究为代谢网络理论的建立奠定了化学基础，代谢网络理论的建立奠定了化学基础，代谢能支撑原理的发现为代谢网络理论的谢能支撑原理的发现为代谢网络理论的建立奠定了生物学基础。代谢网络不单建立奠定了生物学基础。代谢网络不单纯是生化途径和输送系统的有序组合，纯是生化途径和输送系统的有序组合，更重要的是，更重要的是，微生物细胞的代谢网络是微生物细胞的代谢网络是一个由代谢能直接支撑的整体。一个由代谢能直接支撑的整体。2022-9-2514 第二次质的飞跃第二次质的飞跃代谢网络的延代谢网络的延伸（逆向思维）伸（逆向思维）代谢网络假说是从目的产物假说发代谢网络假说是从目的产物假说发展起来的。出于寻找发酵学的展起来的。出于寻找发酵学的 “元元素周期表素周期表”，用以预测工业发酵未来，用以预测工业发酵未来产品的良好愿望，曾经提出目的产物假产品的良好愿望，曾经提出目的产物假说。目的产物假说假想代谢网络上的任说。目的产物假说假想代谢网络上的任何化合物都有可能开发为工业发酵的产何化合物都有可能开发为工业发酵的产品；那么，不在代谢网络上的化合物怎品；那么，不在代谢网络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？样与工业发酵建立关系呢？2022-9-2515 逆向思维激活了代谢网络延伸的思逆向思维激活了代谢网络延伸的思路：不在代谢网络上的化合物也可能与路：不在代谢网络上的化合物也可能与工业发酵发生关系，只要它们能与代谢工业发酵发生关系，只要它们能与代谢网络网络联网联网。怎样才能实现联网呢？联网。怎样才能实现联网呢？联网的设想促成了代谢网络的人为延伸。对的设想促成了代谢网络的人为延伸。对于工业发酵来说，代谢网络的人为延伸于工业发酵来说，代谢网络的人为延伸意味着意味着新原料和新产品的开发新原料和新产品的开发，因此，因此工工业发酵的研究和开发的空间是无限的业发酵的研究和开发的空间是无限的。2022-9-2516 第三次质的飞跃第三次质的飞跃 从代谢网络从代谢网络到代谢流（到代谢流（从相对静止到流动）从相对静止到流动）尽管微生物细胞的代谢网络（蛋尽管微生物细胞的代谢网络（蛋白质层次）一直处于响应环境的变动白质层次）一直处于响应环境的变动之中，但它对于代谢流而言是相对静之中，但它对于代谢流而言是相对静止的。止的。在不同的生理状态下代谢流在在不同的生理状态下代谢流在代谢网络个部分的分布不同，在不同代谢网络个部分的分布不同，在不同代谢途径上的相对流量不同。代谢途径上的相对流量不同。2022-9-2517 第四次质的飞跃第四次质的飞跃代谢流的调动代谢流的调动（人的主观能动作用）（人的主观能动作用）微生物的代谢流是由微生物细胞根微生物的代谢流是由微生物细胞根据其遗传信息和微生物细胞所处的环境据其遗传信息和微生物细胞所处的环境条件自主调节的。工业发酵生产不能只条件自主调节的。工业发酵生产不能只是被动地等待大自然（微生物）的施舍，是被动地等待大自然（微生物）的施舍，怎样才能调动代谢流，在工业发酵生产怎样才能调动代谢流，在工业发酵生产尽量争取主动呢？这是发酵学研究的永尽量争取主动呢？这是发酵学研究的永久的主题。久的主题。2022-9-25183.6.2 代谢网络假说的科学基代谢网络假说的科学基础与应用前景础与应用前景 2022-9-2519 代谢网络假设把代谢形象化为一个虚代谢网络假设把代谢形象化为一个虚拟的网络拟的网络新原料、新产品开发的蓝图。新原料、新产品开发的蓝图。物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约的。微生物细胞对环境的有限的适应性表的。微生物细胞对环境的有限的适应性表现在：在一定的变化范围内，微生物细胞现在：在一定的变化范围内，微生物细胞随环境条件的变化随时调节有关的蛋白质、随环境条件的变化随时调节有关的蛋白质、酶的合成和活性，以及细胞壳层结构的通酶的合成和活性，以及细胞壳层结构的通透性和选择性输送性，代谢网络的变动性透性和选择性输送性，代谢网络的变动性和适应性因此而得到实现。和适应性因此而得到实现。2022-9-2520 代谢网络假设把代谢途径和跨膜代谢网络假设把代谢途径和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体，载体系统的有序组合作为一个整体，称为代谢网络，以有利于从宏观上把称为代谢网络，以有利于从宏观上把握微生物的代谢和生理，为工业发酵握微生物的代谢和生理，为工业发酵中原料的利用和产物的合成，提供分中原料的利用和产物的合成，提供分析的依据和实际操作的位点；析的依据和实际操作的位点；2022-9-2521 代谢网络是一种客观存在，依据这种代谢网络是一种客观存在，依据这种实实在在的由代谢途径及跨膜步骤实实在在的由代谢途径及跨膜步骤“编织编织”成的网络进行代谢途径和代谢流量分析，成的网络进行代谢途径和代谢流量分析，就有可能从中选择合适的载流途径（理想就有可能从中选择合适的载流途径（理想载流途径），从而制订使代谢流流向目的载流途径），从而制订使代谢流流向目的产物的育种方案和工艺控制方案。产物的育种方案和工艺控制方案。代谢网络的延伸问题和无尺度问题将代谢网络的延伸问题和无尺度问题将为我们的研究留下无穷无尽的悬念。为我们的研究留下无穷无尽的悬念。2022-9-2522复习题复习题1.试述代谢网络假设的要点。试述代谢网络假设的要点。2.什么叫向心板块？什么叫中心板块？什么叫什么叫向心板块？什么叫中心板块？什么叫 离心板块？它们怎样组合成代谢网络？离心板块？它们怎样组合成代谢网络？3.什么叫向心途径？什么叫中心途径？什么叫什么叫向心途径？什么叫中心途径？什么叫 离心途径？它们怎样组合成载流路径？离心途径？它们怎样组合成载流路径？4.为什么以葡萄糖的降解途径和葡萄糖的异生为什么以葡萄糖的降解途径和葡萄糖的异生 成途径为中心展开代谢网络的中心代谢的讨成途径为中心展开代谢网络的中心代谢的讨 论？论？5.试比较试比较 TCA、DCA 和和GOA三种环式途径。三种环式途径。2022-9-25236.在环式氧化降解途径在环式氧化降解途径 TCA 途径和途径和DCA 途径中，途径中，什么叫原始底物？什么叫再生底物？为什么要什么叫原始底物？什么叫再生底物？为什么要 对它们进行回补？什么情况下回补？怎样回补？对它们进行回补？什么情况下回补？怎样回补？7.微生物细胞进行有氧代谢和无氧代谢时，中心微生物细胞进行有氧代谢和无氧代谢时，中心 途径有些什么重大差别？这些差别对于整个网途径有些什么重大差别？这些差别对于整个网 络发生什么重大影响？络发生什么重大影响？8.在工业发酵过程中，微生物细胞处于生长阶段在工业发酵过程中，微生物细胞处于生长阶段 与生产阶段时，碳架物质在代谢网络中的途径与生产阶段时，碳架物质在代谢网络中的途径 中的流量分布会有什么变化？中的流量分布会有什么变化？9.试述试述“联网联网”在代谢网络中的特殊含义。在代谢网络中的特殊含义。2022-9-2524