-发酵学第三假说.pptx

2024/10/20 周日张星元：发酵原理1第二节第二节微生物细胞经济体微生物细胞经济体系的运行规律系的运行规律2024/10/20 周日张星元：发酵原理2微生物细胞新陈代谢的独立性是靠其微生物细胞新陈代谢的独立性是靠其广泛的广泛的适应性适应性和对营养物质的节约使用即和对营养物质的节约使用即经济性经济性来支撑的。来支撑的。归根到底是依靠微生物归根到底是依靠微生物细胞严密的代谢调节（包括能量代谢和物细胞严密的代谢调节（包括能量代谢和物质代谢）机构来支撑的。质代谢）机构来支撑的。关于代谢的自动调节问题上一节已作关于代谢的自动调节问题上一节已作了简单的分析，本节将从细胞经济的角度了简单的分析，本节将从细胞经济的角度来探讨代谢产物过量合成的可能性。来探讨代谢产物过量合成的可能性。2024/10/20 周日张星元：发酵原理34.2.1微生物的细胞经济体系微生物的细胞经济体系4.2.2微生物细胞的经济结构微生物细胞的经济结构微生物代谢的三个子系统微生物代谢的三个子系统4.2.3微生物的细胞经济体系的运行微生物的细胞经济体系的运行2024/10/20 周日张星元：发酵原理44.2.1微生物的细胞经济体系微生物的细胞经济体系2024/10/20 周日张星元：发酵原理5微生物细胞是远离平衡状态的不微生物细胞是远离平衡状态的不平衡的开放体系，平衡的开放体系，它能对系统的三个它能对系统的三个要素（要素（能量、能量、物质、物质、信息），信息），自主地进行定向的、全面的协调。自主地进行定向的、全面的协调。我们把微生物细胞作为按特殊经我们把微生物细胞作为按特殊经济规律运行的经济实体来看待，并且济规律运行的经济实体来看待，并且把这种按特殊的经济规律运行的新陈把这种按特殊的经济规律运行的新陈代谢体系叫做细胞经济体系。代谢体系叫做细胞经济体系。2024/10/20 周日张星元：发酵原理6 微生物细胞的微生物细胞的独立存在和自主生独立存在和自主生存存，依赖于微生物细胞广泛的，依赖于微生物细胞广泛的适应性适应性（先保证活下来）和对营养物质的节（先保证活下来）和对营养物质的节约使用，即约使用，即经济性经济性（争取在所处环境（争取在所处环境条件下更具竞争力）。条件下更具竞争力）。适应性和经济适应性和经济性都建立在微生物细胞代谢的变动性性都建立在微生物细胞代谢的变动性上。上。2024/10/20 周日张星元：发酵原理7但是，微生物但是，微生物代谢的变动是有限度代谢的变动是有限度的的，它受到前述的细胞代谢调节机制的，它受到前述的细胞代谢调节机制的严格规范和严密控制，严格规范和严密控制，以保证代谢的持以保证代谢的持续续。这些代谢调节的规律就是细胞生命。这些代谢调节的规律就是细胞生命活动的活动的“经济法则经济法则”，即，即细胞经济管细胞经济管理原则理原则，细胞经济体系按细胞经济规律细胞经济体系按细胞经济规律运行。细胞的遗传物质（遗传信息的载运行。细胞的遗传物质（遗传信息的载体）是体）是细胞与环境对话的指挥中心细胞与环境对话的指挥中心。2024/10/20 周日张星元：发酵原理8微生物的细胞经济体系是微生物的细胞经济体系是微生物细胞生命活动的微生物细胞生命活动的保障体保障体系系。这个体系为细胞对其环境。这个体系为细胞对其环境的的适应性适应性，细胞运行的，细胞运行的经济性经济性，以及细胞的以及细胞的持续代谢持续代谢提供保障。提供保障。2024/10/20 周日张星元：发酵原理9对于微生物细胞经济而言，对于微生物细胞经济而言，细细胞实物结构（微生物学的内容）和胞实物结构（微生物学的内容）和细胞经济结构（即将讨论）构成了细胞经济结构（即将讨论）构成了细胞的经济基础。细胞的经济基础。细胞实物结构是细胞实物结构是指行使细胞功能的细胞结构，即细指行使细胞功能的细胞结构，即细胞的胞的生产力生产力；细胞经济结构是指微；细胞经济结构是指微生物代谢的三个子系统的总和，即生物代谢的三个子系统的总和，即细胞的细胞的生产关系生产关系。2024/10/20 周日张星元：发酵原理10细胞经济基础，最终细胞经济基础，最终取决于细胞的取决于细胞的遗传物质和遗传物质和环境的对话环境的对话（细胞的（细胞的“蓝图蓝图”和细胞生命活动和细胞生命活动的指挥中心的现场指挥）。的指挥中心的现场指挥）。2024/10/20 周日张星元：发酵原理114.2.2微生物细胞的经济结构微生物细胞的经济结构微生物代谢的三个子系统微生物代谢的三个子系统2024/10/20 周日张星元：发酵原理12对于化能异养型微生物而言，对于化能异养型微生物而言，其碳架物质的代谢是最基本的代谢，其碳架物质的代谢是最基本的代谢，因为碳架物质代谢不但为其自身合因为碳架物质代谢不但为其自身合成提供碳架，而且为自身合成提供成提供碳架，而且为自身合成提供了可直接使用的代谢能和还原力。了可直接使用的代谢能和还原力。因此，我们首先因此，我们首先以碳架代谢为主线，以碳架代谢为主线，研究与微生物细胞生长直接相关的研究与微生物细胞生长直接相关的初级代谢活动。初级代谢活动。2024/10/20 周日张星元：发酵原理13为了分析问题的方便，为了分析问题的方便，把把与微生物细胞生长直接相与微生物细胞生长直接相关的关的代谢系统划分为代谢系统划分为三个子三个子系统系统，来研究微生物细胞的，来研究微生物细胞的经济结构经济结构。2024/10/20 周日张星元：发酵原理144.2.2.1碳架代谢的三个子系统碳架代谢的三个子系统4.2.2.2三个子系统的相互关系三个子系统的相互关系2024/10/20 周日张星元：发酵原理154.2.2.1碳架代谢的三个子系统碳架代谢的三个子系统微生物碳架物质的初级代谢微生物碳架物质的初级代谢大致可分成三个子系统，一个分大致可分成三个子系统，一个分解代谢子系统（子系统解代谢子系统（子系统）和两）和两个合成代谢子系统（子系统个合成代谢子系统（子系统和和子系统子系统）。）。2024/10/20 周日张星元：发酵原理16碳架碳架ATP分子模块分子模块微生物碳架代谢系统的三个子系统微生物碳架代谢系统的三个子系统2024/10/20 周日张星元：发酵原理17上图中上图中：碳源的分解代谢子系统：碳源的分解代谢子系统：分子模块的合成代谢子系统：分子模块的合成代谢子系统：生物大分子的合成代谢子系统：生物大分子的合成代谢子系统ATP代表代表代谢能代谢能；分子模块分子模块代表氨基酸、代表氨基酸、核苷酸等参与生物大分子组成的单元化合物；核苷酸等参与生物大分子组成的单元化合物；碳架碳架代表代表PYR、R-5-P、-KG等前体代谢等前体代谢物。物。虚箭头和实箭头分别代表代谢系统内部虚箭头和实箭头分别代表代谢系统内部的松散的和紧密的联系。的松散的和紧密的联系。2024/10/20 周日张星元：发酵原理18子系统子系统（碳源的分解代谢子系统）（碳源的分解代谢子系统）子系统子系统是微生物细胞用以合成是微生物细胞用以合成前体前体代谢物代谢物和提供和提供代谢能代谢能的碳源的碳源分解代谢系分解代谢系统统。这个系统最容易直接受外界环境条。这个系统最容易直接受外界环境条件在生理许可范围内的影响。例如，件在生理许可范围内的影响。例如，pH条件引起黑曲霉的发酵转换，条件引起黑曲霉的发酵转换，pH3时累积柠檬酸，时累积柠檬酸，pH6时累积葡萄糖酸，时累积葡萄糖酸，pH10时累积草酸。时累积草酸。2024/10/20 周日张星元：发酵原理19这个系统之所以易受外界环这个系统之所以易受外界环境影响，可能是因为境影响，可能是因为碳源的分解碳源的分解代谢有多条途径可供选择代谢有多条途径可供选择；此外，；此外，可能是因为可能是因为分解代谢的酶主要分分解代谢的酶主要分布在细胞内可溶部分和膜上布在细胞内可溶部分和膜上，易，易受外界条件影响。受外界条件影响。2024/10/20 周日张星元：发酵原理20子系统子系统（合成分子模块的子系统）合成分子模块的子系统）用来合成分子模块（用来合成分子模块（buildingblock）的合成代谢子系统。的合成代谢子系统。分子模块分子模块一般是指用以合成生物大一般是指用以合成生物大分子的标准单元，譬如用于多糖合成的分子的标准单元，譬如用于多糖合成的G-1-P，用于蛋白质合成的各种用于蛋白质合成的各种氨基酸，氨基酸，用于用于RNA和和DNA合成的各种合成的各种核苷酸和核苷酸和脱氧核苷酸，脱氧核苷酸，以及用于类异戊二烯化合以及用于类异戊二烯化合物合成的物合成的异戊烯基焦磷酸异戊烯基焦磷酸等。等。2024/10/20 周日张星元：发酵原理21这个系统的调节机制主要是负反这个系统的调节机制主要是负反馈调节馈调节（包括反馈抑制和反馈阻遏），（包括反馈抑制和反馈阻遏），还有由遗传因素决定的、可能出现酶还有由遗传因素决定的、可能出现酶的缺失（主要表型是的缺失（主要表型是营养缺陷型营养缺陷型）突）突变株。这些结构单位的生物合成途径变株。这些结构单位的生物合成途径大多已弄清楚，总的印象是此系统的大多已弄清楚，总的印象是此系统的调节机制较为单纯。调节机制较为单纯。2024/10/20 周日张星元：发酵原理22分类学上属不同种的微生物分类学上属不同种的微生物的子系统的子系统的代谢调节机制比较的代谢调节机制比较接近，而子系统接近，而子系统的代谢调节机的代谢调节机制则颇为不同。制则颇为不同。2024/10/20 周日张星元：发酵原理23子系统子系统（生物大分子合成代谢子（生物大分子合成代谢子系统）系统）生物大分子合成代谢子系统是指生物大分子合成代谢子系统是指细胞用以生成蛋白质、细胞用以生成蛋白质、DNA、RNA、各种多糖各种多糖(同多糖、杂多糖、肽多同多糖、杂多糖、肽多糖、脂多糖、荚膜多糖等糖、脂多糖、荚膜多糖等)及类脂（及类脂（含类异戊二烯化合物）等细胞结构物含类异戊二烯化合物）等细胞结构物质的生物大分子合成代谢子系统。质的生物大分子合成代谢子系统。2024/10/20 周日张星元：发酵原理244.2.2.2三个子系统的相互关系三个子系统的相互关系只有当以上三个代谢子系统作为只有当以上三个代谢子系统作为一个整体来运行，微生物细胞才能维一个整体来运行，微生物细胞才能维持生命循环。持生命循环。只有当生命循环得到维持，我们只有当生命循环得到维持，我们才有可能通过微生物细胞的生命活动，才有可能通过微生物细胞的生命活动，生产微生物产品。生产微生物产品。2024/10/20 周日张星元：发酵原理25微生物活细胞是远离平衡状态微生物活细胞是远离平衡状态的不平衡的开放体系，微生物细胞的不平衡的开放体系，微生物细胞与它所处的环境不断地进行物质、与它所处的环境不断地进行物质、能量和信息的交换。微生物细胞作能量和信息的交换。微生物细胞作为细胞机器用于工业生产时，除了为细胞机器用于工业生产时，除了要从培养基吸收营养外，还要排出要从培养基吸收营养外，还要排出工业生产的目的产物。工业生产的目的产物。2024/10/20 周日张星元：发酵原理26分泌能量代谢的副产物分泌能量代谢的副产物（乙醇、乳酸等）（乙醇、乳酸等）分泌生物大分子的前分泌生物大分子的前体（氨基酸、核酸等）体（氨基酸、核酸等）分泌生物大分子（酶、分泌生物大分子（酶、微生物多糖等）微生物多糖等）碳架碳架ATP分子模块分子模块营养营养2024/10/20 周日张星元：发酵原理27如图所示三子系统有如下关系：如图所示三子系统有如下关系：子系统子系统生成生成ATP,子系统子系统和子系和子系统统使用使用ATP。但是子系统但是子系统中中ATP如何如何合成并不严重影响子系统合成并不严重影响子系统和子系统和子系统对对ATP的使用。的使用。因此可以认为子系统因此可以认为子系统与整个合成系统与整个合成系统（子系统子系统加上子系统加上子系统）之间的联系是较为松散的（图中之间的联系是较为松散的（图中的虚线箭头）。的虚线箭头）。2024/10/20 周日张星元：发酵原理28子系统子系统生成的前体代谢物的质和量生成的前体代谢物的质和量强烈地影响子系统强烈地影响子系统的运行的运行（见离心途径见离心途径汇总图汇总图），因此子系统），因此子系统与子系统与子系统之间的之间的联系是紧密的（联系是紧密的（实线箭头）实线箭头）。而子系统。而子系统与子系统与子系统之间几乎仅仅通过之间几乎仅仅通过ATP相联相联系，系，因此因此这两个系统之间的联系是松散的这两个系统之间的联系是松散的（虚线箭头虚线箭头）。分子模块分子模块(如氨基酸如氨基酸)在细胞内通常可以游离状态存在，在细胞内通常可以游离状态存在，由此推由此推测，子系统测，子系统与子系统与子系统也只是保持松散也只是保持松散的关系（的关系（虚线箭头）虚线箭头）。2024/10/20 周日张星元：发酵原理29 综上所述，综上所述，子系统子系统和子系统和子系统分别与子系统分别与子系统只发生松散的联系，只发生松散的联系，这就是子系统这就是子系统具有相对独立的运具有相对独立的运转（转（排出能量代谢副产物）能力的排出能量代谢副产物）能力的原因之一，也是原因之一，也是“子系统子系统+子系子系统统”作为一个整体具有相对独立作为一个整体具有相对独立的运转（的运转（排出分子模块）能力的原排出分子模块）能力的原因之一。因之一。2024/10/20 周日张星元：发酵原理30相对独立运行的另一个重要原因相对独立运行的另一个重要原因是细胞的分泌机制。是细胞的分泌机制。子系统子系统相对独相对独立运转的过程中，细胞可能分泌乙醇立运转的过程中，细胞可能分泌乙醇等能量代谢的副产物；等能量代谢的副产物；“子系统子系统+子系统子系统”相对独立运转的过程中，相对独立运转的过程中，细胞可能分泌氨基酸等分子模块；三细胞可能分泌氨基酸等分子模块；三个子系统协调运转，微生物细胞生长个子系统协调运转，微生物细胞生长迅速。还有可能分泌酶、多糖、多肽迅速。还有可能分泌酶、多糖、多肽等生物大分子。细胞分泌代谢产物的等生物大分子。细胞分泌代谢产物的同时生长速度放慢。同时生长速度放慢。2024/10/20 周日张星元：发酵原理314.2.3微生物的细胞经济学微生物的细胞经济学（microbialcelleconomics）2024/10/20 周日张星元：发酵原理32 经济学经济学是研究各种经济关系和是研究各种经济关系和经济活动的规律的科学，是研究人经济活动的规律的科学，是研究人类社会在各个发展阶段的活动和各类社会在各个发展阶段的活动和各种相应的经济关系，以及经济活动种相应的经济关系，以及经济活动规律的科学。规律的科学。经济活动经济活动是人们在一定的经济是人们在一定的经济关系中（其中占主导地位的是生产关系中（其中占主导地位的是生产关系关系），进行生产、交换、分配、进行生产、交换、分配、消费以及与之有密切关系的活动。消费以及与之有密切关系的活动。2024/10/20 周日张星元：发酵原理33在经济活动中，存在以较少的在经济活动中，存在以较少的耗费获得较大经济效益的耗费获得较大经济效益的经济效果经济效果问题。问题。在微生物细胞的代谢活动中同在微生物细胞的代谢活动中同样也存在着以较少的营养物质，获样也存在着以较少的营养物质，获得较大的生长效益的得较大的生长效益的经济效果经济效果问题；问题；在这个意义上，在这个意义上，代谢活动也是一种代谢活动也是一种经济活动。经济活动。2024/10/20 周日张星元：发酵原理34经济效果要用经济效果要用价值价值的尺度来的尺度来衡量。谈到价值，就涉及到衡量。谈到价值，就涉及到价值价值取向取向问题。问题。用不同的价值取向对用不同的价值取向对同一个事物的效果进行评价，结同一个事物的效果进行评价，结果不会一样。果不会一样。2024/10/20 周日张星元：发酵原理35微生物细胞本身的价值取向是微生物细胞本身的价值取向是加强生存竞争能力加强生存竞争能力，而工业发酵中，而工业发酵中微生物细胞机器的价值取向是微生物细胞机器的价值取向是提高提高目的产物的生产能力目的产物的生产能力。因此在工业。因此在工业发酵的过程中，需要遵循微生物细发酵的过程中，需要遵循微生物细胞经济运行规律，对微生物的代谢胞经济运行规律，对微生物的代谢活动进行协调。活动进行协调。2024/10/20 周日张星元：发酵原理36有关价值取向问题：有关价值取向问题：微生物细胞微生物细胞竞争能力（细胞生长竞争能力（细胞生长速度和繁殖速度）。速度和繁殖速度）。细胞机器细胞机器生产能力（细胞在发酵生产能力（细胞在发酵液中累积特定代谢产物的能力）液中累积特定代谢产物的能力）。2024/10/20 周日张星元：发酵原理37对于本课程定义的对于本课程定义的典型的工业发酵典型的工业发酵来说，目的产物的累积往往是以牺牲微来说，目的产物的累积往往是以牺牲微生物的竞争能力来实现的生物的竞争能力来实现的，因而，高产，因而，高产突变菌株的生存竞争能力往往要比出发突变菌株的生存竞争能力往往要比出发株差一些。工业发酵生产中为了谋求尽株差一些。工业发酵生产中为了谋求尽量高的经济效益，必须在量高的经济效益，必须在保证微生物细保证微生物细胞的生存利益的基础上，精心协调微生胞的生存利益的基础上，精心协调微生物细胞的生长和目的产物的累积这两者物细胞的生长和目的产物的累积这两者的关系。的关系。2024/10/20 周日张星元：发酵原理38微生物细胞经济学试图研究微生物细胞经济学试图研究细胞经济体系的细胞经济体系的运行规律运行规律微生物细胞各个生命活动阶段微生物细胞各个生命活动阶段的的代谢活动代谢活动代谢流代谢流在代谢网络上的流量分在代谢网络上的流量分布和流动规律布和流动规律微生物细胞的体现在不同价值微生物细胞的体现在不同价值取向上的取向上的生产力生产力微生物细胞的微生物细胞的生产力生产力与细胞的与细胞的生产关系之间的关系生产关系之间的关系2024/10/20 周日张星元：发酵原理394.2.3.1细胞经济体系的运行细胞经济体系的运行4.2.3.2细胞经济的细胞经济的经济杠杆经济杠杆4.2.3.3通用代谢物通用代谢物的作用的作用4.2.3.3细胞经济体系是微生物细细胞经济体系是微生物细胞生命活动的胞生命活动的保障体系保障体系2024/10/20 周日张星元：发酵原理40在物竞天择的基础上建立的在物竞天择的基础上建立的微生物细胞经济体系已经经受长微生物细胞经济体系已经经受长期的实践的检验，已成为微生物期的实践的检验，已成为微生物细胞生命活动的细胞生命活动的保障体系保障体系，为，为适应性适应性、经济性经济性和和代谢的持代谢的持续性续性提供保障。提供保障。2024/10/20 周日张星元：发酵原理41自然环境自然环境或或人为的培养条人为的培养条件件均能根据不同的价值取向，均能根据不同的价值取向，对细胞的经济运行进行导向对细胞的经济运行进行导向。但在细胞遗传物质没有变动的但在细胞遗传物质没有变动的情况下，这种导向只能在有限情况下，这种导向只能在有限的范围内进行。的范围内进行。2024/10/20 周日张星元：发酵原理42在遗传物质发生变动的情况下，大在遗传物质发生变动的情况下，大自然的导向，是指自然的导向，是指自发突变加上自然选自发突变加上自然选择择，导致微生物物种的进化；人为的导，导致微生物物种的进化；人为的导向，就是向，就是遗传改造和定向筛选遗传改造和定向筛选，导致优，导致优良的生产菌种的获得，实现另一种意义良的生产菌种的获得，实现另一种意义上的进化。上的进化。然而，然而，不论是大自然的导向还是人不论是大自然的导向还是人为的导向，都不能改变微生物细胞的生为的导向，都不能改变微生物细胞的生存保障规律。存保障规律。2024/10/20 周日张星元：发酵原理434.2.3.1细胞经济体系的运行细胞经济体系的运行原始型细胞经济原始型细胞经济导向型细胞经济导向型细胞经济细胞经济系数细胞经济系数2024/10/20 周日张星元：发酵原理44微生物细胞的微生物细胞的生存保障生存保障规律规律可以概括成可以概括成:整体协调，维持生计整体协调，维持生计2024/10/20 周日张星元：发酵原理45微生物细胞必须按这个生存保障微生物细胞必须按这个生存保障规律进行经济运行，在这个前提下，规律进行经济运行，在这个前提下，细胞经济运行还可以接受细胞细胞经济运行还可以接受细胞经济杠经济杠杆杆的人为的调控。的人为的调控。根据是否接受细胞经济杠杆的人根据是否接受细胞经济杠杆的人为的调控可以把微生物细胞经济分为：为的调控可以把微生物细胞经济分为：原始型细胞经济，原始型细胞经济，导向型细胞经济。导向型细胞经济。2024/10/20 周日张星元：发酵原理46原始型细胞经济原始型细胞经济原始型细胞经济体系原始型细胞经济体系是这样一是这样一种细胞经济体系，这种细胞经济体种细胞经济体系，这种细胞经济体系还没有接受人为的经济导向。野系还没有接受人为的经济导向。野生型微生物的细胞经济体系往往是生型微生物的细胞经济体系往往是属于这个类型的。属于这个类型的。原始型细胞经济原始型细胞经济是细胞经济体是细胞经济体系的这样一种运行状态，这种运行系的这样一种运行状态，这种运行状态有利于细胞生长、繁殖和在竞状态有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。争中获胜。2024/10/20 周日张星元：发酵原理47微生物在生存竞争中进化的微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力，方向是发展其自身的适应能力，提高生存竞争能力；也就是优化提高生存竞争能力；也就是优化细胞经济运行状态。经生存竞争细胞经济运行状态。经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其而幸存下来的野生型微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能力所栖身的环境中是富有竞争能力的。的。2024/10/20 周日张星元：发酵原理48 导向型细胞经济导向型细胞经济如果要求微生物过量合成某如果要求微生物过量合成某种代谢中间产物，则须种代谢中间产物，则须对微生物对微生物的代谢流进行导向的代谢流进行导向。根据已获得。根据已获得的代谢分析的信息，应用正确的的代谢分析的信息，应用正确的策略，进行设计，然后按计划对策略，进行设计，然后按计划对出发株进行出发株进行遗传改造遗传改造和随后的和随后的培培养条件优化养条件优化，将代谢流导向理想，将代谢流导向理想的的载流路径载流路径。2024/10/20 周日张星元：发酵原理49在这种情况下，细胞因接受了人为在这种情况下，细胞因接受了人为的代谢导向，细胞经济体系处于接受导的代谢导向，细胞经济体系处于接受导向的运行状态，因此有向的运行状态，因此有导向型细胞经济导向型细胞经济之称。尽管以产品为导向的导向型细胞之称。尽管以产品为导向的导向型细胞经济不同于原始型细胞经济，然而，经济不同于原始型细胞经济，然而，微微生物细胞总是按生物细胞总是按整体协调，维持生计整体协调，维持生计的的细胞经济管理原则细胞经济管理原则实现能量和还原力的实现能量和还原力的新的平衡新的平衡，从而保证生命活动以另一种，从而保证生命活动以另一种格局格局持续进行下去持续进行下去。2024/10/20 周日张星元：发酵原理50经济活动通过货币投入，获得收益。经济活动通过货币投入，获得收益。在微生物细胞的代谢活动中，存在着以较在微生物细胞的代谢活动中，存在着以较少的营养物质，获得较大的生长效益问题。少的营养物质，获得较大的生长效益问题。在这个意义上，微生物的代谢活动也是一在这个意义上，微生物的代谢活动也是一种经济活动，微生物细胞消耗能量（实际种经济活动，微生物细胞消耗能量（实际上是以上是以ATP的形式提供代谢能），实现生的形式提供代谢能），实现生长。因此研究微生物的代谢，即微生物细长。因此研究微生物的代谢，即微生物细胞的经济运行，必须研究生长能学。胞的经济运行，必须研究生长能学。2024/10/20 周日张星元：发酵原理51细胞经济系数细胞经济系数为了使微生物的细胞经济运行为了使微生物的细胞经济运行状态和竞争能力得到量化。曾经以状态和竞争能力得到量化。曾经以基质的得率系数基质的得率系数 Yxs 为基准，为基准，把细把细胞经济系数胞经济系数定义为细胞增长速率与定义为细胞增长速率与基质消耗速率之比。基质消耗速率之比。2024/10/20 周日张星元：发酵原理52 但是，但是，在进行分批培养时，培养在进行分批培养时，培养基的组成成分是在不断变化的，细胞基的组成成分是在不断变化的，细胞增长速率与不同基质的消耗速率都在增长速率与不同基质的消耗速率都在变化之中，因此这样的变化之中，因此这样的“细胞经济细胞经济系数系数”难以进行同一个水平上的比难以进行同一个水平上的比较。培养基的组成差异是一个质的差较。培养基的组成差异是一个质的差异，如果我们将这个异，如果我们将这个质的差异换算成质的差异换算成量的差异量的差异，或许问题就容易解决了。，或许问题就容易解决了。2024/10/20 周日张星元：发酵原理53这样，我们试图这样，我们试图将培养基的质的将培养基的质的差异转换成差异转换成ATP的量的差异的量的差异，以，以ATP得率系数得率系数YxATP 为基准，修改细胞经济为基准，修改细胞经济系数。系数。特引进代谢经济系数特引进代谢经济系数(economiccoefficientofmetabolism)的概念，的概念，用来描写细胞经济体系的经济运行的用来描写细胞经济体系的经济运行的状况，以及代谢能对于细胞生长的经状况，以及代谢能对于细胞生长的经济效果。济效果。2024/10/20 周日张星元：发酵原理54代谢经济系数，简称经济系数，被定义代谢经济系数，简称经济系数，被定义为细胞增长的速率与为细胞增长的速率与ATP的消耗速率之比：的消耗速率之比：这个经济系数不但使微生物的细胞经济这个经济系数不但使微生物的细胞经济运行状态和竞争能力得到了量化，而且可以运行状态和竞争能力得到了量化，而且可以推算细胞的代谢成本。推算细胞的代谢成本。2024/10/20 周日张星元：发酵原理55综上所述，综上所述，ATP得率系数得率系数YxATP，即即合成单位细胞量所消耗合成单位细胞量所消耗ATP的量的量mmolATP（g细胞干重）细胞干重）-1，比细胞量对基质的得，比细胞量对基质的得率系数率系数 Yxs，即合成单位量的细胞所消耗即合成单位量的细胞所消耗的基质的量，的基质的量，更能体现细胞生长的经济更能体现细胞生长的经济活动的基本特性。活动的基本特性。所以所以在分析细胞的经在分析细胞的经济活动时，以济活动时，以ATP得率系数得率系数YxATP为基准为基准比以基质的得率系数比以基质的得率系数Yxs 为基准更能反映为基准更能反映经济活动的本质。经济活动的本质。2024/10/20 周日张星元：发酵原理56细胞经济系数的高低取决于细胞经济系数的高低取决于分解代谢体系（子系统分解代谢体系（子系统）与两）与两个生物合成系统个生物合成系统（子系统（子系统和子和子系统系统）的协调运转的状况。经）的协调运转的状况。经济系数高低反映各代谢体系之间济系数高低反映各代谢体系之间的联系程度、相关程度和协调程的联系程度、相关程度和协调程度的高低。度的高低。2024/10/20 周日张星元：发酵原理57各代谢子系统之间的联系越紧各代谢子系统之间的联系越紧密，各代谢子系统运转的独立性就密，各代谢子系统运转的独立性就越小，代谢产物的累积就越困难。越小，代谢产物的累积就越困难。在这种情况下，微生物本身能最大在这种情况下，微生物本身能最大限度地生长和繁殖，细胞生产自身限度地生长和繁殖，细胞生产自身的能力最强。细胞经济处于富于竞的能力最强。细胞经济处于富于竞争能力的运行状态，细胞经济系数争能力的运行状态，细胞经济系数最高。最高。2024/10/20 周日张星元：发酵原理584.2.3.2微生物的微生物的经济杠杆经济杠杆外界环境条件外界环境条件对代谢产物的分泌能力对代谢产物的分泌能力遗传根据遗传根据2024/10/20 周日张星元：发酵原理59根据工业发酵的现状，把依靠化根据工业发酵的现状，把依靠化能异养型微生物合成某最终被分泌到能异养型微生物合成某最终被分泌到胞外的初级代谢产物（目的产物）的胞外的初级代谢产物（目的产物）的过程，作为工业发酵的典型过程来研过程，作为工业发酵的典型过程来研究。究。如果要在发酵液中获得大量的目如果要在发酵液中获得大量的目的产物，先决条件是必须有一定量的的产物，先决条件是必须有一定量的细胞细胞存在存在，而且细胞的生命活动必须，而且细胞的生命活动必须得到得到维持维持。2024/10/20 周日张星元：发酵原理60在发酵工业生产上，分批发酵在发酵工业生产上，分批发酵的前期是的前期是菌种微生物增殖（细胞机菌种微生物增殖（细胞机器的在线制造）阶段器的在线制造）阶段。应该从培养。应该从培养条件上保证菌种微生物的正常增殖，条件上保证菌种微生物的正常增殖，以便为随后以便为随后目的产物生成（细胞机目的产物生成（细胞机器的在线运行）器的在线运行）提供足够的细胞机提供足够的细胞机器。然后，细胞机器转入目的产物器。然后，细胞机器转入目的产物的生产（在线运行的生产（在线运行）阶段。）阶段。2024/10/20 周日张星元：发酵原理61目的产物在发酵液中的累积，是目的产物在发酵液中的累积，是微生物细胞按微生物细胞按整体协调维持生计整体协调维持生计的的生生存保障规律存保障规律，自动调低细胞生长速度，自动调低细胞生长速度，维持生命活动的情况下实现的。维持生命活动的情况下实现的。在这在这个阶段，培养条件的转换能调动菌种个阶段，培养条件的转换能调动菌种微生物高产目的产物的遗传潜力，从微生物高产目的产物的遗传潜力，从而促成目的产物生产的代谢导向，而促成目的产物生产的代谢导向，使使微生物细胞在胞外累积目的产物，获微生物细胞在胞外累积目的产物，获得发酵工业生产的经济效益。得发酵工业生产的经济效益。2024/10/20 周日张星元：发酵原理62这时，因为目的产物（原来用这时，因为目的产物（原来用于生长的代谢中间产物）的抽出，于生长的代谢中间产物）的抽出，造成细胞生长速率的下降和竞争能造成细胞生长速率的下降和竞争能力的削弱。细胞生成速度相对较低，力的削弱。细胞生成速度相对较低，细胞经济系数相对较低；目的产物细胞经济系数相对较低；目的产物的生成速度相对较高，目的产物生的生成速度相对较高，目的产物生成系数相对较高。成系数相对较高。2024/10/20 周日张星元：发酵原理63微生物群体的生命活动（也就是细胞的微生物群体的生命活动（也就是细胞的经济活动），不论是在天然的环境下还是在经济活动），不论是在天然的环境下还是在人为的培养条件下进行，都受到经济杠杆的人为的培养条件下进行，都受到经济杠杆的调控。调控。在微生物学中，细菌的（群体）生长在微生物学中，细菌的（群体）生长曲线反映的单细胞微生物生长体系中细胞浓曲线反映的单细胞微生物生长体系中细胞浓度随时间的变化规律（先后经过延迟期、对度随时间的变化规律（先后经过延迟期、对数期、平衡期和衰亡期），就是细胞的经济数期、平衡期和衰亡期），就是细胞的经济活动受到调控的结果；细菌细胞自身的生命活动受到调控的结果；细菌细胞自身的生命活动影响其自身的环境条件，其自身的环境活动影响其自身的环境条件，其自身的环境条件反过来又影响（调控）细胞自身的生命条件反过来又影响（调控）细胞自身的生命活动。活动。2024/10/20 周日张星元：发酵原理64在工业发酵生产中，在工业发酵生产中，人们可人们可以利用经济杠杆对微生物的生长、以利用经济杠杆对微生物的生长、繁殖等新陈代谢过程进行调控。繁殖等新陈代谢过程进行调控。化能异养型微生物细胞经济化能异养型微生物细胞经济的经济杠杆主要有下面几种：的经济杠杆主要有下面几种：2024/10/20 周日张星元：发酵原理65外界环境条件外界环境条件如如pH、温度、溶解氧及培温度、溶解氧及培养基的营养成分。外界环境首先养基的营养成分。外界环境首先向子系统向子系统（碳源分解代谢）施加（碳源分解代谢）施加影响，比如使糖的降解代谢途径影响，比如使糖的降解代谢途径上的代谢流发生变化，甚至发生上的代谢流发生变化，甚至发生途径的转换和代谢流的漂移。途径的转换和代谢流的漂移。2024/10/20 周日张星元：发酵原理66对代谢产物的分泌能力对代谢产物的分泌能力要实现代谢产物在发酵液中的大要实现代谢产物在发酵液中的大量累积，还有一个先决条件是微生物量累积，还有一个先决条件是微生物细胞对这些代谢产物的分泌能力。如细胞对这些代谢产物的分泌能力。如果这些代谢产物因代谢方面的原因只果这些代谢产物因代谢方面的原因只在细胞内累积而不分泌，就会影响细在细胞内累积而不分泌，就会影响细胞的内部环境，直至影响到微生物细胞的内部环境，直至影响到微生物细胞的生存。胞的生存。2024/10/20 周日张星元：发酵原理67在这种情况下，旺盛的分泌能力在这种情况下，旺盛的分泌能力对微生物细胞来说是一种解毒机制；对微生物细胞来说是一种解毒机制；对工业生产来说，细胞分泌能力有助对工业生产来说，细胞分泌能力有助于代谢产物的大量生成和在发酵液中于代谢产物的大量生成和在发酵液中的大量累积。代谢产物的分泌对以各的大量累积。代谢产物的分泌对以各代谢子系统的松散联系为基础的有关代谢子系统的松散联系为基础的有关子系统的独立运转，也起着十分重要子系统的独立运转，也起着十分重要的作用。的作用。2024/10/20 周日张星元：发酵原理68遗传物质遗传物质如子系统如子系统和和（生物合成）所（生物合成）所涉及的合成代谢途径的酶和（或）调涉及的合成代谢途径的酶和（或）调节机制的遗传根据的改变。子系统节机制的遗传根据的改变。子系统和和的运行，除了受到外界条件的间的运行，除了受到外界条件的间接影响外，更多地取决于人对菌种的接影响外，更多地取决于人对菌种的选育和改造。选育和改造。2024/10/20 周日张星元：发酵原理69在工业发酵过程中，通过经济在工业发酵过程中，通过经济杠杆原理调节细胞机器的在线制造杠杆原理调节细胞机器的在线制造阶段和在线运行阶段的阶段和在线运行阶段的相对长度相对长度和和运行状态运行状态，根据生产需要和微生物，根据生产需要和微生物菌种的性能适度地调节培养过程中菌种的性能适度地调节培养过程中代谢成本的分布代谢成本的分布（细胞机器成本在（细胞机器成本在总成本中的比例）。总成本中的比例）。2024/10/20 周日张星元：发酵原理704.2.3.3通用代谢物的作用通用代谢物的作用2024/10/20 周日张星元：发酵原理71可以在细胞全局范围内通用的代谢可以在细胞全局范围内通用的代谢物通用代谢物（物通用代谢物（currencymetabolites）是指，主要是能量货币是指，主要是能量货币ATP和以代谢物和以代谢物形式出现的还原力形式出现的还原力NADH和和NADPH。它们的作用主要在于它们的作用主要在于调节代谢流的流量调节代谢流的流量和方向，使途径成为代谢网络整体的一和方向，使途径成为代谢网络整体的一部分。部分。2024/10/20 周日张星元：发酵原理72生物合成反应一般都依赖于生物合成反应一般都依赖于ATP的供应，的供应，若若ATP供应不足，则生物合成受阻，甚至连供应不足，则生物合成受阻，甚至连形成代谢能的降解途径都不能激活。形成代谢能的降解途径都不能激活。ATP及及其相关分子其相关分子ADP、AMP（三者组成腺苷酸三者组成腺苷酸库）不但调节中心（碳代谢）途径的供能反库）不但调节中心（碳代谢）途径的供能反应，还直接参与代谢反应。这些中心分解代应，还直接参与代谢反应。这些中心分解代谢过程谢过程（糖酵解和糖酵解和TCA循环）为生物合成循环）为生物合成提供启动物质。然而，提供启动物质。然而，就其重要性来说，其就其重要性来说，其调节作用远远大于其参与作用。调节作用远远大于其参与作用。2024/10/20 周日张星元：发酵原理732024/10/20 周日张星元：发酵原理74这些途径不仅提供这些途径不仅提供前体代谢物前体代谢物，同时，同时也提供也提供代谢能代谢能和和辅助因子辅助因子，以满足基本的，以满足基本的合成代谢的需要。因此，此类途径被称为合成代谢的需要。因此，此类途径被称为无定向代谢途径以表示它们在分解代谢和无定向代谢途径以表示它们在分解代谢和合成代