2023-07-301微生物細(xì)胞新陳代謝的獨(dú)立性是靠其廣泛的適應(yīng)性和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用即經(jīng)濟(jì)性來(lái)支撐的。歸根到底是依靠微生物細(xì)胞嚴(yán)密的代謝調(diào)節(jié)（包括能量代謝和物質(zhì)代謝）機(jī)構(gòu)來(lái)支撐的。關(guān)于代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題上一節(jié)已作了簡(jiǎn)單的分析，本節(jié)將從細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)探討代謝產(chǎn)物過(guò)量合成的可能性。第1第頁(yè)一頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3024.2.1

微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)——微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行第2第頁(yè)二頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3034.2.1

微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系第3第頁(yè)三頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-304微生物細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放體系，它能對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)要素（①能量、②物質(zhì)、③信息），自主地進(jìn)行定向的、全面的協(xié)調(diào)。我們把微生物細(xì)胞作為按特殊經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)實(shí)體來(lái)看待，并且把這種按特殊的經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的新陳代謝體系叫做細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系。第4第頁(yè)四頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-305微生物細(xì)胞的獨(dú)立存在和自主生存，依賴(lài)于微生物細(xì)胞廣泛的適應(yīng)性（先保證活下來(lái)）和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的節(jié)約使用，即經(jīng)濟(jì)性（爭(zhēng)取在所處環(huán)境條件下更具競(jìng)爭(zhēng)力）。適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性都建立在微生物細(xì)胞代謝的變動(dòng)性上。第5第頁(yè)五頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-306但是，

微生物代謝的變動(dòng)是有限度的，它受到前述的細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的嚴(yán)格規(guī)范和嚴(yán)密控制，以保證代謝的持續(xù)。這些代謝調(diào)節(jié)的規(guī)律就是細(xì)胞生命活動(dòng)的

“

經(jīng)濟(jì)法則 ”，即細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管理原則，

細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系按細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行。細(xì)胞的遺傳物質(zhì)（

遺傳信息的載體）是細(xì)胞與環(huán)境對(duì)話的指揮中心。第6第頁(yè)六頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-307適應(yīng)性保障體系經(jīng)濟(jì)性持續(xù)代謝第7第頁(yè)七頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-308對(duì)于微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)而言，細(xì)胞實(shí)物結(jié)構(gòu)（微生物學(xué)的內(nèi)容）和細(xì)胞經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)（即將討論）構(gòu)成了細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。生產(chǎn)力生產(chǎn)關(guān)系第8第頁(yè)八頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-309細(xì)胞經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，

最終取決于細(xì)胞的遺傳物質(zhì)和環(huán)境的對(duì)話（

細(xì)胞的

“

藍(lán)圖

”和細(xì)胞生命活動(dòng)的指揮中心的現(xiàn)場(chǎng)指揮）。第9第頁(yè)九頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-30104

.

2

.

2

微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)

——微生物代謝的三個(gè)子系統(tǒng)第10第十頁(yè)頁(yè)，/共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3011對(duì)于化能異養(yǎng)型微生物而言，其碳架物質(zhì)的代謝是最基本的代謝，因?yàn)樘技芪镔|(zhì)代謝不但為其自身合

成提供碳架，而且為自身合成提供

了可直接使用的代謝能和還原力。

因此，我們首先以碳架代謝為主線，研究與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)直接相關(guān)的初級(jí)代謝活動(dòng)。第1第1十頁(yè)一頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3012為了分析問(wèn)題的方便，把與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)直接相關(guān)的代謝系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，來(lái)研究微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。第1第2十頁(yè)二頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-30134.2.2.1

碳架代謝的三個(gè)子系統(tǒng)4.2.2.2

三個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系第1第3十頁(yè)三頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3014微生物碳架物質(zhì)的初級(jí)代謝大致可分成三個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)分解代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)Ⅰ）和兩個(gè)合成代謝子系統(tǒng)（子系統(tǒng)Ⅱ和子系統(tǒng)Ⅲ）。第1第4十頁(yè)四頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3015ⅠⅡⅢ碳架ATP分子模塊微生物碳架代謝系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)第1第5十頁(yè)五頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3016上圖中Ⅰ：碳源的分解代謝子系統(tǒng)

Ⅱ：分子模塊的合成代謝子系統(tǒng)Ⅲ：生物大分子的合成代謝子系統(tǒng)ATP代表代謝能；

分子模塊代表氨基酸、核苷酸等參與生物大分子組成的單元化合物；

碳架代表

PYR、 R-

5

-

P、α-

KG等前體代謝物。虛箭頭和實(shí)箭頭分別代表代謝系統(tǒng)內(nèi)部的松散的和緊密的聯(lián)第1第6十頁(yè)六系頁(yè)/，共共96頁(yè)9。。5頁(yè)2023-07-3017子系統(tǒng)Ⅰ是微生物細(xì)胞用以合成前體代謝物和提供代謝能的碳源分解代謝系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)最容易直接受外界環(huán)境條件在生理許可范圍內(nèi)的影響。例如，

p

H條件引起黑曲霉的發(fā)酵轉(zhuǎn)換，p

H3

時(shí)累積檸檬酸，

pH6

時(shí)累積葡萄糖酸，p

H

10

時(shí)累積草酸。第1第7十頁(yè)七頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3018這個(gè)系統(tǒng)之所以易受外界環(huán)境影響，可能是因?yàn)樘荚吹姆纸獯x有多條途徑可供選擇；此外，可能是因?yàn)榉纸獯x的酶主要分布在細(xì)胞內(nèi)可溶部分和膜上，易受外界條件影響。第1第8十頁(yè)八頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3019用來(lái)合成分子模塊（buildingblock）的合成代謝子系統(tǒng)。分子模塊一般是指用以合成生物大分子的標(biāo)準(zhǔn)單元，譬如用于多糖合成的

G-1-P，

用于蛋白質(zhì)合成的各種氨基酸，用于RNA

和

DNA

合成的各種核苷酸和脫氧核苷酸，

以及用于類(lèi)異戊二烯化合物合成的異戊烯基焦磷酸等。第1第9十頁(yè)九頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3020這個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制主要是負(fù)反饋調(diào)節(jié)（包括反饋抑制和反饋?zhàn)瓒簦€有由遺傳因素決定的、可能出現(xiàn)酶的缺失（主要表型是營(yíng)養(yǎng)缺陷型）突變株。這些結(jié)構(gòu)單位的生物合成途徑大多已弄清楚，總的印象是此系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制較為單純。第2第0二頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3021分類(lèi)學(xué)上屬不同種的微生物的子系統(tǒng)Ⅰ的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制比較接近，而子系統(tǒng)Ⅱ的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制則頗為不同。第第2二1十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3022生物大分子合成代謝子系統(tǒng)是指細(xì)胞用以生成蛋白質(zhì)、DNA、RNA

、各種多糖

(

同多糖、雜多糖、肽多糖、脂多糖、莢膜多糖等)

及類(lèi)脂（

含類(lèi)異戊二烯化合物）等細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生物大分子合成代謝子系統(tǒng)。第第2二2十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3023只有當(dāng)以上三個(gè)代謝子系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)運(yùn)行，微生物細(xì)胞才能維持生命循環(huán)。只有當(dāng)生命循環(huán)得到維持，我們才有可能通過(guò)微生物細(xì)胞的生命活動(dòng)，生產(chǎn)微生物產(chǎn)品。第第2二3十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3024微生物活細(xì)胞是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放體系，微生物細(xì)胞與它所處的環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換。微生物細(xì)胞作

為細(xì)胞機(jī)器用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，除了

要從培養(yǎng)基吸收營(yíng)養(yǎng)外，還要排出

工業(yè)生產(chǎn)的目的產(chǎn)物。第2第二4十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3025分泌能量代謝的副產(chǎn)物（乙醇、乳酸等）ⅠⅡⅢ分泌生物大分子的前體（氨基酸、核酸等）分泌生物大分子（酶、微生物多糖等）碳架ATP分子模塊營(yíng)養(yǎng)第第2二5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3026如圖所示三子系統(tǒng)有如下關(guān)系：子系統(tǒng)Ⅰ生成

ATP,

子系統(tǒng)

Ⅱ和子系統(tǒng)Ⅲ使用ATP。但是子系統(tǒng)Ⅰ中ATP如何合成并不嚴(yán)重影響子系統(tǒng)Ⅱ和子系統(tǒng)

Ⅲ

對(duì)ATP

的使用。

因此可以認(rèn)為子系統(tǒng)Ⅰ與整個(gè)合成系統(tǒng)

（子系統(tǒng)Ⅱ

加上子系統(tǒng)

Ⅲ

）

之間的聯(lián)系是較為松散的（圖中的虛線箭頭）。第2第二6十頁(yè)六頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3027子系統(tǒng)Ⅰ

生成的前體代謝物的質(zhì)和量強(qiáng)烈地影響子系統(tǒng)Ⅱ的運(yùn)行

（

見(jiàn)離心途徑匯總圖

），

因此子系統(tǒng)Ⅰ與子系統(tǒng)

Ⅱ之間的聯(lián)系是緊密的（

實(shí)線箭頭）

。而子系統(tǒng)

Ⅰ

與子系統(tǒng)

Ⅲ

之間幾乎僅僅通過(guò)

ATP相聯(lián)系，

因此

這兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系是松散的（

虛線箭頭

）

。分子模塊

(

如氨基酸

)

在細(xì)胞內(nèi)通常可以游離狀態(tài)存在，

由此推測(cè)，

子系統(tǒng)Ⅱ與子系統(tǒng)

Ⅲ

也只是保持松散的關(guān)系（

虛線箭頭）

。第2第二7十頁(yè)七頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3028綜上所述，第第2二8十頁(yè)八頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3029相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的另一個(gè)重要原因是細(xì)胞的分泌機(jī)制。子系統(tǒng)Ⅰ相對(duì)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，細(xì)胞可能分泌乙醇等能量代謝的副產(chǎn)物；“子系統(tǒng)Ⅰ+

子系統(tǒng)Ⅱ

”

相對(duì)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，

細(xì)胞可能分泌氨基酸等分子模塊；

三個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，

微生物細(xì)胞生長(zhǎng)迅速。還有可能分泌酶、多糖、多肽等生物大分子。細(xì)胞分泌代謝產(chǎn)物的同時(shí)生長(zhǎng)速度放慢。第2第9二十頁(yè)九頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-30304.2.3

微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)（

m

ic

ro

b

ia

l

c

e

ll

e

c

o

n

o

m

ic

s

）第3第0三頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3031經(jīng)濟(jì)學(xué)是研究各種經(jīng)濟(jì)關(guān)系和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的規(guī)律的科學(xué)，是研究人類(lèi)社會(huì)在各個(gè)發(fā)展階段的活動(dòng)和各種相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，以及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是人們?cè)谝欢ǖ慕?jīng)濟(jì)關(guān)系中（其中占主導(dǎo)地位的是生產(chǎn)關(guān)系

）

，

進(jìn)行生產(chǎn)、交換、分配、消費(fèi)以及與之有密切關(guān)系的活動(dòng)。第第3三1十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3032在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，存在以較少的耗費(fèi)獲得較大經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)濟(jì)效果問(wèn)題。在微生物細(xì)胞的代謝活動(dòng)中

同樣也存在著以較少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長(zhǎng)效益的經(jīng)濟(jì)效果問(wèn)題；在這個(gè)意義上，代謝活動(dòng)也是一種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。第3第三2十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3033經(jīng)濟(jì)效果要用價(jià)值的尺度來(lái)衡量。談到價(jià)值，就涉及到價(jià)值取向問(wèn)題。用不同的價(jià)值取向?qū)ν粋€(gè)事物的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果不會(huì)一樣。第3第3三十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3034微生物細(xì)胞本身的價(jià)值取向是加強(qiáng)生存競(jìng)爭(zhēng)能力，而工業(yè)發(fā)酵中微生物細(xì)胞機(jī)器的價(jià)值取向是提高目的產(chǎn)物的生產(chǎn)能力。因此在工業(yè)發(fā)酵的過(guò)程中，需要遵循微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)微生物的代謝活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。第3第三4十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3035有關(guān)價(jià)值取向問(wèn)題：＊微生物細(xì)胞——競(jìng)爭(zhēng)能力（細(xì)胞生長(zhǎng)速度和繁殖速度）。＊細(xì)胞機(jī)器——生產(chǎn)能力（細(xì)胞在發(fā)酵液中累積特定代謝產(chǎn)物的能力）

。第3第三5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3036典型的工業(yè)發(fā)酵來(lái)說(shuō)，目的產(chǎn)物的累積往往是以犧牲微生物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的保證微生物細(xì)胞的生存利益的基礎(chǔ)上，精心協(xié)調(diào)微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和目的產(chǎn)物的累積這兩者的關(guān)系。第第3三6十頁(yè)六頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3037微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)試圖研究①細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的運(yùn)行規(guī)律②微生物細(xì)胞各個(gè)生命活動(dòng)階段的代謝活動(dòng)③代謝流在代謝網(wǎng)絡(luò)上的流量分布和流動(dòng)規(guī)律④微生物細(xì)胞的體現(xiàn)在不同價(jià)值取向上的生產(chǎn)力⑤微生物細(xì)胞的生產(chǎn)力與細(xì)胞的生產(chǎn)關(guān)系之間的關(guān)系第3第三7十頁(yè)七頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3038經(jīng)濟(jì)杠桿通用代謝物保障體系第3第三8十頁(yè)八頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3039在物競(jìng)天擇的基礎(chǔ)上建立的微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系已經(jīng)經(jīng)受長(zhǎng)期的實(shí)踐的檢驗(yàn)，已成為微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的保障體系，為①適應(yīng)性、②經(jīng)濟(jì)性和③代謝的持續(xù)性提供保障。第第3三9十頁(yè)九頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3040自然環(huán)境或人為的培養(yǎng)條件均能根據(jù)不同的價(jià)值取向，對(duì)細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行導(dǎo)向。但在細(xì)胞遺傳物質(zhì)沒(méi)有變動(dòng)的情況下，這種導(dǎo)向只能在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行。第4第0四頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3041在遺傳物質(zhì)發(fā)生變動(dòng)的情況下，大自然的導(dǎo)向，是指自發(fā)突變加上自然選擇，導(dǎo)致微生物物種的進(jìn)化；人為的導(dǎo)向，就是遺傳改造和定向篩選，導(dǎo)致優(yōu)良的生產(chǎn)菌種的獲得，實(shí)現(xiàn)另一種意義上的進(jìn)化。然而，不論是大自然的導(dǎo)向還是人為的導(dǎo)向，都不能改變微生物細(xì)胞的生存保障規(guī)律。第4第四1十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3042⑴⑶

細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)第第4四2十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3043微生物細(xì)胞的生存保障規(guī)律可以概括成:整體協(xié)調(diào)，維持生計(jì)第第4四3十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3044微生物細(xì)胞必須按這個(gè)生存保障規(guī)律進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在這個(gè)前提下，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行還可以接受細(xì)胞經(jīng)濟(jì)杠桿的人為的調(diào)控。根據(jù)是否接受細(xì)胞經(jīng)濟(jì)杠桿的人為的調(diào)控可以把微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)分為：⑴原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)，⑵導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)。第4第4四十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3045⑴原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是這樣一種細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系，這種細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系還沒(méi)有接受人為的經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向。野生型微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系往往是屬于這個(gè)類(lèi)型的。原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)是細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的這樣一種運(yùn)行狀態(tài)，這種運(yùn)行狀態(tài)有利于細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖和在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝。第第4四5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3046微生物在生存競(jìng)爭(zhēng)中進(jìn)化的方向是發(fā)展其自身的適應(yīng)能力，提高生存競(jìng)爭(zhēng)能力；也就是優(yōu)化細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)生存競(jìng)爭(zhēng)而幸存下來(lái)的野生型微生物在其所棲身的環(huán)境中是富有競(jìng)爭(zhēng)能力的。第4第6四十頁(yè)六頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3047⑵導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)如果要求微生物過(guò)量合成

某種代謝中間產(chǎn)物，則須對(duì)微生物的代謝流進(jìn)行導(dǎo)向。根據(jù)已獲得的代謝分析的信息，應(yīng)用正確的策略，進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按計(jì)劃對(duì)出發(fā)株進(jìn)行遺傳改造和隨后的培養(yǎng)條件優(yōu)化，將代謝流導(dǎo)向理想的載流路徑。第第4四7十頁(yè)七頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3048在這種情況下，細(xì)胞因接受了人為的代謝導(dǎo)向，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系處于接受導(dǎo)向的運(yùn)行狀態(tài)，因此有導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)之稱(chēng)。盡管以產(chǎn)品為導(dǎo)向的導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)不同于原始型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)，然而，微生物細(xì)胞總是按整體協(xié)調(diào)，維持生計(jì)的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)管理原則實(shí)現(xiàn)能量和還原力的新的平衡，從而保證生命活動(dòng)以另一種格局持續(xù)進(jìn)行下去。第4第四8十頁(yè)八頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3049經(jīng)濟(jì)活動(dòng)通過(guò)貨幣投入，獲得收益。在微生物細(xì)胞的代謝活動(dòng)中，存在著以較少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲得較大的生長(zhǎng)效益問(wèn)題。在這個(gè)意義上，微生物的代謝活動(dòng)也是一種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，微生物細(xì)胞消耗能量（實(shí)際上是以ATP的形式提供代謝能），實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)。因此研究微生物的代謝，即微生物細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須研究生長(zhǎng)能學(xué)。第4第9四十頁(yè)九頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3050⑶細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)為了使微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)能力得到量化。曾經(jīng)以基質(zhì)的得率系數(shù)

Yx

s

為基準(zhǔn)，把細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)定義為細(xì)胞增長(zhǎng)速率與基質(zhì)消耗速率之比。第5第0五頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3051但是，在進(jìn)行分批培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)基的組成成分是在不斷變化的，細(xì)胞增長(zhǎng)速率與不同基質(zhì)的消耗速率都在變化之中，因此這樣的“細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系

數(shù)”難以進(jìn)行同一個(gè)水平上的比較。培養(yǎng)基的組成差異是一個(gè)質(zhì)的差異，如果我們將這個(gè)質(zhì)的差異換算成量的差異，或許問(wèn)題就容易解決了。第5第1五十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3052這樣，我們?cè)噲D將培養(yǎng)基的質(zhì)的差異轉(zhuǎn)換成ATP的量的差異，以ATP

得率系數(shù)Yx

A

T

P

為基準(zhǔn)，

修改細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)。特引進(jìn)代謝經(jīng)濟(jì)系數(shù)(

economic

coefficient

ofmetabolism)的概念，用來(lái)描寫(xiě)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀況，以及代謝能對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)效果。第5第2五十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3053代謝經(jīng)濟(jì)系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)濟(jì)系數(shù)，被定義為細(xì)胞增長(zhǎng)的速率與ATP的消耗速率之比：這個(gè)經(jīng)濟(jì)系數(shù)不但使微生物的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)能力得到了量化，而且可以推算細(xì)胞的代謝成本。第第5五3十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3054綜上所述，ATP得率系數(shù)Y

x

A

T

P

，即合成單位細(xì)胞量所消耗ATP的量[mmol

ATP（

g細(xì)胞干重）

-

1

]，

比細(xì)胞量對(duì)基質(zhì)的得率系數(shù)

Yx

s

，

即合成單位量的細(xì)胞所消耗的基質(zhì)的量，

更能體現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本特性。

所以在分析細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)，

以

ATP得率系數(shù)Y

x

A

T

P

為基準(zhǔn)比以基質(zhì)的得率系數(shù)Yxs

為基準(zhǔn)更能反映經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的本質(zhì)。第第5五4十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3055細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)的高低取決于分解代謝體系（子系統(tǒng)Ⅰ

）與兩個(gè)生物合成系統(tǒng)

（子系統(tǒng)Ⅱ和子系統(tǒng)

Ⅲ）的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況。經(jīng)濟(jì)系數(shù)高低反映各代謝體系之間的聯(lián)系程度、相關(guān)程度和協(xié)調(diào)程度的高低。第第5五5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3056各代謝子系統(tǒng)之間的聯(lián)系越緊密，各代謝子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的獨(dú)立性就越小，代謝產(chǎn)物的累積就越困難。在這種情況下，微生物本身能最大

限度地生長(zhǎng)和繁殖，細(xì)胞生產(chǎn)自身

的能力最強(qiáng)。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)處于富于競(jìng)

爭(zhēng)能力的運(yùn)行狀態(tài)，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)

最高。第5第五6十頁(yè)六頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3057經(jīng)濟(jì)杠桿第第5五7十頁(yè)七頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3058根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，把依靠化能異養(yǎng)型微生物合成某最終被分泌到胞外的初級(jí)代謝產(chǎn)物（目的產(chǎn)物）的過(guò)程，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過(guò)程來(lái)研究。如果要在發(fā)酵液中獲得大量的目的產(chǎn)物，先決條件是必須有一定量的細(xì)胞存在，而且細(xì)胞的生命活動(dòng)必須得到維持。第第5五8十頁(yè)八頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3059在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上，分批發(fā)酵的前期是菌種微生物增殖（細(xì)胞機(jī)器的在線制造）階段。應(yīng)該從培養(yǎng)條件上保證菌種微生物的正常增殖，以便為隨后目的產(chǎn)物生成（細(xì)胞機(jī)器的在線運(yùn)行）提供足夠的細(xì)胞機(jī)器。然后，細(xì)胞機(jī)器轉(zhuǎn)入目的產(chǎn)物的生產(chǎn)（在線運(yùn)行）階段。第5第9五十頁(yè)九頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3060目的產(chǎn)物在發(fā)酵液中的累積，是微生物細(xì)胞按整體協(xié)調(diào)維持生計(jì)的生存保障規(guī)律，自動(dòng)調(diào)低細(xì)胞生長(zhǎng)速度，維持生命活動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)階段，培養(yǎng)條件的轉(zhuǎn)換能調(diào)動(dòng)菌種微生物高產(chǎn)目的產(chǎn)物的遺傳潛力，從而促成目的產(chǎn)物生產(chǎn)的代謝導(dǎo)向，使微生物細(xì)胞在胞外累積目的產(chǎn)物，獲得發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。第6第0六頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3061這時(shí)，因?yàn)槟康漠a(chǎn)物（原來(lái)用于生長(zhǎng)的代謝中間產(chǎn)物）的抽出，造成細(xì)胞生長(zhǎng)速率的下降和競(jìng)爭(zhēng)能

力的削弱。細(xì)胞生成速度相對(duì)較低，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)相對(duì)較低；目的產(chǎn)物

的生成速度相對(duì)較高，目的產(chǎn)物生

成系數(shù)相對(duì)較高。第第6六1十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3062微生物群體的生命活動(dòng)（也就是細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)），不論是在天然的環(huán)境下還是在人為的培養(yǎng)條件下進(jìn)行，都受到經(jīng)濟(jì)杠桿的調(diào)控。在微生物學(xué)中，細(xì)菌的（群體）生長(zhǎng)曲線反映的單細(xì)胞微生物生長(zhǎng)體系中細(xì)胞濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律（先后經(jīng)過(guò)延遲期、對(duì)數(shù)期、平衡期和衰亡期），就是細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)受到調(diào)控的結(jié)果；細(xì)菌細(xì)胞自身的生命活動(dòng)影響其自身的環(huán)境條件，其自身的環(huán)境條件反過(guò)來(lái)又影響（調(diào)控）細(xì)胞自身的生命活動(dòng)。第第6六2十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3063在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，人們可以利用經(jīng)濟(jì)杠桿對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖等新陳代謝過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)杠桿主要有下面幾種：第第6六3十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3064如

pH、

溫度、溶解氧及培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分。外界環(huán)境首先向子系統(tǒng)Ⅰ（

碳源分解代謝）施加影響，

比如使糖的降解代謝途徑上的代謝流發(fā)生變化，

甚至發(fā)生途徑的轉(zhuǎn)換和代謝流的漂移。第6第六4十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3065要實(shí)現(xiàn)代謝產(chǎn)物在發(fā)酵液中的大量累積，還有一個(gè)先決條件是微生物細(xì)胞對(duì)這些代謝產(chǎn)物的分泌能力。如果這些代謝產(chǎn)物因代謝方面的原因只在細(xì)胞內(nèi)累積而不分泌，就會(huì)影響細(xì)胞的內(nèi)部環(huán)境，直至影響到微生物細(xì)胞的生存。第第6六5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3066在這種情況下，旺盛的分泌能力對(duì)微生物細(xì)胞來(lái)說(shuō)是一種解毒機(jī)制；對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，細(xì)胞分泌能力有助

于代謝產(chǎn)物的大量生成和在發(fā)酵液中

的大量累積。代謝產(chǎn)物的分泌對(duì)以各

代謝子系統(tǒng)的松散聯(lián)系為基礎(chǔ)的有關(guān)

子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，也起著十分重要

的作用。第6第6六十頁(yè)六頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3067如子系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ（生物合成）所涉及的合成代謝途徑的酶和（或）調(diào)節(jié)機(jī)制的遺傳根據(jù)的改變。子系

統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ的運(yùn)行，除了受到外界條

件的間接影響外，更多地取決于人

對(duì)菌種的選育和改造。第6第7六十頁(yè)七頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3068在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)經(jīng)濟(jì)杠桿原理調(diào)節(jié)細(xì)胞機(jī)器的在線制造階段和在線運(yùn)行階段的相對(duì)長(zhǎng)度和運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)生產(chǎn)需要和微生物菌種的性能適度地調(diào)節(jié)培養(yǎng)過(guò)程中代謝成本的分布（細(xì)胞機(jī)器成本在總成本中的比例）。第6第8六十頁(yè)八頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3069第6第六9十頁(yè)九頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3070可以在細(xì)胞全局范圍內(nèi)通用的代謝物通用代謝物（currencymetabolites）是指，主要是能量貨幣

ATP和以代謝物形式出現(xiàn)的還原力NADH

和NADPH。它們的作用主要在于調(diào)節(jié)代謝流的流量和方向，使途徑成為代謝網(wǎng)絡(luò)整體的一部分。第7第0七頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3071生物合成反應(yīng)一般都依賴(lài)于ATP的供應(yīng)，若ATP供應(yīng)不足，則生物合成受阻，甚至連形成代謝能的降解途徑都不能激活。ATP及其相關(guān)分子

ADP、AMP（

三者組成腺苷酸庫(kù)）不但調(diào)節(jié)中心（碳代謝）途徑的供能反應(yīng)，還直接參與代謝反應(yīng)。這些中心分解代謝過(guò)程 （ 糖酵解和 TCA

循環(huán)）為生物合成提供啟動(dòng)物質(zhì)。然而，

就其重要性來(lái)說(shuō)，其調(diào)節(jié)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其參與作用。第7第七1十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3072第7第七2十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3073這些途徑不僅提供前體代謝物，同

時(shí)也提供代謝能和輔助因子，以滿(mǎn)足基本的合成代謝的需要。因此，此類(lèi)途徑被稱(chēng)為無(wú)定向代謝途徑以表示它們?cè)诜纸獯x和合成代謝中的雙重作用。這些途徑的調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)反映出其雙重功能，即確保碳架物質(zhì)（

carbon

skeletons）

正確地、協(xié)調(diào)地流進(jìn)生物合成途徑和產(chǎn)能途徑（收獲代謝能的途徑）。嚴(yán)格地說(shuō)，生物合成途徑與降解途徑的主要區(qū)別在于，用來(lái)控制流量的調(diào)節(jié)信號(hào)的性質(zhì)的不同。第7第3七十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3074如果糖酵解或TCA循環(huán)僅僅接受能荷調(diào)節(jié)，那么在能量供應(yīng)充足的條件下，通過(guò)這些途徑的流量將會(huì)硬性地減少。然而，伴隨著ATP再生的減少，這種反饋機(jī)制也會(huì)限制用于生長(zhǎng)的中間物的利用率，從而削弱生長(zhǎng)。這樣的響應(yīng)仍不能令人滿(mǎn)意，因?yàn)榕囵B(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)豐富時(shí)，生長(zhǎng)也會(huì)受到限制。第第7七4十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3075為了滿(mǎn)意地調(diào)節(jié)一個(gè)同時(shí)支持兩種功能（產(chǎn)能和生長(zhǎng)）的過(guò)程，已經(jīng)導(dǎo)出了一種微妙的機(jī)制。這個(gè)機(jī)制需要兩類(lèi)信號(hào)的輸入，一類(lèi)是生物合成中間物水平的信號(hào)，另一類(lèi)是代謝能水平的信號(hào)。第第7七5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3076第一類(lèi)信號(hào)是特定途徑（通常是嚴(yán)格的合成過(guò)程）的終產(chǎn)物。大量實(shí)例說(shuō)明大多數(shù)生物合成途徑的調(diào)節(jié)都包括簡(jiǎn)單反饋機(jī)制，

其中終產(chǎn)物抑制其自身合成的分支途徑的第一步，

例如蘇氨酸抑制高絲氨

酸脫氫酶，

異亮氨酸抑制蘇氨酸脫氨酶，組氨酸抑制磷酸核糖-

ATP

焦磷酸化酶

（

5

-

磷酸核糖焦磷酸激酶），

色氨酸抑制鄰氨基苯甲酸合成酶等。第第7七6十頁(yè)六頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3077第二個(gè)信號(hào)是嚴(yán)格的分解代謝途徑所特有的，而且是能量代謝的最終的（或中間的）產(chǎn)物，也就是Pi、AMP、ADP、ATP、NADH、NADPH，

例如

產(chǎn)氣腸桿菌的蘇氨酸脫氨酶（

降解酶

）受

AMP的激活，銅綠假單胞菌的組氨酸酶（降解酶）受Pi

的抑制，并且此抑制可被AMP和GDP解除。第第7七7十頁(yè)七頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3078無(wú)定向代謝途徑采用兩種流

量控制方式，即終產(chǎn)物的抑制和作為細(xì)胞能量狀態(tài)指示劑的代謝物的活性控制。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)低時(shí)，糖酵解將繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)兩者均處于正常范圍時(shí)，糖酵解途徑尚能起作用，而通過(guò)該途徑的流量減小。第7第8七十頁(yè)八頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3079當(dāng)然在一個(gè)正在代謝葡萄糖的細(xì)胞中，糖酵解途徑?jīng)Q不會(huì)完全關(guān)閉，因?yàn)榧?xì)胞生命活動(dòng)需要ATP的持續(xù)供應(yīng)。就不同前體相互之間的平衡和生物合成對(duì)于不同前體的需要而論，12種前體代謝物的形成速率的平衡涉及一個(gè)高度復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。要進(jìn)行這樣的協(xié)調(diào)，

除了涉及碳架物質(zhì)，

還有供能反應(yīng)必須提供的代謝能（

ATP等）

和還原力（

NADH

和

NADPH

）。因此，毫不奇怪，這些化合物本身就是代謝網(wǎng)絡(luò)中許多不同位點(diǎn)的變構(gòu)效應(yīng)物。第第7七9十頁(yè)九頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3080關(guān)于能荷調(diào)節(jié)，本章4.1.2.3已有描述，并已推導(dǎo)出推算能荷的公式：上式給出了對(duì)流量的協(xié)調(diào)控制的能荷的推算公式，式中帶下標(biāo)的c

分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的腺苷酸的濃度。從此式可知，能荷可以在0（全部AMP）和1（全部ATP）之間變化。第8第0八頁(yè)十頁(yè)/，共共96頁(yè)9。5頁(yè)2023-07-3081一般說(shuō)來(lái)，高能荷抑制補(bǔ)充代謝能的酶系（例如生物合成酶系），同時(shí)激活消耗ATP的酶系；反之低能荷則抑制消耗代謝能的酶系，同時(shí)激活生成ATP的酶系。第8第1八十頁(yè)一頁(yè)/，共共969頁(yè)。5頁(yè)2023-07-3082在氧化-

還原反應(yīng)中也有類(lèi)似的情況。氧化

-

還原反應(yīng)受到還原荷（

reduction

charge

）

的類(lèi)似的調(diào)節(jié)。吡啶核苷酸作為氫負(fù)離子或還原力的載體：NAD

主要在供能途徑的氧化還原反應(yīng)中起作用，

NADP

通常用于生物合成反應(yīng)。在供能反應(yīng)中，

NAD

+

（

氧化型的NAD ）是反應(yīng)物，而合成反應(yīng)利用NADPH

（

還原型的

NADP

）。因此毫不奇怪，

在生理?xiàng)l件下大部分

NAD

在胞內(nèi)是以

NAD

+

的形式存在，

而NADP是以NADPH的形式存在。第第8八2十頁(yè)二頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3083可用分解代謝還原荷（

catabolic

reduced

charge

）和合成代謝還原荷（anabolicreduced

charge

）

來(lái)描述細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)。分解代謝還原荷，縮寫(xiě)為

CRC，

其值約為

0.03

~0.07；

合成代謝還原荷，

縮寫(xiě)為ARC，其值約為

CRC

的10

倍。第第8八3十頁(yè)三頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3084還原荷可用下面公式計(jì)算：式中帶下標(biāo)的c

分別表示下標(biāo)對(duì)應(yīng)的吡啶核苷酸的濃度。第第8八4十頁(yè)四頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3085CRC

和ARC

分別在協(xié)調(diào)供能反應(yīng)與生物合成反應(yīng)的過(guò)程中，

起著重要作用，盡管對(duì)它們的作用的細(xì)節(jié)尚不如對(duì)能荷的作用那樣清楚。大部分細(xì)胞中有 4 個(gè)供能反應(yīng)能生成

NADPH，

兩個(gè)反應(yīng)在磷

酸戊糖途徑，

它們分別是

6

-

磷酸葡萄糖脫氫酶（

G

6

PDH ）

和

6

-

磷酸葡萄糖酸脫氫酶（

G

6

PDH

）；

另外兩個(gè)反應(yīng)在TCA環(huán)，它們分別是異檸檬酸脫氫酶（

ID）和蘋(píng)果酸酶（

ME

）。生成的

NADPH參與生物合成。第第8八5十頁(yè)五頁(yè)/，共共969頁(yè)5。頁(yè)2023-07-3086CRC

和ARC

的調(diào)節(jié)被認(rèn)為是通過(guò)轉(zhuǎn)氫酶而發(fā)生的，該酶催化如下可逆反應(yīng)：NADP

+

+

NADH

←→

NADPH

+

NAD

+這是一個(gè)束縛在膜上的酶，

它由質(zhì)

子運(yùn)動(dòng)勢(shì)（

proton-

motive

for