第三节代谢网络中碳架物质流的调动
物质代谢的联系与调节
延胡索酸
α-酮戊二酸
谷氨酸
苯丙氨酸 酪氨酸
氨基酸
琥珀酰CoA CO2
异亮氨酸 蛋氨酸 丝氨酸 苏氨酸 缬氨酸
精氨酸 谷氨酰胺 组氨酸 缬氨酸
核酸与糖、脂、蛋白质代谢的相互联系
（1） 氨基酸是体内合成核酸的重要原料
天冬氨酸 甘氨酸
谷氨酰胺
一碳单位
合成嘌呤
合成嘧啶
（2） 磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供
第三节 物质代谢的调节
脂类、氨基酸合成代谢
非糖物质
脂肪、氨基酸
第一节 物质代谢的特点
（四）体内各种代谢物有共同的代谢池
食物蛋白质
组织 蛋白质
分解
氨基酸
代谢库
合成（主要）
氨 α-酮酸
体内合成氨基酸 (非必需氨基酸)
代谢转变
其它含氮化合物 (嘌呤、嘧啶等)
胺类
第一节 物质代谢的特点
（五） ATP是能量储存和利用的中心
ATP
丙酮酸
代 丝氨酸 谢 苏氨酸 的 色氨酸
乙酰CoA
联
系
草酰乙酸
柠檬酸
天冬氨酸 天冬酰胺
TAC
CO2
延胡索酸
α-酮戊二酸
糖氨 可基 以酸 转可 变以 为转 非变 必为 需糖 氨 基 酸
谷氨酸
苯丙氨酸 酪氨酸
氨基酸
琥珀酰CoA CO2
异亮氨酸 蛋氨酸 丝氨酸 苏氨酸 缬氨酸
精氨酸 谷氨酰胺 组氨酸 缬氨酸
脂肪酸合成 脂肪分解 脂肪酸氧化 酮体合成 胆固醇合成 尿素合成
限速酶
糖原合成酶 磷酸化酶 己糖激酶、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶 柠檬酸合酶 异柠酸脱氢酶 α-KG脱氢酶系 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 丙酮酸羧化酶 PEP羧激酶 F-2，6-DP酶 G-6-P酶 乙酰CoA羧化酶 激素敏感TG 脂肪酶 肉碱脂酰转移酶 I HMG-CoA合成酶 HMG-CoA还原酶 精氨酸代琥珀酸合成酶 CPS-Ⅰ
生物化学物质代谢的联系与调节ppt课件
物质代谢的联系与调节
概述
（一）物质代谢调节的概念
正常情况下，为适应内外环境的不断变化，机体 能够及时调节物质代谢的强度、速率和方向，以 维持机体内环境的稳定及代谢的顺利进行，在整 体上保持动态平衡。机体 对物质代谢的精细调 节过程称做代谢调节。
（二）代谢途 径
代谢途径是指生物 体内物质在代谢过 程中，由许多酶促 反应组成的、有秩 序的、依次连接的、 连续的化学反应。
某些代谢途径的变构酶及其变构效应剂
代谢途径 变构酶
变构激活剂
变构抑制剂
糖酵解
己糖激酶
AMP、ADP、FDP、Pi G-6-P
三羧酸循环
磷酸果糖激酶-1 丙酮酸激酶 柠檬酸合酶
FDP FDP AMP
柠檬酸 ATP、乙酰CoA ATP、长链脂酰CoA
糖异生
糖原分解 糖原合成 脂酸合成 胆固醇合成 氨基酸代谢
线粒体
胆固醇合成 细胞液和内质网
磷酸戊糖途径 细胞液
尿素合成 细胞液和线粒体
糖异生
细胞液
蛋白质合成 细胞液和内质网
糖原合成与分解 细胞液
DNA合成 细胞核
氧化磷酸化
线粒体
mRNA合成 细胞核
磷脂合成
内质网
tRNA合成 核质
脂肪酸合成
细胞液
rRNA合成 核仁
脂肪动员
细胞液
血红素合成 细胞液和线粒体
脂酸β氧化
草酰乙酸
丙酮酸
丙酮酸羧化酶
3. 级联调节
肾上腺素 肾上腺素受体
肾上腺素—肾上腺素受体
G蛋白（无活性） G蛋白（有活性）
腺苷酸环化酶 腺苷酸环化酶
（无活性）
（有活性）
ATP
2021届高中生物竞赛理论辅导课件-微生物学(发酵)5.3代谢网络中碳架物质流的调动
2020/9/24
4
张星元：发酵原理
化能异养型微生物以有机 化合物为碳源和能源。因此， 在讨论化能异养型微生物代谢 流动时，首先抓住碳元素代谢 这个主要矛盾，研究微生物细 胞的碳架物质流。
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张星元：发酵原理
4.3.1 碳架物质在代谢途径（代 谢网络）中的流动
4.3.2 微生物的代谢流及其治理
张星元：发酵原理
4.3.2.1
4.3.2.2 4.3.2.3 4.3.2.4 4.3.2.5
碳架物质在代谢网络中流经的 分支处及各分支的流量分配 过量合成与微生物的异常代谢 溢出代谢 代谢流治理的可能性和现实性 代谢网络的刚性
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张星元：发酵原理
4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的 分支处及各分支的流量分配
因此我们要启用一种新的代谢调节图图
例，用来标记代谢网络图。这种标记方法有 四个要点：
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张星元：发酵原理
① 标明调节方式 用“I”表示抑制（inhibition），用
“A”表示激活（ activation ），用 “R” 表示阻遏（repression）； ②标明效应物
一般用三个字母标示效应物（ 调节特 定的酶的水平或活性的化合物 叫做这种酶 的效应物） ；
得微生物的代谢产物，也就是要让原 料有机化合物在微生物细胞的有关的 代谢途径（载流路径）中流动的过程 中，转化成工业发酵的目的产物，最 后目的产物分泌出细胞。
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张星元：发酵原理
工业发酵细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation
代谢网络中碳架物质流调动
2019/7/10
张星元：发酵原理
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4.3.1.2 碳架物质在代谢途径中的流动 以代谢流动的观点加深对代谢网络
的认识：碳架物质在网络的有关途径中 流动，从原料到终端产物碳架物质流经 的路径叫做载流路径。
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张星元：发酵原理
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4.3.1.3 典型工业发酵的工作模式 典型的工业发酵要从发酵液中获
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张星元：发酵原理
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4.3.1 碳架物质在代谢途径（代谢 网络）中的流动
在典型的工业发酵过程中，微生 物的代谢流包括营养物质进入细胞、 代谢中间物（碳架物质）在代谢途径 中的流动和代谢产物从细胞进入环境 这样顺序发生的过程。
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张星元：发酵原理
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4.3.1.1 有机化合物的组成元素及它们 各自在生命活动中的作用（略）
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张星元：发酵原理
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③标明受调节的酶： 代谢网络图中箭头所代表的酶的
名称放在括号内， 标在该箭头旁边； ④对酶的调节的具体的表示方法：
在代表酶的箭头旁边标上代表效 应物的 3 个字母和代表调节机制的特 定字母。
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张星元：发酵原理
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例如：某效应物名称后面加上 “I”， 标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该 酶的抑制作用；效应物名称后面加上 “A”， 标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该 酶的激活作用；效应物名称后面加上 “R”， 标在代表酶的箭头旁边，表示该效应物对该 酶的阻遏作用。如果 2 种效应物协同作用， 则在两个效应物的名称都写上，再在后面加 上对应的英文字母。
张星元：发酵原理
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我们曾从热力学的角度把微生物 看作远离平衡状态的不平衡的开放体 系；我们曾借助电学的知识来讨论生 物氧化和代谢能的问题；我们曾借用 互联网的概念来讨论代谢网络的延伸 问题；在这里我们要借用流体力学的 常识来分析微生物细胞的代谢流。
生物体内碳氮代谢和膜物质运输的调节机制
生物体内碳氮代谢和膜物质运输的调节机制生物体内的代谢过程是高度复杂的，涉及到各种不同的物质和反应。
其中，碳和氮是两种最基本的元素，在生物体内起着至关重要的作用。
碳和氮的代谢过程不仅与生物体内的能量供应和物质化学反应有关，还与膜物质运输有密切联系。
本文将探讨生物体内碳氮代谢和膜物质运输的调节机制。
碳代谢碳是生物体内最主要的元素之一，其代谢过程涉及到葡萄糖、乳酸、丙酮酸等多种重要物质。
在生物体内，碳代谢主要分为三个部分：糖原代谢、糖酵解、三羧酸循环。
糖原代谢是指在饥饿状态下，生物体内的糖原通过糖原酶分解为葡萄糖，并被运送到各个细胞内进行能量供应。
糖酵解是指葡萄糖在细胞内被分解成丙酮酸、乳酸等物质，并产生ATP能量。
三羧酸循环是指将丙酮酸等物质通过一系列反应转化为ATP能量。
生物体内的碳代谢受到多种因素的调节。
比如，在运动过程中，人体需要更多的能量供应，血糖水平会提高，这时胰岛素会被释放出来，促进葡萄糖的摄取和利用。
此外，糖尿病患者因为胰岛素分泌不足，血糖水平较高，容易引起代谢紊乱。
氮代谢氮是生物体内的主要组成元素之一，其代谢过程主要涉及到氨基酸和蛋白质的合成和代谢。
在生物体内，氮代谢主要分为三个部分：氨基酸代谢、蛋白质合成、尿素循环。
氨基酸代谢是指生物体内的氨基酸通过氨基转移酶等酶的作用，在肝脏中合成蛋白质。
蛋白质合成是指蛋白质在细胞内通过核糖体等多种酶作用的合成过程。
尿素循环是指氨基酸在体内被转化为尿素，并通过肾脏排出体外。
生物体内的氮代谢受到多种因素的调节。
比如，在饥饿状态下，肝脏会将氨基酸分解成糖原和葡萄糖，而在高蛋白饮食下，会加速氨基酸代谢和合成。
膜物质运输的调节机制生物体内的膜物质运输是一种高度复杂的过程，包括通过细胞膜和内质网膜的物质运输和排泄等。
膜物质运输的调节机制主要涉及到离子通道、转运蛋白等多种酶的作用。
离子通道是一种能够控制离子进出细胞的开关，包括电压门控通道、内外钠离子交换器等。
代谢网络和物质转运的分子机制和调控
代谢网络和物质转运的分子机制和调控随着生物学科研的不断深入，代谢网络和物质转运的分子机制和调控成为科学家们关注的热门领域之一。
代谢网络和物质转运是生命活动中的重要组成部分，它们对我们身体能量代谢、物质代谢及生命的进化和繁衍等方面都具有至关重要的作用。
本文将详细介绍代谢网络和物质转运的分子机制和调控。
一、代谢网络的分子机制代谢网络是生物体内所有化学反应的网络整合，其中的一种反应是代谢途径。
代谢途径的本质是一些化学反应，这些反应可被物理学家用数学模型描述。
大多数代谢途径由一组酶反应组成。
酶是一种生物催化剂，可以使化学反应在较低的温度和压力下发生，从而大大加速反应速度。
酶可被看作是代谢网络中的节点，连接许多反应途径。
在代谢网络中，代谢途径可以分为两种类型：能-producing（产生能量的代谢途径）和能-using（消耗能量的代谢途径）。
能-producing 途径是通过在代谢网络中加入能量（例如ATP）来驱动生化反应，以产生新的化学物质。
另一方面，能-using 途径是在代谢网络中释放能量（例如糖分），以支持细胞中其他代谢反应的进行。
代谢网络的分子机制可以通过以下几个方面来描述：1. 酶催化作用生物体内反应途径的正常进行是依赖于特定酶的高效催化作用的。
酶可以加速反应，使反应速度在可操作的范围内，这样才能适应生物体内复杂的代谢网络。
酶的活性受到多种因素的影响，包括温度、pH值、离子强度和激素等。
2. 基因调控基因调控是细胞内代谢活动最主要的调控手段之一。
适当的基因表达对于代谢网络的正常运行至关重要。
一些环境因素和化学物质可以影响代谢途径中基因的表达，从而影响细胞能量代谢和物质转运。
3. 蛋白质修饰蛋白质修饰也是代谢网络的分子机制之一。
细胞内许多代谢酶和催化转化物质的酶通过磷酸化、甲基化、乙酰化等方式被修饰，在从细胞膜向细胞内和细胞外的化学反应中发挥作用。
二、物质转运的分子机制物质转运指的是物质分子在细胞膜上的传输过程。
生物体内代谢网络的结构与调控机制
生物体内代谢网络的结构与调控机制生物体内代谢网络是由大量的生物化学反应所构成的复杂网络。
这个网络支撑着维持生命所需要的物质和能量代谢的正常进行。
尽管生物体内代谢网络的结构是复杂而庞大的，但是它很适合被拆分成许多小的子集，以便更好地研究其内部结构以及与外界之间的交互关系。
本文将分别从代谢网络的结构和调控机制两个方面进行探讨。
代谢网络的结构生物体内代谢网络的结构具有很高的复杂性和多样性。
代谢通路是代谢网络的基本单元，这些通路构成了几乎所有代谢网络的中心部分。
其中一些通路是通用的，例如糖酵解和三羧酸循环。
其他通路则与特定的代谢物和生理过程有关，例如色氨酸合成途径和抗生素生物合成途径。
代谢通路通常以酶催化反应的方式伴随着底物、产物和中间产物之间的转化。
这些酶催化反应在生物学中被称为代谢反应。
代谢反应和代谢通路也常常被描述为代谢的“元素反应”和“元素通路”。
代谢通路之间的关系是代谢网络的一个重要方面。
代谢网络中不同代谢通路之间存在很多相互作用。
例如，某一个代谢通路产生的底物可能会成为其他通路的中间产物。
另外，一些代谢通路还可以共享同一部分反应。
代谢网络的这些特征使得代谢物之间的相互作用变得更加复杂。
调控机制在代谢网络中，正常的代谢活动是由一系列的调控机制所控制的。
这些机制可以帮助维持代谢网络的平衡状态，并确保适当的代谢反应和通路得到调节。
调控机制的种类有很多种，例如基因表达的调节、催化酶的调节和代谢物的调节。
基因表达的调节包括DNA序列的调节和转录后调节；催化酶的调节包括酶催化活性的调节、酶催化降解的调节，以及酶催化催化剂的调节；代谢物的调节包括正反馈调节和负反馈调节。
通过这些调控机制，生物细胞可以根据外部和内部的信号来调整代谢物的合成和降解。
此外，许多代谢网络的结构也受到局部和全局的调控机制的影响。
例如，一些代谢通路的结构是由基因组性别别等制约的。
另外，代谢通路中的某些环节也可能发生反馈调节，这可能会导致这个环节和其他环节之间的相互作用的变化。
植物的初级代谢途径及其调节
植物的初级代谢途径及其调节植物作为一类独特的生物，拥有广泛的代谢途径来维持其正常生长、发育和抵御各种外界压力。
其中，初级代谢途径是植物基本的代谢网络，涵盖了能量和物质的转化过程。
本文将探讨植物的初级代谢途径及其调节机制。
一、碳水化合物的代谢途径碳水化合物是植物体内最主要的能量来源和碳源，其代谢途径包括糖的合成与降解。
在光合作用中，植物通过光能转化二氧化碳和水为葡萄糖，即糖的合成过程。
而在呼吸过程中，植物通过葡萄糖降解产生能量，并释放出二氧化碳。
这两个过程共同构成了植物碳水化合物的代谢途径。
二、氨基酸的代谢途径氨基酸是生物体内蛋白质的构建单元，对植物的生长和发育起着至关重要的作用。
氨基酸的代谢途径包括合成和降解两个方面。
植物通过氨基酸的合成途径产生所需的特定氨基酸，以满足其生物合成的需要。
另一方面，植物还通过氨基酸的降解途径将多余的氨基酸转化为能量或其他有机物，以维持氨基酸的平衡。
三、脂类的代谢途径脂类是植物细胞膜的主要成分，同时也是能量的重要储存形式。
脂类的代谢途径包括脂类的合成和降解。
在光合作用中，植物通过合成脂类，将多余的能量储存在脂类中，以备后续利用。
而在呼吸过程中，植物通过降解脂类产生能量。
脂类的代谢过程对植物的正常生长和抵御外界环境的压力起着重要的作用。
四、次生代谢途径次生代谢途径是植物生长发育过程中产生的一类非必需的代谢产物，如类胡萝卜素、生物碱、植物酚等。
这些代谢产物不仅参与着植物的抗氧化、抗逆和防御等生物学过程，还具有广泛的医药和工业应用。
次生代谢途径受到多种内外部因素的调节，如激素、光照、温度、营养等，这些因素的变化会影响次生代谢途径的活性。
植物的初级代谢途径是相互联系、相互影响的复杂网络，其调节机制受到多种因素的影响。
一方面，植物通过一系列酶的调节和基因的表达来控制初级代谢途径中各个环节的速率和通量。
另一方面，植物对环境因素的响应也会影响初级代谢途径的调节。
例如，在干旱和盐碱等逆境条件下，植物会改变碳水化合物和氨基酸的代谢途径，以提高逆境适应能力。
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如果把碳架物质流看作水一样的流 体，那么按照工业发酵的工作模式，就 可把微生物活细胞看作是有一个总的进 水口和一个总的出水口的、包含特定的 管道网的大容器，组成管道网的管道有 粗有细，管道网的管道有分支、有交叉， 有可控的阀门。代谢物质流就如同自来 水一样在管道和阀门的控制下流进和流 出细胞，形成代谢流。
在生物化学中，早有一套描述代谢途径 的调节机制的方法，例如，用一个从效应物 （途径的终端产物）引出的、指向途径中某 个代表酶的短箭头的长箭头来标示反馈调节。 这种标示方法对于线状途径或偶有分支的途 径来说，是很有用的，但是，如果在代谢网 络图中使用，代表调节的箭头与代表酶的箭 头交织在一起，容易引起误解。 因此我们要启用一种新的代谢调节图图 例，用来标记代谢网络图。这种标记方法有 四个要点：
2018/8/7 张星元：发酵原理 3
化能异养型微生物以有机 化合物为碳源和能源。因此， 在讨论化能异养型微生物代谢 流动时，首先抓住碳元素代谢 这个主要矛盾，研究微生物细 胞的碳架物质流。
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张星元：发酵原理
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4.3.1 碳架物质在代谢途径（代 谢网络）中的流动
4.3.2 微生物的代谢流及其治理
③标明受调节的酶：
代谢网络图中箭头所代表的酶的
名称放在括号内， 标在该箭头旁边； ④对酶的调节的具体的表示方法： 在代表酶的箭头旁边标上代表效 应物的 3 个字母和代表调节机制的特 定字母。
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张星元：发酵原理
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4.3.1 碳架物质在代谢途径（代谢 网络）中的流动
在典型的工业发酵过程中，微生 物的代谢流包括营养物质进入细胞、 代谢中间物（碳架物质）在代谢途径 中的流动和代谢产物从细胞进入环境 这样顺序发生的过程。
2018/8/7 张星元：发酵原理 6
4.3.1.1 有机化合物的组成元素及它们 各自在生命活动中的作用（略）
2018/8/7
张星元：发酵原理
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4.3.1.2 碳架物质在代谢途径中的流动 以代谢流动的观点加深对代谢网络 的认识：碳架物质在网络的有关途径中 流动，从原料到终端产物碳架物质流经
的路径叫做载流路径。
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张星元：发酵原理
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ห้องสมุดไป่ตู้
4.3.1.3 典型工业发酵的工作模式 典型的工业发酵要从发酵液中获 得微生物的代谢产物，也就是要让原 料有机化合物在微生物细胞的有关的 代谢途径（载流路径）中流动的过程 中，转化成工业发酵的目的产物，最 后目的产物分泌出细胞。
微生物的代谢途经的变动性和可 调节性，不但是代谢流飘移的内在原 因，而且也是人工控制代谢流的生物 学根据。工业发酵中，人的主观能动 作用表现在对代谢流的治理上。治理 的直接的目的是让微生物细胞过量合 成（ overproduction ）人们所需要的 代谢产物。
2018/8/7 张星元：发酵原理 16
2018/8/7 张星元：发酵原理 14
在这个认识的基础上，结合代 谢能支撑假说和代谢网络假说的内 容，讨论微生物的代谢及代谢流的 变动性；结合本章（ 代谢调节的 3 个子系统 ）的内容，讨论代谢流对 环境条件的响应和代谢流治理的可 能性。最后还要讨论有关代谢节点 的刚性的问题。
2018/8/7 张星元：发酵原理 15
2018/8/7 张星元：发酵原理 18
节点处不论发生汇流还是分流， 都存在流量分配的问题。这个分配 既与遗传因素有关，又与条件因素 有关。不同微生物物种的代谢途径 基本一致，因此，可在微生物学有 关工具书查到有关的途径；而代谢 调节机制并不完全一样，不一致的 情况可在有关论文或综述中找到。
2018/8/7 张星元：发酵原理 19
4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的
分支处及各分支的流量分配
4.3.2.2 过量合成与微生物的异常代谢
4.3.2.3 溢出代谢
4.3.2.4 代谢流治理的可能性和现实性
4.3.2.5 代谢网络的刚性
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张星元：发酵原理
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4.3.2.1 碳架物质在代谢网络中流经的 分支处及各分支的流量分配 我们把代谢网络中代谢途径的交 叉点叫做代谢网络的 “ 节点 ”， 实 际上它们是碳架物质在代谢网络中流 经的代谢中间物。初级代谢网络的中 心板块上的 12 种前体代谢物是当然 的节点，而且还是代谢途径的分流或 汇流处。
的黑线代表典型的工业发酵的细胞机
器的载流路径。 N代表营养物质， P
代表目的产物。
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张星元：发酵原理
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4.3.2 微生物的代谢流及其治理
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张星元：发酵原理
12
我们曾从热力学的角度把微生物 看作远离平衡状态的不平衡的开放体 系；我们曾借助电学的知识来讨论生 物氧化和代谢能的问题；我们曾借用 互联网的概念来讨论代谢网络的延伸 问题；在这里我们要借用流体力学的 常识来分析微生物细胞的代谢流。
2018/8/7 张星元：发酵原理 20
① 标明调节方式 用“I”表示抑制（inhibition），用 “A”表示激活（ activation ），用 “R” 表示阻遏（repression）；
②标明效应物
一般用三个字母标示效应物（ 调节特
定的酶的水平或活性的化合物 叫做这种酶
的效应物） ；
2018/8/7 张星元：发酵原理 21
2018/8/7 张星元：发酵原理 9
工业发酵细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation
2018/8/7
张星元：发酵原理
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上图中，白色椭圆代表细胞的界
面，界面包围部分是细胞机器，界面
外侧是细胞机器所在的环境。带箭头
第三节
代谢网络中碳架 物质流的调动
2018/8/7
张星元：发酵原理
1
处于一定环境条件下的微 生物培养物中，参与代谢的物 质在代谢途径（网络）中按一 定规律流动，形成微生物代谢 的物质流。
2018/8/7 张星元：发酵原理 2
代谢物质的流动过程是一种类似 “流体流动” 的过程，它具备流动的 一切属性，诸如 方向性、连续性、有 序性、可调性等等， 并且可以接受疏 导、阻塞、分流、汇流等 “ 治理 ”， 也可能发生“ 干枯 ”和“溢出 ( 泛 滥 ) ”等现象。此外，还有流速和流 量等问题。