4.第四章 发酵学第三假说(3)发酵原理 张星元
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张星元：发酵原理讲座PPT演示文稿
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代谢工程最初仅仅被设想为特定
的途径操作（在生物化学、生理学、 遗传学的领域）。后来，发酵工程师 们惊喜地发现利用代谢流控制分析这 个有效的平台，可以向工业发酵过程 导入严密性；并把它变成了发酵工程 的领域工程数据分析的输出端。
2020/10/10
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尽管代谢和细胞生理学可为反应途
径的分析提供主要的背景知识；还应该 指出，代谢流量测定和控制的结果具有 广阔的适用范围和实际应用前景。因而， 除了要分析代谢途径上的物质流和能量 流，代谢工程的概念同样可以应用于将 来信号传感途径的信息流的分析（目前 对于信息流尚未很好地定义）。
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1.3 代谢流定量分析技术的发展
代谢流量分析（ metabolic flux analysis）是一种研究胞内代谢的方法， 根据已有的代谢网络的信息建立胞内主 要反应的化学计量模型和胞内代谢产物 的质量平衡，以实际测得的分泌到胞外 的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代
谢流量。
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和完善，以及代谢工程的进展提 供了大量的生理学和遗传学信息。
2020/10/10
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1.2 基因工程理论和技术的成熟
二十多年来，基因工程的理论和 DNA重组的分子生物学技术已成熟。 DNA重组的分子生物学技术的开发和 应用，把代谢操作引进了一个新的层 面，人们已能对代谢途径的指定酶反 应进行精确的修饰，因此，有可能构 建精心设计的遗传背景。
3
1. 代谢工程的酝酿
1.1 半个多世纪生理与育种知识 的累积
1.2 基因工程理论和技术的成熟 1.3 代谢流定量分析技术的发展 1.4 生化工程在线检测和建模方 法的发展
2020/10/10
第四章 发酵学第三假说(4)
张星元：发酵原理
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弱刚性节点的分流比由一个分支途 径（优势分支）控制，这可能是由于优 势分支途径的第一个酶具有较高的比活 力和（ 或 ）较高的底物（ 节点 ）亲和 力，并且不受反馈抑制；即使从属分支 （假定是流向产物的分支）解除调节， 还是有相当大的一部分流量依然进入优 势分支，从而限制产物得率的上升。
2020/6/15
张星元：发酵原理
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微生物具有造福于人类的巨大潜力，人
类利用微生物可以实现更多美好的理想。然 而，在发酵工业中人类只有依靠微生物才能 间接地达到目的。因此，为了在工业发酵中 争取主动，必须发挥人的主观能动作用，协 调好工业生产中人类的经济利益与微生物生 存竞争之间的关系。为此，必须研究微生物 生命活动的规律，以及这个规律和人的意志 之间的对立与统一。
张星元：发酵原理
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微生物代谢产物的生物合成必须依靠 微生物的高度有序的生命活动；决不是打 乱它，而是通过局部扰动，对整体上高度 有序的生命活动进行科学的引导。因此， 人类要借助于微生物为自己服务，就必须 研究并遵循微生物的生命活动规律，在可 能范围内对微生物的生命活动进行引导，
而不是随意将自己的意志强加给微生物。
在生物学过程中，往往由于途径的
酶水平或酶活性而影响途径的产品的得 率。虽然指向产品的分支途径的酶的整 体活性决定细胞机器的 “ 生产力 ”，
然而，产品得率是节点处代谢流的分流 比（flux split ratio）的函数。
2020/6/15
张星元：发酵原理
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虽然由不同生物体调节代谢流量所
用的代谢控制机制明显地多样化，然而 可以根据节点处代谢流的分流比的控制 特性，对节点进行分类。如果处于分支 点的代谢中间物在各个分支上的分流比 不易改变，这样的分支点被叫做刚性节 点（ rigid node ）；反之，叫被叫做挠 性节点（ flexible node ），介于两者之 间者则为弱刚性节点。刚，取其抵抗改 变之意；挠，取其屈服顺从之意。
发酵原理第四节之化能异养型微生物代
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张星元：发酵原理
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发生生物氧化时，还原性化合物（还原剂）脱氢（氧化）而释放出“氢”（有些书上标写为“2H” ），这个 “氢” 实际上是1对电子和2个质子，这2个质子有时结合在辅酶或辅基上，有时其中一个质子存在于溶液中，因此有： NAD+ + 2H → NADH + H+ （ 其中一个质子和一对电子结合在辅酶分子上，一个质子存在于溶液中）； FAD + 2H → FADH2 （两个质子和一对电子都结合在辅基上）。
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张星元：发酵原理
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氧化还原系统中成对的氧化物和还原物被称为氧化还原对（redox couple），又称为电极对，其通式为：氧化型 / 还原型。 例如： NAD+／NADH+H+ Fe3+／Fe2+。
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张星元：发酵原理
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在氧化还原电极对之间有电子转移的趋势，它们的还原电位（或称电极电位）就是衡量这种电子转移（获得电子）的趋势的物理量，记作“E ”。在物理化学标准状况下电极对的还原电位，叫标准还原电位，记作E0。在生物化学标准状态下电极对的还原电位记作E0′，叫生化标准还原电位。所谓标准还原电位，是根据下述溶质的标准状况的参考标准来定义的。
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张星元：发酵原理
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2.4.3.1 直接化学耦合 2.4.3.2 电耦合 2.4.3.3 还原当量耦合
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张星元：发酵原理
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2.4.3.1 直接化学耦合
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张星元：发酵原理
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直接化学耦合指的是代谢中间化合物参与的底物水平磷酸化的过程。也就是代谢中间化合物 （ 如 1,3-2P-GA 、PEP、ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化合物）的高能磷酸键的水解反应与ADP 或 GDP 的磷酸化反应直接耦合。 借助于对应的酶的催化作用，在酶的底物的水平上发生磷酸化作用，形成特殊的高能化合物（ATP、GTP）的过程。
《张星元发酵原理》课件
张星元发酵原理
发酵是一种神奇的生物反应，而张星元发酵原理更是将其推向顶峰。
概述
发酵概念介绍
发酵是一种有机化学反应，是微生物代谢的产 物，是人类最早学习和掌握的发酵技术之一。
张星元及其贡献
张星元是我国近现代应用微生物学的奠基人之 一，发明了醪糟制造工艺和伏牛山高粱酒，被 誉为中国的“酿酒圣手”。发酵原理 Nhomakorabea2
发酵技术的未来发展趋势
围绕绿色、洁净、高效、安全等方面进行技术创新和应用推广。
发酵工艺所需设备
反应釜 曝气装置 杀菌装置 浓缩装置
调节温度、压力、PH等条件 供氧、搅拌、溶氧等作用 消除污染，保证反应的正常进行 浓缩发酵物，提高产出率
如何进行发酵实验
1. 准备所需材料和设备 2. 准确称取不同成分的比例，加入反应釜内 3. 调节温度、压力、PH等条件，开始反应 4. 抽取反应物进行稀释、滴定、色谱等操作，分析产物 5. 总结实验结果并得出结论
1
基础化学知识
有机化合物的解聚、氧化、还原等反应。
2
生物学知识
微生物代谢的相关知识，如酵母、乳酸菌等。
3
微生物学知识
微生物生长、营养、代谢等知识。
张星元发酵理论
翻译酶学说
强调酵母菌发酵作用中的蛋白质 翻译、组合作用。
细胞膜控制说
指出细胞膜是发酵物质进入与细 胞代谢产物排放的主要途径，控 制着整个发酵过程。
代谢途径调控说
阐述代谢物所受环境因素的影响 及其对代谢途径的调控。
实际应用
食品工业中的应用
葡萄酒、啤酒、奶酪、泡菜、酸奶等。
医药工业中的应用
青霉素、链霉素、琥珀酸钾、消化酶、血液制品等。
生命科学研究中的应用
发酵是一种神奇的生物反应，而张星元发酵原理更是将其推向顶峰。
概述
发酵概念介绍
发酵是一种有机化学反应，是微生物代谢的产 物，是人类最早学习和掌握的发酵技术之一。
张星元及其贡献
张星元是我国近现代应用微生物学的奠基人之 一，发明了醪糟制造工艺和伏牛山高粱酒，被 誉为中国的“酿酒圣手”。发酵原理 Nhomakorabea2
发酵技术的未来发展趋势
围绕绿色、洁净、高效、安全等方面进行技术创新和应用推广。
发酵工艺所需设备
反应釜 曝气装置 杀菌装置 浓缩装置
调节温度、压力、PH等条件 供氧、搅拌、溶氧等作用 消除污染，保证反应的正常进行 浓缩发酵物，提高产出率
如何进行发酵实验
1. 准备所需材料和设备 2. 准确称取不同成分的比例，加入反应釜内 3. 调节温度、压力、PH等条件，开始反应 4. 抽取反应物进行稀释、滴定、色谱等操作，分析产物 5. 总结实验结果并得出结论
1
基础化学知识
有机化合物的解聚、氧化、还原等反应。
2
生物学知识
微生物代谢的相关知识，如酵母、乳酸菌等。
3
微生物学知识
微生物生长、营养、代谢等知识。
张星元发酵理论
翻译酶学说
强调酵母菌发酵作用中的蛋白质 翻译、组合作用。
细胞膜控制说
指出细胞膜是发酵物质进入与细 胞代谢产物排放的主要途径，控 制着整个发酵过程。
代谢途径调控说
阐述代谢物所受环境因素的影响 及其对代谢途径的调控。
实际应用
食品工业中的应用
葡萄酒、啤酒、奶酪、泡菜、酸奶等。
医药工业中的应用
青霉素、链霉素、琥珀酸钾、消化酶、血液制品等。
生命科学研究中的应用
工业发酵的特征
2020/3/3
张星元：发酵原理
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微生物的生存利益与人类的
经济利益，也就是微生物的生命 活动规律和人的意志，这两者既 是对立的，又是统一的。研究发 酵原理的目的就在于为促使对立 向统一的转化提供理论依据。
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张星元：发酵原理
22
人和微生物同是地 球上的居民，在理论上 处于平等的地位。人贵 有自知之明，因为人有 思想。
此基础上做出的关于发酵工程 的八个应用性推理，揭示了工 业发酵的生物学属性、工业发 酵的代谢本质，以及工业发酵 过程中微生物细胞生命活动的 规律。从而形成了发酵原理的 理论框架。
2020/3/3
张星元：发酵原理
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发酵原理是工业发酵的生
物学原理的简称。它研究工业 微生物在生长、繁殖与发酵过 程中的正常代谢与异常代谢规 律，探索提高现有的工业发酵 产品的发酵法生产能力，以及 开发工业发酵新产品和新原料 的理论根据及应用原理。
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张星元：发酵原理
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工业发酵的特征
2020/3/3
张星元：发酵原理
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1、菌种是发酵成功的内因。若设备条件 已确定， 可通过改良菌种挖掘生产潜力； 在设备、菌种确定的情况下， 可通过优 化发酵工艺条件发挥菌种潜力。 优良菌
种可大幅度增加生产，提高产品质量， 简化操作，提高经济效益。 2、维持正常的发酵条件和防止杂菌污染 至关重要。 3、生产设备单一（这里是指发酵罐，实 际上工业发酵生产中 起关键做用的是发 酵罐中培养的微生物细胞 —— 微生物生 物机器）。
张星元
2020/3/3
张星元：发酵原理
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2020/3/3
张星元：发酵原理
3
工业发酵过程属于由活细 胞参与的生命活动过程。具有 代谢的自动调节、辅酶再生、 生物能转换等机制；这个过程 原则上可以进行到基质原料耗 尽，或因代谢产物在细胞外累 积造成环境极度恶化而影响元：发酵原理
4.第四章 发酵学第三假说(2)
2013-8-11 张星元：发酵原理 30
4.2.3 微生物的细胞经济学 （microbial cell economics）
2013-8-11
张星元：发酵原理
31
经济学是研究各种经济关系和 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 种相应的经济关系，以及经济活动 规律的科学。 经济活动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 ） ， 进行生产、交换、分配、 消费以及与之有密切关系的活动。
2013-8-11 张星元：发酵原理 8
对于微生物细胞经济而言，细 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 细胞的经济基础。细胞实物结构是 指行使细胞功能的细胞结构，即细 胞的生产力；细胞经济结构是指微 生物代谢的三个子系统的总和，即 细胞的生产关系。
2013-8-11 张星元：发酵原理 9
2013-8-11 张星元：发酵原理 27
子系统Ⅰ 生成的前体代谢物的质和量 强烈地影响子系统Ⅱ的运行 （ 见离心途径 汇总图 ），因此子系统Ⅰ与子系统 Ⅱ之间 的联系是紧密的（ 实线箭头） 。而子系统 Ⅰ 与子系统 Ⅲ 之间几乎仅仅通过 ATP 相 联系， 因此 这两个系统之间的联系是松散 的（ 虚线箭头 ） 。 分子模块 ( 如氨基酸 ) 在细胞内通常可以游离状态存在， 由此推 测，子系统Ⅱ与子系统 Ⅲ 也只是保持松散 的关系（ 虚线箭头） 。
16
上图中 Ⅰ：碳源的分解代谢子系统 Ⅱ：分子模块的合成代谢子系统 Ⅲ：生物大分子的合成代谢子系统
ATP代表代谢能；分子模块代表氨基酸、 核苷酸等参与生物大分子组成的单元化合物； 碳架代表 PYR、 R-5-P、α-KG 等前体代谢 物。 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。
4.2.3 微生物的细胞经济学 （microbial cell economics）
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张星元：发酵原理
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经济学是研究各种经济关系和 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 种相应的经济关系，以及经济活动 规律的科学。 经济活动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 ） ， 进行生产、交换、分配、 消费以及与之有密切关系的活动。
2013-8-11 张星元：发酵原理 8
对于微生物细胞经济而言，细 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 细胞的经济基础。细胞实物结构是 指行使细胞功能的细胞结构，即细 胞的生产力；细胞经济结构是指微 生物代谢的三个子系统的总和，即 细胞的生产关系。
2013-8-11 张星元：发酵原理 9
2013-8-11 张星元：发酵原理 27
子系统Ⅰ 生成的前体代谢物的质和量 强烈地影响子系统Ⅱ的运行 （ 见离心途径 汇总图 ），因此子系统Ⅰ与子系统 Ⅱ之间 的联系是紧密的（ 实线箭头） 。而子系统 Ⅰ 与子系统 Ⅲ 之间几乎仅仅通过 ATP 相 联系， 因此 这两个系统之间的联系是松散 的（ 虚线箭头 ） 。 分子模块 ( 如氨基酸 ) 在细胞内通常可以游离状态存在， 由此推 测，子系统Ⅱ与子系统 Ⅲ 也只是保持松散 的关系（ 虚线箭头） 。
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上图中 Ⅰ：碳源的分解代谢子系统 Ⅱ：分子模块的合成代谢子系统 Ⅲ：生物大分子的合成代谢子系统
ATP代表代谢能；分子模块代表氨基酸、 核苷酸等参与生物大分子组成的单元化合物； 碳架代表 PYR、 R-5-P、α-KG 等前体代谢 物。 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。
发酵学三假说
发酵学三假说
发酵学三假说是针对发酵工程领域提出的三个假说，也就是微生物生命活动的三个基本假设。
发酵学三假说如下：
假说一代谢能支撑假说：
能直接推动生命活动（做细胞功）的能量形式叫做代谢能。
微生物细胞依靠其自备的能量转换机构，把化学能或光能持续的转化成代谢能，并直接用来支撑其自身的生命活动。
假说二代谢网络假说：
代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合、在辅因子水平上协调，形成横跨微生物或细胞内外的代谢网络。
代谢网络是细胞自主调节的无尺度网络，它作为一个整体来承担微生物细胞的物质代谢和能量代谢。
假说三细胞经济假说：
微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放体系，是在物竞天择的基础上形成的细胞经济体系。
细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系，它为细胞的适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。
发酵原理的三大假说
发酵原理的三大假说发酵是一种通过微生物活动产生的化学反应过程，已有大约五千多年的历史。
在发酵过程中，微生物（如细菌、酵母菌等）通过代谢产生酶，将有机物质转化为其他物质，从而产生气体、酸、醇、酯等。
有关发酵原理的解释有很多种，以下为其中三种主要的假说。
1. 传染性假说（传统观点）传染性假说是发酵原理最早的解释之一，认为发酵是由一种被传染物质引起的传染病所造成的。
传统观点认为，酒精发酵是因为空气中含有某种被传染物质，这种物质可以通过空气传播到发酵液中，引起发酵反应。
然而，这种假说并没有提供明确的实验证据，无法解释发酵液中微生物的生长和酵素活性的细节过程。
2. 确定性假说确定性假说认为，微生物是发酵过程中的主要原因。
根据这个观点，微生物通过代谢将有机物转化为其他物质。
酵母菌是最常被使用的微生物之一，在发酵液中，酵母菌通过代谢糖类产生酒精和二氧化碳。
这种假说侧重于微生物的代谢过程，并提供了对微生物的酵素活性的更深入理解。
而关于酵母菌在发酵过程中的酵素活性以及实验证据仍有待进一步研究。
3. 细胞学假说细胞学假说是对发酵原理的最新解释之一，它提出了多细胞微生物的概念。
根据这一假说，微生物不是单细胞的，而是由一群细胞组成的。
这个群体中的细胞互相合作，通过代谢产生所需的酶并参与发酵过程。
细胞学假说强调了微生物之间的相互联系和合作，并对细胞内代谢的细节有更加深入的了解。
然而，细胞学假说还需要更多的实验证据和研究以支持其理论。
无论是传染性假说、确定性假说还是细胞学假说，都试图解释发酵过程中微生物的参与和代谢活动。
然而，随着科技和研究的不断进步，对发酵原理的理解仍在不断深化，这三种假说可能只是对发酵原理的初步解释，未来还会有更多的发现和理论对其进行补充和修正。
第四章发酵学第三假说
初级代谢活动。
为了分析问题的方便， 把与微生物细胞生长直接相 关的代谢系统划分为三个子 系统，来研究微生物细胞的 经济结构。
4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统 4.2.2.2 三个子系统的相互关系
4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统
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 解代谢子系统（子系统Ⅰ）和两 个合成代谢子系统（子系统Ⅱ和 子系统Ⅲ）。
Ⅰ
碳架
ATP
Ⅱ
分子模块
Ⅲ
分泌生物大分子的前 体（氨基酸、核酸等）
分泌生物大分子（酶、 微生物多糖等）
如图所示三子系统有如下关系： 子系统Ⅰ生成 ATP, 子系统 Ⅱ和子 系统Ⅲ使用ATP。但是子系统Ⅰ中ATP 如何合成并不严重影响子系统Ⅱ和子系 统 Ⅲ 对ATP 的使用。 因此可以认为子 系统 Ⅰ与整个合成系统 （ 子系统Ⅱ 加 上子系统 Ⅲ ） 之间的联系是较为松散 的（图中的虚线箭头）。
子系统Ⅰ 生成的前体代谢物的质和量 强烈地影响子系统Ⅱ的运行 （ 见离心途径 汇总图 ），因此子系统Ⅰ与子系统 Ⅱ之间 的联系是紧密的（ 实线箭头） 。而子系统 Ⅰ 与子系统 Ⅲ 之间几乎仅仅通过 ATP 相 联系， 因此 这两个系统之间的联系是松散 的（ 虚线箭头 ） 。 分子模块 ( 如氨基酸 ) 在细胞内通常可以游离状态存在， 由此推 测，子系统Ⅱ与子系统 Ⅲ 也只是保持松散 的关系（ 虚线箭头） 。
② 子系统 Ⅱ（ 合成分子模块的子系统） 用来合成分子模块（building block）
的合成代谢子系统。 分子模块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 G-1-P， 用于蛋白质合成的各种氨基酸， 用于RNA 和 DNA 合成的各种核苷酸和 脱氧核苷酸，以及用于类异戊二烯化合 物合成的异戊烯基焦磷酸等。
为了分析问题的方便， 把与微生物细胞生长直接相 关的代谢系统划分为三个子 系统，来研究微生物细胞的 经济结构。
4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统 4.2.2.2 三个子系统的相互关系
4.2.2.1 碳架代谢的三个子系统
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 解代谢子系统（子系统Ⅰ）和两 个合成代谢子系统（子系统Ⅱ和 子系统Ⅲ）。
Ⅰ
碳架
ATP
Ⅱ
分子模块
Ⅲ
分泌生物大分子的前 体（氨基酸、核酸等）
分泌生物大分子（酶、 微生物多糖等）
如图所示三子系统有如下关系： 子系统Ⅰ生成 ATP, 子系统 Ⅱ和子 系统Ⅲ使用ATP。但是子系统Ⅰ中ATP 如何合成并不严重影响子系统Ⅱ和子系 统 Ⅲ 对ATP 的使用。 因此可以认为子 系统 Ⅰ与整个合成系统 （ 子系统Ⅱ 加 上子系统 Ⅲ ） 之间的联系是较为松散 的（图中的虚线箭头）。
子系统Ⅰ 生成的前体代谢物的质和量 强烈地影响子系统Ⅱ的运行 （ 见离心途径 汇总图 ），因此子系统Ⅰ与子系统 Ⅱ之间 的联系是紧密的（ 实线箭头） 。而子系统 Ⅰ 与子系统 Ⅲ 之间几乎仅仅通过 ATP 相 联系， 因此 这两个系统之间的联系是松散 的（ 虚线箭头 ） 。 分子模块 ( 如氨基酸 ) 在细胞内通常可以游离状态存在， 由此推 测，子系统Ⅱ与子系统 Ⅲ 也只是保持松散 的关系（ 虚线箭头） 。
② 子系统 Ⅱ（ 合成分子模块的子系统） 用来合成分子模块（building block）
的合成代谢子系统。 分子模块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 G-1-P， 用于蛋白质合成的各种氨基酸， 用于RNA 和 DNA 合成的各种核苷酸和 脱氧核苷酸，以及用于类异戊二烯化合 物合成的异戊烯基焦磷酸等。
化能异养型微生物的生物氧化
2021/1/16
张星元：发酵原理
37
2.3.3 生物氧化过程中 辅酶的关键作用
2021/1/16
张星元：发酵原理
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生物氧化本质上是氧化还原反应，因
为发生了电子从一个分子到另一个分子转 移。但又不同于一般的氧化还原反应，主 要表现在：
①生物氧化是按一定顺序进行的、由酶催 化的逐级放能的过程； ② 还原性化合物（还原剂）首先把电子交
给一级电子载体，而不是直接交给最终电 子受体（氧化剂），而在普通的氧化还原 反应中还原剂直接向氧化剂移交电子。
2021/1/16
张星元：发酵原理
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在化能异养型微生物细胞的生物氧化
过程中，除了脱氢酶和氧化酶以外，它们
的辅酶和辅基的作用也是不可替代的。脱 氢酶的辅酶包括NAD和NADP。
NAD主要在供能途径的氧化还原反应 （生物氧化 ）中起作用，NADP通常是在 生物合成反应中起作用。在供能反应中，
化能异养型微生物 的生物氧化
2021/1/16
张星元：发酵原理
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2.3.1 氧化还原反应 2.3.2 微生物进行生物氧化的细胞器
及ATP合成酶 2.3.3 生物氧化过程中辅酶的关键作
用
2.3.4 化能异养型微生物生物氧化的 方式
2021/1/16
张星元：发酵原理
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化能异养型微生物将有机营养 物质储存的化学能，转化成可以被 自身直接利用的能量形式（ATP或 质子运动势Δp 等 ）的代谢过程， 叫做化能异养型微生物的产代谢能 的代谢，一般称产能代谢。
2021/1/16
张星元：发酵原理
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在生物氧化过程中，尽管还原剂 释放的电子并不直接交给氧化剂，但 是最终还是转交给氧化剂，同样完成 了氧化和还原这两个“半反应”。因 此生物氧化本质上还是氧化还原反应。 因为细胞内的这些氧化还原反应向着 能源化合物氧化降解和放能的方向进 行，因而有生物氧化之称。
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2013-8-9 张星元：发酵原理 25
在有氧条件下，由于PFK的低水平和 FDP 醛缩酶（FDPA）的极端低水平，大 肠杆菌主要经 HMP 途径降解葡萄糖。因 为在有氧条件下 PFK 对 ATP不敏感，且 其活力高于FDP醛缩酶（FDPA ），FDP 有累积，所以它可能对 HMP 途径的 6-磷 酸葡萄糖酸脱氢酶（ 6PGDH ）起抑制物 的作用，使6PGDH成为HMP降解流上的 一个“阀门”（有氧条件下的控制“阀 门”）。
2013-8-9
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。
2013-8-9 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）
2013-8-9 张星元：发酵原理 28
4.3.2.2 过量合成和微生物的异常代谢
野生菌株在它们天然栖息地在其
生长或维持，需要时也能合成人们所
希望的代谢产物，但在其固有的代谢
调节机制的控制下合成的量不多不少，
只够细胞自身生长或维持的需要。体
现了微生物细胞的经济性。
2013-8-9 张星元：发酵原理 29
2013-8-9
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来自流经的路径叫做载流路径。
2013-8-9
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 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。
把自然界中自然竞争中幸存的微 生物称为野生型微生物，它们具有比 较严密的代谢调节功能，至少在它们 幸存的环境条件下不会过量合成初级 代谢产物。在这样的细胞经济体系中， 细胞的生产力体现在其自身的增殖。 细胞固有的生产关系支持细胞自身的 增殖（生产细胞），不支持（人的） 目的产物的过量生产（生产特定的初 级代谢产物）。
2013-8-9 张星元：发酵原理 27
这种抑制作用是必要的，因为提高葡 萄糖浓度可以使 FDPA水平上升许多倍， 而 PFK 水平基本保持不变，这样 FDP 浓 度势必是低的，以致无法控制 6PGDH ， 这时 NADH就通过对 G6PDH 的抑制作用 控制 HMP 降解流。这种两个“阀门 ”交 替控制的机制可以解释为什么在严格厌氧 条件下，大肠杆菌经 HMP 途径降解的葡 萄糖只占葡萄糖降解总量的20％～30％。
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。
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：
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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。
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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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4.3.2 微生物的代谢流及其治理
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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。
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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） ；
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适用于发酵生产的微生物必须具有 有过量合成的能力，也就是说是其目的 产物的合成量必须大大高于它通常的合 成量。要做到这一点，不仅要求合成目 的产物的途径畅通，还必须有将目的产 物排出细胞的满意的机制。过量合成的 速率取决于微生物的遗传性能，以及在 培养条件下细胞的生理状态。
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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
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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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。
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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。
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Glc 黑 曲 霉 中 柠 檬 酸 的 代 谢 溢 出
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G-6-P
+ (PFK) CTA I ,NH4 A
FDP PYR
(PC)
AcCoA
CTA
(CS)
OAA
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工业发酵细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation
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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
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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。
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⑴ 柠檬酸的溢出代谢：
多种微生物均能因受激而过量合成柠 檬酸。研究柠檬酸溢出代谢的最好的例子 无疑是黑曲霉。黑曲霉之所以能在特定环 境条件下累积柠檬酸，是因为在这种环境 条件下代谢途径前段的运转速率大于后段 的运转速率。柠檬酸的溢出代谢是黑曲霉 特有的遗传和生化机制与培养条件共同起 作用的结果。引起溢出代谢的原因包括以 下三个方面：
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上图（碳架物质在 EMP和 HMP途径 上的分流控制图）是一张按此方法标示的 网络图，请按此方法读图，并从以下说明 中得到帮助。 大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶（PFK） 的酶水平随条件而变动，有氧生长中细胞 的PFK水平低于厌氧生长中的细胞，有氧 生长中的细胞的PFK（由二聚体组成）， 对ATP不敏感，厌氧生长中的细胞的PFK （由四聚体组成），对ATP敏感。
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要解放细胞对于目的产物（特
定的初级代谢产物）的生产力，就
有必要改变细胞原有的生产关系。 对微生物进行遗传改造，就是要修
正原有的生产关系。
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微生物过量合成目的产物（特 定的代谢中间产物）的过程，实质 上是功能残缺或遗传失常的微生物 细胞在人为的特定条件下进行异常 代谢的过程。因此，研究微生物过 量合成指定的初级代谢产物的机理， 就是研究工业微生物的病理学。
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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
在有氧条件下，由于PFK的低水平和 FDP 醛缩酶（FDPA）的极端低水平，大 肠杆菌主要经 HMP 途径降解葡萄糖。因 为在有氧条件下 PFK 对 ATP不敏感，且 其活力高于FDP醛缩酶（FDPA ），FDP 有累积，所以它可能对 HMP 途径的 6-磷 酸葡萄糖酸脱氢酶（ 6PGDH ）起抑制物 的作用，使6PGDH成为HMP降解流上的 一个“阀门”（有氧条件下的控制“阀 门”）。
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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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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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4.3.2.2 过量合成和微生物的异常代谢
野生菌株在它们天然栖息地在其
生长或维持，需要时也能合成人们所
希望的代谢产物，但在其固有的代谢
调节机制的控制下合成的量不多不少，
只够细胞自身生长或维持的需要。体
现了微生物细胞的经济性。
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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来自流经的路径叫做载流路径。
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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 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。
把自然界中自然竞争中幸存的微 生物称为野生型微生物，它们具有比 较严密的代谢调节功能，至少在它们 幸存的环境条件下不会过量合成初级 代谢产物。在这样的细胞经济体系中， 细胞的生产力体现在其自身的增殖。 细胞固有的生产关系支持细胞自身的 增殖（生产细胞），不支持（人的） 目的产物的过量生产（生产特定的初 级代谢产物）。
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这种抑制作用是必要的，因为提高葡 萄糖浓度可以使 FDPA水平上升许多倍， 而 PFK 水平基本保持不变，这样 FDP 浓 度势必是低的，以致无法控制 6PGDH ， 这时 NADH就通过对 G6PDH 的抑制作用 控制 HMP 降解流。这种两个“阀门 ”交 替控制的机制可以解释为什么在严格厌氧 条件下，大肠杆菌经 HMP 途径降解的葡 萄糖只占葡萄糖降解总量的20％～30％。
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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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。
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：
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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。
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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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4.3.2 微生物的代谢流及其治理
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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。
2013-8-9 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） ；
2013-8-9 张星元：发酵原理 21
适用于发酵生产的微生物必须具有 有过量合成的能力，也就是说是其目的 产物的合成量必须大大高于它通常的合 成量。要做到这一点，不仅要求合成目 的产物的途径畅通，还必须有将目的产 物排出细胞的满意的机制。过量合成的 速率取决于微生物的遗传性能，以及在 培养条件下细胞的生理状态。
2013-8-9 张星元：发酵原理 30
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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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。
2013-8-9 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。
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Glc 黑 曲 霉 中 柠 檬 酸 的 代 谢 溢 出
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+ (PFK) CTA I ,NH4 A
FDP PYR
(PC)
AcCoA
CTA
(CS)
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工业发酵细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation
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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
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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。
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⑴ 柠檬酸的溢出代谢：
多种微生物均能因受激而过量合成柠 檬酸。研究柠檬酸溢出代谢的最好的例子 无疑是黑曲霉。黑曲霉之所以能在特定环 境条件下累积柠檬酸，是因为在这种环境 条件下代谢途径前段的运转速率大于后段 的运转速率。柠檬酸的溢出代谢是黑曲霉 特有的遗传和生化机制与培养条件共同起 作用的结果。引起溢出代谢的原因包括以 下三个方面：
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上图（碳架物质在 EMP和 HMP途径 上的分流控制图）是一张按此方法标示的 网络图，请按此方法读图，并从以下说明 中得到帮助。 大肠杆菌细胞磷酸果糖激酶（PFK） 的酶水平随条件而变动，有氧生长中细胞 的PFK水平低于厌氧生长中的细胞，有氧 生长中的细胞的PFK（由二聚体组成）， 对ATP不敏感，厌氧生长中的细胞的PFK （由四聚体组成），对ATP敏感。
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要解放细胞对于目的产物（特
定的初级代谢产物）的生产力，就
有必要改变细胞原有的生产关系。 对微生物进行遗传改造，就是要修
正原有的生产关系。
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微生物过量合成目的产物（特 定的代谢中间产物）的过程，实质 上是功能残缺或遗传失常的微生物 细胞在人为的特定条件下进行异常 代谢的过程。因此，研究微生物过 量合成指定的初级代谢产物的机理， 就是研究工业微生物的病理学。
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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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