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第二节 微生物细胞经济体
系的运行规律
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微生物细胞新陈代谢的独立性是靠其
广泛的 适应性 和对营养物质的节约使用即
经济性 来支撑的。 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
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
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。
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4.2.1 微生物的细胞经济体系
4.2.2 微生物细胞的经济结构 ——
微生物代谢的三个子系统
4.2.3 微生物的细胞经济体系的运行
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4.2.1 微生物的细胞经济体系
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微生物细胞是远离平衡状态的不
平衡的开放体系,它能对系统的三个
要素（①能量、②物质、③信息），
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
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
代谢体系叫做细胞经济体系。
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微生物细胞的 独立存在和自主生
存,依赖于微生物细胞广泛的 适应性
（先保证活下来）和对营养物质的节
约使用，即 经济性 （争取在所处环境
条件下更具竞争力）。 适应性和经济
性都建立在微生物细胞代谢的变动性
上。
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但是，微生物 代谢的变动是有限度
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,以保证代谢的持
续 。这些代谢调节的规律就是细胞生命
活动的, 经济法则,，即 细胞经济管
理原则, 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
体）是 细胞与环境对话的指挥中心 。
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微生物的细胞经济体系是
微生物细胞生命活动的 保障体
系 。这个体系为细胞对其环境
的 适应性,细胞运行的 经济性,
以及细胞的 持续代谢 提供保障。
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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 。
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细胞经济基础，最终
取决于细胞的 遗传物质和
环境的对话 （细胞的
,蓝图, 和细胞生命活
动的指挥中心的现场指
挥）。
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4.2.2 微生物细胞的经济结构 ——
微生物代谢的三个子系统
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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，
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
了可直接使用的代谢能和还原力。
因此，我们首先 以碳架代谢为主线，
研究与微生物细胞生长直接相关的
初级代谢活动。
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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 。
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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
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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 ）。
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Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
碳架 ATP
分子模块
微生物碳架代谢系统的三个子系统
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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。
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① 子系统 Ⅰ （碳源的分解代谢子系统）
子系统 Ⅰ 是微生物细胞用以合成 前
体代谢物 和提供 代谢能 的碳源 分解代谢
系统 。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，
pH 条件引起黑曲霉的发酵转换,pH3
时累积柠檬酸,pH6 时累积葡萄糖酸，
pH10 时累积草酸。
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这个系统之所以易受外界环
境影响，可能是因为 碳源的分解
代谢有多条途径可供选择 ；此外，
可能是因为 分解代谢的酶主要分
布在细胞内可溶部分和膜上,易
受外界条件影响。
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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。
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这个系统的调节机制主要是负反
馈调节 （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
的缺失（主要表型是 营养缺陷型 ）突
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
调节机制较为单纯。
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分类学上属不同种的微生物
的子系统 Ⅰ 的代谢调节机制比较
接近，而子系统 Ⅱ 的代谢调节机
制则颇为不同。
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③ 子系统 Ⅲ （生物大分子合成代谢子
系统）
生物大分子合成代谢子系统是指
细胞用以生成蛋白质,DNA, RNA,
各种多糖 ( 同多糖、杂多糖、肽多糖、
脂多糖、荚膜多糖等 ) 及类脂（ 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。
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4.2.2.2 三个子系统的相互关系
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
持生命循环。
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，
生产微生物产品。
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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
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
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
工业生产的目的产物。
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分泌能量代谢的副产物
（乙醇、乳酸等）
Ⅰ
Ⅱ 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）
碳架 ATP
分子模块
营养
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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）。
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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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综上所述,子系统 Ⅰ 和子系统
Ⅱ 分别与子系统 Ⅲ 只发生松散的联
系，这就是子系统 Ⅰ 具有相对独立
的运转（ 排出能量代谢副产物）能
力的原因之一，也是, 子系统 Ⅰ +
子系统 Ⅱ, 作为一个整体具有相
对独立的运转（ 排出分子模块）能
力的原因之一。
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相对独立运行的另一个重要原因
是细胞的分泌机制。 子系统 Ⅰ 相对独
立运转的过程中，细胞可能分泌乙醇
等能量代谢的副产物；, 子系统 Ⅰ +
子系统 Ⅱ, 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
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
等生物大分子。细胞分泌代谢产物的
同时生长速度放慢。
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4.2.3 微生物的细胞经济学
（ microbial cell economics）
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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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
在经济活动中，存在以较少的
耗费获得较大经济效益的 经济效果
问题。
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
得较大的生长效益的 经济效果 问题；
在这个意义上,代谢活动也是一种
经济活动。
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经济效果要用 价值 的尺度来
衡量。谈到价值，就涉及到 价值
取向 问题。 用不同的价值取向对
同一个事物的效果进行评价，结
果不会一样。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
微生物细胞本身的价值取向是
加强生存竞争能力,而工业发酵中
微生物细胞机器的价值取向是 提高
目的产物的生产能力 。因此在工业
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
活动进行协调。
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有关价值取向问题：
＊微生物细胞 —— 竞争能力（细胞生长
速度和繁殖速度）。
＊细胞机器 —— 生产能力（细胞在发酵
液中累积特定代谢产物的能力） 。
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对于本课程定义的 典型的工业发酵
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,因而，高产
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
量高的经济效益，必须在 保证微生物细
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
的关系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
微生物细胞经济学试图研究
①细胞经济体系的 运行规律
②微生物细胞各个生命活动阶段
的 代谢活动
③ 代谢流 在代谢网络上的流量分
布和流动规律
④微生物细胞的体现在不同价值
取向上的 生产力
⑤微生物细胞的 生产力 与细胞的
生产关系之间的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
4.2.3.1 细胞经济体系的运行
4.2.3.2 细胞经济的 经济杠杆
4.2.3.3 通用代谢物 的作用
4.2.3.3 细胞经济体系是微生物细
胞生命活动的 保障体系
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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
期的实践的检验，已成为微生物
细胞生命活动的 保障体系,为 ①
适应性, ②经济性 和 ③代谢的持
续性 提供保障。
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自然环境 或 人为的培养条
件 均能根据不同的价值取向，
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
情况下，这种导向只能在有限
的范围内进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
在遗传物质发生变动的情况下，大
自然的导向，是指 自发突变加上自然选
择,导致微生物物种的进化；人为的导
向，就是 遗传改造和定向筛选,导致优
良的生产菌种的获得，实现另一种意义
上的进化。
然而,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
存保障规律。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
4.2.3.1 细胞经济体系的运行
⑴ 原始型细胞经济
⑵ 导向型细胞经济
⑶ 细胞经济系数
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微生物细胞的 生存保障
规律 可以概括成,
整体协调，维持生计
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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，
细胞经济运行还可以接受细胞 经济杠
杆 的人为的调控。
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：
⑴ 原始型细胞经济，
⑵ 导向型细胞经济。
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⑴原始型细胞经济
原始型细胞经济体系 是这样一
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
生型微生物的细胞经济体系往往是
属于这个类型的。
原始型细胞经济 是细胞经济体
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
争中获胜。
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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，
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
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
的。
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⑵导向型细胞经济
如果要求微生物过量合成某
种代谢中间产物，则须 对微生物
的代谢流进行导向 。根据已获得
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
出发株进行 遗传改造 和随后的 培
养条件优化,将代谢流导向理想
的 载流路径 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
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
向的运行状态，因此有 导向型细胞经济
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,微
生物细胞总是按 整体协调，维持生计 的
细胞经济管理原则 实现能量和还原力的
新的平衡,从而保证生命活动以另一种
格局 持续进行下去 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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
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
种经济活动，微生物细胞消耗能量（实际
上是以 ATP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
胞的经济运行，必须研究生长能学。
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⑶细胞经济系数
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
基质的得率系数 Yxs 为基准,把细
胞经济系数 定义为细胞增长速率
与基质消耗速率之比。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
但是,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
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, 细胞经济
系数, 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
异，如果我们将这个 质的差异换算成
量的差异,或许问题就容易解决了。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
这样，我们试图 将培养基的质的
差异转换成 ATP的量的差异,以 ATP
得率系数 YxATP为基准，修改细胞经济
系数。
特引进代谢经济系数 ( economic
coefficient of metabolism ) 的概念，
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
济效果。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
代谢经济系数，简称经济系数，被定
义为细胞增长的速率与 ATP的消耗速率之
比：
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
可以推算细胞的代谢成本。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
综上所述,ATP得率系数 YxATP,即
合成单位细胞量所消耗 ATP的量 [mmol
ATP（ g细胞干重） -1]，比细胞量对基质
的得率系数 Yxs,即合成单位量的细胞所
消耗的基质的量,更能体现细胞生长的
经济活动的基本特性。 所以 在分析细胞
的经济活动时，以 ATP得率系数 YxATP为
基准比以基质的得率系数 Yxs为基准更能
反映经济活动的本质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
细胞经济系数的高低取决于
分解代谢体系（子系统 Ⅰ ）与两
个生物合成系统 （子系统 Ⅱ 和子
系统 Ⅲ ）的协调运转的状况。经
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
度的高低。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
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
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
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
争能力的运行状态，细胞经济系数
最高。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
4.2.3.2 微生物的经济杠杆
⑴ 外界环境条件
⑵ 对代谢产物的分泌能力
⑶ 遗传根据
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
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
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
究。
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
细胞 存在,而且细胞的生命活动必须
得到 维持 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
在发酵工业生产上，分批发酵
的前期是 菌种微生物增殖（细胞机
器的在线制造）阶段 。应该从培养
条件上保证菌种微生物的正常增殖，
以便为随后 目的产物生成（细胞机
器的在线运行） 提供足够的细胞机
器。然后，细胞机器转入目的产物
的生产（在线运行 ）阶段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
目的产物在发酵液中的累积，是
微生物细胞按 整体协调维持生计 的 生
存保障规律,自动调低细胞生长速度，
维持生命活动的情况下实现的。 在这
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
而促成目的产物生产的代谢导向,使
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
这时，因为目的产物（原来用
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
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
的生成速度相对较高，目的产物生
成系数相对较高。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
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
人为的培养条件下进行，都受到经济杠杆的
调控。 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
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
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
条件反过来又影响（调控）细胞自身的生命
活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
在工业发酵生产中,人们可
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。
化能异养型微生物细胞经济
的经济杠杆主要有下面几种：
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
⑴外界环境条件
如 pH,温度、溶解氧及培
养基的营养成分。外界环境首先
向子系统 Ⅰ （碳源分解代谢）施
加影响，比如使糖的降解代谢途
径上的代谢流发生变化，甚至发
生途径的转换和代谢流的漂移。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
⑵对代谢产物的分泌能力
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
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
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
胞的生存。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
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
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
子系统的独立运转，也起着十分重要
的作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
③遗传物质
如子系统 Ⅱ 和 Ⅲ （生物合成）所
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 Ⅱ
和 Ⅲ 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
选育和改造。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
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
阶段和在线运行阶段的 相对长度 和
运行状态,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
代谢成本的分布 （细胞机器成本在
总成本中的比例）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
4.2.3.3 通用代谢物的作用
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可以在细胞全局范围内通用的代谢
物通用代谢物（ currency metabolites）
是指，主要是能量货币 ATP和以代谢物
形式出现的还原力 NADH 和 NADPH。
它们的作用主要在于 调节代谢流的流量
和方向，使途径成为代谢网络整体的一
部分。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
生物合成反应一般都依赖于 ATP的供应，
若 ATP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。 ATP及
其相关分子 ADP,AMP（ 三者组成腺苷酸
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
谢过程 （ 糖酵解和 TCA 循环）为生物合成
提供启动物质。然而,就其重要性来说，其
调节作用远远大于其参与作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
这些途径不仅提供 前体代谢物,同时
也提供 代谢能 和 辅助因子,以满足基本的
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
合成代谢中的双重作用。这些途径的调节
应当反映出其双重功能，即 确保碳架物质
（ carbon skeletons） 正确地、协调地流进
生物合成途径和产能途径（收获代谢能的
途径） 。严格地说,生物合成途径与降解
途径的主要区别在于，用来控制流量的调
节信号的性质的不同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
如果糖酵解或 TCA循环仅仅接受能
荷调节，那么在能量供应充足的条件下，
通过这些途径的流量将会硬性地减少。
然而，伴随着 ATP再生的减少，这种反
馈机制也会限制用于生长的中间物的利
用率，从而削弱生长。这样的响应仍不
能令人满意，因为培养基营养供应丰富
时，生长也会受到限制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
为了满意地调节一个同时支
持两种功能（产能和生长）的过
程，已经导出了一种微妙的机制。
这个机制需要两类信号的输入，
一类是生物合成中间物水平的信
号，另一类是代谢能水平的信号。
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
第一类信号是特定途径（通常是严格
的合成过程）的 终产物 。 大量实例说明大
多数生物合成途径的调节都包括简单反馈
机制，其中 终产物抑制其自身合成的分支
途径的第一步,例如苏氨酸抑制高丝氨酸
脱氢酶，异亮氨酸抑制苏氨酸脱氨酶，组
氨酸抑制磷酸核糖 -ATP 焦磷酸化酶 （ 5-
磷酸核糖焦磷酸激酶），色氨酸抑制邻氨
基苯甲酸合成酶等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
第二个信号是严格的分解代谢
途径所特有的，而且是能量代谢的
最终的（或中间的）产物，也就是
Pi,AMP,ADP,ATP,NADH、
NADPH,例如 产气肠杆菌的苏氨
酸脱氨酶（ 降解酶 ）受 AMP的激
活，铜绿假单胞菌的组氨酸酶（降
解酶）受 Pi的抑制，并且此抑制可
被 AMP和 GDP解除。
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
无定向代谢途径采用两种流量
控制方式，即 终产物的抑制 和作为
细胞能量状态指示剂的 代谢物的活
性控制 。
当两个信号中任一个信号低时，
糖酵解将继续进行；当两者均处于
正常范围时，糖酵解途径尚能起作
用，而通过该途径的流量减小。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
当然在一个正在代谢葡萄糖的细胞中，
糖酵解途径决不会完全关闭，因为细胞生
命活动需要 ATP的持续供应。 就不同前体
相互之间的平衡和生物合成对于不同前体
的需要而论,12种前体代谢物的形成速率
的平衡涉及一个高度复杂的调控机制。 要
进行这样的协调，除了涉及碳架物质，还
有供能反应必须提供的代谢能（ ATP等）
和还原力（ NADH 和 NADPH ）。 因此，
毫不奇怪，这些化合物本身就是代谢网络
中许多不同位点的变构效应物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
关于能荷调节，本章 4.1.2.3已有描述，
并已推导出推算能荷的公式：
上式给出了对流量的协调控制的能荷
的推算公式，式中带下标的 c 分别表示下
标对应的腺苷酸的浓度。从此式可知，能
荷可以在 0（全部 AMP） 和 1（全部 ATP）
之间变化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
一般说来，高能荷抑制补充代
谢能的酶系（例如生物合成酶系），
同时激活消耗 ATP的酶系；反之低
能荷则抑制消耗代谢能的酶系，同
时激活生成 ATP的酶系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
在氧化 -还原反应中也有类似的情况。
氧化 - 还原反应受到还原荷 （ reduction
charge ） 的类似的调节。吡啶核苷酸作
为氢负离子或还原力的载体,NAD 主要
在供能途径的氧化还原反应中起作用，
NADP 通常用于生物合成反应。 在供能
反应中,NAD+ （ 氧化型的 NAD ） 是反
应物，而合成反应利用 NADPH （ 还原
型的 NADP ）。 因此毫不奇怪,在生理
条件下大部分 NAD 在胞内是以 NAD+的
形式存在，而 NADP是以 NADPH的形式
存在。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
可用分解代谢还原荷（ catabolic
reduced charge ） 和合成代谢还原荷
（ anabolic reduced charge ） 来描述
细胞的氧化还原状态。分解代谢还原
荷，缩写为 CRC,其值约为 0.03 ~
0.07；合成代谢还原荷，缩写为 ARC，
其值约为 CRC 的 10 倍。
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
还原荷可用下面公式计算：
式中带下标的 c 分别表示下标对应的
吡啶核苷酸的浓度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
CRC 和 ARC 分别在协调供能反应与
生物合成反应的过程中，起着重要作用,
尽管对它们的作用的细节尚不如对能荷的
作用那样清楚。 大部分细胞中有 4 个供能
反应能生成 NADPH,两个反应在磷酸戊
糖途径，它们分别是 6-磷酸葡萄糖脱氢酶
（ G6PDH ） 和 6 - 磷酸葡萄糖酸脱氢酶
（ G6PDH ）；另外两个反应在 TCA环，
它们分别是异柠檬酸脱氢酶（ ID） 和苹果
酸酶（ ME ）。 生成的 NADPH 参与生物
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
CRC 和 ARC 的调节被认为是通过 转氢
酶 而发生的，该酶催化如下可逆反应：
NADP+ + NADH ←→ NADPH + NAD +
这是一个束缚在膜上的酶，它由质子运
动势（ proton-motive force ） 驱动；因此这
个过程只能在能量化了的膜上进行，该反应
的平衡被认为是靠质子运动势来改变的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
4.2.3.4 细胞经济体系是微生物细
胞生命活动的保障体系
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
工业发酵依靠菌种细胞群体的代谢
来获得产品。接受导向的细胞经济状态
固然有利于特定的代谢产物的生产，但
从富于竞争能力的原始型细胞经济状态
向接受导向的导向型细胞经济状态的转
化，取决于菌种的遗传条件（内因）和
环境条件（外因），还受到能量代谢和
还原力平衡的严格制约。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
微生物细胞的自动调节机制支持
代谢的变动性，而微生物遗传的保守
性又限制了代谢变动对环境变化的响
应范围；微生物在此响应范围内变通
地维持生计。微生物的 细胞经济体系
就是微生物 细胞生命活动的保障体系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
微生物的实物结构是指细胞学描
述的结构，微生物的经济结构是指细
胞经济体系的 3 个子系统。
微生物的实物结构和经济结构构
成微生物细胞的经济基础 —— 微生物
细胞生产关系的总和。
为这个经济基础服务的细胞经济
管理原则是 整体协调、维持生计,它
最终是由细胞的遗传物质规定的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
尽管通过改变培养条件，调整相关的
代谢子系统及它们之间的关系，也可能在
生理弹性范围内引导野生型微生物细胞过
量生产特定中间代谢产物； 但若要大幅度
提高对特定中间代谢产物的生产能力，必
须对野生型的微生物进行遗传改造，通过
调整细胞的生产关系，使细胞经济按新的
生产格局运行：从生产细胞的原始型细胞
经济格局转向生产目的产物（特定的初级
代谢产物）的导向型细胞经济格局。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
然而,尽管生产格局变了，微生
物细胞整体协调、维持生计的经济管
理原则没有变。 人类有能力发现这个
规律，但不能改变这个体现生命本质
的规律。 微生物细胞的这个细胞经
济管理原则是千千万万年物竞天择的
综合性成果,是微生物自我保护自我
发展的基本原则。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
我们必须深入研究微生物细胞经济体
系及其运行规律。尽管，微生物细胞天然
的生产关系（支持细胞增殖的生产关系）
仍在一定程度上束缚着（同时支持和维持
着）发酵工业生产线上的细胞机器的生产
力（指生产特定的初级代谢产物的生产
力）,我们期望经过在微生物生理学与遗
传学方面的不懈的努力，把微生物细胞在
典型的工业发酵中的生产关系与生产力之
间的关系，从基本不适合（生产力受到束
缚）优化为基本适合（生产力得到解放）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
代谢成本：
肽链上每添加一个氨基酸一共要消耗
4.3 个 ATP； RNA上收编一个核苷酸（ 以
单磷酸核苷酸计）的代谢能成本为 2.4 个
ATP； DNA 上结合一个脱氧核糖核苷酸
（以单磷酸核苷酸计） 的总能耗为 3.4 个
ATP 。 多糖链上每添加一个糖基要消耗 1
个 UTP。
第二节 微生物细胞经济体
系的运行规律
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
微生物细胞新陈代谢的独立性是靠其
广泛的 适应性 和对营养物质的节约使用即
经济性 来支撑的。 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
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
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
4.2.1 微生物的细胞经济体系
4.2.2 微生物细胞的经济结构 ——
微生物代谢的三个子系统
4.2.3 微生物的细胞经济体系的运行
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
4.2.1 微生物的细胞经济体系
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
微生物细胞是远离平衡状态的不
平衡的开放体系,它能对系统的三个
要素（①能量、②物质、③信息），
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
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
代谢体系叫做细胞经济体系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
微生物细胞的 独立存在和自主生
存,依赖于微生物细胞广泛的 适应性
（先保证活下来）和对营养物质的节
约使用，即 经济性 （争取在所处环境
条件下更具竞争力）。 适应性和经济
性都建立在微生物细胞代谢的变动性
上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
但是，微生物 代谢的变动是有限度
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,以保证代谢的持
续 。这些代谢调节的规律就是细胞生命
活动的, 经济法则,，即 细胞经济管
理原则, 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
体）是 细胞与环境对话的指挥中心 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
微生物的细胞经济体系是
微生物细胞生命活动的 保障体
系 。这个体系为细胞对其环境
的 适应性,细胞运行的 经济性,
以及细胞的 持续代谢 提供保障。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
细胞经济基础，最终
取决于细胞的 遗传物质和
环境的对话 （细胞的
,蓝图, 和细胞生命活
动的指挥中心的现场指
挥）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
4.2.2 微生物细胞的经济结构 ——
微生物代谢的三个子系统
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
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，
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
了可直接使用的代谢能和还原力。
因此，我们首先 以碳架代谢为主线，
研究与微生物细胞生长直接相关的
初级代谢活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
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 ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
碳架 ATP
分子模块
微生物碳架代谢系统的三个子系统
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
① 子系统 Ⅰ （碳源的分解代谢子系统）
子系统 Ⅰ 是微生物细胞用以合成 前
体代谢物 和提供 代谢能 的碳源 分解代谢
系统 。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，
pH 条件引起黑曲霉的发酵转换,pH3
时累积柠檬酸,pH6 时累积葡萄糖酸，
pH10 时累积草酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
这个系统之所以易受外界环
境影响，可能是因为 碳源的分解
代谢有多条途径可供选择 ；此外，
可能是因为 分解代谢的酶主要分
布在细胞内可溶部分和膜上,易
受外界条件影响。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
这个系统的调节机制主要是负反
馈调节 （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
的缺失（主要表型是 营养缺陷型 ）突
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
调节机制较为单纯。
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
分类学上属不同种的微生物
的子系统 Ⅰ 的代谢调节机制比较
接近，而子系统 Ⅱ 的代谢调节机
制则颇为不同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
③ 子系统 Ⅲ （生物大分子合成代谢子
系统）
生物大分子合成代谢子系统是指
细胞用以生成蛋白质,DNA, RNA,
各种多糖 ( 同多糖、杂多糖、肽多糖、
脂多糖、荚膜多糖等 ) 及类脂（ 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
4.2.2.2 三个子系统的相互关系
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
持生命循环。
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，
生产微生物产品。
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
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
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
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
工业生产的目的产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
分泌能量代谢的副产物
（乙醇、乳酸等）
Ⅰ
Ⅱ 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）
碳架 ATP
分子模块
营养
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
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） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
综上所述,子系统 Ⅰ 和子系统
Ⅱ 分别与子系统 Ⅲ 只发生松散的联
系，这就是子系统 Ⅰ 具有相对独立
的运转（ 排出能量代谢副产物）能
力的原因之一，也是, 子系统 Ⅰ +
子系统 Ⅱ, 作为一个整体具有相
对独立的运转（ 排出分子模块）能
力的原因之一。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
相对独立运行的另一个重要原因
是细胞的分泌机制。 子系统 Ⅰ 相对独
立运转的过程中，细胞可能分泌乙醇
等能量代谢的副产物；, 子系统 Ⅰ +
子系统 Ⅱ, 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
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
等生物大分子。细胞分泌代谢产物的
同时生长速度放慢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
4.2.3 微生物的细胞经济学
（ microbial cell economics）
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
在经济活动中，存在以较少的
耗费获得较大经济效益的 经济效果
问题。
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
得较大的生长效益的 经济效果 问题；
在这个意义上,代谢活动也是一种
经济活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
经济效果要用 价值 的尺度来
衡量。谈到价值，就涉及到 价值
取向 问题。 用不同的价值取向对
同一个事物的效果进行评价，结
果不会一样。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
微生物细胞本身的价值取向是
加强生存竞争能力,而工业发酵中
微生物细胞机器的价值取向是 提高
目的产物的生产能力 。因此在工业
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
活动进行协调。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
有关价值取向问题：
＊微生物细胞 —— 竞争能力（细胞生长
速度和繁殖速度）。
＊细胞机器 —— 生产能力（细胞在发酵
液中累积特定代谢产物的能力） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
对于本课程定义的 典型的工业发酵
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,因而，高产
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
量高的经济效益，必须在 保证微生物细
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
的关系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
微生物细胞经济学试图研究
①细胞经济体系的 运行规律
②微生物细胞各个生命活动阶段
的 代谢活动
③ 代谢流 在代谢网络上的流量分
布和流动规律
④微生物细胞的体现在不同价值
取向上的 生产力
⑤微生物细胞的 生产力 与细胞的
生产关系之间的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
4.2.3.1 细胞经济体系的运行
4.2.3.2 细胞经济的 经济杠杆
4.2.3.3 通用代谢物 的作用
4.2.3.3 细胞经济体系是微生物细
胞生命活动的 保障体系
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
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
期的实践的检验，已成为微生物
细胞生命活动的 保障体系,为 ①
适应性, ②经济性 和 ③代谢的持
续性 提供保障。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
自然环境 或 人为的培养条
件 均能根据不同的价值取向，
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
情况下，这种导向只能在有限
的范围内进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
在遗传物质发生变动的情况下，大
自然的导向，是指 自发突变加上自然选
择,导致微生物物种的进化；人为的导
向，就是 遗传改造和定向筛选,导致优
良的生产菌种的获得，实现另一种意义
上的进化。
然而,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
存保障规律。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
4.2.3.1 细胞经济体系的运行
⑴ 原始型细胞经济
⑵ 导向型细胞经济
⑶ 细胞经济系数
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
微生物细胞的 生存保障
规律 可以概括成,
整体协调，维持生计
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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，
细胞经济运行还可以接受细胞 经济杠
杆 的人为的调控。
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：
⑴ 原始型细胞经济，
⑵ 导向型细胞经济。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
⑴原始型细胞经济
原始型细胞经济体系 是这样一
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
生型微生物的细胞经济体系往往是
属于这个类型的。
原始型细胞经济 是细胞经济体
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
争中获胜。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
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，
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
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
的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
⑵导向型细胞经济
如果要求微生物过量合成某
种代谢中间产物，则须 对微生物
的代谢流进行导向 。根据已获得
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
出发株进行 遗传改造 和随后的 培
养条件优化,将代谢流导向理想
的 载流路径 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
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
向的运行状态，因此有 导向型细胞经济
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,微
生物细胞总是按 整体协调，维持生计 的
细胞经济管理原则 实现能量和还原力的
新的平衡,从而保证生命活动以另一种
格局 持续进行下去 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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
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
种经济活动，微生物细胞消耗能量（实际
上是以 ATP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
胞的经济运行，必须研究生长能学。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
⑶细胞经济系数
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
基质的得率系数 Yxs 为基准,把细
胞经济系数 定义为细胞增长速率
与基质消耗速率之比。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
但是,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
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, 细胞经济
系数, 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
异，如果我们将这个 质的差异换算成
量的差异,或许问题就容易解决了。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
这样，我们试图 将培养基的质的
差异转换成 ATP的量的差异,以 ATP
得率系数 YxATP为基准，修改细胞经济
系数。
特引进代谢经济系数 ( economic
coefficient of metabolism ) 的概念，
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
济效果。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
代谢经济系数，简称经济系数，被定
义为细胞增长的速率与 ATP的消耗速率之
比：
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
可以推算细胞的代谢成本。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
综上所述,ATP得率系数 YxATP,即
合成单位细胞量所消耗 ATP的量 [mmol
ATP（ g细胞干重） -1]，比细胞量对基质
的得率系数 Yxs,即合成单位量的细胞所
消耗的基质的量,更能体现细胞生长的
经济活动的基本特性。 所以 在分析细胞
的经济活动时，以 ATP得率系数 YxATP为
基准比以基质的得率系数 Yxs为基准更能
反映经济活动的本质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
细胞经济系数的高低取决于
分解代谢体系（子系统 Ⅰ ）与两
个生物合成系统 （子系统 Ⅱ 和子
系统 Ⅲ ）的协调运转的状况。经
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
度的高低。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
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
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
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
争能力的运行状态，细胞经济系数
最高。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
4.2.3.2 微生物的经济杠杆
⑴ 外界环境条件
⑵ 对代谢产物的分泌能力
⑶ 遗传根据
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
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
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
究。
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
细胞 存在,而且细胞的生命活动必须
得到 维持 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
在发酵工业生产上，分批发酵
的前期是 菌种微生物增殖（细胞机
器的在线制造）阶段 。应该从培养
条件上保证菌种微生物的正常增殖，
以便为随后 目的产物生成（细胞机
器的在线运行） 提供足够的细胞机
器。然后，细胞机器转入目的产物
的生产（在线运行 ）阶段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
目的产物在发酵液中的累积，是
微生物细胞按 整体协调维持生计 的 生
存保障规律,自动调低细胞生长速度，
维持生命活动的情况下实现的。 在这
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
而促成目的产物生产的代谢导向,使
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
这时，因为目的产物（原来用
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
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
的生成速度相对较高，目的产物生
成系数相对较高。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
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
人为的培养条件下进行，都受到经济杠杆的
调控。 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
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
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
条件反过来又影响（调控）细胞自身的生命
活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
在工业发酵生产中,人们可
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。
化能异养型微生物细胞经济
的经济杠杆主要有下面几种：
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
⑴外界环境条件
如 pH,温度、溶解氧及培
养基的营养成分。外界环境首先
向子系统 Ⅰ （碳源分解代谢）施
加影响，比如使糖的降解代谢途
径上的代谢流发生变化，甚至发
生途径的转换和代谢流的漂移。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
⑵对代谢产物的分泌能力
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
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
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
胞的生存。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
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
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
子系统的独立运转，也起着十分重要
的作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
③遗传物质
如子系统 Ⅱ 和 Ⅲ （生物合成）所
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 Ⅱ
和 Ⅲ 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
选育和改造。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
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
阶段和在线运行阶段的 相对长度 和
运行状态,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
代谢成本的分布 （细胞机器成本在
总成本中的比例）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
4.2.3.3 通用代谢物的作用
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
可以在细胞全局范围内通用的代谢
物通用代谢物（ currency metabolites）
是指，主要是能量货币 ATP和以代谢物
形式出现的还原力 NADH 和 NADPH。
它们的作用主要在于 调节代谢流的流量
和方向，使途径成为代谢网络整体的一
部分。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
生物合成反应一般都依赖于 ATP的供应，
若 ATP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。 ATP及
其相关分子 ADP,AMP（ 三者组成腺苷酸
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
谢过程 （ 糖酵解和 TCA 循环）为生物合成
提供启动物质。然而,就其重要性来说，其
调节作用远远大于其参与作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
这些途径不仅提供 前体代谢物,同时
也提供 代谢能 和 辅助因子,以满足基本的
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
合成代谢中的双重作用。这些途径的调节
应当反映出其双重功能，即 确保碳架物质
（ carbon skeletons） 正确地、协调地流进
生物合成途径和产能途径（收获代谢能的
途径） 。严格地说,生物合成途径与降解
途径的主要区别在于，用来控制流量的调
节信号的性质的不同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
如果糖酵解或 TCA循环仅仅接受能
荷调节，那么在能量供应充足的条件下，
通过这些途径的流量将会硬性地减少。
然而，伴随着 ATP再生的减少，这种反
馈机制也会限制用于生长的中间物的利
用率，从而削弱生长。这样的响应仍不
能令人满意，因为培养基营养供应丰富
时，生长也会受到限制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
为了满意地调节一个同时支
持两种功能（产能和生长）的过
程，已经导出了一种微妙的机制。
这个机制需要两类信号的输入，
一类是生物合成中间物水平的信
号，另一类是代谢能水平的信号。
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
第一类信号是特定途径（通常是严格
的合成过程）的 终产物 。 大量实例说明大
多数生物合成途径的调节都包括简单反馈
机制，其中 终产物抑制其自身合成的分支
途径的第一步,例如苏氨酸抑制高丝氨酸
脱氢酶，异亮氨酸抑制苏氨酸脱氨酶，组
氨酸抑制磷酸核糖 -ATP 焦磷酸化酶 （ 5-
磷酸核糖焦磷酸激酶），色氨酸抑制邻氨
基苯甲酸合成酶等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
第二个信号是严格的分解代谢
途径所特有的，而且是能量代谢的
最终的（或中间的）产物，也就是
Pi,AMP,ADP,ATP,NADH、
NADPH,例如 产气肠杆菌的苏氨
酸脱氨酶（ 降解酶 ）受 AMP的激
活，铜绿假单胞菌的组氨酸酶（降
解酶）受 Pi的抑制，并且此抑制可
被 AMP和 GDP解除。
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
无定向代谢途径采用两种流量
控制方式，即 终产物的抑制 和作为
细胞能量状态指示剂的 代谢物的活
性控制 。
当两个信号中任一个信号低时，
糖酵解将继续进行；当两者均处于
正常范围时，糖酵解途径尚能起作
用，而通过该途径的流量减小。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
当然在一个正在代谢葡萄糖的细胞中，
糖酵解途径决不会完全关闭，因为细胞生
命活动需要 ATP的持续供应。 就不同前体
相互之间的平衡和生物合成对于不同前体
的需要而论,12种前体代谢物的形成速率
的平衡涉及一个高度复杂的调控机制。 要
进行这样的协调，除了涉及碳架物质，还
有供能反应必须提供的代谢能（ ATP等）
和还原力（ NADH 和 NADPH ）。 因此，
毫不奇怪，这些化合物本身就是代谢网络
中许多不同位点的变构效应物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
关于能荷调节，本章 4.1.2.3已有描述，
并已推导出推算能荷的公式：
上式给出了对流量的协调控制的能荷
的推算公式，式中带下标的 c 分别表示下
标对应的腺苷酸的浓度。从此式可知，能
荷可以在 0（全部 AMP） 和 1（全部 ATP）
之间变化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
一般说来，高能荷抑制补充代
谢能的酶系（例如生物合成酶系），
同时激活消耗 ATP的酶系；反之低
能荷则抑制消耗代谢能的酶系，同
时激活生成 ATP的酶系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
在氧化 -还原反应中也有类似的情况。
氧化 - 还原反应受到还原荷 （ reduction
charge ） 的类似的调节。吡啶核苷酸作
为氢负离子或还原力的载体,NAD 主要
在供能途径的氧化还原反应中起作用，
NADP 通常用于生物合成反应。 在供能
反应中,NAD+ （ 氧化型的 NAD ） 是反
应物，而合成反应利用 NADPH （ 还原
型的 NADP ）。 因此毫不奇怪,在生理
条件下大部分 NAD 在胞内是以 NAD+的
形式存在，而 NADP是以 NADPH的形式
存在。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
可用分解代谢还原荷（ catabolic
reduced charge ） 和合成代谢还原荷
（ anabolic reduced charge ） 来描述
细胞的氧化还原状态。分解代谢还原
荷，缩写为 CRC,其值约为 0.03 ~
0.07；合成代谢还原荷，缩写为 ARC，
其值约为 CRC 的 10 倍。
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
还原荷可用下面公式计算：
式中带下标的 c 分别表示下标对应的
吡啶核苷酸的浓度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
CRC 和 ARC 分别在协调供能反应与
生物合成反应的过程中，起着重要作用,
尽管对它们的作用的细节尚不如对能荷的
作用那样清楚。 大部分细胞中有 4 个供能
反应能生成 NADPH,两个反应在磷酸戊
糖途径，它们分别是 6-磷酸葡萄糖脱氢酶
（ G6PDH ） 和 6 - 磷酸葡萄糖酸脱氢酶
（ G6PDH ）；另外两个反应在 TCA环，
它们分别是异柠檬酸脱氢酶（ ID） 和苹果
酸酶（ ME ）。 生成的 NADPH 参与生物
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
CRC 和 ARC 的调节被认为是通过 转氢
酶 而发生的，该酶催化如下可逆反应：
NADP+ + NADH ←→ NADPH + NAD +
这是一个束缚在膜上的酶，它由质子运
动势（ proton-motive force ） 驱动；因此这
个过程只能在能量化了的膜上进行，该反应
的平衡被认为是靠质子运动势来改变的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
4.2.3.4 细胞经济体系是微生物细
胞生命活动的保障体系
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
工业发酵依靠菌种细胞群体的代谢
来获得产品。接受导向的细胞经济状态
固然有利于特定的代谢产物的生产，但
从富于竞争能力的原始型细胞经济状态
向接受导向的导向型细胞经济状态的转
化，取决于菌种的遗传条件（内因）和
环境条件（外因），还受到能量代谢和
还原力平衡的严格制约。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
微生物细胞的自动调节机制支持
代谢的变动性，而微生物遗传的保守
性又限制了代谢变动对环境变化的响
应范围；微生物在此响应范围内变通
地维持生计。微生物的 细胞经济体系
就是微生物 细胞生命活动的保障体系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
微生物的实物结构是指细胞学描
述的结构，微生物的经济结构是指细
胞经济体系的 3 个子系统。
微生物的实物结构和经济结构构
成微生物细胞的经济基础 —— 微生物
细胞生产关系的总和。
为这个经济基础服务的细胞经济
管理原则是 整体协调、维持生计,它
最终是由细胞的遗传物质规定的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
尽管通过改变培养条件，调整相关的
代谢子系统及它们之间的关系，也可能在
生理弹性范围内引导野生型微生物细胞过
量生产特定中间代谢产物； 但若要大幅度
提高对特定中间代谢产物的生产能力，必
须对野生型的微生物进行遗传改造，通过
调整细胞的生产关系，使细胞经济按新的
生产格局运行：从生产细胞的原始型细胞
经济格局转向生产目的产物（特定的初级
代谢产物）的导向型细胞经济格局。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
然而,尽管生产格局变了，微生
物细胞整体协调、维持生计的经济管
理原则没有变。 人类有能力发现这个
规律，但不能改变这个体现生命本质
的规律。 微生物细胞的这个细胞经
济管理原则是千千万万年物竞天择的
综合性成果,是微生物自我保护自我
发展的基本原则。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
我们必须深入研究微生物细胞经济体
系及其运行规律。尽管，微生物细胞天然
的生产关系（支持细胞增殖的生产关系）
仍在一定程度上束缚着（同时支持和维持
着）发酵工业生产线上的细胞机器的生产
力（指生产特定的初级代谢产物的生产
力）,我们期望经过在微生物生理学与遗
传学方面的不懈的努力，把微生物细胞在
典型的工业发酵中的生产关系与生产力之
间的关系，从基本不适合（生产力受到束
缚）优化为基本适合（生产力得到解放）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
代谢成本：
肽链上每添加一个氨基酸一共要消耗
4.3 个 ATP； RNA上收编一个核苷酸（ 以
单磷酸核苷酸计）的代谢能成本为 2.4 个
ATP； DNA 上结合一个脱氧核糖核苷酸
（以单磷酸核苷酸计） 的总能耗为 3.4 个
ATP 。 多糖链上每添加一个糖基要消耗 1
个 UTP。
