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第三节 代谢网络中碳架
物质流的调动
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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。
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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。
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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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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
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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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4.3.1.2 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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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。
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Working pattern of cell-machine
in Industrial Fermentation
工业发酵细胞机器的工作模式
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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
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
4.3.2 微生物的代谢流及其治理
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
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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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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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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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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
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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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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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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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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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。
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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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
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”）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
在厌氧条件下, PFK和 FDPA水平较有
氧时高，因而 EMP 途径对葡萄糖降解代谢
的参与程度增加 。 因为 PFK 的水平仍高于
FDPA,FDP 仍然累积并继续抑制 6PGDH，
但随着 EMP参与程度的增加,EMP 途径所
产生的 NADH浓度增高 。 NADH是 6-磷酸葡
萄糖脱氢酶（ G6PDH ） 的效应物,NADH
浓度上升 就会抑制 G6PDH,使 G6PDH 成
为 HMP降解流上的另一个, 阀门, （ 厌
氧条件下的控制, 阀门, ）。
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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％。
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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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
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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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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
微生物排出某些 能量代谢副产物
的过程，实质上是兼性厌氧微生物在
环境条件逼迫下（如缺氧），变通地
维持生计 的过程。 兼性厌氧微生物细
胞在缺氧的条件下，以变通的方式实
现还原力的平衡和辅酶的再生和回用，
使细胞的能量代谢得以维持，与此同
时形成并分泌出能量代谢副产物。 例
如酿酒酵母在发酵液中累积能量代谢
副产物乙醇的过程，就是这样的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
4.3.2.3 溢出代谢
发生溢出代谢（ overflow metabolism）
的原因是，代谢途径前段的运转速率大于
后段的运转速率。采用改变环境条件或限
制营养供应等方法，可促使微生物进行溢
出代谢。
这里介绍两个溢出代谢的实例：
⑴ TCA环中间产物柠檬酸的溢出代谢，
⑵导致能量代谢的副产物乙醇生成的溢出
代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
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：
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
Glc G-6-P
(PFK) CTA,NH4I
?
+
A
FDP
PYR
OAA
AcCoA
CTA
CAA
ICAα- KG
(PC) (CS)
(KD)
黑
曲
霉
中
柠
檬
酸
的
代
谢
溢
出
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
① 高水平的柠檬酸合成能力 。这个能力
由 3 个因素构成。第一是在有高浓度草酰乙
酸（ OAA ） 的情况下对 AcCoA 具有高度亲
和力的组成型的 柠檬酸合成酶 （ CS ） 的存
在；第二是催化丙酮酸 （ PYR ） 固定 CO2
生成草酰乙酸反应的高水平的组成型的 丙酮
酸羧化酶 （ PC ） 的存在；第三是在缺少锰
的条件下，蛋白质分解或蛋白质合成受阻造
成的 铵的高浓度能解除柠檬酸（ CTA） 对磷
酸果糖激酶（ PFK） 的抑制。此外，柠檬酸
的分泌降低其胞内浓度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
② 较低的降解柠檬酸的能力。 这能
力由两个因素构成。第一是 低水平的 α-酮
戊二酸脱氢酶 （ KD ） 影响 TCA环运行
的畅通程度,使 TCA环前半部的中间产
物积压； 第二，在锰缺乏的条件下,顺
乌头酸酶（ AE ） 和 异柠檬酸脱氢酶
（ ID） 的活性降低,从而使柠檬酸的累
积比其它几种酸（ 顺乌头酸、异柠檬酸
和 α-酮戊二酸）更明显。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
③ 在柠檬酸过量合成阶段，
培养基的 pH 值 显然会影响细
胞膜对目的产物柠檬酸和的跨
膜输送；柠檬酸的分泌也会影
响 培养基的 pH 值 。锰与铁的
缺乏有利于柠檬酸的排出。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
⑵ 乙醇的溢出代谢：
葡萄糖为碳源，对酿酒酵母进
行批式培养，出现二段生长（ two
growth phase） 现象：在 第一阶段,
葡萄糖浓度较大，萄萄糖的消耗伴
随着 乙醇的产生 ；第二阶段，葡萄
糖浓度下降到某值以下,乙醇被氧
化 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
这样的二段生长现象曾被认为
是呼吸途径的阻遏和解阻遏，而且
认为是分解代谢物阻遏（此名称已
被营养阻遏代替，见本章 4.1.2.1 ）。
后来才认识到，酿酒酵母之所以在
葡萄糖培养基中累积乙醇，是因为
该微生物有限的呼吸能力，并把这
种现象称为瓶颈效应（ bottleneck
effect）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
细胞并不会因为葡萄糖的高速
消耗而附带地形成足够高的呼吸能
力（指呼吸链使 NADH再生的能力）
与之配套；而且葡萄糖的异生成途
径（需 NADH） 因受到高浓度的葡
萄糖的调节而受阻，更加强了瓶颈
效应。因此瓶颈是对生物氧化中呼
吸链电子传递通道的相对狭窄而言
的。
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在供氧情况下，酿酒酵母细胞中葡萄糖
主要经 EMP-TCA 途径（ 少量经 HMP途径 ）
氧化降解。这些途径运行中形成的 NADH和
FADH2分子上的电子需经电子传递链（呼吸
链）传递给分子氧。
当葡萄糖浓度较低时，葡萄糖氧化降解
过程所需配套的电子传递能力处于电子传递
链传递能力范围以内，这时氧的吸收速率与
细胞的生长速率成线性关系。辅酶 NADH 和
辅基 FADH2 完全可以在电子传递链释放电
子而得到再生。
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当葡萄糖的浓度超过某值，葡萄糖氧
化降解过程所需配套的电子传递能力超越
微生物细胞电子传递链传递能力范围，一
部分 NADH不能通过电子传递链而再生成
NAD+,只好将电子交给内源的有机化合
物乙醛，将乙醛还原成乙醇，从而实现还
原力的平衡。从而导致生成乙醇的溢出代
谢。 由此可见，乙醇的溢出代谢实际上是
细胞内生物氧化过程中形成的还原力相对
于电子传递链的呼吸能力的溢出，推动了
乙醛还原生成乙醇的发酵过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
从以上实例可以看到，溢出
代谢的发生，不但要求微生物本
身具有相应的遗传根据，还必须
具备相应的环境条件。
对于工业发酵来说，就是特
定的生产菌种和与其对应的生产
工艺条件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
4.3.2.4 代谢流“治理”的可能性和
现实性
代谢流具有流体流动的基本属
性，因此具有“治理”的可能性；
微生物代谢的变动性和微生物遗传
的保守性，加上人的主观能动性，
能使可能变为现实。
本课程主要讨论初级代谢产物
的过量合成，兼顾次级代谢产物的
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
现代发酵工程依靠微生物活细
胞来完成发酵工厂生产线上不可缺
少的加工（或转化）步骤，在这个
意义上,微生物活细胞就是工业发
酵生产线上不可缺少的微生物生物
机器（或称细胞机器）,是发酵工
厂里关键的生产机器。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
细胞机器与普通意义上的机器不
同，它们 必须由代谢能 （ metabolic
energy） 直接驱动 。在发酵工厂的生
产线上，微生物必须完成微生物细胞
机器的 在线制造（细胞增殖）和生产
运行（目的产物的合成和输出）的双
重任务。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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
的初级代谢产物的过程，作为工业发酵
的典型过程来研究，并把代谢研究的重
点放在碳的代谢上。 从而建立了 生物机
器 （又称 细胞机器 ）工作的基本模式。
在此 工作模式 的基础上，提出了工业发
酵中微生物代谢的 五段式 和初级代谢产
物的过量合成的 五字策略 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
在物竞天择的基础上建立的细胞经
济体系已经经受长期的实践检验，并已
成为微生物细胞生命活动的保障体系。
微生物通过生存竞争而获得的一整套自
我调节机制，原本服务于微生物的自然
竞争和生命保障，因此它不会大量的合
成维持自我生存之外的代谢产物。而人
类因自我发展的需要，却希望微生物能
够大量地合成能满足人类需求为目的产
物（微生物的代谢产物）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
微生物代谢产物的生物合成是系
统工程，要完成这一类系统工程，必
须依靠微生物的高度有序的生命活动，
决不是打乱它，而是在可能的范围内
对它进行有效的引导。
工业发酵呼唤人与微生物的合作，
而在合作中，人处于主导的地位，人
应该发挥主观能动作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
⑴ 初级代谢产物的合成
初级代谢产物是指这样一些低
分子质量的合成途径的终产物，它
们 是构建生物大分子的分子模块,
是微生物营养性生长所必需的生长
因子，如氨基酸、嘌呤和嘧啶的核
苷与核苷酸以及维生素。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
初级代谢产物都是从中心代谢途径
的中间产物（ 12种前体代谢物）开始合
成的。 因为它们都是微生物营养性生长
所必需的，除了遗传上有缺陷的菌株外，
微生物细胞具有齐全的初级代谢途径基
因，也就是说 在合适的环境条件下它们
的初级代谢途径是普遍存在的 。初级途
径上的酶的特异性比次级代谢的酶的特
异性要高。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
各种微生物的初级代谢产物的合成途
径基本相同，在同一属微生物中，初级代
谢产物合成途径的差异是十分罕见的，但
在合成的调节机制上有较大的差异。
初级代谢产物合成的途径是稳定的，
不同微生物物种的调节机制是可以弄清楚
或基本弄清楚的，这就是对这种合成代谢
流“治理”的基础。 这种“治理”要用到
遗传手段（ 遗传脱钩 ），并辅之以培养条
件的优化（ 环境协调 ），以求达到 初级代
谢产物过量合成的目的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
Ⅰ, 初级代谢产物过量合成的五字策略
在分析细胞机器的生产运行时，可把
它看作是分步进行的过程。首先细胞外的
营养物质从环境（培养基）跨膜进入细胞；
然后，一般要经过向心、中心和离心 3 段
连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成
目的产物；最后，目的产物经过膜排出细
胞，回到环境（发酵醪液）。
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“载流途径”泛指承载代谢物流
的代谢途径。,载流路径” 泛指由不
止一条载流途径按序首尾衔接而组成
的代谢通道。
在发酵工程领域,“载流路径”
作为发酵工程的专用术语，被定义为
从主要有机原料到目的产物一组载流
途径的有序组合。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
典型的 载流路径 是指存在于代谢网
络中的这样的代谢通道，即 由多至五段
承担不同代谢分工的、依次衔接的代谢
途径组成的代谢通道。 因此有 载流路径
的五段式 之称。在这条载流路径上流动
的代谢主流对应地也有五段，从而派生
出 代谢主流的五段式 。载流途径的五段
式和代谢主流的五段式统称为 微生物代
谢的五段式 。
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在此五段式的基础上，从不同的角度
出发，提出能作为一个整体，用于设计育
种以及发酵工艺控制的五字策略（简称 工
业发酵的五字策略 ）：进、通、节、堵、
出。,五字策略, 就是从合作的良好愿
望出发，发挥人的主观能动作用，主动与
微生物合作实现工业发酵效益的策略。这
个策略来自初级代谢产物过量合成的研究，
故实际上是 初级代谢产物过量合成的五字
策略 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
N PP
进 出通 节 堵
工业发酵的“五字策略”
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高产菌种的代谢特征：不同来源的碳
架物质畅通地“注入”载流路径，高速生
成并顺利释出目的产物，如下图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
进,在育种和发酵控制方面都要促进细胞
对营养物质的吸收。在发酵过程中，一般
都希望菌体能迅速达到一定的浓度，因此，
就必需选用生长旺盛的菌株，这类菌株吸
收营养物质的能力往往也较强。同时要选
择适当的容易吸收的培养基，和适宜的培
养条件，以促进微生物的生长。为了消除
底物在培养过程中的抑制作用，有的还采
用流加的培养方法。为了促进微生物的生
长和支持目的产物的合成，还要从代谢生
理学的角度优化流加条件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
通,在育种方面，解除对途径中某些酶的
反馈调节；在发酵控制方面，诱导这些酶
的合成或激活这些酶，从而使来自各代谢
物流（除碳架物流外还包括其他支持生物
合成的物流）能够畅通地注入载流路径，
汇入代谢主流，流向目的产物。特别是当
发酵进入目的产物合成阶段后，必需确保
载流路径畅通，代谢主流优势明显。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
这些酶包括用于目的产物自身合成的酶
（如下图中酶①～⑤）和用于目的产物的前
体合成的酶（ 如下图中酶和⑥，用于前体 C
的合成，酶⑦⑧，用于前体 D的合成）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
例如在谷氨酸的发酵过程中，作为
谷氨酸合成原料的 NH4+ 的缺乏,就可
能使谷氨酸合成途径的中断，导致谷氨
酸产量下降，大量 α-酮戊二酸积累。当
然，合成途径中的任何一个限制因子，
都可能产生类似的情况。因此，在发酵
过程中应尽可能的使通向载流路径的代
谢途径畅通无阻，使不同的营养物质能
顺利地注入代谢主流，最终流向目的产
物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
节,采用育种或发酵控制手段，节制载流路
径上与目的产物的形成无关或关系不大的代
谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产
物。这里所谓的, 节制, 是指封闭或削弱
以目的产物合成途径的起始底物（如下图中
的 A） 或各中间产物（如下图中的 B,C 和 D）
为起始底物的分支途径（ 即下图中通向 K，
G,I,J 的途径）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
经过千千万万年的物竞天择，微生物
细胞已经成为自我保障的经济体系。细胞
严格的调节机制不允许代谢中间产物的过
量合成，要想实现目的产物的过量合成，
就必需对其代谢进行导向（包括遗传根据
和培养条件的导向），迫使代谢朝着过量
合成目的产物方向进行。因此，不是目的
产物生产所必需的途径，应做到不同程度
的关闭，也就是“节”。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
堵,采用育种或发酵控制手段堵塞或削弱
目的产物进一步代谢的途径（如上图中 F
以后的途径），包括目的产物参与的分解
代谢和合成代谢。如果菌株生产目的产物
的途径畅通，但同时目的产物进一步代谢
（包括目的产物参与的分解代谢和合成代
谢）的途径也畅通，或者随着生产的进行
目的产物进一步的代谢加强，都会最终影
响目的产物的溢出代谢，降低工业发酵的
效益。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
为了消除这种影响，就必须降低目的
产物进一步代谢的酶的酶活力或酶量，以
消除或削弱目的产物进一步的代谢。若不
能对菌株进行有效的改造，也可以通过工
艺手段来达到堵的目的。例如，采用及时
将目的产物从发酵液的分离出来的办法，
也可以间接地消除或削弱胞内目的产物的
进一步代谢，甚至能拉动溢出代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
出,促进目的产物向胞外空间分泌。根据微
生物细胞经济学原理（节约原理、适应原理、
生命保障原理），如果细胞内某代谢中间产
物浓度超过其阈值，必将受到细胞内相关代
谢调节机制的干预。胞内目的产物的浓度过
高，就会对合成目的产物的代谢过程施加负
反馈调节，迫使其回到正常浓度。因此，及
时将目的产物转移到细胞外，无论从化学平
衡的角度，还是从生物学信息反馈的角度，
都将有利于载流路径上代谢主流的流动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
在育种和发酵控制方面加强“出”的
办法很多，如调节细胞对目的产物的通透
性，增加输送目的产物的载体蛋白的量，
为目的产物的主动输送提供代谢能等，都
能使在胞内生成的目的产物尽快的转移出
细胞，降低其细胞中的浓度；为了进一步
降低细胞中目的产物的浓度，还可能根据
目的产物的理化性质，采用边发酵边分离
目的产物的工艺，不断的将目的产物从反
应器中转移出去，给代谢主流一个“拉动
力”。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
Ⅱ,有关碳架物质跨膜问题的分析
氨基酸的发酵法生产，属于本课程定
义的典型的工业发酵。以糖质原料发酵生
产氨基酸的过程至少依次包括糖质进入细
胞、经过代谢在胞内生成目的氨基酸和目
的氨基酸被分泌至培养基 3 个阶段。此外，
氨基酸的生产过程还包括细菌细胞的适度
生长和生命活动的维持。
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
单考虑细胞内的碳架物质等的
代谢是不够的，至少还必须考虑营
养物质进入细胞及目的产物排出细
胞的问题，也就是碳架物质通过细
胞膜的问题。
有关碳架物质跨膜问题，必要
时可做专题讲座。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
Ⅲ,有关代谢途径的流量调节的分析
以天冬氨酸族氨基酸的合成代谢
为例，来讨论代谢途径的流量调节。
对细菌来说，天门冬氨酸族氨基酸包
括 Asp,Asn,Lys,The,Ile 和 Met
共 6 种氨基酸（ 或氨基酰胺），它们
都是从 TCA 环中的前体代谢物草酰
乙酸（ OAA） 开始合成的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
微生物细胞以葡萄糖为原料合成天冬
氨酸族氨基酸时，碳架物质通过代谢网络
的载流路径流向目的产物,其载流路径的
上游部分从葡萄糖起到草酰乙酸止，草酰
乙酸以后为下游部分。其上游部分属于中
心途径，下游部分属于离心途径。因此 天
冬氨酸族氨基酸合成代谢流是跨代谢网络
的中心板块和离心板块的 。关于天冬氨酸
族氨基酸的合成代谢路线（下游部分）及
其调节方式已汇总在下面几张图中：
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
OAA Asp
β-Asp-P
Asp- β-SA
Homo-Ser
Thr
DDP Lys
Met
Ile
(AK1)
Thr I
Thr R
I l e R
(AK2)
Met R
(AK3)
Lys I
Lys R
Lys R
(HD1)
I l e R
Thr R
(HD2)
Met R PYR
PYR
Lys I Lys R
Met I,Met R
Met RThr I
I l e R
E.coli
天门冬氨酸族
氨基酸合成代
谢的调节机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
OAA Asp
β-Asp-P
Asp- β-SA
Homo-Ser
Thr
DDP Lys
Met
Ile
(AK)
(HD)
Met R
Thr I
PYR
PYR
Met RThr I
I l e R
Brevibacterium
flavium
天门冬氨酸族
氨基酸合成代
谢的调节机制
(Thr+Lys) I
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
OAA Asp
β-Asp-P
Asp- β-SA
Homo-Ser
Thr
DDP Lys
Met
Ile
(AK)
(HD)
Met R
Thr I
PYR
PYR
Met R
I l e I
Brevibacterium
lactofermentum
天门冬氨酸族氨基酸
合成代谢的调节机制
Thr I,Lys,(Thr+Lys) I
Leu R
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
芳香族氨基酸的合成也有类似的情
况。其载流路径的上游部分从葡萄糖起
到磷酸烯醇式丙酮酸和 4-磷酸赤藓糖止，
以后为下游部分。其上游部分属于中心
途径，下游部分属于离心途径。因此 芳
香族氨基酸合成代谢流是跨代谢网络的
中心板块和离心板块的 。关于芳香族氨
基酸的合成代谢路线（下游部分）及其
调节方式已汇总在下面几张图中：
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
PEP E-4-P
(DS3) (DS2) (DS1)
Phe ITyr I
DHAP
SMA
CMA
(CM2) (CM1)
Phe ITyr I
PPA
PEP
Pi
Phe
Tyr
Glu
α- KG
Trp
Glu α- KG
3-P-GA Ser
PRPP
Trp I
E.coli
芳香族氨基
酸的合成代
谢调节机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
PEP E-4-P
(DS)
Tyr,(Phe+Tyr) I
DHAP
SMA
CMA
(CM) Phe IR
Tyr I
PPA
PEP
Pi
Phe
Tyr
Glu
α- KG
Trp
Glu α- KG
3-P-GA Ser
PRPP
Trp IR
Corynebacterium
glutamicum
芳香族氨基
酸的合成代
谢调节机制
Trp A
Tyr A
Trp I
Phe I
Tyr I
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
下面是乳糖发酵短杆菌的赖
氨酸高产菌株的 设计育种示意图 。
绿色箭头连接成的路径为用葡萄
糖为主要碳源时的 理想载流路径 。
所谓, 理想载流路径, 是指为
了获得高效益,人们期望代谢流
流经的路径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
Glc
PYR
α-KG
OAAAsp
Asp-β-SA
β- Asp-P
DDP Lys
Glu
H-Ser
Met
Thr Ile
（ AK
）
( HD )
(Thr+Lys) I
Thr I
Met R
DIAMINOPIMERIC
ACID PATHWAY
PEP G-6-P
Asn
HMP
PYR
PYR
Leu R
LeuBrevibacterium lactofermentum
细
胞
外
细
胞
内
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
生物合成途径同一性的一个例外：
赖氨酸的生物合成途径在细菌是 二氨基
庚二酸途径,在真菌中是 氨基己二酸途
径 。上图显示的是乳糖发酵短杆菌的合
成赖氨酸的二氨基庚二酸途径，下图显
示的是产黄青霉合成赖氨酸的氨基己二
酸途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
AMINO ADIPIC
ACID PATHWAY
Glc
PYR
α- KG H-ICA α-AAA
Penicillin G
α-AAA-ε-SA
Lys
Lys I
Lys R
I-Penicillin N
α-AAA-L-Cys-D-Val
α-AAA-L-Cys
Penicillium chrysogenum
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
Ⅳ,应用“五字策略”的实施
“节” 的成功实施,若以 黄色短杆菌 为
出发菌株，选育 L-Lys 高产菌种，可采用 高
丝氨酸营养缺陷型突变株 。假设高丝氨酸营
养缺陷是因为 高丝氨酸脱氢酶（ HD ） 缺损
而造成的，从前面对应的图可找出造成 L-
Lys高产的原因：①阻止碳架物质 Asp-β-SA
流向 H-Ser；② 解除 Thr,Lys对天门冬氨酸
激酶（ AK ） 的协同反馈抑制（因为细胞不
能合成 Thr）；③ 省下原用于 11e合成的 PYR，
以支持 Lys合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
从结构类似物的超敏性突变株中获得高
产菌株是可行的，但必须注意 这里, 结构类
似物, 是指酶的底物的结构类似物，前述的
“酶” 必须是与微生物的生长密切有关的酶。
与微生物生长有密切关系的酶的底物的结构
类似物，如果能竞争性地抑制这个酶的活性，
就会直接影响微生物的生长，也就是这种微
生物 对这种结构类似表现出敏感性。这种敏
感性的大小与酶水平的高低相关,敏感性小
的菌株酶水平高，敏感性大的菌株酶水平低，
特别敏感的（超敏的）的菌株酶水平最低。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
根据这个道理，有可能从这种酶的底物
的结构类似物的超敏性突变株中，找到这种
酶的低水平突变株。 酶水平低，代谢流的通
道就窄，就意味着,节,（节流）。
氟代丙酮酸（ FP ） 是丙酮酸（ PYR ）
的结构类似物。 PYR是与生长密切相关的丙
酮酸脱氢酶（ PD ） 的底物，如果用葡萄糖
为唯一碳源,PD 是唯一通向 AcCoA和 TCA
环的通道，若 PD 完全阻塞，微生物就无法
通过 TCA环和电子传递获得代谢能，有关的
合成代谢也无法进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
已用超敏性突变株的方法选育了 乳
糖发酵短杆菌 的 氟代丙酮酸超敏性突变
株（ FPs） 。 根据对 FP超敏程度的不同，
选得不同程度的 PD缺损株（ PD的不同
程度的低水平株 ），从中找到了 PD水
平低到恰到好处的突变株，既不过分削
弱 PD 以提供足够的代谢能，又能使碳
架物质较多地流向 OAA 以合成更多的
Lys。 从而实施了对 PD通道的, 节,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
“通”的实施,赖氨酸的结构类似
物 S-（ β-aminoethyl） -L-Cys,简称 AEC，
是最早用于氨基酸育种并取得明显效果的
结构类似物。 在 黄色短杆菌的亮氨酸缺陷
型突变株 Leu-上再加上结构类似物抗性标
记（ AEC+Thr ） r 后 Lys产量大幅度上升，
这是因为这个突变株已解除了 Lys和 Thr对
天门冬氨酸激酶（ AK ） 的协同反馈抑制，
是个调节突变株。
关于“进”、“出”、“堵”的策略
应用也都有成功的实例。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
⑵ 次级代谢产物的合成
人们一般把微生物营养性生长所需
的代谢产物（直接或间接的参与细胞结
构或组成）叫做初级代谢产物，把微生
物在限制生长或没有生长的条件下形成
的、对微生物的营养性生长并不必需的
代谢产物叫做次级代谢产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
次级代谢产物种类很多，然而，它
们的结构单位主要是莽草酸（ SMA）、
氨基酸 （ ar-AA 和 al-AA ） 和乙酸
（ AcCoA），也就是说它们可以 从莽草
酸、某些氨基酸和 AcCoA等通过（有条
件诱导的 ）次级代谢途径来合成：
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
Glu
G-6-P
PEP
PYR
AcCoA
R-5-P
E-4-P
糖类次生代谢产物（氨基糖苷类抗生
素），核酸碱基类次生代谢产物
arAA
alAA
SMA 其他次生代谢产物
多肽类次生代谢产物（如 β-内酰胺
类环肽类抗生素、生物碱类）
聚酯类次生代谢（如类异戊二烯化
合物、甾类化合物、类胡萝卜素、
大环抗生素）TCA 环
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
次级代谢产物的存在已引起人们
特别注意。在典型的次级代谢中，次
级代谢产物以混合物状态出现，即微
生物可合成化学上相关联的一类次级
代谢产物的混合物。显然，这是因为
次级代谢所涉及的某些酶的特异性比
初级代谢的酶的特异性要低得多。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
次级代谢产物合成途径的型式也比初
级代谢多得多。有人说次级代谢好像是有
机物代谢演变的“操场”，这是有一定道
理的。只要演变出来的次级代谢途径或其
产物对途径的载体微生物没有害处，它们
对应遗传物质就会随次级代谢途径的载体
微生物的传代而得以保留或改善；反之，
如果对途径的载体微生物有害，载体微生
物本身就会被淘汰。
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
换句话说，为次级代谢途径编码
的 DNA如果对细胞的任何一种组织水
平, 包括中间代谢、调节、输送、分
化、形态发生等等,有好处，就会
被保存下来，甚至得到扩展；如果没
有用就有可能会被删除。 抗生素的合
成途径可能就是这样来的 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
次级代谢一旦建立，就将
服从寄主细胞固有的调节机制，
并且有可能引伸出特殊的调节
机制。 在已建立的次级代谢体
系中，曾发现直接或间接地作
用于次级代谢的级联 (cascade)
调节效应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
抗生素是次级代谢产物中按功能而划
定的复杂化合物类群。 同一菌种可以合成
结构相近的抗生素混合物，混合物中每种
组分的比例决定于遗传和环境因素。
虽然次级代谢产物多种多样，但从生
物化学的角度来看，大多数次级代谢产物
都是从少数关键的中间代谢产物,组装,
的：
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
莽草酸、有关几种氨基酸,AcCoA 等
次级代谢的前体库
次级代谢产物
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
因此，用来汇入次级代谢
前体库的代谢流对次级代谢是
至关重要的。在这个意义上，
研究初级代谢流及其调节，对
次级代谢产物的合成代谢来说
同样是很重要的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
次级代谢产物一般是在分批培
养的 分化期 开始形成，即在限制生
长或没有生长的条件下形成的。
次级代谢途径（酶）一般并不
是组成型的，而是经诱导（或解除
阻遏）而形成的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
不能忽视这个事实：
放线菌与细菌相比较，是次
级代谢产物的更好的生产者，放
线菌有细胞分化的能力，而次级
代谢往往与分化过程有关。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
我们已讨论了某些关于代谢产物
过量合成的生理学的一般规律。产品
形成的生理学的基本道理是容易理解
的。同时，我们已经注意到，在许多
场合下，特别是关于次级代谢产物的
生成，其生理学的知识仍是远远不够
的。因此很有必要在此领域从事更多
的研究，并要吸取在初级代谢生理学
的类似研究中所得到的经验和教训。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
第四节 细胞经济假说
与细胞经济学
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
细胞是生物的基本单位，每个
生命有机体或者由细胞组成，或者
它本身就是单个细胞。生物工程和
发酵工程科技人员认识微生物细胞
就是要它们工作，因此就更关注它
们工作的 能力 和 局限性,也就是微
生物细胞的 经济工作原理。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
4.4.1 工业发酵与细胞经济的对立
和统一
4.4.2 网络及节点刚性理论与五字
策略的互补性
4.4.3 细胞经济假说与细胞经济学
的萌芽
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
4.4.1 工业发酵与细胞经济的对立
和统一
工业发酵的目的是利用微生物
的生命活动为人类造福，为世界消
灾。既然微生物的细胞经济的价值
取向是自我保障，那么工业发酵与
细胞经济之间有什么关系呢？
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
4.4.1.1 微生物的天然进化不可能刻
去照顾人类的利益
4.4.1.2 微生物的生存利益与人类的
经济利益的对立与统一
4.4.1.3 发酵工业生产中的人的主观
能动作用的发挥
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
4.4.1.1微生物的天然进化不可能刻意去照顾
人类的利益
生命是 以遗传信息维系的、以不断自我
更新的形式存在于时间和空间的 过程,因此
必须以 历史唯物主义的观点 来研究微生物进
化和发展。宇宙万物都在运动和变化。天然
存在的微生物物种是微生物在大自然中进行
生命活动和发生遗传物质的变化。在微生物
进化的历史长河中，运动变化中的微生物经
受了环境的种种考验，经过 生存斗争, 适者
生存 下来，形成现在的各种微生物物种。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
因此，它们是经物竞天择而得到的
阶段性进化成果。它们的生命活动规律
是在亿万年的物竞天择的过程中建立和
逐步完善的，是不以人的主观意志为转
移的客观存在。 天然存在的各种微生物
物种的生命活动过程 —— 不论是造福于
人类或危害人类的 —— 都是它们按它们
自己的生命活动规律进行生存竞争的新
陈代谢过程。 微生物的天然进化不可能
刻意去照顾人类的利益。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
4.4.1.2 微生物的生存利益与人类的经
济利益的对立与统一
人类和微生物同样都是地球的居民，
都是生命体，在地球生存空间处于理论
上的平等的地位。尽管，人类有思维能
力，微生物没有；人类也不可能随心所
欲地支配微生物的生命活动。微生物有
它自己的相对稳定的生命活动规律，这
些规律是经千千万万年的物竞天择而稳
定下来的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
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。 人类要利用微生物为自己服
务，就必须研究、了解并遵循微生物的
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。 工业发酵呼唤
人与微生物的合作,而在合作中，人处
于主导的地位，人应该发挥主观能动作
用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
微生物生命活动有其自己的生存、
发展的保障机制，这些机制服务于它们
自身的生存竞争；在工业生产中，人类
通过微生物的生命活动谋求经济效益。
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 。科学和技术工作的目的就在于努力
促使对立向统一的转化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
微生物在生存竞争中进化的总的方
向是发展其自身的 适应性, 经济性 和 代
谢的持续性（生命保障） 。 微生物代谢
过程中任何中间产物、细胞组分或酶的
过多产生都是与其求生存的利益背道而
驰的，只有当 3 个子系统协调运转，实
现最大限度的生长和繁殖，才是符合微
生物自身利益的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
把微生物细胞作为,细胞机器,，用
来合成人类所需要的化学物质是人类的美
好理想。
如果工业发酵的目的仅仅是为了获得
菌体细胞，事情还好办些，因为这与微生
物进化的目标一致；但如果要想获得的化
学物质是代谢的中间产物，或细胞的生物
大分子或其它细胞物质的话，那就要求微
生物过量地合成这些物质，而且还要及时
将它们排出细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
4.4.1.3 发酵工业生产中人的主观能
动作用的发挥
微生物工业（发酵工业）是生物
工业的开路先锋。 发酵工业生产依赖
于微生物生命活动；微生物活细胞在
人给定的条件下进行新陈代谢，完成
人交给它们的生产任务。
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
在发酵工业生产中，人的意愿要通
过微生物的生命活动来实现，人类只有
依靠微生物才能间接地达到目的。 在发
酵工业中人客观上处于被动的地位，而
微生物在求生存的方向上始终是主动的。
对于工业微生物学家和发酵工程师
来说，如何在发酵工业生产中调动微生
物的积极因素，始终是一个挑战性的问
题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
在微生物生命活动中，微生物
细胞生存的保障体系有利于它们自
身的生存竞争；在发酵工业生产中，
人类要利用微生物的生命活动谋求
经济效益。 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
发酵工程的基本矛盾在于：人出于
经济利益对微生物代谢的导向与微生物
的细胞的生存保障体系对这种导向的抵
抗。
在对立和统一的矛盾斗争和相互转
化中，人的作用是关键的。正确理论的
指导和应顺自然规律的实践能够使对立
向统一转化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
我们研究微生物的生命活动规律，建
立工业发酵的生物学理论就是为了能在发
酵工业中 引导微生物的代谢，使微生物的
生存保障的本能与人的经济利益的对立在
维持微生物细胞的生存 （ 高度有序的状
态） 这一点上得到统一,让用于发酵生产
的微生物细胞在人为的特定条件下进行新
陈代谢的同时，为人类生产指定的代谢产
物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
人对微生物的生命活动规
律理解得愈深，对微生物代谢
的引导就愈有效，在发酵工业
生产中的主动权就愈大。
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
4.4.2 刚性理论与五字
策略的互补性
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
代谢网络刚性理论 是指有关代
谢网络及其节点刚性的理论。
本小节将从 节点的刚性, 网络
的刚性, 刚性代谢（生命保障体系 ）
的基本概念出发，进而追究刚性的
由来，以及 生存保障体系 与 代谢变
动性, 遗传保守性 的关系，简单地
讨论代谢网络刚性理论。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
微生物自动抵制代谢网络
中代谢物流量分布的改变的特
性叫做代谢网络的刚性。 代谢
网络的刚性与主要节点的刚性
大小、分布及数量密切相关。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
4.4.2.1 途径分支点的分类
4.4.2.2 代谢网络与亚网络
4.4.2.3 节点刚性理论与五字策
略的互补性
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
4.4.2.1 途径分支点的分类
代谢网络中，两条或多条代谢途径
的 中介分支点（ intermediate branch
point ） 称为 节点 （ node） 。
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,产品得率是节点处流量分流（ flux
split ratio） 的函数。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
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
基于在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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
微生物代谢网络中的节点也
是 代谢流的集散处, 微生物自动
抵制节点处代谢物流量分流比的
改变的特性叫做 节点的刚性 。节
点的刚性取决于微生物代谢的自
动调节机制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
S,为底物； P,为产物。分支处为节点。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
① 刚性节点（ rigid node）,抵抗分流比改
变的节点。 如果某节点处的分流比受到该处
的一条或多条支路严格的控制，这样的节点
被称为刚性节点。 这种控制往往是通过反馈
控制和交叉激活两种机制的联合作用来实现
的。所谓联合作用，是指各个分支途径自身
的反馈控制和与之竞争原料的分支途径的产
物对它的交叉激活，两种机制一起发生作用。
刚性节点处的分流比不易发生改变，因为与
节点相关的各种酶均存在 特定的动力学关系 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
② 挠性节点（ flexible node）,屈服于
分流比改变的节点。 在此类节点处的分
流比容易根据细胞代谢的需求做出响应,
即容易做出相应的改变。 从这些节点出
发的互相竞争的分支途径的第一个酶，
对节点（酶的底物）有类似的底物亲和
力，有类似的酶反应速率。挠性节点不
限制分支途径的产物得率，因为无论何
时只要需要，任何分支途径的分流比都
可能在 0～ 100%范围变动，因此 挠性节
点是最,顺从”的（上图右半部分） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
③弱刚性节点（ weakly rigid node）：
性能上处于前述两种节点之间的节点
原则上都属于弱刚性节点。严格地说，
如果一个节点的分流比主要取决于一
条分支途径的动力学（即构成分支途
径的所有酶的整体响应），这样的节
点叫做弱刚性节点。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
弱刚性节点与挠性节点有如下不同：
一条分支途径与另一条（一些）分支途径
相比，占有明显的优势。 这是由于优势分
支途径的酶对共同代谢物（节点）有更大
的亲和力，并且（或者）优势分支途径的
酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活
性。在这种情况下，完全解除从属分支途
径的调节，也不会对流量有什么显著的影
响。另一方面，如果优势分支途径的活性
被减弱，就会显著增加流入从属分支途径
的流量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
强刚性节点是被终端产物激活或抑制
高度调控（上图左半部分） 。在这个例子
中，每个产物代谢物作为其竞争分支途径
的激活剂，同时又作为其自己合成途径的
抑制剂。反馈抑制总是施加在催化途径第
一步反应的酶上。 刚性节点对途径的产物
得率施加控制性的影响，它的解除调节比
酶学的弱化可能更为复杂。
因此在应用“五字策略”制订育种的
具体方案时应尽量采用解除调节的育种手
段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
假定目标是增加 P1分支的分流比，而
且，在没有激活剂 P2存在时,P1的稳态浓
度（ steady state concentration） 高得足以
抑制它本身的合成。在这种情况下，增加
P1 分支途径的分流比就会减弱流向 P2的流
量。然而，对于强刚性节点，这种做法将
导致 P2的低水平，所以 P1 分支途径将会丧
失 P2对它的激活作用。简单地说，一条分
支途径的弱化导致其竞争分支途径的弱化，
结果是整个 节点崩溃（ collapse ）, 每条
分支途径的分流比相对来说没有改变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
因为复杂、多样的控制结构和酶动力学，
代谢网络并不总是呈现上述分类所暗示的对
于流量分配的二元响应 。 因此，强刚性节点
的一条分支途径的弱化可能仅仅导致与它竞
争的分支途径的部分弱化，以致有可能 在包
含一个刚性节点的依赖型网络 （ dependent
network ） 中实现产物得率改进。也有可能
因为弱化无用的途径而引起中间代谢物的分
泌，而不是流量的降低或代谢流的方向的改
变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
尽管其他可能的控制结构也可
能产生一个刚性节点，任何此类控
制的关键问题是，在互相竞争的分
支途径之间存在一个反馈（相互影
响）机制，以维持分流比恒定的趋
势。刚性节点不仅能限制产物得率，
而且通过 简单的 酶活性弱化不容易
减轻这种作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
上图所示的异柠檬酸节点是一个已经过
全面研究的代谢分支点。当细胞在醋酸盐基
质上生长时，异柠檬酸裂合酶（ IL） 被诱导；
醋酸盐在碳架物质的回补方面起重要作用，
否则碳架物质就会在 TCA循环中以 CO2的形
式丢失。 当在醋酸盐基质上生长时，异柠檬
酸脱氢酶（ IDH） 主要处于磷酸化状态（大
约 80%），在这种状态下该酶没有活性。当
给予细胞更有利的碳源时，如葡萄糖,IDH
就会迅速脱磷酸而被激活。 这是共价调节的
一个典型例子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
上图概括了在 乙酸盐上生长时，两种
互相竞争酶的动力学 参数。该分支点的一
个重要特征是各自的 Km 值差别极大，异
柠檬酸裂合酶（ IL） 的 Km 值是异柠檬酸
脱氢酶（ IDH ） 的 75倍。在异柠檬酸生理
浓度时（ 约 160μmol·L-1）,IL 催化的反
应是关于异柠檬酸的一级反应，而 IDH 则
已被共同底物异柠檬酸所饱和。因为这两
种酶的动力学的相互控制，通过该支路的
流量对异柠檬酸浓度水平的变化极端敏感。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
若向乙酸基质中生长的培养物中加入葡
萄糖，不仅能使 IDH 的 vmax提高（ 葡萄糖可
使 IDH 的 vmax增加 5 倍）,同时通过柠檬酸
裂合酶的碳流的相应减少，其总结果是胞内
异柠檬酸水平降低（大约 170 倍）。 因为与
IDH 相比,IL 对异柠檬酸有一个显著高的
Km, 所以异柠檬酸浓度的下降使通过该支
路的流量有一个很大程度（约 99%）的减少。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
因此，虽然没有任何已知的变构
调节剂直接作用于 IL,通过它的流量
可从总量的 30% 下降到实际上的 0。
这种控制很有趣的特性是，最受影响
的酶 IL 没有受到直接控制。这种现
象已经被称作 分支点效应 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
4.4.2.2 代谢网络与亚网络
代谢网络的包含 2 个以上节点的
任何部分，都可以称为该代谢网络的
亚网络。
代谢网络和亚网络的结构可以抽
象为两个基本类型,独立型亚网络 和
依赖型亚网络 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
S
BP
1
2
S
B1
B2
P
依赖型亚网络 独立型亚网络
S-基质
P-目的产物
B-副产物
-节点1
2
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
依赖型亚网络：
亚网络中的每个节点向终端产物
贡献一个 按化学计量 消耗的组成部分；
所有分支的流量必须达到化学计量平
衡，以防胞内代谢中间物的累积和分
泌。若要提高产物转化率两个节点的
流量分配都必须改变，两个节点的重
要性相同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
独立型亚网络：
亚网络的主要节点不是以按比
例缩合的方式形成产物，改变任何
一个节点上的流量分配就有可能提
高产物转化率，但节点的重要性不
同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
代谢网络中包含大量的节点，一
般认为只有相当少的节点，其分流比
实际上影响目的产物得率，这些节点
称 为主要节点 （ principal node ） 。
网络的刚性程度取决于主要节点的性
质及其在网络中的分布。
不论在独立型还是依赖型的代谢
网络中,网络的刚性程度最终取决于
将主节点的流量分布从适于生存竞争
变成适于目的产物形成的难易程度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
4.4.2.2 代谢工程与五字策略
的互补性
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
微生物生物工程基本理论已对代谢
流及其控制作了定性或半定量的分析，
并在此基础上建立了代谢导向的五字策
略。这就为代谢流（及其控制）的定量
分析架起了桥梁。为发酵工程研究人员
和技术人员学习和应用代谢工程的代谢
分析和综合技术打好了理论基础。
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
代谢工程是这样一种生物工程技术：
在对代谢流及其控制进行定量
分析的基础上，提出精确的遗传修
饰方案，并借助分子生物学技术付
诸实施。如此按部就班反复进行实
践，从代谢的整体上改善细胞的性
能和应用前景。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
五字策略的统筹方法对代谢工程
育种有宏观指导意义，但五字策略是
建立在人一厢情愿的基础上的统筹策
略。按五字策略制定育种方案时，尽
管是以从原料到产物的载流路径及其
调节机制为依据的，但一般并没有把
节点刚性的因素考虑在内；在实施时
也就不可能完全达到预期目标。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
对于流经刚性节点的代谢流，仅
仅改变该节点下游的反应的酶水平或
活性的，是不可能对代谢流进行顺利
导向的。如果目标节点为挠性节点或
弱刚性节点, 则可放心按 应用五字策
略制订育种 方案进行相应的遗传操作，
因为挠性节点对代谢流的导向是最顺
从的。考虑到可能存在刚性节点,在
应用五字策略制订育种的具体方案时
应尽量采用解除调节的育种手段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
代谢途径分析以及基于这些分析
所进行的分子遗传学操作，必须把代
谢网络节点刚性的问题考虑在内。五
字策略仍需用代谢刚性理论来校验、
补充和修正。根据五字策略制订育种
方案，必要时需要对载流路径上的主
要节点（产物形成时代谢流量发生明
显改变的节点）的性质进行评估。
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
五字策略与代谢工程是互补的，
各有侧重的。常规育种成本低，实验
周期短，采用五字策略一般都能取得
比较好的效果（五个字中只要有两三
个字有效）。代谢工程育种有时也要
以常规育种的成果菌种作为基础材料。
因此，五字策略宏观指导下的代谢工
程育种也许更切合工业生产实际。
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
4.4.3 细胞经济假说与细
胞经济学的萌芽
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
微生物细胞的代谢实际上
是自然界的一种经济运行。细
胞经济假说 把微生物细胞作为
按特殊的经济规律运行的经济
实体来看待。我们把这种按特
殊的经济规律运行的 有利于微
生物的生存竞争的新陈代谢整
体性 叫做 细胞经济性 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
微生物群体作为大自然的不可分割
的部分，如大自然一样，有其自身的运
行规律。人类社会同样是大自然的不可
分割的部分，也有其自身的经济运行规
律。然而,因为人有智慧，有认识大自
然（包括人类自身）的经济运行规律的
能力，所以有可能局部地改变大自然 经
济运行的状况,但无法改变大自然（包
括微生物） 经济运行的规律 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
我们研究微生物经济运行的状况，
就是为了要逐步认识微生物经济运行的
规律，以便应用这些规律为人类造福为
世界消灾。 细胞经济假说用经济的眼光
来分析和认识微生物细胞的生存保障问
题，走出了细胞经济学研究的第一步。
在细胞经济假说的研究中我们尝试对细
胞的经济运行与社会的经济运行进行比
较研究，这样的比较研究从微生物细胞
经济开始，是因为：
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
①微生物细胞中经济规律是 客观存在 的；
②一个 微生物细胞本身就是一个微观经济
体系,经济结构相对简单，调节机制多样
化；
③ 控制 微生物细胞的代谢活动 相对容易 ；
④在研究微生物细胞经济运行规律的基础
上 构建发酵工程生物学理论 ；
⑤自然科学与人文科学交叉，形成 新的学
科生长点 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
4.4.3.1 发酵学与微观经济学的交叉
4.4.3.2 微生物细胞经济的运行状况
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
4.4.3.1 发酵学与微观经济学的交叉
学科 是指一定科学领域或一门科学的
分支。 学说是指学术上自成系统的主张和
理论。 在化学、生物化学、微生物学、分
子生物学、细胞学、微生物代谢生理学，
以及仪器分析、传感技术、计算机技术发
展的基础上,发酵正在从技艺（ technique）
走向科学（ science）,并正在形成自成系
统的学术理论；发酵学经过半个多世纪的
酝酿终于应运而生，成为微生物学的工程
学分支，成为生物工程最重要的台柱之一。
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
经济学 的产生与发展，就是为
了如何更好地解决人类社会所面临
的基本矛盾，即如何把有限的资源
合理、有效地分配和使用于各个方
面，以满足于一个社会的无限多样
的需要的矛盾。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
19世纪后期，在翻译西方文献
,economy”一词时，日本学者借用
古汉文将它译作“经济”，“经济”
从字面可解释为“经世济民”，一
般是指社会经济制度、经济活动、
经济部门、经济行为等等。经济学
是英语构词法从,economics,翻译
的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
经济学是研究各种经济关系
和经济活动的科学，包括经济学
科的理论基础、部门和专业经济
学和技术经济学等门类。 微观经
济学属于经济学的一个分支，主
要研究单个经济单位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
从经济学所面临的基本矛盾出发，
微观经济学所研究的基本问题，包括
以下几个方面：
①经济活动的目标（ 价值取向问题 ）；
②如何组织生产（ 经济效率问题 ）；
③分配原则和分配机制（ 系统的稳定
和延续问题 ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 169
细胞经济学属于生物学 （ 自然
科学 ） 和经济学（ 社会科学 ）的交
叉学科。因此还要从对应的领域寻找
对应的研究对象。
生物学领域的与工业发酵直接相
关的研究对象微生物细胞的经济运行，
与经济学领域的微观经济学研究的内
容有许多可以比较研究之处。
2010-5-16 张星元：发酵原理 170
微生物细胞独立存在自主生存，而
且微生物细胞直接存在于其培养环境中，
因而它们的 代谢能支撑和生命保障必须
靠自己，比其他生物细胞表现得更明显、
更完整、更单纯、更容易操作（人工调
节的可行性），用它来研究细胞的经济
问题最为合适，而且与经济学中的 微观
经济学 （研究的是单个经济单位）有更
多的共性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 171
微生物细胞是生物学的概念，工业
发酵的微生物生物机器是工程学的概念。
微生物细胞的生产力（可量化为细
胞经济假设中的经济系数）与工业发酵
的微生物细胞机器的生产力（可量化为
工业发酵的产率系数），是不同的概念。
高产菌种生产目的产物的能力与微生物
自身的生存保障能力是对立统一的两种
不同的生产力。
2010-5-16 张星元：发酵原理 172
在典型工业发酵的微生物细胞（即
细胞机器）而言，天然的细胞经济结构
（代谢的 3 个子系统，取决于细胞的遗
传物质与细胞所处的环境）已被局部破
坏或调整，但细胞经济管理原则（细胞
整体高度有序性的遗传根据对代谢的支
持和制约）不变。 微生物细胞的经济管
理原则既束缚细胞机器的生产力，又为
细胞机器的生产力提供保障。如果没有
这个管理原则，生命活动就难以持续。
2010-5-16 张星元：发酵原理 173
微生物的 适应性 和 节约性
建立在 代谢变动性 上，微生物
的持续代谢建立在代谢网络的
刚性上。因此代谢变动性和代
谢网络的刚性是 细胞经济管理
原则的生物学根据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 174
工业生产过程中细胞机器的经济
运行状况可以改变，但细胞的, 整
体协调，维持生计, 的 细胞经济管
理原则不会改变。
细胞生产关系和细胞生产力都可
以改变，但 细胞经济管理原则（微生
物生命的本质）不能变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 175
细胞经济管理原则，如经济学
中的价值规律一样，按细胞经济的
价值取向（生命保障）协调细胞的
新陈代谢；发酵生产的价值取向不
能动摇细胞经济管理原则。
细胞经济管理原则的根据可能
存在于 细胞遗传物质的保守部分 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 176
环境中（不论是自然环境还是人为培
养的环境中）的微生物细胞与市场经济中
自负盈亏的经济实体有明显 相似 的地方。
它们都受一定因素制约；它们都是开放体
系；它们都可以人为地改变运行方式。 对
它们进行比较研究，借鉴经济学探索微生
物的生命活动规律；还期望能通过对微生
物的经济运行规律的研究，来拓宽经济学
的研究思路。
2010-5-16 张星元：发酵原理 177
细胞经济假说是理解发酵工程的
基本矛盾（人与微生物的对立统一关
系）以及发酵工业上人与微生物合作
关系的理论基础。 人与微生物合作并
取得“双赢”意味着工业发酵的成功，
“双赢”也必须建立在细胞经济管理
原则（细胞经济规律）之基础上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 178
4.4.3.2 微生物细胞经济的运行状况
经济运行的主要机制是交换、竞
争和产生效益。交换才有生气，竞争
才能进步； 为了获得经济效益，交换
和竞争都必须遵循经济运行的客观规
律 。交换服从价值规律，货币的出现
有利于交换；竞争（包括 对抗的, 宽
容的 和 合作的 竞争）是经济行为,竞
争历来是经济学的主题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 179
环境中的微生物细胞于市场经济
中的经济实体在这方面也很相似：交
换是微生物细胞生存的最起码条件
（见第二章有关部分），竞争存在于
微生物的栖身环境，也存在于微生物
培养物中。有关竞争问题，涉及到微
生物生态学。竞争包括 ①生存竞争
（ 适者生存 渐进式）②宽容的竞争
（ 差异生存 主动式）③合作的竞争
（ 互惠生存 合作式）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 180
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和提高细胞
运行的经济系数。 经生存竞争而幸存
下来的野生型微生物在其所处的环境
中是富有竞争能力的，并且它们的代
谢流量在网络中的分布及细胞经济运
行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞
争中获胜。在上述条件下，细胞处于
正常代谢状态，细胞经济体系呈现 竞
争型经济的特色。
2010-5-16 张星元：发酵原理 181
如果工业生产要求微生物在细胞外累
积某种代谢中间产物，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，应用五字策略就有可能设计理想的
载流路径和配套的发酵培养工艺条件，进
而改造菌种、调整工艺，将代谢主流导向
理想的载流路径。在这种情况下，细胞处
于异常代谢状态，细胞经济体系呈现 导向
型经济的特色 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 182
工业发酵要靠细胞群体的代谢来获得
产品，导向型细胞经济固然有利于特定的
代谢产物的生产，但 从竞争型细胞经济运
行状态向导向型经济运行状态的转化，受
到能量代谢、还原力的平衡等的严格制约，
表现出代谢的刚性。 若细胞经济实体的运
行状态因人为的扰动而受到过度冲击，以
至于活细胞代谢的刚性（ 有序程度的底线 ）
不能得到维持，最终导致细胞经济体系的
崩溃。
2010-5-16 张星元：发酵原理 183
复习题
1,试述细胞经济假说的要点。
2,把微生物活细胞当作经济实体来研究是否
有道理？是否可行？
3,试述微生物的细胞经济结构。
4,为什么微生物细胞机器的价值取向与微生
物细胞自身的价值取向不一致？为什么微生
物细胞的经济系数使微生物细胞的竞争能力
得到量化？
5,为什么“五字策略”有时不能尽如人愿？
6,讨论：工业生产中应该怎样去协调人的经
济利益与微生物细胞的生存利益？
2010-5-16 张星元：发酵原理 184
尽管 微生物带着潜能来到这个
世界，它们并没有为人类服务的义
务。深入研究微生物生命活动的规
律，在理解的基础上主动地与微生
物合作，千方百计给它们提供施展
潜能的机会，让它们为人类造福，
为世界消灾。
第三节 代谢网络中碳架
物质流的调动
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
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）
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
Working pattern of cell-machine
in Industrial Fermentation
工业发酵细胞机器的工作模式
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
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
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
4.3.2 微生物的代谢流及其治理
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
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：
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
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） ；
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
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”）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
在厌氧条件下, PFK和 FDPA水平较有
氧时高，因而 EMP 途径对葡萄糖降解代谢
的参与程度增加 。 因为 PFK 的水平仍高于
FDPA,FDP 仍然累积并继续抑制 6PGDH，
但随着 EMP参与程度的增加,EMP 途径所
产生的 NADH浓度增高 。 NADH是 6-磷酸葡
萄糖脱氢酶（ G6PDH ） 的效应物,NADH
浓度上升 就会抑制 G6PDH,使 G6PDH 成
为 HMP降解流上的另一个, 阀门, （ 厌
氧条件下的控制, 阀门, ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
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％。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
微生物排出某些 能量代谢副产物
的过程，实质上是兼性厌氧微生物在
环境条件逼迫下（如缺氧），变通地
维持生计 的过程。 兼性厌氧微生物细
胞在缺氧的条件下，以变通的方式实
现还原力的平衡和辅酶的再生和回用，
使细胞的能量代谢得以维持，与此同
时形成并分泌出能量代谢副产物。 例
如酿酒酵母在发酵液中累积能量代谢
副产物乙醇的过程，就是这样的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
4.3.2.3 溢出代谢
发生溢出代谢（ overflow metabolism）
的原因是，代谢途径前段的运转速率大于
后段的运转速率。采用改变环境条件或限
制营养供应等方法，可促使微生物进行溢
出代谢。
这里介绍两个溢出代谢的实例：
⑴ TCA环中间产物柠檬酸的溢出代谢，
⑵导致能量代谢的副产物乙醇生成的溢出
代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
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：
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
Glc G-6-P
(PFK) CTA,NH4I
?
+
A
FDP
PYR
OAA
AcCoA
CTA
CAA
ICAα- KG
(PC) (CS)
(KD)
黑
曲
霉
中
柠
檬
酸
的
代
谢
溢
出
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
① 高水平的柠檬酸合成能力 。这个能力
由 3 个因素构成。第一是在有高浓度草酰乙
酸（ OAA ） 的情况下对 AcCoA 具有高度亲
和力的组成型的 柠檬酸合成酶 （ CS ） 的存
在；第二是催化丙酮酸 （ PYR ） 固定 CO2
生成草酰乙酸反应的高水平的组成型的 丙酮
酸羧化酶 （ PC ） 的存在；第三是在缺少锰
的条件下，蛋白质分解或蛋白质合成受阻造
成的 铵的高浓度能解除柠檬酸（ CTA） 对磷
酸果糖激酶（ PFK） 的抑制。此外，柠檬酸
的分泌降低其胞内浓度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
② 较低的降解柠檬酸的能力。 这能
力由两个因素构成。第一是 低水平的 α-酮
戊二酸脱氢酶 （ KD ） 影响 TCA环运行
的畅通程度,使 TCA环前半部的中间产
物积压； 第二，在锰缺乏的条件下,顺
乌头酸酶（ AE ） 和 异柠檬酸脱氢酶
（ ID） 的活性降低,从而使柠檬酸的累
积比其它几种酸（ 顺乌头酸、异柠檬酸
和 α-酮戊二酸）更明显。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
③ 在柠檬酸过量合成阶段，
培养基的 pH 值 显然会影响细
胞膜对目的产物柠檬酸和的跨
膜输送；柠檬酸的分泌也会影
响 培养基的 pH 值 。锰与铁的
缺乏有利于柠檬酸的排出。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
⑵ 乙醇的溢出代谢：
葡萄糖为碳源，对酿酒酵母进
行批式培养，出现二段生长（ two
growth phase） 现象：在 第一阶段,
葡萄糖浓度较大，萄萄糖的消耗伴
随着 乙醇的产生 ；第二阶段，葡萄
糖浓度下降到某值以下,乙醇被氧
化 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
这样的二段生长现象曾被认为
是呼吸途径的阻遏和解阻遏，而且
认为是分解代谢物阻遏（此名称已
被营养阻遏代替，见本章 4.1.2.1 ）。
后来才认识到，酿酒酵母之所以在
葡萄糖培养基中累积乙醇，是因为
该微生物有限的呼吸能力，并把这
种现象称为瓶颈效应（ bottleneck
effect）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
细胞并不会因为葡萄糖的高速
消耗而附带地形成足够高的呼吸能
力（指呼吸链使 NADH再生的能力）
与之配套；而且葡萄糖的异生成途
径（需 NADH） 因受到高浓度的葡
萄糖的调节而受阻，更加强了瓶颈
效应。因此瓶颈是对生物氧化中呼
吸链电子传递通道的相对狭窄而言
的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
在供氧情况下，酿酒酵母细胞中葡萄糖
主要经 EMP-TCA 途径（ 少量经 HMP途径 ）
氧化降解。这些途径运行中形成的 NADH和
FADH2分子上的电子需经电子传递链（呼吸
链）传递给分子氧。
当葡萄糖浓度较低时，葡萄糖氧化降解
过程所需配套的电子传递能力处于电子传递
链传递能力范围以内，这时氧的吸收速率与
细胞的生长速率成线性关系。辅酶 NADH 和
辅基 FADH2 完全可以在电子传递链释放电
子而得到再生。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
当葡萄糖的浓度超过某值，葡萄糖氧
化降解过程所需配套的电子传递能力超越
微生物细胞电子传递链传递能力范围，一
部分 NADH不能通过电子传递链而再生成
NAD+,只好将电子交给内源的有机化合
物乙醛，将乙醛还原成乙醇，从而实现还
原力的平衡。从而导致生成乙醇的溢出代
谢。 由此可见，乙醇的溢出代谢实际上是
细胞内生物氧化过程中形成的还原力相对
于电子传递链的呼吸能力的溢出，推动了
乙醛还原生成乙醇的发酵过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
从以上实例可以看到，溢出
代谢的发生，不但要求微生物本
身具有相应的遗传根据，还必须
具备相应的环境条件。
对于工业发酵来说，就是特
定的生产菌种和与其对应的生产
工艺条件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
4.3.2.4 代谢流“治理”的可能性和
现实性
代谢流具有流体流动的基本属
性，因此具有“治理”的可能性；
微生物代谢的变动性和微生物遗传
的保守性，加上人的主观能动性，
能使可能变为现实。
本课程主要讨论初级代谢产物
的过量合成，兼顾次级代谢产物的
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
现代发酵工程依靠微生物活细
胞来完成发酵工厂生产线上不可缺
少的加工（或转化）步骤，在这个
意义上,微生物活细胞就是工业发
酵生产线上不可缺少的微生物生物
机器（或称细胞机器）,是发酵工
厂里关键的生产机器。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
细胞机器与普通意义上的机器不
同，它们 必须由代谢能 （ metabolic
energy） 直接驱动 。在发酵工厂的生
产线上，微生物必须完成微生物细胞
机器的 在线制造（细胞增殖）和生产
运行（目的产物的合成和输出）的双
重任务。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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
的初级代谢产物的过程，作为工业发酵
的典型过程来研究，并把代谢研究的重
点放在碳的代谢上。 从而建立了 生物机
器 （又称 细胞机器 ）工作的基本模式。
在此 工作模式 的基础上，提出了工业发
酵中微生物代谢的 五段式 和初级代谢产
物的过量合成的 五字策略 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
在物竞天择的基础上建立的细胞经
济体系已经经受长期的实践检验，并已
成为微生物细胞生命活动的保障体系。
微生物通过生存竞争而获得的一整套自
我调节机制，原本服务于微生物的自然
竞争和生命保障，因此它不会大量的合
成维持自我生存之外的代谢产物。而人
类因自我发展的需要，却希望微生物能
够大量地合成能满足人类需求为目的产
物（微生物的代谢产物）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
微生物代谢产物的生物合成是系
统工程，要完成这一类系统工程，必
须依靠微生物的高度有序的生命活动，
决不是打乱它，而是在可能的范围内
对它进行有效的引导。
工业发酵呼唤人与微生物的合作，
而在合作中，人处于主导的地位，人
应该发挥主观能动作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
⑴ 初级代谢产物的合成
初级代谢产物是指这样一些低
分子质量的合成途径的终产物，它
们 是构建生物大分子的分子模块,
是微生物营养性生长所必需的生长
因子，如氨基酸、嘌呤和嘧啶的核
苷与核苷酸以及维生素。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
初级代谢产物都是从中心代谢途径
的中间产物（ 12种前体代谢物）开始合
成的。 因为它们都是微生物营养性生长
所必需的，除了遗传上有缺陷的菌株外，
微生物细胞具有齐全的初级代谢途径基
因，也就是说 在合适的环境条件下它们
的初级代谢途径是普遍存在的 。初级途
径上的酶的特异性比次级代谢的酶的特
异性要高。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
各种微生物的初级代谢产物的合成途
径基本相同，在同一属微生物中，初级代
谢产物合成途径的差异是十分罕见的，但
在合成的调节机制上有较大的差异。
初级代谢产物合成的途径是稳定的，
不同微生物物种的调节机制是可以弄清楚
或基本弄清楚的，这就是对这种合成代谢
流“治理”的基础。 这种“治理”要用到
遗传手段（ 遗传脱钩 ），并辅之以培养条
件的优化（ 环境协调 ），以求达到 初级代
谢产物过量合成的目的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
Ⅰ, 初级代谢产物过量合成的五字策略
在分析细胞机器的生产运行时，可把
它看作是分步进行的过程。首先细胞外的
营养物质从环境（培养基）跨膜进入细胞；
然后，一般要经过向心、中心和离心 3 段
连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成
目的产物；最后，目的产物经过膜排出细
胞，回到环境（发酵醪液）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
“载流途径”泛指承载代谢物流
的代谢途径。,载流路径” 泛指由不
止一条载流途径按序首尾衔接而组成
的代谢通道。
在发酵工程领域,“载流路径”
作为发酵工程的专用术语，被定义为
从主要有机原料到目的产物一组载流
途径的有序组合。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
典型的 载流路径 是指存在于代谢网
络中的这样的代谢通道，即 由多至五段
承担不同代谢分工的、依次衔接的代谢
途径组成的代谢通道。 因此有 载流路径
的五段式 之称。在这条载流路径上流动
的代谢主流对应地也有五段，从而派生
出 代谢主流的五段式 。载流途径的五段
式和代谢主流的五段式统称为 微生物代
谢的五段式 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
在此五段式的基础上，从不同的角度
出发，提出能作为一个整体，用于设计育
种以及发酵工艺控制的五字策略（简称 工
业发酵的五字策略 ）：进、通、节、堵、
出。,五字策略, 就是从合作的良好愿
望出发，发挥人的主观能动作用，主动与
微生物合作实现工业发酵效益的策略。这
个策略来自初级代谢产物过量合成的研究，
故实际上是 初级代谢产物过量合成的五字
策略 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
N PP
进 出通 节 堵
工业发酵的“五字策略”
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
高产菌种的代谢特征：不同来源的碳
架物质畅通地“注入”载流路径，高速生
成并顺利释出目的产物，如下图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
进,在育种和发酵控制方面都要促进细胞
对营养物质的吸收。在发酵过程中，一般
都希望菌体能迅速达到一定的浓度，因此，
就必需选用生长旺盛的菌株，这类菌株吸
收营养物质的能力往往也较强。同时要选
择适当的容易吸收的培养基，和适宜的培
养条件，以促进微生物的生长。为了消除
底物在培养过程中的抑制作用，有的还采
用流加的培养方法。为了促进微生物的生
长和支持目的产物的合成，还要从代谢生
理学的角度优化流加条件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
通,在育种方面，解除对途径中某些酶的
反馈调节；在发酵控制方面，诱导这些酶
的合成或激活这些酶，从而使来自各代谢
物流（除碳架物流外还包括其他支持生物
合成的物流）能够畅通地注入载流路径，
汇入代谢主流，流向目的产物。特别是当
发酵进入目的产物合成阶段后，必需确保
载流路径畅通，代谢主流优势明显。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
这些酶包括用于目的产物自身合成的酶
（如下图中酶①～⑤）和用于目的产物的前
体合成的酶（ 如下图中酶和⑥，用于前体 C
的合成，酶⑦⑧，用于前体 D的合成）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
例如在谷氨酸的发酵过程中，作为
谷氨酸合成原料的 NH4+ 的缺乏,就可
能使谷氨酸合成途径的中断，导致谷氨
酸产量下降，大量 α-酮戊二酸积累。当
然，合成途径中的任何一个限制因子，
都可能产生类似的情况。因此，在发酵
过程中应尽可能的使通向载流路径的代
谢途径畅通无阻，使不同的营养物质能
顺利地注入代谢主流，最终流向目的产
物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
节,采用育种或发酵控制手段，节制载流路
径上与目的产物的形成无关或关系不大的代
谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产
物。这里所谓的, 节制, 是指封闭或削弱
以目的产物合成途径的起始底物（如下图中
的 A） 或各中间产物（如下图中的 B,C 和 D）
为起始底物的分支途径（ 即下图中通向 K，
G,I,J 的途径）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
经过千千万万年的物竞天择，微生物
细胞已经成为自我保障的经济体系。细胞
严格的调节机制不允许代谢中间产物的过
量合成，要想实现目的产物的过量合成，
就必需对其代谢进行导向（包括遗传根据
和培养条件的导向），迫使代谢朝着过量
合成目的产物方向进行。因此，不是目的
产物生产所必需的途径，应做到不同程度
的关闭，也就是“节”。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
堵,采用育种或发酵控制手段堵塞或削弱
目的产物进一步代谢的途径（如上图中 F
以后的途径），包括目的产物参与的分解
代谢和合成代谢。如果菌株生产目的产物
的途径畅通，但同时目的产物进一步代谢
（包括目的产物参与的分解代谢和合成代
谢）的途径也畅通，或者随着生产的进行
目的产物进一步的代谢加强，都会最终影
响目的产物的溢出代谢，降低工业发酵的
效益。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
为了消除这种影响，就必须降低目的
产物进一步代谢的酶的酶活力或酶量，以
消除或削弱目的产物进一步的代谢。若不
能对菌株进行有效的改造，也可以通过工
艺手段来达到堵的目的。例如，采用及时
将目的产物从发酵液的分离出来的办法，
也可以间接地消除或削弱胞内目的产物的
进一步代谢，甚至能拉动溢出代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
出,促进目的产物向胞外空间分泌。根据微
生物细胞经济学原理（节约原理、适应原理、
生命保障原理），如果细胞内某代谢中间产
物浓度超过其阈值，必将受到细胞内相关代
谢调节机制的干预。胞内目的产物的浓度过
高，就会对合成目的产物的代谢过程施加负
反馈调节，迫使其回到正常浓度。因此，及
时将目的产物转移到细胞外，无论从化学平
衡的角度，还是从生物学信息反馈的角度，
都将有利于载流路径上代谢主流的流动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
在育种和发酵控制方面加强“出”的
办法很多，如调节细胞对目的产物的通透
性，增加输送目的产物的载体蛋白的量，
为目的产物的主动输送提供代谢能等，都
能使在胞内生成的目的产物尽快的转移出
细胞，降低其细胞中的浓度；为了进一步
降低细胞中目的产物的浓度，还可能根据
目的产物的理化性质，采用边发酵边分离
目的产物的工艺，不断的将目的产物从反
应器中转移出去，给代谢主流一个“拉动
力”。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
Ⅱ,有关碳架物质跨膜问题的分析
氨基酸的发酵法生产，属于本课程定
义的典型的工业发酵。以糖质原料发酵生
产氨基酸的过程至少依次包括糖质进入细
胞、经过代谢在胞内生成目的氨基酸和目
的氨基酸被分泌至培养基 3 个阶段。此外，
氨基酸的生产过程还包括细菌细胞的适度
生长和生命活动的维持。
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
单考虑细胞内的碳架物质等的
代谢是不够的，至少还必须考虑营
养物质进入细胞及目的产物排出细
胞的问题，也就是碳架物质通过细
胞膜的问题。
有关碳架物质跨膜问题，必要
时可做专题讲座。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
Ⅲ,有关代谢途径的流量调节的分析
以天冬氨酸族氨基酸的合成代谢
为例，来讨论代谢途径的流量调节。
对细菌来说，天门冬氨酸族氨基酸包
括 Asp,Asn,Lys,The,Ile 和 Met
共 6 种氨基酸（ 或氨基酰胺），它们
都是从 TCA 环中的前体代谢物草酰
乙酸（ OAA） 开始合成的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
微生物细胞以葡萄糖为原料合成天冬
氨酸族氨基酸时，碳架物质通过代谢网络
的载流路径流向目的产物,其载流路径的
上游部分从葡萄糖起到草酰乙酸止，草酰
乙酸以后为下游部分。其上游部分属于中
心途径，下游部分属于离心途径。因此 天
冬氨酸族氨基酸合成代谢流是跨代谢网络
的中心板块和离心板块的 。关于天冬氨酸
族氨基酸的合成代谢路线（下游部分）及
其调节方式已汇总在下面几张图中：
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
OAA Asp
β-Asp-P
Asp- β-SA
Homo-Ser
Thr
DDP Lys
Met
Ile
(AK1)
Thr I
Thr R
I l e R
(AK2)
Met R
(AK3)
Lys I
Lys R
Lys R
(HD1)
I l e R
Thr R
(HD2)
Met R PYR
PYR
Lys I Lys R
Met I,Met R
Met RThr I
I l e R
E.coli
天门冬氨酸族
氨基酸合成代
谢的调节机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
OAA Asp
β-Asp-P
Asp- β-SA
Homo-Ser
Thr
DDP Lys
Met
Ile
(AK)
(HD)
Met R
Thr I
PYR
PYR
Met RThr I
I l e R
Brevibacterium
flavium
天门冬氨酸族
氨基酸合成代
谢的调节机制
(Thr+Lys) I
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
OAA Asp
β-Asp-P
Asp- β-SA
Homo-Ser
Thr
DDP Lys
Met
Ile
(AK)
(HD)
Met R
Thr I
PYR
PYR
Met R
I l e I
Brevibacterium
lactofermentum
天门冬氨酸族氨基酸
合成代谢的调节机制
Thr I,Lys,(Thr+Lys) I
Leu R
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
芳香族氨基酸的合成也有类似的情
况。其载流路径的上游部分从葡萄糖起
到磷酸烯醇式丙酮酸和 4-磷酸赤藓糖止，
以后为下游部分。其上游部分属于中心
途径，下游部分属于离心途径。因此 芳
香族氨基酸合成代谢流是跨代谢网络的
中心板块和离心板块的 。关于芳香族氨
基酸的合成代谢路线（下游部分）及其
调节方式已汇总在下面几张图中：
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
PEP E-4-P
(DS3) (DS2) (DS1)
Phe ITyr I
DHAP
SMA
CMA
(CM2) (CM1)
Phe ITyr I
PPA
PEP
Pi
Phe
Tyr
Glu
α- KG
Trp
Glu α- KG
3-P-GA Ser
PRPP
Trp I
E.coli
芳香族氨基
酸的合成代
谢调节机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
PEP E-4-P
(DS)
Tyr,(Phe+Tyr) I
DHAP
SMA
CMA
(CM) Phe IR
Tyr I
PPA
PEP
Pi
Phe
Tyr
Glu
α- KG
Trp
Glu α- KG
3-P-GA Ser
PRPP
Trp IR
Corynebacterium
glutamicum
芳香族氨基
酸的合成代
谢调节机制
Trp A
Tyr A
Trp I
Phe I
Tyr I
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
下面是乳糖发酵短杆菌的赖
氨酸高产菌株的 设计育种示意图 。
绿色箭头连接成的路径为用葡萄
糖为主要碳源时的 理想载流路径 。
所谓, 理想载流路径, 是指为
了获得高效益,人们期望代谢流
流经的路径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
Glc
PYR
α-KG
OAAAsp
Asp-β-SA
β- Asp-P
DDP Lys
Glu
H-Ser
Met
Thr Ile
（ AK
）
( HD )
(Thr+Lys) I
Thr I
Met R
DIAMINOPIMERIC
ACID PATHWAY
PEP G-6-P
Asn
HMP
PYR
PYR
Leu R
LeuBrevibacterium lactofermentum
细
胞
外
细
胞
内
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
生物合成途径同一性的一个例外：
赖氨酸的生物合成途径在细菌是 二氨基
庚二酸途径,在真菌中是 氨基己二酸途
径 。上图显示的是乳糖发酵短杆菌的合
成赖氨酸的二氨基庚二酸途径，下图显
示的是产黄青霉合成赖氨酸的氨基己二
酸途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
AMINO ADIPIC
ACID PATHWAY
Glc
PYR
α- KG H-ICA α-AAA
Penicillin G
α-AAA-ε-SA
Lys
Lys I
Lys R
I-Penicillin N
α-AAA-L-Cys-D-Val
α-AAA-L-Cys
Penicillium chrysogenum
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
Ⅳ,应用“五字策略”的实施
“节” 的成功实施,若以 黄色短杆菌 为
出发菌株，选育 L-Lys 高产菌种，可采用 高
丝氨酸营养缺陷型突变株 。假设高丝氨酸营
养缺陷是因为 高丝氨酸脱氢酶（ HD ） 缺损
而造成的，从前面对应的图可找出造成 L-
Lys高产的原因：①阻止碳架物质 Asp-β-SA
流向 H-Ser；② 解除 Thr,Lys对天门冬氨酸
激酶（ AK ） 的协同反馈抑制（因为细胞不
能合成 Thr）；③ 省下原用于 11e合成的 PYR，
以支持 Lys合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
从结构类似物的超敏性突变株中获得高
产菌株是可行的，但必须注意 这里, 结构类
似物, 是指酶的底物的结构类似物，前述的
“酶” 必须是与微生物的生长密切有关的酶。
与微生物生长有密切关系的酶的底物的结构
类似物，如果能竞争性地抑制这个酶的活性，
就会直接影响微生物的生长，也就是这种微
生物 对这种结构类似表现出敏感性。这种敏
感性的大小与酶水平的高低相关,敏感性小
的菌株酶水平高，敏感性大的菌株酶水平低，
特别敏感的（超敏的）的菌株酶水平最低。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
根据这个道理，有可能从这种酶的底物
的结构类似物的超敏性突变株中，找到这种
酶的低水平突变株。 酶水平低，代谢流的通
道就窄，就意味着,节,（节流）。
氟代丙酮酸（ FP ） 是丙酮酸（ PYR ）
的结构类似物。 PYR是与生长密切相关的丙
酮酸脱氢酶（ PD ） 的底物，如果用葡萄糖
为唯一碳源,PD 是唯一通向 AcCoA和 TCA
环的通道，若 PD 完全阻塞，微生物就无法
通过 TCA环和电子传递获得代谢能，有关的
合成代谢也无法进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
已用超敏性突变株的方法选育了 乳
糖发酵短杆菌 的 氟代丙酮酸超敏性突变
株（ FPs） 。 根据对 FP超敏程度的不同，
选得不同程度的 PD缺损株（ PD的不同
程度的低水平株 ），从中找到了 PD水
平低到恰到好处的突变株，既不过分削
弱 PD 以提供足够的代谢能，又能使碳
架物质较多地流向 OAA 以合成更多的
Lys。 从而实施了对 PD通道的, 节,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
“通”的实施,赖氨酸的结构类似
物 S-（ β-aminoethyl） -L-Cys,简称 AEC，
是最早用于氨基酸育种并取得明显效果的
结构类似物。 在 黄色短杆菌的亮氨酸缺陷
型突变株 Leu-上再加上结构类似物抗性标
记（ AEC+Thr ） r 后 Lys产量大幅度上升，
这是因为这个突变株已解除了 Lys和 Thr对
天门冬氨酸激酶（ AK ） 的协同反馈抑制，
是个调节突变株。
关于“进”、“出”、“堵”的策略
应用也都有成功的实例。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
⑵ 次级代谢产物的合成
人们一般把微生物营养性生长所需
的代谢产物（直接或间接的参与细胞结
构或组成）叫做初级代谢产物，把微生
物在限制生长或没有生长的条件下形成
的、对微生物的营养性生长并不必需的
代谢产物叫做次级代谢产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
次级代谢产物种类很多，然而，它
们的结构单位主要是莽草酸（ SMA）、
氨基酸 （ ar-AA 和 al-AA ） 和乙酸
（ AcCoA），也就是说它们可以 从莽草
酸、某些氨基酸和 AcCoA等通过（有条
件诱导的 ）次级代谢途径来合成：
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
Glu
G-6-P
PEP
PYR
AcCoA
R-5-P
E-4-P
糖类次生代谢产物（氨基糖苷类抗生
素），核酸碱基类次生代谢产物
arAA
alAA
SMA 其他次生代谢产物
多肽类次生代谢产物（如 β-内酰胺
类环肽类抗生素、生物碱类）
聚酯类次生代谢（如类异戊二烯化
合物、甾类化合物、类胡萝卜素、
大环抗生素）TCA 环
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
次级代谢产物的存在已引起人们
特别注意。在典型的次级代谢中，次
级代谢产物以混合物状态出现，即微
生物可合成化学上相关联的一类次级
代谢产物的混合物。显然，这是因为
次级代谢所涉及的某些酶的特异性比
初级代谢的酶的特异性要低得多。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
次级代谢产物合成途径的型式也比初
级代谢多得多。有人说次级代谢好像是有
机物代谢演变的“操场”，这是有一定道
理的。只要演变出来的次级代谢途径或其
产物对途径的载体微生物没有害处，它们
对应遗传物质就会随次级代谢途径的载体
微生物的传代而得以保留或改善；反之，
如果对途径的载体微生物有害，载体微生
物本身就会被淘汰。
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
换句话说，为次级代谢途径编码
的 DNA如果对细胞的任何一种组织水
平, 包括中间代谢、调节、输送、分
化、形态发生等等,有好处，就会
被保存下来，甚至得到扩展；如果没
有用就有可能会被删除。 抗生素的合
成途径可能就是这样来的 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
次级代谢一旦建立，就将
服从寄主细胞固有的调节机制，
并且有可能引伸出特殊的调节
机制。 在已建立的次级代谢体
系中，曾发现直接或间接地作
用于次级代谢的级联 (cascade)
调节效应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
抗生素是次级代谢产物中按功能而划
定的复杂化合物类群。 同一菌种可以合成
结构相近的抗生素混合物，混合物中每种
组分的比例决定于遗传和环境因素。
虽然次级代谢产物多种多样，但从生
物化学的角度来看，大多数次级代谢产物
都是从少数关键的中间代谢产物,组装,
的：
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
莽草酸、有关几种氨基酸,AcCoA 等
次级代谢的前体库
次级代谢产物
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
因此，用来汇入次级代谢
前体库的代谢流对次级代谢是
至关重要的。在这个意义上，
研究初级代谢流及其调节，对
次级代谢产物的合成代谢来说
同样是很重要的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
次级代谢产物一般是在分批培
养的 分化期 开始形成，即在限制生
长或没有生长的条件下形成的。
次级代谢途径（酶）一般并不
是组成型的，而是经诱导（或解除
阻遏）而形成的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
不能忽视这个事实：
放线菌与细菌相比较，是次
级代谢产物的更好的生产者，放
线菌有细胞分化的能力，而次级
代谢往往与分化过程有关。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
我们已讨论了某些关于代谢产物
过量合成的生理学的一般规律。产品
形成的生理学的基本道理是容易理解
的。同时，我们已经注意到，在许多
场合下，特别是关于次级代谢产物的
生成，其生理学的知识仍是远远不够
的。因此很有必要在此领域从事更多
的研究，并要吸取在初级代谢生理学
的类似研究中所得到的经验和教训。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
第四节 细胞经济假说
与细胞经济学
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
细胞是生物的基本单位，每个
生命有机体或者由细胞组成，或者
它本身就是单个细胞。生物工程和
发酵工程科技人员认识微生物细胞
就是要它们工作，因此就更关注它
们工作的 能力 和 局限性,也就是微
生物细胞的 经济工作原理。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
4.4.1 工业发酵与细胞经济的对立
和统一
4.4.2 网络及节点刚性理论与五字
策略的互补性
4.4.3 细胞经济假说与细胞经济学
的萌芽
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
4.4.1 工业发酵与细胞经济的对立
和统一
工业发酵的目的是利用微生物
的生命活动为人类造福，为世界消
灾。既然微生物的细胞经济的价值
取向是自我保障，那么工业发酵与
细胞经济之间有什么关系呢？
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
4.4.1.1 微生物的天然进化不可能刻
去照顾人类的利益
4.4.1.2 微生物的生存利益与人类的
经济利益的对立与统一
4.4.1.3 发酵工业生产中的人的主观
能动作用的发挥
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
4.4.1.1微生物的天然进化不可能刻意去照顾
人类的利益
生命是 以遗传信息维系的、以不断自我
更新的形式存在于时间和空间的 过程,因此
必须以 历史唯物主义的观点 来研究微生物进
化和发展。宇宙万物都在运动和变化。天然
存在的微生物物种是微生物在大自然中进行
生命活动和发生遗传物质的变化。在微生物
进化的历史长河中，运动变化中的微生物经
受了环境的种种考验，经过 生存斗争, 适者
生存 下来，形成现在的各种微生物物种。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
因此，它们是经物竞天择而得到的
阶段性进化成果。它们的生命活动规律
是在亿万年的物竞天择的过程中建立和
逐步完善的，是不以人的主观意志为转
移的客观存在。 天然存在的各种微生物
物种的生命活动过程 —— 不论是造福于
人类或危害人类的 —— 都是它们按它们
自己的生命活动规律进行生存竞争的新
陈代谢过程。 微生物的天然进化不可能
刻意去照顾人类的利益。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
4.4.1.2 微生物的生存利益与人类的经
济利益的对立与统一
人类和微生物同样都是地球的居民，
都是生命体，在地球生存空间处于理论
上的平等的地位。尽管，人类有思维能
力，微生物没有；人类也不可能随心所
欲地支配微生物的生命活动。微生物有
它自己的相对稳定的生命活动规律，这
些规律是经千千万万年的物竞天择而稳
定下来的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
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。 人类要利用微生物为自己服
务，就必须研究、了解并遵循微生物的
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。 工业发酵呼唤
人与微生物的合作,而在合作中，人处
于主导的地位，人应该发挥主观能动作
用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
微生物生命活动有其自己的生存、
发展的保障机制，这些机制服务于它们
自身的生存竞争；在工业生产中，人类
通过微生物的生命活动谋求经济效益。
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 。科学和技术工作的目的就在于努力
促使对立向统一的转化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
微生物在生存竞争中进化的总的方
向是发展其自身的 适应性, 经济性 和 代
谢的持续性（生命保障） 。 微生物代谢
过程中任何中间产物、细胞组分或酶的
过多产生都是与其求生存的利益背道而
驰的，只有当 3 个子系统协调运转，实
现最大限度的生长和繁殖，才是符合微
生物自身利益的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
把微生物细胞作为,细胞机器,，用
来合成人类所需要的化学物质是人类的美
好理想。
如果工业发酵的目的仅仅是为了获得
菌体细胞，事情还好办些，因为这与微生
物进化的目标一致；但如果要想获得的化
学物质是代谢的中间产物，或细胞的生物
大分子或其它细胞物质的话，那就要求微
生物过量地合成这些物质，而且还要及时
将它们排出细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
4.4.1.3 发酵工业生产中人的主观能
动作用的发挥
微生物工业（发酵工业）是生物
工业的开路先锋。 发酵工业生产依赖
于微生物生命活动；微生物活细胞在
人给定的条件下进行新陈代谢，完成
人交给它们的生产任务。
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
在发酵工业生产中，人的意愿要通
过微生物的生命活动来实现，人类只有
依靠微生物才能间接地达到目的。 在发
酵工业中人客观上处于被动的地位，而
微生物在求生存的方向上始终是主动的。
对于工业微生物学家和发酵工程师
来说，如何在发酵工业生产中调动微生
物的积极因素，始终是一个挑战性的问
题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
在微生物生命活动中，微生物
细胞生存的保障体系有利于它们自
身的生存竞争；在发酵工业生产中，
人类要利用微生物的生命活动谋求
经济效益。 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
发酵工程的基本矛盾在于：人出于
经济利益对微生物代谢的导向与微生物
的细胞的生存保障体系对这种导向的抵
抗。
在对立和统一的矛盾斗争和相互转
化中，人的作用是关键的。正确理论的
指导和应顺自然规律的实践能够使对立
向统一转化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
我们研究微生物的生命活动规律，建
立工业发酵的生物学理论就是为了能在发
酵工业中 引导微生物的代谢，使微生物的
生存保障的本能与人的经济利益的对立在
维持微生物细胞的生存 （ 高度有序的状
态） 这一点上得到统一,让用于发酵生产
的微生物细胞在人为的特定条件下进行新
陈代谢的同时，为人类生产指定的代谢产
物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
人对微生物的生命活动规
律理解得愈深，对微生物代谢
的引导就愈有效，在发酵工业
生产中的主动权就愈大。
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
4.4.2 刚性理论与五字
策略的互补性
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
代谢网络刚性理论 是指有关代
谢网络及其节点刚性的理论。
本小节将从 节点的刚性, 网络
的刚性, 刚性代谢（生命保障体系 ）
的基本概念出发，进而追究刚性的
由来，以及 生存保障体系 与 代谢变
动性, 遗传保守性 的关系，简单地
讨论代谢网络刚性理论。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
微生物自动抵制代谢网络
中代谢物流量分布的改变的特
性叫做代谢网络的刚性。 代谢
网络的刚性与主要节点的刚性
大小、分布及数量密切相关。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
4.4.2.1 途径分支点的分类
4.4.2.2 代谢网络与亚网络
4.4.2.3 节点刚性理论与五字策
略的互补性
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
4.4.2.1 途径分支点的分类
代谢网络中，两条或多条代谢途径
的 中介分支点（ intermediate branch
point ） 称为 节点 （ node） 。
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,产品得率是节点处流量分流（ flux
split ratio） 的函数。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
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
基于在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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
微生物代谢网络中的节点也
是 代谢流的集散处, 微生物自动
抵制节点处代谢物流量分流比的
改变的特性叫做 节点的刚性 。节
点的刚性取决于微生物代谢的自
动调节机制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
S,为底物； P,为产物。分支处为节点。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
① 刚性节点（ rigid node）,抵抗分流比改
变的节点。 如果某节点处的分流比受到该处
的一条或多条支路严格的控制，这样的节点
被称为刚性节点。 这种控制往往是通过反馈
控制和交叉激活两种机制的联合作用来实现
的。所谓联合作用，是指各个分支途径自身
的反馈控制和与之竞争原料的分支途径的产
物对它的交叉激活，两种机制一起发生作用。
刚性节点处的分流比不易发生改变，因为与
节点相关的各种酶均存在 特定的动力学关系 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
② 挠性节点（ flexible node）,屈服于
分流比改变的节点。 在此类节点处的分
流比容易根据细胞代谢的需求做出响应,
即容易做出相应的改变。 从这些节点出
发的互相竞争的分支途径的第一个酶，
对节点（酶的底物）有类似的底物亲和
力，有类似的酶反应速率。挠性节点不
限制分支途径的产物得率，因为无论何
时只要需要，任何分支途径的分流比都
可能在 0～ 100%范围变动，因此 挠性节
点是最,顺从”的（上图右半部分） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
③弱刚性节点（ weakly rigid node）：
性能上处于前述两种节点之间的节点
原则上都属于弱刚性节点。严格地说，
如果一个节点的分流比主要取决于一
条分支途径的动力学（即构成分支途
径的所有酶的整体响应），这样的节
点叫做弱刚性节点。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
弱刚性节点与挠性节点有如下不同：
一条分支途径与另一条（一些）分支途径
相比，占有明显的优势。 这是由于优势分
支途径的酶对共同代谢物（节点）有更大
的亲和力，并且（或者）优势分支途径的
酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活
性。在这种情况下，完全解除从属分支途
径的调节，也不会对流量有什么显著的影
响。另一方面，如果优势分支途径的活性
被减弱，就会显著增加流入从属分支途径
的流量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
强刚性节点是被终端产物激活或抑制
高度调控（上图左半部分） 。在这个例子
中，每个产物代谢物作为其竞争分支途径
的激活剂，同时又作为其自己合成途径的
抑制剂。反馈抑制总是施加在催化途径第
一步反应的酶上。 刚性节点对途径的产物
得率施加控制性的影响，它的解除调节比
酶学的弱化可能更为复杂。
因此在应用“五字策略”制订育种的
具体方案时应尽量采用解除调节的育种手
段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
假定目标是增加 P1分支的分流比，而
且，在没有激活剂 P2存在时,P1的稳态浓
度（ steady state concentration） 高得足以
抑制它本身的合成。在这种情况下，增加
P1 分支途径的分流比就会减弱流向 P2的流
量。然而，对于强刚性节点，这种做法将
导致 P2的低水平，所以 P1 分支途径将会丧
失 P2对它的激活作用。简单地说，一条分
支途径的弱化导致其竞争分支途径的弱化，
结果是整个 节点崩溃（ collapse ）, 每条
分支途径的分流比相对来说没有改变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
因为复杂、多样的控制结构和酶动力学，
代谢网络并不总是呈现上述分类所暗示的对
于流量分配的二元响应 。 因此，强刚性节点
的一条分支途径的弱化可能仅仅导致与它竞
争的分支途径的部分弱化，以致有可能 在包
含一个刚性节点的依赖型网络 （ dependent
network ） 中实现产物得率改进。也有可能
因为弱化无用的途径而引起中间代谢物的分
泌，而不是流量的降低或代谢流的方向的改
变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
尽管其他可能的控制结构也可
能产生一个刚性节点，任何此类控
制的关键问题是，在互相竞争的分
支途径之间存在一个反馈（相互影
响）机制，以维持分流比恒定的趋
势。刚性节点不仅能限制产物得率，
而且通过 简单的 酶活性弱化不容易
减轻这种作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
上图所示的异柠檬酸节点是一个已经过
全面研究的代谢分支点。当细胞在醋酸盐基
质上生长时，异柠檬酸裂合酶（ IL） 被诱导；
醋酸盐在碳架物质的回补方面起重要作用，
否则碳架物质就会在 TCA循环中以 CO2的形
式丢失。 当在醋酸盐基质上生长时，异柠檬
酸脱氢酶（ IDH） 主要处于磷酸化状态（大
约 80%），在这种状态下该酶没有活性。当
给予细胞更有利的碳源时，如葡萄糖,IDH
就会迅速脱磷酸而被激活。 这是共价调节的
一个典型例子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
上图概括了在 乙酸盐上生长时，两种
互相竞争酶的动力学 参数。该分支点的一
个重要特征是各自的 Km 值差别极大，异
柠檬酸裂合酶（ IL） 的 Km 值是异柠檬酸
脱氢酶（ IDH ） 的 75倍。在异柠檬酸生理
浓度时（ 约 160μmol·L-1）,IL 催化的反
应是关于异柠檬酸的一级反应，而 IDH 则
已被共同底物异柠檬酸所饱和。因为这两
种酶的动力学的相互控制，通过该支路的
流量对异柠檬酸浓度水平的变化极端敏感。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
若向乙酸基质中生长的培养物中加入葡
萄糖，不仅能使 IDH 的 vmax提高（ 葡萄糖可
使 IDH 的 vmax增加 5 倍）,同时通过柠檬酸
裂合酶的碳流的相应减少，其总结果是胞内
异柠檬酸水平降低（大约 170 倍）。 因为与
IDH 相比,IL 对异柠檬酸有一个显著高的
Km, 所以异柠檬酸浓度的下降使通过该支
路的流量有一个很大程度（约 99%）的减少。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
因此，虽然没有任何已知的变构
调节剂直接作用于 IL,通过它的流量
可从总量的 30% 下降到实际上的 0。
这种控制很有趣的特性是，最受影响
的酶 IL 没有受到直接控制。这种现
象已经被称作 分支点效应 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
4.4.2.2 代谢网络与亚网络
代谢网络的包含 2 个以上节点的
任何部分，都可以称为该代谢网络的
亚网络。
代谢网络和亚网络的结构可以抽
象为两个基本类型,独立型亚网络 和
依赖型亚网络 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
S
BP
1
2
S
B1
B2
P
依赖型亚网络 独立型亚网络
S-基质
P-目的产物
B-副产物
-节点1
2
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
依赖型亚网络：
亚网络中的每个节点向终端产物
贡献一个 按化学计量 消耗的组成部分；
所有分支的流量必须达到化学计量平
衡，以防胞内代谢中间物的累积和分
泌。若要提高产物转化率两个节点的
流量分配都必须改变，两个节点的重
要性相同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
独立型亚网络：
亚网络的主要节点不是以按比
例缩合的方式形成产物，改变任何
一个节点上的流量分配就有可能提
高产物转化率，但节点的重要性不
同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
代谢网络中包含大量的节点，一
般认为只有相当少的节点，其分流比
实际上影响目的产物得率，这些节点
称 为主要节点 （ principal node ） 。
网络的刚性程度取决于主要节点的性
质及其在网络中的分布。
不论在独立型还是依赖型的代谢
网络中,网络的刚性程度最终取决于
将主节点的流量分布从适于生存竞争
变成适于目的产物形成的难易程度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
4.4.2.2 代谢工程与五字策略
的互补性
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
微生物生物工程基本理论已对代谢
流及其控制作了定性或半定量的分析，
并在此基础上建立了代谢导向的五字策
略。这就为代谢流（及其控制）的定量
分析架起了桥梁。为发酵工程研究人员
和技术人员学习和应用代谢工程的代谢
分析和综合技术打好了理论基础。
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
代谢工程是这样一种生物工程技术：
在对代谢流及其控制进行定量
分析的基础上，提出精确的遗传修
饰方案，并借助分子生物学技术付
诸实施。如此按部就班反复进行实
践，从代谢的整体上改善细胞的性
能和应用前景。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
五字策略的统筹方法对代谢工程
育种有宏观指导意义，但五字策略是
建立在人一厢情愿的基础上的统筹策
略。按五字策略制定育种方案时，尽
管是以从原料到产物的载流路径及其
调节机制为依据的，但一般并没有把
节点刚性的因素考虑在内；在实施时
也就不可能完全达到预期目标。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
对于流经刚性节点的代谢流，仅
仅改变该节点下游的反应的酶水平或
活性的，是不可能对代谢流进行顺利
导向的。如果目标节点为挠性节点或
弱刚性节点, 则可放心按 应用五字策
略制订育种 方案进行相应的遗传操作，
因为挠性节点对代谢流的导向是最顺
从的。考虑到可能存在刚性节点,在
应用五字策略制订育种的具体方案时
应尽量采用解除调节的育种手段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
代谢途径分析以及基于这些分析
所进行的分子遗传学操作，必须把代
谢网络节点刚性的问题考虑在内。五
字策略仍需用代谢刚性理论来校验、
补充和修正。根据五字策略制订育种
方案，必要时需要对载流路径上的主
要节点（产物形成时代谢流量发生明
显改变的节点）的性质进行评估。
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
五字策略与代谢工程是互补的，
各有侧重的。常规育种成本低，实验
周期短，采用五字策略一般都能取得
比较好的效果（五个字中只要有两三
个字有效）。代谢工程育种有时也要
以常规育种的成果菌种作为基础材料。
因此，五字策略宏观指导下的代谢工
程育种也许更切合工业生产实际。
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
4.4.3 细胞经济假说与细
胞经济学的萌芽
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
微生物细胞的代谢实际上
是自然界的一种经济运行。细
胞经济假说 把微生物细胞作为
按特殊的经济规律运行的经济
实体来看待。我们把这种按特
殊的经济规律运行的 有利于微
生物的生存竞争的新陈代谢整
体性 叫做 细胞经济性 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
微生物群体作为大自然的不可分割
的部分，如大自然一样，有其自身的运
行规律。人类社会同样是大自然的不可
分割的部分，也有其自身的经济运行规
律。然而,因为人有智慧，有认识大自
然（包括人类自身）的经济运行规律的
能力，所以有可能局部地改变大自然 经
济运行的状况,但无法改变大自然（包
括微生物） 经济运行的规律 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
我们研究微生物经济运行的状况，
就是为了要逐步认识微生物经济运行的
规律，以便应用这些规律为人类造福为
世界消灾。 细胞经济假说用经济的眼光
来分析和认识微生物细胞的生存保障问
题，走出了细胞经济学研究的第一步。
在细胞经济假说的研究中我们尝试对细
胞的经济运行与社会的经济运行进行比
较研究，这样的比较研究从微生物细胞
经济开始，是因为：
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
①微生物细胞中经济规律是 客观存在 的；
②一个 微生物细胞本身就是一个微观经济
体系,经济结构相对简单，调节机制多样
化；
③ 控制 微生物细胞的代谢活动 相对容易 ；
④在研究微生物细胞经济运行规律的基础
上 构建发酵工程生物学理论 ；
⑤自然科学与人文科学交叉，形成 新的学
科生长点 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
4.4.3.1 发酵学与微观经济学的交叉
4.4.3.2 微生物细胞经济的运行状况
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
4.4.3.1 发酵学与微观经济学的交叉
学科 是指一定科学领域或一门科学的
分支。 学说是指学术上自成系统的主张和
理论。 在化学、生物化学、微生物学、分
子生物学、细胞学、微生物代谢生理学，
以及仪器分析、传感技术、计算机技术发
展的基础上,发酵正在从技艺（ technique）
走向科学（ science）,并正在形成自成系
统的学术理论；发酵学经过半个多世纪的
酝酿终于应运而生，成为微生物学的工程
学分支，成为生物工程最重要的台柱之一。
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
经济学 的产生与发展，就是为
了如何更好地解决人类社会所面临
的基本矛盾，即如何把有限的资源
合理、有效地分配和使用于各个方
面，以满足于一个社会的无限多样
的需要的矛盾。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
19世纪后期，在翻译西方文献
,economy”一词时，日本学者借用
古汉文将它译作“经济”，“经济”
从字面可解释为“经世济民”，一
般是指社会经济制度、经济活动、
经济部门、经济行为等等。经济学
是英语构词法从,economics,翻译
的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
经济学是研究各种经济关系
和经济活动的科学，包括经济学
科的理论基础、部门和专业经济
学和技术经济学等门类。 微观经
济学属于经济学的一个分支，主
要研究单个经济单位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
从经济学所面临的基本矛盾出发，
微观经济学所研究的基本问题，包括
以下几个方面：
①经济活动的目标（ 价值取向问题 ）；
②如何组织生产（ 经济效率问题 ）；
③分配原则和分配机制（ 系统的稳定
和延续问题 ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 169
细胞经济学属于生物学 （ 自然
科学 ） 和经济学（ 社会科学 ）的交
叉学科。因此还要从对应的领域寻找
对应的研究对象。
生物学领域的与工业发酵直接相
关的研究对象微生物细胞的经济运行，
与经济学领域的微观经济学研究的内
容有许多可以比较研究之处。
2010-5-16 张星元：发酵原理 170
微生物细胞独立存在自主生存，而
且微生物细胞直接存在于其培养环境中，
因而它们的 代谢能支撑和生命保障必须
靠自己，比其他生物细胞表现得更明显、
更完整、更单纯、更容易操作（人工调
节的可行性），用它来研究细胞的经济
问题最为合适，而且与经济学中的 微观
经济学 （研究的是单个经济单位）有更
多的共性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 171
微生物细胞是生物学的概念，工业
发酵的微生物生物机器是工程学的概念。
微生物细胞的生产力（可量化为细
胞经济假设中的经济系数）与工业发酵
的微生物细胞机器的生产力（可量化为
工业发酵的产率系数），是不同的概念。
高产菌种生产目的产物的能力与微生物
自身的生存保障能力是对立统一的两种
不同的生产力。
2010-5-16 张星元：发酵原理 172
在典型工业发酵的微生物细胞（即
细胞机器）而言，天然的细胞经济结构
（代谢的 3 个子系统，取决于细胞的遗
传物质与细胞所处的环境）已被局部破
坏或调整，但细胞经济管理原则（细胞
整体高度有序性的遗传根据对代谢的支
持和制约）不变。 微生物细胞的经济管
理原则既束缚细胞机器的生产力，又为
细胞机器的生产力提供保障。如果没有
这个管理原则，生命活动就难以持续。
2010-5-16 张星元：发酵原理 173
微生物的 适应性 和 节约性
建立在 代谢变动性 上，微生物
的持续代谢建立在代谢网络的
刚性上。因此代谢变动性和代
谢网络的刚性是 细胞经济管理
原则的生物学根据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 174
工业生产过程中细胞机器的经济
运行状况可以改变，但细胞的, 整
体协调，维持生计, 的 细胞经济管
理原则不会改变。
细胞生产关系和细胞生产力都可
以改变，但 细胞经济管理原则（微生
物生命的本质）不能变。
2010-5-16 张星元：发酵原理 175
细胞经济管理原则，如经济学
中的价值规律一样，按细胞经济的
价值取向（生命保障）协调细胞的
新陈代谢；发酵生产的价值取向不
能动摇细胞经济管理原则。
细胞经济管理原则的根据可能
存在于 细胞遗传物质的保守部分 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 176
环境中（不论是自然环境还是人为培
养的环境中）的微生物细胞与市场经济中
自负盈亏的经济实体有明显 相似 的地方。
它们都受一定因素制约；它们都是开放体
系；它们都可以人为地改变运行方式。 对
它们进行比较研究，借鉴经济学探索微生
物的生命活动规律；还期望能通过对微生
物的经济运行规律的研究，来拓宽经济学
的研究思路。
2010-5-16 张星元：发酵原理 177
细胞经济假说是理解发酵工程的
基本矛盾（人与微生物的对立统一关
系）以及发酵工业上人与微生物合作
关系的理论基础。 人与微生物合作并
取得“双赢”意味着工业发酵的成功，
“双赢”也必须建立在细胞经济管理
原则（细胞经济规律）之基础上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 178
4.4.3.2 微生物细胞经济的运行状况
经济运行的主要机制是交换、竞
争和产生效益。交换才有生气，竞争
才能进步； 为了获得经济效益，交换
和竞争都必须遵循经济运行的客观规
律 。交换服从价值规律，货币的出现
有利于交换；竞争（包括 对抗的, 宽
容的 和 合作的 竞争）是经济行为,竞
争历来是经济学的主题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 179
环境中的微生物细胞于市场经济
中的经济实体在这方面也很相似：交
换是微生物细胞生存的最起码条件
（见第二章有关部分），竞争存在于
微生物的栖身环境，也存在于微生物
培养物中。有关竞争问题，涉及到微
生物生态学。竞争包括 ①生存竞争
（ 适者生存 渐进式）②宽容的竞争
（ 差异生存 主动式）③合作的竞争
（ 互惠生存 合作式）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 180
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和提高细胞
运行的经济系数。 经生存竞争而幸存
下来的野生型微生物在其所处的环境
中是富有竞争能力的，并且它们的代
谢流量在网络中的分布及细胞经济运
行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞
争中获胜。在上述条件下，细胞处于
正常代谢状态，细胞经济体系呈现 竞
争型经济的特色。
2010-5-16 张星元：发酵原理 181
如果工业生产要求微生物在细胞外累
积某种代谢中间产物，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，应用五字策略就有可能设计理想的
载流路径和配套的发酵培养工艺条件，进
而改造菌种、调整工艺，将代谢主流导向
理想的载流路径。在这种情况下，细胞处
于异常代谢状态，细胞经济体系呈现 导向
型经济的特色 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 182
工业发酵要靠细胞群体的代谢来获得
产品，导向型细胞经济固然有利于特定的
代谢产物的生产，但 从竞争型细胞经济运
行状态向导向型经济运行状态的转化，受
到能量代谢、还原力的平衡等的严格制约，
表现出代谢的刚性。 若细胞经济实体的运
行状态因人为的扰动而受到过度冲击，以
至于活细胞代谢的刚性（ 有序程度的底线 ）
不能得到维持，最终导致细胞经济体系的
崩溃。
2010-5-16 张星元：发酵原理 183
复习题
1,试述细胞经济假说的要点。
2,把微生物活细胞当作经济实体来研究是否
有道理？是否可行？
3,试述微生物的细胞经济结构。
4,为什么微生物细胞机器的价值取向与微生
物细胞自身的价值取向不一致？为什么微生
物细胞的经济系数使微生物细胞的竞争能力
得到量化？
5,为什么“五字策略”有时不能尽如人愿？
6,讨论：工业生产中应该怎样去协调人的经
济利益与微生物细胞的生存利益？
2010-5-16 张星元：发酵原理 184
尽管 微生物带着潜能来到这个
世界，它们并没有为人类服务的义
务。深入研究微生物生命活动的规
律，在理解的基础上主动地与微生
物合作，千方百计给它们提供施展
潜能的机会，让它们为人类造福，
为世界消灾。
