张星元发酵原理

2023-07-301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。第1第页一页/，共共96页9。5页2023-07-3024.2.1

微生物的细胞经济体系微生物细胞的经济结构——微生物代谢的三个子系统微生物的细胞经济体系的运行第2第页二页/，共共96页9。5页2023-07-3034.2.1

微生物的细胞经济体系第3第页三页/，共共96页9。5页2023-07-304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。第4第页四页/，共共96页9。5页2023-07-305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。第5第页五页/，共共96页9。5页2023-07-306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。第6第页六页/，共共96页9。5页2023-07-307适应性保障体系经济性持续代谢第7第页七页/，共共96页9。5页2023-07-308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。生产力生产关系第8第页八页/，共共96页9。5页2023-07-309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）。第9第页九页/，共共96页9。5页2023-07-30104

.

2

.

2

微生物细胞的经济结构

——微生物代谢的三个子系统第10第十页页，/共共96页9。5页2023-07-3011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。第1第1十页一页/，共共96页9。5页2023-07-3012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。第1第2十页二页/，共共96页9。5页2023-07-30134.2.2.1

碳架代谢的三个子系统4.2.2.2

三个子系统的相互关系第1第3十页三页/，共共96页9。5页2023-07-3014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）。第1第4十页四页/，共共96页9。5页2023-07-3015ⅠⅡⅢ碳架ATP分子模块微生物碳架代谢系统的三个子系统第1第5十页五页/，共共96页9。5页2023-07-3016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第1第6十页六系页/，共共96页9。。5页2023-07-3017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，

p

H条件引起黑曲霉的发酵转换，p

H3

时累积柠檬酸，

pH6

时累积葡萄糖酸，p

H

10

时累积草酸。第1第7十页七页/，共共96页9。5页2023-07-3018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。第1第8十页八页/，共共96页9。5页2023-07-3019用来合成分子模块（buildingblock）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。第1第9十页九页/，共共96页9。5页2023-07-3020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。第2第0二页十页/，共共96页9。5页2023-07-3021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。第第2二1十页一页/，共共969页5。页2023-07-3022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。第第2二2十页二页/，共共969页5。页2023-07-3023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。第第2二3十页三页/，共共969页5。页2023-07-3024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。第2第二4十页四页/，共共969页5。页2023-07-3025分泌能量代谢的副产物（乙醇、乳酸等）ⅠⅡⅢ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分子模块营养第第2二5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3026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）。第2第二6十页六页/，共共969页5。页2023-07-3027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）

。第2第二7十页七页/，共共969页5。页2023-07-3028综上所述，第第2二8十页八页/，共共969页5。页2023-07-3029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。第2第9二十页九页/，共共969页。5页2023-07-30304.2.3

微生物的细胞经济学（

m

ic

ro

b

ia

l

c

e

ll

e

c

o

n

o

m

ic

s

）第3第0三页十页/，共共96页9。5页2023-07-3031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。第第3三1十页一页/，共共969页5。页2023-07-3032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。第3第三2十页二页/，共共969页5。页2023-07-3033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。第3第3三十页三页/，共共969页。5页2023-07-3034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。第3第三4十页四页/，共共969页5。页2023-07-3035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）

。第3第三5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3036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。第第3三6十页六页/，共共969页5。页2023-07-3037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第3第三7十页七页/，共共969页5。页2023-07-3038经济杠杆通用代谢物保障体系第3第三8十页八页/，共共969页5。页2023-07-3039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。第第3三9十页九页/，共共969页5。页2023-07-3040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。第4第0四页十页/，共共96页9。5页2023-07-3041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。第4第四1十页一页/，共共969页5。页2023-07-3042⑴⑶

细胞经济系数第第4四2十页二页/，共共969页5。页2023-07-3043微生物细胞的生存保障规律可以概括成:整体协调，维持生计第第4四3十页三页/，共共969页5。页2023-07-3044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。第4第4四十页四页/，共共969页。5页2023-07-3045⑴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。第第4四5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3046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。第4第6四十页六页/，共共969页。5页2023-07-3047⑵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。第第4四7十页七页/，共共969页5。页2023-07-3048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。第4第四8十页八页/，共共969页5。页2023-07-3049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。第4第9四十页九页/，共共969页。5页2023-07-3050⑶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

Yx

s

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。第5第0五页十页/，共共96页9。5页2023-07-3051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。第5第1五十页一页/，共共969页。5页2023-07-3052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Yx

A

T

P

为基准，

修改细胞经济系数。特引进代谢经济系数(

economic

coefficient

ofmetabolism)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。第5第2五十页二页/，共共969页。5页2023-07-3053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。第第5五3十页三页/，共共969页5。页2023-07-3054综上所述，ATP得率系数Y

x

A

T

P

，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

Yx

s

，

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Y

x

A

T

P

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。第第5五4十页四页/，共共969页5。页2023-07-3055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。第第5五5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3056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。第5第五6十页六页/，共共969页5。页2023-07-3057经济杠杆第第5五7十页七页/，共共969页5。页2023-07-3058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。第第5五8十页八页/，共共969页5。页2023-07-3059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。第5第9五十页九页/，共共969页。5页2023-07-3060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。第6第0六页十页/，共共96页9。5页2023-07-3061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。第第6六1十页一页/，共共969页5。页2023-07-3062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。第第6六2十页二页/，共共969页5。页2023-07-3063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：第第6六3十页三页/，共共969页5。页2023-07-3064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。第6第六4十页四页/，共共969页5。页2023-07-3065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。第第6六5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3066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。第6第6六十页六页/，共共969页。5页2023-07-3067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。第6第7六十页七页/，共共969页。5页2023-07-3068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）。第6第8六十页八页/，共共969页。5页2023-07-3069第6第六9十页九页/，共共969页5。页2023-07-3070可以在细胞全局范围内通用的代谢物通用代谢物（currencymetabolites）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。第7第0七页十页/，共共96页9。5页2023-07-3071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。第7第七1十页一页/，共共969页5。页2023-07-3072第7第七2十页二页/，共共969页5。页2023-07-3073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。第7第3七十页三页/，共共969页。5页2023-07-3074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。第第7七4十页四页/，共共969页5。页2023-07-3075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。第第7七5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3076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。第第7七6十页六页/，共共969页5。页2023-07-3077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。第第7七7十页七页/，共共969页5。页2023-07-3078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。第7第8七十页八页/，共共969页。5页2023-07-3079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。第第7七9十页九页/，共共969页5。页2023-07-3080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。第8第0八页十页/，共共96页9。5页2023-07-3081一般说来，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。第8第1八十页一页/，共共969页。5页2023-07-3082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。第第8八2十页二页/，共共969页5。页2023-07-3083可用分解代谢还原荷（

catabolic

reduced

charge

）和合成代谢还原荷（anabolicreduced

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。第第8八3十页三页/，共共969页5。页2023-07-3084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。第第8八4十页四页/，共共969页5。页2023-07-3085CRC

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（

G

6

PDH ）

和

6

-

磷酸葡萄糖酸脱氢酶（

G

6

PDH

）；

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。第第8八5十页五页/，共共969页5。页2023-07-3086CRC

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

for