第8章 代谢网络

代谢控制发酵利用遗传学的方法或生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核苷酸的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累发酵。

关键酶:参与代谢调节的酶的总称。

作为一个反应链的限速因子，起限速作用。

变构酶:有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，催化活性改变。

诱导酶:在环境中有诱导物存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶。

调节子:就是指接受同一调节基因所发出信号的许多操纵子。

温度敏感突变株：通过诱变可以得到在低温下生长，而在高温下却不能生长繁殖的突变株。

碳分解代谢物阻遏：可被迅速利用的碳源抑制作用于含碳底物的酶的合成。

营养缺陷型突变菌株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养基中外源补加该营养物质才能生长的突变菌株。

渗漏突变株：由于遗传性障碍的不完全缺陷，使它的某一种酶的活性下降而不是完全丧失。

因此，渗漏突变菌株能少量的合成某一种代谢最终产物，能在基本培养基上进行少量的生长。

代谢互锁：分支途经上游的某个酶收到另一条分支途经的终产物，甚至于本分支途经互不相关的代谢中间产物的抑制或者激活，使酶的活力受到调节。

平衡合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶活性远远大于b酶，结果优先合成E。

E过量后就会抑制a酶，使代谢转向合成G。

G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流转向又合成E，如此循环。

优先合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E和G，由于a酶的活性远远大于b酶的活性，结果优先合成E。

E合成达到一定浓度时，就会抑制a酶，使代谢转向合成G。

G合成达到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用。

代谢工程：指通过某些生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或利用重组DNA 技术来创造新的化合物。

流量控制系数：单位酶的变化量所引起的某一分支稳态代谢流量的变化，用来衡量某一步酶反应对整个反应体系的控制程度。

弹性系数：酶促反应的速率对代谢物浓度的敏感性，即浓度对V的影响。

KEGG代谢通路的建立和基因表达差异分析KEGG代谢通路是一种用来描述生物体代谢网络的方法，它通过将代谢物和反应连接起来的方式，建立了一个完整的生物代谢通路图。

这个图可以用来揭示生物体内代谢过程的本质，从而找到各个代谢物之间的相互作用和调控机制。

在KEGG代谢通路中，每个代谢物都被标记为一个节点，而每个反应都被标记为一条边，这样就可以通过网络图的方式来表达整个代谢系统。

在这篇文章中，我们将结合基因表达差异分析的方法，来探讨如何利用KEGG代谢通路来分析代谢网络的变化，并且找到GWAS（基因组关联研究）中的相关基因。

基因表达差异分析是一种比较不同组织或条件下基因表达量的方法，它通过测量RNA序列的数量来观察不同基因表达量的变化。

这种方法可以用来研究生物体对不同刺激的响应，或者揭示不同组织之间的差异性。

在基因表达差异分析中，我们可以通过对RNA数据进行聚类分析，找到相似的基因或者组织，并且对它们进行一些更深入的研究。

在这个过程中，KEGG代谢通路可以发挥巨大的作用，因为它可以提供代谢网络的全局视野，并且揭示不同基因对于代谢网络的影响。

为了使用KEGG代谢通路来分析基因表达差异，我们需要首先建立一个代谢通路图。

这个图可以用来表示不同代谢物之间的相互作用和反应，在这个图的基础上，我们可以将不同基因与不同代谢物之间的联系进行对应。

这样就可以建立一个包含基因表达和代谢通路的完整网络图。

一旦建立好这个网络图，我们就可以使用基因表达差异分析的方法来揭示基因与代谢通路之间的联系。

在这个过程中，我们可以用不同颜色的标识来显示哪些基因与代谢物之间有关系，并且哪些基因与代谢通路之间不存在联系。

这种方法可以用来快速地找到基因表达量的变化与代谢通路的变化之间的关系，并且发现不同基因之间的相互作用。

在基因表达差异分析的过程中，我们还可以使用一些其他的方法来进一步分析代谢通路的变化。

例如，我们可以用基因集富集分析（GSEA）的方法来检查哪些代谢通路与某些基因集有相关性，并且找到不同代谢通路之间的相互联系。

化学合成生物学中的代谢工程技术化学合成生物学是一种将生物学和化学合成相结合的新兴学科。

代谢工程技术是化学合成生物学中的重要分支，它通过改造生物体内的代谢网络，使得生物体能够高效地生产有价值的化合物。

在这篇文章中，我们将探讨代谢工程技术在化学合成生物学中的应用。

1. 代谢工程技术的基本原理代谢工程技术的基本原理是在生物体内调节代谢网络，以增强目标产物的合成效率。

在代谢网络中，代谢产物和代谢途径之间存在着复杂的相互作用。

通过了解代谢网络的结构和功能，可以设计出针对目标代谢途径的基因工程策略，从而优化代谢产物的合成效率。

代谢工程技术主要包括基因编辑、信号传导调节、细胞工程和代谢调节等技术。

其中，基因编辑技术是最为常见的代谢工程技术之一，它通过改变生物体内目标基因的DNA序列，来改变目标产物的合成效率。

信号传导调节技术则是通过调节细胞内的信号传递通路来改变代谢途径的活性。

细胞工程技术则是通过改变细胞内的状态和环境，来优化代谢产物的合成效率。

而代谢调节技术则是通过调节代谢网络内不同代谢路线之间的平衡关系，来优化目标产物的分配比例。

2. 代谢工程技术的应用范围代谢工程技术在化学合成生物学中的应用范围非常广泛，可以涉及到从单细胞生物到高等真核生物，从生物制药到工业化学品的生产等诸多领域。

例如，代谢工程技术可以应用于生物制药领域。

在过去的几十年中，由于研究人员对代谢工程技术的不断发展，已经有许多生物制药品种得到了大规模生产。

比如，在遗传工程疫苗的生产中，代谢工程技术可以调节生物体内的代谢网络，使得生物体能够产生有效的疫苗免疫原，来使人体产生相应的免疫能力。

同时，代谢工程技术还可以优化生长条件和工艺参数等关键因素，以实现对生产过程的精细控制和优化。

除了生物制药领域之外，代谢工程技术还可以应用于其他诸多领域。

比如，在工业生产中，代谢工程技术可以优化微生物的代谢途径，促进生物体内目标产物的合成效率。

例如，在乙酸乙酯的生产过程中，代谢工程技术可以通过改变琼脂糖的种类和浓度来调节微生物体内的代谢平衡，以实现琼脂糖生产的高效和规模化。

代谢工程：（部分）把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。

代谢工程与随机诱变育种的优势：在代谢工程中工作计划的定向性更加集中,更加有针对性。

这定向性在酶的目标的选择，实验的设计，数据的分析上起着支配的作用。

代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程，其不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义，而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域，主要包括：(1)异源蛋白的生产；(2)扩大底物利用范围；(3)生产原来不存在的新物质；(4)对环境有害物质的降解；(5)提高菌体对环境的适应能力；(6)阻断或降低副产物的生成；(7)代谢产品生产速率和生产能力的提高；(8)植物代谢工程；(9)动物代谢工程；(10)人体和组织代谢工程一人类疾病诊断和基因治疗。

代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。

代谢流(物流/通量)(flux)：流入代谢物经该途径转变为流出物的速率。

代谢网络可视为由若干个串联或并联的简单子途径组成，它们通过节点相连。

节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。

柔性节点：是指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加。

强刚性节点:是指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。

弱刚性节点:介于前两者之间，由该节点流向各分支的代谢流中有一个是占主导地位的，其酶活较高或对节点代谢的亲和力较大，且无反馈抑制，通过削弱主导分支的酶量或酶活可增加产物的产率。

代谢物流分析：一种计算流经各种途径的通量的技术，用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。

代谢控制分析:物流控制被分布在途径的所有步骤中，只是若干步骤的物流比其他的更大些，可用数学方程来描述反应网络内的控制机制，即用一途径的物流和以物流控制系数来定量表示酶活之间的关系。

代谢组学检测指标
代谢组学是对生物体内代谢产物进行定性和定量分析的一门学科，其检测指标通常包括以下几类：
1. 代谢产物：包括氨基酸、有机酸、脂肪酸、糖类、核苷酸等小分子化合物，这些代谢产物可以反映生物体的代谢状态和生理功能。

2. 代谢途径：代谢组学可以检测生物体内部的代谢途径，例如糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸合成等，这些途径的变化可以反映生物体的代谢状态和生理功能。

3. 生物标志物：代谢组学可以检测生物体内部的生物标志物，例如与疾病相关的代谢产物、药物代谢产物等，这些生物标志物可以用于疾病诊断、治疗监测等方面。

4. 代谢网络：代谢组学可以检测生物体内部的代谢网络，例如不同代谢产物之间的相互作用、代谢途径之间的相互关系等，这些信息可以帮助我们更好地理解生物体的代谢机制。

5. 环境因子：代谢组学可以检测生物体对环境因子的响应，例如温度、湿度、光照等，这些信息可以帮助我们更好地了解生物体与环境之间的相互关系。

代谢组学的检测指标非常广泛，可以帮助我们更好地了解生物体的代谢状态和生理功能，为疾病诊断、治疗监测、药物研发等提供重要的信息。