代謝通量分析

《代謝通量分析》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫(kù)。

1、代謝通量分析一、研究背景和目的谷胱甘肽是生物體內(nèi)的一種重要的活性三肽，由谷氨酸，半胱氨酸和高甘氨酸縮合而成。在生物體內(nèi)對(duì)于維持機(jī)體適宜的氧化還原環(huán)境起著至關(guān)重要的作用。在臨床上，谷胱甘肽是一種治療肝病、腫瘤、中毒、白內(nèi)障及衰老等疾病的重要生化藥物，在食品添加劑和運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)學(xué)上也備受關(guān)注，其需求量也不斷增加。1、谷胱甘肽代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型依據(jù)六個(gè)條件（見文獻(xiàn)）建立谷胱甘肽代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及谷胱甘肽的生物合成途徑（文獻(xiàn)中圖一），并列出胞內(nèi)代謝反應(yīng)方程（附表一）。2、代謝通量的計(jì)算先假設(shè)細(xì)胞內(nèi)的中間代謝產(chǎn)物均處于擬穩(wěn)態(tài)，這樣由n個(gè)中間代謝產(chǎn)物

2、即可得到n個(gè)關(guān)于速率的約束條件，若選定的總數(shù)目為J,則待解問題的自由度為F=J譏這樣通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出F個(gè)不相關(guān)速率可確定整體通量分布。以xi表示代謝網(wǎng)絡(luò)中第i種代謝物的積累速率，則有xi=Eajrj-Eakrk,式中rj表示生成第i種代謝物的第j個(gè)反應(yīng)的通量，rk為消耗第i種代謝物的第k個(gè)反應(yīng)的通量，aj和ak均為化學(xué)計(jì)量系數(shù)，xi、rj和rk為比速率。采用矩陣的形式（見文獻(xiàn)）直觀地表示出代謝物的積累速率，通過矩陣?yán)镁€性代數(shù)的知識(shí)測(cè)定葡萄糖消耗速率、細(xì)胞合成速率、谷胱甘肽牛成速率等。三、結(jié)果：一定的擾動(dòng)對(duì)谷胱甘肽生物合成量的影響通

3、過添加L■半胱氨酸，半胱氨酸一方面用于谷胱甘肽的合成，另一方血也要用作前體參與細(xì)胞的合成，二者在一定條件下是相互矛盾的，即參與細(xì)胞合成的半胱氨酸多，則用于谷胱甘肽合成的半胱氨酸就相對(duì)較少,而這對(duì)于胞內(nèi)谷胱甘肽含量的提高是不利的。在發(fā)酵后期向反應(yīng)體系中以外加半胱氨酸的方式來補(bǔ)充半胱氨酸的供給，對(duì)于緩解胞內(nèi)半胱氨酸的需求可能是有幫助的。由此可見，額外的半胱氨酸的供給使通往GC的碳通量（「62）增加將近1倍。因此最終谷胱甘肽的產(chǎn)量也以相應(yīng)的倍數(shù)增加（增幅為91%）0另外，半胱氨酸補(bǔ)加的直接結(jié)果是導(dǎo)致了通往HMP途徑的碳通量（門7）銳減

4、，這部分碳通量轉(zhuǎn)而進(jìn)入EMP途徑和TCA循環(huán)，合成了更多的NADH和FADH2,由于半胱氨酸中筑基具有高度的還原性，因此半胱氨酸的補(bǔ)加也改變了發(fā)酵體系已有的氧化還原環(huán)境，此時(shí)用于細(xì)胞維持的ATP消耗也明顯增加，增幅達(dá)到23%.四、與其他方法對(duì)于谷胱甘肽生物合成量影響的比較不同時(shí)間不同濃度過氧化氫脅迫和過氧化氫連續(xù)脅迫對(duì)產(chǎn)航假絲酵母合成谷胱甘肽⑴的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度過氧化氫的連續(xù)脅迫對(duì)谷胱甘肽的合成有明顯促進(jìn)作用。進(jìn)一步在發(fā)酵罐上應(yīng)用了低濃度過氧化氫（36mmol/L）持續(xù)脅迫策略，最終谷胱甘肽產(chǎn)量為922mg/L,胞內(nèi)谷胱甘肽含量

5、為1.64%,比對(duì)照分別提高了7%和35%.對(duì)細(xì)胞賦予短時(shí)間pH脅迫，以期提高其胞內(nèi)谷胱甘肽［2］合成能力，并使谷胱甘肽向胞外分泌，從而改變谷胱甘肽在胞內(nèi)外的分布和增加谷胱廿肽合成總量。在該發(fā)酵策略的控制下，谷胱廿肽總產(chǎn)量達(dá)到737.1mg/L.采用產(chǎn)航假絲酵母，在細(xì)胞高密度培養(yǎng)基礎(chǔ)上，考察了半胱氨酸添加與溶氧控制及低pH脅迫對(duì)谷胱甘肽合成⑶的影響。結(jié)果表明，細(xì)胞高密度培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(45h),—次性添加50mmol/L半胱氨酸，第60h時(shí)谷胱甘肽產(chǎn)量達(dá)1534mg/L.添加半胱氨酸后的3h內(nèi)溶氧控制在5%,之后的12h將溶氧控制在

6、20%,可減少半胱氨酸添加量，而谷胱甘肽產(chǎn)量卻提高13%.將30mmol/L半胱氨酸分2次添加并與pH脅迫和溶氧控制相組合，發(fā)酵結(jié)束時(shí)(78h),谷胱廿肽終產(chǎn)量達(dá)1936mg/L.五、總結(jié)通過在不同情況下谷胱甘肽生物合成量，可以明顯看出，通過加入半胱氨酸可以顯著提高谷胱甘肽的生物合成量；其次是低濃度過氧化氫也可以提高谷胱甘肽的合成量；低pH也可以用于提高谷胱甘肽合成量。但是，若多種方法結(jié)合一起使用，谷胱廿肽的合成量則提高的更顯著:在培養(yǎng)的過程中，可以在不同階段使用不同的調(diào)節(jié)方法，先用通過添加半胱氨酸，再控制洛氧，最后再低pH可使

7、谷胱甘肽的合成量高達(dá)1936mg/L?由此可見，不同的方法對(duì)谷胱甘肽的合成量影響不同，且添加半胱氨酸的方法更有效。六、參考文獻(xiàn)⑴廖鮮艷,張文燕，朱至，陳堅(jiān)，堵國(guó)成.過氧化氫脅迫促進(jìn)產(chǎn)航假絲酵母合成谷胱甘肽［J］?生物工程學(xué)報(bào),2008,24(6):1046-1050?［2］聶薇,衛(wèi)功元，李寅，堵國(guó)成,陳堅(jiān).利用低pH脅迫作用促進(jìn)產(chǎn)航假絲酵母生產(chǎn)谷胱甘肽卩］?化工學(xué)報(bào),2005,56(9):1751-1756.⑶梁國(guó)，堵國(guó)成,陳堅(jiān).半胱氨酸添加與溶氧控制及pH脅迫相結(jié)合促進(jìn)產(chǎn)月元假絲酵母合成谷胱廿肽［J］.過程工程學(xué)報(bào),2009,

8、9(4):787-790.