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第1章 代谢工程的实质 1

1.1 代谢工程的重要性 5

1.2 本书的概要 8

参考文献 11

第2章 细胞代谢综述 12

2.1 细胞代谢概述 12

2.2 运输过程 15

2.2.1 被动运输 15

2.2.2 促进扩散 17

2.2.3 主动运输 19

2.3 供能反应 21

2.3.1 糖酵解 21

2.3.2 发酵途径 26

2.3.3 TCA循环和氧化磷酸化 28

2.3.4 回补途径 30

2.3.5 脂类、有机酸和氨基酸的分解代谢 32

2.4 生物合成反应 33

2.4.1 氨基酸的生物合成 33

2.4.2 核酸、脂肪酸和其它结构单元的生物合成 36

2.5 聚合反应 38

2.6 生长能学 41

参考文献 44

第3章 细胞反应的综合模型 48

3.1 细胞反应的化学计量学 48

3.2 反应速率 52

3.3 动态质量平衡 54

3.4 产率系数与线性速率方程 59

参考文献 66

第4章 物质平衡与数据一致性 67

4.1 黑箱模型 67

4.2 元素平衡方程式 68

4.3 热平衡 73

4.4 超定系统的分析——过失测量误差的识别 75

参考文献 83

第5章 代谢途径的调控 85

5.1 酶活性的调控 86

5.1.1 酶动力学概述 87

5.1.2 简单可逆抑制系统 90

5.1.3 不可逆抑制 94

5.1.4 别构酶 95

5.2 酶浓度调节 98

5.2.1 转录起始的控制 98

5.2.2 翻译的控制 101

5.3 总体调控：在完整细胞水平上的调控 102

5.4 代谢网络的调控 107

5.4.1 分支点分类 110

5.4.2 耦合反应与总体流通代谢物的作用 112

参考文献 114

第6章 途径操作实例——代谢工程实践 116

6.1 产品得率及生产能力的提高 116

6.1.1 乙醇 117

6.1.2 氨基酸 121

6.1.3 溶剂 126

6.2 扩大底物范围 128

6.2.1 戊糖代谢生产乙醇的代谢工程 128

6.2.2 纤维素－半纤维素解聚作用 132

6.2.3 乳糖和乳清利用 132

6.2.4 蔗糖利用 134

6.2.5 降解淀粉的微生物 134

6.3 扩展产物范围，增加新产品 135

6.3.1 抗生素 135

6.3.2 聚酮化合物 136

6.3.3 维生素 139

6.3.4 生物聚合物 140

6.3.5 生物色素 145

6.3.6 氢 146

6.3.7 戊糖：木糖醇 147

6.4 细胞性能的改进 148

6.4.1 氮代谢的改造 148

6.4.2 提高氧的利用 148

6.4.3 过度代谢的防止 149

6.4.4 底物吸收的改变 151

6.4.5 遗传稳定性的维持 152

6.5 异生物的降解 152

6.5.1 多氯联苯（PCBs） 153

6.5.2 苯、甲苯和对二甲苯混合物（BTX） 154

参考文献 156

第7章 代谢途径合成 166

7.1 代谢途径合成算法 167

7.2 算法综述 173

7.3 实例研究——赖氨酸生物合成 176

7.3.1 草酰乙酸的作用 179

7.3.2 其它替代途径 179

7.3.3 关于最高得率的限制 179

7.4 算法的讨论 180

参考文献 181

第8章 代谢通量分析 182

8.1 理论 184

8.2 超定系统 196

8.3 不定系统—线性规划 201

8.4 敏感性分析 204

参考文献 206

第9章 利用同位素标记实验测定代谢通量的方法 207

9.1 根据标记富集度分数直接确定通量 208

9.1.1 根据瞬时强度测量确定代谢通量 208

9.1.2 代谢稳态和同位素稳态实验 209

9.2 涉及同位素标记代谢物完全列出的应用 214

9.2.1 来自标记丙酮酸的TCA循环同位素标记代谢物的分布 216

9.2.2 来自标记乙酸的TCA循环同位素标记代谢物的分布 221

9.2.3 实验数据整理 222

9.3 碳平衡 232

9.3.1 直接碳平衡 232

9.3.2 原子作图矩阵的应用 237

参考文献 240

第10章 代谢通量分析的应用 241

10.1 由谷氨酸细菌生产氨基酸 242

10.1.1 谷氨酸菌的生物化学与调节 242

10.1.2 理论得率的计算 245

10.1.3 C.glutamicum菌中赖氨酸生物合成网络的代谢通量分析 250

10.1.4 C.glutamicum特定缺失突变株的代谢通量分析 257

10.2 哺乳动物细胞培养中的代谢通量 261

10.2.1 胞内通量的确定 261

10.2.2 通过13C标记研究证实通量估计 265

10.2.3 通量分析在细胞培养基设计中的应用 268

参考文献 268

第11章 代谢控制分析 270

11.1 代谢控制分析的基础 271

11.1.1 控制系数和加和定理 272

11.1.2 弹性系数和连接定理 274

11.1.3 MCA理论的一般化 276

11.2 通量控制系数的确定 277

11.2.1 确定通量控制系数的直接法 279

11.2.2 确定通量控制系数的间接法 282

11.2.3 瞬态代谢物测量的应用 284

11.2.4 动力学模型 286

11.3 线性途径的MCA 286

11.4 分支途径的MCA 291

11.5 大偏差理论 299

11.5.1 未分支的网络 299

11.5.2 分支网络 304

11.5.3 对营养物浓度和外部效应物变化的响应 307

11.5.4 讨论 307

参考文献 308

第12章 代谢网络的结构分析 311

12.1 在单一分支点处通量分布的控制 313

12.2 反应分组 316

12.2.1 组通量控制系数 316

12.2.2 独立途径的识别 317

12.3 实例研究——芳香族氨基酸的生物合成途径 322

12.3.1 S.cerevisiae中芳香族氨基酸生物合成模型 322

12.3.2 独立途径的确定 326

12.3.3 连接代谢物的识别和组通量确定 328

参考文献 338

第13章 代谢网络的通量分析 339

13.1 组控制系数与单个控制系数之间的关系（自下而上法） 339

13.2 由通量测量确定组控制系数（自上而下法） 341

13.2.1 从三个扰动确定gFCCs 341

13.2.2 从已表征的扰动确定gFCCs 343

13.2.3 gCCCs的确定 344

13.2.4 扰动的可观察性 344

13.3 实例研究 345

13.3.1 组控制系数的解析确定（自下而上法） 345

13.3.2 gFCCs实验确定的模拟（自上而下法） 350

13.4 交叉代谢物反应组控制分析的扩展 352

13.4.1 扰动常数 352

13.4.2 多分支点上重叠反应组的分析 352

13.4.3 实例研究 354

13.5 通量扩增的优化 355

13.5.1 优化算法的推导 355

13.5.2 实例研究 357

13.6 一致性检验与实验证实 359

13.6.1 利用多次扰动发展一致性检验 360

13.6.2 对预苯酸分支点的应用 363

13.6.3 测量误差的影响 364

参考文献 365

第14章 细胞过程热力学 366

14.1 热力学原理：综述 366

14.2 热力学可行性 371

14.2.1 算法 372

14.2.2 利用基团贡献法确定△G0′ 377

14.3 非平衡热力学 384

14.4 热动力学在代谢控制分析中的应用 396

参考文献 400

专业词汇 402

索引 410

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