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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MCA286

11.4 分支途径的MCA291

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gFCCs341

13.2.2 从已表征的扰动确定gFCCs343

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