微生物的代謝及其調(diào)控課件

1、第7章 微生物的代謝及其調(diào)控 相關(guān)問題主講 惠 明 博士微生物的降解代謝及生物能的產(chǎn)生微生物的合成代謝及生物能的利用微生物的代謝調(diào)控問題1課程思路食品原材料大多是農(nóng)副產(chǎn)品，是一些大分子聚合物的混合物。這些大分子聚合物（營養(yǎng)源）只有降解成小分子物質(zhì)（怎樣降解？）才能被微生物吸收（如何進(jìn)入細(xì)胞？）和利用。微生物細(xì)胞如何利用這些小分子材料合成細(xì)胞物質(zhì)完成自身復(fù)制和代謝產(chǎn)物合成23向心途徑在細(xì)胞機(jī)器工作模式中的位置向心途徑中心代謝途徑離心途徑降解注入兩用途徑合成分泌4 1 微生物的降解代謝及代謝能的產(chǎn)生1.1 胞外酶對多聚物的水解1.2 微生物對各種有機(jī)化合物的降解1.3 生物能的產(chǎn)生（細(xì)胞能學(xué)）討論

2、5 各種有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)（包括經(jīng)水解酶降解形成的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)）大多以主動輸送的方式進(jìn)入原核生物的細(xì)胞，以促進(jìn)擴(kuò)散和主動輸送的方式進(jìn)入真核微生物的細(xì)胞，這幾種輸送方式均需借助于細(xì)胞的蛋白質(zhì)（載體蛋白或酶）。 化能異養(yǎng)型微生物可以廣泛地利用各種各樣的有機(jī)物進(jìn)行生長和繁殖。在發(fā)酵工業(yè)上發(fā)酵生產(chǎn)的原料大多是農(nóng)副產(chǎn)品。微生物必須能合成并分泌能分解這些原料的酶，把原料轉(zhuǎn)化成可以進(jìn)入細(xì)胞的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)。6 進(jìn)入細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)若是中心代謝途徑的起始物或中間產(chǎn)物，即可納入中心代謝途徑進(jìn)行代謝；若不是中心代謝途徑的起始物或中間產(chǎn)物，則需經(jīng)向心途徑的降解途徑，轉(zhuǎn)化成中心代謝途徑的起始物或中間產(chǎn)物，才可納入中心代謝途徑進(jìn)

3、行代謝。7 化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞借助于微生物的向心途徑將有機(jī)化合物（碳水化合物、烴類化合物、含氮有機(jī)化合物或其他有機(jī)化合物）降解或轉(zhuǎn)化成中心途徑上對應(yīng)的的化合物，從而使這兩種途徑銜接起來。微生物的向心途徑一般依次包括三個(gè)部分：（1）胞外降解途徑（胞外酶催化）（2）跨膜系統(tǒng)（有載體蛋白參與）（3）胞內(nèi)向心途徑8 原材料經(jīng)向心途徑注入中心途徑， 兩者的接合點(diǎn)（接口）原則上可以是中心途徑上的任意化合物，但主要是12個(gè)代謝前體物。 如果進(jìn)入細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)是中心代謝途徑的起始物或中間產(chǎn)物，則胞內(nèi)向心途徑就縮成一個(gè) “ 點(diǎn) ” ，這個(gè)點(diǎn)也就是向心途徑與中心途徑的接口 。 代謝網(wǎng)絡(luò)的向心途徑往往是分解代

4、謝途徑，它們大多是以中心途徑上對應(yīng)的化合物為終點(diǎn)的。9 微生物能分泌胞外酶（多是水解酶），把多聚物水解成可以進(jìn)入細(xì)胞的分子。 這些胞外酶游離于微生物細(xì)胞外，有些仍與細(xì)胞相連。細(xì)胞還會分泌一些附著物，使某些疏水化合物結(jié)合到細(xì)胞表面，以便于降解。多聚物水解不會產(chǎn)生可被生物利用的能量，但多聚物水解是向心途徑的第一步。1.1 胞外酶對多聚物的水解10 可作為營養(yǎng)的多聚物包括：淀粉、纖維素、果膠類物質(zhì)（果膠酸、果膠、原果膠質(zhì) ）、 幾丁質(zhì)（ 甲殼質(zhì) ）、半纖維素 、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和多肽、核酸等。 還有些有機(jī)化合物雖不是多聚物，但也需要首先被微生物的胞外酶水解以后才能被微生物吸收，如許多微生物能分泌脂肪酶

5、，它能將甘油三脂水解成脂肪酸和甘油后再利用。11(1)淀粉由葡萄糖分子以-1,4和（或）-1,6糖苷鍵連接而成的大分子物質(zhì)，分直鏈淀粉和支鏈淀粉。前者聚合度為1006000，以-1,4糖苷鍵相連呈直鏈狀；后者的聚合度約為6000幾十萬，呈分枝狀聚合物。淀粉經(jīng)-淀粉酶（作用于-1,4糖苷鍵，屬內(nèi)切酶，遇分枝點(diǎn)不能切）作用，直鏈淀粉生成麥芽糖及少量葡萄糖，而支鏈淀粉生成寡糖、麥芽糖和少量葡萄糖。12淀粉經(jīng)-淀粉酶（外切型淀粉酶，從非還原性末端C4-OH，以麥芽糖為單位順次分解-1,4糖苷鍵，同時(shí)使切下的麥芽糖還原性末端C1-OH的Glc殘基構(gòu)型轉(zhuǎn)變成型）作用，直鏈淀粉生成麥芽糖及少量葡萄糖，而支鏈

6、淀粉生成麥芽糖（約5060%）和-極限糊精。淀粉經(jīng)葡萄糖淀粉酶（即糖化酶，-1,4葡聚糖葡萄糖水解酶，從C4-OH端依此水解-1,4糖苷鍵，其中包含麥芽糖的-1,4鍵及少量的-1,6鍵）作用，理論上生成100%的葡萄糖。淀粉經(jīng)脫支酶作用（專一水解支鏈淀粉或糖原的-1,6糖苷鍵）生成直鏈糊精。13（2）纖維素纖維素是構(gòu)成植物結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)，也是大自然中存量最豐富的碳水化合物。其化學(xué)結(jié)構(gòu)是由葡萄糖以-1,4糖苷鍵連接的直鏈狀聚合物。纖維素一般與角質(zhì)層及果膠物質(zhì)結(jié)合在一起。纖維素酶包括Cx酶（內(nèi)切-1,4鍵）、C1酶（外切-1,4鍵）及Cb酶（ -1,4葡萄糖苷酶）等組分。纖維素經(jīng)Cx酶處理產(chǎn)物為纖

7、維糊精和纖維寡糖，經(jīng)C1酶處理產(chǎn)物為葡萄糖和纖維二糖，經(jīng)Cb酶處理產(chǎn)物為葡萄糖14（3）果膠果膠酸：以-1,4鍵相連的多聚D-半乳糖醛酸，水溶性。原果膠：果膠酸的鈣鹽，不溶于水果膠（果膠酯酸）：75%D-半乳糖醛酸被甲醇酯化。果膠酶包括：果膠質(zhì)解聚酶（專一分解D-半乳糖醛酸之間的-1,4鍵）和果膠酯酶（PE，水解果膠分子中的甲酯鍵，生成果膠酸。果膠經(jīng)果膠酶作用后的產(chǎn)物為：半乳糖醛酸15（4）幾丁質(zhì)幾丁質(zhì)（甲殼質(zhì)），也稱殼聚糖，其組成單位是：N-乙酰氨基葡萄糖。幾丁質(zhì)在幾丁質(zhì)酶作用下降解生成殼二糖。16（5）半纖維素半纖維素大量存在于植物的莖、干、皮等組織中。半纖維素是通過-1,4糖苷鍵連接起來

8、的由己糖和戊糖聚合而成的多聚物的總稱。半纖維素降解后生成己糖和戊糖。17（6）木質(zhì)素（Lignin)木質(zhì)素是自然界除纖維素外最多的多糖。木質(zhì)素是由羥基丙烯酚為單位組成的無定形三維芳香族多聚物。子囊菌綱與半知菌綱的菌可降解木質(zhì)素。18（7）其他大分子物質(zhì)的降解蛋白質(zhì)和多肽：在蛋白酶作用下降解成各種氨基酸。核酸：在磷酸二酯酶作用下生成單核苷酸，進(jìn)一步分解成堿基、磷酸、核糖脂肪：在脂肪酶作用下生成脂肪酸和甘油，脂肪酸經(jīng)氧化生成AcCoA進(jìn)入TCA環(huán)，甘油轉(zhuǎn)化成DHAP或 GA-3-P19二糖的吸收和降解（一般在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生）乳糖 -半乳糖苷酶 Glc + 半乳糖纖維二糖+ Pi 纖維二糖磷酸化酶 Gl

9、c + G-6-P麥芽糖 + pi 麥芽糖磷酸化酶 Glc + G-1-P蔗糖 + pi 蔗糖酶 G-1-P + 果糖1.2 微生物對各種有機(jī)化合物的降解20關(guān)于乳糖的吸收與降解關(guān)于二糖的吸收和降解，研究得最清楚的要數(shù)乳糖。大腸桿菌若要在以乳糖為碳源的培養(yǎng)基中生長，首先要誘導(dǎo)出3 種酶：乳糖透性酶、- 半乳糖苷酶、- 半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。乳糖透性酶實(shí)際上是乳糖的載體蛋白，用于乳糖的主動輸送，將乳糖送入細(xì)胞；- 半乳糖苷酶將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖； - 半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶的作用是催化AcCoA將乳糖及其它半乳糖苷乙?；姆磻?yīng)，它可將未能代謝的乳糖乙?；?，并排出細(xì)胞，因此，這個(gè)酶的生物學(xué)功能

10、可能起解毒作用。21Glc- G-6-P EMP TCA果糖-F-6-P-EMP半乳糖-Gal-1-P-G-1-PEMP甘露糖-M-6-P-F-6-P-EMP 甘露糖激酶 6- 磷酸甘露糖異構(gòu)酶己糖的降解22核糖在激酶催化下生成R-5-P，即可進(jìn)入HMP和PK途徑。 阿拉伯糖在異構(gòu)酶的催化下生成核酮糖，然后再磷酸化生成 Ru-5-P，即可進(jìn)入HMP或PK途徑。木糖轉(zhuǎn)化成木酮糖再生成 Xu-5-P進(jìn)入HMP途徑來蘇糖轉(zhuǎn)化成 Xu-5-P進(jìn)入PP環(huán)（3）戊糖的降解（核糖、木糖和阿拉伯糖）23果膠酸經(jīng)胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成 ED 途徑的中間產(chǎn)物 KDPG，即可進(jìn)入 ED 途徑。

11、這樣的作用在假單胞菌、氣單胞菌和土壤桿菌中比較明顯。葡萄糖醛酸 果糖醛酸 甘露糖醛酸 轉(zhuǎn)化成KDPG 經(jīng)ED途徑代謝 木糖醛酸葡萄糖酸 經(jīng)磷酸化生成 6-P-GA進(jìn)入HMP途徑 （4）己糖醛酸的降解24（5）醇類的降解與利用乙醇氧化生成乙醛再到乙酸，然后乙酸+CoASH+ATPAcCOA+AMP+Pi甘露糖醇甘露糖-1-PF-6-PEMP山梨糖醇山梨糖F-6-P丙三醇（甘油）DHAP或 GA-3-P，進(jìn)入PP環(huán)或EMP途徑25（6）各種有機(jī)酸乙酸+CoASH+ATPAcCOA+AMP+Pi 草酸還原生成乙醛酸（GOA）進(jìn)入TCA的輔助環(huán)蘋果酸（MLA）進(jìn)入TCA環(huán)酒石酸：若經(jīng)脫水生成OAATC

12、A，也可轉(zhuǎn)化成3-P-GAEMP丙酸丙酰 CoA 與乙醛酸縮合成-羥基戊二酸裂解成乙酸和乳酸，其中乙酸經(jīng)AcCoA進(jìn)入TCA環(huán)或（和）DCA環(huán)。而乳酸經(jīng)乳酰 CoA、丙酮酰 CoA，轉(zhuǎn)化成羥基丙酮醛，丙酸主要經(jīng)乙酸代謝乙醇酸（羥基乙酸）乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后者直接與AcCoA反應(yīng)，生成蘋果酸進(jìn)入TCA環(huán)26（7）脂肪酸的降解脂肪經(jīng)脂肪酶水解生成脂肪酸和甘油。其中甘油經(jīng)3-磷酸甘油或經(jīng)二羥基丙酮轉(zhuǎn)化成磷酸二羥丙酮（DHAP）進(jìn)入EMP途徑，脂肪酸經(jīng)氧化生成AcCoA進(jìn)入TCA環(huán)。脂肪酸的-氧化是在原核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)進(jìn)行的。若脂肪酸分子的碳原子數(shù)為偶數(shù)，最終得AcCoA，若為

13、奇數(shù)，則同時(shí)也得到丙酰CoA。 AcCoA直接進(jìn)入TCA 環(huán)降解，丙酰 CoA 則可以經(jīng)甲基丙二酸單酰CoA，然后甲基丙二酸單酰 CoA分子重排，形成ScCoA而進(jìn)入TCA環(huán)。27（8）脂肪族烴的降解（石油發(fā)酵）關(guān)于石油發(fā)酵生產(chǎn)SCP的問題烴類氧化成醇、醛、酸，再氧化成脂肪酸，脂肪酸經(jīng)氧化生成AcCoA，進(jìn)入TCA循環(huán)。微生物對烴的降解，首先需要氧，在烴上生長是專性需氧的過程。能夠在C5C8脂肪族烴中生長的細(xì)菌相對較少，如分支細(xì)菌、黃桿菌、諾卡氏菌等。28（9）氨基酸的降解蛋白質(zhì)在蛋白酶或肽酶作用下生成氨基酸，氨基酸經(jīng)主動運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞后，若經(jīng)脫氨作用轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸，若經(jīng)脫羧作用生成胺。其中：Gl

14、yGOA ， AspOAA，PheFMA+乙酰乙酸， Glu-KG， ArgSCA ，AlaPYR ，Val2-氧代異戊酸 Leu 2-氧代異己酸 Ile 2-氧代-3-甲基戊酸 AcCoA和丙酰CoA29(10)核苷酸的降解核酸經(jīng)核酸酶生成核苷酸，再經(jīng)核苷酸酶分解生成核苷和磷酸嘌呤和嘧啶降解生成 ：有機(jī)酸+NH3+CO230（11）芳香族化合物（分子中有芳香環(huán)）芳香族化合物在環(huán)境和食品中的累積會危及人類的健康（芳香族氨基酸無毒）。芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨酸、奎尼酸等）。大多先被轉(zhuǎn)變成兒茶酚（ 鄰苯二酚 ）和原兒茶酸（3，4-二羥苯甲酸）。兒茶酚和原兒茶酸再經(jīng)鄰位分解 （ 3-

15、 氧代己酸途徑 ） 降解成SCA和AcCoA； 或兒茶酚和原兒茶酸經(jīng)間位分解（間位分解途徑）降成PYR和乙醛。因此，兒茶酚和原兒茶酸可稱為芳香族化合物分解的“中心代謝物”。31 微生物也可以不經(jīng)過以上途徑降解芳香族氨基酸。Phe和Tyr經(jīng)尿黑酸（ 2,5-二羥苯乙酸 ）降解為延胡索酸和乙酰 CoA，即可進(jìn)入TCA環(huán)。 32（12）細(xì)胞內(nèi)源性高聚物的降解PHB（多聚-羥基丁酸）解聚生成-羥基丁酸，再生成AcCoA，進(jìn)入TCA環(huán)。PGA（聚-谷氨酸）解聚后生成谷氨酸，脫氨后生成-KG。33（13）其他一些復(fù)雜化合物的降解前面所述的各種降解途徑均是由染色體 DNA 編碼的。 近來發(fā)現(xiàn)在惡臭假單胞菌和

16、一些相關(guān)的種的微生物細(xì)胞中含有降解性質(zhì)粒，它們包含某些特殊的降解代謝的酶（酶系）合成的遺傳信息。首先發(fā)現(xiàn)的是編碼樟腦降解酶系的質(zhì)粒，后來還發(fā)現(xiàn)惡臭假單胞菌的烷烴氧化作用，受正辛烷質(zhì)粒的控制，這個(gè)質(zhì)粒為可誘導(dǎo)的烷烴羥化酶和伯醇脫氫酶編碼，而染色體DNA則為用于伯醇、脂肪醛和脂肪酸降解的組成型的氧化酶編碼。341.3 生物能的產(chǎn)生（細(xì)胞能學(xué)）討論葡萄糖降解代謝 綜合示意圖35PYRGlcGAGLG-6-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)DHAPGA-3-PPYREMPE-4-PAc-P(HPK)HPK(G6PDH)6-P-GA(6PGDH)RU-5-PR-5-PXU-5-PKDPG（6PGA脫

17、水酶）(KDPG醛縮酶）GA-3-PPYRGA-3-PPYRAc-P(PK)EDPKGA-3-PPYR 2(F-6-P)(TA)(TK)C4P,C7PHMP（FDP醛縮酶）葡萄糖降解途徑之間的關(guān)系36PYRAcCoA+H2+CO2乙酸AcAcCoA丙酮 丙醇丁酸丁醇3-羥基丁酸丁二醇AcCoA乙酸乙醇梭菌大腸桿菌乳酸細(xì)菌 酵母菌 丙酸細(xì)菌乳酸乙醇乙醛OAASCACO2丙酸ATPATPATPATPATPCO2CO2甲酸（H2 +CO2）乳酸脫氫酶乙醇脫氫酶丙酮酸脫羧酶丙酮酸脫氫酶系統(tǒng)37GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DH

18、APGA-3-P3-P-GAPEPPYR(PK)(PEPS) (PyPiDK)KDPG(ED途徑)半乳糖醛酸（果膠物質(zhì)）二糖、糖原、多糖、（含細(xì)胞壁多糖）等其他己糖、糖醇戊糖R-1-PMNsRNA甘油油脂Gly、羥基乙酸、草酸GOA（甘油酸途徑）酒石酸、乳酸、氨基酸(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)AcCoA(PD) (PFL)(PS)待續(xù)38PYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGICACTAGOAPEP氨基酸（Asp,Asn）FMA氨基酸（Tyr,Phe,Asp）芳香族化合物,氨基酸（Ile,Met,Thr,Val）酒石酸、乳酸、氨基酸(Ala,Gly,Cys,Ser,T

19、hr)氨基酸（Glu,Gln,His,Pro,Arg）羥基乙酸,草酸,GlyAcAcCoAPHB,氨基酸(Leu,Lys,Phe,Tyr）乙酸,醋酸,脂肪酸,類脂,烴,油脂,氨基酸(Ile,Leu,Trp)接上頁39多糖脂質(zhì)異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物有機(jī)化合物CO2CO2 G-6-P F-6-P R-5-P -KG ScCoA AcCoA E-4-P OAAGA-3-P 3-P-GA PEP PYR碳水化合物脂肪酸其他輔因子氨基酸蛋白質(zhì)核苷酸核酸維生素40 不完全氧化是微生物令人感興趣的性質(zhì)，所謂不完全氧化，指的是在這過程中還沒有被完全氧化的有機(jī)化合物作為工業(yè)發(fā)酵的終端產(chǎn)物排出細(xì)胞，這個(gè)過程對工業(yè)發(fā)

20、酵是十分重要的。41在磷酸化過程中，相關(guān)的酶將底物分子上的磷酸基團(tuán)直接轉(zhuǎn)移到ADP分子上 底物水平的磷酸化 42 左圖描繪了大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜的情況：由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈在圖中被描繪成一系列相互作用的蛋白質(zhì)。43細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜（左）和真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜（右）上的電子傳遞過程的比較圖4445生物能形式的轉(zhuǎn)換及功能代謝能形式的轉(zhuǎn)換與代謝能的支出462 微生物合成代謝2.1 分子模塊等的生物合成2.2 能量代謝副產(chǎn)物的合成2.3 次級代謝產(chǎn)物的合成2.4 合成代謝的成本問題47離心途徑在細(xì)胞機(jī)器工作模式中的位置向心途徑中心代謝

21、途徑離心途徑48 從初級代謝網(wǎng)絡(luò)中心板塊的前體代謝物出發(fā)，經(jīng)胞內(nèi)離心途徑可以合成細(xì)胞的各種初級代謝產(chǎn)物和能量代謝副產(chǎn)物；其中有些可能透出或被輸送出細(xì)胞（成為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)物），有些直接參與細(xì)胞自身的生長和繁殖。49 有機(jī)物的降解途徑的運(yùn)行可為微生物的自身合成提供前體代謝物、代謝能和還原力。有了這三者，微生物細(xì)胞就可以合成細(xì)胞中主要的生物多聚體的前體（模塊分子）：大致包括 5 個(gè)嘌呤和嘧啶，20個(gè)氨基酸（18個(gè)氨基酸和 2個(gè)氨基酰胺），還有碳水化合物、脂肪酸（含有機(jī)酸）、維生素及其它輔助因子。 這些前體再按生物學(xué)規(guī)律合成生物多聚體： 核酸、蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)等，直至整個(gè)微生物細(xì)胞活有機(jī)體。2.1

22、分子模塊等的生物合成50 化能異養(yǎng)型微生物的合成代謝具多樣性和復(fù)雜性，從工業(yè)發(fā)酵的角度來看，包含初級代謝產(chǎn)物、能量代謝副產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物、酶及微生物多糖、微生物菌體等的合成。 這一節(jié)，只是從微生物生長的角度描述微生物對單糖與多糖的合成、含氮化合物的合成、對類脂和類異戊二烯化合物的合成，目的是大致說明構(gòu)建微生物菌體細(xì)胞的路子。51GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYR(PK)(PEPS) (PyPiDK)AcCoA(PD) (PFL)(PS)糖原肌醇磷脂肽聚糖,GlcNAcPRPPH

23、isDNA,RNA,dTMPUMP,CTP,AMP,GMP莽草酸 預(yù)苯酸分支酸 Phe,TyrTrp,NAD (真菌) , CoQ, 對氨基苯甲酸,葉酸磷脂甘油Cys,Ser,Gly-酮異戊酸Ala, Ile,Lys能量代謝的副產(chǎn)物Val,LeuCoA續(xù)待52PYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGICACTAGOAPEPFMAPHB, 類異戊二烯化合物, ACL-P, 甾醇, 脂肪酸, 脂肪, 磷脂Lys(真菌)GluGlnProArg卟啉, 細(xì)胞色素AspNADUMPCTPdTMPASALys(細(xì)菌)Thr,Met, Ile頁上接Asn532.1.1 微生物對單糖和多糖的合成A單

24、糖的合成6-磷酸葡萄糖（G-6-P）的合成 化能異養(yǎng)型微生物合成單糖的主要途徑是葡萄糖異生成途徑，用于合成G-6-P的各種前體物質(zhì)（ 如TCA環(huán)的中間代謝物和生糖氨基酸His、Gly、Ser、Glu、Arg、Asp、Thr等 ），均匯集到這條途徑合成G-6-P。54 TCA 環(huán)的中間代謝物用于單糖合成時(shí)先被氧化為OAA，然后OAA在PEPCK（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶）的催化下轉(zhuǎn)變?yōu)?PEP， PEP 借助于替代磷酸果糖激酶（ PFK ）的己糖二磷酸酯酶，逆 EMP途徑而上而合成G-6-P。55 一些氨基酸也可以作為合成G-6-P的前體。例如 Glu和 Asp分別經(jīng)轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)變成 -KG和 OAA

25、，然后經(jīng) PEP如上合成G-6-P。有些氨基酸如生酮氨基酸 Leu 降解后，生成 AcCoA， 后者經(jīng)TCA 和DCA聯(lián)合途徑合成OAA，然后合成 G-6-P。脂肪酸經(jīng)- 氧化生成的AcCoA，也經(jīng)同樣途徑合成G-6-P。56B多糖的合成 碳水化合物存儲物合成主要是以 UDP-葡萄糖或 1-磷酸葡萄糖為模塊分子的。這個(gè)模塊分子也用于大腸桿菌和其它革蘭陰性菌的脂多糖層的合成和真菌的細(xì)胞壁多糖的合成。 在原核生物中作為葡萄糖基供體的糖核苷酸，在不同的合成反應(yīng)中是不同的。在合成糖原時(shí)，葡萄糖的供體是ADP-Glc（而在酵母中是UDP-Glc），在其它的場合，譬如肽聚糖和脂多糖的合成中，糖的供體都是U

26、DP-單糖。 57 含氮有機(jī)化合物涉及的面很廣，主要包括氨基酸、蛋白質(zhì)系列和嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸、核酸系列，還有許多輔酶（如NAD、CoA、ATP等等）也是含氮有機(jī)化合物。 NH3和NH4+中氮原子為-3價(jià)，細(xì)胞有機(jī)物中的氮原子也是-3價(jià)。 工業(yè)上應(yīng)用的微生物能夠利用NH3和NH4+， 以及糖代謝的代謝中間物合成它們所需要的全部氨基酸和其它含氮有機(jī)化合物。2.1.2 含氮化合物的合成58A 氨基酸的生物合成谷氨酸族 天冬氨酸族 組氨酸族從生物合成和代謝生理的角度出發(fā)，可以將組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸及氨基酰胺分成 6 個(gè)族。它們分別從中心途徑的不同關(guān)鍵中間化合物衍生出來的。 5960L-谷氨

27、酰胺在好幾種含氮化合物的生物合成中都可作為氨（氮）的供體，是整個(gè)細(xì)胞的代謝中一個(gè)重要的“分支點(diǎn)”，谷氨酰胺合成酶活性受多個(gè)終端產(chǎn)物的抑制。61 蛋白質(zhì)合成中，氨基酸是原料，mRNA是藍(lán)圖，核糖體是合成機(jī)器，還需要 tRNA 作為氨基酸的運(yùn)載工具，還需要一系列的酶和輔因子；蛋白質(zhì)的合成是個(gè)消耗代謝能的過程。B 蛋白質(zhì)的生物合成62 詳細(xì)的合成過程在生物化學(xué)和分子生物學(xué)中已有敘述。這里就所合成的蛋白質(zhì)的歸宿做一簡要說明。所合成的蛋白質(zhì)定位于膜的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，取決于蛋白質(zhì)肽鏈起始端有沒有 “ 信號順序 ”。63 這些“信號順序”編碼的肽鏈上含有很多疏水氨基酸，這些先合成的疏水肽鏈的存在，導(dǎo)致正在合成

28、其本身的“核糖體串”與膜靠攏，新合成的肽鏈穿過膜伸到胞外；合成一結(jié)束，“信號順序”所編碼的肽鏈就被特殊的肽酶切下來，使新合成的蛋白質(zhì)定位在膜的外側(cè)。如果于蛋白質(zhì)肽鏈起始端沒有“信號順序”，新合成的蛋白質(zhì)只能定位在膜的內(nèi)側(cè)。64C 核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸是從 R-5-P和3-P-GA（用于嘌呤生物合成）合成的。 嘧啶核苷酸是從R-5-P和OAA（用于嘧啶生物合成）合成的。脫氧核苷酸可由核苷酸還原而成，通常脫氧核苷酸是通過由氫取代“2-OH”基團(tuán)（氫是由NADPH提供的），在核苷二磷酸的水平上還原而形成的；只有胸苷酸例外，其脫氧核苷酸是靠脫氧尿苷酸在核苷一磷酸的水平上的嘧啶環(huán)甲基化而實(shí)現(xiàn)的。

29、65RNA的合成（轉(zhuǎn)錄）可以抽象概括成： ATP,UTP,GTP,CTP RNA（含 tRNA,mRNA,rRNA等）DNA的合成（翻譯）可以抽象概括成： dATP,dTTP,dGTP,dCTP DNA 其詳細(xì)過程及反應(yīng)在生物化學(xué)和分子生物學(xué)中已有敘述。D RNA和DNA的合成66 輔酶中的有很多屬于含氮有機(jī)化合物，如 NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，F(xiàn)MN，CoA，CoF（四氫葉酸、HF4 ），TPP（ 焦磷酸硫胺素）等。這些輔酶由細(xì)胞自身合成。E 一些含氮輔酶的合成 67 粗糙脈孢菌、 釀酒酵母 像哺乳動物細(xì)胞一樣，可從 Trp 開始， 經(jīng)吡啶 - 2,3 - 二羧酸 合成NAD+和NADP

30、+。 Xanthomonas prum（ 桃李黃單胞菌 ）可從 Trp 開始合成NAD+。然而 大部分已研究過的細(xì)菌合成 NAD+ 的途徑的前半段（ 吡啶-2,3-二羧酸以前 ）是完全不同的，而后半段 對所有生物細(xì)胞都是一樣的。68F.其它含氮細(xì)胞物質(zhì)的合成 卟啉是構(gòu)成呼吸鏈（或電子傳遞鏈）的電子載體細(xì)胞色素的前體。細(xì)胞色素的鐵卟啉的合成從琥珀酰輔酶A（ ScCoA）與甘氨酸的反應(yīng)開始，經(jīng)氨基乙酰丙酸而合成卟啉，最后形成鐵卟啉。69 脂類是由活細(xì)胞合成的稍溶于水但溶于非極性溶劑的非均一的化合物；類脂一般是指類似脂肪或油的有機(jī)化合物。生物體的脂類和類脂的組分是多種多樣的，包括?；视停ㄖ舅岬母?/p>

31、油酯）、磷脂和衍生脂類（如固醇、輔酶Q、維生素A）。 2.1.3 微生物對脂類、類脂的合成70A 脂肪酸的合成（略） 脂肪酸的合成中（ 也是脂質(zhì)合成中 ）的關(guān)鍵化合物是CoA 的衍生物?；d體蛋白（ACP）。ACP最早發(fā)現(xiàn)于一種能在以醋酸和乙醇的混合物為碳源的厭氧菌克氏梭菌，至今已從多種微生物分離出來。這種載體蛋白含有-丙氨酸和2-巰基乙胺，并且在脂肪酸合成的所有步驟中都結(jié)合在脂?；?。 微生物飽和脂肪酸合成的模式都是相同的。包括添加以乙?；问酱嬖?2C 片斷，和接下來的還原反應(yīng)：71第一個(gè)乙酰基在一個(gè)依賴生物素的反應(yīng)中被羧化成丙二酸單酰CoA；然后由兩個(gè)酶將乙酰CoA和丙二酸單酰CoA分別

32、轉(zhuǎn)化成ACP的衍生物。以此類推，通過 4 個(gè)酶的循環(huán)反應(yīng)（ 縮合、還原、脫水、還原），合成含碳更多的脂肪酸。72細(xì)胞脂類組分的模塊分子除了脂肪酸以外，還有：3-磷酸甘油，它是從EMP途徑中的磷酸二羥丙酮直接衍生的，作為磷脂和甘油三酯的“骨架”， 磷脂的“醇”的部分，真菌中最常見的參與磷脂組成的 “ 醇 ” 有膽堿，乙醇胺和肌醇。 固醇。 甘油三酯的形成是靠由二磷酸酯酶催化 L -磷脂酸的脫磷酸，以及隨后D ，-甘油二酯與脂肪酰 - ACP （ 或合適的脂肪酸的 CoA衍生物 ）反應(yīng)生成甘油三酯。 B 脂肪和磷脂的合成73 EMP途徑的中間產(chǎn)物 DHAP（磷酸二羥丙酮 ）和脂肪酸合成的中間產(chǎn)物

33、RCO-ACP（ 脂肪酰 - ?；d體蛋白）是磷脂酸的合成的前體。磷脂酸可以生成中性脂肪，然而大多數(shù)磷脂酸用于磷脂合成（磷脂的合成過程可以歸納成如左圖（此圖未顯示 出下頁所述CTP對磷脂酸的激活）。74 磷脂的合成 ，不論在原核還是真核細(xì)胞，需要CTP（胞苷三磷酸，簡稱胞三磷）。CTP與L-磷脂酸生成CDP-甘油二酯：（-磷脂酸）+ CTP （CDP-甘油二酯）+ PPi 在細(xì)菌細(xì)胞中， 磷脂酰乙醇胺是經(jīng)過中間產(chǎn)物磷脂酰絲氨酸合成的：（CDP-甘油二酯）+（L-Ser） （磷脂酰-Ser）+ CMP （磷脂酰-Ser） 磷脂酰乙醇胺 + CO2 在真核細(xì)胞中，磷脂酰乙醇胺的合成反應(yīng)為：（CDP

34、-乙醇胺） + （D ，-甘油二酯） 磷脂酰乙醇胺 + CMP75B 多聚 - 羥丁基酸的合成 原核細(xì)胞中的能量貯存物質(zhì)多聚 - 羥丁基酸（PHB）也是從AcCoA合成，其過程簡要表示如左圖 。76 兼性厭氧的化能異養(yǎng)型微生物在缺氧條件下生長或維持生存的情況下，TCA環(huán)環(huán)式運(yùn)行中斷，TCA 環(huán)變成在 OAA 處發(fā)生分支的分叉途徑，形成從OAA出發(fā)的經(jīng)蘋果酸（ MLA）、延胡索酸（ FMA）到琥珀酸（SCA）的TCA途徑還原支路，和從 OAA出發(fā)的經(jīng)檸檬酸（ CTA ）、異檸檬酸（ICA）到-酮戊二酸（-KG）的TCA途徑氧化支路。2.2 能量代謝副產(chǎn)物的合成77782.3 次級代謝產(chǎn)物的合成7

35、9GluG-6-PPEPPYRAcCoAR-5-PE-4-P糖類次生代謝產(chǎn)物（氨基糖苷類抗生素），核酸堿基類次生代謝產(chǎn)物arAAalAASMA其他次生代謝產(chǎn)物多肽類次生代謝產(chǎn)物（如-內(nèi)酰胺類環(huán)肽類抗生素、生物堿類）聚酯類次生代謝（如類異戊二烯化合物、甾類化合物、類胡蘿卜素、大環(huán)抗生素）TCA 環(huán)802.4 合成代謝的成本問題蛋白質(zhì)合成的成本 在延伸的肽鏈上添加 1個(gè) 氨基酸需要利用 4 個(gè)高能磷酸鍵，相當(dāng)于 4 個(gè)ATP。此外，在從mRNA合成與校對等過程中還需要一些自由能，總計(jì)每結(jié)合 1個(gè)氨基酸約需0.3個(gè)ATP。因此在多肽生成過程中，在延伸的肽鏈上每添加 1 個(gè)氨基酸一共要消耗 4.3 個(gè)

36、ATP。核糖核酸（RNA）合成的成本 收編1個(gè)核苷酸（以單磷酸核苷酸計(jì)）的代謝能成本為2.4個(gè)ATP。脫氧核糖核酸（DNA）合成的成本 結(jié)合1個(gè)脫氧核糖核苷酸（以單磷酸核苷酸計(jì)）的總能耗為3.4個(gè)ATP。813 代謝網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)網(wǎng)問題3.1 代謝網(wǎng)絡(luò)3.2 擴(kuò)展發(fā)酵原料范圍3.3 擴(kuò)展發(fā)酵產(chǎn)品范圍3.4 發(fā)酵新產(chǎn)品的開發(fā) 82 代謝網(wǎng)絡(luò)假說是從目的產(chǎn)物假說發(fā)展起來的。出于尋找發(fā)酵學(xué)的“元素周期表”，用以預(yù)測工業(yè)發(fā)酵未來產(chǎn)品的良好愿望，提出目的產(chǎn)物假說。 目的產(chǎn)物假說假想代謝網(wǎng)絡(luò)上的任何化合物都有可能開發(fā)為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)品。 但是不在代謝網(wǎng)絡(luò)上的化合物怎樣與工業(yè)發(fā)酵建立關(guān)系呢？ 假使與工業(yè)發(fā)酵發(fā)生關(guān)系

37、，歸結(jié)為它們怎樣能與代謝網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的問題。 83 聯(lián)網(wǎng)？就是用化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)把指定的化合物連接到代謝網(wǎng)絡(luò)上去，從而使它與微生物的代謝建立聯(lián)系。 聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想促成了代謝網(wǎng)絡(luò)的人為延伸。對于工業(yè)發(fā)酵來說，代謝網(wǎng)絡(luò)的人為延伸意味著新原料和新產(chǎn)品的開發(fā)，意味著工業(yè)發(fā)酵研究和開發(fā)的新領(lǐng)域。 怎樣才能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)呢？ 目前可以采用化學(xué)方法或生物學(xué)方法（含DNA重組技術(shù)）來實(shí)現(xiàn)。84 事實(shí)上，已在代謝網(wǎng)絡(luò)上，或者可以聯(lián)網(wǎng)的化合物，都可能被開發(fā)為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)物或原料。這一點(diǎn)已得到了上個(gè)世紀(jì)末葉的發(fā)酵工程和生物工程實(shí)踐的支持。85 一系列按序進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成生化反應(yīng)途徑，生化反應(yīng)途徑按生物化學(xué)規(guī)律匯成生化反應(yīng)

38、網(wǎng)絡(luò)（若途徑在活細(xì)胞里運(yùn)行，則為代謝途徑）分解代謝途徑和合成代謝途徑與輸送系統(tǒng)相互間的接合，加上細(xì)胞內(nèi)輔酶再生與回用的協(xié)調(diào)，形成橫跨微生物活細(xì)胞內(nèi)外的、可調(diào)節(jié)的、無尺度的代謝網(wǎng)絡(luò)。3.1 代謝網(wǎng)絡(luò) 86 在供氧條件下，TCA途徑進(jìn)行正常的環(huán)式運(yùn)行（TCA環(huán)）。微生物依靠有氧生長的代謝網(wǎng)絡(luò)，合成細(xì)胞組成物質(zhì)，高速地轉(zhuǎn)化生成代謝能，最終形成整個(gè)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)正常生長。在以TCA環(huán)為骨架的中心板塊的基礎(chǔ)上構(gòu)成有氧生長的代謝網(wǎng)絡(luò)： （1） 有氧生長的代謝網(wǎng)絡(luò)87 微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)(局部)88 在缺氧條件下， TCA途徑的環(huán)式運(yùn)行中斷，TCA環(huán)變成在OAA處發(fā)生分支的分叉途徑，形成從OAA出發(fā)的經(jīng)蘋果酸（M

39、LA）、延胡索酸（FMA）到琥珀酸（SCA）的TCA途徑還原支路和從OAA出發(fā)的經(jīng)檸檬酸（CTA）、異檸檬酸（ICA）到-酮戊二酸（-KG）的TCA途徑氧化支路。在以TCA分叉途徑為骨架的中心板塊的基礎(chǔ)上構(gòu)建缺氧生存的代謝網(wǎng)絡(luò)。下圖是兼性厭氧微生物在缺氧條件下發(fā)酵生成能量代謝副產(chǎn)物的簡略的示意圖。（2） 缺氧生存的代謝網(wǎng)絡(luò) 8990 對絕大多數(shù)的微生物來說，形成細(xì)胞的代謝途徑基本相同，所以底物范圍的擴(kuò)展通常只要增加少量的化學(xué)反應(yīng)或酶反應(yīng)步驟就可能實(shí)現(xiàn)。有時(shí)這些步驟還需與下游反應(yīng)相兼容和協(xié)調(diào)。如：（1） 用木糖生產(chǎn)乙醇的代謝途徑 （2） 降解淀粉的微生物 3.2 擴(kuò)展發(fā)酵原料范圍91 這是一個(gè)具

40、有巨大潛力的領(lǐng)域，異源基因的合理表達(dá)能拓展宿主微生物現(xiàn)有的代謝途徑，以求過量合成已知的和新穎的具備優(yōu)良化學(xué)、物理特性的化合物。 如：（1） 維生素 （2） 生物聚合物 （3） 戊糖: 木糖醇3.3 擴(kuò)展發(fā)酵產(chǎn)品范圍 92 當(dāng)微生物進(jìn)行生命活動時(shí)，代謝物在網(wǎng)絡(luò)中的某些途徑中流動，形成代謝流；在不同生理狀況下，代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝流流經(jīng)的途徑不完全相同。在工業(yè)發(fā)酵的發(fā)酵產(chǎn)品生成階段，代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝流流經(jīng)的途徑是相對集中，形成代謝主流，代謝主流流經(jīng)的路徑相對確定。4 代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物流的形成93 在代謝工程領(lǐng)域，代謝流往往是指碳架物質(zhì)流。在一定的培養(yǎng)條件下，代謝物在代謝網(wǎng)絡(luò)中流動，流量相對集中的代謝流叫做

41、該培養(yǎng)條件下的代謝主流。代謝主流流經(jīng)的代謝途徑稱為載流路徑。 載流路徑是代謝網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的組成部分，可以把載流路徑的全部或局部看作是代謝網(wǎng)絡(luò)的亞網(wǎng)絡(luò)。 4.1 代謝網(wǎng)絡(luò)中的代謝物流 94 微生物的代謝主流處于不斷變化之中，其方向、流量甚至載流路徑都可能發(fā)生變化。這就是微生物代謝主流的變動性和代謝主流對代謝網(wǎng)絡(luò)的途徑的選擇性。這種變動和選擇的根據(jù)在微生物細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，選擇的原因是微生物所處的環(huán)境條件的變化。 95 為了提高產(chǎn)物對原料的轉(zhuǎn)化率，就要求代謝主流（根據(jù)代謝分析的結(jié)果）從設(shè)定的路徑流過，使它成為載流路徑。這樣的載流路徑是帶有主觀導(dǎo)向性的虛擬的載流路徑，所以把它叫做理想載流路徑。

42、4.2 產(chǎn)物形成的理想載流路徑 及其“五段式” 96 典型的工業(yè)發(fā)酵是要從發(fā)酵液中獲得微生物的代謝產(chǎn)物，也就是要讓原料化學(xué)物質(zhì)在微生物細(xì)胞的有關(guān)代謝途徑中流動的過程中，轉(zhuǎn)化成工業(yè)發(fā)酵的目的產(chǎn)物，最后使目的產(chǎn)物分泌出細(xì)胞。97 也就是說，胞外營養(yǎng)物質(zhì)跨膜進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng) 3 段連續(xù)貫通的代謝途徑（一般按向心途徑、中心途徑、離心途徑的順序）在胞內(nèi)生成目的產(chǎn)物，最后，目的產(chǎn)物經(jīng)過膜排出細(xì)胞。 因此其典型的理想載流路徑應(yīng)該由以上五段承擔(dān)不同代謝分工的依次銜接貫通的代謝途徑組成。98胞外酶（大部分是水解酶，往往是誘導(dǎo)酶）對原料的降解及促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的過程：若用農(nóng)副產(chǎn)品原料培養(yǎng)工業(yè)微生物，則這種微生物必

43、須能合成并分泌水解這些原料的酶，以獲得能進(jìn)入微生物細(xì)胞的化合物（營養(yǎng)物質(zhì)）。 微生物細(xì)胞怎樣去實(shí)現(xiàn)從工業(yè)原料到目的產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化呢？一般要經(jīng)過以下 5 個(gè)階段，并接受每個(gè)階段的調(diào)節(jié)：99 經(jīng)胞內(nèi)降解代謝途徑匯人中心代謝途徑：進(jìn)入細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)若是中心代謝途徑的起始物或中間產(chǎn)物，即可經(jīng)中心代謝途徑進(jìn)行代謝，若不是則要經(jīng)相應(yīng)的降解途徑降解或轉(zhuǎn)變后，再進(jìn)入中心代謝途徑代謝。這些起銜接作用的途徑往往也是經(jīng)誘導(dǎo)而合成的，因而又涉及到變構(gòu)蛋白的作用。 100中心代謝途徑及其控制部位 中心代謝途徑可兼用于降解和合成代謝，其中涉及的變構(gòu)蛋白和變構(gòu)酶更多。包括流經(jīng)中心代謝途徑的主要降解和合成代謝流，以及它們各自最重

44、要的控制“閥門”，還有中心代謝途徑中代謝流流經(jīng)的主要節(jié)點(diǎn)及分支處的碳架物質(zhì)流量的分配與調(diào)節(jié)。 101合成代謝流及其控制部位：以中心代謝途徑的中間產(chǎn)物為起始底物的合成代謝流，及它們各自的控制“閥門”（往往是分支途徑的第一個(gè)酶）。目的產(chǎn)物的分泌：在發(fā)酵工業(yè)上，除了以菌體細(xì)胞為產(chǎn)物的情況外，目的產(chǎn)物均需排出細(xì)胞，因此，有必要研究目的產(chǎn)物的分泌問題。102 代謝網(wǎng)絡(luò)沒有絕對的起點(diǎn)，也沒有絕對的終點(diǎn)，代謝網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)板塊是一個(gè)整體。就像有許多鐵路線組成的各個(gè)鐵路局和鐵路交通網(wǎng)。當(dāng)我們使用指定的原料生產(chǎn)某特定的發(fā)酵產(chǎn)品時(shí)，我們期望碳架物質(zhì)經(jīng)最有利于高產(chǎn)的途徑（理想載流路徑）代謝；正如我們乘火車去某城市就要選

45、定一條合適的鐵路線一樣。103 實(shí)際上，微生物細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)一直處于對環(huán)境的變動的響應(yīng)之中，因此代謝網(wǎng)絡(luò)是虛擬的網(wǎng)絡(luò)概念。 網(wǎng)絡(luò)中的離心途徑的終端又可能成為向心途徑的起點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)中的中心途徑不止一條，而且有分支，向心途徑和離心途徑也有多條，而且也有匯合或分支。途徑與途徑之間還可能存在橫向聯(lián)系。104 代謝網(wǎng)絡(luò)假設(shè)把代謝形象化為一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)新原料、新產(chǎn)品開發(fā)的“地圖”。 物質(zhì)代謝和能量代謝是相互依存相互制約的，微生物對環(huán)境的有限的適應(yīng)性表現(xiàn)為：在一定的變化范圍內(nèi)，微生物隨環(huán)境條件的變化隨時(shí)調(diào)節(jié)有關(guān)的蛋白質(zhì)、酶的合成和活性，以及細(xì)胞殼層結(jié)構(gòu)的通透性和選擇性輸送性，使代謝網(wǎng)絡(luò)的變動性和適應(yīng)性因此而得

46、到實(shí)現(xiàn)。代謝網(wǎng)絡(luò)假說的科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用前景 105 代謝網(wǎng)絡(luò)假設(shè)把代謝途徑和跨膜載體系統(tǒng)的有序組合作為一個(gè)整體，以有利于從宏觀上把握微生物的代謝和生理，為工業(yè)發(fā)酵中原料的利用和產(chǎn)物的合成，提供分析的依據(jù)和實(shí)際操作的位點(diǎn)。 106 代謝網(wǎng)絡(luò)是一種客觀存在，依據(jù)這種實(shí)實(shí)在在的由代謝途徑及跨膜步驟“編織”成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行代謝途徑和代謝流量分析，就有可能從中選擇合適的載流途徑（理想載流途徑），從而制訂使代謝流流向目的產(chǎn)物的育種方案和工藝控制方案。 代謝網(wǎng)絡(luò)的延伸問題和無尺度問題將為我們的研究留下無窮無盡的懸念。 107第二節(jié) 微生物代謝的調(diào)控微生物細(xì)胞中代謝調(diào)節(jié)的部位微生物代謝途徑的調(diào)節(jié)模式通過酶實(shí)現(xiàn)的代謝

47、調(diào)節(jié)機(jī)制通過改變膜的選擇透過性實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)108引言微生物細(xì)胞很微小，自身不可能同時(shí)存在各種各樣的代謝途徑及酶，但環(huán)境多變，微生物要在自然界中生存，必須有一套反應(yīng)機(jī)制，即適應(yīng)性。微生物是環(huán)境中的微生物，環(huán)境條件對微生物有影響，微生物反過來也影響環(huán)境。代謝調(diào)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容：營養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)出、生化反應(yīng)（速度、方向、途徑、物質(zhì)流量的調(diào)節(jié)等）、微生物細(xì)胞生長的調(diào)節(jié)。109一、微生物細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)的部位（一）與細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞器膜有關(guān)的調(diào)節(jié) 1、膜脂質(zhì)的調(diào)節(jié)（自動、人工） 2、膜蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)（載體、電子傳遞鏈有關(guān)蛋白等的絕對數(shù)量及活性）（二）細(xì)胞器間存在的酶的絕對數(shù)量和活力的調(diào)節(jié)（三）酶對底物的相對位置的調(diào)節(jié) 主

48、要指多聚酶體或酶復(fù)合物，在與底物的結(jié)合上有一定的空間關(guān)系。110圖中：1，可溶性營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送；2，代謝途徑的酶的催化作用；3，酶和載體蛋白的合成1、原核生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位111與細(xì)胞質(zhì)膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜是溶質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的主要屏障。營養(yǎng)物質(zhì)主動或被動輸送進(jìn)入細(xì)胞的過程，以及代謝產(chǎn)物（某種代謝產(chǎn)物或能量代謝副產(chǎn)物）排出細(xì)胞的過程，都要受到膜的組成、結(jié)構(gòu)和功能的影響。112 與膜密切相關(guān)的調(diào)節(jié)主要包括以下4個(gè)方面： 膜的脂質(zhì)（磷脂及其它脂類 ） 的分子結(jié)構(gòu)， 以及環(huán)境條件（ 如離子強(qiáng)度、溫度、pH等 ）對膜脂質(zhì)理化性質(zhì)的影響； 膜蛋白質(zhì) （ 如酶、載體蛋白、電子傳遞鏈的成員

49、及其它蛋白質(zhì) ） 的絕對數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)； 跨膜的電化學(xué)梯度（膜的生理狀態(tài)）以及胞內(nèi)ATP、ADP、AMP庫和Pi濃度對溶質(zhì)輸送的調(diào)節(jié)； 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu) 特別是骨架結(jié)構(gòu)的部分破壞或變形，間接影響膜（ 膜的物理狀態(tài) ）對溶質(zhì)的通透性。113酶催化能力的調(diào)節(jié) 即細(xì)胞空間內(nèi)存在的酶分子的數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)。在原核細(xì)胞中，各種酶和各種底物同存在于一個(gè)空間中。處在一定環(huán)境和生理?xiàng)l件下的原核細(xì)胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度進(jìn)行反應(yīng)，均受到嚴(yán)格的自動調(diào)節(jié)。這種自動調(diào)節(jié)包括兩個(gè)方面：一是調(diào)節(jié)反應(yīng)途徑中的酶水平（酶分子的濃度），特別是關(guān)鍵酶合成或降解的相對速率，二是改變已存在的酶的活力，特別是關(guān)鍵酶的活力

50、。 114酶的本質(zhì) 1.酶是生物催化劑 提高反應(yīng)速率，但自身并不被消耗，結(jié)構(gòu)與活性也不變 2.酶（絕大多數(shù)）的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì) 酶的作用特點(diǎn) 1.催化效率高 2.具有高度專一性 催化的反應(yīng)專一性 催化的底物專一性 3.作用條件溫和 常溫、常壓、中性pH 4.作用的可調(diào)控性 酶濃度的調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)、酶原的激活等.115影響酶活性的因素溫度pH鹽濃度輔助因子 輔助因子(無機(jī)離子,激活或參與反應(yīng)） 輔酶(小分子有機(jī)物,傳遞電子、原子或某些基團(tuán).)116 酶的專一性和誘導(dǎo)契合作用酶的催化循環(huán)117酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)118酶與底物的相對位置 原核細(xì)胞內(nèi)沒有典型的細(xì)胞器，除了細(xì)胞質(zhì)膜上存在一些凹陷、皺褶外，細(xì)胞

51、內(nèi)不存在被膜分隔的多個(gè)空間，因此在細(xì)胞內(nèi)似乎不存在酶與底物的相對位置影響酶作用的問題。但實(shí)際上，在原核細(xì)胞中有時(shí)也有這種形式的調(diào)控，比如當(dāng)一個(gè)酶反應(yīng)系統(tǒng)以多酶復(fù)合體（ multienzyme complex ）的形式存在時(shí)，就可以使酶反應(yīng)在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進(jìn)行。119競爭性抑制劑非競爭性抑制劑底物可與酶活 性位點(diǎn)結(jié)合抑制劑1202 真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位圖中：1，可溶性營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的跨膜輸送；2，代謝途徑的酶的催化作用；3，在核中進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄；4，在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的翻譯；5，不同細(xì)胞空間的溶質(zhì)的跨膜輸送。121 真核微生物細(xì)胞比原核生物細(xì)胞復(fù)雜而多樣化。最簡單的真核微生物酵母細(xì)

52、胞就有典型的細(xì)胞核和一個(gè)或多個(gè)線粒體、液泡等。在核膜外層與細(xì)胞質(zhì)膜之間又有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)存在。 由此可見，真核微生物細(xì)胞內(nèi)的空間被膜結(jié)構(gòu)分隔成許多小室。由于這些小室的存在，真核微生物的代謝調(diào)節(jié)要比原核生物復(fù)雜得多，就單個(gè)細(xì)胞相比較，真核微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)部位要比原核生物細(xì)胞多得多。 122 真核微生物細(xì)胞同樣存在前述原核生物細(xì)胞的3個(gè)代謝調(diào)節(jié)部位。唯有第三個(gè)調(diào)節(jié)部位，即酶與底物的相對位置，則因分隔小室而增加了不少調(diào)節(jié)的內(nèi)容。 小室是使合成代謝和分解代謝能夠分開進(jìn)行和分開調(diào)節(jié)的重要輔助手段。其中，細(xì)胞質(zhì)與線粒體之間的分工協(xié)作，可從下表中得到反映。123起始底物124 在真核微生物細(xì)胞中，這種酶（酶體系

53、）的區(qū)域化、酶與底物的分隔，使酶反應(yīng)的調(diào)節(jié)更加復(fù)雜化、多樣化。酶反應(yīng)系列的總速度不僅決定于相鄰兩區(qū)域中的調(diào)節(jié)酶種類、數(shù)量、活性及底物的濃度，而且也決定于重要代謝中間物跨膜的交換速度。 這種跨膜交換要借助于載體（由DNA編碼的蛋白質(zhì)），所以這些載體的絕對數(shù)量及活性也會成為代謝調(diào)節(jié)的部位。125二、微生物代謝途徑的調(diào)節(jié)模式影響酶活性的調(diào)節(jié)模式（共 11種）影響酶合成（酶分子數(shù)）的調(diào)節(jié)模式 （共 10 種）126幾個(gè)基本概念反饋：電工學(xué)上，把放大器的輸出電路中的一部分能量送回輸入電路中，以增強(qiáng)或減弱輸入信號的效應(yīng)反饋抑制：代謝途徑的終端產(chǎn)物對催化該途徑中的一個(gè)反應(yīng)（通常是第一個(gè)反應(yīng)）的酶的活力的抑制

54、。終端產(chǎn)物結(jié)合到酶的變構(gòu)部位，從而干擾酶與底物的結(jié)合。反饋?zhàn)瓒簦捍x途徑的終端產(chǎn)物（或代謝途徑的衍生物）阻止催化該途徑的一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)的酶的合成。127（一）影響酶活性的調(diào)節(jié)模式（共11種）只有一個(gè)終端產(chǎn)物的（沒有分支的）途徑的調(diào)節(jié)模式（共 3 種，簡單反饋抑制、前體激活、補(bǔ)償激活）多個(gè)終端產(chǎn)物的（有分支的）途徑的調(diào)節(jié)模式（共 6 種，協(xié)同抑制、增效抑制、積累性抑制、補(bǔ)償性逆轉(zhuǎn)、順序抑制、同工酶的抑制）代謝途徑的橫向調(diào)節(jié)（共 2 種，代謝互鎖、輔助底物和終產(chǎn)物對另一分支途徑的調(diào)節(jié)）128 影響細(xì)胞內(nèi)酶分子數(shù)的因素：阻遏、誘導(dǎo)、細(xì)胞生長與分裂、衰減等單個(gè)終產(chǎn)物的生物合成途徑的調(diào)節(jié)模式（共 2 種

55、，簡單阻遏、可被阻遏的酶的產(chǎn)物的誘導(dǎo)）多個(gè)終產(chǎn)物的生物合成途徑的調(diào)節(jié)模式（共 3 種，同工酶阻遏、多功能酶的多價(jià)阻遏、共同酶系的阻遏）分解代謝途徑的調(diào)節(jié)模式（5 種，營養(yǎng)物阻遏等）（二）影響酶合成（酶分子數(shù)）的調(diào)節(jié)模式 （共 10 種）129三、通過酶實(shí)現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)機(jī)制微生物酶的自動調(diào)節(jié)微生物的膜的自動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶與非酶變構(gòu)蛋白在自動調(diào)節(jié)中的作用(討論)130 1 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié) 2 翻譯水平上的調(diào)節(jié) 3 蛋白質(zhì)水平上的調(diào)節(jié) 4 酶在不同空間的分布 5 整個(gè)細(xì)胞水平上的調(diào)節(jié) (全局性調(diào)節(jié))6 信息傳導(dǎo)的響應(yīng) （一） 微生物酶的自動調(diào)節(jié)131酶的分類裂解酶連接酶132 酶在不同空間的分布的調(diào)節(jié)1

56、33 微生物并不是在所有空間、時(shí)間內(nèi)合成它所能合成的全部酶，在一定生理?xiàng)l件下，微生物只合成它當(dāng)時(shí)所需要的酶；存在于細(xì)胞內(nèi)的酶活力是受到控制的，酶的催化過程必須與細(xì)胞對能量和細(xì)胞組分的需求相協(xié)調(diào)。134轉(zhuǎn)錄：以DNA的一條鏈為模板，以tRNA為運(yùn)載工具，合成mRNA的過程。1 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié) 微生物細(xì)胞只在有限空間合成它們當(dāng)時(shí)所需要的一定量的酶分子，是否合成，合成多少，首先取決于為這些酶編碼的基因是否被轉(zhuǎn)錄以及被轉(zhuǎn)錄的水平（基因沉默？）。轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)包括酶的誘導(dǎo)、營養(yǎng)阻遏、合成途徑的酶的合成的反饋?zhàn)瓒艉腿趸鹊取?35 酶的誘導(dǎo)的機(jī)制 營養(yǎng)阻遏的機(jī)制 終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反

57、饋?zhàn)瓒艉腿趸臋C(jī)制 “誘導(dǎo)”這個(gè)術(shù)語常常與分解代謝酶有關(guān)，“阻遏”這個(gè)術(shù)語常常與合成代謝的酶有關(guān)。136（1）酶的誘導(dǎo)(induction)的機(jī)制 圖4-3誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)合成模型（負(fù)控制）Ri，誘導(dǎo)酶的調(diào)節(jié)基因；P，啟動子；O，操縱基因；S1、S2、S3，大腸桿菌乳糖操縱子的3個(gè)結(jié)構(gòu)基因。137 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物）時(shí)，由調(diào)節(jié)基因編碼的與操縱基因有結(jié)合活性的阻遏蛋白（一種變構(gòu)蛋白）與操縱基因結(jié)合，阻止 RNA 聚合酶對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄， 因而誘導(dǎo)途徑的酶系沒有合成；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)物（效應(yīng)物）濃度上升某一程度時(shí)，它就與阻遏蛋白結(jié)合，使后者因構(gòu)象發(fā)生變化而失去與操縱基因的結(jié)合活性，從操縱基因上脫

58、落下來，RNA聚合酶就可對結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)途徑的酶系就被誘導(dǎo)合成。 138 從而可以看出誘導(dǎo)的本質(zhì)就是解阻遏（誘導(dǎo)物解除了阻遏蛋白對操縱基因的阻塞）。 值得注意的是，這種誘導(dǎo)物與阻遏蛋白的結(jié)合是可逆的，結(jié)合或解除結(jié)合取決于細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)物的濃度。正因?yàn)榻Y(jié)合是可逆的，所以調(diào)節(jié)可以雙向進(jìn)行。139 酶的誘導(dǎo)對于微生物是十分有意義的。 從營養(yǎng)的角度看，微生物可以根據(jù)環(huán)境所提供的生長底物，誘導(dǎo)合成相應(yīng)的酶（蛋白質(zhì)），以分解底物，吸收營養(yǎng)，進(jìn)行代謝活動，從而形成微生物對環(huán)境的適應(yīng)能力。（即有什么吃什么） 從細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的角度看，僅僅根據(jù)需要誘導(dǎo)合成必要的酶（蛋白質(zhì)），可以避免核苷酸、氨基酸和代謝能的浪費(fèi)。

59、微生物有了誘導(dǎo)機(jī)制就能更好地適應(yīng)環(huán)境的變化，節(jié)約使用營養(yǎng)和代謝能，表現(xiàn)出細(xì)胞生命活動的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。140 研究誘導(dǎo)模型也可以給人以啟迪。從誘導(dǎo)模型分析，若調(diào)節(jié)基因R、啟動基因P、操縱基因O上發(fā)生突變，都可能影響酶的正常誘導(dǎo)。 如果啟動基因P缺失，則RNA多聚酶無法結(jié)合到操縱子上去，不管有沒有誘導(dǎo)物，轉(zhuǎn)錄都不會進(jìn)行，這種突變株稱超阻遏突變株。 如果操縱基因O缺失，則不管有沒有誘導(dǎo)物，操縱子都不會受阻塞，不需誘導(dǎo)也能使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄并翻譯，這種突變株就是組成型突變株。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應(yīng)用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。 141(2)營養(yǎng)阻遏(nutritional repressio

60、n)機(jī)制 在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中只有一個(gè)碳源降解酶系在起作用，也就是培養(yǎng)基中能被最迅速地同化的碳源的降解酶系，而且，在該碳源用完之前，其它碳源的降解酶系的合成一直受到阻遏。過去曾假設(shè)，是能被迅速同化的碳源（如葡萄糖）降解過程中的某代謝產(chǎn)物阻遏了其余降解酶系的合成，因此曾經(jīng)把這種現(xiàn)象叫做降解物阻遏（catabolite repression）。142 進(jìn)一步研究并沒有發(fā)現(xiàn)這種降解代謝物的存在，碳源降解的阻遏似乎并不是由葡萄糖或其他能被迅速同化的碳源的降解物引起的，因此把這種阻遏叫做碳源阻遏比叫降解物阻遏更切合實(shí)際。 這一類阻遏不但發(fā)生在對碳源的利用過程中，也發(fā)生在對氮源、磷