(食品微生物課件)第七章微生物的代謝

第七章微生物的代謝代謝（rnewsrn）是微生物細(xì)胞與外界環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)交換的過程，它是細(xì)胞內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的總和。代謝與微生物細(xì)胞生命的存在和發(fā)酵產(chǎn)物的形成密切相關(guān)。微生物的代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩部分，即：代謝＝物質(zhì)代謝+能量代謝物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行化學(xué)變化的過程，必然伴隨有能量轉(zhuǎn)移的過程。前者稱為物質(zhì)代謝，后者稱為能量代謝。細(xì)胞物質(zhì)的分解是一個(gè)產(chǎn)能過程，細(xì)胞物質(zhì)的合成是一個(gè)耗能過程。7.1微生物的能量代謝生命的存在不僅以物質(zhì)代謝為基礎(chǔ)，同時(shí)也以能量代謝為動(dòng)力。微生物細(xì)胞的主動(dòng)運(yùn)輸、生物合成、細(xì)胞分裂、鞭毛運(yùn)動(dòng)、分解代謝等都要利用能量。熱力學(xué)第一定律指出，能量既不能創(chuàng)生，也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。微生物生命活動(dòng)所需要的化學(xué)能都是由微生物對(duì)環(huán)境所提供的能源（或本身儲(chǔ)存的能源）進(jìn)行能量形式的轉(zhuǎn)變而獲得的，我們把微生物體內(nèi)的這種能量轉(zhuǎn)變過程稱為微生物的能量代謝。7.1.1化能異養(yǎng)菌的生物氧化和產(chǎn)能物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，逐步分解并釋放能量的過程，稱為生物氧化，這是一個(gè)產(chǎn)能代謝過程。葡萄糖和果糖是化能異養(yǎng)微生物的主要碳源和能源，戊糖要經(jīng)轉(zhuǎn)化后進(jìn)人葡萄糖降解途徑，其他糖以及多糖則要經(jīng)轉(zhuǎn)化或降解成葡萄糖或果糖后才被降解。糖以外的其他有機(jī)化合物（包括醇、醛、有機(jī)酸、氨基酸、烴類、芳香族有機(jī)化合物）的能量代謝也都是經(jīng)轉(zhuǎn)化后進(jìn)人葡萄糖降解途徑。因此可以認(rèn)為，化能異養(yǎng)型微生物進(jìn)行能量代謝的最基本的途徑就是葡萄糖降解的途徑。其能量代謝方式又根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子受體的不同可分為發(fā)酵和呼吸兩種類型。

發(fā)酵發(fā)酵（ementation）在發(fā)酵工業(yè)上，是指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。而在生物氧化或能量代謝中，是指微生物細(xì)胞在無氧條件下，將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量，并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵條件下，有機(jī)物只是部分地被氧化，因此只能釋放出一小部分的能量。生物體體內(nèi)葡萄糖被降解主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑和磷酸解酮酶途徑。（l）EMP途徑（EmbdenMeyerhofPamaspathway）。EMP途徑又稱為糖酵解途徑（glycoly－sts）。整個(gè)EMP途徑大致可分為兩個(gè)階段。第一階段是葡萄糖分子轉(zhuǎn)化成1，6-二磷酸-果糖后，在醛縮酶的催化下，裂解成兩個(gè)三碳化合物分子，是一個(gè)準(zhǔn)備階段，要消耗兩個(gè)分子ATP。第二階段是3-磷酸-甘油醛氧化成1，3-二磷酸-甘油酸后，經(jīng)一系列酶的作用轉(zhuǎn)化成丙酮酸；同時(shí)通過基質(zhì)水平磷酸化產(chǎn)生4個(gè)ATP以及2分子NADi。NADi可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化產(chǎn)生3個(gè)分子ATP，或者被用作還原反應(yīng)中H﹢的來源。EMP途徑的反應(yīng)過程分10步完成EMP途徑是絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑，因而也是酵母菌、真菌和多數(shù)細(xì)菌所具有的代謝途徑。在有氧條件下，EMP途徑與TCA循環(huán)（三羧酸循環(huán)）連接，并通過后者把丙酮酸徹底氧化成二氧化碳和水。在無氧條件下，丙酮酸可進(jìn)一步代謝，在不同的生物體內(nèi)形成的產(chǎn)物不同。例如在酵母細(xì)胞中丙酮酸被還原成為乙醇，并伴有二氧化碳的釋放，而在乳酸菌細(xì)胞中丙酮酸被還原成乳酸。（2）HMP途徑（hexose

mnPhOSPhatePathway）。EMP途徑不能解釋合成RNA、DNA所必需的核糖是如何從葡萄糖轉(zhuǎn)化來的，也不能解釋微生物為什么能利用戊糖及其他糖類作為能源。而HMP途徑的發(fā)現(xiàn)，解決了以上問題。HMP途徑又稱為磷酸戊糖途徑或單磷酸己糖途徑，這是一條能產(chǎn)生大量NADPH形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。

HMP途徑可概括成三個(gè)階段。第一階段是葡萄糖分子通過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生5一磷酸核酮糖和M氧化碳；第M階段是5一磷酸一核酮糖發(fā)生同分異構(gòu)化（isomriZation）、表異構(gòu)化（epimeriza－non）而分別產(chǎn)生5一磷酸一核糖和5一磷酸一木酮糖；第三階段是上述各種磷酸戊糖在沒有氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了磷酸己糖和磷酸雨糖，然后磷酸丙糖可通過以下兩種方式進(jìn)一步代謝：其一為通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸再進(jìn)人TCA循環(huán)進(jìn)行徹底氧化。另一方式為通過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為磷酸己糖。在一定條件下，反應(yīng)中產(chǎn)生的3-磷酸-甘油醛也可通過生成葡萄糖的反應(yīng)重新合成6-磷酸-葡萄糖。因此，HMP途徑要進(jìn)行一次周轉(zhuǎn)就需要6個(gè)6-磷酸-葡萄糖分子同時(shí)參與。HMP途徑在微生物生命活動(dòng)中有著極其重要的意義，具體表現(xiàn)在：①為核苷酸和核酸的生物合成提供磷酸戊糖。②產(chǎn)生大量的NADPH形式的還原力。它不僅是合成脂肪酸、類固醇等重要細(xì)胞物質(zhì)的供氫體，而且可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量，這些都是EMP途徑和TCA循環(huán)所無法完成的。因此，凡存在HMP途徑的微生物，當(dāng)它們處在有氧條件下時(shí)，就不必再依賴于TCA循環(huán)以獲得產(chǎn)能所需的NADH了。③如果微生物對(duì)戊糖的需要超過HMP途徑的正常供應(yīng)量時(shí)，可通過EMP途徑與本途徑在1、6-二磷酸-果糖和3-磷酸-甘油醛處的連接來加以調(diào)劑。④反應(yīng)中的個(gè)磷酸一赤蘚精可用于合成芳香族氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸。⑤由于在反應(yīng)中存在著C3～C7的各種糖，使具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣，例如它們可以利用戊糖作碳源。⑥通過HMP途徑可產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多。例如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。（3）ED途徑（EntnereinudoroffpathW8y）。ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸（KDPG）裂解途徑。ED途徑其特點(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑需經(jīng)10步才能獲得的丙酮酸，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑。

ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣，是少數(shù)EMP途徑不完整的細(xì)菌，如一些假單胞菌（Pseudomonasspp．）和一些發(fā)酵單胞菌（ZynZomonas

spp．）等所特有的利用葡萄糖的替代途徑。其特點(diǎn)是利用葡萄糖的反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低，反應(yīng)中有一個(gè)6碳的關(guān)鍵中間代謝物——KDPG。葡萄糖醛酸、果糖酮酸、甘露糖醛酸等都可轉(zhuǎn)化成KDPG，然后進(jìn)人ED途徑降解。KDPG在脫水酶和醛縮酶的作用下，產(chǎn)生一分子3-磷酸-甘油醛和一分子丙酮酸。然后3-磷酸-甘油醛再進(jìn)人EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。4）磷酸解酮酶途徑。磷酸解酮酶途徑的特征性酶是磷酸解酮酶。根據(jù)解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把具有磷酸己糖解酮酶的稱為HK途徑。①PK途徑（PhOSphopentose－ketolasepathway）。這條途徑是HMP的變異途徑，從葡萄糖到5-磷酸-木酮糖均與HMP相同，然后又在這條途徑的關(guān)鍵酶——磷酸戊糖解酮酶的作用下，生成乙酰磷酸和3一磷酸一甘油醛。以這條途徑進(jìn)行糖代謝的微生物可以利用葡萄糖和戊糖（D-核糖,D-木糖、L-阿拉伯糖）作為能源，但經(jīng)這條途徑一分子的葡萄糖只產(chǎn)生一分子丙酮酸，所得ATP也只是EMP途徑的一半。②HK途徑（PhOSphohexoseketolasepathway）。這條途徑是EMP途徑的變異途徑，從葡萄糖到6一磷酸一果糖與EMP相同，然后又在這條途徑的關(guān)鍵酶——磷酸己糖解酮酶的作用下，生成乙酰磷酸和個(gè)磷酸一赤蘚糖。在糖降解過程中生成的丙酮酸可被進(jìn)一步代謝，在無氧條件下不同的微生物分解丙酮酸后會(huì)積累不同的代謝產(chǎn)物。目前發(fā)現(xiàn)多種微生物可以發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乙醇。能進(jìn)行乙醇發(fā)酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細(xì)菌。不同的微生物進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)，其發(fā)酵途徑也各不相同。如酵母將葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，然后丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使NAD+”再生，發(fā)酵終產(chǎn)物為乙醇。運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌（Zymomonas

mobilis）和厭氧發(fā)酵單胞菌（Zpomonasanaerobia）是利用ED途徑降解葡萄糖為丙酮酸，最后得到乙醇。對(duì)于某些生長在極端酸性條件下的嚴(yán)格厭氧菌，如胃八疊球菌（arcina

ventriculi）和腸桿菌（EnteMcter－aceae）則是利用EMP途徑進(jìn)行乙醇發(fā)酵。許多細(xì)菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細(xì)菌稱為乳酸細(xì)菌。根據(jù)產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵有三種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。

呼吸

葡萄糖分子降解時(shí)，如果有氧或其他外源電子受體存在，底物分子可被完全氧化為二氧化碳，且在此過程中合成的ATP量大大高于發(fā)酵，因此呼吸是大多數(shù)微生物用來產(chǎn)生能量——ATP的一種主要方式。微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD（P）+”、FAD或FMA等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物，并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。其中，以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸（aerobicrespiration），以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為無氧呼吸（anaerobicrespiration）。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給葡萄糖分子降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。1）有氧呼吸。在發(fā)酵過程中，葡萄糖經(jīng)糖酵解作用形成的丙酮酸，在厭氧條件下轉(zhuǎn)變成不同的發(fā)酵產(chǎn)物。而在有氧呼吸過程中，丙酮酸經(jīng)三羧酸循環(huán)（tricarboxylic

actdcycle，簡稱TCA循環(huán)）與電子傳遞鏈（electrontranportchain）兩部分的化學(xué)作用，前者使葡萄糖完全氧化成二氧化碳，后者使脫下的電子交給分子氧生成水，并伴隨有ATP生成。丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)徹底氧化后可形成15個(gè)分子的ATP，可為微生物的生命活動(dòng)提供大量能量。電子傳遞系統(tǒng)是由一系列氫和電子傳遞體組成的多酶氧化還原體系。NADH2、FADH2以及其他還原型載體上的氫原子，以質(zhì)子和電子的形式在其上進(jìn)行定向傳遞。其組成酶系存在于原核微生物的細(xì)胞質(zhì)膜上或是在真核微生物的線粒體內(nèi)膜上。這些系統(tǒng)具有兩種基本功能：一是從電子供體接受電子，并將電子傳遞給電子受體：二是通過合成ATP把在電子傳遞過程中釋放的一部分能量保存起來。因此，一分子葡萄糖經(jīng)糖酵解和好氧呼吸后，可徹底分解成二氧化碳和水，并產(chǎn)生38個(gè)ATP。（2）無氧呼吸。某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧分子，而是像NO3、NO2、SO4、S2O3、CO2等這類外源受體。無氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在分級(jí)釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量，用于生命活動(dòng)。但由于是部分能量隨電子轉(zhuǎn)移給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。

硫酸鹽還原細(xì)菌能以有機(jī)物作為氧化的基質(zhì)，氧化放出的電子可以使SO4一逐步還原成硫化氫。如脫硫弧菌屬以乳酸作為氧化的基質(zhì)，但氧化不徹底，最終積累的有機(jī)物是乙酸，并放出硫化氫。

SO4+8e+8H=S+4H2O

產(chǎn)甲烷細(xì)菌能在氫、乙酸和甲醇等物質(zhì)的氧化過程中，以二氧化碳作為最終的電子受體，通過厭氧呼吸最終使二氧化碳還原成甲烷，這就是通常所說的甲烷發(fā)酵。

4H2+CO2CH4+2H2O7.1.2自養(yǎng)菌的生物氧化和產(chǎn)能自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物在生物氧化上的本質(zhì)是相同的，即都包括脫氫、遞氫和受氫三個(gè)階段，其間經(jīng)過磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)，就可產(chǎn)生生命活動(dòng)所需的通用能源——ATP。從具體類型來看，自養(yǎng)微生物中的生物氧化與產(chǎn)能的類型很多，途徑復(fù)雜，但無論是化能自養(yǎng)型菌還是光能自養(yǎng)型菌，在它們生命活動(dòng)中最重要的反應(yīng)就是把二氧化碳先還原成「CH2O」n水平的簡單有機(jī)物，然后再進(jìn)一步合成復(fù)雜的細(xì)胞物質(zhì)。這是一個(gè)大量耗能和耗還原力的過程。化能自養(yǎng)菌的生物氧化和產(chǎn)能一些微生物可以從氧化無機(jī)物獲得能量，這類微生物就是好氧型的自養(yǎng)型微生物。它們分別屬于氫細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和鐵細(xì)菌。這些細(xì)菌廣泛分布在土壤和水域中，并對(duì)自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)化起著重要的作用。（1）氫的氧化。氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌，它們能利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量同化二氧化碳，也能利用其他有機(jī)物生長。氫細(xì)菌：H2+1/2O2H2O+237.2kJ（2）硫的氧化。硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物（包括硫化物。元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作能源。硫化氫首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細(xì)胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，最后被氧化成硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯(lián)磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生能量。硫細(xì)菌:S+2O2SO4+794.5KJ（3）氨的氧化。硝化細(xì)菌是一些專性好氧的革蘭氏陽性菌，大多數(shù)是專性無機(jī)營養(yǎng)型。銨鹽和亞硝酸鹽是用作能源的最普通的無機(jī)氮化合物，它們能被硝化細(xì)菌所氧化。硝化細(xì)菌有兩種類型：一種類型是將按鹽氧化成亞硝酸鹽的亞硝酸細(xì)菌，它們利用按鹽氧化過程中放出的能量生長；另一種類型是將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的硝化細(xì)菌，它們則是利用亞硝酸氧化過程中放出的能量生長。這兩類細(xì)菌往往是伴生在一起，在它們共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。這類細(xì)菌在自然界氮素循環(huán)中也起著重要作用。（4）鐵的氧化。自然界中有些細(xì)菌能夠?qū)嗚F離子氧化為高鐵離子，并利用這個(gè)過程所產(chǎn)生的能量和還原力同化二氧化碳進(jìn)行自養(yǎng)生長，這些細(xì)菌統(tǒng)稱為鐵細(xì)菌。大部分鐵細(xì)菌是專性化能自養(yǎng)菌。光能自養(yǎng)菌的生物氧化和產(chǎn)能光能是一種輻射能，它不能直接被生物利用，只有當(dāng)光能通過光合生物的光合色素吸收并轉(zhuǎn)變成化學(xué)能——ATP以后，才能用來支持生物的生長?？梢姽饽苻D(zhuǎn)換是光合生物獲得能量的一種主要方式。光能自養(yǎng)菌利用光合色素即葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素，吸收光能，通過光合磷酸化作用，生成生物可利用的能量。光合反應(yīng)是由兩個(gè)光系統(tǒng)啟動(dòng)的。葉綠素可分離出兩個(gè)光系統(tǒng)，即光系統(tǒng)l（簡稱PSI）和光系統(tǒng)Ⅱ（簡稱PSll），每個(gè)光系統(tǒng)具有特殊的色素復(fù)合體和一些物質(zhì)。前者的光能吸收峰是700um，后者為680rm。

光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP，這類細(xì)菌主要包括紫色硫細(xì)菌、綠色硫細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌。微生物在其能量代謝過程中，可通過三種方式獲得ATP，它們分別是：

（1）底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）。物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程中。

（2）氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）。物質(zhì)在生物氧化過程中形成的NADH2和FADH，可通過位于線粒體內(nèi)膜和細(xì)菌質(zhì)膜上的電子傳遞系統(tǒng)，將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)。在這個(gè)過程中偶聯(lián)著ATP的合成，這種產(chǎn)生ATP的方式稱為氧化磷酸化。一分子NADH和FADH可分別產(chǎn)生3個(gè)和2個(gè)ATP。

（3）光合磷酸化（photophosphorylation）。在光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程中，當(dāng)一個(gè)葉綠素分子吸收光量子時(shí)，葉綠素即被激活，導(dǎo)致葉綠素（或細(xì)菌葉綠素）釋放一個(gè)電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)的傳遞過程中偶聯(lián)著ATP的合成，稱為光合磷酸化。7.2微生物的分解代謝與合成代謝

微生物的物質(zhì)代謝由分解代謝和合成代謝兩個(gè)過程組成，即：物質(zhì)代謝＝分解代謝+合成代謝分解代謝是指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成簡單小分子物質(zhì)，并在這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。合成代謝是指細(xì)胞利用簡單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子物質(zhì)，在這個(gè)過程中要消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質(zhì)來源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境中的小分子營養(yǎng)物質(zhì)。7.2.1分解代謝、大分子物質(zhì)的降解

由于分解代謝能釋放出能量供細(xì)胞生命活動(dòng)用，因此微生物體內(nèi)只有進(jìn)行旺盛的分解代謝，才能更多地合成微生物的細(xì)胞物質(zhì)，并使其迅速地生長繁殖?？梢姺纸庾饔迷谖⑸锎x中是十分重要的。

多糖的分解糖類物質(zhì)是微生物賴以生存的主要碳源物質(zhì)與能源物質(zhì)。自然界廣泛存在的糖類物質(zhì)主要是多糖，包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠和幾了質(zhì)等。

（1）淀粉的分解。淀粉是葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的一種大分子物質(zhì)。淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉中的葡萄糖單位以a-1，4-糖昔鍵結(jié)合，排成長鏈；支鏈淀粉帶有分枝，葡萄糖單位除以a-1，４糖甘鍵結(jié)合外，在直鏈與支鏈交接處以a-1，6-糖苷鍵結(jié)合。一般在自然淀粉中，直鏈淀粉占10％～20％，支鏈淀粉占80％～90％。以淀粉作為生長碳源與能源的微生物，它們能利用本身合成并分泌到胞外的淀粉酶，將淀粉水解生成雙糖與單糖后，被微生物吸收，然后再被分解與利用。淀粉酶包括下面四種類型。

①a-淀粉酶。此酶可從淀粉分子內(nèi)部任意水解a-1，４－個(gè)糖苷鍵，但不能作用于淀粉的a-1，6-糖苷鍵以及靠近a-1，6-糖苷鍵的a-1，4-糖苷鍵。水解終產(chǎn)物為麥芽糖、低聚糖和含a-1，6-糖苷鍵的糊精，作用的結(jié)果使原來淀粉溶液的黏度下降，故稱為液化型淀粉酶。在微生物中許多細(xì)菌、放線菌和霉菌均能產(chǎn)生液化淀粉酶?？莶菅勘U菌通常用作a-淀粉酶的生產(chǎn)菌株。

②β-淀粉酶。此酶從淀粉分子的非還原性末端開始作用，以雙糖為單位，逐步作用于a-1，４－糖苷鍵，生成麥芽糖。但它不能作用于淀粉分子中的a-1，6-糖苷鍵，也不能越過a-1，6-糖苷鍵去作用于a-l，4-糖昔鍵，即遇到a-l，6-糖苷鍵時(shí)，此酶的作用停止。水解終產(chǎn)物為麥芽糖和β-極限糊精。

③葡萄糖苷酶。此酶也是從淀粉分子的非還原末端開始作用，依次以葡萄糖為單位，逐步作用于a－l，４－糖苷鍵，生成葡萄糖。它雖也不能作用于淀粉分子中的a-1，6-糖苷鍵，但能夠越過a-1，6-糖苷鍵去繼續(xù)作用于a-1，4-糖苷鍵。因此，糖化酶作用直鏈淀粉后的水解終產(chǎn)物幾乎全是葡萄糖，作用支鏈淀粉后的水解終產(chǎn)物是葡萄糖與帶有a-1，6-糖苷鍵的寡糖。根霉和曲霉普遍都能合成與分泌糖化酶。④異淀粉酶。此酶專門作用于淀粉分子中的a-16-糖苷鍵，將整個(gè)側(cè)支切下而生成直鏈糊精。（2）纖維素的分解。纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分。它是葡萄糖通過1,6-糖苷鍵連接而成的直鏈大分子化合物。不溶于水，在環(huán)境中比較穩(wěn)定。只有在產(chǎn)生纖維素酶的微生物作用下，才被分解成簡單的糖類。纖維素酶根據(jù)作用方式大致可分為三種：

①C1酶。C1酶主要是作用于天然纖維素，使之轉(zhuǎn)變成水合非結(jié)晶纖維素。

②CX酶。CX酶主要作用于水合非結(jié)晶纖維素。CX酶又分為兩種類型：CXI酶是一種內(nèi)切的纖維素酶，它從水合非結(jié)晶纖維素分子內(nèi)部作用于B-1，4-糖苷鍵，生成纖維糊精、纖維二糖和葡萄糖；CX2。酶則是一種外切型纖維素酶，它從水合非結(jié)晶纖維素分子的非還原性末端作用于β-1，４個(gè)糖苷鍵，逐步一個(gè)一個(gè)地切斷B-1，4-糖苷鍵生成葡萄糖。

③β-葡萄糖苷酶。此酶水解纖維二糖、纖維三糖及低分子的纖維寡糖成為葡萄糖。然后葡萄糖在需氧性纖維素微生物作用下，可徹底氧化成二氧化碳與水；在厭氧性纖維素微生物作用下進(jìn)行了酸型發(fā)酵，產(chǎn)生丁酸、丁醇、乙酸、乙醇、二氧化碳、氫等產(chǎn)物。

（3）半纖維素的分解。半纖維素在植物組織中的含量很高，僅次于纖維素，真菌的細(xì)胞壁中也含半纖維素。半纖維素是由各種五碳糖、六碳糖及糖醛酸組成的大分子。生產(chǎn)半纖維素酶的微生物主要有曲霉（Aspergillus）、根霉（Rhizopus）與木霉（Trichoderma）等屬。半纖維素酶通常與纖維素酶、果膠酶混合使用，從而可以改善植物性食物的質(zhì)量，提高淀粉質(zhì)發(fā)酵原料的利用率、果汁飲料的澄清與加酶洗滌的使用效果等。（4）果膠質(zhì)的分解。果膠質(zhì)是構(gòu)成高等植物細(xì)胞間質(zhì)的主要物質(zhì)。這種物質(zhì)主要是由D-半乳糖醛酸通過a-1，4-糖苷鍵連接起來的直鏈高分子化合物，其分子中大部分竣基形成了甲基酯。不含甲基酯的果膠質(zhì)稱為果膠酸。天然的果膠質(zhì)是一種水不溶性的物質(zhì)，它通常被稱為原果膠。在原果膠酶作用下，它被轉(zhuǎn)化成水可溶性的果膠。再進(jìn)一步被果膠甲酯水解酶催化去掉甲酯基團(tuán)，生成果膠酸，最后被果膠酸酶水解，切斷a-1，4糖苷鍵，生成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸最后進(jìn)人糖代謝途徑被分解放出能量?？梢姺纸夤z的酶也是一個(gè)多酶復(fù)合物。分解果膠的微生物主要是一些細(xì)菌和真菌。例如芽抱桿菌（BaCillCS）、梭狀芽抱桿菌（Costrofium）、曲霉（Aspergillus）、葡萄抱霉（BOtrytis）和鐮刀霉（Fusarium）等屬都是分解果膠能力較強(qiáng)的微生物。

（5）幾丁質(zhì)的分解。幾了質(zhì)是一種由N一乙酰葡萄糖胺通過B-1，4-糖苷鍵連接起來，不容易被分解的含氮多糖類物質(zhì)。它是真菌細(xì)胞壁和昆蟲體壁的組成成分，一般的生物都不能分解與利用它，只有某些細(xì)菌（如溶幾丁質(zhì)芽孢桿菌）和放線菌（鏈霉菌）能分解與利用它進(jìn)行生長。這些能分解幾了質(zhì)的細(xì)菌能合成與分泌幾丁質(zhì)酶，使幾了質(zhì)水解生成幾丁二糖，再通過幾了二糖酶進(jìn)一步水解生成N-乙酸葡萄糖胺。N-乙酸葡萄糖胺再經(jīng)脫氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。

含氮有機(jī)物的分解

蛋白質(zhì)、核酸及其不同程度的降解產(chǎn)物通常是作為微生物生長的氮源物質(zhì)或作為生長因子（如氨基酸、瞟吟、嘧啶等）。但在某些條件下，這些物質(zhì)也可以作為某些機(jī)體的能源物質(zhì)。例如，某些氨基酸就可以作為壓氧條件下生長的梭狀芽抱桿菌的能源物質(zhì)。（1）蛋白質(zhì)的分解。蛋白質(zhì)是由許多氨基酸通過肽鍵連接起來的大分子化合物。蛋白質(zhì)的降解分二步完成：首先在微生物分泌的胞外蛋白酶的作用下進(jìn)行水解生成短肽；然后短肽在肽酶的作用下進(jìn)一步被分解成氨基酸。

許多微生物在生長過程中，可以合成并分泌蛋白酶到胞外環(huán)境中，因而它們也就具有分解蛋白質(zhì)的能力。但是，微生物不同，分解蛋白質(zhì)的能力也不同。一般是真菌分解蛋白質(zhì)的能力強(qiáng)，并能分解天然的蛋白質(zhì)，而大多數(shù)細(xì)菌不能分解天然蛋白質(zhì)，只能分解變性蛋白以及蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物，因而微生物分解蛋白質(zhì)的能力是微生物分類依據(jù)之一。例如某些梭狀芽抱桿菌屬、芽抱桿菌屬、變形桿菌屬、假單胞菌屬。小球藻屬、許多放線菌、曲霉屬、毛霉屬等分解蛋白質(zhì)的能力強(qiáng)，而大腸桿菌（E.coli）只能分解蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物，不能分解蛋白質(zhì)；在細(xì)菌中，一般是革蘭氏陽性細(xì)菌比革蘭氏陰性菌分解蛋白質(zhì)的能力強(qiáng)。肽酶是一類作用于肽的酶，它使肽水解成氨基酸。根據(jù)肽酶作用部位的不同，可以將肽酶分為兩種：一種是氨肽酶，它作用于有游離氨基端的肽鍵；一種是羧肽酶，它作用于有游離羧基端的肽鍵。肽酶是一種胞內(nèi)酶，它在細(xì)胞自溶后，釋放到環(huán)境中。

在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)的醬制品，如醬油、豆鼓、腐乳等的制作也都利用了微生物對(duì)蛋白質(zhì)的分解作用。目前已能利用枯草桿菌、棲土曲霉、放線菌等微生物來生產(chǎn)蛋白酶，用它來進(jìn)行皮革脫毛、蠶絲脫膠、蛋白陳生產(chǎn)，還可用作抗血栓藥物等。

（2）氨基酸的分解。蛋白質(zhì)分解的產(chǎn)物氨基酸通常是被微生物直接用來作為合成新的細(xì)胞質(zhì)的原料，但在厭氧與缺乏碳源的條件下，也能被某些細(xì)菌用作能源與碳源物質(zhì)，維持機(jī)體的生長。微生物分解氨基酸的方式很多，但主要是通過脫羧與脫氨兩種作用，產(chǎn)生的分解物可進(jìn)一步參與代謝。（3）脫羧作用。許多微生物細(xì)胞內(nèi)通常都具有氨基酸脫羧酶，它可以催化氨基酸脫羧生成相應(yīng)的胺。如酪氨酸脫羧形成酪胺、精氨酸羧形成精胺、色氨酸脫羧形成色胺，這些物質(zhì)可以作為評(píng)定食品新鮮程度的指標(biāo)。氨基酸脫羧酶具有高度的專一性，基本上是一種氨基酸由一種脫羧酶來催化它的分解。有機(jī)胺在有氧條件下可被氧化成有機(jī)酸；在厭氧條件下可以被分解成各種醇和有機(jī)酸。

（4）脫氨作用。有機(jī)含氮化合物經(jīng)微生物作用后放出氨的生物學(xué)過程，通常稱為氨化作用。在氨基酸脫氨作用中，由于微生物類型、氨基酸種類與環(huán)境條件不同。脫氨的方式也不同。脫氨作用主要有以下幾種：①氧化脫氨。氨基酸在有氧條件下脫氨生成a－酮酸和氨。因而是好氧性微生物進(jìn)行的脫氨的方式。②還原脫氨。在無氧條件下，氨基酸經(jīng)還原脫氨的方式轉(zhuǎn)變成有機(jī)酸和氨。某些專性厭氧細(xì)菌，如梭狀芽抱桿菌屬在厭氧條件下生長時(shí)，可以進(jìn)行還原脫氨。它們往往是利用一種氨基酸作為氫的供體，另一種氨基酸作為氫的受體，在這兩種氨基酸之間進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，并利用反應(yīng)中放出的能量進(jìn)行生長，這個(gè)反應(yīng)被稱為斯提克蘭（Stikland）反應(yīng)。在斯提克蘭反應(yīng)中，丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸常用作氫供體；甘氨酸、羥脯氨酸、脯氨酸則常用作對(duì)應(yīng)的氫受體。

③水解脫氨。氨基酸經(jīng)水解產(chǎn)生羥酸與氨，羥酸經(jīng)脫羧生成一元醇。因此，氨基酸在水解脫氨過程中同時(shí)伴隨有脫羧過程，并生成一元醇、氨和二氧化碳。有些好氧性微生物可進(jìn)行此種脫氨方式。如米曲霉可使亮氨酸水解脫氨后生成a-羥基-Y-甲基-戊酸。④分解脫氨。氨基酸直接脫去氨基，生成不飽和酸與氨，即為分解脫氨基。如在大腸桿菌內(nèi)有L-天冬氨酸酶，能催化L-天冬氨酸分解脫氨生成延胡索酸和氨在細(xì)菌和酵母菌中都存在這種脫氨反應(yīng)，此反應(yīng)為可逆反應(yīng)，也是合成氨基酸途徑之一。微生物種類不同，分解氨基酸的能力也不同。例如，革蘭氏陰性的大腸桿菌。變形桿菌屬和銅綠假單胞菌幾乎能分解所有的氨基酸，而革蘭氏陽性的乳桿菌屬、鏈球菌屬則分解氨基酸的能力差。由于微生物對(duì)氨基酸的分解方式不同，形成的產(chǎn)物也不同。因此，可根據(jù)微生物對(duì)氨基酸分解作用不同來進(jìn)行菌種鑒定。吲哚試驗(yàn)與硫化氫試驗(yàn)是常用的兩個(gè)鑒定試驗(yàn)。此外，氨基酸的分解產(chǎn)物對(duì)許多發(fā)酵食品，如醬油、干酪、發(fā)酵香腸等的揮發(fā)性風(fēng)味組分有重要影響。（5）核酸的分解。核酸是由許多核計(jì)酸以3，5-磷酸二酯鍵連接而成的大分子化合物。異養(yǎng)型微生物可以分泌消化酶類來分解食物或體外的核蛋白和核酸類物質(zhì)，以獲得各種核著酸。核酸分解代謝的第一步是水解連接核苷酸之間的磷酸二酯鍵，生成低級(jí)多核苷酸或單核苷酸。只能作用于核酸的磷酸M酯鍵的酶，稱為核酸酶。水解核糖核酸的稱核糖核酸酶；水解脫氧核糖核酸的稱脫氧核糖核酸酶。核苷酸在核苷酸酶的作用下分解成磷酸和核苷，核苷再經(jīng)核苷酶作用分解為瞟吟或嘧啶、糖。某些微生物能利用膘吟或嘧啶作為生長因子、碳源和氮源。微生物分解瞟吟或嘧啶生成氨、二氧化碳、水以及各種有機(jī)酸。

脂肪和脂肪酸的分解脂肪是自然界廣泛存在的重要的脂類物質(zhì)。它是由甘油與三個(gè)長鏈脂肪酸通過酯鍵連接起來的甘油三酯。當(dāng)環(huán)境中有其他容易利用的碳源與能源物質(zhì)時(shí)，脂肪類物質(zhì)一般不被微生物利用。但當(dāng)環(huán)境中不存在除脂肪類物質(zhì)以外的其他能源與碳源物質(zhì)時(shí)，許多微生物能分解與利用脂肪進(jìn)行生長。脂肪和脂肪酸作為微生物的碳源和能源，一般利用緩慢。脂肪不能進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)貯藏的脂肪也不可直接進(jìn)人糖的降解途徑，因此要在脂肪酶的作用下先行水解。脂肪在微生物細(xì)胞合成的脂肪酶的作用下（胞外酶對(duì)胞外的脂肪作用，胞內(nèi)酶對(duì)胞內(nèi)脂肪作用），水解成甘油和脂肪酸。絕大多數(shù)細(xì)菌對(duì)脂肪酸的分解能力很弱，然而一經(jīng)誘導(dǎo)，它們的脂肪酸氧化活性就會(huì)增強(qiáng)。如大腸桿菌有一個(gè)可被誘導(dǎo)合成的用來利用脂肪酸的酶系，使合6—16個(gè)碳的脂肪酸靠基因轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞，同時(shí)形成酯田CoA，隨后在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行脂肪酸的B-氧化。脂肪酸的B-氧化，在原核細(xì)胞的細(xì)胞膜上和真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)進(jìn)行。若脂肪酸分子的碳原子數(shù)為偶數(shù)，最終得乙酰CoA;若脂肪酸分子的碳原子數(shù)為奇數(shù)，則同時(shí)也得到丙酰CoA。乙酰CoA直接進(jìn)人TCA循環(huán)降解，丙酰CoA則經(jīng)琥鉑酸CoA進(jìn)人TCA循環(huán)被氧化降解，或以其他途徑被氧化降解。脂肪酶一般廣泛存在于真菌中，假絲酵母、鐮刀菌和青霉菌等屬的真菌產(chǎn)生脂肪酶能力較強(qiáng)，而細(xì)菌產(chǎn)生脂肪酶的能力較弱。

合成代謝，生物大分子肽聚糖

等的合成微生物利用能量代謝所產(chǎn)生的能量、中間產(chǎn)物以及從外界吸收的小分子物質(zhì)，合成復(fù)雜的細(xì)胞物質(zhì)的過程稱為合成代謝。因此，能量、還原力與小分子前體物質(zhì)是細(xì)胞合成代謝的三要素。能量：合成代謝所需要的能量由ATP和質(zhì)子動(dòng)力提供。還原力：主要是指還原型的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH2）和還原型煙酰胺腺嘌呤二核著酸磷酸（NADPH2），它們在糖降解與TCA循環(huán)中生成。在這過程中產(chǎn)生的NADH2在微生物里有三個(gè)去向：一個(gè)是通過發(fā)酵使糖分解產(chǎn)生的某些中間產(chǎn)物還原成相應(yīng)的發(fā)酵產(chǎn)物；第二個(gè)是通過呼吸產(chǎn)生ATP；第三個(gè)去向是用于細(xì)胞物質(zhì)合成，不過用于細(xì)胞物質(zhì)合成的NADH2通常要先經(jīng)轉(zhuǎn)氫酶作用，轉(zhuǎn)變成NADPH2之后才被用于細(xì)胞物質(zhì)合成。小分子前體物質(zhì)：通常是指糖代謝過程中產(chǎn)生的中間體碳架物質(zhì)。這些物質(zhì)是可以直接用來合成生物分子的單體物質(zhì)，如三磷酸甘油醛、丙酮酸、乙酸CoA、草酸乙酸等。

二氧化碳的固定將空氣中的二氧化碳同化成細(xì)胞物質(zhì)的過程，稱為二氧化碳的固定作用。微生物同化二氧化碳的方式主要有：（1）卡爾文循環(huán)?？栁难h(huán)同化二氧化碳的途徑可劃分為三個(gè)階段。①二氧化碳的固定。3xl，5－二磷酸核酮糖+3CO2——6x3-磷酸甘油酸②二氧化碳的還原。3-磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛③二氧化碳受體的再生。5X3-磷酸甘油醛——3X1，5-二磷酸核酮糖每循環(huán)一次需要3分子1，5-二磷酸核酮糖、3分子二氧化碳、9分子ATP和6分子NAD（P）H2合成一個(gè)己糖分子則需循環(huán)兩次。

氮的固定所有微生物都需要氮，氮的最初始來源是無機(jī)氮。雖然大氣中約有79％是氮，但大多數(shù)微生物都不能利用氮。凡能使氮還原成氨，氨進(jìn)而合成細(xì)胞內(nèi)有機(jī)氮化物的微生物，稱為固氮微生物。氮還原成氨是由固氮酶所催化，固氮酶由鐵蛋白和鑰蛋白兩個(gè)組分組成。固氮作用是一個(gè)耗能反應(yīng)，固氮反應(yīng)必須在ATP的參與下才能完成。

糖類的合成微生物在生長過程中，要不斷地從簡單化合物合成糖類，以構(gòu)成細(xì)胞生長所需要的單糖、多糖等。單糖在微生物中很少以游離形式存在，一般以多糖或多聚體形式，或是以少量的糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在。單糖和多糖的合成對(duì)自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物的生命活動(dòng)十分重要。1）單糖的合成

1）單糖的合成。無論自養(yǎng)微生物還是異養(yǎng)微生物，其合成單糖的途徑一般都是通過EMP途徑逆行合成6-磷酸葡萄糖，然后再轉(zhuǎn)化為其他的糖。糖異生途徑是由非糖物質(zhì)合成新的葡萄糖分子的過程。糖異生途徑的重要物質(zhì)是磷酸烯醇式丙酮酸，它是糖酵解過程中的一種中間代謝物。磷酸烯醇式丙酮酸可在不同于糖酵解途徑中的酶作用下，逆向合成6一磷酸葡萄糖。糖異生途徑中所需的磷酸烯醇式丙酮酸主要由草酸乙酸脫羧而得，而草酸乙酸是三羧酸循環(huán)中的一個(gè)重要中間產(chǎn)物。（2）糖原的合成（2）糖原的合成。在糖原合成中，6-磷酸葡萄糖是一個(gè)關(guān)鍵中間代謝物。它可通過單糖互變方式合成其他單糖。但6-磷酸葡萄糖必須首先轉(zhuǎn)化為糖核苷酸，即UDP-葡萄糖在糖原合成中，通常是以UDP-葡萄糖作為起始物，逐步加到多糖鏈的末端，使糖鏈延長。因此，糖核苦酸在微生物細(xì)胞中具有兩種功能：第一是為某單糖的合成提供一種轉(zhuǎn)換合成的底物；第二是為多糖的合成提供糖基。（3）肽聚糖的合成（3）肽聚糖的合成。肽聚糖是組成細(xì)菌和放線首細(xì)胞壁骨架結(jié)構(gòu)，是異型多糖。它由很多稱為胞壁肽（二糖五肽）的基本單位構(gòu)成。各類細(xì)菌肽聚精的合成過程基本相同，一般可以分成三個(gè)階段：第一階段是合成肽聚糖的前體物質(zhì)——“Park”核苷酸。此反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，分二步完成。①由6-磷酸葡萄糖合成N-乙酸葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸②由N-乙酸胞壁酸合成“Park”核著酸第二階段是由“park”核苷酸合成肽聚糖單體。此反應(yīng)在細(xì)胞膜中進(jìn)行。要使在細(xì)胞質(zhì)中合成的親水性化合物“Park”核苷酸穿過細(xì)胞膜至膜外，并進(jìn)一步接上卜乙酸葡萄糖胺和甘氨酸五肽橋（如果是金黃色葡萄球菌的肽聚糖合成，則有五個(gè)甘氨酸接到短肽的L－Lys上），最后把肽聚糖單體插人到細(xì)胞壁生長點(diǎn)處，必須依靠一種稱為類脂載體的物質(zhì)來運(yùn)送。

第三階段是合成完整的新的肽聚糖。此反應(yīng)在膜外完成。從十一異成烯-P-P載體上轉(zhuǎn)移下來的肽聚糖單體，通過兩步反應(yīng)轉(zhuǎn)移到正在延伸的肽聚糖受體（細(xì)胞壁）上。一是通過轉(zhuǎn)糖基作用或聚合作用使肽聚糖分子延伸；二是通過轉(zhuǎn)肽反應(yīng)，使肽聚糖上鄰近的短肽鏈之間相互連接起來形成一個(gè)完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一些抗生素能抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，但是它們的作用位點(diǎn)和作用機(jī)制是不同的?，F(xiàn)概述如下：衣霉素：它的結(jié)構(gòu)與十一異成烯磷酸載體結(jié)構(gòu)相似，因此它能夠阻止N-乙酸葡萄糖轉(zhuǎn)移到十一異成烯一PP一件乙酸胞壁價(jià)五肽上，從而抑制十一異成烯二糖一五肽的形成。環(huán)絲氨酸：由于環(huán)絲氨酸與D-丙氨酸結(jié)構(gòu)相似，因此它能夠作為D-兩氨酸的拮抗物而影響D-兩氨酸-D-丙氨酸二肽的合成，進(jìn)而影響“Park”核苷酸的合成。萬古霉素：可抑制肽聚糖分子的延長。桿菌肽：由于桿菌肽能夠與十一異成烯一P－P絡(luò)合，因此抑制了焦磷酸酶的作用，也就阻止了十一異戊烯磷酸載體的再生，從而使肽聚糖的合成受阻。

B-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素、頭抱霉素）：青霉素是肽聚糖單體五肽尾末端的正面氨酰-D-丙氨酸的結(jié)構(gòu)類似物，它們兩者可相互競爭轉(zhuǎn)肽酶的活力中心。當(dāng)轉(zhuǎn)肽酶與青霉素結(jié)合后，因前后兩肽聚糖單體間的肽橋無法交聯(lián)，因此只能合成缺乏正常機(jī)械強(qiáng)度的缺損“肽聚糖”，從而形成了細(xì)胞壁缺陷的細(xì)胞

氨基酸的合成在各氨基酸合成中，主要包括兩個(gè)方面的問題：各氨基酸碳骨架的合成以及氨基的結(jié)合。合成氨基酸的碳骨架來自糖代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，而氨有以下幾種來源：一是直接從外界環(huán)境獲得；二是通過體內(nèi)含氮化合物的分解得到；三是通過固氮作用合成；四是由硝酸還原作用合成。另外，在合成含硫氨基酸時(shí)，還需要硫的供給。氨基酸的合成主要有三種方式：一是氨基化作用Z二是通過轉(zhuǎn)氨基作用；三是糖代謝的中間產(chǎn)物為前體合成氨基酸。（1）氨基化作用。氨基化作用指a一酮酸與氨反應(yīng)形成相應(yīng)的氨基酸。氨基化作用是微生物同化氨的主要途徑。（2）轉(zhuǎn)氨基作用。轉(zhuǎn)氨基作用是指在轉(zhuǎn)氨酶催化下，使一種氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移給酮酸，形成新的氨基酸的過程。轉(zhuǎn)氨作用普遍存在于各種微生物內(nèi)，是氨基酸合成代謝和分解代謝中極為重要的反應(yīng)。（3）前體轉(zhuǎn)化。前體轉(zhuǎn)化指20種氨基酸除了可以通過L迷途徑合成氨基酸以外，還可通過糖代謝的中間產(chǎn)物，如3-磷酸甘油醛、十磷酸赤蘚糖、草酸乙酸、3-磷酸核糖焦磷酸等，經(jīng)一系列的生化反應(yīng)而合成。根據(jù)前體的不同，可將它們分成六組。

核苷酸的合成核苷酸主要用于合成核酸和參與某些酶的組成。它由堿基、核糖和磷酸三部分組成。核昔酸在細(xì)胞內(nèi)不是由這三部分直接聚合而成，而是由糖代謝過程中的中間體，通過一系列反應(yīng)逐步合成的。（1）嘌呤核苷酸的生物合成。瞟吟核苷酸的生物合成過程可以分成三個(gè)階段：第一階段是由5-磷酸核糖合成5-氨基咪唑核苷酸；第二階段是由5一氨基咪唑核苷酸合成次黃瞟吟核苷酸（IMP）；第三階段是由次黃瞟吟核苷酸轉(zhuǎn)化成鳥瞟吟核苷酸（GMP）與腺瞟吟核苷酸AMP）。（2）嘧啶核苷酸的生物合成。嘧啶核苷酸的生物合成過程也可以分為三個(gè)階段：第一階段是由氨甲酰磷酸與天門冬氨酸合成乳清酸）；第二階段是由乳清酸與5-磷酸核糖焦磷酸合成尿嘧啶核苷酸（UMP）；第三階段是由尿嘧啶核苷酸轉(zhuǎn)化成尿嘧啶核苷三磷酸（UTP）后，再與NH3反應(yīng)合成胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）。（3）脫氧核苷酸的合成。脫氧核苷酸是由核苷酸糖基第2位碳上的--OH還原為H而成，是一個(gè)耗能的過程。通常脫氧核苷酸是在核苷二磷酸的水平上被還原形成的。

脂肪酸的合成

微生物可以利用乙酸CoA與二氧化碳等物質(zhì)合成脂肪酸。脂肪酸的合成必須借助一種對(duì)熱對(duì)酸都穩(wěn)定的酰基載體蛋白（ACP）。首先乙酸CoA與二氧化碳通過羧化反應(yīng)產(chǎn)生丙二酰CoA再經(jīng)過轉(zhuǎn)移酶作用轉(zhuǎn)到ACP上，生成雨二階ACP。脂肪酸鏈?zhǔn)侵芷谛缘刂鸩窖娱L，每一個(gè)周期增加兩個(gè)碳原子，每次增加的兩個(gè)碳原子均由丙二酰-ACP提供，并放出一個(gè)M氧化碳。7.2.3分解代謝和合成代謝的關(guān)系

合成代謝與分解代謝既有明顯的差別，又緊密相關(guān)。分解代謝為合成代謝提供能量及原料；合成代謝又是分解代謝的基礎(chǔ)。它們在生物體中偶聯(lián)進(jìn)行，相互對(duì)立而又統(tǒng)一，決定著生命的存在與發(fā)展。微生物細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)代謝是一個(gè)完整而統(tǒng)一的過程，這些物質(zhì)代謝過程是密切地相互促進(jìn)和相互制約的。細(xì)胞內(nèi)各類有機(jī)物的分解代謝和合成代謝的密切關(guān)系，主要表現(xiàn)于它們合成代謝和分解代謝有共同的中間代謝物。這些重要的中間代謝物將各類有機(jī)物的代謝密切地聯(lián)系在一起，使得細(xì)胞內(nèi)各類有機(jī)物可以互相轉(zhuǎn)化，形成了一個(gè)微生物的代謝網(wǎng)。7．3微生物初級(jí)代謝和次級(jí)代謝的關(guān)系微生物體內(nèi)存在著相互聯(lián)系、相互制約的代謝過程，微生物的生長是細(xì)胞內(nèi)所有反應(yīng)的總和。不難想象，如果這些反應(yīng)雜亂無章，微生物就不能生存，也談不上生長。因此，這里存在代謝過程的調(diào)節(jié)控制問題。微生物具有極精細(xì)的代謝控制系統(tǒng)，微生物體內(nèi)的一系列生化反應(yīng)都是由酶催化作用進(jìn)行的。具有遺傳能力的典型細(xì)胞，可形成一千多種酶，以確保功能協(xié)調(diào)，在瞬間需要每一種恰當(dāng)酶時(shí)，即可形成。這些酶既受轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯有關(guān)基因表達(dá)控制，又受到某些營養(yǎng)因素的活化和調(diào)控。盡管有穩(wěn)定基因型，而微生物本身有一種巧妙能力來改變其成分，因此能在變化了的培養(yǎng)基中代謝。培養(yǎng)基成分雖不能改變基因型，但能影響其表型的表達(dá)。微生物細(xì)胞內(nèi)的代謝有初級(jí)代謝和次級(jí)代謝兩種類型。它們既有區(qū)別，又相互聯(lián)系。初級(jí)代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物往往是次級(jí)代謝的前體物質(zhì)，因此，次級(jí)代謝是建立在初級(jí)代謝基礎(chǔ)上的。7.3.1微生物的初級(jí)代謝初級(jí)代謝是指微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動(dòng)所需要的物質(zhì)和能量的過程。這一過程的產(chǎn)物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由這些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白質(zhì)、酯類和核酸等），即為初級(jí)代謝產(chǎn)物。由于初級(jí)代謝產(chǎn)物都是微生物營養(yǎng)性生長所必需，因此，除了遺傳上有缺陷的菌株外，活細(xì)胞中初級(jí)代謝途徑是普遍存在的，也就是說它們的合成代謝流普遍存在。在這途徑上酶的特異性比次級(jí)代謝的酶要高。因?yàn)槌跫?jí)代謝產(chǎn)物合成的差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多。例如通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近，以及調(diào)節(jié)代謝流等可調(diào)節(jié)營養(yǎng)物透過細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力。其中調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個(gè)方面：一是調(diào)節(jié)酶的活性，調(diào)節(jié)的是已有酶分子的活性，是在酶化學(xué)水平上發(fā)生的；二是調(diào)節(jié)酶的合成，調(diào)節(jié)的是酶分子的合成量，這是在遺傳學(xué)水平上發(fā)生的。在細(xì)胞內(nèi)這兩者往往密切配合、協(xié)調(diào)進(jìn)行，以達(dá)到最佳調(diào)節(jié)效果。

酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)。它是通過改變酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制兩個(gè)方面。（1）酶活性的激活。最常見的酶活性的激活是前體激活。它常見于分解代謝途徑，即代謝途徑中后面的反應(yīng)可以被該途徑較前面的一個(gè)產(chǎn)物所促進(jìn)。如糞鏈球菌的乳酸脫氨酶活性被前體物質(zhì)1，6-二磷酸果糖所促進(jìn)。（2）酶活性的抑制。酶活性的抑制主要是反饋抑制。它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性，促使整個(gè)反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。反饋抑制具有作用直接、效果快速以及當(dāng)末端產(chǎn)物濃度降低時(shí)又可重新解除等優(yōu)點(diǎn)。①直線代謝途徑中的反饋抑制。這是一種最簡單的反饋抑制類型。如大腸桿菌在合成異亮氨基酸時(shí)，當(dāng)異亮氨酸過多時(shí)，可抑制途徑中第一個(gè)因蘇氨酸脫氫酶的活性，從而使a－酮丁酸及其后一系列中間代謝物都無法合成，最終導(dǎo)致異亮氨酸合成的停止。②分支代謝途徑中的反饋抑制。在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式較為復(fù)雜。為避免在一個(gè)分支上的產(chǎn)物過多，影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物有下列多種調(diào)節(jié)方式。同工酶調(diào)節(jié)：同工酶是指能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但其酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)組成卻有所不同的一組酶。同工酶調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是在分支途徑中第一個(gè)酶有幾種結(jié)構(gòu)不同的一組同工酶，每一分支代謝產(chǎn)生的終產(chǎn)物只對(duì)一種同工酶具有反饋抑制作用，只有當(dāng)幾種終產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，才能完全阻止反應(yīng)的進(jìn)行。協(xié)同反饋抑制：在分支代謝途徑中，幾種末端產(chǎn)物同時(shí)都過量時(shí)，才對(duì)途徑中的第一個(gè)胡具有抑制作用。若某一末端產(chǎn)物單獨(dú)過量則對(duì)途徑的第一個(gè)酶無抑制作用。如多幼芽抱桿菌的天門冬氨酸激酶受終產(chǎn)物蘇氨酸和賴氨酸協(xié)同反饋抑制，這種抑制在蘇氨酸或賴氨酸單獨(dú)過量存在時(shí)并不會(huì)發(fā)生。累積反饋抑制：在分支代謝途徑中，任何一種末端產(chǎn)物過量時(shí)都能對(duì)共同途徑中第一個(gè)酶起抑制作用，而且各種末端產(chǎn)物的抑制作用互不干擾。當(dāng)各種末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)，它們的抑制作用是累加的）。順序反饋抑制：分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物，不能直接抑制代謝途徑中的第一個(gè)酶，而是分別抑制分支點(diǎn)后的反應(yīng)步驟，造成分支點(diǎn)上中間產(chǎn)物的積累，這種高濃度的中間產(chǎn)物再反饋抑制第一個(gè)酶的活性。因此，只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過量時(shí)，才能對(duì)途徑中的第一個(gè)酶起到抑制作用?？莶菅勘U菌合成芳香族氨基酸的代謝途徑就采取這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制。這是一種在基因水平上的代謝調(diào)節(jié)。它包括酶的誘導(dǎo)和阻遏。（l）誘導(dǎo)。凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。組成酶是細(xì)胞固有的酶類，其合成是在相應(yīng)的基因控制下進(jìn)行的，它不因分解底物或其結(jié)構(gòu)類似物的存在而受影響。如EMP途徑的有關(guān)酶類。誘導(dǎo)酶則是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物面臨時(shí)合成的一類酶。如大腸桿菌在含乳糖培養(yǎng)基中所產(chǎn)生的民半乳糖昔酶和半乳糖昔滲透酶等。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是底物類似物或底物前體物質(zhì)（2）阻遏。凡能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，稱為阻遏。在微生物代謝過程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時(shí)，除可以用反饋抑制的方式抑制代謝途徑中關(guān)鍵酶的活性，減少末端產(chǎn)物的合成外，還可通過反饋?zhàn)瓒糇饔脕碜璧K代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而控制代謝的進(jìn)行和減少末端產(chǎn)物的合成。反饋?zhàn)瓒糇饔糜欣谏矬w節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。反饋?zhàn)瓒舭ㄏ旅鎯煞N類型。

①末端產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒?。末端產(chǎn)物阻遏是指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積時(shí)而引起的反饋?zhàn)瓒?，是一種較為重要的反饋?zhàn)瓒?。②分解代謝物阻遏。分解代謝物阻遏是指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在兩種碳源（或兩種氮源）時(shí)，利用快的那種碳源（或氮源）會(huì)阻遏利用慢的那種碳源（或氮源）的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。我們現(xiàn)在知道，分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的碳源（或氮源）本身直接作用的結(jié)果，而是通過碳源（或氮源）在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物質(zhì)所引起的阻遏作用。如大腸桿菌在含有乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上生長時(shí)，優(yōu)先利用葡萄糖，并在葡萄糖耗盡后才開始利用乳糖，這就產(chǎn)生了在兩個(gè)對(duì)數(shù)生L期中間隔開一個(gè)生長延滯期的“二次生長現(xiàn)象”。其原因是，葡萄糖分解的中間代謝產(chǎn)物阻遏了分解乳糖酶系的合成，這一現(xiàn)象又稱葡萄糖效應(yīng)。7.3.2微生物的次級(jí)代謝

次級(jí)代謝是指微生物在一定的生長時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，合成一些對(duì)微生物的生命活動(dòng)無明確功能的物質(zhì)的過程，這一過程的產(chǎn)物，即為次級(jí)代謝產(chǎn)物。也有人把超出生理需求的過量初級(jí)代謝產(chǎn)物也看做是次級(jí)代謝產(chǎn)物。次級(jí)代謝產(chǎn)物大多是一類分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物，大多數(shù)分子中都含有苯環(huán)。

微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物許多次級(jí)代謝物具有重要的生物效應(yīng)，因此，次生代謝產(chǎn)物的生成和應(yīng)用也日益受到重視，其中重要的次級(jí)代謝產(chǎn)物包括抗生素、毒素、激素、色素等。（1）抗生素。是由某些微生物合成或半合成的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物或衍生物，是能抑制微生物生長或殺死它們的化合物?？股刂饕峭ㄟ^抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成、破壞細(xì)胞質(zhì)膜、作用于呼吸鏈以干擾氧化磷酸化、抑制蛋白質(zhì)和核酸合成等方式來抑制微生物的生長或殺死它們。因此，抗生素是臨床上廣泛使用的化學(xué)治療劑。（2）毒素。有些微生物在代謝過程中，能產(chǎn)生某些對(duì)人或動(dòng)物有毒害的物質(zhì)，稱為毒素。微生物產(chǎn)生的毒素有細(xì)菌毒素和真菌毒素。細(xì)菌毒素主要分外毒素和內(nèi)毒素兩大類。外毒素是細(xì)菌在生長過程中不斷分泌到菌體外的毒性蛋白質(zhì)，主要由革蘭氏陽性細(xì)菌產(chǎn)生，其毒力較強(qiáng)，如破傷風(fēng)痙攣毒素、白喉毒素等。大多數(shù)外毒素均不耐熱，加熱至70℃毒力即被破壞。內(nèi)毒素是革蘭氏陰性細(xì)菌的外壁物質(zhì)，主要成分是脂多糖（LPS），因在活細(xì)菌中不分泌到體外，僅在細(xì)菌自溶或人工裂解后才釋放，其毒力較外毒素弱，如沙門氏菌屬、大腸桿菌屬某些種所產(chǎn)生的內(nèi)毒素。大多數(shù)內(nèi)毒素較耐熱，許多內(nèi)毒素加熱至80—100℃lh才能被破壞真菌毒素是指存在于糧食、食品或飼料中由真菌產(chǎn)生的能引起人或動(dòng)物病理變化或生理變態(tài)的代謝產(chǎn)物。目前已知的真菌毒素有數(shù)百種，有14種能致癌，其中的2種是劇毒致癌劑，它們是由部分黃曲霉菌產(chǎn)生的黃曲霉毒素B2和由某些鐮抱霉（3）激素。某些微生物能產(chǎn)生刺激動(dòng)物生長或性器官發(fā)育的激素類物質(zhì)，稱為激素。目前已發(fā)現(xiàn)微生物能產(chǎn)生15種激素，如赤霉素、細(xì)胞分裂素、生長素等。（4）色素。許多微生物在生長過程中能合成不同顏色的色素。有的在細(xì)胞內(nèi)，有的分泌到細(xì)胞外。色素是微生物分類的一個(gè)依據(jù)。微生物所產(chǎn)生的色素，根據(jù)它們的性狀區(qū)分為水溶性和脂溶性色素。水溶性色素，如綠膿菌色素、藍(lán)乳菌色素、熒光菌的熒光色素等。脂溶性色素，如八疊球菌屬的黃色素、靈桿菌的紅色素等。有的色素可用于食品，如紅曲霉屬）的紅曲色素。

微生物次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成，至少有一部分取決于與初級(jí)代謝的產(chǎn)物無關(guān)的遺傳物質(zhì)，并和由這類遺傳物質(zhì)信息形成的酶所催化的代謝途徑有關(guān)，它們多數(shù)是菌株所特異的。其調(diào)節(jié)方式有下列幾種：(1)初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)。(2)分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制。(