3.第三章發(fā)酵學(xué)第二假說

1、2022/9/15張星元：發(fā)酵原理1第三章 發(fā)酵學(xué)第二假說 代謝網(wǎng)絡(luò)假說 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理2聽課時請關(guān)注以下提示：1.本章討論化能異養(yǎng)型微生物細胞的代謝的問題，討論側(cè)重于有機化合物的代謝。2. 因為討論的內(nèi)容比較抽象，所以必須引進形象思維。如果把代謝的過程比作物質(zhì)的流動，比作河流，那么由許多代謝途徑和輸送系統(tǒng)（載體蛋白）組成的代謝網(wǎng)絡(luò)就相當(dāng)于河道網(wǎng)，反應(yīng)途徑就相當(dāng)于河床，序列反應(yīng)中的有機物就相當(dāng)于水，河床里有水就成河流，碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)中流動形成代謝流。3. 本章討論微生物細胞初級代謝的代謝網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)是微生物細胞進行能量代謝和物質(zhì)代謝的操作系統(tǒng)，它最基本的功能是支持生長

2、和維持生命活動。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理3 對碳架物質(zhì)在微生物細胞及其環(huán)境中的流動進行仔細的觀察和深入的研究，在無數(shù)實例的基礎(chǔ)上，提出了代謝網(wǎng)絡(luò)假說。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理4 假說二：代謝網(wǎng)絡(luò)假說 代謝途徑和輸送系統(tǒng)在代謝物分子水平上整合、在輔因子水平上協(xié)調(diào)，形成橫跨微生物活細胞內(nèi)外的代謝網(wǎng)絡(luò)。代謝網(wǎng)絡(luò)是細胞自主調(diào)節(jié)的無尺度網(wǎng)絡(luò)，它作為一個整體來承擔(dān)微生物細胞的物質(zhì)代謝和能量代謝。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理5 微生物細胞是個遠離平衡狀態(tài)的、不平衡的開放體系。微生物細胞的物質(zhì)代謝和能量代謝，依靠代謝網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。代謝網(wǎng)絡(luò)橫跨細胞內(nèi)外，沒有絕對的起點，也沒有絕對的終點

3、；既是相對穩(wěn)定的，又是可以變化的。代謝網(wǎng)絡(luò)變化的根據(jù)在于細胞的遺傳物質(zhì)，變化的原因在于細胞的生存的條件。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理6 細胞生命活動過程中，有機化合物（碳架物質(zhì)）在代謝網(wǎng)絡(luò)中流動，形成代謝流。在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，微生物細胞的主要代謝流有起點和終點，其起點應(yīng)該是原料，其終點應(yīng)該是目的產(chǎn)物。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理7 微生物細胞的代謝網(wǎng)絡(luò)是一個由代謝能直接支撐的整體；代謝網(wǎng)絡(luò)是分解代謝途徑和合成代謝途徑，以及跨膜輸送機構(gòu)的有序組合。對代謝網(wǎng)絡(luò)的描述必須在時間和空間的 “ 四維空間 ” 中進行。微生物細胞的遺傳物質(zhì)是代謝網(wǎng)絡(luò)的生物信息源，微生物細胞的生理狀況是代謝網(wǎng)絡(luò)運

4、行在細胞層面的表現(xiàn)。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理8 代謝網(wǎng)絡(luò)不是生化途徑和跨膜輸送過程的簡單聯(lián)接。代謝網(wǎng)絡(luò)這個概念的提出就是要將生物化學(xué)概念納入細胞代謝的總體框架?；罴毎墓δ苡蓭讉€獨立的、相互聯(lián)系的反應(yīng)群（reactions）來支撐，根據(jù)這些反應(yīng)群在整個細胞合成過程中的主要功能和邏輯順序，對它們作如下分類：供能反應(yīng)群，生物合成反應(yīng)群，多聚反應(yīng)群，組裝反應(yīng)群。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理9供能反應(yīng)（fueling reactions）： 供能反應(yīng)是指細胞內(nèi)進行的這樣一些反應(yīng)，它們生成生物合成所需的12種前體代謝物，同時，還將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為細胞可以直接利用的能量代謝能（以ATP

5、為代表），用于生物合成反應(yīng)、多聚反應(yīng)和組裝反應(yīng)中。供能反應(yīng)還為生物合成反應(yīng)提供還原力。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理10生物合成反應(yīng)（biosynthetic reactions）： 通過這類反應(yīng)生成多聚反應(yīng)中所需的模塊分子（ building blocks ），同時也生成輔酶和相關(guān)的代謝因子，包括信號分子（signal molecules）。有一些生物合成反應(yīng)系列，以功能單元的方式存在。每一個功能單元由一個或幾個按順序進行的、以一個（或更多）分子模塊為終端的反應(yīng)序列組成，這樣的功能單元叫做生物合成途徑。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理11 所有的生物合成途徑都起始于12種“前體代謝物

6、”。 G-6-P F-6-P R-5-P -KG ScCoA E-4-P OAA GA-3-P 3-P-GA PEP PYR AcCoA 一些途徑直接從這樣的前體代謝物（一個或兩個）開始，另一些途徑間接地從某個代謝中間物或某個相關(guān)途徑的終端產(chǎn)物處引出分支途徑。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理12多聚反應(yīng)（polymerization reactions）： 多聚反應(yīng)泛指一種或多種活化了的分子，定向地、有序地鍵合成分支或不分支的、多聚的、長鏈的反應(yīng)系列。相當(dāng)數(shù)量的模塊分子通過這些反應(yīng)形成生物大分子物質(zhì)（如多肽、DNA、RNA）。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理13組裝反應(yīng)（assembly

7、reactions）： 組裝反應(yīng)先后經(jīng)過以下幾步來完成細胞的組裝，首先是對生物大分子進行化學(xué)修飾，隨后將它們輸送到細胞中預(yù)先指定的位置，最后滲入細胞組件，如細胞壁、細胞膜和細胞核等。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理14 本課程定義的代謝網(wǎng)絡(luò)，屬于分子生物學(xué)蛋白質(zhì)層次上的網(wǎng)絡(luò)。代謝網(wǎng)絡(luò)雖然不能通過解剖細胞（解剖學(xué)）而獲得，但它確實是細胞生命活動的一種客觀存在，類似于中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)；因此我們認(rèn)為對于代謝網(wǎng)絡(luò)的研究屬于另一種意義上的解剖學(xué)（第二解剖學(xué)）的范疇。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理15 根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，已把 “ 依靠化能異養(yǎng)型微生物，合成某最終被分泌到胞外的初級代謝產(chǎn)物或能量代謝副產(chǎn)物

8、的工業(yè)發(fā)酵”定義為典型的工業(yè)發(fā)酵 。為此，本課程把討論的重點放在代謝網(wǎng)絡(luò)中與典型的工業(yè)發(fā)酵直接相關(guān)的部分，也就是化能異養(yǎng)型微生物的初級代謝的代謝網(wǎng)絡(luò)。在詳細研究供能反應(yīng)和生物合成反應(yīng)的同時，宏觀上兼顧多聚反應(yīng)和組裝反應(yīng)。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理16 為了分析問題的方便，將化能異養(yǎng)型微生物的初級代謝的代謝網(wǎng)絡(luò)，分成 “ 向心板塊 ” 、“ 中心板塊 ” 和“ 離心板塊 ” 三大板塊來研究。向心板塊和中心板塊兩個板塊對應(yīng)于上述供能反應(yīng)，離心板塊對應(yīng)于生物合成反應(yīng)。要分別討論每一板塊的組成，更注重討論它們之間的銜接關(guān)系。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理17 本章將分六節(jié)討論化能異養(yǎng)型微生

9、物的代謝途徑及其相關(guān)性，從而建立代謝網(wǎng)絡(luò)的概念。進而研究工業(yè)微生物細胞的 “ 第二解剖學(xué) ”。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理18第一節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊第二節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的向心板塊第三節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的離心板塊第四節(jié) 代謝網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)網(wǎng)問題第五節(jié) 代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物流的形成第六節(jié) 代謝網(wǎng)絡(luò)假說的形成和發(fā)展 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理19 第一節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理20 研究微生物細胞的代謝，從研究微生物對碳源的降解開始，研究碳源的代謝從代謝網(wǎng)絡(luò)的中心板塊的中心代謝途徑入手。而中心代謝途徑的研究從對葡萄糖降解途徑的研究開始，因為：2

10、022/9/15張星元：發(fā)酵原理21 葡萄糖和果糖是化能異養(yǎng)型微生物的主要碳源和能源，葡萄糖的降解和合成代謝途徑是中心代謝途徑的主體。葡萄糖的降解途徑是研究葡萄糖合成代謝途徑的基礎(chǔ)。戊糖和其它碳水化合物則必須經(jīng)降解或被轉(zhuǎn)化成中心代謝途徑的某中間產(chǎn)物后才能進入中心代謝途徑。 碳水化合物以外的其它有機化合物包括其它醇、醛、有機酸、氨基酸、脂類、烴類、芳香族化合物等也都是經(jīng)轉(zhuǎn)化后進入中心代謝途徑的。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理22 既可用于降解代謝，又可用于合成代謝的途徑，通稱無定向途徑（amphibolic metabolic pathway），因為它們有雙重功能，又稱為兩用途徑。最重要的兩

11、用途徑是處于代謝網(wǎng)絡(luò)中心的兩用途徑，即中心代謝途徑。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理23 EMP途徑、 HMP途徑和TCA環(huán)，被稱作為中心代謝途徑（central metabolic pathway），簡稱中心途經(jīng)。 廣義的中心代謝途徑還包括其它酵解途徑和DCA環(huán)、乙醛酸環(huán)( GOA 環(huán) ) 、甘油酸途徑等。中心代謝途徑是工業(yè)發(fā)酵載流路徑的不可缺少的一部分，是直接發(fā)酵法生產(chǎn)中微生物代謝的必經(jīng)之路。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理243.1.1 葡萄糖的分解代謝途徑 3.1.2 葡萄糖降解途徑之間的關(guān)系3.1.3 微生物的中心代謝途徑 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理253.1.1 葡萄糖

12、的分解代謝途徑2022/9/15張星元：發(fā)酵原理263.1.1 葡萄糖的降解代謝途徑EMP途徑(Embden-Meyerhof-Parnas pathway) HMP途徑(hexose monophosphate pathway)和PP環(huán)(oxidative pentose phosphate cycle)ED途徑 (Entner-Douderoff pathway ) 或KDPG途徑（2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate pathway）PK途徑(phosphoketolase pathway)葡萄糖直接氧化途徑 TCA環(huán)以及丙酮酸的代謝方式的轉(zhuǎn)換PYR的發(fā)酵性

13、代謝途徑 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理27 葡萄糖的降解代謝可在有氧條件下進行，也可以在無氧條件下進行；可以是氧化性的，也可以是發(fā)酵性的。 但并非所有氧化性代謝（包括有氧呼吸和無氧呼吸）均只發(fā)生在有氧存在的條件下；也不能保證在有氧條件下發(fā)生的葡萄糖降解代謝都是氧化性的代謝。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理28 葡萄糖的氧化性降解代謝與發(fā)酵性降解代謝兩者最基本的區(qū)別在于：氧化性降解代謝除了可以與發(fā)酵性降解代謝一樣通過底物水平磷酸化形成ATP外，還經(jīng)電子傳遞磷酸化產(chǎn)生更多的ATP，從而允許微生物有更高的生物合成速率、更高的生長速率及更高的細胞得率 ( 細胞對葡萄糖的轉(zhuǎn)化率 ) 。2022

14、/9/15張星元：發(fā)酵原理29 為了說明問題方便，可將微生物對葡萄糖的降解代謝分成三個階段來分析。 下圖是葡萄糖降解代謝綜合示意圖。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理302022/9/15張星元：發(fā)酵原理31 第一階段：葡萄糖進入細胞，在胞內(nèi)以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯（ 如，G-6-P ）或葡萄糖酸的磷酸酯（ 如，6-P-GA ） 的形式出現(xiàn)。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理32 第二階段：微生物細胞將葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到處于3C水平的丙酮酸，其降解途徑在不同的微生物往往不一樣，但實際上主要經(jīng)前述酵解途徑之一降解。幾乎所有的微生物均不止使用其中之一條途徑，通常用兩條，某些情況下還可能誘導(dǎo)出

15、第三條甚至第四條途徑。在任何一種微生物細胞中，流經(jīng)并行的途徑的碳架物質(zhì)的相對流量因細胞的氧化還原狀態(tài)、細胞所處的環(huán)境條件的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化。這個階段不但通過底物水平磷酸化生成ATP，而且向細胞質(zhì)釋放還原當(dāng)量。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理33 第三階段：丙酮酸繼續(xù)代謝和代謝產(chǎn)物的分泌。這是區(qū)分葡萄糖的氧化性代謝與發(fā)酵性代謝的關(guān)鍵性階段。 如果丙酮酸或由丙酮酸繼續(xù)代謝而生成的可用作還原當(dāng)量吸收劑的化合物（如乙醛）吸收第二階段釋放的還原當(dāng)量，生成相應(yīng)的還原產(chǎn)物 （如乙醇）。 這個過程因這些還原產(chǎn)物的分泌而得以進行。這時微生物細胞進行發(fā)酵性代謝。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理34 如

16、果遺傳與環(huán)境條件許可，丙酮酸相對容易地經(jīng)TCA環(huán)降解，最終可被氧化降解成二氧化碳；第二階段（酵解）及第三階段所釋放的還原當(dāng)量則在膜內(nèi)側(cè)被電子傳遞鏈吸收并傳遞給最終電子受體。這時微生物細胞進行氧化性代謝。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理35OAAPYRPYRGlcGlc引自Albert G.Moat et. Al., Microbial Phsiology (4th ed.), 2002根據(jù)Albert G.Moat et. Al., Microbial Phsiology (4th ed.), 2002 改制。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理36 由此可見，各種以丙酮酸為底物的酶對丙酮酸

17、的競爭，是細胞對葡萄糖進行氧化性代謝還是還原性（發(fā)酵性）代謝的調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理37 大多數(shù)微生物在完成葡萄糖降解的第一階段后，就會面臨選擇什么途徑來完成第二階段的降解的問題。第二階段一般有EMP、 HMP、 ED和PK等四種途徑可供選擇。葡萄糖經(jīng)第二階段降解，生成丙酮酸。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理38 下面將分別討論第二階段的可選擇的四種途徑和葡萄糖直接氧化途徑，以及第三階段的丙酮酸的氧化性代謝途徑（ TCA環(huán)）和發(fā)酵性（還原性）代謝途徑。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理39 特別提請注意，這門課程中，所有的途徑都是代謝網(wǎng)絡(luò)的組成部分，它們在代謝網(wǎng)絡(luò)中

18、與其周圍的途徑發(fā)生關(guān)聯(lián)，就如集成電路元件可以不同的連接方式存在于電子線路中。 在學(xué)習(xí)中應(yīng)該特別注重經(jīng)典的途徑（如 EMP 途徑、TCA途徑等 ）與其他途徑可能發(fā)生關(guān)聯(lián)之處。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理403.1.1.1 EMP途徑(Embden-Meyerhof-Parnas pathway)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理41 這條途徑是除植物以外的多數(shù)生物所共有的。在該途徑中，葡萄糖被轉(zhuǎn)化為1，6 - 二磷酸果糖（屬于二磷酸己糖）后，經(jīng)二磷酸果糖醛縮酶催化而開始降解，因此該途徑又有二磷酸己糖途徑和二磷酸果糖醛縮酶途徑之稱。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理42EMP途徑HMP, E

19、D,和PK途徑HPK途徑ATP ( PEP)ADP (PYR)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理43縮寫規(guī)則（供讀圖參考）： 糖(醛糖或酮糖，也包括甘油醛)的磷酸化合物均縮寫為“ 該糖的英文名稱的首字母 - 阿拉伯?dāng)?shù)字 - P ” 。因此 3 - 磷酸甘油醛的縮寫為 GA-3-P。 糖以外的磷酸化合物縮寫為“ 阿拉伯?dāng)?shù)字 - P - 化合物的英文名稱的首字母 ” 。因此3 - 磷酸甘油酸的縮寫為 3-P-GA 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理44EMP途徑的三個階段：準(zhǔn)備階段、氧化階段、放能階段。 EMP途徑的三個單向酶：己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）、丙酮酸激酶 （PK） 。 2

20、022/9/15張星元：發(fā)酵原理45EMP途徑的兩個關(guān)鍵酶：磷酸果糖激酶 ( PFK )，它是 EMP途徑中 唯一不涉及其它用來降解碳水化合物的途徑的酶（也是EMP途徑特有的酶 ）。它受到多種因子的控制，因此可能是EMP途徑的代謝流的主要“閥門”。二磷酸果糖醛縮酶(FDPA)，簡稱醛縮酶。這個酶催化EMP途徑中6C裂解成3C的反應(yīng)。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理463.1.1.2 HMP途徑(hexose monophosphate pathway) 和PP環(huán)(oxidative pentose phosphate Cycle)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理47 因為 HMP 途徑中葡

21、萄糖的降解是從單磷酸己糖，即6- 磷酸葡萄糖酸 ( 6-P-GA ) 開始的，取單磷酸己糖英文的首字母即可縮寫為 HMP ，故有單磷酸已糖途徑，即 HMP 途徑之稱。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理48 HMP 途徑葡萄糖氧化降解以兩種不同的方式進行：完全氧化的方式： 葡萄糖被完全氧化成 CO2 ，每分子葡萄糖生成 6 分子CO2。不完全氧化的的方式： 每分子葡萄糖被氧化成 3 分子CO2 和 1 分子 GA-3-P，后者可以被進一步氧化。 因此 HMP 途徑有 “ 完全的 HMP 途徑 ” 和“ 不完全的 HMP 途徑 ” 之分。只有不完全的 HMP途徑能完成從葡萄糖到PYR的過程。202

22、2/9/15張星元：發(fā)酵原理49 不論完全的還是不完全的 HMP途徑，均可以人為地分成前后兩個階段。 前階段均是從葡萄糖氧化生成磷酸戊糖，為 HMP 途徑的氧化階段；后階段均包含磷酸戊糖之間的，經(jīng)一系列基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)重新合成己糖的過程，為HMP途徑的非氧化階段。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理50HMP 途徑的氧化階段待續(xù)E D 途徑P K 途徑E M P 途徑2022/9/15張星元：發(fā)酵原理51(1) HMP途徑的氧化階段前圖中：6 -P-GL表示 6 - 磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯6-P-GA表示 6- 磷酸葡萄糖酸R-5-P （簡寫為C5P） 表示 5 - 磷酸核糖 Ru-5-P （簡寫為C5P

23、 ） 表示 5 - 磷酸核酮糖Xu-5-P （簡寫為C”5P ）表示 5 - 磷酸木酮糖2022/9/15張星元：發(fā)酵原理52接上圖HMP 途徑的全過程不完全 的HMP完全的HMPHMP途徑的氧化階段HMP 途 徑 的 非 氧 化 階 段2022/9/15張星元：發(fā)酵原理53(2) HMP途徑非氧化階段 前圖中： C7P表示 7- 磷酸景天庚酮糖 C6P表示 6 - 磷酸葡萄糖 C6P表示 6 - 磷酸果糖 C5P表示 5 - 磷酸核酮糖 C”5P 表示 5 - 磷酸木酮糖 C4P表示 4 - 磷酸赤蘚糖 C3P表示 3 - 磷酸甘油酸2022/9/15張星元：發(fā)酵原理54 這個階段包含一系列

24、磷酸戊糖之間的 2C片段和 3C片段的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。這一系列的片段轉(zhuǎn)移反應(yīng)是由兩種酶來催化：轉(zhuǎn)羥乙醛基酶或轉(zhuǎn)酮酶 ( transketolase，縮寫成TK)，需焦磷酸硫胺素（TPP）為輔酶， 這種酶專門用來轉(zhuǎn)移羥乙醛基團（2C片段）。轉(zhuǎn)二羥丙酮基酶或轉(zhuǎn)醛酶 ( transaldolase，縮寫成 TA ) ， 專門用來轉(zhuǎn)移二羥丙酮基團 ( 3C片段 )。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理55 根據(jù) HMP 途徑的全過程圖，能夠畫出 HMP 途徑的氧化性磷酸戊糖循環(huán)即PP環(huán)圖式。 從全過程圖的上半部分可以畫出不完全的 HMP途徑的PP環(huán)圖式，從整個全過程圖可以畫出完全的 HMP 途徑的 PP 環(huán)圖

25、式。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理56GlcC6PATPADP2C6P3C6P3CO26NADP+6(NADPH+H )+3C5 P2C6 PC3P(TK)(TA)PYRC4P,C5P,C5”P,C7P不完全的HMP途徑PP cycle 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理57完 全 的 HMP 途 徑GlcATPADPC6P5C6P6C6P12NADP+12( NADPH + H )+6C5 P5C6P6CO2C3P,C4P,C5P,C5”P,C7P(TA,TK)PP cycle2022/9/15張星元：發(fā)酵原理58 前面兩張圖中，第一張圖歸納了不完全的 HMP 途徑， 因為圖示的磷酸戊糖

26、參與的氧化性 PP 環(huán)，將 1分子葡萄糖（在2個葡萄糖分子的陪同下）被氧化成 3 分子 CO2 和 1分子PYR， PYR還可以進一步被氧化，故有 “不完全” 之稱。 第二張圖歸納了完全的 HMP 途徑， 因為圖示的由磷酸戊糖參與的氧化性 PP 環(huán)，將 1 分子葡萄糖（ 在5個葡萄糖分子的陪同下） 被完全氧化成6分子 CO2 ，因此有 “ 完全 ” 之稱。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理59 HMP途徑的總反應(yīng)計量取決于以下兩項的代謝程度：進入HMP途徑的碳架物質(zhì) “ 回注 ” 入EMP途徑，經(jīng) PP 環(huán)而被氧化成二氧化碳 （ 同時生成 NADPH 形式的還原力），進入 PP環(huán)的碳架物質(zhì)消耗

27、于生物合成前體物的生成。HMP途徑也因此而被認(rèn)為具有氧化和回補功能. 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理60HMP途徑的氧化功能: G-6-P + 12NADP+ + 7H2O 12NADPH + 12H+ + 6CO2 + 1P HMP途徑的回補功能： 5（G-6-P）+ 5ATP 6（R-5-P）+ 5ADP + 4H2O + 4（ P ）2022/9/15張星元：發(fā)酵原理613.1.1.4 ED 途徑 (Entner-Douderoff pathway ) 或 KDPG 途徑 （ 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate pathway）2022/9/15張星元

28、：發(fā)酵原理62ED途徑HMP, PK途徑2022/9/15張星元：發(fā)酵原理63 ED 途徑是 HMP 途徑的 6-P-GA處的分支途徑，它有兩個特殊的酶， 6-P-GA 脫水酶 和 2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶 ( KDPG醛縮酶 )，因此 ED途徑又叫 KDPG 途徑。 在大多數(shù)假單胞菌中，ED途徑可能是葡萄糖降解的主要代謝途徑 。發(fā)酵運動單胞菌是目前所知的唯一能在厭氧條件下使用 ED 途徑的微生物。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理64 從前面的 ED 途徑圖可見，葡萄糖醛酸、果糖酮酸、甘露糖醛酸等都可以先各自轉(zhuǎn)化成 KDPG ，然后進入 ED 途徑降解。2022/9/15張星

29、元：發(fā)酵原理65 如果合成代謝需要，ED 途徑的中間產(chǎn)物 GA-3-P 和 G-6-P 經(jīng) HMP途徑非氧化階段的反向運轉(zhuǎn)先后生成C4P、C”5P， C7P、C3P 和 C”5P、C5P。它們可以參與嘌呤、嘧啶、芳香族氨基酸、His、維生素K2、CoQ、對-氨基苯甲酸、葉酸等的合成。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理663.1.1.3 PK途徑(Phosphoketolase Pathway)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理67 另一種在厭氧條件下運行的途徑是PK途徑。它也是從單磷酸己糖6-P-GA開始降解的，經(jīng)歷 HMP 途徑氧化部分的反應(yīng)，生成 Xu-5-P 后，被特有的酶裂解為 3C

30、化合物 ( GA-3-P ) 和 2C 化合物 ( 乙酰磷酸，高能磷酸化合物) 。 這個特有的酶叫做磷酸酮解酶( phosphoketolase ) , 因為有這個酶而把這條 單磷酸己糖途徑命名為磷酸酮解酶途徑，簡稱PK途徑。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理68PK途徑Ac-P2022/9/15張星元：發(fā)酵原理69 PK途徑不同于以上已介紹的可兼用于需氧和厭氧條件下 降解的途徑，微生物在厭氧條件下借助PK途徑不但可以利用葡萄糖， 而且可以利用D-核糖，D-木糖和L-阿拉伯糖。 這 3 種糖首先各自轉(zhuǎn)化成 Xu-5-P，然后經(jīng) PK途徑降解成 PYR 和 Ac-P（ 高能磷酸化合物乙酰磷酸

31、）。葡萄糖經(jīng) PK 途徑降解成PYR時所生成的ATP的量只有經(jīng)EMP途徑的一半。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理70 在雙歧桿菌和木醋桿菌中發(fā)現(xiàn)了另一條磷酸酮解酶途徑，在這條途徑中磷酸酮解酶以單磷酸己糖 F-6-P 為底物，將 F-6-P 裂解為4-磷酸赤蘚糖 ( E-4-P ) 和Ac-P，因此這個磷酸酮解酶實際上是磷酸己糖酮解酶 ( hexose phosphoketolase )。 因這個酶而把這條磷酸酮解酶途徑命名為磷酸己糖酮解酶途徑，簡稱為HPK途徑。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理71HPK途徑EMP, HMP, ED和PK途徑Ac-P2022/9/15張星元：發(fā)酵原理72

32、如果一種微生物沒有二磷酸果糖醛縮酶（EMP途徑），沒有6-磷酸葡萄糖脫氫酶（HMP途徑、ED途徑、PK途徑，那么這種微生物就不能用以上途徑來降解葡萄糖；若要在厭氧條件下降解葡萄糖，則需用 HPK 途徑。如果這種微生物中還存在 HMP 途徑非氧化階段的轉(zhuǎn)酮-轉(zhuǎn)醛酶系統(tǒng)的話，那么這條途徑的中間產(chǎn)物 F-6-P 和 E-4-P 逆向運行可生成各種磷酸戊糖 ( 包括C5P、C5P和C5”P )。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理733.1.1.5 葡萄糖直接 氧化途徑 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理74 以上四種途徑(EMP途徑、HMP途徑、ED 途徑、PK / HPK 途徑 ) 的第一步均是在已

33、糖激酶的催化下首先把葡萄糖激活成 G-6-P ，然后才開始降解；而有些微生物如假單胞菌屬和氣桿菌屬的某些種的細菌沒有已糖激酶，只好用變通的辦法。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理75 它們首先把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸，后者在葡萄糖酸激酶的催化下，把葡萄糖激活成生成 6-P-GA； 形成葡萄糖直接氧化途徑。葡萄糖直接氧化途徑在有分子氧存在的情況下運行。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理76葡萄糖直接氧化途徑葡萄糖直接氧化途徑b. 同不完全的HMP途徑、PK途徑c. 同ED途徑2022/9/15張星元：發(fā)酵原理77 曲霉和青霉的葡萄糖氧化酶催化葡萄糖的氧化脫氫反應(yīng)，這個酶是以FAD為輔基的黃素蛋

34、白，葡萄糖脫氫生成葡萄糖酸內(nèi)酯 ( GL )，同時FAD被還原成FADH2 ，后者直接 （ 不經(jīng)過電子傳遞鏈）被分子氧再生；同時生成 H2O2 ，然后 H2O2 被觸酶分解。進行這樣的黃素蛋白水平的呼吸，并不能為細胞提供代謝能。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理783.1.1.6 TCA環(huán)和丙酮酸的 代謝方式的轉(zhuǎn)換 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理79TCA環(huán)TCA環(huán)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理80 在供氧條件下，對需氧微生物和兼性厭（需）氧微生物來說，葡萄糖降解代謝的第二階段生成的PYR經(jīng)丙酮酸脫氫酶系統(tǒng) （ PDH ）脫氫生成 AcCoA，后者進入TCA環(huán)，CoA 所攜帶的乙?；?/p>

35、完全氧化成 CO2 和水。 經(jīng)TCA環(huán)的氧化過程需要NAD和FAD等輔因子， 這些輔因子的再生需要電子傳遞鏈。因此， TCA環(huán)的運行必須具備以下條件： TCA環(huán)的全套酶及輔因子，TCA環(huán)的酶的底物，電子傳遞鏈，分子氧。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理81有氧呼吸2022/9/15張星元：發(fā)酵原理82 兼性厭氧菌大腸桿菌在供氧條件下生長時，不但 - 酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物，而且檸檬酸合成酶 ( CS ) 、順烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶 (ID)等被誘導(dǎo)合成， TCA 環(huán)的“通道”較寬； 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理83 從供氧條件轉(zhuǎn)入?yún)捬鯒l件，大腸桿菌細胞的生理狀態(tài)發(fā)生如下變化： 依賴 NA

36、D的丙酮酸脫氫酶（PDH ）被不依賴NAD的丙酮酸-甲酸裂合酶（PFL ）所替代，以減少厭氧條件下NADH再生的麻煩； - 酮戊二酸脫氫酶合成受阻遏， 使得TCA環(huán)環(huán)式運行中斷； 延胡索酸還原酶（ FR ） 被誘導(dǎo)合成。于是，就有了從OAA到 SCA的還原途徑（ 與TCA環(huán)逆向）。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理84圖中：a.丙酮酸脫氫酶b.丙酮酸甲酸裂 合酶c.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶d.丙酮酸羧化酶e.延胡索酸還原酶從供氧條件轉(zhuǎn)入?yún)捬鯒l件TCA環(huán)的變化-酮戊二酸脫氫酶受阻遏2022/9/15張星元：發(fā)酵原理85 這時TCA環(huán)環(huán)式運行中斷，變成如圖示的在OAA處發(fā)生分支的分叉途徑，形成還原支

37、路和氧化支路，由于這時氧化支路的酶也受一定程度阻遏，TCA中間產(chǎn)物雖仍有合成但合成速度下降，與此同時，細胞呼吸鏈功能下降，氧化磷酸化減弱, 胞內(nèi)ATP濃度下降，細胞生長速率下降，細胞轉(zhuǎn)入生理學(xué)的發(fā)酵狀態(tài)。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理86酵母的發(fā)酵性代謝：（1），丙酮酸脫氫酶；（2），丙酮酸脫羧酶； （3），乙醛脫氫酶；（4），AcCoA合成酶；（5），乙醇脫氫酶。 反應(yīng)（1）在線粒體內(nèi)進行，其余的反應(yīng)在細胞質(zhì)內(nèi)進行。 乙醛PYR乙醇乙酸乙酰CoA線粒體內(nèi)細胞質(zhì)內(nèi)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理87 當(dāng)釀酒酵母從供氧條件轉(zhuǎn)入?yún)捬鯒l件時，在線粒體中進行的PYR 經(jīng) PDH 催化生成AcCo

38、A的作用被在細胞質(zhì)中進行的PYR經(jīng)丙酮酸脫羧酶（PDC）催化生成乙醛的作用所替代（這兩種酶在這些酵母菌株中都是組成型的），然后，細胞質(zhì)中的乙醛作為胞內(nèi)還原當(dāng)量的吸收劑被NADH還原成乙醇。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理88 酵母的氧化性代謝在線粒體內(nèi)進行，PYR 經(jīng)過 AcCoA進入TCA 環(huán)，被完全氧化；發(fā)酵性代謝在細胞質(zhì)進行，細胞質(zhì)中的 PYR 不經(jīng)過 AcCoA，直接經(jīng)丙酮酸脫羧酶催化生成乙醛，后者經(jīng)細胞質(zhì)中的乙醇脫氫酶（ADH ）被NADH還原成乙醇。 已經(jīng)確認(rèn)酵母乙醇脫氫酶有四種同工酶。其中細胞質(zhì)中的同工酶ADH-I是組成型的，催化生成乙醇的反應(yīng)；ADH-II 也是細胞質(zhì)中的蛋白

39、，與以乙醇為基質(zhì)的好氧生長有關(guān)，并受葡萄糖阻遏 。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理893.1.1.7 PYR的發(fā)酵性代謝途徑 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理90 下圖為在厭氧條件下不同種的微生物從丙酮酸的出發(fā)生成生理性發(fā)酵產(chǎn)物的代謝圖（圖中紅色箭頭代表還原反應(yīng)）。不同微生物的發(fā)酵終產(chǎn)物的差別反映出不同物種的微生物細胞中代謝丙酮酸的酶系的差別。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理91PYRAcCoA+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菌 酵母菌 丙酸細菌乳酸乙醇乙醛OAASCACO2丙酸ATPATPATPATPATPCO2C

40、O2甲酸（H2 +CO2）2022/9/15張星元：發(fā)酵原理92 兼性厭氧的化能異養(yǎng)型微生物在在缺氧條件下生長或維持生存的情況下， - 酮戊二酸脫氫酶合成受阻遏，TCA環(huán)環(huán)式運行中斷，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。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理93 酵解途徑和TCA氧化支路形成的還原型輔酶再生時，將電子交給細胞的內(nèi)源化合物，就可能生成不同的（生理性）

41、發(fā)酵產(chǎn)物。下圖為微生物在厭氧條件下生成不同的發(fā)酵產(chǎn)品時的代謝網(wǎng)絡(luò)圖，圖中標(biāo)紅點的每出反應(yīng)為還原反應(yīng)，標(biāo)綠點的酶出反應(yīng)為脫氫反應(yīng)。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理942022/9/15張星元：發(fā)酵原理953.1.2 葡萄糖降解途徑 之間的關(guān)系2022/9/15張星元：發(fā)酵原理96 葡萄糖降解途徑之間存在著共同的酶（一個或數(shù)個酶），它們之間的相應(yīng)依存關(guān)系，可用一張?zhí)摂M的圖來表示 ：2022/9/15張星元：發(fā)酵原理97PYRGlcGAGLG-6-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)DHAPGA-3-PPYREMPE-4-PAc-P(HPK)HPK(G6PDH)6-P-GA(6PGDH)RU-5

42、-PR-5-PXU-5-PKDPG（6PGA脫水酶）(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）2022/9/15張星元：發(fā)酵原理98 微生物細胞中是否存在某條途徑，實際上就是細胞中是否存在這條途徑的酶的活力。一種微生物在某種條件下如何利用葡萄糖的不同的降解途徑對葡萄糖（或其它碳水化合物）進行降解代謝，會在較大程度上影響到目的產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率，也會影響有機原料的利用率。了解這些途徑在細胞內(nèi)的存在和可能利用的比率，對菌種選育和發(fā)酵工藝控制都非常有用。2022/9/15張星元：

43、發(fā)酵原理99 微生物對葡萄糖降解途徑的利用比率是不一致的 ，但一般是以 EMP 途徑為主，也有以 ED 途徑為主的。 酵母及多數(shù)工業(yè)微生物的葡萄糖代謝通常是EMP途徑和 HMP 途徑并用。對酵母來說， EMPHMP = 7080%3020 %。 只用 EMP 途徑（ 或 HMP 途徑 ）降解葡萄糖的微生物種并不多。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理100 以EMP途徑為降解葡萄糖的唯一途徑的微生物（ 如乳桿菌），因為沒有HMP途徑為菌體細胞提供參與嘌呤、嘧啶、 芳香族氨基酸、核糖等細胞組成物質(zhì)合成的前體， 所以它們必須在含有這些營養(yǎng)物的培養(yǎng)基中才能生長。EMP 途徑與 HMP 途徑的相互關(guān)聯(lián)

44、如下圖所示。微生物細胞中的核酸、 蛋白質(zhì)等物質(zhì)合成中所需的 4C、 5C、 7C 片段都由HMP途徑提供。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理101CO2GlcG-6-PF-6-PGA-3-PPYRNADPHC5PC5PC5”PC4PC7PPP cycleEMP和HMP途徑的關(guān)系2022/9/15張星元：發(fā)酵原理1023.1.3 微生物的中心代謝途徑 (central metabolic pathway)2022/9/15張星元：發(fā)酵原理103 前面已經(jīng)提及，為了分析問題的方便，將化能異養(yǎng)型微生物的初級代謝的代謝網(wǎng)絡(luò)，分成三大板塊： 向心板塊 中心板塊 離心板塊2022/9/15張星元：發(fā)酵原理

45、104 可以把向心、中心和離心三大板塊組成的初級代謝的代謝網(wǎng)絡(luò)，想象成一個充氣的橡皮救生艇（下圖）。這個橡皮艇由一個中空的環(huán)狀部分和被這環(huán)狀部分包圍的一個平臺組成，網(wǎng)絡(luò)的中心板塊對應(yīng)于橡皮艇的平臺，向心板塊和離心板塊分別對應(yīng)于包圍橡皮艇平臺的中空環(huán)狀部分的上片和下片。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理105由三大板塊組成的“橡皮救生艇”（從中間切開）2022/9/15張星元：發(fā)酵原理106 微生物細胞的中心代謝途徑（葡萄糖代謝的兩用途徑）是中心板塊的核心部分，是工業(yè)發(fā)酵載流路徑（下圖中的 N 到 P代表載流路徑）不可缺少的部分。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理107向心途徑中心代謝途徑離心

46、途徑中心代謝途徑在細胞機器工作模式中的位置2022/9/15張星元：發(fā)酵原理108 微生物細胞的中心代謝途徑（簡稱中心途徑）是指既可用于葡萄糖降解、又可用于葡萄糖異生成作用的途徑，也就是葡萄糖代謝的兩用途徑。 因此可以把中心代謝途徑看作是細胞新陳代謝的集散中心（見下圖），它在微生物細胞的 “ 第二解剖學(xué) ” 中，處于 “ 心臟 ” 的地位。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理109多糖脂質(zhì)異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物有機化合物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)

47、核苷酸核酸維生素2022/9/15張星元：發(fā)酵原理110 前面已詳細介紹了葡萄糖降解途徑，這里將補充介紹與葡萄糖降解相反的過程，也就是從其它有機物合成葡萄糖的過程，即葡萄糖的異生成作用 ( gluconeogenesis)。這個方向的代謝在中心代謝中同樣占有重要的地位。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理111 以葡萄糖為碳源培養(yǎng)微生物，葡萄糖經(jīng)EMP等途徑被降解；在微生物生長時，葡萄糖、核糖等也參加合成代謝。 如果微生物要在蘋果酸（4C）、 琥珀酸（4C） 、 醋酸（2C） 或甘油（3C）等所謂“不好” 的碳源上生長， 就要求微生物具有自身合成磷酸己糖 （ 6C ） 和磷酸戊糖 （ 5C）的能

48、力。磷酸戊糖用來合成核苷、核苷酸、核糖核酸和脫氧核糖核酸等， 磷酸己糖用來合成細胞壁肽聚糖及其它多糖、 包括能量貯備化合物糖原等。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理112 要從這些碳源合成磷酸己糖和磷酸核糖等，勢必首先要使碳架物質(zhì)逆葡萄糖降解途徑流動。 這里要以EMP途徑為例分析這種逆向流動。EMP途徑中除了有三個反應(yīng)由單向酶催化外，其余均是由酶催化的雙向反應(yīng)。這三個單向酶必須被其反向酶取代，或被繞過，才能實現(xiàn)碳架物質(zhì)在EMP酵解途徑中的“倒流”。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理113 倒數(shù)第一個單向酶丙酮酸激酶 ( PK ) 是不可逆轉(zhuǎn)的，它的反向催化需自由能太大。這步單向反應(yīng)可先后借助丙

49、酮酸羧化酶 ( PC ) 和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ( PEPCK )來繞過，后者是依賴 Mg2+ 并需要GTP供能的酶。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理114 倒數(shù)第二個單向酶是磷酸果糖激酶 ( PFK ) ，這個反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)靠果糖二磷酸酯酶 ( FDPE) 來催化。 大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌等腸道細菌的缺失 FDPE 的突變株不能在L-蘋果酸、琥珀酸、甘油或醋酸等基質(zhì)中生長。這類基質(zhì)被稱為依賴葡萄糖異生作用的基質(zhì)（ gluconeogenic substrates ）。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理115 第三個需要逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)是己糖激酶催化的反應(yīng)， G-6-P 的脫磷酸反應(yīng)由G-6

50、-P酶（G6PE）來催化 。 從兩個PYR分子經(jīng)葡萄糖異生途徑合成一分子葡萄糖耗能超過其逆向途徑 EMP 酵解途徑。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理116 下圖歸納的是 EMP-TCA中心代謝途徑， 即微生物細胞最基本的中心代謝途徑。 圖示中心代謝途徑中還包含了三個輔助性環(huán)： GOA 環(huán) DCA 環(huán) 甘油酸途徑構(gòu)成的環(huán) 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理117以下圖中： 金黃色箭頭代表單向酶，藍色箭頭代表與它們逆向的酶。 綠色箭頭代表網(wǎng)絡(luò)圖中標(biāo)示的部分。 紅色箭頭代表催化回補反應(yīng)的酶。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理118R-5-P中心代謝途徑（兩用途徑）GlcG-6-P(PTS) (H

51、K)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGICACTAGOA2022/9/15張星元：發(fā)酵原理119ICA中心代謝途徑（顯示TCA環(huán)）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGCTAGOA2022/9/15張星元：發(fā)酵原理120中心代謝途徑（顯示DCA環(huán)）G-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6

52、-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGICACTAGOAGlc2022/9/15張星元：發(fā)酵原理121中心代謝途徑（顯示GOA環(huán)）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGICACTAGOA2022/9/15張星元：發(fā)酵原理122中心代謝途徑（顯示甘油酸途徑）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DH

53、APGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCA-KGICACTAGOAScCoA2022/9/15張星元：發(fā)酵原理123AcCoAOAACTA3NADH,ATPFADH22CO2SCATCA環(huán)原始底物再生底物2022/9/15張星元：發(fā)酵原理124 碳架物質(zhì)是通過乙酰CoA與草酰乙酸在檸檬酸合成酶的催化下生成檸檬酸的縮合反應(yīng)進入TCA循環(huán)的。隨后，檸檬酸在烏頭酸酶的作用下生成其異構(gòu)體異檸檬酸。這個反應(yīng)的發(fā)生，要經(jīng)過順烏頭酸，它在細胞代謝中沒有其他功能，因此，在考慮TCA循環(huán)時對它忽略不計。檸檬酸轉(zhuǎn)化成異檸檬酸的總平衡常數(shù)接近于 1 ，這就意味著等量的檸檬酸和異檸檬酸處于平

54、衡之中，這 2 個代謝產(chǎn)物常常歸入一個單獨代謝庫。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理125 接下來的兩步是氧化性脫羧反應(yīng)。首先，異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶的催化下轉(zhuǎn)化成- 酮戊二酸。然后，-酮戊二酸經(jīng) - 酮戊二酸脫氫酶催化轉(zhuǎn)化成琥珀酰輔酶A （ScCoA） ，該套序列反應(yīng)類似于丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化的丙酮酸脫羧序列反應(yīng)。實際上，這兩個酶系（ 復(fù)合物 ）使用同樣的脫氫酶亞基。在后一個反應(yīng)中，（ScCoA）被水解生成琥珀酸，同時CoA酯鍵水解過程中釋放出的自由能的一部分，被GDP捕獲，生成代謝能GTP 。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理126 然后琥珀酸脫氫生成延胡索酸，這個反應(yīng)需要琥珀酸脫氫

55、酶（一種屬于黃素蛋白的酶 ） 來催化， 它的催化依賴于輔基FAD（強氧化劑），在催化過程中FAD被還原成FADH2。 接著，延胡索酸在延胡索酸酶的催化下轉(zhuǎn)化成L-蘋果酸。最后，L-蘋果酸在蘋果酸脫氫酶的催化下生成草酰乙酸，從而完成這個循環(huán)。2022/9/15張星元：發(fā)酵原理127 從AcCoA與草酰乙酸（OAA）合成檸檬酸（CTA），進入TCA 環(huán)，經(jīng)發(fā)生在異檸檬酸（ICA）、-酮戊二酸（-KG）、琥珀酸（SCA）、蘋果酸（MLA）上的四次脫氫，以及- 酮戊二酸（-KG）的脫羧和 ICA經(jīng)草酰琥珀酸的-裂解等兩次脫羧，還有 ScCoA 的一次底物水平磷酸化，最后又回復(fù)成OAA。AcCoA（ 實際上是乙?；?）作為TCA環(huán)的底物進入TCA環(huán)，經(jīng)過TCA 環(huán)和電子傳遞鏈最終被氧化成 CO2和水。 2022/9/15張星元：發(fā)酵原理128 被完全氧化生成 3 分子 CO2、4 分子 NAD（P）H（異檸檬酸脫氫時在細菌細胞質(zhì)中形成NADPH， 在真核微生物線粒體中形成NADH）、1分子 FADH2 和 1 分子 A