微生物的代謝及其調(diào)控

關于微生物的代謝及其調(diào)控1第一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一2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（如何進入細胞？）和利用。微生物細胞如何利用這些小分子材料合成細胞物質(zhì)完成自身復制和代謝產(chǎn)物合成第二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一3第三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一向心途徑在細胞機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第四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一1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微生物對各種有機化合物的降解1.3生物能的產(chǎn)生（細胞能學）—討論第五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

各種有機營養(yǎng)物質(zhì)（包括經(jīng)水解酶降解形成的有機營養(yǎng)物質(zhì)）大多以主動輸送的方式進入原核生物的細胞，以促進擴散和主動輸送的方式進入真核微生物的細胞，這幾種輸送方式均需借助于細胞的蛋白質(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物進行生長和繁殖。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，把原料轉化成可以進入細胞的有機營養(yǎng)物質(zhì)。第六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

進入細胞的營養(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行代謝。第七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

化能異養(yǎng)型微生物細胞借助于微生物的向心途徑將有機化合物（碳水化合物、烴類化合物、含氮有機化合物或其他有機化合物）降解或轉化成中心途徑上對應的的化合物，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)向心途徑第八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

原材料經(jīng)向心途徑注入中心途徑，兩者的接合點（接口）原則上可以是中心途徑上的任意化合物，但主要是12個代謝前體物。

如果進入細胞的營養(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“點”，這個點也就是向心途徑與中心途徑的接口。

代謝網(wǎng)絡的向心途徑往往是分解代謝途徑，它們大多是以中心途徑上對應的化合物為終點的。第九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一10微生物能分泌胞外酶（多是水解酶），把多聚物水解成可以進入細胞的分子。

這些胞外酶游離于微生物細胞外，有些仍與細胞相連。細胞還會分泌一些附著物，使某些疏水化合物結合到細胞表面，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第十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

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，它能將甘油三脂水解成脂肪酸和甘油后再利用。第十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一12(1)淀粉由葡萄糖分子以α-1,4和（或）α-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100~6000，以α-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)α-淀粉酶（作用于α-1,4糖苷鍵，屬內(nèi)切酶，遇分枝點不能切）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。第十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一淀粉經(jīng)β-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α-1,4糖苷鍵，同時使切下的麥芽糖還原性末端C1-OH的Glc殘基構型轉變成β型）作用，直鏈淀粉生成麥芽糖及少量葡萄糖，而支鏈淀粉生成麥芽糖（約50~60%）和β-極限糊精。淀粉經(jīng)葡萄糖淀粉酶（即糖化酶，α-1,4葡聚糖葡萄糖水解酶，從C4-OH端依此水解α-1,4糖苷鍵，其中包含麥芽糖的α-1,4鍵及少量的α-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α-1,6糖苷鍵）生成直鏈糊精。第十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一14（2）纖維素纖維素是構成植物結構的主要物質(zhì)，也是大自然中存量最豐富的碳水化合物。其化學結構是由葡萄糖以β-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)結合在一起。纖維素酶包括Cx酶（內(nèi)切β-1,4鍵）、C1酶（外切β-1,4鍵）及Cb酶（β-1,4葡萄糖苷酶）等組分。纖維素經(jīng)Cx酶處理產(chǎn)物為纖維糊精和纖維寡糖，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)物為葡萄糖第十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一15（3）果膠果膠酸：以α-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α-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：半乳糖醛酸第十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一16（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。第十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一17（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β-1,4糖苷鍵連接起來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。第十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一18（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。第十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一（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)β氧化生成AcCoA進入TCA環(huán)，甘油轉化成DHAP或GA-3-P第十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一20

⑴二糖的吸收和降解（一般在細胞內(nèi)發(fā)生）乳糖

β-半乳糖苷酶

Glc+半乳糖纖維二糖+Pi纖維二糖磷酸化酶

Glc+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微生物對各種有機化合物的降解第二十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一關于乳糖的吸收與降解關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，首先要誘導出3種酶：乳糖透性酶、β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷乙?；D移酶。乳糖透性酶實際上是乳糖的載體蛋白，用于乳糖的主動輸送，將乳糖送入細胞；

β-半乳糖苷酶將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖；

β-半乳糖苷乙?；D移酶的作用是催化AcCoA將乳糖及其它半乳糖苷乙?；姆磻?，它可將未能代謝的乳糖乙?；?，并排出細胞，因此，這個酶的生物學功能可能起解毒作用。第二十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一22Glc---→G-6-P→EMP→TCA果糖---→F-6-P---→EMP半乳糖----→Gal-1-P--→G-1-P→EMP甘露糖---→M-6-P---→F-6-P--→EMP

甘露糖激酶

6-磷酸甘露糖異構酶⑵己糖的降解第二十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一23核糖在激酶催化下生成R-5-P，即可進入HMP和PK途徑。阿拉伯糖在異構酶的催化下生成核酮糖，然后再磷酸化生成Ru-5-P，即可進入HMP或PK途徑。木糖轉化成木酮糖再生成Xu-5-P進入HMP途徑來蘇糖轉化成Xu-5-P進入PP環(huán)（3）戊糖的降解（核糖、木糖和阿拉伯糖）第二十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一24果膠酸經(jīng)胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再進一步轉化成ED途徑的中間產(chǎn)物KDPG，即可進入ED途徑。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進入HMP途徑

（4）己糖醛酸的降解第二十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一25（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+ATP→Ac~COA+AMP+Pi甘露糖醇→甘露糖-1-P→F-6-P→EMP山梨糖醇→山梨糖→→F-6-P丙三醇（甘油）→DHAP或GA-3-P，進入PP環(huán)或EMP途徑第二十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一（6）各種有機酸乙酸+CoASH+ATP→Ac~COA+AMP+Pi

草酸還原生成乙醛酸（GOA）進入TCA的輔助環(huán)蘋果酸（MLA）進入TCA環(huán)酒石酸：若經(jīng)脫水生成OAA→TCA，也可轉化成3-P-GA→EMP丙酸→丙酰CoA→與乙醛酸縮合成α-羥基戊二酸→裂解成乙酸和乳酸，其中乙酸經(jīng)AcCoA進入TCA環(huán)或（和）DCA環(huán)。而乳酸經(jīng)乳酰CoA、丙酮酰CoA，轉化成羥基丙酮醛，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，生成蘋果酸進入TCA環(huán)第二十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一27（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)二羥基丙酮轉化成磷酸二羥丙酮（DHAP）進入EMP途徑，脂肪酸經(jīng)β氧化生成AcCoA進入TCA環(huán)。脂肪酸的β-氧化是在原核細胞的細胞質(zhì)和真核細胞的線粒體內(nèi)進行的。若脂肪酸分子的碳原子數(shù)為偶數(shù)，最終得AcCoA，若為奇數(shù)，則同時也得到丙酰CoA。AcCoA直接進入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而進入TCA環(huán)。第二十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一28（8）脂肪族烴的降解（石油發(fā)酵）關于石油發(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)β氧化生成AcCoA，進入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C5～C8脂肪族烴中生長的細菌相對較少，如分支細菌、黃桿菌、諾卡氏菌等。第二十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一29（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)主動運輸進入細胞后，若經(jīng)脫氨作用轉化成有機酸，若經(jīng)脫羧作用生成胺。其中：Gly→GOA，Asp→OAA，Phe→FMA+乙酰乙酸，Glu→α-KG，Arg→SCA，Ala→PYR，Val→2-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CoA第二十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一30(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：有機酸+NH3+CO2第三十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一31（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-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”。第三十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一微生物也可以不經(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，即可進入TCA環(huán)。

第三十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一33（12）細胞內(nèi)源性高聚物的降解PHB（多聚β-羥基丁酸）解聚生成β-羥基丁酸，再生成AcCoA，進入TCA環(huán)。PGA（聚γ-谷氨酸）解聚后生成谷氨酸，脫氨后生成α-KG。第三十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一34（13）其他一些復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)在惡臭假單胞菌和一些相關的種的微生物細胞中含有降解性質(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，這個質(zhì)粒為可誘導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。第三十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一351.3生物能的產(chǎn)生（細胞能學）——討論葡萄糖降解代謝綜合示意圖第三十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一PYRGlcGAGLG-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脫水酶）(KDPG醛縮酶）GA-3-PPYRGA-3-PPYRAc-P(PK)EDPKGA-3-PPYR2(F-6-P)(TA)(TK)C4P,C7PHMP（FDP醛縮酶）葡萄糖降解途徑之間的關系第三十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一PYRAcCoA+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)第三十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一GlcG-6-P(PTS)(HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-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)第三十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一PYRAcCoAOAAMLASCAScCoAα-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,Thr)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)接上頁第三十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一多糖脂質(zhì)異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物有機化合物CO2CO2

G-6-PF-6-PR-5-Pα-KGScCoAAcCoAE-4-POAAGA-3-P3-P-GAPEPPYR碳水化合物脂肪酸其他輔因子氨基酸蛋白質(zhì)核苷酸核酸維生素第四十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

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化合物作為工業(yè)發(fā)酵的終端產(chǎn)物排出細胞，這個過程對工業(yè)發(fā)酵是十分重要的。第四十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一在磷酸化過程中，相關的酶將底物分子上的磷酸基團直接轉移到ADP分子上底物水平的磷酸化第四十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一左圖描繪了大腸桿菌細胞質(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)。第四十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一細菌細胞質(zhì)膜（左）和真核細胞的線粒體內(nèi)膜（右）上的電子傳遞過程的比較圖第四十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一45第四十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一46生物能形式的轉換及功能代謝能形式的轉換與代謝能的支出第四十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一472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第四十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一離心途徑在細胞機器工作模式中的位置向心途徑中心代謝途徑離心途徑第四十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一從初級代謝網(wǎng)絡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胞（成為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)物），有些直接參與細胞自身的生長和繁殖。第四十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一50有機物的降解途徑的運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，微生物細胞就可以合成細胞中主要的生物多聚體的前體（模塊分子）：大致包括5個嘌呤和嘧啶，20個氨基酸（18個氨基酸和2個氨基酰胺），還有碳水化合物、脂肪酸（含有機酸）、維生素及其它輔助因子。

這些前體再按生物學規(guī)律合成生物多聚體：核酸、蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)等，直至整個微生物細胞活有機體。2.1分子模塊等的生物合成第五十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

化能異養(yǎng)型微生物的合成代謝具多樣性和復雜性，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，目的是大致說明構建微生物菌體細胞的路子。第五十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一GlcG-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,GlcNAcPRPPHisDNA,RNA,dTMPUMP,CTP,AMP,GMP莽草酸預苯酸分支酸

Phe,TyrTrp,NAD(真菌),CoQ,對氨基苯甲酸,葉酸磷脂甘油Cys,Ser,Glyα-酮異戊酸Ala,Ile,Lys能量代謝的副產(chǎn)物Val,LeuCoA續(xù)待第五十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一PYRAcCoAOAAMLASCAScCoAα-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,細胞色素AspNADUMPCTPdTMPASALys(細菌)Thr,Met,Ile頁上接Asn第五十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一542.1.1微生物對單糖和多糖的合成A．單糖的合成

①6-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。第五十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一TCA環(huán)的中間代謝物用于單糖合成時先被氧化為OAA，然后OAA在PEPCK（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶）的催化下轉變?yōu)镻EP，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。第五十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一一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)轉氨酶轉變成α-KG和OAA，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)β-氧化生成的AcCoA，也經(jīng)同樣途徑合成G-6-P。第五十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一B．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，在不同的合成反應中是不同的。在合成糖原時，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UDP-單糖。

第五十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一58含氮有機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）也是含氮有機化合物。

NH3和NH4+中氮原子為-3價，細胞有機物中的氮原子也是-3價。工業(yè)上應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化合物。2.1.2含氮化合物的合成第五十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一A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個族。它們分別從中心途徑的不同關鍵中間化合物衍生出來的。第五十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一60第六十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一L-谷氨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，是整個細胞的代謝中一個重要的“分支點”，谷氨酰胺合成酶活性受多個終端產(chǎn)物的抑制。第六十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一62蛋白質(zhì)合成中，氨基酸是原料，mRNA是藍圖，核糖體是合成機器，還需要tRNA作為氨基酸的運載工具，還需要一系列的酶和輔因子；蛋白質(zhì)的合成是個消耗代謝能的過程。B蛋白質(zhì)的生物合成第六十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

詳細的合成過程在生物化學和分子生物學中已有敘述。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)側還是外側，取決于蛋白質(zhì)肽鏈起始端有沒有“信號順序”。第六十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

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，導致正在合成其本身的“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。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。第六十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一C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（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)甲基化而實現(xiàn)的。第六十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一66

RNA的合成（轉錄）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

其詳細過程及反應在生物化學和分子生物學中已有敘述。DRNA和DNA的合成第六十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一67

輔酶中的有很多屬于含氮有機化合物，如NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，F(xiàn)MN，CoA，CoF（四氫葉酸、HF4

），TPP（焦磷酸硫胺素）等。這些輔酶由細胞自身合成。E一些含氮輔酶的合成第六十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一粗糙脈孢菌、釀酒酵母像哺乳動物細胞一樣，可從Trp開始，經(jīng)吡啶-2,3-二羧酸合成NAD+和NADP+。

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胞都是一樣的。第六十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

F.其它含氮細胞物質(zhì)的合成

卟啉是構成呼吸鏈（或電子傳遞鏈）的電子載體細胞色素的前體。細胞色素的鐵卟啉的合成從琥珀酰輔酶A（ScCoA）與甘氨酸的反應開始，經(jīng)氨基乙酰丙酸而合成卟啉，最后形成鐵卟啉。第六十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一70

脂類是由活細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化合物。生物體的脂類和類脂的組分是多種多樣的，包括酰基甘油（脂肪酸的甘油酯）、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、類脂的合成第七十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一71A脂肪酸的合成（略）脂肪酸的合成中（也是脂質(zhì)合成中）的關鍵化合物是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β-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合在脂酰基上。

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?C片斷，和接下來的還原反應：第七十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一第一個乙酰基在一個依賴生物素的反應中被羧化成丙二酸單酰CoA；然后由兩個酶將乙酰CoA和丙二酸單酰CoA分別轉化成ACP的衍生物。以此類推，通過4個酶的循環(huán)反應（①縮合、②還原、③脫水、④還原），合成含碳更多的脂肪酸。第七十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

細胞脂類組分的模塊分子除了脂肪酸以外，還有：①3-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”，②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。③固醇。

甘油三酯的形成是靠由二磷酸酯酶催化L-α-磷脂酸的脫磷酸，以及隨后D–α，β-甘油二酯與脂肪酰-ACP（或合適的脂肪酸的CoA衍生物）反應生成甘油三酯。

B脂肪和磷脂的合成第七十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

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）。第七十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一磷脂的合成，不論在原核還是真核細胞，需要CTP（胞苷三磷酸，簡稱胞三磷）。CTP與L-α-磷脂酸生成CDP-甘油二酯：（α-磷脂酸）+CTP→（CDP-甘油二酯）+PPi

在細菌細胞中，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

在真核細胞中，磷脂酰乙醇胺的合成反應為：

（CDP-乙醇胺）+（D–α，β-甘油二酯）→

磷脂酰乙醇胺+CMP第七十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一B多聚β-羥丁基酸的合成

原核細胞中的能量貯存物質(zhì)多聚β-羥丁基酸（PHB）也是從AcCoA合成，其過程簡要表示如左圖。第七十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一77

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α-酮戊二酸（α-KG）的TCA途徑氧化支路。2.2能量代謝副產(chǎn)物的合成第七十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一78第七十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一2.3次級代謝產(chǎn)物的合成第七十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一GluG-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β-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)第八十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一2.4合成代謝的成本問題⑴蛋白質(zhì)合成的成本

在延伸的肽鏈上添加1個氨基酸需要利用4個高能磷酸鍵，相當于4個ATP。此外，在從mRNA合成與校對等過程中還需要一些自由能，總計每結合1個氨基酸約需0.3個ATP。因此在多肽生成過程中，在延伸的肽鏈上每添加1個氨基酸一共要消耗4.3個ATP。⑵核糖核酸（RNA）合成的成本

收編1個核苷酸（以單磷酸核苷酸計）的代謝能成本為2.4個ATP。

⑶脫氧核糖核酸（DNA）合成的成本

結合1個脫氧核糖核苷酸（以單磷酸核苷酸計）的總能耗為3.4個ATP。第八十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一3代謝網(wǎng)絡和聯(lián)網(wǎng)問題3.1代謝網(wǎng)絡

3.2擴展發(fā)酵原料范圍

3.3擴展發(fā)酵產(chǎn)品范圍

3.4發(fā)酵新產(chǎn)品的開發(fā)

第八十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

代謝網(wǎng)絡假說是從目的產(chǎn)物假說發(fā)展起來的。出于尋找發(fā)酵學的“元素周期表”，用以預測工業(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)絡上的化合物怎樣與工業(yè)發(fā)酵建立關系呢？

假使與工業(yè)發(fā)酵發(fā)生關系，歸結為它們怎樣能與代謝網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)的問題。

第八十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

聯(lián)網(wǎng)？就是用化學或生物化學反應把指定的化合物連接到代謝網(wǎng)絡上去，從而使它與微生物的代謝建立聯(lián)系。

聯(lián)網(wǎng)的設想促成了代謝網(wǎng)絡的人為延伸。對于工業(yè)發(fā)酵來說，代謝網(wǎng)絡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)的新領域。

怎樣才能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)呢？

目前可以采用化學方法或生物學方法（含DNA重組技術）來實現(xiàn)。第八十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

事實上，已在代謝網(wǎng)絡上，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。這一點已得到了上個世紀末葉的發(fā)酵工程和生物工程實踐的支持。第八十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

一系列按序進行的生物化學反應構成生化反應途徑，生化反應途徑按生物化學規(guī)律匯成生化反應網(wǎng)絡（若途徑在活細胞里運行，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，加上細胞內(nèi)輔酶再生與回用的協(xié)調(diào)，形成橫跨微生物活細胞內(nèi)外的、可調(diào)節(jié)的、無尺度的代謝網(wǎng)絡。3.1代謝網(wǎng)絡

第八十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一在供氧條件下，TCA途徑進行正常的環(huán)式運行（TCA環(huán)）。微生物依靠有氧生長的代謝網(wǎng)絡，合成細胞組成物質(zhì)，高速地轉化生成代謝能，最終形成整個細胞，實現(xiàn)正常生長。在以TCA環(huán)為骨架的中心板塊的基礎上構成有氧生長的代謝網(wǎng)絡：

（1）有氧生長的代謝網(wǎng)絡第八十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

微生物的代謝網(wǎng)絡(局部)第八十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

在缺氧條件下，TCA途徑的環(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α-酮戊二酸（α-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上構建缺氧生存的代謝網(wǎng)絡。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

第八十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一第九十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

對絕大多數(shù)的微生物來說，形成細胞的代謝途徑基本相同，所以底物范圍的擴展通常只要增加少量的化學反應或酶反應步驟就可能實現(xiàn)。有時這些步驟還需與下游反應相兼容和協(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擴展發(fā)酵原料范圍第九十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一這是一個具有巨大潛力的領域，異源基因的合理表達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、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擴展發(fā)酵產(chǎn)品范圍

第九十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

當微生物進行生命活動時，代謝物在網(wǎng)絡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)絡中代謝物流的形成第九十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

在代謝工程領域，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)絡中流動，流量相對集中的代謝流叫做該培養(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)絡中一個與時間相關的組成部分，可以把載流路徑的全部或局部看作是代謝網(wǎng)絡的亞網(wǎng)絡。

4.1代謝網(wǎng)絡中的代謝物流

第九十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

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)絡的途徑的選擇性。這種變動和選擇的根據(jù)在微生物細胞的遺傳物質(zhì)，選擇的原因是微生物所處的環(huán)境條件的變化。

第九十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

為了提高產(chǎn)物對原料的轉化率，就要求代謝主流（根據(jù)代謝分析的結果）從設定的路徑流過，使它成為載流路徑。這樣的載流路徑是帶有主觀導向性的虛擬的載流路徑，所以把它叫做理想載流路徑。4.2產(chǎn)物形成的理想載流路徑

及其“五段式”

第九十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

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物質(zhì)在微生物細胞的有關代謝途徑中流動的過程中，轉化成工業(yè)發(fā)酵的目的產(chǎn)物，最后使目的產(chǎn)物分泌出細胞。第九十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

也就是說，胞外營養(yǎng)物質(zhì)跨膜進入細胞，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)過膜排出細胞。

因此其典型的理想載流路徑應該由以上五段承擔不同代謝分工的依次銜接貫通的代謝途徑組成。第九十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一①胞外酶（大部分是水解酶，往往是誘導酶）對原料的降解及促進營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的過程：若用農(nóng)副產(chǎn)品原料培養(yǎng)工業(yè)微生物，則這種微生物必須能合成并分泌水解這些原料的酶，以獲得能進入微生物細胞的化合物（營養(yǎng)物質(zhì)）。

微生物細胞怎樣去實現(xiàn)從工業(yè)原料到目的產(chǎn)物的轉化呢？一般要經(jīng)過以下5個階段，并接受每個階段的調(diào)節(jié)：第九十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

②經(jīng)胞內(nèi)降解代謝途徑匯人中心代謝途徑：進入細胞的營養(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)中心代謝途徑進行代謝，若不是則要經(jīng)相應的降解途徑降解或轉變后，再進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)誘導而合成的，因而又涉及到變構蛋白的作用。

第一百頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一③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，其中涉及的變構蛋白和變構酶更多。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)點及分支處的碳架物質(zhì)流量的分配與調(diào)節(jié)。

第一百零一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一④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酶）。⑤目的產(chǎn)物的分泌：在發(fā)酵工業(yè)上，除了以菌體細胞為產(chǎn)物的情況外，目的產(chǎn)物均需排出細胞，因此，有必要研究目的產(chǎn)物的分泌問題。第一百零二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一代謝網(wǎng)絡沒有絕對的起點，也沒有絕對的終點，代謝網(wǎng)絡的三個板塊是一個整體。就像有許多鐵路線組成的各個鐵路局和鐵路交通網(wǎng)。當我們使用指定的原料生產(chǎn)某特定的發(fā)酵產(chǎn)品時，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定一條合適的鐵路線一樣。第一百零三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一實際上，微生物細胞的代謝網(wǎng)絡一直處于對環(huán)境的變動的響應之中，因此代謝網(wǎng)絡是虛擬的網(wǎng)絡概念。

網(wǎng)絡中的離心途徑的終端又可能成為向心途徑的起點；網(wǎng)絡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。第一百零四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一代謝網(wǎng)絡假設把代謝形象化為一個虛擬的網(wǎng)絡——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)境條件的變化隨時調(diào)節(jié)有關的蛋白質(zhì)、酶的合成和活性，以及細胞殼層結構的通透性和選擇性輸送性，使代謝網(wǎng)絡的變動性和適應性因此而得到實現(xiàn)。代謝網(wǎng)絡假說的科學基礎與應用前景

第一百零五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

代謝網(wǎng)絡假設把代謝途徑和跨膜載體系統(tǒng)的有序組合作為一個整體，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)和實際操作的位點。

第一百零六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

代謝網(wǎng)絡是一種客觀存在，依據(jù)這種實實在在的由代謝途徑及跨膜步驟“編織”成的網(wǎng)絡進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。

第一百零七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一108第二節(jié)微生物代謝的調(diào)控微生物細胞中代謝調(diào)節(jié)的部位微生物代謝途徑的調(diào)節(jié)模式通過酶實現(xiàn)的代謝調(diào)節(jié)機制通過改變膜的選擇透過性實現(xiàn)的調(diào)節(jié)第一百零八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一109引言微生物細胞很微小，自身不可能同時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，必須有一套反應機制，即適應性。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)的相關內(nèi)容：營養(yǎng)物質(zhì)的進出、生化反應（速度、方向、途徑、物質(zhì)流量的調(diào)節(jié)等）、微生物細胞生長的調(diào)節(jié)。第一百零九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一110一、微生物細胞代謝調(diào)節(jié)的部位（一）與細胞質(zhì)膜、細胞器膜有關的調(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、電子傳遞鏈有關蛋白等的絕對數(shù)量及活性）（二）細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)

主要指多聚酶體或酶復合物，在與底物的結合上有一定的空間關系。第一百一十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一111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、原核生物細胞的代謝調(diào)節(jié)部位第一百一十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

⑴與細胞質(zhì)膜密切相關的調(diào)節(jié)

細胞質(zhì)膜是溶質(zhì)進出細胞的主要屏障。營養(yǎng)物質(zhì)主動或被動輸送進入細胞的過程，以及代謝產(chǎn)物（某種代謝產(chǎn)物或能量代謝副產(chǎn)物）排出細胞的過程，都要受到膜的組成、結構和功能的影響。第一百一十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

與膜密切相關的調(diào)節(jié)主要包括以下4個方面：①膜的脂質(zhì)（磷脂及其它脂類）的分子結構，以及環(huán)境條件（如離子強度、溫度、pH等）對膜脂質(zhì)理化性質(zhì)的影響；

②膜蛋白質(zhì)

（如酶、載體蛋白、電子傳遞鏈的成員及其它蛋白質(zhì)）的絕對數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)；③跨膜的電化學梯度（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)；④細胞壁結構特別是骨架結構的部分破壞或變形，間接影響膜（膜的物理狀態(tài)）對溶質(zhì)的通透性。第一百一十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一⑵酶催化能力的調(diào)節(jié)

即細胞空間內(nèi)存在的酶分子的數(shù)量及其活性的調(diào)節(jié)。在原核細胞中，各種酶和各種底物同存在于一個空間中。處在一定環(huán)境和生理條件下的原核細胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度進行反應，均受到嚴格的自動調(diào)節(jié)。這種自動調(diào)節(jié)包括兩個方面：一是調(diào)節(jié)反應途徑中的酶水平（酶分子的濃度），特別是關鍵酶合成或降解的相對速率，二是改變已存在的酶的活力，特別是關鍵酶的活力。第一百一十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一酶的本質(zhì)

1.酶是生物催化劑提高反應速率，但自身并不被消耗，結構與活性也不變2.酶（絕大多數(shù)）的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)

酶的作用特點

1.催化效率高2.具有高度專一性

?催化的反應專一性?

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.第一百一十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一116影響酶活性的因素溫度pH鹽濃度輔助因子?輔助因子(無機離子,激活或參與反應）?

輔酶(小分子有機物,傳遞電子、原子 或某些基團.)第一百一十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

酶的專一性和誘導－契合作用酶的催化循環(huán)第一百一十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一酶的變構調(diào)節(jié)第一百一十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一⑶酶與底物的相對位置

原核細胞內(nèi)沒有典型的細胞器，除了細胞質(zhì)膜上存在一些凹陷、皺褶外，細胞內(nèi)不存在被膜分隔的多個空間，因此在細胞內(nèi)似乎不存在酶與底物的相對位置影響酶作用的問題。但實際上，在原核細胞中有時也有這種形式的調(diào)控，比如當一個酶反應系統(tǒng)以多酶復合體（multienzymecomplex）的形式存在時，就可以使酶反應在一定空間范圍內(nèi)按特定順序進行。第一百一十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一競爭性抑制劑非競爭性抑制劑底物可與酶活性位點結合抑制劑第一百二十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一2真核微生物細胞的代謝調(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，在核中進行的轉錄；4，在細胞質(zhì)中進行的翻譯；5，不同細胞空間的溶質(zhì)的跨膜輸送。第一百二十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

真核微生物細胞比原核生物細胞復雜而多樣化。最簡單的真核微生物酵母細胞就有典型的細胞核和一個或多個線粒體、液泡等。在核膜外層與細胞質(zhì)膜之間又有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)存在。由此可見，真核微生物細胞內(nèi)的空間被膜結構分隔成許多小室。由于這些小室的存在，真核微生物的代謝調(diào)節(jié)要比原核生物復雜得多，就單個細胞相比較，真核微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)部位要比原核生物細胞多得多。第一百二十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

真核微生物細胞同樣存在前述原核生物細胞的3個代謝調(diào)節(jié)部位。唯有第三個調(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行和分開調(diào)節(jié)的重要輔助手段。其中，細胞質(zhì)與線粒體之間的分工協(xié)作，可從下表中得到反映。第一百二十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一起始底物第一百二十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

在真核微生物細胞中，這種酶（酶體系）的區(qū)域化、酶與底物的分隔，使酶反應的調(diào)節(jié)更加復雜化、多樣化。酶反應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。第一百二十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一126二、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）第一百二十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一127幾個基本概念反饋：電工學上，把放大器的輸出電路中的一部分能量送回輸入電路中，以增強或減弱輸入信號的效應反饋抑制：代謝途徑的終端產(chǎn)物對催化該途徑中的一個反應（通常是第一個反應）的酶的活力的抑制。終端產(chǎn)物結合到酶的變構部位，從而干擾酶與底物的結合。反饋阻遏：代謝途徑的終端產(chǎn)物（或代謝途徑的衍生物）阻止催化該途徑的一個或幾個反應的酶的合成。第一百二十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一128（一）影響酶活性的調(diào)節(jié)模式（共11種）只有一個終端產(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、補償激活）多個終端產(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、補償性逆轉、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)）第一百二十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一129

影響細胞內(nèi)酶分子數(shù)的因素：阻遏、誘導、細胞生長與分裂、衰減等單個終產(chǎn)物的生物合成途徑的調(diào)節(jié)模式（共2種，簡單阻遏、可被阻遏的酶的產(chǎn)物的誘導）多個終產(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）第一百二十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一130三、通過酶實現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)機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)酶與非酶變構蛋白在自動調(diào)節(jié)中的作用(討論)第一百三十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一131

1轉錄水平上的調(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整個細胞水平上的調(diào)節(jié)(全局性調(diào)節(jié))6信息傳導的響應

（一）微生物酶的自動調(diào)節(jié)第一百三十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一132酶的分類裂解酶連接酶第一百三十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一酶在不同空間的分布的調(diào)節(jié)第一百三十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

微生物并不是在所有空間、時間內(nèi)合成它所能合成的全部酶，在一定生理條件下，微生物只合成它當時所需要的酶；存在于細胞內(nèi)的酶活力是受到控制的，酶的催化過程必須與細胞對能量和細胞組分的需求相協(xié)調(diào)。第一百三十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一轉錄：以DNA的一條鏈為模板，以tRNA為運載工具，合成mRNA的過程。1轉錄水平上的調(diào)節(jié)微生物細胞只在有限空間合成它們當時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錄以及被轉錄的水平（基因沉默？）。轉錄水平上的調(diào)節(jié)包括酶的誘導、營養(yǎng)阻遏、合成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化等等。第一百三十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一①酶的誘導的機制

②營養(yǎng)阻遏的機制

③終端產(chǎn)物對其自身合成途徑的酶的合成的反饋阻遏和弱化的機制

“誘導”這個術語常常與分解代謝酶有關，“阻遏”這個術語常常與合成代謝的酶有關。第一百三十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一（1）酶的誘導(induction)的機制

圖4-3誘導酶的誘導合成模型（負控制）Ri，誘導酶的調(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個結構基因。第一百三十七頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

當細胞內(nèi)沒有誘導物（效應物）時，由調(diào)節(jié)基因編碼的與操縱基因有結合活性的阻遏蛋白（一種變構蛋白）與操縱基因結合，阻止RNA聚合酶對結構基因的轉錄，因而誘導途徑的酶系沒有合成；當細胞內(nèi)誘導物（效應物）濃度上升某一程度時，它就與阻遏蛋白結合，使后者因構象發(fā)生變化而失去與操縱基因的結合活性，從操縱基因上脫落下來，RNA聚合酶就可對結構基因進行轉錄，誘導途徑的酶系就被誘導合成。第一百三十八頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一從而可以看出誘導的本質(zhì)就是解阻遏（誘導物解除了阻遏蛋白對操縱基因的阻塞）。

值得注意的是，這種誘導物與阻遏蛋白的結合是可逆的，結合或解除結合取決于細胞內(nèi)效應物的濃度。正因為結合是可逆的，所以調(diào)節(jié)可以雙向進行。第一百三十九頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

酶的誘導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，誘導合成相應的酶（蛋白質(zhì)），以分解底物，吸收營養(yǎng)，進行代謝活動，從而形成微生物對環(huán)境的適應能力。（即有什么吃什么）從細胞經(jīng)濟的角度看，僅僅根據(jù)需要誘導合成必要的酶（蛋白質(zhì)），可以避免核苷酸、氨基酸和代謝能的浪費。微生物有了誘導機制就能更好地適應環(huán)境的變化，節(jié)約使用營養(yǎng)和代謝能，表現(xiàn)出細胞生命活動的適應性和經(jīng)濟性。第一百四十頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

研究誘導模型也可以給人以啟迪。從誘導模型分析，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。如果啟動基因P缺失，則RNA多聚酶無法結合到操縱子上去，不管有沒有誘導物，轉錄都不會進行，這種突變株稱超阻遏突變株。如果操縱基因O缺失，則不管有沒有誘導物，操縱子都不會受阻塞，不需誘導也能使結構基因轉錄并翻譯，這種突變株就是組成型突變株。這兩種突變株在工業(yè)上都可能得到應用，特別是在微生物酶制劑工業(yè)上。第一百四十一頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一142(2)營養(yǎng)阻遏(nutritionalrepression)機制在用混合碳源培養(yǎng)大腸桿菌的研究中發(fā)現(xiàn)，細胞中只有一個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，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（cataboliterepression）。第一百四十二頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

進一步研究并沒有發(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、磷源和硫源的利用過程中，我們用營養(yǎng)阻遏（nutritionalrepression）這個名稱來包容不同營養(yǎng)源的阻遏；因此就有碳源營養(yǎng)阻遏、氮源營養(yǎng)阻遏等名稱。第一百四十三頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一144

當葡萄糖濃度下降時，ⅢGlc濃度下降，葡萄糖PTS的ⅢGlc—P濃度上升。較低的ⅢGlc濃度可使乳糖透性酶活性恢復，導致胞內(nèi)乳糖（乳糖操縱子的誘導物）濃度的上升；葡萄糖PTS的ⅢGlc—P濃度上升，將激活腺苷酸環(huán)化酶，使胞內(nèi)cAMP濃度上升，……最終促成了乳糖操縱子編碼的那幾個酶的誘導合成。圖4-4大腸桿菌中由葡萄糖引起的碳源阻遏的解阻遏模型第一百四十四頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一PEPEnzymeⅠP-HPrIIIPyruvateP-ⅠHPrP-IIIGlcG-6-PLacLacC-AMP胞內(nèi)細胞質(zhì)膜葡萄糖對乳糖的營養(yǎng)阻遏第一百四十五頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

葡萄糖的存在對乳糖利用的影響是典型的碳源營養(yǎng)阻遏（圖4-4）。研究證明大腸桿菌的碳源阻遏與細胞中cAMP水平（即濃度）有關。乳糖操縱子的轉錄不但需要有誘導物，還需要cAMP。細胞對葡萄糖（Glc）的利用導致胞內(nèi)cAMP濃度大幅度下降，當大部分Glc被消耗掉，cAMP濃度才回升。cAMP與一個叫做CAP的蛋白質(zhì)（環(huán)腺苷酸接受蛋白）形成復合物，這個復合物與啟動子P結合而刺激轉錄（提高RNA多聚酶與P的親合性）。第一百四十六頁，共一百六十五頁，編輯于2023年，星期一

氮源營養(yǎng)阻遏：高濃度的氨或某些含氮有機物對催化含氮底物降解的酶的阻遏的調(diào)節(jié)控制機制。受這種控制的酶有蛋白酶、酰胺酶、脲酶（尿素酶）和氨基酸降解酶。

在曲霉菌中，控制氮源阻遏的基因（areA）已被檢出。這個基因為一個對轉錄進行正控制的調(diào)節(jié)蛋白編碼。這個調(diào)節(jié)蛋白在解阻遏條件（如銨濃度低）下表現(xiàn)活性，在阻遏條件（如銨濃度高）下失去活