微生物的代谢及其调控.ppt

1、第7章 微生物的代谢及其调控 相关问题,主讲 惠 明 博士,微生物的降解代谢及生物能的产生 微生物的合成代谢及生物能的利用 微生物的代谢调控问题,2,课程思路,食品原材料大多是农副产品，是一些大分子聚合物的混合物。 这些大分子聚合物（营养源）只有降解成小分子物质（怎样降解？）才能被微生物吸收（如何进入细胞？）和利用。 微生物细胞如何利用这些小分子材料合成细胞物质完成自身复制和代谢产物合成,3,向心途径在细胞机器工作模式中的位置,1 微生物的降解代谢及代谢能的产生,1.1 胞外酶对多聚物的水解 1.2 微生物对各种有机化合物的降解 1.3 生物能的产生（细胞能学）讨论,各种有机营养物质（包括经水

2、解酶降解形成的有机营养物质）大多以主动输送的方式进入原核生物的细胞，以促进扩散和主动输送的方式进入真核微生物的细胞，这几种输送方式均需借助于细胞的蛋白质（载体蛋白或酶）。,化能异养型微生物可以广泛地利用各种各样的有机物进行生长和繁殖。在发酵工业上发酵生产的原料大多是农副产品。微生物必须能合成并分泌能分解这些原料的酶，把原料转化成可以进入细胞的有机营养物质。,进入细胞的营养物质若是中心代谢途径的起始物或中间产物，即可纳入中心代谢途径进行代谢；若不是中心代谢途径的起始物或中间产物，则需经向心途径的降解途径，转化成中心代谢途径的起始物或中间产物，才可纳入中心代谢途径进行代谢。,化能异养型微生物细胞借

3、助于微生物的向心途径将有机化合物（碳水化合物、烃类化合物、含氮有机化合物或其他有机化合物）降解或转化成中心途径上对应的的化合物，从而使这两种途径衔接起来。微生物的向心途径一般依次包括三个部分： （1）胞外降解途径（胞外酶催化） （2）跨膜系统（有载体蛋白参与） （3）胞内向心途径,原材料经向心途径注入中心途径， 两者的接合点（接口）原则上可以是中心途径上的任意化合物，但主要是12个代谢前体物。 如果进入细胞的营养物质已经是中心代谢途径的起始物或中间产物，则胞内向心途径就缩成一个 “ 点 ” ，这个点也就是向心途径与中心途径的接口 。 代谢网络的向心途径往往是分解代谢途径，它们大多是以中心途径上

4、对应的化合物为终点的。,10,微生物能分泌胞外酶（多是水解酶），把多聚物水解成可以进入细胞的分子。 这些胞外酶游离于微生物细胞外，有些仍与细胞相连。细胞还会分泌一些附着物，使某些疏水化合物结合到细胞表面，以便于降解。多聚物水解不会产生可被生物利用的能量，但多聚物水解是向心途径的第一步。,1.1 胞外酶对多聚物的水解,可作为营养的多聚物包括：淀粉、纤维素、果胶类物质（果胶酸、果胶、原果胶质 ）、 几丁质（ 甲壳质 ）、半纤维素 、木质素、蛋白质和多肽、核酸等。 还有些有机化合物虽不是多聚物，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，如许多微生物能分泌脂肪酶，它能将甘油三脂水解成脂肪酸

5、和甘油后再利用。,12,(1)淀粉,由葡萄糖分子以-1,4和（或）-1,6糖苷键连接而成的大分子物质，分直链淀粉和支链淀粉。前者聚合度为1006000，以-1,4糖苷键相连呈直链状；后者的聚合度约为6000几十万，呈分枝状聚合物。 淀粉经-淀粉酶（作用于-1,4糖苷键，属内切酶，遇分枝点不能切）作用，直链淀粉生成麦芽糖及少量葡萄糖，而支链淀粉生成寡糖、麦芽糖和少量葡萄糖。,淀粉经-淀粉酶（外切型淀粉酶，从非还原性末端C4-OH，以麦芽糖为单位顺次分解-1,4糖苷键，同时使切下的麦芽糖还原性末端C1-OH的Glc残基构型转变成型）作用，直链淀粉生成麦芽糖及少量葡萄糖，而支链淀粉生成麦芽糖（约50

6、60%）和-极限糊精。 淀粉经葡萄糖淀粉酶（即糖化酶，-1,4葡聚糖葡萄糖水解酶，从C4-OH端依此水解-1,4糖苷键，其中包含麦芽糖的-1,4键及少量的-1,6键）作用，理论上生成100%的葡萄糖。 淀粉经脱支酶作用（专一水解支链淀粉或糖原的-1,6糖苷键）生成直链糊精。,14,（2）纤维素,纤维素是构成植物结构的主要物质，也是大自然中存量最丰富的碳水化合物。其化学结构是由葡萄糖以-1,4糖苷键连接的直链状聚合物。纤维素一般与角质层及果胶物质结合在一起。 纤维素酶包括Cx酶（内切-1,4键）、C1酶（外切-1,4键）及Cb酶（ -1,4葡萄糖苷酶）等组分。 纤维素经Cx酶处理产物为纤维糊精和

7、纤维寡糖，经C1酶处理产物为葡萄糖和纤维二糖，经Cb酶处理产物为葡萄糖,15,（3）果胶,果胶酸：以-1,4键相连的多聚D-半乳糖醛酸，水溶性。 原果胶：果胶酸的钙盐，不溶于水 果胶（果胶酯酸）：75%D-半乳糖醛酸被甲醇酯化。 果胶酶包括：果胶质解聚酶（专一分解D-半乳糖醛酸之间的-1,4键）和果胶酯酶（PE，水解果胶分子中的甲酯键，生成果胶酸。 果胶经果胶酶作用后的产物为：半乳糖醛酸,16,（4）几丁质,几丁质（甲壳质），也称壳聚糖，其组成单位是：N-乙酰氨基葡萄糖。 几丁质在几丁质酶作用下降解生成壳二糖。,17,（5）半纤维素,半纤维素大量存在于植物的茎、干、皮等组织中。 半纤维素是通过

8、-1,4糖苷键连接起来的由己糖和戊糖聚合而成的多聚物的总称。 半纤维素降解后生成己糖和戊糖。,18,（6）木质素（Lignin),木质素是自然界除纤维素外最多的多糖。 木质素是由羟基丙烯酚为单位组成的无定形三维芳香族多聚物。 子囊菌纲与半知菌纲的菌可降解木质素。,（7）其他大分子物质的降解,蛋白质和多肽：在蛋白酶作用下降解成各种氨基酸。 核酸：在磷酸二酯酶作用下生成单核苷酸，进一步分解成碱基、磷酸、核糖 脂肪：在脂肪酶作用下生成脂肪酸和甘油，脂肪酸经氧化生成AcCoA进入TCA环，甘油转化成DHAP或 GA-3-P,20,二糖的吸收和降解（一般在细胞内发生） 乳糖 -半乳糖苷酶 Glc + 半

9、乳糖纤维二糖+ Pi 纤维二糖磷酸化酶 Glc + G-6-P麦芽糖 + pi 麦芽糖磷酸化酶 Glc + G-1-P蔗糖 + pi 蔗糖酶 G-1-P + 果糖,1.2 微生物对各种有机化合物的降解,关于乳糖的吸收与降解,关于二糖的吸收和降解，研究得最清楚的要数乳糖。大肠杆菌若要在以乳糖为碳源的培养基中生长，首先要诱导出3 种酶：乳糖透性酶、- 半乳糖苷酶、- 半乳糖苷乙酰基转移酶。 乳糖透性酶实际上是乳糖的载体蛋白，用于乳糖的主动输送，将乳糖送入细胞； - 半乳糖苷酶将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖； - 半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是催化AcCoA将乳糖及其它半乳糖苷乙酰化的反应，它可将未能代谢

10、的乳糖乙酰化，并排出细胞，因此，这个酶的生物学功能可能起解毒作用。,22,Glc- 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- 磷酸甘露糖异构酶,己糖的降解,23,核糖在激酶催化下生成R-5-P，即可进入HMP和PK途径。 阿拉伯糖在异构酶的催化下生成核酮糖，然后再磷酸化生成 Ru-5-P，即可进入HMP或PK途径。 木糖转化成木酮糖再生成 Xu-5-P进入HMP途径 来苏糖转化成 Xu-5-P进入PP环,（3）戊糖的降解（核糖、木糖和阿拉伯糖）,24,果胶酸经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸

11、，再进一步转化成 ED 途径的中间产物 KDPG，即可进入 ED 途径。 这样的作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆菌中比较明显。 葡萄糖醛酸果糖醛酸甘露糖醛酸 转化成KDPG 经ED途径代谢木糖醛酸 葡萄糖酸 经磷酸化生成 6-P-GA进入HMP途径,（4）己糖醛酸的降解,25,（5）醇类的降解与利用,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，进入PP环或EMP途径,（6）各种有机酸,乙酸+CoASH+ATPAcCOA+AMP+Pi 草酸还原生成乙醛酸（

12、GOA）进入TCA的辅助环 苹果酸（MLA）进入TCA环 酒石酸：若经脱水生成OAATCA，也可转化成3-P-GAEMP 丙酸丙酰 CoA 与乙醛酸缩合成-羟基戊二酸裂解成乙酸和乳酸，其中乙酸经AcCoA进入TCA环或（和）DCA环。而乳酸经乳酰 CoA、丙酮酰 CoA，转化成羟基丙酮醛，丙酸主要经乙酸代谢 乙醇酸（羟基乙酸）乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后者直接与AcCoA反应，生成苹果酸进入TCA环,27,（7）脂肪酸的降解,脂肪经脂肪酶水解生成脂肪酸和甘油。其中甘油经3-磷酸甘油或经二羟基丙酮转化成磷酸二羟丙酮（DHAP）进入EMP途径，脂肪酸经氧化生成AcCoA进入TCA环。 脂肪酸的-氧化

13、是在原核细胞的细胞质和真核细胞的线粒体内进行的。若脂肪酸分子的碳原子数为偶数，最终得AcCoA，若为奇数，则同时也得到丙酰CoA。AcCoA直接进入TCA 环降解，丙酰 CoA 则可以经甲基丙二酸单酰CoA，然后甲基丙二酸单酰 CoA分子重排，形成ScCoA而进入TCA环。,28,（8）脂肪族烃的降解（石油发酵）,关于石油发酵生产SCP的问题 烃类氧化成醇、醛、酸，再氧化成脂肪酸，脂肪酸经氧化生成AcCoA，进入TCA循环。 微生物对烃的降解，首先需要氧，在烃上生长是专性需氧的过程。能够在C5C8脂肪族烃中生长的细菌相对较少，如分支细菌、黄杆菌、诺卡氏菌等。,29,（9）氨基酸的降解,蛋白质在

14、蛋白酶或肽酶作用下生成氨基酸，氨基酸经主动运输进入细胞后，若经脱氨作用转化成有机酸，若经脱羧作用生成胺。 其中：GlyGOA ， AspOAA，PheFMA+乙酰乙酸， Glu-KG， ArgSCA ，AlaPYR ，Val2-氧代异戊酸Leu 2-氧代异己酸Ile 2-氧代-3-甲基戊酸 AcCoA和丙酰CoA,30,(10)核苷酸的降解,核酸经核酸酶生成核苷酸，再经核苷酸酶分解生成核苷和磷酸 嘌呤和嘧啶降解生成 ：有机酸+NH3+CO2,31,（11）芳香族化合物（分子中有芳香环）,芳香族化合物在环境和食品中的累积会危及人类的健康（芳香族氨基酸无毒）。 芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、

15、色氨酸、奎尼酸等）。大多先被转变成儿茶酚（ 邻苯二酚 ）和原儿茶酸（3，4-二羟苯甲酸）。 儿茶酚和原儿茶酸再经邻位分解 （ 3- 氧代己酸途径 ） 降解成SCA和AcCoA；或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途径）降成PYR和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶酸可称为芳香族化合物分解的“中心代谢物”。,微生物也可以不经过以上途径降解芳香族氨基酸。Phe和Tyr经尿黑酸（ 2,5-二羟苯乙酸 ）降解为延胡索酸和乙酰 CoA，即可进入TCA环。,33,（12）细胞内源性高聚物的降解,PHB（多聚-羟基丁酸）解聚生成-羟基丁酸，再生成AcCoA，进入TCA环。 PGA（聚-谷氨酸）解聚后生成谷氨酸，脱

16、氨后生成-KG。,34,（13）其他一些复杂化合物的降解,前面所述的各种降解途径均是由染色体 DNA 编码的。 近来发现在恶臭假单胞菌和一些相关的种的微生物细胞中含有降解性质粒，它们包含某些特殊的降解代谢的酶（酶系）合成的遗传信息。 首先发现的是编码樟脑降解酶系的质粒，后来还发现恶臭假单胞菌的烷烃氧化作用，受正辛烷质粒的控制，这个质粒为可诱导的烷烃羟化酶和伯醇脱氢酶编码，而染色体DNA则为用于伯醇、脂肪醛和脂肪酸降解的组成型的氧化酶编码。,35,1.3 生物能的产生（细胞能学）讨论,葡萄糖降解途径之间的关系,不完全氧化是微生物令人感兴趣的性质，所谓不完全氧化，指的是在这过程中还没有被完全氧化的

17、有机化合物作为工业发酵的终端产物排出细胞，这个过程对工业发酵是十分重要的。,在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上,底物水平的磷酸化,左图描绘了大肠杆菌细胞质膜的情况：由磷脂双分子层组成的单位膜中相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链在图中被描绘成一系列相互作用的蛋白质。,细菌细胞质膜（左）和真核细胞的线粒体内膜（右）上的电子传递过程的比较图,45,46,生物能形式的转换及功能,代谢能形式的转换与代谢能的支出,47,2 微生物合成代谢,2.1 分子模块等的生物合成 2.2 能量代谢副产物的合成 2.3 次级代谢产物的合成 2.4 合成

18、代谢的成本问题,离心途径在细胞机器工作模式中的位置,从初级代谢网络中心板块的前体代谢物出发，经胞内离心途径可以合成细胞的各种初级代谢产物和能量代谢副产物；其中有些可能透出或被输送出细胞（成为工业发酵的产物），有些直接参与细胞自身的生长和繁殖。,50,有机物的降解途径的运行可为微生物的自身合成提供前体代谢物、代谢能和还原力。有了这三者，微生物细胞就可以合成细胞中主要的生物多聚体的前体（模块分子）：大致包括 5 个嘌呤和嘧啶，20个氨基酸（18个氨基酸和 2个氨基酰胺），还有碳水化合物、脂肪酸（含有机酸）、维生素及其它辅助因子。 这些前体再按生物学规律合成生物多聚体： 核酸、蛋白质、多糖和脂质等，

19、直至整个微生物细胞活有机体。,2.1 分子模块等的生物合成,化能异养型微生物的合成代谢具多样性和复杂性，从工业发酵的角度来看，包含初级代谢产物、能量代谢副产物、次级代谢产物、酶及微生物多糖、微生物菌体等的合成。 这一节，只是从微生物生长的角度描述微生物对单糖与多糖的合成、含氮化合物的合成、对类脂和类异戊二烯化合物的合成，目的是大致说明构建微生物菌体细胞的路子。,Glc,G-6-P,(PTS) (HK),(G6PE),R-5-P,F-6-P,F-1,6-2P,(PFK),(FDPE),DHAP,GA-3-P,3-P-GA,PEP,PYR,(PK),(PEPS) (PyPiDK),AcCoA,(P

20、D) (PFL),(PS),糖原肌醇磷脂,肽聚糖,GlcNAc,PRPP,His,DNA,RNA,dTMP UMP,CTP,AMP,GMP,莽草酸,预苯酸,分支酸,Phe,Tyr,Trp,NAD (真菌) , CoQ, 对氨基苯甲酸,叶酸,磷脂甘油,Cys,Ser,Gly,-酮异戊酸,Ala, Ile,Lys 能量代谢的副产物,Val,Leu CoA,续待,PYR,AcCoA,OAA,MLA,SCA,ScCoA,-KG,ICA,CTA,GOA,PEP,FMA,PHB, 类异戊二烯化合物, ACL-P, 甾醇, 脂肪酸, 脂肪, 磷脂,Lys(真菌),GluGlnProArg,卟啉, 细胞色素,

21、Asp,NAD,UMP CTP dTMP,ASA,Lys(细菌) Thr,Met, Ile,页上接,Asn,54,2.1.1 微生物对单糖和多糖的合成,A单糖的合成 6-磷酸葡萄糖（G-6-P）的合成 化能异养型微生物合成单糖的主要途径是葡萄糖异生成途径，用于合成G-6-P的各种前体物质（ 如TCA环的中间代谢物和生糖氨基酸His、Gly、Ser、Glu、Arg、Asp、Thr等 ），均汇集到这条途径合成G-6-P。,TCA 环的中间代谢物用于单糖合成时先被氧化为OAA，然后OAA在PEPCK（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶）的催化下转变为 PEP， PEP 借助于替代磷酸果糖激酶（ PFK ）的己糖

22、二磷酸酯酶，逆 EMP途径而上而合成G-6-P。,一些氨基酸也可以作为合成G-6-P的前体。例如 Glu和 Asp分别经转氨酶转变成 -KG和 OAA，然后经 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， 后者经TCA 和DCA联合途径合成OAA，然后合成 G-6-P。脂肪酸经- 氧化生成的AcCoA，也经同样途径合成G-6-P。,B多糖的合成 碳水化合物存储物合成主要是以 UDP-葡萄糖或 1-磷酸葡萄糖为模块分子的。这个模块分子也用于大肠杆菌和其它革兰阴性菌的脂多糖层的合成和真菌的细胞壁多糖的合成。 在原核生物中作为葡萄糖基供体的糖核苷酸，在不同的合

23、成反应中是不同的。在合成糖原时，葡萄糖的供体是ADP-Glc（而在酵母中是UDP-Glc），在其它的场合，譬如肽聚糖和脂多糖的合成中，糖的供体都是UDP-单糖。,58,含氮有机化合物涉及的面很广，主要包括氨基酸、蛋白质系列和嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸、核酸系列，还有许多辅酶（如NAD、CoA、ATP等等）也是含氮有机化合物。 NH3和NH4+中氮原子为-3价，细胞有机物中的氮原子也是-3价。 工业上应用的微生物能够利用NH3和NH4+， 以及糖代谢的代谢中间物合成它们所需要的全部氨基酸和其它含氮有机化合物。,2.1.2 含氮化合物的合成,A 氨基酸的生物合成,谷氨酸族 天冬氨酸族 组氨酸族,从生

24、物合成和代谢生理的角度出发，可以将组成蛋白质的20种氨基酸及氨基酰胺分成 6 个族。它们分别从中心途径的不同关键中间化合物衍生出来的。,60,L-谷氨酰胺在好几种含氮化合物的生物合成中都可作为氨（氮）的供体，是整个细胞的代谢中一个重要的“分支点”，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产物的抑制。,62,蛋白质合成中，氨基酸是原料，mRNA是蓝图，核糖体是合成机器，还需要 tRNA 作为氨基酸的运载工具，还需要一系列的酶和辅因子；蛋白质的合成是个消耗代谢能的过程。,B 蛋白质的生物合成,详细的合成过程在生物化学和分子生物学中已有叙述。这里就所合成的蛋白质的归宿做一简要说明。所合成的蛋白质定位于膜的内侧还

25、是外侧，取决于蛋白质肽链起始端有没有 “ 信号顺序 ”。,这些“信号顺序”编码的肽链上含有很多疏水氨基酸，这些先合成的疏水肽链的存在，导致正在合成其本身的“核糖体串”与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到胞外；合成一结束，“信号顺序”所编码的肽链就被特殊的肽酶切下来，使新合成的蛋白质定位在膜的外侧。如果于蛋白质肽链起始端没有“信号顺序”，新合成的蛋白质只能定位在膜的内侧。,C 核苷酸的生物合成,嘌呤核苷酸是从 R-5-P和3-P-GA（用于嘌呤生物合成）合成的。 嘧啶核苷酸是从R-5-P和OAA（用于嘧啶生物合成）合成的。 脱氧核苷酸可由核苷酸还原而成，通常脱氧核苷酸是通过由氢取代“2-OH”基团（

26、氢是由NADPH提供的），在核苷二磷酸的水平上还原而形成的；只有胸苷酸例外，其脱氧核苷酸是靠脱氧尿苷酸在核苷一磷酸的水平上的嘧啶环甲基化而实现的。,66,RNA的合成（转录）可以抽象概括成： ATP,UTP,GTP,CTP RNA（含 tRNA,mRNA,rRNA等） DNA的合成（翻译）可以抽象概括成： dATP,dTTP,dGTP,dCTP DNA 其详细过程及反应在生物化学和分子生物学中已有叙述。,D RNA和DNA的合成,67,辅酶中的有很多属于含氮有机化合物，如 NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA，CoF（四氢叶酸、HF4 ），TPP（ 焦磷酸硫胺素）等。这些辅酶由细胞自身

27、合成。,E 一些含氮辅酶的合成,粗糙脉孢菌、 酿酒酵母 像哺乳动物细胞一样，可从 Trp 开始， 经吡啶 - 2,3 - 二羧酸 合成NAD+和NADP+。 Xanthomonas prum（ 桃李黄单胞菌 ）可从 Trp 开始合成NAD+。然而 大部分已研究过的细菌合成 NAD+ 的途径的前半段（ 吡啶-2,3-二羧酸以前 ）是完全不同的，而后半段 对所有生物细胞都是一样的。,F.其它含氮细胞物质的合成 卟啉是构成呼吸链（或电子传递链）的电子载体细胞色素的前体。细胞色素的铁卟啉的合成从琥珀酰辅酶A（ ScCoA）与甘氨酸的反应开始，经氨基乙酰丙酸而合成卟啉，最后形成铁卟啉。,70,脂类是由活

28、细胞合成的稍溶于水但溶于非极性溶剂的非均一的化合物；类脂一般是指类似脂肪或油的有机化合物。生物体的脂类和类脂的组分是多种多样的，包括酰基甘油（脂肪酸的甘油酯）、磷脂和衍生脂类（如固醇、辅酶Q、维生素A）。,2.1.3 微生物对脂类、类脂的合成,71,A 脂肪酸的合成（略）,脂肪酸的合成中（ 也是脂质合成中 ）的关键化合物是CoA 的衍生物酰基载体蛋白（ACP）。ACP最早发现于一种能在以醋酸和乙醇的混合物为碳源的厌氧菌克氏梭菌，至今已从多种微生物分离出来。这种载体蛋白含有-丙氨酸和2-巯基乙胺，并且在脂肪酸合成的所有步骤中都结合在脂酰基上。 微生物饱和脂肪酸合成的模式都是相同的。包括添加以乙酰

29、基形式存在 2C 片断，和接下来的还原反应：,第一个乙酰基在一个依赖生物素的反应中被羧化成丙二酸单酰CoA；然后由两个酶将乙酰CoA和丙二酸单酰CoA分别转化成ACP的衍生物。以此类推，通过 4 个酶的循环反应（ 缩合、还原、脱水、还原），合成含碳更多的脂肪酸。,细胞脂类组分的模块分子除了脂肪酸以外，还有：3-磷酸甘油，它是从EMP途径中的磷酸二羟丙酮直接衍生的，作为磷脂和甘油三酯的“骨架”， 磷脂的“醇”的部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的 “ 醇 ” 有胆碱，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 -磷脂酸的脱磷酸，以及随后D ，-甘油二酯与脂肪酰 - ACP （

30、或合适的脂肪酸的 CoA衍生物 ）反应生成甘油三酯。,B 脂肪和磷脂的合成,EMP途径的中间产物 DHAP（磷酸二羟丙酮 ）和脂肪酸合成的中间产物 RCO-ACP（ 脂肪酰 - 酰基载体蛋白）是磷脂酸的合成的前体。磷脂酸可以生成中性脂肪，然而大多数磷脂酸用于磷脂合成（磷脂的合成过程可以归纳成如左图（此图未显示 出下页所述CTP对磷脂酸的激活）。,磷脂的合成 ，不论在原核还是真核细胞，需要CTP（胞苷三磷酸，简称胞三磷）。CTP与L-磷脂酸生成CDP-甘油二酯：（-磷脂酸）+ CTP （CDP-甘油二酯）+ PPi 在细菌细胞中， 磷脂酰乙醇胺是经过中间产物磷脂酰丝氨酸合成的： （CDP-甘油二

31、酯）+（L-Ser） （磷脂酰-Ser）+ CMP （磷脂酰-Ser） 磷脂酰乙醇胺 + CO2 在真核细胞中，磷脂酰乙醇胺的合成反应为： （CDP-乙醇胺） + （D ，-甘油二酯） 磷脂酰乙醇胺 + CMP,B 多聚 - 羟丁基酸的合成 原核细胞中的能量贮存物质多聚 - 羟丁基酸（PHB）也是从AcCoA合成，其过程简要表示如左图 。,77,兼性厌氧的化能异养型微生物在缺氧条件下生长或维持生存的情况下，TCA环环式运行中断，TCA 环变成在 OAA 处发生分支的分叉途径，形成从OAA出发的经苹果酸（ MLA）、延胡索酸（ FMA）到琥珀酸（SCA）的TCA途径还原支路，和从 OAA出发的经

32、柠檬酸（ CTA ）、异柠檬酸（ICA）到-酮戊二酸（-KG）的TCA途径氧化支路。,2.2 能量代谢副产物的合成,78,2.3 次级代谢产物的合成,2.4 合成代谢的成本问题,蛋白质合成的成本 在延伸的肽链上添加 1个 氨基酸需要利用 4 个高能磷酸键，相当于 4 个ATP。此外，在从mRNA合成与校对等过程中还需要一些自由能，总计每结合 1个氨基酸约需0.3个ATP。因此在多肽生成过程中，在延伸的肽链上每添加 1 个氨基酸一共要消耗 4.3 个ATP。 核糖核酸（RNA）合成的成本 收编1个核苷酸（以单磷酸核苷酸计）的代谢能成本为2.4个ATP。 脱氧核糖核酸（DNA）合成的成本 结合1个

33、脱氧核糖核苷酸（以单磷酸核苷酸计）的总能耗为3.4个ATP。,3 代谢网络和联网问题,3.1 代谢网络 3.2 扩展发酵原料范围 3.3 扩展发酵产品范围 3.4 发酵新产品的开发,代谢网络假说是从目的产物假说发展起来的。出于寻找发酵学的“元素周期表”，用以预测工业发酵未来产品的良好愿望，提出目的产物假说。 目的产物假说假想代谢网络上的任何化合物都有可能开发为工业发酵的产品。 但是不在代谢网络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？ 假使与工业发酵发生关系，归结为它们怎样能与代谢网络联网的问题。,联网？就是用化学或生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。 联网

34、的设想促成了代谢网络的人为延伸。对于工业发酵来说，代谢网络的人为延伸意味着新原料和新产品的开发，意味着工业发酵研究和开发的新领域。 怎样才能实现联网呢？ 目前可以采用化学方法或生物学方法（含DNA重组技术）来实现。,事实上，已在代谢网络上，或者可以联网的化合物，都可能被开发为工业发酵的产物或原料。这一点已得到了上个世纪末叶的发酵工程和生物工程实践的支持。,一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径，生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络（若途径在活细胞里运行，则为代谢途径）分解代谢途径和合成代谢途径与输送系统相互间的接合，加上细胞内辅酶再生与回用的协调，形成横跨微生物活细胞内外的、可调节

35、的、无尺度的代谢网络。,3.1 代谢网络,在供氧条件下，TCA途径进行正常的环式运行（TCA环）。微生物依靠有氧生长的代谢网络，合成细胞组成物质，高速地转化生成代谢能，最终形成整个细胞，实现正常生长。在以TCA环为骨架的中心板块的基础上构成有氧生长的代谢网络：,（1） 有氧生长的代谢网络,微生物的代谢网络(局部),在缺氧条件下， TCA途径的环式运行中断，TCA环变成在OAA处发生分支的分叉途径，形成从OAA出发的经苹果酸（MLA）、延胡索酸（FMA）到琥珀酸（SCA）的TCA途径还原支路和从OAA出发的经柠檬酸（CTA）、异柠檬酸（ICA）到-酮戊二酸（-KG）的TCA途径氧化支路。在以TC

36、A分叉途径为骨架的中心板块的基础上构建缺氧生存的代谢网络。下图是兼性厌氧微生物在缺氧条件下发酵生成能量代谢副产物的简略的示意图。,（2） 缺氧生存的代谢网络,对绝大多数的微生物来说，形成细胞的代谢途径基本相同，所以底物范围的扩展通常只要增加少量的化学反应或酶反应步骤就可能实现。有时这些步骤还需与下游反应相兼容和协调。 如：（1） 用木糖生产乙醇的代谢途径 （2） 降解淀粉的微生物,3.2 扩展发酵原料范围,这是一个具有巨大潜力的领域，异源基因的合理表达能拓展宿主微生物现有的代谢途径，以求过量合成已知的和新颖的具备优良化学、物理特性的化合物。 如：（1） 维生素 （2） 生物聚合物 （3） 戊糖

37、: 木糖醇,3.3 扩展发酵产品范围,当微生物进行生命活动时，代谢物在网络中的某些途径中流动，形成代谢流；在不同生理状况下，代谢网络中代谢流流经的途径不完全相同。在工业发酵的发酵产品生成阶段，代谢网络中代谢流流经的途径是相对集中，形成代谢主流，代谢主流流经的路径相对确定。,4 代谢网络中代谢物流的形成,在代谢工程领域，代谢流往往是指碳架物质流。在一定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做该培养条件下的代谢主流。代谢主流流经的代谢途径称为载流路径。 载流路径是代谢网络中一个与时间相关的组成部分，可以把载流路径的全部或局部看作是代谢网络的亚网络。,4.1 代谢网络中的代谢物

38、流,微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、流量甚至载流路径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络的途径的选择性。这种变动和选择的根据在微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。,为了提高产物对原料的转化率，就要求代谢主流（根据代谢分析的结果）从设定的路径流过，使它成为载流路径。这样的载流路径是带有主观导向性的虚拟的载流路径，所以把它叫做理想载流路径。,4.2 产物形成的理想载流路径 及其“五段式”,典型的工业发酵是要从发酵液中获得微生物的代谢产物，也就是要让原料化学物质在微生物细胞的有关代谢途径中流动的过程中，转化成工业发酵的目的产物，最后使目

39、的产物分泌出细胞。,也就是说，胞外营养物质跨膜进入细胞，经 3 段连续贯通的代谢途径（一般按向心途径、中心途径、离心途径的顺序）在胞内生成目的产物，最后，目的产物经过膜排出细胞。 因此其典型的理想载流路径应该由以上五段承担不同代谢分工的依次衔接贯通的代谢途径组成。,胞外酶（大部分是水解酶，往往是诱导酶）对原料的降解及促进营养物质进入细胞的过程：若用农副产品原料培养工业微生物，则这种微生物必须能合成并分泌水解这些原料的酶，以获得能进入微生物细胞的化合物（营养物质）。,微生物细胞怎样去实现从工业原料到目的产物的转化呢？一般要经过以下 5 个阶段，并接受每个阶段的调节：,经胞内降解代谢途径汇人中心代

40、谢途径：进入细胞的营养物质若是中心代谢途径的起始物或中间产物，即可经中心代谢途径进行代谢，若不是则要经相应的降解途径降解或转变后，再进入中心代谢途径代谢。这些起衔接作用的途径往往也是经诱导而合成的，因而又涉及到变构蛋白的作用。,中心代谢途径及其控制部位 中心代谢途径可兼用于降解和合成代谢，其中涉及的变构蛋白和变构酶更多。包括流经中心代谢途径的主要降解和合成代谢流，以及它们各自最重要的控制“阀门”，还有中心代谢途径中代谢流流经的主要节点及分支处的碳架物质流量的分配与调节。,合成代谢流及其控制部位：以中心代谢途径的中间产物为起始底物的合成代谢流，及它们各自的控制“阀门”（往往是分支途径的第一个酶）

41、。,目的产物的分泌：在发酵工业上，除了以菌体细胞为产物的情况外，目的产物均需排出细胞，因此，有必要研究目的产物的分泌问题。,代谢网络没有绝对的起点，也没有绝对的终点，代谢网络的三个板块是一个整体。就像有许多铁路线组成的各个铁路局和铁路交通网。当我们使用指定的原料生产某特定的发酵产品时，我们期望碳架物质经最有利于高产的途径（理想载流路径）代谢；正如我们乘火车去某城市就要选定一条合适的铁路线一样。,实际上，微生物细胞的代谢网络一直处于对环境的变动的响应之中，因此代谢网络是虚拟的网络概念。 网络中的离心途径的终端又可能成为向心途径的起点；网络中的中心途径不止一条，而且有分支，向心途径和离心途径也有多

42、条，而且也有汇合或分支。途径与途径之间还可能存在横向联系。,代谢网络假设把代谢形象化为一个虚拟的网络新原料、新产品开发的“地图”。 物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约的，微生物对环境的有限的适应性表现为：在一定的变化范围内，微生物随环境条件的变化随时调节有关的蛋白质、酶的合成和活性，以及细胞壳层结构的通透性和选择性输送性，使代谢网络的变动性和适应性因此而得到实现。,代谢网络假说的科学基础与应用前景,代谢网络假设把代谢途径和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体，以有利于从宏观上把握微生物的代谢和生理，为工业发酵中原料的利用和产物的合成，提供分析的依据和实际操作的位点。,代谢网络是一种客观存在，依

43、据这种实实在在的由代谢途径及跨膜步骤“编织”成的网络进行代谢途径和代谢流量分析，就有可能从中选择合适的载流途径（理想载流途径），从而制订使代谢流流向目的产物的育种方案和工艺控制方案。 代谢网络的延伸问题和无尺度问题将为我们的研究留下无穷无尽的悬念。,108,第二节 微生物代谢的调控,微生物细胞中代谢调节的部位 微生物代谢途径的调节模式 通过酶实现的代谢调节机制 通过改变膜的选择透过性实现的调节,109,引言,微生物细胞很微小，自身不可能同时存在各种各样的代谢途径及酶，但环境多变，微生物要在自然界中生存，必须有一套反应机制，即适应性。 微生物是环境中的微生物，环境条件对微生物有影响，微生物反过来

44、也影响环境。 代谢调节的相关内容：营养物质的进出、生化反应（速度、方向、途径、物质流量的调节等）、微生物细胞生长的调节。,110,一、微生物细胞代谢调节的部位,（一）与细胞质膜、细胞器膜有关的调节1、膜脂质的调节（自动、人工）2、膜蛋白质的调节（载体、电子传递链有关蛋白等的绝对数量及活性） （二）细胞器间存在的酶的绝对数量和活力的调节 （三）酶对底物的相对位置的调节主要指多聚酶体或酶复合物，在与底物的结合上有一定的空间关系。,111,图中：1，可溶性营养物质或代谢产物的跨膜输送；2，代谢途径的酶的催化作用；3，酶和载体蛋白的合成,1、原核生物细胞的代谢调节部位,与细胞质膜密切相关的调节 细胞质

45、膜是溶质进出细胞的主要屏障。营养物质主动或被动输送进入细胞的过程，以及代谢产物（某种代谢产物或能量代谢副产物）排出细胞的过程，都要受到膜的组成、结构和功能的影响。,与膜密切相关的调节主要包括以下4个方面： 膜的脂质（磷脂及其它脂类 ） 的分子结构， 以及环境条件（ 如离子强度、温度、pH等 ）对膜脂质理化性质的影响； 膜蛋白质 （ 如酶、载体蛋白、电子传递链的成员及其它蛋白质 ） 的绝对数量及其活性的调节； 跨膜的电化学梯度（膜的生理状态）以及胞内ATP、ADP、AMP库和Pi浓度对溶质输送的调节； 细胞壁结构特别是骨架结构的部分破坏或变形，间接影响膜（ 膜的物理状态 ）对溶质的通透性。,酶催

46、化能力的调节 即细胞空间内存在的酶分子的数量及其活性的调节。在原核细胞中，各种酶和各种底物同存在于一个空间中。处在一定环境和生理条件下的原核细胞中，哪些底物受哪些酶催化，以什么速度进行反应，均受到严格的自动调节。这种自动调节包括两个方面：一是调节反应途径中的酶水平（酶分子的浓度），特别是关键酶合成或降解的相对速率，二是改变已存在的酶的活力，特别是关键酶的活力。,酶的本质1.酶是生物催化剂提高反应速率，但自身并不被消耗，结构与活性也不变2.酶（绝大多数）的化学本质是蛋白质,酶的作用特点1.催化效率高2.具有高度专一性 催化的反应专一性 催化的底物专一性3.作用条件温和常温、常压、中性pH4.作用

47、的可调控性酶浓度的调节、激素调节、酶原的激活等.,116,影响酶活性的因素,温度 pH 盐浓度 辅助因子 辅助因子(无机离子,激活或参与反应） 辅酶(小分子有机物,传递电子、原子 或某些基团.),酶的专一性和诱导契合作用,酶的催化循环,酶的变构调节,酶与底物的相对位置 原核细胞内没有典型的细胞器，除了细胞质膜上存在一些凹陷、皱褶外，细胞内不存在被膜分隔的多个空间，因此在细胞内似乎不存在酶与底物的相对位置影响酶作用的问题。但实际上，在原核细胞中有时也有这种形式的调控，比如当一个酶反应系统以多酶复合体（ multienzyme complex ）的形式存在时，就可以使酶反应在一定空间范围内按特定顺

48、序进行。,竞争性抑制剂非竞争性抑制剂,底物可与酶活性位点结合,抑制剂,2 真核微生物细胞的代谢调节部位,图中：1，可溶性营养物质或代谢产物的跨膜输送；2，代谢途径的酶的催化作用；3，在核中进行的转录；4，在细胞质中进行的翻译；5，不同细胞空间的溶质的跨膜输送。,真核微生物细胞比原核生物细胞复杂而多样化。最简单的真核微生物酵母细胞就有典型的细胞核和一个或多个线粒体、液泡等。在核膜外层与细胞质膜之间又有内质网存在。由此可见，真核微生物细胞内的空间被膜结构分隔成许多小室。由于这些小室的存在，真核微生物的代谢调节要比原核生物复杂得多，就单个细胞相比较，真核微生物细胞的代谢调节部位要比原核生物细胞多得多。,真核微生物细胞同样存在前述原核生物细胞的3个代谢调节部位。唯有第三个调节部位，即酶与底物的相对位置，则因分隔小室而增加了不少调节的内容。小室是使合成代谢和分解代谢能够分开进行和分开调节的重要辅助手段。其中，细胞质与线粒体之间的分工协作，可从下表中得到反映。,