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第二章 生物的生长和代谢2.1 简介微生物的目的是繁殖另一个微生物，在一些情况下，生物技术都在尽可能连续的和快速的寻找可利用的微生物。另一种情况，生物体本身并不是所要的产物，生物技术必须用一定的方式处理微生物，获得主要的微生物产物。微生物尽可能的克服机体对生产量的抑制，来生产一些微生物技术的理想产物。因此，微生物的生长和它的不同产物最终将和微生物代谢特点有关。新陈代谢是两个紧密联系但又不同行为的发源地。合成代谢的过程与形成细胞物质有关，这些细胞物质不仅包括细胞的主要组分（蛋白质，核酸，脂质，糖类等），还包括它们的中间前体物氨基酸，嘌呤，嘧啶，脂肪酸，各种糖和磷酸糖。合成代谢过程并不是自发进行的。对大多数微生物来说，它们必须由一种能量流来推动，这种能量流是由“产能”的分解代谢过程所提供的。碳氢化合物分解产生二氧化碳和水是最常见的分解过程。但微生物中最常利用的是大量的碳化合物的还原作用。分解过程和合成过程的结合是所有微生物生物合成的基础。在这里，可以对所有的平衡或个别过程来进行讨论。事实上，我们已经能有效的区别有氧和无氧代谢，一些微生物在有氧条件下代谢，需要空气中的氧气；而另一些微生物在厌氧条件下代谢，不需要氧气。所有的碳化合物的还原作用都需要氧，并将其分解为二氧化碳和水，这是一个高放热过程。因此，在有氧微生物可以在相对少用的底物分解和供给水平的合成作用找到平衡点，来使微生物生长。对厌氧微生物，底物转化的本质是相对低“产能”的不匀称反应。因此大量的底物分解用于供给需能的合成作用。这种不同可以在微生物中清楚的解释，像酵母菌是一个兼性厌氧型微生物，也就是说它在有氧或无氧条件下都能存在。转化相同量的糖，好氧酵母菌释放二氧化碳和水，并产生高产能的新的酵母菌，而厌氧酵母菌有低速的生长，并将糖高效的转化为乙醇和水。2.2分解代谢与能量 分解代谢和组成代谢之间的必须联系是依靠于使各种不同的分解代谢过程推动反应过程中反应物的合成。在极少数情况下，是反过来推动分解代谢反应。那些重要的中间体，其中重要的是三磷酸腺苷ATP,他被生物学家称为最高能量体，在ATP中指焦磷酸盐残基中脱水物的结合键。水解这些高能量体指接或间接的放热通常大于这些物质合成所吸收的热量。在合成代谢中，一些分子像ATP在细胞中提供了能量的流动。在生物合成反应中，ATP一般生成ADP，在偶然情况下生成AMP作为水解代谢产物。ADP仍有一个高能连接键，在腺苷酸激酶的催化作用下也能被利用产生ATP，ADP+ADP=ATP+AMP磷酸化反应，他在细胞中非常常见，他通常在ATP的参与下反应。磷酸化反应的产物比原始化合物更有活性。磷酸化在无机磷酸盐存在的情况下将不会发生。因为细胞中高浓度的细胞液的缘故，反应将处于一个单向的平衡状态。因而细胞的能量状况能被看是ATP、ADP和AMP优势作用。给出下面一个数值，能荷的概念将被介绍。他用一个比值公式给细胞能荷下了定义，一个能量充足的细胞里，ATP是唯一有腺嘌呤核苷酸,给出了一个能量数值1.0。如果三种核苷酸的量是相等的。即ATPADPAMP时，细胞的能荷为.，像所有的惯例，能荷的概念已经被限制，没有一个人能确定一个细胞引入能荷的意义，相反0.8或0.6的能荷已被确定。这个概念没有考虑细胞里核苷酸的绝对数量和剂量，在一个反应中特殊的酶ATP和镁的化合物之间有显著的不同。在酵母、细菌和霉菌之间他们的能荷有很大的不同。然而，在不同的细胞之间酶活力中能荷是可以改变的。例如在生长期，当细胞处于对数期时，能量补充途径处于最低，ATP的消耗使能量与代谢同步进行，在延滞期，与和AMP相比。ATP的含量相对升高。这样能量补充开始上升，当细胞停止生长时，能量补充将会达到最大，这时所有ADP和AMP转化为ADP。2.3 分解代谢途径虽然微生物可以利用大部分碳源用于生长，但是我们应当主要考虑葡萄糖代谢以及考虑到经济成本。可利用的碳源有乙醇、烃、脂肪酸、甲醛和甲醇等。2.3.1葡萄糖和其他有机化合物几乎所有现有的细胞，最主要的葡萄糖代谢包括二磷酸己糖途径和一磷酸己糖途径。他们通常出现，为合成代谢过程提供重要的关系。他们之间的相互作用是机械控制的主要内容。EMP途径（糖酵解途径）如图2.2，他将葡萄糖转化为丙酮酸，但没有碳原子的损失，减少两分子NAD辅酶转变为NADH，同时产生两分子ATP，所形成的丙酮酸盐是合成代谢前体的主要主要来源，在有氧生物体内，也是有氧代谢的物质。在厌氧条件下，丙酮酸盐的衍生物无需作为NADP的有氧组织。一磷酸己糖途径也因戊糖代谢而出名，如图2.4，有氧代谢过程中，可以将一磷酸己糖转化为戊糖和二氧化碳，减少两分子NADP+（与NAD+相关的辅酶）转化为NADPH，NADNADPH、NADNADPH都是由不同的氧化物产生作用，NADH的主要功能是还原反应的能量供应。而NADPH主要用于有氧代谢，通过图系列的作用关系，戊糖代谢有其他个碳化合物的糖代谢组成，在不同的情况中，有不同的代谢程度。丙糖磷酸盐是糖酵解途径中形成的。通过逆转序列，己糖二磷酸盐可以再生。丁糖磷酸盐是合成芳香氨基酸的重要前体。戊糖磷酸盐用来合成核酸。在大多数有机体中，66%80%的葡萄糖是通过EMP途径进行代谢合成的。其他途径经过戊糖磷酸化途径代谢。这种控制碳流向不同途径的比例机制常在EMP途径，从6-磷酸果糖的磷酰化到1，6-二磷酸的过程（这个过程被PFK催化）中被发现。这种酶的分子组成使他的催化活动能根据细胞代谢参数进行调整。当需要更多的能量时，PFK的活性增强；当细胞中有足够的能量或者足够的碳三代谢产物时，PFK的活性会减弱。这种通过调整关键酶的催化活动的酶控制机制是普通性的。代谢途径应该总是可以控制的。而且，为了细胞可以尽可能的有效运转，且所有的活动都因该相互配合。通过对PFK的控制，有两种方法可以达到这个效果。一是没被激活，例如AMP或ADP的介入，酶催化反应的速率增加。因此当细胞的能荷较低时。PFK会在较高的速率下工作。二是酶将会在此代谢途径更低的中间物的作用下是受到抑制，这种中间物通常为磷酸烯醇式丙酸或者柠檬酸。因此，当产物中的一种不能有效的转化为其他物质时，细胞不会继续下一步的运转。在控制葡萄糖从一个有机体到另一个有机体合成的代谢的过程中，催化过程能实现合成代谢。基于此的其他代谢机制因而需要尽可能相近。虽然到目前为止，EMP途径和戊糖磷酸化循环并不是葡萄糖代谢的唯一途径，但却是最普遍的。相对于EMP途径的一种重要选择是ED途径，它是在几种假单胞菌和相关菌种发现的，过程如表2.5所示在此途径中，戊糖磷酸化循环中的酶被用来催化生成五碳糖和四碳糖。但是C的流向和表2.4中所给出的是相反的。重要酶中的另外一种是磷酸酮醇酶，它可能比一般能意识到的酶更加普通。这类酶（可能不止一种）可以做用于磷酸五碳糖或磷酸六碳糖产生乙酰磷酸化和生成3-磷酸甘油醇或4-磷酸赤藓糖（这要看用的是五碳糖还是六碳糖）（见表2.6）这些酶最初发现于以EMP途径作用的杂发酵乳酸杆菌和醋酸杆菌中。这因而发生的乙酰磷酸可能会转化为醋酸盐或乙醇。更多的新发现的磷酸酮醇酶在大多数酵母菌中被证明是诱导酶，这些酵母菌是在木糖作为唯一碳源的有氧条件下生长的，在这里，木糖首先通过木糖醇代谢到木酮糖，然后在5-磷酸木酮糖的形式下进入表2.6描述的反应机制。（在木糖中生长的微生物内，有一种异构酶可以直接将木糖催化成木酮糖。）在这些循环途径中，与碳磷酸酮醇酶的作用仅仅是为有机体从戊糖转化为二碳或三碳单元以便于进一步代谢提供有效的方法，却不能代替EMP途径不仅酵母菌，在其他生长于木糖或别的戊糖中的微生物有机体中，这种酶也有广泛的分布。2.3.2 三羧酸循环 目前所讨论的多有途径最后促进了特殊的C3和C2化合物的生成，如所谓的丙酮酸盐和醋酸盐，后者如乙酰辅酶A，一中类似于无水硫酸钙的反应的硫酯。丙酮酸和乙酰辅酶A进一步的有氧代谢过程可以通过两种不同的机制作用的循环过程；这种循环产生作用于生化合成物反应和化合物氧化的中间代谢物。最后生成二氧化碳和水，它包括氧化反应和能量的转换，这种普通存在的于好氧细胞中的乙酰辅酶A氧化循环途径和TCA循环（三羧酸循环，Kreb循环）密切相关。在真核细胞中，三羧酸循环和有关能量产生的反应在线粒体内完成，而在微生物中，与能量有关的酶和细胞与细胞膜联系紧密。线粒体中的反应开始于丙酮酸盐运输进入线粒体内。他通常包括联系丙酮酸盐到三羧酸循环的一些反应。丙酮酸通过一个叫作丙酮酸脱氢酶的复合酶转化为乙酰辅酶A，这种复合酶催化广泛的反应过程。丙酮酸+CoA+NAD+=乙酰辅酶A+二氧化碳+NADH接下来的代谢过程通过表2.8给出的三羧酸循环进行反应，表2.8循环反应的机制如下：（1）产生能用其它生物合成途径的中间产物，如下：当主反应途径通过细胞同化进行时，生成天冬氨酸盐和谷氨酸盐的反应特别重要。（2）为了重新恢复经过氧化反应的酶，酶类如异柠檬酸脱氢酶，a-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶催化的中间产物的有氧反应过程。这些中间产物伴随着酶辅助氧化剂和还原剂的变化辅酶是可以变成NADPH和（见表。）的NAD+和FAD，NADPH和FADH可以通过氧化磷酸化途径重新被氧化成最初的辅酶。在氧化磷酸化途径中，每molNADH可放出ATP，每FADH2可以放出2molATP。能量可以在琥珀酸硫激酶的作用下被重新恢复。尽管周期性的循环表面上是永远存在的，因为一旦被草酰乙酸启动，循环的运转便是不确定的，所以循环永存实际上是不会发生的。像早已证实的，这种循环必须提供中间产物给生化过程。而且当这样的中间产物中有一些被形成循环系流时，草酰乙酸的合成和柠檬酸的再生便不能发生。然而，额外的草酰乙酸能被独立的合成是必须的，这主要通过丙酮酸盐的羧化作用来完成。丙酮酸盐+COATP草酰乙酸ADP+Pi这个反应在丙酮酸盐羧化酶的催化下进行，但是在一定程度上，草酰乙酸也可以通过这个循环的活动产生。为使乙酰辅酶A和草酰乙酸的生成量相等。丙酮酸盐的羧化作用必须得到控制。这样就必须依靠乙酰辅酶A作为正效应物的丙酮酸盐羧化作用得到，比如一种可以增加活性的物质。草酰乙酸越多，则反应生成草酰乙酸越快。当草酰乙酸好和乙酰辅酶A被移去（形成柠檬酸），乙酰辅酶A的集中性将会下降，丙酮酸盐羧化作用也将会降低。但是，当丙酮酸盐羧化作用仍能像之前一样进行时。将会产生更多的乙酰辅酶A，这样的话，三羧酸循环不仅能够保持一直持续，引起柠檬酸前体化合物的两个反应可以保持平衡。另外有一些其他的控制机制调节这样的周期循环。此类酶中的一些被ATP抑制，剩余的一些依靠AMP参与活动。因而这个循环可以通过ATP到AMP的参数比例控制协调。ATP、AMP是细胞内的能荷（见图2.2），这样的调控机制并不广泛，并且需要确定普遍性的有机体或者有机体群。他们并不需要更进一步的在细节上进行考虑，但是糖酵解的调节的考虑，代谢控制的普遍规律仍然使用。2.33 乙醛酸支路如果有机体生物体依靠二碳复合物或可以大量降低成二碳单元（见2.3.4）的脂肪性酸或烃生长，三羧酸循环就不能满足其代谢活动。正如前面所说，仅用于合成酶的混合物，如果被从三羧酸循环中移走，因为这种移除，草酰乙酸便不能有效的再生成。正如，二碳复合物不能转化为丙酮酸盐（丙酮酸脱氢酶不能有效进行），目前也没有办法使碳二混合物生成草酰乙酸或其他碳四化合物。乙酰辅酶A可直接由乙酸合成，但利用碳源和碳二复合物的合成比乙酸更有效。如乙醛或者酒精：乙酸能转化为碳四复合物的规律因两种对三羧酸循环所需来说额外的酶的乙醛酸之路而出名。这两种酶为：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。当微生物依靠碳二复合物生长时，这两种酶被诱导，并且在这种情况下，酶的 活性可以提高2050倍。乙醛酸之路并不能取代三羧酸循环的运行。例如为了供应用于蛋白质合成的谷氨酸盐，不得不使柠檬酸转化为a-酮戊二酸。另外一种来自异柠檬酸裂解酶的产物琥珀酸，将会像以前那样被代谢生成苹果酸。草酰乙酸的生成也是如此。因此，通过乙醛酸支路循环，现在可以通过碳二复合物生成碳四复合物。然后用于所有细胞代谢中有关合成反应（见表2.18）转化成糖的详细过程见2.42.3.4脂肪酸和碳氢化合物在碳氢化合物有生长能力的生物体不是很广泛，但是在细菌、酵母和霉菌之间发现了可以利用脂肪酸或油脂和脂肪的生物体。碳氢化合物主要用于在USSR中合成单细胞蛋白和其他一些过程。例如生产柠檬酸。脂肪酸和植物油通常用于制造抗生素的辅料。脂肪和油脂必须被脂肪酶水解后才能有机体所利用。生产脂肪酸时必须加甘油。甘油通过EMP途径被利用。许多微生物可以利用游离的脂肪酸。然而，有些脂肪酸是进入细胞或实际形成的，将远离毒素和产生中间的辅酶硫酯。硫脂的活性被脂肪酸链适当的降解，通过图2.10的循环序列被描述。每一步循环中，释放1mol乙酰辅酶A和脂肪酸酯辅酶A。在循环过程中有两分子的小分子碳化合物参与与反应。已经知道的B氧化降解循环因素中，从的乙酰辅酶A到乙酰辅酶的最终形成碳四产物时才循环才停止。如果一个脂肪酸有奇数个碳原子时，降解丙酮酸会通过2.7.3反应顺序来继续转化到丙酰辅酶A。生长在烷烃类的微生物中，常常开始于在二甲基组中，通过烷烃羧化酶的攻击机制，包括氧分子和一个包含铁原子的辅助因子在氧化。被氧化减少辅助因子恢复再生。最终连接到一个氰化物载体工具中，NADH或NADPH。在细胞中发现，脂肪酸被其用于形成自己的油脂。这样烷烃的长度被脂肪酸反映。一些烷烃和碳氢化合物的支链也可被代谢。虽然他不用于商业地位，但现在仍然用于原料的中小因素，那些稳定的氧化包括了脂肪酸的转化。2.3.5甲烷与甲醇一小部分微生物（细菌和放线菌）是甲基营养菌。他们可以利用甲醇作为碳源。能利用甲烷的能力甲基营养菌目前只在小部分的细菌中发现。一部分微生物可用甲酸来作为碳源。这三种化合物被甲醇化被氧化成二氧化碳，他们之间密切配合将细胞内的不同物质以不同形式转化为二氧化碳。利用二氧化碳作为碳源是绿色光合作用和微生物的范围，一部分无机化能营养的细菌以无机化合物作为能量能量来源，这些微生物目前已经在生物技术中广泛应用。有兴趣想知道更多有关二氧化碳固定途径的读者应当越多生物化学课本。但他必须至少注明两条代谢途径的区别。分别是卡文循环和羧酸循环。甲基化的链式反应如下：第一步反应：NADH的氧化他们的酶可以氧化其他很多化合物，包括很多烷烃类甚至甲醇类本身。第二步反应：是在吡咯并喹醌合成中发现甲醇化反应的在一些细菌甲酸盐转化为甲盐的进一步反应中也是被同一种酶催化，最后一步是二氧化碳的固定和NAD再生。利用甲醇甲酸作为碳源，细胞内物质甲酸盐水平上，存在两个相互依赖的途径。核酮糖循环和丝氨酸循环。见图。和。单磷酸盐循环与卡文循环相似，用于生成单碳化合物，共需两种酶：丝氨酸途径的关键酶是苹果酸辅酶A，它可以产生乙酰辅酶A和乙醛酸和丝氨酸转羟甲基酶。一种特殊的酶可以利用转羟甲基酶。乙醛酸支路可利用乙酰辅酶A，以致细胞可利用碳二化合物。在酵母菌中，有一种戊糖磷酸化循环，可以利用木酮糖产生甘油醛，这一反应被一种特殊的转酮酶利用。完成甲酸盐循环需要唯一的另外的酶。就是二羟基丙酮到二羟基丙酮磷酸化酶。2.4 葡糖异生作用当一个生物体可以利用C2或C3化合物生长，或一些物质的代谢能产生这些化合物，或丙酮酸的代谢水平较低（例如脂肪族链烃，醋酸，乙醇或乳酸），对于微生物来说，合成不同的糖来满足它的代谢需要是有必要的。这称为葡糖异生作用。尽管在糖酵解途径（图.2.2和2.4）中，许多反应都是可逆的，但这些反应并不通过丙酮酸极美或磷酸果糖激酶催化，对细胞来说避开这些阻滞物是必要的。通常，丙酮酸并不能进一步形成磷酸烯醇式丙酮酸，尽管在少数生物体中存在一种酶磷酸烯醇式丙酮酸合成酶，完成这个反应：丙酮酸+ATP磷酸烯醇式丙酮酸+AMP+Pi；更多的是，草酰乙酸作为反应物：草酰乙酸+ ATP磷酸烯醇式丙酮酸+ADP+CO2；这个反应利用磷酸烯醇式丙酮酸羟基酶做催化剂，它是葡糖异生作用中的关键酶。草酰乙酸的形成已经讨论过（见2.3.3节）。通过果糖二磷酸酶避免了磷酸果糖激酶的不可逆性（产生果糖1,6-二磷酸）： 果糖1,6-二磷酸+H2O 果糖6-磷酸+Pi；从这一点通过可逆的糖酵解形成己糖，通过二磷酸戊糖途径形成C5和C4糖（图.2.4）。葡萄糖本身并不是葡糖异生作用的终产物，但果糖6-磷酸可用于细胞壁成分，大量胞外和贮藏的多聚糖的合成。2.5 有氧生物中的能量代谢在葡萄糖的代谢（图2.2和2.4）和三羧酸循环中，我们已经解释了各种不同代谢中间物的氧化作用，并且其与限制数量的辅因子的还原作用怎样联系。将辅因子（NAD+,NADP+,FAD）还原成相应的形式（NADH,NADPH,FADH2）。在有氧系统中，通过一个复杂的反应顺序，释放这些产物的还原能，还原能与最终的大气O2的还原作用有关。这个序列中在电子转移链上，依靠原来的还原性，有两个或多个（常是三个）特殊点，ATP由ADP和无机磷（Pi）产生。所有的反应可能写作： NADPH+3ADP+3PI+1/2O2 NADP+3ATP+H2ONADH+3ADP+3PI+1/2O2 NAD+3ATP+H2OFADH+2ADP+2PI+1/2O2 FAD+2ATP+H2O通过糖酵解途径，每摩尔葡萄糖代谢和通过三羧酸循环反应代谢产生ATP，总结在表2.1。 生物利用能量的产物以ATP的形式出现在膜上-也可以在真核生物的线粒体膜上或细菌的细胞质膜上。这两个过程大致是相似的，详细的不同点在各自的生物体之间。电子转移链的主要组成为黄素蛋白，苯胺和细胞色素。它们的作用是先被还原（通过接受氢离子或电子）再氧化，并将释放的电子高效的传递给下一个结合的携带者。每一个携带者都有一个不同的氧-还电位，并由NADHNAD+反应中的-320mv逐渐增加到最后反应：12 O2H2O中的+800mv。在链上确定的点上，两个相邻电位携带者氧-还电位的差值足够驱动可逆反应：ADP+PiATP，向ATP合成的方向进行。这个反应涉及到一个复杂的，多亚基的酶即ATP酶。关于怎样驱动ATP酶，有两种假说。化学渗透学说，是由Mitchell在过去的20年发展而来的，它认为电子转移链的组分在膜间有一定的空间排列。由于质子从一边移动到另一边，产生了一个PH和电荷梯度。质子在膜间的流动驱使ATP酶向合成ATP的方向进行。ATP酶是定向的，以至于质子只能从一端进入其催化位点。这个过程在图.2.15中简单描述。第二个假说解释了ATP合成的假想，电子转移携带者和假定的已激活中间物相互作用，使ADP磷酸化，这些中间物称为偶联因子。这两种理论都有其优势和缺点。它们都顾虑到了不结合物氧化磷酸化作用的效应，像鱼藤酮，阿米托，抗霉素，它们都有停止ATP生产的作用。2.6 厌氧生物的能量生产ATP的产生过程在2.5章节中已经描述过，它的生产需要氧的提供。一些生物体能用氮，硫酸盐或铁离子代替氧，如果在培养基中有足够量的这种物质，无氧条件下生长的生物体，将能在缺少空气的情况下使用电子转移携带者产生ATP。但如果毫无选择的大量提供电子接受者，或者如果生物体（像大多数细菌）缺乏这种系统，失去氧后生物体将不能用这种方法生产ATP。因此，厌氧生长的微生物必须直接的与产能反应结合而获得ATP，这称为底物水平磷酸化，这种反应的数量是有限的。反应的自由能必须能驱动ATP磷酸化反应（ATPADP+Pi；G0=-31kJmol-1）,这种类型的最重要的反应总结在表2.2中。在上述六个反应中，最后的三个反应仅在少数有机物中是非常重要的，其他三个反应在糖酵解中，反应1,2含有中间物（见图2.2），反应3含有乙酰磷酸，这个反应广泛存在于无氧环境中。乙酰磷酸由乙酰辅酶A和无机磷酸反应生成，它也可以由磷酸酮醇酶作用产生。乙酰辅酶A可以利用乙酰乙酰辅酶A分解产生，也可以利用上述三个反应之一的丙酮酸反应产生：丙酮酸脱氢（和NAD+结合）；丙酮酸甲酸裂解酶（它可以催化反应：丙酮酸+辅酶A乙酰辅酶A+甲酸）；或丙酮酸：铁氧还蛋白氧化还原酶作用可以产生相同的反应产物，而丙酮酸脱氢酶含有一个铁硫蛋白，可利用铁氧还蛋白作氧化剂，而不是NAD+。这些中的三种酶中，后两种对氧的存在很敏感，当含有这些酶厌氧菌接触空气时这些酶将很快失活。通过中间物延胡索酸使电子转移磷酸化的出现有了依据。延胡索酸在几个产甲醇的细菌，还原硫的生物体和一些发酵生产氢气和二氧化碳的产氢细菌中是很重要的。反应是：延胡索酸+2H-+ADP琥珀酸+ATP。氢离子可能从大量的辅因子包括NADH中提供，在一些微生物中像大肠杆菌，它们的分解可能含有一系列的电子携带者，这些电子携带者和好氧生物中电子转移链的组分是相似的，但不是完全相同。因此在不含有氧气时，生物体能与各种反应结合，从而产生ATP。所有的厌氧生物都面临两个问题。首先是，不能使再氧化剂NADH与通过氧化磷酸化作用产生的ATP结合 ，每消耗1mol的底物产生的ATP远小于有氧代谢。第二是，没有能力将NADH氧化剂和氧还原作用结合，这就产生了怎样达到这种必须的反应的问题，除非这种代谢快速中断，所有的NAD+不可逆的转化为NADH。厌氧生物已经适应用不同的方式来完成还原辅因子的再氧化作用。下面是这种类型的图解：这里，步骤AH2A是途径的一部分，在厌氧时利用底物。通常底物B需要补偿再氧化作用，它也将从底物中直接获得；BH2，一旦形成就不需要进一步的代谢。必须的AH2的代谢是按化学计量式与补偿产物 BH2相关。因此，为了实现底物的分解厌氧生物必须积累还原代谢物。此外，由于它们从底物的分解获得相对低的ATP生产，这种还原代谢物的积累被束缚并大量合成相关的细胞物质。厌氧代谢方式已经整理出来，这在下面章节中有所介绍。 2.7 厌氧代谢由于用于再氧化的还原剂像NADH,NADPH,FADH2,是非常广泛的，并可得到相应的终产物。因此，厌氧代谢途径的描述是对单个有机物中终产物的积累的描述，它们中的一些像乙醇就有一定的商业重要性。在无氧条件下，葡萄糖的代谢仍然产生丙酮酸，但仅一部分进入到三羧酸循环中生产中间物，用于必需的细胞物质的合成。三羧酸循环反应的作用仅仅是生产这些中间代谢物，并不产生能量。通常这个循环并不完全起作用，尤其是酮戊二酸脱氢酶（图.2.8）可能不能起作用。因此，这个“循环”是一个“U形”，草酰乙酸能转化为琥珀酸，并主要转化为酮戊二酸。2.7.1 酒精发酵 在酵母菌中，像酿酒酵母，再氧化剂是乙醛；多数丙酮酸由葡萄糖产生并转化为乙醇：由于1mol葡萄糖可产生2mol的丙酮酸，产生的乙醇能再氧化，通过丙糖磷酸脱氢酶反应产生NADH。因此整个化学计量式为：C6H12O6+2ADP+Pi2C2H6O+2ATP净得的ATP为酵母菌的生长提供能量。在表2.1中比较了每转化1mol葡萄糖产生的ATP少于有氧条件下的5%。 任何葡萄糖都能通过磷酸戊糖途径代谢，并能产生必需的四碳糖和五碳糖。每摩尔葡萄糖大约能产生1mol丙酮酸，同时产生2molNADPH和1molNADH（见图.2.4），这些额外的还原剂必须通过与其他反应结合才能再氧化。这些反应中最主要的是脂肪酸的形成，它是化学还原产物，其合成需要一些可用的还原剂摄入。乙醇也可以通过一些细菌产生，通常可以和其他终产物结合，利用霉菌在无氧条件下最大量的生产乙醇。如果生产菌也能够在有氧条件下存在，像酿酒酵母，在有氧气摄入时，积累的乙醇常作为底物通过醋酸途径吸收和利用。2.7.2 乳酸发酵 乳酸发酵生产是仅次于乙醇发酵的第二大发酵，一直在食品工业上有重要性。异乳酸发酵菌可以生产一系列不同的还原化合物，但生产乳酸，并没有利用关键的糖酵解酶，醛缩酶（见图2.2），而是使用磷酸酮醇酶生产出乙酰磷酸。并在无氧条件下转化为乙醇，产生NAD+再通过产ATP的反应（见表2.2）转化为乙酸。另一种磷酸酮醇酶的产物是三磷酸甘油醛，它可以利用通常的糖酵解序列转化为丙酮酸，再利用乳酸脱氢酶转化为乳酸： 丙酮酸+NADH乳酸+NAD+这个反应也用于单纯的乳酸细菌，这种生物体没有磷酸酮醇酶，结果乳酸事实上是单一的终产物。由于不同的乳酸脱氢酶的差异一些乳酸菌生产D-乳酸，另一些产L-型和一些两种的混合形式。 2.7.3 丙酸发酵例如在奶酪中发现的丙酸细菌，可以经过一系列的反应将丙酮酸转化为丙酸，其中甲基丙二酰辅酶A是重要的中间物（图2.16）。这可以用于转羟基作用反应中丙酸的即时来源：甲基丙二酰辅酶A通过细胞内的转羟基作用由丁二酰辅酶A形成，也可以由草酰乙酸（通过）产生，同时有2molNADH再氧化为NAD+。在一些梭菌属中，丙酸可以直接由丙酮酸通过乳酸和丙烯酸产生，而且这种转化需要2molNADH再氧化生成。2.7.4 丁二醇发酵在气杆菌属，沙雷菌属和一些芽孢菌属中，2mol丙酮酸经缩合，最终产生2,3-丁二醇：仅最后一步与NADH的氧化有关。因此每消耗1mol丙酮酸产生0.5molNAD+。生物体也可以将丙酮酸转化为其他产物像乳酸，甲酸（如下）。2.7.5 甲酸发酵 在不同的肠细菌中，有部分丙酮酸转化为乳酸，有部分转化为乙酰辅酶A和甲酸。后一个反应称为加磷酸分解。甲酸可能少量积累，但常常通过甲酸脱氢酶转化为二氧化碳和氢气。这种又丙酮酸转化为乙酰辅酶A的途径的优点是它并不产生NADH，因此避免了必须的再氧化反应。乙酰辅酶A能通过乙醛脱氢酶转化为乙醛： 乙酰辅酶A+NADH乙醛+NAD+经过NADH的进一步氧化使乙醛还原为乙醇。这种生成乙醇的途径与酵母菌的反应并不相同（2.7.1节）。2.7.6 丁酸发酵一直以来，丁醇，丙酮和异丙酮的生产是最古老的，成熟的发酵过程，也就是说，它通过使用单个的已知菌种发展而来。这种终产物是通过大量的梭菌属细菌从葡萄糖代谢中形成的，其过程如下图2.17.很大的区别是：一些梭菌生产丁酸，醋酸，二氧化碳和氢气，但其他的梭菌主要生产丙酮而不是异丙醇。根据所选择的菌种不同和培养条件的差异，其终产物的比例也是有差异的。2.7 其他 厌氧生长的微生物可能生产大量的其他还原产物，包括糖乙醇，琥珀酸和1,3-丙二醇。在厌氧生长的酵母菌中，增加亚硫酸氢盐可能产生具有一定经济价值的甘油。亚硫酸氢盐和乙醛形成复合物。因此微生物不再产生酒精，而是寻找另一个NADH再氧化的途径，将磷酸丙糖还原为甘油。2.8 生物合成和生长微生物细胞本身通过这个最简单的营养物就能再生。细胞用于完成这个过程的途径的数量是巨大的：一个细菌细胞可能含有多于1000中不同的酶，一个真核细胞可能含有的酶多于细菌细胞的两倍。细胞中各种大分子（蛋白质，核酸，多糖等等）能从100中不同的单体单元组合而来。这些不同的分子（氨基酸，嘌呤，嘧啶，脂肪酸，糖类等等）的生物合成的一般途径概要在图2.18中已给出。我们能够看出生物合成的途径是相互联系的，所有途径依靠必要的中间物库来维持。不幸的是在这里不可能提供许多这些途径梗要情况；它们研究的大部分是多数课本上有的常规生物合成。据了解，对于特殊的发酵相应的特殊的途径情况，在这本书的适当的章节有所描述。细胞在一个平衡方式实现其所有的代谢活动，因此终产物 既不是过量也不是少，这也是它的一个劣势。微生物细胞也必须随着环境（温度，PH，氧水平等等）的改变能作出反应，也能利用任何数量的安慰诱导物，它们由氨基酸，嘌呤，嘧啶初步加工。这种情况在自然界中非常常见，用复杂的营养物（像玉米浆或糖蜜）作为生长底物，这些营养物包括过量的碳化合物。因此对于一个细胞通过终止合成物质 来保存碳和能量是可能的，通过中止合成过剩的酶使得物质是足够的，而且是经济的。这里有两条良好的途径：控制酶的活性和控制酶形成，当没有不必要的物质出现在细胞中，细胞应该能够调节各种化合物合成。因此在这一章描述常见的控制机制。2.8.1 代谢控制2.8.1.1 营养摄取细胞代谢控制从细胞调节自身的营养摄取开始。除了氧和少量的碳化合物外大多数的营养都能通过特殊的运输机制摄取， 因此它们可能从外面的稀释液中浓缩在细胞中。这种主动运输系统要求能量输出。这个过程是受控制的，因此一旦摄入到细胞中的营养数量达到给定的浓度，不必要的再次摄取将停止。2.8.1.2 区室化代谢控制的第二个形式是使用区室，或细胞内的细胞器内控制分离库中的代谢物。一个明显的例子是真核细胞内的线粒体将三羧酸循环反应和细胞质中的反应分离开。另一个例子是，过氧化酶体，含有可降解脂肪酸的酶（见图.2.10），但少量的相似酶在逆向也能实现相关的反应，导致脂肪酸合成反应位于细胞质中。分离的两种酶阻止任何常见的中间物在无效的方式循环。2.8.1.3 酶合成的控制 细胞中的许多酶是组成型酶，它们在所有的生长条件下都存在。而另一些酶仅仅出现在需要的时候；例如当细胞以C2为底物生长时乙醛酸旁路（见图.2.9）中的异柠檬酸裂合酶，这称为酶合成的诱导。相反地，在酶不再需要时它们能够消失，如果有足够的可用组氨酸来满足细胞的需要，阻止组氨酸生物合成的酶将产生。这称为阻遏；当大量所需的化合物减少，合成这种物质的酶将“重现”，这种合成解除了阻遏。为了理解这种控制怎样操作，对蛋白质合成过程的概述是必须的。蛋白质（包括所有的酶）利用一个复杂的酶和核糖体中RNA，通过按顺序增加不同的氨基酸而合成（见图.2.19）。为了确保正确的氨基酸顺序， 通过一条信使RNA链来实现编码过程，通过复制细胞中染色体（基因）上的DNA片段，信使RNA依次被合成；这个过程通过独立的DNA ，RNA 多聚酶产生，称为转录。周所周知，染色体由双螺旋DNA组成，DNA具有精确地碱基序列组成：腺嘌呤（A）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）和鸟苷酸（G）。在两条链间碱基对A-T，C-G通过氢键连接，从而两条链结合在一起。由于A一直和T配对，C与G配对，那么新的DNA链能由一个单链分子制成， 然后和原始的链互补。这种方法，DNA能够复制，保持了基因信息或密码；这在后面章节显示（图.2.2）。信使RNA也是从一条DNA单链互补而来的（图.2.19）。 除了碱基尿嘧啶代替胸腺嘧啶，RNA和DNA的一条单链互补，同样的，在它的碱基序列中携带基因密码。尽管许多mRNA通过读取整个DNA长度产生，但每个信使RNA仅仅从一小部分DNA中产生。信使RNA保持单链结构。核糖体和RNA相关联，在核糖体中，信使RNA的碱基“不读”，称为翻译。三个碱基同时编码成一个氨基酸。三个碱基称为密码子，例如密码子UCA特定的编码丝氨酸，密码子CAG编码谷氨酸，因此当序列UCACAG相遇，连接在核糖体内的mRNA将生产丝氨酸-谷氨酸。每一种氨基酸沿着对应的mRNA能识别三个碱基，氨基酸共价连接一个特殊的转运RNA（tRNA）。氨酰-tRNA是通过核糖体用于生产肽链的活性单位。因此，每个单独的mRNA 分子编码一个蛋白质，来自于一个染色体基因（可能需要多于一种蛋白质来制作更多的功能酶，例如丙酮酸脱氢酶）。单个的基因能复制许多次，可能在染色体有多于一种基因复制。任何一种情况都是对基因的放大作用。通过整个转录和翻译机制，蛋白质合成的调节是极其复杂的；它的不同，尤其在真核细胞和原核细胞的细节上，这些方面还没有阐明。但是，调控机制的明确的原则能从细菌系统中举例说明。从DNA中产生mRNA复制体的机制是受控制的，涉及到染色体 编码诱导或阻遏蛋白的部分（见上面）。这种机制以图解的方式显示在图.2.20中。DNA的一些片段被称为调节基因，产生一个调节的阻遏蛋白（通过相关的mRNA），其作用是联系另一个相邻的基因。连接这种操作基因的蛋白，在DNA的下一部分阻止进一步翻译出现，就是说一个或多个结构基因可以控制编码酶蛋白的mRNA的合成。如果存在诱导物，诱导物与调控蛋白结合，阻止它与操作基因结合。然后，自由的操作基因允许结构基因复制，并合成相关的蛋白。这种新的代谢途径带入操作中。只要诱导因子存在，酶合成将继续，如果它被转移或积累（在代谢途径中高效诱导），酶合成将终止。当一个分子通常是一个途径的终产物，它和阻遏物蛋白相互作用，产生阻碍操作基因一个产物，将出现酶合成的阻遏。如果终产物转移或积累，阻遏物蛋白不再与操作基因连接，发生结构基因的复制 ，终产物的合成暂时停止。2.8.1.4 代谢阻遏 这种代谢控制类型是一个已经阐明广泛的思想，涉及到通过增加微生物培养的外部营养产生酶的诱导和阻遏。术语分解阻遏涉及到 几个常见的现象，例如当一个微生物能从同时出现的两个或多个不同的碳源中选择喜欢利用的底物。例如一个微生物，在葡萄糖和乳糖都存在的情况下，可能忽略乳糖直到消耗了所有的葡萄糖。这种相似的选择可能出现在多于一种可利用的N源的选择。细胞的优势是 它能够在最小的能源消耗下，使用参与的化合物。 详细的分解阻遏的机制在生物体之间可能是不同的。图.2.21中显示细菌大肠杆菌中过程顺序的描述。序列的关键在于化合物环化AMP（cAMP）。cAMP利用ATP通过腺苷酸环化酶和一个特殊的受体蛋白（CRP=环化AMP受体蛋白）相互作用而形成，它可以积极的促进操纵子的转化（图.2.20）。 cAMP库大小的控制对于这种机制是极重要的，通过调控相关的腺苷酸环化酶的活性和将cAMP转化成AMP的磷酸二酯酶来描述。cAMP和在2.2章节中讨论的“能荷”紧密相关。各种葡萄糖的代谢似乎强烈的抑制腺苷酸环化酶的活性，只要出现在细胞中，在cAMP-CRP 复合物的调控下这几个操纵子将不能发生转录。分解阻遏的影响在调节分解过程模型中尤其是在“二次生物合成”现象中，是非常重要的。2.8.1.5 酶活性的调节一旦酶合成之后，它的活性通过不同的方式调节。图.2.22（a）转录后修饰。 一些酶在有活性时和无活性时都能存在，它们能够通过特殊的基团（磷酸盐，AMP或UMP）的共价结合而相互转化。这种连接是介于分离酶之间，并没有其他作用，它的活性通过现有的不同的代谢来依次调节（见下一章）。因此分解反应通过抑制细胞的代谢状态修饰第一个酶（见图.2.22）。这种过程的例子有大肠杆菌中谷氨酸的合成（对细胞来说，准确的调节重要代谢中间物的库的大小是极其重要的，中间物包括底物谷氨酸和酶产物谷氨酰胺）和红色面包菌中糖原磷酸化酶的合成。（b）效应物的活性。由于分解反应的产物的积累常常使酶活性变小。这些化合物可以说成是酶的抑制物或消极的效应物。这是一个很简单的容易理解的机制：反应产物阻碍底物到达酶的活性位点， 这个位点经常是“最合适的”，然而许多酶，尤其是那些一个途径的开端的酶对与正分解的反应不相干的化学化合物的出现具有相似的敏感。大家都知道，最常见的影响是反馈抑制，就是一个途径的终产物对初期酶的活性是一个消极的效应物，在这种途径： ABCDE这种抑制作用的作用是确保一旦终产物已生产足够的数量，在这种途径中不会进一步消耗碳单元，不生产不需要的产物。如果产物出现在摄入细胞的生长培养基中（见2.8.1节），同样的事情将出现。反馈抑制和酶合成的阻遏非常相似（见上面），这种阻遏作用也是通过额外的终产物的出现来调节的；反馈抑制是一种快速的细调，并且是可逆的，而酶的阻遏作用是一种粗调，花费更长的时间来达到。 基因的反馈调节机制是基于效应物分子和酶在特定位点上结合，这个位点与酶的活性位点不同；效应物能改变蛋白质的形状，因此对于底物反应，它是不再是一个有效分解反应。这种酶称为变构调节的酶。例子像在大多数产生氨基酸、嘌呤、嘧啶和其他单体合成的代谢途径中（见图.2.18.）。 由于有多于一种产物从常见的分支途径中获得，使这个过程变得更加的复杂。 ABC。这里，如果三个终产物中的一个，F、G或J达到在它最佳的库大小时，它阻碍自身更多的产生，但同时不能抑制其他两种终产物的合成，这是重要的。因此，在上面的图解中，假设三种终产物的需求量相等， 产生的F将抑制全部的反应f，反应c的 50% 和反应a 的33%。这样从A开始，首先B 然后C 将形成 在三分之二 平均；C代替生产。这种不完全抑制酶活性的方式可以实现，并且这种方式随着途径和生物体的不同而不同。对于生物体来说，常见的方式是使用同工酶。也就是，对于上面的反应a ，有三个分开且独立的酶， 每个都有相等的催化效率。但一个同工酶将是敏感的，首先对F的反馈抑制，第二是G，第三是H。这种方法，如果一种终产物达到它们适宜的库浓度，仅有一种同工酶被抑制。反应c可能是相似的，被两种同工酶催化：一个是对F的反馈抑制，另一个是对G的反馈抑制。 这种控制类型的例子出现在三种芳香族氨基酸，苯基丙氨酸酪氨酸和色氨酸的生物合成中，还有苏氨酸 甲硫氨酸 赖氨酸的生物合成中（见图.2.18）。 反馈的影响也和转移过程的调控（见2.8.1.1节）有关。但是，延伸这个概念可能并不十分精确的，像ATP、ADP、AMP、NAD(P)+、NAD(P)H等代谢物对一个特殊的酶，作为积极或消极效应物。比如 在三羧酸循环（见图.2.8）中的几个酶，尤其是柠檬酸合成酶通过ATP受到抑制， 由于ATP是氧化磷酸化作用的终产物，它和循环反应有关，这可能解释为是一个更间接形式的反馈抑制。如果不考虑语义，通过不同的形式或形成辅因子的控制类型在这些酶的中心代谢途径中是十分的广泛。 2.8.1.6 酶的失活通常酶是不稳定的分子，可能发生快速的和不可逆的破坏。其正常寿命是非常不同的；它可能是短短的几分钟或长达几天。尽管酶的合成在基因水平上调节（见2.8.1.3节），但一旦酶已经合成，它的功能能保持一段时间。如果环境条件突然改变，“切断”即阻遏酶的合成可能不是足够的；细胞可能需要酶的失活，来避免不需要或可能有害的代谢活性。几个例子像特殊的蛋白质水解酶，合适的激活后，将能破坏一个特定的酶。活性可能通过关键代谢物的出现（或消失）引发。2.8.2 代谢和生长的协调我们已经考虑到细胞是怎样控制它的许多组分的生物合成的，因此一直合成适量的分子，同样的，也合成适量数量的不同酶分子。这些控制机制能对细胞外环境做出反应。细胞一直试图优化它的内部的生物化学反应。因此，它能够有效的利用碳，氮源进行粗加工，最大化的产能，最小的能量消耗和尽可能快速的生长。由于环境条件的限制，例如一些氮源的缺少，生物体将不能正常的繁殖。这种情况下，终产物（一些是有生物技术改造的）将在细胞内积累，生物体不断的利用可用的碳源代谢并生成产物。生物体内的生物合成机制必须连续的工作，只有在细胞死亡时，细胞内的反应才能趋于平衡。因此对生物体来说，保持细胞内的生物化学反应的运作是非常必要的。它能够在普通条件下，通过不同的方式实现：通过解除新合成酶的抑制。它可能把碳底物转化成任意大量的“二次”代谢物；它能够产生大量的贮藏化合物像-羟丁酸脱氢酶，脂质，糖原和其他的多聚糖。如果细胞处于“饥饿”状态下，没有外源碳源供给时，它能消耗这些贮藏物质，与细胞保持它的代谢途径运转相比，产物显得更小的重要性。在正常情况下，给予生物体足够的所有必须营养物，生物体将能生长。在分批培养时，细胞在一个封闭的系统中繁殖，直到营养物耗尽或一些产物积累过多而抑制进一步的生长或细胞数量达到一定水平，没有可用的空间容纳新的细胞。在细胞生长期间，细胞中的各种组分选择了相应的量（图.2.23），由于细胞分裂前的延长，细胞也能改变大小。在最初的指数生长时期，细胞以最大速率生长，由于细胞中核糖体合成更多的蛋白质（见图.2.19），细胞中的RNA含量也快速的增加。但DNA的含量可能下降，如图2.23所示。下降的确定量由细胞中DNA的复制速率决定（见2.8.3节）。生物体的生长速率可以用倍增时间来表示，即一个细胞分裂为两个细胞的时间，或由特定的生长速率表示，即每增加单位质量细胞量，细胞新物质的合成速率。这两个值是相关的，在方程式中：=（这里 x=细胞含量，t=时间）；=0.69/td。 在分批培养中，由于营养物质含量的不断减少，值是个变化值。在许多实际操作中，有氧生物体的氧供应率支配着它们的生长速率。只有在连续培养时，通过连续的导入新鲜的营养物质（和确定的氧供应量），可以使生长速率保持常量。在一个生物体内，到底什么支配着最大生长速率，使得生物体间的速率值不同，这对于大多数生物还不了解。它可能是细胞DNA合成的最大速率，或是特定的营养物摄入细胞的速率，或