微生物代谢与调控

1、微生物的代谢及其调控- 22 -微生物的代谢及其调控摘要：新陈代谢是生命现象的最基本特征，研究微生物代谢规律及其调控机理，可以实现微生物的生产利益，从而为人类服务。本文介绍了微生物的代谢概念、类型及其调控机理。关键词：微生物；代谢；调控机理Microbial metabolic and regulation mechanismAbstract: Metabolism is the most basic characteristic of the phenomena of life. Research on microbial metabolic regularity and regulatio

2、n mechanism, may realize the microbial production interests, thus serving the society. The paper introduced the concept of microbial metabolic, types and its regulation mechanism. Keywords: microbial; metabolic; regulation mechanism微生物是一群生物学上进化地位较低的简单生物。其类群十分庞杂，包括不具有细胞结构的病毒和类病毒，原核类的细菌、放线茵、蓝细菌、立克汰氏体、

3、衣原体和枝原体，以及属于真核类的酵母菌、霉菌、原生动物和显微藻类等。由于肉限难以分辨直径小于1mm以下物体的细节，故人们必须借助显微镜或电子显微镜才能观察微生物的形态及测量它们的大小。1. 微生物的代谢新陈代谢简称代谢，是微生物生命活动的基本特征之一，是微生物生理学的核心，它包括微生物体内所进行的全部化学反应的总和。一个微生物细胞就是一个新陈代谢的整体，其中配备着复杂、多样的结构成分和酶系，协调地进行着同化和异化过程，表现了包括营养、合成、呼吸、生长、繁殖等各种生命现象。微生物从外界吸收营养物质，在同化作用中合成新的细胞物质，贮存能量，建立生长发育的物质基础；同时在异化过程中通过呼吸作用，不断

4、地在体内分解和氧化一些细胞物质和从界口吸收的营养物质，释放能量，供同化作用和机体运动的需要，并生成一些中间产物用为合成细胞物质的基础原料。最后不能被利用的代谢产物，则贮存体内或排泄体外。在这种代谢中，既有物质代谢，也有能量代谢。同化作用和异化作用在生活细胞中是相反相成的，生命现象就是这种矛盾的对立统一1。1.1微生物能量代谢微生物的生长繁殖要正常进行，需吸收营养物合成细胞组分。然而，合成细胞组分及维持生命活动都需要能量，这些能量都是依赖微生物产能代谢提供。微生物能量的来源不外乎是化能或光能，然而微生物利用达些能源的方式却是多种多样的。在种类繁多的微生物世界里，绝大多数是属于化能异养微生物。不同

5、的微生物产生能量的方式有所不同，各种能量形式都需要转换为一切生命活动都能使用的通用能源ATP后，才能被生物细胞直接利用。ATP是机体内最重要的高能化合物。1.1.1 呼吸作用与产能代谢2微生物呼吸作用的本质是氧化与还原的统一过程，这过程中有能量的产生和能量转移。微生物的呼吸类型有三类：发酵、好氧呼吸和无氧呼吸。这三者都是氧化还原反应，即在化学反应中一种物质失去电子被氧化，另一种物质得到电子被还原。微生物的产能代谢是通过这三种呼吸作用来实现的，从中获取其维持生命活动需要的能量。（1）生物能量的转移中心ATP微生物能量来源有多种，产生的能量形式也有多种，如电能、化学能、机械能、光能等。微生物所产生

6、的能量中，有一部分变为热散发掉，有一部分供合成反应和其他生命活动所需，另有一部分被贮存在ATP（三磷酸腺苷）中，以备生长、运动及其他活动用。ATP结构如图1所示。ATP中的磷酸基团可以依次移去，主成腺二磷(ADP)、腺一磷(AMP)。分子中的两个高能磷酸键在水解时会放出大量的自由能。反过来，在形成这种高能磷酸健时又可将反应过程中释放的能量贮藏于其中。ATP是生物能量的主要传递者。图1 ATP结构化能微生物分解有机物所释放的化学能，光能微生物利用光合色素所捕获的太阳辐射能，不管何种方式获得的能量，都得转换成ATP形式的能量。当需要这些能量时再水解ATP，让能量释放出来。ATP中的能量可用于物质分

7、解，也可用于生物合成，还可用于营养物质的运输。由此可见ATP对于微生物的生命活动具有重大意义。（2）ATP 的产生方式ATP是在发酵、好氧呼吸及无氧呼吸中生成的。其生成的具体方式有以下三种：a）底物（基质）水平磷酸化 厌氧微生物和兼性厌氧微生物在基质氧化过程中，产生一种含有高自由能的中间体，如发酵中产生含高能键的1,3-二磷酸甘油酸。这一中间体将高能键（）交给ADP，是ADP磷酸化而生成ATP。如图2所示。图2 底物水平磷酸化b）氧化磷酸化 在化能异养微生物中，由底物脱氢产生的高能电子通过电子传递链（呼吸链）传递，在逐步降低能量的同时把能量转移给ADP，以生成ATP。好氧呼吸电子传递体系如图3

8、所示。图3好氧呼吸电子传递体系c）光合磷酸化 在进行光合作用的生物中，光合色素（叶绿素、菌绿素）吸收光能， 产生高能电子，高能电子沿电子传递链传递，在降低能量的同时把能量转移给ADP，以产生ATP，或转移给NADP以产生NADPH2（还原力）。1.1.2 微生物产能呼吸作用类型（1）发酵最终电子受体(或最终受氢体)是氧化过程的中间产物，为简单的有机物。在无外在电子受体时，微生物能氧体些有机物。有机物氧化仅发生部分氧化，以其中阎代谢产物(即分子内有机物)为最终电子受体，其产物为低分手有机物，解放少量能量；其余的能量保留在最终产物中。以葡萄糖的酵解说明：葡萄糖逐步分解称为糖酵解。糖酵解途径几乎是所

9、有具有细胞结构的生物历共有的主要代谢途径，又称为EMP途径或E-M途径(Embdem. Meyerhof-Parnas)。具体内容在微生物物质代谢中详细论述。（2）有氧呼吸当环境中存在足量的分子氧时，好氧微生物能将底物彻底氧化分解为H2O和CO2，同时产生大量的能量。葡萄糖的有氧呼吸过程可分为3个阶段。第I阶段，葡萄糖经EMP途径分解形成中间产物丙酮酸，同时产生ATP和NADH+H+；第II阶段，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系的作用下生成乙酰CoA，并释放CO2和NADH+H+；第III阶段，乙酰CoA进入三羧酸循环，产生大量的ATP、CO2、NADH+H+和FADH2。具体内容在微生物物质代谢中详细

10、论述。好氧呼吸能否进行，取决于氧的浓度能否达到0.2%（大气含氧量21%浓度的1%），O2浓度低于0.2%，好氧呼吸不能发生。（3）无氧呼吸在电子传递体系中，氧化NADH2时的最终电子受体不是氧气，而是氧气以外的无机化合物中的氧原子，例如，NO2-、NO3-、SO42-、CO3-及CO2等。无氧呼吸的氧化底物一般为无机物例如，葡萄糖、乙酸和乳酸等。它们被氧化为CO2，有ATP生成。具体内容详见1.1.3节。一个有机化合物完全氧化时产生的能量比其发酵作用大的多，例如，1mol葡萄糖完全氧化能释放出2.9×106J的能量，而酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵时，糖的发酵作用只能释放大约十分之一

11、的能量（2.3×105J），其中9.6×104J储存在ATP中，多余的能以热的形式散失，而大部分能量仍储存在酒精中。发酵作用是通过底物水平磷酸化合成ATP的；底物水平磷酸化也在呼吸作用中存在，但在呼吸作用中，更多的ATP是通过氧化磷酸化产生的。因而，每摩尔底物通过呼吸代谢产生的ATP比发酵代谢大的多。产能效率比：有氧呼吸 > 无氧呼吸 > 发酵。各种微生物都能进行发酵模式的生物氧化，除进行无氧呼吸的厌氧微生物外，发酵作用是许多厌氧微生物取得能量的唯一方式。好氧微生物在进行有氧呼吸的过程中也要经过发酵阶段，但在这种情况下，有机化合物的利用速度要比无氧时慢。无论是发

12、酵作用还是呼吸作用，在氧化时都是先使辅酶NAD（P）还原成NAD（P）H（有少数是把脱氢酶的辅基，如FAD或FMN还原），但NADH上的电子和氢的去路不同，发酵时，电子转移给代谢中间物，形成发酵产物；呼吸时通过电子传递链将电子传递给外源最终电子受体。1.1.3 能量来自无机物的代谢少数细菌（化能自养型）可以从氧化无机物中获得能量，同化合成细胞物质，根据氧化无机物的种类，可将无机化能细菌分为氢细菌、硝化细菌、硫化细菌、铁细菌。（1）氨的氧化NH3同亚硝酸（NO2-）是可以用作能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。氨氧化为硝酸的过程可分为两个

13、阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分子氧为最终电子受体，且大多数是专性无机营养型。它们的细胞都具有复杂的膜内褶结构，这有利于增加细胞的代谢能力。硝化细菌无芽抱，多数为二分裂殖，生长缓慢，平均代时在l0h以上，分布非常广泛。（2）硫的氧化硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP。亚硫酸盐的氧

14、化可分为两条途径，一是直接氧化成SO42-的途径，由亚硫酸盐-细胞色素c还原酶和末端细胞色素系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化的途径，每氧化一分子SO42-产生动5个ATP。（3）铁的氧化从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。在低pH环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能量生长。在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质，它与几种细胞色素c和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链。在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动用ATP的合成。（4）氢的氧化 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养茵。它们能利用分子氢氧化

15、产生的能量同化CO2，也能利用其他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生了ATP。在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD+的颗粒状氧化酶，它能够催化以下反应：H2 2H+ + 2e-该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中，可驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度为ATP的合成提供动力；另种是可溶性氢化酶，它能催化氢的氧化，而使NAD+还原的反应。所生成的NADH主要用于CO2的还原。1.1.4 能量来自光能的代谢光合作用是自然界一个极其重要

16、的生物学过程，除高等植物外，还有光合微生物如藻类、蓝细菌和光合细菌，光合作用本质是指生物将光能转变为化学能，并以稳定形式贮藏的过程，前者指光反应阶段，后者指暗反应阶段。光合作用产能的实质是光合生物将光能（辐射能）转化为ATP（化学能）。（1）循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）循环光合磷酸化是一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，是在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。其特点是：在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到茵绿素，其间

17、产生了ATP；产ATP与产还原力H分别进行；还原力来自H2S等的无机氢供体；不产生氧。循环光合磷酸化的过程是：菌绿素分子在光照下被光量子所激发并逐出电子，这时菌绿素分子带正电荷。被逐出的电子经铁氧还蛋白、泛酮、细胞色素b和细胞色素f组成的类似于呼吸链的电子传递链传递后，重新返回带正电荷的茵绿素分子。这是一个完整的循环过程，在此过程中的Cyt. b与Cyt. f间有ATP的合成。其整个过程及其与Calvin循环间的联系。（2）非循环光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。其特点是：电子的传递途

18、径属非循环式的；在有氧条件下进行；有两个光合系统，其中的色素系统I（含叶绿素a）可以利用红光，色素系统II（含叶绿素b）可利用蓝光；反应中同时有ATP（产自系统II）、还原力H（产自系统I）和O2产生；还原力NADPH2中的H是来自H2O分子光解后的H+和e-。非循环光合磷酸化的过程是：H2O通过光解作用产生了1/2O2+2H+2e-，其中的电子经过两个电子传递系统(I和II)接连传递，最终将电子传递给NADP+接受，于是产生了NADPH+H+，为还原CO2提供了还原力，同时，在电子传递过程中还有两处发生光合磷酸化反应，产生供CO2还原用的ATP。在两个传递系统中，系统I有O2和ATP产生，系

19、统I则有NADPH2和ATP产生。（3）嗜盐细菌的光合作用嗜盐的盐球菌属和盐杆菌数等细菌属于古细菌，是生理学上具有高度特异性的类群。它们的细菌膜上有紫色斑块，其中存在着细菌视紫菌，在光照下促使膜的内外两侧形成质子梯度，导致膜电化学梯度的建立，这种电化学梯度的平衡化同时也驱动了ATP的产生。因而嗜盐细菌的紫膜构成了一种特殊的光合磷酸化，经光照得到的能量补充了从底物有氧氧化作用得到的能量。嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿累和菌绿累所进行光台磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究

20、正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动力。1.2 微生物物质代谢代谢是微生物生命活动的基本特征之一，是微生物生理学的核心，它包括微生物体内所进行的全部化学反应的总和。微生物的代谢作用包括分解代谢和合成代谢：分解代谢：有机物分解为简单物质并产生能量的过程；合成代谢：消耗能量以生成一系列细胞自身大分子过程。分解代谢与合成代谢两者在细胞内是偶联的。无论是合成代谢还是分解代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的，前一步反应的产物是后续反应的底物。而且，合成代谢与分解代谢在生物体中偶联进行，分解代谢为

21、合成代谢提供所需要的能量、中间产物和还原力，而合成代谢则是分解代谢的基础，提供酶、细胞结构、生长繁殖。微生物可通过氧化还原反应或光合作用产生能量，同时又通过生物合成作用利用这些能量来制造生物体的必需物质，在代谢活动中存在着明显的多样性。微生物细胞通过各种方式有效地调节相关的酶促反应，来保证整个代谢途经的协调性与完整性，从而使微生物细胞的生命活动得以正常进行。1.2.1 物质分解代谢微生物是环境中的巨大消费者，能将环境中的有机物无机化，从而获得生存所需的能量、碳源以及氮源。几乎所有能造成环境污染的有机物都能被微生物所分解、利用。所谓难降解，往往只是能降解该有机物的菌种较少，有机物的降解速度较慢而

22、已，并非绝对不可降解。常见的包括大分子的降解、二糖的分解、单糖的分解、脂肪和脂肪酸的分解、含氮化合物的分解、其它有机物和内源性代谢物的分解。1.2.1.1糖类分解代谢糖类是微生物最重要和最普遍的碳源和能源。可利用的糖类包括多糖、双糖和单糖。淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质和几丁质等多糖可被不同的微生物所利用，但必须被微生物分泌的相应的胞外酶水解成单糖或双糖后，才能被细胞所吸收。葡萄糖和果糖是化能异氧微生物的主要碳源及能源，戊糖是经转化后中途进入葡萄糖降解途径的。糖以外的其它有机化合物（包括醇、醛、有机酸、氨基酸、烃类、芳香族有机化合物）的代谢也都是经转化后进入葡萄糖降解途径的。因此，化能异氧型微

23、生物进行分解代谢的最基本的途径就是葡萄糖降解的途径，或称单糖降解途径。微生物降解葡萄糖的方式很多，远比高等生物复杂，其降解途径及最终产物因微生物种类和发酵条件而异。（1）淀粉的分解淀粉是葡萄糖通过糖苷键连接而成的一种大分子物质。淀粉有两类，一类是通过1,4糖苷键将葡萄糖连接形成的直链淀粉；另一类是在直链淀粉基础上又产生由1，6糖苷键连接起来产生分支的支链淀粉。一般情况下，淀粉在自然界中很容易被降解成葡萄糖。催化淀粉降解成葡萄糖的酶实际上是一类密切相关的酶的总称。包括：-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶四种。淀粉的降解途径为：淀粉 糊精 麦芽糖（双糖） 葡萄糖淀粉在此四种酶的作用下，最后被降解

24、成葡萄糖。（2）纤维素的分解纤维素是一种由葡萄糖通过糖苷键连接而成的大分子化合物，它的分子量比淀粉更大、更不溶于水，不能直接被人和动物消化，但它可被许多微生物分解利用。不少微生物能分泌纤维素酶分解纤维素，引起木材、纸张和棉织品的腐烂，造成经济损失，土壤微生物分解植物秸秆，则增加土壤肥力。能利用纤维素生长的微生物均具有纤维素酶。细菌的纤维素酶通常是结合在细胞壁上的“表面酶”，因而只有当细菌直接与纤维素接触时，才能分解纤维素。但是放线菌和霉菌的纤维素酶是胞外酶，便于提取，是目前所用的纤维素酶的主要来自真菌与防线菌。在植物细胞壁里，除了纤维素以外的多糖物质还有半纤维素。与纤维素相比它们更容易被分解。

25、（3）果胶质的分解果胶质是构成高等植物细胞间质的主要物质，由D-半乳糖醛酸通过-1，4糖苷键连起来的直链高分子化合物，其中大部分羧基形成了甲基酯。天然的果胶质称为原果胶，不含甲基酯的果胶质称为果胶酸。果胶质在原果胶酶作用下转化成水溶性的果胶，再进一步被果胶甲酯水解酶催化去掉甲酯基团，生成果胶酸，最后被果胶酸酶水解，切断-1，4键，生成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸进入单糖代谢途径分解并放出能量。分解果胶质的微生物主要是一些细菌和真菌。我国民间传统采用的麻类植物沤浸脱胶技术就是利用了果胶分解菌分解果胶的能力。葡萄糖及乳糖等其他小分子糖类物质的分解代谢途径主要有以下方式：（1） EMP途径糖的酵解是各种发

26、酵的基础，发酵作用是酵解过程的发展。EMP途径又称糖酵解，或双磷酸己糖降解途径。这是氧化葡萄糖产生丙酮酸的过程，它通常是碳水化合物分解过程的第一阶段。许多微生物能进行该途径的反应。事实上，它存在于大多数活细胞中。EMP途径包括10个独立的，但又是连续的反应，其顺序及所需的酶见图4。糖酵解中的酶催化六碳葡萄糖裂解生成两个三碳糖，这些糖然后进一步被氧化释放能量，同时进行原子的重排而形成了两分子丙酮酸。糖酵解期间NAD被还原成NADH，并且通过底物水平磷酸化作用净产生两分子的ATP。因此，葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸的总反应式为：C6H12O62NAD2Pi2ADP 2CH3COCOOH2NADH

27、22ATP2H2O反应中所生成NADH2必须重新氧化为NAD后才能继续不断地推动全部反应。糖酵解过程不需要氧的参与，它能够在无氧或有氧的条件下发生。在无氧的条件下，如以乙醛作为受氢体，即是酒精发酵；如以丙酮酸作为受氢体，即是乳酸发酵。在有氧情况下，NADH2经呼吸链氧化，同时丙酮酸进入三羧酸循环。 图4 EMP途径简图EMP途径10步反应详述如下：（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌种通过不同方式实现这步反应。在酵母茵、真菌和许多假单胞茁等好氧细菌中，通过需要Mg+和ATP的己糖激酶来实现（此反应在细胞内为不可逆反应）；在大肠杆菌和链球菌等兼性厌氧茵中，可借磷酸烯醇式丙酮酸磷酸转移酶系统在葡

28、萄糖进入细胞之时即完成了磷酸化。 （2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。 （3）果糖-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1,6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMP途径。与己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活细胞内催化的反应是不可逆的。 （4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两个丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛缩酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且对葡糖异生作用(g1uconeogenesis)即对由非碳水化合物前体逆向合成己糖的反应也很重要。另外，二羟丙酮

29、磷酸在糖代谢和脂类代谢中还是一个重要的连接点，因为它可被还原成甘油磷酸而用于脂类的合成中。（5）二羟丙酮磷酸在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛-3-磷酸。虽然在反应（4）中产生等分子的丙糖磷酸，但二羟丙酮磷酸只有转化为甘油醛-3-磷酸后才能进一步代谢下去。因此，己糖分子至此实际上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代谢反应在所有能代谢葡萄糖的微生物中都没有什么不同了。（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下产生1,3-二磷酸甘油酸。此反应中的酶是一种依赖NAD+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应产物上。这一氧化反应由于产生一个高能磷酸化合物和一个NADH+H+，所以从产能和

30、产还原力的角度来看都是十分重要的。（7）l,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸。此酶是一种依赖Mg2+的酶，它催化1,3-二磷酸甘油酸C-1位置上的高能磷酸基转移到ADP分子上，产生了本途径中的第一个ATP。这是借底物水平磷酸化作用而产ATP的一个实例。（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二价金属离子作为激活剂。（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸，这时，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基团转移到

31、ADP上，产生了本途径的第二个ATP，这是借底物水平磷酸化而产生ATP的又一个例子。由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其中产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要发酵产物的生产有着密切的关系。EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但生理功能极其重要：供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力，厌氧微生物是以此途径作为获得能量的唯一方式；是连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（T

32、CA）、HMP途径和ED途径等；为生物合成提供多种中间代谢物；通过逆向反应可进行多糖合成。若从EMP途径与人类生产实践的关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。（2）HMP途径除了通过EMP途径氧化葡萄糖外，大多数微生物还有一条彻底分解葡萄糖为CO2和水的途径，即是葡萄糖在转化成6-磷酸葡萄糖酸后就分解为CO2和5-磷酸核酮糖，也就是在单磷酸己糖的基础上开始降解，故称单磷酸己糖途径，简称HMP途径。又因为所生成的磷酸戊糖可重新组成磷酸己糖，形成循环反应，所以又常称为磷酸戊糖途径，见图5。HMP途径基本过程可分为3个阶段：葡萄糖分子通过几步氧化反应产生5-磷酸核酮糖和C

33、O2；5-磷酸核酮糖发生结构变化形成5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖；几种磷酸戊糖在无氧参与的条件下发生碳架重排，产生了磷酸己糖和磷酸丙糖，后者既可以通过EMP途径转化成丙酮酸而进入TCA循环进行彻底氧化，也可通过醛缩酶的作用而转化为磷酸己糖。图5 HMP途径简图 图6 ED途径简图HMP途径的总反应式为：G-6-P12NADP6H2O6CO212（NADPHH）PiHMP途径比EMP途径复杂，可以获得很多产物，如C3、C5、C7等磷酸糖酯。该途径主要特点是葡萄糖直接脱氢和脱羧，不必先经三碳糖的阶段；另一特点是只有NADP参与反应。HMP途径在微生物生命活动中意义重大：供应5-磷酸核糖，以合成嘌呤

34、和嘧啶核苷酸，最后合成核酸、辅酶等；提供大量的还原力NADPHH，除了部分被转氢酶催化变为NADHH，再进入呼吸链氧化，可生成大量的ATP外，主要还是作为细胞合成脂肪酸、胆固醇、谷氨酸等需氢的一种重要来源；途径中的4-磷酸赤藓糖是合成芳香族氨基酸的前体；磷酸戊糖循环的功能对于光能和化能自养菌具有重要作用，这两类微生物细胞中的含碳成分都是由CO2和1,5-二磷酸核酮糖缩合而成，而后者是由5-磷酸核糖转变而来；生成的6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等可进入EMP途径，进而代谢为丙酮酸，这样HMP途径与EMP途径相联系。因此，HMP途径在物质代谢中很重要，在大多数好氧和兼性厌氧微生物中都有这条途径。HM

35、P途径与EMP途径、TCA循环可以同时存在于一细胞内，只有少数细菌以HMP途径作为有氧分解的唯一途径，例如弱氧化醋杆菌和氧化醋单胞菌。（3）ED途径N. Entner和M. Doudorff在对嗜糖假单胞菌的研究时发现，该菌缺少6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶，从葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖酸之后不氧化脱羧，而是在脱水酶作用下脱水，生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸，后者由脱氧酮糖醛缩酶催化裂解成为3-磷酸甘油醛和丙酮酸，这就是ED途径，如图6。3-磷酸甘油醛转入EMP途径后半部分可转化为丙酮酸，因而ED途径的总反应式为：C6H12O6NADNADPPiADP 2CH3COCOOHNADHNADPH2H

36、ATPED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomnas spp.(一些假单胞菌)和Zymomonas spp.(一些发酵单胞菌)等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低(1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半)，反应中有一个6碳的关键中间代谢物肋PG。由于ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，广泛分布在细菌尤其是革兰氏阴性菌中。例如，通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。此外，在四途径中所产生的丙酮酸对Zymomonas m

37、obilis(运动发酵单胞菌)这类微好氧茵来说，可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。这种经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同，因此称作细菌酒精发酵。（4）PK途径除了常见的EMP途径、HMP途径和ED途径外，尚有两个磷酸酮缩酶途径是少数细菌所有的，简称PK途径。例如异型乳酸发酵的乳酸杆菌、双叉乳杆菌和双歧杆菌等，因为该途径的部分与HMP途径相同，所以可认为是HMP途径的分叉。 磷酸戊糖酮缩酶途径磷酸戊糖酮缩酶途径是HMP途径的变异途径，简称PPK途径。肠膜状明串珠菌、短乳杆菌、发酵乳杆菌等以及真菌中的根霉所进行的异型乳酸发酵路线，总的反应式为：葡萄

38、糖ADPPi乳酸乙醇CO2ATP戊糖2ADP2Pi乳酸乙酸2ATP 磷酸己糖酮缩酶途径少数细菌缺少6-磷酸葡萄糖脱氢酶，不可能有HMP途径又缺少果糖二磷酸醛缩酶，则也不可能有EMP途径，在利用葡萄糖的途径也不同于ED途径或PPK途径，而是走一条特殊的磷酸己糖酮缩酶途径，简称PHK途径。其特点是该途径有两步反应是由磷酸酮缩酶所催化的，第一步是由6-磷酸果糖酮缩酶将6-磷酸果糖分解为乙酰磷酸和4-磷酸赤藓糖，另一步是5-磷酸木酮糖酮缩酶将5-磷酸木酮糖分解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸，在没有氧化作用和脱氢作用的反应参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酰磷酸和2分子3-磷酸甘油醛，后者在3-磷酸甘油醛脱

39、氢酶和乳酸脱氢酶参与下转变为乳酸，乙酰磷酸则与ATP的生成反应相偶联成为乙酸。从葡萄糖开始，总反应式为：2葡萄糖5ADP5Pi2乳酸3乙酸5ATP（5） 葡萄糖直接氧化途径上述四条途径都是葡萄糖先磷酸化后才逐步被降解的。有些微生物如酵母属、假单孢菌属、气杆菌属和醋杆菌属的某些菌，它们没有己糖激酶，但有葡萄糖氧化酶，便直接将葡萄糖先氧化成葡萄糖酸，再磷酸化生成6-磷酸葡萄糖酸，假单孢菌中的6-磷酸葡萄糖酸经6-PG脱水酶转化为KDPG，按ED途径进一步降解；气杆菌属和醋杆菌属以及另一些假单孢菌中的6-磷酸葡萄糖酸经6-PG脱氢酶转化为5-磷酸核酮糖，进入HMP途径。（6）TCA循环葡萄糖除了上面

40、几种途径降解，得到各种中间体的代谢产物外，好氧微生物在有氧情况下完全氧化，生成各种生物合成的中间体、CO2和水，同时产生大量的还原力（NADPH2、NADH2和FADH2），这些还原力通过电子传递链生成ATP，这就是TCA循环，即三羧酸循环。TAC循环不仅为机体提供大量的能量，而且其中间产物是细胞进行生物合成的原料，它们是合成反应的起点成分。因此，TAC循环位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位。葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸后，丙酮酸不能直接进入TAC循环。在有氧情况下，丙酮酸需要失去1分子的CO2，降解成乙酰CoA，此反应分五步由丙酮酸脱氢酶复合物催化完成。这一反应本身并非是TAC循环的一

41、部分，但它是所有糖类经丙酮酸进入TAC循环所必须经过的。在TAC循环中，通过一系列的生化反应途径，储存在乙酰CoA中大量潜在的化学能被逐步释放出来。在这个循环中，通过一系列氧化和还原反应把化学潜能以电子的形式转移到电子载体（主要是NAD）上。丙酮酸的衍生物被氧化，辅酶被还原。TAC循环的主要化学反应见图7，3C化合物丙酮酸脱羧后，形成NADHH，并产生2C化合物乙酰CoA，由它与4C化合物草酰乙酸缩合形成6C化合物柠檬酸。通过一系列氧化和转化反应，6C化合物经过5C化合物又重新回到4C化合物草酰乙酸，再由它接受来自下一个循环的乙酰CoA分子。整个TAC循环的总反应式为：丙酮酸4NADFADGD

42、PPi3H2O 3CO24（NADHH）FADH2GTP图7 TAC循环简图（7）DCA循环DCA循环，即乙醛酸循环，可以看作是TCA循环支路。DCA循环两个关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。某些二碳化合物难通过上述途径转化生成乙酰CoA，因此，它们不能从乙酰CoA进入TCA循环，如乙酸、乙醇酸、草酸等。乙酸通过乙酰CoA合成酶催化生成乙酰CoA；乙醇酸和草酸先转化成乙醛酸，然后借助于乙醛酸循环彻底氧化成CO2和H2O，并生成2分子NADH2。DCA循环中，先在异柠檬酸裂解酶催化下异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，再在苹果酸合成酶作用下将乙醛酸和乙酰CoA合成苹果酸。DCA循环的生理功能是使微

43、生物可在乙酸为唯一的碳源基质上生长；又可弥补TCA环中四碳化合物之不足；同时，在脂肪酸转化为糖的过程中起齿轮作用。DCA循环的总反应式为：2×乙酸2NAD苹果酸2NADH2乙酰CoA乙醛酸2NAD苹果酸2NADH21.2.1.2 脂类分解代谢脂类是微生物的碳源和能源，经过降解可转变成糖类代谢的个间物，然后按糖类分解方式代谢并释放能量。脂肪是由甘油与长链脂肪酸组成的甘油三脂，其在脂酶的作用下分解的初始产物为甘油和脂肪酸。甘油可通过甘油激酶催化生成-磷酸甘油，然后经氧化生成磷酸二羟丙酮进入EMP途径。脂肪酸通过脂酰CoA合成酶催化下形成脂酰CoA，脂酰CoA逐步分解生成乙酰CoA与丙酰C

44、oA。这些物质最后进入糖代谢途径进行分解，为微生物生长提供碳源物质与能量。脂肪是自然界广泛存在的重要的脂类物质，它在脂酶的作用下可水解成甘油和脂肪酸，分解反应式如下：（1）甘油的分解脂肪水解产生的甘油，可通过甘油激酶催化产生-磷酸甘油，这个反应要消耗一分子的ATP，再经-磷酸甘油脱氢酶催化生成磷酸二羟丙酮，再进入EMP或HMP途径进行分解。（2）脂肪酸的分解组成脂肪的高级脂肪酸，主要是16C饱和脂肪酸(软脂酸或称棕搁酸)、18C饱和脂肪酸(硬脂酸)、18C不饱和一烯酸(油酸)、18C不饱和二烯酸(亚油酸)和18C不饱和三烯酸(亚麻酸)。关于微生物分解脂肪酸的研究已渐多，从研究真菌对于脂肪酸分解

45、的过程中看出，真菌分解脂肪酸的方式基本上和动植物组织分解脂肪酸的方式一致，也是通过氧化途径。脂肪酸降解的氧化途径包括以下五个步骤：（1）激活脂酸，生成脂酰CoA。 催化这一反应的酶称为脂酰CoA合成酶。RCH2CH2CH2COOH+ATP CoASH RCH2CH2CH2COSCoA AMP+PP（2）脂酰CoA在和位上脱氢生产烯脂酰CoA。催化此反应的酶称为脂酰CoA脱氢酶，其辅基是FAD。RCH2CH2CH2COSCoA FAD-酶 RCH2CH=CHCOSCoA FADH2-酶（3）烯脂酰CoA经烯脂酰CoA水合酶催化，水合生成-羟基脂酰CoA。RCH2CH=CHCOSCoA + H2O

46、 RCH2CHOHCH2COSCoA（4）-羟基脂酰CoA脱氢生成-酮基脂酰CoA，此反应由-羟基脂酰CoA脱氢酶催化，以NAD作为氢载体。RCH2CHOHCH2COSCoA + NAD RCH2COCH2COSCoA +NADH2（5）-酮基脂酰CoA经硫解酶催化，生成乙酰CoA和少了2个碳原子的脂酰CoA。RCH2COCH2COSCoA + CoASH RCH2COSCoA +CH3COSCoA新生成的少了2C的脂酰CoA，再重复(2)-(5)的反应，又生成乙酰CoA和少2C的脂酰coA。如此形成螺旋降解的途径，最终都变成乙酰CoA。如果是奇数碳原子的脂肪酸(这种脂肪酸不普遍)，则除生成乙

47、酰CoA外，最后还要生成一个丙酰CoA。脂肪酸降解的最终产物乙醚CoA可进入三羧酸环被彻底氧化成H2O和CO2，或进入乙醛酸环合成糖类。脂肪酸的彻底氧化可以产生大量的能量。在真核生物中，1分子脂酰CoA每经一次氧化，产生1分子乙酰CoA、1分子FADH2和1分子NADH2。乙酰CoA经三羧酸环氧化可得12 ATP，FADH2经呼吸链氧化得2ATP，NADH2经呼吸链氧化得3ATP，总计共得17 ATP除在一开始激活脂肪酸时消耗1 ATP外，可净得16 ATP，但以后的每次重复氧化便不再有消耗，均获得17 ATP。例如1分子16C的饱和脂肪酸被彻底氧化时可获得130 （16+17×6+

48、12）ATP。可见，能量水平是很高的。1.2.1.3 蛋白质和氨基酸分解代谢蛋白质是许多氨基酸通过肽键连接起来的大分子聚合物，它可以被蛋白酶水解生成不同程度的降解产物。蛋白质及其降解物是微少物生长的良好氮源，也可作为生长因子，有时还可作能源之用。（1）蛋白质分解蛋白质生化分解的第一步是通过蛋白质水解酶的作用使蛋白质水解成胨、肽。能产生蛋白酶的微生物，可以把蛋白质逐渐水解成简单的产物短肽。蛋白质被蛋白酶降解成多肽或寡肽之后，在肽酶的作用下，可进一步降解成氨基酸。（2）氨基酸分解微生物降解氨基酸有两种基本方式：脱氨和脱羧。当培养基的pH值偏碱时，进行脱氨作用，偏酸时则进行脱羧作用，因为微生物只有在

49、培养基的pH值高于氨基酸的等电点时，才生成脱氨酶；在pH值低于氨基酸的等电点时方生成脱羧酶。脱氨作用因不同氨基酸、不同条件和不同微生物而有不同的方式和产物。一般可分为氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨、减饱和脱氨等方式。氨基酸通过不同的氧化途径氧化分解（脱氨后），主要形成5类产物进入三羧酸循环进行下一步氧化分解，最后形成H2O和CO2。氨基酸氧化分解后形成进入三羧酸循环的5类产物是：乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸。1.2.1.4 核酸分解代谢核酸是由许多核甘酸通过3,5-磷酸二酯键连接起来的大分子聚合物。虽然核酸一般不作为微生物生长的主要营养物质，但在一定条件下，大多数微生

50、物在短期内都可以通过核酸酶将胞内的核酸降解或将其他生物的核酸利分解用，以维持生命。另外，在生长过程中也能通过核酸酶作用使胞内的核酸不断地更新。核酸在核酸水解酶的作用下被水解生成寡核苷酸和单核苷酸。由于核苷酸有核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两种，因而核酸酶也有相应的核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶两种来催化它们的降解。按照核酸酶作用的特点，可分为内切核酸酶和外切核酸每两大类。前者从核酸链的内部分解磷酸二酯键，使核酸分子由大变小，产生单核苷酸和寡核苷酸的混合物，其作用有专一性。后者从核酸链的一端（5末端或3末端）水解磷酸二酯键，每次通常只切下一个核苷酸。核酸经过核酸酶水解作用生成各种单核苷酸，这些单核苷酸可

51、以通过酶的作用生成相应的核苷三磷酸。1.2.1.5 四大物质分解代谢总结糖类、脂肪（甘油、脂肪酸）、蛋白质、核酸这四大物质分解代谢之间相互联系，相互关联，小分子糖类分解代谢途径主要为EMP、HMP、三羧酸循环等；脂肪水解生成甘油和脂肪酸，再经一系列酶的作用分解为乙酰CoA，从而进入EMP、HMP或者三羧酸循环；蛋白质水解生成肽、胨，然后在肽酶作用下进一步分解为氨基酸，氨基酸通过不同的氧化途径氧化分解（脱氨后），主要形成5类产物进入三羧酸循环进行下一步氧化分解，最后形成H2O和CO2。由此可见，糖类、脂肪（甘油、脂肪酸）、蛋白质和氨基酸分解代谢都会进入三羧酸循环，各大物质分解后进入三羧酸循环，促

52、进三羧酸循环的正常进行，不会因为缺少某一物质而导致循环无法进行，所以，糖类、脂类、蛋白质等物质的分解代谢之间相互影响、相互促进，相互制约的。1.2.2 物质合成代谢自养微生物具有强大的生物合成能力，尤其是严格的自养微生物，它们不需要任何有权物，只利用无机化合物就合成其全部的细胞物质。异养微生物合成细胞物质所需要各种小分子化合物来自有机化合物，至少碳源是如此。这些小分子化合物可以从外界供给，但更多的是靠分解营养物质获得的。各种分解代谢途径中所产生的许多小分子化合物，可作为生物合成细胞物质的前体，例如，EMP途径中的3-磷酸甘油酸是合成甘氨酸、丝氢酸以及脂肪和卟啉衍生物的前体；磷酸烯醇丙酮酸和HM

53、P途径中的4-磷酸赤藓糖可共同组成芳香族氨基酸；丙酮酸是合成丙氨酸和分枝氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）的前体。HMP途径中的5-磷酸核糖是合成核苷酸和组氨酸的前体。TCA环中的乙醚-CoA是合成脂肋酸和萜烯类化合物所必需的；由-酮戊二酸可以生成谷氢酸，由谷氨酸又可合成谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸以及嘌呤核苷酸；草酰乙酸和延胡索酸是合成天门冬氨酸的前体，由天门冬氨酸又合成天门冬酰胺、精氢酸、苏氨酸、蛋氢酸和嘧啶核苷酸；琥珀酰-CoA是合成卟琳衍生物的前体等等。微生物利用它们所合成的各种氨基酸、核苷酸、脂肪酸和糖类等，分别组成蛋白质、核酸、脂肪和多糖等细胞物质以及各种次生产物。微生物利用小分子化合

54、物合成各种细胞物质初次生物质都需要能量，并在各种有关的酶类催化下进行。（1）CO2的固定CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用CO2作为补助的碳源。将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称为CO2固定作用。其固定方式有自养型和异养型两种。自养微生物包括光能自养和化能自养，固定CO2的途径有三条（二磷酸核酮糖环，即卡尔文循环固定；还原三羧酸环；还原的单羧酸环）。异养型CO2固定：异养型CO2的固定主要是合成TCA环的中间产物。（2）生物固氮生物界中只有固氮微生物才能特大气中的氮固定成氨。大气中有将近3/4是氮气，根据粗略估计，在自然界中，每年由微生物所固定的氮素约l亿多吨，远比目前用化学

55、方法合成的氮肥的量要多，对增加土壤肥力起着很大的作用。有固氮能力的微生物主要是原核微生物，可分成两大类：一类是和高等植物共生的称为共生固氮菌；另一类是单独生活的，称为自生固氮菌。由N2固定为NH3是还原过程。 在还原之前N2分子要先经活化变为两个N原子，才能进行还原反应。这就必须有固氮酶的作用。同时，固氮作用是耗能反应，必须要有ATP提供能量。微生物在体内进行固氮时，还需要一些特殊的电子递体，其中主要的是铁氧还蛋白(fd)和合有FMN作为辅基的黄素氧还蛋白。基于以上知识，固氮的生化途径如图8所示。图8 固氮的生化途径微生物由固氨作用、硝酸还原作用所生成的氨，或直接自外界吸收的氨，以及合氨化合物

56、分解时所放出的氨，部可以用来使酮酸氨基化，而形成相应的氨基酸。（3）糖类的合成微生物在生长过程中，不仅有分解糖类的能量代谢，而且还不断地从简单化合物合成糖类，以构成细胞生成所需要的单糖、多糖。无论是自养微生物还是异养微生物其合成单糖的途径都是通过EMP途径的逆行而合成6-磷酸葡萄糖，然后再转化为其它的糖或双糖的及多糖。 单糖的合成对自养微生物而言，单糖的合成从CO2的吸收开始，某些异养微生物有时也吸收CO2的过程，需要通过一些特别途径完成。两个三碳糖可通过EMP途径的逆反应合成六碳糖。在HMP途径中，有多种五碳糖转变成六碳糖的方式。异养微生物一般直接从外界吸收单糖，特别是葡萄糖，在此基础上在转

57、变成其他单糖或合成多糖。 同型多糖的合成微生物细胞内同型多糖的合成基本上有相同的途径。合成起始时都需要一个寡聚糖作引物，然后单糖诼一添加在引物上使链延长。 异型多糖的合成主要包括透明质酸的合成、碳聚糖的合成、脂多糖的合成、磷脂的合成。（4）脂类的合成脂类的合成包括脂肪酸，脂肪和磷脂，萜烯及其化合物的合成，其途径与生化上一致。 脂肪的合成二分子脂酰-ACP和一分子-磷酸甘油，在脂酰转移酶的作用下，生成-磷酸甘油二脂。-磷酸甘油二脂在磷酸酰酶的作用下脱磷酸，生成甘油二酯。甘油二酯在脂酰转移酶的作用下，与另一分子脂酰-ACP反应，生成甘油三酯。 磷脂的合成在合成磷脂前，磷脂酸先要与CTP反应生成CDP-甘油二脂。CDP-甘油二酯与-磷酸甘油或丝氨酸反应，通过磷酸二酯键形成各种磷脂。它与-磷酸甘油的反应分两步进行，需要-磷酸甘油-CMP-磷脂酸转移酶和磷脂酰甘油磷酸酯酶，先生成磷酸酰甘油-3-磷酸，然后脱磷酸为磷脂酰甘油。CDP-甘油二脂与丝氨酸的反应由L-丝氨酸的-CMP-磷脂酰转移酶催化，生成磷脂酰丝氨酸。（5）氨基酸的合成氨基酸的合成大致有三种方式：一是直接吸收氨合成氨基酸；二是通过转氨基作用合成氨基酸；三是由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸。在由前体转化为氨基酸的过程中，有时