微生物的代谢及其调控

1、第第7章章 微生物的代谢及其调控微生物的代谢及其调控 相关问题相关问题主讲主讲 惠惠 明明 博士博士o微生物的降解代谢及生物能的产生o微生物的合成代谢及生物能的利用o微生物的代谢调控问题2课程思路o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。o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。o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向心途径向心途径在细胞机器工作模式中的位置在细胞机器工作模式中的位置向心途径向心途径中心代谢途径中心代谢途径离心途径离心途径降解注入降解注入两用途径两用途径合成分泌合成分

2、泌 1 微生物的降解代谢及代谢能的产生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 各种有机营养物质各种有机营养物质（包括经水解酶降解形成（包括经水解酶降解形成的有机营养物质）大多以的有机营养物质）大多以主动输送的方式进入原主动输送的方式进入原核生物的细胞核生物的细胞，以，以促进扩散和主动输送的方式进促进扩散和主动输送的方式进入真核微生物的细胞入真核微生物的细胞，这几种输送方式均需借助，这几种输送方式均需借助于细胞的蛋白质（载体蛋白或酶）。于细胞的蛋白质（载体蛋白或酶）。 化能异养

3、型微生物可以广泛地利用各种各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生产的原料大多是农副产品农副产品。微生物必须能。微生物必须能合成合成并分泌并分泌能能分解这些原料的酶分解这些原料的酶，把原料，把原料转化转化成可以成可以进入细胞的有机营养物质。进入细胞的有机营养物质。 进入细胞的进入细胞的营养物质营养物质若是中心代谢途径若是中心代谢途径的起始物或中间产物，即可纳入的起始物或中间产物，即可纳入中心代谢途径中心代谢途径进行代谢进行代谢；若不是中心代谢途径的起始物或中若不是中心代谢途径的起始物或中间产物间

4、产物，则需经，则需经向心途径向心途径的降解途径，转化成的降解途径，转化成中心代谢途径的中心代谢途径的起始物或中间产物起始物或中间产物，才可纳入，才可纳入中心代谢途径进行代谢。中心代谢途径进行代谢。 化能异养型微生物细胞借助于微生化能异养型微生物细胞借助于微生物的向心途径将有机化合物物的向心途径将有机化合物（碳水化合物、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物，从而使这两种途径衔接起来。微生微生物的向心途径一般依次包括三个部分：物的向心途径一

5、般依次包括三个部分：（1）胞外降解途径（胞外酶催化）胞外降解途径（胞外酶催化）（2）跨膜系统（有载体蛋白参与）跨膜系统（有载体蛋白参与）（3）胞内向心途径）胞内向心途径 原材料经向心途径注入中心途径原材料经向心途径注入中心途径， 两者的两者的接合点（接口）接合点（接口）原则上可以是中心途径上的任意原则上可以是中心途径上的任意化合物，但主要是化合物，但主要是12个代谢前体物。个代谢前体物。 如果进入细胞的营养物质已经是中心代谢如果进入细胞的营养物质已经是中心代谢途径的途径的起始物或中间产物起始物或中间产物，则胞内向心途径就缩，则胞内向心途径就缩成一个成一个 “ 点点 ” ，这个点也就是向心途径与

6、中，这个点也就是向心途径与中心途径的接口心途径的接口 。 代谢网络的向心途径往往是分解代谢途径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对应的化合物为终点的。它们大多是以中心途径上对应的化合物为终点的。10 微生物能微生物能分泌胞外酶分泌胞外酶（多是水解酶），把（多是水解酶），把多聚多聚物物水解成可以进入细胞的分子。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。细胞还会分泌一些胞相连。细胞还会分泌一些附着物附着物，使某些疏水化，使某些疏水化合物结合到细胞表面，以便于降解。多聚物水解不合物结合到细胞表面，以便

7、于降解。多聚物水解不会产生可被生物利用的能量，但会产生可被生物利用的能量，但多聚物水解是向心多聚物水解是向心途径的第一步途径的第一步。1.1 胞外酶对多聚物的水解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和甘油后再利用。12(1)淀粉o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1

8、006000，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。o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。q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5060%）和-极限糊精。o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-

9、1,4键及少量的-1,6键）作用，理论上生成100%的葡萄糖。o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o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。o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。o纤维素经Cx酶处理产物为纤维糊精和纤维寡糖，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o果胶酸：以-1,4键相连的多聚D-半乳糖醛酸，水溶性。o

10、原果胶：果胶酸的钙盐，不溶于水o果胶（果胶酯酸）：75%D-半乳糖醛酸被甲醇酯化。o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。o果胶经果胶酶作用后的产物为：半乳糖醛酸16（4）几丁质o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。o几丁质在几丁质酶作用下降解生成壳二糖。17（5）半纤维素o半纤维素大量存在于植物的茎、干、皮等组织中。o半纤维素是通过-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。o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

11、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o蛋白质和多肽：在蛋白酶作用下降解成各种氨基酸。o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o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-P20二糖的吸收和降解二糖的吸收和降解（一般在细胞内发生一般在细胞内发生）o乳糖乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Glc + 半乳糖半乳糖o纤维二糖纤维二糖+ Pi 纤维二糖磷酸化酶纤维二糖磷酸化酶 Glc + G-6-Po麦芽糖麦芽糖 + pi 麦芽

12、糖磷酸化酶麦芽糖磷酸化酶 Glc + G-1-Po蔗糖蔗糖 + pi 蔗糖酶蔗糖酶 G-1-P + 果糖果糖1.2 微生物对各种有机化合物的降解微生物对各种有机化合物的降解关于乳糖的吸收与降解o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。o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，它可将未能代谢的乳糖乙酰化，并排出细胞，因此，

13、这个酶的生物学功能可能起解毒作用。22oGlc- G-6-P EMP TCAo果糖果糖-F-6-P-EMPo半乳糖半乳糖-Gal-1-P-G-1-PEMPo甘露糖甘露糖-M-6-P-F-6-P-EMP 甘露糖激酶甘露糖激酶 6- 磷酸甘露糖异构酶磷酸甘露糖异构酶己糖的降解己糖的降解23o核糖在激酶催化下生成R-5-P，即可进入HMP和PK途径。 o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。o木糖转化成木酮糖再生成 Xu-5-P进入HMP途径o来苏糖转化成 Xu-5-P进入PP环（3）戊糖的降解）戊糖的降解（核糖、木糖和阿拉伯糖）（核糖、木糖和

14、阿拉伯糖）24q果胶酸果胶酸经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再进一经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再进一步转化成步转化成 ED 途径的中间产物途径的中间产物 KDPG，即可进即可进入入 ED 途径。途径。 这样的作用在假单胞菌、气单胞这样的作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆菌中比较明显。菌和土壤杆菌中比较明显。o葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸 果糖醛酸果糖醛酸 甘露糖醛酸甘露糖醛酸 转化成转化成KDPG 经经ED途径代谢途径代谢 木糖醛酸木糖醛酸o葡萄糖酸葡萄糖酸 经经磷酸化生成磷酸化生成 6-P-GA进入进入HMP途径途径 （4）己糖醛酸的降解）己糖醛酸的降解25（5）醇类的降解与利用）醇类的降解与利用o乙

15、醇乙醇氧化生成乙醛再到乙酸，然后乙酸氧化生成乙醛再到乙酸，然后乙酸+CoASH+ATPAcCOA+AMP+Pio甘露糖醇甘露糖醇甘露糖甘露糖-1-PF-6-PEMPo山梨糖醇山梨糖醇山梨糖山梨糖F-6-Po丙三醇（甘油）丙三醇（甘油）DHAP或或 GA-3-P，进进入入PP环或环或EMP途径途径（6）各种有机酸）各种有机酸o乙酸乙酸+CoASH+ATPAcCOA+AMP+Pi o草酸草酸还原生成乙醛酸（还原生成乙醛酸（GOAGOA）进入进入TCATCA的辅助环的辅助环o苹果酸苹果酸（MLAMLA）进入进入TCATCA环环o酒石酸酒石酸：若经脱水生成：若经脱水生成OAATCAOAATCA，也可转

16、化成也可转化成3-3-P-GAEMPP-GAEMPo丙酸丙酸丙酰丙酰 CoACoA 与乙醛酸缩合成与乙醛酸缩合成-羟基戊二酸羟基戊二酸裂解成乙酸和乳酸，其中乙酸经裂解成乙酸和乳酸，其中乙酸经AcCoAAcCoA进入进入TCATCA环或（和）环或（和）DCADCA环。而乳酸经乳酰环。而乳酸经乳酰 CoACoA、丙酮酰丙酮酰 CoACoA，转化成羟基丙酮醛，丙酸主要经乙酸代谢转化成羟基丙酮醛，丙酸主要经乙酸代谢o乙醇酸乙醇酸（羟基乙酸）乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后（羟基乙酸）乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后者直接与者直接与AcCoAAcCoA反应，生成苹果酸进入反应，生成苹果酸进入TCATCA环环27（7

17、）脂肪酸的降解）脂肪酸的降解o脂肪经脂肪酶水解生成脂肪酸和甘油。其中甘甘油经油经3-3-磷酸甘油或经二羟基丙酮转化成磷酸二羟丙酮磷酸甘油或经二羟基丙酮转化成磷酸二羟丙酮（DHAPDHAP）进入进入EMPEMP途径，途径，脂肪酸经氧化生成AcCoA进入TCA环。o脂肪酸的-氧化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）脂肪族烃的降解（石油发

18、酵）（石油发酵）o关于石油发酵生产SCP的问题o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。o微生物对烃的降解，首先需要氧，在烃上生长是微生物对烃的降解，首先需要氧，在烃上生长是专性需氧的过程。能够在专性需氧的过程。能够在C5C8脂肪族烃中生长脂肪族烃中生长的细菌相对较少，如分支细菌、黄杆菌、诺卡氏的细菌相对较少，如分支细菌、黄杆菌、诺卡氏菌等。菌等。29（9）氨基酸的降解o蛋白质在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。o其中：GlyGOA ， AspOAA，PheFMA+乙酰乙酸， Glu

19、-KG， ArgSCA ，AlaPYR ，oVal2-氧代异戊酸氧代异戊酸 Leu 2-氧代异己酸氧代异己酸 Ile 2-氧代氧代-3-甲基戊酸甲基戊酸 AcCoA和丙酰和丙酰CoA30(10)核苷酸的降解o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o嘌呤和嘧啶降解生成 ：有机酸+NH3+CO231（11）芳香族化合物（分子中有芳香环）o芳香族化合物在环境和食品中的累积会危及人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）。类的健康（芳香族氨基酸无毒）。o芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨酸、奎尼酸等）。酸、奎尼酸

20、等）。大多先被转变成大多先被转变成儿茶酚（儿茶酚（ 邻邻苯二酚苯二酚 ）和原儿茶酸（）和原儿茶酸（3 3，4-4-二羟苯甲酸）二羟苯甲酸）。o儿茶酚和原儿茶酸再经儿茶酚和原儿茶酸再经邻位分解邻位分解 （ 3- 3- 氧代己酸氧代己酸途径途径 ） 降解成降解成SCASCA和和AcCoAAcCoA； 或儿茶酚和原儿茶酸经或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途间位分解（间位分解途径）降成径）降成PYRPYR和乙醛。和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶因此，儿茶酚和原儿茶酸可称为芳香族化合物分解的酸可称为芳香族化合物分解的“中心代谢物中心代谢物”。 微生物也可以不经过以上途径降解芳微生物也可以不经过以上途径

21、降解芳香族氨基酸。香族氨基酸。Phe和和Tyr经尿黑酸经尿黑酸（ 2,5-二羟苯乙酸二羟苯乙酸 ）降解为延胡索酸）降解为延胡索酸和乙酰和乙酰 CoA，即可进入即可进入TCA环。环。 33（12）细胞内源性高聚物的降解oPHB（多聚-羟基丁酸）解聚生成-羟基丁酸，再生成AcCoA，进入TCA环。oPGA（聚-谷氨酸）解聚后生成谷氨酸，脱氨后生成-KG。34（13）其他一些复杂化合物的降解o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。o首先发现的是编码樟脑降解酶系的质粒

22、，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。351.3 生物能的产生（细胞能学）讨论葡萄糖降解代谢葡萄糖降解代谢 综合示意图综合示意图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脱水酶）脱水酶）(KDPG醛缩酶）醛缩酶）GA-3-PPYRGA-3-PPYRAc-P(PK)EDPKGA-3-

23、PPYR 2(F-6-P)(TA)(TK)C4P,C7PHMP（FDP醛缩酶）醛缩酶）葡萄糖降解途径之间的关系葡萄糖降解途径之间的关系PYRAcCoA+H2+CO2乙酸乙酸AcAcCoA丙酮丙酮 丙醇丙醇丁酸丁酸丁醇丁醇3-羟基丁酸羟基丁酸丁二醇丁二醇AcCoA乙酸乙酸乙醇乙醇梭菌梭菌大肠杆菌大肠杆菌乳酸细菌乳酸细菌 酵母菌酵母菌 丙酸细菌丙酸细菌乳酸乳酸乙醇乙醇乙醛乙醛OAASCACO2丙酸丙酸ATPATPATPATPATPCO2CO2甲酸（甲酸（H2 +CO2）乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱丙酮酸脱氢酶系统氢酶系统GlcG-6-P(PTS) (HK

24、)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYR(PK)(PEPS) (PyPiDK)KDPG(ED途径途径)半乳糖醛酸（果胶物质）半乳糖醛酸（果胶物质）二糖、二糖、糖原、糖原、多糖、多糖、（含细（含细胞壁多胞壁多糖）等糖）等其他己其他己糖、糖糖、糖醇醇戊糖戊糖R-1-PMNsRNA甘油甘油油脂油脂Gly、羟基乙羟基乙酸、草酸酸、草酸GOA（甘油酸途径）（甘油酸途径）酒石酸、乳酸、氨基酸酒石酸、乳酸、氨基酸(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)AcCoA(PD) (PFL)(PS)待续待续PYRAcCoAOAAMLASCA

25、ScCoA-KGICACTAGOAPEP氨基酸氨基酸（Asp,Asn）FMA氨基酸氨基酸（Tyr,Phe,Asp）芳香族化合物芳香族化合物,氨基酸氨基酸（Ile,Met,Thr,Val）酒石酸、乳酸、氨基酸酒石酸、乳酸、氨基酸(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)氨基酸氨基酸（Glu,Gln,His,Pro,Arg）羟基乙酸羟基乙酸,草酸草酸,GlyAcAcCoAPHB,氨基氨基酸酸(Leu,Lys,Phe,Tyr）乙酸乙酸,醋酸醋酸,脂肪酸脂肪酸,类脂类脂,烃烃,油脂油脂,氨基酸氨基酸(Ile,Leu,Trp)接上页接上页多糖多糖脂质脂质异养型生物异养型生物自养型生物自养型生物有机化合物

26、有机化合物CO2CO2 G-6-P F-6-P R-5-P -KG ScCoA AcCoA E-4-P OAAGA-3-P 3-P-GA PEP PYR碳水化合物碳水化合物脂肪酸脂肪酸其他辅因子其他辅因子氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质核苷酸核苷酸核酸核酸维生素维生素 不完全氧化是微生物令人感兴趣的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有机化合物作程中还没有被完全氧化的有机化合物作为工业发酵的终端产物排出细胞，这个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。过程对工业发酵是十分重要的。 在磷酸化过程中，

27、相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上n 底物水平的磷酸化 细菌细胞质膜（左）和真核细胞的线粒体内膜（右）上的电子细菌细胞质膜（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传递过程的比较图4546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代谢能形式的转换与代谢能的支出472 微生物合成代谢微生物合成代谢2.1 分子模块等的生物合成分子模块等的生物合成2.2 能量代谢副产物的合成能量代谢副产物的合成2.3 次级代谢产物的合成次级代谢产物的合成2.4 合成代谢的成本问题合成代谢的成本问题离心途径离心途径在细胞机器工作模式中的位置在细胞机器工作模式中的位置向心途径

28、向心途径中心代谢途径中心代谢途径离心途径离心途径 从初级代谢网络中心板块的前体代谢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物出发，经胞内离心途径可以合成细胞的各种各种初级代谢产物初级代谢产物和和能量代谢副产物能量代谢副产物；其；其中有些可能透出或被输送出细胞（成为工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业发酵的产物），有些直接参与细胞自身的生长和繁殖。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有机物的降解途径的运行可为微生物的自身合成提供前前体代谢物、代谢能和还原力体代谢物、代谢能和还原力。有了这三者，微生物

29、细胞就可。有了这三者，微生物细胞就可以合成细胞中主要的以合成细胞中主要的生物多聚体的前体（模块分子）生物多聚体的前体（模块分子）：大致：大致包括包括 5 个嘌呤和嘧啶，个嘌呤和嘧啶，20个氨基酸（个氨基酸（18个氨基酸和个氨基酸和 2个个氨基酰胺），还有碳水化合物、脂肪酸（含有机酸）、维生氨基酰胺），还有碳水化合物、脂肪酸（含有机酸）、维生素及其它辅助因子。素及其它辅助因子。 这些前体再按生物学规律合成这些前体再按生物学规律合成生物多聚体生物多聚体： 核酸、蛋核酸、蛋白质、多糖和脂质白质、多糖和脂质等，直至整个微生物细胞活有机体。等，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分子

30、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，包含杂性，从工业发酵的角度来看，包含初级代谢产初级代谢产物、能量代谢副产物、次级代谢产物、酶及微生物、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。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。明构建微

31、生物菌体细胞的路子。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)糖原糖原肌醇肌醇磷脂磷脂肽聚糖肽聚糖,GlcNAcPRPPHisDNA,RNA,dTMPUMP,CTP,AMP,GMP莽草酸莽草酸 预苯酸预苯酸分支酸分支酸 Phe,TyrTrp,NAD (真真菌菌) , CoQ, 对对氨基苯甲酸氨基苯甲酸,叶酸叶酸磷脂磷脂甘油甘油Cys,Ser,Gly-酮异戊酸酮异戊酸Ala, Ile,Lys能量代谢的能量代谢的副产

32、物副产物Val,LeuCoA续续待待PYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-KGICACTAGOAPEPFMAPHB, 类异戊类异戊二烯化合物二烯化合物, ACL-P, 甾醇甾醇, 脂肪酸脂肪酸, 脂肪脂肪, 磷脂磷脂Lys(真菌真菌)GluGlnProArg卟啉卟啉, 细胞色素细胞色素AspNADUMPCTPdTMPASALys(细菌细菌)Thr,Met, Ile页页上上接接Asn542.1.1 微生物对单糖和多糖的合成微生物对单糖和多糖的合成A单糖的合成单糖的合成6-磷酸葡萄糖（磷酸葡萄糖（G-6-P）的合成的合成 化能异养型微生物合成单糖的主要途径是化能异养型微生物合成单糖的主要途

33、径是葡萄糖异生成途径，用于合成葡萄糖异生成途径，用于合成G-6-P的各种前的各种前体物质（体物质（ 如如TCA环的中间代谢物和生糖氨基酸环的中间代谢物和生糖氨基酸His、Gly、Ser、Glu、Arg、Asp、Thr等等 ），均汇集到这条途径合成），均汇集到这条途径合成G-6-P。 TCA 环的中间代谢物环的中间代谢物用于单糖合成时用于单糖合成时先被氧化为先被氧化为OAA，然后然后OAA在在PEPCK（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶）的催化下转）的催化下转变为变为 PEP， PEP 借助于替代磷酸果糖激借助于替代磷酸果糖激酶（酶（ PFK ）的的己糖二磷酸酯酶己糖二磷酸酯酶，逆，

34、逆 EMP途径而上而合成途径而上而合成G-6-P。 一些氨基酸也可以作为合成一些氨基酸也可以作为合成G-6-P的的前体。例如前体。例如 Glu和和 Asp分别经转氨酶转变分别经转氨酶转变成成 -KG和和 OAA，然后经然后经 PEP如上合成如上合成G-6-P。有些氨基酸如生酮氨基酸有些氨基酸如生酮氨基酸 Leu 降降解后，生成解后，生成 AcCoA， 后者经后者经TCA 和和DCA联合途径合成联合途径合成OAA，然后合成然后合成 G-6-P。脂肪酸经脂肪酸经- 氧化生成的氧化生成的AcCoA，也经同样也经同样途径合成途径合成G-6-P。B多糖的合成多糖的合成 碳水化合物存储物合成主要是以碳水化

35、合物存储物合成主要是以 UDP-葡萄葡萄糖或糖或 1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖为模块分子的。这个模块分子为模块分子的。这个模块分子也用于大肠杆菌和其它革兰阴性菌的也用于大肠杆菌和其它革兰阴性菌的脂多糖层脂多糖层的合的合成和真菌的成和真菌的细胞壁多糖细胞壁多糖的合成。的合成。 在原核生物中作为葡萄糖基供体的在原核生物中作为葡萄糖基供体的糖核苷酸糖核苷酸，在不同的合成反应中是不同的。在合成糖原时，葡在不同的合成反应中是不同的。在合成糖原时，葡萄糖的供体是萄糖的供体是ADP-Glc（而在酵母中是而在酵母中是UDP-Glc），），在其它的场合，譬如肽聚糖和脂多糖的合在其它的场合，譬如肽聚糖和脂多糖的合成中

36、，糖的供体都是成中，糖的供体都是UDP-单糖。单糖。 58 含氮有机化合物涉及的面很广，主要包括含氮有机化合物涉及的面很广，主要包括氨氨基酸、蛋白质基酸、蛋白质系列和系列和嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸、核酸系列，还有许多辅酶（如核酸系列，还有许多辅酶（如NAD、CoA、ATP等等）也是含氮有机化合物。等等）也是含氮有机化合物。 NH3和和NH4+中氮原子为中氮原子为-3价，细胞有机物价，细胞有机物中的氮原子也是中的氮原子也是-3价。价。 工业上应用的微生物能够工业上应用的微生物能够利用利用NH3和和NH4+， 以及糖代谢的代谢中间物合以及糖代谢的代谢中间物合成它们所需要的全

37、部氨基酸和其它含氮有机化合成它们所需要的全部氨基酸和其它含氮有机化合物。物。2.1.2 含氮化合物的合成含氮化合物的合成A 氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成谷氨酸族 天冬氨酸族 组氨酸族从生物合成和从生物合成和代谢生理的角代谢生理的角度出发，可以度出发，可以将组成蛋白质将组成蛋白质的的20种氨基种氨基酸及氨基酰胺酸及氨基酰胺分成分成 6 个族。个族。它们分别从中它们分别从中心途径的不同心途径的不同关键中间化合关键中间化合物衍生出来的。物衍生出来的。 60L-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，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

38、谢中一个重要的是整个细胞的代谢中一个重要的“分支点分支点”，谷氨酰胺合成酶活性受多，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产物的抑制。个终端产物的抑制。62 蛋白质合成中，氨基酸是原料，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和辅因子；蛋白质的合成是个消耗代谢能的过程。过程。B 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 详细的合成过程在生物化学和分子生物详细的合成过程在生物化学和分子生物学中已有叙述。学中已有叙述。这里就所合成的

39、蛋白质的归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宿做一简要说明。所合成的蛋白质定位于膜的内侧还是外侧，的内侧还是外侧，取决于蛋白质肽链起始端取决于蛋白质肽链起始端有没有有没有 “ 信号顺序信号顺序 ”。 这些这些“信号顺序信号顺序”编码的肽链上含有编码的肽链上含有很多疏很多疏水氨基酸水氨基酸，这些先合成的疏水肽链的存在，导致这些先合成的疏水肽链的存在，导致正在合成其本身的正在合成其本身的“核糖体串核糖体串”与膜靠拢，新合与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到胞外成的肽链穿过膜伸到胞外；合成一结束，；合成一结束，“信号信号顺序顺序”所编码的肽链就被特殊的肽酶切下来，使所编码的肽

40、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。新合成的蛋白质定位在膜的外侧。如果于蛋白质如果于蛋白质肽链起始端没有肽链起始端没有“信号顺序信号顺序”，新合成的蛋白质，新合成的蛋白质只能定位在膜的内侧。只能定位在膜的内侧。C 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸是从是从 R-5-P和和3-P-GA（用于嘌呤生用于嘌呤生物合成）合成的。物合成）合成的。 嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸是从是从R-5-P和和OAA（用于嘧啶生物合用于嘧啶生物合成）合成的。成）合成的。脱氧核苷酸脱氧核苷酸可由核苷酸还原而成，通常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是通过由氢取代“

41、2-OH”基团（氢是由基团（氢是由NADPH提供的），在核苷二磷酸的水平上还原而形成的；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。核苷一磷酸的水平上的嘧啶环甲基化而实现的。66RNA的合成（转录）可以抽象概括成：的合成（转录）可以抽象概括成： ATP,UTP,GTP,CTP RNA（含含 tRNA,mRNA,rRNA等）等）DNA的合成（翻译）可以抽象概括成：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

42、和分子生物其详细过程及反应在生物化学和分子生物学中已有叙述。学中已有叙述。D RNA和和DNA的合成的合成67 辅酶中的有很多属于含氮有机化辅酶中的有很多属于含氮有机化合物，如合物，如 NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA，CoF（四氢叶酸、四氢叶酸、HF4 ），），TPP（ 焦磷酸硫胺素）等。焦磷酸硫胺素）等。这些辅酶由细胞自身合成。这些辅酶由细胞自身合成。E 一些含氮辅酶的合成一些含氮辅酶的合成 粗糙脉孢菌、粗糙脉孢菌、 酿酒酿酒酵母酵母 像哺乳动物细胞一像哺乳动物细胞一样，可从样，可从 Trp 开始，开始， 经经吡啶吡啶 - 2,3 - 二羧酸二羧酸 合合成成NAD+和和NADP

43、+。 Xanthomonas prum（ 桃李黄单胞菌桃李黄单胞菌 ）可可从从 Trp 开始合成开始合成NAD+。然而然而 大部分已研究过大部分已研究过的细菌合成的细菌合成 NAD+ 的途的途径的前半段（径的前半段（ 吡啶吡啶-2,3-二羧酸以前二羧酸以前 ）是完）是完全不同的，而后半段全不同的，而后半段 对所有生物细胞都是一对所有生物细胞都是一样的。样的。 F.其它含氮细其它含氮细胞物质的合成胞物质的合成 卟啉是构成呼吸链卟啉是构成呼吸链（或电子传递链）（或电子传递链）的电子载体细胞色的电子载体细胞色素的前体。细胞色素的前体。细胞色素的铁卟啉的合成素的铁卟啉的合成从琥珀酰辅酶从琥珀酰辅酶A（

44、 ScCoA）与甘氨与甘氨酸的反应开始，经酸的反应开始，经氨基乙酰丙酸而合氨基乙酰丙酸而合成卟啉，最后形成成卟啉，最后形成铁卟啉。铁卟啉。70 脂类是由活细胞合成的稍溶于水但脂类是由活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。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）、的，包括酰基甘油（脂肪酸的甘油酯）、磷脂和衍生脂类（如固醇、辅酶磷脂和衍生脂类（如固醇、辅酶Q、维维生素生素A）。）。 2.1.3 微生物对脂类、类脂的

45、合成微生物对脂类、类脂的合成71A 脂肪酸的合成（略）脂肪酸的合成（略） 脂肪酸的合成中（脂肪酸的合成中（ 也是脂质合成中也是脂质合成中 ）的关键）的关键化合物是化合物是CoA 的衍生物酰基载体蛋白（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。源的厌氧菌克氏梭菌，至今已从多种微生物分离出来。这种载体蛋白含有这种载体蛋白含有-丙氨酸和丙氨酸和2-巯基乙胺，并且在巯基乙胺，并且在脂肪酸合成的所有步骤中都结合在脂酰基上。脂肪酸合成的所有步骤中都结合在脂酰基上。 微生物饱和

46、脂肪酸合成的模式都是相同的。包微生物饱和脂肪酸合成的模式都是相同的。包括添加以乙酰基形式存在括添加以乙酰基形式存在 2C 片断，和接下来的还原片断，和接下来的还原反应：反应：第一个乙酰基在一个第一个乙酰基在一个依赖生物素的反应中依赖生物素的反应中被羧化成丙二酸单酰被羧化成丙二酸单酰CoA；然后由两个酶然后由两个酶将乙酰将乙酰CoA和丙二酸和丙二酸单酰单酰CoA分别转化成分别转化成ACP的衍生物。以此的衍生物。以此类推，通过类推，通过 4 个酶的个酶的循环反应（循环反应（ 缩合、缩合、还原、脱水、还原、脱水、还原），合成含碳更还原），合成含碳更多的脂肪酸。多的脂肪酸。细胞脂类组分的模块分子除了脂

47、肪酸以外，还有：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，它是从磷酸甘油，它是从EMP途径中的磷酸二羟丙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酮直接衍生的，作为磷脂和甘油三酯的“骨架骨架”， 磷脂的磷脂的“醇醇”的部分，真菌中最常见的参与磷的部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的脂组成的 “ 醇醇 ” 有胆碱，乙醇胺和肌醇。有胆碱，乙醇胺和肌醇。 固固醇。醇。 甘油三酯的形成是靠由二磷酸酯酶催化甘油三酯的形成是靠由二磷酸酯酶催化 L -磷脂磷脂酸的脱磷酸，以及随后酸的脱磷酸，以及随后D ，-甘油二酯与脂肪甘油二酯与脂肪酰酰 - ACP （ 或合适的脂肪酸的或合适的脂肪

48、酸的 CoA衍生物衍生物 ）反应生成甘油三酯。反应生成甘油三酯。 B 脂肪和磷脂的合成脂肪和磷脂的合成 EMP途径的中间途径的中间产物产物 DHAP（磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮 ）和脂肪酸合）和脂肪酸合成的中间产物成的中间产物 RCO-ACP（ 脂肪酰脂肪酰 - 酰基酰基载体蛋白）是磷脂酸载体蛋白）是磷脂酸的合成的前体。磷脂的合成的前体。磷脂酸可以生成中性脂肪，酸可以生成中性脂肪，然而大多数磷脂酸用然而大多数磷脂酸用于磷脂合成（磷脂的于磷脂合成（磷脂的合成过程可以归纳成合成过程可以归纳成如左图（此图未显示如左图（此图未显示 出下页所述出下页所述CTP对磷对磷脂酸的激活）。脂酸的激活）。 磷脂的合

49、成磷脂的合成 ，不论在原核还是真核细胞，需要，不论在原核还是真核细胞，需要CTP（胞（胞苷三磷酸苷三磷酸，简称胞三磷简称胞三磷）。CTP与与L-磷脂酸生成磷脂酸生成CDP-甘甘油二酯：（油二酯：（-磷脂酸）磷脂酸）+ CTP （CDP-甘油二酯）甘油二酯）+ PPi 在细菌细胞中，在细菌细胞中， 磷脂酰乙醇胺是经过中间产物磷脂酰丝磷脂酰乙醇胺是经过中间产物磷脂酰丝氨酸合成的：氨酸合成的：（CDP-甘油二酯）甘油二酯）+（L-Ser） （磷脂酰磷脂酰-Ser）+ CMP （磷脂酰磷脂酰-Ser） 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺 + CO2 在真核细胞中，磷脂酰乙醇胺的合成反应为：在真核细胞中，磷脂酰乙

50、醇胺的合成反应为：（CDP-乙醇胺）乙醇胺） + （D ，-甘油二酯）甘油二酯） 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺 + CMPB 多聚多聚 - 羟羟丁基酸的合成丁基酸的合成 原核细胞原核细胞中的能量贮存中的能量贮存物质多聚物质多聚 - 羟丁基酸羟丁基酸（PHB）也是也是从从AcCoA合合成，其过程简成，其过程简要表示如左图要表示如左图 。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，下生长或维持生存的情况下，TCATCA环环式运行环环式运行中断，中断，TCA TCA 环变成在环变成在 OAA OAA 处发生分支的分叉处发生分支的分叉途径，途径，

51、形成从形成从OAAOAA出发的经苹果酸（出发的经苹果酸（ MLAMLA）、）、延胡索酸（延胡索酸（ FMAFMA）到琥珀酸（到琥珀酸（SCASCA）的的TCATCA途途径还原支路，径还原支路，和和从从 OAAOAA出发的经柠檬酸出发的经柠檬酸（ CTA CTA ）、）、异柠檬酸（异柠檬酸（ICAICA）到到-酮戊二酸酮戊二酸（-KG-KG）的的TCATCA途径氧化支路途径氧化支路。2.2 能量代谢副产物的合成能量代谢副产物的合成782.3 次级代谢产物的合成次级代谢产物的合成GluG-6-PPEPPYRAcCoAR-5-PE-4-P糖类次生代谢产物（氨基糖苷类抗生糖类次生代谢产物（氨基糖苷类抗

52、生素），核酸碱基类次生代谢产物素），核酸碱基类次生代谢产物arAAalAASMA其他次生代谢产物其他次生代谢产物多肽类次生代谢产物（如多肽类次生代谢产物（如-内酰胺内酰胺类环肽类抗生素、生物碱类）类环肽类抗生素、生物碱类）聚酯类次生代谢（如类异戊二烯化聚酯类次生代谢（如类异戊二烯化合物、甾类化合物、类胡萝卜素、合物、甾类化合物、类胡萝卜素、大环抗生素）大环抗生素）TCA 环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

53、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代谢网络和联网问题3.1 代谢网络代谢网络3.2 扩展发酵原料范围扩展发酵原料范围3.3 扩展发酵产品范围扩展发酵产品范围3.4 发酵新产品的开发发酵新产品的开发 代谢网络假说是从代谢网络假说是从目的产物假说目的产物假说发展起来的。发展起来的。出于寻找发酵学的出于寻找发酵学的“元素周期表元素周期表

54、”，用以预测工，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。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？酵建立关系呢？ 假使假使与工业发酵发生关系，归结为它们怎样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。能与代谢网络联网的问题。 联网？联网？就是用就是用化学或生物化学反应化学或生物化学反应把指定的把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生

55、物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的代谢建立联系。 联网的设想促成了代谢网络的人为延伸。对联网的设想促成了代谢网络的人为延伸。对于工业发酵来说，于工业发酵来说，代谢网络的人为延伸意味着新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。发的新领域。 怎样才能实现联网呢？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。重组技术）来实现。 事实上，已在代谢网络上，或事实上，已在代谢网络上，或者可以联网的化合物，都可能被开者可以联网的化

56、合物，都可能被开发为工业发酵的产物或原料。这一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。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一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径，反应途径，生化反应途径按生物化学规律汇成生生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络化反应网络（若途径在活细胞里运行，则为代谢若途径在活细胞里运行，则为代谢途径）途径）分解代谢途径和合成代谢途径与输送系统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相互间的接合，加上细胞内辅酶再生与回用的协调，形成

57、横跨微生物活细胞内外的、可调节的、调，形成横跨微生物活细胞内外的、可调节的、无尺度的代谢网络。无尺度的代谢网络。3.1 代谢网络代谢网络 在供氧条件下，在供氧条件下，TCA途径进行正常的环式途径进行正常的环式运行（运行（TCA环）。微生物依靠有氧生长的代谢环）。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。在谢能，最终形成整个细胞，实现正常生长。在以以TCA环为骨架的中心板块的基础上构成有氧环为骨架的中心板块的基础上构成有氧生长的代谢网络：生长的代谢网络： （1） 有氧生长的代谢网络有氧生长的代谢网

58、络 微生物的代谢网络微生物的代谢网络(局部局部) 在缺氧条件下，在缺氧条件下， TCATCA途径的环式运行中断，途径的环式运行中断，TCATCA环变成在环变成在OAAOAA处发生分支的处发生分支的分叉途径分叉途径，形成形成从从OAAOAA出发的经苹果酸（出发的经苹果酸（MLAMLA）、）、延胡索酸延胡索酸（FMAFMA）到琥珀酸（到琥珀酸（SCASCA）的的TCATCA途径还原支路途径还原支路和和从从OAAOAA出发的经柠檬酸（出发的经柠檬酸（CTACTA）、）、异柠檬酸异柠檬酸（ICAICA）到到-酮戊二酸（酮戊二酸（-KG-KG）的的TCATCA途径氧化途径氧化支路。支路。在以在以TCAT

59、CA分叉途径为骨架的中心板块的基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。简略的示意图。（2） 缺氧生存的代谢网络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可能实现。有时这些步骤还需与下游反应下游反应相相兼

60、容和协调。兼容和协调。如：（如：（1） 用木糖生产乙醇的代谢途径用木糖生产乙醇的代谢途径 （2） 降解淀粉的微生物降解淀粉的微生物 3.2 扩展发酵原料范围扩展发酵原料范围 这是一个具有巨大潜力的领域，这是一个具有巨大潜力的领域，异源异源基因的合理表达基因的合理表达能拓展宿主微生物现有的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。具备优良化学、物理特性的化合物。 如：如：（1） 维生素维生素 （2） 生物聚合物生物聚合物 （3） 戊糖戊糖: 木糖醇木糖醇3.3 扩展发酵产品范围扩展发酵产品范围 当微生物进行生命活