生物生长和代谢

1、第二章生物的生长和代谢简介微生物的目的是繁衍另一个微生物，在一些情形下，生物技术都在尽可能持续的和快速的寻觅可利用的微生物。另一种情形，生物体本身并非是所要的产物，生物技术必需用必然的方式处置微生物，取得要紧的微生物产物。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。合成代谢的进程与形成细胞物质有关，这些细胞物质不仅包括细胞的要紧组分（蛋白质，核酸，脂质，糖类等），还包括它们的中间前体物一氨基酸，喋吟，喀咤，脂肪酸，各类糖和磷酸糖。合成代谢进程并非是自发进行的。对大多

2、数微生物来讲，它们必需由一种能量流来推动，这种能量流是由“产能”的分解代谢进程所提供的。碳氢化合物分解产生二氧化碳和水是最多见的分解进程。但微生物中最常利用的是大量的碳化合物的还原作用。分解进程和合成进程的结合是所有微生物生物合成的基础。在那个地址，能够对所有的平稳或个别进程来进行讨论。事实上，咱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，这是一个高放热进程。因此，在有氧微生物能够在相对少用的底物分解和供给水平的合成作用找到平稳点，来使微生物生长。对厌氧微

3、生物，底物转化的本质是相对低“产能”的不匀称反映。因此大量的底物分解用于供给需能的合成作用。这种不同能够在微生物中清楚的说明，像酵母菌是一个兼性厌氧型微生物，也确实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。分解代谢与能量分解代谢和组成代谢之间的必需联系是依托于使各类不同的分解代谢进程推动反映进程中反映物的合成。在极少数情形下，是反过来推动分解代谢反映。那些重要的中间体，其中重要的是三磷酸腺背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

4、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。在生物合成反映中，ATP一样生成ADP,在偶然情形下生成AMP作为水解代谢产物。ADP仍有一个高能连接键，在腺甘酸激酶的催化作用下也能被利用产生ATP,ADP+ADP=ATP+AMP磷酸化反映，他在细胞中超级常见，他通常在ATP的参与下反映。磷酸化反映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形下将可不能发生。因为细胞中高浓度的细胞液的缘故，反映将处于一个单向的平稳状态。因此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Dania1A

5、tkinson介绍。他用一个比值公式给细胞能荷下了概念，一个能量充沛的细胞里，ATP是唯一有腺喋吟核甘酸，给出了一个能量数值。若是三种核苜酸的量是相等的。即ATP=ADP=AMP时，细胞的能荷为0.5,像所有的老例，能荷的概念已经被限制，没有一个人能确信一个细胞引入0.7能荷的意义，相反或的能荷已被确信。那个概念没有考虑细胞里核苜酸的绝对数量和剂量，在一个反映中特殊的酶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专门大的不同。但是，在不同的细胞之间酶活力中能荷是能够改变的。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

6、期，与ADP和AMP相较。ATP的含量相对升高。如此能量补充开始上升，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ADPo分解代谢途径尽管微生物能够利用大部份碳源用于生长，可是咱们应当要紧考虑葡萄糖代谢和考虑到经济本钱。可利用的碳源有乙醇、烧、脂肪酸、甲醛和甲醇等。葡萄糖和其他有机化合物几乎所有现有的细胞，最要紧的葡萄糖代谢包括二磷酸己糖途径和一磷酸己糖途径。他们通常显现，为合成代谢进程提供重要的关系。他们之间的彼此作用是机械操纵的要紧内容。EMP途径（糖酵解途径）如图，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+辅酶转变成NADH,同时产生两分子AT

7、P,所形成的丙酮酸盐是合成代谢前体的要紧要紧来源，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，有氧代谢进程中，能够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,NAD+/NADPH、NADP+/XADPH都是由不同的氧化物产生作用，NADH的要紧功能是还原反映的能量供给。而NADPH要紧用于有氧代谢，通过图2.4系列的作用关系，戊糖代谢有其他37个碳化合物的糖代谢组成，在不同的情形中，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

8、酸盐能够再生。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。其他途径通过戊糖磷酸化途径代谢。这种操纵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1,6-二磷酸的进程（那个进程被PFK催化）中被发觉。这种酶的分子组成使他的催化活动能依照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操纵机制是一般性的。代谢途径应该老是能够操纵的。而且，为了细胞能够尽可能的有效运转，且所有的活动都因该彼

9、此配合。通过对PFK的操纵，有两种方式能够达到那个成效。一是没被激活，例如AMP或ADP的介入，酶催化反映的速度增加。因此当细胞的能荷较低时。PFK会在较高的速度下工作。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，这种中间物一样为磷酸烯醇式丙酸或柠檬酸。因此，当产物中的一种不能有效的转化为其他物质时，细胞可不能继续下一步的运转。在操纵葡萄糖从一个有机体到另一个有机体合成的代谢的进程中，催化进程能实现合成代谢。基于此的其他代谢机制因此需要尽可能相近。尽管到目前为止，EMP途径和戊糖磷酸化循环并非是葡萄糖代谢的唯一途径，但却是最普遍的。相关于EMP途径的一种重要选择是ED途径，它是在几种

10、假单胞菌和相关菌种发觉的，进程如表所示在此途径中，戊糖磷酸化循环中的酶被用来催化生成五碳糖和四碳糖。可是C的流向和表中所给出的是相反的。重要酶中的另外一种是磷酸酮醇酶，它可能比一样能意识到的酶加倍一般。这种酶（可能不止一种）能够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-磷酸赤麻糖（这耍看用的是五碳糖仍是六碳糖）（见表）这些酶最初发觉于以EMP途径作用的杂发酵乳酸杆菌和醋酸杆菌中。这因此发生的乙酰磷酸可能会转化为醋酸盐或乙醇。更多的新发觉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，在那个地址，木糖第一通过木糖醇代谢到木酮

11、糖，然后在5-磷酸木酮糖的形式下进入表描述的反映机制。（在木糖中生长的微生物内，有一种异构酶能够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式，却不能代替EMP途径不仅酵母菌，在其他生擅长木糖或别的戊糖中的微生物有机体中，这种酶也有普遍的散布。三竣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

12、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（三竣酸循环，Kreb循环）密切相关。在真核细胞中，三竣酸循环和有关能量产生的反映在线粒体内完成，而在微生物中，与能量有关的酶和细胞与细胞膜联系紧密。线粒体中的反映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竣酸循环的一些反映。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,这种复合酶催化普遍的反映进程。丙酮酸+心人+附口+=乙酰辅酶A+二氧化碳+XADH接下来的代谢进程通过表给出的三竣酸循环进行反映，表循环反映的机制如下：（1）产生能用其它生物合

13、成途径的中间产物，如下：当主反映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映专门重要。（2）为了从头恢复通过氧化反映的酶，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映进程。这些中间产物伴随着酶辅助氧化剂和还原剂的转变辅酶是能够变成XADPH和FADII2（见表2。3）的NAD+和FAD,NADPH和FADH能够通过氧化磷酸化途径从头被氧化成最初的辅酶。在氧化磷酸化途径中，每molNADH可放出3mo1ATP,每mo1FADH2能够放出2molATP<,能量能够在琥珀酸硫激酶的作用下被从头恢复。尽管周期性的循环表面上是永久存在的，因

14、为一旦被草酰乙酸启动，循环的运转即是不确信的，因此循环永存事实上是可不能发生的。像早己证明的，这种循环必需提供中间产物给生化进程。而且当如此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。但是，额外的草酰乙酸能被独立的合成是必需的，这要紧通过丙酮酸盐的竣化作用来完成。丙酮酸盐+C02+ATP=草酰乙酸+ADP+Pi那个反映在丙酮酸盐竣化酶的催化下进行，可是在必然程度上，草酰乙酸也能够通过那个循环的活动产生。为使乙酰辅酶A和草酰乙酸的生成量相等。丙酮酸盐的按化作用必需取得操纵。如此就必需依托乙酰辅酶A作为正效应物的丙酮酸盐竣化作用取得，比如一种能够增加活性的物质。草酰

15、乙酸越多，那么反映生成草酰乙酸越快。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，丙酮酸盐竣化作用也将会降低。可是，当丙酮酸盐竣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,如此的话，三竣酸循环不仅能够维持一直持续，引发柠檬酸前体化合物的两个反映能够维持平稳。另外有一些其他的操纵机制调剂如此的周期循环。此类酶中的一些被ATP抑制，剩余的一些依托AMP参与活动。因此那个循环能够通过ATP到AMP的参数比例操纵和谐。ATP、AMP是细胞内的能荷（见图），如此的调控机制并非普遍，而且需要确信普遍性的有机体或有机体群。他们并非需要更进一步的在细节上进行考虑，可是糖酵

16、解的调剂的考虑，代谢操纵的普遍规律仍然利用。.3乙醛酸支路若是有机体生物体依托二碳复合物或能够大量降低成二碳单元（见）的脂肪性酸或燃生长，三竣酸循环就不能知足其代谢活动。正如前面所说，仅用于合成酶的混合物，若是被从三陵酸循环中移走，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），目前也没有方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。如乙醛或酒精：乙酸能转化为碳四复合物的规律因两种对三竣酸循环所需来讲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

17、。当微生物依托碳二复合物生长时，这两种酶被诱导，而且在这种情形下，酶的活性能够提高2050倍。乙醛酸之路并非能取代三竣酸循环的运行。例如为了供给用于蛋白质合成的谷氨酸盐，不能不使柠檬酸转化为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，此刻能够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映（见表）转化成糖的详细进程见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普遍，可是在细菌、酵母和霉菌之间发觉了能够利用脂肪酸或油脂和脂肪的生物体。碳氢化合物要紧用于在USSR中合成单细胞蛋白和

18、其他一些进程。例如生产柠檬酸。脂肪酸和植物油通经常使用于制造抗生素的辅料。脂肪和油脂必需被脂肪酶水解后才能有机体所利用。生产脂肪酸时必需加甘油。甘油通过EMP途径被利用。许多微生物能够利用游离的脂肪酸。但是，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，通过图的循环序列被描述。每一步循环中，释放Imol乙酰辅酶A和脂肪酸酯辅酶A。在循环进程中有两分子的小分子碳化合物参与与反映。己经明白的B一氧化降解循环因素中，从2mo1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。若是一个脂肪酸有奇数个碳原子时，降解丙酮酸会通过反映顺序来继续转化到

19、丙酰辅酶Ao生长在烷燃类的微生物中，常常开始于在二甲基组中，通过烷烧竣化酶的解决机制，包括氧分子和一个包括铁原子的辅助因子在氧化。被氧化减少辅助因子恢复再生。最终连接到一个氧化物载体工具中，NADH或NADPH。在细胞中发觉，脂肪酸被其用于形成自己的油脂。如此烷烧的长度被脂肪酸反映。一些烷燃和碳氢化合物的支链也可被代谢。尽管他不用于商业地位，但此刻仍然用于原料的中小因素，那些稳固的氧化包括了脂肪酸的转化。甲烷与甲醇一小部份微生物（细菌和放线菌）是甲基营养菌。他们能够利用甲醇作为碳源。能利用甲烷的能力甲基营养菌目前只在小部份的细菌中发觉。一部份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

20、成二氧化碳，他们之间紧密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，一部份无机化能营养的细菌以无机化合物作为能量能量来源，这些微生物目前己经在生物技术中普遍应用。有爱好想明白更多有关二氧化碳固定途径的读者应当越多生物化学讲义。但他必需至少注明两条代谢途径的区别。别离是卡文循环和竣酸循环。甲基化的链式反映如下：第一步反映：NADH的氧化他们的酶能够氧化其他很多化合物，包括很多烷烧类乃至甲醇类本身。第二步反映：是在毗咯并唆醍合成中发觉甲醇化反映的在一些细菌甲酸盐转化为甲盐的进一步反映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。

21、利用甲醇甲酸作为碳源，细胞内物质甲酸盐水平上，存在两个彼此依托的途径。核酮糖循环和丝氨酸循环。见图2。11和2。12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,它能够产生乙酰辅酶A和乙醛酸和丝氨酸转羟甲基酶。一种特殊的酶能够利用转羟甲基酶。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，能够利用木酮糖产生甘油醛，这一反映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。确实是二羟基丙酮到二羟基丙酮磷酸化酶。葡糖异生作用当一个生物体能够利用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

22、酮酸的代谢水平较低（例如脂肪族链烧，醋酸，乙醇或乳酸），关于微生物来讲，合成不同的糖来知足它的代谢需若是有必要的。这称为葡糖异生作用。尽管在糖酵解途径（图.和）中，许多反映都是可逆的，但这些反映并非通过丙酮酸极美或磷酸果糖激酶催化，对细胞来讲躲开这些阻滞物是必要的。通常，丙酮酸并非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一磷酸烯醇式丙酮酸合成酶，完成那个反映：丙酮酸+ATP-磷酸烯醇式丙酮酸+AMP+Pi；更多的是，草酰乙酸作为反映物:草酰乙酸+ATP-磷酸烯醇式丙酮酸+ADP+C02；那个反映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

23、讨论过（见节）。通过果糖二磷酸酶幸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+H20-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.）。葡萄糖本身并非是葡糖异生作用的终产物，但果糖6-磷酸可用于细胞壁成份，大量胞外和贮藏的多聚糖的合成。有氧生物中的能量代谢在葡萄糖的代谢（图和）和三竣酸循环中，咱们己经说明了各类不同代谢中间物的氧化作用，而且其与限制数量的辅因子的还原作用如何联系。将辅因子（NAD+,NADP+,FAD）还原成相应的形式（XADH,NADPH,FADH2）o在有氧系统中，通过一个复杂的反映顺序，释放这些

24、产物的还原能，还原能与最终的大气02的还原作用有关。那个序列中在电子转移链上，依托原先的还原性，有两个或多个（常是三个）特殊点，ATP由ADP和无机磷（Pi）产生。所有的反映可能写作：NADPH+3ADP+3P1+1/202-NADP+3ATP+H20XADH+3ADP+3PI+1/202-XAD+3ATP+H20FADH+2ADP+2PI+1/202-FAD+2ATP+H20通过糖酵解途径，每摩尔葡萄糖代谢和通过三竣酸循环反映代谢产生ATP,总结在表。生物利用能量的产物以ATP的形式出此刻膜上一-也能够在真核生物的线粒体膜上或细菌的细胞质膜上。这两个进程大致是相似的，详细的不同点在各自的生物

25、体之间。电子转移链的要紧组成为黄素蛋白，苯胺和细胞色素。它们的作用是先被还原（通过同意氢离子或电子）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NADH/NAD.反映中的-320mv慢慢增加到最后反映：1/2中的+800mv。在链上确信的点上，两个相邻电位携带者氧-还电位的差值足够驱动可逆反映:ADP+PifTP,向ATP合成的方向进行。那个反映涉及到一个复杂的，多亚基的酶即ATP酶。关于如何驱动ATP酶，有两种假说。化学渗透学说，是由Mitchell在过去的20年进展而来的，它以为电子转移链的组分在膜间有必然的空间排列。由于质子从一边移动到

26、另一边，产生了一个PH和电荷梯度。质子在膜间的流动差遣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。那个进程在图.中简单描述。第二个假说说明了ATP合成的假想，电子转移携带者和假定的己激活中间物彼此作用，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。厌氧生物的能量生产ATP的产生进程在章节中己经描述过，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，若是在培育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

27、的情形下利用电子转移携带者产生ATP。但若是毫无选择的大量提供电子同意者，或若是生物体（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式生产ATP。因此，厌氧生长的微生物必需直接的与产能反映结合而取得ATP,这称为底物水平磷酸化，这种反映的数量是有限的。反映的自由能必需能驱动ATP磷酸化反映（ATP-ADP+Pi；AG"-BlkJ-mor1），这种类型的最重要的反映总结在表中。在上述六个反应中，最后的三个反映仅在少数有机物中是超级重要的，其他三个反映在糖酵解中，反映1,2含有中间物（见图），反映3含有乙酰磷酸，那个反映普遍存在于无氧环境中。乙酰磷酸由乙酰辅酶A和无机磷酸反映

28、生成，它也能够由磷酸酮醇酶作用产生。乙酰辅酶A能够利用乙酰乙酰辅酶A分解产生，也能够利用上述三个反映之一的丙酮酸反映产生：丙酮酸脱氢（和NAD-结合）；丙酮酸甲酸裂解酶（它能够催化反映：丙酮酸+辅酶Af乙酰辅酶A+甲酸）；或丙酮酸：铁氧还蛋白氧化还原酶作用能够产生相同的反映产物，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灵敏，当含有这些酶厌氧菌接触空气时这些酶将专门快失活。通过中间物延胡索酸使电子转移磷酸化的显现有了依据。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。反映是

29、：延胡索酸+2M+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，生物体能与各类反映结合，从而产生ATP。所有的厌氧生物都面临两个问题。第一是，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lmol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，这就产生了如何达到这种必需的反映的问题，除非这种代谢快速中断，所有的NAN不可逆的转化为ADH。厌氧生物己经适应用不同的方式来

30、完成还原辅因子的再氧化作用。下面是这种类型的图解：那个地址，步骤AHjA是途径的一部份，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取得；BH:,一旦形成绩不需要进一步的代谢。必需的AH二的代谢是按化学计量式与补偿产物B压相关。因此，为了实现底物的分解厌氧生物必需积存还原代谢物。另外，由于它们从底物的分解取得相对低的ATP生产，这种还原代谢物的积存被束缚并大量合成相关的细胞物质。厌氧代谢方式己经整理出来，这在下面章节中有所介绍。厌氧代谢由于用于再氧化的还原剂像NADH,XADPH,FADH2,是超级普遍的，并可取得相应的终产物。因此，厌氧代谢途径的描述是对单个有机物中终产

31、物的积存的描述，它们中的一些像乙醇就有必然的商业重要性。在无氧条件下，葡萄糖的代谢仍然产生丙酮酸，但仅一部份进入到三竣酸循环中生产中间物，用于必需的细胞物质的合成。三竣酸循环反映的作用仅仅是生产这些中间代谢物，并非产生能量。通常那个循环并非完全起作用，尤其是酮戊二酸脱氢酶（图.）可能不能起作用。因此，那个“循环”是一个“U形"，草酰乙酸能转化为琥珀酸,并要紧转化为酮戊二酸。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lmol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映产生ADH。因此整个化学计量式为：C6H1；O

32、6+2ADP+Pi-2C2H60+2ATP净得的ATP为酵母菌的生长提供能量。在表中比较了每转化lmol葡萄糖产生的ATP少于有氧条件下的5%o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lmol丙酮酸，同时产生2molNADPH和ImolNADH（见图.），这些额外的还原剂必需通过与其他反映结合才能再氧化。这些反映中最要紧的是脂肪酸的形成，它是化学还原产物，其合成需要一些可用的还原剂摄入。乙醇也能够通过一些细菌产生，通常能够和其他终产物结合，利用霉菌在无氧条件下最大量的生产乙醇。若是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，积存的乙

33、醇常作为底物通过醋酸途径吸收和利用。乳酸发酵乳酸发酵生产是仅次于乙醇发酵的第二大发酵，一直在食物工业上有重要性。异乳酸发酵菌能够生产一系列不同的还原化合物，但生产乳酸，并无利用关键的糖酵解酶，醛缩酶（见图），而是利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AD一再通过产ATP的反映（见表）转化为乙酸。另一种磷酸酮醇酶的产物是三磷酸甘油醛，它能够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+XAD+那个反映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不同一些乳酸菌生产D-乳酸，另一些产

34、L-型和一些两种的混合形式。丙酸发酵例如在奶酪中发觉的丙酸细菌，能够通过一系列的反映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）。这能够用于转羟基作用反映中丙酸的即时来源: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，也能够由草酰乙酸（通过）产生，同时有2moiADH再氧化为NAD.。在一些梭菌属中，丙酸能够直接由丙酮酸通过乳酸和丙烯酸产生，而且这种转化需要2molXADH再氧化生成。丁二醇发酵在气杆菌属，沙雷菌属和一些芽胞菌属中，2moi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lmol丙酮酸产生二生物体也能够将丙酮酸转化为其

35、他产物像乳酸，甲酸（如下）。甲酸发酵在不同的肠细菌中，有部份丙酮酸转化为乳酸，有部份转化为乙酰辅酶A和甲酸。后一个反映称为加磷酸分解。甲酸可能少量积存,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的途径的优势是它并非产生NADH,因此幸免了必需的再氧化反映。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+AD-通过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映并非相同（节）。丁酸发酵一直以来，丁醇，丙酮和异丙酮的生产是最古老的，成熟的发酵进程，也确实是说，它通过利用单个的己知菌种进展而来。这种终产物是通过大量的梭菌属细菌从葡萄

36、糖代谢中形成的，其进程如以下图.专门大的区别是：一些梭菌生产丁酸，醋酸，二氧化碳和氢气，但其他的梭菌要紧生产丙酮而不是异丙醇。依照所选择的菌种不同和培育条件的不同，其终产物的比例也是有不同的。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必然经济价值的甘油。亚硫酸氢盐和乙醛形成复合物。因此微生物再也不产生酒精，而是寻觅另一个NADH再氧化的途径，将磷酸丙糖还原为甘油。生物合成和生长微生物细胞本身通过那个最简单的营养物就能再生。细胞用于完成那个进程的途径的数量是庞大的:一个细菌细胞可能含有多于1000中不同的酶

37、，一个真核细胞可能含有的酶多于细菌细胞的两倍。细胞中各类大分子（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，喋吟，喀咤，脂肪酸，糖类等等）的生物合成的一样途径概要在图中已给出。咱们能够看诞生物合成的途径是彼此联系的，所有途径依托必要的中间物库来维持。不幸的是在那个地址不可能提供许多这些途径梗要情形；它们研究的大部份是多数讲义上有的常规生物合成。据了解，关于特殊的发酵相应的特殊的途径情形，在这本书的适当的章节有所描述。细胞在一个平稳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。微生物细胞也必需随着环境（温度，PH,氧水平等等）

38、的改变能作出反映，也能利用任何数量的安慰诱导物，它们由氨基酸，喋吟，口密咤初步加工。这种情形在自然界中超级常见，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。因此关于一个细胞通过终止合成物质来保存碳和能量是可能的，通过中止合成多余的酶使得物质是足够的，而且是经济的。那个地址有两条良好的途径：操纵酶的活性和操纵酶形成，当没有没必要要的物质出此刻细胞中，细胞应该能够调剂各类化合物合成。因此在这一章描述常见的操纵机制。2. 8.1代谢操纵2.8. 1.1营养摄取细胞代谢操纵从细胞调剂自身的营养摄取开始。除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

39、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。那个进程是受操纵的，因此一旦摄入到细胞中的营养数量达到给定的浓度，没必要要的再次摄取将停止。2.9. 1.2区室化代谢操纵的第二个形式是利用区室，或细胞内的细胞器内操纵分离库中的代谢物。一个明显的例子是真核细胞内的线粒体将三竣酸循环反映和细胞质中的反映分离开。另一个例子是，过氧化酶体，含有可降解脂肪酸的酶（见图.）,但少量的相似酶在逆向也能实现相关的反映，致使脂肪酸合成反映位于细胞质中。分离的两种酶阻止任何常见的中间物在无效的方式循环。酶合成的操纵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

40、仅出此刻需要的时候；例如当细胞以C2为底物生长时乙醛酸旁路（见图.）中的异柠檬酸裂合酶，这称为酶合成的诱导。相反地，在酶再也不需要时它们能够消失，若是有足够的可用组氨酸来知足细胞的需要，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”，这种合成解除阻遏。为了明白得这种操纵如何操作，对蛋白质合成进程的概述是必需的。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.）o为了确保正确的氨基酸顺序，通过一条信使RNA链来实现编码进程，通过复制细胞中染色体（基因）上的DA片段，信使RNA依次被合成；那个进程通过独立

41、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，DA具有精准地碱基序列组成：腺喋吟（A）,胞啥咤（C）,胸腺口密咤（T）和鸟甘酸（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路。由于A一直和T配对，C与G配对，那么新的DA链能由一个单链分子制成，然后和原始的链互补。这种方式，DNA能够复制，维持了基因信息或密码；这在后面章节显示（图.）。信使RNA也是从一条DNA单链互补而来的（图.除碱基尿嗜咤代替胸腺口密咤，RNA和DNA的一条单链互补，一样的，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，但每一个信使RNA仅仅从

42、一小部份DNA中产生。信使RNA维持单链结构。核糖体和RXA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mRXA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（tRXA）o氨酰TRNA是通过核糖体用于生产肽链的活性单位。因此，每一个单独的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

43、染色体有多于一种基因复制。任何一种情形都是对基因的放大作用。通过整个转录和翻译机制，蛋白质合成的调剂是极为复杂的；它的不同，尤其在真核细胞和原核细胞的细节上，这些方面尚未说明。可是，调控机制的明确的原那么能从细菌系统中举例说明。从DNA中产生mRXA复制体的机制是受操纵的,涉及到染色体编码诱导或阻遏蛋白的部份（见上面）。这种机制以图解的方式显示在图.中。DNA的一些片段被称为调剂基因，产生一个调剂的阻遏蛋白（通过相关的mRXA）,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DA的下一部份阻止进一步翻译显现，确实是说一个或多个结构基因能够操纵编码酶蛋白的mRNA的合成。若是存在诱导物

44、，诱导物与调控蛋白结合，阻止它与操作基因结合。然后，自由的操作基因许诺结构基因复制，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，若是它被转移或积存（在代谢途径中高效诱导），酶合成将终止。当一个分子一般是一个途径的终产物，它和阻遏物蛋白彼此作用，产生阻碍操作基因一个产物，将显现酶合成的阻遏。若是终产物转移或积存，阻遏物蛋白再也不与操作基因连接，发生结构基因的复制，终产物的合成临时停止。代谢阻遏这种代谢操纵类型是一个已经说明普遍的思想，涉及到通过增加微生物培育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显现

45、的两个或多个不同的碳源当选择喜爱利用的底物。例如一个微生物，在葡萄糖和乳糖都存在的情形下，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此刻多于一种可利用的N源的选择。细胞的优势是它能够在最小的能源消耗下，利用参与的化合物。详细的分解阻遏的机制在生物体之间可能是不同的。图.中显示细菌大肠杆菌中进程顺序的描述。序列的关键在于化合物环化AMP（cAMP）ocAMP利用ATP通过腺甘酸环化酶和一个特殊的受体蛋白（CRP二环化AMP受体蛋白）彼此作用而形成，它能够踊跃的增进操纵子的转化（图.）。cAMP库大小的操纵关于这种机制是极重要的，通过调控相关的腺甘酸环化酶的活性和将cAMP转化成AM

46、P的磷酸二酯酶来描述。cAMP和在章节中讨论的“能荷”紧密相关。各类葡萄糖的代谢似乎强烈的抑制腺苜酸环化酶的活性，只要出此刻细胞中，在cAMP-CRP复合物的调控下这几个操纵子将不能发生转录。分解阻遏的阻碍在调剂分解进程模型中尤其是在“二次生物合成”现象中，是超级重要的。酶活性的调剂一旦酶合成以后，它的活性通过不同的方式调剂。图.（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）的共价结合而彼此转化。这种连接是介于分离酶之间，并无其他作用，它的活性通过现有的不同的代谢来依次调剂（见下一章）。因此分解反映通过抑制细胞的代谢状态修饰第一个酶（见图

47、.）o这种进程的例子有大肠杆菌中谷氨酸的合成（对细胞来讲，准确的调剂重要代谢中间物的库的大小是极为重要的，中间物包括底物谷氨酸和酶产物谷氨酰胺）和红色而包菌中糖原磷酸化酶的合成。（b）效应物的活性。由于分解反映的产物的积存常常使酶活性变小。这些化合物能够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明白得的机制：反映产物阻碍底物到达酶的活性位点，那个位点常常是“最适合的”，但是许多酶，尤其是那些一个途径的开端的酶对与正分解的反映不相干的化学化合物的显现具有相似的灵敏。大伙儿都明白，最多见的阻碍是反馈抑制，确实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：ABCfDE这种

48、抑制作用的作用是确保一旦终产物己生产足够的数量，在这种途径中可不能进一步消耗碳单元，不生产不需要的产物。若是产物出此刻摄入细胞的生长培育基中（见节），一样的情形将显现。反馈抑制和酶合成的阻遇超级相似（见上面），这种阻遏作用也是通过额外的终产物的显现来调剂的；反馈抑制是一种快速的细调，而且是可逆的,而酶的阻遏作用是一种粗调，花费更长的时刻来达到。基因的反馈调剂机制是基于效应物分子和酶在特定位点上结合，那个位点与酶的活性位点不同；效应物能改变蛋白质的形状，因此关于底物反映，它是再也不是一个有效分解反映。这种酶称为变构调剂的酶。例子像在大多数产生氨基酸、喋吟、嗑咤和其他单体合成的代谢途径中（见图由于

49、有多于一种产物从常见的分支途径中取得，使那个进程变得加倍的复杂。AfBfC。ooo那个地址，若是三个终产物中的一个，F、G或J达到在它最正确的库大小时，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将抑制全数的反映f,反映c的50%和反映a的33%。如此从A开始，第一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能够实现，而且这种方式随着途径和生物体的不同而不同。关于生物体来讲，常见的方式是利用同工酶。也确实是，关于上面的反映a,有三个分开且独立的酶，每一个都有相等的催化效率。但一个同工酶将

50、是灵敏的，第一对F的反馈抑制，第二是G,第三是Ho这种方式，若是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。反映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。这种操纵类型的例子出此刻三种芳香族氨基酸，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.)。反馈的阻碍也和转移进程的调控(见节)有关。可是，延伸那个概念可能并非十分精准的，像ATP、ADP、AMP、NAD(P)+、NAD(P)H等代谢物对一个特殊的酶，作为踊跃或消极效应物。比如在三竣酸循环（见图.）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

51、氧化磷酸化作用的终产物，它和循环反映有关，这可能说明为是一个更间接形式的反馈抑制。若是不考虑语义，通过不同的形式或形成辅因子的操纵类型在这些酶的中心代谢途径中是十分的普遍。酶的失活通常酶是不稳固的分子，可能发生快速的和不可逆的破坏。其正常寿命是超级不同的；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剂（见节），但一旦酶已经合成，它的功能能维持一段时刻。若是环境条件突然改变，“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，来幸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，适合的激活后，将能破坏一个特定的酶。活性可能通过关键代谢物的显现（或消失）引发。代谢和

52、生长的和谐咱们已经考虑到细胞是如何操纵它的许多组分的生物合成的，因此一直合成适量的分子，一样的，也合成适量数量的不同酶分子。这些操纵机制能对细胞外环境做出反映。细胞一直试图优化它的内部的生物化学反映。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衍。这种情形下，终产物（一些是有生物技术改造的）将在细胞内积存，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需持续的工作，只有在细胞死亡时，细胞内的反映才能趋于平稳。因此对生物体来讲，维持细胞内的生物化学反映的运作是超级必要的。

53、它能够在一般条件下，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。若是细胞处于“饥饿.”状态下，没有外源碳源供给时，它能消耗这些贮藏物质，与细胞维持它的代谢途径运转相较，产物显得更小的重要性。在正常情形下，给予生物体足够的所有必需营养物，生物体将能生长。在分批培育时，细胞在一个封锁的系统中繁衍，直到营养物耗尽或一些产物积存过量而抑制进一步的生长或细胞数量达到必然水平，没有可用的空间容纳新的细胞。在细胞生长期间，细胞中的各类组分选择了相应的量（图.），由于细胞割裂前的延长，细胞也能改变

54、大小。在最初的指数生长时期，细胞以最大速度生长，由于细胞中核糖体合成更多的蛋白质（见图.），细胞中的RNA含量也快速的增加。但DNA的含量可能下降，如下图。下降的确信量由细胞中DNA的复制速度决定（见节）。生物体的生长速度能够用倍增时刻来表示，即一个细胞割裂为两个细胞的时刻，或由特定的生长速度U表示，即每增加单位质量细胞量，细胞新物质的合成速度。这两个值是相关的，在方程式中：（那个地址x二细胞含量，廿时刻）；H=tdo在分批培育中，由于营养物质含量的不断减少，口值是个转变值。在许多实际操作中，有氧生物体的氧供给率支配着它们的生长速度。只有在持续培育时，通过持续的导入新鲜的营养物质（和确信的氧供给量），能够使生长速度维持常量。在一个生物体内，到底什么支配着最大生长速度，使得生物体间的速度值不同，这关于大多数生物还不了解。它可能是细胞DA合成的最大速度，或是特定的