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1、第二章生长与代谢的生物化学2.1 前言一个微生物以生产另一个微生物为目的。在某些情况下，利用微生物的生物学家们希望这样的情况能够快速频繁的发生。在另外一些产物不是生物体自身的情况下，生物学家必须对它进行操纵使微生物的目标发生变化，这样以来，微生物就要努力的挣脱对它们繁殖能力的限制，生产出生物学家希望得到的产物。生物体的生长过程及其生产出的各种产物与微生物代谢的本质特点是密不可分的。代谢过程是两种互相紧密联系又以相反方向进行的活动过程。合成代谢过程主要是细胞物质的生成，不仅包括构成细胞的主要组成物质（蛋白质、核酸、脂质、碳水化合物等等），同时也包括它们的前提物质氨基酸、嘌呤与嘧啶、脂肪酸、各种糖
2、与糖苷。合成代谢不是自发进行的，必须由能量所推动，对大多数微生物来说，是通过一系列的产能分解代谢过程来供给能量。碳水化合物分解为CO2和水的过程是最为常见的分解代谢反应，然而微生物以这样的方式还能够利用更大范围的还原性含碳化合物。分解代谢与合成代谢所有微生物生物化学的基础，可以从两者的平衡关系或者分别对它们进行讨论。实际中，我们要有效的区分那些需要空气中的氧进行需名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 37 页 -氧代谢的生物与那些进行厌氧代谢的生物。还原性含碳化合物与 O2反应生成水和CO2，这是一个高效的放热反应过程。因此，一个进行需氧代谢的生物要使用一小部分底物进行
3、分解代谢以维持某一水平的合成代谢，即成长过程。对于厌氧型生物，其底物的转化的过程基本上是一个不匀称的反应（氧化还原反应），产生很少的能量，因此，大部分底物都要被分解从而维持一定水平的合成代谢。在生物体中这种差别能够明显的体现出来，比如酵母，它属于兼性厌氧生物，即它可在有氧条件下生长也可在无氧环境下生存。需氧酵母使糖以同样的速度转化为CO2和水，相对产生高产量的新酵母。而厌氧条件下，酵母菌生长缓慢，此时酵母被有效的转化为酒精和CO2。2.2 代谢与能量分解代谢与合成代谢间的有效联系在于，各种分解代谢过程促进少量反应物的合成，而后又被用来促进全面的合成代谢反应。在这种重要的中间产物中，其中最为重要
4、的是ATP，其含有生物学家所说的“高能键”。在ATP 分子中，酐与焦磷酸残基相联。高能键在水解过程中所产生的热量就被用来克服在其形成过程中需要摄入的能量。像ATP 这类分子，为细胞提供了流通能量，当将 ATP 用于生物合成反应时，其水解产物为ADP（腺苷二磷酸）或者某些时候为AMP（腺苷一磷酸）：（反应式）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 37 页 -仍含有一个高能键的ADP 通过腺苷酸激酶反应也可生成ATP：（反应式）。磷酸化作用是生物体中普遍的反应，通常由ATP 作用而发生。经过磷酸化生成的物质通常比最初的化合物更具有反应活性，用无机磷酸进行磷酸化反应是无法进行
5、的，因为，平衡反应式的相反方向生成大量的水（55M）。细胞的“能量状态”认为是由占有优势的组分：ATP、ADP、AMP 作用形成的。为了给出一个量值，Daniel Atksirson提出了“能荷”这个概念，定义一个细胞的能荷为：在“满荷”细胞中，仅含有 ATP 一种腺嘌呤核苷酸，它的能 荷 值 定 义 为1.0。如 果 三 种 核 苷 酸 的 量 相 等，即ATP=ADP=AMP，则细胞的能荷为0.5。与所有的习惯用法相同，能荷概念的使用是有限制的，没有人能够确定假如一个细胞的能荷是0.7 而不是 0.8 或者0.6 到底是什么意思。这个概念没有考虑细胞中核苷酸的确切数量，也没有表明对于单体酶
6、和ATP 与其镁复合物之间的显著差别。它也无法解释细菌、酵母菌与霉菌中能荷值的差异。尽管如此，这个概念对于给定的细胞类型如生长期细胞中随后的能量与酶活性的改变来讲是有所帮助的。当细胞迅速生长时，能荷ATP+0.5 ADP ATP+ADP+AMP 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 37 页 -处于最低值；ATP 以它重新合成的最快速度被消耗，在生长末期，生长速度开始变慢，相对于ADP 和 AMP，ATP 组分开始增大，因此，能荷值开始增大，当细胞停止生长时，所有的 ADP 和 AMP 都已经转化为ATP，此时能荷值达到最大。2.3 分解代谢途径尽管微生物可以利用不同的
7、含碳化合物进行生长，但我们主要关心的是葡萄糖的代谢，鉴于乙醇（和其它C2化合物）、烃和脂肪酸、甲烷和甲醇这些物质的不断增长的重要的经济价值。2.3.1 葡萄糖和其它糖几乎在所有的生命细胞中，最重要的两种糖代谢途径是二磷酸己糖途径与一磷酸己糖途径，它们常常同时发生，为合成代谢过程提供重要的联系，它们之间的相互作用受关键控制机制的支配。二磷酸己糖途径（常被称为恩伯纳-迈耶霍夫或者糖酵解途径）如 图 2.2 所示。这个过程将葡萄糖转化为丙酮酸，碳原子数量无变化，还原2 分子 NAD+辅酶生成 2 分子 ATP。生成的丙酮酸是合成代谢重要的前提物质的来源，在好氧有机体中，它还是氧化还原反应的底物，而在
8、厌氧有机体中，丙酮酸或者它转化的产物是NADH 的氧化剂。一磷酸己糖途径即磷酸戊糖途径如图 2.4。作为氧化过程，它将葡萄糖转化为戊糖和CO2，还原 2 分子 NADP+生名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 37 页 -成 NADPH。NAD+NADP+和 NADH/NADPH都是通过 H 转移而作用，但它们是有差别的；NADH 主要在于能量相关的氧化还原反应中发挥作用，而NADPH 主要作用于合成代谢过程中的还原反应步骤。经过一系列可逆互变过程，如图 2.4 所示，磷酸戊糖与其它含有 3-7 个碳原子的磷酸糖相平衡，并根据环境条件，扮演不同的代谢角色。磷酸丙糖与糖酵
9、解过程中所生成的相同，而且跳过糖酵解途径的cleavage step生成二磷酸己糖；磷酸丁糖是重要的合成代谢生产芳香环氨基酸的前体，而磷酸戊糖也是合成核苷酸所必需的物质。对大多数有机体而言，66-80%的葡萄糖是经过恩伯纳-迈耶霍夫途径进行代谢的，剩下的则通过磷酸戊糖途径进行代谢。每个代谢途径中碳原子流向的控制点通常是恩伯纳-迈耶霍夫途径中，当6-磷酸果糖被磷酸果糖激酶（PFK）催化发生磷酸化作用生成1，6-二磷酸果糖时候。这种酶分子组成可以根据细胞所进行的主要代谢情况而对酶活性进行调节：当需要更多能量的时候，PFK 的活性就增大；而如果细胞中有足够的能量或者足够的C3代谢产物，则PFK 的活
10、性就降低。这种通过调节催化活性从而对酶进行控制的原则是很普遍。代谢途径是一直被控制的，对细胞来说，必须协调并最有效的行使它的整体活动。对于PFK 的控制通过两种手段。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 37 页 -第一，酶的激活。在存在有ATP 或 ADP 时，酶催化反应的速度被增大。因此，当细胞能荷低时，PFK 将以高速率催化反应地进行。第二，酶被中间产物一般为磷酸烯醇式丙酮酸或者柠檬酸抑制，从而代谢过程被减缓。因此，如果它们其中的一种不能被有效转化为其它物质的话，就无法使细胞继续进行生长。葡萄糖代谢的其他可控制点根据有机体的不同而不同。但是分解代谢必须尽可能的满足
11、合成代谢的需求。恩伯纳-迈耶霍夫途径与磷酸戊糖循环途径不是葡萄糖仅有的代谢过程，尽管它们是非常普遍的代谢途径。相对于恩伯纳-迈耶霍夫途径，另一种主要的代谢途径是恩特纳道德洛夫途径，见于某些假单孢菌与细菌中，如图 2.5 所示。磷酸戊糖途径中的酶对C5和 C4糖的产生来说仍是必需的，但代谢方向与图2.4 中所示的相反。磷酸酮醇酶是另一种较重要的酶，也许比人们一般上了解到的使用范围更加广泛。这类酶（不是一个）作用于磷酸C5和 C6糖，产生乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛或者4-磷酸赤藓糖（取决于是C5还是 C6糖被利用）如图2.6。这些酶最早见于进行异型发酵的乳酸杆菌与醋酸杆菌中，它们取代恩伯纳-迈耶霍夫
12、途径而发挥作用。产生的乙酰磷酸可以被转化为乙酰或者乙醇。最近发现在酵母菌中，当大多数酵母以木糖作为单一碳源进行好氧生长时，磷酸酮醇酶是一种诱导酶。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 37 页 -木糖经过最初代谢由木糖醇转化为木酮糖，然后以 5-磷酸木酮糖进行磷酸酮醇酶反应，如图 2.6 所示（在以利用木糖进行生长的细菌中，有一种异构酶可直接将木糖转化为木酮糖）。在这种情况下，C5-磷酸酮醇酶不取代恩伯纳-迈耶霍夫途径而仅仅是为有机体将戊糖转化为C2或者 C3单元进行进一步代谢提供一种有效的途径。这类酶从而存在于很多微生物中而不单单是酵母，当利用木糖或其它戊糖进行生长代
13、谢。2.3.2 三羧酸循环目前所讨论的代谢途径其终产物为C3或者 C2化合物，称为丙酮酸酯或者乙酰，前者如乙酰CoA 是一种硫酯（如 图2.7），具有酐的反应性（脱氢反应活性）。丙酮酸酯与乙酰CoA 的进一步有氧代谢经过一个循环过程，具有两种作用。它产生的中间产物用来进行生物合成反应，化合物最终被氧化为 CO2和水，它将氧化反应与能量转移相联系。乙酰 CoA氧化反应循环过程普遍存在于所有好氧细胞中（被称为三羧酸循环，克雷布斯循环）。在真核生物细胞中，三羧酸循环与产生能量的反应是在线粒体内完成的，而在细菌体内，产生能量的酶位于细胞质膜上。由于线粒体内的代谢过程首先七十于将丙酮酸转运到线粒体中，从
14、而更容易的使丙酮酸进行三羧酸循环反应。丙酮酸转化为乙酰CoA 的整个过程是由一种多酶复合物名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 37 页 -所催化的，丙酮酸脱氢酶。乙酰 CoA 接下来通过 图 2.8 所示的三羧酸循环反应而代谢。这个循环的作用包括：（i）生产可用于其它生物合成途径的中间产物例如：天冬氨酸与谷氨酸反应是非常重要的代谢途径，细胞通过该途径同化氨。（ii）从氧化反应中回收能量。异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶这些酶催化中间产物的进一步氧化反应，同时辅酶有氧化型转为还原型。辅酶I（NAD+）和 FAD 分别转变为NADH和 FADH
15、.，然后又经氧化磷酸化作用重新氧化为最初形式的辅酶，每摩尔NADH 产生 3 摩尔 ATP，而摩尔 FADH2产生 2 摩尔 ATP。琥珀酸激酶反应也可获得能量。尽管这种循环自身是永不停止的，一旦从草酰乙酸启动将不断进行下去，但实际上这种情况是不存在的。就像已经说明的那样，这个循环同时为生物合成反应储备中间产物，一旦任何一种中间产物从循环中被除去，草酰乙酸与柠檬酸的合成就无法进行。因此，额外的草酰乙酸就必须独立自主的合成，这主要通过丙酮酸的羧化作用。这个反应由丙酮酸羧化酶催化，但是由于经过循环反应名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 37 页 -过程也合成了草酰乙酸，因
16、此，必须对丙酮酸的羧化反应进行调控，以使得乙酰CoA 于草酰乙酸的含量保持均等，主要通过丙酮酸羧化酶实现对它的控制。乙酰 CoA 是丙酮酸羧化酶的正效应物，也就是说它可以提高酶的活性。乙酰CoA含量越高，草酰乙酸的合成速度就越快。当草酰乙酸与乙酰CoA 合成了柠檬酸，乙酰CoA 的浓度就减少；丙酮酸羧化酶的活性随之下降，但由于丙酮酸脱氢酶仍旧存在，将会产生更多的乙酰CoA。这样，柠檬酸合成不仅不会停止，这两个物质也使柠檬酸的前提物质始终保持平衡。其它辅助控制也能实现对循环过程的调节，其中的有些酶的活性受ATP 抑制，而有些则受到AMP 浓度的影响。因此，循环反应过程可以通过ATP 与 AMP
17、相应的比例来进行调控，也就是细胞的能荷。这种控制机制没有广泛采用，但对于单个有机体或一群有机体是被证实的，在这里不详细讨论，但控制机制的普遍原则如对糖酵解过程的控制仍被应用。2.3.3 乙醛酸途径（以C2化合物为碳源）如果一个有机体利用C2化合物或者脂肪酸或烃进行生长，那么产物主要为C2单元，三羧酸循环不能完全满足有机体的生长代谢，像前面内容中所讲过的，任何用来进行合成代谢的化合物，一旦在三羧酸循环中缺少，那么草酰乙酸的生成便会停止，由于C2化合物不能转化为丙酮酸（丙酮名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 37 页 -酸脱氢酶的反应是不可逆反应），因此，没有一种途径可将
18、草酰乙酸或者更准确地说是任何一种C4化合物通过目前已经所述的反应由C2化合物合成。如果被作为碳源而利用，乙酰CoA 可直接由乙酰生成，或者来源于还原性比乙酰更强的C2化合物，如乙醛或者乙醇。通过已知的乙醛酸途径如图 2.9，乙酰转化为C4化合物，这个过程需要用到在三羧酸循环中作用的酶：异柠檬酸裂解酶与苹果酸合成酶。两种酶都是可被诱导的，当微生物利用C2化合物生长代谢；在这样的生长条件下，酶的活性可提高到 20-50 倍。乙醛酸途径不会取代三羧酸循环；例如：必须合成-酮戊二酸用来为蛋白质的合成提供谷氨酸等。琥珀酸、柠檬酸裂解酶的另一个产物，同以前代谢生产的产物一样为苹果酸，然后是草酰乙酸。因此，
19、经过乙醛酸循环，C4化合物就由C2单元进行合成，然后用来合成所有的细胞代谢物。它们转化为糖的过程在2.4 部分中详细介绍。2.3.4 脂肪酸和烃利用烃进行生长的情况并不多见，但却见于细菌、酵母和霉菌中，这种利用脂肪酸或油和脂肪这种含有脂肪酸的物质进行代谢的现象是比较常见的。烃类可作为生产单细胞蛋白的唯一碳源，也可用于其它代谢过程，如柠檬酸的生产。常在抗生素生产中加入脂肪酸名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 37 页 -和植物油作为辅料。为了利用油和脂肪，有机体必须用脂肪酶水解（细胞内或细胞外）酯键，而生成3 摩尔游离脂肪酸和 1 墨尔甘油；甘油在恩伯纳迈耶霍夫途径中
20、被利用，很多微生物也可利用游离脂肪酸，但无论这类酸是被摄入到细胞内还是就此形成，它们都是剧毒性的（由于它们具有表面活性剂的性质）从而必须立刻转化为其辅酶A 的硫酯形式。硫酯又经过如图2.10 的循环过程活化，用来降解脂肪链。每轮循环，都将产生1 摩尔乙酰 CoA，与此同时，其链上少了 2 个碳原子的酯酰基CoA 又开始了新一轮的氧化循环。这个过程即为-氧化循环，它将一直持续到反应终产物为C4化合物，乙酰乙酰CoA，此时产生2 摩尔的乙酰CoA。如果脂肪酸含有的碳原子数为奇数，那么该降解过程不断延续直到生成丙酸CoA，它将通过2.7.3 部分中所讲反应的可逆反应转化为丙酮酸。微生物利用烷烃进行生
21、长通常由攻击两个甲基基团中的一个而开始，利用这种攻击机制，烷烃羟化酶包含氧分子和含铁的氧化辅因子，这个辅因子是经氧化的，而它的还原型重新生成过程最终与氢化物载体相关，或者是 NADH 或者是NADPH。经过两部脱氢作用，脂肪醇被氧化为相应的脂肪酸：（反应式）一般来说，所有的参与烷烃降解作用的酶都具有底物专名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 37 页 -一性，而且容易与C10-C18的底物起作用。某些微生物可作用于更短或更长的链。少数情况下，对烷烃作用后生成甲基酮，它最终经过进一步氧化被裂解为甲酸和比初始烷烃少2个碳原子的脂肪酸。尽管在某些有机体中，存在一种产生二羧酸
22、的-氧化，但烷烃一般上都是经过-氧化循环而被降解为脂肪酸，这些脂肪酸又从一个终点开始，经过-氧化而降解。脂肪酸也被细胞用来直接合成自身脂肪，因此，细胞中脂肪酸链的长度就代表了烷烃链的长度。烷烃和某些支链烃也可能进行代谢；它们不是从商业角度进行利用而是作为饲料中的微小部分。它们的氧化反应过程同样涉及转化为脂肪酸的过程。2.3.5 甲烷和甲醇少数（细菌和酵母）被称为甲基营养菌的微生物能够利用甲醇作为唯一的碳源；到目前为止，只发现一小部分细菌具有利用甲烷的能力，称为甲烷营养菌。极少数微生物能利用甲酸为碳源。这三种化合物的代谢是相关的，被最终氧化为 CO2，它们合成细胞物质的机制与自养CO2固定化作用
23、机制是不同的。能够利用CO2作为唯一碳源的包括进行光合作用的植物与微生物和很少一部分无机化能营养型细菌，其是利用无机化合物的反应作为能量的来源。这些生物目前在生物工程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 37 页 -中的应用较少。若想进一步了解CO2自养固定化的读者可参阅任何一本生物化学课本，但必须注意到，至少有两种不同的代谢途径：卡尔文循环和还原性羧酸循环。甲烷的氧化过程为：（反应式）第一步是通过一种氧合酶与NADH（或 NADPH）辅因子来进行，（与上述高级烷烃的氧化相比较）。氧合酶（3 种蛋白质复合物）也可以氧化其它多种化合物，包括多种烷烃甚至甲醇本身。接下来的
24、第二步反应由甲醇脱氢酶催化，以一种新发现的物质吡咯并喹啉醌为辅因子。在某些细菌中，甲醛进一步转化为甲酸的过程被同种酶催化；而在另一些细菌中，有一种独立作用的甲酸脱氢酶，NAD 是它的辅因子。最后一步反应是将甲酸转化为CO2，它是通过甲酸脱氢酶来催化进行的，伴有NAD+的还原过程。来自甲醇或甲烷中的碳同化为细胞物质甲醛，经过两种独立的代谢途径：一磷酸核酮糖循环和丝氨酸途径，分别如图 2.11 和 2.12 所示。单磷酸核酮糖循环与卡尔文循环相似，都是通过磷酸戊糖途径的反应进行CO2自养固定化而生成以后的C1化合物受体，只多了两种酶：磷酸己糖合成酶和3-磷酸己糖异构酶。丝氨酸途径中的关键酶是：生成
25、乙酰 CoA 和甘油的苹果名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 37 页 -酰 CoA 以及丝氨酸转甲基酶，这是一种广泛存在的酶，作用于四氢叶酸（四氢叶酸是一种辅因子，可形成必需的活化C1中间产物，N10-甲酰四氢叶酸，而后乙醛酸途径利用乙酰CoA。所以细胞就可在C2底物上进行生长。异柠檬酸裂解酶去阻遏从而确保C3单元的生成。酵母中，磷酸戊糖循环又进一步发生了一些变化，甲醛与 5-磷酸木酮糖反应生成了3-磷酸甘油醛和2-羟基丙酮。此反应过程由转酮酶催化，完成甲醛循化同化过程唯一需要另外加入的酶是一种新的激酶，它将二羟基丙酮转化为二羟基磷酸丙酮。2.4 葡糖异生作用当一
26、个有机体利用C2和 C3化合物进行生长，或者利用经过代谢过程能够生成C2或 C3这种化合物的物质进行生长的时候，在丙酮酸的代谢水平或者低于该水平（例如脂肪烃、乙酸、乙醇或者乳酸），对有机体来说，就必须合成各种糖类以满足其代谢需求。这被称为葡糖异生作用。尽管糖酵解途径中的大部分反应都是可逆的，但那些被丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶催化地反应则是不可逆的，对细胞来说，就要避开这种阻碍。一般而言，磷酸烯醇式丙酮酸不能由丙酮酸形成，尽管在少数有机体内存在一种磷酸烯醇式丙酮酸合成酶可以催化这个反应。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 37 页 -通常，草酰乙酸作为磷酸烯醇式丙酮酸的
27、前体物质。这个反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化进行，它是葡糖异生作用中的关键酶。已经讲过草酰乙酸的生成，果糖二磷酸化酶的作用可避开磷酸果糖激酶的不可逆作用的性质（其作用产生1，6-二磷酸果糖）。从这一点来看，通过终止糖酵解途径可积累己糖，通过磷酸戊糖循环又可生成C3和 C4糖，葡萄糖不是葡糖异生作用的终产物，然而 6-磷酸葡萄糖被用来合成细胞壁组分，和各种细胞外物质及储备多糖。2.5 好氧生物的能量代谢在葡萄糖代谢和三羧酸循环中已经讲过，如何把各种代谢中间产物的氧化过程与辅因子（NAD+、NADP+、FAD+）还原为其还原型（NADH、NADPH、FADH）的还原反应过程联系起来的。这些产物的
28、还原性是由一系列复杂的反应过程而是释放。这个反应过程最终与空气中氧气的还原相关。在这个反应过程中，由电子传递上的ATP 或者 2-3 个具体位点上的无机磷而生成ATP，这取决于最初还原剂的性质。如图 2.14，总反应式如下：。每摩尔葡萄糖经过恩伯纳-迈耶霍夫途径所生成的ATP和丙酮酸经三羧酸循环产生的ATP 总结于表 2.1。能够被生物利用的ATP 形式的能量是在膜上产生的，可以是真核细胞的线粒体膜或者是细菌细胞的细胞质膜，其产名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 37 页 -生过程大致相同。具体差异根据个体差异而不同。电子传递链的主要成分是黄素蛋白，醌和细胞色素。细
29、胞色素具有还原性（接受氢离子或者电子），经过氧化可以有效释放电子到下一个载体上。每个载体都有不同的氧化-还原能，大约可以从 NADH/NAD+反应的 320 摩尔到1/2O2/H2O 终反应的800mV。在电子传递链上的特定位点，两个相邻电子载体的氧化-还原能差就已足够进行可逆反应：。向合成ATP 的方向进行。这个过程需要一种复杂的多亚基酶ATPase 的协助。有两种原理来说明ATPase 是怎样作用的。在化学渗透学说中，过去二十年里米歇尔对其进行了发展，认为电子传递上的各组分是跨膜排列的，由于质子从一边向另一边移动，这样便产生了pH 和电子浓度梯度。质子跨膜运动就推动了 ATPase 反应合
30、成 ATP。ATPase 是定向作用的，质子只能从一边靠近催化位点，图 2.15 对这个概念进行了简单说明。ATP 合成的第二种解释为，电子传递链上的载体与假设的将要被活化的中间产物相互作用使ATP 磷酸化。这种中间产物称为偶联因子。两种理论个具有优缺点，都可以解释不成对氧化磷酸化作用产生的影响，如鱼藤酮、安必妥、抗霉素A 等。它们可以阻止 ATP 的合成。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 37 页 -2.6 厌氧生物能量生成过程在 2.5 部分中所说的ATP 生成过程需要供应氧气。某些有机体则可以用磷酸盐，另一些则用硫酸盐或铁离子来代替氧气分子，而且如果在培养集
31、中，这些物质被大量供应，那么有机体利用电子传递体在没有空气的条件下仍可以生成ATP，从而进行厌氧生长。如果没有合适的电子受体，或者（如大多数细菌）有机体缺少这类物质，那么一旦缺少氧气，有机体将不能以这样的方式合成ATP。所以，进行厌氧生长的有机体就必须将ATP 合成反应与能量生成反应相联系，才能获得 ATP，这被称为底物水平磷酸化。这只发生在有限数量的反应中。反应自由能的变化必须能够进行ATP 磷酸化反应。其中最为重要的反应归纳于表2.2。这 6 种反应，其中后 3 种只对少数生物体来说是重要的。表 2.2 中其它的 3 个反应中，反应1 与反应 2 涉及糖酵解的中间产物，涉及乙酰磷酸的反应3
32、 广泛存在于厌氧有机体中。乙酰磷酸由乙酰CoA 与无机磷反应而合成，它还是被磷酸酮醇酶作用的。乙酰 CoA 可以由乙酰乙酰CoA 降解而生成，或者由丙酮酸经 3 种反应中的一种而生成：丙酮酸脱氢酶反应，丙酮酸甲酸裂解酶反应，铁氧还蛋白氧化还原酶反应，该反应与丙酮酸脱氢酶反应产生同样的产物，但是用到了一种铁硫蛋白，铁氧还蛋白不是NAD+作为还原剂（还原型铁氧还蛋白名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 37 页 -被氢化酶还原为铁氧蛋白，释放出氢气）这三种酶中，后两种对氧敏感，当含有它们的有机体被暴露于空气中的时候，它们便会迅速失活。越来越多的证据表明，电子传递磷酸化同样
33、可以进行延胡羧酸还原酶的反应。这种酶对于某些产甲烷菌，还原硫酸盐的有机体及进行氢气与二氧化碳发酵的氢化菌来说大概是重要的。反应：。，氢原子可以由各种辅因子提供，包括 NADPH，而某些有机体如大肠杆菌、其氢原子的生成经过了电子传递链，即使与好氧有机体中的电子传递链不同，但也至少是类似的。因此，尽管没有氧气，有机体仍通过偶联不同的反应从而生成ATP。所有的厌氧有机体都面临两个问题：第一，在氧化磷酸化作用中，缺少将NADH 或 NADPH 的再氧化与ATP 的生成相联系。每摩尔底物所生成的ATP 量比好氧代谢产生的少。第二，不能将NADH 的氧化与氧气的还原相联系，这样如何进行这个重要的反应就成为
34、一个问题，当所有的NAD+不可逆的转化为NADH，代谢过程也就很快被停止。厌氧生物采用很多方法使还原型辅因子重新被氧化。其中的核心部分为：。这里，由 AH2 A 这步是厌氧生物利用底物时所采用的途径中的一部分。通常，底物 B 是补充还原反应所必需的，也直接来源于底物；BH2一旦形成，就不再进一步代谢。AH2名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 37 页 -的代谢与 BH2的补偿性生成在化学计量上相关。这样以来，厌氧生物必须积累还原型代谢产物从而能够进行任何底物的降解过程。而且，就像已经说明的那样，既然厌氧生物从降解底物后获得极少的ATP，那么还原型代谢产物的积累与合成
35、的细胞物质必将有极大的联系。以这种方式进行的厌氧代谢将在后面内容中讲述。2.7 厌氧代谢选择底物来氧化还原剂，例如NADH、NADPH、FADH2是非常普遍的现象，同时产生相应的各种终产物，因此对厌氧代谢途径的描述也就是个体将积累何种终产物的描述。这些终产物例如乙醇有着很高的商业价值。即使是在厌氧条件下，葡萄糖仍是生成丙酮酸，但是只有小部分丙酮酸进入三羧酸循环从而生成用来合成主要的细胞物质的中间体。三羧酸循环反应只提供这些中间体而不生成能量，通常，三羧酸循环不会完全发挥作用，尤其是-酮戊二酸脱氢酶不作用，因此，这个循环成为一个铁蹄形，其中草酰乙酸转化为琥珀酸，而柠檬酸转化为-酮戊二酸。2.7.
36、1 发酵产酒精在酿酒酵母这样的酵母菌中，氧化剂是缩醛；从葡萄糖转化的丙酮酸大部分转化为酒精。（反应式）1 摩尔葡萄糖可生成2 摩尔丙酮酸；产生的酒精可以重新氧化在磷酸丙糖脱氢酶反应过程中生成的NADH，总的化名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 37 页 -学计量如下式：ATP 为酵母细胞的生长提供能量，但是由表 2.1 中比较得知，每摩尔葡萄糖在好氧条件下转化的量少于5%。葡萄糖通过磷酸戊糖途经主要的代谢产物为必需的C5和 C4糖，经过这个过程摩尔葡萄糖仅能生成1 摩尔的丙酮酸，同时产生2 摩尔 NADPH 和 1 摩尔 NADH。这些附属的还原性物质必须与其它反应
37、相连从而被重新氧化。这些反应中最重要的反应过程是脂肪酸的形成，它们是化学合成的还原性化合物，其合成过程需要大量的相应的还原性物质。某些细菌也可进行生产酒精，通常还伴有其他终产物的生成，某些霉菌也能生产酒精，而且厌氧条件一般对生产最大量的酒精来说是必需的。如果产酒精的有机体可以像酿酒酵母那样进行好氧生长，那么一旦通入氧气，积累的酒精就常常被细胞吸收并以醋酸的形式作为生长底物而被利用。2.7.2 乳酸发酵发酵产乳酸的过程是仅次于酒精发酵的过程，对于食品工业均具有重要的历史意义。除乳酸外，杂发酵乳酸菌生产各种还原性化合物，而且没有主要的糖酵酶-醛缩酶；而使用磷酸酮醇酶，它是生成乙酰磷酸的酶。在厌氧条
38、件下，乙酰磷酸经过生成ATP 的过程而转化为酒精和乙酸，酒精重新生产NAD+。磷酸酮醇酶的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 37 页 -另一个反应产物是3-磷酸甘油，其通过普遍的糖酵解系列反应转化为丙酮酸，然后经过乳酸脱氢酶的作用转化为乳酸。单纯乳酸菌也进行这样的反应过程；这类有机体没有磷酸酮醇酶，结果乳酸是位的终产物。某些乳酸杆菌生产D-乳酸，其他的则生产L-乳酸，而另一些乳酸杆菌则生产两种乳酸的混合物，主要是乳酸脱氢酶的不同。2.7.3 丙酸发酵丙酸菌，例如在格鲁耶尔奶酪中发现，经过一系列以甲基丙二酰 CoA 为中间产物的反应，可将丙酮酸转化为丙酸。在特殊的转
39、羧化反应中，被用作丙酸的直接来源。甲基丙二酰CoA 经过内部转羧化作用，由琥珀酸 CoA 形成，可由草酰乙酸重新生成（经苹果酸、延胡羧酸和琥珀酸），同时 2 摩尔 NADH 被氧化 NAD+。在某些羧状芽孢杆菌中，丙酸可由丙酮酸经乳酸和丙烯酸直接生成；这个转化过程又将 2 摩尔 NADH 重新氧化。2.7.4 丁二醇发酵。2 摩尔丙酮酸经过浓缩最终生成2，2-丁二醇，只有最后一步反应与NADH 的氧化相联系，因此，1 摩尔丙酮酸只生成0.5 摩尔 NAD+，这些有机体也可将丙酮酸转化为其他产物包括乳酸和甲酸。2.7.5 甲酸发酵在不同的细菌体内，丙酮酸部分转化为乳酸，部分转化名师资料总结-精品
40、资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 37 页 -为乙酰CoA+甲酸。后一种反应被称为磷酸裂解反应，甲酸能够少量积累但常常被甲酸水解酶转化为CO2+H2。这种从丙酮酸到乙酰CoA 的途径，其优点是它不生成NADH 从而避免了必需的再氧化过程。乙酰 CoA 经过醛脱氢酶作用转化为乙醛。将乙醛还原为乙醇的过程通过进一步的NADH 来完成。注意这种生成酒精的过程与酵母产酒精过程是不同的。2.7.6 丁酸发酵历史上，丁酸、丙酮和propan-2-ol的生产过程是最古老的精细发酵过程，i.e.从利用已知单菌株进行的发酵过程规律发展而来。这类葡萄糖代谢的终产物经过图2.17的代谢流程，由羧状芽孢杆
41、菌进行生产。有一些不同的是，某些羧状芽孢杆菌生产丁酸、乙酸、CO2和 H2；而另一些则主要生产丙酮而不是propan-2-ol，由于所选用的物种和菌株以及培养条件的不同，终产物所占的比例也就发生变化。2.7.7 miscellaneous 2.8 生物合成与生长微生物细胞可以利用简单的营养物进行自身的繁殖，生物细胞用以完成这个过程所利用的途径数目是巨大的。一个细菌细胞可能包含有100 多种酶，而真核生物细胞含有的酶的种类大约为细菌中的2 倍。细胞中所有的大分子物质是由名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 37 页 -100 多种单体而组成的（蛋白质、核酸、多糖等）。图
42、 2.18总结概括了这些单体物质生物合成途径（氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸、糖等）。这些生物合成途径是相互联系的，都依赖于有足够量的必要的中间体。然而，我们无法说明这些途径的特点，关于它们研究普通生物学的部分，这方面的参考书也较多。因此，由于特定的代谢途径与具体的发酵过程相联系，我们将在合适的章节中进行讲述。由于细胞所进行的代谢活动是以平衡方式进行的，因此所产生的终产物不会过量也不会不足，这种过量与不足都是不利的。为生物细胞必须能够对周围环境的变化做出调整，同时也要充分利用供给的氨基酸、嘌呤和嘧啶。这是自然习惯常会发生的情况，也是一个复杂的营养物作为生长底物被利用的场所。这些营养物含有大量的含碳
43、化合物，因此，细胞可以通过停止合成已经足量的物质来保存碳和能量，而且通过停止合成多余的酶进一步实现节约，因此就有了两种完全不同的作用方式酶活性的调控和酶合成的调控，通过这两种方法，细胞就能够调控各种化合物的合成过程。相同的调控机制也用来对合成过程进行平衡，甚至在没有天然物质供给的情况下。这种控制机制在这个部分讲述。2.8.1 控制机制2.8.1.1 营养物的吸收细胞代谢控制从细胞吸收营养物的调控开始。大部分营名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 37 页 -养物，除了氧气与极少数含碳化合物以外，都是通过特定的传递机制而被吸收的，因此，这些营养物在细胞外的稀释液在细胞中
44、得到浓缩，这种“主动传递”过程需要能量供应。这个过程是可以控制的，一旦吸收到细胞内的营养物的含量达到了所需要的浓度，就会停止后面营养物的摄入。2.8.1.2 区分第二种形式的代谢控制是利用细胞间隔或是细胞器以实现对代谢产物库的分隔，最明显的例子是真核细胞的线粒体把三羧酸循环反应与细胞质中的反应分隔开来。另一个例子是，过氧化物酶体，它包含降解脂肪酸所有的酶。然而同时有些相似的酶可催化并合成脂肪酸。其他细胞器相类似的控制细胞中的其他反应（液泡、细胞核、叶绿体等）。2.8.1.3 酶合成控制细胞中的许多酶作为细胞的基本组成部分而存在，处于生长条件下。其他酶则在需要的时候“出现”，例如乙醛酸途径中的异
45、柠檬酸裂解酶是在当细胞在C2底物上生长的时候才出现的，这被称为酶的诱导合成。相反的，当不再需要它们的时候，就会“消失”，例如，如果已经有足够的组氨酸满足细胞的生长需要，那么于组氨酸合成的酶就不再被合成，这被称为阻遏；如果化合物的供应一旦消失，进行物质合成的酶又将会重新出现，其合成过程称为去阻遏。为了理解这样的控制是如何作用的，就有必要概述一下名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 37 页 -蛋白质的合成过程。蛋白质（包括所有的酶）通过核糖体组织的酶复合物和RNA 系列添加氨基酸而合成（图 2.19）。确保氨基酸的正确顺序的密码位于信使 RNA 上，而信使 RNA 是
46、DNA 的一个片断进行 复制 而在细胞染色体内合成的。这个过程由依赖DNA 的 RNA 多聚酶催化，被称为转录。众所周知，染色体是由 DNA 双螺旋按照精确排序的碱基组成的：腺嘌呤（A），胞嘧啶（C），胸腺嘧啶（T）和鸟嘌呤（G）。DNA的两条链只是通过相邻碱基间的氢键相连接。由于 A 总是与 T 配对，而 C 总是与 G 配对，那么从一条单链就可生成一条新的DNA链，这条单链与最初原来的那条链互补。DNA 以这样的方式进行复制，从而保留遗传信息或者密码；信使RNA 也是来自于 DNA 的一条单链。除过用尿嘧啶代替胸腺嘧啶，RNA互补于DNA 而且其自身的碱基同样携带者遗传密码。尽管许多 mR
47、NA 读取整条 DNA 链，但是每个mRNA 只是 DNA链上的一小部分。核糖体附着于mRNA 上，而且在核糖体中，mRNA 上的碱基每次被读取3 个，转译 为特定的氨基酸密码。这个密码称为密码子。例如，密码子UCA 就至代表着丝氨酸而CAG代 表 谷 氨 酸；因 此，当 黏 附 于 核 糖 体 的mRNA遇 到UCACAG那么就会生成丝-谷氨酸。以共价键连接在特殊转移 RNA（tRNA）上的每个氨基酸都可识别mRNA 上与其相名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 37 页 -对应的 3 个碱基。氨酰-tRNA 是反应单元，它被核糖体利用从而合成不断增长的肽链。每个单
48、一的mRNA 分子编码一个蛋白质，它来源于染色体上的一个基因（某些功能酶由不只一个蛋白质构成，例如丙酮酸脱氢酶）。每个基因都可以被多次转录，染色体中就不是仅有这个基因的一个拷贝，从而遗传信息就被扩大了。经过整个转录与转译过程，合成了蛋白质，对于这个过程的调控是非常复杂的。原核生物与真核生物尤其是在具体的细节上是不同的，而且很多方面还无法解释。尽管如此，细菌系统中的调控机制是可以说明的。由 DNA 生成 mRNA 的过程是由染色体上编码诱导蛋白或者阻遏蛋白 的那部分控制的。这种机制如图 2.20 所示。DNA 上被称为 调节基因 的部分生成调控阻遏蛋白，它的作用是结合到另一个通常是相邻的基因上。
49、将这个蛋白结合到操作基因上就阻止了一段基因的转录过程。这段基因是一个或多个结构基因，它负责编码酶蛋白的mRNA 的合成。如果有诱导物存在，诱导物结合到调控蛋白上，从而阻止了调控蛋白结合到操纵基因上，自由的操纵基因就允许结构基因进行转录而合成相应的蛋白质。这就是如何将一个新的代谢途径引进到操作中。只要有诱导分子的存在，那么酶的和成就一直进行，如果除去诱导物，或者诱导物被消耗完（常常是它诱导的代谢途径），那么酶将停止合成。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 26 页，共 37 页 -当某个分子常常是代谢终产物与阻遏蛋白作用生成一种封锁操纵基因产物的时候，酶合成阻遏就会发生。如果这个产
50、物被除去或者消耗完，那么阻遏蛋白将不再结合到操纵基因上，结构基因开始转录，同时终产物又重新开始合成。2.8.1.4 分解代谢阻遏这种代谢调控是对已建立的酶的诱导与阻遏调控的这种想法的延伸，通过向微生物培养液中添加外来营养物来实现。分解代谢阻遏这个术语涉及许多普遍的现象，来看这个例子，当一个微生物可从同时提供给它的一种或多种碳源中进行选择的话，它们则选择利用其偏好的那种底物。例如，如果给一个微生物同时供给葡萄糖和乳糖，则乳糖被忽略直到所有的葡萄糖被消耗完。若供应多种可利用的氮源，那么会出现项类似的情况。对细胞来说，分解代谢物阻遏的优点在于能够以最少的能量消耗对其进行利用。分解代谢物阻遏的具体机制