微生物代谢及其调控课件

第第7章微生物的代谢及其调控章微生物的代谢及其调控1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23向心途径在细胞机器工作模式中的位置向心途径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泌41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1.3 生物能的产生（细胞能学）讨论5各种有机营养物质（包括经水解酶各种有机营养物质（包括经水解酶降解形成的有机营养物质）大多以主动降解形成的有机营养物质）大多以主动输送的方式进入原核生物的细胞，以促输送的方式进入原核生物的细胞，以促进扩散和主动输送的方式进入真核微生进扩散和主动输送的方式进入真核微生物的细胞，这几种输送方式均需借助于物的细胞，这几种输送方式均需借助于细胞的蛋白质（载体蛋白或酶）。细胞的蛋白质（载体蛋白或酶）。化能异养型微生物可以广泛地利用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。在发酵种各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农副产品。工业上发酵生产的原料大多是农副产品。微生物必须能合成并分泌能分解这些原料微生物必须能合成并分泌能分解这些原料的酶，把原料转化成可以进入细胞的有机的酶，把原料转化成可以进入细胞的有机营养物质。营养物质。6进入细胞的营养物质若是中心代进入细胞的营养物质若是中心代谢途径的起始物或中间产物，即可纳谢途径的起始物或中间产物，即可纳入中心代谢途径进行代谢；若不是中入中心代谢途径进行代谢；若不是中心代谢途径的起始物或中间产物，则心代谢途径的起始物或中间产物，则需经向心途径的降解途径，转化成中需经向心途径的降解途径，转化成中心代谢途径的起始物或中间产物，才心代谢途径的起始物或中间产物，才可纳入中心代谢途径进行代谢。可纳入中心代谢途径进行代谢。7化能异养型微生物细胞借助于微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（碳水生物的向心途径将有机化合物（碳水化合物、烃类化合物、含氮有机化合化合物、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物，从而使中心途径上对应的的化合物，从而使这两种途径衔接起来。微生物的向心这两种途径衔接起来。微生物的向心途径一般依次包括三个部分：途径一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8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，两者的接合两者的接合点（接口）原则上可以是中心途径上的任意化合物，点（接口）原则上可以是中心途径上的任意化合物，但主要是但主要是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途径的如果进入细胞的营养物质已经是中心代谢途径的起始物或中间产物，则胞内向心途径就缩成一个起始物或中间产物，则胞内向心途径就缩成一个“点点”，这个点也就是向心途径与中心途径的接口，这个点也就是向心途径与中心途径的接口。代谢网络的向心途径往往是分解代谢途径，它们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。大多是以中心途径上对应的化合物为终点的。9微生物能分泌胞外酶（多是水解酶），把多聚微生物能分泌胞外酶（多是水解酶），把多聚物水解成可以进入细胞的分子。物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。细胞还会分泌一些附着物，使某些疏水化胞相连。细胞还会分泌一些附着物，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，以便于降解。多聚物水解不会产生可被生物利用的能量，但多聚物水解是向心会产生可被生物利用的能量，但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10可作为营养的多聚物包括：淀粉、纤维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、原果胶质素、果胶类物质（果胶酸、果胶、原果胶质）、）、几丁质（几丁质（甲壳质甲壳质）、半纤维素）、半纤维素、木质、木质素、蛋白质和多肽、核酸等。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，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它能将甘油三脂水解成脂肪酸和甘油后再利用。用。11(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1006000，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。121.淀粉经-淀粉酶（外切型淀粉酶，从非还原性末端C4，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的残基构型转变成型）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。2.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端依此水解-1,4糖苷键，其中包含麦芽糖的-1,4键及少量的-1,6键）作用，理论上生成100%的葡萄糖。3.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。13（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纤维素酶包括酶（内切-1,4键）、C1酶（外切-1,4键）及酶（-1,4葡萄糖苷酶）等组分。o纤维素经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，经酶处理产物为葡萄糖14（3）果胶o果胶酸：以-1,4键相连的多聚半乳糖醛酸，水溶性。o原果胶：果胶酸的钙盐，不溶于水o果胶（果胶酯酸）：75半乳糖醛酸被甲醇酯化。o果胶酶包括：果胶质解聚酶（专一分解半乳糖醛酸之间的-1,4键）和果胶酯酶（，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15（4）几丁质o几丁质（甲壳质），也称壳聚糖，其组成单位是：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。16（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。17（6）木质素（)木质素是自然界除纤维素外最多的多糖。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。18（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，脂肪酸经氧化生成进入环，甘油转化成或 319二糖的吸收和降解（一般在细胞内发生）二糖的吸收和降解（一般在细胞内发生）乳糖乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶+半乳糖半乳糖纤维二糖纤维二糖+纤维二糖磷酸化酶纤维二糖磷酸化酶+6麦芽糖麦芽糖+麦芽糖磷酸化酶麦芽糖磷酸化酶+1蔗糖蔗糖+蔗糖酶蔗糖酶1+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20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，这个酶的生物学功能可能起解毒作用。21o6o果糖果糖6o半乳糖半乳糖11o甘露糖甘露糖66o甘露糖激酶甘露糖激酶6-磷酸甘露糖异磷酸甘露糖异构酶构酶己糖的降解己糖的降解22o核糖在激酶催化下生成5，即可进入和途径。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 5，即可进入或途径。o木糖转化成木酮糖再生成 5进入途径o来苏糖转化成 5进入环（3）戊糖的降解（核糖、木糖和阿拉伯）戊糖的降解（核糖、木糖和阿拉伯糖）糖）23q果胶酸经胞外酶作用降解成半乳糖醛酸，再进一果胶酸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途径的中间产物途径的中间产物，即可进入，即可进入途径。途径。这样的作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆菌中这样的作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆菌中比较明显。比较明显。q葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸q果糖醛酸果糖醛酸q甘露糖醛酸甘露糖醛酸转化成转化成经途径代谢经途径代谢q木糖醛酸木糖醛酸q葡萄糖酸葡萄糖酸经磷酸化生成经磷酸化生成6进入途径进入途径（4）己糖醛酸的降解24（5）醇类的降解与利用）醇类的降解与利用o乙醇氧化生成乙醛再到乙酸，然后乙酸乙醇氧化生成乙醛再到乙酸，然后乙酸o甘露糖醇甘露糖醇甘露糖甘露糖-16o山梨糖醇山梨糖醇山梨糖山梨糖6o丙三醇（甘油）丙三醇（甘油）或或3，进入环或途径，进入环或途径25（6）各种有机酸）各种有机酸o乙酸乙酸 o草酸还原生成乙醛酸（）进入的辅助环草酸还原生成乙醛酸（）进入的辅助环o苹果酸（）进入环苹果酸（）进入环o酒石酸：若经脱水生成酒石酸：若经脱水生成，也可转化成，也可转化成33o丙酸丙酸丙酰丙酰 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，其中乙酸经进入环或（和）环。裂解成乙酸和乳酸，其中乙酸经进入环或（和）环。而乳酸经乳酰而乳酸经乳酰 、丙酮酰、丙酮酰 ，转化成羟基丙酮醛，丙，转化成羟基丙酮醛，丙酸主要经乙酸代谢酸主要经乙酸代谢o乙醇酸（羟基乙酸）乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后乙醇酸（羟基乙酸）乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后者直接与反应，生成苹果酸进入环者直接与反应，生成苹果酸进入环26（7）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。其中甘油经3-磷酸甘油或经二羟基丙酮转化成磷酸二羟丙酮（）进入途径，脂肪酸经氧化生成进入环。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，若为奇数，则同时也得到丙酰。o 直接进入 环降解，丙酰 则可以经甲基丙二酸单酰，然后甲基丙二酸单酰 分子重排，形成而进入环。27（8）脂肪族烃的降解（石油发酵）脂肪族烃的降解（石油发酵）o关于石油发酵生产的问题o烃类氧化成醇、醛、酸，再氧化成脂肪酸，脂肪酸经氧化生成，进入循环。o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C5C8脂肪族烃中生长的细菌相对较少，如分支细菌、黄杆菌、诺卡氏菌等。28（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：，乙酰乙酸，o2-氧代异戊酸o 2-氧代异己酸o 2-氧代-3-甲基戊酸 和丙酰29(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3230（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）。大多先被转变成儿茶酚（酸、奎尼酸等）。大多先被转变成儿茶酚（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邻位分解儿茶酚和原儿茶酸再经邻位分解 （3-3-氧代己氧代己酸途径酸途径 ）降解成和；降解成和；o 或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途径）降成和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶解途径）降成和乙醛。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”。31 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降解芳香族氨基酸。和经尿黑酸（香族氨基酸。和经尿黑酸（2,5-二羟苯二羟苯乙酸乙酸）降解为延胡索酸和乙酰）降解为延胡索酸和乙酰，即可进，即可进入环。入环。32（12）细胞内源性高聚物的降解o（多聚-羟基丁酸）解聚生成-羟基丁酸，再生成，进入环。o（聚-谷氨酸）解聚后生成谷氨酸，脱氨后生成。33（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 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，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。341.3 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35PYRGlcGAGLG-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-PPYR 2(F-6-P)(TA)(TK)C4P,C7PHMP（FDP醛缩酶）醛缩酶）葡葡萄萄糖糖降降解解途途径径之之间间的的关关系系36PYRAcCoA+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37GlcG-6-P(PTS)(HK)(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)待待续续38PYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-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)接接上上页页39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40不完全氧化是微生物令人感兴趣的性不完全氧化是微生物令人感兴趣的性质，所谓不完全氧化，指的是在这过程中质，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为工业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，这个过程对工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。业发酵是十分重要的。41在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到分子上n 底物水平的磷酸化 42 左图描绘了大左图描绘了大左图描绘了大左图描绘了大肠杆菌细胞质膜肠杆菌细胞质膜肠杆菌细胞质膜肠杆菌细胞质膜的情况：由磷脂的情况：由磷脂的情况：由磷脂的情况：由磷脂双分子层组成的双分子层组成的双分子层组成的双分子层组成的单位膜中相对固单位膜中相对固单位膜中相对固单位膜中相对固定地镶嵌着电子定地镶嵌着电子定地镶嵌着电子定地镶嵌着电子传递链的成员、传递链的成员、传递链的成员、传递链的成员、合成酶及载体蛋合成酶及载体蛋合成酶及载体蛋合成酶及载体蛋白。电子传递链白。电子传递链白。电子传递链白。电子传递链在图中被描绘成在图中被描绘成在图中被描绘成在图中被描绘成一系列相互作用一系列相互作用一系列相互作用一系列相互作用的蛋白质。的蛋白质。的蛋白质。的蛋白质。43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4445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462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47离心途径在细胞机器工作模式中的位置离心途径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48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初级代谢产物和能量代谢副产物；其各种初级代谢产物和能量代谢副产物；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。49有机物的降解途径的运行可为微生物的自身合成提供前有机物的降解途径的运行可为微生物的自身合成提供前体代谢物、代谢能和还原力。有了这三者，微生物细胞就可体代谢物、代谢能和还原力。有了这三者，微生物细胞就可以合成细胞中主要的生物多聚体的前体（模块分子）：大致以合成细胞中主要的生物多聚体的前体（模块分子）：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生物多聚体：这些前体再按生物学规律合成生物多聚体：核酸、蛋核酸、蛋白质、多糖和脂质等，直至整个微生物细胞活有机体。白质、多糖和脂质等，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模块等的生物合成50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，包含初级代谢产杂性，从工业发酵的角度来看，包含初级代谢产物、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。明构建微生物菌体细胞的路子。516()()(G6)561,6-2P()()33()()()()()()糖原糖原肌醇肌醇磷脂磷脂肽聚糖肽聚糖莽草酸莽草酸 预苯酸预苯酸分支酸分支酸 (真菌真菌),对对氨基苯甲酸氨基苯甲酸,叶酸叶酸磷脂磷脂甘油甘油-酮异戊酸酮异戊酸,能量代谢的能量代谢的副产物副产物续续待待52,类异戊二烯类异戊二烯化合物化合物,甾甾醇醇,脂肪酸脂肪酸,脂肪脂肪,磷脂磷脂(真菌真菌)卟啉卟啉,细胞色素细胞色素(细菌细菌),页页上上接接532.1.1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（6）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6的各种前体物质的各种前体物质（如环的中间代谢物和生糖氨基酸、如环的中间代谢物和生糖氨基酸、等等），均汇集到这条途径合成），均汇集到这条途径合成6。54环的中间代谢物用于单糖合成时先被环的中间代谢物用于单糖合成时先被氧化为，然后在（磷酸烯醇式丙酮酸羧激氧化为，然后在（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶）的催化下转变为酶）的催化下转变为，借助于替代磷酸借助于替代磷酸果糖激酶（果糖激酶（）的己糖二磷酸酯酶，逆）的己糖二磷酸酯酶，逆途途径而上而合成径而上而合成6。55一些氨基酸也可以作为合成一些氨基酸也可以作为合成6的前体。的前体。例如例如和和分别经转氨酶转变成分别经转氨酶转变成和和，然后经，然后经如上合成如上合成6。有些氨基酸如生酮氨基酸。有些氨基酸如生酮氨基酸降降解后，生成解后，生成，后者经后者经和联合途径合成，然和联合途径合成，然后合成后合成6。脂肪酸经。脂肪酸经-氧化生成的，也经氧化生成的，也经同样途径合成同样途径合成6。56B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合物存储物合成主要是以葡萄糖或葡萄糖或1-磷酸葡萄糖为模块分子的。这个模块分子也用于磷酸葡萄糖为模块分子的。这个模块分子也用于大肠杆菌和其它革兰阴性菌的脂多糖层的合成和真大肠杆菌和其它革兰阴性菌的脂多糖层的合成和真菌的细胞壁多糖的合成。菌的细胞壁多糖的合成。在原核生物中作为葡萄糖基供体的糖核苷酸，在原核生物中作为葡萄糖基供体的糖核苷酸，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（而在酵母中是），在其它的场合，萄糖的供体是（而在酵母中是），在其它的场合，譬如肽聚糖和脂多糖的合成中，糖的供体都是单糖。譬如肽聚糖和脂多糖的合成中，糖的供体都是单糖。57含氮有机化合物涉及的面很广，主要包括氨基含氮有机化合物涉及的面很广，主要包括氨基酸、蛋白质系列和嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸、酸、蛋白质系列和嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸、核酸系列，还有许多辅酶（如、等等）也是含核酸系列，还有许多辅酶（如、等等）也是含氮有机化合物。氮有机化合物。3和和4+中氮原子为中氮原子为-3价，细胞有机物中的氮价，细胞有机物中的氮原子也是原子也是-3价。价。工业上应用的微生物能够利用工业上应用的微生物能够利用3和和4+，以及糖代谢的代谢中间物合成它们所需以及糖代谢的代谢中间物合成它们所需要的全部氨基酸和其它含氮有机化合物。要的全部氨基酸和其它含氮有机化合物。2.1.2含氮化合物的合成含氮化合物的合成58A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。5960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个，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产物的抑制。终端产物的抑制。61蛋白质合成中，氨基酸是原料，是蓝图，蛋白质合成中，氨基酸是原料，是蓝图，核糖体是合成机器，还需要核糖体是合成机器，还需要作为氨基酸的作为氨基酸的运载工具，还需要一系列的酶和辅因子；蛋运载工具，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过程。白质的合成是个消耗代谢能的过程。B蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成62详细的合成过程在生物化学和分子生物学中已有叙述。这详细的合成过程在生物化学和分子生物学中已有叙述。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的内侧还是外侧，取决于蛋白质肽链起始端有没有于膜的内侧还是外侧，取决于蛋白质肽链起始端有没有“信号信号顺序顺序”。63这些这些“信号顺序信号顺序”编码的肽链上含有很多疏水氨编码的肽链上含有很多疏水氨基酸，这些先合成的疏水肽链的存在，导致正在合成其基酸，这些先合成的疏水肽链的存在，导致正在合成其本身的本身的“核糖体串核糖体串”与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到胞外；合成一结束，到胞外；合成一结束，“信号顺序信号顺序”所编码的肽链就被所编码的肽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。特殊的肽酶切下来，使新合成的蛋白质定位在膜的外侧。如果于蛋白质肽链起始端没有如果于蛋白质肽链起始端没有“信号顺序信号顺序”，新合成的，新合成的蛋白质只能定位在膜的内侧。蛋白质只能定位在膜的内侧。64C核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸是从嘌呤核苷酸是从5和和3（用于嘌呤生物合成）合成（用于嘌呤生物合成）合成的。的。嘧啶核苷酸是从嘧啶核苷酸是从5和（用于嘧啶生物合成）合成的。和（用于嘧啶生物合成）合成的。脱氧核苷酸可由核苷酸还原而成，通常脱氧核苷酸脱氧核苷酸可由核苷酸还原而成，通常脱氧核苷酸是通过由氢取代是通过由氢取代“2”基团（氢是由提供的），在基团（氢是由提供的），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核苷一磷酸的外，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。水平上的嘧啶环甲基化而实现的。65的合成（转录）可以抽象概括成：的合成（转录）可以抽象概括成：（含（含等）等）的合成（翻译）可以抽象概括成：的合成（翻译）可以抽象概括成：其详细过程及反应在生物化学和分子生其详细过程及反应在生物化学和分子生物学中已有叙述。物学中已有叙述。D和的合成和的合成66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，（四氢叶酸、，（四氢叶酸、4），（），（焦磷酸硫胺素）等。这些辅酶焦磷酸硫胺素）等。这些辅酶由细胞自身合成。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67 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 开始，开始，经吡经吡啶啶-2,3-二羧酸二羧酸 合成合成和。和。（桃李黄单胞菌桃李黄单胞菌）可从）可从 开始合成。然开始合成。然而而 大部分已研究过的大部分已研究过的细菌合成细菌合成 的途径的前的途径的前半段（半段（吡啶吡啶-2,3-二羧二羧酸以前酸以前）是完全不同的，）是完全不同的，而后半段而后半段 对所有生物对所有生物细胞都是一样的。细胞都是一样的。68F.其它含氮细胞物其它含氮细胞物质的合成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）的（或电子传递链）的电子载体细胞色素的电子载体细胞色素的前体。细胞色素的铁前体。细胞色素的铁卟啉的合成从琥珀酰卟啉的合成从琥珀酰辅酶辅酶A（）与甘氨）与甘氨酸的反应开始，经氨酸的反应开始，经氨基乙酰丙酸而合成卟基乙酰丙酸而合成卟啉，最后形成铁卟啉。啉，最后形成铁卟啉。69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、类脂的合成微生物对脂类、类脂的合成70A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）的关键化）的关键化合物是合物是的衍生物酰基载体蛋白（）。最早发现于一种的衍生物酰基载体蛋白（）。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，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。这种载体蛋白含有至今已从多种微生物分离出来。这种载体蛋白含有-丙氨酸和丙氨酸和2-巯基乙胺，并且在脂肪酸合成的所有步骤巯基乙胺，并且在脂肪酸合成的所有步骤中都结合在脂酰基上。中都结合在脂酰基上。微生物饱和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：71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；然后由两个酶将乙酰然后由两个酶将乙酰和丙二酸单酰分别转和丙二酸单酰分别转化成的衍生物。以此化成的衍生物。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、还原、脱水、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。72细胞脂类组分的模块分子除了脂肪酸以外，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，它是从途径中的磷酸二羟丙酮直接衍生的，磷酸甘油，它是从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作为磷脂和甘油三酯的“骨架骨架”，磷脂的磷脂的“醇醇”的部的部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的分，真菌中最常见的参与磷脂组成的“醇醇”有胆碱，有胆碱，乙醇胺和肌醇。乙醇胺和肌醇。固醇。固醇。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-磷脂酸的磷脂酸的脱磷酸，以及随后脱磷酸，以及随后D，-甘油二酯与脂肪酰甘油二酯与脂肪酰-（或合适的脂肪酸的或合适的脂肪酸的衍生物衍生物）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73 途径的中间产途径的中间产物物（磷酸二羟丙酮（磷酸二羟丙酮）和脂肪酸合成的）和脂肪酸合成的中间产物中间产物 （脂肪脂肪酰酰-酰基载体蛋白）酰基载体蛋白）是磷脂酸的合成的是磷脂酸的合成的前体。磷脂酸可以前体。磷脂酸可以生成中性脂肪，然生成中性脂肪，然而大多数磷脂酸用而大多数磷脂酸用于磷脂合成（磷脂于磷脂合成（磷脂的合成过程可以归的合成过程可以归纳成如左图（此图纳成如左图（此图未显示未显示 出下页所述出下页所述对磷脂酸的激活）。对磷脂酸的激活）。74磷脂的合成磷脂的合成，不论在原核还是真核细胞，需要（胞苷三磷酸，不论在原核还是真核细胞，需要（胞苷三磷酸，简称胞三磷）。与简称胞三磷）。与-磷脂酸生成甘油二酯：（磷脂酸生成甘油二酯：（-磷脂酸）磷脂酸）+（甘油（甘油二酯）二酯）+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氨酸合成磷脂酰乙醇胺是经过中间产物磷脂酰丝氨酸合成的：的：（甘油二酯）（甘油二酯）+（）（）（磷脂酰）（磷脂酰）+（磷脂酰）（磷脂酰）磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺+2在真核细胞中，磷脂酰乙醇胺的合成反应为：在真核细胞中，磷脂酰乙醇胺的合成反应为：（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+75B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（）也是从合成，也是从合成，其过程简要表其过程简要表示如左图示如左图。76兼性厌氧的化能异养型微生物在缺氧条件下生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，环环式运行中断，长或维持生存的情况下，环环式运行中断，环变成环变成在在处发生分支的分叉途径，形成从出发的经苹果酸处发生分支的分叉途径，形成从出发的经苹果酸（）、延胡索酸（）、延胡索酸（）到琥珀酸（）的途径还原支路，）到琥珀酸（）的途径还原支路，和从和从出发的经柠檬酸（出发的经柠檬酸（）、异柠檬酸（）到）、异柠檬酸（）到-酮酮戊二酸（戊二酸（）的途径氧化支路。）的途径氧化支路。2.2能量代谢副产物的合成能量代谢副产物的合成77782.3次级代谢产物的合成次级代谢产物的合成79GluG-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802.4 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。此外，在从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。因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。核糖核酸（）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。脱氧核糖核酸（）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。813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82代谢网络假说是从目的产物假说发展起来的。出代谢网络假说是从目的产物假说发展起来的。出于寻找发酵学的于寻找发酵学的“元素周期表元素周期表”，用以预测工业发酵，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。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都有可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。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酵建立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？关系呢？假使与工业发酵发生关系，归结为它们怎样能与代假使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。谢网络联网的问题。83联网？就是用化学或生物化学反应把指定的化合联网？就是用化学或生物化学反应把指定的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。联系。联网的设想促成了代谢网络的人为延伸。对于工业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，代谢网络的人为延伸意味着新原料和新产品发酵来说，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发的新领域。的开发，意味着工业发酵研究和开发的新领域。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（含重组技术）目前可以采用化学方法或生物学方法（含重组技术）来实现。来实现。84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。85一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，生化反应途径按生物化学规律汇成生反应途径，生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络（若途径在活细胞里运行，则为代谢化反应网络（若途径在活细胞里运行，则为代谢途径）分解代谢途径和合成代谢途径与输送系统途径）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86在供氧条件下，途径进行正常的环式运行在供氧条件下，途径进行正常的环式运行（环）。微生物依靠有氧生长的代谢网络，合（环）。微生物依靠有氧生长的代谢网络，合成细胞组成物质，高速地转化生成代谢能，最成细胞组成物质，高速地转化生成代谢能，最终形成整个细胞，实现正常生长。在以环为骨终形成整个细胞，实现正常生长。在以环为骨架的中心板块的基础上构成有氧生长的代谢网架的中心板块的基础上构成有氧生长的代谢网络：络：（1）有氧生长的代谢网络有氧生长的代谢网络87微生物的代谢网络微生物的代谢网络(局部局部)88在在缺缺氧氧条条件件下下，途途径径的的环环式式运运行行中中断断，环环变变成成在在处处发发生生分分支支的的分分叉叉途途径径，形形成成从从出出发发的的经经苹苹果果酸酸（）、延延胡胡索索酸酸（）到到琥琥珀珀酸酸（）的的途途径径还还原原支支路路和和从从出出发发的的经经柠柠檬檬酸酸（）、异异柠柠檬檬酸酸（）到到-酮酮戊戊二二酸酸（）的的途途径径氧氧化化支支路路。在在以以分分叉叉途途径径为为骨骨架架的的中中心心板板块块的的基基础础上上构构建建缺缺氧氧生生存存的的代代谢谢网网络络。下下图图是是兼兼性性厌厌氧氧微微生生物物在在缺缺氧条件下发酵生成能量代谢副产物的简略的示意图。氧条件下发酵生成能量代谢副产物的简略的示意图。（2）缺氧生存的代谢网络缺氧生存的代谢网络8990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下游反应相可能实现。有时这些步骤还需与下游反应相兼容和协调。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91这是一个具有巨大潜力的领域，异源这是一个具有巨大潜力的领域，异源基因的合理表达能拓展宿主微生物现有的基因的合理表达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92当微生物进行生命活动时，代谢物在网络中当微生物进行生命活动时，代谢物在网络中的某些途径中流动，形成代谢流；在不同生理状的某些途径中流动，形成代谢流；在不同生理状况下，代谢网络中代谢流流经的途径不完全相同。况下，代谢网络中代谢流流经的途径不完全相同。在工业发酵的发酵产品生成阶段，代谢网络中代在工业发酵的发酵产品生成阶段，代谢网络中代谢流流经的途径是相对集中，形成代谢主流，代谢流流经的途径是相对集中，形成代谢主流，代谢主流流经的路径相对确定。谢主流流经的路径相对确定。4代谢网络中代谢物流的形成代谢网络中代谢物流的形成93在代谢工程领域，代谢流往往是指碳架物质流。在一在代谢工程领域，代谢流往往是指碳架物质流。在一定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对集定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做该培养条件下的代谢主流。代谢主流流经中的代谢流叫做该培养条件下的代谢主流。代谢主流流经的代谢途径称为载流路径。的代谢途径称为载流路径。载流路径是代谢网络中一个与时间相关的组成部分，载流路径是代谢网络中一个与时间相关的组成部分，可以把载流路径的全部或局部看作是代谢网络的亚网络。可以把载流路径的全部或局部看作是代谢网络的亚网络。4.1代谢网络中的代谢物流代谢网络中的代谢物流94微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、流量甚至载流路径都可能发生变化。这就是微生物代流量甚至载流路径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络的途径的选择谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络的途径的选择性。这种变动和选择的根据在微生物细胞的遗传物质，性。这种变动和选择的根据在微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。95为了提高产物对原料的转化率，就要求为了提高产物对原料的转化率，就要求代谢主流（根据代谢分析的结果）从设定的代谢主流（根据代谢分析的结果）从设定的路径流过，使它成为载流路径。这样的载流路径流过，使它成为载流路径。这样的载流路径是带有主观导向性的虚拟的载流路径，路径是带有主观导向性的虚拟的载流路径，所以把它叫做理想载流路径。所以把它叫做理想载流路径。4.2产物形成的理想载流路径产物形成的理想载流路径及其及其“五段式五段式”96典型的工业发酵是要从发酵液中获得典型的工业发酵是要从发酵液中获得微生物的代谢产物，也就是要让原料化学微生物的代谢产物，也就是要让原料化学物质在微生物细胞的有关代谢途径中流动物质在微生物细胞的有关代谢途径中流动的过程中，转化成工业发酵的目的产物，的过程中，转化成工业发酵的目的产物，最后使目的产物分泌出细胞。最后使目的产物分泌出细胞。97也就是说，胞外营养物质跨膜进入细胞，经也就是说，胞外营养物质跨膜进入细胞，经3段连续贯通的代谢途径（一般按向心途径、中心途径、段连续贯通的代谢途径（一般按向心途径、中心途径、离心途径的顺序）在胞内生成目的产物，最后，目的离心途径的顺序）在胞内生成目的产物，最后，目的产物经过膜排出细胞。产物经过膜排出细胞。因此其典型的理想载流路径应该由以上五段承担因此其典型的理想载流路径应该由以上五段承担不同代谢分工的依次衔接贯通的代谢途径组成。不同代谢分工的依次衔接贯通的代谢途径组成。98胞外酶（大部分是水解酶，往往是诱导酶）胞外酶（大部分是水解酶，往往是诱导酶）对原料的降解及促进营养物质进入细胞的过程：对原料的降解及促进营养物质进入细胞的过程：若用农副产品原料培养工业微生物，则这种微若用农副产品原料培养工业微生物，则这种微生物必须能合成并分泌水解这些原料的酶，以生物必须能合成并分泌水解这些原料的酶，以获得能进入微生物细胞的化合物（营养物质）。获得能进入微生物细胞的化合物（营养物质）。微生物细胞怎样去实现从工业原料到目的微生物细胞怎样去实现从工业原料到目的产物的转化呢？一般要经过以下产物的转化呢？一般要经过以下5个阶段，个阶段，并接受每个阶段的调节：并接受每个阶段的调节：99经胞内降解代谢途径汇人中心代谢途经胞内降解代谢途径汇人中心代谢途径：进入细胞的营养物质若是中心代谢途径径：进入细胞的营养物质若是中心代谢途径的起始物或中间产物，即可经中心代谢途径的起始物或中间产物，即可经中心代谢途径进行代谢，若不是则要经相应的降解途径降进行代谢，若不是则要经相应的降解途径降解或转变后，再进入中心代谢途径代谢。这解或转变后，再进入中心代谢途径代谢。这些起衔接作用的途径往往也是经诱导而合成些起衔接作用的途径往往也是经诱导而合成的，因而又涉及到变构蛋白的作用。的，因而又涉及到变构蛋白的作用。100中心代谢途径及其控制部位中心代谢途径及其控制部位中心代谢途径可兼用于降解和合成代谢，中心代谢途径可兼用于降解和合成代谢，其中涉及的变构蛋白和变构酶更多。包括流其中涉及的变构蛋白和变构酶更多。包括流经中心代谢途径的主要降解和合成代谢流，经中心代谢途径的主要降解和合成代谢流，以及它们各自最重要的控制以及它们各自最重要的控制“阀门阀门”，还有，还有中心代谢途径中代谢流流经的主要节点及分中心代谢途径中代谢流流经的主要节点及分支处的碳架物质流量的分配与调节。支处的碳架物质流量的分配与调节。101合成代谢流及其控制部位：以中心代谢途径的合成代谢流及其控制部位：以中心代谢途径的中间产物为起始底物的合成代谢流，及它们各自中间产物为起始底物的合成代谢流，及它们各自的控制的控制“阀门阀门”（往往是分支途径的第一个酶）。（往往是分支途径的第一个酶）。目的产物的分泌：在发酵工业上，除了以菌目的产物的分泌：在发酵工业上，除了以菌体细胞为产物的情况外，目的产物均需排出细体细胞为产物的情况外，目的产物均需排出细胞，因此，有必要研究目的产物的分泌问题。胞，因此，有必要研究目的产物的分泌问题。102代谢网络没有绝对的起点，也没有绝对的代谢网络没有绝对的起点，也没有绝对的终点，代谢网络的三个板块是一个整体。就像终点，代谢网络的三个板块是一个整体。就像有许多铁路线组成的各个铁路局和铁路交通网。有许多铁路线组成的各个铁路局和铁路交通网。当我们使用指定的原料生产某特定的发酵产品当我们使用指定的原料生产某特定的发酵产品时，我们期望碳架物质经最有利于高产的途径时，我们期望碳架物质经最有利于高产的途径（理想载流路径）代谢；正如我们乘火车去某（理想载流路径）代谢；正如我们乘火车去某城市就要选定一条合适的铁路线一样。城市就要选定一条合适的铁路线一样。103 实际上，微生物细胞的代谢网络一实际上，微生物细胞的代谢网络一直处于对环境的变动的响应之中，因此代谢直处于对环境的变动的响应之中，因此代谢网络是虚拟的网络概念。网络是虚拟的网络概念。网络中的离心途径的终端又可能成为向网络中的离心途径的终端又可能成为向心途径的起点；网络中的中心途径不止一条，心途径的起点；网络中的中心途径不止一条，而且有分支，向心途径和离心途径也有多条，而且有分支，向心途径和离心途径也有多条，而且也有汇合或分支。途径与途径之间还可而且也有汇合或分支。途径与途径之间还可能存在横向联系。能存在横向联系。104代谢网络假设把代谢形象化为一个虚拟的网络代谢网络假设把代谢形象化为一个虚拟的网络新原料、新产品开发的新原料、新产品开发的“地图地图”。物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约的，物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约的，微生物对环境的有限的适应性表现为：在一定的变微生物对环境的有限的适应性表现为：在一定的变化范围内，微生物随环境条件的变化随时调节有关化范围内，微生物随环境条件的变化随时调节有关的蛋白质、酶的合成和活性，以及细胞壳层结构的的蛋白质、酶的合成和活性，以及细胞壳层结构的通透性和选择性输送性，使代谢网络的变动性和适通透性和选择性输送性，使代谢网络的变动性和适应性因此而得到实现。应性因此而得到实现。代谢网络假说的科学基础与应用前景代谢网络假说的科学基础与应用前景105代谢网络假设把代谢途径和跨膜载体系统代谢网络假设把代谢途径和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体，以有利于从