第三节第三节微生物代谢网络微生物代谢网络的离心板块的离心板块2024/7/271代谢网络中，碳架物质代谢网络中，碳架物质离开中心板块所流经的代谢离开中心板块所流经的代谢途径统称离心途径，离心途途径统称离心途径，离心途径群组成代谢网络的离心板径群组成代谢网络的离心板块。块。2024/7/2723.3.1离心途径在代谢网络和细胞离心途径在代谢网络和细胞机器工作模式中的位置机器工作模式中的位置3.3.2微生物的合成代谢途径和代微生物的合成代谢途径和代谢网络中的离心途径谢网络中的离心途径2024/7/2733.3.1离心途径在代谢网络和细胞离心途径在代谢网络和细胞机器工作模式中的位置机器工作模式中的位置2024/7/274在微生物细胞代谢的过程中碳架物质在微生物细胞代谢的过程中碳架物质从中心板块流向离心板块。离心板块主要从中心板块流向离心板块。离心板块主要由离心代谢途径由离心代谢途径（centrifugalmetabolicpathway）组成。碳架物质从中心板块离组成。碳架物质从中心板块离开所流经的代谢途径，统称开所流经的代谢途径，统称离心途径离心途径。在。在工业发酵的工作模式中，离心途径也是工工业发酵的工作模式中，离心途径也是工业发酵业发酵载流路径的一部分载流路径的一部分。离心途径的变。离心途径的变化也取决于遗传与环境条件，本节讨论的化也取决于遗传与环境条件，本节讨论的内容建立在微生物细胞相对稳定的代谢基内容建立在微生物细胞相对稳定的代谢基础之上。础之上。2024/7/275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向心途径中心代谢途径中心代谢途径离心途径离心途径2024/7/2763.3.2微生物的合成代谢途径和代微生物的合成代谢途径和代谢网络的离心途径谢网络的离心途径2024/7/2773.3.2.1TCA环和环和DCA环底物的回补环底物的回补3.3.2.2分子模块等的生物合成分子模块等的生物合成3.3.2.3能量代谢副产物的合成能量代谢副产物的合成3.3.2.4离心途径终产物的跨膜机制离心途径终产物的跨膜机制2024/7/278离心途径始发于中心途径上对应的离心途径始发于中心途径上对应的化合物，这些化合物将中心途径与离心化合物，这些化合物将中心途径与离心途径衔接起来，成为这两种途径的途径衔接起来，成为这两种途径的“接口接口”。微生物的离心途径一般依次微生物的离心途径一般依次包括两个部分：包括两个部分：（1）胞内离心途径）胞内离心途径（2）跨膜送出系统或通透机制）跨膜送出系统或通透机制2024/7/279从初级代谢网络中心板块的前体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代谢物出发，经胞内离心途径可以合成细胞的各种成细胞的各种初级代谢产物初级代谢产物和和能量代能量代谢副产物谢副产物；其中有些可能透出或被输；其中有些可能透出或被输送出细胞（成为工业发酵的产物），送出细胞（成为工业发酵的产物），有些直接参与细胞自身的生长和繁殖有些直接参与细胞自身的生长和繁殖（在这种情况下就没有上述的跨膜部（在这种情况下就没有上述的跨膜部分）。分）。2024/7/2710在有氧生长的条件下，原养在有氧生长的条件下，原养型的工业微生物能够从葡萄糖、型的工业微生物能够从葡萄糖、无机盐和水经过代谢形成整个细无机盐和水经过代谢形成整个细胞，实现生长。经胞内离心途径胞，实现生长。经胞内离心途径可以合成细胞的组成物质可以合成细胞的组成物质（见下（见下图）。图）。2024/7/27112024/7/2712在缺氧或某些特殊的条件下，在缺氧或某些特殊的条件下，胞内另一些离心途径的代谢中间物胞内另一些离心途径的代谢中间物可以被脱氢酶的辅酶还原，生成一可以被脱氢酶的辅酶还原，生成一些可被分泌出细胞的能量代谢副产些可被分泌出细胞的能量代谢副产物，从而使辅酶得到再生，生物氧物，从而使辅酶得到再生，生物氧化得以继续，微生物细胞的生命活化得以继续，微生物细胞的生命活动得以维持动得以维持。2024/7/27132024/7/27143.3.2.1TCA环和环和DCA环底物的回补环底物的回补显然，离心途径的运行要从中心途径显然，离心途径的运行要从中心途径抽取有机化合物。特别值得关注的是中心抽取有机化合物。特别值得关注的是中心途径中的途径中的TCA环和环和DCA环，环中前提代环，环中前提代谢物（谢物（有机化合物如有机化合物如TCA环中草酰乙酸环中草酰乙酸和和-酮戊二酸，酮戊二酸，DCA环中的磷酸烯醇式丙环中的磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸、酮酸、丙酮酸、乙酰辅酶乙酰辅酶A和草酰乙酸等）和草酰乙酸等）的抽出必将影响环式运行的持续进行。的抽出必将影响环式运行的持续进行。2024/7/2715若要挽回这种危局，就必若要挽回这种危局，就必须对环进行回补，以维持环中须对环进行回补，以维持环中的代谢物流。以下是回补的示的代谢物流。以下是回补的示意图。意图。2024/7/2716AcCoAOAACTA3NADH,ATPFADH22CO2SCATCA环碳架物质的回补环碳架物质的回补CO2固定固定GOA环环原始底物原始底物再生底物再生底物2024/7/2717可把可把AcCoA看作是看作是TCA环的环的原始底物原始底物，把把OAA看作看作再生底物再生底物。再生底物不足，势。再生底物不足，势必影响必影响TCA环的正常运转，影响原始底物环的正常运转，影响原始底物AcCoA中乙酰基的降解。因而中乙酰基的降解。因而细胞内（真细胞内（真核微生物的线粒体内）草酰乙酸最初的生核微生物的线粒体内）草酰乙酸最初的生成及其量的维持，对成及其量的维持，对TCA环的正常运转至环的正常运转至关重要。关重要。然而，草酰乙酸和然而，草酰乙酸和-酮戊二酸是酮戊二酸是氨基酸和核苷酸生物合成所需的前体代谢氨基酸和核苷酸生物合成所需的前体代谢物，微生物的需氧生长往往会导致再生底物，微生物的需氧生长往往会导致再生底物草酰乙酸和物草酰乙酸和-酮戊二酸等酮戊二酸等TCA环其他底环其他底物的物的“外流外流”，从而威胁到乙酰基的降解。，从而威胁到乙酰基的降解。2024/7/2718为维持再生底物的量，必须对为维持再生底物的量，必须对TCA环进环进行回补。行回补。回补主要来自回补主要来自CO2的固定和乙醛酸的固定和乙醛酸环（环（GOA环）环）。CO2的固定的反应包括：的固定的反应包括：丙酮酸在丙酮酸羧化酶（丙酮酸在丙酮酸羧化酶（PC）催化下的羧化：催化下的羧化：PYR+CO2OAA；PEP在在PEP羧化酶羧化酶（PEPC）催化下的羧化：催化下的羧化：PEP+CO2OAA；丙酮酸在苹果酸酶（丙酮酸在苹果酸酶（ME）的催化下生的催化下生成苹果酸：成苹果酸：PYR+CO2MLA（OAA）。）。化能异养型微生物要在己糖或化能异养型微生物要在己糖或EMP途径的中途径的中间代谢物上进行需氧生长，间代谢物上进行需氧生长，至少需具备以上至少需具备以上三个反应之一，以获得三个反应之一，以获得TCA环的再生底物。环的再生底物。2024/7/2719最重要的回补途径是由丙酮酸羧化酶最重要的回补途径是由丙酮酸羧化酶（PC）或磷酸烯醇式羧化酶（或磷酸烯醇式羧化酶（PEPC）催催化的二氧化碳固定，这个固定导致草酰乙化的二氧化碳固定，这个固定导致草酰乙酸的生成。丙酮酸羧化酶在酸的生成。丙酮酸羧化酶在ATP/ADP高高比率的情况下被激活，并且受比率的情况下被激活，并且受AcCoA激活、激活、受受L-天冬氨酸抑制。因此这个酶的调控几天冬氨酸抑制。因此这个酶的调控几乎完全与丙酮酸脱氢酶复合物的情况相反，乎完全与丙酮酸脱氢酶复合物的情况相反，后者在后者在ATP/ADP的高比率或的高比率或NADH/NAD高比率的情况下受抑制，并且受高浓度的高比率的情况下受抑制，并且受高浓度的AcCoA的抑制的抑制。2024/7/2720在酿酒酵母的细胞质和线粒体在酿酒酵母的细胞质和线粒体中都发现有丙酮酸羧化酶的活性中都发现有丙酮酸羧化酶的活性。在许多原核生物中，磷酸烯醇式丙在许多原核生物中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是十分起作用的，但在酮酸羧化酶是十分起作用的，但在真菌中还没被确认。这个酶受到与真菌中还没被确认。这个酶受到与丙酮酸羧化酶相似的调控，也就是丙酮酸羧化酶相似的调控，也就是受受L-天冬氨酸抑制并受乙酰天冬氨酸抑制并受乙酰CoA的的激活。激活。2024/7/2721乙醛酸环可把乙醛酸环可把2分子分子AcCoA（2C水平）水平）转化成琥珀酸（转化成琥珀酸（4C水平），从而对水平），从而对TCA环环进行回补。乙醛酸环对生长在进行回补。乙醛酸环对生长在2C底物（如底物（如乙酸或乙醇乙酸或乙醇）上的细菌、真菌、藻类和原）上的细菌、真菌、藻类和原生动物来说是必须具备的代谢途径。生动物来说是必须具备的代谢途径。乙酸乙酸或乙醇先转变成或乙醇先转变成AcCoA，然后参与乙醛酸然后参与乙醛酸环代谢。环代谢。2024/7/2722乙醛酸环一共涉及到乙醛酸环一共涉及到5个酶，在真核个酶，在真核微生物中，它们都集中在一起，存在于特微生物中，它们都集中在一起，存在于特殊细胞器乙醛酸循环体殊细胞器乙醛酸循环体(Glyoxysomes)中，中，在此细胞器中合成的琥珀酸跨膜进入线粒在此细胞器中合成的琥珀酸跨膜进入线粒体中，对体中，对TCA环回补。环回补。乙醛酸环的酶受葡萄糖或其碳源营养乙醛酸环的酶受葡萄糖或其碳源营养阻遏阻遏。动物（高等动物）细胞中不存阻遏阻遏。动物（高等动物）细胞中不存在乙醛酸环。当微生物细胞中同时有在乙醛酸环。当微生物细胞中同时有IL和和MS起作用时，乙醛酸环与起作用时，乙醛酸环与TCA环等同时环等同时运行。运行。2024/7/2723GOAAcCoAMLAPYROAAPEP3-P-GA（来自甘油酸途径）来自甘油酸途径）乙酸乙酸乙醇乙醇脂脂肪酸肪酸氨氨基酸基酸烃烃甘氨酸甘氨酸草酸草酸羟乙酸羟乙酸尿素尿素2NADHDCA环的回补环的回补CO2CO2原始底物原始底物再生底物再生底物2024/7/2724DCA环是降解环是降解2C片断的途径，一共涉片断的途径，一共涉及到及到5个酶。可把个酶。可把GOA看作是原始底物，看作是原始底物，把把AcCoA看作是再生底物，看作是再生底物，GOA因合成苹因合成苹果酸（果酸（MLA）而进入而进入DCA环，经发生在苹环，经发生在苹果酸（果酸（MLA）、）、丙酮酸（丙酮酸（PYR）上的）上的2次脱次脱氢，以及发生在草酰乙酸（氢，以及发生在草酰乙酸（OAA）和）和PYR上的上的2次脱羧，最后又回复成次脱羧，最后又回复成AcCoA。2024/7/2725GOA作为作为DCA环的原始底物环的原始底物进入进入DCA环，经过环，经过DCA环和电子环和电子传递链协同作用，传递链协同作用，最终被氧化成最终被氧化成CO2和水。如果从和水。如果从GOA算起，每算起，每分子分子GOA被完全氧化生成被完全氧化生成2分子分子CO2、形成形成2分子分子NADH。2024/7/2726细胞生长时，细胞生长时，DCA环的中间产物也环的中间产物也参与细胞组分的合成，这时参与细胞组分的合成，这时DCA环也需环也需要回补。甘油酸途径是微生物和植物利要回补。甘油酸途径是微生物和植物利用乙醛酸（或用乙醛酸（或2C碳源）生长时的回补途碳源）生长时的回补途径。甘油酸途径之所以能向径。甘油酸途径之所以能向DCA环进行环进行回补，因为甘油酸途径终端产物回补，因为甘油酸途径终端产物3-磷酸磷酸甘油酸就是甘油酸就是EMP途径的中间代谢物，它途径的中间代谢物，它可以经可以经EMP途径转化成途径转化成DCA环的中间环的中间代谢物磷酸烯醇式丙酮酸。代谢物磷酸烯醇式丙酮酸。2024/7/27273.3.2.2分子模块等的生物合成分子模块等的生物合成有机物的降解途径的运行可为微生物的有机物的降解途径的运行可为微生物的自身合成提供自身合成提供前体代谢物、代谢能和还原力前体代谢物、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有了这三者，微生物细胞就可以合成细胞中主要的主要的生物多聚体的前体（子模块分）生物多聚体的前体（子模块分）：大：大致包括致包括5个嘌呤和嘧啶，个嘌呤和嘧啶，20个氨基酸（个氨基酸（18个个氨基酸和氨基酸和2个氨基酰胺），还有醣（个氨基酰胺），还有醣（碳水化碳水化合物）、脂肪酸（含有机酸）、维生素及其合物）、脂肪酸（含有机酸）、维生素及其它辅助因子。它辅助因子。2024/7/2728这些前体再按生物学规律合这些前体再按生物学规律合成生物多聚体（成生物多聚体（biopolymers）：）：核酸、蛋白质、多糖和脂质等，核酸、蛋白质、多糖和脂质等，直至整个微生物细胞活有机体。直至整个微生物细胞活有机体。2024/7/2729微生物的新陈代谢（包括分解代谢和微生物的新陈代谢（包括分解代谢和合成代谢）是在特定的空间和时间进行的合成代谢）是在特定的空间和时间进行的过程，这个过程是连续的过程，受到微生过程，这个过程是连续的过程，受到微生物菌种的遗传控制和微生物所处的环境条物菌种的遗传控制和微生物所处的环境条件的控制。在分解代谢（向心板块）与合件的控制。在分解代谢（向心板块）与合成代谢（离心板块）之间存在着中心板块。成代谢（离心板块）之间存在着中心板块。中心板块上，有一些关键的中间化合物中心板块上，有一些关键的中间化合物（前体代谢物前体代谢物），它们源自分解代谢，用），它们源自分解代谢，用于合成代谢，从而使分解代谢与合成代谢于合成代谢，从而使分解代谢与合成代谢融成一体。融成一体。2024/7/2730化能异养型微生物的合成代谢具多样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，包性和复杂性，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、酶及微生物多糖、微生物菌体代谢产物、酶及微生物多糖、微生物菌体等的合成。这一节里，只是从微生物生长等的合成。这一节里，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、的角度描述微生物对单糖与多糖的合成、对含氮化合物的合成、对类脂和类异戊二对含氮化合物的合成、对类脂和类异戊二烯化合物的合成，目的是大致说明构建微烯化合物的合成，目的是大致说明构建微生物菌体细胞的路子。生物菌体细胞的路子。2024/7/2731GlcG-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,对氨基苯甲对氨基苯甲酸酸,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物副产物Val,LeuCoA续续待待2024/7/2732PYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-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Asn2024/7/2733微生物对单糖和多糖的合成微生物对单糖和多糖的合成化能异养型微生物细胞的多糖均化能异养型微生物细胞的多糖均可由其自身合成。微生物细胞的多糖可由其自身合成。微生物细胞的多糖主要存在于细胞壁、荚膜中，也有以主要存在于细胞壁、荚膜中，也有以糖原形式存在于细胞中的。微生物多糖原形式存在于细胞中的。微生物多糖的种类很多，这里仅对作为细菌和糖的种类很多，这里仅对作为细菌和放线菌细胞壁的骨架结构的肽聚糖作放线菌细胞壁的骨架结构的肽聚糖作一些说明。一些说明。2024/7/27341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，用于合成途径是葡萄糖异生成途径，用于合成G-6-P的各种前体物质（的各种前体物质（如如TCA环的中间环的中间代谢物和生糖氨基酸代谢物和生糖氨基酸His、Gly、Ser、Glu、Arg、Asp、Thr等等），均汇集到），均汇集到这条途径合成这条途径合成G-6-P。2024/7/2735TCA环的中间代谢物用于单糖环的中间代谢物用于单糖合成时先被氧化为合成时先被氧化为OAA，然后然后OAA在在PEPCK（磷酸烯醇式丙酮酸羧激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PEP，PEP借借助于替代磷酸果糖激酶（助于替代磷酸果糖激酶（PFK）的的己糖二磷酸酯酶，逆己糖二磷酸酯酶，逆EMP途径而上途径而上而合成而合成G-6-P。2024/7/2736一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的前体。例如的前体。例如Glu和和Asp分别经转氨酶分别经转氨酶转变成转变成-KG和和OAA，然后经然后经PEP如如上合成上合成G-6-P。有些氨基酸如生酮氨基有些氨基酸如生酮氨基酸酸Leu降解后，生成降解后，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，然后然后合成合成G-6-P。脂肪酸经脂肪酸经-氧化生成的氧化生成的AcCoA，也经同样途径合成也经同样途径合成G-6-P。2024/7/2737G-6-P和和6-磷酸果糖（磷酸果糖（F-6-P）、）、1-磷酸葡萄糖（磷酸葡萄糖（G-1-P）这这3种单磷酸己糖种单磷酸己糖之间很容易通过葡萄糖磷酸变位酶（之间很容易通过葡萄糖磷酸变位酶（G-1-P和和G-6-P之间之间）和磷酸己糖异构酶和磷酸己糖异构酶（G-6-P和和F-6-P之间）而实现相互转换。之间）而实现相互转换。因为这两种酶一般都过量存在，所以因为这两种酶一般都过量存在，所以3种单磷酸己糖处于一种平衡状态，构成种单磷酸己糖处于一种平衡状态，构成“一个不可分割的代谢（物）库一个不可分割的代谢（物）库”（asinglemetabolitepool）。）。这个代谢这个代谢库可因生成库可因生成3种单磷酸己糖中的任何一种单磷酸己糖中的任何一种而得到补充。种而得到补充。2024/7/2738糖核苷酸在细胞中的功能糖核苷酸在细胞中的功能糖核苷酸是单糖的另一种激活糖核苷酸是单糖的另一种激活形式，它们在细胞中主要有两种功形式，它们在细胞中主要有两种功能。一是为多糖合成提供糖基，二能。一是为多糖合成提供糖基，二是为某些单糖的合成提供转换合成是为某些单糖的合成提供转换合成的机会。的机会。2024/7/27392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UDP-葡萄糖或葡萄糖或1-磷酸葡萄糖为模块分子的。这个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，和真菌的细胞壁多糖的的脂多糖层的合成，和真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合成。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。在核苷酸，在不同的合成反应中是不同的。在合成糖原时，葡萄糖的供体是合成糖原时，葡萄糖的供体是ADP-Glc（而而在酵母中是在酵母中是UDP-Glc），），在其它的场合，譬在其它的场合，譬如肽聚糖和脂多糖的合成中，糖的供体都是如肽聚糖和脂多糖的合成中，糖的供体都是UDP-单糖。单糖。2024/7/2740含氮化合物的合成含氮化合物的合成含氮有机化合物涉及的面很广，主要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、包括氨基酸、蛋白质系列和嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸、核酸系列，还有许多辅酶核苷、核苷酸、核酸系列，还有许多辅酶（如（如NAD、CoA、ATP等等）也是含氮有等等）也是含氮有机化合物。机化合物。NH3和和NH4+中氮原子的为中氮原子的为-3价，价，细胞有机物中的氮原子也是细胞有机物中的氮原子也是-3价。价。工业上工业上应用的微生物能够利用应用的微生物能够利用NH3和和NH4+，以及以及糖代谢的代谢中间物合成它们所需要的全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。部氨基酸和其它含氮有机化合物。2024/7/27411、氨基酸的生物合成、氨基酸的生物合成氨基酸是合成蛋白质的分子模氨基酸是合成蛋白质的分子模块，而且作为分子模块确实是细胞块，而且作为分子模块确实是细胞最常见的最常见的20种种L-氨基酸或氨基酰胺氨基酸或氨基酰胺的主要功能。然而，氨基酸也可作的主要功能。然而，氨基酸也可作为合成其它分子的模块分子，参与为合成其它分子的模块分子，参与重要次生代谢产物，如青霉素生物重要次生代谢产物，如青霉素生物合成。合成。2024/7/2742从生物合成和代谢生理的角度出发，可以将组成从生物合成和代谢生理的角度出发，可以将组成蛋白质的蛋白质的20种氨基酸及氨基酰胺分成种氨基酸及氨基酰胺分成6个族。它们分个族。它们分别从中心途径的不同关键中间化合物衍生出来的。别从中心途径的不同关键中间化合物衍生出来的。谷氨酸族 天冬氨酸族 组氨酸族2024/7/2743每种氨基酸生物合成的途径可在工具书每种氨基酸生物合成的途径可在工具书中查到。中查到。Singleton等编的等编的DictionaryofMicrobiologyandMolecularBiology（微生微生物学和分子生物学辞典）一书附录部分中可物学和分子生物学辞典）一书附录部分中可查到各种代谢途径。也可以在以下网址查到：查到各种代谢途径。也可以在以下网址查到：www.genome.ad.jp/keggKEGG:KyotoEncyclopaediaofGenesandGenomeswww.emblheidelberg.de/www.gmd.de/Welcome.en.htmlGermanNationalCentreforInformationTechnologyhomepage2024/7/2744Glu和和Gln在氨基酸的生物合成在氨基酸的生物合成中处于核心地位，是其它氨基酸合成中处于核心地位，是其它氨基酸合成过程中最活跃的氨基供体（过程中最活跃的氨基供体（Ala、Asp也常作为氨基供体，其自身可直接由也常作为氨基供体，其自身可直接由对应的酮酸等与氨反应生成）。因此，对应的酮酸等与氨反应生成）。因此，必须首先讨论谷氨酸和谷氨酰胺的合必须首先讨论谷氨酸和谷氨酰胺的合成问题。成问题。2024/7/2745L-谷氨酰胺在好几种含氮化合物的生物合成中都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可作为氨（氮）的供体，是整个细胞的代谢中一个重要的要的“分支点分支点”，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产物的抑制。物的抑制。2024/7/2746谷氨酰胺合成酶是受严格的调控的：谷氨酰胺合成酶是受严格的调控的：它受它受L-谷氨酰胺的阻遏，受到许多从谷氨酰胺的阻遏，受到许多从L-谷氨酰胺出发的合成代谢途径的终端产谷氨酰胺出发的合成代谢途径的终端产物（如物（如AMP、甘氨酸和甘氨酸和L-组氨酸）组氨酸）的的抑制。抑制。许多生物体许多生物体也可以利用硝酸盐或亚也可以利用硝酸盐或亚硝酸盐作为唯一的氮源，这些化合物在硝酸盐作为唯一的氮源，这些化合物在同化吸收前都要转化成氨。同化吸收前都要转化成氨。2024/7/27472.蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成蛋白质合成中，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，是蓝图，核糖体是合成机器，还需要还需要tRNA作为氨基酸的运载工作为氨基酸的运载工具，还需要一系列的酶和辅因子；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蛋白质的合成是个消耗代谢能的过程。程。2024/7/2748详细的合成过程在生物化学和分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，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取决于蛋白质肽链起始端有没有“信号顺序信号顺序”。2024/7/2749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水氨基酸，这些先合成的疏水肽链很多疏水氨基酸，这些先合成的疏水肽链的存在，导致正在合成其本身的的存在，导致正在合成其本身的“核糖体核糖体串串”与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到胞外；合成一结束，胞外；合成一结束，“信号顺序信号顺序”所编码所编码的肽链就被特殊的肽酶切下来，使新合成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。如果于蛋白质的蛋白质定位在膜的外侧。如果于蛋白质肽链起始端有没有肽链起始端有没有“信号顺序信号顺序”，新合成，新合成的蛋白质只能定位在膜的内侧。的蛋白质只能定位在膜的内侧。2024/7/27503.核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成核苷酸有脱氧核糖核苷酸、核糖核苷核苷酸有脱氧核糖核苷酸、核糖核苷酸，以及嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸之分，酸，以及嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸之分，同类核苷酸还有不同的磷酸化水平之分。同类核苷酸还有不同的磷酸化水平之分。以核苷酸和脱氧核苷酸形式存在的核苷酸以核苷酸和脱氧核苷酸形式存在的核苷酸分别是分别是RNA和和DNA的分子模块，然而它的分子模块，然而它们在细胞中还有许多其它功能。它们是一们在细胞中还有许多其它功能。它们是一些含氮有机辅助因子（辅酶些含氮有机辅助因子（辅酶）比如）比如NAD+，NADP+，FAD，CoA的主要组分。有些核的主要组分。有些核苷酸，如苷酸，如ATP在整个细胞代谢中具有特殊在整个细胞代谢中具有特殊功能（能量货币）。功能（能量货币）。2024/7/2751核苷酸由核苷酸由3个组分：个组分：一个杂环的含氮一个杂环的含氮碱基（嘌呤或嘧啶）；碱基（嘌呤或嘧啶）；一个糖基（一个糖基（RNA中中的核糖、的核糖、DNA中的中的2-脱氧核糖）；一个磷脱氧核糖）；一个磷酸基团。酸基团。DNA的碱基是嘌呤，腺嘌呤的碱基是嘌呤，腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（和鸟嘌呤（G），），以及嘧啶，胞嘧以及嘧啶，胞嘧啶（啶（C）和胸腺嘧啶（和胸腺嘧啶（T）。）。在在RNA中，中，存在前面三种碱基（存在前面三种碱基（A、G、C），），但第但第四种碱基胸腺嘧啶（四种碱基胸腺嘧啶（T）被尿嘧啶（被尿嘧啶（U）替替代。代。因遗传和环境条件不同，因遗传和环境条件不同，微生物可采微生物可采用不同的方式进行核苷酸的合成：用不同的方式进行核苷酸的合成：2024/7/2752“从无到有从无到有”的途径：从细胞代谢的中间代的途径：从细胞代谢的中间代谢产物，从头开始合成核苷酸分子（主要是谢产物，从头开始合成核苷酸分子（主要是指形成嘌呤环和嘧啶环）。指形成嘌呤环和嘧啶环）。“补救合成补救合成”的途径：微生物细胞生长不必样样靠自己合的途径：微生物细胞生长不必样样靠自己合成。如果环境中存在嘌呤、嘧啶，细胞就可成。如果环境中存在嘌呤、嘧啶，细胞就可从环境中吸收嘌呤、嘧啶（或分别与它们对从环境中吸收嘌呤、嘧啶（或分别与它们对应的核苷应的核苷），），并把它们转变成核苷酸并把它们转变成核苷酸（这这对微生物自身来说是经济的）；如果微生物对微生物自身来说是经济的）；如果微生物本身不能从无到有合成核苷酸，就有必要采本身不能从无到有合成核苷酸，就有必要采取补救措施，通过补救合成的途径，获得生取补救措施，通过补救合成的途径，获得生长所需的核苷酸。长所需的核苷酸。2024/7/2753各种核苷三磷酸的生物合成各种核苷三磷酸的生物合成嘌呤核苷酸是从嘌呤核苷酸是从5-磷酸核糖和磷酸核糖和3-磷酸甘磷酸甘油酸（用于嘌呤生物合成）合成的，嘧啶核油酸（用于嘌呤生物合成）合成的，嘧啶核苷酸是从苷酸是从5-磷酸核糖和草酰乙酸（用于嘧啶磷酸核糖和草酰乙酸（用于嘧啶生物合成）合成的。脱氧核苷酸可由核苷酸生物合成）合成的。脱氧核苷酸可由核苷酸还原而成，通常脱氧核苷酸是通过由氢取代还原而成，通常脱氧核苷酸是通过由氢取代“2-OH”基团（氢是由基团（氢是由NADPH提供的），提供的），在核苷二磷酸的水平上还原而形成的；只有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在核苷一磷酸的水平上的嘧啶环甲基化而实现的。现的。2024/7/27542024/7/27554.RNA和和DNA的合成的合成RNA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,CTPRNA（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,dCTPDNA其详细过程及反应在生物化学和分其详细过程及反应在生物化学和分子生物学中已有叙述。子生物学中已有叙述。2024/7/27565.一些含氮辅酶的合成一些含氮辅酶的合成辅酶中的有很多属于含氮有辅酶中的有很多属于含氮有机化合物，如机化合物，如NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA，CoF（四氢四氢叶酸、叶酸、HF4），），TPP（焦磷酸硫焦磷酸硫胺素）等。这些辅酶由细胞自身胺素）等。这些辅酶由细胞自身合成。合成。2024/7/2757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+。Xanthomonasprum（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。2024/7/27586.其它含氮细胞物质其它含氮细胞物质的合成的合成卟啉是构成呼吸卟啉是构成呼吸链（或电子传递链）链（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。细胞色素的的前体。细胞色素的铁卟啉的合成从琥珀铁卟啉的合成从琥珀酰辅酶酰辅酶A（ScCoA）与甘氨酸的反应开始，与甘氨酸的反应开始，经氨基乙酰丙酸而合经氨基乙酰丙酸而合成卟啉，最后形成铁成卟啉，最后形成铁卟啉。卟啉。2024/7/2759微生物对脂类、类脂的合成微生物对脂类、类脂的合成脂类是由活细胞合成的稍溶于水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；但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类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合物。生物体的脂类和类脂的组分是多种多样的，包括酰基甘油（脂肪酸多种多样的，包括酰基甘油（脂肪酸的甘油酯）、磷脂和衍生脂类（如固的甘油酯）、磷脂和衍生脂类（如固醇、辅酶醇、辅酶Q、维生素维生素A）。）。2024/7/2760微生物细胞的膜结构（如质膜、微生物细胞的膜结构（如质膜、间体、真核细胞的核膜、线粒体膜间体、真核细胞的核膜、线粒体膜等）是细胞中含脂类较多的成分。等）是细胞中含脂类较多的成分。微生物细胞所含的脂类主要是磷脂。微生物细胞所含的脂类主要是磷脂。多聚多聚-羟基丁酸是原核生物最普羟基丁酸是原核生物最普遍的脂类贮备化合物，在较大的芽遍的脂类贮备化合物，在较大的芽孢菌中，它又是孢子的主要贮备化孢菌中，它又是孢子的主要贮备化合物。合物。2024/7/2761脂类对细胞的生命活动具有重脂类对细胞的生命活动具有重要作用。由脂类（包括类脂）和蛋要作用。由脂类（包括类脂）和蛋白质等组成的细胞质膜不仅对周围白质等组成的细胞质膜不仅对周围环境起屏障作用，而且还是物质传环境起屏障作用，而且还是物质传递的通道和新陈代谢的重要场所。递的通道和新陈代谢的重要场所。脂类还常与糖类或蛋白质结合在一脂类还常与糖类或蛋白质结合在一起形成糖脂、脂蛋白和脂多糖，它起形成糖脂、脂蛋白和脂多糖，它们均有特殊的生理功能。们均有特殊的生理功能。2024/7/2762这些脂类组分的主要模块分子是脂肪这些脂类组分的主要模块分子是脂肪酸，它存在于酰基甘油、磷脂和固醇酯中。酸，它存在于酰基甘油、磷脂和固醇酯中。主要的脂肪酸有：主要的脂肪酸有：棕榈酸（棕榈酸（C16 0）、）、棕榈油酸（棕榈油酸（C16 1）、）、硬脂酸（硬脂酸（C18 0）、）、油酸（油酸（C18 1）、）、亚油酸（亚油酸（C18 2）和亚和亚麻酸（麻酸（C18 3）。）。在真菌中，棕榈酸、油在真菌中，棕榈酸、油酸和亚油酸要占酸和亚油酸要占75%以上，以上，而细菌中最常而细菌中最常见的脂肪酸为棕榈酸、棕榈油酸和油酸。见的脂肪酸为棕榈酸、棕榈油酸和油酸。组成类脂的模块分子还有组成类脂的模块分子还有-羟基酸、羟基酸、异戊异戊二烯化合物等。二烯化合物等。2024/7/27631.脂肪酸的合成脂肪酸的合成各种脂肪酸作为脂质的成分存在于各种脂肪酸作为脂质的成分存在于微生物细胞中，但它们不同于蛋白质和微生物细胞中，但它们不同于蛋白质和核酸的前体，不是以有游离分子的形式核酸的前体，不是以有游离分子的形式存在。脂肪酸可以是不饱和的和饱和的，存在。脂肪酸可以是不饱和的和饱和的，不饱和脂肪酸相对大量的存在于嗜冷微不饱和脂肪酸相对大量的存在于嗜冷微生物，不饱和脂肪酸熔点相对较低，这生物，不饱和脂肪酸熔点相对较低，这对在较低温度下细胞膜脂质流动性的维对在较低温度下细胞膜脂质流动性的维持是必要的。持是必要的。2024/7/2764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）的关键化合物是）的关键化合物是CoA的衍生物酰基载体的衍生物酰基载体蛋白（蛋白（ACP）。）。ACP最早发现于一种能在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。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，巯基乙胺，并且在脂肪酸合成的所有步骤中都结合在并且在脂肪酸合成的所有步骤中都结合在脂酰基上。脂酰基上。微生物饱和脂肪酸合成的模式都是相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同的。包括添加以乙酰基形式存在2C片片断，和接下来的还原反应：断，和接下来的还原反应：2024/7/2765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、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。2024/7/2766除了饱和脂肪酸，大多数微生物质脂中除了饱和脂肪酸，大多数微生物质脂中也含有不饱和脂肪酸，诸如油酸的单不饱和也含有不饱和脂肪酸，诸如油酸的单不饱和脂肪酸和含有脂肪酸和含有2个和个和3个双键的不饱和脂肪酸。个双键的不饱和脂肪酸。已知有两种方式合成不饱和脂肪酸，需分子已知有两种方式合成不饱和脂肪酸，需分子氧的需氧途径和对氧没有需求的氧的需氧途径和对氧没有需求的厌氧途径。厌氧途径。需氧途径：由分子氧、需氧途径：由分子氧、NADPH和相应和相应的脂肪酸的酰基的脂肪酸的酰基CoA的衍生物参与反应。双的衍生物参与反应。双键经常存在于键经常存在于C9和和C10（从羧基数起）之间，从羧基数起）之间，而与脂肪酸链长度无关。这个过程发生在真而与脂肪酸链长度无关。这个过程发生在真核细胞和一些需氧细菌，包括巨大芽孢杆菌核细胞和一些需氧细菌，包括巨大芽孢杆菌和溶壁微球菌。和溶壁微球菌。2024/7/2767厌氧途径：发现于厌氧细菌和多种厌氧途径：发现于厌氧细菌和多种需氧菌，包括假单胞菌、乳酸菌和蓝细需氧菌，包括假单胞菌、乳酸菌和蓝细菌等。厌氧途径的产物在双键的位置上菌等。厌氧途径的产物在双键的位置上不同于需氧途径，譬如，能够分别合成不同于需氧途径，譬如，能够分别合成顺顺-11-十八（碳）烯酸和油酸。十八（碳）烯酸和油酸。分支链脂肪酸存在与许多微生物，分支链脂肪酸存在与许多微生物，它们的合成可以从对应的分支氨基酸如它们的合成可以从对应的分支氨基酸如Leu和和Ile开始合成分支链脂肪酸：开始合成分支链脂肪酸：IleD（+）-12-甲基十四酸。甲基十四酸。2024/7/27682.脂肪和磷脂的合成脂肪和磷脂的合成细胞脂类组分的模块分子除了脂肪酸以细胞脂类组分的模块分子除了脂肪酸以外，还有：外，还有：3-磷酸甘油，它是从磷酸甘油，它是从EMP途径途径中的磷酸二羟丙酮直接衍生的，作为磷脂和中的磷酸二羟丙酮直接衍生的，作为磷脂和甘油三酯的甘油三酯的“骨架骨架”，磷脂的磷脂的“醇醇”的的部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的“醇醇”有胆碱，乙醇胺和肌醇。有胆碱，乙醇胺和肌醇。固醇。固醇。脂肪中甘油三酯最具生物学重要性。甘脂肪中甘油三酯最具生物学重要性。甘油三酯的形成是靠由二磷酸酯酶催化油三酯的形成是靠由二磷酸酯酶催化L-磷脂酸的脱磷酸，以及随后磷脂酸的脱磷酸，以及随后D，-甘油二甘油二酯与脂肪酰酯与脂肪酰-ACP（或合适的脂肪酸的或合适的脂肪酸的CoA衍生物衍生物）反应生成甘油三酯。）反应生成甘油三酯。2024/7/2769EMP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-酰基载体酰基载体蛋白）是磷脂酸的合蛋白）是磷脂酸的合成的前体。磷脂酸可成的前体。磷脂酸可以生成中性脂肪，然以生成中性脂肪，然而大多数磷脂酸用于而大多数磷脂酸用于磷脂合成（磷脂的合磷脂合成（磷脂的合成过程可以归纳成如成过程可以归纳成如左图（此图未显示左图（此图未显示出出下页所述下页所述CTP对磷脂对磷脂酸的激活）。酸的激活）。2024/7/2770磷脂的合成磷脂的合成，不论在原核还是真核细胞，需，不论在原核还是真核细胞，需要要CTP（胞苷三磷酸（胞苷三磷酸，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-甘油二酯：甘油二酯：（-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磷脂酰乙醇胺是经过中间产物磷脂酰丝氨酸合成的：物磷脂酰丝氨酸合成的：（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+CMP2024/7/27713.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合成，合成，其过程简要表其过程简要表示如左图示如左图。2024/7/27723.3.2.3能量代谢副产物的合成能量代谢副产物的合成兼性厌氧的化能异养型微生物在缺氧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，条件下生长或维持生存的情况下，TCA环环环式运行中断，环式运行中断，TCA环变成在环变成在OAA处发处发生分支的分叉途径，形成从生分支的分叉途径，形成从OAA出发的经出发的经苹果酸（苹果酸（MLA）、）、延胡索酸（延胡索酸（FMA）到到琥珀酸（琥珀酸（SCA）的的TCA途径还原支路，和途径还原支路，和从从OAA出发的经柠檬酸（出发的经柠檬酸（CTA）、）、异柠异柠檬酸（檬酸（ICA）到到-酮戊二酸（酮戊二酸（-KG）的的TCA途径氧化支路。途径氧化支路。2024/7/2773在活细胞中，酵解途径和在活细胞中，酵解途径和TCA氧化支路形成的还原型辅酶需再生氧化支路形成的还原型辅酶需再生后回用，再生时将电子交给细胞的后回用，再生时将电子交给细胞的内源化合物（经过细胞代谢的中间内源化合物（经过细胞代谢的中间化合物），就可能生成不同的（生化合物），就可能生成不同的（生理性）发酵产物（见下图）。理性）发酵产物（见下图）。2024/7/27742024/7/27753.3.2.4离心途径终产物的跨膜机制离心途径终产物的跨膜机制关于离心途径终产物的跨膜机关于离心途径终产物的跨膜机制，可参考本书第二章制，可参考本书第二章2.2.2.3代谢代谢中间产物排出细胞的机制）。中间产物排出细胞的机制）。2024/7/2776