1、8/16/2022张星元：发酵原理1第二节第二节 微生物代谢网络微生物代谢网络 的向心板块的向心板块 8/16/2022张星元：发酵原理2 代谢网络中，胞外碳架代谢网络中，胞外碳架物质跨膜并注入中心板块所物质跨膜并注入中心板块所流经的途径统称向心途径，流经的途径统称向心途径，向心途径群组成代谢网络的向心途径群组成代谢网络的向心板块。向心板块。8/16/2022张星元：发酵原理33.2.1 向心途径在代谢网络及其在细胞向心途径在代谢网络及其在细胞 机器工作模式中的位置机器工作模式中的位置3.2.2 微生物的分解代谢途径和代谢网微生物的分解代谢途径和代谢网 络的向心途径络的向心途径 8/16/20
2、22张星元：发酵原理43.2.1 向心途径在代谢网络和细胞向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8/16/2022张星元：发酵原理5 碳架物质从向心板块注入中心板块碳架物质从向心板块注入中心板块（前述中心代谢途径上的（前述中心代谢途径上的12个前体代谢个前体代谢物的大平台）时所流经的代谢途径统称物的大平台）时所流经的代谢途径统称向心途径。与整个代谢网络一样，向心向心途径。与整个代谢网络一样，向心途径的变化也取决于遗传与环境条件，途径的变化也取决于遗传与环境条件，本课程讨论的内容建立在微生物细胞相本课程讨论的内容建立在微生物细胞相对稳定的代谢基础上。对稳定的代谢基础上
3、。在工业发酵的细胞机器工作模式中，在工业发酵的细胞机器工作模式中，向心途径首当其冲，是工业发酵载流路向心途径首当其冲，是工业发酵载流路径的一部分。径的一部分。8/16/2022张星元：发酵原理6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8/16/2022张星元：发酵原理73.2.2 微生物的合成代谢途径和微生物的合成代谢途径和 代谢网络中的向心途径代谢网络中的向心途径8/16/2022张星元：发酵原理8 化能异养型微生物可以广泛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地利用各种各样的有机物进行生长和繁
4、殖。在发酵工业上发酵生长和繁殖。在发酵工业上发酵生产的原料大多是农副产品。微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原料的酶，把原料转化成可以进入细胞的有机营养物质。入细胞的有机营养物质。8/16/2022张星元：发酵原理9 各种有机营养物质（包括经水各种有机营养物质（包括经水解酶降解形成的有机营养物质）大解酶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多以主动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的细胞，以促进扩散和主动输送的方式进入真核微生物的细胞，这几方式进入真核微生物的细胞，这几种输送方
5、式均需借助于细胞的蛋白种输送方式均需借助于细胞的蛋白质（载体蛋白或酶）。质（载体蛋白或酶）。8/16/2022张星元：发酵原理10 进入细胞的营养物质若是中心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，即代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；进可纳入中心代谢途径进行代谢；进入细胞的营养物质若不是中心代谢入细胞的营养物质若不是中心代谢途径的起始物或中间产物，则需经途径的起始物或中间产物，则需经向心途径的胞内部分，转化成中心向心途径的胞内部分，转化成中心代谢途径的起始物或中间产物，才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。
6、8/16/2022张星元：发酵原理11 化能异养型微生物细胞借助于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降微生物的向心途径将有机化合物降解或转化成中心途径上对应的的化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。合物，从而使这两种途径衔接起来。微生物的向心途径一般依次包括三微生物的向心途径一般依次包括三个部分：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8/16/2022张星元：发酵原理12 原料化合物经向心途径注入中心途径，原料化合物经向心途径注入中
7、心途径，向心途径与中心途径的接合点（接口）原则向心途径与中心途径的接合点（接口）原则上可以是中心途径上的任意化合物，实际上上可以是中心途径上的任意化合物，实际上主要是主要是12个代谢前体物。如果进入细胞的营个代谢前体物。如果进入细胞的营养物质已经是中心代谢途径的起始物或中间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代谢网络的向心途径往往是分解代谢途径，但它们是以中心大平台，或者更精确地径，但它们是以中心大平台，或者更精确地
8、说是以中心途径上对应的化合物为终点的。说是以中心途径上对应的化合物为终点的。8/16/2022张星元：发酵原理13GlcG-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
9、基酸酒石酸、乳酸、氨基酸(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)AcCoA(PD)(PFL)(PS)待待续续8/16/2022张星元：发酵原理14PYRAcCoAOAAMLASCAScCoA-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,T
10、yr）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8/16/2022张星元：发酵原理153.2.2.1 胞外降解途径：胞外酶催化多胞外降解途径：胞外酶催化多 聚物的水解聚物的水解3.2.2.2 有载体蛋白参与的跨膜系统有载体蛋白参与的跨膜系统3.2.2.3 化能异养型微生物对各种有机化能异养型微生物对各种有机 化合物的利用化合物的利用3.2.2.4 细胞内源化合物的氧化降解细胞内源化合物的氧化降解3.2.2.5 关于质粒编码的降解代谢活性关于质粒编码的降解代谢活性 8/16/2022张星元：发酵原理163.2.2.1 胞外降解途
11、径：胞外酶对多聚物胞外降解途径：胞外酶对多聚物 的水解的水解 微生物可以分泌胞外酶，大多数情微生物可以分泌胞外酶，大多数情况下是水解酶，把多聚物水解成可以进况下是水解酶，把多聚物水解成可以进入细胞的分子。这些胞外酶游离于微生入细胞的分子。这些胞外酶游离于微生物细胞外，有些仍与细胞相联。细胞还物细胞外，有些仍与细胞相联。细胞还会分泌一些附着物，使某些疏水化合物会分泌一些附着物，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，但水解不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。多聚物水解是向心途径的第一步。8/16/
12、2022张星元：发酵原理17 可作为营养的多聚物包括：淀粉、纤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、原果维素、果胶类物质（果胶酸、果胶、原果胶质胶质）、）、几丁质（几丁质（甲壳质甲壳质）、半纤维素）、半纤维素(hemi cellulose)、木质素、木质素(1ignin)、蛋白质、蛋白质和多肽、核酸等等种类。和多肽、核酸等等种类。化能异养型微生物能分泌一系列胞外化能异养型微生物能分泌一系列胞外酶将外源性多聚有机化合物降解。还有些酶将外源性多聚有机化合物降解。还有些有机化合物虽然不是多聚物，也需要首先有机化合物虽然不是多聚物，也需要首先被微生物的胞外酶水解以后才能被微生
13、物被微生物的胞外酶水解以后才能被微生物吸收。例如许多微生物能分泌脂肪酶，它吸收。例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。能将甘油三脂水解成脂肪酸和甘油。8/16/2022张星元：发酵原理183.2.2.2 有载体蛋白参与的跨膜系统有载体蛋白参与的跨膜系统（第（第二章二章 2.2.2 已有叙述。）已有叙述。）8/16/2022张星元：发酵原理193.2.2.3 化能异养型微生物对各种有机化化能异养型微生物对各种有机化 合物的利用合物的利用 微生物通过一定的机制从培养基中微生物通过一定的机制从培养基中吸收有机化合物，进入细胞的有机化合吸收有机化合物，进入细胞的有机化合物再经过
14、一段代谢途径的代谢作用，将物再经过一段代谢途径的代谢作用，将碳架物质注入中心代谢途径。这些有机碳架物质注入中心代谢途径。这些有机化合物可以是碳水化合物、烃类化合物、化合物可以是碳水化合物、烃类化合物、含氮有机化合物或其他有机化合物。含氮有机化合物或其他有机化合物。8/16/2022张星元：发酵原理20 微生物通过一定的机制从培养基微生物通过一定的机制从培养基中吸收有机化合物，进入细胞的有机中吸收有机化合物，进入细胞的有机化合物再经过一段代谢途径的代谢作化合物再经过一段代谢途径的代谢作用，将碳架物质注入中心代谢途径。用，将碳架物质注入中心代谢途径。这些有机化合物可以是碳水化合物、这些有机化合物可
15、以是碳水化合物、烃类化合物、含氮有机化合物或其他烃类化合物、含氮有机化合物或其他有机化合物。有机化合物。8/16/2022张星元：发酵原理21二糖的吸收和降解二糖的吸收和降解 关于二糖的吸收和降解，研究得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，首先以乳糖为碳源的培养基中生长，首先要诱导出要诱导出 3 种酶：乳糖透性酶、种酶：乳糖透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷乙酰基转半乳糖苷乙酰基转移酶。移酶。8/16/2022张星元：发酵原理22 乳糖透性酶实际上是乳糖的载体蛋乳糖透性酶实际上是乳糖的载体蛋白，用于乳
16、糖的主动输送，将乳糖送入白，用于乳糖的主动输送，将乳糖送入细胞；细胞；-半乳糖苷酶将乳糖水解成葡半乳糖苷酶将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖；萄糖和半乳糖；-半乳糖苷乙酰基转半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是催化移酶的作用是催化AcCoA将乳糖及其它将乳糖及其它半乳糖苷乙酰化的反应，它可将未能代半乳糖苷乙酰化的反应，它可将未能代谢的乳糖及与乳糖结构类似的分子乙酰谢的乳糖及与乳糖结构类似的分子乙酰化，并将其排出细胞，因此，这个酶的化，并将其排出细胞，因此，这个酶的生物学功能可能是起解毒作用。生物学功能可能是起解毒作用。8/16/2022张星元：发酵原理23 乳糖水解生成的葡萄糖被磷乳糖水解生成的葡萄糖被磷酸化
17、而进入酵解途径；水解生成酸化而进入酵解途径；水解生成的半乳糖又在细胞中诱导出参与的半乳糖又在细胞中诱导出参与半乳糖进一步代谢的半乳糖进一步代谢的 3 种酶，在种酶，在这这 3 种酶的协同作用下，使半乳种酶的协同作用下，使半乳糖转化成糖转化成 G-6-P，即可注入酵解即可注入酵解途径。途径。8/16/2022张星元：发酵原理24 二糖的降解一般在细胞内发生，有如下二糖的降解一般在细胞内发生，有如下两种降解方式：一种是被相应的二糖水解酶两种降解方式：一种是被相应的二糖水解酶水解成单糖，如蔗糖酶将蔗糖水解成葡萄糖水解成单糖，如蔗糖酶将蔗糖水解成葡萄糖和果糖，乳糖酶（和果糖，乳糖酶（-半乳糖苷酶半乳糖
18、苷酶）将乳糖）将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，麦芽糖酶将麦芽糖水解成葡萄糖和半乳糖，麦芽糖酶将麦芽糖水解成两份葡萄糖。另一种分解方式是在相水解成两份葡萄糖。另一种分解方式是在相应的磷酸化酶的作用下，使二糖经磷酸化裂应的磷酸化酶的作用下，使二糖经磷酸化裂解（解（phosphorylytic cleavage），得到），得到 1分子分子单糖和单糖和1分子磷酸葡萄糖。分子磷酸葡萄糖。8/16/2022张星元：发酵原理25 这种方式的裂解比起第一种方式这种方式的裂解比起第一种方式更为经济，由这种方式产生磷酸葡萄更为经济，由这种方式产生磷酸葡萄糖即可以糖的磷酸酯的形式进入中心糖即可以糖的磷酸酯的形式进入中心
19、代谢途径，而且，此过程不消耗代谢途径，而且，此过程不消耗ATP，而游离的单糖大多需经激活（消耗高而游离的单糖大多需经激活（消耗高能键而被磷酸化）后才能进入葡萄糖能键而被磷酸化）后才能进入葡萄糖的降解途径。的降解途径。8/16/2022张星元：发酵原理26己糖和戊糖的降解己糖和戊糖的降解 作为化能异养型微生物的碳源与作为化能异养型微生物的碳源与能源，果糖像葡萄糖一样，受己糖激能源，果糖像葡萄糖一样，受己糖激酶催化而被酶催化而被 ATP 激活，生成激活，生成 F-6-P；或者借助由或者借助由PEP参加的磷酸转移酶系参加的磷酸转移酶系统进入细胞，生成统进入细胞，生成 F-1-P。然后又在然后又在1-
20、磷酸果糖激酶（该酶受果糖诱导）磷酸果糖激酶（该酶受果糖诱导）的催化下形成的催化下形成 F-1,6-2P。F-6-P和和 F-1,6-2P 均为均为 EMP 途径中间产物，可途径中间产物，可按按EMP途径进一步降解。途径进一步降解。8/16/2022张星元：发酵原理27 甘露糖在甘露糖激酶的催化下，甘露糖在甘露糖激酶的催化下，生成生成 6-磷酸甘露糖，再由磷酸甘露糖，再由 6-磷酸甘磷酸甘露糖异构酶催化，生成露糖异构酶催化，生成F-6-P，进入，进入EMP 途径。也有例外，如果没有甘途径。也有例外，如果没有甘露糖激酶，露糖激酶，也可以以另外的方式实也可以以另外的方式实现甘露糖的磷酸化。现甘露糖的
21、磷酸化。8/16/2022张星元：发酵原理28 半乳糖诱导半乳糖诱导 3 种酶的合成：半乳糖激种酶的合成：半乳糖激酶、葡萄糖酶、葡萄糖 1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶磷酸半乳糖尿苷酰转移酶和和 UDP-Glc差向异构酶。半乳糖在这些酶差向异构酶。半乳糖在这些酶的顺序催化下，先生成的顺序催化下，先生成 1-磷酸半乳糖，然磷酸半乳糖，然后再生成后再生成 G-1-P。G-1-P 经经G-6-P磷酸葡萄磷酸葡萄糖变位酶作用生成糖变位酶作用生成 G-6-P，即可进入酵解即可进入酵解途径。在嗜糖假单胞菌中，半乳糖可被直途径。在嗜糖假单胞菌中，半乳糖可被直接氧化成半乳糖酸内酯，然后进入与接氧化成半乳糖酸内酯，然
22、后进入与 ED途径类似的途径，最终产物与途径类似的途径，最终产物与 ED 途径相途径相同。同。8/16/2022张星元：发酵原理29 戊糖，如核糖、木糖和阿拉伯糖，虽戊糖，如核糖、木糖和阿拉伯糖，虽然可以被不少微生物利用，但常有适应现然可以被不少微生物利用，但常有适应现象。即它们或以自己独立的途径降解，或象。即它们或以自己独立的途径降解，或经转化后进入葡萄糖降解途径。经转化后进入葡萄糖降解途径。如核糖如核糖在激酶催化下生成在激酶催化下生成R-5-P，即可进入，即可进入HMP和和PK途径。途径。阿拉伯糖在异构酶的催化下阿拉伯糖在异构酶的催化下生成核酮糖，然后再磷酸化生成生成核酮糖，然后再磷酸化生
23、成 Ru-5-P，即可进入即可进入HMP或或PK途径。途径。8/16/2022张星元：发酵原理30 木质纤维水解物中有木质纤维水解物中有40是木是木糖，木糖可以经木糖醇而转化为木糖，木糖可以经木糖醇而转化为木酮糖，也可以在木糖异构酶催化下酮糖，也可以在木糖异构酶催化下直接生成木酮糖，木酮糖经激酶催直接生成木酮糖，木酮糖经激酶催化生成化生成 Xu-5-P，即可进入，即可进入 HMP或或PK途径。途径。8/16/2022张星元：发酵原理31己糖醛酸的降解己糖醛酸的降解 果胶类物质在胞外酶作用下降解果胶类物质在胞外酶作用下降解成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸经进一步成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸经进一步代谢即可转
24、化成代谢即可转化成 ED 途径的中间产物途径的中间产物 KDPG，即可进入，即可进入 ED 途径。途径。这样的这样的作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆菌中比较明显。菌中比较明显。8/16/2022张星元：发酵原理32甘露（糖）醇的降解甘露（糖）醇的降解 在不同的微生物中，可在不同的微生物中，可能经不同的途径将甘露醇转能经不同的途径将甘露醇转化为化为 EMP 途径的中间产物途径的中间产物 F-6-P。8/16/2022张星元：发酵原理33 丙酸的降解丙酸的降解 在需氧条件下，在需氧条件下，大肠杆菌的丙酸降解大肠杆菌的丙酸降解至今未有明确的结论，至今未有明确的结论，其
25、丙酸代谢的第一其丙酸代谢的第一步是生成丙酰步是生成丙酰 CoA，后者与乙醛酸缩合成，后者与乙醛酸缩合成-羟基戊二酸，然后又裂解成乳酸和乙酸。羟基戊二酸，然后又裂解成乳酸和乙酸。乙酸经乙酸经AcCoA进入进入TCA环或（和）环或（和）DCA环。环。而乳酸经乳酰而乳酸经乳酰 CoA、丙酮酰、丙酮酰 CoA，转化成，转化成羟基丙酮醛，羟基丙酮醛，此化合物的进一步代谢情况此化合物的进一步代谢情况尚待研究，尚待研究，但已知当丙酸浓度较高时，但已知当丙酸浓度较高时，丙丙酸主要经乙酸代谢。酸主要经乙酸代谢。8/16/2022张星元：发酵原理34葡萄糖酸的降解葡萄糖酸的降解 某些微生物能利用葡萄糖酸作为唯某些
26、微生物能利用葡萄糖酸作为唯一碳源，葡萄糖酸可经一碳源，葡萄糖酸可经 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸脱羧，生成脱羧，生成 5-磷酸核酮糖而进入磷酸核酮糖而进入 HMP 途径；也可以经途径；也可以经 2,5-二酮葡萄糖酸，继二酮葡萄糖酸，继续代谢生成续代谢生成-KG而进入而进入TCA环。在假环。在假单胞菌中，葡萄糖酸经单胞菌中，葡萄糖酸经 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸进入进入ED途径。途径。8/16/2022张星元：发酵原理35山梨（糖）醇的降解山梨（糖）醇的降解 山梨（糖）醇先被转化成果糖，然后山梨（糖）醇先被转化成果糖，然后生成生成F-6-P而进入而进入EMP途径。途径。苹果酸的降解苹果酸的降解
27、 在需氧情况下，苹果酸按在需氧情况下，苹果酸按TCA环氧化环氧化方向生成方向生成OAA，然后，然后OAA脱羧生成脱羧生成PYR，然后按需氧途径降解。在弱氧化醋酸杆菌然后按需氧途径降解。在弱氧化醋酸杆菌中，苹果酸经草酰苹果酸生成中，苹果酸经草酰苹果酸生成-KG而进入而进入TCA环，以便用于氨基酸合成。环，以便用于氨基酸合成。8/16/2022张星元：发酵原理36草酸的降解草酸的降解 草酸先被转化成乙醛酸，然后经甘油草酸先被转化成乙醛酸，然后经甘油酸途径生成酸途径生成3-P-GA进入进入EMP途径。途径。乙醇酸（羟基乙酸）和乙醛酸的降解乙醇酸（羟基乙酸）和乙醛酸的降解 乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后者
28、直接乙醇酸先被氧化成乙醛酸，后者直接与与AcCoA反应，生成苹果酸进入反应，生成苹果酸进入TCA环、环、DCA环；或者乙醛酸经甘油酸途径，生成环；或者乙醛酸经甘油酸途径，生成3-P-GA而进入而进入EMP途径。途径。8/16/2022张星元：发酵原理37乙醇和乙酸的降解乙醇和乙酸的降解 乙醇经乙醛氧化成乙酸，乙酸乙醇经乙醛氧化成乙酸，乙酸在乙酰硫激酶的催化下，与在乙酰硫激酶的催化下，与CoA、ATP作用，生成作用，生成AcCoA而进入而进入TCA环。环。8/16/2022张星元：发酵原理38脂肪酸的降解脂肪酸的降解 脂肪和脂肪酸也可以作为微生物的碳源脂肪和脂肪酸也可以作为微生物的碳源和能源，但
29、脂肪不能进入细胞，细胞内贮藏和能源，但脂肪不能进入细胞，细胞内贮藏的脂肪也不可直接进入糖的降解途径，因此的脂肪也不可直接进入糖的降解途径，因此要在有关酶的作用下先行水解。要在有关酶的作用下先行水解。脂肪在微生物细胞合成的脂肪酶（胞外脂肪在微生物细胞合成的脂肪酶（胞外酶对胞外的脂肪，胞内酶对胞内脂肪）的作酶对胞外的脂肪，胞内酶对胞内脂肪）的作用下，水解成甘油和脂肪酸。用下，水解成甘油和脂肪酸。甘油经甘油经3-磷酸甘油或经二羟基丙酮转化磷酸甘油或经二羟基丙酮转化成磷酸二羟丙酮（成磷酸二羟丙酮（DHAP）进入）进入EMP途径。途径。8/16/2022张星元：发酵原理39 绝大多数细菌对脂肪酸的分解绝
30、大多数细菌对脂肪酸的分解能力很弱，然而一经诱导，它们的能力很弱，然而一经诱导，它们的脂肪酸氧化活性就会增强。如大肠脂肪酸氧化活性就会增强。如大肠杆菌就有一个可被诱导合成的，用杆菌就有一个可被诱导合成的，用来降解脂肪酸的酶系，并且，来降解脂肪酸的酶系，并且，C6C16脂肪酸靠酰基脂肪酸靠酰基CoA合成酶参与的合成酶参与的基团转移机制进入细胞。基团转移机制进入细胞。8/16/2022张星元：发酵原理40 脂肪酸的脂肪酸的-氧化是在原核细胞的细胞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。质和真核细胞的线粒体内进行的。若脂肪若脂肪酸分子的碳原子数为偶数，最终得酸分子的碳原子数为偶数，最终得A
31、cCoA，若脂肪酸分子的碳原子数为奇数，若脂肪酸分子的碳原子数为奇数，则同时则同时也得到丙酰也得到丙酰CoA。AcCoA直接进入直接进入TCA 环环降解，丙酰降解，丙酰 CoA 则可以经甲基丙二酸单酰则可以经甲基丙二酸单酰CoA，然后甲基丙二酸单酰，然后甲基丙二酸单酰 CoA分子重排，分子重排，形成形成ScCoA而进入而进入TCA环。环。8/16/2022张星元：发酵原理41脂肪族烃的降解脂肪族烃的降解 微生物对烃的降解，首先需要氧，因微生物对烃的降解，首先需要氧，因此，在烃上生长是专性需氧的过程。此，在烃上生长是专性需氧的过程。在甲烷上生长的过程，需特殊的途径，在甲烷上生长的过程，需特殊的途
32、径，因此甲烷氧化细菌不能在其它烃上生长。因此甲烷氧化细菌不能在其它烃上生长。微生物对其它脂肪族烃的代谢情况大致是微生物对其它脂肪族烃的代谢情况大致是这样的：能够在这样的：能够在C5C8脂肪族烃中生长的脂肪族烃中生长的细菌相对较少，如分支细菌、黄杆菌、诺细菌相对较少，如分支细菌、黄杆菌、诺卡氏菌等。卡氏菌等。8/16/2022张星元：发酵原理42 然而，能利用长链的脂肪族烃的微生然而，能利用长链的脂肪族烃的微生物比较多，分布也比较广，其中特别是能物比较多，分布也比较广，其中特别是能利用利用 C10C18 正烷烃的微生物，而且这些正烷烃的微生物，而且这些正烷烃被利用的速度特别快。能在长链脂正烷烃被
33、利用的速度特别快。能在长链脂肪族烃上生长的微生物包括谷氨酸棒状杆肪族烃上生长的微生物包括谷氨酸棒状杆菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌、嗜石菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌、嗜石油诺卡氏菌、简单节杆菌、解脂假丝酵母、油诺卡氏菌、简单节杆菌、解脂假丝酵母、球拟酵母、粉红头孢等微生物。值得注意球拟酵母、粉红头孢等微生物。值得注意的是酵母和丝状真菌也能利用这类基质。的是酵母和丝状真菌也能利用这类基质。大肠杆菌、产气肠杆菌和枯草芽孢杆菌不大肠杆菌、产气肠杆菌和枯草芽孢杆菌不能在这类基质上生长。能在这类基质上生长。8/16/2022张星元：发酵原理43 脂肪族烃是水不溶性基质，因此，微脂肪族烃是水不溶性基质，
34、因此，微生物对它们的吸收和催化作用就有一定的生物对它们的吸收和催化作用就有一定的特殊性。微生物通常生活在水的环境中，特殊性。微生物通常生活在水的环境中，不能生活在油中，因此，微生物对这类基不能生活在油中，因此，微生物对这类基质的作用只发生在油水界面上。对于这类质的作用只发生在油水界面上。对于这类基质的利用是从对它们的吸收开始的。在基质的利用是从对它们的吸收开始的。在这类基质上生长的酵母细胞具有富含糖脂这类基质上生长的酵母细胞具有富含糖脂的相当厚的壁，在这类基质上生长的细菌的相当厚的壁，在这类基质上生长的细菌则形成含海藻糖脂、鼠李糖脂或具有与这则形成含海藻糖脂、鼠李糖脂或具有与这些糖脂类结构类似
35、的化合物的细胞壁。些糖脂类结构类似的化合物的细胞壁。8/16/2022张星元：发酵原理44 脂肪族烃溶在这样的细胞壁中并且被脂肪族烃溶在这样的细胞壁中并且被传送到质膜。换句话说，这些微生物能产传送到质膜。换句话说，这些微生物能产生起乳化剂作用的物质，这些物质具有既生起乳化剂作用的物质，这些物质具有既亲油又亲水的分子结构，因而可以促进微亲油又亲水的分子结构，因而可以促进微生物对脂肪族烃的吸收。例如节杆菌、短生物对脂肪族烃的吸收。例如节杆菌、短杆菌、棒状杆菌和诺卡氏菌产生的这类物杆菌、棒状杆菌和诺卡氏菌产生的这类物质是海藻糖脂（由质是海藻糖脂（由1分子海藻糖与分子海藻糖与2分子。分子。-分支分支-
36、羟基脂肪酸组成），嗜石油假丝羟基脂肪酸组成），嗜石油假丝酵母产生的这类物质是由多肽和脂肪酸组酵母产生的这类物质是由多肽和脂肪酸组成的。成的。8/16/2022张星元：发酵原理45 当然也可以用人工的方法增当然也可以用人工的方法增加微生物细胞的这种吸收活性，加微生物细胞的这种吸收活性，比如，加入表面活性剂促进乳化比如，加入表面活性剂促进乳化作用，使烷烃呈胶状分散状态。作用，使烷烃呈胶状分散状态。对于固态烃（如固体石蜡），除对于固态烃（如固体石蜡），除了细胞直接黏附于其表面外，还了细胞直接黏附于其表面外，还可能有使其溶解的机制。可能有使其溶解的机制。8/16/2022张星元：发酵原理46 脂肪族烃
37、被微生物吸收过程的最初脂肪族烃被微生物吸收过程的最初的的 3 个反应在膜中进行，催化这个反应在膜中进行，催化这 3 个反个反应的酶是与膜结合的。反应由单加氧酶应的酶是与膜结合的。反应由单加氧酶催化开始：催化开始：基质基质-H O2 AH2 基质基质-OH A H2O8/16/2022张星元：发酵原理47 上式中上式中 AH2 是指一种可被氧化的辅是指一种可被氧化的辅基质（基质（cosubstrate），这里是还原性的，这里是还原性的红氧（红氧（化化）还（）还（原原）蛋白）蛋白（reduced rubredoxin），），这种含铁的蛋白质小分这种含铁的蛋白质小分子子（Fe2+或或Fe3+与多肽链
38、上的半胱氨酸与多肽链上的半胱氨酸残基相联），先被可溶性的依赖残基相联），先被可溶性的依赖 NADH 的酶系统还原，的酶系统还原，然后才能作为单加氧酶然后才能作为单加氧酶的辅基质。的辅基质。8/16/2022张星元：发酵原理48 然后，经单加氧酶催化形成的然后，经单加氧酶催化形成的伯醇被依赖于伯醇被依赖于 NAD+的伯醇脱氢酶的伯醇脱氢酶进一步氧化成对应的醛，最后醛又进一步氧化成对应的醛，最后醛又被依赖于被依赖于 NAD+的醛脱氢酶氧化成的醛脱氢酶氧化成对应的脂肪酸。此外，还发现有脂对应的脂肪酸。此外，还发现有脂肪族烃分子两端均被氧化的，结果肪族烃分子两端均被氧化的，结果生成二羧酸。生成二羧酸。
39、8/16/2022张星元：发酵原理49 在棒状杆菌的一些种和酵母在棒状杆菌的一些种和酵母中，辅基质则是还原性细胞色素中，辅基质则是还原性细胞色素 P450，它经黄素蛋白和铁硫蛋白，它经黄素蛋白和铁硫蛋白，从从NADH获得还原力。获得还原力。8/16/2022张星元：发酵原理50 在某些微生物中（如诺卡氏菌中的某在某些微生物中（如诺卡氏菌中的某些种）还发现了另外一种氧化机制。从脂些种）还发现了另外一种氧化机制。从脂肪族烃的亚末（即第二个碳）开始氧化，肪族烃的亚末（即第二个碳）开始氧化，生成仲醇，继续氧化成酮；在第二个单加生成仲醇，继续氧化成酮；在第二个单加氧酶的催化下转化成乙酸酯；乙酸酯水解氧酶
40、的催化下转化成乙酸酯；乙酸酯水解成乙酸和长伯链醇；这个长链伯醇将进一成乙酸和长伯链醇；这个长链伯醇将进一步降解。步降解。脂肪族烯也能被降解。或是在双键处脂肪族烯也能被降解。或是在双键处加水；或是先形成环氧化物，然后水解成加水；或是先形成环氧化物，然后水解成二羟基烷。此外，环烷烃、二环烷烃、萜二羟基烷。此外，环烷烃、二环烷烃、萜烯烃类等均可被不同的微生物降解。烯烃类等均可被不同的微生物降解。8/16/2022张星元：发酵原理51 总之，不同种类的长链脂总之，不同种类的长链脂肪族烃通过不同途径均可被转肪族烃通过不同途径均可被转变成长链脂肪酸，长链脂肪酸变成长链脂肪酸，长链脂肪酸经经-氧化，生成氧化
41、，生成AcCoA而进入而进入TCA环。环。8/16/2022张星元：发酵原理52氨基酸的降解氨基酸的降解 由蛋白酶或肽酶水解蛋白质或多肽生由蛋白酶或肽酶水解蛋白质或多肽生成的低分子质量的肽和氨基酸，能被许多成的低分子质量的肽和氨基酸，能被许多种微生物主动吸收，并用于生长。一些氨种微生物主动吸收，并用于生长。一些氨基酸的分子结构与中心代谢途径上某些中基酸的分子结构与中心代谢途径上某些中间化合物（间化合物（central intermediates）相关，）相关，所以它们的降解非常容易。所以它们的降解非常容易。8/16/2022张星元：发酵原理53 大多数情况下，氨基酸首先转变成相关大多数情况下，
42、氨基酸首先转变成相关的酮酸。如的酮酸。如Glu-KG、AspOAA、Ala PYR，以及，以及Val2-氧代异戊酸、氧代异戊酸、Leu 2-氧代异己酸、氧代异己酸、I1e 2-氧代氧代-3-甲基戊酸。甲基戊酸。这这就是氧化脱氨。就是氧化脱氨。-KG、OAA 和和 PYR 属于属于中心代谢途径的中间化合物。中心代谢途径的中间化合物。2-氧代异戊酸氧代异戊酸和和2-氧代氧代-3-甲基戊酸还需经特异性的降解途甲基戊酸还需经特异性的降解途径转变成中心代谢途径的中间化合物，已发径转变成中心代谢途径的中间化合物，已发现细菌中有与动物中类似的反应将这两者转现细菌中有与动物中类似的反应将这两者转化为化为AcC
43、oA和丙酰和丙酰CoA。8/16/2022张星元：发酵原理54 脱氨也可以引发氨基酸的降解。发脱氨也可以引发氨基酸的降解。发生脱氨反应的条件是：生脱氨反应的条件是：-氨基羧酸分氨基羧酸分子中子中-碳原子上的取代基碳原子上的取代基（如羟基如羟基）促进促进-氨基的离去，生成酮酸。氨基的离去，生成酮酸。因而因而诸如诸如 Ser、Thr 和和 His 都可以进行脱氨都可以进行脱氨降解。因为脱氨降解是从脱水开始的，降解。因为脱氨降解是从脱水开始的，所以把反应所用的酶叫做所以把反应所用的酶叫做 脱水酶脱水酶（即即通常所说的脱氨酶通常所说的脱氨酶）。）。8/16/2022张星元：发酵原理55 在大肠杆菌中降
44、解代谢的在大肠杆菌中降解代谢的Thr 脱水酶脱水酶与合成代谢的与合成代谢的 Thr脱水酶在性质上是不同脱水酶在性质上是不同的（特别是在调节性能上），后者催化从的（特别是在调节性能上），后者催化从 Thr合成合成I1e的第一步反应。如果要在的第一步反应。如果要在 Asp 上需氧生长，许多微生物会合成天冬氨酸上需氧生长，许多微生物会合成天冬氨酸酶，催化酶，催化 Asp 脱氨。脱氨。His 的降解也由类似的降解也由类似的反应引发。的反应引发。8/16/2022张星元：发酵原理56 以上所述脱氨机制是微生物降解氨基以上所述脱氨机制是微生物降解氨基酸的主要机制，此外还有其他降解机制，酸的主要机制，此外还
45、有其他降解机制，如如 Arg 可通过多种途径降解成可通过多种途径降解成 SCA，Phe可以降解成可以降解成 FMA 和乙酰乙酸。因此，许和乙酰乙酸。因此，许多微生物能在营养液和其他含有多种氨基多微生物能在营养液和其他含有多种氨基酸和肽的培养基中很好地生长的事实，是酸和肽的培养基中很好地生长的事实，是可以理解的。可以理解的。8/16/2022张星元：发酵原理57 但应注意到，氨基酸也可以在但应注意到，氨基酸也可以在脱羧酶的催化下脱羧生成相应的胺。脱羧酶的催化下脱羧生成相应的胺。含含 1 个氨基的氨基酸脱羧后生成单个氨基的氨基酸脱羧后生成单胺；含胺；含 2 个氨基的氨基酸脱羧后生个氨基的氨基酸脱羧
46、后生成二胺，二胺有毒。成二胺，二胺有毒。8/16/2022张星元：发酵原理58核苷酸、核苷和嘌呤、嘧啶的降解核苷酸、核苷和嘌呤、嘧啶的降解 化能异养型微生物可以分泌胞外化能异养型微生物可以分泌胞外酶，如核酸酶（磷酸二酯酶）、核苷酶，如核酸酶（磷酸二酯酶）、核苷酸酶（磷酸单酯酶）和核苷酶，将胞酸酶（磷酸单酯酶）和核苷酶，将胞外的核酸降解成核苷酸、核苷、嘌呤外的核酸降解成核苷酸、核苷、嘌呤和嘧啶。一般认为核苷酸难以被吸收，和嘧啶。一般认为核苷酸难以被吸收，腺嘌呤核苷酸借助特异性的移位酶的腺嘌呤核苷酸借助特异性的移位酶的跨膜交换比率为跨膜交换比率为1 1。8/16/2022张星元：发酵原理59 核苷
47、和嘌呤、嘧啶碱基可以通过基团核苷和嘌呤、嘧啶碱基可以通过基团转移等机制进入胞内。转移等机制进入胞内。胞内的核酸、核苷胞内的核酸、核苷酸、核苷可被胞内相应的酶降解成嘌呤和酸、核苷可被胞内相应的酶降解成嘌呤和嘧啶。这个分解过程可以概括为：嘧啶。这个分解过程可以概括为：核酸核酸核苷酸核苷酸（核苷（核苷 磷酸磷酸）嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶（1-磷酸戊糖）磷酸戊糖）嘌吟、嘧啶若要作为能源，则需要降解。嘌吟、嘧啶若要作为能源，则需要降解。嘌呤与嘧啶降解的最后产物是有机酸（氨嘌呤与嘧啶降解的最后产物是有机酸（氨基酸）、基酸）、NH3和和CO2。8/16/2022张星元：发酵原理60芳香族化合物的降解芳香族化合物
48、的降解 芳香族化合物在环境和食品中的芳香族化合物在环境和食品中的累积会危及人类的健康（芳香族氨基累积会危及人类的健康（芳香族氨基酸无毒），人类希望能利用微生物来酸无毒），人类希望能利用微生物来降解芳香族化合物，使它们重新进入降解芳香族化合物，使它们重新进入大自然的碳素循环。大自然的碳素循环。8/16/2022张星元：发酵原理61 芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇芳香族化合物（萘、蒽、菲、苯乙醇酸、色氨酸、奎尼酸等）大多先被转变成酸、色氨酸、奎尼酸等）大多先被转变成儿茶酚（儿茶酚（邻苯二酚邻苯二酚）和原儿茶酸（）和原儿茶酸（3，4-二羟苯甲酸）。然后儿茶酚和原儿茶酸再二羟苯甲酸）。然后儿茶酚和原
49、儿茶酸再经邻位分解经邻位分解（3-氧代己酸途径氧代己酸途径）降解成降解成SCA和和AcCoA；或儿茶酚和原儿茶酸经间；或儿茶酚和原儿茶酸经间位分解（间位分解途径）降成位分解（间位分解途径）降成PYR和乙醛。和乙醛。因此，儿茶酚和原儿茶酸堪称芳香族化合因此，儿茶酚和原儿茶酸堪称芳香族化合物分解的物分解的“中心代谢物中心代谢物”。8/16/2022张星元：发酵原理62 微生物也可以不经过以上途微生物也可以不经过以上途径降解芳香族氨基酸。径降解芳香族氨基酸。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）降解为延胡索酸和乙酰解为延胡索酸和乙酰 CoA，即可，即可进入进入TCA环
50、。环。8/16/2022张星元：发酵原理633.2.2.4 细胞内源化合物的氧化降解细胞内源化合物的氧化降解 当没有外源能源化合物供应时，当没有外源能源化合物供应时，微生物可以氧化其细胞内组成物质微生物可以氧化其细胞内组成物质（即内源营养物质），获得维持生（即内源营养物质），获得维持生命活动的能量。命活动的能量。内源营养物质包括细胞内的各种多内源营养物质包括细胞内的各种多糖、类脂和多聚糖、类脂和多聚-羟基丁酸、细羟基丁酸、细胞蛋白质和胞蛋白质和RNA等。等。8/16/2022张星元：发酵原理64 当前面当前面 3 种能被较快降解的内源营种能被较快降解的内源营养物质用完后，细胞常常能利用细胞蛋养
