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CO 2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CO 2。

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）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ATP+0.5 ADPATP+ ADP+AMP0.5。

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和ATP与其镁复合物之间的显着差别。

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。

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。

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、α-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.，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过程也合成了草酰乙酸，因此，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。