2010-5-16 张星元：发酵原理 1
第三章 发酵学第二假说
代谢网络假说
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
听课时请关注以下提示：
1.本章讨论化能异养型微生物细胞的代谢的问题，
讨论侧重于有机化合物的代谢。
2,因为讨论的内容比较抽象，所以必须引进形象思
维。如果把代谢的过程比作物质的流动，比作河流，
那么由许多代谢途径和输送系统（载体蛋白）组成
的代谢网络就相当于河道网，反应途径就相当于河
床，序列反应中的有机物就相当于水，河床里有水
就成河流，碳架物质在代谢网络中流动形成代谢流。
3,本章讨论微生物细胞初级代谢的代谢网络，这个
网络是微生物细胞进行能量代谢和物质代谢的操作
系统，它最基本的功能是支持生长和维持生命活动。
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对碳架物质在微生物
细胞及其环境中的流动进
行仔细的观察和深入的研
究，在无数实例的基础上，
提出了 代谢网络假说。
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假说二,代谢网络假说
代谢途径和输送系统在代谢物
分子水平上整合、在辅因子水平上
协调，形成横跨微生物活细胞内外
的代谢网络。代谢网络是细胞自主
调节的无尺度网络，它作为一个整
体来承担微生物细胞的物质代谢和
能量代谢。
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微生物细胞是个远离平衡状态的、
不平衡的开放体系。微生物细胞的物
质代谢和能量代谢，依靠代谢网络来
实现。代谢网络横跨细胞内外，没有
绝对的起点，也没有绝对的终点；既
是相对稳定的，又是可以变化的。代
谢网络变化的根据在于细胞的遗传物
质，变化的原因在于细胞的生存的条
件。
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细胞生命活动过程中，有机
化合物（碳架物质）在代谢网络
中流动，形成代谢流。在工业发
酵生产中，微生物细胞的主要代
谢流有起点和终点，其起点应该
是原料，其终点应该是目的产物。
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微生物细胞的代谢网络是一个由代
谢能直接支撑的整体；代谢网络是分解
代谢途径和合成代谢途径，以及跨膜输
送机构的有序组合。 对代谢网络的描述
必须在时间和空间的, 四维空间, 中
进行。微生物细胞的遗传物质是代谢网
络的生物信息源，微生物细胞的生理状
况是代谢网络运行在细胞层面的表现。
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代谢网络不是生化途径和跨膜输送
过程的简单联接。 代谢网络这个概念的
提出就是要将生物化学概念纳入细胞代
谢的总体框架。 活细胞的功能由几个独
立的、相互联系的反应群（ reactions）
来支撑，根据这些反应群在整个细胞合
成过程中的主要功能和逻辑顺序，对它
们作如下分类：①供能反应群，②生物
合成反应群，③多聚反应群，④组装反
应群。
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①供能反应（ fueling reactions）：
供能反应是指细胞内进行的这样一
些反应，它们生成生物合成所需的 12种
前体代谢物,同时，还将其他形式的能
量转化为细胞可以直接利用的能量 ——
代谢能 （以 ATP为代表），用于生物合
成反应、多聚反应和组装反应中。供能
反应还为生物合成反应提供 还原力 。
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②生物合成反应（ biosynthetic reactions）：
通过这类反应生成多聚反应中所需的
模块分子（ building blocks ）,同时也生
成辅酶和相关的代谢因子，包括信号分子
（ signal molecules）。 有一些 生物合成反
应系列,以功能单元的方式存在。每一个
功能单元由一个或几个按顺序进行的、以
一个（或更多）分子模块为终端的反应序
列组成，这样的功能单元叫做 生物合成途
径 。
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所有的生物合成途径都起始于 12
种“前体代谢物”。
G-6-P F-6-P R-5-P α-KG ScCoA
E-4-P OAA GA-3-P 3-P-GA PEP
PYR AcCoA
一些途径直接从这样的前体代谢
物（一个或两个）开始，另一些途径
间接地从某个代谢中间物或某个相关
途径的终端产物处引出分支途径。
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③多聚反应（ polymerization reactions）：
多聚反应泛指一种或多种 活化了的
分子，定向地、有序地键合成分支或不
分支的、多聚的、长链的反应系列。相
当数量的模块分子通过这些反应形成生
物大分子物质（如多肽,DNA,RNA）。
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④组装反应（ assembly reactions）：
组装反应先后经过以下几步来完
成细胞的组装，首先是对生物大分子
进行化学修饰，随后将它们输送到细
胞中预先指定的位置，最后渗入细胞
组件，如细胞壁、细胞膜和细胞核等。
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本课程定义的代谢网络，属于分
子生物学蛋白质层次上的网络。代谢
网络虽然不能通过解剖细胞（解剖学）
而获得，但它确实是细胞生命活动的
一种客观存在，类似于中医的经络；
因此我们认为对于代谢网络的研究属
于另一种意义上的解剖学（第二解剖
学）的范畴。
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根据工业发酵的现状，已把, 依靠化
能异养型微生物，合成某最终被分泌到胞
外的初级代谢产物或能量代谢副产物的工
业发酵”定义为 典型的工业发酵 。为此，
本课程 把讨论的重点放在代谢网络中与典
型的工业发酵直接相关的部分，也就是化
能异养型微生物的初级代谢的代谢网络。
在详细研究 供能反应 和 生物合成 反应的同
时，宏观上兼顾 多聚反应 和 组装反应 。
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为了分析问题的方便，将化能异
养型微生物的 初级代谢的代谢网络,
分成, 向心板块,,,中心板块,
和,离心板块, 三大板块来研究。
向心板块和中心板块两个板块对应于
上述供能反应，离心板块对应于生物
合成反应。 要分别讨论每一板块的组
成，更注重讨论它们之间的衔接关系。
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本章将分六节讨论化能
异养型微生物的代谢途径及
其相关性，从而 建立代谢网
络的概念。进而研究工业微
生物细胞的, 第二解剖
学,。
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第一节 微生物代谢网络的 中心板块
第二节 微生物代谢网络的 向心板块
第三节 微生物代谢网络的 离心板块
第四节 代谢网络 和 联网 问题
第五节 代谢网络中 代谢物流 的形成
第六节 代谢网络假说的形成和发展
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第一节 微生物代谢网络的
中心板块
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研究微生物细胞的代谢，
从研究微生物对碳源的降解开
始，研究碳源的代谢从代谢网
络的中心板块的中心代谢途径
入手。而中心代谢途径的研究
从对葡萄糖降解途径的研究开
始，因为：
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① 葡萄糖和果糖是化能异养型微生物
的主要碳源和能源，葡萄糖的降解和合成
代谢途径是中心代谢途径的主体。 ② 葡萄
糖的降解途径是研究葡萄糖合成代谢途径
的基础。 ③ 戊糖和其它碳水化合物则必须
经降解或被转化成中心代谢途径的某中间
产物后才能进入中心代谢途径。 ④ 碳水
化合物以外的其它有机化合物包括其它醇、
醛、有机酸、氨基酸、脂类、烃类、芳香
族化合物等也都是经转化后进入中心代谢
途径的。
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既可用于降解代谢，又可用于合成代
谢的途径，通称无定向途径（ amphibolic
metabolic pathway）,因为它们有双重功
能，又称为两用途径。 最重要的两用途径
是处于代谢网络中心的两用途径，即中心
代谢途径。
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EMP途径,HMP途径和 TCA环，被
称作为中心代谢途径（ central metabolic
pathway）,简称中心途经。 广义的中心
代谢途径还包括其它酵解途径和 DCA环、
乙醛酸环 ( GOA 环 ), 甘油酸途径等。中
心代谢途径是工业发酵载流路径的不可缺
少的一部分，是直接发酵法生产中微生物
代谢的必经之路。
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3.1.1 葡萄糖的分解代谢途径
3.1.2 葡萄糖降解途径之间的关系
3.1.3 微生物的中心代谢途径
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3.1.1 葡萄糖的分解代谢途径
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3.1.1 葡萄糖的降解代谢途径
? EMP途径 (Embden-Meyerhof-Parnas
pathway)
? HMP途径 (hexose monophosphate pathway)
和 PP环 (oxidative pentose phosphate cycle)
? ED途径 (Entner-Douderoff pathway ) 或
KDPG途径（ 2-keto-3-deoxy-6-
phosphogluconate pathway）
? PK途径 (phosphoketolase pathway)
? 葡萄糖直接氧化途径
? TCA环 以及丙酮酸的代谢方式的转换
? PYR的发酵性代谢途径
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葡萄糖的降解代谢可在有氧条
件下进行，也可以在无氧条件下进
行；可以是氧化性的，也可以是发
酵性的。
但并非所有氧化性代谢（包括
有氧呼吸和无氧呼吸）均只发生在
有氧存在的条件下；也不能保证在
有氧条件下发生的葡萄糖降解代谢
都是氧化性的代谢。
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葡萄糖的氧化性降解代谢与发酵
性降解代谢两者最基本的区别在于：
氧化性降解代谢除了可以与发酵性降
解代谢一样通过底物水平磷酸化形成
ATP外，还经电子传递磷酸化产生更
多的 ATP,从而 允许微生物有更高的
生物合成速率、更高的生长速率及更
高的细胞得率 ( 细胞对葡萄糖的转化
率 ) 。
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为了说明问题方便，可将
微生物对葡萄糖的降解代谢分
成三个阶段来分析。
下图是葡萄糖降解代谢综
合示意图。
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第一阶段：葡萄糖进入细胞,
在胞内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯
（ 如,G-6-P ） 或葡萄糖酸的磷
酸酯（ 如,6-P-GA ） 的形式出
现。
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第二阶段：微生物细胞将葡萄糖或磷酸葡
萄糖降解到处于 3C水平的丙酮酸,其降解途径
在不同的微生物往往不一样，但实际上主要经
前述酵解途径之一降解。几乎所有的微生物均
不止使用其中之一条途径，通常用两条，某些
情况下还可能诱导出第三条甚至第四条途径。
在任何一种微生物细胞中，流经并行的途径的
碳架物质的相对流量因细胞的氧化还原状态、
细胞所处的环境条件的不同而发生相应的变化。
这个阶段不但通过底物水平磷酸化 生成 ATP，
而且向细胞质 释放还原当量 。
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第三阶段：丙酮酸继续代谢和代谢
产物的分泌。 这是区分葡萄糖的氧化性
代谢与发酵性代谢的关键性阶段。
如果丙酮酸或由丙酮酸继续代谢而
生成的可用作还原当量吸收剂的化合物
（如乙醛）吸收第二阶段释放的还原当
量，生成相应的还原产物 （如乙醇）。
这个过程因这些还原产物的分泌而得以
进行。这时微生物细胞进行发酵性代谢。
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如果遗传与环境条件许可,丙
酮酸相对容易地经 TCA环降解，最
终可被氧化降解成二氧化碳；第二
阶段（酵解）及第三阶段所释放的
还原当量则在膜内侧被电子传递链
吸收并传递给最终电子受体。这时
微生物细胞进行氧化性代谢 。
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OAA
PYRPYRGlc Glc
引自 Albert G.Moat et,Al.,Microbial Phsiology (4th ed.),2002根据 2002 改制。
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由此可见,各种以 丙酮酸 为
底物的酶对丙酮酸的竞争，是细
胞对葡萄糖进行氧化性代谢还是
还原性（发酵性）代谢的 调节的
关键 。
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大多数微生物在完成葡萄
糖降解的第一阶段后，就会面
临选择什么途径来完成第二阶
段的降解的问题。第二阶段一
般有 EMP,HMP,ED和 PK
等四种途径可供选择。葡萄糖
经第二阶段降解，生成丙酮酸。
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下面将分别讨论第二阶段的
可选择的四种途径和葡萄糖直接
氧化途径，以及第三阶段的丙酮
酸的氧化性代谢途径（ TCA环）
和发酵性（还原性）代谢途径。
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特别提请注意，这门课程中，所有
的 途径都是代谢网络的组成部分, 它们
在代谢网络中与其周围的途径发生关联，
就如集成电路元件可以不同的连接方式
存在于电子线路中。
在学习中应该特别注重经典的途径
（如 EMP 途径,TCA途径等 ）与其他
途径 可能发生关联之处 。
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3.1.1.1 EMP途径
(Embden-Meyerhof-
Parnas pathway)
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这条途径是除植物以外的多数
生物所共有的。在该途径中，葡萄
糖被转化为 1,6 - 二磷酸果糖（属
于二磷酸己糖）后，经二磷酸果糖
醛缩酶催化而开始降解，因此该途
径又有二磷酸己糖途径和二磷酸果
糖醛缩酶途径之称。
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EMP途径
HMP,ED,
和 PK途径
HPK途径
ATP ( PEP)
ADP (PYR)
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缩写规则（供读图参考）：
糖 (醛糖或酮糖，也包括甘油醛 )的
磷酸化合物均缩写为,该糖的英文名
称的首字母 - 阿拉伯数字 - P, 。 因此
3 - 磷酸甘油醛的缩写为 GA-3-P。
糖以外的磷酸化合物缩写为,阿
拉伯数字 - P - 化合物的英文名称的首
字母, 。因此 3 - 磷酸甘油酸的缩写为
3-P-GA
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EMP途径的三个阶段：
①准备阶段、
②氧化阶段、
③放能阶段。
EMP途径的三个单向酶：
①己糖激酶（ HK）、
② 磷酸果糖激酶（ PFK）、
③ 丙酮酸激酶 （ PK） 。
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EMP途径的两个关键酶：
① 磷酸果糖激酶 ( PFK ),它是 EMP
途径中 唯一不涉及其它用来降解碳水
化合物的途径的酶（也是 EMP途径特
有的酶 ）。它受到多种因子的控制，
因此可能是 EMP途径的代谢流的主要
“阀门”。
② 二磷酸果糖醛缩酶 (FDPA),简称 醛
缩酶。 这个酶催化 EMP途径中 6C裂解
成 3C的反应。
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3.1.1.2 HMP途径
(hexose monophosphate
pathway) 和
PP环 (oxidative pentose
phosphate Cycle)
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因为 HMP 途径中葡萄糖
的降解是从单磷酸己糖，即 6-
磷酸葡萄糖酸 ( 6-P-GA ) 开始
的，取单磷酸己糖英文的首字
母即可缩写为 HMP, 故有单
磷酸已糖途径，即 HMP 途径
之称。
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HMP 途径 葡萄糖氧化降解以两种不
同的方式进行：
①完全氧化的方式,葡萄糖被完全氧化
成 CO2,每分子葡萄糖生成 6 分子 CO2。
②不完全氧化的的方式,每分子葡萄糖
被氧化成 3 分子 CO2 和 1 分子 GA-3-P，
后者可以被进一步氧化。
因此 HMP 途径有, 完全的 HMP
途径, 和,不完全的 HMP 途径, 之
分。只有 不完全的 HMP途径能完成从葡
萄糖到 PYR的过程 。
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不论完全的还是不完全的 HMP
途径，均可以人为地分成前后两个阶
段。
前阶段均是从葡萄糖氧化生成磷
酸戊糖，为 HMP 途径的氧化阶段 ；
后阶段均包含磷酸戊糖之间的，经一
系列基团转移反应重新合成己糖的过
程，为 HMP途径的非氧化阶段 。
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HMP 途径的氧化阶段
待续
E D 途径P K 途径
E M P 途径
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(1) HMP途径的氧化阶段
前图中：
6 -P-GL表示 6 - 磷酸葡萄糖酸内酯
6-P-GA表示 6- 磷酸葡萄糖酸
R-5-P （ 简写为 C5P） 表示 5 - 磷酸核糖
Ru-5-P （ 简写为 C’5P） 表示 5 - 磷酸核酮糖
Xu-5-P （ 简写为 C”5P）表示 5 - 磷酸木酮糖
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接上图 HMP 途径的全过程
不完全 的 HMP
完全的 HMP
HMP途径的氧化阶段 HMP 途 径 的 非 氧 化 阶 段
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(2) HMP途径非氧化阶段
前图中：
C7P表示 7- 磷酸景天庚酮糖
C6P表示 6 - 磷酸葡萄糖
C’ 6P表示 6 - 磷酸果糖
C’5P表示 5 - 磷酸核酮糖
C”5P 表示 5 - 磷酸木酮糖
C4P表示 4 - 磷酸赤藓糖
C3P表示 3 - 磷酸甘油酸
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这个阶段包含一系列磷酸戊糖之间
的 2C片段和 3C片段的转移反应。这一
系列的片段转移反应是由两种酶来催化：
① 转羟乙醛基酶 或 转酮酶
( transketolase,缩写成 TK)，需焦磷酸
硫胺素（ TPP）为辅酶, 这种酶专门用
来转移羟乙醛基团（ 2C片段）。
② 转二羟丙酮基酶 或 转醛酶
( transaldolase,缩写成 TA ), 专门用
来转移二羟丙酮基团 ( 3C片段 )。
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根据 HMP 途径的全过程图,能够
画出 HMP 途径的氧化性磷酸戊糖循环
即 PP环图式 。
从全过程图的上半部分可以画出 不
完全的 HMP途径的 PP环图式,从整个
全过程图可以画出 完全的 HMP 途径的
PP 环图式 。
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Glc
C6P
ATP
ADP
2C6P
3C6P
3CO2
6NADP +
6(NADPH+H )+
3C5’ P
2C6’ P
C3P
(TK)
(TA)
PYR
C4P,C5P,
C5”P,C7P
不完全的 HMP途径
PP cycle
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完 全 的 HMP 途 径
Glc
ATP ADP
C6P
5C6P
6C6P
12NADP+
12( NADPH + H )+
6C5’ P 5C6’P
6CO2
C3P,C4P,C5P,C
5”P,C7P
(TA,TK)
PP cycle
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前面两张图中，第一张图归纳了不完
全的 HMP 途径,因为图示的磷酸戊糖参
与的氧化性 PP 环，将 1分子葡萄糖（在 2
个葡萄糖分子的陪同下）被氧化成 3 分子
CO2 和 1分子 PYR,PYR还可以进一步被
氧化，故有,不完全” 之称。 第二张图
归纳了完全的 HMP 途径,因为图示的由
磷酸戊糖参与的氧化性 PP 环，将 1 分子
葡萄糖（ 在 5个葡萄糖分子的陪同下） 被
完全氧化成 6分子 CO2, 因此有, 完全,
之称。
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HMP途径的总反应计量取决于以
下两项的代谢程度：①进入 HMP途径
的碳架物质, 回注, 入 EMP途径，
经 PP 环而被氧化成二氧化碳 （ 同
时生成 NADPH 形式的还原力），②
进入 PP环的碳架物质消耗于生物合
成前体物的生成。 HMP途径也因此而
被认为具有 氧化 和 回补 功能,
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HMP途径的氧化功能,
G-6-P + 12NADP+ + 7H2O ←→
12NADPH + 12H+ + 6CO2 + 1~P
HMP途径的回补功能：
5（ G-6-P） + 5ATP ←→
6（ R-5-P） + 5ADP + 4H2O + 4（ ~ P ）
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3.1.1.4 ED 途径
(Entner-Douderoff pathway )
或 KDPG 途径 （ 2-keto-3-
deoxy-6-phosphogluconate
pathway）
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ED途径
HMP,PK途径
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ED 途径是 HMP 途径的 6-P-GA
处的分支途径，它有两个特殊的酶，
6-P-GA 脱水酶 和 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸
葡萄糖酸醛缩酶 ( KDPG醛缩酶 )，因
此 ED途径又叫 KDPG 途径 。 在大多
数假单胞菌中,ED途径可能是葡萄糖
降解的主要代谢途径 。发酵运动单胞
菌是目前所知的唯一能在厌氧条件下
使用 ED 途径的微生物。
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从前面的 ED 途径图可见，
葡萄糖醛酸、果糖酮酸、甘露
糖醛酸等都可以先各自转化成
KDPG, 然后进入 ED 途径降
解。
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如果合成代谢需要,ED 途径的
中间产物 GA-3-P 和 G-6-P 经 HMP
途径非氧化阶段的 反向运转 先后生
成 C4P,C”5P,C7P,C3P 和 C”5P、
C5P。 它们可以参与嘌呤、嘧啶、芳
香族氨基酸,His,维生素 K2,CoQ、
对 -氨基苯甲酸、叶酸等的合成。
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3.1.1.3 PK途径
(Phosphoketolase Pathway)
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另一种在厌氧条件下运行的途径
是 PK途径。 它也是从单磷酸己糖 6-P-
GA开始降解的，经历 HMP 途径氧化
部分的反应,生成 Xu-5-P 后，被特有
的酶裂解为 3C 化合物 ( GA-3-P ) 和
2C 化合物 ( 乙酰磷酸，高能磷酸化合
物 ) 。 这个特有的酶叫做 磷酸酮解酶
( phosphoketolase ),因为有这个酶而
把这条 单磷酸己糖途径命名为磷酸酮
解酶途径，简称 PK途径 。
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PK途径
Ac-P
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PK途径不同于以上已介绍的可兼
用于需氧和厌氧条件下 降解的途径，
微生物在厌氧条件下借助 PK途径不但
可以利用葡萄糖,而且可以利用 D-核
糖,D-木糖和 L-阿拉伯糖。 这 3 种糖
首先各自转化成 Xu-5-P,然后经 PK
途径降解成 PYR 和 Ac-P（ 高能磷酸
化合物乙酰磷酸 ）。 葡萄糖经 PK 途
径降解成 PYR时所生成的 ATP的量只
有经 EMP途径的一半。
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在双歧杆菌和木醋杆菌中发现了
另一条磷酸酮解酶途径，在这条途径
中磷酸酮解酶以单磷酸己糖 F-6-P 为
底物,将 F-6-P 裂解为 4-磷酸赤藓糖
( E-4-P ) 和 Ac-P,因此这个磷酸酮解
酶实际上是 磷酸己糖酮解酶 ( hexose
phosphoketolase )。 因这个酶而把这
条磷酸酮解酶途径命名为磷酸己糖酮
解酶途径，简称为 HPK途径 。
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HPK途径
EMP,
HMP,
ED和
PK途
径
Ac-P
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如果一种微生物没有二磷酸果糖醛缩
酶（ EMP途径），没有 6-磷酸葡萄糖脱氢
酶 （ HMP途径,ED途径,PK途径，那么
这种微生物就不能用以上途径来降解葡萄
糖；若要在厌氧条件下降解葡萄糖，则需
用 HPK 途径。如果这种微生物中还存在
HMP 途径非氧化阶段的转酮 -转醛酶系统
的话，那么这条途径的中间产物 F-6-P 和
E-4-P 逆向运行可生成各种磷酸戊糖 ( 包
括 C5P,C5’P和 C5”P )。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
3.1.1.5 葡萄糖直接
氧化途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
以上四种途径 (EMP途径,HMP
途径,ED 途径,PK / HPK 途径 ) 的
第一步均是在已糖激酶的催化下首先
把葡萄糖激活成 G-6-P, 然后才开始
降解 ；而有些微生物如假单胞菌属和
气杆菌属的某些种的细菌没有已糖激
酶，只好用变通的办法。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
它们首先把葡萄糖直接氧化
成葡萄糖酸，后者在葡萄糖酸激
酶的催化下，把葡萄糖激活成生
成 6-P-GA； 形成葡萄糖直接氧
化途径。葡萄糖直接氧化途径在
有分子氧存在的情况下运行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
葡萄糖直接氧化途径
a,葡萄糖直接
氧化途径
b,同不完全的
HMP途径、
PK途径
c,同 ED途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
曲霉和青霉的 葡萄糖氧化酶 催化
葡萄糖的氧化脱氢反应,这个酶是以
FAD为辅基的黄素蛋白,葡萄糖脱氢
生成葡萄糖酸内酯 ( GL ),同时 FAD
被还原成 FADH2, 后者直接 （ 不经
过电子传递链 ）被分子氧再生；同时
生成 H2O2, 然后 H2O2 被 触酶 分解。
进行这样的 黄素蛋白水平的呼吸，并
不能为细胞提供代谢能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
3.1.1.6 TCA环和丙酮酸的
代谢方式的转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
TCA环
TCA环
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
在供氧条件 下，对需氧微生物和兼性
厌（需）氧微生物来说，葡萄糖降解代谢
的第二阶段生成的 PYR经丙酮酸脱氢酶系
统 （ PDH ） 脱氢生成 AcCoA,后者进入
TCA环,CoA 所携带的 乙酰基被完全氧化
成 CO2 和水 。
经 TCA环的氧化过程需要 NAD和 FAD
等辅因子,这些辅因子的再生需要电子传
递链。因此,TCA环的运行必须具备以下
条件,TCA环的全套酶及辅因子,TCA环
的酶的底物，电子传递链，分子氧。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
有氧呼吸
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
兼性厌氧菌 大肠杆菌在 供
氧条件 下生长时，不但 α- 酮
戊二酸脱氢酶复合物，而且柠
檬酸合成酶 ( CS ), 顺乌头酸
酶、异柠檬酸脱氢酶 (ID)等被
诱导合成,TCA 环的“通道”
较宽；
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
从供氧条件转入厌氧条件,大肠杆菌细
胞的生理状态发生如下变化：
①依赖 NAD的丙酮酸脱氢酶（ PDH ） 被
不依赖 NAD的丙酮酸 -甲酸裂合酶（ PFL ） 所
替代，以减少厌氧条件下 NADH再生的麻烦；
② α- 酮戊二酸脱氢酶合成受阻遏,使得
TCA环环式运行中断；
③ 延胡索酸还原酶（ FR ） 被诱导合成。
于是，就有了从 OAA到 SCA的还原途径（ 与
TCA环逆向）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
图中：
a.丙酮酸脱氢酶
b.丙酮酸甲酸裂
合酶
c.磷酸烯醇式丙
酮酸羧化酶
d.丙酮酸羧化酶
e.延胡索酸还原
酶
从供氧条件转入厌氧条件 TCA环的变化
α-酮戊二酸脱氢酶受阻遏
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
这时 TCA环环式运行中断，变
成如图示的在 OAA处发生分支的分
叉途径,形成还原支路和氧化支路,
由于这时氧化支路的酶也受一定程
度阻遏,TCA中间产物虽仍有合成
但合成速度下降，与此同时，细胞
呼吸链功能下降，氧化磷酸化减弱,
胞内 ATP浓度下降，细胞生长速率
下降,细胞转入生理学的发酵状态 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
酵母的发酵性代谢,（ 1）, 丙酮酸脱氢酶； （ 2）, 丙酮酸
脱羧酶； （ 3）, 乙醛脱氢酶； （ 4）, AcCoA合成酶；
（ 5）, 乙醇脱氢酶 。 反应 （ 1） 在线粒体内进行, 其余的反
应在细胞质内进行 。
乙醛
PYR
乙醇
乙酸
乙酰 CoA
线粒体内 细胞质内
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
当酿酒酵母从供氧条件转入厌
氧条件时,在 线粒体 中进行的 PYR
经 PDH 催化生成 AcCoA的作用被
在 细胞质 中进行的 PYR经丙酮酸脱
羧酶（ PDC） 催化生成乙醛 的作用
所替代（这两种酶在这些酵母菌株
中都是组成型的），然后,细胞质
中的乙醛 作为胞内还原当量的吸收
剂被 NADH还原成乙醇。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
酵母的氧化性代谢在 线粒体内 进行，
PYR 经过 AcCoA进入 TCA环，被完全氧
化；发酵性代谢在 细胞质 进行,细胞质 中
的 PYR 不经过 AcCoA,直接经 丙酮酸脱
羧酶 催化生成乙醛，后者经 细胞质 中的 乙
醇脱氢酶 （ ADH ） 被 NADH还原成乙醇。
已经确认酵母乙醇脱氢酶有四种同工
酶。其中细胞质中的同工酶 ADH-I是组成
型的，催化生成乙醇的反应； ADH-II 也
是细胞质中的蛋白，与以乙醇为基质的好
氧生长有关，并受葡萄糖阻遏 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
3.1.1.7 PYR的发酵性代谢途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
下图为在厌氧条件下不同种
的微生物从丙酮酸的出发生成生
理性发酵产物的代谢图（图中 红
色箭头 代表还原反应）。 不同微
生物的发酵终产物的差别反映出
不同物种的微生物细胞中代谢丙
酮酸的酶系的差别。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
PYR
AcCoA+H2+CO2
乙酸
AcAcCoA 丙酮 丙醇
丁酸
丁醇
3-羟基丁酸
丁二醇AcCoA
乙酸 乙醇
梭菌
大肠杆菌
乳酸细菌
酵母菌
丙酸细菌
乳酸
乙醇 乙醛
OAA
SCA CO2
丙酸
ATP
ATPATP
ATP
ATP
CO2
CO2
甲酸（ H2 +CO2）
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
兼性厌氧的化能异养型微生物在在缺
氧条件下生长或维持生存的情况下,α- 酮
戊二酸脱氢酶合成受阻遏,TCA环 环式运
行中断, TCA 环变成在 OAA 处发生分支
的分叉途径，形成从 OAA出发的经苹果酸
（ MLA）,延胡索酸（ FMA ） 到琥珀酸
（ SCA ） 的 TCA 途径还原支路,和从
OAA 出发的经柠檬酸（ CTA ）,异柠檬
酸（ ICA ） 到 α-酮戊二酸（ α-KG ） 的
TCA 途径氧化支路 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
酵解途径和 TCA氧化支路形成
的还原型辅酶再生时，将电子交给
细胞的内源化合物，就可能生成不
同的（生理性）发酵产物。下图为
微生物在厌氧条件下生成不同的发
酵产品时的代谢网络图，图中标红
点的每出反应为还原反应，标绿点
的酶出反应为脱氢反应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
3.1.2 葡萄糖降解途径
之间的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
葡萄糖降解途径之间存
在着共同的酶（一个或数个
酶），它们之间的相应依存
关系，可用一张虚拟的图来
表示,
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
PYR
Glc GAGL
G-6-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK)
DHAP GA-3-P
PYR
EMP
E-4-P
Ac-P
(HPK)
HPK
(G6PDH)
6-P-GA
(6PGDH)
RU-5-P
R-5-P
XU-5-P
KDPG
（ 6PGA脱水酶）
(KDPG醛缩酶）
GA-3-P
PYR
GA-3-P
PYR
Ac-P
(PK)
ED PK
GA-3-P
PYR
2(F-6-P)
(TA)
(TK)
C4P,C7P
HMP
（ FDP醛缩酶）
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
微生物细胞中是否存在某条途径，
实际上就是细胞中是否存在这条途径
的酶的活力。 一种微生物在某种条件
下如何利用葡萄糖的不同的降解途径
对葡萄糖（或其它碳水化合物）进行
降解代谢，会在较大程度上影响到目
的产物的产量和产率，也会影响有机
原料的利用率。 了解这些途径在细胞
内的存在和可能利用的比率，对菌种
选育和发酵工艺控制都非常有用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
微生物对葡萄糖降解途径的利用比
率是不一致的,但一般是以 EMP 途径
为主，也有以 ED 途径为主的。 酵母
及多数工业微生物的葡萄糖代谢通常是
EMP途径和 HMP 途径并用。对酵母来
说,EMP∶ HMP = 70～ 80%∶ 30～ 20
%。 只用 EMP 途径（ 或 HMP 途径 ）
降解葡萄糖的微生物种并不多。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
以 EMP途径为降解葡萄糖的唯一
途径的微生物（ 如乳杆菌），因为没
有 HMP途径为菌体细胞提供参与嘌呤、
嘧啶,芳香族氨基酸、核糖等细胞组
成物质合成的前体,所以它们必须在
含有这些营养物的培养基中才能生长。
EMP 途径与 HMP 途径的相互关联如
下图所示。 微生物细胞中的核酸,蛋
白质等物质合成中所需的 4C,5C、
7C 片段都由 HMP途径提供 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
CO2
Glc
G-6-P
F-6-P
GA-3-P
PYR
NADPH
C5P
C5’P
C5”P
C4P C7P
PP cycle
EMP和 HMP途径的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
3.1.3 微生物的中心代谢途径
(central metabolic pathway)
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
前面已经提及，为了分析问题的方
便，将化能异养型微生物的 初级代谢的
代谢网络,分成三大板块：
① 向心板块
② 中心板块
③ 离心板块
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
可以把向心、中心和离心三大板块
组成的初级代谢的代谢网络，想象成一
个充气的橡皮救生艇（下图）。这个橡
皮艇由一个中空的环状部分和被这环状
部分包围的一个平台组成，网络的中心
板块对应于橡皮艇的平台，向心板块和
离心板块分别对应于包围橡皮艇平台的
中空环状部分的上片和下片。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
由三大板块组成的“橡皮救生艇”（从中间切开）
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
微生物细胞的 中心代谢途径
（葡萄糖代谢的两用途径）是 中
心板块的核心部分,是工业发酵
载流路径 （下图中的 N 到 P代表
载流路径） 不可缺少的部分。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
向心途径 中心代谢途径 离心途径
中心代谢途径 在细胞机器工作模式中的位置
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
微生物细胞的中心代谢途径（简
称中心途径）是指既可用于葡萄糖降
解、又可用于葡萄糖异生成作用的途
径，也就是 葡萄糖代谢的两用途径 。
因此可以把中心代谢途径看作是细胞
新陈代谢的 集散中心 （见下图），它
在微生物细胞的, 第二解剖学, 中，
处于, 心脏, 的地位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
多糖
脂质
异养型生物
自养型生物
有机化合物
CO2
CO2
G-6-P F-6-P
R-5-P α-KG
ScCoA AcCoA
E-4-P OAA
GA-3-P 3-P-GA
PEP PYR
碳水化合物
脂肪酸
其他辅因子
氨基酸 蛋白质
核苷酸 核酸
维生素
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
前面已详细介绍了葡萄糖降解途
径，这里将补充介绍与葡萄糖降解相
反的过程，也就是 从其它有机物合成
葡萄糖的过程，即 葡萄糖的异生成作
用 ( gluconeogenesis)。 这个方向的代
谢在中心代谢中同样占有重要的地位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
以葡萄糖为碳源培养微生物，葡萄糖经
EMP等途径被降解；在微生物生长时，葡萄
糖、核糖等也参加合成代谢。
如果微生物要在苹果酸（ 4C）,琥珀酸
（ 4C）, 醋酸（ 2C） 或甘油（ 3C） 等所谓
“不好” 的碳源上生长,就要求微生物具有
自身合成 磷酸己糖 （ 6C ） 和 磷酸戊糖
（ 5C） 的能力。磷酸戊糖用来合成核苷、核
苷酸、核糖核酸和脱氧核糖核酸等,磷酸己
糖用来合成细胞壁肽聚糖及其它多糖,包括
能量贮备化合物糖原等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
要从这些碳源合成磷酸己糖和磷
酸核糖等，势必首先要使碳架物质 逆
葡萄糖降解途径流动 。
这里要以 EMP途径为例分析这种
逆向流动。 EMP途径中除了有三个反
应由单向酶催化外，其余均是由酶催
化的双向反应。这 三个单向酶必须被
其反向酶取代，或被绕过,才能实现
碳架物质在 EMP酵解途径中的,倒
流,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
倒数第一个单向酶 丙酮酸激酶
( PK ) 是 不可逆转 的，它的反向催
化需自由能太大。这步单向反应可
先后借助 丙酮酸羧化酶 ( PC ) 和 磷
酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ( PEPCK )
来 绕过,后者是依赖 Mg2+ 并需要
GTP供能 的酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
倒数第二个单向酶是 磷酸果糖激
酶 ( PFK ), 这个反应的逆转靠 果糖
二磷酸酯酶 ( FDPE) 来催化。
大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等肠
道细菌的 缺失 FDPE 的突变株 不能在
L-苹果酸、琥珀酸、甘油或醋酸等基
质中生长。 这类基质被称为依赖葡萄
糖异生作用的基质（ gluconeogenic
substrates ） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
第三个需要逆转的反应是己
糖激酶催化的反应,G-6-P 的脱
磷酸反应由 G-6-P酶（ G6PE） 来
催化 。
从两个 PYR分子经葡萄糖异
生途径合成一分子葡萄糖耗能超
过其逆向途径 EMP 酵解途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
下图归纳的是 EMP-TCA中
心代谢途径,即微生物细胞最基
本的中心代谢途径。 图示中心代
谢途径中还包含了 三个辅助性环：
① GOA 环
② DCA 环
③ 甘油酸途径构成的环
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
以下图中：
金黄色箭头 代表单向酶，
蓝色箭头 代表与它们逆向的
酶。
绿色箭头 代表网络图中
标示的部分。
红色箭头 代表催化回补
反应的酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
R-5-P
中
心
代
谢
途
径
（
两
用
途
径
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
ICA
中
心
代
谢
途
径
（
显
示TCA
环
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
CTA
GOA
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
中
心
代
谢
途
径
（
显
示DCA
环
）
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
Glc
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
中
心
代
谢
途
径
（
显
示GOA
环
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
中
心
代
谢
途
径
（
显
示
甘
油
酸
途
径
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA α-KG
ICA
CTA
GOA
ScCoA
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
AcCoA
OAA CTA
3NADH,ATP
FADH2
2CO2
SCA
TCA环
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
碳架物质是通过乙酰 CoA与草酰乙酸
在柠檬酸合成酶的催化下生成柠檬酸的缩
合反应进入 TCA循环的。随后，柠檬酸在
乌头酸酶的作用下生成其异构体 ——异柠
檬酸。这个反应的发生，要经过顺乌头酸，
它在细胞代谢中没有其他功能，因此，在
考虑 TCA循环时对它忽略不计。柠檬酸转
化成异柠檬酸的总平衡常数接近于 1,这
就意味着等量的柠檬酸和异柠檬酸处于平
衡之中，这 2 个代谢产物常常归入一个单
独代谢库。
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
接下来的两步是氧化性脱羧反应。首
先，异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下
转化成 α-酮戊二酸。然后,α-酮戊二酸经
α- 酮戊二酸脱氢酶催化转化成琥珀酰辅酶
A （ ScCoA）, 该套序列反应类似于丙酮
酸脱氢酶复合物催化的丙酮酸脱羧序列反
应。实际上，这两个酶系（ 复合物 ）使
用同样的脱氢酶亚基。在后一个反应中，
（ ScCoA） 被水解生成琥珀酸，同时 CoA
酯键水解过程中释放出的自由能的一部分，
被 GDP捕获，生成代谢能 GTP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
然后琥珀酸脱氢生成延胡索酸，这个
反应需要琥珀酸脱氢酶（一种属于黄素蛋
白的酶 ） 来催化,它的催化依赖于辅基
FAD（ 强氧化剂），在催化过程中 FAD被
还原成 FADH2。
接着，延胡索酸在延胡索酸酶的催化
下转化成 L-苹果酸。最后,L-苹果酸在苹
果酸脱氢酶的催化下生成草酰乙酸，从而
完成这个循环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
从 AcCoA与草酰乙酸（ OAA） 合成柠
檬酸（ CTA）,进入 TCA 环，经发生在异
柠檬酸（ ICA）,α-酮戊二酸（ α-KG）,琥
珀酸（ SCA）,苹果酸（ MLA） 上的四次
脱氢，以及 α-酮戊二酸（ α-KG） 的脱羧和
ICA经草酰琥珀酸的 β-裂解等两次脱羧，还
有 ScCoA 的一次底物水平磷酸化，最后又
回复成 OAA。 AcCoA（ 实际上是乙酰基 ）
作为 TCA环的底物进入 TCA环，经过 TCA
环和电子传递链最终被氧化成 CO2和水。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
被完全氧化生成 3 分子 CO2,4
分子 NAD（ P） H（ 异柠檬酸脱氢时
在细菌细胞质中形成 NADPH,在真
核微生物线粒体中形成 NADH）,1
分子 FADH2 和 1 分子 ATP（ 大肠杆
菌中为 ATP,哺乳动物中为 GTP）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
很明显,只有当 NADH 和 FADH2 这
两种辅因子被重新氧化生成 NAD+和 FAD
时,TCA循环才能继续进行。 在有氧条件
下，从这些辅因子携带的电子通过电子传
递链转交给分子氧。电子通过电子传递链
从 NADH 传递到分子氧的过程，受一个
较大的负的自由能的驱动,ΔG0 = - 220
kJ·（ mo1 NADH） -1,而且 该自由能的一
部分以 ATP的形式被捕获。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
GOA
AcCoA MLA
PYR OAA
PEP
乙酸
乙醇 脂
肪酸氨
基酸烃
甘氨酸 草酸
羟乙酸 尿素
2NADH
DCA环
CO2
CO2
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
DCA环（ dicarboxylic acid cycle）
是指微生物用来利用乙醛酸或其前体
（如作为碳源的羟基乙酸）作为碳源
支持生长的环式途径。 DCA环也是降
解 2C片段的途径,它一共涉及到 5 个
酶：① 苹果酸合成酶（ MS）、② 苹
果酸脱氢酶（ MDH）、③ 草酰乙酸
脱羧酶（ OAADC）,④ 丙酮酸激酶
（ PK）、⑤ 丙酮酸脱氢酶（ PDH）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
DCA 环和 TCA 环都是行
使 氧化降解功能 的环式途径，
都需电子传递链配套运行。
GOA环与 DCA 环和 TCA
环不同，是行使 生物合成功能
的环式途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
用于合成的 GOA环
AcCoA
AcCoA
MLA OAA
GOA
ICA
CTA
SCA
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
GOA环可看作是 AcCoA的另一个去
向。因为乙醛酸（ GOA） 是该循环中的
2C中间物，故称为 GOA 环（ glyoxylate
cycle ）。 通过 GOA 环，可把 2C 水平
的 AcCoA 合成 4C 水平的化合物琥珀酸
（ SCA ） 。这个环式途径存在于微生物
和植物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
GOA 环一共涉及 5个酶，它们分别
是：①柠檬酸合成酶（ CS）、② 乌头酸
酶,③ 异柠檬酸裂合酶（ IL）,④ 苹
果酸合成酶（ MS）,⑤ 苹果酸脱氢酶
（ MDH ）。 在真核微生物中，这 5 个
酶都集中在一起,存在于特殊细胞器乙
醛酸循环体（ glyoxysomes） 中。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
环中第①、②、⑤ 3个酶即 TCA环中
相应的酶，所不同的是，在真核微生物中
乙醛酸循环体中进行这些反应的柠檬酸合
成酶和顺乌头酸酶是具有细胞器专一性的
同工酶，它们和线粒体中 TCA环中催化同
样反应的酶在物理性质和酶学性质上都有
差别。酶③、④是 GOA 环特有的酶。 当
微生物细胞中同时有 IL 和 MS 起作用时，
GOA环与 TCA环等同时运行。 GOA 环的
这两个酶受葡萄糖或其碳源营养阻遏。动
物（高等动物）细胞中不存在 GOA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
GOA 环对生长在 2C底物（ 如乙
醇、乙酸）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。乙醇或乙酸先转变成 AcCoA,再
进入 GOA环的代谢（乙醇 → 乙醛 →
乙酸）,
乙酸＋ HSCoA＋ ATP→
AcCoA＋ AMP＋ PPi
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
甘油酸途径：
2GOA 羟基丙二酸半醛
D-甘油酸 3-P-GA
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
以上 甘油酸途径是微生物和植物利用
乙醛酸生长时的回补途径。 该途径分 3 步
进行：①两分子乙醛酸经羟基丙二酸半醛
合酶的催化，被转化成羟基丙二酸半醛；
②该半醛被还原成 D-甘油酸；③在甘油酸
激酶催化下,D-甘油酸被磷酸化，生成 3-
磷酸甘油酸。 3-磷酸甘油酸进入 EMP途径
继续代谢，生成的磷酸烯醇式丙酮酸 可用
来回补 DCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
在以葡萄糖作碳源时,DCA环和
GOA环的酶（异柠檬酸裂合酶和苹果
酸合成酶 ）的活性测不出，只有当 用
乙酸、乙醇,GOA 等 2C 化合物为
唯一碳源,能源时，这些酶才被诱导
（解阻遏）出来。 当以乙醛酸或其前
体羟基乙酸、尿素等 2C化合物作为碳
源时,D -甘油酸途径的酶系被诱导合
成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
经验告诉我们以葡萄糖为碳源
时,EMP 等酵解途径的酶是组成
型的。换个角度分析问题，以乙酸
为唯一碳源，细菌仅仅合成葡萄糖
异生成作用必须的酶系，而仅在葡
萄糖降解中起作用的酶 （单向酶）
几乎或完全不存在,这时这些酶似
乎又不是组成酶了。这是实验对经
典生化概念的挑战。
第三章 发酵学第二假说
代谢网络假说
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
听课时请关注以下提示：
1.本章讨论化能异养型微生物细胞的代谢的问题，
讨论侧重于有机化合物的代谢。
2,因为讨论的内容比较抽象，所以必须引进形象思
维。如果把代谢的过程比作物质的流动，比作河流，
那么由许多代谢途径和输送系统（载体蛋白）组成
的代谢网络就相当于河道网，反应途径就相当于河
床，序列反应中的有机物就相当于水，河床里有水
就成河流，碳架物质在代谢网络中流动形成代谢流。
3,本章讨论微生物细胞初级代谢的代谢网络，这个
网络是微生物细胞进行能量代谢和物质代谢的操作
系统，它最基本的功能是支持生长和维持生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
对碳架物质在微生物
细胞及其环境中的流动进
行仔细的观察和深入的研
究，在无数实例的基础上，
提出了 代谢网络假说。
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
假说二,代谢网络假说
代谢途径和输送系统在代谢物
分子水平上整合、在辅因子水平上
协调，形成横跨微生物活细胞内外
的代谢网络。代谢网络是细胞自主
调节的无尺度网络，它作为一个整
体来承担微生物细胞的物质代谢和
能量代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
微生物细胞是个远离平衡状态的、
不平衡的开放体系。微生物细胞的物
质代谢和能量代谢，依靠代谢网络来
实现。代谢网络横跨细胞内外，没有
绝对的起点，也没有绝对的终点；既
是相对稳定的，又是可以变化的。代
谢网络变化的根据在于细胞的遗传物
质，变化的原因在于细胞的生存的条
件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
细胞生命活动过程中，有机
化合物（碳架物质）在代谢网络
中流动，形成代谢流。在工业发
酵生产中，微生物细胞的主要代
谢流有起点和终点，其起点应该
是原料，其终点应该是目的产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
微生物细胞的代谢网络是一个由代
谢能直接支撑的整体；代谢网络是分解
代谢途径和合成代谢途径，以及跨膜输
送机构的有序组合。 对代谢网络的描述
必须在时间和空间的, 四维空间, 中
进行。微生物细胞的遗传物质是代谢网
络的生物信息源，微生物细胞的生理状
况是代谢网络运行在细胞层面的表现。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
代谢网络不是生化途径和跨膜输送
过程的简单联接。 代谢网络这个概念的
提出就是要将生物化学概念纳入细胞代
谢的总体框架。 活细胞的功能由几个独
立的、相互联系的反应群（ reactions）
来支撑，根据这些反应群在整个细胞合
成过程中的主要功能和逻辑顺序，对它
们作如下分类：①供能反应群，②生物
合成反应群，③多聚反应群，④组装反
应群。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
①供能反应（ fueling reactions）：
供能反应是指细胞内进行的这样一
些反应，它们生成生物合成所需的 12种
前体代谢物,同时，还将其他形式的能
量转化为细胞可以直接利用的能量 ——
代谢能 （以 ATP为代表），用于生物合
成反应、多聚反应和组装反应中。供能
反应还为生物合成反应提供 还原力 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
②生物合成反应（ biosynthetic reactions）：
通过这类反应生成多聚反应中所需的
模块分子（ building blocks ）,同时也生
成辅酶和相关的代谢因子，包括信号分子
（ signal molecules）。 有一些 生物合成反
应系列,以功能单元的方式存在。每一个
功能单元由一个或几个按顺序进行的、以
一个（或更多）分子模块为终端的反应序
列组成，这样的功能单元叫做 生物合成途
径 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
所有的生物合成途径都起始于 12
种“前体代谢物”。
G-6-P F-6-P R-5-P α-KG ScCoA
E-4-P OAA GA-3-P 3-P-GA PEP
PYR AcCoA
一些途径直接从这样的前体代谢
物（一个或两个）开始，另一些途径
间接地从某个代谢中间物或某个相关
途径的终端产物处引出分支途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
③多聚反应（ polymerization reactions）：
多聚反应泛指一种或多种 活化了的
分子，定向地、有序地键合成分支或不
分支的、多聚的、长链的反应系列。相
当数量的模块分子通过这些反应形成生
物大分子物质（如多肽,DNA,RNA）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
④组装反应（ assembly reactions）：
组装反应先后经过以下几步来完
成细胞的组装，首先是对生物大分子
进行化学修饰，随后将它们输送到细
胞中预先指定的位置，最后渗入细胞
组件，如细胞壁、细胞膜和细胞核等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
本课程定义的代谢网络，属于分
子生物学蛋白质层次上的网络。代谢
网络虽然不能通过解剖细胞（解剖学）
而获得，但它确实是细胞生命活动的
一种客观存在，类似于中医的经络；
因此我们认为对于代谢网络的研究属
于另一种意义上的解剖学（第二解剖
学）的范畴。
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
根据工业发酵的现状，已把, 依靠化
能异养型微生物，合成某最终被分泌到胞
外的初级代谢产物或能量代谢副产物的工
业发酵”定义为 典型的工业发酵 。为此，
本课程 把讨论的重点放在代谢网络中与典
型的工业发酵直接相关的部分，也就是化
能异养型微生物的初级代谢的代谢网络。
在详细研究 供能反应 和 生物合成 反应的同
时，宏观上兼顾 多聚反应 和 组装反应 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
为了分析问题的方便，将化能异
养型微生物的 初级代谢的代谢网络,
分成, 向心板块,,,中心板块,
和,离心板块, 三大板块来研究。
向心板块和中心板块两个板块对应于
上述供能反应，离心板块对应于生物
合成反应。 要分别讨论每一板块的组
成，更注重讨论它们之间的衔接关系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
本章将分六节讨论化能
异养型微生物的代谢途径及
其相关性，从而 建立代谢网
络的概念。进而研究工业微
生物细胞的, 第二解剖
学,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
第一节 微生物代谢网络的 中心板块
第二节 微生物代谢网络的 向心板块
第三节 微生物代谢网络的 离心板块
第四节 代谢网络 和 联网 问题
第五节 代谢网络中 代谢物流 的形成
第六节 代谢网络假说的形成和发展
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
第一节 微生物代谢网络的
中心板块
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
研究微生物细胞的代谢，
从研究微生物对碳源的降解开
始，研究碳源的代谢从代谢网
络的中心板块的中心代谢途径
入手。而中心代谢途径的研究
从对葡萄糖降解途径的研究开
始，因为：
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
① 葡萄糖和果糖是化能异养型微生物
的主要碳源和能源，葡萄糖的降解和合成
代谢途径是中心代谢途径的主体。 ② 葡萄
糖的降解途径是研究葡萄糖合成代谢途径
的基础。 ③ 戊糖和其它碳水化合物则必须
经降解或被转化成中心代谢途径的某中间
产物后才能进入中心代谢途径。 ④ 碳水
化合物以外的其它有机化合物包括其它醇、
醛、有机酸、氨基酸、脂类、烃类、芳香
族化合物等也都是经转化后进入中心代谢
途径的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
既可用于降解代谢，又可用于合成代
谢的途径，通称无定向途径（ amphibolic
metabolic pathway）,因为它们有双重功
能，又称为两用途径。 最重要的两用途径
是处于代谢网络中心的两用途径，即中心
代谢途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
EMP途径,HMP途径和 TCA环，被
称作为中心代谢途径（ central metabolic
pathway）,简称中心途经。 广义的中心
代谢途径还包括其它酵解途径和 DCA环、
乙醛酸环 ( GOA 环 ), 甘油酸途径等。中
心代谢途径是工业发酵载流路径的不可缺
少的一部分，是直接发酵法生产中微生物
代谢的必经之路。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
3.1.1 葡萄糖的分解代谢途径
3.1.2 葡萄糖降解途径之间的关系
3.1.3 微生物的中心代谢途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
3.1.1 葡萄糖的分解代谢途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
3.1.1 葡萄糖的降解代谢途径
? EMP途径 (Embden-Meyerhof-Parnas
pathway)
? HMP途径 (hexose monophosphate pathway)
和 PP环 (oxidative pentose phosphate cycle)
? ED途径 (Entner-Douderoff pathway ) 或
KDPG途径（ 2-keto-3-deoxy-6-
phosphogluconate pathway）
? PK途径 (phosphoketolase pathway)
? 葡萄糖直接氧化途径
? TCA环 以及丙酮酸的代谢方式的转换
? PYR的发酵性代谢途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
葡萄糖的降解代谢可在有氧条
件下进行，也可以在无氧条件下进
行；可以是氧化性的，也可以是发
酵性的。
但并非所有氧化性代谢（包括
有氧呼吸和无氧呼吸）均只发生在
有氧存在的条件下；也不能保证在
有氧条件下发生的葡萄糖降解代谢
都是氧化性的代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
葡萄糖的氧化性降解代谢与发酵
性降解代谢两者最基本的区别在于：
氧化性降解代谢除了可以与发酵性降
解代谢一样通过底物水平磷酸化形成
ATP外，还经电子传递磷酸化产生更
多的 ATP,从而 允许微生物有更高的
生物合成速率、更高的生长速率及更
高的细胞得率 ( 细胞对葡萄糖的转化
率 ) 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
为了说明问题方便，可将
微生物对葡萄糖的降解代谢分
成三个阶段来分析。
下图是葡萄糖降解代谢综
合示意图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
第一阶段：葡萄糖进入细胞,
在胞内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯
（ 如,G-6-P ） 或葡萄糖酸的磷
酸酯（ 如,6-P-GA ） 的形式出
现。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
第二阶段：微生物细胞将葡萄糖或磷酸葡
萄糖降解到处于 3C水平的丙酮酸,其降解途径
在不同的微生物往往不一样，但实际上主要经
前述酵解途径之一降解。几乎所有的微生物均
不止使用其中之一条途径，通常用两条，某些
情况下还可能诱导出第三条甚至第四条途径。
在任何一种微生物细胞中，流经并行的途径的
碳架物质的相对流量因细胞的氧化还原状态、
细胞所处的环境条件的不同而发生相应的变化。
这个阶段不但通过底物水平磷酸化 生成 ATP，
而且向细胞质 释放还原当量 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
第三阶段：丙酮酸继续代谢和代谢
产物的分泌。 这是区分葡萄糖的氧化性
代谢与发酵性代谢的关键性阶段。
如果丙酮酸或由丙酮酸继续代谢而
生成的可用作还原当量吸收剂的化合物
（如乙醛）吸收第二阶段释放的还原当
量，生成相应的还原产物 （如乙醇）。
这个过程因这些还原产物的分泌而得以
进行。这时微生物细胞进行发酵性代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
如果遗传与环境条件许可,丙
酮酸相对容易地经 TCA环降解，最
终可被氧化降解成二氧化碳；第二
阶段（酵解）及第三阶段所释放的
还原当量则在膜内侧被电子传递链
吸收并传递给最终电子受体。这时
微生物细胞进行氧化性代谢 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
OAA
PYRPYRGlc Glc
引自 Albert G.Moat et,Al.,Microbial Phsiology (4th ed.),2002根据 2002 改制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
由此可见,各种以 丙酮酸 为
底物的酶对丙酮酸的竞争，是细
胞对葡萄糖进行氧化性代谢还是
还原性（发酵性）代谢的 调节的
关键 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
大多数微生物在完成葡萄
糖降解的第一阶段后，就会面
临选择什么途径来完成第二阶
段的降解的问题。第二阶段一
般有 EMP,HMP,ED和 PK
等四种途径可供选择。葡萄糖
经第二阶段降解，生成丙酮酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
下面将分别讨论第二阶段的
可选择的四种途径和葡萄糖直接
氧化途径，以及第三阶段的丙酮
酸的氧化性代谢途径（ TCA环）
和发酵性（还原性）代谢途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
特别提请注意，这门课程中，所有
的 途径都是代谢网络的组成部分, 它们
在代谢网络中与其周围的途径发生关联，
就如集成电路元件可以不同的连接方式
存在于电子线路中。
在学习中应该特别注重经典的途径
（如 EMP 途径,TCA途径等 ）与其他
途径 可能发生关联之处 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
3.1.1.1 EMP途径
(Embden-Meyerhof-
Parnas pathway)
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
这条途径是除植物以外的多数
生物所共有的。在该途径中，葡萄
糖被转化为 1,6 - 二磷酸果糖（属
于二磷酸己糖）后，经二磷酸果糖
醛缩酶催化而开始降解，因此该途
径又有二磷酸己糖途径和二磷酸果
糖醛缩酶途径之称。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
EMP途径
HMP,ED,
和 PK途径
HPK途径
ATP ( PEP)
ADP (PYR)
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
缩写规则（供读图参考）：
糖 (醛糖或酮糖，也包括甘油醛 )的
磷酸化合物均缩写为,该糖的英文名
称的首字母 - 阿拉伯数字 - P, 。 因此
3 - 磷酸甘油醛的缩写为 GA-3-P。
糖以外的磷酸化合物缩写为,阿
拉伯数字 - P - 化合物的英文名称的首
字母, 。因此 3 - 磷酸甘油酸的缩写为
3-P-GA
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
EMP途径的三个阶段：
①准备阶段、
②氧化阶段、
③放能阶段。
EMP途径的三个单向酶：
①己糖激酶（ HK）、
② 磷酸果糖激酶（ PFK）、
③ 丙酮酸激酶 （ PK） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
EMP途径的两个关键酶：
① 磷酸果糖激酶 ( PFK ),它是 EMP
途径中 唯一不涉及其它用来降解碳水
化合物的途径的酶（也是 EMP途径特
有的酶 ）。它受到多种因子的控制，
因此可能是 EMP途径的代谢流的主要
“阀门”。
② 二磷酸果糖醛缩酶 (FDPA),简称 醛
缩酶。 这个酶催化 EMP途径中 6C裂解
成 3C的反应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
3.1.1.2 HMP途径
(hexose monophosphate
pathway) 和
PP环 (oxidative pentose
phosphate Cycle)
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
因为 HMP 途径中葡萄糖
的降解是从单磷酸己糖，即 6-
磷酸葡萄糖酸 ( 6-P-GA ) 开始
的，取单磷酸己糖英文的首字
母即可缩写为 HMP, 故有单
磷酸已糖途径，即 HMP 途径
之称。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
HMP 途径 葡萄糖氧化降解以两种不
同的方式进行：
①完全氧化的方式,葡萄糖被完全氧化
成 CO2,每分子葡萄糖生成 6 分子 CO2。
②不完全氧化的的方式,每分子葡萄糖
被氧化成 3 分子 CO2 和 1 分子 GA-3-P，
后者可以被进一步氧化。
因此 HMP 途径有, 完全的 HMP
途径, 和,不完全的 HMP 途径, 之
分。只有 不完全的 HMP途径能完成从葡
萄糖到 PYR的过程 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
不论完全的还是不完全的 HMP
途径，均可以人为地分成前后两个阶
段。
前阶段均是从葡萄糖氧化生成磷
酸戊糖，为 HMP 途径的氧化阶段 ；
后阶段均包含磷酸戊糖之间的，经一
系列基团转移反应重新合成己糖的过
程，为 HMP途径的非氧化阶段 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
HMP 途径的氧化阶段
待续
E D 途径P K 途径
E M P 途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
(1) HMP途径的氧化阶段
前图中：
6 -P-GL表示 6 - 磷酸葡萄糖酸内酯
6-P-GA表示 6- 磷酸葡萄糖酸
R-5-P （ 简写为 C5P） 表示 5 - 磷酸核糖
Ru-5-P （ 简写为 C’5P） 表示 5 - 磷酸核酮糖
Xu-5-P （ 简写为 C”5P）表示 5 - 磷酸木酮糖
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
接上图 HMP 途径的全过程
不完全 的 HMP
完全的 HMP
HMP途径的氧化阶段 HMP 途 径 的 非 氧 化 阶 段
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
(2) HMP途径非氧化阶段
前图中：
C7P表示 7- 磷酸景天庚酮糖
C6P表示 6 - 磷酸葡萄糖
C’ 6P表示 6 - 磷酸果糖
C’5P表示 5 - 磷酸核酮糖
C”5P 表示 5 - 磷酸木酮糖
C4P表示 4 - 磷酸赤藓糖
C3P表示 3 - 磷酸甘油酸
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
这个阶段包含一系列磷酸戊糖之间
的 2C片段和 3C片段的转移反应。这一
系列的片段转移反应是由两种酶来催化：
① 转羟乙醛基酶 或 转酮酶
( transketolase,缩写成 TK)，需焦磷酸
硫胺素（ TPP）为辅酶, 这种酶专门用
来转移羟乙醛基团（ 2C片段）。
② 转二羟丙酮基酶 或 转醛酶
( transaldolase,缩写成 TA ), 专门用
来转移二羟丙酮基团 ( 3C片段 )。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
根据 HMP 途径的全过程图,能够
画出 HMP 途径的氧化性磷酸戊糖循环
即 PP环图式 。
从全过程图的上半部分可以画出 不
完全的 HMP途径的 PP环图式,从整个
全过程图可以画出 完全的 HMP 途径的
PP 环图式 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
Glc
C6P
ATP
ADP
2C6P
3C6P
3CO2
6NADP +
6(NADPH+H )+
3C5’ P
2C6’ P
C3P
(TK)
(TA)
PYR
C4P,C5P,
C5”P,C7P
不完全的 HMP途径
PP cycle
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
完 全 的 HMP 途 径
Glc
ATP ADP
C6P
5C6P
6C6P
12NADP+
12( NADPH + H )+
6C5’ P 5C6’P
6CO2
C3P,C4P,C5P,C
5”P,C7P
(TA,TK)
PP cycle
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
前面两张图中，第一张图归纳了不完
全的 HMP 途径,因为图示的磷酸戊糖参
与的氧化性 PP 环，将 1分子葡萄糖（在 2
个葡萄糖分子的陪同下）被氧化成 3 分子
CO2 和 1分子 PYR,PYR还可以进一步被
氧化，故有,不完全” 之称。 第二张图
归纳了完全的 HMP 途径,因为图示的由
磷酸戊糖参与的氧化性 PP 环，将 1 分子
葡萄糖（ 在 5个葡萄糖分子的陪同下） 被
完全氧化成 6分子 CO2, 因此有, 完全,
之称。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
HMP途径的总反应计量取决于以
下两项的代谢程度：①进入 HMP途径
的碳架物质, 回注, 入 EMP途径，
经 PP 环而被氧化成二氧化碳 （ 同
时生成 NADPH 形式的还原力），②
进入 PP环的碳架物质消耗于生物合
成前体物的生成。 HMP途径也因此而
被认为具有 氧化 和 回补 功能,
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
HMP途径的氧化功能,
G-6-P + 12NADP+ + 7H2O ←→
12NADPH + 12H+ + 6CO2 + 1~P
HMP途径的回补功能：
5（ G-6-P） + 5ATP ←→
6（ R-5-P） + 5ADP + 4H2O + 4（ ~ P ）
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
3.1.1.4 ED 途径
(Entner-Douderoff pathway )
或 KDPG 途径 （ 2-keto-3-
deoxy-6-phosphogluconate
pathway）
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
ED途径
HMP,PK途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
ED 途径是 HMP 途径的 6-P-GA
处的分支途径，它有两个特殊的酶，
6-P-GA 脱水酶 和 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸
葡萄糖酸醛缩酶 ( KDPG醛缩酶 )，因
此 ED途径又叫 KDPG 途径 。 在大多
数假单胞菌中,ED途径可能是葡萄糖
降解的主要代谢途径 。发酵运动单胞
菌是目前所知的唯一能在厌氧条件下
使用 ED 途径的微生物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
从前面的 ED 途径图可见，
葡萄糖醛酸、果糖酮酸、甘露
糖醛酸等都可以先各自转化成
KDPG, 然后进入 ED 途径降
解。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
如果合成代谢需要,ED 途径的
中间产物 GA-3-P 和 G-6-P 经 HMP
途径非氧化阶段的 反向运转 先后生
成 C4P,C”5P,C7P,C3P 和 C”5P、
C5P。 它们可以参与嘌呤、嘧啶、芳
香族氨基酸,His,维生素 K2,CoQ、
对 -氨基苯甲酸、叶酸等的合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
3.1.1.3 PK途径
(Phosphoketolase Pathway)
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
另一种在厌氧条件下运行的途径
是 PK途径。 它也是从单磷酸己糖 6-P-
GA开始降解的，经历 HMP 途径氧化
部分的反应,生成 Xu-5-P 后，被特有
的酶裂解为 3C 化合物 ( GA-3-P ) 和
2C 化合物 ( 乙酰磷酸，高能磷酸化合
物 ) 。 这个特有的酶叫做 磷酸酮解酶
( phosphoketolase ),因为有这个酶而
把这条 单磷酸己糖途径命名为磷酸酮
解酶途径，简称 PK途径 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
PK途径
Ac-P
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
PK途径不同于以上已介绍的可兼
用于需氧和厌氧条件下 降解的途径，
微生物在厌氧条件下借助 PK途径不但
可以利用葡萄糖,而且可以利用 D-核
糖,D-木糖和 L-阿拉伯糖。 这 3 种糖
首先各自转化成 Xu-5-P,然后经 PK
途径降解成 PYR 和 Ac-P（ 高能磷酸
化合物乙酰磷酸 ）。 葡萄糖经 PK 途
径降解成 PYR时所生成的 ATP的量只
有经 EMP途径的一半。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
在双歧杆菌和木醋杆菌中发现了
另一条磷酸酮解酶途径，在这条途径
中磷酸酮解酶以单磷酸己糖 F-6-P 为
底物,将 F-6-P 裂解为 4-磷酸赤藓糖
( E-4-P ) 和 Ac-P,因此这个磷酸酮解
酶实际上是 磷酸己糖酮解酶 ( hexose
phosphoketolase )。 因这个酶而把这
条磷酸酮解酶途径命名为磷酸己糖酮
解酶途径，简称为 HPK途径 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
HPK途径
EMP,
HMP,
ED和
PK途
径
Ac-P
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
如果一种微生物没有二磷酸果糖醛缩
酶（ EMP途径），没有 6-磷酸葡萄糖脱氢
酶 （ HMP途径,ED途径,PK途径，那么
这种微生物就不能用以上途径来降解葡萄
糖；若要在厌氧条件下降解葡萄糖，则需
用 HPK 途径。如果这种微生物中还存在
HMP 途径非氧化阶段的转酮 -转醛酶系统
的话，那么这条途径的中间产物 F-6-P 和
E-4-P 逆向运行可生成各种磷酸戊糖 ( 包
括 C5P,C5’P和 C5”P )。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
3.1.1.5 葡萄糖直接
氧化途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
以上四种途径 (EMP途径,HMP
途径,ED 途径,PK / HPK 途径 ) 的
第一步均是在已糖激酶的催化下首先
把葡萄糖激活成 G-6-P, 然后才开始
降解 ；而有些微生物如假单胞菌属和
气杆菌属的某些种的细菌没有已糖激
酶，只好用变通的办法。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
它们首先把葡萄糖直接氧化
成葡萄糖酸，后者在葡萄糖酸激
酶的催化下，把葡萄糖激活成生
成 6-P-GA； 形成葡萄糖直接氧
化途径。葡萄糖直接氧化途径在
有分子氧存在的情况下运行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
葡萄糖直接氧化途径
a,葡萄糖直接
氧化途径
b,同不完全的
HMP途径、
PK途径
c,同 ED途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
曲霉和青霉的 葡萄糖氧化酶 催化
葡萄糖的氧化脱氢反应,这个酶是以
FAD为辅基的黄素蛋白,葡萄糖脱氢
生成葡萄糖酸内酯 ( GL ),同时 FAD
被还原成 FADH2, 后者直接 （ 不经
过电子传递链 ）被分子氧再生；同时
生成 H2O2, 然后 H2O2 被 触酶 分解。
进行这样的 黄素蛋白水平的呼吸，并
不能为细胞提供代谢能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
3.1.1.6 TCA环和丙酮酸的
代谢方式的转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
TCA环
TCA环
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
在供氧条件 下，对需氧微生物和兼性
厌（需）氧微生物来说，葡萄糖降解代谢
的第二阶段生成的 PYR经丙酮酸脱氢酶系
统 （ PDH ） 脱氢生成 AcCoA,后者进入
TCA环,CoA 所携带的 乙酰基被完全氧化
成 CO2 和水 。
经 TCA环的氧化过程需要 NAD和 FAD
等辅因子,这些辅因子的再生需要电子传
递链。因此,TCA环的运行必须具备以下
条件,TCA环的全套酶及辅因子,TCA环
的酶的底物，电子传递链，分子氧。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
有氧呼吸
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
兼性厌氧菌 大肠杆菌在 供
氧条件 下生长时，不但 α- 酮
戊二酸脱氢酶复合物，而且柠
檬酸合成酶 ( CS ), 顺乌头酸
酶、异柠檬酸脱氢酶 (ID)等被
诱导合成,TCA 环的“通道”
较宽；
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
从供氧条件转入厌氧条件,大肠杆菌细
胞的生理状态发生如下变化：
①依赖 NAD的丙酮酸脱氢酶（ PDH ） 被
不依赖 NAD的丙酮酸 -甲酸裂合酶（ PFL ） 所
替代，以减少厌氧条件下 NADH再生的麻烦；
② α- 酮戊二酸脱氢酶合成受阻遏,使得
TCA环环式运行中断；
③ 延胡索酸还原酶（ FR ） 被诱导合成。
于是，就有了从 OAA到 SCA的还原途径（ 与
TCA环逆向）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
图中：
a.丙酮酸脱氢酶
b.丙酮酸甲酸裂
合酶
c.磷酸烯醇式丙
酮酸羧化酶
d.丙酮酸羧化酶
e.延胡索酸还原
酶
从供氧条件转入厌氧条件 TCA环的变化
α-酮戊二酸脱氢酶受阻遏
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
这时 TCA环环式运行中断，变
成如图示的在 OAA处发生分支的分
叉途径,形成还原支路和氧化支路,
由于这时氧化支路的酶也受一定程
度阻遏,TCA中间产物虽仍有合成
但合成速度下降，与此同时，细胞
呼吸链功能下降，氧化磷酸化减弱,
胞内 ATP浓度下降，细胞生长速率
下降,细胞转入生理学的发酵状态 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
酵母的发酵性代谢,（ 1）, 丙酮酸脱氢酶； （ 2）, 丙酮酸
脱羧酶； （ 3）, 乙醛脱氢酶； （ 4）, AcCoA合成酶；
（ 5）, 乙醇脱氢酶 。 反应 （ 1） 在线粒体内进行, 其余的反
应在细胞质内进行 。
乙醛
PYR
乙醇
乙酸
乙酰 CoA
线粒体内 细胞质内
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
当酿酒酵母从供氧条件转入厌
氧条件时,在 线粒体 中进行的 PYR
经 PDH 催化生成 AcCoA的作用被
在 细胞质 中进行的 PYR经丙酮酸脱
羧酶（ PDC） 催化生成乙醛 的作用
所替代（这两种酶在这些酵母菌株
中都是组成型的），然后,细胞质
中的乙醛 作为胞内还原当量的吸收
剂被 NADH还原成乙醇。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
酵母的氧化性代谢在 线粒体内 进行，
PYR 经过 AcCoA进入 TCA环，被完全氧
化；发酵性代谢在 细胞质 进行,细胞质 中
的 PYR 不经过 AcCoA,直接经 丙酮酸脱
羧酶 催化生成乙醛，后者经 细胞质 中的 乙
醇脱氢酶 （ ADH ） 被 NADH还原成乙醇。
已经确认酵母乙醇脱氢酶有四种同工
酶。其中细胞质中的同工酶 ADH-I是组成
型的，催化生成乙醇的反应； ADH-II 也
是细胞质中的蛋白，与以乙醇为基质的好
氧生长有关，并受葡萄糖阻遏 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
3.1.1.7 PYR的发酵性代谢途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
下图为在厌氧条件下不同种
的微生物从丙酮酸的出发生成生
理性发酵产物的代谢图（图中 红
色箭头 代表还原反应）。 不同微
生物的发酵终产物的差别反映出
不同物种的微生物细胞中代谢丙
酮酸的酶系的差别。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
PYR
AcCoA+H2+CO2
乙酸
AcAcCoA 丙酮 丙醇
丁酸
丁醇
3-羟基丁酸
丁二醇AcCoA
乙酸 乙醇
梭菌
大肠杆菌
乳酸细菌
酵母菌
丙酸细菌
乳酸
乙醇 乙醛
OAA
SCA CO2
丙酸
ATP
ATPATP
ATP
ATP
CO2
CO2
甲酸（ H2 +CO2）
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
兼性厌氧的化能异养型微生物在在缺
氧条件下生长或维持生存的情况下,α- 酮
戊二酸脱氢酶合成受阻遏,TCA环 环式运
行中断, TCA 环变成在 OAA 处发生分支
的分叉途径，形成从 OAA出发的经苹果酸
（ MLA）,延胡索酸（ FMA ） 到琥珀酸
（ SCA ） 的 TCA 途径还原支路,和从
OAA 出发的经柠檬酸（ CTA ）,异柠檬
酸（ ICA ） 到 α-酮戊二酸（ α-KG ） 的
TCA 途径氧化支路 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
酵解途径和 TCA氧化支路形成
的还原型辅酶再生时，将电子交给
细胞的内源化合物，就可能生成不
同的（生理性）发酵产物。下图为
微生物在厌氧条件下生成不同的发
酵产品时的代谢网络图，图中标红
点的每出反应为还原反应，标绿点
的酶出反应为脱氢反应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
3.1.2 葡萄糖降解途径
之间的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
葡萄糖降解途径之间存
在着共同的酶（一个或数个
酶），它们之间的相应依存
关系，可用一张虚拟的图来
表示,
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
PYR
Glc GAGL
G-6-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK)
DHAP GA-3-P
PYR
EMP
E-4-P
Ac-P
(HPK)
HPK
(G6PDH)
6-P-GA
(6PGDH)
RU-5-P
R-5-P
XU-5-P
KDPG
（ 6PGA脱水酶）
(KDPG醛缩酶）
GA-3-P
PYR
GA-3-P
PYR
Ac-P
(PK)
ED PK
GA-3-P
PYR
2(F-6-P)
(TA)
(TK)
C4P,C7P
HMP
（ FDP醛缩酶）
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
微生物细胞中是否存在某条途径，
实际上就是细胞中是否存在这条途径
的酶的活力。 一种微生物在某种条件
下如何利用葡萄糖的不同的降解途径
对葡萄糖（或其它碳水化合物）进行
降解代谢，会在较大程度上影响到目
的产物的产量和产率，也会影响有机
原料的利用率。 了解这些途径在细胞
内的存在和可能利用的比率，对菌种
选育和发酵工艺控制都非常有用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
微生物对葡萄糖降解途径的利用比
率是不一致的,但一般是以 EMP 途径
为主，也有以 ED 途径为主的。 酵母
及多数工业微生物的葡萄糖代谢通常是
EMP途径和 HMP 途径并用。对酵母来
说,EMP∶ HMP = 70～ 80%∶ 30～ 20
%。 只用 EMP 途径（ 或 HMP 途径 ）
降解葡萄糖的微生物种并不多。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
以 EMP途径为降解葡萄糖的唯一
途径的微生物（ 如乳杆菌），因为没
有 HMP途径为菌体细胞提供参与嘌呤、
嘧啶,芳香族氨基酸、核糖等细胞组
成物质合成的前体,所以它们必须在
含有这些营养物的培养基中才能生长。
EMP 途径与 HMP 途径的相互关联如
下图所示。 微生物细胞中的核酸,蛋
白质等物质合成中所需的 4C,5C、
7C 片段都由 HMP途径提供 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
CO2
Glc
G-6-P
F-6-P
GA-3-P
PYR
NADPH
C5P
C5’P
C5”P
C4P C7P
PP cycle
EMP和 HMP途径的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
3.1.3 微生物的中心代谢途径
(central metabolic pathway)
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
前面已经提及，为了分析问题的方
便，将化能异养型微生物的 初级代谢的
代谢网络,分成三大板块：
① 向心板块
② 中心板块
③ 离心板块
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
可以把向心、中心和离心三大板块
组成的初级代谢的代谢网络，想象成一
个充气的橡皮救生艇（下图）。这个橡
皮艇由一个中空的环状部分和被这环状
部分包围的一个平台组成，网络的中心
板块对应于橡皮艇的平台，向心板块和
离心板块分别对应于包围橡皮艇平台的
中空环状部分的上片和下片。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
由三大板块组成的“橡皮救生艇”（从中间切开）
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
微生物细胞的 中心代谢途径
（葡萄糖代谢的两用途径）是 中
心板块的核心部分,是工业发酵
载流路径 （下图中的 N 到 P代表
载流路径） 不可缺少的部分。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
向心途径 中心代谢途径 离心途径
中心代谢途径 在细胞机器工作模式中的位置
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
微生物细胞的中心代谢途径（简
称中心途径）是指既可用于葡萄糖降
解、又可用于葡萄糖异生成作用的途
径，也就是 葡萄糖代谢的两用途径 。
因此可以把中心代谢途径看作是细胞
新陈代谢的 集散中心 （见下图），它
在微生物细胞的, 第二解剖学, 中，
处于, 心脏, 的地位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
多糖
脂质
异养型生物
自养型生物
有机化合物
CO2
CO2
G-6-P F-6-P
R-5-P α-KG
ScCoA AcCoA
E-4-P OAA
GA-3-P 3-P-GA
PEP PYR
碳水化合物
脂肪酸
其他辅因子
氨基酸 蛋白质
核苷酸 核酸
维生素
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
前面已详细介绍了葡萄糖降解途
径，这里将补充介绍与葡萄糖降解相
反的过程，也就是 从其它有机物合成
葡萄糖的过程，即 葡萄糖的异生成作
用 ( gluconeogenesis)。 这个方向的代
谢在中心代谢中同样占有重要的地位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
以葡萄糖为碳源培养微生物，葡萄糖经
EMP等途径被降解；在微生物生长时，葡萄
糖、核糖等也参加合成代谢。
如果微生物要在苹果酸（ 4C）,琥珀酸
（ 4C）, 醋酸（ 2C） 或甘油（ 3C） 等所谓
“不好” 的碳源上生长,就要求微生物具有
自身合成 磷酸己糖 （ 6C ） 和 磷酸戊糖
（ 5C） 的能力。磷酸戊糖用来合成核苷、核
苷酸、核糖核酸和脱氧核糖核酸等,磷酸己
糖用来合成细胞壁肽聚糖及其它多糖,包括
能量贮备化合物糖原等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
要从这些碳源合成磷酸己糖和磷
酸核糖等，势必首先要使碳架物质 逆
葡萄糖降解途径流动 。
这里要以 EMP途径为例分析这种
逆向流动。 EMP途径中除了有三个反
应由单向酶催化外，其余均是由酶催
化的双向反应。这 三个单向酶必须被
其反向酶取代，或被绕过,才能实现
碳架物质在 EMP酵解途径中的,倒
流,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
倒数第一个单向酶 丙酮酸激酶
( PK ) 是 不可逆转 的，它的反向催
化需自由能太大。这步单向反应可
先后借助 丙酮酸羧化酶 ( PC ) 和 磷
酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ( PEPCK )
来 绕过,后者是依赖 Mg2+ 并需要
GTP供能 的酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
倒数第二个单向酶是 磷酸果糖激
酶 ( PFK ), 这个反应的逆转靠 果糖
二磷酸酯酶 ( FDPE) 来催化。
大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等肠
道细菌的 缺失 FDPE 的突变株 不能在
L-苹果酸、琥珀酸、甘油或醋酸等基
质中生长。 这类基质被称为依赖葡萄
糖异生作用的基质（ gluconeogenic
substrates ） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
第三个需要逆转的反应是己
糖激酶催化的反应,G-6-P 的脱
磷酸反应由 G-6-P酶（ G6PE） 来
催化 。
从两个 PYR分子经葡萄糖异
生途径合成一分子葡萄糖耗能超
过其逆向途径 EMP 酵解途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
下图归纳的是 EMP-TCA中
心代谢途径,即微生物细胞最基
本的中心代谢途径。 图示中心代
谢途径中还包含了 三个辅助性环：
① GOA 环
② DCA 环
③ 甘油酸途径构成的环
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
以下图中：
金黄色箭头 代表单向酶，
蓝色箭头 代表与它们逆向的
酶。
绿色箭头 代表网络图中
标示的部分。
红色箭头 代表催化回补
反应的酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
R-5-P
中
心
代
谢
途
径
（
两
用
途
径
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
ICA
中
心
代
谢
途
径
（
显
示TCA
环
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
CTA
GOA
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
中
心
代
谢
途
径
（
显
示DCA
环
）
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
Glc
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
中
心
代
谢
途
径
（
显
示GOA
环
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
中
心
代
谢
途
径
（
显
示
甘
油
酸
途
径
）
Glc
G-6-P
(PTS) (HK) (G6PE)
R-5-P
F-6-P
F-1,6-2P
(PFK) (FDPE)
DHAP GA-3-P
3-P-GA
PEP
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA α-KG
ICA
CTA
GOA
ScCoA
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
AcCoA
OAA CTA
3NADH,ATP
FADH2
2CO2
SCA
TCA环
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
碳架物质是通过乙酰 CoA与草酰乙酸
在柠檬酸合成酶的催化下生成柠檬酸的缩
合反应进入 TCA循环的。随后，柠檬酸在
乌头酸酶的作用下生成其异构体 ——异柠
檬酸。这个反应的发生，要经过顺乌头酸，
它在细胞代谢中没有其他功能，因此，在
考虑 TCA循环时对它忽略不计。柠檬酸转
化成异柠檬酸的总平衡常数接近于 1,这
就意味着等量的柠檬酸和异柠檬酸处于平
衡之中，这 2 个代谢产物常常归入一个单
独代谢库。
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
接下来的两步是氧化性脱羧反应。首
先，异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下
转化成 α-酮戊二酸。然后,α-酮戊二酸经
α- 酮戊二酸脱氢酶催化转化成琥珀酰辅酶
A （ ScCoA）, 该套序列反应类似于丙酮
酸脱氢酶复合物催化的丙酮酸脱羧序列反
应。实际上，这两个酶系（ 复合物 ）使
用同样的脱氢酶亚基。在后一个反应中，
（ ScCoA） 被水解生成琥珀酸，同时 CoA
酯键水解过程中释放出的自由能的一部分，
被 GDP捕获，生成代谢能 GTP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
然后琥珀酸脱氢生成延胡索酸，这个
反应需要琥珀酸脱氢酶（一种属于黄素蛋
白的酶 ） 来催化,它的催化依赖于辅基
FAD（ 强氧化剂），在催化过程中 FAD被
还原成 FADH2。
接着，延胡索酸在延胡索酸酶的催化
下转化成 L-苹果酸。最后,L-苹果酸在苹
果酸脱氢酶的催化下生成草酰乙酸，从而
完成这个循环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
从 AcCoA与草酰乙酸（ OAA） 合成柠
檬酸（ CTA）,进入 TCA 环，经发生在异
柠檬酸（ ICA）,α-酮戊二酸（ α-KG）,琥
珀酸（ SCA）,苹果酸（ MLA） 上的四次
脱氢，以及 α-酮戊二酸（ α-KG） 的脱羧和
ICA经草酰琥珀酸的 β-裂解等两次脱羧，还
有 ScCoA 的一次底物水平磷酸化，最后又
回复成 OAA。 AcCoA（ 实际上是乙酰基 ）
作为 TCA环的底物进入 TCA环，经过 TCA
环和电子传递链最终被氧化成 CO2和水。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
被完全氧化生成 3 分子 CO2,4
分子 NAD（ P） H（ 异柠檬酸脱氢时
在细菌细胞质中形成 NADPH,在真
核微生物线粒体中形成 NADH）,1
分子 FADH2 和 1 分子 ATP（ 大肠杆
菌中为 ATP,哺乳动物中为 GTP）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
很明显,只有当 NADH 和 FADH2 这
两种辅因子被重新氧化生成 NAD+和 FAD
时,TCA循环才能继续进行。 在有氧条件
下，从这些辅因子携带的电子通过电子传
递链转交给分子氧。电子通过电子传递链
从 NADH 传递到分子氧的过程，受一个
较大的负的自由能的驱动,ΔG0 = - 220
kJ·（ mo1 NADH） -1,而且 该自由能的一
部分以 ATP的形式被捕获。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
GOA
AcCoA MLA
PYR OAA
PEP
乙酸
乙醇 脂
肪酸氨
基酸烃
甘氨酸 草酸
羟乙酸 尿素
2NADH
DCA环
CO2
CO2
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
DCA环（ dicarboxylic acid cycle）
是指微生物用来利用乙醛酸或其前体
（如作为碳源的羟基乙酸）作为碳源
支持生长的环式途径。 DCA环也是降
解 2C片段的途径,它一共涉及到 5 个
酶：① 苹果酸合成酶（ MS）、② 苹
果酸脱氢酶（ MDH）、③ 草酰乙酸
脱羧酶（ OAADC）,④ 丙酮酸激酶
（ PK）、⑤ 丙酮酸脱氢酶（ PDH）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
DCA 环和 TCA 环都是行
使 氧化降解功能 的环式途径，
都需电子传递链配套运行。
GOA环与 DCA 环和 TCA
环不同，是行使 生物合成功能
的环式途径。
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用于合成的 GOA环
AcCoA
AcCoA
MLA OAA
GOA
ICA
CTA
SCA
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GOA环可看作是 AcCoA的另一个去
向。因为乙醛酸（ GOA） 是该循环中的
2C中间物，故称为 GOA 环（ glyoxylate
cycle ）。 通过 GOA 环，可把 2C 水平
的 AcCoA 合成 4C 水平的化合物琥珀酸
（ SCA ） 。这个环式途径存在于微生物
和植物。
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GOA 环一共涉及 5个酶，它们分别
是：①柠檬酸合成酶（ CS）、② 乌头酸
酶,③ 异柠檬酸裂合酶（ IL）,④ 苹
果酸合成酶（ MS）,⑤ 苹果酸脱氢酶
（ MDH ）。 在真核微生物中，这 5 个
酶都集中在一起,存在于特殊细胞器乙
醛酸循环体（ glyoxysomes） 中。
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环中第①、②、⑤ 3个酶即 TCA环中
相应的酶，所不同的是，在真核微生物中
乙醛酸循环体中进行这些反应的柠檬酸合
成酶和顺乌头酸酶是具有细胞器专一性的
同工酶，它们和线粒体中 TCA环中催化同
样反应的酶在物理性质和酶学性质上都有
差别。酶③、④是 GOA 环特有的酶。 当
微生物细胞中同时有 IL 和 MS 起作用时，
GOA环与 TCA环等同时运行。 GOA 环的
这两个酶受葡萄糖或其碳源营养阻遏。动
物（高等动物）细胞中不存在 GOA环。
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GOA 环对生长在 2C底物（ 如乙
醇、乙酸）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。乙醇或乙酸先转变成 AcCoA,再
进入 GOA环的代谢（乙醇 → 乙醛 →
乙酸）,
乙酸＋ HSCoA＋ ATP→
AcCoA＋ AMP＋ PPi
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甘油酸途径：
2GOA 羟基丙二酸半醛
D-甘油酸 3-P-GA
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以上 甘油酸途径是微生物和植物利用
乙醛酸生长时的回补途径。 该途径分 3 步
进行：①两分子乙醛酸经羟基丙二酸半醛
合酶的催化，被转化成羟基丙二酸半醛；
②该半醛被还原成 D-甘油酸；③在甘油酸
激酶催化下,D-甘油酸被磷酸化，生成 3-
磷酸甘油酸。 3-磷酸甘油酸进入 EMP途径
继续代谢，生成的磷酸烯醇式丙酮酸 可用
来回补 DCA环。
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在以葡萄糖作碳源时,DCA环和
GOA环的酶（异柠檬酸裂合酶和苹果
酸合成酶 ）的活性测不出，只有当 用
乙酸、乙醇,GOA 等 2C 化合物为
唯一碳源,能源时，这些酶才被诱导
（解阻遏）出来。 当以乙醛酸或其前
体羟基乙酸、尿素等 2C化合物作为碳
源时,D -甘油酸途径的酶系被诱导合
成。
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经验告诉我们以葡萄糖为碳源
时,EMP 等酵解途径的酶是组成
型的。换个角度分析问题，以乙酸
为唯一碳源，细菌仅仅合成葡萄糖
异生成作用必须的酶系，而仅在葡
萄糖降解中起作用的酶 （单向酶）
几乎或完全不存在,这时这些酶似
乎又不是组成酶了。这是实验对经
典生化概念的挑战。
