2010-5-16 张星元：发酵原理 1
第二节 微生物代谢网络
的向心板块
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代谢网络中，胞外碳架
物质跨膜并注入中心板块所
流经的途径统称向心途径，
向心途径群组成代谢网络的
向心板块。
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3.2.1 向心途径在代谢网络及其在细胞
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
络的向心途径
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3.2.1 向心途径在代谢网络和细胞
机器工作模式中的位置
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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 12个前体代谢
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
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
对稳定的代谢基础上。
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
径的一部分。
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向心途径 在细胞机器工作模式中的位置
向心途径 中心代谢途径 离心途径
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3.2.2 微生物的合成代谢途径和
代谢网络中的向心途径
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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
原料的酶，把原料转化成可以进
入细胞的有机营养物质。
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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）。
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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
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
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。
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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
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。
微生物的向心途径一般依次包括三
个部分：
（ 1）胞外降解途径（胞外酶催化）
（ 2）跨膜系统（有载体蛋白参与）
（ 3）胞内向心途径
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原料化合物经向心途径注入中心途径，
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
主要是 12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
产物，则胞内向心途径就缩成一个, 点,,
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，但它们是以中心大平台，或者更精确地
说是以中心途径上对应的化合物为终点的。
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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
(PK) (PEPS) (PyPiDK)
KDPG(ED途径 )
半乳糖醛酸（果胶物质）二糖、
糖原、
多糖、
（含细
胞壁多
糖）等
其他己
糖、糖
醇
戊糖
R-1-P MNs
RNA
甘油 油脂
Gly,羟基乙
酸、草酸 GOA（甘油酸途径）
酒石酸、乳酸、氨基酸
(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)
AcCoA
(PD) (PFL) (PS) 待
续
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PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
PEP
氨基酸
（ Asp,
Asn）
FMA
氨基酸
（ Tyr,Phe,Asp）
芳香族化合物,氨基酸
（ Ile,Met,Thr,Val）
酒石酸、乳酸、氨基酸
(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)
氨基酸
（ Glu,Gln,His,Pro,Arg）
羟基乙酸,草酸,Gly
AcAcCoA PHB,
氨基
酸
(Leu,
Lys,
Phe,T
yr）
乙酸,醋酸,脂肪酸,类脂,烃,
油脂,氨基酸 (Ile,Leu,Trp)
接
上
页
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3.2.2.1 胞外降解途径：胞外酶催化多
聚物的水解
3.2.2.2 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
化合物的利用
3.2.2.4 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
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3.2.2.1 胞外降解途径：胞外酶对多聚物
的水解
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
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
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。
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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 ）,几丁质（ 甲壳质 ）、半纤维素
(hemi cellulose),木质素 (1ignin),蛋白质
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
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
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
能将甘油三脂水解成脂肪酸和甘油。
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3.2.2.2 有载体蛋白参与的跨膜系统 （第
二章 2.2.2 已有叙述。）
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3.2.2.3 化能异养型微生物对各种有机化
合物的利用
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
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
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。
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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。
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⑴二糖的吸收和降解
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,β-
半乳糖苷酶和 β- 半乳糖苷乙酰基转
移酶。
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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； β- 半乳糖苷酶将乳糖水解成葡
萄糖和半乳糖； β- 半乳糖苷乙酰基转
移酶的作用是催化 AcCoA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
生物学功能可能是起解毒作用。
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乳糖水解生成的葡萄糖被磷
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
半乳糖进一步代谢的 3 种酶，在
这 3 种酶的协同作用下，使半乳
糖转化成 G-6-P,即可注入酵解
途径。
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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
水解成单糖，如蔗糖酶将蔗糖水解成葡萄糖
和果糖，乳糖酶（ β- 半乳糖苷酶 ）将乳糖
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
应的磷酸化酶的作用下，使二糖经磷酸化裂
解（ phosphorylytic cleavage）,得到 1分子
单糖和 1分子磷酸葡萄糖。
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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
糖即可以糖的磷酸酯的形式进入中心
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
能键而被磷酸化）后才能进入葡萄糖
的降解途径。
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⑵己糖和戊糖的降解
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
酶催化而被 ATP 激活，生成 F-6-P；
或者借助由 PEP参加的磷酸转移酶系
统进入细胞，生成 F-1-P。 然后又在
1-磷酸果糖激酶（该酶受果糖诱导）
的催化下形成 F-1,6-2P。 F-6-P和 F-
1,6-2P 均为 EMP 途径中间产物，可
按 EMP途径进一步降解。
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甘露糖在甘露糖激酶的催化下，
生成 6-磷酸甘露糖，再由 6- 磷酸甘
露糖异构酶催化，生成 F-6-P,进入
EMP 途径。也有例外，如果没有甘
露糖激酶,也可以以另外的方式实
现甘露糖的磷酸化。
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半乳糖诱导 3 种酶的合成：半乳糖激
酶、葡萄糖 ∶ 1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶
和 UDP-Glc差向异构酶。半乳糖在这些酶
的顺序催化下，先生成 1-磷酸半乳糖，然
后再生成 G-1-P。 G-1-P 经 G-6-P磷酸葡萄
糖变位酶作用生成 G-6-P,即可进入酵解
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 ED
途径类似的途径，最终产物与 ED 途径相
同。
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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
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。 如核糖
在激酶催化下生成 R-5-P,即可进入 HMP
和 PK途径。 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 Ru-5-P，
即可进入 HMP或 PK途径。
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木质纤维水解物中有 40％是木
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
直接生成木酮糖，木酮糖经激酶催
化生成 Xu-5-P,即可进入 HMP或
PK途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
⑶己糖醛酸的降解
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
代谢即可转化成 ED 途径的中间产物
KDPG,即可进入 ED 途径。 这样的
作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆
菌中比较明显。
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⑷甘露（糖）醇的降解
在不同的微生物中，可
能经不同的途径将甘露醇转
化为 EMP 途径的中间产物
F-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
⑸丙酸的降解
在需氧条件下,大肠杆菌的丙酸降解
至今未有明确的结论,其丙酸代谢的第一
步是生成丙酰 CoA,后者与乙醛酸缩合成
α-羟基戊二酸，然后又裂解成乳酸和乙酸。
乙酸经 AcCoA进入 TCA环或（和） DCA环。
而乳酸经乳酰 CoA,丙酮酰 CoA,转化成
羟基丙酮醛,此化合物的进一步代谢情况
尚待研究,但已知当丙酸浓度较高时,丙
酸主要经乙酸代谢。
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⑹葡萄糖酸的降解
某些微生物能利用葡萄糖酸作为唯
一碳源，葡萄糖酸可经 6-磷酸葡萄糖酸
脱羧，生成 5- 磷酸核酮糖而进入 HMP
途径；也可以经 2,5 -二酮葡萄糖酸，继
续代谢生成 α-KG而进入 TCA环。在假
单胞菌中，葡萄糖酸经 6-磷酸葡萄糖酸
进入 ED途径。
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⑺山梨（糖）醇的降解
山梨（糖）醇先被转化成果糖，然后
生成 F-6-P而进入 EMP途径。
⑻苹果酸的降解
在需氧情况下，苹果酸按 TCA环氧化
方向生成 OAA,然后 OAA脱羧生成 PYR，
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 α-KG而进入
TCA环，以便用于氨基酸合成。
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⑼草酸的降解
草酸先被转化成乙醛酸，然后经甘油
酸途径生成 3-P-GA进入 EMP途径。
⑽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，后者直接
与 AcCoA反应，生成苹果酸进入 TCA环、
DCA环；或者乙醛酸经甘油酸途径，生成
3-P-GA而进入 EMP途径。
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⑾乙醇和乙酸的降解
乙醇经乙醛氧化成乙酸，乙酸
在乙酰硫激酶的催化下，与 CoA、
ATP作用，生成 AcCoA而进入 TCA
环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
⑿脂肪酸的降解
脂肪和脂肪酸也可以作为微生物的碳源
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
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
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。
甘油经 3-磷酸甘油或经二羟基丙酮转化
成磷酸二羟丙酮（ DHAP） 进入 EMP途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
绝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
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
来降解脂肪酸的酶系，并且,C6～
C16脂肪酸靠酰基 CoA合成酶参与的
基团转移机制进入细胞。
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脂肪酸的 β-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 AcCoA，
若脂肪酸分子的碳原子数为奇数,则同时
也得到丙酰 CoA。 AcCoA直接进入 TCA 环
降解，丙酰 CoA 则可以经甲基丙二酸单酰
CoA,然后甲基丙二酸单酰 CoA分子重排，
形成 ScCoA而进入 TCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
⒀脂肪族烃的降解
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。
在甲烷上生长的过程，需特殊的途径，
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
这样的：能够在 C5～ C8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。。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
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
利用 C10～ C18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
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
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
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
能在这类基质上生长。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
脂肪族烃是水不溶性基质，因此，微
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，
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
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
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
些糖脂类结构类似的化合物的细胞壁。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
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
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
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
质是海藻糖脂（由 1分子海藻糖与 2分子。
α-分支 -β-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
成的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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，
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。
对于固态烃（如固体石蜡），除
了细胞直接黏附于其表面外，还
可能有使其溶解的机制。
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脂肪族烃被微生物吸收过程的最初
的 3 个反应在膜中进行，催化这 3 个反
应的酶是与膜结合的。反应由单加氧酶
催化开始：
基质 -H ＋ O2 ＋ AH2 →
基质 -OH ＋ A ＋ H2O
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
上式中 AH2 是指一种可被氧化的辅
基质（ cosubstrate ）, 这里是还原性的
红氧（ 化 ）还（ 原 ）蛋白 （ reduced
rubredoxin ）,这种含铁的蛋白质小分
子 （ Fe2+ 或 Fe3+与多肽链上的半胱氨酸
残基相联），先被可溶性的依赖 NADH
的酶系统还原,然后才能作为单加氧酶
的辅基质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
然后，经单加氧酶催化形成的
伯醇被依赖于 NAD+ 的伯醇脱氢酶
进一步氧化成对应的醛，最后醛又
被依赖于 NAD+ 的醛脱氢酶氧化成
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
生成二羧酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
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
P450,它经黄素蛋白和铁硫蛋白，
从 NADH获得还原力。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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
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
氧酶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
步降解。
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
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
总之，不同种类的长链脂
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
经 β- 氧化，生成 AcCoA而进入
TCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
⒁氨基酸的降解
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
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
间化合物（ central intermediates） 相关，
所以它们的降解非常容易。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
大多数情况下，氨基酸首先转变成相关
的酮酸。如 Glu→α -KG,Asp→OAA, Ala
→PYR, 以及 Val→2 -氧代异戊酸,Leu →2 -
氧代异己酸,I1e → 2 -氧代 -3-甲基戊酸。 这
就是氧化脱氨。 α- KG,OAA 和 PYR 属于
中心代谢途径的中间化合物。 2-氧代异戊酸
和 2-氧代 -3-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
现细菌中有与动物中类似的反应将这两者转
化为 AcCoA和丙酰 CoA。
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脱氨也可以引发氨基酸的降解。发
生脱氨反应的条件是,α- 氨基羧酸分
子中 β-碳原子上的取代基 （ 如羟基 ）
促进 α-氨基的离去，生成酮酸。 因而
诸如 Ser,Thr 和 His 都可以进行脱氨
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 脱水酶 （ 即
通常所说的脱氨酶 ）。
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在大肠杆菌中降解代谢的 Thr 脱水酶
与合成代谢的 Thr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
Thr合成 I1e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
酶，催化 Asp 脱氨。 His 的降解也由类似
的反应引发。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
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，
如 Arg 可通过多种途径降解成 SCA,Phe
可以降解成 FMA 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
酸和肽的培养基中很好地生长的事实，是
可以理解的。
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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。
含 1 个氨基的氨基酸脱羧后生成单
胺；含 2 个氨基的氨基酸脱羧后生
成二胺，二胺有毒。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
⒂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
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
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，
腺嘌呤核苷酸借助特异性的移位酶的
跨膜交换比率为 1∶ 1。
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核苷和嘌呤、嘧啶碱基可以通过基团
转移等机制进入胞内。 胞内的核酸、核苷
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：
核酸 ←→ 核苷酸 ←→ （核苷 ＋ 磷酸 ）
→ [ 嘌呤或嘧啶 ＋（ 1-磷酸戊糖） ]
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
基酸）,NH3和 CO2。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
⒃芳香族化合物的降解
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），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
大自然的碳素循环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
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（ 邻苯二酚 ）和原儿茶酸（ 3,4-
二羟苯甲酸）。然后儿茶酚和原儿茶酸再
经邻位分解 （ 3- 氧代己酸途径 ） 降解成
SCA和 AcCoA； 或儿茶酚和原儿茶酸经间
位分解（间位分解途径）降成 PYR和乙醛。
因此，儿茶酚和原儿茶酸堪称芳香族化合
物分解的“中心代谢物”。
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微生物也可以不经过以上途
径降解芳香族氨基酸。 Phe和 Tyr
经尿黑酸（ 2,5-二羟苯乙酸 ）降
解为延胡索酸和乙酰 CoA,即可
进入 TCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
3.2.2.4 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，
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
命活动的能量。
内源营养物质包括细胞内的各种多
糖、类脂和多聚 β- 羟基丁酸、细
胞蛋白质和 RNA等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
当前面 3 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
白质和 RNA 。 以上内源营养物质的降
解途径除 β- 羟基丁酸外，前面均已讨
论过了。
多聚 β-羟基丁酸的降解始于解聚，
得到 β-羟基丁酸，然后 β-羟基丁酸被最
终降解成 AcCoA。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
3.2.2.5 关于质粒编码（ Plasmid-encoded）
的降解代谢活性
前面所述的各种降解途径均是由染色
体 DNA 编码的。 近年来发现在恶臭假单
胞菌和一些相关的种的微生物细胞中含有
降解性质粒（ degradative plasmids）,它
们包含某些特殊的降解代谢的酶（酶系）
合成的遗传信息。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
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（ octane plasmid ）
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 DNA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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
以上所述的氧化降解过程都
是正常情况下的代谢，也就是说
没有受到内外条件制约的情况下
的降解代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
工业发酵过程中，除了要获得菌体，
微生物往往是处于制约条件下的不完全氧
化状态 ( incomplete oxidation under stress
condition )。 已开发的工业发酵过程，诸
如 D-葡萄糖酸、柠檬酸和味精的生产，在
这些发酵过程中，生产菌种因条件约束，
被迫大量分泌工业发酵的产物 ——被微生
物完全氧化的中间代谢产物相对很少。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
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，这个过程对工业发酵
是十分重要的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
第三节 微生物代谢网络
的离心板块
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
代谢网络中，碳架物质
离开中心板块所流经的代谢
途径统称离心途径，离心途
径群组成代谢网络的离心板
块。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
3.3.1 离心途径在代谢网络和细胞
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
谢网络中的离心途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
3.3.1 离心途径在代谢网络和细胞
机器工作模式中的位置
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
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
由离心代谢途径 （ centrifugal metabolic
pathway ） 组成。碳架物质从中心板块离
开所流经的代谢途径，统称 离心途径 。在
工业发酵的工作模式中，离心途径也是工
业发酵 载流路径的一部分 。离心途径的变
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
础之上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
离心途径 在细胞机器工作模式中的位置
向心途径 中心代谢途径 离心途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
3.3.2 微生物的合成代谢途径和代
谢网络的离心途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
3.3.2.1 TCA环和 DCA环底物的回补
3.3.2.2 分子模块等的生物合成
3.3.2.3 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
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
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
途径衔接起来，成为这两种途径的
,接口,。 微生物的离心途径一般依
次包括两个部分：
（ 1）胞内离心途径
（ 2）跨膜送出系统或通透机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
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（成为工业发酵的产物），
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
分）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
在有氧生长的条件下，原养
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
胞，实现生长。经胞内离心途径
可以合成细胞的组成物质 （见下
图）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
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
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
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
动得以维持 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
3.3.2.1 TCA环和 DCA环底物的回补
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
途径中的 TCA 环和 DCA环，环中前提代
谢物（ 有机化合物如 TCA 环中草酰乙酸
和 α- 酮戊二酸,DCA 环中的磷酸烯醇式丙
酮酸、丙酮酸,乙酰辅酶 A和草酰乙酸等）
的抽出必将影响环式运行的持续进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
若要挽回这种危局，就必
须对环进行回补，以维持环中
的代谢物流。以下是回补的示
意图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
AcCoA
OAA CTA
3NADH,ATP
FADH2
2CO2
SCA
TCA环碳架物质的回补
CO2固定
GOA环
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
可把 AcCoA看作是 TCA环的 原始底物,
把 OAA看作 再生底物 。再生底物不足，势
必影响 TCA环的正常运转，影响原始底物
AcCoA中乙酰基的降解。因而 细胞内（真
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 TCA环的正常运转至
关重要。 然而，草酰乙酸和 α-酮戊二酸是
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
物草酰乙酸和 α-酮戊二酸等 TCA 环其他底
物的“外流”，从而威胁到乙酰基的降解。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
为维持再生底物的量，必须对 TCA环进
行回补。 回补主要来自 CO2 的固定和乙醛酸
环（ GOA环） 。 CO2的固定的反应包括：①
丙酮酸在丙酮酸羧化酶（ PC） 催化下的羧化：
PYR + CO2 → OAA ； ② PEP在 PEP羧化酶
（ PEPC） 催化下的羧化,PEP+CO2→OAA ；
③ 丙酮酸在苹果酸酶（ ME ） 的催化下生成
苹果酸,PYR + CO2→MLA （ →OAA ）。 化
能异养型微生物要在己糖或 EMP途径的中间
代谢物上进行需氧生长,至少需具备以上三
个反应之一，以获得 TCA环的再生底物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
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（ PEPC） 催
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 ATP/ADP 高
比率的情况下被激活，并且受 AcCoA激活、
受 L-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，
后者在 ATP/ADP的高比率或 NADH/NAD
高比率的情况下受抑制，并且受高浓度的
AcCoA的抑制 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
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 。
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
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
受 L-天冬氨酸抑制并受乙酰 CoA的
激活。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
乙醛酸环可把 2分子 AcCoA （ 2C水平）
转化成琥珀酸（ 4C水平），从而对 TCA环
进行回补。乙醛酸环对生长在 2C底物（如
乙酸或乙醇 ）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。 乙酸
或乙醇先转变成 AcCoA,然后参与乙醛酸
环代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
乙醛酸环一共涉及到 5 个酶，在真核
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 (Glyoxysomes)中，
在此细胞器中合成的琥珀酸跨膜进入线粒
体中，对 TCA环回补。
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
在乙醛酸环。当微生物细胞中同时有 IL和
MS 起作用时，乙醛酸环与 TCA 环等同时
运行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
GOA
AcCoA MLA
PYR OAA
PEP
3-P-GA（ 来自甘油酸途径）
乙酸
乙醇 脂
肪酸 氨
基酸 烃
甘氨酸 草酸
羟乙酸 尿素
2NADH
DCA环的回补
CO2
CO2
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
DCA环是降解 2C片断的途径，一共涉
及到 5 个酶。可把 GOA 看作是原始底物，
把 AcCoA看作是再生底物,GOA 因合成苹
果酸（ MLA ） 而进入 DCA环，经发生在苹
果酸（ MLA）,丙酮酸（ PYR）上的 2次脱
氢，以及发生在草酰乙酸（ OAA）和 PYR
上的 2次脱羧，最后又回复成 AcCoA。
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
GOA 作为 DCA环的原始底物
进入 DCA环，经过 DCA 环和电子
传递链协同作用,最终被氧化成
CO2 和水。如果从 GOA 算起，每
分子 GOA被完全氧化生成 2 分子
CO2,形成 2 分子 NADH。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
细胞生长时,DCA环的中间产物也
参与细胞组分的合成，这时 DCA环也需
要回补。甘油酸途径是微生物和植物利
用乙醛酸（或 2C碳源）生长时的回补途
径。甘油酸途径之所以能向 DCA环进行
回补，因为甘油酸途径终端产物 3-磷酸
甘油酸就是 EMP途径的中间代谢物，它
可以经 EMP 途径转化成 DCA 环的中间
代谢物磷酸烯醇式丙酮酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
3.3.2.2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
自身合成提供 前体代谢物、代谢能和还原力 。
有了这三者，微生物细胞就可以合成细胞中
主要的 生物多聚体的前体（子模块分）,大
致包括 5 个嘌呤和嘧啶,20个氨基酸（ 18个
氨基酸和 2个氨基酰胺），还有醣（ 碳水化
合物）、脂肪酸（含有机酸）、维生素及其
它辅助因子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
这些前体再按生物学规律合
成生物多聚体（ biopolymers ）：
核酸、蛋白质、多糖和脂质等，
直至整个微生物细胞活有机体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
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
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
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。
中心板块上，有一些关键的中间化合物
（ 前体代谢物 ），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
融成一体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
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。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、
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
生物菌体细胞的路子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
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(PK) (PEPS) (PyPiDK)
AcCoA
(PD) (PFL) (PS)
糖原
肌醇
磷脂
肽聚糖,GlcNAc
PRPPHis DNA,RNA,dTMPUMP,CTP,AMP,GMP
莽草酸 预苯酸分支酸
Phe,Tyr
Trp,NAD (真
菌 ),CoQ,对
氨基苯甲酸,
叶酸
磷脂
甘油
Cys,Ser,Gly
α-酮异戊酸 Ala,Ile,Lys
能量代谢的
副产物
Val,Leu
CoA
续待
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
PEP
FMA
PHB,类异戊
二烯化合物,
ACL-P,甾醇,
脂肪酸,脂肪,
磷脂
Lys(真菌 )
Glu
Gln
Pro
Arg卟啉,细胞色素
Asp
NADUMP
CTP
dTMP
ASA
Lys(细菌 )
Thr,Met,
Ile
页上接
Asn
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
⑴ 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
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
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
放线菌细胞壁的骨架结构的肽聚糖作
一些说明。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
1．单糖的合成
① 6-磷酸葡萄糖（ G-6-P） 的合成
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 G-
6-P的各种前体物质（ 如 TCA环的中间
代谢物和生糖氨基酸 His,Gly,Ser、
Glu,Arg,Asp,Thr等 ），均汇集到
这条途径合成 G-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
TCA 环的中间代谢物用于单糖
合成时先被氧化为 OAA,然后 OAA
在 PEPCK（ 磷酸烯醇式丙酮酸羧激
酶）的催化下转变为 PEP,PEP 借
助于替代磷酸果糖激酶（ PFK ） 的
己糖二磷酸酯酶，逆 EMP途径而上
而合成 G-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
一些氨基酸也可以作为合成 G-6-P
的前体。例如 Glu和 Asp分别经转氨酶
转变成 α-KG和 OAA,然后经 PEP如
上合成 G-6-P。 有些氨基酸如生酮氨基
酸 Leu 降解后，生成 AcCoA,后者经
TCA 和 DCA联合途径合成 OAA,然后
合成 G-6-P。 脂肪酸经 β- 氧化生成的
AcCoA,也经同样途径合成 G-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
G-6-P和 6-磷酸果糖（ F-6-P ）,1-
磷酸葡萄糖（ G-1-P） 这 3 种单磷酸己糖
之间很容易通过葡萄糖磷酸变位酶（ G-
1-P 和 G-6-P 之间 ） 和磷酸己糖异构酶
（ G-6-P和 F-6-P之间）而实现相互转换。
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
,一个不可分割的代谢（物）库,
（ a single metabolite pool ）。 这个代
谢库可因生成 3 种单磷酸己糖中的任何
一种而得到补充。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
②糖核苷酸在细胞中的功能
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
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
的机会。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
2．多糖的合成
碳水化合物存储物合成主要是以 UDP-
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。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，葡萄糖的供体是 ADP-Glc（ 而
在酵母中是 UDP-Glc）,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
UDP-单糖。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
⑵含氮化合物的合成
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、核酸系列，还有许多辅酶
（如 NAD,CoA,ATP等等）也是含氮有
机化合物。 NH3和 NH4+中氮原子的为 -3价，
细胞有机物中的氮原子也是 -3价。 工业上
应用的微生物能够利用 NH3和 NH4+,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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
1、氨基酸的生物合成
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
最常见的 20种 L-氨基酸或氨基酰胺
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
重要次生代谢产物，如青霉素生物
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
从生物合成和代谢生理的角度出发，可以将组成
蛋白质的 20种氨基酸及氨基酰胺分成 6 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。
谷氨酸族 天冬氨酸族 组氨酸族
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
每种氨基酸生物合成的途径可在工具书
中查到。 Singleton等编的 Dictionary of
Microbiology and Molecular Biology （ 微生
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：
① www.genome.ad.jp/kegg
KEGG:Kyoto Encyclopaedia of Genes and
Genomes
② www.emblheidelberg.de/
③ www.gmd.de/Welcome.en.html
German National Centre for Information
Technology homepage
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
Glu 和 Gln 在氨基酸的生物合成
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（ Ala,Asp
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，
必须首先讨论谷氨酸和谷氨酰胺的合
成问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
L-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“分支点”，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产
物的抑制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
谷氨酰胺合成酶是受严格的调控的：
它受 L-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
物（如 AMP,甘氨酸和 L-组氨酸） 的
抑制。
许多生物体 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
同化吸收前都要转化成氨。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
2.蛋白质的生物合成
蛋白质合成中，氨基酸是原料，
mRNA是蓝图，核糖体是合成机器，
还需要 tRNA 作为氨基酸的运载工
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
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
,信号顺序,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
这些“信号顺序”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，导致正在合成其本身的“核糖体
串”与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到
胞外；合成一结束，“信号顺序”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。如果于蛋白质
肽链起始端有没有“信号顺序”，新合成
的蛋白质只能定位在膜的内侧。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
3.核苷酸的生物合成
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，
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
分别是 RNA 和 DNA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
些含氮有机辅助因子（辅酶 ）比如 NAD+，
NADP+,FAD,CoA的主要组分。有些核
苷酸，如 ATP 在整个细胞代谢中具有特殊
功能（能量货币）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
核苷酸由 3 个组分,一个杂环的含氮
碱基（嘌呤或嘧啶）； 一个糖基（ RNA中
的核糖,DNA中的 2-脱氧核糖）；一个磷
酸基团。 DNA的碱基是嘌呤，腺嘌呤（ A）
和鸟嘌呤（ G）,以及嘧啶，胞嘧啶（ C）
和胸腺嘧啶（ T）。 在 RNA 中，存在前面
三种碱基（ A, G, C ）,但第四种碱基
胸腺嘧啶（ T） 被尿嘧啶（ U） 替代。
因遗传和环境条件不同,微生物可采
用不同的方式进行核苷酸的合成：
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
①“从无到有”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
是指形成嘌呤环和嘧啶环）。 ②,补救合
成,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
就可从环境中吸收嘌呤、嘧啶（或分别与它
们对应的核苷 ）,并把它们转变成核苷酸
（ 这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
要采取补救措施，通过补救合成的途径，获
得生长所需的核苷酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
各种核苷三磷酸的生物合成
嘌呤核苷酸是从 5-磷酸核糖和 3-磷酸甘
油酸（用于嘌呤生物合成）合成的，嘧啶核
苷酸是从 5-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
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 NADPH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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
4.RNA和 DNA的合成
RNA的合成（转录）可以抽象概括成：
ATP,UTP,GTP,CTP →
→ RNA （ 含 tRNA,mRNA,rRNA等）
DNA的合成（翻译）可以抽象概括成：
dATP,dTTP,dGTP,dCTP →→ DNA
其详细过程及反应在生物化学和分
子生物学中已有叙述。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
5.一些含氮辅酶的合成
辅酶中的有很多属于含氮有
机化合物，如 NAD+,NADP+，
FAD,FMN,CoA,CoF（ 四氢
叶酸,HF4 ）,TPP（ 焦磷酸硫
胺素）等。这些辅酶由细胞自身
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
粗糙脉孢菌,酿酒
酵母 像哺乳动物细胞一
样，可从 Trp 开始,经
吡啶 - 2,3 - 二羧酸 合
成 NAD+和 NADP+。
Xanthomonas prum
（ 桃李黄单胞菌 ） 可
从 Trp 开始合成 NAD+。
然而 大部分已研究过
的细菌合成 NAD+ 的途
径的前半段（ 吡啶 -
2,3-二羧酸以前 ）是完
全不同的，而后半段
对所有生物细胞都是一
样的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
6.其它含氮细胞物质
的合成
卟啉是构成呼吸
链（或电子传递链）
的电子载体细胞色素
的前体。细胞色素的
铁卟啉的合成从琥珀
酰辅酶 A（ ScCoA）
与甘氨酸的反应开始，
经氨基乙酰丙酸而合
成卟啉，最后形成铁
卟啉。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
⑶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
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
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
的甘油酯）、磷脂和衍生脂类（如固
醇、辅酶 Q,维生素 A）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
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
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。
多聚 β- 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
孢菌中，它又是孢子的主要贮备化
合物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
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
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
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
起形成糖脂、脂蛋白和脂多糖，它
们均有特殊的生理功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
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。
主要的脂肪酸有,棕榈酸（ C16∶ 0 ）、
棕榈油酸（ C16∶ 1）,硬脂酸（ C18∶ 0）、
油酸（ C18∶ 1）,亚油酸（ C18∶ 2 ） 和
亚麻酸（ C18∶ 3）。 在真菌中，棕榈酸、
油酸和亚油酸要占 75%以上,而细菌中最
常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 β- 羟基酸,异
戊二烯化合物等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
1.脂肪酸的合成
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
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，
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
对在较低温度下细胞膜脂质流动性的维
持是必要的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
脂肪酸的合成中（ 也是脂质合成中 ）
的关键化合物是 CoA 的衍生物酰基载体蛋
白（ ACP）。 ACP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，至今已从多种微生物分离出来。这
种载体蛋白含有 β-丙氨酸和 2-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。
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 2C 片
断，和接下来的还原反应：
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
第一个乙酰基在一个
依赖生物素的反应中
被羧化成丙二酸单酰
CoA； 然后由两个酶
将乙酰 CoA和丙二酸
单酰 CoA分别转化成
ACP的衍生物。以此
类推，通过 4 个酶的
循环反应（ ①缩合、
②还原、③脱水、④
还原），合成含碳更
多的脂肪酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
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
脂肪酸和含有 2个和 3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
氧的需氧途径和对氧没有需求的 厌氧途径。
需氧途径：由分子氧,NADPH 和相应
的脂肪酸的酰基 CoA的衍生物参与反应。双
键经常存在于 C9和 C10（ 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
核细胞和一些需氧细菌，包括巨大芽孢杆菌
和溶壁微球菌。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
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
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
顺 -11-十八（碳）烯酸和油酸。
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
Leu和 Ile开始合成分支链脂肪酸：
Ile → → → D （ +） -12-甲基十四酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
2.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
外，还有：① 3-磷酸甘油，它是从 EMP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“骨架”，② 磷脂的“醇”的
部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的
,醇, 有胆碱，乙醇胺和肌醇。 ③ 固醇。
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 L -α-
磷脂酸的脱磷酸，以及随后 D–α,β-甘油二
酯与脂肪酰 - ACP （ 或合适的脂肪酸的
CoA衍生物 ）反应生成甘油三酯。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
EMP途径的中间
产物 DHAP（ 磷酸二
羟丙酮 ）和脂肪酸合
成的中间产物 RCO-
ACP（ 脂肪酰 - 酰基
载体蛋白）是磷脂酸
的合成的前体。磷脂
酸可以生成中性脂肪，
然而大多数磷脂酸用
于磷脂合成（磷脂的
合成过程可以归纳成
如左图（此图未显示
出下页所述 CTP对磷
脂酸的激活）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
磷脂的合成,不论在原核还是真核细胞，需
要 CTP（胞苷三磷酸, 简称胞三磷 ） 。 CTP与 L-α-
磷脂酸生成 CDP-甘油二酯：
（ α-磷脂酸） + CTP → （ CDP-甘油二酯） + PPi
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的：
（ CDP-甘油二酯） +（ L-Ser） →
（ 磷脂酰 -Ser） + CMP
（ 磷脂酰 -Ser） → 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：
（ CDP-乙醇胺） + （ D – α,β-甘油二酯） →
磷脂酰乙醇胺 + CMP
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
3,多聚 β- 羟
丁基酸的合成
原核细胞
中的能量贮存
物质多聚 β-
羟丁基酸
（ PHB） 也是
从 AcCoA合成，
其过程简要表
示如左图 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
3.3.2.3 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
条件下生长或维持生存的情况下,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 143
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
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
化合物），就可能生成不同的（生
理性）发酵产物（见下图）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
3.3.2.4 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
制，可参考本书第二章 2.2.2.3代谢
中间产物排出细胞的机制）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
第四节 代谢网络和
联网问题
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
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“元素周期
表”，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。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。那么，不在代谢网
络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？
逆向思维激活了代谢网络延伸的思路：不
在代谢网络上的化合物也可能与工业发酵
发生关系，只要它们能与代谢网络联网。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
所谓联网，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联系。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
新产品的开发，意味着工业发酵的研究和开
发的广阔空间。怎样才能实现联网呢？联网
可以用化学或生物学方法（含 DNA重组技术）
来实现。广义的联网包含生命有机体之间接
力赛式的代谢联系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
总而言之，已在代谢网络
上，或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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
3.4.1 代谢网络
3.4.2 扩展发酵原料范围
3.4.3 扩展发酵产品范围
3.4.4 发酵新产品的开发
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
3.4.1 代谢网络
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
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
规律汇成生化反应网络；若途径在活细胞
里运行，则为代谢途径；代谢途径和输送
系统相互间的接合，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、无尺度的代谢网络。
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
从不同角度、不同层面分析微生物代谢，
可以发现有不同的代谢网络。本课程研究的
主要是有机物（碳）酶和蛋白质层面上的代
谢网络。在研究这种代谢途径的过程中发现，
对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧
时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养
条件下生长与生存时，代谢网络也是有差异
的。在某特定的条件下驯养微生物也许能唤
醒“沉睡的基因”，使这些基因编码的酶或
蛋白质参与代谢网络。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
在有氧生长与缺氧生存的条
件下，代谢网络的差异主要表现
在代谢网络中心板块的 TCA途径
上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
3.4.1.1 有氧生长的代谢网络
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
在供氧条件下,TCA途径进行正
常的环式运行（ TCA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
终形成整个细胞，实现正常生长。在
以 TCA环为骨架的中心板块的基础上
构件成有氧生长的代谢网络：
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
3.4.1.2 缺氧生存的代谢网络
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
在缺氧条件下, TCA途径的环式运行中
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 。 在以 TCA分叉途径为骨架的中心板块
的基础上构建缺氧生存的代谢网络 。 下图
是兼性厌氧微生物在缺氧条件下发酵生成
能量代谢副产物的简略的示意图 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
3.4.2 扩展发酵原料范围
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
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兼容和协
调。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
3.4.2.1 用木糖生产乙醇的代谢途径
3.4.2.2 降解淀粉的微生物
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
3.4.3 扩展发酵产品范围
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
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。这里主要介绍
属于微生物的初级代谢产物和能量
代谢副产物的工业发酵产品的扩展。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
3.4.3.1 维生素
3.4.3.2 生物聚合物
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
3.4.4 发酵新产品的开发
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
3.4.4.1 戊糖, 木糖醇
3.4.4.2 从甘油合成 1,3-丙二醇的途径的
导入
2010-5-16 张星元：发酵原理 169
第五节 代谢网络中代
谢物流的形成
2010-5-16 张星元：发酵原理 170
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 171
3.5.1 代谢网络中的代谢物流
2010-5-16 张星元：发酵原理 172
代谢物在代谢途径中流动形成代谢物流，
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，流量相对集中的代谢流叫做该培
养条件下的代谢主流（代谢主流的流量测定
是代谢工程的重要组成部分）。代谢主流流
经的代谢途径为主要载流路径，简称载流路
径。载流路径是代谢网络中一个与时间相关
的组成部分，可以把载流路径的全部或局部
看作是代谢网络的亚网络。
2010-5-16 张星元：发酵原理 173
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，选择的原因是微生物所处的环境条件
的变化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 174
3.5.2 工业发酵的理想载流路径
及其“五段式”
2010-5-16 张星元：发酵原理 175
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，所以把它
叫做理想载流路径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 176
本课程定义的典型的工业发酵
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物质在微
生物细胞的在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，最后目的产物分泌出细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 177
典型的工业发酵的过程中，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、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。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。这就是细胞机器在工业发酵产物形成
阶段理想载流路径的五段式。
2010-5-16 张星元：发酵原理 178
微生物细胞机器怎样去实
现从工业原料到目的产物的转
化呢？一般要经过以下 5 个阶
段，并接受每个阶段的调节：
2010-5-16 张星元：发酵原理 179
①胞外酶对原料的降解及营养物质进
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 180
而这些胞外酶大部分是水解酶，而且
往往是诱导酶。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
以主动输送的方式（简单主动输送或基团
转移）进入原核生物细胞，以促进扩散和
主动输送的方式进入真核微生物细胞。这
几种输送方式均需借助载体蛋白（有的沿
用旧称“透性酶”），它们往往经被输送
物的诱导而合成，也涉及到变构蛋白的作
用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 181
②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
的，因而又涉及到变构蛋白的作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 182
③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，
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，以及它们各自最重要的
控制“阀门”，还有中心代谢途径中
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 183
④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
的控制“阀门”（往往是分支途
径的第一个酶）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 184
⑤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
需排出细胞，因此，有必要
研究目的产物的分泌问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 185
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 186
代谢网络假说为工业发酵菌
种选育及生产工艺的控制系统地
提供了可供选择的、可操作的可
能性，为工业发酵新产品、新原
料开发画出了生物学蓝图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 187
3.6.1 从目的产物假说
到代谢网络假说
2010-5-16 张星元：发酵原理 188
从目的产物假说到代
谢网络假说，是一个对微
生物的代谢和工业发酵的
认识的深化的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 189
3.6.1.1 微生物生命及生命活动的主要层次
3.6.1.2 第一次质的飞跃 ——从途径到网络
（从局部到整体）
3.6.1.3 第二次质的飞跃 ——代谢网络的延
伸（逆向思维）
3.6.1.4 第三次质的飞跃 ——从代谢网络到
代谢流（从相对静止到流动）
3.6.1.5 第四次质的飞跃 ——代谢流的调动
（人的主观能动作用）
2010-5-16 张星元：发酵原理 190
3.6.1.1 微生物生命及生命
活动的主要层次
2010-5-16 张星元：发酵原理 191
微生物生命及生命活动的主要层次：
1,基因及基因组（ DNA层次）
2,代谢途径及代谢网络（蛋白质
层次）
3,代谢流（物流层次）
4,代谢生理（微生物细胞层次）
2010-5-16 张星元：发酵原理 192
从低层次到高层次，从大平台到
小平台，需要相应的逐级激活。 基因
组里的一部分基因被激活而得到表达，
形成代谢途径及代谢网络 ； 任何时刻
代谢流只在代谢网络局部或某些途径
中流动 ； 只有一部分代谢流促成微生
物细胞的某种生理状态的出现 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 193
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城市就要选定一
条合适的铁路线一样。
2010-5-16 张星元：发酵原理 194
全国铁路网被分成几个铁路局辖
区，相当于代谢网络分成三个板块；
铁路线可以跨铁路局，相当于载流路
径可以跨网络的板块。 微生物细胞机
器的工作模式把载流路径描述成向心
途径、中心途径和离心途径三者依次
首尾衔接而贯通的一条路径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 195
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，而且也
有汇合或分支。途径与途径之间还
可能存在横向联系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 196
在停止生长的生理状态下的代
谢途径的延伸（次生代谢的途径诱
导），以及不同细胞空间对途径的
分隔，使代谢网络更加复杂化。
代谢网络假说的建立经历了以
下四次飞跃；由于人类对代谢尚不
完全了解，目前对代谢网络的认识
只是相对的，对代谢的认识还有待
深入。
2010-5-16 张星元：发酵原理 197
第一次质的飞跃 ——从途径到网络
（从局部到整体）
生化途径在支持生命体的代谢活动
时称为代谢途径。生化途径的研究为代
谢网络理论的建立奠定了化学基础，代
谢能支撑原理的发现为代谢网络理论的
建立奠定了生物学基础。代谢网络不单
纯是生化途径和输送系统的有序组合，
更重要的是,微生物细胞的代谢网络是
一个由代谢能直接支撑的整体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 198
第二次质的飞跃 ——代谢网络的延
伸（逆向思维）
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, 元
素周期表,,用以预测工业发酵未来
产品的良好愿望，曾经提出目的产物假
说。目的产物假说假想代谢网络上的任
何化合物都有可能开发为工业发酵的产
品；那么，不在代谢网络上的化合物怎
样与工业发酵建立关系呢？
2010-5-16 张星元：发酵原理 199
逆向思维激活了代谢网络延伸的思
路：不在代谢网络上的化合物也可能与
工业发酵发生关系，只要它们能与代谢
网络 联网 。怎样才能实现联网呢？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 新原料和新产品的开发,因此 工
业发酵的研究和开发的空间是无限的 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 200
第三次质的飞跃 ——从代谢网络
到代谢流（ 从相对静止到流动）
尽管微生物细胞的代谢网络（蛋
白质层次）一直处于响应环境的变动
之中，但它对于代谢流而言是相对静
止的。 在不同的生理状态下代谢流在
代谢网络个部分的分布不同，在不同
代谢途径上的相对流量不同。
2010-5-16 张星元：发酵原理 201
第四次质的飞跃 ——代谢流的调动
（人的主观能动作用）
微生物的代谢流是由微生物细胞根
据其遗传信息和微生物细胞所处的环境
条件自主调节的。工业发酵生产不能只
是被动地等待大自然（微生物）的施舍，
怎样才能调动代谢流，在工业发酵生产
尽量争取主动呢？这是发酵学研究的永
久的主题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 202
3.6.2 代谢网络假说的科学基
础与应用前景
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代谢网络假设把代谢形象化为一个虚
拟的网络 ——新原料、新产品开发的蓝图。
物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约
的。微生物细胞对环境的有限的适应性表
现在：在一定的变化范围内，微生物细胞
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通
透性和选择性输送性，代谢网络的变动性
和适应性因此而得到实现。
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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，
称为代谢网络，以有利于从宏观上把
握微生物的代谢和生理，为工业发酵
中原料的利用和产物的合成，提供分
析的依据和实际操作的位点；
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代谢网络是一种客观存在，依据这种
实实在在的由代谢途径及跨膜步骤“编织”
成的网络进行代谢途径和代谢流量分析，
就有可能从中选择合适的载流途径（理想
载流途径），从而制订使代谢流流向目的
产物的育种方案和工艺控制方案。
代谢网络的延伸问题和无尺度问题将
为我们的研究留下无穷无尽的悬念。
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复习题
1,试述代谢网络假设的要点。
2,什么叫向心板块？什么叫中心板块？什么叫
离心板块？它们怎样组合成代谢网络？
3,什么叫向心途径？什么叫中心途径？什么叫
离心途径？它们怎样组合成载流路径？
4,为什么以葡萄糖的降解途径和葡萄糖的异生
成途径为中心展开代谢网络的中心代谢的讨
论？
5,试比较 TCA,DCA 和 GOA三种环式途径。
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6,在环式氧化降解途径 TCA 途径和 DCA 途径中，
什么叫原始底物？什么叫再生底物？为什么要
对它们进行回补？什么情况下回补？怎样回补？
7,微生物细胞进行有氧代谢和无氧代谢时，中心
途径有些什么重大差别？这些差别对于整个网
络发生什么重大影响？
8,在工业发酵过程中，微生物细胞处于生长阶段
与生产阶段时，碳架物质在代谢网络中的途径
中的流量分布会有什么变化？
9,试述“联网” 在代谢网络中的特殊含义。
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代谢网络假说为工业发酵
菌种选育及生产工艺的控制系
统地提供了可供选择的、可操
作的可能性，画出了工业发酵
新产品新原料开发的生物学蓝
图。
第二节 微生物代谢网络
的向心板块
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代谢网络中，胞外碳架
物质跨膜并注入中心板块所
流经的途径统称向心途径，
向心途径群组成代谢网络的
向心板块。
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3.2.1 向心途径在代谢网络及其在细胞
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
络的向心途径
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3.2.1 向心途径在代谢网络和细胞
机器工作模式中的位置
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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 12个前体代谢
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
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
对稳定的代谢基础上。
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
径的一部分。
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向心途径 在细胞机器工作模式中的位置
向心途径 中心代谢途径 离心途径
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3.2.2 微生物的合成代谢途径和
代谢网络中的向心途径
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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
原料的酶，把原料转化成可以进
入细胞的有机营养物质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
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）。
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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
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
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。
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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
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。
微生物的向心途径一般依次包括三
个部分：
（ 1）胞外降解途径（胞外酶催化）
（ 2）跨膜系统（有载体蛋白参与）
（ 3）胞内向心途径
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原料化合物经向心途径注入中心途径，
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
主要是 12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
产物，则胞内向心途径就缩成一个, 点,,
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，但它们是以中心大平台，或者更精确地
说是以中心途径上对应的化合物为终点的。
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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
(PK) (PEPS) (PyPiDK)
KDPG(ED途径 )
半乳糖醛酸（果胶物质）二糖、
糖原、
多糖、
（含细
胞壁多
糖）等
其他己
糖、糖
醇
戊糖
R-1-P MNs
RNA
甘油 油脂
Gly,羟基乙
酸、草酸 GOA（甘油酸途径）
酒石酸、乳酸、氨基酸
(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)
AcCoA
(PD) (PFL) (PS) 待
续
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PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
PEP
氨基酸
（ Asp,
Asn）
FMA
氨基酸
（ Tyr,Phe,Asp）
芳香族化合物,氨基酸
（ Ile,Met,Thr,Val）
酒石酸、乳酸、氨基酸
(Ala,Gly,Cys,Ser,Thr)
氨基酸
（ Glu,Gln,His,Pro,Arg）
羟基乙酸,草酸,Gly
AcAcCoA PHB,
氨基
酸
(Leu,
Lys,
Phe,T
yr）
乙酸,醋酸,脂肪酸,类脂,烃,
油脂,氨基酸 (Ile,Leu,Trp)
接
上
页
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3.2.2.1 胞外降解途径：胞外酶催化多
聚物的水解
3.2.2.2 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
化合物的利用
3.2.2.4 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
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3.2.2.1 胞外降解途径：胞外酶对多聚物
的水解
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
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
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。
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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 ）,几丁质（ 甲壳质 ）、半纤维素
(hemi cellulose),木质素 (1ignin),蛋白质
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
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
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
能将甘油三脂水解成脂肪酸和甘油。
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3.2.2.2 有载体蛋白参与的跨膜系统 （第
二章 2.2.2 已有叙述。）
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3.2.2.3 化能异养型微生物对各种有机化
合物的利用
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
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
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
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。
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⑴二糖的吸收和降解
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,β-
半乳糖苷酶和 β- 半乳糖苷乙酰基转
移酶。
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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； β- 半乳糖苷酶将乳糖水解成葡
萄糖和半乳糖； β- 半乳糖苷乙酰基转
移酶的作用是催化 AcCoA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
生物学功能可能是起解毒作用。
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乳糖水解生成的葡萄糖被磷
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
半乳糖进一步代谢的 3 种酶，在
这 3 种酶的协同作用下，使半乳
糖转化成 G-6-P,即可注入酵解
途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
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
水解成单糖，如蔗糖酶将蔗糖水解成葡萄糖
和果糖，乳糖酶（ β- 半乳糖苷酶 ）将乳糖
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
应的磷酸化酶的作用下，使二糖经磷酸化裂
解（ phosphorylytic cleavage）,得到 1分子
单糖和 1分子磷酸葡萄糖。
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
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
糖即可以糖的磷酸酯的形式进入中心
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
能键而被磷酸化）后才能进入葡萄糖
的降解途径。
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⑵己糖和戊糖的降解
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
酶催化而被 ATP 激活，生成 F-6-P；
或者借助由 PEP参加的磷酸转移酶系
统进入细胞，生成 F-1-P。 然后又在
1-磷酸果糖激酶（该酶受果糖诱导）
的催化下形成 F-1,6-2P。 F-6-P和 F-
1,6-2P 均为 EMP 途径中间产物，可
按 EMP途径进一步降解。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
甘露糖在甘露糖激酶的催化下，
生成 6-磷酸甘露糖，再由 6- 磷酸甘
露糖异构酶催化，生成 F-6-P,进入
EMP 途径。也有例外，如果没有甘
露糖激酶,也可以以另外的方式实
现甘露糖的磷酸化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
半乳糖诱导 3 种酶的合成：半乳糖激
酶、葡萄糖 ∶ 1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶
和 UDP-Glc差向异构酶。半乳糖在这些酶
的顺序催化下，先生成 1-磷酸半乳糖，然
后再生成 G-1-P。 G-1-P 经 G-6-P磷酸葡萄
糖变位酶作用生成 G-6-P,即可进入酵解
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 ED
途径类似的途径，最终产物与 ED 途径相
同。
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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
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。 如核糖
在激酶催化下生成 R-5-P,即可进入 HMP
和 PK途径。 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 Ru-5-P，
即可进入 HMP或 PK途径。
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木质纤维水解物中有 40％是木
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
直接生成木酮糖，木酮糖经激酶催
化生成 Xu-5-P,即可进入 HMP或
PK途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
⑶己糖醛酸的降解
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
代谢即可转化成 ED 途径的中间产物
KDPG,即可进入 ED 途径。 这样的
作用在假单胞菌、气单胞菌和土壤杆
菌中比较明显。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
⑷甘露（糖）醇的降解
在不同的微生物中，可
能经不同的途径将甘露醇转
化为 EMP 途径的中间产物
F-6-P。
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⑸丙酸的降解
在需氧条件下,大肠杆菌的丙酸降解
至今未有明确的结论,其丙酸代谢的第一
步是生成丙酰 CoA,后者与乙醛酸缩合成
α-羟基戊二酸，然后又裂解成乳酸和乙酸。
乙酸经 AcCoA进入 TCA环或（和） DCA环。
而乳酸经乳酰 CoA,丙酮酰 CoA,转化成
羟基丙酮醛,此化合物的进一步代谢情况
尚待研究,但已知当丙酸浓度较高时,丙
酸主要经乙酸代谢。
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⑹葡萄糖酸的降解
某些微生物能利用葡萄糖酸作为唯
一碳源，葡萄糖酸可经 6-磷酸葡萄糖酸
脱羧，生成 5- 磷酸核酮糖而进入 HMP
途径；也可以经 2,5 -二酮葡萄糖酸，继
续代谢生成 α-KG而进入 TCA环。在假
单胞菌中，葡萄糖酸经 6-磷酸葡萄糖酸
进入 ED途径。
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⑺山梨（糖）醇的降解
山梨（糖）醇先被转化成果糖，然后
生成 F-6-P而进入 EMP途径。
⑻苹果酸的降解
在需氧情况下，苹果酸按 TCA环氧化
方向生成 OAA,然后 OAA脱羧生成 PYR，
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 α-KG而进入
TCA环，以便用于氨基酸合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
⑼草酸的降解
草酸先被转化成乙醛酸，然后经甘油
酸途径生成 3-P-GA进入 EMP途径。
⑽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，后者直接
与 AcCoA反应，生成苹果酸进入 TCA环、
DCA环；或者乙醛酸经甘油酸途径，生成
3-P-GA而进入 EMP途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
⑾乙醇和乙酸的降解
乙醇经乙醛氧化成乙酸，乙酸
在乙酰硫激酶的催化下，与 CoA、
ATP作用，生成 AcCoA而进入 TCA
环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
⑿脂肪酸的降解
脂肪和脂肪酸也可以作为微生物的碳源
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
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
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。
甘油经 3-磷酸甘油或经二羟基丙酮转化
成磷酸二羟丙酮（ DHAP） 进入 EMP途径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
绝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
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
来降解脂肪酸的酶系，并且,C6～
C16脂肪酸靠酰基 CoA合成酶参与的
基团转移机制进入细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
脂肪酸的 β-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 AcCoA，
若脂肪酸分子的碳原子数为奇数,则同时
也得到丙酰 CoA。 AcCoA直接进入 TCA 环
降解，丙酰 CoA 则可以经甲基丙二酸单酰
CoA,然后甲基丙二酸单酰 CoA分子重排，
形成 ScCoA而进入 TCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
⒀脂肪族烃的降解
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。
在甲烷上生长的过程，需特殊的途径，
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
这样的：能够在 C5～ C8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。。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
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
利用 C10～ C18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
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
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
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
能在这类基质上生长。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
脂肪族烃是水不溶性基质，因此，微
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，
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
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
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
些糖脂类结构类似的化合物的细胞壁。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
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
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
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
质是海藻糖脂（由 1分子海藻糖与 2分子。
α-分支 -β-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
成的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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，
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。
对于固态烃（如固体石蜡），除
了细胞直接黏附于其表面外，还
可能有使其溶解的机制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
脂肪族烃被微生物吸收过程的最初
的 3 个反应在膜中进行，催化这 3 个反
应的酶是与膜结合的。反应由单加氧酶
催化开始：
基质 -H ＋ O2 ＋ AH2 →
基质 -OH ＋ A ＋ H2O
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
上式中 AH2 是指一种可被氧化的辅
基质（ cosubstrate ）, 这里是还原性的
红氧（ 化 ）还（ 原 ）蛋白 （ reduced
rubredoxin ）,这种含铁的蛋白质小分
子 （ Fe2+ 或 Fe3+与多肽链上的半胱氨酸
残基相联），先被可溶性的依赖 NADH
的酶系统还原,然后才能作为单加氧酶
的辅基质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
然后，经单加氧酶催化形成的
伯醇被依赖于 NAD+ 的伯醇脱氢酶
进一步氧化成对应的醛，最后醛又
被依赖于 NAD+ 的醛脱氢酶氧化成
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
生成二羧酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
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
P450,它经黄素蛋白和铁硫蛋白，
从 NADH获得还原力。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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
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
氧酶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
步降解。
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
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
总之，不同种类的长链脂
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
经 β- 氧化，生成 AcCoA而进入
TCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
⒁氨基酸的降解
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
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
间化合物（ central intermediates） 相关，
所以它们的降解非常容易。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
大多数情况下，氨基酸首先转变成相关
的酮酸。如 Glu→α -KG,Asp→OAA, Ala
→PYR, 以及 Val→2 -氧代异戊酸,Leu →2 -
氧代异己酸,I1e → 2 -氧代 -3-甲基戊酸。 这
就是氧化脱氨。 α- KG,OAA 和 PYR 属于
中心代谢途径的中间化合物。 2-氧代异戊酸
和 2-氧代 -3-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
现细菌中有与动物中类似的反应将这两者转
化为 AcCoA和丙酰 CoA。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
脱氨也可以引发氨基酸的降解。发
生脱氨反应的条件是,α- 氨基羧酸分
子中 β-碳原子上的取代基 （ 如羟基 ）
促进 α-氨基的离去，生成酮酸。 因而
诸如 Ser,Thr 和 His 都可以进行脱氨
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 脱水酶 （ 即
通常所说的脱氨酶 ）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
在大肠杆菌中降解代谢的 Thr 脱水酶
与合成代谢的 Thr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
Thr合成 I1e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
酶，催化 Asp 脱氨。 His 的降解也由类似
的反应引发。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
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，
如 Arg 可通过多种途径降解成 SCA,Phe
可以降解成 FMA 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
酸和肽的培养基中很好地生长的事实，是
可以理解的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
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。
含 1 个氨基的氨基酸脱羧后生成单
胺；含 2 个氨基的氨基酸脱羧后生
成二胺，二胺有毒。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
⒂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
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
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，
腺嘌呤核苷酸借助特异性的移位酶的
跨膜交换比率为 1∶ 1。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
核苷和嘌呤、嘧啶碱基可以通过基团
转移等机制进入胞内。 胞内的核酸、核苷
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：
核酸 ←→ 核苷酸 ←→ （核苷 ＋ 磷酸 ）
→ [ 嘌呤或嘧啶 ＋（ 1-磷酸戊糖） ]
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
基酸）,NH3和 CO2。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
⒃芳香族化合物的降解
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），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
大自然的碳素循环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
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（ 邻苯二酚 ）和原儿茶酸（ 3,4-
二羟苯甲酸）。然后儿茶酚和原儿茶酸再
经邻位分解 （ 3- 氧代己酸途径 ） 降解成
SCA和 AcCoA； 或儿茶酚和原儿茶酸经间
位分解（间位分解途径）降成 PYR和乙醛。
因此，儿茶酚和原儿茶酸堪称芳香族化合
物分解的“中心代谢物”。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
微生物也可以不经过以上途
径降解芳香族氨基酸。 Phe和 Tyr
经尿黑酸（ 2,5-二羟苯乙酸 ）降
解为延胡索酸和乙酰 CoA,即可
进入 TCA环。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
3.2.2.4 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，
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
命活动的能量。
内源营养物质包括细胞内的各种多
糖、类脂和多聚 β- 羟基丁酸、细
胞蛋白质和 RNA等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
当前面 3 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
白质和 RNA 。 以上内源营养物质的降
解途径除 β- 羟基丁酸外，前面均已讨
论过了。
多聚 β-羟基丁酸的降解始于解聚，
得到 β-羟基丁酸，然后 β-羟基丁酸被最
终降解成 AcCoA。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
3.2.2.5 关于质粒编码（ Plasmid-encoded）
的降解代谢活性
前面所述的各种降解途径均是由染色
体 DNA 编码的。 近年来发现在恶臭假单
胞菌和一些相关的种的微生物细胞中含有
降解性质粒（ degradative plasmids）,它
们包含某些特殊的降解代谢的酶（酶系）
合成的遗传信息。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
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（ octane plasmid ）
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 DNA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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
以上所述的氧化降解过程都
是正常情况下的代谢，也就是说
没有受到内外条件制约的情况下
的降解代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
工业发酵过程中，除了要获得菌体，
微生物往往是处于制约条件下的不完全氧
化状态 ( incomplete oxidation under stress
condition )。 已开发的工业发酵过程，诸
如 D-葡萄糖酸、柠檬酸和味精的生产，在
这些发酵过程中，生产菌种因条件约束，
被迫大量分泌工业发酵的产物 ——被微生
物完全氧化的中间代谢产物相对很少。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
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，这个过程对工业发酵
是十分重要的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
第三节 微生物代谢网络
的离心板块
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
代谢网络中，碳架物质
离开中心板块所流经的代谢
途径统称离心途径，离心途
径群组成代谢网络的离心板
块。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
3.3.1 离心途径在代谢网络和细胞
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
谢网络中的离心途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
3.3.1 离心途径在代谢网络和细胞
机器工作模式中的位置
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
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
由离心代谢途径 （ centrifugal metabolic
pathway ） 组成。碳架物质从中心板块离
开所流经的代谢途径，统称 离心途径 。在
工业发酵的工作模式中，离心途径也是工
业发酵 载流路径的一部分 。离心途径的变
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
础之上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
离心途径 在细胞机器工作模式中的位置
向心途径 中心代谢途径 离心途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
3.3.2 微生物的合成代谢途径和代
谢网络的离心途径
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
3.3.2.1 TCA环和 DCA环底物的回补
3.3.2.2 分子模块等的生物合成
3.3.2.3 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
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
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
途径衔接起来，成为这两种途径的
,接口,。 微生物的离心途径一般依
次包括两个部分：
（ 1）胞内离心途径
（ 2）跨膜送出系统或通透机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
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（成为工业发酵的产物），
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
分）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
在有氧生长的条件下，原养
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
胞，实现生长。经胞内离心途径
可以合成细胞的组成物质 （见下
图）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
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
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
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
动得以维持 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
3.3.2.1 TCA环和 DCA环底物的回补
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
途径中的 TCA 环和 DCA环，环中前提代
谢物（ 有机化合物如 TCA 环中草酰乙酸
和 α- 酮戊二酸,DCA 环中的磷酸烯醇式丙
酮酸、丙酮酸,乙酰辅酶 A和草酰乙酸等）
的抽出必将影响环式运行的持续进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
若要挽回这种危局，就必
须对环进行回补，以维持环中
的代谢物流。以下是回补的示
意图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
AcCoA
OAA CTA
3NADH,ATP
FADH2
2CO2
SCA
TCA环碳架物质的回补
CO2固定
GOA环
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
可把 AcCoA看作是 TCA环的 原始底物,
把 OAA看作 再生底物 。再生底物不足，势
必影响 TCA环的正常运转，影响原始底物
AcCoA中乙酰基的降解。因而 细胞内（真
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 TCA环的正常运转至
关重要。 然而，草酰乙酸和 α-酮戊二酸是
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
物草酰乙酸和 α-酮戊二酸等 TCA 环其他底
物的“外流”，从而威胁到乙酰基的降解。
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
为维持再生底物的量，必须对 TCA环进
行回补。 回补主要来自 CO2 的固定和乙醛酸
环（ GOA环） 。 CO2的固定的反应包括：①
丙酮酸在丙酮酸羧化酶（ PC） 催化下的羧化：
PYR + CO2 → OAA ； ② PEP在 PEP羧化酶
（ PEPC） 催化下的羧化,PEP+CO2→OAA ；
③ 丙酮酸在苹果酸酶（ ME ） 的催化下生成
苹果酸,PYR + CO2→MLA （ →OAA ）。 化
能异养型微生物要在己糖或 EMP途径的中间
代谢物上进行需氧生长,至少需具备以上三
个反应之一，以获得 TCA环的再生底物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
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（ PEPC） 催
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 ATP/ADP 高
比率的情况下被激活，并且受 AcCoA激活、
受 L-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，
后者在 ATP/ADP的高比率或 NADH/NAD
高比率的情况下受抑制，并且受高浓度的
AcCoA的抑制 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
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 。
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
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
受 L-天冬氨酸抑制并受乙酰 CoA的
激活。
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
乙醛酸环可把 2分子 AcCoA （ 2C水平）
转化成琥珀酸（ 4C水平），从而对 TCA环
进行回补。乙醛酸环对生长在 2C底物（如
乙酸或乙醇 ）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。 乙酸
或乙醇先转变成 AcCoA,然后参与乙醛酸
环代谢。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
乙醛酸环一共涉及到 5 个酶，在真核
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 (Glyoxysomes)中，
在此细胞器中合成的琥珀酸跨膜进入线粒
体中，对 TCA环回补。
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
在乙醛酸环。当微生物细胞中同时有 IL和
MS 起作用时，乙醛酸环与 TCA 环等同时
运行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
GOA
AcCoA MLA
PYR OAA
PEP
3-P-GA（ 来自甘油酸途径）
乙酸
乙醇 脂
肪酸 氨
基酸 烃
甘氨酸 草酸
羟乙酸 尿素
2NADH
DCA环的回补
CO2
CO2
原始底物
再生底物
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
DCA环是降解 2C片断的途径，一共涉
及到 5 个酶。可把 GOA 看作是原始底物，
把 AcCoA看作是再生底物,GOA 因合成苹
果酸（ MLA ） 而进入 DCA环，经发生在苹
果酸（ MLA）,丙酮酸（ PYR）上的 2次脱
氢，以及发生在草酰乙酸（ OAA）和 PYR
上的 2次脱羧，最后又回复成 AcCoA。
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
GOA 作为 DCA环的原始底物
进入 DCA环，经过 DCA 环和电子
传递链协同作用,最终被氧化成
CO2 和水。如果从 GOA 算起，每
分子 GOA被完全氧化生成 2 分子
CO2,形成 2 分子 NADH。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
细胞生长时,DCA环的中间产物也
参与细胞组分的合成，这时 DCA环也需
要回补。甘油酸途径是微生物和植物利
用乙醛酸（或 2C碳源）生长时的回补途
径。甘油酸途径之所以能向 DCA环进行
回补，因为甘油酸途径终端产物 3-磷酸
甘油酸就是 EMP途径的中间代谢物，它
可以经 EMP 途径转化成 DCA 环的中间
代谢物磷酸烯醇式丙酮酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
3.3.2.2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
自身合成提供 前体代谢物、代谢能和还原力 。
有了这三者，微生物细胞就可以合成细胞中
主要的 生物多聚体的前体（子模块分）,大
致包括 5 个嘌呤和嘧啶,20个氨基酸（ 18个
氨基酸和 2个氨基酰胺），还有醣（ 碳水化
合物）、脂肪酸（含有机酸）、维生素及其
它辅助因子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
这些前体再按生物学规律合
成生物多聚体（ biopolymers ）：
核酸、蛋白质、多糖和脂质等，
直至整个微生物细胞活有机体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
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
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
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。
中心板块上，有一些关键的中间化合物
（ 前体代谢物 ），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
融成一体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
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。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、
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
生物菌体细胞的路子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
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(PK) (PEPS) (PyPiDK)
AcCoA
(PD) (PFL) (PS)
糖原
肌醇
磷脂
肽聚糖,GlcNAc
PRPPHis DNA,RNA,dTMPUMP,CTP,AMP,GMP
莽草酸 预苯酸分支酸
Phe,Tyr
Trp,NAD (真
菌 ),CoQ,对
氨基苯甲酸,
叶酸
磷脂
甘油
Cys,Ser,Gly
α-酮异戊酸 Ala,Ile,Lys
能量代谢的
副产物
Val,Leu
CoA
续待
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
PYR
AcCoA
OAA
MLA
SCA ScCoA α-KG
ICA
CTA
GOA
PEP
FMA
PHB,类异戊
二烯化合物,
ACL-P,甾醇,
脂肪酸,脂肪,
磷脂
Lys(真菌 )
Glu
Gln
Pro
Arg卟啉,细胞色素
Asp
NADUMP
CTP
dTMP
ASA
Lys(细菌 )
Thr,Met,
Ile
页上接
Asn
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
⑴ 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
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
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
放线菌细胞壁的骨架结构的肽聚糖作
一些说明。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
1．单糖的合成
① 6-磷酸葡萄糖（ G-6-P） 的合成
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 G-
6-P的各种前体物质（ 如 TCA环的中间
代谢物和生糖氨基酸 His,Gly,Ser、
Glu,Arg,Asp,Thr等 ），均汇集到
这条途径合成 G-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
TCA 环的中间代谢物用于单糖
合成时先被氧化为 OAA,然后 OAA
在 PEPCK（ 磷酸烯醇式丙酮酸羧激
酶）的催化下转变为 PEP,PEP 借
助于替代磷酸果糖激酶（ PFK ） 的
己糖二磷酸酯酶，逆 EMP途径而上
而合成 G-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
一些氨基酸也可以作为合成 G-6-P
的前体。例如 Glu和 Asp分别经转氨酶
转变成 α-KG和 OAA,然后经 PEP如
上合成 G-6-P。 有些氨基酸如生酮氨基
酸 Leu 降解后，生成 AcCoA,后者经
TCA 和 DCA联合途径合成 OAA,然后
合成 G-6-P。 脂肪酸经 β- 氧化生成的
AcCoA,也经同样途径合成 G-6-P。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
G-6-P和 6-磷酸果糖（ F-6-P ）,1-
磷酸葡萄糖（ G-1-P） 这 3 种单磷酸己糖
之间很容易通过葡萄糖磷酸变位酶（ G-
1-P 和 G-6-P 之间 ） 和磷酸己糖异构酶
（ G-6-P和 F-6-P之间）而实现相互转换。
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
,一个不可分割的代谢（物）库,
（ a single metabolite pool ）。 这个代
谢库可因生成 3 种单磷酸己糖中的任何
一种而得到补充。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
②糖核苷酸在细胞中的功能
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
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
的机会。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
2．多糖的合成
碳水化合物存储物合成主要是以 UDP-
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。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，葡萄糖的供体是 ADP-Glc（ 而
在酵母中是 UDP-Glc）,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
UDP-单糖。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
⑵含氮化合物的合成
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、核酸系列，还有许多辅酶
（如 NAD,CoA,ATP等等）也是含氮有
机化合物。 NH3和 NH4+中氮原子的为 -3价，
细胞有机物中的氮原子也是 -3价。 工业上
应用的微生物能够利用 NH3和 NH4+,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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
1、氨基酸的生物合成
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
最常见的 20种 L-氨基酸或氨基酰胺
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
重要次生代谢产物，如青霉素生物
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
从生物合成和代谢生理的角度出发，可以将组成
蛋白质的 20种氨基酸及氨基酰胺分成 6 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。
谷氨酸族 天冬氨酸族 组氨酸族
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
每种氨基酸生物合成的途径可在工具书
中查到。 Singleton等编的 Dictionary of
Microbiology and Molecular Biology （ 微生
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：
① www.genome.ad.jp/kegg
KEGG:Kyoto Encyclopaedia of Genes and
Genomes
② www.emblheidelberg.de/
③ www.gmd.de/Welcome.en.html
German National Centre for Information
Technology homepage
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
Glu 和 Gln 在氨基酸的生物合成
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（ Ala,Asp
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，
必须首先讨论谷氨酸和谷氨酰胺的合
成问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
L-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“分支点”，谷氨酰胺合成酶活性受多个终端产
物的抑制。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
谷氨酰胺合成酶是受严格的调控的：
它受 L-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
物（如 AMP,甘氨酸和 L-组氨酸） 的
抑制。
许多生物体 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
同化吸收前都要转化成氨。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
2.蛋白质的生物合成
蛋白质合成中，氨基酸是原料，
mRNA是蓝图，核糖体是合成机器，
还需要 tRNA 作为氨基酸的运载工
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
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
,信号顺序,。
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
这些“信号顺序”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，导致正在合成其本身的“核糖体
串”与膜靠拢，新合成的肽链穿过膜伸到
胞外；合成一结束，“信号顺序”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。如果于蛋白质
肽链起始端有没有“信号顺序”，新合成
的蛋白质只能定位在膜的内侧。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
3.核苷酸的生物合成
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，
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
分别是 RNA 和 DNA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
些含氮有机辅助因子（辅酶 ）比如 NAD+，
NADP+,FAD,CoA的主要组分。有些核
苷酸，如 ATP 在整个细胞代谢中具有特殊
功能（能量货币）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
核苷酸由 3 个组分,一个杂环的含氮
碱基（嘌呤或嘧啶）； 一个糖基（ RNA中
的核糖,DNA中的 2-脱氧核糖）；一个磷
酸基团。 DNA的碱基是嘌呤，腺嘌呤（ A）
和鸟嘌呤（ G）,以及嘧啶，胞嘧啶（ C）
和胸腺嘧啶（ T）。 在 RNA 中，存在前面
三种碱基（ A, G, C ）,但第四种碱基
胸腺嘧啶（ T） 被尿嘧啶（ U） 替代。
因遗传和环境条件不同,微生物可采
用不同的方式进行核苷酸的合成：
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
①“从无到有”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
是指形成嘌呤环和嘧啶环）。 ②,补救合
成,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
就可从环境中吸收嘌呤、嘧啶（或分别与它
们对应的核苷 ）,并把它们转变成核苷酸
（ 这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
要采取补救措施，通过补救合成的途径，获
得生长所需的核苷酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
各种核苷三磷酸的生物合成
嘌呤核苷酸是从 5-磷酸核糖和 3-磷酸甘
油酸（用于嘌呤生物合成）合成的，嘧啶核
苷酸是从 5-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
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 NADPH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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
4.RNA和 DNA的合成
RNA的合成（转录）可以抽象概括成：
ATP,UTP,GTP,CTP →
→ RNA （ 含 tRNA,mRNA,rRNA等）
DNA的合成（翻译）可以抽象概括成：
dATP,dTTP,dGTP,dCTP →→ DNA
其详细过程及反应在生物化学和分
子生物学中已有叙述。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
5.一些含氮辅酶的合成
辅酶中的有很多属于含氮有
机化合物，如 NAD+,NADP+，
FAD,FMN,CoA,CoF（ 四氢
叶酸,HF4 ）,TPP（ 焦磷酸硫
胺素）等。这些辅酶由细胞自身
合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
粗糙脉孢菌,酿酒
酵母 像哺乳动物细胞一
样，可从 Trp 开始,经
吡啶 - 2,3 - 二羧酸 合
成 NAD+和 NADP+。
Xanthomonas prum
（ 桃李黄单胞菌 ） 可
从 Trp 开始合成 NAD+。
然而 大部分已研究过
的细菌合成 NAD+ 的途
径的前半段（ 吡啶 -
2,3-二羧酸以前 ）是完
全不同的，而后半段
对所有生物细胞都是一
样的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
6.其它含氮细胞物质
的合成
卟啉是构成呼吸
链（或电子传递链）
的电子载体细胞色素
的前体。细胞色素的
铁卟啉的合成从琥珀
酰辅酶 A（ ScCoA）
与甘氨酸的反应开始，
经氨基乙酰丙酸而合
成卟啉，最后形成铁
卟啉。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
⑶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
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
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
的甘油酯）、磷脂和衍生脂类（如固
醇、辅酶 Q,维生素 A）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
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
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。
多聚 β- 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
孢菌中，它又是孢子的主要贮备化
合物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
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
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
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
起形成糖脂、脂蛋白和脂多糖，它
们均有特殊的生理功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
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。
主要的脂肪酸有,棕榈酸（ C16∶ 0 ）、
棕榈油酸（ C16∶ 1）,硬脂酸（ C18∶ 0）、
油酸（ C18∶ 1）,亚油酸（ C18∶ 2 ） 和
亚麻酸（ C18∶ 3）。 在真菌中，棕榈酸、
油酸和亚油酸要占 75%以上,而细菌中最
常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 β- 羟基酸,异
戊二烯化合物等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
1.脂肪酸的合成
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
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，
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
对在较低温度下细胞膜脂质流动性的维
持是必要的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
脂肪酸的合成中（ 也是脂质合成中 ）
的关键化合物是 CoA 的衍生物酰基载体蛋
白（ ACP）。 ACP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，至今已从多种微生物分离出来。这
种载体蛋白含有 β-丙氨酸和 2-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。
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 2C 片
断，和接下来的还原反应：
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
第一个乙酰基在一个
依赖生物素的反应中
被羧化成丙二酸单酰
CoA； 然后由两个酶
将乙酰 CoA和丙二酸
单酰 CoA分别转化成
ACP的衍生物。以此
类推，通过 4 个酶的
循环反应（ ①缩合、
②还原、③脱水、④
还原），合成含碳更
多的脂肪酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
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
脂肪酸和含有 2个和 3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
氧的需氧途径和对氧没有需求的 厌氧途径。
需氧途径：由分子氧,NADPH 和相应
的脂肪酸的酰基 CoA的衍生物参与反应。双
键经常存在于 C9和 C10（ 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
核细胞和一些需氧细菌，包括巨大芽孢杆菌
和溶壁微球菌。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
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
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
顺 -11-十八（碳）烯酸和油酸。
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
Leu和 Ile开始合成分支链脂肪酸：
Ile → → → D （ +） -12-甲基十四酸。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
2.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
外，还有：① 3-磷酸甘油，它是从 EMP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“骨架”，② 磷脂的“醇”的
部分，真菌中最常见的参与磷脂组成的
,醇, 有胆碱，乙醇胺和肌醇。 ③ 固醇。
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 L -α-
磷脂酸的脱磷酸，以及随后 D–α,β-甘油二
酯与脂肪酰 - ACP （ 或合适的脂肪酸的
CoA衍生物 ）反应生成甘油三酯。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
EMP途径的中间
产物 DHAP（ 磷酸二
羟丙酮 ）和脂肪酸合
成的中间产物 RCO-
ACP（ 脂肪酰 - 酰基
载体蛋白）是磷脂酸
的合成的前体。磷脂
酸可以生成中性脂肪，
然而大多数磷脂酸用
于磷脂合成（磷脂的
合成过程可以归纳成
如左图（此图未显示
出下页所述 CTP对磷
脂酸的激活）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
磷脂的合成,不论在原核还是真核细胞，需
要 CTP（胞苷三磷酸, 简称胞三磷 ） 。 CTP与 L-α-
磷脂酸生成 CDP-甘油二酯：
（ α-磷脂酸） + CTP → （ CDP-甘油二酯） + PPi
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的：
（ CDP-甘油二酯） +（ L-Ser） →
（ 磷脂酰 -Ser） + CMP
（ 磷脂酰 -Ser） → 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：
（ CDP-乙醇胺） + （ D – α,β-甘油二酯） →
磷脂酰乙醇胺 + CMP
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
3,多聚 β- 羟
丁基酸的合成
原核细胞
中的能量贮存
物质多聚 β-
羟丁基酸
（ PHB） 也是
从 AcCoA合成，
其过程简要表
示如左图 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
3.3.2.3 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
条件下生长或维持生存的情况下,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 143
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
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
化合物），就可能生成不同的（生
理性）发酵产物（见下图）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
3.3.2.4 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
制，可参考本书第二章 2.2.2.3代谢
中间产物排出细胞的机制）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
第四节 代谢网络和
联网问题
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
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“元素周期
表”，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。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。那么，不在代谢网
络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？
逆向思维激活了代谢网络延伸的思路：不
在代谢网络上的化合物也可能与工业发酵
发生关系，只要它们能与代谢网络联网。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
所谓联网，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联系。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
新产品的开发，意味着工业发酵的研究和开
发的广阔空间。怎样才能实现联网呢？联网
可以用化学或生物学方法（含 DNA重组技术）
来实现。广义的联网包含生命有机体之间接
力赛式的代谢联系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
总而言之，已在代谢网络
上，或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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
3.4.1 代谢网络
3.4.2 扩展发酵原料范围
3.4.3 扩展发酵产品范围
3.4.4 发酵新产品的开发
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
3.4.1 代谢网络
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
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
规律汇成生化反应网络；若途径在活细胞
里运行，则为代谢途径；代谢途径和输送
系统相互间的接合，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、无尺度的代谢网络。
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
从不同角度、不同层面分析微生物代谢，
可以发现有不同的代谢网络。本课程研究的
主要是有机物（碳）酶和蛋白质层面上的代
谢网络。在研究这种代谢途径的过程中发现，
对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧
时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养
条件下生长与生存时，代谢网络也是有差异
的。在某特定的条件下驯养微生物也许能唤
醒“沉睡的基因”，使这些基因编码的酶或
蛋白质参与代谢网络。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
在有氧生长与缺氧生存的条
件下，代谢网络的差异主要表现
在代谢网络中心板块的 TCA途径
上。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
3.4.1.1 有氧生长的代谢网络
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
在供氧条件下,TCA途径进行正
常的环式运行（ TCA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
终形成整个细胞，实现正常生长。在
以 TCA环为骨架的中心板块的基础上
构件成有氧生长的代谢网络：
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
3.4.1.2 缺氧生存的代谢网络
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
在缺氧条件下, TCA途径的环式运行中
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 。 在以 TCA分叉途径为骨架的中心板块
的基础上构建缺氧生存的代谢网络 。 下图
是兼性厌氧微生物在缺氧条件下发酵生成
能量代谢副产物的简略的示意图 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
3.4.2 扩展发酵原料范围
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
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兼容和协
调。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
3.4.2.1 用木糖生产乙醇的代谢途径
3.4.2.2 降解淀粉的微生物
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
3.4.3 扩展发酵产品范围
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
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。这里主要介绍
属于微生物的初级代谢产物和能量
代谢副产物的工业发酵产品的扩展。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
3.4.3.1 维生素
3.4.3.2 生物聚合物
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
3.4.4 发酵新产品的开发
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
3.4.4.1 戊糖, 木糖醇
3.4.4.2 从甘油合成 1,3-丙二醇的途径的
导入
2010-5-16 张星元：发酵原理 169
第五节 代谢网络中代
谢物流的形成
2010-5-16 张星元：发酵原理 170
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 171
3.5.1 代谢网络中的代谢物流
2010-5-16 张星元：发酵原理 172
代谢物在代谢途径中流动形成代谢物流，
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，流量相对集中的代谢流叫做该培
养条件下的代谢主流（代谢主流的流量测定
是代谢工程的重要组成部分）。代谢主流流
经的代谢途径为主要载流路径，简称载流路
径。载流路径是代谢网络中一个与时间相关
的组成部分，可以把载流路径的全部或局部
看作是代谢网络的亚网络。
2010-5-16 张星元：发酵原理 173
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，选择的原因是微生物所处的环境条件
的变化。
2010-5-16 张星元：发酵原理 174
3.5.2 工业发酵的理想载流路径
及其“五段式”
2010-5-16 张星元：发酵原理 175
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，所以把它
叫做理想载流路径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 176
本课程定义的典型的工业发酵
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物质在微
生物细胞的在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，最后目的产物分泌出细胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 177
典型的工业发酵的过程中，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、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。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。这就是细胞机器在工业发酵产物形成
阶段理想载流路径的五段式。
2010-5-16 张星元：发酵原理 178
微生物细胞机器怎样去实
现从工业原料到目的产物的转
化呢？一般要经过以下 5 个阶
段，并接受每个阶段的调节：
2010-5-16 张星元：发酵原理 179
①胞外酶对原料的降解及营养物质进
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 180
而这些胞外酶大部分是水解酶，而且
往往是诱导酶。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
以主动输送的方式（简单主动输送或基团
转移）进入原核生物细胞，以促进扩散和
主动输送的方式进入真核微生物细胞。这
几种输送方式均需借助载体蛋白（有的沿
用旧称“透性酶”），它们往往经被输送
物的诱导而合成，也涉及到变构蛋白的作
用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 181
②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
的，因而又涉及到变构蛋白的作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 182
③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，
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，以及它们各自最重要的
控制“阀门”，还有中心代谢途径中
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 183
④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
的控制“阀门”（往往是分支途
径的第一个酶）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 184
⑤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
需排出细胞，因此，有必要
研究目的产物的分泌问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 185
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 186
代谢网络假说为工业发酵菌
种选育及生产工艺的控制系统地
提供了可供选择的、可操作的可
能性，为工业发酵新产品、新原
料开发画出了生物学蓝图。
2010-5-16 张星元：发酵原理 187
3.6.1 从目的产物假说
到代谢网络假说
2010-5-16 张星元：发酵原理 188
从目的产物假说到代
谢网络假说，是一个对微
生物的代谢和工业发酵的
认识的深化的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 189
3.6.1.1 微生物生命及生命活动的主要层次
3.6.1.2 第一次质的飞跃 ——从途径到网络
（从局部到整体）
3.6.1.3 第二次质的飞跃 ——代谢网络的延
伸（逆向思维）
3.6.1.4 第三次质的飞跃 ——从代谢网络到
代谢流（从相对静止到流动）
3.6.1.5 第四次质的飞跃 ——代谢流的调动
（人的主观能动作用）
2010-5-16 张星元：发酵原理 190
3.6.1.1 微生物生命及生命
活动的主要层次
2010-5-16 张星元：发酵原理 191
微生物生命及生命活动的主要层次：
1,基因及基因组（ DNA层次）
2,代谢途径及代谢网络（蛋白质
层次）
3,代谢流（物流层次）
4,代谢生理（微生物细胞层次）
2010-5-16 张星元：发酵原理 192
从低层次到高层次，从大平台到
小平台，需要相应的逐级激活。 基因
组里的一部分基因被激活而得到表达，
形成代谢途径及代谢网络 ； 任何时刻
代谢流只在代谢网络局部或某些途径
中流动 ； 只有一部分代谢流促成微生
物细胞的某种生理状态的出现 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 193
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城市就要选定一
条合适的铁路线一样。
2010-5-16 张星元：发酵原理 194
全国铁路网被分成几个铁路局辖
区，相当于代谢网络分成三个板块；
铁路线可以跨铁路局，相当于载流路
径可以跨网络的板块。 微生物细胞机
器的工作模式把载流路径描述成向心
途径、中心途径和离心途径三者依次
首尾衔接而贯通的一条路径。
2010-5-16 张星元：发酵原理 195
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，而且也
有汇合或分支。途径与途径之间还
可能存在横向联系。
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在停止生长的生理状态下的代
谢途径的延伸（次生代谢的途径诱
导），以及不同细胞空间对途径的
分隔，使代谢网络更加复杂化。
代谢网络假说的建立经历了以
下四次飞跃；由于人类对代谢尚不
完全了解，目前对代谢网络的认识
只是相对的，对代谢的认识还有待
深入。
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第一次质的飞跃 ——从途径到网络
（从局部到整体）
生化途径在支持生命体的代谢活动
时称为代谢途径。生化途径的研究为代
谢网络理论的建立奠定了化学基础，代
谢能支撑原理的发现为代谢网络理论的
建立奠定了生物学基础。代谢网络不单
纯是生化途径和输送系统的有序组合，
更重要的是,微生物细胞的代谢网络是
一个由代谢能直接支撑的整体。
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第二次质的飞跃 ——代谢网络的延
伸（逆向思维）
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, 元
素周期表,,用以预测工业发酵未来
产品的良好愿望，曾经提出目的产物假
说。目的产物假说假想代谢网络上的任
何化合物都有可能开发为工业发酵的产
品；那么，不在代谢网络上的化合物怎
样与工业发酵建立关系呢？
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逆向思维激活了代谢网络延伸的思
路：不在代谢网络上的化合物也可能与
工业发酵发生关系，只要它们能与代谢
网络 联网 。怎样才能实现联网呢？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 新原料和新产品的开发,因此 工
业发酵的研究和开发的空间是无限的 。
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第三次质的飞跃 ——从代谢网络
到代谢流（ 从相对静止到流动）
尽管微生物细胞的代谢网络（蛋
白质层次）一直处于响应环境的变动
之中，但它对于代谢流而言是相对静
止的。 在不同的生理状态下代谢流在
代谢网络个部分的分布不同，在不同
代谢途径上的相对流量不同。
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第四次质的飞跃 ——代谢流的调动
（人的主观能动作用）
微生物的代谢流是由微生物细胞根
据其遗传信息和微生物细胞所处的环境
条件自主调节的。工业发酵生产不能只
是被动地等待大自然（微生物）的施舍，
怎样才能调动代谢流，在工业发酵生产
尽量争取主动呢？这是发酵学研究的永
久的主题。
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3.6.2 代谢网络假说的科学基
础与应用前景
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代谢网络假设把代谢形象化为一个虚
拟的网络 ——新原料、新产品开发的蓝图。
物质代谢和能量代谢是相互依存相互制约
的。微生物细胞对环境的有限的适应性表
现在：在一定的变化范围内，微生物细胞
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通
透性和选择性输送性，代谢网络的变动性
和适应性因此而得到实现。
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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，
称为代谢网络，以有利于从宏观上把
握微生物的代谢和生理，为工业发酵
中原料的利用和产物的合成，提供分
析的依据和实际操作的位点；
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代谢网络是一种客观存在，依据这种
实实在在的由代谢途径及跨膜步骤“编织”
成的网络进行代谢途径和代谢流量分析，
就有可能从中选择合适的载流途径（理想
载流途径），从而制订使代谢流流向目的
产物的育种方案和工艺控制方案。
代谢网络的延伸问题和无尺度问题将
为我们的研究留下无穷无尽的悬念。
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复习题
1,试述代谢网络假设的要点。
2,什么叫向心板块？什么叫中心板块？什么叫
离心板块？它们怎样组合成代谢网络？
3,什么叫向心途径？什么叫中心途径？什么叫
离心途径？它们怎样组合成载流路径？
4,为什么以葡萄糖的降解途径和葡萄糖的异生
成途径为中心展开代谢网络的中心代谢的讨
论？
5,试比较 TCA,DCA 和 GOA三种环式途径。
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6,在环式氧化降解途径 TCA 途径和 DCA 途径中，
什么叫原始底物？什么叫再生底物？为什么要
对它们进行回补？什么情况下回补？怎样回补？
7,微生物细胞进行有氧代谢和无氧代谢时，中心
途径有些什么重大差别？这些差别对于整个网
络发生什么重大影响？
8,在工业发酵过程中，微生物细胞处于生长阶段
与生产阶段时，碳架物质在代谢网络中的途径
中的流量分布会有什么变化？
9,试述“联网” 在代谢网络中的特殊含义。
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代谢网络假说为工业发酵
菌种选育及生产工艺的控制系
统地提供了可供选择的、可操
作的可能性，画出了工业发酵
新产品新原料开发的生物学蓝
图。
