第一章導論

1.1生物工程的特征

生物工程是屬于應用生物科學和技術的一個領域，它包含生物或其亞細胞

組分在制造業(yè)、服務業(yè)和環(huán)境管理等方面的應用。生物技術利用病毒、酵母、

真菌、藻類、植物細胞或者哺乳動物培養(yǎng)細胞作為工業(yè)化處理的組成部分。只

有將微生物學、生物化學、遺傳學、分子生物學、化學和化學工程等多種學科

和技術結合起來，生物工程的應用才能獲得成功。

生物工程過程一般包括細胞或菌體的生產和實現(xiàn)所期望的化學改造。后者

進一步分為：

（a）終產物的構建（例如，酶，抗生素、有機酸、苗類）；

（b）初始原料的降解（例如，污水處理、工業(yè)垃圾的降解或者石油泄漏）0

生物工程過程中的反應可能是分解代謝反應，其中復合物被分解為簡單物

質（葡萄糖分解代謝為乙醇），又或者可能是合成代謝反應或生物合成過程，

經過這樣的方式，簡單分子被組建為較復雜的物質（抗生素的合成）。分解代

謝反應常常是放能反應過程，相反的，合成代謝反應為吸能過程。

生物工程包括發(fā)酵工程（范圍從啤酒、葡萄酒到面包、奶酪、抗生素和疫

苗的生產），水與廢品的處理、某些食品生產以及從生物治療到從低級礦石種

進行金屬回收這些新增領域。正是由于生物工程技術的應用多樣性，它對工業(yè)

生產有著重要的影響，而且，從理論上而言，幾乎所有的生物材料都可以通過

生物技術的方法進行生產。據(jù)預測，到2000年，生物技術產品未來市場潛力近

650億美元。但也應理解，還會有很多重要的新的生物產品仍將以化學方法，

按現(xiàn)有的生物分子模型進行合成，例如，以干擾為基礎的新藥。因此，生命科

學與化學之間的聯(lián)系以及其與生物工程之間的關系更應闡釋。

生物工程所采用的大部分技術相對于傳統(tǒng)工業(yè)生產更經濟，耗能低且更加

安全，而且，對于大部分處理過程，其生產廢料是經過生物降解的，無毒害。

從長遠角度來看，生物工程為解決世界性難題提供了一種方法，尤其是那些有

關于醫(yī)學、食品生產、污染控制和新能源開發(fā)方面的問題。

1.2生物工程的發(fā)展歷史

與一般所理解的生物工程是一門新學科不同的是，而是認為在現(xiàn)實中可以

探尋其發(fā)展歷史。事實上，在現(xiàn)代生物技術體系中，生物工程的發(fā)展經歷了四

個主要的發(fā)展階段。

食品與飲料的生物技術生產眾所周知，像烤面包、啤酒與葡萄酒釀造已經有

幾千年的歷史；當人們從創(chuàng)世紀中認識葡萄酒的時候，公元前6000,蘇美爾人

與巴比倫人就喝上了啤酒；公元前4000,古埃及人就開始烤發(fā)酵面包.直到17

世紀，經過列文虎克的系統(tǒng)闡述，人們才認識到，這些生物過程都是由有生命

的生物體，酵母所影響的。對這些小生物發(fā)酵能力的最確鑿的證明來自

1857-1876年巴斯得所進行的開創(chuàng)性研究，他被認為是生物工程的始祖。

其他基于微生物的過程，像奶制品的發(fā)酵生產如干酪和酸乳酪及各種新食

品的生產如醬油和豆豉等都同樣有著悠久的發(fā)展歷史。就連蘑菇培養(yǎng)在日本也

有幾百年的歷史了，有300年歷史的Agarius蘑菇現(xiàn)在在溫帶已經有廣泛養(yǎng)殖。

所不能確定的是，這些微生物活動是偶然的發(fā)現(xiàn)還是通過直觀實驗所觀察

到的，但是，它們的后繼發(fā)展成為了人類利用生物體重要的生命活動來滿足自

身需求的早期例證。最近，這樣的生物過程更加依賴于先進的技術，它們對于

世界經濟的貢獻已遠遠超出了它們不足為道的起源。

直菌條件下的生物技術19世紀末，經過生物發(fā)酵而生產的很多的重要工業(yè)化

合物如乙醇、乙酸、有機酸、丁醇和丙酮被釋放到環(huán)境中；對污染微生物的控

制通過謹慎的生態(tài)環(huán)境操作來進行，而不是通過復雜的工程技術操作。盡管如

此，隨著石油時代的來臨，這些化合物可從石油生產的副產品中以低成本進行

生產，因此，進行這類化合物生產的工業(yè)就處于岌岌可危的境地。近年來，石

油價格的上漲導致了對這些早期發(fā)酵工藝的重新審視，與前面所講的食品發(fā)酵

技術相比，這類發(fā)酵工藝相對簡單而且可進行大規(guī)模操作生產。

其它關于有菌生物技術的典型例子有廢水處理和都市固體垃圾堆肥。長期

以來，人們利用微生物來分解和去除生活污水中的有毒物質，及像化工業(yè)產生

的小部分工業(yè)毒害垃圾。目前世界上進行的發(fā)酵工程中，利用生物工程進行污

水處理的規(guī)模是最大的。

將無菌消毒技術引入生物工程20世紀40年代，由于大規(guī)模微生物培養(yǎng)這個復

雜的生物技術的引入，生物工程的發(fā)展開始了新的方向，從而確保那些需要將

污染微生物排除的特殊生物過程得以進行。因此，通過對培養(yǎng)基和生物反應器

的提前滅菌消毒以及用來消除新進入的污染物的工程供應，生物反應中就只留

有所選的生物催化劑c諸如此類，在生物工程中占有極大份額的產品有抗生

素、氨基酸、有機酸、酶、多糖和疫苗。大部分這樣的過程是復雜的，成本昂

貴，僅適于高附加值產品的生產，盡管這類產品的產量較大，但采用食品與釀

造生產中較老的生物技術，它們的規(guī)模與商業(yè)回報都是很小的。

生物工程的新領域在最近的十年里，分子生物學和過程控制取得了長足的發(fā)

展，不見開創(chuàng)了生物工程應用的新領域，同時還大大提高了已有生物工程工業(yè)

的效率和經濟性。正是由于這些發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，才會有對于未來生物工程在世界

經濟中所扮演角色的良好評價。

(a)基因工程對于重要的工業(yè)用生物基因組的有性重組或突變操作一直是

工業(yè)遺傳學家革新目錄中的組成部分。重組DNA新技術包括溫和的進行

活細胞破碎、DNA提取、純化和利用高度專一性的酶進行隨后的有選擇

性切割；對目的基因片斷分類、鑒定、篩選和純化；用化學方法將目的

基因連接到載體分子的DNA上及將重組DNA分子導入選擇的受體細胞

進行增值和細胞合成。重組DNA技術可較簡便的進行基因組操作，而且

可避免物種間與屬間的不相容性。無限可能性是存在的，人類胰島素與

干擾素基因已導入了微生物細胞并進行了表達。原生質融合、多克隆抗

體制備和組織培養(yǎng)技術(包括從細胞培養(yǎng)上清液中進行植物的再生)的

廣泛應用對生物工程的發(fā)展有著深遠的影響。

(b)酶工程酶分離工程一直是許多生物技術過程的組成部分，而且隨著允

許對生物代謝產物進行重新利用的更適合的固定化技術的發(fā)展，它們的

代謝產物可被進一步利用。利用固定化細菌的葡萄糖異構酶生產高果糖

漿,其發(fā)展具有特殊的重要意義(年產300萬噸)。基于生物催化的目

的，未來的發(fā)展是細胞整體的固定化。

(c)生物化學工程生物反應器在生物工程過程中扮演了核心角色，它在初

始原料或底物與終產物之間建立了聯(lián)系。生物反應器設計、過程調控技

術與發(fā)酵過程的計算機監(jiān)控方面取得了重要進展。盡管如此，許多年

來,過程控制在生物工程工業(yè)領域中的應用落后其在化學工程工業(yè)領域

操作中的應用，對生物工程產品新的處理方法(下游工程)將提高所有

處理過程的經濟性。因此，對高效回收工藝的設計的需求不斷增加，尤

其對于具有高價值產品例如L-天冬酰胺酶，其回收與發(fā)酵生產的成本比

例約為3.0,而乙醇為0.16。然而，下游史理過程仍是生物工程中被忽視

的部分。

(d)工程化產品和系統(tǒng)利用蛋白質和細胞固定化技術可進行如抗體和酶這

類生物分子的大量生產，這使應用于生物診斷和生物解毒的新型傳感器

得到了發(fā)展。這樣的系統(tǒng)可以與微電子裝置和終端計算機相連，從而在

很多生物工程工業(yè)與服務業(yè)領域進行精密的程序控制。

生物工程有兩個典型的特點：與實際應用的聯(lián)系和各學科間的合作。從事

生物工程的人員采用的技術來源于化學、微生物學、遺傳學、生物化學、化學

工程和計算機原理。他們的主要任務是對生物工程進行革新、發(fā)展并對過程操

作進行優(yōu)化，其中生化代謝體制有著根本和不可取代的位置。生物工程不是一

門新的學科，而是一種實踐活動，不同學科的專家學者們都將做出貢獻。

我們對生命科學與生物工程必須清楚的區(qū)分開，生命科學所涉及的是生物

知識的獲得，而生物工程則是生物知識的應用。生物工程過程在大多數(shù)情況下

是低溫下操作,耗能少，總體上依賴廉價的原料為底物。

不同專業(yè)的生命學家和工程師將個人的努力貢獻于生物工程，生物工程學

家這一術語作為涵蓋那些應用自身技能知識進行生物材料處理的科學家或工程

師。

然而，這個術語它只能導致混淆，必須停止采用。我們比較一下，一名生

化工程師是一名過程工程師，他的職責是將生物學家的知識轉移到生產實際操

作中去。一名生化工程師應當在生物過程的設計和操作方面受過科學和工程原

理的訓練。

一個完美的生物工程師是不存在的，因為沒有一個人同時成為微生物學、

生物化學、分子生物學、化學工程等專業(yè)的專家。然而，從事這方面工作的人

員必須努力去學習了解其他組成學科的語言，不同專業(yè)的科學家之間共同語言

的缺乏勢必會成為完全發(fā)揮生物工程潛在價值的主要阻力。

1.3生物工程的應用

生物工程過程可在其規(guī)模和價值的基礎上進行評估。因此，大規(guī)模、低價

值的產品或服務包括有水的凈化、廢水和垃圾處理及甲烷、乙醇、菌體和動物

飼料的生產；相對大容量、高價值的中間體產品包括氨基酸與有機酸、食品、

面包酵母、丙酮、丁酮和某些多聚物，然而那些小規(guī)模、價值高的產品包括抗

生素、干擾素、疫苗、單克隆抗體、酶和維生素。

從工業(yè)發(fā)展規(guī)模角度進行考慮，而不是單個生產單元大小的角度，現(xiàn)在和

未來的生物工程可簡單的分為三個領域：

(a)小規(guī)模生物工程是專指那些只利用生物學方法就可比較經濟的進行生化

產品的生產，這類生物工程發(fā)展時間久，并且發(fā)展迅速，尤其是新產品

領域方面，但他們造成了工業(yè)企業(yè)與市場發(fā)展的嚴酷競爭。其產品有抗

生素、單克隆抗體和干擾素。

(b)中等規(guī)模的生物工程與基于石油的技術競爭生產目前的化學原料同時與

農業(yè)競爭,生產天然產品包括蛋白質和脂肪酸。

(c)大規(guī)模的生物工程與石油和煤競爭，提供主要的有化合物原料作為服料

和大量的工業(yè)產品。

盡管中等和大規(guī)模的生物工程技術目前只取得了很小部分的經濟效益，但

可以確定的是在未來的20年里,將要建立利用植物原料作為原料的大規(guī)模微生

物處理工程(圖L2)°針對該類產品的市場已存在，同時也刺激了節(jié)約型生物

工程的發(fā)展。

1.4生物工程的發(fā)展

未來生物工程的發(fā)展在很大程度上取決于以下三個前提：

(a)利用傳統(tǒng)工藝與基因工程技術體系，擴大對有價值產品的生產范圍。

(b)從再生資源獲得粗原料的能力。

(c)要意識到，很多情況下生物工程的處理過程比現(xiàn)有的化學工程處理植物

原料更加經濟。

中等規(guī)模與大規(guī)模生物工程發(fā)展的一個最重要的方面是過程中，適宜原材

料與底物的利用率。原料成本可以占到終產物成本的30-70%。原料的利用受技

術與政治因素的影響。

因此，從各種有機原料中生產酒精汽油未能帶來可觀的經濟效益。但從政

治角度，可以議價以抵制不斷增長的石油進口。

來自農業(yè)、林業(yè)和工業(yè)有機廢料的再生資源越來越重要，經過生物工程處

理，為食品、畜牧飼料、化學原料試劑的生產提供了政治策略上的重要基礎。

然而，為了實現(xiàn)這樣的目標,不僅需要擴大生物工程項目，而且國家管理方面

的項目范圍也要擴大。

1.5生物工程的發(fā)展策略藍圖

每個生物工程方案都一直需要對可利用資源、經濟效益與對環(huán)境的影響及

操作和使用者的健康與安全性進行評價。生物工程如果能夠正確地加以設計,

就能夠在自然資源、人類需求與環(huán)境間建立良好的平衡關系。

對生物工程發(fā)展尤為重要的是，適宜的訓練有素的工作隊伍的可利用性。

必須認識到，生物工程出發(fā)點是在校的所有學生，經過有選擇的進行技術等級

水平培訓，就可培養(yǎng)出一支工業(yè)與研究中心需要的專家。沒有合適的和經過充

分培訓的人員，生物工程將無法發(fā)揮其潛在價值，特別是只有擁有經過良好培

訓的工作隊伍，高水平的生物工程才能順利開展。

而且，當我們考慮將生物學發(fā)現(xiàn)應用于未來工業(yè)發(fā)展的時候，不能忽略時

間的重要性。從一個新的發(fā)現(xiàn)到成功生產出商業(yè)產品，這中間經過5-20年的時

間。因此新的生物技術可望到90年代才能有較大的發(fā)展。

這些不是試圖描達或分析目前生物工程實踐中不同的處理過程，而是試圖

去證實圍繞著基本原理的生物技術的核心部分已經得到了發(fā)展。

1.6總結

生物工程是將生物體和過程處理應用于制造工業(yè)的技術。生物工程涵蓋的

學科范圍廣泛，盡管今天，它的實際操作非常復雜，但是許多新的處理過程已

經記載在歷史的新篇章中。

這種特殊的處理過程是經過微生物、植物或動物細胞，或者是它們自身的

產物如酶進行催化反應的。生物工程的生物體可被收集,它們可實現(xiàn)化學改

造，可作為生物活性分子如酶和單克隆抗體的來源。

基因工程技術開辟了應用遺傳學的新領域，并未最新工業(yè)處理過程的使用

創(chuàng)造了機會。例如，利用細菌細胞生產人干擾素。過程控制工程于發(fā)酵工程也

取得了重要的進展，這將進一步加快生物工業(yè)的發(fā)展.

生物工程就如一個不斷擴張和充滿機遇的領域，它涉及了許多產業(yè)，包括

農業(yè)、食品與飼料加工業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、能源與水處理工業(yè)C生物工程在新藥、激

素、疫苗和抗體生產方面，提供廉價可靠的能源以及（從長遠來看）在化學飼

料方面、環(huán)境控制體系的改進提高與廢物管理方面都將扮演重要的角色。生物

工程主要以可再生與可回收資源為基礎，由于能源愈來愈貴并且供給不足，從

而它將更好的滿足世界的需求。

第二章生長與代謝的生物化學

2.1前言

一個微生物以生產另一個微生物為目的。在某些情況下，利用微生物的生

物學家們希望這樣的情況能夠快速頻繁的發(fā)生。在另外一些產物不是生物體自

身的情況下，生物學家必須對它進行操縱使微生物的目標發(fā)生變化，這徉以

來，微生物就要努力的掙脫對它們繁殖能力的限制，生產出生物學家希望得到

的產物。生物體的生長過程及其生產出的各種產物與微生物代謝的本質特點是

密不可分的。

代謝過程是兩種互相緊密聯(lián)系又以相反方向進行的活動過程。合成代謝過

程主要是細胞物質的生成，不僅包括構成細胞的主要組成物質（蛋白質、核

酸、脂質、碳水化合物等等），同時也包括它們的前提物質一一氨基酸、瞟吟

與喀淀、脂肪酸、各種糖與糖苗。合成代謝不是自發(fā)進行的,必須由能量圻推

動，對大多數(shù)微生物來說，是通過一系列的產能分解代謝過程來供給能量。碳

水化合物分解為C02和水的過程是最為常見的分解代謝反應，然而微生物以這

樣的方式還能夠利用更大范圍的還原性含碳化合物。分解代謝與合成代謝所有

微生物生物化學的基礎，可以從兩者的平衡關系或者分別對它們進行討論。

實際中，我們要有效的區(qū)分那些需要空氣中的氧進行需氧代謝的生物與那

些進行厭氧代謝的生物。還原性含碳化合物與反應生成水和C02,這是一個

高效的放熱反應過程。因此，一個進行需氧代謝的生物要使用一小部分底物進

行分解代謝以維持某一水平的合成代謝，即成長過程。對于厭氧型生物，其底

物的轉化的過程基本上是一個不勻稱的反應（氧化還原反應）,產生很少的能

量，因此，大部分底物都要被分解從而維持一定水平的合成代謝。

在生物體中這種差別能夠明顯的體現(xiàn)出來，比如酵母,它屬于兼性厭氧生

物，即它可在有氧條件下生長也可在無氧環(huán)境下生存。需氧酵母使糖以同樣的

速度轉化為co2和水，相對產生高產量的新酵母。而厭氧條件下，酵母菌生長

緩慢，此時酵母被有效的轉化為酒精和co2o

2.2代謝與能量

分解代謝與合成代謝間的有效聯(lián)系在于，各種分解代謝過程促進少量反應

物的合成，而后又被用來促進全面的合成代謝反應。在這種重要的中間產物

中，其中最為重要的是ATP,其含有生物學家所說的〃高能鍵〃。在ATP分子中，

酊與焦磷酸殘基相聯(lián)。高能鍵在水解過程中所產生的熱量就被用來克服在其形

成過程中需要攝入的能量。像ATP這類分子,為細胞提供了流通能量,當將

ATP用于生物合成反應時，其水解產物為ADP（腺昔二磷酸）或者某些時候為

AMP（腺昔一磷酸）：（反應式）

仍含有一個高能鍵的ADP通過腺首酸激酶反應也可生成ATP:（反應

式）。

磷酸化作用是生物體中普遍的反應，通常由ATP作用而發(fā)生。

經過磷酸化生成的物質通常比最初的化合物更具有反應活性，用無機磷酸

進行磷酸化反應是無法進行的，因為，平衡反應式的相反方向生成大量的水

(55M)。

細胞的胞旨量狀態(tài)”認為是由占有優(yōu)勢的組分：ATP、ADP、AMP作用形成

的。為了給出一個量值，DanielAtksirson提出了"能荷”這個概念，定義一個細

ATP+0.5ADP

胞的能荷為：ATP+ADP+AMP

在“滿荷”細胞中,僅含有ATP一種腺瞟吟核昔酸,它的能荷值定義為1.0o

如果三種核甘酸的量相等，即ATP二ADP二AMP,貝!］細胞的能荷為0.5。

與所有的習慣用法相同，能荷概念的使用是有限制的，沒有人能夠確定假

如一個細胞的能荷是07而不是0.8或者0.6到底是什么意思。

這個概念沒有考慮細胞中核吉酸的確切數(shù)量，也沒有表明對于單體酶和

ATP與其鎂復合物之間的顯著差別。它也無法解釋細菌、酵母菌與霉菌中能荷

值的差異。盡管如此，這個概念對于給定的細胞類型如生長期細胞中隨后的能

量與酶活性的改變來講是有所幫助的。當細胞迅速生長時，能荷處于最低值；

ATP以它重新合成的最快速度被消耗,在生長末期,生長速度開始變慢，相對

于ADP和AMP,ATP組分開始增大,因此，能荷值開始增大,當細胞停止生長

時，所有的ADP和AMP都已經轉化為ATP,此時能荷值達到最大。

23分解代謝途徑

盡管微生物可以利用不同的含碳化合物進行生長，但我們主要關心的是葡

萄糖的代謝，鑒于乙醇(和其它C2化合物)、粒和脂肪酸、甲烷和甲醇這些物

質的不斷增長的重要的經濟價值

2.3.1葡萄糖和其它糖

幾乎在所有的生命細胞中，最重要的兩種犍代謝途徑是二磷酸己糖途徑與

一磷酸己糖途徑，它們常常同時發(fā)生，為合成代謝過程提供重要的聯(lián)系，它們

之間的相互作用受關鍵控制機制的支配。

二磷酸己糖途徑（常被稱為恩伯納-邁耶霍夫或者糖酵解途徑）如圖2.2所

示。這個過程將葡萄糖轉化為丙酮酸，碳原子數(shù)量無變化，還原2分子NAD+

輔酶生成2分子ATP。生成的丙酮酸是合成代謝重要的前提物質的來源，在好

氧有機體中，它還是氧化還原反應的底物，而在厭氧有機體中，丙酮酸或者它

轉化的產物是NADH的氧化劑。

一磷酸己糖途徑即磷酸戊糖途徑如圖2.40作為氧化過程,它將葡萄糖轉化

為戊糖和82,還原2分子NADP+生成NADPH。［NAD+NADP+和

NADH/NADPH都是通過H轉移而作用，但它們是有差別的；NADH主要在于

能量相關的氧化還原反應中發(fā)揮作用，而NADPH主要作用于合成代謝過程中

的還原反應步驟。

經過一系列可逆巨變過程，如圖2.4所示,磷酸戊糖與其它含有3-7個碳原

子的磷酸糖相平衡，并根據(jù)環(huán)境條件,扮演不同的代謝角色。磷酸丙糖與糖酵

解過程中所生成的相同，而且跳過糖酵解途徑的cleavagestep生成二磷酸己

糖；磷酸丁糖是重要的合成代謝生產芳香環(huán)氨基酸的前體，而磷酸戊糖也是合

成核昔酸所必需的物質“

對大多數(shù)有機體而言，66-80%的葡萄糖是經過恩伯納-邁耶霍夫途徑進行

代謝的，剩下的則通過磷酸戊糖途徑進行代謝。每個代謝途徑中碳原子流向的

控制點通常是恩伯納-邁耶霍夫途徑中，當6-磷酸果糖被磷酸果糖激酶（PFK）

催化發(fā)生磷酸化作用生成1,6-二磷酸果糖時候。這種酶分子組成可以根據(jù)細

胞所進行的主要代謝情況而對酶活性進行調節(jié):當需要更多能量的時候，PFK

的活性就增大；而如果細胞中有足夠的能量或者足夠的C3代謝產物，則PFK的

活性就降低.

這種通過調節(jié)催化活性從而對酶進行控制的原則是很普遍。代謝途徑是一

直被控制的，對細胞來說，必須協(xié)調并最有效的行使它的整體活動。對于PFK

的控制通過兩種手段。第一，酶的激活。在存在有ATP或ADP時，酶催化反應

的速度被增大。因此，當細胞能荷低時，PFK將以高速率催化反應地進行。第

二，酶被中間產物一般為磷酸烯醇式丙酮酸或者檸檬酸抑制，從而代謝過程被

減緩。因此，如果它們其中的一種不能被有效轉化為其它物質的話，就無法使

細胞繼續(xù)進行生長。

葡萄糖代謝的其他可控制點根據(jù)有機體的不同而不同。但是分解代謝必須

盡可能的滿足合成代謝的需求。

恩伯納-邁耶霍夫途徑與磷酸戊糖循環(huán)途徑不是葡萄糖僅有的代謝過程，盡

管它們是非常普遍的代謝途徑。相對于恩伯納-邁耶霍夫途徑，另一種主要的代

謝途徑是恩特納一道德洛夫途徑，見于某些假單泡菌與細菌中，如圖2.5所示c

磷酸戊糖途徑中的酶對C5和C4糖的產生來說仍是必需的,但代謝方向與圖2.4

中所示的相反。

磷酸酮醇酶是另一種較重要的酶，也許比人們一般上了解到的使用范圍更

加廣泛。這類酶（不是一個）作用于磷酸Cs和C6糖，產生乙酰磷酸和3-磷酸甘

油醛或者4-磷酸赤薛糖（取決于是C5還是C6糖被利用）如圖2.6。這些酶最早

見于進行異型發(fā)酵的乳酸桿菌與醋酸桿菌中，它們取代恩伯納-邁耶霍夫途徑而

發(fā)揮作用。產生的乙酰磷酸可以被轉化為乙酰或者乙醇。最近發(fā)現(xiàn)在酵母菌

中，當大多數(shù)酵母以木糖作為單一碳源進行好氧生長時，磷酸酮醇酶是一種誘

導酶。木糖經過最初代謝由木糖醇轉化為木酮糖，然后以5-磷酸木酮糖進行磷

酸酮醇酶反應，如圖2.6所示（在以利用木糖進行生長的細菌中，有一種異構酶

可直接將木糖轉化為木酮糖）。在這種情況下，Cs一磷酸酮醇酶不取代恩伯納-

邁耶霍夫途徑而僅僅是為有機體將戊糖轉化為C2或者C3單元進行進一步代謝提

供一種有效的途徑。這類酶從而存在于很多微生物中而不單單是酵母，當利用

木糖或其它戊糖進行生長代謝。

23.2三竣酸循環(huán)

目前所討論的代謝途徑其終產物為C3或者C2化合物，稱為丙酮酸酯或者乙

酰，前者如乙酰CoA是一種硫酯（如圖2.7）,具有酊的反應性（脫氫反應活

性）。丙酮酸酯與乙酰CoA的進一步有氧代謝經過一個循環(huán)過程，具有兩種作

用。它產生的中間產物用來進行生物合成反應，化合物最終被氧化為C02和

水，它將氧化反應與能量轉移相聯(lián)系。乙酰CoA氧化反應循環(huán)過程普遍存在于

所有好氧細胞中（被稱為三陵酸循環(huán)，克雷布斯循環(huán)）。

在真核生物細胞中，三竣酸循環(huán)與產生能量的反應是在線粒體內完成的，

而在細菌體內，產生能量的酶位于細胞質膜上。由于線粒體內的代謝過程首先

七十于將丙酮酸轉運到線粒體中，從而更容易的使丙酮酸進行三陵酸循泳反

應。

丙酮酸轉化為乙甑CoA的整個過程是由一種多酶復合物所催化的，丙酮酸

脫氫酶.

乙酰CoA接下來通過圖2.8所示的三羚酸循環(huán)反應而代謝。

這個循環(huán)的作用包括：

(i)生產可用于其它生物合成途徑的中間產物例如：天冬氨酸與谷氨酸反

應是非常重要的代謝途徑，細胞通過該途徑同化氨。

(ii)從氧化反應中回收能量。異檸檬酸脫氫酶、*酮戊二酸脫氫酶、琥珀

酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶這些酶催化中間產物的進一步氧化反應，同

時輔酶有氧化型轉為還原型。輔酶KNAD+)和FAD分別轉變?yōu)?/p>

NADH和FADH.,然后又經氧化磷酸化作用重新氧化為最初形式的輔

酶，每摩爾NADH產生3摩爾ATP,而摩爾FADH2產生2摩爾ATP。

琥珀酸激酶反應也可獲得能量。

盡管這種循環(huán)自身是永不停止的，一旦從草酰乙酸啟動將不斷進行下去，

但實際上這種情況是不存在的。就像已經說明的那樣，這個循環(huán)同時為生物合

成反應儲備中間產物，一旦任何一種中間產物從循環(huán)中被除去，草酰乙酸與檸

檬酸的合成就無法進行。因此，額外的草酰乙酸就必須獨立自主的合成，這主

要通過丙酮酸的竣化作用。

這個反應由丙酮酸竣化酶催化，但是由于經過循環(huán)反應過程也合成了草酰

乙酸，因此，必須對丙酮酸的竣化反應進行調控，以使得乙酰CoA于草酰乙酸

的含量保持均等，主要通過丙酮酸竣化酶實現(xiàn)對它的控制。乙酰CoA是丙酮酸

陵化酶的正效應物，也就是說它可以提高酶的活性。乙酰CoA含量越高，草酰

乙酸的合成速度就越快。當草酰乙酸與乙酰CoA合成了檸檬酸，乙酰CoA的濃

度就減少；丙酮酸竣化酶的活性隨之下降，但由于丙酮酸脫氫酶仍舊存在，將

會產生更多的乙酰CoA。這樣，檸檬酸合成不僅不會停止，這兩個物質也使檸

檬酸的前提物質始終保持平衡。

其它輔助控制也能實現(xiàn)對循環(huán)過程的調節(jié)，其中的有些酶的活性受ATP抑

制，而有些則受到AMP濃度的影響。因此，循環(huán)反應過程可以通過ATP與AMP

相應的比例來進行調控，也就是細胞的能荷。這種控制機制沒有廣泛采用，但

對于單個有機體或一群有機體是被證實的，在這里不詳細討論，但控制機制的

普遍原則如對糖酵解過程的控制仍被應用。

2.3.3乙醛酸途徑（以C2化合物為碳源）

如果一個有機體利用化合物或者脂肪酸或煌進行生長，那么產物主要為

C2

單元三竣酸循環(huán)不能完全滿足有機體的生長代謝，像前面內容中所講過

C2，

的，任何用來進行合成代謝的化合物，一旦在三竣酸循環(huán)中缺少，那么草酰乙

酸的生成便會停止，由于C2化合物不能轉化為丙酮酸（丙酮酸脫氫酶的反應是

不可逆反應），因此，沒有一種途徑可將草酰乙酸或者更準確地說是任何一種

C4化合物通過目前已經所述的反應由C2化合物合成。

如果被作為碳源而利用，乙酰CoA可直接由乙酰生成，或者來源于還原性

比乙酰更強的C2化合物，如乙醛或者乙醇。

通過已知的乙醛酸途徑如圖乙酰轉化為化合物，這個過程需要用

2.9,C4

到在三竣酸循環(huán)中作用的酶：異檸檬酸裂解酶與蘋果酸合成酶。兩種酶都是可

被誘導的，當微生物利用化合物生長代謝在這樣的生長條件下，酶的活性

C2；

可提高到20-50倍。乙醛酸途徑不會取代三竣酸循環(huán)；例如：必須合成a-酮戊

二酸用來為蛋白質的合成提供谷氨酸等。琥珀酸、檸檬酸裂解酶的另一個產

物,同以前代謝生產的產物一樣為蘋果酸，然后是草酰乙酸。因此，經過乙醛

酸循環(huán)，C4化合物就由C2單元進行合成，然后用來合成所有的細胞代謝物，它

們轉化為糖的過程在2.4部分中詳細介紹。

2.3.4脂肪酸和燒

利用煌進行生長的情況并不多見，但卻見于細菌、酵母和霉菌中，這種利用

脂肪酸或油和脂肪這種含有脂肪酸的物質進行代謝的現(xiàn)象是比較常見的。

炫類可作為生產單細胞蛋白的唯一碳源，也可用于其它代謝過程，如檸檬

酸的生產.常在抗生素生產中加入脂肪酸和植物迪作為輔料。為了利用油和脂

肪，有機體必須用脂肪酶水解（細胞內或細胞外）酯鍵，而生成3摩爾游離脂

肪酸和1墨爾甘油；甘油在恩伯納一邁耶霍夫途徑中被利用，很多微生物也可

利用游離脂肪酸，但無論這類酸是被攝入到細胞內還是就此形成，它們都是劇

毒性的（由于它們具有表面活性劑的性質）從而必須立刻轉化為其輔酶A的硫

酯形式。

硫酯又經過如圖2.10的循環(huán)過程活化，用來降解脂肪鏈。每輪循環(huán)，都將

產生1摩爾乙酰CoA,與此同時，其鏈上少了2個碳原子的酯?；鵆oA又開始

了新一輪的氧化循環(huán)°這個過程即為（5-氧化循環(huán),它將一直持續(xù)到反應終產物

為C4化合物,乙酰乙酰CoA,此時產生2摩爾的乙酰CoA。如果脂肪酸含有的

碳原子數(shù)為奇數(shù)，那么該降解過程不斷延續(xù)直到生成丙酸CoA,它將通過2.7.3

部分中所講反應的可逆反應轉化為丙酮酸。

微生物利用烷煌進行生長通常由攻擊兩個甲基基團中的一個而開始，利用

這種攻擊機制，烷粒羥化酶包含氧分子和含鐵的氧化輔因子，這個輔因子是經

氧化的，而它的還原型重新生成過程最終與氫化物載體相關，或者是NADH或

者是NADPH。

經過兩部脫氫作用，脂肪醇被氧化為相應的脂肪酸：（反應式）

一般來說，所有的參與烷煌降解作用的酶都具有底物專一性，而且容易與

C10-C18的底物起作用。某些微生物可作用于更短或更長的鏈。少數(shù)情況下，對

烷煌作用后生成甲基酮，它最終經過進一步氧化被裂解為甲酸和比初始烷好少

2個碳原子的脂肪酸。

盡管在某些有機體中，存在一種產生二竣酸的3-氧化，但烷煌一般上都是

經過氧化循環(huán)而被降解為脂肪酸，這些脂肪酸又從一個終點開始，經過卜氧

化而降解。脂肪酸也被細胞用來直接合成自身脂肪，因此，細胞中脂肪酸鏈的

長度就代表了烷煌鏈的長度。

烷煌和某些支鏈煌也可能進行代謝；它們不是從商業(yè)角度進行利用而是作

為飼料中的微小部分。它們的氧化反應過程同樣涉及轉化為脂肪酸的過程。

2.3.5甲烷和甲醇

少數(shù)（細菌和酵母）被稱為甲基營養(yǎng)菌的微生物能夠利用甲醇作為唯一的

碳源；到目前為止，只發(fā)現(xiàn)一小部分細菌具有利用甲烷的能力，稱為甲烷營養(yǎng)

菌。極少數(shù)微生物能利用甲酸為碳源。這三種化合物的代謝是相關的，被最終

氧化為C02,它們合成細胞物質的機制與自養(yǎng)CO2固定化作用機制是不同的。

［能夠利用C02作為唯一碳源的包括進行光合作用的植物與微生物和很少一

部分無機化能營養(yǎng)型細菌，其是利用無機化合物的反應作為能量的來源。這些

生物目前在生物工程中的應用較少。若想進一步了解co2自養(yǎng)固定化的讀者可

參閱任何一本生物化學課本，但必須注意到，至少有兩種不同的代謝途徑：卡

爾文循環(huán)和還原性竣酸循環(huán)。］

甲烷的氧化過程為：（反應式）

第一步是通過一種氧合酶與NADH（或NADPH）輔因子來進行，（與上述

高級烷燒的氧化相比較）。

氧合酶（3種蛋白質復合物）也可以氧化其它多種化合物，包括多種烷粒

甚至甲醇本身。

接下來的第二步反應由甲醇脫氫酶催化，以一種新發(fā)現(xiàn)的物質叱咯并噗琳

醍為輔因子。

在某些細菌中，甲醛進一步轉化為甲酸的過程被同種酶催化；而在另一些

細菌中,有一種獨立作用的甲酸脫氫酶，NAD是它的輔因子。

最后一步反應是將甲酸轉化為C02,它是通過甲酸脫氫酶來催化進行的，

伴有NAD+的還原過程。

來自甲醇或甲烷中的碳同化為細胞物質甲醛，經過兩種獨立的代謝途徑：

一磷酸核酮糖循環(huán)和絲氨酸途徑，分別如圖2.11和2.12所示。

單磷酸核酮糖循環(huán)與卡爾文循環(huán)相似，都是通過磷酸戊糖途徑的反應進行

C02自養(yǎng)固定化而生成以后的G化合物受體,只多了兩種酶：磷酸己糖合成酶

和3-磷酸己糖異構酶。

絲氨酸途徑中的關鍵酶是：生成乙酰CoA和甘油的蘋果酰CoA以及絲氨酸

轉甲基酶，這是一種廣泛存在的酶，作用于四氫葉酸（四氫葉酸是一種輔因

子，可形成必需的活化J中間產物，Nio-甲酰四氫葉酸，而后乙醛酸途徑利用

乙酰CoA。所以細胞就可在C2底物上進行生長。異檸檬酸裂解酶去阻遏從而確

保C3單元的生成。

酵母中，磷酸戊糖循環(huán)又進一步發(fā)生了一些變化，甲醛與5-磷酸木酮糖反

應生成了3-磷酸甘油醛和2-羥基丙酮。此反應過程由轉酮酶催化，完成甲醛循

化同化過程唯一需要另外加入的酶是一種新的激酶，它將二羥基丙酮轉化為二

羥基磷酸丙酮。

2.4葡糖異生作用

當一個有機體利用Q和□化合物進行生長，或者利用經過代謝過程能夠生

成Q或Q這種化合物的物質進行生長的時候，在丙酮酸的代謝水平或者低于該

水平（例如脂肪煌、乙酸、乙醇或者乳酸）,對有機體來說，就必須合成各種

糖類以滿足其代謝需求。這被稱為葡糖異生作用。

盡管糖酵解途徑中的大部分反應都是可逆的，但那些被丙酮酸激酶和璘酸

果糖激酶催化地反應則是不可逆的，對細胞來說，就要避開這種阻礙。

一般而言，磷酸烯醇式丙酮酸不能由丙酮酸形成，盡管在少數(shù)有機體內存

在一種磷酸烯醇式丙酮酸合成酶可以催化這個反應。

通常，草酰乙酸作為磷酸烯醇式丙酮酸的前體物質。

這個反應由磷酸烯醇式丙酮酸竣化酶催化進行，它是葡糖異生作用中的關

鍵酶。已經講過草酰乙酸的生成，果糖二磷酸化酶的作用可避開磷酸果糖激酶

的不可逆作用的性質（其作用產生1,6-二磷酸其糖）。

從這一點來看，通過終止糖酵解途徑可積累己糖，通過磷酸戊糖循環(huán)又可

生成C3和C4糖，葡萄糖不是葡糖異生作用的終產物,然而6-磷酸葡萄糖被用

來合成細胞壁組分，和各種細胞外物質及儲備多糖。

2.5好氧生物的能量代謝

在葡萄糖代謝和三竣酸循環(huán)中已經講過，如何把各種代謝中間產物的氧化

過程與輔因子（NAD+、NADP+、FAD+）還原為其還原型（NADH、NADPH、

FADH）的還原反應過程聯(lián)系起來的°這些產物的還原性是由一系列復雜的反應

過程而是釋放°這個反應過程最終與空氣中氧氣的還原相關。在這個反應過程

中，由電子傳遞上的ATP或者2-3個具體位點上的無機磷而生成ATP,這取決

于最初還原劑的性質。如圖2.14，總反應式如下：。。。。。。。

每摩爾葡萄糖經過恩伯納-邁耶霍夫途徑所生成的ATP和丙酮酸經三梭酸

循環(huán)產生的ATP總結于表2.1。

能夠被生物利用的ATP形式的能量是在膜上產生的，可以是真核細胞的線

粒體膜或者是細菌細胞的細胞質膜，其產生過程大致相同。具體差異根據(jù)個體

差異而不同。電子傳遞鏈的主要成分是黃素蛋白，醍和細胞色素。細胞色素具

有還原性（接受氫離子或者電子），經過氧化可以有效釋放電子到下一個載體

上。每個載體都有不同的氧化-還原能，大約可以從NADH/NAD+反應的320摩

爾到1/202/力0終反應的800mV。在電子傳遞鏈上的特定位點，兩個相鄰電子

載體的氧化-還原能差就已足夠進行可逆反應：oooo向合成ATP的方向進

行。這個過程需要一種復雜的多亞基酶ATPase的協(xié)助。

有兩種原理來說明ATPase是怎樣作用的。在化學滲透學說中，過去二十

年里米歇爾對其進行了發(fā)展，認為電子傳遞上的各組分是跨膜排列的，由于質

子從一邊向另一邊移動，這樣便產生了pH和電子濃度梯度。質子跨膜運動就推

動了ATPase反應合成ATP。ATPase是定向作用的，質子只能從一邊靠近催化位

點,圖2.15對這個概念進行了簡單說明。

ATP合成的第二種解釋為,電子傳遞鏈上的載體與假設的將要被活化的中

間產物相互作用使ATP磷酸化。這種中間產物稱為偶聯(lián)因子。

兩種理論個具有優(yōu)缺點，都可以解釋丕或對氧化磷酸化作用產生的影響，

如魚藤酮、安必妥、抗霉素A等。它們可以阻止ATP的合成。

2.6厭氧生物能量生成過程

在2.5部分中所說的ATP生成過程需要供應氧氣。某些有機體則可以用璘酸

鹽，另一些則用硫酸鹽或鐵離子來代替氧氣分子，而且如果在培養(yǎng)集中，這些

物質被大量供應,那么有機體利用電子傳遞體在沒有空氣的條件下仍可以生成

ATP,從而進行厭氧生長。如果沒有合適的電子受體，或者（如大多數(shù)細菌）

有機體缺少這類物質，那么一旦缺少氧氣，有機體將不能以這樣的方式合成

ATP。所以，進行厭氧生長的有機體就必須將ATP合成反應與能量生成反應相

聯(lián)系，才能獲得ATP,這被稱為底物水平磷酸化。這只發(fā)生在有限數(shù)量的反應

中。反應自由能的變化必須能夠進行ATP磷酸化反應。其中最為重要的反應歸

納于表2.20

這6種反應，其中后3種只對少數(shù)生物體來說是重要的。表2.2中其它的3

個反應中，反應1與反應2幽糖酵解的中間產物，涉及乙酰磷酸的反應3廣

泛存在于厭氧有機體中。乙酰磷酸由乙酰CoA與無機磷反應而合成，它還是被

磷酸酮醇酶作用的。

乙酰CoA可以由乙酰乙酰CoA降解而生成,或者由丙酮酸經3種反應中的

一種而生成：丙酮酸脫氫酶反應，丙酮酸甲酸裂解酶反應，鐵氧還蛋白氧化還

原酶反應，該反應與丙酮酸脫氫酶反應產生同樣的產物，但是用到了一種鐵硫

蛋白，鐵氧還蛋白不是NAD+作為還原劑（還原型鐵氧還蛋白被氫化酶還原為

鐵氧蛋白，釋放出氫氣）這三種酶中，后兩種對氧敏感，當含有它們的有機體

被暴露于空氣中的時候，它們便會迅速失活。

越來越多的證據(jù)表明，電子傳遞磷酸化同樣可以進行延胡竣酸還原酶的反

應。這種酶對于某些產甲烷菌，還原硫酸鹽的有機體及進行氫氣與二氧化碳發(fā)

酵的氨化菌來說大概是重要的。反應：。。。。。，氫原子可以由各種輔因子

提供,包括NADPH,而某些有機體如大腸桿菌、其氫原子的生成經過了電子傳

遞鏈，即使與好氧有機體中的電子傳遞鏈不同，但也至少是類似的。因此,盡

管沒有氧氣，有機體仍通過偶聯(lián)不同的反應從而生成ATPO

所有的厭氧有機體都面臨兩個問題：第一，在氧化磷酸化作用中，缺少將

NADH或NADPH的再氧化與ATP的生成相聯(lián)系。每摩爾底物所生成的ATP量

比好氧代謝產生的少。第二，不能將NADH的氧化與氧氣的還原相聯(lián)系，這樣

如何進行這個重要的反應就成為一個問題，當所有的NAD+不可逆的轉化為

NADH，代謝過程也就很快被停止。

厭氧生物采用很多方法使還原型輔因子重新被氧化。其中的核心部分

為?。。0

這里，由AH2-A這步是厭氧生物利用底物時所采用的途徑中的一部

分。通常,底物B是補充還原反應所必需的，也直接來源于底物；BH2一旦形

成，就不再進一步代謝。AH2的代謝與的補償性生成在化學計量上相關。

這樣以來，厭氧生物必須積累還原型代謝產物從而能夠進行任何底物的降解過

程。而且，就像已經說明的那樣，既然厭氧生物從降解底物后獲得極少的

ATP,那么還原型代謝產物的積累與合成的細胞物質必將有極大的聯(lián)系。以這

種方式進行的厭氧代謝將在后面內容中講述。

2.7厭氧代謝

選擇底物來氧化還原劑，例如NADH、NADPH、FADH2是非常普遍的現(xiàn)

象，同時產生相應的各種終產物，因此對厭氧代謝途徑的描述也就是個體將積

累何種終產物的描述。這些終產物例如乙醇有著很高的商業(yè)價值。即使是在厭

氧條件下，葡萄糖仍是生成丙酮酸，但是只有小部分丙酮酸進入三陵酸循環(huán)從

而生成用來合成主要的細胞物質的中間體。三獺酸循環(huán)反應只提供這些中間體

而不生成能量，通常，三竣酸循環(huán)不會完全發(fā)揮作用，尤其是C（-酮戊二酸脫氫

酶不作用，因此，這個循環(huán)成為一個鐵蹄形，其中草酰乙酸轉化為琥珀酸，而

檸檬酸轉化為a-酮戊二酸。

2.7.1發(fā)酵產酒精

在釀酒酵母這樣的酵母菌中，氧化劑是縮醛；從葡萄糖轉化的丙酮酸大部

分轉化為酒精。（反應式）

1摩爾葡萄糖可生成2摩爾丙酮酸；產生的酒精可以重新氧化在磷酸丙糖脫

氫酶反應過程中生成的NADH，總的化學計量如下式：

ATP為酵母細胞的生長提供能量，但是由表2.1中比較得知，每摩爾葡萄糖

在好氧條件下轉化的量少于5%。

葡萄糖通過磷酸戊糖途經主要的代謝產物為必需的C5和C4糖，經過這個過

程摩爾葡萄糖僅能生成1摩爾的丙酮酸，同時產生2摩爾NADPH和1摩爾

NADH。這些附屬的還原性物質必須與其它反應相連從而被重新氧化。

這些反應中最重要的反應過程是脂肪酸的形成，它們是化學合成的還原性

化合物，其合成過程需要大量的相應的還原性物質。

某些細菌也可進行生產酒精，通常還伴有其他終產物的生成，某些霉菌也

能生產酒精，而且厭氧條件一般對生產最大量的酒精來說是必需的。如果產酒

精的有機體可以像釀酒酵母那樣進行好氧生長，那么一旦通入氧氣，積累的酒

精就常常被細胞吸收并以醋酸的形式作為生長底物而被利用。

27.2乳酸發(fā)酵

發(fā)酵產乳酸的過程是僅次于酒精發(fā)酵的過程，對于食品工業(yè)均具有重要的

歷史意義。

除乳酸外，雜發(fā)酵乳酸菌生產各種還原性化合物，而且沒有主要的糖酵酶-

醛縮酶；而使用磷酸酮醇酶，它是生成乙酰磷酸的酶。在厭氧條件下，乙酰磷

酸經過生成ATP的過程而轉化為酒精和乙酸，酒精重新生產NAD+。磷酸酮醇

酶的另一個反應產物是3-磷酸甘油，其通過普遍的糖酵解系列反應轉化為丙酮

酸，然后經過乳酸脫氫酶的作用轉化為乳酸。

單純乳酸菌也進行這樣的反應過程；這類有機體沒有磷酸酮醇酶，結果乳

酸是位的終產物。某些乳酸桿菌生產D-乳酸，其他的則生產L-乳酸，而另一些

乳酸桿菌則生產兩種乳酸的混合物，主要是乳酸脫氫酶的不同。

27.3丙酸發(fā)酵

丙酸菌，例如在格魯-耶爾奶酪中發(fā)現(xiàn)，經過一系列以甲基丙二酰CoA為

中間產物的反應，可將丙酮酸轉化為丙酸。在特殊的轉竣化反應中，被用作丙

酸的直接來源。

甲基丙二酰CoA經過內部轉竣化作用,由琥珀酸CoA形成,可由草酰乙酸

重新生成（經蘋果酸、延胡竣酸和琥珀酸），同時2摩爾NADH被氧化

NAD+。在某些竣狀芽徇桿菌中，丙酸可由丙酮酸經乳酸和丙烯酸直接生成；這

個轉化過程又將2摩爾NADH重新氧化。

2.7.4丁二醇發(fā)酵

oooooooooo2摩爾丙酮酸經過濃縮最終生成2,2-丁二醇,只有最

后一步反應與NADH的氧化相聯(lián)系，因此，1摩爾丙酮酸只生成0.5摩爾

NAD+,這些有機體也可將丙酮酸轉化為其他產物包括乳酸和甲酸。

2.7.5甲酸發(fā)酵

在不同的細菌體內，丙酮酸部分轉化為乳酸，部分轉化為乙酰CoA+甲

酸。后一種反應被稱為磷酸裂解反應，甲酸能夠少量積累但常常被甲酸水解酶

轉化為這種從丙酮酸到乙酰的途徑,其優(yōu)點是它不生成

CO2+H2OCoANADH

從而避免了必需的再氧化過程。乙酰CoA經過醛脫氫蒯乍用轉化為乙醛。

將乙醛還原為乙醇的過程通過進一步的NADH來完成。注意這種生成酒精

的過程與酵母產酒精過程是不同的。

2.7.6丁酸發(fā)酵

歷史上，丁酸、丙酮和propan-2-ol的生產過程是最古老的精細發(fā)酵過

程，ie從利用已知單菌株進行的發(fā)酵過程規(guī)律發(fā)展而來。這類葡萄糖代謝的終

產物經過圖2.17的代謝流程，由竣狀芽抱桿菌進行生產。

有一些不同的是,某些竣狀芽抱桿菌生產丁酸、乙酸、和而另

C02H2；

一些則主要生產丙酮而不是propan-2-ol,由于所選用的物種和菌株以及培養(yǎng)條

件的不同，終產物所占的比例也就發(fā)生變化。

2.7.7miscellaneous

2.8生物合成與生長

微生物細胞可以利用簡單的營養(yǎng)物進行自身的繁殖，生物細胞用以完成這

個過程所利用的途徑數(shù)目是巨大的。一個細菌細胞可能包含有100多種酶，而

真核生物細胞含有的酶的種類大約為細菌中的2倍。細胞中所有的大分子物質

是由100多種單體而組成的（蛋白質、核酸、多糖等）。圖2.18總結概括了這

些單體物質生物合成途徑（氨基酸、噂畛、嗑咤、脂肪酸、糖等）。這些生物

合成途徑是相互聯(lián)系的，都依賴于有足夠量的必要的中間體。然而，我們無法

說明這些途徑的特點，關于它們研究普通生物學的部分，這方面的參考書也較

多。因此，由于特定的代謝途徑與具體的發(fā)酵過程相聯(lián)系，我們將在合適的章

節(jié)中進行講述。

由于細胞所進行的代謝活動是以平衡方式進行的，因此所產生的終產物不

會過量也不會不足，這種過量與不足都是不利的。為生物細胞必須能夠對周圍

環(huán)境的變化做出調整,同時也要充分利用供給的氨基酸、噤吟和喀咤。這是自

然習慣常會發(fā)生的情況，也是一個復雜的營養(yǎng)物作為生長底物被利用的場所。

這些營養(yǎng)物含有大量的含碳化合物，因此，細胞可以通過停止合成已經足量的

物質來保存碳和能量，而且通過停止合成多余的酶進一步實現(xiàn)節(jié)約，因此就有

了兩種完全不同的作用方式——酶活性的調控和酶合成的調控，通過這兩種方

法，細胞就能夠調控各種化合物的合成過程。相同的調控機制也用來對合成過

程進行平衡，甚至在沒有天然物質供給的情況下。這種控制機制在這個部分講

述。

2.8.1控制機制

2.8.1.1營養(yǎng)物的吸收

細胞代謝控制從細胞吸收營養(yǎng)物的調控開始。大部分營養(yǎng)物，除了氧氣與

極少數(shù)含碳化合物以外，都是通過特定的傳遞機制而被吸收的，因此，這些營

養(yǎng)物在細胞外的稀釋液在細胞中得到濃縮，這種〃主動傳遞”過程需要能量供

應。這個過程是可以控制的，一旦吸收到細胞內的營養(yǎng)物的含量達到了所需要

的濃度，就會停止后面營養(yǎng)物的攝入。

2.8.1.2區(qū)分

第二種形式的代謝控制是利用細胞間隔或是細胞器以實現(xiàn)對代謝產物庫的

分隔，最明顯的例子是真核細胞的線粒體把三艘酸循環(huán)反應與細胞質中的反應

分隔開來。另一個例子是，過氧化物酶體，它包含降解脂肪酸所有的酶。然而

同時有些相似的酶可催化并合成脂肪酸。其他細胞器相類似的控制細胞中的其

他反應（液泡、細胞核、葉綠體等）。

2.8.1..3酶合成控制

細胞中的許多酶作為細胞的基本組成部分而存在，處于生長條件下。其他

酶則在需要的時候〃出現(xiàn)”，例如乙醛酸途徑中的異檸檬酸裂解酶是在當細胞在

C2底物上生長的時候才出現(xiàn)的，這被稱為酶的誘導合成。相反的，當不再需要

它們的時候，就會“消失"，例如，如果已經有足夠的組氨酸滿足細胞的生長需

要，那么于組氨酸合成的酶就不再被合成，這被稱為阻遏；如果化合物的供應

一旦消失，進行物質合成的酶又將會重新出現(xiàn)，其合成過程稱為去阻遏。

為了理解這樣的控制是如何作用的，就有必要概述一下蛋白質的合成過

程。

蛋白質（包括所有的酶）通過核糖體組織的酶復合物和RNA系列添加氨基

酸而合成（圖2.19）。確保氨基酸的正確順序的密碼位于信使RNA上，而信使

RNA是DNA的一個片斷進行復制而在細胞染色體內合成的。這個過程由依賴

DNA的RNA多聚酶催化，被稱為轉錄。眾所周知，染色體是由DNA雙螺旋按

照精確排序的堿基組成的：腺瞟吟（A）,胞口密淀（C）,胸腺［1密陡（T）和鳥

瞟吟（G）。DNA的兩條鏈只是通過相鄰堿基間的氫鍵相連接。由于A總是與T

配對，而C總是與G配對，那么從一條單鏈就可生成一條新的DNA鏈,這條單

鏈與最初原來的那條鏈互補。DNA以這樣的方式進行復制，從而保留遺傳信息

或者密碼；信使RNA也是來自于DNA的一條單鏈.除過用尿喘陡代替胸腺嚓

碇，RNA互補于DNA而且其自身的堿基同樣攜帶者遺傳密碼。盡管許多mRNA

讀取整條DNA鏈，但是每個mRNA只是DNA鏈上的一小部分。

核糖體附著于mRNA上,而且在核糖體中，mRNA上的堿基每次被讀取3

個，轉譯為特定的氨基酸密碼。這個密碼稱為密碼子。例如，密碼子UCA就至

代表著絲氨酸而CAG代表谷氨酸；因此，當黏附于核糖體的mRNA遇到

UCACAG那么就會生成絲-谷氨酸.以共價鍵連接在特殊轉移RNA(tRNA)上

的每個氨基酸都可識別mRNA上與其相對應的3個堿基。氨酰-tRNA是反應單

元，它被核糖體利用從而合成不斷增長的肽鏈。

每個單一的mRNA分子編碼一個蛋白質，它來源于染色體上的一個基因

(某些功能酶由不只一個蛋白質構成，例如丙酮酸脫氫酶)。每個基因都可以

被多次轉錄，染色體中就不是僅有這個基因的一個拷貝，從而遺傳信息就被擴

大了。

經過整個轉錄與轉譯過程,合成了蛋白質，對于這個過程的調控是非常復

雜的。原核生物與真核生物尤其是在具體的細節(jié)上是不同的，而且很多方面還

無法解釋。盡管如此，細菌系統(tǒng)中的調控機制是可以說明的。

由DNA生成mRNA的過程是由染色體上編碼誘導蛋白或者阻遏蛋白的那部

分控制的。這種機制如圖2.20所示。DNA上被稱為調節(jié)基因的部分生成調控阻

遏蛋白，它的作用是結合到另一個通常是相鄰的基因上。將這個蛋白結合到操

作基因上就阻止了一段基因的轉錄過程。這段基因是一個或多個結構基因，它

負責編碼酶蛋白的mRNA的合成。如果有誘導物存在,誘導物結合到調控能白

上,從而阻止了調控蛋白結合到操縱基因上，自由的操縱基因就允許結構基因

進行轉錄而合成相應的蛋白質“這就是如何將一個新的代謝途徑引進到操作

史。只要有誘導分子的存在，那么酶的和成就一直進行，如果除去誘導物，或

者誘導物被消耗完（常常是它誘導的代謝途徑），那么酶將停止合成。

當某個分子常常是代謝終產物與阻遏蛋白作用生成一種封鎖操縱基因產物

的時候，酶合