第四節(jié) 微生物的代謝

代謝是指生物體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的總和，它主要由分解代謝與合成代謝兩個(gè)過程組成。分解代謝是指細(xì)胞將營養(yǎng)物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)的過程，并在這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。合成代謝是指細(xì)胞利用簡單的小分子物質(zhì)合成較復(fù)雜大分子物質(zhì)的過程，在這個(gè)過程中要消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質(zhì)來源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境中的小分子營養(yǎng)物質(zhì)。合成代謝與分解代謝既有明顯的差別，又緊密相關(guān)。分解代謝為合成代謝的基礎(chǔ)，它們?cè)谏矬w中偶聯(lián)進(jìn)行，相互對(duì)立而統(tǒng)一，決定著生命的存在與發(fā)展。合成代謝為吸收能量的同化過程，分解代謝為釋放能量的異化過程。

一、微生物的能量代謝

（一）微生物的呼吸作用

微生物的生命活動(dòng)需要的能量來源于微生物的呼吸作用。微生物的呼吸作用是在細(xì)胞內(nèi)酶的催化下，將某種營養(yǎng)物質(zhì)或在同化過程中合成的某些物質(zhì)氧化，并釋放能量，以供給細(xì)胞生長所需要的物質(zhì)和生活所需的能量。因此，呼吸作用包括一系列生物化學(xué)反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)移的生物氧化還原過程，亦被稱為“產(chǎn)能代謝”或“生物氧化”。

既然微生物的呼吸是氧化和還原過程，在生物氧化過程中，則無論在有氧或無氧情況下，必須有一部分物質(zhì)被氧化，同時(shí)另一部分物質(zhì)被還原。在微生物細(xì)胞中，生物氧化的方式有三種：①物質(zhì)中加氧，如葡萄糖加氧被徹底分解為CO2和H2O; ②化合物脫氫，如乙醇脫氫為乙醛；③失去電子，如Fe2+失去電子變成Fe3+。

根據(jù)最終電子受體（氫受體）的不同，可將微生物的呼吸作用（生物氧化）分為有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵三種類型。

1．有氧呼吸

有氧呼吸是指微生物在氧化底物時(shí)，以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程，通過有氧呼吸可將有機(jī)物徹底氧化并釋放出大量能量，能量的一部分儲(chǔ)存在ATP中，一部分則以熱的形式散發(fā)。許多異養(yǎng)微生物以有機(jī)物作為氧化基質(zhì)進(jìn)行有氧呼吸獲得能量，而這種呼吸作用必須有脫氫酶、氧化酶以及電子傳遞系統(tǒng)參與。

以葡萄糖為基質(zhì)的有氧呼吸可分為兩個(gè)階段。第一階段是葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)糖酵解途徑（EMP途徑）生成丙酮酸；第二階段是在有氧條件下，丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)），通過一系列氧化還原反應(yīng)最后轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。在EMP途徑和TCA途徑中，脫下的氫或釋放出的電子經(jīng)過電子傳遞鏈的傳遞作用，最后傳遞到O2，于是葡萄糖被徹底氧化，O2被還原，最終產(chǎn)物為CO2和H2O。需氧菌和兼性菌在有氧條件下可以進(jìn)行有氧呼吸，同時(shí)釋放大量的能量。

2．無氧呼吸

無氧呼吸是指以無機(jī)氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程。有少數(shù)微生物（厭氧菌和兼性厭氧菌）以無機(jī)氧化物（如、、、、CO2等）為最終電子受體，進(jìn)行無氧呼吸。在無氧呼吸過程中，從底物脫下的氫和電子經(jīng)過呼吸鏈的傳遞，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物受氫（電子），并伴隨氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP。底物也可被徹底氧化，但與有氧呼吸相比，產(chǎn)生的能量較少。例如，硝酸鹽還原細(xì)菌，在無氧條件下葡萄糖被徹底氧化時(shí)，以作為呼吸鏈的最終電子受體，在硝酸鹽還原酶的作用下，將還原成，在亞硝酸鹽還原酶作用下可再進(jìn)一步還原成NO、N2O直至N2。這是一種異化硝酸鹽還原作用，又稱反硝化作用。作為這類無氧呼吸的氧化基質(zhì)的一般為有機(jī)物，如葡萄糖、乙酸等，它們可被徹底氧化成CO2和H2O，并有ATP的合成。

3．發(fā)酵

（1）狹義的發(fā)酵概念是指在無氧條件下，微生物在產(chǎn)能代謝中最終電子受體是被氧化基質(zhì)本身所產(chǎn)生的，而未被徹底氧化的中間產(chǎn)物，即有機(jī)物既是被氧化的基質(zhì)，又作為最終電子受體，而且作為最終電子受體的有機(jī)物是基質(zhì)未被徹底氧化的中間產(chǎn)物。在此種發(fā)酵過程中，一般由底物脫下的電子和氫交給NAD(P)，使之還原成NAD(P)H2，后者將電子和氫交給作為最終電子受體的中間代謝產(chǎn)物（有機(jī)物），完成氧化還原反應(yīng)，電子的傳遞不經(jīng)過細(xì)胞色素等中間電子傳遞體，而是分子內(nèi)部的轉(zhuǎn)移。由于發(fā)酵作用對(duì)有機(jī)物的氧化不徹底，發(fā)酵結(jié)果是積累有機(jī)物，且產(chǎn)生能量較少。

（2）廣義的發(fā)酵是在有氧或無氧條件下，利用好氧或兼性厭氧、厭氧微生物的新陳代謝活動(dòng)，將有機(jī)物氧化轉(zhuǎn)化為有用的代謝產(chǎn)物，從而獲得發(fā)酵產(chǎn)品和工業(yè)原料的過程。它包括好氧呼吸、厭氧呼吸和發(fā)酵三個(gè)方面的過程。因此，微生物中的狹義發(fā)酵和工業(yè)生產(chǎn)中廣義發(fā)酵概念的含義是有區(qū)別的。

（二）不同呼吸類型的微生物

在呼吸和發(fā)酵過程中，根據(jù)微生物的呼吸作用不同，所含的呼吸酶系統(tǒng)是否完全，最終電子受體是否是氧，以及微生物與分子氧的關(guān)系不同，可將它們分成好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌、微好氧菌和專性好氧菌五種呼吸類型。

1．耐氧菌

耐氧菌在有氧條件下進(jìn)行厭氧生活，生長不需要氧，分子氧對(duì)它們也無毒；它們沒有呼吸鏈，細(xì)胞內(nèi)有超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶，但無過氧化氫酶；靠專性發(fā)酵獲得能量。乳酸菌多數(shù)是耐氧菌。例如乳酸乳球菌乳酸亞種(Lactococcus lactis subsp.lactis)、糞腸球菌(Enterococcus faecalis)、乳酸乳桿菌(Lactobacillus lactis)以及腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)等。

2．厭氧菌

一般有厭氧菌和專性厭氧菌之分。這類菌只能在無氧或低氧化還原電位的環(huán)境下生長，分子氧對(duì)它們有毒，即使短期接觸空氣，也會(huì)抑制其生長甚至使之死亡；它們?nèi)狈ν暾暮粑赶到y(tǒng)，即細(xì)胞內(nèi)缺乏SOD和細(xì)胞色素氧化酶，多數(shù)還缺乏過氧化氫酶等抗氧化酶，主要靠發(fā)酵、無氧呼吸、循環(huán)光合磷酸化或甲烷發(fā)酵等提供所需能量。常見的厭氧菌有梭菌屬、擬桿菌屬(Bacteroides)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、消化球菌屬(Peptococcus)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、韋榮氏球菌屬(Veillonella)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、甲烷桿菌屬(Methanobacterium)等。其中多數(shù)產(chǎn)甲烷細(xì)菌是極端厭氧菌。

3．兼性厭氧菌

這類菌在有氧或無氧條件下均能生長，但有氧情況下生長得更好，它們具有需氧菌和厭氧菌的兩套呼吸酶系統(tǒng)，細(xì)胞含SOD和過氧化氫酶；在有氧時(shí)靠有氧呼吸產(chǎn)能，無氧時(shí)借發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能。許多酵母菌、腸道細(xì)菌、硝酸鹽還原菌（如脫氮小球菌），人和動(dòng)物的病原菌均屬此類菌。例如，啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)在有氧時(shí)進(jìn)行有氧呼吸，得到細(xì)胞產(chǎn)量；在無氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵而用于酒類釀造。腸桿菌科的各種細(xì)菌包括大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌和普通變形桿菌(Proteus vulgaris)等都是常見的兼性厭氧菌。

4．微好氧菌

這類菌只能在較低的氧分壓(1~3kPa，正常大氣壓中的氧分壓為20kPa)下才能正常生長，它們具有完整的呼吸酶系統(tǒng)，通過呼吸鏈并以氧為最終氫受體而產(chǎn)能。例如霍亂弧菌(Vibrio cholerae)、發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)、氫單胞菌屬(Hydrogenomonas)以及少數(shù)擬桿菌屬的種等屬于此類菌。在搖瓶培養(yǎng)時(shí)，菌體生長于液面以下數(shù)毫米處。

5．專性好氧菌

這類菌必須在高濃度分子氧的條件下才能生長，它們具有完整的呼吸酶系統(tǒng)，細(xì)胞含SOD和過氧化氫酶，通過呼吸鏈并以分子氧作為最終氫受體，在正常大氣壓下進(jìn)行好氧呼吸產(chǎn)能。多數(shù)細(xì)菌、放線菌、真菌屬于此類菌。大規(guī)模培養(yǎng)好氧菌時(shí)，應(yīng)設(shè)法獲得更多的空氣。一般實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)上常用搖瓶振蕩或通氣攪拌的方法供給充足的氧氣。

（三）化能異養(yǎng)微生物的生物氧化

微生物在生命活動(dòng)過程中主要通過生物氧化反應(yīng)獲得能量。生物氧化是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列氧化還原反應(yīng)的總稱。生物氧化的類型包括有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵。多數(shù)微生物是化能異養(yǎng)型菌，只能通過降解有機(jī)物而獲得能量。葡萄糖是微生物最好的碳源和能源，這里以葡萄糖作為微生物氧化的典型底物，它在生物氧化的脫氫階段中，可通過EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、TCA循環(huán)完成脫氫反應(yīng)，并伴隨還原力[H]和能量的產(chǎn)生。葡萄糖在厭氧條件下經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生丙酮酸，這是多數(shù)厭氧和兼性厭氧微生物進(jìn)行葡萄糖無氧降解的共同途徑。丙酮酸以后的降解，因不同種類微生物具有不同的酶系統(tǒng)，使之有多種發(fā)酵類型，可產(chǎn)生不同的發(fā)酵產(chǎn)物，即由EMP途徑、HMP途徑、PK途徑、雙歧途徑、ED途徑、TCA循環(huán)等代謝途徑產(chǎn)生的主要發(fā)酵產(chǎn)物，如酒精、甘油、乳酸、丙酸、丁酸、檸檬酸、谷氨酸等。

1．EMP途徑

EMP途徑(embden-meyerhof-parnas pathway)又稱糖酵解途徑或二磷酸己糖途徑。生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，這是多數(shù)微生物共有的基本代謝途徑。糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸可進(jìn)一步通過TCA循環(huán)繼續(xù)徹底氧化。通過EMP途徑（圖2-10），1分子葡萄糖經(jīng)10步反應(yīng)轉(zhuǎn)變成2分子丙酮酸，產(chǎn)生2分子ATP和NADH2分子。

在EMP途徑終反應(yīng)中，2NADH2在有氧條件下，可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生6 ATP；而在無氧條件下，則可將丙酮酸還原成乳酸，或?qū)⒈崦擊瘸梢胰?，后者還原為乙醇。

EMP途徑的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛縮酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解生成兩個(gè)三碳化合物，即3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮。其中磷酸二羥丙酮在丙糖磷酸異構(gòu)酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油醛。2個(gè)3-磷酸甘油醛經(jīng)磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶作用下生成2分子丙酮酸。丙酮酸是EMP途徑的關(guān)鍵產(chǎn)物，由它出發(fā)在不同的微生物中可進(jìn)行多種發(fā)酵。EMP途徑是連接TCA循環(huán)、HMP途徑和ED途徑等其他重要代謝途徑的橋梁，同時(shí)也為生物合成提供了多種中間化合物。此外，還可通過EMP途徑的逆過程合成單糖。

由EMP途徑中的關(guān)鍵產(chǎn)物丙酮酸出發(fā)有多種發(fā)酵途徑，并可產(chǎn)生多種重要的發(fā)酵產(chǎn)品，下面介紹乙醇、甘油、乳酸、丙酸和丁醇等常見的幾種發(fā)酵類型。

（1）酵母的酒精發(fā)酵

①酵母Ⅰ型發(fā)酵：酵母菌在無氧和酸性條件下(p H 3.5~4.5)經(jīng)EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，丙酮酸再由丙酮酸脫羧酶作用形成乙醛和CO2，乙醛作為NADH2的氫受體，在乙醇脫氫酶的作用下還原為乙醇。

酵母菌是兼性厭氧菌，在有氧條件下丙酮酸循環(huán)徹底氧化成CO2和H2O。如果將氧氣通入正在發(fā)酵葡萄糖的酵母發(fā)酵液中，葡萄糖分解速度下降并停止產(chǎn)生乙醇。這種抑制現(xiàn)象首先由巴斯德觀察到，故稱為巴斯德效應(yīng)。在正常條件下，酵母菌的酒精發(fā)酵可按上式進(jìn)行，如果改變發(fā)酵條件，還會(huì)出現(xiàn)其他發(fā)酵類型。

②酵母П型發(fā)酵：當(dāng)發(fā)酵液中有亞硫酸氫鈉時(shí)，它可以和乙醛加成生成難溶性硫化羥基乙醛。迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為氫受體，生成α-磷酸甘油。后者在α-磷酸甘油脫氫酶的催化下，再水解脫去磷酸生成甘油，使乙醇發(fā)酵變成甘油發(fā)酵。

③酵母 Ш型發(fā)酵：在偏堿性條件下(pH7.6)，乙醛不能作為氫受體被還原成乙醇，而是兩個(gè)乙醇分子發(fā)生歧化反應(yīng)，一分子乙醛氧化成乙酸，另一分子乙醛還原成乙醇，使磷酸二羥丙酮作為NADH2的氫受體，還原成α-磷酸甘油，再脫去磷酸生成甘油，這稱為堿法甘油發(fā)酵。這種發(fā)酵方式不產(chǎn)生能量。

應(yīng)注意的是采用該法生成甘油時(shí)，必須使發(fā)酵液保持堿性，否則由于酵母菌產(chǎn)酸使發(fā)酵液pH降低，使第Ⅲ型發(fā)酵回到第Ⅰ型發(fā)酵。由此可見，發(fā)酵產(chǎn)物會(huì)隨發(fā)酵條件變化而改變。酵母菌的乙醇發(fā)酵已廣泛應(yīng)用于釀酒和酒精生產(chǎn)。

（2）同型乳酸發(fā)酵

葡萄糖經(jīng)乳酸菌的EMP途徑，發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸，稱同型乳酸發(fā)酵。在ATP與相應(yīng)酶的參與下，一分子葡萄糖經(jīng)兩次磷酸化與異構(gòu)化生成1,6-二磷酸果糖，后者隨即裂解為3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)化成3-磷酸甘油醛后經(jīng)脫氫作用而被氧化，其釋放的電子傳至NAD+，使之形成還原型NADH2。后者又將其接受的電子傳遞給丙酮酸，在乳酸脫氫酶作用下還原為乳酸。在乳酸發(fā)酵中，作為最終電子受體的是葡萄糖不徹底氧化的中間產(chǎn)物——丙酮酸。發(fā)酵過程中借基質(zhì)水平磷酸化生成ATP，是發(fā)酵過程中合成ATP的唯一方式，為機(jī)體提供可利用的能量。所謂基質(zhì)水平磷酸化是指在被氧化的基質(zhì)上發(fā)生的磷酸化作用。即基質(zhì)在其氧化過程中，形成某些含高能磷酸鍵的中間產(chǎn)物，這類中間產(chǎn)物可將其高能鍵通過相應(yīng)酶的作用轉(zhuǎn)給ADP，生成ATP。葡萄糖經(jīng)乳酸菌的EMP途徑氧化，開始時(shí)消耗ADP，后來產(chǎn)生ATP，總計(jì)每分子葡萄糖凈合成2分子ATP。

進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵的微生物，有乳酸乳球菌乳酸亞種、乳酸乳球菌乳脂亞種、嗜熱鏈球菌、德氏乳桿菌保加利亞亞種（舊稱保加利亞乳桿菌）、嗜酸乳桿菌等。乳酸發(fā)酵廣泛應(yīng)用于食品和農(nóng)牧業(yè)中。泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青貯飼料等都是利用乳酸發(fā)酵的發(fā)酵制品。由于乳酸菌的代謝活動(dòng)積累乳酸，酸化環(huán)境，抑制其他微生物的生長，能使蔬菜、牛奶、青貯飼料等得以保存。近代工業(yè)多以淀粉為原料，經(jīng)糖化后，利用德氏乳酸桿菌(L.delbrueckii)進(jìn)行乳酸發(fā)酵生產(chǎn)純?nèi)樗帷?/p>

（3）丙酸發(fā)酵

葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑生成丙酮酸，丙酮酸羧化形成草酰乙酸，后者還原成蘋果酸、琥珀酸，琥珀酸再脫羧產(chǎn)生丙酸。丙酸菌發(fā)酵產(chǎn)物中還常有乙酸和CO2。丙酸菌多見于動(dòng)物腸道和乳制品中。工業(yè)上常用傅氏丙酸桿菌和薛氏丙酸桿菌等發(fā)酵生產(chǎn)丙酸。丙酸細(xì)菌除利用葡萄糖外，也可利用甘油和乳酸進(jìn)行丙酸發(fā)酵。

（4）丁酸型發(fā)酵

能進(jìn)行丁酸型發(fā)酵的微生物主要是專性厭氧的丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌和丁醇梭菌。

①丁酸發(fā)酵：丁酸梭菌能進(jìn)行丁酸發(fā)酵，其葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)物以丁酸為主，還可產(chǎn)生乙酸、CO2和H2等。葡萄糖經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生的丙酮酸，在輔酶A參與下生成乙酰CoA，再生成乙酰磷酸，在乙酸激酶的催化下，可將磷酸轉(zhuǎn)移給ADP，生成乙酸和ATP。由2分子丙酮酸產(chǎn)生的2分子乙酰CoA還可縮合生成乙酰CoA，并進(jìn)一步還原生成丁酸。

②丙酮丁醇發(fā)酵：丙酮丁醇梭菌能進(jìn)行丙酮丁醇發(fā)酵，它是丁酸發(fā)酵的一種。其葡萄糖的發(fā)酵產(chǎn)物是以丙酮、丁醇為主，還有乙酸、丁酸、CO2和H2。丙酮和丁醇是重要的化工原料和有機(jī)溶劑。丙酮丁醇梭菌具有淀粉酶，發(fā)酵生產(chǎn)可以淀粉為原料。淀粉分解為葡萄糖，葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸生成乙酰CoA，進(jìn)而合成丙酮和丁醇。丙酮來自乙酰乙酸的脫羧，而丁醇來自丁酸的還原。在丙酮、丁醇發(fā)酵過程中，前期發(fā)酵主要產(chǎn)生丁酸、乙酸，后期發(fā)酵隨著pH下降，轉(zhuǎn)向積累大量的丙酮、丁醇。

③丁醇發(fā)酵：丁醇梭菌能進(jìn)行丁醇發(fā)酵，其葡萄糖主要發(fā)酵產(chǎn)物是丁醇、異丙醇、丁酸、乙酸、CO2和H2。異丙醇由丙酮還原而成。

（5）混合酸發(fā)酵

能積累多種有機(jī)酸的葡萄糖發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵，又稱甲酸發(fā)酵。大多數(shù)腸道細(xì)菌，如大腸桿菌、傷寒沙門氏菌、產(chǎn)氣腸桿菌等均能進(jìn)行混合酸發(fā)酵。先經(jīng)EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，在不同酶的作用下丙酮酸分別轉(zhuǎn)變成甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、CO2和H2等。

2．HMP途徑

HMP途徑(hexose-monophosphate-pathway)又稱單磷酸己糖途徑或磷酸戊糖支路。這是一條能產(chǎn)生大量NADPH2形式還原力和重要中間代謝產(chǎn)物而并非產(chǎn)能的代謝途徑。葡萄糖經(jīng)HMP途徑而不經(jīng)EMP和TCA循環(huán)可以得到徹底氧化。

HMP途徑可概括為三個(gè)階段。①葡萄糖分子通過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生5-磷酸核酮糖和CO2; ②磷酸核酮糖發(fā)生同分異構(gòu)化而分別產(chǎn)生5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。③上述各種磷酸戊糖在沒有氧參與的條件下，發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了磷酸己糖和5-磷酸甘油醛，后者可通過以下兩種方式進(jìn)行代謝。一種方式是進(jìn)入EMP途徑生成丙酮酸，再進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)行徹底氧化，許多微生物利用HMP途徑將葡萄糖完全分解成CO2和H2。另一種方式是通過二磷酸果糖醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為磷酸葡萄糖。

HMP途徑一次循環(huán)需要6分子葡萄糖同時(shí)參與，其中有5分子6-磷酸葡萄糖再生，用去1分子葡萄糖，產(chǎn)生大量NADPH2形式的還原力。具有HMP途徑的多數(shù)好氧菌和兼性厭氧菌中往往同時(shí)存在EMP途徑。單獨(dú)具有HMP途徑的微生物少見。HMP途徑和EMP途徑中的一些中間產(chǎn)物可以交叉轉(zhuǎn)化和利用，以滿足微生物代謝的多種需要。

3．PK途徑

PK途徑(phospho-pentose-ketolase pathway)又稱磷酸戊糖解酮酶途徑。

該途徑從葡萄糖到5-磷酸木酮糖均與HMP途徑相同，然后又在這條途徑的關(guān)鍵酶——磷酸戊糖解酮酶的作用下，生成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛。腸膜明串珠菌分解葡萄糖的典型異型乳酸發(fā)酵途徑如圖2-11所示。

通過PK途徑將1分子葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生1分子乳酸、1分子乙醇和1分子CO2，并且只產(chǎn)生1分子AT P和1分子H 2 O。明串珠菌屬中的腸膜明串珠菌腸膜亞種(Leuconostoc mesenteroides subsp.mesenteroides)、腸膜明串珠菌葡萄糖亞種(L.mesnteroides subsp.dextranicum)、腸膜明串珠菌乳脂亞種(L.mesenteroides subsp.cremoris)和乳酸桿菌屬中的短乳酸桿菌(Lactobacillusbrevis)、發(fā)酵乳桿菌(L.fermentum)、甘露乳桿菌(L.manitopoeum)和番茄乳桿菌(L.lycopersici)等乳酸菌可通過P K途徑進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵。因?yàn)樗鼈兗热狈 MP途徑中的關(guān)鍵酶——果糖二磷酸醛縮酶和異構(gòu)酶，又缺乏HMP途徑的轉(zhuǎn)酮——轉(zhuǎn)醛酶系，而具有磷酸戊糖解酮酶，故其葡萄糖的降解依賴于HMP途徑的變異途徑——PK途徑。微生物利用不同糖類雖然都進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵，但其發(fā)酵途徑和產(chǎn)物稍有差異。例如，腸膜明串珠菌腸膜亞種通過PK途徑利用葡萄糖時(shí)發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙醇、CO2，而利用核糖時(shí)的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸和乙酸，利用果糖的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙酸、CO2和甘露醇等。此外，根霉(Rhizopus)亦可進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵。

4．雙歧途徑

雙歧途徑(bifidum pathway)是兩歧雙歧桿菌(Bifidobacterium bifidum)、長雙歧桿菌(B.longum)、短雙歧桿菌(B.breve)、嬰兒雙歧桿菌(B.infantis)等雙歧桿菌分解葡萄糖的非典型異型乳酸發(fā)酵途徑，這是EMP途徑的變異途徑。雙歧桿菌既無醛縮酶，也無6-磷酸葡萄糖脫氫酶，但有有活性的磷酸解酮酶類，這是雙歧途徑的關(guān)鍵酶。在雙歧途徑中，從2分子葡萄糖到2分子6-磷酸果糖均與EMP途徑相同，其中，1分子6-磷酸果糖在第一個(gè)關(guān)鍵酶——6-磷酸果糖磷酸酮酶（磷酸己糖酮酶）的作用下裂解生成4-磷酸赤蘚糖和乙酰磷酸，乙酰磷酸由乙酸激酶催化為1分子乙酸；另1分子6-磷酸果糖則與4-磷酸赤蘚糖反應(yīng)生成5-磷酸木酮糖，5-磷酸木酮糖在第二個(gè)關(guān)鍵酶——磷酸木酮糖磷酸酮酶（磷酸戊糖解酮酶）的催化下分解成2分子3-磷酸甘油醛和2分子乙酰磷酸，2分子3-磷酸甘油醛在乳酸脫氫酶催化下生成2分子乳酸，而2分子乙酰磷酸被乙酸激酶催化為2分子乙酸。通過雙歧途徑可將2分子葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生2分子乳酸和3分子乙酸，并產(chǎn)生5分子ATP。

5．ED途徑

ED途徑(enrner-doudoroff pathway)又稱為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂解途徑。它是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的細(xì)菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑。在ED途徑中，6-磷酸葡萄糖首先脫氫產(chǎn)生6-磷酸葡萄糖酸，繼而在脫水酶和醛縮酶的作用下，產(chǎn)生1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸，然后3-磷酸甘油醛進(jìn)入EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP、1分子NADPH和NADH2。

ED途徑的特點(diǎn)是：①葡萄糖經(jīng)快速反應(yīng)獲得丙酮酸（僅4步反應(yīng)）；②6碳的關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物是KDPG; ③特征性酶是KDPG醛縮酶；④特征性反應(yīng)是KDPG裂解生成丙酮酸和3-磷酸甘油醛；⑤產(chǎn)能效率低，1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑分解只產(chǎn)生1分子ATP。

6．三羧酸循環(huán)

三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle)簡稱TCA循環(huán)。是指由糖酵解途徑生成的丙酮酸在有氧條件下，通過一個(gè)包括三羧酸和二羧酸的循環(huán)逐步脫羧、脫氫，徹底氧化生成CO2、H2O和NADH2的過程。它是生物體獲得能量的有效途徑，在多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化代謝中起關(guān)鍵作用。

從圖2-12可知，丙酮酸脫羧后，形成NADH2，并產(chǎn)生2C化合物乙酰CoA(CH3COSCoA)，它與4C化合物草酰乙酸經(jīng)TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶——檸檬酸合成酶作用，縮合形成6C化合物檸檬酸。通過一系列氧化和轉(zhuǎn)化反應(yīng)，6C化合物經(jīng)過5C化合物階段又重新回到4C化合物——草酰乙酸，再由草酰乙酸接受來自下一個(gè)循環(huán)的乙酰CoA分子。

TCA循環(huán)中的某些中間代謝產(chǎn)物是各種氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂類等生物合成前體物，例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物質(zhì)；α-酮戊二酸可轉(zhuǎn)化為谷氨酸，草酰乙酸可轉(zhuǎn)化為天冬氨酸，而且這些氨基酸還可轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌被?，并參與蛋白質(zhì)的生物合成。TCA循環(huán)也是糖類、脂肪、蛋白質(zhì)有氧降解的共同途徑，例如脂肪酸經(jīng)β-氧化途徑生成乙酰CoA可進(jìn)入TCA循環(huán)徹底氧化成CO2和H2O；又如丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等經(jīng)脫氨基作用后，可分別形成丙酮酸、草酰乙酸、α-酮戊二酸等，它們都可進(jìn)入TCA循環(huán)被徹底氧化。因此，TCA實(shí)際上是微生物細(xì)胞內(nèi)各類物質(zhì)的合成和分解代謝的中心樞紐。

二、微生物的分解代謝

微生物的代謝活動(dòng)與動(dòng)植物食品的加工和貯藏有密切的關(guān)系，食品中含有大量糖類、淀粉、纖維素、果膠質(zhì)、蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)，可作為微生物的碳素和氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)。如果環(huán)境條件適宜，微生物就能在食品中大量生長繁殖，造成食品腐敗變質(zhì)，同時(shí)人們利用有益菌的代謝活動(dòng)生產(chǎn)發(fā)酵食品、藥品和飼料等。

微生物對(duì)大分子有機(jī)物的分解一般可分為三個(gè)階段：第一階段是將蛋白質(zhì)、多糖、脂類等大分子營養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)；第二階段是將第一階段的分解產(chǎn)物進(jìn)一步降解為更簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸和能進(jìn)入TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物，在此階段會(huì)產(chǎn)生能量(ATP)和還原力(NADH及FADH2)；第三階段通過三羧酸循環(huán)將第二階段的產(chǎn)物完全降解成CO2，并產(chǎn)生能量和還原力。由于分解代謝釋放的能量供細(xì)胞生命活動(dòng)使用，因此微生物體內(nèi)只有進(jìn)行旺盛的分解代謝，才能更多地合成微生物細(xì)胞物質(zhì)，并使其迅速生長繁殖?？梢姺纸庾饔迷谖⑸锎x中十分重要。

（一）蛋白質(zhì)和氨基酸的分解

蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物通常是作為微生物生長的氮源物質(zhì)或生長因子。由于蛋白質(zhì)是由氨基酸以肽鍵結(jié)合組成的大分子物質(zhì)，不能直接通過菌體細(xì)胞膜，故微生物對(duì)蛋白質(zhì)不能直接吸收利用。微生物利用蛋白質(zhì)時(shí)，先分泌蛋白酶至細(xì)胞外，將蛋白質(zhì)水解成為短肽后透過細(xì)胞，再由細(xì)胞內(nèi)的肽酶將短肽水解成氨基酸后才被利用。

1．蛋白質(zhì)的分解

蛋白質(zhì)在有氧環(huán)境下被微生物分解的過程稱為腐化，這時(shí)蛋白質(zhì)可被完全氧化，生成簡單的化合物，如CO2、H2、NH3、CH4等。蛋白質(zhì)在厭氧的環(huán)境中被微生物分解的過程稱為腐敗，此時(shí)蛋白質(zhì)分解不完全，分解產(chǎn)物多數(shù)為中間產(chǎn)物，如氨基酸、有機(jī)酸等。

蛋白質(zhì)的降解分兩步完成：首先在微生物分泌的胞外蛋白酶的作用下水解生成短肽，然后短肽在肽酶的作用下進(jìn)一步被分解成氨基酸。根據(jù)作用部位的不同，肽酶分為氨肽酶和羧肽酶。氨肽酶作用于有游離氨基端的肽鍵，羧肽酶作用于有游離羧基端的肽鍵。肽酶是一種胞內(nèi)酶，在細(xì)胞自溶后釋放到環(huán)境中。

微生物分泌蛋白酶種類因菌種而異，其分解蛋白質(zhì)的能力也各不相同。一般真菌分解蛋白質(zhì)能力強(qiáng)，并能分解天然蛋白質(zhì)，而多數(shù)細(xì)菌不能分解天然蛋白質(zhì)，只能分解變性蛋白以及蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物，因而微生物分解蛋白質(zhì)的能力是微生物分類依據(jù)之一。

分解蛋白質(zhì)的微生物種類很多，好氧的如枯草芽孢桿菌、馬鈴薯芽孢桿菌、假單胞菌等，兼性厭氧的如普通變形桿菌，厭氧的如梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌等。放線菌中不少鏈霉菌均產(chǎn)生蛋白酶。真菌如曲霉屬、毛霉屬等均具蛋白酶活力。有些微生物只有肽酶而無蛋白酶，因此只能分解蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物，不能分解蛋白質(zhì)。例如乳酸桿菌、大腸桿菌等不能水解蛋白質(zhì)，但可以利用蛋白胨、肽和氨基酸等。故蛋白胨是多數(shù)微生物的良好氮源。

在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)的醬制品，如醬油、豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物對(duì)蛋白質(zhì)的分解作用。近代工業(yè)已能利用枯草芽孢桿菌、棲土曲霉、放線菌中的費(fèi)氏放線菌等微生物生產(chǎn)蛋白酶制劑。

2．氨基酸的分解

微生物利用氨基酸除直接用于合成菌體蛋白質(zhì)的氮源外，還可分解生成氨、有機(jī)酸、胺等物質(zhì)作為碳源和能源。氨被利用合成各種必需氨基酸、酰胺類等，有機(jī)酸可進(jìn)入三羧酸循環(huán)或進(jìn)行發(fā)酵作用等。此外，氨基酸的分解產(chǎn)物對(duì)許多發(fā)酵食品，如醬油、干酪、發(fā)酵香腸等的揮發(fā)性風(fēng)味組分有重要影響。

不同微生物分解氨基酸能力不同。例如，大腸桿菌、變形桿菌屬和綠膿假單胞菌幾乎能分解所有的氨基酸，而乳桿菌屬、鏈球菌屬則分解氨基酸能力較差。由于微生物對(duì)氨基酸的分解方式不同，形成的產(chǎn)物也不同。微生物對(duì)氨基酸的分解方式主要是脫氨作用和脫羧作用。

（二）脂肪和脂肪酸的分解

脂肪是自然界廣泛存在的重要脂類物質(zhì)。脂肪和脂肪酸作為微生物的碳源和能源，一般被微生物緩慢利用。但如果環(huán)境中有其他容易利用的碳源與能源物質(zhì)時(shí)，脂肪類物質(zhì)一般不被微生物利用。在缺少其他碳源與能源物質(zhì)時(shí)，微生物能分解與利用脂肪進(jìn)行生長。由于脂肪是由甘油與三個(gè)長鏈脂肪酸通過酯鍵連接起來的甘油三酯，因此，它不能進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)貯藏的脂肪也不可直接進(jìn)入糖的降解途徑，均要在脂肪酶的作用下進(jìn)行水解。

1．脂肪的分解

脂肪在微生物細(xì)胞合成的脂肪酶作用下（胞外酶對(duì)胞外的脂肪作用，胞內(nèi)酶對(duì)胞內(nèi)脂肪作用），水解成甘油和脂肪酸。

脂肪酶廣泛存在于細(xì)菌、放線菌和真菌中。如細(xì)菌中的熒光假單胞菌、黏質(zhì)沙雷氏菌（又名靈桿菌）、分枝桿菌等，放線菌中的小放線菌，霉菌中的曲霉、青霉、白地霉等都能分解脂肪和高級(jí)脂肪酸。一般真菌產(chǎn)生脂肪酶能力較強(qiáng)，而細(xì)菌產(chǎn)生脂肪酶的能力較弱。脂肪酶目前主要用于油脂、食品工業(yè)中，常被用做消化劑并用于乳品增香、制造脂肪酸等。

2．脂肪酸的分解

多數(shù)細(xì)菌對(duì)脂肪酸的分解能力很弱。但是，脂肪酸分解酶系誘導(dǎo)酶，在有誘導(dǎo)物存在情況下，細(xì)菌也能分泌脂肪酸分解酶，而使脂肪酸分解氧化。如大腸桿菌有可被誘導(dǎo)合成脂肪酸的酶系，使含6~16個(gè)碳的脂肪酸靠基團(tuán)轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞，同時(shí)形成乙酰CoA，隨后在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行脂肪酸的β-氧化。

脂肪酸的β-氧化是脂肪酸分解的一條主要代謝途徑，在原核細(xì)胞的細(xì)胞膜上和真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)進(jìn)行，由于脂肪酸氧化斷裂發(fā)生在β-碳原子上而得名。在β-氧化過程中，能產(chǎn)生大量的能量，最終產(chǎn)物是乙酰CoA。乙酰CoA直接進(jìn)入TCA循環(huán)被徹底氧化成CO2和水，或以其他途徑被氧化降解。

3．甘油的分解

甘油可被微生物迅速吸收利用。甘油在甘油酶催化下生成α-磷酸甘油，后者再由α-磷酸甘油脫氫酶催化產(chǎn)生磷酸二羥丙酮。磷酸二羥丙酮可進(jìn)入EMP途徑或其他途徑被進(jìn)一步氧化。

三、微生物的合成代謝

微生物的合成代謝包括初級(jí)代謝產(chǎn)物（如糖類、脂類、蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、核苷酸等）的合成代謝與次級(jí)代謝物（如毒素、色素、抗生素、激素等）的合成代謝。本節(jié)重點(diǎn)介紹單糖、氨基酸與核苷酸的生物合成。

（一）單糖的合成

微生物在生長過程中，需不斷將簡單化合物合成糖類，以構(gòu)成細(xì)胞生長所需的單糖和多糖。糖類的合成對(duì)自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物的生命活動(dòng)十分重要。單糖的合成主要有卡爾文循環(huán)（光合菌、某些化能自養(yǎng)菌）、乙醛酸循環(huán)（異養(yǎng)菌）、EMP逆過程（自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌）、糖異生作用、糖互變作用。下面主要介紹由EMP逆過程及糖異生作用合成單糖。

1．由EMP逆過程合成單糖

單糖的合成一般通過EMP途徑逆行合成6-磷酸葡萄糖，而后再轉(zhuǎn)化為其他糖，故單糖合成的中心環(huán)節(jié)是葡萄糖的合成。EMP途徑中大多數(shù)的酶促反應(yīng)是可逆的，但由于己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶三個(gè)限速酶催化的三個(gè)反應(yīng)過程都有能量變化，因而其可逆反應(yīng)過程另有其他酶催化完成。

（1）由丙酮酸激酶催化的逆反應(yīng)由兩步反應(yīng)完成。丙酮酸激酶催化的反應(yīng)使磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)移其能量及磷酸基生成ATP，這個(gè)反應(yīng)的逆過程就需吸收等量的能量，因而構(gòu)成“能障”。為了繞過“能障”，另有其他酶催化逆反應(yīng)過程。首先由羧化酶催化，將丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜?，然后再由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，由草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸。這個(gè)過程中需消耗兩個(gè)高能鍵（一個(gè)來自ATP，另一個(gè)來自GTP），而由磷酸烯醇式丙酮酸降解為丙酮酸只生成1個(gè)ATP。

（2）由己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的兩個(gè)反應(yīng)的逆行過程。己糖激酶（包括葡萄糖激酶）和磷酸果糖激酶所催化的兩個(gè)反應(yīng)都要消耗ATP。這兩個(gè)反應(yīng)的逆行過程：1,6-二磷酸果糖生成6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖，分別由兩個(gè)特異的果糖-2-磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶水解己糖磷酸酯鍵完成。

2．由糖異生作用合成單糖

非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟腔蛱窃倪^程稱為糖異生作用。非糖物質(zhì)主要有生糖氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、精氨酸、組氨酸、賴氨酸等）、有機(jī)酸（乳酸、丙酮酸及三羧酸循環(huán)中各種羧酸等）和甘油等。糖異生的途徑基本上是EMP途徑或糖的有氧氧化的逆過程。例如，異養(yǎng)菌以乳酸為碳源時(shí)，可直接氧化成丙酮酸，丙酮酸經(jīng)EMP途徑的逆反應(yīng)過程合成葡萄糖、代謝物對(duì)糖異生具有調(diào)節(jié)作用。糖異生原料（如乳酸、甘油、氨基酸等）的濃度高，可使糖異生作用增強(qiáng)。乙酰CoA的濃度高低決定了丙酮酸代謝流的方向，如脂肪酸氧化分解產(chǎn)生大量的乙酰CoA，可抑制丙酮酸生成草酰乙酸，使糖異生作用加強(qiáng)。

（二）氨基酸的合成

微生物細(xì)胞內(nèi)能生物合成所有的氨基酸，其生物合成主要包括氨基酸碳骨架的合成，以及氨基酸的結(jié)合兩個(gè)方面。合成氨基酸的碳骨架主要來自糖代謝（EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)）產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，而氨有以下幾種來源：①直接從外界環(huán)境獲得；②通過體內(nèi)含氮化合物的分解得到；③通過固氮作用合成；④硝酸鹽還原作用合成。此外，在合成含硫氨基酸時(shí)，還需要硫的供給。氨基酸的合成主要有三種方式。①氨基化作用：指α-酮酸與氨反應(yīng)形成相應(yīng)的氨基酸。例如，谷氨酸的生物合成就是α-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的催化下，以NAD(P)+為輔酶，直接吸收，通過氨基化反應(yīng)合成的。②轉(zhuǎn)氨基作用：在轉(zhuǎn)氨酶（又稱氨基轉(zhuǎn)移酶）催化下將一種氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移給酮酸，生產(chǎn)新的氨基酸的過程。例如，在轉(zhuǎn)氨酶催化下谷氨酸的氨基轉(zhuǎn)移給丙氨酸，使前者生成α-酮戊二酸，后者生產(chǎn)丙氨酸。③以糖代謝的中間產(chǎn)物為前體物合成氨基酸：21種氨基酸除了通過上述兩種方式合成外，還可通過糖代謝的中間產(chǎn)物，如3-磷酸甘油醛、4-磷酸赤蘚糖、草酰乙酸、3-磷酸核糖焦磷酸等經(jīng)一系列生化反應(yīng)而合成。

（三）核苷酸的合成

核苷酸是核酸的基本組成單位，由堿基、戊糖、磷酸所組成。根據(jù)堿基成分可將核苷酸分成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。嘌呤核苷酸的全合成途徑由磷酸核糖開始，然后與谷氨酸胺、甘氨酸、CO2、天冬氨酸等代謝物質(zhì)逐步結(jié)合，最后將環(huán)閉合起來形成次黃嘌呤核苷酸(IMP)，并繼續(xù)轉(zhuǎn)化為腺嘌呤核苷酸(AMP)和鳥嘌呤核苷酸(GMP)。

從IMP轉(zhuǎn)化為AMP和GMP的途徑，在枯草芽孢桿菌中，分出兩條環(huán)形路線，GMP和AMP可以互相轉(zhuǎn)變；而在產(chǎn)氨短桿菌中，從IMP開始分出的兩條路線不是環(huán)形的，而是單向分支路線，GMP和AMP不能相互轉(zhuǎn)變。而核苷酸的全合成途徑受阻時(shí)，微生物可從培養(yǎng)基中直接吸收完整的嘌呤、戊糖和磷酸，通過酶的作用直接合成單核苷酸，所以稱為補(bǔ)救途徑。嘌呤堿基、核苷和核苷酸之間還能通過分段合成相互轉(zhuǎn)變。

嘧啶核苷酸的生物合成是由小分子化合物全新合成尿嘧啶核苷酸，然后再轉(zhuǎn)化為其他嘧啶核苷酸。脫氧核苷酸的生物合成是由核苷酸糖基第二位碳上的－OH還原為H而成，是一個(gè)耗能過程。不同微生物的核苷酸脫氧過程可在不同水平上進(jìn)行。大腸桿菌脫氧過程是在核糖核苷二磷酸的水平上，而賴氏乳桿菌在核糖核苷三磷酸的水平上進(jìn)行。DNA中的胸腺嘧啶脫氧核苷酸是在形成尿嘧啶脫氧核糖核苷二磷酸后，脫去磷酸，再經(jīng)甲基化生成。

四、微生物代謝的調(diào)節(jié)

（一）微生物代謝的調(diào)節(jié)

微生物細(xì)胞從環(huán)境中不斷地吸收營養(yǎng)物質(zhì)，然后進(jìn)行分解和合成作用，以滿足生長和繁殖的需要，這些分解和合成反應(yīng)都是在酶的作用下進(jìn)行的，受到酶的調(diào)節(jié)。微生物代謝的調(diào)節(jié)主要依靠酶合成調(diào)節(jié)與酶活性調(diào)節(jié)方式控制參與調(diào)節(jié)的有關(guān)酶的合成量和酶的活性。

1．酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制。酶的合成受基因和代謝物的雙重控制。一方面，酶的生物合成受基因控制，由基因決定酶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；另一方面，酶的合成還受代謝物（酶反應(yīng)底物、產(chǎn)物及其結(jié)構(gòu)類似物）的控制和調(diào)節(jié)。當(dāng)有誘導(dǎo)物時(shí)，酶的生成量可以幾倍乃至幾百倍地增加。相反地，某些酶反應(yīng)的產(chǎn)物，特別是終產(chǎn)物，又能產(chǎn)生阻遏物，使酶的合成量大大減少。

（1）誘導(dǎo)作用

凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)，該酶稱為誘導(dǎo)酶。它是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時(shí)合成的一類酶，例如E.coli在含乳糖培養(yǎng)基中所產(chǎn)生的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷滲透酶等。能促進(jìn)誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)成為誘導(dǎo)物，它可以是酶的底物，也可以是底物結(jié)構(gòu)類似物或是底物的前體物質(zhì)。有些底物類似物比誘導(dǎo)物的作用更強(qiáng)，如異丙基-β-D-硫代半乳糖在誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶生成方面比乳糖的誘導(dǎo)作用要大1000倍。

（2）阻遏作用

凡能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象稱為阻遏。阻遏可分為末端代謝產(chǎn)物的阻遏和分解代謝產(chǎn)物的阻遏兩種。

①末端代謝產(chǎn)物的阻遏：是指由代謝途徑末端產(chǎn)物的過量積累而引起的阻遏，例如，在E.coli合成色氨酸中，色氨酸超過一定濃度，有關(guān)色氨酸合成的酶就停止合成。

②分解代謝物阻遏：是指培養(yǎng)基中同時(shí)存在兩種分解代謝底物（兩種碳源或氮源）時(shí)，微生物細(xì)胞利用快的那種碳源（或氮源）阻遏利用慢的那種碳源（或氮源）的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。分解代謝物的阻遏作用，并非是快速利用的碳源（或氮源）本身直接作用的結(jié)果，而是通過碳源（或氮源）在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。例如，將E.coli培養(yǎng)在含有乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上，優(yōu)先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗盡后才開始利用乳糖，其原因是葡萄糖分解的中間代謝產(chǎn)物阻遏了分解乳糖酶系的合成。

總之，在代謝途徑中某些中間代謝物或末端代謝物的過量積累均會(huì)引起阻遏關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。

（3）酶合成的調(diào)節(jié)機(jī)制

酶合成的誘導(dǎo)和阻遏現(xiàn)象可以通過J.Monod和F.Jacob(1961)提出的操縱子假說解釋。操縱子由細(xì)胞中的操縱基因和臨近的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。

結(jié)構(gòu)基因能夠轉(zhuǎn)錄遺傳信息，合成相應(yīng)的信使RNA(mRNA)，進(jìn)而再轉(zhuǎn)移合成特定的酶。操縱基因能夠控制結(jié)構(gòu)基因作用的發(fā)揮。細(xì)胞中還有一種調(diào)節(jié)基因，能夠產(chǎn)生一種胞質(zhì)阻遏物，胞質(zhì)阻遏物與阻遏物（通常是酶反應(yīng)的終產(chǎn)物）結(jié)合時(shí)，由于變構(gòu)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)改變，且操縱基因的親和力變大，而使有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄，因此，酶的合成受到阻遏。誘導(dǎo)物也能與胞質(zhì)阻遏物結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，減少與操縱基因的親和力，同時(shí)使操縱基因恢復(fù)自由，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，合成mRNA，再轉(zhuǎn)譯合成特定的酶。

2．酶活性的調(diào)節(jié)

酶活性的調(diào)節(jié)是通過改變已有酶的催化活性來調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制。這種調(diào)節(jié)方式分為激活和抑制兩種。

（1）激活作用

激活是指在分解代謝途徑中較前面的中間產(chǎn)物激活參與后面反應(yīng)的酶的活性，以促使反應(yīng)加快。例如，糞腸球菌的乳酸脫氫酶活力被1,6-二磷酸果糖所促進(jìn)，粗糙脈孢霉的異檸檬酸脫氫酶活力被檸檬酸所促進(jìn)。

（2）抑制作用

抑制主要是反饋抑制，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時(shí)可反過來抑制該途徑中的第一個(gè)酶（調(diào)節(jié)酶）的活性，以減慢或中止反應(yīng)，從而避免末端產(chǎn)物的過量積累。例如大腸桿菌在合成異亮氨酸時(shí)，當(dāng)末端產(chǎn)物異亮氨酸過量而積累時(shí)，可反饋抑制途徑中第一個(gè)酶——蘇氨酸脫氨酶的活性，從而α-酮丁酸及其以后的一系列中間代謝物都無法合成，最后導(dǎo)致異亮氨酸合成的停止，避免末端產(chǎn)物過多積累。細(xì)胞內(nèi)的EMP途徑和TCA循環(huán)的調(diào)控也是通過反饋抑制進(jìn)行的。

反饋抑制是酶活性調(diào)節(jié)的主要方式，其特點(diǎn)是使酶暫時(shí)失去活性，當(dāng)末端產(chǎn)物因消耗而濃度降低時(shí)，酶的活性又可恢復(fù)。因此，酶活性的調(diào)節(jié)比酶合成的調(diào)節(jié)要精細(xì)、快速。

（3）酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制

①變構(gòu)調(diào)節(jié)：是指某些末端代謝產(chǎn)物與某些酶蛋白活性中心以外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象改變，從而影響底物與活性中心的結(jié)合，進(jìn)而改變酶的催化活性。能夠在末端產(chǎn)物的影響下改變構(gòu)象的酶，稱為變構(gòu)酶。末端產(chǎn)物與活性中心的結(jié)合是可逆的，當(dāng)末端產(chǎn)物的濃度降低時(shí)，末端產(chǎn)物與酶的結(jié)合隨之解離，從而恢復(fù)了酶蛋白的原有構(gòu)象，使酶與底物結(jié)合而發(fā)生催化作用。

變構(gòu)酶的作用程序：專一性的代謝物（變構(gòu)效應(yīng)物）與酶蛋白表面的特定部位（變構(gòu)部位）結(jié)合→酶分子的構(gòu)象變化（變構(gòu)轉(zhuǎn)換）→活力中心修飾→抑制或促進(jìn)酶活性。

②修飾調(diào)節(jié)：又稱共價(jià)調(diào)節(jié)，在某種修飾酶催化下，調(diào)節(jié)酶多肽鏈上一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性。在共價(jià)修飾過程中，不同酶的催化作用使酶蛋白某些氨基酸殘基上增、減基團(tuán)，酶蛋白處于有活性（高低活性）和無活性（或低活性）的互變狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)酶的活化或抑制。修飾調(diào)節(jié)是微生物代謝的重要調(diào)節(jié)方式，有許多處于分支代謝途徑，對(duì)代謝流量起調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵酶屬于共價(jià)調(diào)節(jié)酶。目前已知有多種類型的可逆共價(jià)調(diào)節(jié)蛋白：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙?；?，腺苷?；?去腺苷?；谆?去甲基化等。示例如下：

原核細(xì)胞中：低活性狀態(tài)←（腺苷?；┟浮劝滨０泛铣擅浮ㄈハ佘挣；┟浮呋钚誀顟B(tài)。

真核細(xì)胞中：低活性狀態(tài)←（去磷酸化）酶←丙酮酸脫氫酶→（磷酸化）酶→高活性狀態(tài)。

共價(jià)修飾與變構(gòu)調(diào)節(jié)區(qū)別：共價(jià)修飾對(duì)酶活性調(diào)節(jié)是酶分子共價(jià)鍵發(fā)生了變化，即酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；而在變構(gòu)調(diào)節(jié)中酶分子只是單純的構(gòu)象變化。另外，共價(jià)修飾對(duì)調(diào)節(jié)信號(hào)具有放大效應(yīng)，其催化效率比變構(gòu)調(diào)節(jié)要高。

除上述調(diào)節(jié)之外，酶活性還受到多種離子和有機(jī)分子（抑制劑或激活劑）的影響，尤其是特異的蛋白質(zhì)激活劑和抑制劑在酶活性的調(diào)節(jié)中起重要作用。

五、微生物的次級(jí)代謝

（一）次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物

一般將微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝與合成代謝，生成維持生命活動(dòng)所需要的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級(jí)代謝。初級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物生長繁殖所必需的代謝產(chǎn)物。如醇類、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由這些化合物聚合而成的高分子化合物（多糖、蛋白質(zhì)、脂類和核酸等）。與食品有關(guān)的微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物有酸類、醇類、氨基酸和維生素等。次級(jí)代謝是相對(duì)于初級(jí)代謝而提出的一個(gè)概念，是指微生物在一定的生長時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，通過支路代謝合成一些對(duì)自身的生命活動(dòng)無明確功能的物質(zhì)的過程。由次級(jí)代謝產(chǎn)生的與微生物生長繁殖無關(guān)的產(chǎn)物即為次級(jí)代謝產(chǎn)物。它們大多數(shù)是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物，如抗生素、生物堿、毒素、色素、激素等。與食品有關(guān)的次級(jí)代謝產(chǎn)物有抗生素、毒素、色素等。

1．抗生素

抗生素是生物在代謝過程中產(chǎn)生的（以及通過化學(xué)、生物或生物化學(xué)方法所衍生的）以低微濃度選擇性地作用于他種生物機(jī)能的一類天然有機(jī)化合物。已發(fā)現(xiàn)的抗生素大部分為能選擇性地抑制或殺死特定的某些種類微生物的物質(zhì)，因此也曾稱為抗菌素，是現(xiàn)代醫(yī)療中經(jīng)常使用的重要藥物?？股刂饕獊碓从谖⑸铮貏e是某些放線菌、細(xì)菌和真菌。如灰色放線菌產(chǎn)生鏈霉素，金色放線菌產(chǎn)生金霉素，納他鏈霉菌(Streptomyces natalensis)產(chǎn)生納他霉素等。霉菌中點(diǎn)青霉和產(chǎn)黃青霉產(chǎn)生青霉素，展開青霉和里青霉產(chǎn)生灰黃霉素等。一些細(xì)菌如枯草芽孢桿菌產(chǎn)生枯草菌素、乳酸乳球菌（舊稱乳酸鏈球菌）產(chǎn)生乳鏈球菌素(nisin)等。

2．毒素

某些微生物在代謝過程中，能產(chǎn)生某些對(duì)人和動(dòng)物有毒害的物質(zhì)，這些物質(zhì)稱為毒素。能產(chǎn)生毒素的微生物在細(xì)菌和霉菌中較為多見。細(xì)菌產(chǎn)生的毒素可分為外毒素和內(nèi)毒素兩種，而霉菌只產(chǎn)生外毒素，為真菌毒素。細(xì)菌外毒素是某些病原細(xì)菌（主要是G+菌）在生長過程中合成并不斷分泌到菌體外的毒素蛋白質(zhì)；真菌毒素是某些產(chǎn)毒霉菌在適宜條件下產(chǎn)生的能引起人或動(dòng)物病理變化的次級(jí)代謝產(chǎn)物。外毒素的毒性較強(qiáng)，但多數(shù)不耐熱（金黃色葡萄球菌腸毒素、黃曲霉毒素除外），加熱70℃毒力即被減弱或破壞。能產(chǎn)生外毒素的微生物包括病原細(xì)菌和霉菌中某些種，如破傷風(fēng)芽孢桿菌、肉毒梭菌、白喉?xiàng)U菌、金黃色葡萄球菌、鏈球菌等G+菌，霍亂弧菌、綠膿桿菌、鼠疫桿菌等G－菌，以及黃曲霉、寄生曲霉、青霉、鐮刀酶等。內(nèi)毒素即G－菌細(xì)胞壁的脂多糖(LPS)部分，只有在菌體自溶時(shí)才會(huì)釋放出來。內(nèi)毒素毒性較外毒素弱，但多數(shù)較耐熱，加熱80~100℃、1h才被破壞。能產(chǎn)生內(nèi)毒素的病原菌包括腸桿菌科的細(xì)菌（如致病性大腸桿菌、沙門氏菌等）、布魯氏桿菌和結(jié)核分枝桿菌等。

3．色素

許多微生物在培養(yǎng)過程中能合成一些帶有不同顏色的代謝產(chǎn)物，即色素。色素或積累于細(xì)胞內(nèi)，或分泌到細(xì)胞外。根據(jù)它們的性質(zhì)可分為水溶性色素和脂溶性色素。產(chǎn)生的水溶性色素使培養(yǎng)基著色，如綠膿菌色素、藍(lán)乳菌色素、熒光菌的熒光素等。有的產(chǎn)生脂溶性色素，使菌落呈各種顏色，如黏質(zhì)沙雷氏菌的紅色素，金黃色葡萄球菌的金黃色素等。還有一些色素，既不溶于水，也不溶于有機(jī)溶劑，如酵母和霉菌的黑色素和褐色素等。真菌和放線菌產(chǎn)生的色素更多。有的色素可用于食品，如紅曲霉屬(Monascus)的紫紅色素等。

4．激素

某些微生物能產(chǎn)生刺激動(dòng)物生長或性器官發(fā)育的一類生理活性物質(zhì)，稱為激素。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微生物能產(chǎn)生15種激素，如赤霉素、細(xì)胞分裂素、生長刺激素等。生長刺激素是由某些細(xì)菌、真菌、植物合成，能刺激植物生長的一類生理活性物質(zhì)。已知有80多種真菌能產(chǎn)生吲哚乙酸，例如，真菌中的茭白黑粉菌能產(chǎn)生吲哚乙酸；赤霉菌（禾谷鐮刀菌的有性世代）所產(chǎn)生的赤霉素是目前廣泛應(yīng)用的植物生長刺激素。

（二）次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)

1．次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系

次級(jí)代謝與初級(jí)代謝關(guān)系密切，初級(jí)代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物往往是次級(jí)代謝的前體。比如糖降解過程中的乙酰CoA是合成四環(huán)素、紅霉素的前體物；次級(jí)代謝一般在菌體對(duì)數(shù)生長后期或穩(wěn)定期進(jìn)行，但也會(huì)受到環(huán)境條件的影響。質(zhì)粒與次級(jí)代謝關(guān)系密切，其遺傳物質(zhì)控制著多種抗生素的合成。

2．初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)

初級(jí)代謝與次級(jí)代謝均有代謝調(diào)節(jié)的控制，但由于次級(jí)代謝產(chǎn)物是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，因此次級(jí)代謝必然會(huì)受初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制。如青霉素的合成會(huì)受到賴氨酸的強(qiáng)烈抑制，而賴氨酸合成的前體α-氨基己二酸可以緩解賴氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。這是因?yàn)棣?氨基己二酸是合成青霉素和賴氨酸的共同前體。如果賴氨酸過量，它會(huì)抑制這個(gè)反應(yīng)途徑中的第一個(gè)酶，減少α-氨基己二酸的產(chǎn)量，從而進(jìn)一步影響青霉素的合成。

3．碳、氮代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)

次級(jí)代謝產(chǎn)物一般在菌體對(duì)數(shù)生長后期或穩(wěn)定期合成。這是因?yàn)樵诰w生長階段，被快速利用的碳源或氮源分解產(chǎn)物阻遏了次級(jí)代謝酶系的合成。只有在對(duì)數(shù)生長后期或穩(wěn)定期，這類碳源或氮源被消耗殆盡之后，阻遏作用解除，次級(jí)代謝產(chǎn)物才得以合成。如葡萄糖分解物阻遏了青霉素環(huán)化酶的合成，使它不能將α-氨基己二酸—半胱氨酸—纈氨酸三肽轉(zhuǎn)化為青霉素G。

4．誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋?zhàn)瓒艋蛞种?/p>

次級(jí)代謝也有誘導(dǎo)作用。例如，巴比妥雖不是利福霉素的前體物，也不參與利福霉素的合成，但能促進(jìn)利福霉素SV轉(zhuǎn)化為利福霉素B。同時(shí)，次級(jí)代謝產(chǎn)物的過量積累可反饋?zhàn)瓒絷P(guān)鍵酶的生物合成或反饋抑制關(guān)鍵酶的活性。例如，青霉素的過量積累可反饋?zhàn)瓒艉铣赏緩街械谝粋€(gè)酶的合成量；霉酚酸的過量積累能反饋抑制合成途徑中最后一步轉(zhuǎn)甲基酶的活性。