第二章生物的生长和代谢

第二章生物的生长和代谢2.1简介微生物的目的是繁殖另一个微生物，在一些情况下，生物技术都在尽可能连续的和快速的寻找可利用的微生物。另一种情况，生物体本身并不是所要的产物，生物技术必须用一定的方式处理微生物，获得主要的微生物产物。微生物尽可能的克服机体对生产量的抑制，来生产一些微生物技术的理想产物。因此，微生物的生长和它的不同产物最终将和微生物代谢特点有关。新陈代谢是两个紧密联系但又不同行为的发源地。合成代谢的过程与形成细胞物质有关，这些细胞物质不仅包括细胞的主要组分（蛋白质，核酸，脂质，糖类等），还包括它们的中间前体物—氨基酸，嘌呤，嘧啶，脂肪酸，各种糖和磷酸糖。合成代谢过程并不是自发进行的。对大多数微生物来说，它们必须由一种能量流来推动，这种能量流是由“产能”的分解代谢过程所提供的。碳氢化合物分解产生二氧化碳和水是最常见的分解过程。但微生物中最常利用的是大量的碳化合物的还原作用。分解过程和合成过程的结合是所有微生物生物合成的基础。在这里，可以对所有的平衡或个别过程来进行讨论。事实上，我们已经能有效的区别有氧和无氧代谢，一些微生物在有氧条件下代谢，需要空气中的氧气；而另一些微生物在厌氧条件下代谢，不需要氧气。所有的碳化合物的还原作用都需要氧，并将其分解为二氧化碳和水，这是一个高放热过程。因此，在有氧微生物可以在相对少用的底物分解和供给水平的合成作用找到平衡点，来使微生物生长。对厌氧微生物，底物转化的本质是相对低“产能”的不匀称反应。因此大量的底物分解用于供给需能的合成作用。这种不同可以在微生物中清楚的解释，像酵母菌是一个兼性厌氧型微生物，也就是说它在有氧或无氧条件下都能存在。转化相同量的糖，好氧酵母菌释放二氧化碳和水，并产生高产能的新的酵母菌，而厌氧酵母菌有低速的生长，并将糖高效的转化为乙醇和水。2.2分解代谢与能量分解代谢和组成代谢之间的必须联系是依靠于使各种不同的分解代谢过程推动反应过程中反应物的合成。在极少数情况下，是反过来推动分解代谢反应。那些重要的中间体，其中重要的是三磷酸腺苷ATP,他被生物学家称为最高能量体，在ATP中指焦磷酸盐残基中脱水物的结合键。水解这些高能量体指接或间接的放热通常大于这些物质合成所吸收的热量。在合成代谢中，一些分子像ATP在细胞中提供了能量的流动。在生物合成反应中，ATP一般生成ADP，在偶然情况下生成AMP作为水解代谢产物。ADP仍有一个高能连接键，在腺苷酸激酶的催化作用下也能被利用产生ATP，ADP+ADP=ATP+AMP磷酸化反应，他在细胞中非常常见，他通常在ATP的参与下反应。磷酸化反应的产物比原始化合物更有活性。磷酸化在无机磷酸盐存在的情况下将不会发生。因为细胞中高浓度的细胞液的缘故，反应将处于一个单向的平衡状态。因而细胞的能量状况能被看是ATP、ADP和AMP优势作用。给出下面一个数值，能荷的概念将被ＤａｎｉａｌＡｔｋｉｎｓｏｎ介绍。他用一个比值公式给细胞能荷下了定义，一个能量充足的细胞里，ATP是唯一有腺嘌呤核苷酸,给出了一个能量数值1.0。如果三种核苷酸的量是相等的。即ATP＝ADP＝AMP时，细胞的能荷为０.５，像所有的惯例，能荷的概念已经被限制，没有一个人能确定一个细胞引入０．７能荷的意义，相反0.8或0.6的能荷已被确定。这个概念没有考虑细胞里核苷酸的绝对数量和剂量，在一个反应中特殊的酶ATP和镁的化合物之间有显著的不同。在酵母、细菌和霉菌之间他们的能荷有很大的不同。然而，在不同的细胞之间酶活力中能荷是可以改变的。例如在生长期，当细胞处于对数期时，能量补充途径处于最低，ATP的消耗使能量与代谢同步进行，在延滞期，与ＡＤＰ和AMP相比。ATP的含量相对升高。这样能量补充开始上升，当细胞停止生长时，能量补充将会达到最大，这时所有ADP和AMP转化为ADP。2.3分解代谢途径虽然微生物可以利用大部分碳源用于生长，但是我们应当主要考虑葡萄糖代谢以及考虑到经济成本。可利用的碳源有乙醇、烃、脂肪酸、甲醛和甲醇等。2.3.1葡萄糖和其他有机化合物几乎所有现有的细胞，最主要的葡萄糖代谢包括二磷酸己糖途径和一磷酸己糖途径。他们通常出现，为合成代谢过程提供重要的关系。他们之间的相互作用是机械控制的主要内容。EMP途径（糖酵解途径）如图2.2，他将葡萄糖转化为丙酮酸，但没有碳原子的损失，减少两分子NAD＋辅酶转变为NADH，同时产生两分子ATP，所形成的丙酮酸盐是合成代谢前体的主要主要来源，在有氧生物体内，也是有氧代谢的物质。在厌氧条件下，丙酮酸盐的衍生物无需作为NADP的有氧组织。一磷酸己糖途径也因戊糖代谢而出名，如图2.4，有氧代谢过程中，可以将一磷酸己糖转化为戊糖和二氧化碳，减少两分子NADP+（与NAD+相关的辅酶）转化为NADPH，NAD＋／NADPH、NADＰ＋／NADPH都是由不同的氧化物产生作用，NADH的主要功能是还原反应的能量供应。而NADPH主要用于有氧代谢，通过图２．４系列的作用关系，戊糖代谢有其他３～７个碳化合物的糖代谢组成，在不同的情况中，有不同的代谢程度。丙糖磷酸盐是糖酵解途径中形成的。通过逆转序列，己糖二磷酸盐可以再生。丁糖磷酸盐是合成芳香氨基酸的重要前体。戊糖磷酸盐用来合成核酸。在大多数有机体中，66%~80%的葡萄糖是通过EMP途径进行代谢合成的。其他途径经过戊糖磷酸化途径代谢。这种控制碳流向不同途径的比例机制常在EMP途径，从6-磷酸果糖的磷酰化到1，6-二磷酸的过程（这个过程被PFK催化）中被发现。这种酶的分子组成使他的催化活动能根据细胞代谢参数进行调整。当需要更多的能量时，PFK的活性增强；当细胞中有足够的能量或者足够的碳三代谢产物时，PFK的活性会减弱。这种通过调整关键酶的催化活动的酶控制机制是普通性的。代谢途径应该总是可以控制的。而且，为了细胞可以尽可能的有效运转，且所有的活动都因该相互配合。通过对PFK的控制，有两种方法可以达到这个效果。一是没被激活，例如AMP或ADP的介入，酶催化反应的速率增加。因此当细胞的能荷较低时。PFK会在较高的速率下工作。二是酶将会在此代谢途径更低的中间物的作用下是受到抑制，这种中间物通常为磷酸烯醇式丙酸或者柠檬酸。因此，当产物中的一种不能有效的转化为其他物质时，细胞不会继续下一步的运转。在控制葡萄糖从一个有机体到另一个有机体合成的代谢的过程中，催化过程能实现合成代谢。基于此的其他代谢机制因而需要尽可能相近。虽然到目前为止，EMP途径和戊糖磷酸化循环并不是葡萄糖代谢的唯一途径，但却是最普遍的。相对于EMP途径的一种重要选择是ED途径，它是在几种假单胞菌和相关菌种发现的，过程如表2.5所示在此途径中，戊糖磷酸化循环中的酶被用来催化生成五碳糖和四碳糖。但是C的流向和表2.4中所给出的是相反的。重要酶中的另外一种是磷酸酮醇酶，它可能比一般能意识到的酶更加普通。这类酶（可能不止一种）可以做用于磷酸五碳糖或磷酸六碳糖产生乙酰磷酸化和生成3-磷酸甘油醇或4-磷酸赤藓糖（这要看用的是五碳糖还是六碳糖）（见表2.6）这些酶最初发现于以EMP途径作用的杂发酵乳酸杆菌和醋酸杆菌中。这因而发生的乙酰磷酸可能会转化为醋酸盐或乙醇。更多的新发现的磷酸酮醇酶在大多数酵母菌中被证明是诱导酶，这些酵母菌是在木糖作为唯一碳源的有氧条件下生长的，在这里，木糖首先通过木糖醇代谢到木酮糖，然后在5-磷酸木酮糖的形式下进入表2.6描述的反应机制。（在木糖中生长的微生物内，有一种异构酶可以直接将木糖催化成木酮糖。）在这些循环途径中，与碳磷酸酮醇酶的作用仅仅是为有机体从戊糖转化为二碳或三碳单元以便于进一步代谢提供有效的方法，却不能代替EMP途径不仅酵母菌，在其他生长于木糖或别的戊糖中的微生物有机体中，这种酶也有广泛的分布。2.3.2三羧酸循环目前所讨论的多有途径最后促进了特殊的C3和C2化合物的生成，如所谓的丙酮酸盐和醋酸盐，后者如乙酰辅酶A，一中类似于无水硫酸钙的反应的硫酯。丙酮酸和乙酰辅酶A进一步的有氧代谢过程可以通过两种不同的机制作用的循环过程；这种循环产生作用于生化合成物反应和化合物氧化的中间代谢物。最后生成二氧化碳和水，它包括氧化反应和能量的转换，这种普通存在的于好氧细胞中的乙酰辅酶A氧化循环途径和TCA循环（三羧酸循环，Kreb循环）密切相关。在真核细胞中，三羧酸循环和有关能量产生的反应在线粒体内完成，而在微生物中，与能量有关的酶和细胞与细胞膜联系紧密。线粒体中的反应开始于丙酮酸盐运输进入线粒体内。他通常包括联系丙酮酸盐到三羧酸循环的一些反应。丙酮酸通过一个叫作丙酮酸脱氢酶的复合酶转化为乙酰辅酶A，这种复合酶催化广泛的反应过程。丙酮酸+CoA+NAD+==乙酰辅酶A+二氧化碳+NADH接下来的代谢过程通过表2.8给出的三羧酸循环进行反应，表2.8循环反应的机制如下：（1）产生能用其它生物合成途径的中间产物，如下：当主反应途径通过细胞同化进行时，生成天冬氨酸盐和谷氨酸盐的反应特别重要。（2）为了重新恢复经过氧化反应的酶，酶类如异柠檬酸脱氢酶，a-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶催化的中间产物的有氧反应过程。这些中间产物伴随着酶辅助氧化剂和还原剂的变化辅酶是可以变成NADPH和ＦＡＤＨ２（见表２。３）的NAD+和FAD，NADPH和FADH可以通过氧化磷酸化途径重新被氧化成最初的辅酶。在氧化磷酸化途径中，每molNADH可放出３ｍｏｌATP，每ｍｏｌFADH2可以放出2molATP。能量可以在琥珀酸硫激酶的作用下被重新恢复。尽管周期性的循环表面上是永远存在的，因为一旦被草酰乙酸启动，循环的运转便是不确定的，所以循环永存实际上是不会发生的。像早已证实的，这种循环必须提供中间产物给生化过程。而且当这样的中间产物中有一些被形成循环系流时，草酰乙酸的合成和柠檬酸的再生便不能发生。然而，额外的草酰乙酸能被独立的合成是必须的，这主要通过丙酮酸盐的羧化作用来完成。丙酮酸盐+CO２＋ATP＝＝草酰乙酸＋ADP+Pi这个反应在丙酮酸盐羧化酶的催化下进行，但是在一定程度上，草酰乙酸也可以通过这个循环的活动产生。为使乙酰辅酶A和草酰乙酸的生成量相等。丙酮酸盐的羧化作用必须得到控制。这样就必须依靠乙酰辅酶A作为正效应物的丙酮酸盐羧化作用得到，比如一种可以增加活性的物质。草酰乙酸越多，则反应生成草酰乙酸越快。当草酰乙酸好和乙酰辅酶A被移去（形成柠檬酸），乙酰辅酶A的集中性将会下降，丙酮酸盐羧化作用也将会降低。但是，当丙酮酸盐羧化作用仍能像之前一样进行时。将会产生更多的乙酰辅酶A，这样的话，三羧酸循环不仅能够保持一直持续，引起柠檬酸前体化合物的两个反应可以保持平衡。另外有一些其他的控制机制调节这样的周期循环。此类酶中的一些被ATP抑制，剩余的一些依靠AMP参与活动。因而这个循环可以通过ATP到AMP的参数比例控制协调。ATP、AMP是细胞内的能荷（见图2.2），这样的调控机制并不广泛，并且需要确定普遍性的有机体或者有机体群。他们并不需要更进一步的在细节上进行考虑，但是糖酵解的调节的考虑，代谢控制的普遍规律仍然使用。2.3．3乙醛酸支路如果有机体生物体依靠二碳复合物或可以大量降低成二碳单元（见2.3.4）的脂肪性酸或烃生长，三羧酸循环就不能满足其代谢活动。正如前面所说，仅用于合成酶的混合物，如果被从三羧酸循环中移走，因为这种移除，草酰乙酸便不能有效的再生成。正如，二碳复合物不能转化为丙酮酸盐（丙酮酸脱氢酶不能有效进行），目前也没有办法使碳二混合物生成草酰乙酸或其他碳四化合物。乙酰辅酶A可直接由乙酸合成，但利用碳源和碳二复合物的合成比乙酸更有效。如乙醛或者酒精：乙酸能转化为碳四复合物的规律因两种对三羧酸循环所需来说额外的酶的乙醛酸之路而出名。这两种酶为：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。当微生物依靠碳二复合物生长时，这两种酶被诱导，并且在这种情况下，酶的活性可以提高20~50倍。乙醛酸之路并不能取代三羧酸循环的运行。例如为了供应用于蛋白质合成的谷氨酸盐，不得不使柠檬酸转化为a-酮戊二酸。另外一种来自异柠檬酸裂解酶的产物琥珀酸，将会像以前那样被代谢生成苹果酸。草酰