第四章 糖代谢与控制

二、HMP途径
EMP途径不能解释合成RNA、DNA所必需的核糖是如 何从葡萄糖转化来的，也不能解释微生物为什么 能利用戊糖及其它糖类作为能源。而HMP途径的发 现基本解决了以上的问题。 葡萄糖在转化成6-磷酸葡萄糖酸后就分解成为CO2 和5-磷酸核酮糖，也就是说，是在单磷酸己糖的 基础上开始降解的。因此常称为单磷酸己糖途径， 即HMP途径。因为所生成的磷酸戊糖可以重新组成 磷酸己糖，形成循环反应，所以，又常被称为磷 酸戊糖循环（PP环）。
COOH
C H 2C O O H
PEP
草酰乙酸
2、由丙酮酸羧化酶催化。
CH3 C O ＋ CO2 ＋ ATP O C COOH ＋ ADP ＋ Pi
COOH
C H 2C O O H
PYR
草酰乙酸
3、先由苹果酸所催化，进行还原羧化作用，生成 苹果酸，再生成草酰乙酸。
CH3 CO2 + C O + N A D (P ) · H 2
能荷（Energy charge）： [（ATP）+1/2（ADP）]/[（ATP）+（ADP）+（AMP）] 当生物体内生物合成或其它需能反应加强时，细胞 内ATP分解生成ADP和AMP。一旦ATP减少，ADP或AMP 增加，即能荷降低，就会激活某些催化糖类分解的 酶或解除ATP对这些酶的抑制，并抑制糖原合成的 酶，从而加速糖酵解，TCA循环产生的能量，通过 氧化磷酸化作用生成ATP。 当能荷高时，即细胞内能量水平高时，AMP、ADP都 转变成ATP，情况则相反。
1分子葡萄糖经EMP途径被降解生成2分子丙酸酸、 2分子NADH+H+ 和4分子ATP。但在激活己糖时消耗 了2分子ATP，因此净得2分子ATP。 葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸的总反应式为：
C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP→2PYR+（NADH+H+）+2ATP
反应中所生成的NADH+H+不能积存，必须被重新氧 化为NAD+后，才能继续不断地推动全部反应。 在无氧条件下，如以乙醛作为受氢体，即是酒精 发酵，如以丙酮酸作为受氢体，即是乳酸发酵。
因此，多采用芽孢杆菌属细菌作为出发菌株。
2、转酮酶缺陷突变株的分离
要分离转酮酶缺陷突变株，可采用以下遗传标记：
⑴选育不利用D-葡萄糖酸或L-阿拉伯糖的突变株。
D-葡萄糖酸或L-阿拉伯糖必须通过HMP途径进行代 谢。若转酮酶发生缺陷，菌体自然也就不能利用D葡萄糖或L-阿拉伯糖。
⑵选育莽草酸缺陷突变株。
第四章
糖代谢与控制
§4.1 糖代谢与调节
微生物分解葡萄糖可归纳为有氧降解和无氧降解两 大类型。
葡萄糖的有氧降解途径的最终产物是CO2和H2O，同 时产生组成细胞物质的中间产物和大量的能量。主 要包括EMP、TCA、HMP途径。
葡萄糖的无氧降解的产物为各种有机酸、醇和气体 （CO2和H2），主要包括EMP、HMP两种基本方式。
三 羧 酸
循
环
五、乙醛酸循环
乙醛酸循环实际上可以认为是TCA循环的一段支 路，或TCA循环的变体。 从生物学意义上来说，乙醛酸循环对TCA循环起 着协助的作用，它也是作为生长及发酵中间产物 的补充机制。
乙
醛
酸 循
环
六、电子传递系统与氧化磷酸化
生物氧化是指细胞内一切代谢物进行氧化作用， 产生大量能量的过程。 葡萄糖在有氧条件下的分解过程，包括： ⑴底物的脱氢作用。 ⑵氢或电子的传递。 ⑶受氢体接受氢。
四、D-核糖发酵的代谢控制育种
1、出发菌株的选择
经研究发现，芽孢杆菌属（Bacillus）细菌转酮酶 缺陷突变株积累核糖具有普遍性。 使用不同的亲株，虽然选育出同样的突变型，但 产物的种类也会有所差异。如芽孢杆菌属细菌积 累戊糖的现象是很普遍的，而大肠杆菌、鼠伤寒 沙门氏菌等细菌的突变株并不积累戊糖。
2、生物素的调节
生物素（biotin）是由噻吩环和尿素结合中而成 的一个双环化合物，左侧链上有一分子戊酸。
O HN NH
S
为活动羧基载体 （mobile carboxyl group carrier）。
生物素对糖酵解的影响，主要是解糖速度，而不 是EMP/HMP的比率。
当生物素充分时，解糖速度显著提高，比PYR进一 步氧化速度提高得快，造成乳酸积累。 当生物素缺乏时，由于NAD水平降低的结果，间接 地引起四碳二羧酸氧化能力下降。
§4.2 D-核糖发酵
一、D-核糖（Ribose）概述
D-核糖在体内具有重要的生理功能，参与多种新 陈代谢活动，是生物体内遗传物质基础RNA、DNA 及若干辅酶和维生素的组成成份。 在医药上，D-核糖本身作为药物用于治疗心肌缺 血、治疗由于运动导致的肌肉疼痛。作为医药中 间体，D-核糖是大规模合成核黄素、病毒唑的主 要原料，可大幅度降低生产成本。D-核糖嵌入某 些物质分子结构中是治疗爱滋病以及抗癌、抗病 毒的有效药物。在食品工业中可以作为调味品、 调味香料等合成原料。
八、糖代谢的调节
1、能荷调节
糖代谢的调节主要是受能荷的控制，也就是受细 胞内能量水平的控制。 糖代谢最重要的生理功能是以ATP的形式供给热量， 在葡萄糖氧化过程中，中间产物积累或减少，进 而引起能荷的变化，造成代谢终产物ATP的过剩或 减少。
这些中间产物和腺嘌呤核苷酸通过抑制或激活糖 代谢各阶段关键酶的活性来调节能量的生成。
线粒体呼吸链
七、CO2固定反应
微生物的CO2固定作用由伍德-沃克曼首先报道， 所以也称为伍德-沃克曼反应。
CO2固定作用主要通过以下途径完成。 1、由PEP羧化（激）酶（或称草酰乙酸激酶）催 化，并需核苷三磷酸参与。
CH2 C O～ P ＋ CO2 ＋ G D P （ 或 ID P ） O C COOH ＋ G T P （ 或 IT P ）
二、D-核糖的生物合成途径
D -葡 萄 糖 D -葡 萄 糖 酸
D -葡 萄 糖 -6 -磷 酸
6 -磷 酸 -D -葡 萄 糖 酸
D -核 酮 糖 -5 -磷 酸
D -木 酮 糖 -5 -磷 酸
D -核 糖 -5 -磷 酸
D -核 糖
D-核 糖 的 生 物 合 成 途 径
葡萄糖可以在葡萄糖激酶的作用下先生成葡萄糖-6-磷酸 （G-6-P），并继续由6-磷酸-D-葡萄糖脱氢酶催化转化为 6-磷酸-D-葡萄糖酸（6-P-D-Gn）(主要途径）；G也可以 在葡萄糖脱氢酶的作用下生成D-葡萄糖酸（Gn），后者经 葡糖酸激酶的催化生成6-P-D-Gn（次要途径）。所生成的 6-P-D-Gn在6-磷酸葡糖酸脱氢酶的作用下生成D-核酮糖5-磷酸（D-Rn-5-P）。D-Rn-5-P在5-磷酸核酮糖差相异构 酶的作用下生成D-木酮糖-5-磷酸，也可在5-磷酸核糖异 构酶的作用下生成D-核酮糖-5-磷酸，后者经酶的作用脱 去磷酸便形成目的产物——D-核糖。
一、EMP途径
EMP途径是生物界共有的。在该途径中，葡萄糖被 转化为F-1,6-2P后开始降解成PYR，因此该途径又 称为双磷酸己糖途径（HDP）。 从葡萄糖降解成丙酮酸，包括10个独立的，但又 是连续的反应。 EMP途径可分为三个阶段： 准备阶段；
氧化阶段；
放能阶段。
在EMP途径中，必须先后有磷酸、ATP、NAD+ 、金 属离子（Mg2+、Mn2+等）参加反应，大部分反应以 磷酸化的形式进行。 PFK是EMP途径的关键酶，受ATP、O2、柠檬酸的抑 制，为AMP所激活。 GA-3-P脱氢酶受碘乙酸抑制。 烯醇化酶受氟化物的抑制。
G-6-P+12NADP++7H20→6CO2+12(NADPH+H+)+Pi
HMP途径的生物学意义包括：
⑴HMP途径是细胞产生还原力（NADP）的主要途径。 ⑵HMP途径是细胞内不同结构糖分子的重要来源，并 为各种单糖的相互转变提供条件。
三、ED途径
ED途径是Entner和Doudoroff两人研究阐明的，因 此叫ED途径。 ED途径的关键步骤是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖 酸（KDPG）的3，3裂解（即分解成为2个3碳化合 物）。典型的例子是细菌的酒精发酵。
葡萄糖脱氢酶是芽孢杆菌属细菌的孢子所特有的 酶，该酶由于NAD、NADP和NADH2 、NADPH2 会发生 分子型的变换，结果在菌体对数生长期被诱导， 导致D-核糖的大量积累。
4、利用基因工程技术构建核糖工程菌株
岩盾等人首先将枯草芽孢菌染色体DNA中的转酮基 因克隆到载体质粒pUB110中。然后将氯霉素酰基 转移酶基因插入到转酮酶基因之中，造成转酮基 因的不可逆失活。经限制性内切酶Sma Ⅰ酶切后 得到线状重组质粒，将该线状重组质粒转化到枯 草芽孢杆菌宿主中，构建出转酮酶失活的D-核糖 工程菌株，其D-核糖积累量达52g/L。
ED途径主要存在于假单胞菌（Pseudomonas sp.） 等少数革兰氏阴性菌。它似乎是运动发酵单胞菌 （Zymomonas mobilis或Pseudomonas lindneri）降 解葡萄糖的唯一途径，也是其它假单胞菌和其它 一些革兰氏阴性菌降解葡萄的主要途径。
ED途径特有的酶是KDPG醛缩酶。它催化己糖裂 解为三碳化合物的反应。 ED途径的总反应式为：
三、D-核糖的发酵机制
D-核糖发酵是切断HMP途径，使微生物改变酶系， 积累阻断反应的前体物，进行代谢控制发酵的典 型例子。
由上面的代谢途径可以看出，要使微生物积累D核糖，必须选育丧失转酮酶活力的突变株，由于 缺少转酮酶，所以由转酮酶所催化的反应就会发 生阻断，使D-核糖的前体物D-核糖-5-磷酸大量积 累，再经酶的作用脱去磷酸便可合成D-核糖。
莽草酸是由HMP途径中的中间产物——D-赤藓糖4-磷酸与PEP为前体物而合成的。