微生物代谢网络的向心板块

酒石酸、乳酸、氨基酸 (Ala,Gly,Cys,Ser,Thr) 乙酸,醋酸,脂肪酸,类脂,烃, 油脂,氨基酸(Ile,Leu,Trp) AcAcCoA CTA ICA α-KG PHB, 氨基 酸 (Leu, Lys, Phe,T yr） 氨基酸 （Glu,Gln,His,Pro,Arg）
OAA
MLA FMA 氨基酸 （Tyr,Phe,Asp） 芳香族化合物,氨基酸 （Ile,Met,Thr,Val） GOA SCA ScCoA
CoA，然后甲基丙二酸单酰 CoA分子重排，
形成ScCoA而进入TCA环。
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。
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
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。
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
3.2.2 微生物的合成代谢途径和
代谢网络中的向心途径
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。
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
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。
3-P-GA GOA （甘油酸途径） PEP (PK) (PEPS) (PyPiDK) PYR 酒石酸、乳酸、氨基酸 (Ala,Gly,Cys,Ser,Thr) (PD) (PFL) (PS) AcCoA
Gly、羟基乙 酸、草酸
待 续
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氨基酸 （Asp, Asn）
羟基乙酸,草酸,Gly PEP PYR AcCoA
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。
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。
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。
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 F1,6-2P 均为 EMP 途径中间产物，可 按EMP途径进一步降解。
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。
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。
二糖、 糖原、 多糖、 （含细 胞壁多 糖）等
其他己 糖、糖 醇
半乳糖醛酸（果胶物质） KDPG(ED途径) (PTS) (HK) (G6PE) G-6-P R-5-P F-6-P (PFK) (FDPE) F-1,6-2P DHAP GA-3-P 甘油 Glc 戊糖 R-1-P MNs
RNA
油脂
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。
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。
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。
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。
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。
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。）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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。
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
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
微生物代谢网络 的向心板块
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。
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
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