工业真菌的交替氧化酶
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dehydrogenase; TCA: tricarboxylic acid cycle; Cyt c: cytochrome c; SHAM: salicylhydroxamic acid; AA: Antimycin A; CN–: cyanide.
交替 NADH 脱氢酶。另一条是以交替氧化酶 (Alternative oxidase, AOX) 介导的，能将泛醌处 的电子直接交给终端受体 O2，绕过复合物Ⅲ和 Ⅳ，与交替 NADH 脱氢酶一样，AOX 也不产生 可保留的能量，而是以热量形式散失[6]。由于 AOX 介导的交替呼吸途径对氰化物具有抗性， 因此这种交替呼吸途径又被称为抗氰呼吸途径 (Cyanide-resistant respiration, CRR)。真菌的交替 呼吸途径同植物的交替呼吸途径一样，起到了 能量溢流的作用。
在真菌的代谢过程中，交替呼吸途径的存 在与否及其强度是可被诱导调节的。在柠檬酸 生产菌株黑曲霉 Aspergillus niger 中，Hattori 等[7] 发现交替呼吸途径是一直存在的；而 Li 等[8]发
electron transport process, alternative respiration pathway (ARP) acts as an energy overflow, which can balance carbon metabolism and electron transport, allow the continuance of tricarboxylic acid cycle without the formation of ATP, and permit the turnover of carbon skeletons. Alternative respiration pathway also plays an important role in the stress response of fungi and the physiological function of conditioned pathogen. Alternative oxidase (AOX) is the terminal oxidase responsible for the activity of alternative respiration pathway, which exists widely in higher plants, parts of fungi and algae. Owing to the property that alternative oxidase (AOX) is sensitive to salicylhydroxamic acid (SHAM) and insensitive to conventional inhibitors of cytochrome respiration, alternative respiration pathway by AOX is also named as cyanide-resistant respiration (CRR). In recent years, the study of the alternative respiration pathway and alternative oxidase has been a hot topic in the area involving cellular respiration metabolism. In this review we summarized the latest research advances about the functions of alternative respiration pathway and alternative oxidase in industrial fungi.
1 真菌的交替呼吸途径
交替呼吸途径最早发现于植物中，随后在
藻类、原生动物和真菌中也相继发现了该途 径[4]。目前，有关交替呼吸途径和交替氧化酶的 调控机制及其生理学意义已成为呼吸代谢领域 的研究热点。
真菌如同其他真核生物一样，细胞色素呼 吸链由 4 个蛋白复合物构成 (图 1)：复合物Ⅰ (NADH∶泛醌氧化还原酶)、复合物Ⅱ (琥珀 酸∶泛醌氧化还原酶)、复合物Ⅲ (泛醌∶细胞 色素 c 氧化还原酶) 和复合物Ⅳ (细胞色素 c 氧 化酶)。在电子传递过程中，能量由线粒体内膜 跨膜复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ处泵出质子而保留。每 个复合物都有特异性的抑制剂，如鱼藤酮和粉 蝶霉素 (Piericidin) 可以抑制复合物Ⅰ，抗霉素 抑制复合物Ⅲ，氰化物抑制复合物Ⅳ。
在真菌中，交替呼吸途径以两种形式存在[5]： 一条是以交替 NADH 脱氢酶 (Alternative NADH dehydrogenases) 介导的，交替电子传递 链中的复合物Ⅰ，接受 NADH 的电子并直接转 移到泛醌，但这一过程并不泵出质子，NADH 和泛醌之间的自由能 (73 kJ/2e–) 以热量的形 式散发。交替 NADH 脱氢酶对鱼藤酮不敏感， 因此可通过鱼藤酮对细胞色素途径的抑制来检 测交替呼吸的强度。大多数植物和部分真菌有
计划) (No. 2013CB733605) 资助。
网络出版时间：2014-09-24
Baidu Nhomakorabea
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140166.html
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ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech January 25, 2015 Vol.31 No.1
近年来，研究者们陆续在多种真菌中发现 了 交 替 呼 吸 途 径 (Alternative respiration pathway, ARP)，该条途径是真菌细胞平衡物质 代谢和能量代谢的天然途径，对真菌的抗逆反 应、发酵产物的代谢积累以及条件致病菌的生 理作用都具有非常重要的影响[1-3]。
工业真菌是现代微生物发酵产业的主力军， 研究真菌代谢产物积累原理至关重要，而交替呼 吸途径又与代谢产物的积累有着密不可分的联 系。本文主要结合作者的研究工作以及近年来关 于真菌的交替呼吸及其交替氧化酶的最新研究结 果作一综述，探讨对工业真菌交替氧化酶的认识。
Received: March 19, 2014; Accepted: August 29, 2014 Supported by: National Natural Science Foundation of China (No. 21076104), National High Technology Research and Development
http://journals.im.ac.cn/cjbcn
顾帅 等/工业真菌中的交替氧化酶
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图 1 酵母的线粒体呼吸途径示意图[4] Fig. 1 Schematic representation of the mitochondrial respiratory chain in yeasts[4]. I, II, III, IV: respiratory chain complexes; AOX: alternative oxidase; UQ: ubiquinone; NDI: internal NADH dehydrogenase; NED: external NADH
生物工程学报 Chinese Journal of Biotechnology http://journals.im.ac.cn/cjbcn DOI: 10.13345/j.cjb.140166
顾帅 等/工业真菌中的交替氧化酶
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January 25, 2015, 31(1): 43−52 ©2015 Chin J Biotech, All rights reserved
摘 要: 真菌是现代微生物发酵产业的主力军之一。交替呼吸途径 (Alternative respiration pathway, ARP)，以 其非磷酸化电子传递途径，起到了能量溢流 (Energy overflow) 的作用，调节细胞能量代谢，平衡碳代谢和电 子传递，有利于代谢产物的积累。 此外，交替呼吸对真菌的抗逆反应和条件致病菌的生理作用也都具有非常 重要的影响。交替氧化酶 (Alternative oxidase, AOX) 是线粒体中交替呼吸途径的末端氧化酶，广泛存在于高 等植物及部分真菌和藻类中。由于交替氧化酶对水杨氧肟酸 (Salicylhydroxamic acid, SHAM) 敏感而对细胞色 素呼吸抑制剂氰化物不敏感，交替氧化酶 AOX 介导的交替呼吸途径又被称为抗氰呼吸途径 (Cyanide-resistant respiration, CRR)。近年来，研究交替呼吸途径和交替氧化酶已成为细胞呼吸代谢领域的热门课题。本文主要 对真菌交替呼吸途径和交替氧化酶的结构与其在工业真菌体内功能的最新研究进展作一简要的综述。
综述
工业真菌中的交替氧化酶
顾帅 1，刘强 1，何皓 2，李霜 1
1 南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211800 2 中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 100195
顾帅, 刘强, 何皓, 等. 工业真菌中的交替氧化酶. 生物工程学报, 2015, 31(1): 43–52. Gu S, Liu Q, He H, et al. Alternative oxidase in industrial fungi. Chin J Biotech, 2015, 31(1): 43–52.
Keywords: alternative respiration pathway, cyanide-resistant respiration, alternative oxidase, industrial fungi
真菌是现代微生物发酵产业的主力军，其 生产应用非常广泛，产品涵盖了有机酸 (如柠檬 酸、乳酸、富马酸等)、工业酶制剂 (如糖化酶、 纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶等)、抗生素 (如青 霉素、头孢菌素 C 等) 等大宗生物技术产品。 随着研究者对真菌代谢产物积累机制的深入解 析，大幅提高了多种真菌代谢产物的转化率和 生产速率，推动了相关产业的发展。
关键词: 交替呼吸途径，抗氰呼吸，交替氧化酶，工业真菌
Alternative oxidase in industrial fungi
Shuai Gu1, Qiang Liu1, Hao He2, and Shuang Li1
1 College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, Jiangsu, China 2 Petrochemical Research Institute of PetroChina Co. Ltd., Beijing 100195, China Abstract: Filamentous fungi have been used in industrial fermentation extensively. Based on non-phosphorylating
Program of China (863 Program) (No. 2011AA02A206), National Basic Research and Development Program of China (973 Program) (No.
2013CB733605). Corresponding author: Shuang Li. Tel/Fax: +86-25-83172094; E-mail: lishuang@njtech.edu.cn 国家自然科学基金 (No. 21076104), 国家高技术研究发展计划 (863 计划) (No. 2011AA02A206)，国家重点基础研究发展计划 (973
交替 NADH 脱氢酶。另一条是以交替氧化酶 (Alternative oxidase, AOX) 介导的，能将泛醌处 的电子直接交给终端受体 O2，绕过复合物Ⅲ和 Ⅳ，与交替 NADH 脱氢酶一样，AOX 也不产生 可保留的能量，而是以热量形式散失[6]。由于 AOX 介导的交替呼吸途径对氰化物具有抗性， 因此这种交替呼吸途径又被称为抗氰呼吸途径 (Cyanide-resistant respiration, CRR)。真菌的交替 呼吸途径同植物的交替呼吸途径一样，起到了 能量溢流的作用。
在真菌的代谢过程中，交替呼吸途径的存 在与否及其强度是可被诱导调节的。在柠檬酸 生产菌株黑曲霉 Aspergillus niger 中，Hattori 等[7] 发现交替呼吸途径是一直存在的；而 Li 等[8]发
electron transport process, alternative respiration pathway (ARP) acts as an energy overflow, which can balance carbon metabolism and electron transport, allow the continuance of tricarboxylic acid cycle without the formation of ATP, and permit the turnover of carbon skeletons. Alternative respiration pathway also plays an important role in the stress response of fungi and the physiological function of conditioned pathogen. Alternative oxidase (AOX) is the terminal oxidase responsible for the activity of alternative respiration pathway, which exists widely in higher plants, parts of fungi and algae. Owing to the property that alternative oxidase (AOX) is sensitive to salicylhydroxamic acid (SHAM) and insensitive to conventional inhibitors of cytochrome respiration, alternative respiration pathway by AOX is also named as cyanide-resistant respiration (CRR). In recent years, the study of the alternative respiration pathway and alternative oxidase has been a hot topic in the area involving cellular respiration metabolism. In this review we summarized the latest research advances about the functions of alternative respiration pathway and alternative oxidase in industrial fungi.
1 真菌的交替呼吸途径
交替呼吸途径最早发现于植物中，随后在
藻类、原生动物和真菌中也相继发现了该途 径[4]。目前，有关交替呼吸途径和交替氧化酶的 调控机制及其生理学意义已成为呼吸代谢领域 的研究热点。
真菌如同其他真核生物一样，细胞色素呼 吸链由 4 个蛋白复合物构成 (图 1)：复合物Ⅰ (NADH∶泛醌氧化还原酶)、复合物Ⅱ (琥珀 酸∶泛醌氧化还原酶)、复合物Ⅲ (泛醌∶细胞 色素 c 氧化还原酶) 和复合物Ⅳ (细胞色素 c 氧 化酶)。在电子传递过程中，能量由线粒体内膜 跨膜复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ处泵出质子而保留。每 个复合物都有特异性的抑制剂，如鱼藤酮和粉 蝶霉素 (Piericidin) 可以抑制复合物Ⅰ，抗霉素 抑制复合物Ⅲ，氰化物抑制复合物Ⅳ。
在真菌中，交替呼吸途径以两种形式存在[5]： 一条是以交替 NADH 脱氢酶 (Alternative NADH dehydrogenases) 介导的，交替电子传递 链中的复合物Ⅰ，接受 NADH 的电子并直接转 移到泛醌，但这一过程并不泵出质子，NADH 和泛醌之间的自由能 (73 kJ/2e–) 以热量的形 式散发。交替 NADH 脱氢酶对鱼藤酮不敏感， 因此可通过鱼藤酮对细胞色素途径的抑制来检 测交替呼吸的强度。大多数植物和部分真菌有
计划) (No. 2013CB733605) 资助。
网络出版时间：2014-09-24
Baidu Nhomakorabea
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140166.html
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ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech January 25, 2015 Vol.31 No.1
近年来，研究者们陆续在多种真菌中发现 了 交 替 呼 吸 途 径 (Alternative respiration pathway, ARP)，该条途径是真菌细胞平衡物质 代谢和能量代谢的天然途径，对真菌的抗逆反 应、发酵产物的代谢积累以及条件致病菌的生 理作用都具有非常重要的影响[1-3]。
工业真菌是现代微生物发酵产业的主力军， 研究真菌代谢产物积累原理至关重要，而交替呼 吸途径又与代谢产物的积累有着密不可分的联 系。本文主要结合作者的研究工作以及近年来关 于真菌的交替呼吸及其交替氧化酶的最新研究结 果作一综述，探讨对工业真菌交替氧化酶的认识。
Received: March 19, 2014; Accepted: August 29, 2014 Supported by: National Natural Science Foundation of China (No. 21076104), National High Technology Research and Development
http://journals.im.ac.cn/cjbcn
顾帅 等/工业真菌中的交替氧化酶
45
图 1 酵母的线粒体呼吸途径示意图[4] Fig. 1 Schematic representation of the mitochondrial respiratory chain in yeasts[4]. I, II, III, IV: respiratory chain complexes; AOX: alternative oxidase; UQ: ubiquinone; NDI: internal NADH dehydrogenase; NED: external NADH
生物工程学报 Chinese Journal of Biotechnology http://journals.im.ac.cn/cjbcn DOI: 10.13345/j.cjb.140166
顾帅 等/工业真菌中的交替氧化酶
43
January 25, 2015, 31(1): 43−52 ©2015 Chin J Biotech, All rights reserved
摘 要: 真菌是现代微生物发酵产业的主力军之一。交替呼吸途径 (Alternative respiration pathway, ARP)，以 其非磷酸化电子传递途径，起到了能量溢流 (Energy overflow) 的作用，调节细胞能量代谢，平衡碳代谢和电 子传递，有利于代谢产物的积累。 此外，交替呼吸对真菌的抗逆反应和条件致病菌的生理作用也都具有非常 重要的影响。交替氧化酶 (Alternative oxidase, AOX) 是线粒体中交替呼吸途径的末端氧化酶，广泛存在于高 等植物及部分真菌和藻类中。由于交替氧化酶对水杨氧肟酸 (Salicylhydroxamic acid, SHAM) 敏感而对细胞色 素呼吸抑制剂氰化物不敏感，交替氧化酶 AOX 介导的交替呼吸途径又被称为抗氰呼吸途径 (Cyanide-resistant respiration, CRR)。近年来，研究交替呼吸途径和交替氧化酶已成为细胞呼吸代谢领域的热门课题。本文主要 对真菌交替呼吸途径和交替氧化酶的结构与其在工业真菌体内功能的最新研究进展作一简要的综述。
综述
工业真菌中的交替氧化酶
顾帅 1，刘强 1，何皓 2，李霜 1
1 南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211800 2 中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 100195
顾帅, 刘强, 何皓, 等. 工业真菌中的交替氧化酶. 生物工程学报, 2015, 31(1): 43–52. Gu S, Liu Q, He H, et al. Alternative oxidase in industrial fungi. Chin J Biotech, 2015, 31(1): 43–52.
Keywords: alternative respiration pathway, cyanide-resistant respiration, alternative oxidase, industrial fungi
真菌是现代微生物发酵产业的主力军，其 生产应用非常广泛，产品涵盖了有机酸 (如柠檬 酸、乳酸、富马酸等)、工业酶制剂 (如糖化酶、 纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶等)、抗生素 (如青 霉素、头孢菌素 C 等) 等大宗生物技术产品。 随着研究者对真菌代谢产物积累机制的深入解 析，大幅提高了多种真菌代谢产物的转化率和 生产速率，推动了相关产业的发展。
关键词: 交替呼吸途径，抗氰呼吸，交替氧化酶，工业真菌
Alternative oxidase in industrial fungi
Shuai Gu1, Qiang Liu1, Hao He2, and Shuang Li1
1 College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, Jiangsu, China 2 Petrochemical Research Institute of PetroChina Co. Ltd., Beijing 100195, China Abstract: Filamentous fungi have been used in industrial fermentation extensively. Based on non-phosphorylating
Program of China (863 Program) (No. 2011AA02A206), National Basic Research and Development Program of China (973 Program) (No.
2013CB733605). Corresponding author: Shuang Li. Tel/Fax: +86-25-83172094; E-mail: lishuang@njtech.edu.cn 国家自然科学基金 (No. 21076104), 国家高技术研究发展计划 (863 计划) (No. 2011AA02A206)，国家重点基础研究发展计划 (973