一、糖酵解

对于大多数异养微生物来说，己糖（尤其是葡萄糖）是极其重要的碳源和能源物质。葡萄糖可以直接进入糖代谢途径，进而被分解成为各种中间代谢物。葡萄糖分解代谢首先从糖酵解开始，即由葡萄糖转化成丙酮酸的过程。糖酵解可以由四种途径来完成，分别是E MP途径、PP途径、E D途径和磷酸解酮酶途径。

图5-1 微生物初级代谢网络

虚线表示前体代谢物的合成代谢途径方向

代谢中间体的缩写：α-KG—α-酮戊二酸 1，3BPG—1，3-二磷酸甘油酸 2PG—2-磷酸甘油酸 3PG—3-磷酸甘油酸 6PG—6-磷酸葡萄糖酸 6PG-δ-lactone—6-磷酸葡糖酸-δ-内酯 AcCoA—乙酰-CoA AcP—乙酰磷酸 CitA—柠檬酸 DHAP—磷酸二羟丙酮 E4P—赤藓糖-4-磷酸 F1，6BP—果糖-1，6-二磷酸 F6P—果糖-6-磷酸 FumA—延胡索酸 G1P—葡萄糖-1-磷酸 G3P—甘油醛-3-磷酸 G6P—葡萄糖-6-磷酸 GlyA—乙醛酸 IsoCit—异柠檬酸 KDPG—2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸 MalA—苹果酸 OAA—草酰乙酸 PEP—磷酸烯醇式丙酮酸 PHB—聚β-羟基丁酸 Rib5P—核糖-5-磷酸 Ribu5P—核酮糖-5-磷酸 Sed7P—景天庚酮糖-7-磷酸 SucA—琥珀酸 Suc-CoA—琥珀酰CoA Xyl5P—木酮糖-5-磷酸

酶的缩写：ACO—顺乌头酸酶 ALDO—醛缩酶 CS—柠檬酸合成酶 ENO—烯醇化酶 FBPP—果糖-1，6-二磷酸酶 FUM—延胡索酸酶 G6PDH—葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 GAPDH—甘油醛磷酸脱氢酶 GK—己糖激酶GPI—磷酸葡萄糖异构酶 GPP—葡萄糖-6-磷酸酶 HK—磷酸己糖解酮酶 ICL—异柠檬酸裂解酶 IDH—异柠檬酸脱氢酶 KDPGA—KDPG醛缩酶 KGDH—α-酮戊二酸脱氢酶 MDH—苹果酸脱氢酶 MS—苹果酸合酶 PC—丙酮酸羧化酶 PDH—丙酮酸脱氢酶 PEPC—PEP羧化酶 PEPCK—PEP羧激酶 PFK-1—磷酸果糖激酶-1 PGDH—6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 PGK—磷酸甘油酸激酶 PGLS—6-磷酸葡萄糖酸内酯酶 PGM—磷酸甘油酸变位酶 PK—丙酮酸激酶 PPE—磷酸戊糖差向异构酶 PPI—磷酸戊糖异构酶 PPK—磷酸戊糖解酮酶 SCS—琥珀酰CoA合成酶 SDH—琥珀酸脱氢酶 TA—转醛醇酶 TKT—转酮醇酶 TPI—磷酸丙糖异构酶

1.EMP途径

在不需要氧的条件下，EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnas pathway）能将1分子葡萄糖转化成2分子丙酮酸，其总反应式为：

EMP途径可依据是否发生氧化还原反应分为两个阶段。

第一阶段，在真核细胞中，1分子葡萄糖经己糖激酶（GK）催化，消耗1分子ATP生成1分子6-磷酸-葡萄糖，己糖激酶的催化作用受到其产物6-磷酸-葡萄糖的抑制。而在细菌中，主要通过磷酸转移酶系统（PTS）将葡萄糖运输进胞内（基团转位），转运1分子葡萄糖，需要把1分子磷酸烯醇式丙酮酸上的磷酸基团转移给葡萄糖，生成1分子6-磷酸-葡萄糖，并产生1分子丙酮酸。从图5-1可以看到，6-磷酸-葡萄糖是一个重要的代谢网络分支点，它可以异构化形成6-磷酸-果糖，也可以由变位酶催化生成1-磷酸-葡萄糖。这三种化合物形成了进入糖酵解途径的入口，6-磷酸-葡萄糖可以进入PP途径或ED途径，6-磷酸-果糖可以继续EMP途径，也可以进入HK途径，而1-磷酸-葡萄糖则用于多糖物质的合成。需要注意的是，这三种单磷酸己糖之间的转化是可逆的，并且它们的量保持一种平衡并构成一个独立的代谢库，它们的消耗可以由任意一种得到补充。例如，由果糖作为底物进入糖酵解途径，则由6-磷酸-果糖补充这个代谢库。在EMP途径中，1分子6-磷酸-果糖消耗1分子ATP转化为1分子1，6-二磷酸-果糖，催化此步骤的磷酸果糖激酶1（PFK-1），是EMP途径的限速酶。随后1分子1，6-二磷酸-果糖裂解为1分子3-磷酸-甘油醛和1分子磷酸二羟丙酮；这两种3-磷酸丙糖之间可以通过磷酸丙糖异构酶（TPI）互相转化。至此，E MP途径的第一阶段结束。在此阶段不发生氧化还原反应，不涉及电子的转移。

第二阶段，1分子3-磷酸-甘油醛转化为1分子1，3-二磷酸甘油酸。这一氧化还原反应与NAD ⁺还原耦合，形成1分子NADH。随后1分子1，3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸键形成1分子ATP和1分子3-磷酸甘油酸。3-磷酸甘油酸在变位酶催化下生成2-磷酸甘油酸。随后1分子2-磷酸甘油酸脱水生成1分子磷酸烯醇式丙酮酸。1分子磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶（PK）催化下生成1分子丙酮酸和1分子ATP，产物丙酮酸和ATP对丙酮酸激酶的变构抑制控制这一步骤的反应速率。途径中NADH生成后不能积累，需通过电子传递链氧化为NAD⁺，或将分子中的H交给中间代谢产物，为微生物提供还原力而再生。丙酮酸在有氧条件下进入TCA循环继续分解，而在无氧条件下不同的微生物可以进一步将丙酮酸代谢生成各种发酵产物，如甲酸、乙醇、乙酸、乳酸、丙酸、丙酮、丁酸、丁醇及琥珀酸等。

除此之外，EMP途径还为合成代谢提供多种前体代谢物。其中6-磷酸-葡萄糖是合成多糖、细胞壁（肽聚糖）等的前体代谢物；磷酸二羟丙酮是合成甘油和细胞脂质的前体代谢物；3-磷酸甘油酸是合成丝氨酸、甘氨酸及半胱氨酸的前体代谢物；磷酸烯醇式丙酮酸是合成酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸的前体代谢物；丙酮酸是合成缬氨酸、亮氨酸、丙氨酸的前体代谢物，同时也是非糖物质通过糖异生作用合成葡萄糖的中间代谢物。

2.PP途径

磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PP途径）又称己糖单磷酸途径（hexose monophosphate pathway，HMP途径）。此途径的核心反应是己糖单磷酸形成戊糖单磷酸，为细胞合成核酸提供所需的戊糖，也因此得名。其代谢途径也可分为两个阶段，如图5-1所示。

第一阶段为氧化阶段。1分子6-磷酸-葡萄糖以1分子NADP ⁺作为电子受体脱氢形成1分子6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯，继而6-磷酸葡糖酸-δ-内酯水解成6-磷酸葡萄糖酸，然后1分子6-磷酸葡萄糖酸以1分子NADP ⁺作为电子受体脱氢脱羧生成1分子5-磷酸-核酮糖，5-磷酸-核酮糖可经异构酶催化生成5-磷酸-核糖。磷酸戊糖是合成组氨酸、核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸的前体代谢物，因此一般认为PP途径具有重要的回补途径（replenishment pathway）功能，利用己糖合成戊糖，以确保足够的戊糖用于合成途径。

第二阶段为非氧化阶段。5-磷酸-核酮糖经过一系列转醛酶和转酮酶催化生成磷酸化的丙糖、丁糖和庚糖等中间代谢物，最后转化成3-磷酸-甘油醛和6-磷酸-果糖，从而再回到EMP途径。这一阶段为细胞内丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖这些单糖的相互转变提供途径。

PP途径的总反应式为：

完全氧化1分子6-磷酸-葡萄糖能产生12分子NADPH，因此PP途径是细胞产生还原力的主要途径。但这个过程并不释放能量，而且此途径并不直接产生丙酮酸，因此微生物必须至少拥有部分EMP途径的酶系统，使3-磷酸-甘油醛和6-磷酸-果糖可进入EMP途径转变为丙酮酸。在同时具有EMP途径和PP途径的微生物中，6-磷酸-葡萄糖分支点的代谢流分配比，即有多少比例分别参与E MP途径和PP途径的反应，取决于细胞的生长状态，或者说细胞自身对前体代谢物的需求决定了此分支点的代谢流分配比。当细胞处于旺盛生长期，需要的戊糖和NADPH较多时，进入PP途径的流量较高；而在缓慢生长期，戊糖和NADPH需求量降低，此时进入PP途径的流量也会相应降低。

3.ED途径

ED途径（Entner-Doudoroff pathway）是在研究嗜糖假单胞菌（Pseudomonas saccharophila）的代谢时被Entner和Doudoroff发现的，是某些缺乏完整EMP途径的微生物独有的一种替代途径，可以不依赖EMP途径和PP途径单独存在（图5-1）。在ED途径，葡萄糖磷酸化为6-磷酸-葡萄糖，然后6-磷酸-葡萄糖氧化成6-磷酸葡萄糖酸，之后6-磷酸葡萄糖酸脱水生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG），最后KDPG在KDPG醛缩酶催化下裂解生成两个丙糖，KDPG的酮基部分变成丙酮酸，磷酸根部分变成3-磷酸-甘油醛。如果存在EMP途径的部分酶系，则后者可以进入EMP途径最终转变成丙酮酸。因此，ED途径中葡萄糖只需经过4步反应就可以获得丙酮酸，但其产能效率只有EMP途径的一半。此外，当细胞代谢葡萄糖酸时，ED途径还有一个非磷酸化途径，葡萄糖酸经过2-酮-3-脱氧-葡糖酸转化成丙酮酸和甘油醛。

4.磷酸解酮酶途径

磷酸解酮酶途径由Warburg和Dickens等发现，故也称WD途径。它仅存在于少数种类的细菌中，如异型乳酸发酵细菌。它是进行异型乳酸发酵过程中分解戊糖和己糖的途径，分别称为磷酸戊糖解酮途径（PK途径）和磷酸己糖解酮途径（HK途径）（图5-1）。HK途径的关键酶是磷酸己糖解酮酶，它催化果糖-6-磷酸裂解产生乙酰磷酸和赤藓糖-4-磷酸，后者经过PP途径的一系列转醛和转酮酶催化生成木酮糖-5-磷酸，然后在磷酸戊糖解酮酶催化下裂解为甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。PK途径的关键酶是磷酸戊糖解酮酶，细胞内的五碳糖先异构化为木酮糖-5-磷酸，之后被磷酸戊糖解酮酶催化裂解为甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。前者可经EMP途径转化成丙酮酸，进一步可转化为乳酸；后者可将高能磷酸键传给ADP转化为乙酸，或者经两次还原生成乙醇。

二、TCA循环

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA循环）又称柠檬酸循环（krebs cycle）。在有氧条件下丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶A，进入TCA循环，通过电子传递链将电子传递给氧，最终被彻底氧化为CO₂和水，释放大量能量（图5-1）。在原核细胞中，TCA循环存在于细胞质中；而在真核细胞，该途径存在于线粒体内。在TCA循环中，首先丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A，辅酶NAD ⁺作为电子受体。这个反应由丙酮酸脱氢酶系（PDH）催化，在ATP/ADP比或NADH/NAD ⁺比及乙酰辅酶A浓度较高时，其活性受到抑制。乙酰辅酶A接下来与草酰乙酸在柠檬酸合成酶（CS）的催化下缩合生成柠檬酸。柠檬酸在顺乌头酸酶（ACO）的作用下生成异柠檬酸，此反应的中间代谢物顺乌头酸在细胞代谢中没有明显作用，因此在代谢网络中被忽略。柠檬酸和异柠檬酸之间非常容易互相转化，它们通常被归于一个代谢库中。接下来进行两步氧化脱羧反应，异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶（IDH）作用下生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸经α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH）催化生成琥珀酰辅酶A。随后，琥珀酰辅酶A水解为琥珀酸，同时释放能量，由GDP磷酸化生成GTP回收。接着琥珀酸脱氢生成延胡索酸，辅酶FAD作为电子受体被还原成FADH₂。延胡索酸在延胡索酸酶（FUM）催化下生成苹果酸。最后，苹果酸在苹果酸脱氢酶（MDH）的作用下生成草酰乙酸。TCA循环的主要作用是为细胞提供能量以及重要的前体代谢物。α-酮戊二酸和草酰乙酸对合成代谢极其重要，尤其是对氨基酸的生物合成更显重要。α-酮戊二酸是合成谷氨酸的前体代谢物，草酰乙酸是合成天冬氨酸的前体代谢物；这两种氨基酸又是合成其他氨基酸的重要前体氨基酸。当草酰乙酸和α-酮戊二酸被用于合成代谢消耗后，可确保TCA循环的正常运转，细胞会及时通过别的途径进行补偿。能完成前体代谢物补偿的生物化学反应统称回补途径。例如，PEP和丙酮酸可以分别在PEP羧化酶（PEPC）和丙酮酸羧化酶（PC）催化下生成草酰乙酸；苹果酸可以在苹果酸酶的催化下生成丙酮酸；好氧微生物也可以通过乙醛酸途径进行回补，再生成草酰乙酸。在乙醛酸途径（glyoxylate pathway）中，异柠檬酸首先裂解为琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸可以与乙酰-CoA结合生产苹果酸，进而转化成草酰乙酸（图5-1）。此外TCA循环中，琥珀酸可用于卟啉的合成，乙酰-CoA也是合成脂肪酸、脂质、聚 β-羟基丁酸（PHB）、聚多酮、甲羟戊酸、类胡萝卜素及甾族化合物的重要前体代谢物。

三、微生物的发酵途径

葡萄糖经过EMP等分解途径生成丙酮酸后，在无氧条件下，一些微生物可以进行发酵（fermentation）作用，将丙酮酸转化为各种发酵产物（表5-1）。在糖酵解过程产生的NADH为发酵过程提供还原力，使某种中间产物还原生成发酵产物，如丙酮酸还原生成乳酸。由于整个过程并未使葡萄糖完全氧化，因此释放的能量有限。

表5-1 微生物从丙酮酸出发的发酵产物

1.酵母菌的发酵途径

酵母菌的发酵途径主要有三种（图5-2）。酵母菌的典型发酵途径是乙醇发酵（ethanol fermentation）途径。在无氧条件下，由EMP途径降解得到的丙酮酸脱羧生成乙醛和CO₂，乙醛接受氢被还原成乙醇，并使NAD ⁺再生。这种发酵途径被称为酵母的Ⅰ型发酵。当环境中存在亚硫酸氢钠时，乙醛会与之生成难溶的磺化羟基乙醛，而无法作为受氢体，迫使磷酸二羟丙酮接受氢生成磷酸甘油；磷酸甘油水解脱磷酸形成发酵产物甘油。这种发酵途径被称为酵母的Ⅱ型发酵。当处于弱碱性条件下（pH 7.6）时，乙醛会因无法获得足够的氢而积累，两个乙醛分子之间会发生歧化反应，一个乙醛分子被还原形成乙醇，另一个乙醛分子被氧化形成乙酸，磷酸二羟基丙酮接受氢生成甘油，此时发酵产物为甘油、乙醇和乙酸。这种发酵途径被称为酵母的Ⅲ型发酵。

图5-2 酵母菌的三种发酵途径

（1）丙酮酸脱羧酶（2）乙醇脱氢酶（3）甘油-3-磷酸脱氢酶（4）甘油-3-磷酸酯酶

2.乳酸菌的发酵途径

乳酸菌（Lactic acid bacteria）能够发酵葡萄糖产生乳酸。乳酸菌的发酵途径主要有两条：同型乳酸发酵（homolactic fermentation）和异型乳酸发酵（heterolactic fermentation）（图5-3）。同型乳酸发酵的发酵产物中只有乳酸，经EMP途径降解的丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下被还原为乳酸，并使NAD ⁺再生。进行同型乳酸发酵的细菌主要有链球菌属（Streptococcus）、乳酸杆菌属（Lactobacillus）及双球菌属（Diplococcus）等。异型乳酸发酵的发酵产物除了乳酸外，还有乙醇或乙酸及CO₂等产物，主要通过磷酸解酮酶途径进行。发酵己糖时由6-磷酸葡萄糖酸生成5-磷酸-核酮糖，5-磷酸-核酮糖再异构成5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-木酮糖被磷酸戊糖解酮酶催化裂解为3-磷酸-甘油醛和乙酰磷酸。发酵戊糖时，则经过PK途径，戊糖异构化为5-磷酸-木酮糖，之后被磷酸戊糖解酮酶催化裂解为甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。前者可经EMP途径生成丙酮酸，丙酮酸再生成乳酸；后者则可经两次还原生成乙醇，或将高能磷酸键传给ADP生成乙酸。肠膜明串球菌（Leuconostoc mesenteulides）等细菌发酵1分子葡萄糖，产生1分子乳酸和1分子乙醇，净得1分子ATP。短乳杆菌（Lactabacillus brevis）等细菌发酵1分子葡萄糖，产生1分子乳酸和1分子乙酸，净得2分子ATP。两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidus）等细菌进行异型乳酸发酵时，有磷酸戊糖解酮酶和磷酸己糖解酮酶两种磷酸解酮酶参与反应，发酵2分子葡萄糖时，可产生2分子乳酸和3分子乙酸，净得5分子ATP。

图5-3 乳酸菌的发酵途径

（1）EMP途径酶系（2）乳酸脱氢酶（3）己糖激酶、磷酸葡萄糖异构酶（4）磷酸己糖解酮酶（5）己糖激酶、磷酸葡萄糖脱氢酶、内酯酶（6）磷酸葡糖酸脱氢酶（7）异构酶（8）磷酸戊糖解酮酶（9）转醛酶、转酮酶（10）乙酸激酶（11）磷酸转乙酰化酶（12）乙醛脱氢酶、乙醇脱氢酶

3.大肠杆菌的发酵途径

以大肠杆菌（Escherichia coli）为代表的一些肠道细菌，如埃希菌属（Escherichia）、沙门菌属（Salmonella）和志贺菌属（Shigella）的某些细菌，能够利用葡萄糖进行混合酸发酵，同时生成甲酸、乙酸、乙醇、乳酸及琥珀酸等多种代谢产物，其中琥珀酸是由PEP生成，其余产物均由丙酮酸生成。发酵途径如图5-4所示。琥珀酸发酵途径中，PEP先在PEP羧化酶催化下生成草酰乙酸，草酰乙酸经谷氨酸转氨反应转化为天冬氨酸，天冬氨酸再脱氨生成延胡索酸，最后延胡索酸在延胡索酸脱氢酶的催化下还原为琥珀酸。丙酮酸直接进入的发酵途径有乳酸发酵和甲酸发酵，即在乳酸脱氢酶催化下可生成乳酸，以及在丙酮酸甲酸裂解酶作用下裂解成甲酸。丙酮酸经脱氢酶作用生成乙酰-CoA后又进入乙醇发酵途径，经过两次还原后产生乙醇。乙酰-CoA经磷酸乙酰基转移酶作用生成乙酰磷酸后进入乙酸发酵途径，乙酰磷酸由乙酸激酶催化生成乙酸（图5-4）。

4.梭状芽孢杆菌的发酵途径

梭状芽孢杆菌属（Clostridium）细菌具有非常复杂的混合发酵代谢途径，能由丙酮酸生成乙醇、乙酸、丙酮、异丙醇、丁酸及丁醇等多种发酵产物（图5-5）。丙酮酸生成乙酰-CoA后，乙酰-CoA除了可以转化成乙醇和乙酸外，两个乙酰-CoA分子可以反应生成乙酰乙酰-CoA。后者可以经过β-羟基丁酸-CoA脱氢酶、1，3-二羟酰-CoA脱氢酶和丁酰-CoA脱氢酶几步酶促反应生成丁酰-CoA。与乙酰-CoA类似，丁酰-CoA可以经丁醛生成丁醇，也可以经丁酰磷酸生成丁酸。此外，乙酰乙酰-CoA生成乙酰乙酸，乙酰乙酸可以脱羧生成丙酮；后者还可以进一步还原为异丙醇。

图5-4 大肠杆菌的混合发酵途径(www.daowen.com)

（1）PEP羧化酶（2）天冬氨酸-谷氨酸转氨酶（3）天冬氨酸酶（4）延胡索酸脱氢酶（5）乳酸脱氢酶（6）丙酮酸甲酸裂解酶（7）乙醛脱氢酶（8）乙醇脱氢酶（9）乙酸激酶

图5-5 梭状芽孢杆菌的发酵途径

（1）乙酰-CoA乙酰转移酶（2）β-羟基丁酸-CoA脱氢酶（3）CoA转移酶（4）乙醛脱氢酶（5）乙醇脱氢酶（6）磷酸乙酰基转移酶（7）乙酸激酶（8）1，3-二羟酰-CoA脱氢酶（9）丁酰-CoA脱氢酶（10）丁醛脱氢酶（11）丁醇脱氢酶（12）磷酸丁酰基转移酶（13）丁酸激酶（14）乙酰乙酸脱羧酶（15）异丙醇脱氢酶

四、微生物的合成代谢

微生物的合成代谢是利用分解代谢产生的能量、还原力和小分子前体代谢物，以及细胞从外界吸收的小分子物质，进行的复杂细胞物质合成的过程。合成代谢与分解代谢有着密切的关联，许多分解代谢的中间产物都是合成代谢的前体代谢物，如丙酮酸、草酰乙酸、乙酰-CoA及α-酮戊二酸等中间产物都是合成代谢的起始物质（图5-1）。有些物质的合成代谢和分解代谢途径还具有一些相同的酶促可逆反应步骤。但合成代谢并不是分解代谢的可逆反应，两者间至少有一个酶促反应是不同的。

1.氨基酸的合成途径

固氮微生物可以将大气中的氮气固定成氨，还有一些微生物能利用硝酸盐和亚硝酸盐作为氮源。这些含氮化合物必须先转化成氨才能被细胞同化吸收，因此氨是氮代谢的中心化合物。氨基酸合成的首个步骤是以氨的形式将氮固定在有机物分子中。这一过程主要通过α-酮戊二酸结合氨合成L-谷氨酸完成。此反应由谷氨酸脱氢酶催化，可表示为：

L-谷氨酸的另一条合成途径称为GS-GOGAT途径（谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶途径），分为两步反应进行：先由1分子谷氨酸吸收氨生成1分子谷氨酰胺，再由1分子谷氨酰胺与1分子α-酮戊二酸反应生成2分子谷氨酸。这条途径的两个步骤的总和即1分子α-酮戊二酸与1分子氨反应生成1分子谷氨酸，与式（5-3）类似；但此途径的步骤和酶都与谷氨酸脱氢酶催化的反应有差异，并且需要ATP的参与。第一步反应由谷氨酰胺合成酶催化：

第二步反应由谷氨酸合成酶催化：

其中，谷氨酰胺是合成代谢途径的一个重要分支点，是合成多种含氮化合物的氮供体。谷氨酰胺合成酶的调控受产物谷氨酰胺的阻遏，也受到谷氨酰胺参与的后续代谢途径末端产物的抑制，如甘氨酸、组氨酸等。谷氨酸合成酶受氨的阻遏，因此GS-GOGAT途径在低氨浓度时才活泼。

糖代谢的许多中间产物是合成氨基酸的前体代谢物。在20种常见氨基酸的合成途径中，根据其前体代谢物不同可分为六个族（图5-6）。其中，赖氨酸在真菌中是由α-酮戊二酸经α-氨基己二酸合成，而在细菌中赖氨酸由草酰乙酸经天冬氨酸-β-半醛再经二氨基庚二酸合成。谷氨酸族氨基酸的前体代谢物是α-酮戊二酸。α-酮戊二酸结合氨合成L-谷氨酸后，由谷氨酸继而合成谷氨酰胺、脯氨酸、鸟氨酸和精氨酸。天冬氨酸族氨基酸的重要前体代谢物是草酰乙酸。草酰乙酸和谷氨酸进行转氨反应生成天冬氨酸和α-酮戊二酸，继而由天冬氨酸进一步生成天冬酰胺、苏氨酸、甲硫氨酸和异亮氨酸。丙酮酸族氨基酸由丙酮酸与谷氨酸进行转氨反应可生成。丝氨酸族氨基酸的前体代谢物是3-磷酸甘油酸。芳香族氨基酸合成的前体代谢物是磷酸烯醇式丙酮酸和赤藓糖-4-磷酸。组氨酸的前体代谢物是核糖-5-磷酸（图5-6）。

图5-6 20种常见氨基酸的合成途径

氨基酸合成途径有着严格的调节机制。不同的氨基酸其调节机制不同，在不同的微生物中同一种氨基酸的调节机制也可能不同。大肠杆菌的氨基酸合成途径的调节机制研究较为深入，主要包括两种：①变构调节（allosteric regulation），终端产物抑制合成途径的第一个酶（变构酶）的活性；②通过控制阻遏酶（repressible enzyme）的生成量调控合成途径。

2.核酸的合成途径

核苷酸是核酸的基本结构单元。它由三部分组成：①杂环的含氮碱基，可分为嘌呤或嘧啶；②戊糖，RNA中的戊糖是核糖，DNA中的戊糖是2-脱氧核糖；③磷酸基团。合成核苷酸的重要前体代谢物是核糖-5-磷酸、3-磷酸甘油酸、α-酮戊二酸和草酰乙酸。全新合成核糖核酸的过程，首先是合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）和尿嘧啶核苷酸（UMP）；然后IMP再转化为腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP），UMP再转化为胞嘧啶核苷酸（CMP）。核苷酸合成途径主要通过其核苷酸产物的反馈抑制进行调节。脱氧核糖核苷酸dAMP、dGMP、dUMP和dCMP是由相应的核糖核苷酸AMP、GMP、UMP和CMP还原，将核糖第二位碳原子上的氧脱去而得来的，dTMP是由dUMP通过甲基化而得到的（图5-7）。

图5-7 核苷酸合成途径

3.糖类的合成途径

微生物可以通过糖异生作用（gluconeogenesis）以非糖物质如乳酸、丙酮酸、丙酸及氨基酸等为前体合成葡萄糖。糖异生作用从丙酮酸开始逆EMP途径的方向合成葡萄糖，除了绕过EMP途径中的三个不可逆步骤，即丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶和己糖激酶催化的步骤以外，其他步骤都是EMP途径的逆反应。三个绕过的步骤为：丙酮酸在丙酮酸羧化酶（PC）催化下形成草酰乙酸，在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）催化下形成PEP；1，6-二磷酸-果糖在1，6-二磷酸-果糖酶（FBPP）催化下生成6-磷酸-果糖；6-磷酸-葡萄糖在6-磷酸-葡萄糖酶（GPP）催化下水解为葡萄糖（图5-1）。糖异生作用和EMP途径有着密切的相互协调关系。EMP途径活跃则糖异生作用会受到一定限制，反之亦然。此外，它们还受到底物浓度的调节，以及产物的抑制。

糖原的合成途径如图5-8所示。1-磷酸-葡萄糖与UTP由UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化生成UDP-葡萄糖。UDP-葡萄糖是合成糖原的结构单位，同时也是合成革兰阴性细菌脂多糖及真菌细胞壁的结构单位。UDP-葡萄糖在糖原合酶（glycogen synthase）催化下与糖原引物蛋白（glycogenin）催化形成的引物以α-1，4-糖苷键连接，形成直链葡聚糖，同时释放UDP。而糖原分支酶（glycogen branching enzyme）可催化葡萄糖残基从1，4-连接转变成1，6-连接，从而形成多分支结构葡聚糖。

图5-8 糖原与肽聚糖结构单位的合成途径

缩写：Gln—谷氨酰胺 Glu—谷氨酸 PEP—磷酸烯醇式丙酮酸

NAM—N-乙酰胞壁酸 NAG—N-乙酰葡萄糖胺

革兰阳性细菌肽聚糖的合成途径需要5个单体：UDP-N-乙酰葡糖胺（UDP-NAG），UDP-N-乙酰胞壁酸（UDP-NAM），丙氨酸（L型和D型），二氨基庚二酸和谷氨酸。其中，UDP-N-乙酰葡糖胺也是合成真菌几丁质的结构单位；合成它的前体代谢物是果糖-6-磷酸和乙酰-CoA，L-谷氨酰胺是其氨基供体（图5-8）。

4.脂类的合成途径

脂肪酸是脂类的主要结构单位，根据其烃链是否含有不饱和键可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。只有一个不饱和键的脂肪酸称为单不饱和脂肪酸，含有多个不饱和键的脂肪酸则称为多不饱和脂肪酸。合成饱和脂肪酸的前体代谢物是乙酰-CoA和丙二酸单酰-CoA，其中丙二酸单酰-CoA是由乙酰-CoA羧化而成。饱和脂肪酸合成途径的每个循环都在活化了的乙酰-CoA上添加两个由丙二酸单酰-CoA提供的碳单位。细菌中，单不饱和脂肪酸的合成是通过厌氧途径进行的，当脂肪酸碳链延长过程生成β-羟癸酰基-ACP时，在β-羟癸酰基硫酯脱水酶的作用下插入了一个β，γ-顺式双键，然后 β，γ-不饱和酰基延长生成棕榈油酸（C16∶1）。而在真菌中，第九个碳原子上的双键是在C16或C18饱和脂肪酰-CoA已经合成后才引入的。此过程需要O₂和NADH参与，其反应式如下：

真菌中的多不饱和脂肪酸的合成可以通过与式（5-6）相似的反应来完成。

3-磷酸-甘油是磷脂和脂酰甘油的前体代谢物。它的来源有两条途径，一是由EMP途径中的磷酸二羟丙酮形成，二是由甘油的磷酸化形成。单酰甘油和二脂酰甘油由甘油-3-磷酸与脂酰-CoA酯化形成。三脂酰甘油由1，2-二脂酰甘油3-磷酸（PA）水解去磷酸基后，再与脂酰-CoA反应得到。

大肠杆菌中最重要的磷脂种类有磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）、磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol，PG）和双磷脂酰甘油（diphosphatidylglycerol）。这三种磷脂的合成途径从3-磷酸-甘油开始直到生成CDP-二酰基甘油的途径是相同的，然后分别有各自的途径。L-丝氨酸取代CDP而生成磷脂酰丝氨酸，磷脂酰丝氨酸脱羧生成磷脂酰乙醇胺。3-磷酸-甘油取代CDP-二酰基甘油中的CDP，接着将磷酸与甘油部分中的连接处断开，即生成了磷脂酰甘油。两个磷脂酰甘油缩合生成双磷脂酰甘油，同时释放一个甘油。

酵母菌中常见的磷脂醇主要有磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）。磷脂酰乙醇胺是由磷脂酰丝氨酸脱羧得到的，磷脂酰胆碱是由磷脂酰乙醇胺连续甲基化而得到的，磷脂酰肌醇是由游离的肌醇相互结合而得到的。其中，肌醇的前体代谢物是葡萄糖-6-磷酸。葡萄糖-6-磷酸首先经过磷酸肌醇合成酶催化生成1-磷酸-肌醇，然后由1-磷酸-肌醇酯酶将1-磷酸-肌醇转化成肌醇。

五、次级代谢产物

次级代谢产物是某些微生物在其生长过程中某个阶段产生的代谢产物，一般是在产生菌生长中止后合成的（图5-9）。微生物生长至稳定期后开始进入产生次级代谢产物的生产期或称分化期。初级代谢的一些关键性中间体往往是次级代谢产物的前体代谢物，而次级代谢产物主要是一些结构复杂的化合物，也不是微生物生长所必需的物质。次级代谢产物种类繁多，结构复杂，含有特殊的化学键，如氨基糖、吩嗪、吡咯、苯醌、喹啉、萜烯等。根据其所起作用，可分为抗生素、维生素、激素、毒素、色素和生物碱等。这些次级代谢产物有许多对人类的生产生活都有重要影响。研究次级代谢产物的合成途径及其代谢调节，在理论和实践方面都具有重要意义。

图5-9 次级代谢产物的生产期

S—底物浓度 X—细胞量 P—次级代谢产物浓度

1.次级代谢产物的特征

次级代谢产物的合成具有明显的特征：①次级代谢产物一般不在细胞生长期产生，而是在细胞停止生长后的生产期开始形成。②次级代谢产物种类繁多，通常含有不常见的化学键，如氨基糖、吩嗪、苯醌、吡咯、喹啉以及萜烯等。③次级代谢产物通常具有较特殊的化学结构，如β-内酰胺环、环肽和大环内酯类抗生素的大环等。④有的微生物可产生结构相近似的一簇抗生素，有的微生物可产生结构完全不同的多种次级代谢产物。例如，产黄青霉（Penicillium chrysogenum）能产生至少10种不同特性的青霉素；灰色链霉菌（Streptomyces griseus）不仅可产生链霉素，还可以产生白霉素、吲哚霉素、灰霉素和灰绿霉素等。⑤次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感，其合成信息的表达受环境因素调节。例如，灰黄青素在Czapek-Dox培养基上培养时可以合成灰黄霉素，而在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（fulvic acid）。

2.次级代谢产物的合成途径

次级代谢产物是以初级代谢的中间体作为前体代谢物进行合成的，初级代谢的一些关键中间体连接了次级代谢途径（图5-10）。这些初级代谢中间体通常经过一系列生化反应转化成具有特殊结构特征的次级代谢产物。次级代谢途径发生的主要生化反应有：①氧化还原反应。例如，醇或羟基的氧化、双键的形成或还原以及芳香环的氧化性裂解。②甲基化反应。在聚合酮的合成中甲基化反应起重要作用，如金霉素、红霉素、林可霉素等的合成途径中需要甲基化反应。③卤化反应。含有卤素的次级代谢产物需要经过卤化反应引入卤素，如金霉素、氯胺苯醇、灰黄霉素等是典型的含氯次级代谢物。

图5-10 部分初级代谢产物与次级代谢产物的联系