(完整word版)生物工程生物技術(shù)專業(yè)英語課文翻譯完整版(word文檔良心出品)

1、第一章導(dǎo)論1.1 生物工程的特征生物工程是屬于應(yīng)用生物科學(xué)和技術(shù)的一個領(lǐng)域，它包含生物或其亞細(xì)胞組 分在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)和環(huán)境管理等方面的應(yīng)用。 生物技術(shù)利用病毒、酵母、真菌、 藻類、植物細(xì)胞或者哺乳動物培養(yǎng)細(xì)胞作為工業(yè)化處理的組成部分。只有將微生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)和化學(xué)工程等多種學(xué)科和技術(shù)結(jié)合 起來，生物工程的應(yīng)用才能獲得成功。生物工程過程一般包括細(xì)胞或菌體的生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)所期望的化學(xué)改造。后者進(jìn)一步分為：（a）終產(chǎn)物的構(gòu)建（例如，酶，抗生素、有機(jī)酸、番類）；（b）初始原料的降解（例如，污水處理、工業(yè)垃圾的降解或者石油泄漏）。生物工程過程中的反應(yīng)可能是分解代謝反應(yīng)， 其中復(fù)合

2、物被分解為簡單物質(zhì) （葡萄糖分解代謝為乙醇），又或者可能是合成代謝反應(yīng)或生物合成過程，經(jīng)過這樣的方式，簡單分子被組建為較復(fù)雜的物質(zhì)（抗生素的合成）。分解代謝反應(yīng)常常是放能反應(yīng)過程，相反的，合成代謝反應(yīng)為吸能過程。生物工程包括發(fā)酵工程（范圍從啤酒、葡萄酒到面包、奶酪、抗生素和疫苗 的生產(chǎn)），水與廢品的處理、某些食品生產(chǎn)以及從生物治療到從低級礦石種進(jìn)行 金屬回收這些新增領(lǐng)域。正是由于生物工程技術(shù)的應(yīng)用多樣性，它對工業(yè)生產(chǎn)有 著重要的影響，而且，從理論上而言，幾乎所有的生物材料都可以通過生物技術(shù) 的方法進(jìn)行生產(chǎn)。據(jù)預(yù)測，到 2000年，生物技術(shù)產(chǎn)品未來市場潛力近 650億美 元。但也應(yīng)理解，還會有很

3、多重要的新的生物產(chǎn)品仍將以化學(xué)方法，按現(xiàn)有的生物分子模型進(jìn)行合成，例如，以干擾為基礎(chǔ)的新藥。因此，生命科學(xué)與化學(xué)之間 的聯(lián)系以及其與生物工程之間的關(guān)系更應(yīng)闡釋。生物工程所采用的大部分技術(shù)相對于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)，耗能低且更加安全，而且，對于大部分處理過程，其生產(chǎn)廢料是經(jīng)過生物降解的，無毒害。從長 遠(yuǎn)角度來看，生物工程為解決世界性難題提供了一種方法， 尤其是那些有關(guān)于醫(yī) 學(xué)、食品生產(chǎn)、污染控制和新能源開發(fā)方面的問題。1.2 生物工程的發(fā)展歷史與一般所理解的生物工程是一門新學(xué)科不同的是， 而是認(rèn)為在現(xiàn)實(shí)中可以探 尋其發(fā)展歷史。事實(shí)上，在現(xiàn)代生物技術(shù)體系中，生物工程的發(fā)展經(jīng)歷了四個主 要的發(fā)展階段。

4、食品與飲料的生物技術(shù)生產(chǎn)眾所周知，像烤面包、啤酒與葡萄酒釀造已經(jīng)有幾千年的歷史；當(dāng)人們從創(chuàng)世紀(jì)中認(rèn)識葡萄酒的時候，公元前 6000,蘇美爾人 與巴比倫人就喝上了啤酒；公元前 4000,古埃及人就開始烤發(fā)酵面包。直到 17 世紀(jì)，經(jīng)過列文虎克的系統(tǒng)闡述，人們才認(rèn)識到，這些生物過程都是由有生命的 生物體，酵母所影響的。對這些小生物發(fā)酵能力的最確鑿的證明來自1857-1876年巴斯得所進(jìn)行的開創(chuàng)性研究，他被認(rèn)為是生物工程的始祖。其他基于微生物的過程，像奶制品的發(fā)酵生產(chǎn)如干酪和酸乳酪及各種新食品 的生產(chǎn)如醬油和豆豉等都同樣有著悠久的發(fā)展歷史。就連蘑菇培養(yǎng)在日本也有幾百年的歷史了，有300年歷史的Aga

5、rius蘑菇現(xiàn)在在溫帶已經(jīng)有廣泛養(yǎng)殖。所不能確定的是，這些微生物活動是偶然的發(fā)現(xiàn)還是通過直觀實(shí)驗(yàn)所觀察到 的，但是，它們的后繼發(fā)展成為了人類利用生物體重要的生命活動來滿足自身需 求的早期例證。最近，這樣的生物過程更加依賴于先進(jìn)的技術(shù)，它們對于世界經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它們不足為道的起源。有菌條件下的生物技術(shù) 19世紀(jì)末，經(jīng)過生物發(fā)酵而生產(chǎn)的很多的重要工業(yè)化 合物如乙醇、乙酸、有機(jī)酸、丁醇和丙酮被釋放到環(huán)境中；對污染微生物的控制 通過謹(jǐn)慎的生態(tài)環(huán)境操作來進(jìn)行，而不是通過復(fù)雜的工程技術(shù)操作。盡管如此， 隨著石油時代的來臨，這些化合物可從石油生產(chǎn)的副產(chǎn)品中以低成本進(jìn)行生產(chǎn)， 因此，進(jìn)行這類化合物生產(chǎn)

6、的工業(yè)就處于岌岌可危的境地。近年來，石油價格的上漲導(dǎo)致了對這些早期發(fā)酵工藝的重新審視，與前面所講的食品發(fā)酵技術(shù)相比， 這類發(fā)酵工藝相對簡單而且可進(jìn)行大規(guī)模操作生產(chǎn)。其它關(guān)于有菌生物技術(shù)的典型例子有廢水處理和都市固體垃圾堆肥。長期以來，人們利用微生物來分解和去除生活污水中的有毒物質(zhì)，及像化工業(yè)產(chǎn)生的小部分工業(yè)毒害垃圾。目前世界上進(jìn)行的發(fā)酵工程中，利用生物工程進(jìn)行污水處理 的規(guī)模是最大的。將無菌消毒技術(shù)引入生物工程 20世紀(jì)40年代，由于大規(guī)模微生物培養(yǎng)這個復(fù) 雜的生物技術(shù)的引入，生物工程的發(fā)展開始了新的方向，從而確保那些需要將污 染微生物排除的特殊生物過程得以進(jìn)行。因此，通過對培養(yǎng)基和生物反應(yīng)器

7、的提 前滅菌消毒以及用來消除新進(jìn)入的污染物的工程供應(yīng)，生物反應(yīng)中就只留有所選 的生物催化劑。諸如此類，在生物工程中占有極大份額的產(chǎn)品有抗生素、氨基酸、 有機(jī)酸、酶、多糖和疫苗。大部分這樣的過程是復(fù)雜的，成本昂貴，僅適于高附 加值產(chǎn)品的生產(chǎn)，盡管這類產(chǎn)品的產(chǎn)量較大，但采用食品與釀造生產(chǎn)中較老的生 物技術(shù)，它們的規(guī)模與商業(yè)回報都是很小的。生物工程的新領(lǐng)域 在最近的十年里，分子生物學(xué)和過程控制取得了長足的發(fā) 展，不見開創(chuàng)了生物工程應(yīng)用的新領(lǐng)域，同時還大大提高了已有生物工程工業(yè)的 效率和經(jīng)濟(jì)性。正是由于這些發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，才會有對于未來生物工程在世界經(jīng)濟(jì) 中所扮演角色的良好評價。(a)基因工程對于重要的工

8、業(yè)用生物基因組的有性重組或突變操作一直是 工業(yè)遺傳學(xué)家革新目錄中的組成部分。重組 DNA新技術(shù)包括溫和的進(jìn)行 活細(xì)胞破碎、DNA提取、純化和利用高度專一性的酶進(jìn)行隨后的有選擇 性切割；對目的基因片斷分類、鑒定、篩選和純化；用化學(xué)方法將目的基 因連接到載體分子的DNA上及將重組DNA分子導(dǎo)入選擇的受體細(xì)胞進(jìn) 行增值和細(xì)胞合成。重組 DNA技術(shù)可較簡便的進(jìn)行基因組操作，而且可 避免物種間與屬間的不相容性。無限可能性是存在的，人類胰島素與干擾 素基因已導(dǎo)入了微生物細(xì)胞并進(jìn)行了表達(dá)。原生質(zhì)融合、多克隆抗體制備 和組織培養(yǎng)技術(shù)(包括從細(xì)胞培養(yǎng)上精液中進(jìn)行植物的再生)的廣泛應(yīng)用 對生物工程的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的

9、影響。(b)酶工程酶分離工程一直是許多生物技術(shù)過程的組成部分，而且隨著允許 對生物代謝產(chǎn)物進(jìn)行重新利用的更適合的固定化技術(shù)的發(fā)展，它們的代謝產(chǎn)物可被進(jìn)一步利用。利用固定化細(xì)菌的葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿， 具 發(fā)展具有特殊的重要意義(年產(chǎn) 300萬噸)?；谏锎呋哪康?，未來 的發(fā)展是細(xì)胞整體的固定化。(c)生物化學(xué)工程生物反應(yīng)器在生物工程過程中扮演了核心角色，它在初始 原料或底物與終產(chǎn)物之間建立了聯(lián)系。生物反應(yīng)器設(shè)計、過程調(diào)控技術(shù)與 發(fā)酵過程的計算機(jī)監(jiān)控方面取得了重要進(jìn)展。 盡管如此，許多年來，過程 控制在生物工程工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用落后其在化學(xué)工程工業(yè)領(lǐng)域操作中的應(yīng)用，對生物工程產(chǎn)品新的處理方

10、法(下游工程)將提高所有處理過程的 經(jīng)濟(jì)性。因此，對高效回收工藝的設(shè)計的需求不斷增加， 尤其對于具有高 價值產(chǎn)品例如L-大冬酰胺酶，其回收與發(fā)酵生產(chǎn)的成本比例約為 3.0,而 乙醇為0.16。然而，下游處理過程仍是生物工程中被忽視的部分。(d)工程化產(chǎn)品和系統(tǒng) 利用蛋白質(zhì)和細(xì)胞固定化技術(shù)可進(jìn)行如抗體和酶這 類生物分子的大量生產(chǎn)，這使應(yīng)用于生物診斷和生物解毒的新型傳感器得 到了發(fā)展。這樣的系統(tǒng)可以與微電子裝置和終端計算機(jī)相連， 從而在很多 生物工程工業(yè)與服務(wù)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行精密的程序控制。生物工程有兩個典型的特點(diǎn)：與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系和各學(xué)科間的合作。從事生 物工程的人員采用的技術(shù)來源于化學(xué)、微生物學(xué)、遺

11、傳學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程 和計算機(jī)原理。他們的主要任務(wù)是對生物工程進(jìn)行革新、 發(fā)展并對過程操作進(jìn)行 優(yōu)化，其中生化代謝體制有著根本和不可取代的位置。生物工程不是一門新的學(xué) 科，而是一種實(shí)踐活動，不同學(xué)科的專家學(xué)者們都將做出貢獻(xiàn)。我們對生命科學(xué)與生物工程必須清楚的區(qū)分開，生命科學(xué)所涉及的是生物知 識的獲得，而生物工程則是生物知識的應(yīng)用。生物工程過程在大多數(shù)情況下是低 溫下操作，耗能少，總體上依賴廉價的原料為底物。不同專業(yè)的生命學(xué)家和工程師將個人的努力貢獻(xiàn)于生物工程，生物工程學(xué)家這一術(shù)語作為涵蓋那些應(yīng)用自身技能知識進(jìn)行生物材料處理的科學(xué)家或工程師。然而，這個術(shù)語它只能導(dǎo)致混淆，必須停止采用。我們比

12、較一下，一名生化工程師是一名過程工程師，他的職責(zé)是將生物學(xué)家的知識轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)實(shí)際操作 中去。一名生化工程師應(yīng)當(dāng)在生物過程的設(shè)計和操作方面受過科學(xué)和工程原理的 訓(xùn)練。一個完美的生物工程師是不存在的，因?yàn)闆]有一個人同時成為微生物學(xué)、 生 物化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)工程等專業(yè)的專家。然而，從事這方面工作的人員必 須努力去學(xué)習(xí)了解其他組成學(xué)科的語言，不同專業(yè)的科學(xué)家之間共同語言的缺乏 勢必會成為完全發(fā)揮生物工程潛在價值的主要阻力。1.3 生物工程的應(yīng)用生物工程過程可在其規(guī)模和價值的基礎(chǔ)上進(jìn)行評估。因此，大規(guī)模、低價值 的產(chǎn)品或服務(wù)包括有水的凈化、廢水和垃圾處理及甲烷、乙醇、菌體和動物飼料 的生產(chǎn)；相對大

13、容量、高價值的中間體產(chǎn)品包括氨基酸與有機(jī)酸、食品、面包酵母、丙酮、丁酮和某些多聚物，然而那些小規(guī)模、價值高的產(chǎn)品包括抗生素、干 擾素、疫苗、單克隆抗體、酶和維生素。從工業(yè)發(fā)展規(guī)模角度進(jìn)行考慮，而不是單個生產(chǎn)單元大小的角度，現(xiàn)在和未 來的生物工程可簡單的分為三個領(lǐng)域：(a)小規(guī)模生物工程是專指那些只利用生物學(xué)方法就可比較經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行生化 產(chǎn)品的生產(chǎn)，這類生物工程發(fā)展時間久，并且發(fā)展迅速，尤其是新產(chǎn)品領(lǐng) 域方面，但他們造成了工業(yè)企業(yè)與市場發(fā)展的嚴(yán)酷競爭。 具產(chǎn)品有抗生素、 單克隆抗體和干擾素。(b)中等規(guī)模的生物工程與基于石油的技術(shù)競爭生產(chǎn)目前的化學(xué)原料同時與 農(nóng)業(yè)競爭，生產(chǎn)天然產(chǎn)品包括蛋白質(zhì)和脂肪

14、酸。(c)大規(guī)模的生物工程與石油和煤競爭，提供主要的有化合物原料作為燃料和 大量的工業(yè)產(chǎn)品。盡管中等和大規(guī)模的生物工程技術(shù)目前只取得了很小部分的經(jīng)濟(jì)效益，但可以確定的是在未來的20年里，將要建立利用植物原料作為原料的大規(guī)模微生物 處理工程(圖1.2)。針對該類產(chǎn)品的市場已存在，同時也刺激了節(jié)約型生物工程 的發(fā)展。1.4 生物工程的發(fā)展未來生物工程的發(fā)展在很大程度上取決于以下三個前提：(a)利用傳統(tǒng)工藝與基因工程技術(shù)體系，擴(kuò)大對有價值產(chǎn)品的生產(chǎn)范圍。(b)從再生資源獲得粗原料的能力。(c)要意識到,很多情況下生物工程的處理過程比現(xiàn)有的化學(xué)工程處理植物原 料更加經(jīng)濟(jì)。中等規(guī)模與大規(guī)模生物工程發(fā)展的

15、一個最重要的方面是過程中， 適宜原材料 與底物的利用率。原料成本可以占到終產(chǎn)物成本的 30-70%。原料的利用受技術(shù) 與政治因素的影響。因此，從各種有機(jī)原料中牛產(chǎn)酒精汽油未能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但從政治角度，可以議價以抵制不斷增長的石油進(jìn)口。來自農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)有機(jī)廢料的再生資源越來越重要， 經(jīng)過生物工程處理， 為食品、畜牧飼料、化學(xué)原料試劑的生產(chǎn)提供了政治策略上的重要基礎(chǔ)。然而, 為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，不僅需要擴(kuò)大生物工程項目，而且國家管理方面的項目范 圍也要擴(kuò)大。1.5 生物工程的發(fā)展策略藍(lán)圖每個生物工程方案都一直需要對可利用資源、經(jīng)濟(jì)效益與對環(huán)境的影響及操 作和使用者的健康與安全性進(jìn)行評價

16、。生物工程如果能夠正確地加以設(shè)計，就能 夠在自然資源、人類需求與環(huán)境間建立良好的平衡關(guān)系。對生物工程發(fā)展尤為重要的是，適宜的訓(xùn)練有素的工作隊伍的可利用性。必 須認(rèn)識到，生物工程出發(fā)點(diǎn)是在校的所有學(xué)生，經(jīng)過有選擇的進(jìn)行技術(shù)等級水平 培訓(xùn)，就可培養(yǎng)出一支工業(yè)與研究中心需要的專家。沒有合適的和經(jīng)過充分培訓(xùn) 的人員，生物工程將無法發(fā)揮其潛在價值，特別是只有擁有經(jīng)過良好培訓(xùn)的工作 隊伍，高水平的生物工程才能順利開展。而且，當(dāng)我們考慮將生物學(xué)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于未來工業(yè)發(fā)展的時候， 不能忽略時間 的重要性。從一個新的發(fā)現(xiàn)到成功生產(chǎn)出商業(yè)產(chǎn)品，這中間經(jīng)過 5-20年的時間。 因此新的生物技術(shù)可望到90年代才能有較大的

17、發(fā)展。這些不是試圖描述或分析目前生物工程實(shí)踐中不同的處理過程，而是試圖去證實(shí)圍繞著基本原理的生物技術(shù)的核心部分已經(jīng)得到了發(fā)展。1.6 總結(jié)生物工程是將生物體和過程處理應(yīng)用于制造工業(yè)的技術(shù)。生物工程涵蓋的學(xué) 科范圍廣泛，盡管今天，它的實(shí)際操作非常復(fù)雜，但是許多新的處理過程已經(jīng)記 載在歷史的新篇章中。這種特殊的處理過程是經(jīng)過微生物、植物或動物細(xì)胞，或者是它們自身的產(chǎn) 物如酶進(jìn)行催化反應(yīng)的。生物工程的生物體可被收集，它們可實(shí)現(xiàn)化學(xué)改造，可 作為生物活性分子如酶和單克隆抗體的來源?；蚬こ碳夹g(shù)開辟了應(yīng)用遺傳學(xué)的新領(lǐng)域，并未最新工業(yè)處理過程的使用創(chuàng) 造了機(jī)會。例如，利用細(xì)菌細(xì)胞生產(chǎn)人干擾素。過程控制工程

18、于發(fā)酵工程也取得 了重要的進(jìn)展，這將進(jìn)一步加快生物工業(yè)的發(fā)展。生物工程就如一個不斷擴(kuò)張和充滿機(jī)遇的領(lǐng)域，它涉及了許多產(chǎn)業(yè)，包括農(nóng)業(yè)、食品與飼料加工業(yè)、醫(yī)藥業(yè) 、能源與水處理工業(yè)。生物工程在新藥、激素、疫苗和抗體生產(chǎn)方面，提供廉價可靠的能源以及（從長遠(yuǎn)來看）在化學(xué)飼料方面、環(huán)境控制體系的改進(jìn)提高與廢物管理方面都將扮演 重要的角色。生物工程主要以可再生與可回收資源為基礎(chǔ)， 由于能源愈來愈貴并 且供給不足，從而它將更好的滿足世界的需求。第二章生長與代謝的生物化學(xué)2.1 前言一個微生物以生產(chǎn)另一個微生物為目的。在某些情況下，利用微生物的生物 學(xué)家們希望這樣的情況能夠快速頻繁的發(fā)生。 在另外一些產(chǎn)物不是

19、生物體自身的 情況下，生物學(xué)家必須對它進(jìn)行操縱使微生物的目標(biāo)發(fā)生變化，這樣以來，微生物就要努力的掙脫對它們繁殖能力的限制， 生產(chǎn)出生物學(xué)家希望得到的產(chǎn)物。生 物體的生長過程及其生產(chǎn)出的各種產(chǎn)物與微生物代謝的本質(zhì)特點(diǎn)是密不可分的。代謝過程是兩種互相緊密聯(lián)系又以相反方向進(jìn)行的活動過程。合成代謝過程 主要是細(xì)胞物質(zhì)的生成，不僅包括構(gòu)成細(xì)胞的主要組成物質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸、脂 質(zhì)、碳水化合物等等）,同時也包括它們的前提物質(zhì)氨基酸、喋吟與喀呢、 脂肪酸、各種糖與糖甘。合成代謝不是自發(fā)進(jìn)行的,必須由能量所推動，對大多數(shù)微生物來說，是通過一系列的產(chǎn)能分解代謝過程來供給能量。碳水化合物分解為CO2和水的過程是最為

20、常見的分解代謝反應(yīng)，然而微生物以這樣的方式還 能夠利用更大范圍的還原性含碳化合物。分解代謝與合成代謝所有微生物生物化 學(xué)的基礎(chǔ)，可以從兩者的平衡關(guān)系或者分別對它們進(jìn)行討論。實(shí)際中，我們要有效的區(qū)分那些需要空氣中的氧進(jìn)行需氧代謝的生物與那些 進(jìn)行厭氧代謝的生物。還原性含碳化合物與 O2反應(yīng)生成水和CO2,這是一個高 效的放熱反應(yīng)過程。因此，一個進(jìn)行需氧代謝的生物要使用一小部分底物進(jìn)行分 解代謝以維持某一水平的合成代謝，即成長過程。對于厭氧型生物，其底物的轉(zhuǎn) 化的過程基本上是一個不勻稱的反應(yīng) （氧化還原反應(yīng)），產(chǎn)生很少的能量，因此, 大部分底物都要被分解從而維持一定水平的合成代謝。在生物體中這種差

21、別能夠明顯的體現(xiàn)出來，比如酵母，它屬于兼性厭氧生物， 即它可在有氧條件下生長也可在無氧環(huán)境下生存。需氧酵母使糖以同樣的速度轉(zhuǎn)化為CO2和水，相對產(chǎn)生高產(chǎn)量的新酵母。而厭氧條件下，酵母菌生長緩慢， 此時酵母被有效的轉(zhuǎn)化為酒精和 CO2。2.2 代謝與能量分解代謝與合成代謝間的有效聯(lián)系在于，各種分解代謝過程促進(jìn)少量反應(yīng)物 的合成，而后又被用來促進(jìn)全面的合成代謝反應(yīng)。在這種重要的中間產(chǎn)物中，其中最為重要的是ATP,其含有生物學(xué)家所說的“高能鍵在ATP分子中，酊與 焦磷酸殘基相聯(lián)。高能鍵在水解過程中所產(chǎn)生的熱量就被用來克服在其形成過程 中需要攝入的能量。像 ATP這類分子，為細(xì)胞提供了流通能量，當(dāng)將

22、ATP用于 生物合成反應(yīng)時，其水解產(chǎn)物為 ADP （腺甘二磷酸）或者某些時候?yàn)?AMP （腺 甘一磷酸）：（反應(yīng)式）仍含有一個高能鍵的ADP通過腺甘酸激酶反應(yīng)也可生成ATP:（反應(yīng)式）。磷酸化作用是生物體中普遍的反應(yīng)，通常由 ATP作用而發(fā)生。經(jīng)過磷酸化生成的物質(zhì)通常比最初的化合物更具有反應(yīng)活性，用無機(jī)磷酸進(jìn)行磷酸化反應(yīng)是無法進(jìn)行的，因?yàn)?，平衡反?yīng)式的相反方向生成大量的水 （55M）。細(xì)胞的“能量狀態(tài)”認(rèn)為是由占有優(yōu)勢的組分：ATP、ADP、AMP作用形成 的。為了給出一個量值，Daniel Atksirson提出了 “能荷”這個概念，定義一個細(xì) 胞的能荷為：ATP+0.5 ADPATP+ A

23、DP+AMP在“滿荷”細(xì)胞中，僅含有ATP一種腺喋吟核甘酸，它的能荷值定義為1.0。 如果三種核甘酸的量相等，即 ATP=ADP=AMP ,則細(xì)胞的能荷為0.5。與所有的習(xí)慣用法相同，能荷概念的使用是有限制的，沒有人能夠確定假如 一個細(xì)胞的能荷是0.7而不是0.8或者0.6到底是什么意思。這個概念沒有考慮細(xì)胞中核甘酸的確切數(shù)量，也沒有表明對于單體酶和ATP 與其鎂復(fù)合物之間的顯著差別。它也無法解釋細(xì)菌、酵母菌與霉菌中能荷值的差 異。盡管如此，這個概念對于給定的細(xì)胞類型如生長期細(xì)胞中隨后的能量與酶活 性的改變來講是有所幫助的。當(dāng)細(xì)胞迅速生長時，能荷處于最低值；ATP以它重 新合成的最快速度被消耗

24、，在生長末期，生長速度開始變慢，相對于ADP和AMP, ATP組分開始增大，因此，能荷值開始增大，當(dāng)細(xì)胞停止生長時，所有的 ADP 和AMP都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為ATP,此時能荷值達(dá)到最大。2.3 分解代謝途徑盡管微生物可以利用不同的含碳化合物進(jìn)行生長，但我們主要關(guān)心的是葡萄糖的代謝，鑒于乙醇（和其它C2化合物）、姓和脂肪酸、甲烷和甲醇這些物質(zhì)的 不斷增長的重要的經(jīng)濟(jì)價值。2.3.1 葡萄糖和其它糖幾乎在所有的生命細(xì)胞中，最重要的兩種糖代謝途徑是二磷酸己糖途徑與一 磷酸己糖途徑，它們常常同時發(fā)生，為合成代謝過程提供重要的聯(lián)系，它們之間 的相互作用受關(guān)鍵控制機(jī)制的支配。二磷酸己糖途徑（常被稱為恩伯納-邁耶

25、霍夫或者糖酵解途徑）如圖2.2所示。 這個過程將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸，碳原子數(shù)量無變化，還原 2分子NAD +輔酶生 成2分子ATP。生成的丙酮酸是合成代謝重要的前提物質(zhì)的來源，在好氧有機(jī)體中，它還是氧化還原反應(yīng)的底物，而在厭氧有機(jī)體中，丙酮酸或者它轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物 是NADH的氧化齊心一磷酸己糖途徑即磷酸戊糖途徑如圖2.4。作為氧化過程，它將葡萄糖轉(zhuǎn)化 為戊糖和 CO2,還原 2分子 NADP+生成 NADPH 0NAD + NADP+和 NADH/NADPH 都是通過H轉(zhuǎn)移而作用，但它們是有差別的； NADH主要在于能量相關(guān)的氧化 還原反應(yīng)中發(fā)揮作用，而 NADPH主要作用于合成代謝過程中的還原反

26、應(yīng)步驟。經(jīng)過一系列可逆互變過程，如圖 2.4所示，磷酸戊糖與其它含有 3-7個碳原 子的磷酸糖相平衡，并根據(jù)環(huán)境條件、扮演不同的代謝角色。磷酸丙糖與糖酵解 過程中所生成的相同，而且跳過糖酵解途徑的 cleavage ste”成二磷酸己糖;磷 酸丁糖是重要的合成代謝生產(chǎn)芳香環(huán)氨基酸的前體，而磷酸戊糖也是合成核甘酸 所必需的物質(zhì)。對大多數(shù)有機(jī)體而言，66-80%的葡萄糖是經(jīng)過恩伯納-邁耶霍夫途徑進(jìn)行代 謝的，剩下的則通過磷酸戊糖途徑進(jìn)行代謝。 每個代謝途徑中碳原子流向的控制 點(diǎn)通常是恩伯納-邁耶霍夫途徑中，當(dāng)6-磷酸果糖被磷酸果糖激酶（PFK）催化 發(fā)生磷酸化作用生成1, 6-二磷酸果糖時候。這種

27、酶分子組成可以根據(jù)細(xì)胞所進(jìn) 行的主要代謝情況而對酶活性進(jìn)行調(diào)節(jié):當(dāng)需要更多能量的時候，PFK的活性就 增大；而如果細(xì)胞中有足夠的能量或者足夠的 C3代謝產(chǎn)物，則PFK的活性就降 低。PFK的這種通過調(diào)節(jié)催化活性從而對酶進(jìn)行控制的原則是很普遍。代謝途徑是一直 被控制的，對細(xì)胞來說，必須協(xié)調(diào)并最有效的行使它的整體活動。對于控制通過兩種手段。第一，酶的激活。在存在有 ATP或ADP時，酶催化反應(yīng)的 速度被增大。因此，當(dāng)細(xì)胞能荷低時，PFK將以高速率催化反應(yīng)地進(jìn)行。第二， 酶被中間產(chǎn)物一般為磷酸烯醇式丙酮酸或者檸檬酸抑制，從而代謝過程被減緩。 因此，如果它們其中的一種不能被有效轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)的話，就無

28、法使細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行生長。葡萄糖代謝的其他可控制點(diǎn)根據(jù)有機(jī)體的不同而不同。但是分解代謝必須盡可能的滿足合成代謝的需求。恩伯納-邁耶霍夫途徑與磷酸戊糖循環(huán)途徑不是葡萄糖僅有的代謝過程，盡 管它們是非常普遍的代謝途徑。相對于恩伯納 -邁耶霍夫途徑，另一種主要的代 謝途徑是恩特納一道德洛夫途徑，見于某些假單抱菌與細(xì)菌中，如圖2.5所示。磷酸戊糖途徑中的酶對 C5和C4糖的產(chǎn)生來說仍是必需的，但代謝方向與圖 2.4 中所示的相反。磷酸酮醇酶是另一種較重要的酶，也許比人們一般上了解到的使用范圍更加 廣泛。這類酶（不是一個）作用于磷酸 C5和C6糖，產(chǎn)生乙酰磷酸和3-磷酸甘油 醛或者4-磷酸赤薛糖（取決于是

29、C5還是C6糖被利用）如圖2.6。這些酶最早見 于進(jìn)行異型發(fā)酵的乳酸桿菌與醋酸桿菌中，它們?nèi)〈鞑{-邁耶霍夫途徑而發(fā)揮作用。產(chǎn)生的乙酰磷酸可以被轉(zhuǎn)化為乙?；蛘咭掖肌Ｗ罱l(fā)現(xiàn)在酵母菌中，當(dāng)大多數(shù)酵母以木糖作為單一碳源進(jìn)行好氧生長時，磷酸酮醇酶是一種誘導(dǎo)酶。木糖經(jīng)過最初代謝由木糖醇轉(zhuǎn)化為木酮糖，然后以5-磷酸木酮糖進(jìn)行磷酸酮醇酶反 應(yīng)，如圖2.6所示（在以利用木糖進(jìn)行生長的細(xì)菌中，有一種異構(gòu)酶可直接將木 糖轉(zhuǎn)化為木酮糖）。在這種情況下，C5-磷酸酮醇酶不取代恩伯納-邁耶霍夫途徑而 僅僅是為有機(jī)體將戊糖轉(zhuǎn)化為 C2或者C3單元進(jìn)行進(jìn)一步代謝提供一種有效的途 徑。這類酶從而存在于很多微生物中而不單單

30、是酵母，當(dāng)利用木糖或其它戊糖進(jìn)行生長代謝。2.3.2 三竣酸循環(huán)目前所討論的代謝途徑其終產(chǎn)物為 C3或者C2化合物，稱為丙酮酸酯或者乙 酰，前者如乙酰CoA是一種硫酯（如圖2.7）,具有酊的反應(yīng)性（脫氫反應(yīng)活性）。 丙酮酸酯與乙酰CoA的進(jìn)一步有氧代謝經(jīng)過一個循環(huán)過程，具有兩種作用。它產(chǎn)生的中間產(chǎn)物用來進(jìn)行生物合成反應(yīng)，化合物最終被氧化為CO2和水，它將氧化反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)移相聯(lián)系。乙酰CoA 氧化反應(yīng)循環(huán)過程普遍存在于所有好氧細(xì)胞中(被稱為三羧酸循環(huán)，克雷布斯循環(huán)) 。在真核生物細(xì)胞中， 三羧酸循環(huán)與產(chǎn)生能量的反應(yīng)是在線粒體內(nèi)完成的， 而在細(xì)菌體內(nèi)， 產(chǎn)生能量的酶位于細(xì)胞質(zhì)膜上。 由于線粒體內(nèi)的

31、代謝過程首先七十于將丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中，從而更容易的使丙酮酸進(jìn)行三羧酸循環(huán)反應(yīng)。丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰CoA 的整個過程是由一種多酶復(fù)合物所催化的，丙酮酸脫氫酶。乙酰CoA 接下來通過圖 2.8所示的三羧酸循環(huán)反應(yīng)而代謝。這個循環(huán)的作用包括：( i ) 生產(chǎn)可用于其它生物合成途徑的中間產(chǎn)物例如：天冬氨酸與谷氨酸反應(yīng)是非常重要的代謝途徑，細(xì)胞通過該途徑同化氨。(ii)從氧化反應(yīng)中回收能量。異檸檬酸脫氫酶、e酮戊二酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶這些酶催化中間產(chǎn)物的進(jìn)一步氧化反應(yīng)，同時輔酶有氧化型轉(zhuǎn)為還原型。輔酶I( NAD+)和FAD分別轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH 和 FADH. ，然后又經(jīng)氧化磷酸化作用重

32、新氧化為最初形式的輔酶，每摩爾NADH產(chǎn)生3摩爾ATP,而摩爾FADH2產(chǎn)生2摩爾ATP。琥珀 酸激酶反應(yīng)也可獲得能量。盡管這種循環(huán)自身是永不停止的， 一旦從草酰乙酸啟動將不斷進(jìn)行下去， 但實(shí)際上這種情況是不存在的。 就像已經(jīng)說明的那樣， 這個循環(huán)同時為生物合成反應(yīng)儲備中間產(chǎn)物， 一旦任何一種中間產(chǎn)物從循環(huán)中被除去， 草酰乙酸與檸檬酸的合成就無法進(jìn)行。 因此， 額外的草酰乙酸就必須獨(dú)立自主的合成， 這主要通過丙酮酸的羧化作用。這個反應(yīng)由丙酮酸羧化酶催化， 但是由于經(jīng)過循環(huán)反應(yīng)過程也合成了草酰乙酸，因此，必須對丙酮酸的羧化反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，以使得乙酰CoA 于草酰乙酸的含量保持均等，主要通過丙酮酸羧

33、化酶實(shí)現(xiàn)對它的控制。乙酰CoA 是丙酮酸羧化酶的正效應(yīng)物，也就是說它可以提高酶的活性。乙酰CoA 含量越高，草酰乙酸的合成速度就越快。當(dāng)草酰乙酸與乙酰CoA 合成了檸檬酸，乙酰CoA 的濃度就減少； 丙酮酸羧化酶的活性隨之下降， 但由于丙酮酸脫氫酶仍舊存在， 將會產(chǎn)生更多的乙酰CoA 。這樣，檸檬酸合成不僅不會停止，這兩個物質(zhì)也使檸檬酸 的前提物質(zhì)始終保持平衡。其它輔助控制也能實(shí)現(xiàn)對循環(huán)過程的調(diào)節(jié)，其中的有些酶的活性受 ATP抑 制，而有些則受到AMP濃度的影響。因此，循環(huán)反應(yīng)過程可以通過 ATP與AMP 相應(yīng)的比例來進(jìn)行調(diào)控，也就是細(xì)胞的能荷。這種控制機(jī)制沒有廣泛采用，但對 于單個有機(jī)體或一

34、群有機(jī)體是被證實(shí)的， 在這里不詳細(xì)討論，但控制機(jī)制的普遍 原則如對糖酵解過程的控制仍被應(yīng)用。2.3.3 乙醛酸途徑（以C2化合物為碳源）如果一個有機(jī)體利用C2化合物或者脂肪酸或始進(jìn)行生長，那么產(chǎn)物主要為 C2單元，三竣酸循環(huán)不能完全滿足有機(jī)體的生長代謝，像前面內(nèi)容中所講過的， 任何用來進(jìn)行合成代謝的化合物，一旦在三竣酸循環(huán)中缺少，那么草酰乙酸的生 成便會停止，由于C2化合物不能轉(zhuǎn)化為丙酮酸（丙酮酸脫氫酶的反應(yīng)是不可逆 反應(yīng)），因此，沒有一種途徑可將草酰乙酸或者更準(zhǔn)確地說是任何一種C4化合物通過目前已經(jīng)所述的反應(yīng)由C2化合物合成。如果被作為碳源而利用，乙酰 CoA可直接由乙酰生成，或者來源于還原

35、性 比乙酰更強(qiáng)的C2化合物，如乙醛或者乙醇。通過已知的乙醛酸途徑如 圖2.9,乙酰轉(zhuǎn)化為C4化合物，這個過程需要用到 在三竣酸循環(huán)中作用的酶：異檸檬酸裂解酶與蘋果酸合成酶。兩種酶都是可被誘 導(dǎo)的，當(dāng)微生物利用 C2化合物生長代謝；在這樣的生長條件下，酶的活性可提 高到20-50倍。乙醛酸途徑不會取代三竣酸循環(huán)；例如：必須合成a-酮戊二酸用來為蛋白質(zhì)的合成提供谷氨酸等。 琥珀酸、檸檬酸裂解酶的另一個產(chǎn)物，同以前 代謝生產(chǎn)的產(chǎn)物一樣為蘋果酸，然后是草酰乙酸。因此，經(jīng)過乙醛酸循環(huán)，C4化合物就由C2單元進(jìn)行合成，然后用來合成所有的細(xì)胞代謝物。它們轉(zhuǎn)化為糖 的過程在2.4部分中詳細(xì)介紹。2.3.4 脂

36、肪酸和燒利用始進(jìn)行生長的情況并不多見，但卻見于細(xì)菌、酵母和霉菌中，這種利用 脂肪酸或油和脂肪這種含有脂肪酸的物質(zhì)進(jìn)行代謝的現(xiàn)象是比較常見的。姓類可作為生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的唯一碳源， 也可用于其它代謝過程，如檸檬酸 的生產(chǎn)。常在抗牛素牛產(chǎn)中加入脂肪酸和植物油作為輔料。為了利用油和脂肪， 有機(jī)體必須用脂肪酶水解（細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外）酯鍵，而生成3摩爾游離脂肪酸和1 墨爾甘油；甘油在恩伯納邁耶霍夫途徑中被利用，很多微生物也可利用游離脂肪酸， 但無論這類酸是被攝入到細(xì)胞內(nèi)還是就此形成， 它們都是劇毒性的 （由于它們具有表面活性劑的性質(zhì)）從而必須立刻轉(zhuǎn)化為其輔酶A 的硫酯形式。硫酯又經(jīng)過如圖 2.10 的循環(huán)過

37、程活化，用來降解脂肪鏈。每輪循環(huán)，都將產(chǎn)生 1 摩爾乙酰CoA ，與此同時，其鏈上少了2 個碳原子的酯?；鵆oA 又開始了新一輪的氧化循環(huán)。這個過程即為&氧化循環(huán)，它將一直持續(xù)到反應(yīng)終產(chǎn)物為 C4 化合物，乙酰乙酰CoA ，此時產(chǎn)生2 摩爾的乙酰CoA 。如果脂肪酸含有的碳原子數(shù)為奇數(shù)，那么該降解過程不斷延續(xù)直到生成丙酸CoA,它將通過2.7.3部分中所講反應(yīng)的可逆反應(yīng)轉(zhuǎn)化為丙酮酸。微生物利用烷烴進(jìn)行生長通常由攻擊兩個甲基基團(tuán)中的一個而開始， 利用這種攻擊機(jī)制， 烷烴羥化酶包含氧分子和含鐵的氧化輔因子， 這個輔因子是經(jīng)氧化的，而它的還原型重新生成過程最終與氫化物載體相關(guān)，或者是 NAD

38、H 或者是 NADPH 。經(jīng)過兩部脫氫作用，脂肪醇被氧化為相應(yīng)的脂肪酸： （反應(yīng)式）一般來說，所有的參與烷烴降解作用的酶都具有底物專一性，而且容易與C10-C18 的底物起作用。某些微生物可作用于更短或更長的鏈。少數(shù)情況下，對烷烴作用后生成甲基酮， 它最終經(jīng)過進(jìn)一步氧化被裂解為甲酸和比初始烷烴少2個碳原子的脂肪酸。盡管在某些有機(jī)體中，存在一種產(chǎn)生二竣酸的s氧化，但燒燒一般上都是經(jīng)過&氧化循環(huán)而被降解為脂肪酸，這些脂肪酸又從一個終點(diǎn)開始，經(jīng)過 伊氧 化而降解。 脂肪酸也被細(xì)胞用來直接合成自身脂肪， 因此， 細(xì)胞中脂肪酸鏈的長 度就代表了烷烴鏈的長度。烷烴和某些支鏈烴也可能進(jìn)行代謝； 它們

39、不是從商業(yè)角度進(jìn)行利用而是作為飼料中的微小部分。它們的氧化反應(yīng)過程同樣涉及轉(zhuǎn)化為脂肪酸的過程。2.3.5 甲烷和甲醇少數(shù) （細(xì)菌和酵母） 被稱為甲基營養(yǎng)菌的微生物能夠利用甲醇作為唯一的碳源；到目前為止，只發(fā)現(xiàn)一小部分細(xì)菌具有利用甲烷的能力，稱為甲烷營養(yǎng)菌。極少數(shù)微生物能利用甲酸為碳源。 這三種化合物的代謝是相關(guān)的， 被最終氧化為 CO2,它們合成細(xì)胞物質(zhì)的機(jī)制與自養(yǎng) CO2固定化作用機(jī)制是不同的。能夠利用CO2作為唯一碳源的包括進(jìn)行光合作用的植物與微生物和很少一 部分無機(jī)化能營養(yǎng)型細(xì)菌，具是利用無機(jī)化合物的反應(yīng)作為能量的來源。這些生 物目前在生物工程中的應(yīng)用較少。若想進(jìn)一步了解 CO2自養(yǎng)固定

40、化的讀者可參 閱任何一本生物化學(xué)課本，但必須注意到，至少有兩種不同的代謝途徑：卡爾文 循環(huán)和還原性竣酸循環(huán)。甲烷的氧化過程為：（反應(yīng)式）第一步是通過一種氧合酶與 NADH （或NADPH ）輔因子來進(jìn)行，（與上述 高級烷姓的氧化相比較）。氧合酶（3種蛋白質(zhì)復(fù)合物）也可以氧化其它多種化合物，包括多種烷姓甚 至甲醇本身。接下來的第二步反應(yīng)由甲醇脫氫酶催化，以一種新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)叱咯并唾咻釀 為輔因子。在某些細(xì)菌中，甲醛進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲酸的過程被同種酶催化；而在另一些細(xì)菌中，有一種獨(dú)立作用的甲酸脫氫酶， NAD是它的輔因子。最后一步反應(yīng)是將甲酸轉(zhuǎn)化為 CO2,它是通過甲酸脫氫酶來催化進(jìn)行的， 伴 有NAD

41、 +的還原過程。來自甲醇或甲烷中的碳同化為細(xì)胞物質(zhì)甲醛， 經(jīng)過兩種獨(dú)立的代謝途徑：一 磷酸核酮糖循環(huán)和絲氨酸途徑，分別如 圖2.11和2.12所示。單磷酸核酮糖循環(huán)與卡爾文循環(huán)相似，都是通過磷酸戊糖途徑的反應(yīng)進(jìn)行 CO2自養(yǎng)固定化而生成以后的 Ci化合物受體，只多了兩種酶：磷酸己糖合成酶 和3-磷酸己糖異構(gòu)酶。絲氨酸途徑中的關(guān)鍵酶是：生成乙酰CoA和甘油的蘋果酰CoA以及絲氨酸 轉(zhuǎn)甲基酶，這是一種廣泛存在的酶，作用于四氫葉酸（四氫葉酸是一種輔因子， 可形成必需的活化 Ci中間產(chǎn)物，Nio-甲酰四氫葉酸，而后乙醛酸途徑利用乙酰 CoA。所以細(xì)胞就可在C2底物上進(jìn)行生長。異檸檬酸裂解酶去阻遏從而確

42、保C3單元的生成。酵母中，磷酸戊糖循環(huán)又進(jìn)一步發(fā)生了一些變化， 甲醛與5-磷酸木酮糖反應(yīng) 生成了 3-磷酸甘油醛和2-羥基丙酮。此反應(yīng)過程由轉(zhuǎn)酮酶催化，完成甲醛循化 同化過程唯一需要另外加入的酶是一種新的激酶， 它將二羥基丙酮轉(zhuǎn)化為二?；姿岜?.4 葡糖異生作用當(dāng)一個有機(jī)體利用Cz和C3化合物進(jìn)行生長，或者利用經(jīng)過代謝過程能夠生 成C"E C3 這種化合物的物質(zhì)進(jìn)行生長的時候， 在丙酮酸的代謝水平或者低于該 水平（例如脂肪姓、乙酸、乙醇或者乳酸），對有機(jī)體來說，就必須合成各種糖 類以滿足其代謝需求。這被稱為葡糖異生作用。盡管糖酵解途徑中的大部分反應(yīng)都是可逆的，但那些被丙酮酸激酶和

43、磷酸果糖激酶催化地反應(yīng)則是不可逆的，對細(xì)胞來說，就要避開這種阻礙。一般而言，磷酸烯醇式丙酮酸不能由丙酮酸形成， 盡管在少數(shù)有機(jī)體內(nèi)存在 一種磷酸烯醇式丙酮酸合成酶可以催化這個反應(yīng)。通常，草酰乙酸作為磷酸烯醇式丙酮酸的前體物質(zhì)。這個反應(yīng)由磷酸烯醇式丙酮酸竣化酶催化進(jìn)行，它是葡糖異生作用中的關(guān)鍵酶。已經(jīng)講過草酰乙酸的生成，果糖二磷酸化酶的作用可避開磷酸果糖激酶的不 可逆作用的性質(zhì)（其作用產(chǎn)生1, 6-二磷酸果糖）。從這一點(diǎn)來看，通過終止糖酵解途徑可積累己糖，通過磷酸戊糖循環(huán)又可生 成C3和C4糖，葡萄糖不是葡糖異生作用的終產(chǎn)物， 然而6-磷酸葡萄糖被用來 合成細(xì)胞壁組分，和各種細(xì)胞外物質(zhì)及儲備多糖

44、。2.5 好氧生物的能量代謝在葡萄糖代謝和三竣酸循環(huán)中已經(jīng)講過，如何把各種代謝中間產(chǎn)物的氧化 過程與輔因子（NAD+、NADP+、FAD+）還原為其還原型（NADH、NADPH、 FADH）的還原反應(yīng)過程聯(lián)系起來的。這些產(chǎn)物的還原性是由一系列復(fù)雜的反應(yīng) 過程而是釋放。這個反應(yīng)過程最終與空氣中氧氣的還原相關(guān)。 在這個反應(yīng)過程中， 由電子傳遞上的ATP或者2-3個具體位點(diǎn)上的無機(jī)磷而生成 ATP,這取決于最 初還原劑的性質(zhì)。如圖2.14,總反應(yīng)式如下：。每摩爾葡萄糖經(jīng)過恩伯納-邁耶霍夫途徑所生成的 ATP和丙酮酸經(jīng)三竣酸 循環(huán)產(chǎn)生的ATP總結(jié)于表2.1。能夠被生物利用的ATP形式的能量是在膜上產(chǎn)生

45、的，可以是真核細(xì)胞的線 粒體膜或者是細(xì)菌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜， 其產(chǎn)生過程大致相同。具體差異根據(jù)個體差 異而不同。電子傳遞鏈的主要成分是黃素蛋白， 酶和細(xì)胞色素。細(xì)胞色素具有還 原性（接受氫離子或者電子），經(jīng)過氧化可以有效釋放電子到下一個載體上。每 個載體都有不同的氧化-還原能，大約可以從 NADH/NAD +反應(yīng)的320摩爾到 I/2O2/H2O終反應(yīng)的800mV。在電子傳遞鏈上的特定位點(diǎn)，兩個相鄰電子載體的 氧化-還原能差就已足夠進(jìn)行可逆反應(yīng)：oooo向合成ATP的方向進(jìn)行。這個過程 需要一種復(fù)雜的多亞基酶ATPase的協(xié)助。有兩種原理來說明ATPase是怎樣作用的。在化學(xué)滲透學(xué)說中，過去二十年

46、 里米歇爾對其進(jìn)行了發(fā)展，認(rèn)為電子傳遞上的各組分是跨膜排列的， 由于質(zhì)子從 一邊向另一邊移動，這樣便產(chǎn)生了 pH和電子濃度梯度。質(zhì)子跨膜運(yùn)動就推動了 ATPase反應(yīng)合成ATP。ATPase是定向作用的，質(zhì)子只能從一邊靠近催化位點(diǎn)， 圖2.15對這個概念進(jìn)行了簡單說明。ATP合成的第二種解釋為，電子傳遞鏈上的載體與假設(shè)的將要被活化的中 間產(chǎn)物相互作用使ATP磷酸化。這種中間產(chǎn)物稱為偶聯(lián)因子。兩種理論個具有優(yōu)缺點(diǎn)，都可以解釋不成對氧化磷酸化作用產(chǎn)生的影響, 如魚藤酮、安必妥、抗霉素 A等。它們可以阻止ATP的合成。2.6 厭氧生物能量生成過程在2.5部分中所說的ATP生成過程需要供應(yīng)氧氣。某些有

47、機(jī)體則可以用磷酸 鹽，另一些則用硫酸鹽或鐵離子來代替氧氣分子，而且如果在培養(yǎng)集中，這些物 質(zhì)被大量供應(yīng)，那么有機(jī)體利用電子傳遞體在沒有空氣的條件下仍可以生成 ATP,從而進(jìn)行厭氧生長。如果沒有合適的電子受體，或者（如大多數(shù)細(xì)菌）有 機(jī)體缺少這類物質(zhì)，那么一旦缺少氧氣，有機(jī)體將不能以這樣的方式合成ATP。所以，進(jìn)行厭氧生長的有機(jī)體就必須將 ATP合成反應(yīng)與能量生成反應(yīng)相聯(lián)系， 才能獲得ATP、這被稱為底物水平磷酸化。這只發(fā)生在有限數(shù)量的反應(yīng)中。 反應(yīng) 自由能的變化必須能夠進(jìn)行 ATP磷酸化反應(yīng)。其中最為重要的反應(yīng)歸納于表2.2。這6種反應(yīng)，其中后3種只對少數(shù)生物體來說是重要的。表 2.2中其它的

48、3 個反應(yīng)中，反應(yīng)1與反應(yīng)2涉及糖酵解的中間產(chǎn)物、涉及乙酰磷酸的反應(yīng)3廣泛 存在于厭氧有機(jī)體中。乙酰磷酸由乙酰 CoA與無機(jī)磷反應(yīng)而合成，它還是被磷 酸酮醇酶作用的。乙酰CoA可以由乙酰乙酰CoA降解而生成，或者由丙酮酸經(jīng)3種反應(yīng)中的 一種而生成：丙酮酸脫氫酶反應(yīng)，丙酮酸甲酸裂解酶反應(yīng)，鐵氧還蛋白氧化還原 酶反應(yīng)，該反應(yīng)與丙酮酸脫氫酶反應(yīng)產(chǎn)生同樣的產(chǎn)物， 但是用到了一種鐵硫蛋白， 鐵氧還蛋白不是 NAD +作為還原劑（還原型鐵氧還蛋白被氫化酶還原為鐵氧蛋 白，釋放出氫氣）這三種酶中，后兩種對氧敏感，當(dāng)含有它們的有機(jī)體被暴露于 空氣中的時候，它們便會迅速失活。越來越多的證據(jù)表明，電子傳遞磷酸化同

49、樣可以進(jìn)行延胡竣酸還原酶的反 應(yīng)。這種酶對于某些產(chǎn)甲烷菌，還原硫酸鹽的有機(jī)體及進(jìn)行氫氣與二氧化碳發(fā)酵 的氫化菌來說大概是重要的。反應(yīng)：。，氫原子可以由各種輔因子提供，包括 NADPH ,而某些有機(jī)體如大腸桿菌、其氫原子的生成經(jīng)過了電子傳遞鏈、即使 與好氧有機(jī)體中的電子傳遞鏈不同，但也至少是類似的。因此,盡管沒有氧氣， 有機(jī)體仍通過偶聯(lián)不同的反應(yīng)從而生成 ATP。所有的厭氧有機(jī)體都面臨兩個問題：第一，在氧化磷酸化作用中，缺少將 NADH或NADPH的再氧化與ATP的生成相聯(lián)系。每摩爾底物所生成的 ATP量 比好氧代謝產(chǎn)生的少。第二，不能將 NADH的氧化與氧氣的還原相聯(lián)系，這樣 如何進(jìn)行這個重要

50、的反應(yīng)就成為一個問題，當(dāng)所有的NAD+不可逆的轉(zhuǎn)化為NADH ,代謝過程也就很快被停止。厭氧生物采用很多方法使還原型輔因子重新被氧化。 其中的核心部分為:000這里，由AH2 A這步是厭氧生物利用底物時所采用的途徑中的一部分。通常，底物B是補(bǔ)充還原反應(yīng)所必需的,也直接來源于底物；BH2一旦形成，就不再進(jìn)一步代謝。AH2的代謝與BH2的補(bǔ)償性生成在化學(xué)計量上相關(guān)。這樣以來、 厭氧生物必須積累還原型代謝產(chǎn)物從而能夠進(jìn)行任何底物的降解過程。而且，就像已經(jīng)說明的那樣，既然厭氧生物從降解底物后獲得極少的 ATP,那么還原型代 謝產(chǎn)物的積累與合成的細(xì)胞物質(zhì)必將有極大的聯(lián)系。以這種方式進(jìn)行的厭氧代謝 將在后

51、面內(nèi)容中講述。2.7 厭氧代謝選擇底物來氧化還原劑，例如NADH、NADPH、FADH2是非常普遍的現(xiàn)象， 同時產(chǎn)生相應(yīng)的各種終產(chǎn)物，因此對厭氧代謝途徑的描述也就是個體將積累何種 終產(chǎn)物的描述。這些終產(chǎn)物例如乙醇有著很高的商業(yè)價值。 即使是在厭氧條件下， 葡萄糖仍是生成丙酮酸，但是只有小部分丙酮酸進(jìn)入三竣酸循環(huán)從而生成用來合 成主要的細(xì)胞物質(zhì)的中間體。三竣酸循環(huán)反應(yīng)只提供這些中間體而不生成能量，通常，三竣酸循環(huán)不會完全發(fā)揮作用，尤其是為酮戊二酸脫氫酶不作用，因此，這個循環(huán)成為一個鐵蹄形，其中草酰乙酸轉(zhuǎn)化為琥珀酸，而檸檬酸轉(zhuǎn)化為a-酮戊 二酸。2.7.1 發(fā)酵產(chǎn)酒精在釀酒酵母這樣的酵母菌中，氧化

52、劑是縮醛；從葡萄糖轉(zhuǎn)化的丙酮酸大部分 轉(zhuǎn)化為酒精。（反應(yīng)式）1摩爾葡萄糖可生成2摩爾丙酮酸；產(chǎn)生的酒精可以重新氧化在磷酸丙糖脫 氫酶反應(yīng)過程中生成的NADH，總的化學(xué)計量如下式：ATP為酵母細(xì)胞的生長提供能量，但是由表 2.1中比較得知，每摩爾葡萄糖 在好氧條件下轉(zhuǎn)化的量少于5% o葡萄糖通過磷酸戊糖途經(jīng)主要的代謝產(chǎn)物為必需的 C5和C4糖，經(jīng)過這個過 程摩爾葡萄糖僅能生成1摩爾的丙酮酸，同時產(chǎn)生 2摩爾NADPH和1摩爾 NADH。這些附屬的還原性物質(zhì)必須與其它反應(yīng)相連從而被重新氧化。這些反應(yīng)中最重要的反應(yīng)過程是脂肪酸的形成， 它們是化學(xué)合成的還原性化 合物，其合成過程需要大量的相應(yīng)的還原性

53、物質(zhì)。某些細(xì)菌也可進(jìn)行生產(chǎn)酒精，通常還伴有其他終產(chǎn)物的生成，某些霉菌也能 生產(chǎn)酒精，而且厭氧條件一般對生產(chǎn)最大量的酒精來說是必需的。 如果產(chǎn)酒精的 有機(jī)體可以像釀酒酵母那樣進(jìn)行好氧生長， 那么一旦通入氧氣，積累的酒精就常 常被細(xì)胞吸收并以醋酸的形式作為生長底物而被利用。2.7.2 乳酸發(fā)酵發(fā)酵產(chǎn)乳酸的過程是僅次于酒精發(fā)酵的過程， 對于食品工業(yè)均具有重要的歷 史意義。除乳酸外，雜發(fā)酵乳酸菌生產(chǎn)各種還原性化合物，而且沒有主要的糖酵酶-醛縮酶；而使用磷酸酮醇酶，它是生成乙酰磷酸的酶。在厭氧條件下，乙酰磷酸 經(jīng)過生成ATP的過程而轉(zhuǎn)化為酒精和乙酸，酒精重新生產(chǎn)NAD+。磷酸酮醇酶的 另一個反應(yīng)產(chǎn)物是3

54、-磷酸甘油，其通過普遍的糖酵解系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為丙酮酸， 然 后經(jīng)過乳酸脫氫酶的作用轉(zhuǎn)化為乳酸。單純?nèi)樗峋策M(jìn)行這樣的反應(yīng)過程； 這類有機(jī)體沒有磷酸酮醇酶，結(jié)果乳酸 是位的終產(chǎn)物。某些乳酸桿菌生產(chǎn) D-乳酸，其他的則生產(chǎn)L-乳酸，而另一些乳 酸桿菌則生產(chǎn)兩種乳酸的混合物，主要是乳酸脫氫酶的不同。2.7.3 丙酸發(fā)酵丙酸菌，例如在格魯 省6爾奶酪中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一系列以甲基丙二酰CoA為中間產(chǎn)物的反應(yīng)， 可將丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酸。 在特殊的轉(zhuǎn)羧化反應(yīng)中， 被用作丙酸的直接來源。甲基丙二酰CoA 經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)羧化作用，由琥珀酸CoA 形成，可由草酰乙酸重新生成（經(jīng)蘋果酸、延胡羧酸和琥珀酸） ，同時 2 摩爾 N

55、ADH 被氧化 NAD +。在某些羧狀芽孢桿菌中， 丙酸可由丙酮酸經(jīng)乳酸和丙烯酸直接生成； 這個轉(zhuǎn)化過程又將 2 摩爾 NADH 重新氧化。2.7.4 丁二醇發(fā)酵。 2 摩爾丙酮酸經(jīng)過濃縮最終生成2， 2-丁二醇，只有最后一步反應(yīng)與 NADH 的氧化相聯(lián)系，因此， 1 摩爾丙酮酸只生成0.5摩爾NAD +，這些有機(jī)體也可將丙酮酸轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物包括乳酸和甲酸。2.7.5 甲酸發(fā)酵在不同的細(xì)菌體內(nèi)，丙酮酸部分轉(zhuǎn)化為乳酸，部分轉(zhuǎn)化為乙酰CoA+ 甲酸。后一種反應(yīng)被稱為磷酸裂解反應(yīng)， 甲酸能夠少量積累但常常被甲酸水解酶轉(zhuǎn)化為CO2+H2。這種從丙酮酸到乙酰 CoA的途徑，其優(yōu)點(diǎn)是它不生成NADH從而避

56、免了必需的再氧化過程。乙酰CoA 經(jīng)過醛脫氫酶作用轉(zhuǎn)化為乙醛。將乙醛還原為乙醇的過程通過進(jìn)一步的 NADH 來完成。注意這種生成酒精的過程與酵母產(chǎn)酒精過程是不同的。2.7.6 丁酸發(fā)酵歷史上， 丁酸、 丙酮和 propan-2-ol 的生產(chǎn)過程是最古老的精細(xì)發(fā)酵過程， i.e.從利用已知單菌株進(jìn)行的發(fā)酵過程規(guī)律發(fā)展而來。 這類葡萄糖代謝的終產(chǎn)物經(jīng)過圖 2.17 的代謝流程，由羧狀芽孢桿菌進(jìn)行生產(chǎn)。有一些不同的是，某些羧狀芽孢桿菌生產(chǎn)丁酸、乙酸、CO2 和 H2 ；而另一些則主要生產(chǎn)丙酮而不是propan-2-ol， 由于所選用的物種和菌株以及培養(yǎng)條件的不同，終產(chǎn)物所占的比例也就發(fā)生變化。2.7

57、.7 miscellaneous2.8 生物合成與生長微生物細(xì)胞可以利用簡單的營養(yǎng)物進(jìn)行自身的繁殖，生物細(xì)胞用以完成這個過程所利用的途徑數(shù)目是巨大的。 一個細(xì)菌細(xì)胞可能包含有100多種酶，而真核 生物細(xì)胞含有的酶的種類大約為細(xì)菌中的2倍。細(xì)胞中所有的大分子物質(zhì)是由100多種單體而組成的（蛋白質(zhì)、核酸、多糖等）。圖2.18總結(jié)概括了這些單體 物質(zhì)生物合成途徑（氨基酸、喋吟、喀噬、脂肪酸、糖等） 。這些生物合成途徑 是相互聯(lián)系的，都依賴于有足夠量的必要的中間體。 然而，我們無法說明這些途 徑的特點(diǎn)，關(guān)于它們研究普通生物學(xué)的部分，這方面的參考書也較多。因此，由 于特定的代謝途徑與具體的發(fā)酵過程相聯(lián)系，我們將在合適的章節(jié)中進(jìn)行講述。由于細(xì)胞所進(jìn)行的代謝活動是以平衡方式進(jìn)行的，因此所產(chǎn)生的終產(chǎn)物不會過量也不會不足，這種過量與不足都是不利的。為生物細(xì)胞必須能夠?qū)χ車h(huán)境 的變化做出調(diào)整，同時也要充分利用供給的氨基酸、 喋吟和喀呢。這是自然習(xí)慣 常會發(fā)生的情況，也是一個復(fù)雜的營養(yǎng)物作為生長底物被利用的場所。 這些營養(yǎng) 物含有大量的含碳化合物，因此，細(xì)胞可以通過停止合成已經(jīng)足量的物質(zhì)來保存 碳和能量，而且通過停止合成多余的酶進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)約，因此就有了兩種完全不同的作用方式一一酶活性的調(diào)控和酶合成的調(diào)控，通過這