页数：158页文件大小：33.14 MB来源： 微生物学ppt课件
本课件为微生物学第五章「微生物的代谢与发酵」，先界定新陈代谢、分解代谢与合成代谢及初级代谢与次级代谢，继而展开微生物的能量代谢：生物氧化的形式与过程，EMP、HMP、ED、磷酸酮解与 TCA 循环等底物脱氢途径，再比较发酵、有氧呼吸与无氧呼吸三类产能方式及自养微生物的生物氧化与光合磷酸化，最后讲解微生物独特合成代谢与代谢调控在发酵工业中的应用。
第五章微生物的代谢与发酵：讲述微生物的新陈代谢、能量代谢、底物脱氢途径、发酵与呼吸作用，以及微生物独特合成代谢与代谢调控在发酵工业中的应用。
第五章微生物的代谢：
按物质转化方式分：
按代谢产物在机体中作用不同分：
第二节微生物的能量代谢：能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务是把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源——ATP。
最初能源包括有机物（化能异养菌）、还原态无机物（化能自养菌）和日光（光能营养菌），最终统一为通用能源 ATP。
生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在 ATP 分子内，供需时使用。
生物氧化的方式：
生物氧化的功能：复杂分子（有机物）经分解代谢产生简单小分子、ATP 和 [H]（还原力）。
生物氧化的过程一般包括三个环节：
底物脱氢的途径：1、EMP 途径；2、HMP 途径；3、ED 途径；4、TCA 循环。
一、化能异养微生物的生物氧化：（一）底物脱氢的途径
（一）EMP 途径（糖酵解途径）
EMP 途径特点：葡萄糖分子经转化成 1,6-二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和 3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成 2 分子丙酮酸。
1 分子葡萄糖可降解成 2 分子 3-磷酸甘油醛，并消耗 2 分子 ATP；2 分子 3-磷酸甘油醛被氧化生成 2 分子丙酮酸、2 分子 NADH2 和 4 分子 ATP。
EMP 途径关键步骤：
总反应式：葡萄糖 + 2NAD + 2Pi + 2ADP → 2 丙酮酸 + 2NADH2 + 2ATP
丙酮酸经丙酮酸脱氢酶生成乙酰 CoA，进入 TCA 循环。
葡萄糖激活的方式：
磷酸果糖激酶是 EMP 途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着存在 EMP 途径；需要 ATP 和 Mg++；在活细胞内催化的反应是不可逆的反应。
（二）HMP 途径（戊糖磷酸途径，Hexose Monophosphate Pathway）
HMP 途径：葡萄糖经转化成 6-磷酸葡萄糖酸后，在 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成 5-磷酸戊糖和 CO2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局：
HMP 是一条葡萄糖不经 EMP 途径和 TCA 循环而得到彻底氧化，并能产生大量 NADPH+H+ 形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。降解葡萄糖的三个阶段：
HMP 途径关键步骤：
HMP 途径的关键酶系是6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶和转酮—转醛酶系：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化磷酸己糖酸的脱氢脱羧；转酮—转醛酶系则作用于三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖及七碳糖的相互转化。
HMP 途径的总反应：耗能阶段 C6 → 2C3 消耗 2ATP；产能阶段 2C3 → 2 丙酮酸，生成 4ATP 与 2NADH2。
总反应式：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2CH3COCOOH + 2NADH2 + 2H+ + 2ATP + 2H2O
HMP 途径完全氧化的总反应式：6 葡萄糖-6-磷酸 + 12NADP+ + 6H2O → 5 葡萄糖-6-磷酸 + 12NADPH + 12H+ + 12CO2 + Pi
HMP 途径的重要意义：
（三）ED 途径：又称 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952 年在 Pseudomonas saccharophila 中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。
ED 途径可不依赖于 EMP 和 HMP 途径而单独存在，是少数缺乏完整 EMP 途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。
ED 途径流程：葡萄糖 → 6-磷酸-葡萄糖 →（与 EMP 途径连接）6-磷酸-葡萄酸 →（与 HMP 途径连接）→ 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸（KDPG）→ 3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸；3-磷酸甘油醛经 EMP 途径生成丙酮酸。
有氧时与 TCA 循环连接，无氧时进行细菌发酵。
ED 途径（代谢流程图示）
ED 途径（代谢流程图示，续）
ED 途径的特点：
ED 途径的总反应：1 分子葡萄糖经 KDPG 生成 2 丙酮酸，产生 1ATP、1NADH2 与 1NADPH2。
ED 途径的关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解；催化的酶：6-磷酸脱水酶、KDPG 醛缩酶。
相关的发酵生产——细菌酒精发酵：
总反应：C6H12O6 →（经 KDPG）→ 2 丙酮酸；有氧时经呼吸链产 6ATP；无氧时进行发酵产 2 乙醇 + 2ATP。
由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。
（四）磷酸酮解途径：存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为 2 个三碳糖。
磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（PK 途径）、磷酸己糖酮解途径（HK 途径）。
磷酸戊糖酮解途径（PK）流程：葡萄糖 → 6-P-葡萄糖 → 6-P-葡萄糖酸 → 5-P-核酮糖 → 5-P-木酮糖 →（磷酸戊糖酮解酶）→ 3-P-甘油醛 + 乙酰磷酸。
3-P-甘油醛经 EMP 途径生成丙酮酸并还原为乳酸；乙酰磷酸可还原为乙醇或氧化为乙酸。过程中伴有 CO2 释放与 NAD+/NADH 的循环。
磷酸戊糖酮解途径的特点：
磷酸己糖解酮途径（HK）流程：2 葡萄糖 → 2 葡萄糖-6-磷酸 → 6-磷酸果糖 →（磷酸己糖解酮酶）→ 4-磷酸-赤藓糖 + 乙酰磷酸；4-磷酸-赤藓糖与另一分子木酮糖-5-磷酸经逆 HMP 途径生成 2 木酮糖-5-磷酸，再经磷酸戊糖解酮酶生成 2 甘油醛-3-磷酸 + 2 乙酰磷酸；甘油醛-3-磷酸同 EMP 途径生成乳酸，乙酰磷酸经乙酸激酶生成乙酸。
磷酸己糖酮解途径的特点：
（五）TCA 循环（三羧酸循环）
丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰 CoA，乙酰 CoA 和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰 CoA 被彻底氧化成 CO2 和 H2O，每氧化 1 分子的乙酰 CoA 可产生 12 分子的 ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。
TCA 循环的重要特点：
三羧酸循环的枢纽位置：糖、脂、蛋白质三大物质的分解最终都汇入 TCA 循环，其间的中间产物又可作为合成代谢的前体。
二、递氢、受氢和 ATP 的产生：经上述脱氢途径生成的 NADH、NADPH、FAD 等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。
根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类：
1、发酵作用：在生物氧化中，发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。
丙酮酸在不同微生物中的发酵产物：
① 酵母菌的乙醇发酵：葡萄糖经 EMP 途径生成丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙醛并放出 CO2，乙醛在乙醇脱氢酶作用下接受 NADH2 的氢还原为乙醇。
总反应式：C6H12O6 + 2ADP + 2Pi → 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP
该乙醇发酵过程只在 pH 3.5～4.5 及厌氧的条件下发生。
当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果 2 分子乙醛间发生歧化反应，生成 1 分子乙醇和 1 分子乙酸。
此时由磷酸二羟丙酮担任受氢体，接受 3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成 α-磷酸甘油，后者经 α-磷酸甘油酯酶催化生成甘油。
总反应：2 葡萄糖 → 2 甘油 + 乙醇 + 乙酸 + 2CO2
巴斯德效应（The Pasteur effect）：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。
| 比较项目 | 通风（有氧呼吸） | 缺氧（发酵） |
|---|---|---|
| 酒精生成量 | 低（接近零）至消失 | 高 |
| 耗糖量／单位时间 | 少 | 多 |
| 细胞的繁殖 | 旺盛 | 很弱 |
意义：合理利用能源。
巴斯德效应的机制：葡萄糖经己糖激酶、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶依次转化为丙酮酸、乙酰 CoA 并进入 TCA 循环；其中己糖激酶受 ATP、柠檬酸抑制，磷酸果糖激酶受 ATP 与柠檬酸抑制、受 ADP 与 AMP 激活，从而在有氧条件下降低糖的消耗速率。
② 细菌的乙醇发酵：菌种为运动发酵单胞菌等，途径为 ED 途径。葡萄糖 → 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 → 3-磷酸甘油醛 + 丙酮酸 → 乙醛 → 乙醇，并放出 2CO2，净产 2ATP。
三类微生物乙醇发酵的比较：
同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵；异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵。
利用 Z. mobilis 等细菌生产酒精：
（二）乳酸发酵：乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同、代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵分为：
① 同型乳酸发酵：葡萄糖经 3-磷酸甘油醛与磷酸二羟丙酮反应生成 2 分子 1,3-二磷酸甘油酸，再经 2 丙酮酸还原为 2 乳酸，消耗 2ATP 生成 4ATP，净产 2ATP。
代表菌种：Lactococcus lactis、Lactobacillus plantarum。
② 异型乳酸发酵：葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖酸 → 5-磷酸木酮糖 →（磷酸戊糖酮解酶）→ 3-磷酸甘油醛 + 乙酰磷酸；3-磷酸甘油醛还原为乳酸，乙酰磷酸经乙醛还原为乙醇，并放出 CO2，净产 ATP 较少。
（三）混合酸发酵：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过 EMP 途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2 和 CO2 等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。
途径：磷酸烯醇式丙酮酸经 PEP 羧化酶生成草酰乙酸再还原为琥珀酸；丙酮酸经乳酸脱氢酶生成乳酸，或经甲酸裂解酶生成甲酸（进而裂解为 CO2 和 H2），或经乙醛生成乙醇，或经乙酰 CoA、乙酰磷酸生成乙酸。发酵终末 pH < 6.2。
（四）2,3-丁二醇发酵：肠杆菌、沙雷氏菌和欧文氏菌属中的一些细菌具有 α-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵，途径为 EMP。
流程：丙酮酸经 α-乙酰乳酸合成酶生成乙酰乳酸并放出 CO2，乙酰乳酸经脱羧生成 3-羟基丁酮，再还原为 2,3-丁二醇；同时可产乳酸、甲酸、乙醇、H2 等副产物。
鉴别肠道细菌的 V.P. 试验原理：2 丙酮酸经缩合、脱羧生成乙酰乳酸 → 乙酰甲基甲醇；在碱性条件下被氧化为二乙酰，二乙酰与培养基中精氨酸的胍基结合生成红色化合物，即为 V.P. 试验阳性。
产酸产气试验：Escherichia 与 Shigella 在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。
甲基红（M.R）试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌产酸较多，使 pH < 4.5；产气杆菌 pH > 4.5。
IMViC 试验：包括吲哚（I）、甲基红（M）、V.P. 试验（Vi）、柠檬酸盐利用（C）共四项试验，用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。
| 菌名 | 吲哚试验 | 甲基红试验 | V.P. 试验 | 柠檬酸盐利用 |
|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 | + | + | - | - |
| 产气杆菌 | - | - | + | + |
2、呼吸作用 （一）有氧呼吸：以分子氧作为最终电子（或氢）受体的氧化过程，是最普遍、最重要的生物氧化方式，途径为 EMP 与 TCA 循环。
特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由 NAD、FAD、辅酶 Q 和各种细胞色素组成），最后才传递到氧。TCA 循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。
典型的呼吸链：来自 EMP 的 2NADH2、来自乙酰 CoA 的 2NADH2、来自 TCA 的 6NADH2 与 2FADH2 依次经脱氢酶（NAD、FP）、Fe-S、辅酶 Q（醌）、Cyt.b、Cyt.c、Cyt.a、Cyt.a3 与氧化酶传递，最终将电子交给 1/2O2 + 2H+ 生成 H2O，同时释放能量合成 ATP。
2. 呼吸作用（二）无氧呼吸：某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是 NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2 等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。
无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。
硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。NO3- 只能接收 2 个电子，产能效率低；NO2- 对细胞有毒；有些菌可将 NO2- 进一步还原成 N2，这个过程称为反硝化作用。
反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸，土壤及水环境中氧被消耗而造成局部的厌氧环境，土壤中植物能利用的氮（硝酸盐 NO3-）被还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。因此要松土、排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。
反硝化作用在氮素循环中的重要作用：硝酸盐易溶于水，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。
其它厌氧呼吸——延胡索酸呼吸：兼性厌氧微生物将延胡索酸还原成琥珀酸。以往都是把琥珀酸的形式作为微生物的一般发酵产物来考虑，实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。
其它厌氧呼吸：可作为最终电子受体的物质还有锰离子、三价铁离子、硒酸盐、二甲亚砜、砷酸盐、三甲基胺、延胡索酸、甘氨酸等。
厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生 ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。
三．自养微生物的生物氧化：化能无机营养型微生物从无机物的氧化获得能量，以无机物为电子供体，这些微生物一般也能以 CO2 为唯一或主要碳源合成细胞物质。自养微生物一般都是化能无机自养型微生物。
复杂分子（有机物）经分解代谢产生简单小分子、ATP 和 [H]（还原力），合成代谢再利用这些产物合成复杂分子。
自养微生物的合成代谢：将 CO2 先还原成 [CH2O] 水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。
还原 CO2 时 ATP 和 [H] 的来源：以 NH4+、NO2-、H2S、S 等为最初能源时，电子顺呼吸链传递，消耗 [H] 产生 ATP；以 S、H2、Fe2+ 等无机氢供体为电子供体时，电子逆呼吸链传递，消耗 ATP 产生 [H]（NAD(P)H2），最终把 CO2 还原为 [CH2O]。
第二节微生物产能代谢 三．自养微生物的生物氧化
无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位：
注：正向传递可产生 ATP，而逆向传递消耗 ATP，并产生还原力 [H]。
化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低、生长慢，但从生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生物所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养微生物之间并不存在生存竞争。
第二节微生物产能代谢 四．能量转换：
四．能量转换——光合磷酸化（photophosphorylation）：光能转变为化学能的过程。当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致其释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生 ATP。
光能营养型生物按光合作用是否产氧分为：
不产氧光合作用的反应中心为 P870。
（1）环式光合磷酸化：光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生 ATP，不是利用 H2O，而是利用还原态的 H2、H2S 等作为还原 CO2 的氢供体，进行不产氧的光合作用；电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为 ATP 的合成提供了能量；通过电子的逆向传递产生还原力。
（2）非环式光合磷酸化（产氧型光合作用，绿色植物、蓝细菌）的反应式：2NADP+ + 2ADP + 2Pi + 2H2O → 2NADPH + 2H+ + 2ATP + O2
绿色细菌的非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）反应式：NAD+ + H2S + ADP + Pi → NADPH + H+ + ATP + S（hv，细菌叶绿素）
（3）嗜盐菌紫膜的光合作用：一种只有嗜盐菌才有的、无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。嗜盐菌细胞膜分为红色部分（红膜，主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体）与紫色部分（紫膜，在膜上呈斑片状独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成）。
实验发现，在波长为 550～600 nm 的光照下，嗜盐菌 ATP 的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。
注：源文件紫膜斑片直径「约 0.5 mm」应为「约 0.5 μm」，此处按微生物学教材口径更正。
紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应。
第二节分解代谢和合成代谢间的联系：分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。
如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的最终结局只是产生 ATP、H2O 和 CO2，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此合成代谢也不可能正常进行。相反，如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。
一、兼用代谢途径：凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称兼用代谢途径。EMP、HMP 和 TCA 循环是重要的兼用代谢途径。
回补途径：TCA 循环的重要功能除产能外，还为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断。
回补方式：
回补顺序示意：谷氨酸 + NH3 经谷氨酸脱氢酶生成 α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再经氧化酶反应回补 TCA 循环。
通过某些化合物的 CO2 固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补：
为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长，异养微生物至少要具备上述几种酶之中的一个酶。
乙醛酸循环示意：乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合成柠檬酸，经异柠檬酸裂解为琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸再与另一分子乙酰 CoA 缩合生成苹果酸，苹果酸经草酰乙酸与延胡索酸回到循环。
能够利用乙酸的微生物具有乙酰 CoA 合成酶，它使乙酸转变为乙酰 CoA；然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。
乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸 → 琥珀酸 + 乙醛酸；乙醛酸 + 乙酸 → 苹果酸；净反应：2 乙酸 → 苹果酸。
第三节微生物独特合成代谢举例。主要内容：一、生物固氮；二、肽聚糖生物合成。
一、生物固氮概念：指固氮微生物直接把空气中的 N2 还原为 NH3 的过程。
二、固氮微生物的种类：
根瘤——氮肥固定的「工厂」：大豆根瘤、豌豆根瘤。
三、生物固氮的意义：对自然界中无机环境与生物群落之间的氮循环有重要的作用。
四、生物固氮作用 6 要素：
| 要素 | 说明 |
|---|---|
| ATP 的供应 | N2 : ATP = 1 : 18～24 |
| 还原力及其载体 | N2 : [H] = 1 : 8；载体为铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白 |
| 固氮酶 | 固二氮酶（MoFe）、固二氮酶还原酶（Fe） |
| 底物 | N2 |
| 镁离子 | Mg2+ |
| 严格的厌氧环境 | 固氮酶对氧极为敏感 |
二、微生物结构大分子——肽聚糖的合成：
第一阶段：在细胞质中合成 N-乙酰胞壁酸五肽（「Park」核苷酸）。
由葡萄糖合成 N-乙酰葡糖胺和 N-乙酰胞壁酸的流程：葡萄糖 → 葡萄糖-6-磷酸 → 果糖-6-磷酸 →（Gln 提供氨基）→ 葡糖胺-6-磷酸 → N-乙酰葡糖胺-6-磷酸 → N-乙酰葡糖胺-1-磷酸 →（UTP）→ UDP-N-乙酰葡糖胺 →（磷酸烯醇式丙酮酸、NADPH）→ UDP-N-乙酰胞壁酸。
第二阶段：在细胞膜上由 N-乙酰胞壁酸五肽与 N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体——双糖肽亚单位。
这一阶段有一种称为细菌萜醇（bactoprenol，Bcp）的脂质载体参与，这是一种由 11 个类异戊烯单位组成的 C35 类异戊烯醇，它通过两个磷酸基与 N-乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与 N-乙酰葡萄糖胺结合，并在 L-Lys 上接上五肽 (Gly)5，形成双糖亚单位。其中的反应④与⑤分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。
肽聚糖单体的合成流程：UDP-M 与 G-M-P-P-类脂在膜上依次反应，经 UDP 释放、Pi 释放、5 个甘氨酰-tRNA 接入五肽桥等步骤生成 G-M-P-P-类脂，最后插入至膜外肽聚糖合成处。其中步骤④为万古霉素阻断位点，步骤⑤为杆菌肽阻断位点。
细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体，运载「Park」核苷酸进入细胞膜，连接 N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽「桥」，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处。
功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，真菌的几丁质和甘露聚糖等。
第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。这一阶段分两步：
一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的：
第四节微生物的代谢调控与发酵生产。本节提要：微生物代谢过程中的自我调节；酶活性的调节；酶合成的调节；代谢调控理论的应用。
微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。
举例：大肠杆菌细胞中存在 2500 种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳 10 万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到 100 个分子。解决方式是：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的 10%。
微生物自我调节代谢的方式：
1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞：如只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。
2.通过酶的定位控制酶与底物的接触：
3. 控制代谢物流向（通过酶促反应速度来调节）：
一、酶活性的调节：通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式，是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。
（一）调节方式包括两个方面：
（二）反馈抑制的类型：
（1）同功酶调节（isoenzyme）定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。
意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用——某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节。
（2）协同反馈抑制（concerted feedback inhibition）定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。
举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）、多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中，天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。
（3）合作反馈抑制（cooperative feedback inhibition）定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。
举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受 AMP 和 GMP（和 IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时可以完全抑制该酶的活性，而二者单独过量时分别抑制其活性的 70% 和 10%。
（4）积累反馈抑制（cumulative feedback inhibition）定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。
积累反馈抑制实例——E. coli谷氨酰胺合成酶的调节：各末端产物分别按一定百分比抑制该酶活性，如 Try 抑制 16%、CTP 抑制 14%、氨甲酰磷酸抑制 13%、AMP 抑制 41% 等，共同存在时抑制作用累加。
（5）顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition）：一种终产物的积累导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节。
（三）酶活力调节的机制——变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。
变构酶（结构示意）
二、酶合成的调节：通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。
（一）酶合成调节的类型 1.诱导（induction）：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程，由此产生的酶称为诱导酶。举例：E. coli 在含乳糖的培养基中合成 β-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等；诱导物如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）。
诱导作用的类型：同时诱导（诱导物加入后微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中）、顺序诱导（先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶，达到对复杂代谢途径的分段调节）。
（一）酶合成调节的类型（续）：
2.阻遏（repression）：是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。
（二）酶合成调节的机制——操纵子学说概述：
1、操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因、调节基因、操纵子和启动子。
Structure of a typical operon（典型操纵子结构示意）
2、诱导物（inducer）与辅阻遏物（corepressor）：诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等，与调节蛋白结合后抑制其与操纵基因的结合、促进转录进行；辅阻遏物是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等，与调节蛋白结合后促进其与操纵基因的结合、抑制转录进行。它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物（effector）。
3、阻遏物（repressor）与阻遏物蛋白（aporepressor）：二者都是由调节基因编码产生的特异性调节蛋白，是一类低分子量变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一位点可与效应物结合。阻遏物能在没有诱导物时与操纵基因结合；阻遏物蛋白只能在有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。
正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。
E. coli乳糖操纵子学说（负调节）
降解产物的阻遏（Catabolite Repression）：二次生长现象及其机制——分解葡萄糖的酶是组成酶（固有酶），分解乳糖的酶是诱导酶，受葡萄糖分解代谢产物的调控，因而出现二次生长曲线。
有葡萄糖时：cAMP 的产生受葡萄糖抑制，葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶的活性，cAMP 浓度下降，cAMP 不与 CRP 结合，RNA 多聚酶不能结合，转录不能进行。
无葡萄糖时：cAMP 浓度上升，cAMP 与 CRP 结合，与启动基因结合，转录进行。
负调节（乳糖操纵子示意）
正调节（乳糖操纵子示意）
乳糖操纵子—1：（1）存在诱导物时，mRNA 得到转录——调节基因产生的阻遏物失活，RNA 多聚酶在 cAMP-CRP 的协助下顺利转录结构基因 z、y、a，分别生成 β-半乳糖苷酶、渗透酶、转乙酰基酶。
乳糖操纵子—2：（2）诱导物和辅阻遏物都存在时，调节基因控制部分与结构基因 P、P、R、t、O、z、y、a、t 的转录处于受调控状态。
乳糖操纵子—3：（3）不存在诱导物时，调节基因产生的阻遏物与操纵基因结合，RNA 多聚酶不能通过，mRNA 无法转录。
（一）生物合成途径的代谢调控：1、终产物阻遏（end product repression）——终产物阻遏该途径所有酶的合成；2、反馈（feedback）或变构抑制（allosteric inhibition）——终产物对该合成途径第一酶合成的抑制。
（二）分解途径的代谢调控：1、酶的诱导（enzyme induction）——底物或其结构类似物活化与降解有关的酶，典型为乳糖操纵子学说；2、分解代谢产物阻遏（catabolite repression）——葡萄糖阻遏大量其他诱导酶的合成。
三、代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用：工业发酵的目的是大量积累人们所需要的微生物代谢产物。代谢的人工控制即人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。
人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性（遗传学方法）、控制发酵条件（生物化学方法）、改变细胞膜透性。
1.遗传学方法（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷型突变株只能积累中间代谢产物。代谢链 A—a→B—b→C—c→D—d→E 中，末端产物 E 对生长乃是必需的，所以应在培养基中限量供给 E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物 C。
（2）分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷型克服协同或累加反馈抑制以积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物。
分支途径①赖氨酸发酵：利用谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型（Hom-）菌株，限量供给高丝氨酸（或甲硫氨酸与苏氨酸），解除对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制，从而大量积累赖氨酸。
分支途径②肌苷酸发酵（IMP 合成途径的代谢调控）：调控理论的实践应用，通过选育腺嘌呤缺陷型等突变株并解除 AMP 对 PRPP 酰胺转移酶的反馈抑制，使肌苷酸大量积累。
1.2 抗反馈控制突变株的应用：抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株，可以从终产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株中获得。
常用于筛选抗反馈控制突变株的目标产物结构类似物：
| 目标产物 | 结构类似物 |
|---|---|
| 赖氨酸 | S-（2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC） |
| 苏氨酸 | α-氨基-β-羟基戊酸（AHV） |
| 异亮氨酸 | 乙硫氨酸 |
| 精氨酸 | D-精氨酸 |
| 苯丙氨酸 | 对氟苯丙氨酸 |
1.3 选育组成型突变株和超产突变株：如果调节基因发生突变，以致产生无效的阻遏物而不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成结构基因不受控制的转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的突变株称为组成型突变株。少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高得多的酶，这种突变株称为超产突变株。
（二）生物化学方法：1. 添加前体绕过反馈控制点，亦能使某种代谢产物大量产生；2. 添加诱导剂——从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物；3. 发酵与分离过程耦合；4. 控制发酵的培养基成分。
（三）控制细胞膜渗透性：使胞内的代谢产物迅速渗漏出去，解除末端产物的反馈抑制。
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