页数：141页文件大小：30.90 MB来源： 发酵原理演示ppt课件
本课件系统展开发酵学第二假说，从代谢网络的中心板块入手，逐条讲解EMP、HMP、ED、PK与葡萄糖直接氧化途径，说明TCA环与丙酮酸代谢方式的转换，并归纳各降解途径之间的关系。
第三章 发酵学第二假说代谢网络假说
本页标示本节主题，正文由此展开对碳架物质在微生物细胞及其环境中的论述。
听课时请关注以下提示：
对碳架物质在微生物细胞及其环境中的流动进行仔细的观察和深入的研究，在无数实例的基础上，提出了代谢网络假说。
假说二：代谢网络假说代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合、在辅因子水平上协调，形成横跨微生物活细胞内外的代谢网络。
代谢网络是细胞自主调节的无尺度网络，它作为一个整体来承担微生物细胞的物质代谢和能量代谢。
微生物细胞是个远离平衡状态的、不平衡的开放体系。微生物细胞的物质代谢和能量代谢，依靠代谢网络来实现。
代谢网络横跨细胞内外，没有绝对的起点，也没有绝对的终点；既是相对稳定的，又是可以变化的。代谢网络变化的根据在于细胞的遗传物质，变化的原因在于细胞的生存的条件。
细胞生命活动过程中，有机化合物（碳架物质）在代谢网络中流动，形成代谢流。
在工业发酵生产中，微生物细胞的主要代谢流有起点和终点，其起点应该是原料，其终点应该是目的产物。
微生物细胞的代谢网络是一个由代谢能直接支撑的整体；代谢网络是分解代谢途径和合成代谢途径，以及跨膜输送机构的有序组合。
对代谢网络的描述必须在时间和空间的“四维空间”中进行。
微生物细胞的遗传物质是代谢网络的生物信息源，微生物细胞的生理状况是代谢网络运行在细胞层面的表现。
代谢网络不是生化途径和跨膜输送过程的简单联接。代谢网络这个概念的提出就是要将生物化学概念纳入细胞代谢的总体框架。活细胞的功能由几个独立的、相互联系的反应群（reactions）来支撑，根据这些反应群在整个细胞合成过程中的主要功能和逻辑顺序，对它们作如下分类：
①供能反应（fueling reactions）：供能反应是指细胞内进行的这样一些反应，它们生成生物合成所需的12种前体代谢物，同时，还将其他形式的能量转化为细胞可以直接利用的能量——代谢能（以ATP为代表），用于生物合成反应、多聚反应和组装反应中。
供能反应还为生物合成反应提供还原力。
②生物合成反应（biosynthetic reactions）：通过这类反应生成多聚反应中所需的模块分子（building blocks ），同时也生成辅酶和相关的代谢因子，包括信号分子（signal molecules）。
有一些生物合成反应系列，以功能单元的方式存在。
每一个功能单元由一个或几个按顺序进行的、以一个（或更多）分子模块为终端的反应序列组成，这样的功能单元叫做生物合成途径。
所有的生物合成途径都起始于12种“前体代谢物”。
G-6-P F-6-P R-5-P α-KG ScCoA E-4-P OAA GA-3-P 3-P-GA PEP PYRAcCoA一些途径直接从这样的前体代谢物（一个或两个）开始，另一些途径间接地从某个代谢中间物或某个相关途径的终端产物处引出分支途径。
③多聚反应（polymerization reactions）：多聚反应泛指一种或多种活化了的分子，定向地、有序地键合成分支或不分支的、多聚的、长链的反应系列。
相当数量的模块分子通过这些反应形成生物大分子物质（如多肽、DNA、RNA）。
④组装反应（assembly reactions）：组装反应先后经过以下几步来完成细胞的组装，首先是对生物大分子进行化学修饰，随后将它们输送到细胞中预先指定的位置，最后渗入细胞组件，如细胞壁、细胞膜和细胞核等。
本课程定义的代谢网络，属于分子生物学蛋白质层次上的网络。
代谢网络虽然不能通过解剖细胞（解剖学）而获得，但它确实是细胞生命活动的一种客观存在，类似于中医的经络；因此我们认为对于代谢网络的研究属于另一种意义上的解剖学（第二解剖学）的范畴。
根据工业发酵的现状，已把“依靠化能异养型微生物，合成某最终被分泌到胞外的初级代谢产物或能量代谢副产物的工业发酵”定义为典型的工业发酵。
为此，本课程把讨论的重点放在代谢网络中与典型的工业发酵直接相关的部分，也就是化能异养型微生物的初级代谢的代谢网络。
在详细研究供能反应和生物合成反应的同时，宏观上兼顾多聚反应和组装反应。
为了分析问题的方便，将化能异养型微生物的初级代谢的代谢网络，分成“向心板块”、“中心板块”和“离心板块”三大板块来研究。
向心板块和中心板块两个板块对应于上述供能反应，离心板块对应于生物合成反应。
要分别讨论每一板块的组成，更注重讨论它们之间的衔接关系。
本章将分六节讨论化能异养型微生物的代谢途径及其相关性，从而建立代谢网络的概念。
进而研究工业微生物细胞的“第二解剖学”。
第一节 微生物代谢网络的中心板块
第一节 微生物代谢网络的中心板块
本页标示本节主题，正文由此展开研究微生物细胞的代谢的论述。
研究微生物细胞的代谢，从研究微生物对碳源的降解开始，研究碳源的代谢从代谢网络的中心板块的中心代谢途径入手。
而中心代谢途径的研究从对葡萄糖降解途径的研究开始，因为：
既可用于降解代谢，又可用于合成代谢的途径，通称无定向途径（amphibolicmetabolic pathway），因为它们有双重功能，又称为两用途径。
最重要的两用途径是处于代谢网络中心的两用途径，即中心代谢途径。
EMP途径、HMP途径和TCA环，被称作为中心代谢途径（central metabolic pathway），简称中心途经。
广义的中心代谢途径还包括其它酵解途径和DCA环、乙醛酸环( GOA 环) 、甘油酸途径等。
中心代谢途径是工业发酵载流路径的不可缺少的一部分，是直接发酵法生产中微生物代谢的必经之路。
3.1.1 葡萄糖的分解代谢途径
3.1.1 葡萄糖的分解代谢途径
本页标示本节主题，正文由此展开葡萄糖的降解代谢途径•EMP途径的论述。
3.1.1 葡萄糖的降解代谢途径•EMP途径
本页标示本节主题，正文由此展开葡萄糖的降解代谢可在有氧条件下进的论述。
葡萄糖的降解代谢可在有氧条件下进行，也可以在无氧条件下进行；可以是氧化性的，也可以是发酵性的。
但并非所有氧化性代谢（包括有氧呼吸和无氧呼吸）均只发生在有氧存在的条件下；也不能保证在有氧条件下发生的葡萄糖降解代谢都是氧化性的代谢。
葡萄糖的氧化性降解代谢与发酵性降解代谢两者最基本的区别在于：氧化性降解代谢除了可以与发酵性降解代谢一样通过底物水平磷酸化形成ATP外，还经电子传递磷酸化产生更多的ATP，从而允许微生物有更高的生物合成速率、更高的生长速率及更高的细胞得率( 细胞对葡萄糖的转化率) 。
为了说明问题方便，可将微生物对葡萄糖的降解代谢分成三个阶段来分析。
下图是葡萄糖降解代谢综合示意图。
本页为3.1.1 葡萄糖的降解代谢途径•EMP途径的章节分隔页，标示本节讨论主题，正文由此展开第一阶段：葡萄糖进入细胞的论述。
第一阶段：葡萄糖进入细胞，在胞内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯（如，G-6-P ）或葡萄糖酸的磷酸酯（如，6-P-GA ）的形式出现。
第二阶段：微生物细胞将葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到处于3C水平的丙酮酸，其降解途径在不同的微生物往往不一样，但实际上主要经前述酵解途径之一降解。几乎所有的微生物均不止使用其中之一条途径，通常用两条，某些情况下还可能诱导出第三条甚至第四条途径。
在任何一种微生物细胞中，流经并行的途径的碳架物质的相对流量因细胞的氧化还原状态、细胞所处的环境条件的不同而发生相应的变化。这个阶段不但通过底物水平磷酸化生成ATP，而且向细胞质释放还原当量。
第三阶段：丙酮酸继续代谢和代谢产物的分泌。这是区分葡萄糖的氧化性代谢与发酵性代谢的关键性阶段。
如果丙酮酸或由丙酮酸继续代谢而生成的可用作还原当量吸收剂的化合物（如乙醛）吸收第二阶段释放的还原当量，生成相应的还原产物（如乙醇）。这个过程因这些还原产物的分泌而得以进行。这时微生物细胞进行发酵性代谢。
如果遗传与环境条件许可，丙酮酸相对容易地经TCA环降解，最终可被氧化降解成二氧化碳；第二阶段（酵解）及第三阶段所释放的还原当量则在膜内侧被电子传递链吸收并传递给最终电子受体。
这时微生物细胞进行氧化性代谢。
OAAPYRPYRGlcGlc引自Albert G.Moat et. Al., Microbial Phsiology (4thed.), 2002根据Albert G.Moat et. Al., Microbial Phsiology (4thed.), 2002 改制。
由此可见，各种以丙酮酸为底物的酶对丙酮酸的竞争，是细胞对葡萄糖进行氧化性代谢还是还原性（发酵性）代谢的调节的关键。
大多数微生物在完成葡萄糖降解的第一阶段后，就会面临选择什么途径来完成第二阶段的降解的问题。
第二阶段一般有EMP、HMP、ED和PK等四种途径可供选择。
葡萄糖经第二阶段降解，生成丙酮酸。
下面将分别讨论第二阶段的可选择的四种途径和葡萄糖直接氧化途径，以及第三阶段的丙酮酸的氧化性代谢途径（TCA环）和发酵性（还原性）代谢途径。
特别提请注意，这门课程中，所有的途径都是代谢网络的组成部分，它们在代谢网络中与其周围的途径发生关联，就如集成电路元件可以不同的连接方式存在于电子线路中。
在学习中应该特别注重经典的途径（如EMP 途径、TCA途径等）与其他途径可能发生关联之处。
3.1.1.1 EMP途径
本页标示本节主题，正文由此展开这条途径是除植物以外的论述。
这条途径是除植物以外的多数生物所共有的。
在该途径中，葡萄糖被转化为1，6 -二磷酸果糖（属于二磷酸己糖）后，经二磷酸果糖醛缩酶催化而开始降解，因此该途径又有二磷酸己糖途径和二磷酸果糖醛缩酶途径之称。
EMP途径HMP, ED,和PK途径HPK途径ATP ( PEP)ADP (PYR)
缩写规则（供读图参考）：糖(醛糖或酮糖，也包括甘油醛)的磷酸化合物均缩写为“该糖的英文名称的首字母-阿拉伯数字-P” 。因此3 -磷酸甘油醛的缩写为GA-3-P。
糖以外的磷酸化合物缩写为“阿拉伯数字-P -化合物的英文名称的首字母”。因此3 -磷酸甘油酸的缩写为3-P-GA
EMP途径的三个阶段：
EMP途径的两个关键酶：
3.1.1.2 HMP途径
本页标示本节主题，正文由此展开因为HMP 途径中葡萄糖的论述。
因为HMP 途径中葡萄糖的降解是从单磷酸己糖，即6-磷酸葡萄糖酸( 6-P-GA )开始的，取单磷酸己糖英文的首字母即可缩写为HMP ，故有单磷酸已糖途径，即HMP 途径之称。
HMP 途径葡萄糖氧化降解以两种不同的方式进行：
不论完全的还是不完全的HMP途径，均可以人为地分成前后两个阶段。
前阶段均是从葡萄糖氧化生成磷酸戊糖，为HMP途径的氧化阶段；后阶段均包含磷酸戊糖之间的，经一系列基团转移反应重新合成己糖的过程，为HMP途径的非氧化阶段。
本页以图示方式呈现3.1.1.2 HMP途径的结构关系，图中标注包括：HMP、途径的氧化阶段待续E、D、途径P、K、途径E、M。文字细节以原课件图为准。
(1) HMP途径的氧化阶段前图中：6 -P-GL表示6 -磷酸葡萄糖酸内酯6-P-GA表示6-磷酸葡萄糖酸R-5-P （简写为C5P）表示5 -磷酸核糖Ru-5-P （简写为C’5P）表示5 -磷酸核酮糖Xu-5-P （简写为C”5P）表示5 -磷酸木酮糖
本页以图示方式呈现3.1.1.2 HMP途径的结构关系，图中标注包括：接上图HMP、途径的非氧化阶段。文字细节以原课件图为准。
(2) HMP途径非氧化阶段前图中：C7P表示7-磷酸景天庚酮糖C6P表示6 -磷酸葡萄糖C’6P表示6 -磷酸果糖C’5P表示5 -磷酸核酮糖C”5P表示5 -磷酸木酮糖C4P表示4 -磷酸赤藓糖C3P表示3 -磷酸甘油酸
这个阶段包含一系列磷酸戊糖之间的2C片段和3C片段的转移反应。这一系列的片段转移反应是由两种酶来催化：
根据HMP 途径的全过程图，能够画出HMP 途径的氧化性磷酸戊糖循环即PP环图式。
从全过程图的上半部分可以画出不完全的HMP途径的PP环图式，从整个全过程图可以画出完全的HMP 途径的PP 环图式。
GlcC6PATPADP2C6P3C6P3CO26NADP+6(NADPH+H )+3C5’ P2C6’ PC3P(TK)(TA)PYRC4P,C5P,C5”P,C7P不完全的HMP途径PP cycle
完全的HMP 途径GlcATPADPC6P5C6P6C6P12NADP+12( NADPH + H )+6C5’ P5C6’P6CO2C3P,C4P,C5P,C5”P,C7P(TA,TK)PP cycle
前面两张图中，第一张图归纳了不完全的HMP 途径，因为图示的磷酸戊糖参与的氧化性PP 环，将1分子葡萄糖（在2个葡萄糖分子的陪同下）被氧化成3 分子CO2 和1分子PYR，PYR还可以进一步被氧化，故有“不完全”之称。
第二张图归纳了完全的HMP 途径，因为图示的由磷酸戊糖参与的氧化性PP 环，将1 分子葡萄糖（在5个葡萄糖分子的陪同下）被完全氧化成6分子CO2，因此有“完全”之称。
HMP途径的总反应计量取决于以下两项的代谢程度：
HMP途径的氧化功能:G-6-P + 12NADP+ + 7H2O ←→ 12NADPH + 12H+ + 6CO2+ 1~P HMP途径的回补功能：5（G-6-P）+ 5ATP ←→ 6（R-5-P）+ 5ADP + 4H2O + 4（~ P ）
3.1.1.4 ED 途径
本页标示本节主题，正文由此展开ED途径HMP, PK途径的论述。
ED途径HMP, PK途径
ED 途径是HMP 途径的6-P-GA处的分支途径，它有两个特殊的酶，6-P-GA 脱水酶和2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶( KDPG醛缩酶)，因此ED途径又叫KDPG 途径。
在大多数假单胞菌中，ED途径可能是葡萄糖降解的主要代谢途径。
发酵运动单胞菌是目前所知的唯一能在厌氧条件下使用ED 途径的微生物。
从前面的ED 途径图可见，葡萄糖醛酸、果糖酮酸、甘露糖醛酸等都可以先各自转化成KDPG ，然后进入ED 途径降解。
如果合成代谢需要，ED 途径的中间产物GA-3-P 和G-6-P 经HMP途径非氧化阶段的反向运转先后生成C4P、C”5P，C7P、C3P 和C”5P、C5P。
它们可以参与嘌呤、嘧啶、芳香族氨基酸、His、维生素K2、CoQ、对-氨基苯甲酸、叶酸等的合成。
3.1.1.3 PK途径
本页标示本节主题，正文由此展开另一种在厌氧条件下运行的论述。
另一种在厌氧条件下运行的途径是PK途径。
它也是从单磷酸己糖6-P-GA开始降解的，经历HMP 途径氧化部分的反应，生成Xu-5-P 后，被特有的酶裂解为3C 化合物( GA-3-P ) 和2C 化合物( 乙酰磷酸，高能磷酸化合物)。
这个特有的酶叫做磷酸酮解酶( phosphoketolase ), 因为有这个酶而把这条单磷酸己糖途径命名为磷酸酮解酶途径，简称PK途径。
PK途径Ac-P
PK途径不同于以上已介绍的可兼用于需氧和厌氧条件下降解的途径，微生物在厌氧条件下借助PK途径不但可以利用葡萄糖，而且可以利用D-核糖，D-木糖和L-阿拉伯糖。
这3 种糖首先各自转化成Xu-5-P，然后经PK途径降解成PYR和Ac-P（高能磷酸化合物乙酰磷酸）。
葡萄糖经PK 途径降解成PYR时所生成的ATP的量只有经EMP途径的一半。
在双歧杆菌和木醋杆菌中发现了另一条磷酸酮解酶途径，在这条途径中磷酸酮解酶以单磷酸己糖F-6-P 为底物，将F-6-P裂解为4-磷酸赤藓糖( E-4-P) 和Ac-P，因此这个磷酸酮解酶实际上是磷酸己糖酮解酶( hexose phosphoketolase )。
因这个酶而把这条磷酸酮解酶途径命名为磷酸己糖酮解酶途径，简称为HPK途径。
本页以图示方式呈现3.1.1.3 PK途径的结构关系，图中标注包括：HPK途径EMP,、HMP,、ED和PK途径Ac、P。文字细节以原课件图为准。
如果一种微生物没有二磷酸果糖醛缩酶（EMP途径），没有6-磷酸葡萄糖脱氢酶（HMP途径、ED途径、PK途径，那么这种微生物就不能用以上途径来降解葡萄糖；若要在厌氧条件下降解葡萄糖，则需用HPK 途径。
如果这种微生物中还存在HMP 途径非氧化阶段的转酮-转醛酶系统的话，那么这条途径的中间产物F-6-P 和E-4-P 逆向运行可生成各种磷酸戊糖( 包括C5P、C5’P和C5”P )。
3.1.1.5 葡萄糖直接氧化途径
本页标示本节主题，正文由此展开以上四种途径(EMP途径的论述。
以上四种途径(EMP途径、HMP途径、ED 途径、PK / HPK 途径) 的第一步均是在已糖激酶的催化下首先把葡萄糖激活成G-6-P ，然后才开始降解；而有些微生物如假单胞菌属和气杆菌属的某些种的细菌没有已糖激酶，只好用变通的办法。
它们首先把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸，后者在葡萄糖酸激酶的催化下，把葡萄糖激活成生成6-P-GA；形成葡萄糖直接氧化途径。
葡萄糖直接氧化途径在有分子氧存在的情况下运行。
葡萄糖直接氧化途径a.葡萄糖直接氧化途径b. 同不完全的HMP途径、PK途径c. 同ED途径
曲霉和青霉的葡萄糖氧化酶催化葡萄糖的氧化脱氢反应，这个酶是以FAD为辅基的黄素蛋白，葡萄糖脱氢生成葡萄糖酸内酯( GL )，同时FAD被还原成FADH2，后者直接（不经过电子传递链）被分子氧再生；同时生成H2O2，然后H2O2 被触酶分解。
进行这样的黄素蛋白水平的呼吸，并不能为细胞提供代谢能。
3.1.1.6 TCA环和丙酮酸的代谢方式的转换
本页标示本节主题，正文由此展开TCA环无法显示该图片的论述。
本页位于「3.1.1.6 TCA环和丙酮酸的代谢方式的转换」一节范围内。
在供氧条件下，对需氧微生物和兼性厌（需）氧微生物来说，葡萄糖降解代谢的第二阶段生成的PYR经丙酮酸脱氢酶系统（PDH ）脱氢生成AcCoA，后者进入TCA环，CoA 所携带的乙酰基被完全氧化成CO2和水。
经TCA环的氧化过程需要NAD和FAD等辅因子，这些辅因子的再生需要电子传递链。
因此，TCA环的运行必须具备以下条件：TCA环的全套酶及辅因子，TCA环的酶的底物，电子传递链，分子氧。
有氧呼吸
兼性厌氧菌大肠杆菌在供氧条件下生长时，不但α-酮戊二酸脱氢酶复合物，而且柠檬酸合成酶( CS ) 、顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶(ID)等被诱导合成，TCA 环的“通道”较宽；
从供氧条件转入厌氧条件，大肠杆菌细胞的生理状态发生如下变化：
图中：a.丙酮酸脱氢酶b.丙酮酸甲酸裂合酶c.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶d.丙酮酸羧化酶e.延胡索酸还原酶从供氧条件转入厌氧条件TCA环的变化α-酮戊二酸脱氢酶受阻遏
这时TCA环环式运行中断，变成如图示的在OAA处发生分支的分叉途径，形成还原支路和氧化支路，由于这时氧化支路的酶也受一定程度阻遏，TCA中间产物虽仍有合成但合成速度下降，与此同时，细胞呼吸链功能下降，氧化磷酸化减弱, 胞内ATP浓度下降，细胞生长速率下降，细胞转入生理学的发酵状态。
酵母的发酵性代谢：（1），丙酮酸脱氢酶；（2），丙酮酸脱羧酶；（3），乙醛脱氢酶；（4），AcCoA合成酶；（5），乙醇脱氢酶。
反应（1）在线粒体内进行，其余的反应在细胞质内进行。
乙醛PYR乙醇乙酸乙酰CoA线粒体内细胞质内
当酿酒酵母从供氧条件转入厌氧条件时，在线粒体中进行的PYR 经PDH 催化生成AcCoA的作用被在细胞质中进行的PYR经丙酮酸脱羧酶（PDC）催化生成乙醛的作用所替代（这两种酶在这些酵母菌株中都是组成型的），然后，细胞质中的乙醛作为胞内还原当量的吸收剂被NADH还原成乙醇。
酵母的氧化性代谢在线粒体内进行，PYR 经过AcCoA进入TCA环，被完全氧化；发酵性代谢在细胞质进行，细胞质中的PYR 不经过AcCoA，直接经丙酮酸脱羧酶催化生成乙醛，后者经细胞质中的乙醇脱氢酶（ADH ）被NADH还原成乙醇。
已经确认酵母乙醇脱氢酶有四种同工酶。
其中细胞质中的同工酶ADH-I是组成型的，催化生成乙醇的反应；ADH-II 也是细胞质中的蛋白，与以乙醇为基质的好氧生长有关，并受葡萄糖阻遏。
3.1.1.7 PYR的发酵性代谢途径
本页标示本节主题，正文由此展开下图为在厌氧条件下不同种的论述。
下图为在厌氧条件下不同种的微生物从丙酮酸的出发生成生理性发酵产物的代谢图（图中红色箭头代表还原反应）。
不同微生物的发酵终产物的差别反映出不同物种的微生物细胞中代谢丙酮酸的酶系的差别。
PYRAcCoA+H2+CO2乙酸AcAcCoA丙酮丙醇丁酸丁醇3-羟基丁酸丁二醇AcCoA乙酸乙醇梭菌大肠杆菌乳酸细菌酵母菌丙酸细菌乳酸乙醇乙醛OAASCACO2丙酸ATPATPATPATPATPCO2CO2甲酸（H2+CO2）
兼性厌氧的化能异养型微生物在在缺氧条件下生长或维持生存的情况下，α-酮戊二酸脱氢酶合成受阻遏，TCA环环式运行中断，TCA 环变成在OAA 处发生分支的分叉途径，形成从OAA出发的经苹果酸（MLA）、延胡索酸（FMA ）到琥珀酸（SCA ）的TCA 途径还原支路，和从OAA 出发的经柠檬酸（CTA ）、异柠檬酸（ICA ）到α-酮戊二酸（α-KG ）的TCA 途径氧化支路。
酵解途径和TCA氧化支路形成的还原型辅酶再生时，将电子交给细胞的内源化合物，就可能生成不同的（生理性）发酵产物。
下图为微生物在厌氧条件下生成不同的发酵产品时的代谢网络图，图中标红点的每出反应为还原反应，标绿点的酶出反应为脱氢反应。
本页位于「3.1.1.7 PYR的发酵性代谢途径」一节范围内。
3.1.2 葡萄糖降解途径之间的关系
本页标示本节主题，正文由此展开葡萄糖降解途径之间存在着共同的论述。
葡萄糖降解途径之间存在着共同的酶（一个或数个酶），它们之间的相应依存关系，可用一张虚拟的图来表示：
PYRGlcGAGLG-6-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)DHAPGA-3-PPYREMPE-4-PAc-P(HPK)HPK(G6PDH)6-P-GA(6PGDH)RU-5-PR-5-PXU-5-PKDPG（6PGA脱水酶）(KDPG醛缩酶）GA-3-PPYRGA-3-PPYRAc-P(PK)EDPKGA-3-PPYR2(F-6-P)(TA)(TK)C4P,C7PHMP（FDP醛缩酶）
微生物细胞中是否存在某条途径，实际上就是细胞中是否存在这条途径的酶的活力。
一种微生物在某种条件下如何利用葡萄糖的不同的降解途径对葡萄糖（或其它碳水化合物）进行降解代谢，会在较大程度上影响到目的产物的产量和产率，也会影响有机原料的利用率。
了解这些途径在细胞内的存在和可能利用的比率，对菌种选育和发酵工艺控制都非常有用。
微生物对葡萄糖降解途径的利用比率是不一致的，但一般是以EMP 途径为主，也有以ED 途径为主的。酵母及多数工业微生物的葡萄糖代谢通常是EMP途径和HMP 途径并用。
对酵母来说，EMP∶HMP = 70～80%∶30～20 %。只用EMP 途径（或HMP 途径）降解葡萄糖的微生物种并不多。
以EMP途径为降解葡萄糖的唯一途径的微生物（如乳杆菌），因为没有HMP途径为菌体细胞提供参与嘌呤、嘧啶、芳香族氨基酸、核糖等细胞组成物质合成的前体，所以它们必须在含有这些营养物的培养基中才能生长。
EMP 途径与HMP 途径的相互关联如下图所示。
微生物细胞中的核酸、蛋白质等物质合成中所需的4C、5C、7C 片段都由HMP途径提供。
本页以图示方式呈现3.1.2 葡萄糖降解途径之间的关系的结构关系，图中标注包括：CO2GlcG、6、PF、PGA、3。文字细节以原课件图为准。
3.1.3 微生物的中心代谢途径
本页标示本节主题，正文由此展开前面已经提及的论述。
前面已经提及，为了分析问题的方便，将化能异养型微生物的初级代谢的代谢网络，分成三大板块：
可以把向心、中心和离心三大板块组成的初级代谢的代谢网络，想象成一个充气的橡皮救生艇（下图）。
这个橡皮艇由一个中空的环状部分和被这环状部分包围的一个平台组成，网络的中心板块对应于橡皮艇的平台，向心板块和离心板块分别对应于包围橡皮艇平台的中空环状部分的上片和下片。
由三大板块组成的“橡皮救生艇”（从中间切开）
微生物细胞的中心代谢途径（葡萄糖代谢的两用途径）是中心板块的核心部分，是工业发酵载流路径（下图中的N 到P代表载流路径）不可缺少的部分。
本页以图示方式呈现3.1.3 微生物的中心代谢途径的结构关系，图中标注包括：。文字细节以原课件图为准。
微生物细胞的中心代谢途径（简称中心途径）是指既可用于葡萄糖降解、又可用于葡萄糖异生成作用的途径，也就是葡萄糖代谢的两用途径。
因此可以把中心代谢途径看作是细胞新陈代谢的集散中心（见下图），它在微生物细胞的“第二解剖学”中，处于“心脏”的地位。
本页以图示方式呈现3.1.3 微生物的中心代谢途径的结构关系，图中标注包括：6、P、F、PR、5、α、KGScCoA。文字细节以原课件图为准。
前面已详细介绍了葡萄糖降解途径，这里将补充介绍与葡萄糖降解相反的过程，也就是从其它有机物合成葡萄糖的过程，即葡萄糖的异生成作用( gluconeogenesis)。
这个方向的代谢在中心代谢中同样占有重要的地位。
以葡萄糖为碳源培养微生物，葡萄糖经EMP等途径被降解；在微生物生长时，葡萄糖、核糖等也参加合成代谢。
如果微生物要在苹果酸（4C）、琥珀酸（4C）、醋酸（2C）或甘油（3C）等所谓“不好”的碳源上生长，就要求微生物具有自身合成磷酸己糖（6C ）和磷酸戊糖（5C）的能力。
磷酸戊糖用来合成核苷、核苷酸、核糖核酸和脱氧核糖核酸等，磷酸己糖用来合成细胞壁肽聚糖及其它多糖、包括能量贮备化合物糖原等。
要从这些碳源合成磷酸己糖和磷酸核糖等，势必首先要使碳架物质逆葡萄糖降解途径流动。这里要以EMP途径为例分析这种逆向流动。
EMP途径中除了有三个反应由单向酶催化外，其余均是由酶催化的双向反应。这三个单向酶必须被其反向酶取代，或被绕过，才能实现碳架物质在EMP酵解途径中的“倒流”。
倒数第一个单向酶丙酮酸激酶( PK )是不可逆转的，它的反向催化需自由能太大。
这步单向反应可先后借助丙酮酸羧化酶( PC ) 和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶( PEPCK )来绕过，后者是依赖Mg2+ 并需要GTP供能的酶。
倒数第二个单向酶是磷酸果糖激酶( PFK ) ，这个反应的逆转靠果糖二磷酸酯酶( FDPE) 来催化。
大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等肠道细菌的缺失FDPE 的突变株不能在L-苹果酸、琥珀酸、甘油或醋酸等基质中生长。
这类基质被称为依赖葡萄糖异生作用的基质（gluconeogenic substrates ）。
第三个需要逆转的反应是己糖激酶催化的反应，G-6-P 的脱磷酸反应由G-6-P酶（G6PE）来催化。
从两个PYR分子经葡萄糖异生途径合成一分子葡萄糖耗能超过其逆向途径EMP 酵解途径。
下图归纳的是EMP-TCA中心代谢途径，即微生物细胞最基本的中心代谢途径。图示中心代谢途径中还包含了三个辅助性环：
以下图中：金黄色箭头代表单向酶，蓝色箭头代表与它们逆向的酶。
绿色箭头代表网络图中标示的部分。
红色箭头代表催化回补反应的酶。
R-5-P中心代谢途径（两用途径）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoAα-KGICACTAGOA
ICA中心代谢途径（显示TCA环）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoAα-KGCTAGOA
中心代谢途径（显示DCA环）G-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoAα-KGICACTAGOAGlc
中心代谢途径（显示GOA环）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAScCoAα-KGICACTAGOA
中心代谢途径（显示甘油酸途径）GlcG-6-P(PTS) (HK)(G6PE)R-5-PF-6-PF-1,6-2P(PFK)(FDPE)DHAPGA-3-P3-P-GAPEPPYRAcCoAOAAMLASCAα-KGICACTAGOAScCoA
本页以图示方式呈现3.1.3 微生物的中心代谢途径的结构关系，图中标注包括：。文字细节以原课件图为准。
碳架物质是通过乙酰CoA与草酰乙酸在柠檬酸合成酶的催化下生成柠檬酸的缩合反应进入TCA循环的。随后，柠檬酸在乌头酸酶的作用下生成其异构体——异柠檬酸。
这个反应的发生，要经过顺乌头酸，它在细胞代谢中没有其他功能，因此，在考虑TCA循环时对它忽略不计。柠檬酸转化成异柠檬酸的总平衡常数接近于1 ，这就意味着等量的柠檬酸和异柠檬酸处于平衡之中，这2 个代谢产物常常归入一个单独代谢库。
接下来的两步是氧化性脱羧反应。首先，异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下转化成α-酮戊二酸。
然后，α-酮戊二酸经α-酮戊二酸脱氢酶催化转化成琥珀酰辅酶A （ScCoA），该套序列反应类似于丙酮酸脱氢酶复合物催化的丙酮酸脱羧序列反应。实际上，这两个酶系（复合物）使用同样的脱氢酶亚基。在后一个反应中，（ScCoA）被水解生成琥珀酸，同时CoA酯键水解过程中释放出的自由能的一部分，被GDP捕获，生成代谢能GTP。
然后琥珀酸脱氢生成延胡索酸，这个反应需要琥珀酸脱氢酶（一种属于黄素蛋白的酶）来催化，它的催化依赖于辅基FAD（强氧化剂），在催化过程中FAD被还原成FADH2。
接着，延胡索酸在延胡索酸酶的催化下转化成L-苹果酸。
最后，L-苹果酸在苹果酸脱氢酶的催化下生成草酰乙酸，从而完成这个循环。
从AcCoA与草酰乙酸（OAA）合成柠檬酸（CTA），进入TCA 环，经发生在异柠檬酸（ICA）、α-酮戊二酸（α-KG）、琥珀酸（SCA）、苹果酸（MLA）上的四次脱氢，以及α-酮戊二酸（α-KG）的脱羧和ICA经草酰琥珀酸的β-裂解等两次脱羧，还有ScCoA 的一次底物水平磷酸化，最后又回复成OAA。
AcCoA（实际上是乙酰基）作为TCA环的底物进入TCA环，经过TCA 环和电子传递链最终被氧化成CO2和水。
被完全氧化生成3 分子CO2、4 分子NAD（P）H（异柠檬酸脱氢时在细菌细胞质中形成NADPH，在真核微生物线粒体中形成NADH）、1分子FADH2 和1 分子ATP（大肠杆菌中为ATP，哺乳动物中为GTP）。
很明显，只有当NADH 和FADH2 这两种辅因子被重新氧化生成NAD+和FAD 时，TCA循环才能继续进行。
在有氧条件下，从这些辅因子携带的电子通过电子传递链转交给分子氧。
电子通过电子传递链从NADH 传递到分子氧的过程，受一个较大的负的自由能的驱动，ΔG0= -220 kJ·（mo1 NADH）-1，而且该自由能的一部分以ATP的形式被捕获。
本页以图示方式呈现3.1.3 微生物的中心代谢途径的结构关系，图中标注包括：。文字细节以原课件图为准。
DCA环（dicarboxylic acid cycle）是指微生物用来利用乙醛酸或其前体（如作为碳源的羟基乙酸）作为碳源支持生长的环式途径。DCA环也是降解2C片段的途径，它一共涉及到5 个酶：
DCA 环和TCA 环都是行使氧化降解功能的环式途径，都需电子传递链配套运行。
GOA环与DCA 环和TCA 环不同，是行使生物合成功能的环式途径。
本页以图示方式呈现3.1.3 微生物的中心代谢途径的结构关系，图中标注包括：。文字细节以原课件图为准。
GOA环可看作是AcCoA的另一个去向。因为乙醛酸（GOA）是该循环中的2C中间物，故称为GOA 环（glyoxylate cycle ）。
通过GOA 环，可把2C 水平的AcCoA 合成4C 水平的化合物琥珀酸（SCA ）。这个环式途径存在于微生物和植物。
GOA 环一共涉及5个酶，它们分别是：
环中第：
GOA 环对生长在2C底物（如乙醇、乙酸）上的细菌、真菌、藻类和原生动物来说，是必须具备的代谢途径。
乙醇或乙酸先转变成AcCoA，再进入GOA环的代谢（乙醇→乙醛→乙酸）：乙酸＋HSCoA＋ATP→AcCoA＋AMP＋PPi
甘油酸途径：
以上甘油酸途径是微生物和植物利用乙醛酸生长时的回补途径。该途径分3 步进行：
在以葡萄糖作碳源时，DCA环和GOA环的酶（异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶）的活性测不出，只有当用乙酸、乙醇、GOA 等2C 化合物为唯一碳源、能源时，这些酶才被诱导（解阻遏）出来。
当以乙醛酸或其前体羟基乙酸、尿素等2C化合物作为碳源时，D -甘油酸途径的酶系被诱导合成。
经验告诉我们以葡萄糖为碳源时，EMP 等酵解途径的酶是组成型的。
换个角度分析问题，以乙酸为唯一碳源，细菌仅仅合成葡萄糖异生成作用必须的酶系，而仅在葡萄糖降解中起作用的酶（单向酶）几乎或完全不存在, 这时这些酶似乎又不是组成酶了。
这是实验对经典生化概念的挑战。
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