生物工程-生物技術(shù)專業(yè)英語課文翻譯

-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胞組分在制造業(yè)、效勞業(yè)和環(huán)境管理等面的應(yīng)用。生物技術(shù)利用病毒、酵母、真菌、藻類、植物細胞或者哺乳動物培養(yǎng)細胞作為工業(yè)化處理的組成局部。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胞或菌體的生產(chǎn)和實現(xiàn)所期望的化學(xué)改造。后者進一步分為：（a）終產(chǎn)物的構(gòu)建〔例如，酶，抗生素、有機酸、甾類〕；（b）初始原料的降解〔例如，污水處理、工業(yè)垃圾的降解或者油泄漏〕。生物工程過程中的反響可能是分解代反響，其中復(fù)合物被分解為簡單物質(zhì)〔葡萄糖分解代為乙醇〕，又或者可能是合成代反響或生物合成過程，經(jīng)過這樣的式，簡單分子被組建為較復(fù)雜的物質(zhì)〔抗生素的合成〕。分解代反響常常是放能反響過程，相反的，合成代反響為吸能過程。生物工程包括發(fā)酵工程〔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、*些食品生產(chǎn)以及從生物治療到從低級礦種進展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)的法進展生產(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，還會有很多重要的新的生物產(chǎn)品仍將以化學(xué)法，按現(xiàn)有的生物分子模型. z.-進展合成，例如，以干擾為根底的新藥。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局部技術(shù)相對于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)更經(jīng)濟，耗能低且更加平安，而且，對于大局部處理過程，其生產(chǎn)廢料是經(jīng)過生物降解的，無毒害。從長遠角度來看，生物工程為解決世界性難題提供了一種法，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)面的問題。1.2生物工程的開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，而是認為在現(xiàn)實中可以探尋其開展歷史。事實上，在現(xiàn)代生物技術(shù)體系中，生物工程的開展經(jīng)歷了四個主要的開展階段。食品與飲料的生物技術(shù)生產(chǎn)眾所知，像烤面包、啤酒與葡萄酒釀造已經(jīng)有幾千年的歷史；當人們從創(chuàng)世紀中認識葡萄酒的時候，公元前6000，美爾人與巴比倫人就喝上了啤酒；公元前4000，古埃及人就開場烤發(fā)酵面包。直到17世紀，經(jīng)過列文虎克的系統(tǒng)闡述，人們才認識到，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年巴斯得所進展的開創(chuàng)性研究，他被認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開展歷史。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Agarius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)還是通過直觀實驗所觀察到的，但是，它們的后繼開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的技術(shù)，它們對于世界經(jīng). z.-濟的奉獻已遠遠超出了它們?nèi)狈榈赖钠鹪?。有菌條件下的生物技術(shù)19世紀末，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慎重的生態(tài)環(huán)境操作來進展，而不是通過復(fù)雜的工程技術(shù)操作。盡管如此，隨著油時代的降臨，這些化合物可從油生產(chǎn)的副產(chǎn)品中以低本錢進展生產(chǎn)，因此，進展這類化合物生產(chǎn)的工業(yè)就處于岌岌可危的境地。近年來，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展大規(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)生的小局部工業(yè)毒害垃圾。目前世界上進展的發(fā)酵工程中，利用生物工程進展污水處理的規(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，生物工程的開展開場了新的向，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展。因此，通過對培養(yǎng)基和生物反響器的提前滅菌消毒以及用來消除新進入的污染物的工程供給，生物反響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、有機酸、酶、多糖和疫苗。大局部這樣的過程是復(fù)雜的，本錢昂貴，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開展，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. z.-效率和經(jīng)濟性。正是由于這些發(fā)現(xiàn)和開展，才會有對于未來生物工程在世界經(jīng)濟中所扮演角色的良好評價。（a）基因工程對于重要的工業(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局部。重組DNA新技術(shù)包括溫和的進展活細胞破碎、DNA提取、純化和利用高度專一性的酶進展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)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)入選擇的受體細胞進展增值和細胞合成。重組DNA技術(shù)可較簡便的進展基因組操作，而且可防止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)入了微生物細胞并進展了表達。原生質(zhì)融合、多克隆抗體制備和組織培養(yǎng)技術(shù)〔包括從細胞培養(yǎng)上清液中進展植物的再生〕的廣泛應(yīng)用對生物工程的開展有著深遠的影響。（b）酶工程酶別離工程一直是多生物技術(shù)過程的組成局部，而且隨著允對生物代產(chǎn)物進展重新利用的更適合的固定化技術(shù)的開展，它們的代產(chǎn)物可被進一步利用。利用固定化細菌的葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿，其開展具有特殊的重要意義〔年產(chǎn)300萬噸〕?；谏锎呋哪康?，未來的開展是細胞整體的固定化。（c）生物化學(xué)工程生物反響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。生物反響器設(shè)計、過程調(diào)控技術(shù)與發(fā)酵過程的計算機監(jiān)控面取得了重要進展。盡管如此，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)品新的處理法〔下游工程〕將提高所有處理過程的經(jīng)濟性。. z.-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-天冬酰胺酶，其回收與發(fā)酵生產(chǎn)的本錢比例約為3.0，而乙醇為0.16。然而，下游處理過程仍是生物工程中被無視的局部。（d）工程化產(chǎn)品和系統(tǒng)利用蛋白質(zhì)和細胞固定化技術(shù)可進展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開展。這樣的系統(tǒng)可以與微電子裝置和終端計算機相連，從而在很多生物工程工業(yè)與效勞業(yè)領(lǐng)域進展精細的程序控制。生物工程有兩個典型的特點：與實際應(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)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程和計算機原理。他們的主要任務(wù)是對生物工程進展革新、開展并對過程操作進展優(yōu)化，其中生化代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，而是一種實踐活動，不同學(xué)科的專家學(xué)者們都將做出奉獻。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奉獻于生物工程，生物工程學(xué)家這一術(shù)語作為涵蓋那些應(yīng)用自身技能知識進展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，必須停頓采用。我們比擬一下，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)實際操作中去。一名生化工程師應(yīng)當在生物過程的設(shè)計和操作面受過科學(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，因為沒有一個人同時成為微生物學(xué)、生. z.-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)模和價值的根底上進展評估。因此，大規(guī)模、低價值的產(chǎn)品或效勞包括有水的凈化、廢水和垃圾處理及甲烷、乙醇、菌體和動物飼料的生產(chǎn)；相對大容量、高價值的中間體產(chǎn)品包括氨基酸與有機酸、食品、面包酵母、丙酮、丁酮和*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)開展規(guī)模角度進展考慮，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)法就可比擬經(jīng)濟的進展生化產(chǎn)品的生產(chǎn)，這類生物工程開展時間久，并且開展迅速，尤其是新產(chǎn)品領(lǐng)域面，但他們造成了工業(yè)企業(yè)與市場開展的酷競爭。其產(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)和脂肪酸。（c）大規(guī)模的生物工程與油和煤競爭，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)目前只取得了很小局部的經(jīng)濟效益，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. z.-的開展。1.4生物工程的開展未來生物工程的開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，擴大對有價值產(chǎn)品的生產(chǎn)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。中等規(guī)模與大規(guī)模生物工程開展的一個最重要的面是過程中，適宜原材料與底物的利用率。原料本錢可以占到終產(chǎn)物本錢的30-70%。原料的利用受技術(shù)與政治因素的影響。因此，從各種有機原料中生產(chǎn)酒精汽油未能帶來可觀的經(jīng)濟效益。但從政治角度，可以議價以抵抗不斷增長的油進口。來自農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)有機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根底。然而，為了實現(xiàn)這樣的目標，不僅需要擴大生物工程工程，而且管理面的工程圍也要擴大。1.5生物工程的開展策略藍圖每個生物工程案都一直需要對可利用資源、經(jīng)濟效益與對環(huán)境的影響及操作和使用者的安康與平安性進展評價。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。對生物工程開展尤為重要的是，適宜的訓(xùn)練有素的工作隊伍的可利用性。必須認識到，生物工程出發(fā)點是在校的所有學(xué)生，經(jīng)過有選擇的進展技術(shù)等級水平. z.-培訓(xùn)，就可培養(yǎng)出一支工業(yè)與研究中心需要的專家。沒有適宜的和經(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，當我們考慮將生物學(xué)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于未來工業(yè)開展的時候，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年代才能有較大的開展。這些不是試圖描述或分析目前生物工程實踐中不同的處理過程，而是試圖去證實圍繞著根本原理的生物技術(shù)的核心局部已經(jīng)得到了開展。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)科圍廣泛，盡管今天，它的實際操作非常復(fù)雜，但是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、植物或動物細胞，或者是它們自身的產(chǎn)物如酶進展催化反響的。生物工程的生物體可被收集，它們可實現(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)造了時機。例如，利用細菌細胞生產(chǎn)人干擾素。過程控制工程于發(fā)酵工程也取得了重要的進展，這將進一步加快生物工業(yè)的開展。生物工程就如一個不斷擴和充滿機遇的領(lǐng)域，它涉及了多產(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)面，提供廉價可靠的能源以及〔從長遠來看〕在化學(xué)飼料面、環(huán)境控制體系的改良提高與廢物管理面都將扮演重要的角色。生物工程主要以可再生. z.-與可回收資源為根底，由于能源愈來愈貴并且供給缺乏，從而它將更好的滿足世界的需求。第二章生長與代的生物化學(xué)2.1前言一個微生物以生產(chǎn)另一個微生物為目的。在*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)物不是生物體自身的情況下，生物學(xué)家必須對它進展操縱使微生物的目標發(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)物與微生物代的本質(zhì)特點是密不可分的。代過程是兩種互相嚴密聯(lián)系又以相反向進展的活動過程。合成代過程主要是細胞物質(zhì)的生成，不僅包括構(gòu)成細胞的主要組成物質(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、嘌呤與嘧啶、脂肪酸、各種糖與糖苷。合成代不是自發(fā)進展的，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)能分解代過程來供給能量。碳水化合物分解為CO和2水的過程是最為常見的分解代反響，然而微生物以這樣的式還能夠利用更大圍的復(fù)原性含碳化合物。分解代與合成代所有微生物生物化學(xué)的根底，可以從兩者的平衡關(guān)系或者分別對它們進展討論。實際中，我們要有效的區(qū)分那些需要空氣中的氧進展需氧代的生物與那些進展厭氧代的生物。復(fù)原性含碳化合物與O反響生成水和CO，這是一個高效的2 2放熱反響過程。因此，一個進展需氧代的生物要使用一小局部底物進展分解代以維持*一水平的合成代，即成長過程。對于厭氧型生物，其底物的轉(zhuǎn)化的過程根. z.-本上是一個不勻稱的反響〔氧化復(fù)原反響〕，產(chǎn)生很少的能量，因此，大局部底物都要被分解從而維持一定水平的合成代。在生物體中這種差異能夠明顯的表達出來，比方酵母，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CO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，2此時酵母被有效的轉(zhuǎn)化為酒精和CO。22.2代與能量分解代與合成代間的有效聯(lián)系在于，各種分解代過程促進少量反響物的合成，而后又被用來促進全面的合成代反響。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，酐與焦磷酸殘基相聯(lián)。高能鍵在水解過程中所產(chǎn)生的熱量就被用來克制在其形成過程中需要攝入的能量。像ATP這類分子，為細胞提供了流通能量，當將ATP用于生物合成反響時，其水解產(chǎn)物為ADP〔腺苷二磷酸〕或者*些時候為AMP〔腺苷一磷酸〕：〔反響式〕仍含有一個高能鍵的ADP通過腺苷酸激酶反響也可生成ATP：〔反響式〕。磷酸化作用是生物體中普遍的反響，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響活性，用無機磷酸進展磷酸化反響是無法進展的，因為，平衡反響式的相反向生成大量的水〔55M〕。細胞的“能量狀態(tài)〞認為是由占有優(yōu)勢的組分：ATP、ADP、AMP作用形成的。為了給出一個量值，DanielAtksirson提出了“能荷〞這個概念，定義一ATP+0.5ADP個細胞的能荷為：ATP+ADP+AMP在“滿荷〞細胞中，僅含有ATP一種腺嘌呤核苷酸，它的能荷值定義為1.0。. z.-如果三種核苷酸的量相等，即ATP=ADP=AMP，則細胞的能荷為0.5。與所有的習(xí)慣用法一樣，能荷概念的使用是有限制的，沒有人能夠確定假設(shè)一個細胞的能荷是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胞中核苷酸確實切數(shù)量，也沒有說明對于單體酶和ATP與其鎂復(fù)合物之間的顯著差異。它也無法解釋細菌、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胞類型如生長期細胞中隨后的能量與酶活性的改變來講是有所幫助的。當細胞迅速生長時，能荷處于最低值；ATP以它重新合成的最快速度被消耗，在生長末期，生長速度開場變慢，相對于ADP和AMP，ATP組分開場增大，因此，能荷值開場增大，當細胞停頓生長時，所有的ADP和AMP都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為ATP，此時能荷值到達最大。2.3分解代途徑盡管微生物可以利用不同的含碳化合物進展生長，但我們主要關(guān)心的是葡萄糖的代，鑒于乙醇〔和其它C化合物〕、烴和脂肪酸、甲烷和甲醇這些物質(zhì)的不2斷增長的重要的經(jīng)濟價值。葡萄糖和其它糖幾乎在所有的生命細胞中，最重要的兩種糖代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)鍵控制機制的支配。二磷酸己糖途徑〔常被稱為恩伯納-邁耶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，復(fù)原2分子NAD+輔酶生成2分子ATP。生成的丙酮酸是合成代重要的前提物質(zhì)的來源，在好氧有機體中，它還是氧化復(fù)原反響的底物，而在厭氧有機體中，丙酮酸或者它轉(zhuǎn)化. z.-的產(chǎn)物是NADH的氧化劑。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CO，復(fù)原2分子NADP+生成NADPH。[NAD+NADP+和2NADH/NADPH都是通過H轉(zhuǎn)移而作用，但它們是有差異的；NADH主要在于能量相關(guān)的氧化復(fù)原反響中發(fā)揮作用，而NADPH主要作用于合成代過程中的復(fù)原反響步驟。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，扮演不同的代角色。磷酸丙糖與糖酵解過程中所生成的一樣，而且跳過糖酵解途徑的cleavagestep生成二磷酸己糖；磷酸丁糖是重要的合成代生產(chǎn)芳香環(huán)氨基酸的前體，而磷酸戊糖也是合成核苷酸所必需的物質(zhì)。對大多數(shù)有機體而言，66-80%的葡萄糖是經(jīng)過恩伯納-邁耶霍夫途徑進展代的，剩下的則通過磷酸戊糖途徑進展代。每個代途徑中碳原子流向的控制點通常是恩伯納-邁耶霍夫途徑中，當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。這種酶分子組成可以根據(jù)細胞所進展的主要代情況而對酶活性進展調(diào)節(jié)：當需要更多能量的時候，PFK的活性就增大；而如果細胞中有足夠的能量或者足夠的C代產(chǎn)物，則PFK的活性就降低。3這種通過調(diào)節(jié)催化活性從而對酶進展控制的原則是很普遍。代途徑是一直被控制的，對細胞來說，必須協(xié)調(diào)并最有效的行使它的整體活動。對于PFK的控制通過兩種手段。第一，酶的激活。在存在有ATP或ADP時，酶催化反響的速度被增大。因此，當細胞能荷低時，PFK將以高速率催化反響地進展。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，從而代過程被減緩。因此，. z.-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，就無法使細胞繼續(xù)進展生長。葡萄糖代的其他可控制點根據(jù)有機體的不同而不同。但是分解代必須盡可能的滿足合成代的需求。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過程，盡管它們是非常普遍的代途徑。相對于恩伯納-邁耶霍夫途徑，另一種主要的代途徑是恩特納—道德洛夫途徑，見于*些假單孢菌與細菌中，如圖2.5所示。磷酸戊糖途徑中的酶對C和C糖的產(chǎn)生來說仍是必需的，但代向與圖2.4中所示的相5 4反。磷酸酮醇酶是另一種較重要的酶，也比人們一般上了解到的使用圍更加廣泛。這類酶〔不是一個〕作用于磷酸C和C糖，產(chǎn)生乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛5 6或者4-磷酸赤蘚糖〔取決于是C還是C糖被利用〕如圖2.6。這些酶最早見于5 6進展異型發(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)化為乙酰或者乙醇。最近發(fā)現(xiàn)在酵母菌中，當大多數(shù)酵母以木糖作為單一碳源進展好氧生長時，磷酸酮醇酶是一種誘導(dǎo)酶。木糖經(jīng)過最初代由木糖醇轉(zhuǎn)化為木酮糖，然后以5-磷酸木酮糖進展磷酸酮醇酶反響，如圖2.6所示〔在以利用木糖進展生長的細菌中，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，C磷酸酮醇酶不取代恩伯納-邁耶霍夫途徑而僅僅5-是為有機體將戊糖轉(zhuǎn)化為C或者C單元進展進一步代提供一種有效的途徑。這2 3類酶從而存在于很多微生物中而不單單是酵母，當利用木糖或其它戊糖進展生長代。三羧酸循環(huán). z.-目前所討論的代途徑其終產(chǎn)物為C或者C化合物，稱為丙酮酸酯或者乙酰，3 2前者如乙酰CoA是一種硫酯〔如圖2.7〕，具有酐的反響性〔脫氫反響活性〕。丙酮酸酯與乙酰CoA的進一步有氧代經(jīng)過一個循環(huán)過程，具有兩種作用。它產(chǎn)生的中間產(chǎn)物用來進展生物合成反響，化合物最終被氧化為CO和水，它將氧化2反響與能量轉(zhuǎn)移相聯(lián)系。乙酰CoA氧化反響循環(huán)過程普遍存在于所有好氧細胞中〔被稱為三羧酸循環(huán)，克雷布斯循環(huán)〕。在真核生物細胞中，三羧酸循環(huán)與產(chǎn)生能量的反響是在線粒體完成的，而在細菌體，產(chǎn)生能量的酶位于細胞質(zhì)膜上。由于線粒體的代過程首先七十于將丙酮酸轉(zhuǎn)運到線粒體中，從而更容易的使丙酮酸進展三羧酸循環(huán)反響。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)反響而代。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響是非常重要的代途徑，細胞通過該途徑同化氨。（ii） 從氧化反響中回收能量。異檸檬酸脫氫酶、α-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)物的進一步氧化反響，同時輔酶有氧化型轉(zhuǎn)為復(fù)原型。輔酶〔INAD+〕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FADH產(chǎn)生2摩爾ATP。琥珀2酸激酶反響也可獲得能量。盡管這種循環(huán)自身是永不停頓的，一旦從草酰乙酸啟動將不斷進展下去，但. z.-實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)同時為生物合成反響儲藏中間產(chǎn)物，一旦任一種中間產(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展。因此，額外的草酰乙酸就必須獨立自主的合成，這主要通過丙酮酸的羧化作用。這個反響由丙酮酸羧化酶催化，但是由于經(jīng)過循環(huán)反響過程也合成了草酰乙酸，因此，必須對丙酮酸的羧化反響進展調(diào)控，以使得乙酰CoA于草酰乙酸的含量保持均等，主要通過丙酮酸羧化酶實現(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頓，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)反響過程可以通過ATP與AMP相應(yīng)的比例來進展調(diào)控，也就是細胞的能荷。這種控制機制沒有廣泛采用，但對于單個有機體或一群有機體是被證實的，在這里不詳細討論，但控制機制的普遍原則如對糖酵解過程的控制仍被應(yīng)用。乙醛酸途徑〔以C化合物為碳源〕2如果一個有機體利用C化合物或者脂肪酸或烴進展生長，則產(chǎn)物主要為C2 2單元，三羧酸循環(huán)不能完全滿足有機體的生長代，像前面容中所講過的，任用來進展合成代的化合物，一旦在三羧酸循環(huán)中缺少，則草酰乙酸的生成便會停頓，由于C化合物不能轉(zhuǎn)化為丙酮酸〔丙酮酸脫氫酶的反響是不可逆反響〕，因此，2. z.-沒有一種途徑可將草酰乙酸或者更準確地說是任一種C化合物通過目前已經(jīng)所4述的反響由C化合物合成。2如果被作為碳源而利用，乙酰CoA可直接由乙酰生成，或者來源于復(fù)原性比乙酰更強的C化合物，如乙醛或者乙醇。2通過的乙醛酸途徑如圖2.9，乙酰轉(zhuǎn)化為C化合物，這個過程需要用到在三4羧酸循環(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，當微生物利用C化合物生長代；在這樣的生長條件下，酶的活性可提高到20-502倍。乙醛酸途徑不會取代三羧酸循環(huán)；例如：必須合成α-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)，C化合物就由4C單元進展合成，然后用來合成所有的細胞代物。它們轉(zhuǎn)化為糖的過程在2.42局部中詳細介紹。脂肪酸和烴利用烴進展生長的情況并不多見，但卻見于細菌、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)進展代的現(xiàn)象是比擬常見的。烴類可作為生產(chǎn)單細胞蛋白的唯一碳源，也可用于其它代過程，如檸檬酸的生產(chǎn)。常在抗生素生產(chǎn)中參加脂肪酸和植物油作為輔料。為了利用油和脂肪，有機體必須用脂肪酶水解〔細胞或細胞外〕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胞還是就此形成，它們都是劇毒性的〔由于它們具有外表活性劑的性質(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)過程活化，用來降解脂肪鏈。每輪循環(huán)，都將. z.-產(chǎn)生1摩爾乙酰CoA，與此同時，其鏈上少了2個碳原子的酯酰基CoA又開場了新一輪的氧化循環(huán)。這個過程即為β-氧化循環(huán)，它將一直持續(xù)到反響終產(chǎn)物為C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4碳原子數(shù)為奇數(shù)，則該降解過程不斷延續(xù)直到生成丙酸CoA，它將通過局部中所講反響的可逆反響轉(zhuǎn)化為丙酮酸。微生物利用烷烴進展生長通常由攻擊兩個甲基基團中的一個而開場，利用這種攻擊機制，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，而它的復(fù)原型重新生成過程最終與氫化物載體相關(guān)，或者是NADH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：〔反響式〕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C-C的底物起作用。*些微生物可作用于更短或更長的鏈。少數(shù)情況下，對烷10 18烴作用后生成甲基酮，它最終經(jīng)過進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*些有機體中，存在一種產(chǎn)生二羧酸的ω-氧化，但烷烴一般上都是經(jīng)β-氧化循環(huán)而被降解為脂肪酸，這些脂肪酸又從一個終點開場，經(jīng)過β-氧化而降解。脂肪酸也被細胞用來直接合成自身脂肪，因此，細胞中脂肪酸鏈的長度就代表了烷烴鏈的長度。烷烴和*些支鏈烴也可能進展代；它們不是從商業(yè)角度進展利用而是作為飼料中的微小局部。它們的氧化反響過程同樣涉及轉(zhuǎn)化為脂肪酸的過程。甲烷和甲醇少數(shù)〔細菌和酵母〕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. z.-源；到目前為止，只發(fā)現(xiàn)一小局部細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。這三種化合物的代是相關(guān)的，被最終氧化為CO，它們合成細胞物質(zhì)的機制與自養(yǎng)CO固定化作用機制是不同的。2 2[能夠利用CO作為唯一碳源的包括進展光合作用的植物與微生物和很少一2局部無機化能營養(yǎng)型細菌，其是利用無機化合物的反響作為能量的來源。這些生物目前在生物工程中的應(yīng)用較少。假設(shè)想進一步了解CO自養(yǎng)固定化的讀者可2參閱任一本生物化學(xué)課本，但必須注意到，至少有兩種不同的代途徑：卡爾文循環(huán)和復(fù)原性羧酸循環(huán)。]甲烷的氧化過程為：〔反響式〕第一步是通過一種氧合酶與NADH〔或NADPH〕輔因子來進展，〔與上述高級烷烴的氧化相比擬〕。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，包括多種烷烴甚至甲醇本身。接下來的第二步反響由甲醇脫氫酶催化，以一種新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)吡咯并喹啉醌為輔因子。在*些細菌中，甲醛進一步轉(zhuǎn)化為甲酸的過程被同種酶催化；而在另一些細菌中，有一種獨立作用的甲酸脫氫酶，NAD是它的輔因子。最后一步反響是將甲酸轉(zhuǎn)化為CO，它是通過甲酸脫氫酶來催化進展的，伴2有NAD+的復(fù)原過程。來自甲醇或甲烷中的碳同化為細胞物質(zhì)甲醛，經(jīng)過兩種獨立的代途徑：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響進展. z.-CO自養(yǎng)固定化而生成以后的C化合物受體，只多了兩種酶：磷酸己糖合成酶2 1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C中間產(chǎn)物，N-甲酰四氫葉酸，而后乙醛酸途徑利用乙酰1 10CoA。所以細胞就可在C底物上進展生長。異檸檬酸裂解酶去阻遏從而確保C2 3單元的生成。酵母中，磷酸戊糖循環(huán)又進一步發(fā)生了一些變化，甲醛與5-磷酸木酮糖反響生成了3-磷酸甘油醛和2-羥基丙酮。此反響過程由轉(zhuǎn)酮酶催化，完成甲醛循化同化過程唯一需要另外參加的酶是一種新的激酶，它將二羥基丙酮轉(zhuǎn)化為二羥基磷酸丙酮。2.4葡糖異生作用當一個有機體利用C和C化合物進展生長，或者利用經(jīng)過代過程能夠生成2 3C或C這種化合物的物質(zhì)進展生長的時候，在丙酮酸的代水平或者低于該水平2 3〔例如脂肪烴、乙酸、乙醇或者乳酸〕，對有機體來說，就必須合成各種糖類以滿足其代需求。這被稱為葡糖異生作用。盡管糖酵解途徑中的大局部反響都是可逆的，但那些被丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶催化地反響則是不可逆的，對細胞來說，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)有機體存在一種磷酸烯醇式丙酮酸合成酶可以催化這個反響。通常，草酰乙酸作為磷酸烯醇式丙酮酸的前體物質(zhì)。這個反響由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化進展，它是葡糖異生作用中的關(guān)鍵. z.-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C和C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3 4合成細胞壁組分，和各種細胞外物質(zhì)及儲藏多糖。2.5好氧生物的能量代在葡萄糖代和三羧酸循環(huán)中已經(jīng)講過，如把各種代中間產(chǎn)物的氧化過程與輔因子〔NAD+、NADP+、FAD+〕復(fù)原為其復(fù)原型〔NADH、NADPH、FADH〕的復(fù)原反響過程聯(lián)系起來的。這些產(chǎn)物的復(fù)原性是由一系列復(fù)雜的反響過程而是釋放。這個反響過程最終與空氣中氧氣的復(fù)原相關(guān)。在這個反響過程中，由電子傳遞上的ATP或者2-3個具體位點上的無機磷而生成ATP，這取決于最初復(fù)原劑的性質(zhì)。如圖2.14，總反響式如下：。。。。。。。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)三羧酸循環(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)生的，可以是真核細胞的線粒體膜或者是細菌細胞的細胞質(zhì)膜，其產(chǎn)生過程大致一樣。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，醌和細胞色素。細胞色素具有復(fù)原性〔承受氫離子或者電子〕，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-復(fù)原能，大約可以從NADH/NAD+反響的320摩爾到1/2O/HO終反響的800mV。在電子傳遞鏈上的特定位點，兩個相鄰電子載體2 2的氧化-復(fù)原能差就已足夠進展可逆反響：。。。。向合成ATP的向進展。這個過程需要一種復(fù)雜的多亞基酶ATPase的協(xié)助。. z.-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，過去二十年里米歇爾對其進展了開展，認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)子跨膜運動就推動了ATPase反響合成ATP。ATPase是定向作用的，質(zhì)子只能從一邊靠近催化位點，圖2.15對這個概念進展了簡單說明。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，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局部中所說的ATP生成過程需要供給氧氣。*些有機體則可以用磷酸鹽，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)被大量供給，則有機體利用電子傳遞體在沒有空氣的條件下仍可以生成ATP，從而進展厭氧生長。如果沒有適宜的電子受體，或者〔如大多數(shù)細菌〕有機體缺少這類物質(zhì)，則一旦缺少氧氣，有機體將不能以這樣的式合成ATP。所以，進展厭氧生長的有機體就必須將ATP合成反響與能量生成反響相聯(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)量的反響中。反響自由能的變化必須能夠進展ATP磷酸化反響。其中最為重要的反響歸納于表2.2。這6種反響，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3個反響中，反響1與反響2涉及糖酵解的中間產(chǎn)物，涉及乙酰磷酸的反響3廣泛存在于厭氧有機體中。乙酰磷酸由乙酰CoA與無機磷反響而合成，它還是被磷酸酮醇酶作用的。. z.-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種反響中的一種而生成：丙酮酸脫氫酶反響，丙酮酸甲酸裂解酶反響，鐵氧還蛋白氧化復(fù)原酶反響，該反響與丙酮酸脫氫酶反響產(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+作為復(fù)原劑〔復(fù)原型鐵氧還蛋白被氫化酶復(fù)原為鐵氧蛋白，釋放出氫氣〕這三種酶中，后兩種對氧敏感，當含有它們的有機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)說明，電子傳遞磷酸化同樣可以進展延羧酸復(fù)原酶的反響。這種酶對于*些產(chǎn)甲烷菌，復(fù)原硫酸鹽的有機體及進展氫氣與二氧化碳發(fā)酵的氫化菌來說大概是重要的。反響：。。。。。，氫原子可以由各種輔因子提供，包括NADPH，而*些有機體如大腸桿菌、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，有機體仍通過偶聯(lián)不同的反響從而生成ATP。所有的厭氧有機體都面臨兩個問題：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量比好氧代產(chǎn)生的少。第二，不能將NADH的氧化與氧氣的復(fù)原相聯(lián)系，這樣如進展這個重要的反響就成為一個問題，當所有的NAD+不可逆的轉(zhuǎn)化為NADH，代過程也就很快被停頓。厭氧生物采用很多法使復(fù)原型輔因子重新被氧化。其中的核心局部為：。。。這里，由AHA這步是厭氧生物利用底物時所采用的途徑中的一局部。2通常，底物B是補充復(fù)原反響所必需的，也直接來源于底物；BH一旦形成，就2不再進一步代。AH的代與BH的補償性生成在化學(xué)計量上相關(guān)。這樣以來，厭2 2氧生物必須積累復(fù)原型代產(chǎn)物從而能夠進展任底物的降解過程。而且，就像已經(jīng). z.-說明的那樣，既然厭氧生物從降解底物后獲得極少的ATP，則復(fù)原型代產(chǎn)物的積累與合成的細胞物質(zhì)必將有極大的聯(lián)系。以這種式進展的厭氧代將在后面容中講述。2.7厭氧代選擇底物來氧化復(fù)原劑，例如NADH、NADPH、FADH是非常普遍的現(xiàn)象，2同時產(chǎn)生相應(yīng)的各種終產(chǎn)物，因此對厭氧代途徑的描述也就是個體將積累種終產(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，但是只有小局部丙酮酸進入三羧酸循環(huán)從而生成用來合成主要的細胞物質(zhì)的中間體。三羧酸循環(huán)反響只提供這些中間體而不生成能量，通常，三羧酸循環(huán)不會完全發(fā)揮作用，尤其是α-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α-酮戊二酸。發(fā)酵產(chǎn)酒精在釀酒酵母這樣的酵母菌中，氧化劑是縮醛；從葡萄糖轉(zhuǎn)化的丙酮酸大局部轉(zhuǎn)化為酒精?！卜错懯健?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響過程中生成的NADH，總的化學(xué)計量如下式：ATP為酵母細胞的生長提供能量，但是由表2.1中比擬得知，每摩爾葡萄糖在好氧條件下轉(zhuǎn)化的量少于5%。葡萄糖通過磷酸戊糖途經(jīng)主要的代產(chǎn)物為必需的C和C糖，經(jīng)過這個過程5 4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。這些附屬的復(fù)原性物質(zhì)必須與其它反響相連從而被重新氧化。. z.-這些反響中最重要的反響過程是脂肪酸的形成，它們是化學(xué)合成的復(fù)原性化合物，其合成過程需要大量的相應(yīng)的復(fù)原性物質(zhì)。*些細菌也可進展生產(chǎn)酒精，通常還伴有其他終產(chǎn)物的生成，*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)酒精的有機體可以像釀酒酵母那樣進展好氧生長，則一旦通入氧氣，積累的酒精就常常被細胞吸收并以醋酸的形式作為生長底物而被利用。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)各種復(fù)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響產(chǎn)物是3-磷酸甘油，其通過普遍的糖酵解系列反響轉(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展這樣的反響過程；這類有機體沒有磷酸酮醇酶，結(jié)果乳酸是位的終產(chǎn)物。*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。丙酸發(fā)酵丙酸菌，例如在格–耶爾奶酪中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一系列以甲基丙二酰CoA為中間產(chǎn)物的反響，可將丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酸。在特殊的轉(zhuǎn)羧化反響中，被用作丙酸的直接來源。甲基丙二酰CoA經(jīng)過部轉(zhuǎn)羧化作用，由琥珀酸CoA形成，可由草酰乙酸重. z.-新生成〔經(jīng)蘋果酸、延羧酸和琥珀酸〕，同時2摩爾NADH被氧化NAD+。在*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。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，只有最后一步反響與NADH的氧化相聯(lián)系，因此，1摩爾丙酮酸只生成0.5摩爾NAD+，這些有機體也可將丙酮酸轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物包括乳酸和甲酸。甲酸發(fā)酵在不同的細菌體，丙酮酸局部轉(zhuǎn)化為乳酸，局部轉(zhuǎn)化為乙酰CoA+甲酸。后一種反響被稱為磷酸裂解反響，甲酸能夠少量積累但常常被甲酸水解酶轉(zhuǎn)化為CO+H。這種從丙酮酸到乙酰CoA的途徑，其優(yōu)點是它不生成NADH從而防2 2止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。將乙醛復(fù)原為乙醇的過程通過進一步的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。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發(fā)酵過程，i.e.從利用單菌株進展的發(fā)酵過程規(guī)律開展而來。這類葡萄糖代的終產(chǎn)物經(jīng)過圖2.17的代流程，由羧狀芽孢桿菌進展生產(chǎn)。有一些不同的是，*些羧狀芽孢桿菌生產(chǎn)丁酸、乙酸、CO和H；而另一2 2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。miscellaneous. z.-2.8生物合成與生長微生物細胞可以利用簡單的營養(yǎng)物進展自身的繁殖，生物細胞用以完成這個過程所利用的途徑數(shù)目是巨大的。一個細菌細胞可能包含有100多種酶，而真核生物細胞含有的酶的種類大約為細菌中的2倍。細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、嘌呤、嘧啶、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，關(guān)于它們研究普通生物學(xué)的局部，這面的參考書也較多。因此，由于特定的代途徑與具體的發(fā)酵過程相聯(lián)系，我們將在適宜的章節(jié)中進展講述。由于細胞所進展的代活動是以平衡式進展的，因此所產(chǎn)生的終產(chǎn)物不會過量也不會缺乏，這種過量與缺乏都是不利的。為生物細胞必須能夠?qū)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、嘌呤和嘧啶。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，細胞可以通過停頓合成已經(jīng)足量的物質(zhì)來保存碳和能量，而且通過停頓合成多余的酶進一步實現(xiàn)節(jié)約，因此就有了兩種完全不同的作用式——酶活性的調(diào)控和酶合成的調(diào)控，通過這兩種法，細胞就能夠調(diào)控各種化合物的合成過程。一樣的調(diào)控機制也用來對合成過程進展平衡，甚至在沒有天然物質(zhì)供給的情況下。這種控制機制在這個局部講述。控制機制.1營養(yǎng)物的吸收細胞代控制從細胞吸收營養(yǎng)物的調(diào)控開場。大局部營養(yǎng)物，除了氧氣與極少數(shù)含碳化合物以外，都是通過特定的傳遞機制而被吸收的，因此，這些營養(yǎng)物在. z.-細胞外的稀釋液在細胞中得到濃縮，這種“主動傳遞〞過程需要能量供給。這個過程是可以控制的，一旦吸收到細胞的營養(yǎng)物的含量到達了所需要的濃度，就會停頓后面營養(yǎng)物的攝入。.2區(qū)分第二種形式的代控制是利用細胞間隔或是細胞器以實現(xiàn)對代產(chǎn)物庫的分隔，最明顯的例子是真核細胞的線粒體把三羧酸循環(huán)反響與細胞質(zhì)中的反響分隔開來。另一個例子是，過氧化物酶體，它包含降解脂肪酸所有的酶。然而同時有些相似的酶可催化并合成脂肪酸。其他細胞器相類似的控制細胞中的其他反響〔液泡、細胞核、葉綠體等〕。..3酶合成控制細胞中的多酶作為細胞的根本組成局部而存在，處于生長條件下。其他酶則在需要的時候“出現(xiàn)〞，例如乙醛酸途徑中的異檸檬酸裂解酶是在當細胞在C2底物上生長的時候才出現(xiàn)的，這被稱為酶的誘導(dǎo)合成。相反的，當不再需要它們的時候，就會“消失〞，例如，如果已經(jīng)有足夠的組氨酸滿足細胞的生長需要，則于組氨酸合成的酶就不再被合成，這被稱為阻遏；如果化合物的供給一旦消失，進展物質(zhì)合成的酶又將會重新出現(xiàn)，其合成過程稱為去阻遏。為了理解這樣的控制是如作用的，就有必要概述一下蛋白質(zhì)的合成過程。蛋白質(zhì)〔包括所有的酶〕通過核糖體組織的酶復(fù)合物和RNA系列添加氨基酸而合成〔圖2.19〕。確保氨基酸的正確順序的密碼位于信使RNA上，而信使RNA是DNA的一個片斷進展復(fù)制而在細胞染色體合成的。這個過程由依賴DNARNA多聚酶催化，被稱為轉(zhuǎn)錄。眾所知，染色體是由DNA雙螺旋按照準確排序的堿基組成的：腺嘌呤〔A〕，胞嘧啶〔C〕，胸腺嘧啶〔T〕和鳥嘌呤〔G〕。. z.-DNA的兩條鏈只是通過相鄰堿基間的氫鍵相連接。由于A總是與T配對，而C總是與G配對，則從一條單鏈就可生成一條新的DNA鏈，這條單鏈與最初原來的那條鏈互補。DNA以這樣的式進展復(fù)制，從而保存遺傳信息或者密碼；信使RNA也是來自于DNA的一條單鏈。除過用尿嘧啶代替胸腺嘧啶，RNA互補于DNA而且其自身的堿基同樣攜帶者遺傳密碼。盡管多mRNA讀取整條DNA鏈，但是每個mRNA只是DNA鏈上的一小局部。核糖體附著于mRNA上，而且在核糖體中，mRNA上的堿基每次被讀取3個，轉(zhuǎn)譯為特定的氨基酸密碼。這個密碼稱為密碼子。例如，密碼子UCA就至代表著絲氨酸而CAG代表谷氨酸；因此，當黏附于核糖體的mRNA遇到UCACAG則就會生成絲-谷氨酸。以共價鍵連接在特殊轉(zhuǎn)移RNA〔tRNA〕上的每個氨基酸都可識別mRNA上與其相對應(yīng)的3個堿基。氨酰-tRNA是反響單元，它被核糖體利用從而合成不斷增長的肽鏈。每個單一的mRNA分子編碼一個蛋白質(zhì)，它來源于染色體上的一個基因〔*些功能酶由不只一個蛋白質(zhì)構(gòu)成，例如丙酮酸脫氫酶〕。每個基因都可以被屢次轉(zhuǎn)錄，染色體中就不是僅有這個基因的一個拷貝，從而遺傳信息就被擴大了。經(jīng)過整個轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯過程，合成了蛋白質(zhì)，對于這個過程的調(diào)控是非常復(fù)雜的。原核生物與真核生物尤其是在具體的細節(jié)上是不同的，而且很多面還無法解釋。盡管如此，細菌系統(tǒng)中的調(diào)控機制是可以說明的。由DNA生成mRNA的過程是由染色體上編碼誘導(dǎo)蛋白或者阻遏蛋白的那局部控制的。這種機制如圖2.20所示。DNA上被稱為調(diào)節(jié)基因的局部生成調(diào)控阻遏蛋白，它的作用是結(jié)合到另一個通常是相鄰的基因上。將這個蛋白結(jié)合到操作基因上就阻止了一段基因的轉(zhuǎn)錄過程。這段基因是一個或多個構(gòu)造基因，它負. z.-責(zé)編碼酶蛋白的mRNA的合成。如果有誘導(dǎo)物存在，誘導(dǎo)物結(jié)合到調(diào)控蛋白上，從而阻止了調(diào)控蛋白結(jié)合到操縱基因上，自由的操縱基因就允構(gòu)造基因進展轉(zhuǎn)錄而合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。這就是如將一個新的代途徑引進到操作中。只要有誘導(dǎo)分子的存在，則酶的和成就一直進展，如果除去誘導(dǎo)物，或者誘導(dǎo)物被消耗完〔常常是它誘導(dǎo)的代途徑〕，則酶將停頓合成。當*個分子常常是代終產(chǎn)物與阻遏蛋白作用生成一種封鎖操縱基因產(chǎn)物的時候，酶合成阻遏就會發(fā)生。如果這個產(chǎn)物被除去或者消耗完，則阻遏蛋白將不再結(jié)合到操縱基因上，構(gòu)造基因開場轉(zhuǎn)錄，同時終產(chǎn)物又重新開場合成。.4分解代阻遏這種代調(diào)控是對已建立的酶的誘導(dǎo)與阻遏調(diào)控的這種想法的延伸，通過向微生物培養(yǎng)液中添加外來營養(yǎng)物來實現(xiàn)。分解代阻遏這個術(shù)語涉及多普遍的現(xiàn)象，來看這個例子，當一個微生物可從同時提供給它的一種或多種碳源中進展選擇的話，它們則選擇利用其偏好的那種底物。例如，如果給一個微生物同時供給葡萄糖和乳糖，則乳糖被忽略直到所有的葡萄糖被消耗完。假設(shè)供給多種可利用的氮源，則會出現(xiàn)項類似的情況。對細胞來說，分解代物阻遏的優(yōu)點在于能夠以最少的能量消耗對其進展利用。分解代物阻遏的具體機制以生物體發(fā)生較大的變化。圖2.21所示的一系列事件是大腸桿菌中發(fā)生的分解代物阻遏過程。對這個過程來講，最關(guān)鍵的是化合物環(huán)化腺苷酸〔cAMP，它的磷酸基團連接在核糖局部的3’和5’-羥基上，從而形成磷酯〕。cAMP，經(jīng)腺苷酸環(huán)化酶作用由ATP生成，它與特定的受體蛋白作用〔CRP=環(huán)化腺苷酸受體蛋白〕，其正向促進一個操縱子的轉(zhuǎn)錄。磷酸二酯酶將cAMP轉(zhuǎn)化為AMP，cAMP的水平與2.2容中提及的“能荷〞嚴密相關(guān)。. z.-葡萄糖代的各種產(chǎn)物看上去都是腺苷酸環(huán)化酶的強抑制劑[參考.5〔b〕]，只要這些物質(zhì)存在于細胞中〔暗示有連續(xù)的可利用的葡萄糖存在〕，則基于cAMP-CRP復(fù)合物控制的*些操縱子的轉(zhuǎn)錄將無法進展。分解代阻遏對控制厭氧代式有重要影響，尤其在“次級代生物合成〞現(xiàn)象中。.5酶活性修飾一旦酶被合成，它的活性就可以通過很多手段進展修飾。（a）轉(zhuǎn)錄后修飾*些酶的存在是有活性的或者低活性的形式，這通過與特定基團的共價吸附作用來相互轉(zhuǎn)化〔常常是磷酸，有時是AMP或者UMP〕。這種吸附作用由一種單獨酶作用，它沒有其它的功能，其活性反過來由各種代產(chǎn)物來調(diào)控。被第一個酶催化的反響可通過細胞的主要代狀況來調(diào)節(jié)〔如圖2.22〕。進展這種代的例子有大腸桿菌中的谷氨酸合成酶〔谷氨酸合成酶對細胞精細調(diào)節(jié)主要代中間產(chǎn)物谷氨酸與谷氨酰胺的庫容量來說是非常重要的，它們分別是酶的底物和產(chǎn)物。〕和粗糙膿胞桿菌中的糖原磷酸化酶。（b）效應(yīng)物作用酶的作用常常由于其所催化反響所生成底物的累積而減慢，這個化合物就被稱為抑制劑或者酶的效應(yīng)物。這個機制理解起來比擬簡單：反響物阻止底物靠近酶活性位點，在這個位點上，兩者必須是適宜的。然而，多酶尤其是代途徑最開場進展時的那些酶，對于與它們所催化反響無關(guān)的化合物是敏感的。最為普遍的作用就是反響抑制。在這個作用中，代終產(chǎn)物是途徑中早期的酶的活性的負效應(yīng)物。這種抑制作用確保一旦有大量的終. z.-產(chǎn)物生成，則含碳物質(zhì)單元則不會再按照該途徑進展代。當培養(yǎng)基中有終產(chǎn)物存在時，它被攝入到細胞中，此時同樣出現(xiàn)這種抑制作用。反響抑制與酶合成阻遏有一樣的作用，也是因為過量終產(chǎn)物的存在而發(fā)生。它可被看作是良好的控制，可以快速進展并容易逆轉(zhuǎn)，而酶的阻遏提供串聯(lián)控制，需要較長的時間來完成。反響抑制的一般機制是基于效應(yīng)物與酶在*位點相結(jié)合，該位點不同于酶的活性位點；效應(yīng)物改造了蛋白質(zhì)的形態(tài)，故酶對底物反響過程就不再是一個有效的催化劑。認為這種酶是變構(gòu)控制的，可見于多合成氨基酸、嘌呤、嘧啶和其它單體物質(zhì)的代途徑中。這個過程會變得相當?shù)膹?fù)雜，當從共同途徑的支鏈生成了不只一種產(chǎn)物的時候。這里重要的是，如果三種終產(chǎn)物F、G或者J中的一個到達了他的最高庫容量，就必須阻止它的更多生成，但同時又要繼續(xù)進展其他兩種產(chǎn)物的合成。因此，在上面的圖中，假設(shè)這三種終產(chǎn)物所需要的量是相等的，產(chǎn)物F則完全阻止反響f，反響c的50%和反響a的33%。因此，從A開場，先是B而后以2/3速率生成C，C不是生成2倍于H的D，而是生成等量的這兩種物質(zhì)，所有的D將轉(zhuǎn)化為G，H仍如以往一樣生成J。這種對酶活性局部抑制的式，根據(jù)途徑與有機體不同而不同，生物體所共同采用的一種常用的法是同工酶。那就是，對于上面的反響a，有三種各不一樣的酶以一樣的效率催化該反響，盡管一個同工酶對于產(chǎn)物F的反響抑制作用是敏感的，第二個是對G敏感，第三個則是對H敏感。這樣，僅有一個同工酶被抑制，如果一種終產(chǎn)物到達最大庫濃度。反響C. z.-也類似的由兩種同工酶催化，一個受F的反響抑制，另一個則受G的反響抑制。這類控制作用的例子發(fā)生在芳香環(huán)氨基酸，苯丙氨酸、酪氨酸的生物合成途徑中以及氨酸、甲硫氨酸與賴氨酸的生物合成過程中。反響抑制作用同時涉及了轉(zhuǎn)運過程的控制。但是，將這個概念用到以下情況中是不準確的，這時代產(chǎn)物如ATP、ADP、AMP、NAD(P)+或NAD(P)H是*個特定的酶的正效應(yīng)物或負效應(yīng)物。例如，三羧酸循環(huán)中的*些酶特別是檸檬酸合成酶被ATP所抑制，同時由于ATP是與循環(huán)反響相關(guān)的氧化磷酸化反響的終產(chǎn)物，這個應(yīng)該被解釋為一種較間接形式的反響抑制。不考慮語義，這種通過不同形式或者輔因子進展的控制廣泛作用于主要的代過程中的酶。.6酶的降解酶不是一種穩(wěn)定的分子，能被迅速的破壞而且這個過程是不可逆的。正常的半衰期變化較大，短的只有幾分鐘，長的則可以是數(shù)天。盡管可以從基因水平對酶的合成進展調(diào)控，但是一旦酶被合成，就可以在*時間保持其功能。如果圍環(huán)境突然發(fā)生改變，就無法滿足酶的合成的關(guān)閉，例如阻遏；細胞需要使酶失活以防止無用的甚至可能是有害的代活動。的*些例子有，激活的蛋白水解酶將破壞*個特定的酶。激活過程可能由主要代產(chǎn)物的出現(xiàn)和缺乏而引發(fā)。同步代與生長我們已經(jīng)知道了細胞是怎樣控制它們的多組分的生物合成從而合成適量單體與不同的酶分子，這種控制機制受細胞圍環(huán)境的影響，細胞總是試圖優(yōu)化在的. z.-生化過程以便更有效的利用預(yù)先生成的含碳和含氮化合物，同時產(chǎn)生最大的能量，消耗最少的能量，并以最快的速度進展生長。在限定的環(huán)境條件下，如果沒有任一種氮源，則有機體就不能生長，在這種條件下，當有機體繼續(xù)對可利用的碳源進展生長代時，終產(chǎn)物將被累積。有機體生物合成過程必須要不停的運作，只有當生物體死亡，這時細胞的反響過程才能到達平衡。因此，有機體保持其生化機能進展不停的運作是關(guān)鍵的，它們通過多法來到達這個目的，這些法依賴于有機體所處的主要狀態(tài)：通過阻遏新的厭氧代酶，有機體將含碳底物進展任意一種次級代；可產(chǎn)生大量的儲藏化合物如多聚-β-羥基丁酸、脂肪、糖原和其它多糖。如果處于“饑餓〞狀態(tài)，沒有外來碳源供給，有機體便將降解這些儲藏物質(zhì)，與細胞維持代途徑相比，生成什么產(chǎn)物來說就顯得不則重要了。在正常的情況下，如果所有的必需養(yǎng)分都能供給，則微生物就能生長。在分批式培養(yǎng)中，細胞在關(guān)閉的系統(tǒng)中繁殖〔一旦培養(yǎng)開場，就不會添減發(fā)酵罐中的物質(zhì)〕，直到*些養(yǎng)分被耗盡或積累的*些產(chǎn)物抑制了有機體的生長，或者細胞的數(shù)量到達了不能再有任空間容納新生細胞的水平，這個時候，細胞增值才會停頓。在細胞生長過程中，各種化合物的相對含量發(fā)生變化，由于細胞在核糖體中合成越來越多的蛋白質(zhì)，RNA的量就會迅速增高，而如圖2.23所示，DNA的量就會減少，盡管減少的程度取決于細胞進展DNA復(fù)制的速率。細胞生長速率以倍增時間〔td〕表示細胞從一個變?yōu)?個所需要的時間，以及比生長速率〔μ〕表示單位重量的已有細胞物質(zhì)合成新物質(zhì)的速率。這兩個量按下式關(guān)聯(lián)：。。。。。。。。. z.-在分批式培養(yǎng)中，由于營養(yǎng)物質(zhì)含量的持續(xù)下降，μ值一直是變化的；在好氧有機體的多實際情況中，氧氣供給的速率最終控制它們生長的速率。只有在連續(xù)培養(yǎng)中，通過不斷地參加新鮮養(yǎng)分，具體生長速率才會保持恒定。一個生物能夠獲得最大生長速率是由誰來控制的依不同生物而異，而且對大局部有機體來說都不得而知。可能是DNA合成的最終速度，或者是細胞吸收*一特定養(yǎng)分的速度，或者是細胞的*局部如細胞壁的裝配速度。倍增時間可以從Behakeanatriegens的10分鐘到酵母菌與真菌的幾小時，大局部細菌的倍增時間為30分鐘或更長，而*些則需要幾天。表2.3例出了例子。細胞期與DNA復(fù)制細胞分裂過程在原核與真核生物中是不同的，盡管它們采用相似的機制來控制基因的表達和調(diào)控基因產(chǎn)物〔酶蛋白〕的活性。在一個快速增長的細胞中，DNA合成或多或少的是連續(xù)進展的，但在一個真核細胞中，它只在局部細胞期中形成。細菌的基因是雙螺旋構(gòu)造中的2分子DNA。它們頭尾相連形成環(huán)狀染色體，真核生物細胞含有多條獨立的染色體。在真核生物細胞中，細胞期可分為幾個階段，每段持續(xù)的時間取決于生長條件。隨著所有染色體的復(fù)制，期到達最高潮，然后通過有絲分裂兩套染色體在母細胞和子細胞之間分配。當生物體進化到更高級的微生物領(lǐng)域?qū)⑦M展有性生殖而不是細菌體的簡單的二次分裂或者是酵母的芽殖，這時有絲分裂過程將變得更為復(fù)雜。染色體分配的過程將通過減數(shù)分裂來進展，經(jīng)過DNA的復(fù)制，染色體將分配到生殖細胞中。在所有的微生物中，DNA都以相似的機制進展復(fù)制，雙鏈DNA解旋，每條鏈形成互補新鏈，這個過程如圖2.24所示。每個復(fù)制叉作雙向運動，也就是. z.-說，解鏈與互補新鏈的合成發(fā)生在同一個別離末端。在細菌中，同一時刻有多個復(fù)制叉發(fā)揮作用，所以基因可以極快的速度進展復(fù)制。當DNA完全復(fù)制的時間比細胞分裂的時間長的時候，這個情況就會發(fā)生，而且在這樣的條件下，每個細胞將含有多個染色體上被復(fù)制的局部的拷貝。這樣使細胞分裂與染色體的完全復(fù)制同步進展，以使每個配體細胞在分裂隔膜形成前就獲得自身的DNA。顯然，當DNA復(fù)制過程完成時，一種“終端蛋白〞被合成，就是這個蛋白引發(fā)隔膜的形成和細胞分裂。真核細胞中，細胞成倍復(fù)制過程被復(fù)雜化，在細胞期過程中，細胞器要進展分裂，線粒體和葉綠體有自身的DNA并各自獨立的分裂為細胞核子，這樣，根據(jù)圍環(huán)境條件，線粒體與葉綠體的數(shù)量就會發(fā)生變化。例如，在厭氧條件下生長的酵母，不依賴線粒體提供ATP從而線粒體的數(shù)量就比擬少。盡管載有遺傳信息的DNA能夠準確復(fù)制從而使子細胞帶有與它們父母一樣的染色體圖譜，但仍會出現(xiàn)錯誤。這樣的錯誤導(dǎo)致突變體的形成，突變體可自發(fā)的生成，通常以很低的頻率〔大約每108-1010細胞分裂中有一個突變體〕，或者被誘導(dǎo)生成，通過將生物體暴露于DNA突變劑中。具有可變化的酶功能的突變體在發(fā)酵過程中對于提高產(chǎn)量來說是很有益的，盡管這樣，從成千上萬個不需要的突變體中尋找我們想要的那個突變體是一個漫長的過程。在大多數(shù)情況下，突變體不能進展*些活動；多情況下，這種作用將是致死性的從而細胞就不能生長。一般很少數(shù)量的突變體能夠存活下來，但由于在實驗中應(yīng)用了大量的微生物，因此0.001%的存活就代表著10000個生物。微生物生長速率微生物生長的速率常常以每消耗單位重量的底物所生成的細胞數(shù)量的形式. z.-來表示。摩爾生長率是細胞量〔干重〕與每摩爾底物的比值，而碳轉(zhuǎn)化系數(shù)是細胞量與每克含碳底物的比值，這個對于不同分子大小的底物之間的比擬更有意義。表2.4列舉了這兩種表達式的一些典型數(shù)據(jù)，都是最大值，因為在*些特定情況下〔尤其是處于低生長率情況下〕，用于細胞生長的底物的利用是不完全的。表2.4顯示了一個典型特點，參考前面的討論是很容易理解的，即當兼性有機體從好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)時，生長率降低，這個現(xiàn)象明顯的與厭氧過程中能量降低的流向和ATP產(chǎn)量的減少相關(guān)。經(jīng)歷上，實際的生長率取決于很多因素：（1）碳源的性質(zhì)（2）底物分解代途徑（3）任復(fù)雜底物的供給〔排除*些合成途徑〕（4）同化其他養(yǎng)分的能量需求，特別是氮〔如果供給的是氨基酸，則它比利用NH所需要的能量少，而比以氮作為氮源所需要的能量多〕。3（5）ATP生成反響的速率（6）抑制劑，不利離子的平衡，或者其他培養(yǎng)基組分，需要轉(zhuǎn)運體系的參與。（7）生物體的生理狀態(tài)；幾乎所有的微生物都是根據(jù)外界環(huán)境來改變它們的開展，常常是大量的而且不同的開展過程必須要保持不同質(zhì)量與能量的平衡。在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，細胞的生長速度和營養(yǎng)狀態(tài)時可以進展控制的，進一步的影響因素有：（8）限制性底物的性質(zhì)；限制性碳源比限制性氮源的生長效率高；在這個過程中，對過量含碳底物的分解代將進入耗能代途徑。. z.-（9）所允的生長速率作為最終控制微生物活動各個面的因素，必須要補充：（10）微生物的傾向與微生物學(xué)家的能力第三章應(yīng)用遺傳學(xué)生物工程開展的第一步通常是尋找適宜的有機體。這種有機體期望能夠創(chuàng)造一種產(chǎn)品或者效勞從而給其工業(yè)帶來商業(yè)回報。實際中，遺傳學(xué)家必須選擇一個有機體，這個有機體能夠生產(chǎn)出想要的產(chǎn)品。一旦找到適宜的有機體，在可能發(fā)生誘導(dǎo)遺傳變化的地利用傳統(tǒng)育種和誘變法就可以生產(chǎn)出更多的想要的產(chǎn)品。對改造過的有機體的選擇工作是乏味而耗時的，并且直到最近遺傳學(xué)家能夠采用的大局部法都還涉及試驗和錯誤。然而，新的基因技術(shù)，例如原生質(zhì)體融合和重組DNA技術(shù)的使用使得通過采用新法就能將有用的遺傳特征直接插入到所選擇的有機體中。這樣，就能夠設(shè)計建造出完全新的性能〔capabilities〕，而且尤其是微生物以及小局部植物和動物細胞就超越了它們天生所賦予的遺傳能力而生產(chǎn)物質(zhì)。當應(yīng)用遺傳學(xué)家對一個潛在的工業(yè)有機體進展操作的時候，生產(chǎn)能力的提高并不是唯一的目標。因此，對病毒的防御能力和提高的遺傳穩(wěn)定性可以被引入到有機體，從而缺少它們，就能減少或消除有害的副產(chǎn)品的形成并且可以除去令人不快的味道、顏色或者粘質(zhì)物。一個成功的工業(yè)化培養(yǎng)物應(yīng)該最終具有大局部或者全部以下特點：這個培養(yǎng)必須是純培養(yǎng)物，遺傳穩(wěn)定；容易繁殖；具有快速生長的特點；具有良好的產(chǎn)品形成速度；不產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)品；并且能夠行基因操作。. z.-工業(yè)上所用的培養(yǎng)物通常有三種應(yīng)用：〔1〕作為一種研究培養(yǎng)物——對它進展研究已尋找一種有用的產(chǎn)品；〔2〕作為一種開展培養(yǎng)物——一個研究培養(yǎng)物獲得了重要性；和〔3〕作為一種生產(chǎn)培養(yǎng)物——一個研究培養(yǎng)物現(xiàn)在實際上用來進展工業(yè)化生產(chǎn)。最終的培養(yǎng)物可以與原始的研究培養(yǎng)物一樣，但更常見的是，將它經(jīng)過一系列的處理，以提高產(chǎn)率。這個最終的工業(yè)有機體將被進展遺傳設(shè)計，從而使它的代功能遠超過野生型的代功能。這個只能通過在生產(chǎn)過程中對有機體的生長進展最大的控制得以實現(xiàn)。從一個野生型開展到工業(yè)有機體需要改變它的遺傳信息，消除不要的特點或者甚至是引入整個新的遺傳信息。尋找所要的有機體并且提高它的性能〔capabilities〕是目前大局部生物工程過程的最根本的面〔圖3.1菌株改造流程圖〕3.1選擇與篩選在生物技術(shù)的所有面中，最主要的精力都用在了篩選程序〔progaramme〕上,以通過突變或者雜交程序〔progaramme〕包括遺傳設(shè)計的途徑，從天然資源或者已經(jīng)建立的培養(yǎng)物中生產(chǎn)出新的有機體。這些有機體必須經(jīng)過篩選來獲得有用的產(chǎn)品并且可以進展足夠大規(guī)模的生長以生產(chǎn)和提取所期望的產(chǎn)品，然后對這個產(chǎn)品進展鑒定評估〔evaluation〕。篩選可以定義為利用高效選擇程序從龐大的微生物與代物中只檢測和別離那些有益的微生物與代產(chǎn)物。對別離物進一步的改良包括對培養(yǎng)物的改造與保存。然而，對充分利用這個能力來說最大的障礙是適宜的篩選程序的可行性，這個篩選程序能鑒別所必需的產(chǎn)物，尤其在存在培養(yǎng)基組分的情況下?，F(xiàn)在生物工程中利用的主要的生物群體是微生物。所述的篩選法也主要集中. z.-于這類群體。在從環(huán)境中為生物工程尋找新的微生物的過程中，一般有三種可行性的選擇；它們包括取樣點的選擇，別離出想要的微生物的物理別離過程以及實現(xiàn)選擇的法的選用，這個過程大多數(shù)情況下要進展富集培養(yǎng)〔表3.1生產(chǎn)微生物的創(chuàng)造〕。盡管多新的生產(chǎn)微生物是野生型而且已經(jīng)從自然環(huán)境中別離出來，但是通過實驗操作從現(xiàn)存的基因組制造新的基因組同樣花費了大局部的精力。通過突變、重組、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因克隆的單一處理過程或者聯(lián)合處理過程可以對有機體進展改造〔表3.1生產(chǎn)微生物的創(chuàng)造〕。。通過自然選擇，尤其更多的是基因操作，所有工業(yè)重要的微生物都將經(jīng)過*些形式的篩選。篩選程序的設(shè)計對實現(xiàn)最大程度的認知新基因性來說是很重要的。篩選可分為兩個根本形式：（1）無選擇的隨機篩選對所有別離物進展單獨檢測，以獲得所要的性質(zhì)（2）比率篩選在這個過程中，會進展*些面的預(yù)篩選。隨機篩選將是非常耗時的，因為每個別離物都要進展仔細的研究。在抗生素生產(chǎn)的研究中，成千上萬的搖瓶培養(yǎng)的單一孢子別離物進展有規(guī)律的使用。Agardisc瓊脂板技術(shù)加快了這個過程，但這個法最好是用作在使用搖瓶之前作為一種最初的篩選。大量的別離物或者突變表達在就可以平鋪開來，暴露于廣泛的環(huán)境條件下，同時任意時間段的反響就可以通過電視監(jiān)控或者計算機控制而被自動記錄下來。相反的，比率篩選更多的是利用了特定產(chǎn)物形成的生物化學(xué)知識，建立一個選擇過程，這個過程利用了所要的基因型的一個特點，這個特點不是特定的有益的那一個，但必須是很容易進展評價scored或者assayed化驗。比率篩選應(yīng)該有. z.-選擇的殺死所有不需要的基因型從而允routinely檢測更多的別離物。因此，最近已說明inCephalosporiumacremonium抗生素的生產(chǎn)與蛋白水解活性proteolyticactivity相關(guān),這說明了進展篩選一個可能的根底。當篩選過程完成以及有潛在價值的微生物別離后，效率的最終證明來自生產(chǎn)條件。從新的或者現(xiàn)存的微生物進展產(chǎn)品的優(yōu)化也涉及到最正確培養(yǎng)條件的選擇，固體或者液體、分批或者連續(xù)發(fā)酵。繁殖微生物的培養(yǎng)基類型對于形成產(chǎn)物的表型表達有著重要的影響。因此，培養(yǎng)基的組成能夠影響生物體的濃度、形成產(chǎn)物的特定速率specificrate、產(chǎn)物形成的持續(xù)時間、產(chǎn)物的降解速率及生產(chǎn)微生物〔生產(chǎn)菌〕的穩(wěn)定性。然而，生產(chǎn)環(huán)境是不穩(wěn)定的，成功的生產(chǎn)也需要對培養(yǎng)基和環(huán)境控制參數(shù)進展改造。菌種的退化是生物工程中普遍遇到的一個問題。穩(wěn)定性是由基因控制的，可以通過環(huán)境因素的特定控制進展改變，比方改變培養(yǎng)基或者通過阻止導(dǎo)致不穩(wěn)定的遺傳事件的發(fā)生。3.2菌種保藏通過自然選擇或者基因操作產(chǎn)生一個新的微生物，這個新的有機體就必須進展儲藏或者保藏以使遺傳性能發(fā)生最小的退化。有機體的保藏、制備和繁殖必須到達一定標準的重復(fù)性。一個工業(yè)微生物的保藏過程生物工程根底構(gòu)造的整體特征。所有的工業(yè)沒有一個共同的法。特定的工業(yè)微生物保藏技術(shù)作為商業(yè)**而被很好的保守。實際上，大局部工業(yè)微生物通過以下的程序被保存的：（1）在瓊脂培養(yǎng)基上進展規(guī)律性接種；（2）利用復(fù)原性代產(chǎn)物——礦物油的覆蓋、冷藏或者冷凍儲存；（3）枯燥——枯燥的沙子、硅膠或者濾紙；. z.-（4）冷凍枯燥——由于與前面法相比更加便而且穩(wěn)定性高所以被廣泛采用；（5）在超低溫下冰凍保存〔-70―-196℃——是一個高本錢的法但是適用圍廣而且存活率高〕。在全世界圍，菌種收集對于生物工程大圍的純種微生物的供給正扮演著越來越重要的角色，這些微生物有著過去、現(xiàn)在或者潛在的價值。重要的操作菌株必須處于可進展繁殖與生產(chǎn)的條件下。尤其是，很多新的基因操作有機體都