第四节 微生物的代谢

代谢是指生物体内各种化学反应的总和，它主要由分解代谢与合成代谢两个过程组成。分解代谢是指细胞将营养物质降解成小分子物质的过程，并在这个过程中产生能量。合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成较复杂大分子物质的过程，在这个过程中要消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。合成代谢与分解代谢既有明显的差别，又紧密相关。分解代谢为合成代谢的基础，它们在生物体中偶联进行，相互对立而统一，决定着生命的存在与发展。合成代谢为吸收能量的同化过程，分解代谢为释放能量的异化过程。

一、微生物的能量代谢

（一）微生物的呼吸作用

微生物的生命活动需要的能量来源于微生物的呼吸作用。微生物的呼吸作用是在细胞内酶的催化下，将某种营养物质或在同化过程中合成的某些物质氧化，并释放能量，以供给细胞生长所需要的物质和生活所需的能量。因此，呼吸作用包括一系列生物化学反应和能量转移的生物氧化还原过程，亦被称为“产能代谢”或“生物氧化”。

既然微生物的呼吸是氧化和还原过程，在生物氧化过程中，则无论在有氧或无氧情况下，必须有一部分物质被氧化，同时另一部分物质被还原。在微生物细胞中，生物氧化的方式有三种：①物质中加氧，如葡萄糖加氧被彻底分解为CO2和H2O; ②化合物脱氢，如乙醇脱氢为乙醛；③失去电子，如Fe2+失去电子变成Fe3+。

根据最终电子受体（氢受体）的不同，可将微生物的呼吸作用（生物氧化）分为有氧呼吸、无氧呼吸与发酵三种类型。

1．有氧呼吸

有氧呼吸是指微生物在氧化底物时，以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程，通过有氧呼吸可将有机物彻底氧化并释放出大量能量，能量的一部分储存在ATP中，一部分则以热的形式散发。许多异养微生物以有机物作为氧化基质进行有氧呼吸获得能量，而这种呼吸作用必须有脱氢酶、氧化酶以及电子传递系统参与。

以葡萄糖为基质的有氧呼吸可分为两个阶段。第一阶段是葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径（EMP途径）生成丙酮酸；第二阶段是在有氧条件下，丙酮酸进入三羧酸循环（TCA循环），通过一系列氧化还原反应最后转化为CO2和H2O。在EMP途径和TCA途径中，脱下的氢或释放出的电子经过电子传递链的传递作用，最后传递到O2，于是葡萄糖被彻底氧化，O2被还原，最终产物为CO2和H2O。需氧菌和兼性菌在有氧条件下可以进行有氧呼吸，同时释放大量的能量。

2．无氧呼吸

无氧呼吸是指以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。有少数微生物（厌氧菌和兼性厌氧菌）以无机氧化物（如、、、、CO2等）为最终电子受体，进行无氧呼吸。在无氧呼吸过程中，从底物脱下的氢和电子经过呼吸链的传递，最终由氧化态的无机物受氢（电子），并伴随氧化磷酸化作用产生ATP。底物也可被彻底氧化，但与有氧呼吸相比，产生的能量较少。例如，硝酸盐还原细菌，在无氧条件下葡萄糖被彻底氧化时，以作为呼吸链的最终电子受体，在硝酸盐还原酶的作用下，将还原成，在亚硝酸盐还原酶作用下可再进一步还原成NO、N2O直至N2。这是一种异化硝酸盐还原作用，又称反硝化作用。作为这类无氧呼吸的氧化基质的一般为有机物，如葡萄糖、乙酸等，它们可被彻底氧化成CO2和H2O，并有ATP的合成。

3．发酵

（1）狭义的发酵概念是指在无氧条件下，微生物在产能代谢中最终电子受体是被氧化基质本身所产生的，而未被彻底氧化的中间产物，即有机物既是被氧化的基质，又作为最终电子受体，而且作为最终电子受体的有机物是基质未被彻底氧化的中间产物。在此种发酵过程中，一般由底物脱下的电子和氢交给NAD(P)，使之还原成NAD(P)H2，后者将电子和氢交给作为最终电子受体的中间代谢产物（有机物），完成氧化还原反应，电子的传递不经过细胞色素等中间电子传递体，而是分子内部的转移。由于发酵作用对有机物的氧化不彻底，发酵结果是积累有机物，且产生能量较少。

（2）广义的发酵是在有氧或无氧条件下，利用好氧或兼性厌氧、厌氧微生物的新陈代谢活动，将有机物氧化转化为有用的代谢产物，从而获得发酵产品和工业原料的过程。它包括好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵三个方面的过程。因此，微生物中的狭义发酵和工业生产中广义发酵概念的含义是有区别的。

（二）不同呼吸类型的微生物

在呼吸和发酵过程中，根据微生物的呼吸作用不同，所含的呼吸酶系统是否完全，最终电子受体是否是氧，以及微生物与分子氧的关系不同，可将它们分成好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌、微好氧菌和专性好氧菌五种呼吸类型。

1．耐氧菌

耐氧菌在有氧条件下进行厌氧生活，生长不需要氧，分子氧对它们也无毒；它们没有呼吸链，细胞内有超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶，但无过氧化氢酶；靠专性发酵获得能量。乳酸菌多数是耐氧菌。例如乳酸乳球菌乳酸亚种(Lactococcus lactis subsp.lactis)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、乳酸乳杆菌(Lactobacillus lactis)以及肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)等。

2．厌氧菌

一般有厌氧菌和专性厌氧菌之分。这类菌只能在无氧或低氧化还原电位的环境下生长，分子氧对它们有毒，即使短期接触空气，也会抑制其生长甚至使之死亡；它们缺乏完整的呼吸酶系统，即细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶，多数还缺乏过氧化氢酶等抗氧化酶，主要靠发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供所需能量。常见的厌氧菌有梭菌属、拟杆菌属(Bacteroides)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、消化球菌属(Peptococcus)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、韦荣氏球菌属(Veillonella)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)等。其中多数产甲烷细菌是极端厌氧菌。

3．兼性厌氧菌

这类菌在有氧或无氧条件下均能生长，但有氧情况下生长得更好，它们具有需氧菌和厌氧菌的两套呼吸酶系统，细胞含SOD和过氧化氢酶；在有氧时靠有氧呼吸产能，无氧时借发酵或无氧呼吸产能。许多酵母菌、肠道细菌、硝酸盐还原菌（如脱氮小球菌），人和动物的病原菌均属此类菌。例如，啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)在有氧时进行有氧呼吸，得到细胞产量；在无氧时进行乙醇发酵而用于酒类酿造。肠杆菌科的各种细菌包括大肠杆菌、产气肠杆菌和普通变形杆菌(Proteus vulgaris)等都是常见的兼性厌氧菌。

4．微好氧菌

这类菌只能在较低的氧分压(1~3kPa，正常大气压中的氧分压为20kPa)下才能正常生长，它们具有完整的呼吸酶系统，通过呼吸链并以氧为最终氢受体而产能。例如霍乱弧菌(Vibrio cholerae)、发酵单胞菌属(Zymomonas)、氢单胞菌属(Hydrogenomonas)以及少数拟杆菌属的种等属于此类菌。在摇瓶培养时，菌体生长于液面以下数毫米处。

5．专性好氧菌

这类菌必须在高浓度分子氧的条件下才能生长，它们具有完整的呼吸酶系统，细胞含SOD和过氧化氢酶，通过呼吸链并以分子氧作为最终氢受体，在正常大气压下进行好氧呼吸产能。多数细菌、放线菌、真菌属于此类菌。大规模培养好氧菌时，应设法获得更多的空气。一般实验室和工业生产上常用摇瓶振荡或通气搅拌的方法供给充足的氧气。

（三）化能异养微生物的生物氧化

微生物在生命活动过程中主要通过生物氧化反应获得能量。生物氧化是发生在活细胞内的一系列氧化还原反应的总称。生物氧化的类型包括有氧呼吸、无氧呼吸与发酵。多数微生物是化能异养型菌，只能通过降解有机物而获得能量。葡萄糖是微生物最好的碳源和能源，这里以葡萄糖作为微生物氧化的典型底物，它在生物氧化的脱氢阶段中，可通过EMP途径、HMP途径、ED途径、TCA循环完成脱氢反应，并伴随还原力[H]和能量的产生。葡萄糖在厌氧条件下经EMP途径产生丙酮酸，这是多数厌氧和兼性厌氧微生物进行葡萄糖无氧降解的共同途径。丙酮酸以后的降解，因不同种类微生物具有不同的酶系统，使之有多种发酵类型，可产生不同的发酵产物，即由EMP途径、HMP途径、PK途径、双歧途径、ED途径、TCA循环等代谢途径产生的主要发酵产物，如酒精、甘油、乳酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、谷氨酸等。

1．EMP途径

EMP途径(embden-meyerhof-parnas pathway)又称糖酵解途径或二磷酸己糖途径。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，这是多数微生物共有的基本代谢途径。糖酵解产生的丙酮酸可进一步通过TCA循环继续彻底氧化。通过EMP途径（图2-10），1分子葡萄糖经10步反应转变成2分子丙酮酸，产生2分子ATP和NADH2分子。

在EMP途径终反应中，2NADH2在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6 ATP；而在无氧条件下，则可将丙酮酸还原成乳酸，或将丙酮酸脱羧成乙醛，后者还原为乙醇。

EMP途径的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛缩酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解生成两个三碳化合物，即3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。其中磷酸二羟丙酮在丙糖磷酸异构酶作用下转变为3-磷酸甘油醛。2个3-磷酸甘油醛经磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶作用下生成2分子丙酮酸。丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发在不同的微生物中可进行多种发酵。EMP途径是连接TCA循环、HMP途径和ED途径等其他重要代谢途径的桥梁，同时也为生物合成提供了多种中间化合物。此外，还可通过EMP途径的逆过程合成单糖。

由EMP途径中的关键产物丙酮酸出发有多种发酵途径，并可产生多种重要的发酵产品，下面介绍乙醇、甘油、乳酸、丙酸和丁醇等常见的几种发酵类型。

（1）酵母的酒精发酵

①酵母Ⅰ型发酵：酵母菌在无氧和酸性条件下(p H 3.5~4.5)经EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，丙酮酸再由丙酮酸脱羧酶作用形成乙醛和CO2，乙醛作为NADH2的氢受体，在乙醇脱氢酶的作用下还原为乙醇。

酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧条件下丙酮酸循环彻底氧化成CO2和H2O。如果将氧气通入正在发酵葡萄糖的酵母发酵液中，葡萄糖分解速度下降并停止产生乙醇。这种抑制现象首先由巴斯德观察到，故称为巴斯德效应。在正常条件下，酵母菌的酒精发酵可按上式进行，如果改变发酵条件，还会出现其他发酵类型。

②酵母П型发酵：当发酵液中有亚硫酸氢钠时，它可以和乙醛加成生成难溶性硫化羟基乙醛。迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为氢受体，生成α-磷酸甘油。后者在α-磷酸甘油脱氢酶的催化下，再水解脱去磷酸生成甘油，使乙醇发酵变成甘油发酵。

③酵母 Ш型发酵：在偏碱性条件下(pH7.6)，乙醛不能作为氢受体被还原成乙醇，而是两个乙醇分子发生歧化反应，一分子乙醛氧化成乙酸，另一分子乙醛还原成乙醇，使磷酸二羟丙酮作为NADH2的氢受体，还原成α-磷酸甘油，再脱去磷酸生成甘油，这称为碱法甘油发酵。这种发酵方式不产生能量。

应注意的是采用该法生成甘油时，必须使发酵液保持碱性，否则由于酵母菌产酸使发酵液pH降低，使第Ⅲ型发酵回到第Ⅰ型发酵。由此可见，发酵产物会随发酵条件变化而改变。酵母菌的乙醇发酵已广泛应用于酿酒和酒精生产。

（2）同型乳酸发酵

葡萄糖经乳酸菌的EMP途径，发酵产物只有乳酸，称同型乳酸发酵。在ATP与相应酶的参与下，一分子葡萄糖经两次磷酸化与异构化生成1,6-二磷酸果糖，后者随即裂解为3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，磷酸二羟丙酮转化成3-磷酸甘油醛后经脱氢作用而被氧化，其释放的电子传至NAD+，使之形成还原型NADH2。后者又将其接受的电子传递给丙酮酸，在乳酸脱氢酶作用下还原为乳酸。在乳酸发酵中，作为最终电子受体的是葡萄糖不彻底氧化的中间产物——丙酮酸。发酵过程中借基质水平磷酸化生成ATP，是发酵过程中合成ATP的唯一方式，为机体提供可利用的能量。所谓基质水平磷酸化是指在被氧化的基质上发生的磷酸化作用。即基质在其氧化过程中，形成某些含高能磷酸键的中间产物，这类中间产物可将其高能键通过相应酶的作用转给ADP，生成ATP。葡萄糖经乳酸菌的EMP途径氧化，开始时消耗ADP，后来产生ATP，总计每分子葡萄糖净合成2分子ATP。

进行同型乳酸发酵的微生物，有乳酸乳球菌乳酸亚种、乳酸乳球菌乳脂亚种、嗜热链球菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种（旧称保加利亚乳杆菌）、嗜酸乳杆菌等。乳酸发酵广泛应用于食品和农牧业中。泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青贮饲料等都是利用乳酸发酵的发酵制品。由于乳酸菌的代谢活动积累乳酸，酸化环境，抑制其他微生物的生长，能使蔬菜、牛奶、青贮饲料等得以保存。近代工业多以淀粉为原料，经糖化后，利用德氏乳酸杆菌(L.delbrueckii)进行乳酸发酵生产纯乳酸。

（3）丙酸发酵

葡萄糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸羧化形成草酰乙酸，后者还原成苹果酸、琥珀酸，琥珀酸再脱羧产生丙酸。丙酸菌发酵产物中还常有乙酸和CO2。丙酸菌多见于动物肠道和乳制品中。工业上常用傅氏丙酸杆菌和薛氏丙酸杆菌等发酵生产丙酸。丙酸细菌除利用葡萄糖外，也可利用甘油和乳酸进行丙酸发酵。

（4）丁酸型发酵

能进行丁酸型发酵的微生物主要是专性厌氧的丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌和丁醇梭菌。

①丁酸发酵：丁酸梭菌能进行丁酸发酵，其葡萄糖发酵产物以丁酸为主，还可产生乙酸、CO2和H2等。葡萄糖经EMP途径产生的丙酮酸，在辅酶A参与下生成乙酰CoA，再生成乙酰磷酸，在乙酸激酶的催化下，可将磷酸转移给ADP，生成乙酸和ATP。由2分子丙酮酸产生的2分子乙酰CoA还可缩合生成乙酰CoA，并进一步还原生成丁酸。

②丙酮丁醇发酵：丙酮丁醇梭菌能进行丙酮丁醇发酵，它是丁酸发酵的一种。其葡萄糖的发酵产物是以丙酮、丁醇为主，还有乙酸、丁酸、CO2和H2。丙酮和丁醇是重要的化工原料和有机溶剂。丙酮丁醇梭菌具有淀粉酶，发酵生产可以淀粉为原料。淀粉分解为葡萄糖，葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸生成乙酰CoA，进而合成丙酮和丁醇。丙酮来自乙酰乙酸的脱羧，而丁醇来自丁酸的还原。在丙酮、丁醇发酵过程中，前期发酵主要产生丁酸、乙酸，后期发酵随着pH下降，转向积累大量的丙酮、丁醇。

③丁醇发酵：丁醇梭菌能进行丁醇发酵，其葡萄糖主要发酵产物是丁醇、异丙醇、丁酸、乙酸、CO2和H2。异丙醇由丙酮还原而成。

（5）混合酸发酵

能积累多种有机酸的葡萄糖发酵称为混合酸发酵，又称甲酸发酵。大多数肠道细菌，如大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、产气肠杆菌等均能进行混合酸发酵。先经EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，在不同酶的作用下丙酮酸分别转变成甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、CO2和H2等。

2．HMP途径

HMP途径(hexose-monophosphate-pathway)又称单磷酸己糖途径或磷酸戊糖支路。这是一条能产生大量NADPH2形式还原力和重要中间代谢产物而并非产能的代谢途径。葡萄糖经HMP途径而不经EMP和TCA循环可以得到彻底氧化。

HMP途径可概括为三个阶段。①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生5-磷酸核酮糖和CO2; ②磷酸核酮糖发生同分异构化而分别产生5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。③上述各种磷酸戊糖在没有氧参与的条件下，发生碳架重排，产生了磷酸己糖和5-磷酸甘油醛，后者可通过以下两种方式进行代谢。一种方式是进入EMP途径生成丙酮酸，再进入TCA循环进行彻底氧化，许多微生物利用HMP途径将葡萄糖完全分解成CO2和H2。另一种方式是通过二磷酸果糖醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为磷酸葡萄糖。

HMP途径一次循环需要6分子葡萄糖同时参与，其中有5分子6-磷酸葡萄糖再生，用去1分子葡萄糖，产生大量NADPH2形式的还原力。具有HMP途径的多数好氧菌和兼性厌氧菌中往往同时存在EMP途径。单独具有HMP途径的微生物少见。HMP途径和EMP途径中的一些中间产物可以交叉转化和利用，以满足微生物代谢的多种需要。

3．PK途径

PK途径(phospho-pentose-ketolase pathway)又称磷酸戊糖解酮酶途径。

该途径从葡萄糖到5-磷酸木酮糖均与HMP途径相同，然后又在这条途径的关键酶——磷酸戊糖解酮酶的作用下，生成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛。肠膜明串珠菌分解葡萄糖的典型异型乳酸发酵途径如图2-11所示。

通过PK途径将1分子葡萄糖发酵产生1分子乳酸、1分子乙醇和1分子CO2，并且只产生1分子AT P和1分子H 2 O。明串珠菌属中的肠膜明串珠菌肠膜亚种(Leuconostoc mesenteroides subsp.mesenteroides)、肠膜明串珠菌葡萄糖亚种(L.mesnteroides subsp.dextranicum)、肠膜明串珠菌乳脂亚种(L.mesenteroides subsp.cremoris)和乳酸杆菌属中的短乳酸杆菌(Lactobacillusbrevis)、发酵乳杆菌(L.fermentum)、甘露乳杆菌(L.manitopoeum)和番茄乳杆菌(L.lycopersici)等乳酸菌可通过P K途径进行异型乳酸发酵。因为它们既缺乏E MP途径中的关键酶——果糖二磷酸醛缩酶和异构酶，又缺乏HMP途径的转酮——转醛酶系，而具有磷酸戊糖解酮酶，故其葡萄糖的降解依赖于HMP途径的变异途径——PK途径。微生物利用不同糖类虽然都进行异型乳酸发酵，但其发酵途径和产物稍有差异。例如，肠膜明串珠菌肠膜亚种通过PK途径利用葡萄糖时发酵产物为乳酸、乙醇、CO2，而利用核糖时的发酵产物为乳酸和乙酸，利用果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、CO2和甘露醇等。此外，根霉(Rhizopus)亦可进行异型乳酸发酵。

4．双歧途径

双歧途径(bifidum pathway)是两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)、长双歧杆菌(B.longum)、短双歧杆菌(B.breve)、婴儿双歧杆菌(B.infantis)等双歧杆菌分解葡萄糖的非典型异型乳酸发酵途径，这是EMP途径的变异途径。双歧杆菌既无醛缩酶，也无6-磷酸葡萄糖脱氢酶，但有有活性的磷酸解酮酶类，这是双歧途径的关键酶。在双歧途径中，从2分子葡萄糖到2分子6-磷酸果糖均与EMP途径相同，其中，1分子6-磷酸果糖在第一个关键酶——6-磷酸果糖磷酸酮酶（磷酸己糖酮酶）的作用下裂解生成4-磷酸赤藓糖和乙酰磷酸，乙酰磷酸由乙酸激酶催化为1分子乙酸；另1分子6-磷酸果糖则与4-磷酸赤藓糖反应生成5-磷酸木酮糖，5-磷酸木酮糖在第二个关键酶——磷酸木酮糖磷酸酮酶（磷酸戊糖解酮酶）的催化下分解成2分子3-磷酸甘油醛和2分子乙酰磷酸，2分子3-磷酸甘油醛在乳酸脱氢酶催化下生成2分子乳酸，而2分子乙酰磷酸被乙酸激酶催化为2分子乙酸。通过双歧途径可将2分子葡萄糖发酵产生2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP。

5．ED途径

ED途径(enrner-doudoroff pathway)又称为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂解途径。它是少数缺乏完整EMP途径的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。在ED途径中，6-磷酸葡萄糖首先脱氢产生6-磷酸葡萄糖酸，继而在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸，然后3-磷酸甘油醛进入EMP途径转变成丙酮酸。1分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP、1分子NADPH和NADH2。

ED途径的特点是：①葡萄糖经快速反应获得丙酮酸（仅4步反应）；②6碳的关键中间代谢产物是KDPG; ③特征性酶是KDPG醛缩酶；④特征性反应是KDPG裂解生成丙酮酸和3-磷酸甘油醛；⑤产能效率低，1分子葡萄糖经ED途径分解只产生1分子ATP。

6．三羧酸循环

三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)简称TCA循环。是指由糖酵解途径生成的丙酮酸在有氧条件下，通过一个包括三羧酸和二羧酸的循环逐步脱羧、脱氢，彻底氧化生成CO2、H2O和NADH2的过程。它是生物体获得能量的有效途径，在多数异养微生物的氧化代谢中起关键作用。

从图2-12可知，丙酮酸脱羧后，形成NADH2，并产生2C化合物乙酰CoA(CH3COSCoA)，它与4C化合物草酰乙酸经TCA循环的关键酶——柠檬酸合成酶作用，缩合形成6C化合物柠檬酸。通过一系列氧化和转化反应，6C化合物经过5C化合物阶段又重新回到4C化合物——草酰乙酸，再由草酰乙酸接受来自下一个循环的乙酰CoA分子。

TCA循环中的某些中间代谢产物是各种氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂类等生物合成前体物，例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物质；α-酮戊二酸可转化为谷氨酸，草酰乙酸可转化为天冬氨酸，而且这些氨基酸还可转变为其他氨基酸，并参与蛋白质的生物合成。TCA循环也是糖类、脂肪、蛋白质有氧降解的共同途径，例如脂肪酸经β-氧化途径生成乙酰CoA可进入TCA循环彻底氧化成CO2和H2O；又如丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等经脱氨基作用后，可分别形成丙酮酸、草酰乙酸、α-酮戊二酸等，它们都可进入TCA循环被彻底氧化。因此，TCA实际上是微生物细胞内各类物质的合成和分解代谢的中心枢纽。

二、微生物的分解代谢

微生物的代谢活动与动植物食品的加工和贮藏有密切的关系，食品中含有大量糖类、淀粉、纤维素、果胶质、蛋白质和脂肪等物质，可作为微生物的碳素和氮素来源的营养物质。如果环境条件适宜，微生物就能在食品中大量生长繁殖，造成食品腐败变质，同时人们利用有益菌的代谢活动生产发酵食品、药品和饲料等。

微生物对大分子有机物的分解一般可分为三个阶段：第一阶段是将蛋白质、多糖、脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段的分解产物进一步降解为更简单的乙酰辅酶A、丙酮酸和能进入TCA循环的中间产物，在此阶段会产生能量(ATP)和还原力(NADH及FADH2)；第三阶段通过三羧酸循环将第二阶段的产物完全降解成CO2，并产生能量和还原力。由于分解代谢释放的能量供细胞生命活动使用，因此微生物体内只有进行旺盛的分解代谢，才能更多地合成微生物细胞物质，并使其迅速生长繁殖。可见分解作用在微生物代谢中十分重要。

（一）蛋白质和氨基酸的分解

蛋白质的降解产物通常是作为微生物生长的氮源物质或生长因子。由于蛋白质是由氨基酸以肽键结合组成的大分子物质，不能直接通过菌体细胞膜，故微生物对蛋白质不能直接吸收利用。微生物利用蛋白质时，先分泌蛋白酶至细胞外，将蛋白质水解成为短肽后透过细胞，再由细胞内的肽酶将短肽水解成氨基酸后才被利用。

1．蛋白质的分解

蛋白质在有氧环境下被微生物分解的过程称为腐化，这时蛋白质可被完全氧化，生成简单的化合物，如CO2、H2、NH3、CH4等。蛋白质在厌氧的环境中被微生物分解的过程称为腐败，此时蛋白质分解不完全，分解产物多数为中间产物，如氨基酸、有机酸等。

蛋白质的降解分两步完成：首先在微生物分泌的胞外蛋白酶的作用下水解生成短肽，然后短肽在肽酶的作用下进一步被分解成氨基酸。根据作用部位的不同，肽酶分为氨肽酶和羧肽酶。氨肽酶作用于有游离氨基端的肽键，羧肽酶作用于有游离羧基端的肽键。肽酶是一种胞内酶，在细胞自溶后释放到环境中。

微生物分泌蛋白酶种类因菌种而异，其分解蛋白质的能力也各不相同。一般真菌分解蛋白质能力强，并能分解天然蛋白质，而多数细菌不能分解天然蛋白质，只能分解变性蛋白以及蛋白质的降解产物，因而微生物分解蛋白质的能力是微生物分类依据之一。

分解蛋白质的微生物种类很多，好氧的如枯草芽孢杆菌、马铃薯芽孢杆菌、假单胞菌等，兼性厌氧的如普通变形杆菌，厌氧的如梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌等。放线菌中不少链霉菌均产生蛋白酶。真菌如曲霉属、毛霉属等均具蛋白酶活力。有些微生物只有肽酶而无蛋白酶，因此只能分解蛋白质的降解产物，不能分解蛋白质。例如乳酸杆菌、大肠杆菌等不能水解蛋白质，但可以利用蛋白胨、肽和氨基酸等。故蛋白胨是多数微生物的良好氮源。

在食品工业中，传统的酱制品，如酱油、豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物对蛋白质的分解作用。近代工业已能利用枯草芽孢杆菌、栖土曲霉、放线菌中的费氏放线菌等微生物生产蛋白酶制剂。

2．氨基酸的分解

微生物利用氨基酸除直接用于合成菌体蛋白质的氮源外，还可分解生成氨、有机酸、胺等物质作为碳源和能源。氨被利用合成各种必需氨基酸、酰胺类等，有机酸可进入三羧酸循环或进行发酵作用等。此外，氨基酸的分解产物对许多发酵食品，如酱油、干酪、发酵香肠等的挥发性风味组分有重要影响。

不同微生物分解氨基酸能力不同。例如，大肠杆菌、变形杆菌属和绿脓假单胞菌几乎能分解所有的氨基酸，而乳杆菌属、链球菌属则分解氨基酸能力较差。由于微生物对氨基酸的分解方式不同，形成的产物也不同。微生物对氨基酸的分解方式主要是脱氨作用和脱羧作用。

（二）脂肪和脂肪酸的分解

脂肪是自然界广泛存在的重要脂类物质。脂肪和脂肪酸作为微生物的碳源和能源，一般被微生物缓慢利用。但如果环境中有其他容易利用的碳源与能源物质时，脂肪类物质一般不被微生物利用。在缺少其他碳源与能源物质时，微生物能分解与利用脂肪进行生长。由于脂肪是由甘油与三个长链脂肪酸通过酯键连接起来的甘油三酯，因此，它不能进入细胞，细胞内贮藏的脂肪也不可直接进入糖的降解途径，均要在脂肪酶的作用下进行水解。

1．脂肪的分解

脂肪在微生物细胞合成的脂肪酶作用下（胞外酶对胞外的脂肪作用，胞内酶对胞内脂肪作用），水解成甘油和脂肪酸。

脂肪酶广泛存在于细菌、放线菌和真菌中。如细菌中的荧光假单胞菌、黏质沙雷氏菌（又名灵杆菌）、分枝杆菌等，放线菌中的小放线菌，霉菌中的曲霉、青霉、白地霉等都能分解脂肪和高级脂肪酸。一般真菌产生脂肪酶能力较强，而细菌产生脂肪酶的能力较弱。脂肪酶目前主要用于油脂、食品工业中，常被用做消化剂并用于乳品增香、制造脂肪酸等。

2．脂肪酸的分解

多数细菌对脂肪酸的分解能力很弱。但是，脂肪酸分解酶系诱导酶，在有诱导物存在情况下，细菌也能分泌脂肪酸分解酶，而使脂肪酸分解氧化。如大肠杆菌有可被诱导合成脂肪酸的酶系，使含6~16个碳的脂肪酸靠基团转移机制进入细胞，同时形成乙酰CoA，随后在细胞内进行脂肪酸的β-氧化。

脂肪酸的β-氧化是脂肪酸分解的一条主要代谢途径，在原核细胞的细胞膜上和真核细胞的线粒体内进行，由于脂肪酸氧化断裂发生在β-碳原子上而得名。在β-氧化过程中，能产生大量的能量，最终产物是乙酰CoA。乙酰CoA直接进入TCA循环被彻底氧化成CO2和水，或以其他途径被氧化降解。

3．甘油的分解

甘油可被微生物迅速吸收利用。甘油在甘油酶催化下生成α-磷酸甘油，后者再由α-磷酸甘油脱氢酶催化产生磷酸二羟丙酮。磷酸二羟丙酮可进入EMP途径或其他途径被进一步氧化。

三、微生物的合成代谢

微生物的合成代谢包括初级代谢产物（如糖类、脂类、蛋白质、氨基酸、核酸、核苷酸等）的合成代谢与次级代谢物（如毒素、色素、抗生素、激素等）的合成代谢。本节重点介绍单糖、氨基酸与核苷酸的生物合成。

（一）单糖的合成

微生物在生长过程中，需不断将简单化合物合成糖类，以构成细胞生长所需的单糖和多糖。糖类的合成对自养和异养微生物的生命活动十分重要。单糖的合成主要有卡尔文循环（光合菌、某些化能自养菌）、乙醛酸循环（异养菌）、EMP逆过程（自养菌、异养菌）、糖异生作用、糖互变作用。下面主要介绍由EMP逆过程及糖异生作用合成单糖。

1．由EMP逆过程合成单糖

单糖的合成一般通过EMP途径逆行合成6-磷酸葡萄糖，而后再转化为其他糖，故单糖合成的中心环节是葡萄糖的合成。EMP途径中大多数的酶促反应是可逆的，但由于己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶三个限速酶催化的三个反应过程都有能量变化，因而其可逆反应过程另有其他酶催化完成。

（1）由丙酮酸激酶催化的逆反应由两步反应完成。丙酮酸激酶催化的反应使磷酸烯醇式丙酮酸转移其能量及磷酸基生成ATP，这个反应的逆过程就需吸收等量的能量，因而构成“能障”。为了绕过“能障”，另有其他酶催化逆反应过程。首先由羧化酶催化，将丙酮酸转变为草酰乙酸，然后再由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，由草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸。这个过程中需消耗两个高能键（一个来自ATP，另一个来自GTP），而由磷酸烯醇式丙酮酸降解为丙酮酸只生成1个ATP。

（2）由己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的两个反应的逆行过程。己糖激酶（包括葡萄糖激酶）和磷酸果糖激酶所催化的两个反应都要消耗ATP。这两个反应的逆行过程：1,6-二磷酸果糖生成6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖，分别由两个特异的果糖-2-磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶水解己糖磷酸酯键完成。

2．由糖异生作用合成单糖

非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用。非糖物质主要有生糖氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、精氨酸、组氨酸、赖氨酸等）、有机酸（乳酸、丙酮酸及三羧酸循环中各种羧酸等）和甘油等。糖异生的途径基本上是EMP途径或糖的有氧氧化的逆过程。例如，异养菌以乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸，丙酮酸经EMP途径的逆反应过程合成葡萄糖、代谢物对糖异生具有调节作用。糖异生原料（如乳酸、甘油、氨基酸等）的浓度高，可使糖异生作用增强。乙酰CoA的浓度高低决定了丙酮酸代谢流的方向，如脂肪酸氧化分解产生大量的乙酰CoA，可抑制丙酮酸生成草酰乙酸，使糖异生作用加强。

（二）氨基酸的合成

微生物细胞内能生物合成所有的氨基酸，其生物合成主要包括氨基酸碳骨架的合成，以及氨基酸的结合两个方面。合成氨基酸的碳骨架主要来自糖代谢（EMP途径、HMP途径和TCA循环）产生的中间产物，而氨有以下几种来源：①直接从外界环境获得；②通过体内含氮化合物的分解得到；③通过固氮作用合成；④硝酸盐还原作用合成。此外，在合成含硫氨基酸时，还需要硫的供给。氨基酸的合成主要有三种方式。①氨基化作用：指α-酮酸与氨反应形成相应的氨基酸。例如，谷氨酸的生物合成就是α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下，以NAD(P)+为辅酶，直接吸收，通过氨基化反应合成的。②转氨基作用：在转氨酶（又称氨基转移酶）催化下将一种氨基酸的氨基转移给酮酸，生产新的氨基酸的过程。例如，在转氨酶催化下谷氨酸的氨基转移给丙氨酸，使前者生成α-酮戊二酸，后者生产丙氨酸。③以糖代谢的中间产物为前体物合成氨基酸：21种氨基酸除了通过上述两种方式合成外，还可通过糖代谢的中间产物，如3-磷酸甘油醛、4-磷酸赤藓糖、草酰乙酸、3-磷酸核糖焦磷酸等经一系列生化反应而合成。

（三）核苷酸的合成

核苷酸是核酸的基本组成单位，由碱基、戊糖、磷酸所组成。根据碱基成分可将核苷酸分成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。嘌呤核苷酸的全合成途径由磷酸核糖开始，然后与谷氨酸胺、甘氨酸、CO2、天冬氨酸等代谢物质逐步结合，最后将环闭合起来形成次黄嘌呤核苷酸(IMP)，并继续转化为腺嘌呤核苷酸(AMP)和鸟嘌呤核苷酸(GMP)。

从IMP转化为AMP和GMP的途径，在枯草芽孢杆菌中，分出两条环形路线，GMP和AMP可以互相转变；而在产氨短杆菌中，从IMP开始分出的两条路线不是环形的，而是单向分支路线，GMP和AMP不能相互转变。而核苷酸的全合成途径受阻时，微生物可从培养基中直接吸收完整的嘌呤、戊糖和磷酸，通过酶的作用直接合成单核苷酸，所以称为补救途径。嘌呤碱基、核苷和核苷酸之间还能通过分段合成相互转变。

嘧啶核苷酸的生物合成是由小分子化合物全新合成尿嘧啶核苷酸，然后再转化为其他嘧啶核苷酸。脱氧核苷酸的生物合成是由核苷酸糖基第二位碳上的－OH还原为H而成，是一个耗能过程。不同微生物的核苷酸脱氧过程可在不同水平上进行。大肠杆菌脱氧过程是在核糖核苷二磷酸的水平上，而赖氏乳杆菌在核糖核苷三磷酸的水平上进行。DNA中的胸腺嘧啶脱氧核苷酸是在形成尿嘧啶脱氧核糖核苷二磷酸后，脱去磷酸，再经甲基化生成。

四、微生物代谢的调节

（一）微生物代谢的调节

微生物细胞从环境中不断地吸收营养物质，然后进行分解和合成作用，以满足生长和繁殖的需要，这些分解和合成反应都是在酶的作用下进行的，受到酶的调节。微生物代谢的调节主要依靠酶合成调节与酶活性调节方式控制参与调节的有关酶的合成量和酶的活性。

1．酶合成的调节

酶合成的调节是通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制。酶的合成受基因和代谢物的双重控制。一方面，酶的生物合成受基因控制，由基因决定酶分子的化学结构；另一方面，酶的合成还受代谢物（酶反应底物、产物及其结构类似物）的控制和调节。当有诱导物时，酶的生成量可以几倍乃至几百倍地增加。相反地，某些酶反应的产物，特别是终产物，又能产生阻遏物，使酶的合成量大大减少。

（1）诱导作用

凡能促进酶生物合成的现象称为诱导，该酶称为诱导酶。它是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶，例如E.coli在含乳糖培养基中所产生的β-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。能促进诱导酶产生的物质成为诱导物，它可以是酶的底物，也可以是底物结构类似物或是底物的前体物质。有些底物类似物比诱导物的作用更强，如异丙基-β-D-硫代半乳糖在诱导β-半乳糖苷酶生成方面比乳糖的诱导作用要大1000倍。

（2）阻遏作用

凡能阻碍酶生物合成的现象称为阻遏。阻遏可分为末端代谢产物的阻遏和分解代谢产物的阻遏两种。

①末端代谢产物的阻遏：是指由代谢途径末端产物的过量积累而引起的阻遏，例如，在E.coli合成色氨酸中，色氨酸超过一定浓度，有关色氨酸合成的酶就停止合成。

②分解代谢物阻遏：是指培养基中同时存在两种分解代谢底物（两种碳源或氮源）时，微生物细胞利用快的那种碳源（或氮源）阻遏利用慢的那种碳源（或氮源）的有关酶合成的现象。分解代谢物的阻遏作用，并非是快速利用的碳源（或氮源）本身直接作用的结果，而是通过碳源（或氮源）在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。例如，将E.coli培养在含有乳糖和葡萄糖的培养基上，优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，其原因是葡萄糖分解的中间代谢产物阻遏了分解乳糖酶系的合成。

总之，在代谢途径中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累均会引起阻遏关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。

（3）酶合成的调节机制

酶合成的诱导和阻遏现象可以通过J.Monod和F.Jacob(1961)提出的操纵子假说解释。操纵子由细胞中的操纵基因和临近的几个结构基因组成。

结构基因能够转录遗传信息，合成相应的信使RNA(mRNA)，进而再转移合成特定的酶。操纵基因能够控制结构基因作用的发挥。细胞中还有一种调节基因，能够产生一种胞质阻遏物，胞质阻遏物与阻遏物（通常是酶反应的终产物）结合时，由于变构效应，其结构改变，且操纵基因的亲和力变大，而使有关的结构基因不能转录，因此，酶的合成受到阻遏。诱导物也能与胞质阻遏物结合，使其结构发生改变，减少与操纵基因的亲和力，同时使操纵基因恢复自由，进而使结构基因进行转录，合成mRNA，再转译合成特定的酶。

2．酶活性的调节

酶活性的调节是通过改变已有酶的催化活性来调节代谢速率的调节机制。这种调节方式分为激活和抑制两种。

（1）激活作用

激活是指在分解代谢途径中较前面的中间产物激活参与后面反应的酶的活性，以促使反应加快。例如，粪肠球菌的乳酸脱氢酶活力被1,6-二磷酸果糖所促进，粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶活力被柠檬酸所促进。

（2）抑制作用

抑制主要是反馈抑制，当代谢途径中某末端产物过量时可反过来抑制该途径中的第一个酶（调节酶）的活性，以减慢或中止反应，从而避免末端产物的过量积累。例如大肠杆菌在合成异亮氨酸时，当末端产物异亮氨酸过量而积累时，可反馈抑制途径中第一个酶——苏氨酸脱氨酶的活性，从而α-酮丁酸及其以后的一系列中间代谢物都无法合成，最后导致异亮氨酸合成的停止，避免末端产物过多积累。细胞内的EMP途径和TCA循环的调控也是通过反馈抑制进行的。

反馈抑制是酶活性调节的主要方式，其特点是使酶暂时失去活性，当末端产物因消耗而浓度降低时，酶的活性又可恢复。因此，酶活性的调节比酶合成的调节要精细、快速。

（3）酶活性的调节机制

①变构调节：是指某些末端代谢产物与某些酶蛋白活性中心以外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而影响底物与活性中心的结合，进而改变酶的催化活性。能够在末端产物的影响下改变构象的酶，称为变构酶。末端产物与活性中心的结合是可逆的，当末端产物的浓度降低时，末端产物与酶的结合随之解离，从而恢复了酶蛋白的原有构象，使酶与底物结合而发生催化作用。

变构酶的作用程序：专一性的代谢物（变构效应物）与酶蛋白表面的特定部位（变构部位）结合→酶分子的构象变化（变构转换）→活力中心修饰→抑制或促进酶活性。

②修饰调节：又称共价调节，在某种修饰酶催化下，调节酶多肽链上一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性。在共价修饰过程中，不同酶的催化作用使酶蛋白某些氨基酸残基上增、减基团，酶蛋白处于有活性（高低活性）和无活性（或低活性）的互变状态，从而调节酶的活化或抑制。修饰调节是微生物代谢的重要调节方式，有许多处于分支代谢途径，对代谢流量起调节作用的关键酶属于共价调节酶。目前已知有多种类型的可逆共价调节蛋白：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化，甲基化/去甲基化等。示例如下：

原核细胞中：低活性状态←（腺苷酰化）酶←谷氨酰胺合成酶→（去腺苷酰化）酶→高活性状态。

真核细胞中：低活性状态←（去磷酸化）酶←丙酮酸脱氢酶→（磷酸化）酶→高活性状态。

共价修饰与变构调节区别：共价修饰对酶活性调节是酶分子共价键发生了变化，即酶的一级结构发生了变化；而在变构调节中酶分子只是单纯的构象变化。另外，共价修饰对调节信号具有放大效应，其催化效率比变构调节要高。

除上述调节之外，酶活性还受到多种离子和有机分子（抑制剂或激活剂）的影响，尤其是特异的蛋白质激活剂和抑制剂在酶活性的调节中起重要作用。

五、微生物的次级代谢

（一）次级代谢与次级代谢产物

一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢与合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程，称为初级代谢。初级代谢产物是指微生物生长繁殖所必需的代谢产物。如醇类、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由这些化合物聚合而成的高分子化合物（多糖、蛋白质、脂类和核酸等）。与食品有关的微生物初级代谢产物有酸类、醇类、氨基酸和维生素等。次级代谢是相对于初级代谢而提出的一个概念，是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体物质，通过支路代谢合成一些对自身的生命活动无明确功能的物质的过程。由次级代谢产生的与微生物生长繁殖无关的产物即为次级代谢产物。它们大多数是分子结构比较复杂的化合物，如抗生素、生物碱、毒素、色素、激素等。与食品有关的次级代谢产物有抗生素、毒素、色素等。

1．抗生素

抗生素是生物在代谢过程中产生的（以及通过化学、生物或生物化学方法所衍生的）以低微浓度选择性地作用于他种生物机能的一类天然有机化合物。已发现的抗生素大部分为能选择性地抑制或杀死特定的某些种类微生物的物质，因此也曾称为抗菌素，是现代医疗中经常使用的重要药物。抗生素主要来源于微生物，特别是某些放线菌、细菌和真菌。如灰色放线菌产生链霉素，金色放线菌产生金霉素，纳他链霉菌(Streptomyces natalensis)产生纳他霉素等。霉菌中点青霉和产黄青霉产生青霉素，展开青霉和里青霉产生灰黄霉素等。一些细菌如枯草芽孢杆菌产生枯草菌素、乳酸乳球菌（旧称乳酸链球菌）产生乳链球菌素(nisin)等。

2．毒素

某些微生物在代谢过程中，能产生某些对人和动物有毒害的物质，这些物质称为毒素。能产生毒素的微生物在细菌和霉菌中较为多见。细菌产生的毒素可分为外毒素和内毒素两种，而霉菌只产生外毒素，为真菌毒素。细菌外毒素是某些病原细菌（主要是G+菌）在生长过程中合成并不断分泌到菌体外的毒素蛋白质；真菌毒素是某些产毒霉菌在适宜条件下产生的能引起人或动物病理变化的次级代谢产物。外毒素的毒性较强，但多数不耐热（金黄色葡萄球菌肠毒素、黄曲霉毒素除外），加热70℃毒力即被减弱或破坏。能产生外毒素的微生物包括病原细菌和霉菌中某些种，如破伤风芽孢杆菌、肉毒梭菌、白喉杆菌、金黄色葡萄球菌、链球菌等G+菌，霍乱弧菌、绿脓杆菌、鼠疫杆菌等G－菌，以及黄曲霉、寄生曲霉、青霉、镰刀酶等。内毒素即G－菌细胞壁的脂多糖(LPS)部分，只有在菌体自溶时才会释放出来。内毒素毒性较外毒素弱，但多数较耐热，加热80~100℃、1h才被破坏。能产生内毒素的病原菌包括肠杆菌科的细菌（如致病性大肠杆菌、沙门氏菌等）、布鲁氏杆菌和结核分枝杆菌等。

3．色素

许多微生物在培养过程中能合成一些带有不同颜色的代谢产物，即色素。色素或积累于细胞内，或分泌到细胞外。根据它们的性质可分为水溶性色素和脂溶性色素。产生的水溶性色素使培养基着色，如绿脓菌色素、蓝乳菌色素、荧光菌的荧光素等。有的产生脂溶性色素，使菌落呈各种颜色，如黏质沙雷氏菌的红色素，金黄色葡萄球菌的金黄色素等。还有一些色素，既不溶于水，也不溶于有机溶剂，如酵母和霉菌的黑色素和褐色素等。真菌和放线菌产生的色素更多。有的色素可用于食品，如红曲霉属(Monascus)的紫红色素等。

4．激素

某些微生物能产生刺激动物生长或性器官发育的一类生理活性物质，称为激素。目前已经发现微生物能产生15种激素，如赤霉素、细胞分裂素、生长刺激素等。生长刺激素是由某些细菌、真菌、植物合成，能刺激植物生长的一类生理活性物质。已知有80多种真菌能产生吲哚乙酸，例如，真菌中的茭白黑粉菌能产生吲哚乙酸；赤霉菌（禾谷镰刀菌的有性世代）所产生的赤霉素是目前广泛应用的植物生长刺激素。

（二）次级代谢的调节

1．次级代谢与初级代谢的关系

次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体。比如糖降解过程中的乙酰CoA是合成四环素、红霉素的前体物；次级代谢一般在菌体对数生长后期或稳定期进行，但也会受到环境条件的影响。质粒与次级代谢关系密切，其遗传物质控制着多种抗生素的合成。

2．初级代谢对次级代谢的调节

初级代谢与次级代谢均有代谢调节的控制，但由于次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，因此次级代谢必然会受初级代谢的调节控制。如青霉素的合成会受到赖氨酸的强烈抑制，而赖氨酸合成的前体α-氨基己二酸可以缓解赖氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。这是因为α-氨基己二酸是合成青霉素和赖氨酸的共同前体。如果赖氨酸过量，它会抑制这个反应途径中的第一个酶，减少α-氨基己二酸的产量，从而进一步影响青霉素的合成。

3．碳、氮代谢产物的调节

次级代谢产物一般在菌体对数生长后期或稳定期合成。这是因为在菌体生长阶段，被快速利用的碳源或氮源分解产物阻遏了次级代谢酶系的合成。只有在对数生长后期或稳定期，这类碳源或氮源被消耗殆尽之后，阻遏作用解除，次级代谢产物才得以合成。如葡萄糖分解物阻遏了青霉素环化酶的合成，使它不能将α-氨基己二酸—半胱氨酸—缬氨酸三肽转化为青霉素G。

4．诱导作用及产物的反馈阻遏或抑制

次级代谢也有诱导作用。例如，巴比妥虽不是利福霉素的前体物，也不参与利福霉素的合成，但能促进利福霉素SV转化为利福霉素B。同时，次级代谢产物的过量积累可反馈阻遏关键酶的生物合成或反馈抑制关键酶的活性。例如，青霉素的过量积累可反馈阻遏合成途径中第一个酶的合成量；霉酚酸的过量积累能反馈抑制合成途径中最后一步转甲基酶的活性。