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摘要：本文对微生物内源储存的聚合物进行综述。介绍糖原、多聚磷酸盐和聚羟基脂肪酸酯等三种内源聚合物在生物体内的作用、合成与代谢途径，并分析了目前三种内源聚合物利用层面存在的问题，为后续深入的研究提供参考。
关键词：内源聚合物；糖原；多聚磷酸盐；PHA
内源聚合物是微生物在特定条件下于体内积累的一种多聚物，是微生物体内的主要能量和物质贮存方式。内源聚合物主要有糖原、多聚磷酸盐和聚羟基脂肪酸酯（PHA）三大类。内源聚合物可以广泛的进行各种生物材料的生产，是微生物进行生物质回收的和产品生产的主要物质。此外，内源聚合物除了可以作为微生物的储备能源，还可以作为反硝化的碳源，节省污水处理成本。尤其PHA具有良好的生物相容性和物化特性，近年来作为传统石化塑料的替代品得到了广泛的关注。本文综述了三种内源聚合物的生物合成过程与特性，为利用生物内源聚合物提供参考。
1.糖原
糖原是由多个葡萄糖聚合而成，带有一些分枝的多糖大分子物质，是微生物细胞内有效的贮存糖的形式。在糖原分子中，葡萄糖主要通过α-1，4-糖苷键相连，形成直链大分子，但也有部分糖原分子中的葡萄糖以α-1，6-糖苷键相连，构成部分支链。目前，关于糖原的功能研究多集中于聚磷菌。在聚磷菌菌群中，研究普遍认为糖原的作用主要是为了在PHA的合成过程中，为其提供还原力[H]，即NADPH。Satoh等人[8]认为微生物能够通过糖降解提供还原力并产生乙酰辅酶A（SCoA），在聚磷菌细胞中，糖原具有调节氧化还原平衡的能力，糖原在代谢过程中，可以转化为CO2和SCoA，生成还原力[H]。因此，在熟知的聚磷菌环境中，糖原还具有维持微生物细胞氧化还原平衡的作用。
关于糖原的代谢途径目前并没有得到统一的结论研究者认为在厌氧条件下，微生物可以经过糖酵解途径（简称EMP途径）将糖原转化为丙酮酸，同时产生还原力供生物代谢。也有研究者认为，微生物利用糖原是通过2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）途径（简称ED途径）而不是EMP途径，该途径通过降解聚磷，水解糖原来获得能量。此外，Pramanik[1]等人通过构建生化途径模型发现，糖原的降解是通过ED和磷酸戊糖途径共同完成的。但是，Erdal[2]等人通过研究不同温度下的关键酶磷酸果糖激酶活性否定了糖原的利用是经过ED和磷酸戊糖途径。
2.多聚磷酸盐
多聚磷酸盐是由许多无机磷酸盐残基通过高能磷酐键联结的多阴离子聚合物。多聚磷酸盐存在于微生物细胞中，对细胞维持正常代谢和生理功能有很大的作用。多聚磷酸盐多存在于强化生物除磷系统中，由聚磷菌合成，亚甲基蓝或甲苯胺蓝染色能够检测微生物细胞中的聚磷。目前，微生物细胞内的聚磷的组成成分以及聚磷在细胞内的位置并没有一致性的结论。有部分研究者认为，聚磷存在于细胞质中，此外，还存在一部分研究者认为聚磷可能与细胞膜相连，聚磷参与了蛋白质、DNA和RNA的合成。
聚磷菌中的多聚磷酸盐主要与磷酸盐的贮存代谢和能量的贮存有关。聚磷菌中存在的多聚磷酸盐分为低分子多聚磷酸盐和高分子多聚磷酸盐。在厌氧条件下低分子的多聚磷酸盐能够作为能量贮存器，储存能量供细胞代谢，而高分子的多聚磷酸盐主要作为磷的贮存器，主要用于细胞的生长。当微生物体内的多聚磷酸盐当作磷酸盐的储存器时，可以结合细胞外的多聚磷酸酶生成Pi，供微生物生长代谢。多聚磷酸盐的能量贮存作用体现在替代ATP或产生ATP供能，当ATP/ADP比值较低时，细胞内的多聚磷酸盐含量远远高于ATP，多聚磷酸盐水解生成ATP供能。研究发现生成ATP存在三种途径[3]：一是通过聚磷激酶的催化作用直接生成；二是通过腺苷酸激酶和AMP-磷转移酶的酶促反应生成ATP；三是通过聚磷释放磷过程与金属离子进行螯合作用，然后与单质子结合输出到细胞胞外，质子推动力（PMF）促进ATP产生。
3.PHA
PHA是微生物在不平衡的外界环境下形成的细胞内聚合物，主要用于维持细胞的生命活动，为细胞提供能源和碳源供应。PHA不仅可以作为微生物细胞的能源供应物，还可以生产生物可降解塑料，该种塑料具有传统塑料的使用特性，具有生物相容性等优点，是一种非常有前景的代替传统塑料的方法。研究表明微生物积累PHA主要成分有聚-β-羟丁酸（3-hydroxybutyrate，简称PHB），（3-hydroxyvalerate，简称PHV），（3-hydroxy-2-methybutyrate，简称PH2MB），（3-hydroxy-2-methyvalerate，简称PH2MV）等。
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由于微生物利用不同碳源的途径不同，其利用碳源进行PHA积累的途径也有所差异，而利用相同碳源合成的PHA链长不同是由于PHA积累途径的差异所导致的。主要代谢途径如下：脂肪酸被酰基辅酶a脱氢酶（FadD）转化为脂肪酰基辅酶a。脂肪酰基辅酶a被酰基辅酶a脱氢酶（FadE，YafH）进一步氧化。2-enoyl-CoA通过烯酰辅酶a水合酶（FadB）生成S-3-hydroxyacyl-CoA，并进一步被氧化为3-ketoacyl-CoA。FadA具有3-ketoacyl-CoA硫解酶的作用，将其分解为2C的乙酰辅酶A。在缺失FadB、YfcX、PaaG、PaaF、YdbH的菌株中进行PHA单体的生成。此外，R限制烯酰水合酶如PhaJ和MaoC能够抑制enoyl-CoA中间产物氧化为PHA单体[4]。3-ketoacyl还原酶如FabG和RhlG能够抑制3-ketoacyl-CoA的中间产物生成用于PHA合成的R-3-hydroxyacyl-CoA单体[5]。在以上过程中在β氧化途径中脂肪酸在酰基辅酶a合成酶作用下生产能够通过一系列酶合成更为简单的乙酰辅酶A的基质，进一步生成PHA单体。
4.结语
综上所述，目前对三种聚合物的合成和代谢途径也有深入的研究，这为利用利用这些聚合物提供了理论基础。但是，很多机制还未得到验证[6]。比如，多聚磷酸盐代谢过程中还原力的来源问题。此外，PHA细菌合成量较低，生产成本高，不能达到工业生产的要求。基于这些问题的解决，如何运用先进的技术和生物学手段多代谢去明确内聚物代谢机制以及开发新工艺促进内源多聚物的合成是未来的研究方向。
参考文献：
[1]Pramanik J，Trelstad P L，Schuler A J，et al.Development and validation of a flux-based stoichiometric model for enhanced biological phosphorus removal metabolism[J].WATER RESEARCH.1999，33（2）：462-476.
[2]Erdal，Z.K.， The biochemistry of enhanced biological phosphorus removal：role of glycogen in biological phosphorus removal and the impact of the role of glycogen in biological phosphorus removal and the impact of therole of glycogen in biological phosphorus removal and the impact of the operating conditions on the involvement of glycogen.Ph.D.Thesis，Virginia
[3]Cech J S，Hartman P.Glucose induced break down of enhanced biological phosphate removal.Environ.Technol.，1990，11：651–656.
[4]Park S J，Lee S Y.Identification and characterization of a new enoyl coenzyme A hydratase involved in biosynthesis of medium-chain-length polyhydroxyalkanoates in recombinant Escherichia coli[J].J Bacteriol.2003，185（18）：5391-5397.
[5]Nomura C T，Tanaka T，Eguen T E，et al.FabG mediates polyhydroxyalkanoate production from both related and nonrelated carbon sources in recombinant Escherichia coli LS5218[J].Biotechnol Prog.2008，24（2）：342-351.
[6]Dias J M，Lemos P C，Serafim L S，et al.Recent advances in polyhydroxyalkanoate production by mixed aerobic cultures：from the substrate to the final product[J].Macromol Biosci.2006，6（11）：885-906.
论文作者:李晶
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第27期
论文发表时间:2019/8/2
标签：磷酸盐论文; 糖原论文; 微生物论文; 聚合物论文; 途径论文; 基辅论文; 细胞论文; 《建筑细部》2018年第27期论文;