什麼是初級代謝產物？

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介紹

在生物化學中，代謝物是代謝的中間或最終產物。許多小分子本身具有催化活性，經常作為酶的輔因子，參與防禦作用以及與其他生物體的相互作用，這些只是代謝物發揮的眾多作用中的一小部分，例如色素、氣味劑和資訊素。

在代謝過程中產生的中間產物被稱為代謝物，它們由細胞內天然存在的各種酶催化。通常，小分子被稱為代謝物。

初級代謝產物是由體內酶觸發的基本代謝過程產生的。然後，它們有助於執行諸如人體細胞增殖等過程。此外，這些代謝物有助於維持細胞功能。

一些主要的工業化生產的代謝物包括氨基酸、維生素和有機酸。工業上最常生產的主要代謝物是氨基酸、酒精、乙酸和檸檬酸。

定義

初級代謝物在適當的生長、發育和繁殖中起著至關重要的作用。它通常有助於生物體的生理功能。通常，許多生物體或細胞都包含初級代謝物。它也被稱為中心代謝物，這是一個定義更窄的術語（存在於任何自主生長的細胞或生物體中）。乳酸和某些氨基酸是初級代謝物的典型例子。

初級代謝物的特徵是什麼？

以下是初級代謝物的特徵：

• 初級代謝物在生物體的生長機制（即在其生長階段）期間合成。“營養期”指的是合成初級代謝物的生長階段。
• 一些初級代謝物，如氨基酸，對某些細胞或生物體是特異性的；否則，它們存在於所有型別的生物體中。
• 通常，人體會產生大量的初級代謝物。這是因為人體不斷需要這些代謝物來執行許多重要的功能。
• 初級代謝物分為兩類：初級必需代謝物和初級代謝終產物。
• 蛋白質、碳水化合物、脂類、維生素、乳酸、酶、乙醇、丁醇和其他物質都是初級代謝物的例子。

初級代謝物的功能是什麼？

初級代謝物在許多重要的身體功能中起著至關重要的作用，並直接參與重要的生理過程。以下是初級代謝物的一些功能：

• 初級代謝物提供進行體力活動所需的能量。例如：碳水化合物和脂類。
• 蛋白質是重要的初級代謝物，有助於人體組織和細胞的生長、維持和修復。體內所有代謝反應都由各種酶催化。
• 核酸是重要的代謝物，對於將遺傳資訊傳遞給後代至關重要。
• 脂類是細胞器和細胞的結構基礎。此外，它提供的能量是蛋白質或碳水化合物的兩倍。
• 沒有初級代謝物，生物體就不能生存。

初級代謝物的商業生產

一些主要的工業化生產的初級代謝物包括氨基酸、維生素和有機酸。以下是工業上最常生產的主要代謝物：

氨基酸

此類別中最常見的兩種氨基酸是穀氨酸和賴氨酸，它們主要分別用作飼料和食品新增劑。透過發酵生產的穀氨酸產量為 150 萬噸，賴氨酸 HCl 產量為 85 萬噸。

L-穀氨酸

透過發酵生產的一種強效增味劑是味精 (MSG)。穀氨酸的發酵在日本被發現（Kinoshita 等人，1957 年）。

L-賴氨酸

全世界食用的穀物大多缺乏賴氨酸這種氨基酸。它是價值數十億美元的動物飼料行業中的重要組成部分，對於動物的生長至關重要。新增賴氨酸後，這些穀物就變成了豬、雞和其他牲畜的均衡食物或飼料。

維生素

超過一半的商業化生產的維生素被用作寵物飼料。維生素的年市場規模達數十億美元。維生素 B12（氰鈷胺）、抗壞血酸（維生素 C）、核黃素（維生素 B2）、泛酸（維生素 B5）和生物素是透過微生物商業化生產的五種維生素。代謝工程改進了某些維生素的生產工藝。

維生素 B12

維生素 B12 的工業化生產已經有很長時間了。維生素 B12 的商業化生產量約為每年 10 噸。

B12 的生產

使用假單胞菌屬或丙酸桿菌屬的物種，在完全或部分厭氧條件下進行發酵。儘管解硝化假單胞菌和謝爾曼丙酸桿菌是主要的工業菌種，但弗氏丙酸桿菌可以產生 206 mg/l。透過傳統的菌株改良，解硝化假單胞菌菌株產生 150 mg。

有機酸

主要用作化學品的商業化有機酸包括乳酸、檸檬酸、葡萄糖酸和衣康酸。代謝工程以及傳統的誘變和篩選/選擇策略提高了有機酸的產量。

乙酸

全世界近一半的乙酸是由微生物過程生產的（Causey 等人，2003 年）。自公元前 4000 年以來，醋一直是透過微生物方法生產的。用於醋發酵的理想細菌是葡糖醋桿菌屬和醋桿菌屬的物種。

檸檬酸

每年約有 100 萬噸檸檬酸由黑麴黴和酵母菌生產。年銷售額已超過 20 億美元。最好的黑麴黴菌株可以將每升 250 克葡萄糖或蔗糖轉化為近 200 克檸檬酸。充足的碳源、低 pH 值、溶解氧以及幾種微量金屬和磷酸鹽的低含量對於發酵至關重要。

乙醇及相關化合物

巴西每年從甘蔗中生產超過 40 億加侖乙醇，這些乙醇要麼作為 22-25% 的燃料混合物使用，要麼作為純乙醇使用。美國生產的乙醇也超過 40 億加侖，而世界其他地區生產的乙醇接近 80 億加侖。目前市場價值達 150 億美元。

乙醇

糖或可解聚成可發酵糖的多糖的發酵會產生乙醇，這是一種主要的代謝物。使用釀酒酵母發酵己糖，而乳糖則使用弗氏克魯維酵母。如果底物是戊糖，則可以使用畢赤酵母或一種念珠菌屬。

甘油

醫藥、食品、化妝品、油漆等行業都需要甘油。儘管在使用釀酒酵母和耐滲透壓酵母的發酵中，大部分甘油都是透過丙烯的化學合成或從脂肪和油工業中提取成分來生產的。

結論

酒精是工業微生物學領域最常生產的主要代謝物之一。酒精特別用於發酵過程，從而產生啤酒和葡萄酒等飲料。上述初級代謝物都具有很高的商業價值。