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代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化相对关系的研究方法，是系统生物学的组成部分。其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。代谢产物是基因表达的最终产物，在代谢酶的作用下生成。虽然与基因或蛋白质相比，代谢产物较小，但不能形成代谢产物的细胞是死细胞，因此不能小看代谢产物的重要性。代谢组学的研究，能够体现细胞在特定时间、环境、基因突变或病理状态引起的代谢改变，与基因组学、蛋白质组学相比，能够更准确地描述已发生的代谢改变。其研究对象包括血液/血清、尿液、脑脊髓液、唾液、组织和细胞的提取液以及体外实验中培养基质等。代谢组学研究可揭示疾病的病理、生理变化及病原体的代谢特征，从而为疾病的预防、诊断、治疗等提供信息。
分枝杆菌代谢是指分枝杆菌进行的所有生物化学反应，其代谢途径与其他微生物细胞的代谢基本一致。在代谢过程中，凡是释放能量的物质（包括营养物质和细胞物质）的分解过程称为分解代谢；吸收能量的物质合成的过程称为合成代谢；合成代谢导致新物质的生化合成也称为生物合成。通过代谢，细胞吸收营养物质并转化为细胞成分，同时将废弃物排泄到体外。结核分枝杆菌已经发展成为非常成功的人类病原体，它巧妙地颠覆了肺泡巨噬细胞的杀菌机制，最终诱导肉芽肿形成并在宿主体内长期停留。结核分枝杆菌感染的这些标志，通过病原体对其周围环境的代谢适应以及介导其与宿主免疫细胞相互作用的分子的生物合成来促进。掌握微生物的代谢及其能量转换规律，可以更好地理解和控制微生物的生长繁殖以及有用代谢产物的合成。代谢研究在分枝杆菌生长和发育研究领域比较薄弱，并且主要来源于耻垢分枝杆菌的研究，本节主要阐述分枝杆菌的分子代谢过程。
分枝杆菌像所有微生物一样需要铁离子才能生存和生长。铁离子主要以Fe 2+ 和Fe 3+ 两种形式存在，需氧环境中主要以氧化态的Fe 3+ 形式参与铁代谢。宿主细胞有许多结合铁离子的蛋白可以利用细菌的游离铁离子，细菌为获得铁离子产生了一系列具有高吸附力的铁离子螯合剂或称为铁载体。主要的分枝杆菌铁载体包括分枝菌素和胞外螯合素，其他分子如水杨酸（salicylic acid）和柠檬酸（citric acid）等也对分枝杆菌获得铁离子起辅助作用。
分枝杆菌铁载体生物合成最详细的遗传学研究来源于耻垢分枝杆菌胞外螯合素的生物合成，胞外螯合素是通过非核糖体路径合成的一种低分子量多肽，所有的胞外螯合素都被分泌于外界环境中。耻垢分枝杆菌的胞外螯合素基因群中，有8个基因与胞外螯合素生物合成、输出和摄入有关。耻垢分枝杆菌参与铁离子摄入的由 fxuA 、 fxuB 、 fxuC 三个基因编码的蛋白与大肠杆菌铁离子吸收蛋白FepD、FepG和FepC具有极高的同源性，提示FxuA、FxuB、FxuC蛋白可能参与耻垢分枝杆菌Fe 3+ 胞外螯合素的摄入。耻垢分枝杆菌表达的FxbA蛋白与已知的其他铁载体生物合成相关的酶类并没有同源性，但 fxbA 基因产物在耻垢分枝杆菌铁离子代谢中发挥重要作用。 fxbB 、 fxbC 基因和 exiT 基因在胞外螯合素生物合成中发挥作用，也可能参与铁载体的转运。
分枝菌素是第一个被发现的分枝杆菌铁载体，既可存在于菌体，也可分泌到胞外。由于各种分枝杆菌的分枝菌素在结构上的差异小，研究者通过高压液相色谱等方法进行结核分枝杆菌的菌种鉴定。根据结核分枝杆菌H37Rv基因组分析， mbtA 至 mbtH 8个基因可能与分枝菌素的生物合成有关。通过结核分枝杆菌 mbtB 基因敲除实验证实， mbt 基因簇在结核分枝杆菌铁载体生物合成中发挥重要作用。研究发现缺失 mbtB 基因后结核分枝杆菌不产生任何铁载体，同时对巨噬细胞不再具有毒性。
与其他细菌一样，铁在分枝杆菌中的作用超出了对这种必需辅助因子的需求。细菌能严谨地调控与铁摄入相关的基因表达，胞浆中铁过多可使活性氧产生，导致各种大分子的损害。因此细菌能够发展调控机制允许铁摄入系统仅在需要时发挥作用，大肠杆菌铁应答基因的主要调控子是Fur蛋白，其同源蛋白已在许多革兰氏阴性细菌和一些革兰氏阳性细菌中被发现，其中研究最深入的是白喉杆菌的DtxR蛋白。根据同源性研究，分枝杆菌的类DtxR蛋白被发现并被命名为IdeR。耻垢分枝杆菌 IdeR 基因突变株能够抑制高铁条件下铁载体生物合成，从而对过氧化物介导的杀伤作用更敏感，改变氧压力的应答，这与胞内铁离子增高和活性氧中间体（reactive oxygen inter-mediates，ROI）导致的损伤有关。当分枝杆菌在高铁培养基生长时， IdeR 基因突变株继续产生铁外整合素和分枝菌素，而野生型细胞抑制这两种铁载体的表达。高铁离子时 IdeR 基因突变株铁载体水平低于低铁离子时的野生型细菌株。
分枝杆菌可以合成所有的必需氨基酸，生物合成途径与其他细菌相似，而最主要的差异则是其生物合成途径是如何被调控的。目前对于分枝杆菌的氨基酸、肽转运和利用在分子水平方面的研究较少。
天冬氨酸家族途径包括来源于天冬氨酸的氨基酸，即甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和赖氨酸。该途径的中间体，赖氨酸的前体内二氨基庚二酸（DAP）也是分枝杆菌细胞壁肽聚糖的成分。天冬氨酸家族途径也见于许多其他细菌中，种间的主要差异在于代谢路径开始时天冬氨酸激酶的活性。在分枝杆菌中，天冬氨酸激酶由 ask 基因编码， hdh 基因编码高丝氨酸脱氢酶， lysA 基因编码meso-DAP脱羧酶，并能够将mes-TDAP转化成赖氨酸。天冬氨酸家族途径的代谢相当复杂，分枝杆菌天冬氨酸家族途径的生物学与其他细菌有较大的差异，阐明天冬氨酸家族途径尚需进一步研究。
耻垢分枝杆菌在培养基中生长将硫代亚硝基硫化谷胱甘肽（GSNO）分解为氧化谷胱甘肽和硝酸盐，这表明代谢中可能包含硫代亚硝基硫醇还原酶和分枝杆菌血红蛋白。在这个代谢中起重要作用的是氧化还原酶，其中研究较多的是甲醛脱氢酶，该酶一般是硫醇依赖的，并含有一个38kDa的亚单位分子。
通过将来源于耻垢分枝杆菌的甲醛脱氢酶以Ni 2+ -固定金属离子亲和层析（IMAC）、疏水相互作用、阴离子交换和亲和层析的方法纯化获得。同时，酶稳定动力学研究表明，此酶可以催化氧化型辅酶Ⅰ（NAD + ）依赖的硫代羟甲基硫醇通过一种迅速平稳的预定机制向甲酸和硫醇转化；该酶也催化依赖还原型辅酶Ⅱ（NADH）通过连续的机制将硫代亚硝基硫化硫醇（MSNO）分解的过程，并且在此分解过程中的NADH和MSNO经过化学计量法比较，两者比例相当。这表明该酶将亚硝基基团向氧化硝基水平转化。MSNO氧化还原酶反应的V max 数值也表明该酶的活力很高，每单位的周转量大约是116700/min，比甲酸脱氢酶活力高76倍。
研究中发现，将结核分枝杆菌基因组中与该酶同源的基因 Rv2259 在耻垢分枝杆菌中克隆和表达，基因的蛋白表达产物有Ⅲ级乙醇脱氢酶功能，在C末端带有6个His标签，但重组表达的该酶活力不稳定，在不同的缓冲液中活力变化很大。最终研究表明，从耻垢分校杆菌分离纯化的MSNO还原酶不仅酶活力高，而且酶活力稳定，在各种环境中均表现出较好的活力。耻垢分枝杆菌的MSNO还原酶还可将MSNO转化为N-羟基硫化苯酰基草胺。在MSNO还原酶存在的情况下结核分枝杆菌血红蛋白N（HbN）低效率地转化为甲基化的HbN（Fe 3+ ）。此转化过程依赖MSNO还原酶的活力。总之，在亚硝基硫醇的代谢中氧化还原酶是很关键的控制点，对其深入研究和探讨将有助于对结核分枝杆菌氮代谢过程的进一步了解。
分枝杆菌可以利用各种碳源，利用度最好的碳源是葡萄糖、甘露糖、丙酮酸、柠檬酸和苹果酸等。
分枝杆菌可以利用葡萄糖获取能量，6-磷酸葡萄糖是巨噬细胞戊糖磷酸途径的重要代谢产物，可被结核分枝杆菌直接利用。但是宿主的磷酸化中间产物一般难以通过质膜。结核分枝杆菌等胞内寄生菌含有磷酸酶，菌体表面也吸附宿主磷酸酶，其活性高于细菌磷酸酶100倍。分枝杆菌利用磷酸酶裂解磷酸化化合物，然后脱磷使其成为碳源。编码磷酸葡萄糖异构酶的 pgi 基因突变可导致酶活性降低10 3 倍，而应用一个拷贝的野生型和葡萄糖原型可恢复葡萄糖异构酶的活性。耻垢分枝杆菌 pgi 突变株（生长在葡萄糖和半乳糖上的葡萄糖营养缺陷型）表型十分简单，因为磷酸葡萄糖异构酶参与6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖之间的相互转化。耻垢分枝杆菌的存活需要6-磷酸葡萄糖或其衍生物，这种现象在大肠杆菌和伤寒杆菌突变株中并未发现。预测分枝杆菌 pgi 突变株由于6-磷酸葡萄糖缺乏而不能合成细胞壁导致细菌死亡。
糖原的合成和分解代谢在大肠杆菌的研究已经非常清楚，通常认为细菌代谢中糖原扮演储存库的角色，当细菌处于饥饿状态时，糖原被分解为葡萄糖进而为细菌提供能量。但是，对糖原代谢在细菌中所起的作用尚不十分清楚。
通过对耻垢分枝杆菌的研究表明，糖原可能在分枝杆菌的碳流程调节中扮演两个角色。该研究中，首先筛选和聚集化学突变的温度敏感型耻垢分枝杆菌，该温度敏感型的突变体菌株在42℃时无法正常生长。此突变体具有菌落形态学变化、生长率减慢、聚集高水平的糖原等附加的表型变化。而且，如果培养基中加入相容渗透保护剂如蔗糖、NaCl等，该突变体菌株可以在非允许的温度下继续生长。当野生型耻垢分枝杆菌导入突变体后，发现两个基因能够使细菌在非允许的温度下恢复生长。其中一个基因 glgE （可能的葡萄糖酶）的产物和结核分枝杆菌H 37 Rv的Rv 1327c基因产物有高度的同源性，预测其可能编码糖基水解酶类的α淀粉酶家族中的一个成员。来自结核分枝杆菌的Rv 1327c也可以在非允许的温度下挽救SMEG53突变体；GlgE蛋白也和天蓝色链霉菌 pepl 基因编码的一系列多聚糖分解代谢同工酶同源。第二个基因是 garA （糖原集聚调节子），该基因的表达产物属于丝氨酸苏氨酸激酶信号转导蛋白家族中的一员。值得注意的是，这两个基因均分离自同一个多拷贝的文库，后续的研究表明仅 glgE 基因能同单拷贝的SMEG53温度敏感表型互补。因为 garA 基因的影响表现为多拷贝被抑制的结果，从而可以得出SMEG53温度敏感型菌株缺失的是 glgE 基因，两者可以互补。SMEG53突变体的 glgE 等位基因DNA序列分析表明，在突变体的等位基因上有单个的氨基酸突变。
研究发现，耻垢分枝杆菌中的GlgE蛋白、结核分枝杆菌中的Rv 1327c多肽以及天蓝色链霉菌中的pepl蛋白在特异的组氨酸位点上均是保守的。SMEG53突变体的 glgE1 等位基因的主要影响在于对处于对数生长期细菌菌体内糖原聚集的增长。如果GlgE蛋白实际上是糖原分解为葡萄糖过程中需要的一个葡萄糖水解酶，那么如果 glgE 基因缺陷就会造成糖原的聚集。这个现象不期望在细菌的对数生长期发生，虽然通常认为糖原的降解在细菌的稳定增殖期更为关键。因此，在耻垢分枝杆菌中糖原是作为细菌生长的碳源的蓄水池，在对数生长期作为葡萄糖的临时储存单位。在这个环境下，存在一个动态的同化/异化糖原循环过程，异化作用时将糖原分解从而为糖酵解提供底物葡萄糖，而同化作用时多余的葡萄糖又被转化为糖原的形式储存起来。
然而，在 glgE1 突变体中葡萄糖被以糖原的形式储存，不能给糖酵解提供底物，造成细菌停止生长。通过 garA 基因的多拷贝表达或在相容渗透保护剂中生长对 glgE1 缺失菌株的 glgE1 缺失影响有抑制作用，归因于 garA 和相容渗透保护剂导致的可检测到的细菌总生长率下降，但细菌并没有停止生长。假定突变体GlgE蛋白在升高的温度中不足以催化分解糖原，在这个压力条件下细菌的生长并没有停止，只是被降低到一个低点，在这个低点 glgE 基因虽然缺失，但却具有最小的基本功能，能够为糖酵解提供充足的葡萄糖。研究同时发现，SMEG53突变体在允许的温度条件下生长时发生了菌落多态性的变化，提示糖原的状态能够影响细胞外部的结构，与表型关联的研究可能会为结核分枝杆菌外膜的脂多糖中检测糖原（葡聚糖）的研究提供有益的指示。
所有分枝杆菌均合成丰富的细胞壁甘露糖酯（磷脂酰肌醇甘露糖苷类、脂阿拉伯糖甘露聚糖）、胞质甲基化甘露多聚糖和O-甘露糖基化的糖蛋白。编码分枝杆菌磷酸化甘露糖异构酶（PMI）的基因被敲除后，PMI缺失的分枝杆菌在含有外源甘露糖的培养基上可正常生长，只是在表型上有轻微的高隔膜变化。当培养基中的甘露糖被移除后，甘露糖酯和甲基化甘露多聚糖的合成被中断，表型上高隔膜变化更加明显。这种变化的产生先于缺陷型耻垢分枝杆菌，在无甘露糖培养基培养10个小时后生存活力急剧下降之前，甘露糖的饥饿培养并没有导致可以观测到的细胞壁的超级结构和对疏水性药物渗透性的变化，或其他与质膜或细胞壁相关的磷脂生物合成率的改变。以上结果表明，甘露糖代谢对耻垢分枝杆菌生长是必需的，而且一种或多种甘露糖化的分子可能在这些细菌的细胞分化和细胞分隔调节中起重要作用。
结核分枝杆菌的硫酸盐同化途径产生许多含硫代谢物，对研究发病机制和细菌生存有重要贡献。该途径受多种环境因素和调节蛋白的调节，这些蛋白介导细胞中的硫代谢。越来越多的证据支持含硫代谢物在结核分枝杆菌发病机制中的作用。来自结核分枝杆菌的硫酸化分子与细菌毒力密切相关。例如，突出的细胞壁相关糖脂Sulfolipid-1仅由分枝杆菌的致病菌种产生，其生物合成前体SL 1278，以其观察到的质量命名，已被证明可引发结核病患者细胞因子的产生。相反，硫酸化甲基萘醌S881的生物合成抑制了细菌的毒力。减少硫化合物，如半胱氨酸和蛋氨酸，也有助于降低结核分枝杆菌发病。在小鼠感染的慢性期研究中，抑制其的生物合成会显著减弱细菌的毒力和持久性。Mycothiol（MSH）是分枝杆菌的主要含巯基小分子，有助于解毒多种杀菌剂并赋予对氧化应激的保护作用。这些重要的含硫代谢物的生物合成依赖硫酸盐同化途径。
硫酸盐同化途径由一组酶构成，这些酶催化宿主对无机硫酸盐的摄取和代谢。该途径始于活性输入硫酸盐，随后由ATP硫酸化酶（含有GTP酶和硫酸化酶结构域的酶）进行腺苷酸化。得到的产物5′-磷酸腺苷（APS），可通过APS还原酶还原成亚硫酸盐，亚硫酸盐又被亚硫酸盐还原酶还原为硫化物。或者，因为APS构成代谢分支点，它可以通过APS激酶在3′位磷酸化以产生3′-磷酸腺苷5′-磷酸硫酸盐（PAPS），即细胞中的通用硫酸盐供体。PAPS是磺基转移酶的底物，磺酸转移酶催化其硫酸基团转移到细菌代谢物上。这些反应共同构成硫酸盐同化途径的硫酸化分支。结核分枝杆菌的硫酸盐同化途径负责影响细菌发病机制的含硫代谢物的生物合成。多种环境因素（包括吞噬体中通常遇到的）下该途径的转录调节可能促进对宿主免疫细胞的适应。此外，通过该途径介导硫酸盐通量的几种蛋白质，例如硫酸盐通透酶、硫酸酯酶和磷酸酶CysQ，可根据细胞不断变化的代谢需求，调节含硫化合物的生物合成。
结核分枝杆菌基因组学研究显示，结核分枝杆菌具有大量的脂代谢基因，可编码250种以上脂肪酸代谢相关的酶，而大肠杆菌只有50种，这些酶广泛参与结核分枝杆菌的脂代谢，为其提供基本生命活动所需的能量，且大多与细胞壁脂质的合成相关，而细胞壁的脂质则与结核分枝杆菌的致病性、毒力、耐药性等密切相关。结核分枝杆菌的分枝菌酸是自然界中最大的脂肪酸，它构成了结核分枝杆菌细胞膜外层的基础，与结核分枝杆菌的致病性、毒力、免疫逃逸、耐药性等都有密切关系。
分枝菌酸的合成需要两个FAS系统协同作用：FASI从乙酰基团开始合成碳原子数为16～18个或20～26个的碳链，作为分枝菌酸a链的来源，同时作为FASII合成主链的起始物；FASII在FASI合成碳链的基础上将碳链延长至56个碳以上构成主链；再在PK13乙酰合酶的作用下合成分枝菌酸。PDIM是致病性分枝杆菌细胞壁含量最为丰富的一类脂质，与结核分枝杆菌的毒力关系密切，其定位对其功能的发挥起重要作用。有研究发现，一些小鼠肺内生长抑制的PDIM突变株结核分枝杆菌能够正常合成PDIM，但是包浆中的PIDM未运输到细胞表面。
结核病患者肺肉芽肿内的脂质含量比未感染的肺组织明显增加。结核肉芽肿中存在大量泡沫巨噬细胞，病理活检显示泡沫巨噬细胞主要存在于干酪样坏死组织周边，表明泡沫巨噬细胞与干酪样坏死的形成可能相关。对干酪样坏死组织的成分进行光谱分析后发现，主要的组成物质为磷脂、胆固醇、胆固醇酯以及三酰基甘油酯，这与泡沫巨噬细胞内的脂质成分基本一致，说明肉芽肿内的干酪样坏死物质可能来源于泡沫巨噬细胞内的脂质成分。
肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）致巨噬细胞泡沫化的机制：泡沫巨噬细胞的形成主要是巨噬细胞内低密度脂蛋白（LDL）的流入与流出失衡造成的。结核分枝杆菌感染的巨噬细胞中参与LDL运输、吸收的清道夫受体（SR-A和CD36）以及逆向转运蛋白ATP结合转运蛋白A1（ABC-A1）表达失衡。肺结核患者体内TNF-α明显增多，可引起清道夫受体和ABC-A1表达异常。在5μg/L或10μg/L TNF-α孵育的人巨噬细胞中，ABC-A1与对照组比较明显下降，分子学检测还发现CD36和SR-A的表达水平明显上调，巨噬细胞摄入脂质和泡沫化显著增多。SR-A在血小板、单核或巨噬细胞表面均有表达，可与氧化LDL（OX-LDL）及乙酰LDL（ac-LDL）结合，促进巨噬细胞对脂蛋白的吸收。CD36介导50%～60% OX-LDL的内吞，是主要的OX-LDL受体。在巨噬细胞中CD36可与OX-LDL中特异性氧化型磷脂sn-2处缩短的不饱和脂肪酸结构识别与结合。CD36与OX-LDL相互作用可引起src蛋白家族激酶（Lyn）、丝裂酶原活化蛋白激酶（MAPK）、Vav家族鸟嘌呤核苷酸转化因子等信号通路激活，导致配体分子内化、泡沫细胞的形成及抑制迁移。此外，基因沉默试验显示TNF-α的这种调控作用很可能与蛋白激酶C-θ（PKC-θ）有关。因此，TNF-α可通过PKC-θ途径抑制胆固醇逆向转运，增加巨噬细胞对脂质的摄取，导致巨噬细胞泡沫化。
脂肪分化相关蛋白（ADFP）、长链酰基辅A合成酶1（ACSL1）和鞘脂激活蛋白C（SapC）致巨噬细胞泡沫化的机制：结核分枝杆菌能影响巨噬细胞的代谢，可将糖降解向酮体合成方向转变，从而打破巨噬细胞的代谢平衡，形成脂质小滴，使脂质在巨噬细胞内积累，促使巨噬细胞向泡沫巨噬细胞分化。结核分枝杆菌感染的巨噬细胞ADFP、ACSL1和SapC表达上调，3种蛋白参与脂肪小滴的形成，在脂肪的代谢调节中发挥重要作用且受TNF-α含量的调节。ACSL1可利用长链脂肪酸、ATP和辅酶A作为底物，合成具有生物活性的酰基辅酶A酯，从而催化脂肪酸代谢的从头合成。ADFP可通过ERK1/2-PPARY使细胞内脂质蓄积，抑制胆固醇的外流。SapC在维持细胞膜脂质平衡中发挥重要作用。另外，结核分枝杆菌细胞壁成分的分枝菌酸可以诱导小鼠腹膜内的巨噬细胞向泡沫样细胞分化，结核分枝杆菌进入巨噬细胞后，分枝杆菌上调表达与分枝菌酸合成有关的基因，如 mbtB 、mbtD、 mbtE 、 mbtF 、 mbtH 等，使分枝菌酸合成增加。分枝菌酸是TLR4的配体，TLR4能诱导CD36表达增加，使细胞内脂质含量增加，导致巨噬细胞泡沫化。结核分枝杆菌还可通过影响细胞脂类代谢调控巨噬细胞的凋亡。胞质磷脂酶A2γ（CPLAA2γ）催化花生四烯酸的生成，后者产物前列腺素E2（PGE2）可促进损伤膜的修复且保护线粒体免受伤害，结核分枝杆菌毒株则强烈诱导LXA4的生成，间接导致前列腺素合成的减少，质膜的破坏则不能被修复，最终导致细胞坏死。因此，结核分枝杆菌感染巨噬细胞后，通过各种方式将其诱导为泡沫巨噬细胞，再通过抑制巨噬细胞膜的修复功能，导致其破裂坏死，从而将胞内的脂质成分释放出来，形成干酪样组织。
通过对结核分枝杆菌胆固醇代谢基因调节子的研究发现，结核分枝杆菌对胆固醇的摄取、吸收以及进一步利用与其存活、毒力及致病性有关。研究发现，结核病患者血脂与正常人群存在明显差异，主要体现在胆固醇和甘油三酯明显降低。其发生机制如下：
（1）胆固醇-25-羟化酶使胆固醇合成减少：
胆固醇-25-羟化酶（CH25H）在胆固醇代谢稳态平衡中发挥着重要的调节作用。一是CH25H可把脂溶性胆固醇氧化为可溶性的25-羟化胆固醇（氧固醇的一种，25HC）分泌至胞外，是胆固醇稳态的关键调节因子。二是CH25H及其催化产物25HC（CH25H/25HC）可通过直接降解胆固醇合成所必需的系列酶蛋白（HMGCoA还原酶、HMG-CoA合酶、鲨烯合酶、固醇调节元件结合蛋白SREBP）或通过下调这些酶基因的转录，抑制胆固醇的生物合成。三是CH25H/25HC不仅能下调胆固醇的合成，还可促进游离胆固醇的酯化和运输，进而影响胆固醇的存在形式和在细胞内不同部位的分布，而胆固醇的存在形式和在细胞内不同位置的正确分布对维持细胞正常的生理功能非常重要。以上结果表明，胆固醇代谢相关通路CH25H/25HC的调控对维持机体正常的胆固醇稳态平衡发挥着非常重要的作用。体内与体外研究发现，结核分枝杆菌感染时免疫细胞内CH25H/25HC通路表现为异常高表达，其中临床研究结果显示，与健康对照者相比，结核分枝杆菌潜伏感染者与活动性结核病患者外周血CD4 + T细胞（结核分枝杆菌感染的关键免疫调节细胞）内CH25H的表达明显升高，特别是在活动性结核病患者组升高更明显，25HC含量也显著增加，因此，胆固醇-25-羟化酶可能通过CH25H/25HC通路降低血胆固醇浓度。
（2）IL-6增加脂肪分解，降低血脂：
肺结核患者血浆中IL-6水平明显高于健康人。IL-6由脂肪细胞、免疫细胞和内分泌细胞分泌，可作为肝脏细胞刺激因子诱导各种急性期反应。大量研究结果表明，IL-6在胰岛素抵抗和脂代谢中发挥重要作用。一项探讨生理浓度IL-6对人体脂代谢影响的研究结果显示，健康成年男性注射重组人IL-6（rhIL-6）后，血浆脂肪酸升高，注射rhIL-6后90分钟时血浆脂肪酸浓度和内源性脂肪酸的比例升高，且与rhIL-6剂量相关。这种高水平状态持续到注射后3小时，而甘油三酯浓度没有变化；注射后2小时整个机体的脂肪氧化和脂肪酸再酯化增加，说明IL-6是潜在的脂肪代谢调节剂，可增加脂肪分解和脂质氧化。
（3）其他致血脂降低的原因：
患者由于呼吸功能以及身体各项功能的减退，机体为维持正常功能需消耗更多的能量，使机体代谢功能增强。肺结核患者由于食欲缺乏、营养不良等因素导致小肠黏膜细胞吸收甘油三酯和胆固醇减少，致使机体对甘油三酯和胆固醇的合成减少。肝脏是合成胆固醇的主要场所，抗结核药物均存在肝脏毒性，导致肝功能降低，使胆固醇合成减少。由于肺泡的破坏、炎性物质的阻塞，肺顺应性下降，呼吸肌收缩效率降低，呼吸做功增强，为维持呼吸做功，ATP大量消耗，机体分解代谢增强，脂类分解相应增加。肺内的肺泡Ⅱ型细胞可对脂质进行氧化、酯化，并能合成磷脂、甘油三酯和脂肪酸。肺结核患者由于结核分枝杆菌直接损伤肺组织和毛细血管，破坏肺泡Ⅱ型细胞，影响肺对脂质的代谢。此外，由于肺结核患者体内的氧自由基释放过多，过量的氧自由基会和生物膜上的磷脂、多不饱和脂肪酸等大分子脂质产生脂质过氧化反应，从而生成脂质过氧化产物，导致抗氧化酶在清除脂质过氧化产物的过程中被大量消耗，血清脂质水平下降。
结核分枝杆菌同其他生物一样都具有维持生命活动所需的基本能量代谢系统，但又有所不同。微生物的生长曲线具有两峰生长的现象，即先后出现两个延滞期、对数生长期及稳定期，原因是培养基中存在两种碳源，一种是组成型酶立即催化的碳源，另一种则是诱导酶合成才能催化的碳源。从结核分枝杆菌代谢角度看，其不具有两峰生长现象，在感染早期氧充分的条件下利用糖类和三酰甘油酯作为碳源，随着时间的延长，宿主免疫系统不断激活，有氧呼吸遭到严重限制，巨噬细胞内糖类减少，分枝杆菌代谢模式向以脂质为碳源方向转变。从结核分枝杆菌的基因序列推断，结核分枝杆菌是厌氧性细菌，能合成氨基酸、维生素和辅酶因子，大量基因参与脂肪酸代谢，基因组还能编码有功能的三羧酸循环、戊糖磷酸和EMP途径以及将糖降解和三羧酸途径联系起来的酶。结核分枝杆菌能将糖类和宿主来源的脂肪酸、葡萄糖、三羧酸、氨基酸、胆固醇转变为氮、碳以及能量的来源。糖异生作用不仅是结核分枝杆菌利用脂肪酸所必需，且对细菌在巨噬细胞内的存活以及小鼠体内的急慢性感染均发挥着无可替代的作用。但当细胞内结核分枝杆菌被脂肪小滴包裹时，则以周围的脂肪酸作为碳源。
除有丰富的脂代谢基因这一特点，PE/PPE-PGRS基因家族是分枝杆菌所特有的，被认为与结核分枝杆菌的毒力、抗原变异及免疫逃逸有关。大部分的PE和PPE蛋白都由 ESX-5 基因编码，Rv3872及 Rv3873则是由 ESX-1 基因编码。基因组学研究发现，有毒力的分枝杆菌菌株同时具有 ESX-1 及 ESX-5 基因，非致病的分枝杆菌不具有 ESX-5 基因， ESX-1 基因突变菌株则形成了无毒力的卡介苗菌株。有研究通过对高毒力与低毒力菌株代谢轮廓的比较发现了多种代谢标记物的减少，其中谷氨酰胺、丙氨酸、甘氨酸以及所有的谷氨酸前体都是PGRS蛋白的基本组成成分，高毒力菌株培养底物中这些氨基酸的减少是由于PGRS蛋白生成增多以产生相应的毒力，进一步说明PE/PPE-PGRS基因家族与毒力的强弱有关。
对暴露于类似宿主环境的生长限制性应激，或从活动性肺结核患者的痰中恢复的结核分枝杆菌细胞长期的研究，已确立了细菌休眠、脂质包涵体和抗生素耐受性之间的关联。然而，近期的研究才开始阐明这种关系的代谢基础。Baek及其同事的研究表明，缺氧导致碳通量从中心代谢途径转向储存分子三酰基甘油（TAG）。细胞内TAG积累与体外和小鼠感染期间生长速率降低及抗生素的耐受性增加有关。结核分枝杆菌利用TAG转运蛋白LprG，通过将TAG从细胞质转运到细胞壁中来调节细胞内TAG水平。缺氧且富含脂质的巨噬细胞结核分枝杆菌吸引脂肪酸，这些脂肪酸来自宿主TAG，并将它们整合到自身的TAG供应中。因此，TAG的合成、积累和亚细胞分布对结核分枝杆菌的细胞稳态和链脂代谢与生长速率调节、毒力和抗生素耐受性非常关键。
近期的观察研究结果同样提示，结核分枝杆菌的代谢状态是药物耐受性的特定决定因素。首先，ICL已经被确定为抗生素耐受的介质，通过其在抗氧化防御中的作用，而不是在脂肪酸代谢中的活性起作用。其次，谷氨酰胺转移酶GatCAB保持了转化保真度，但未能完美地完成。临床结核分枝杆菌突变株在GatCAB亚基误译的可能性增加，这与利福平耐药性（可能由RNA聚合酶β亚基的误译介导）相关。最后，宿主衍生的应激可以诱导药物耐受性并削弱针对细胞内结核分枝杆菌的药物功效。从感染小鼠分离的活化骨髓细胞中的结核分枝杆菌比静息细胞中的结核分枝杆菌显示出更大程度的药物耐受性。此外，药物处理的细胞内结核分枝杆菌的转录分析，导致模型预测宿主应激，诱导细菌生理学重塑，从而导致代谢静止状态，其交叉保护结核分枝杆菌免受环境和抗生素损伤。
代谢组学是对细菌和宿主代谢物组的研究，用于阐明疾病的机制，并且可以识别更好的诊断、治疗和预测分枝杆菌疾病的变化。代谢组学谱是其环境中基因的生物化学产物的阵列。这些复杂的模式是生物标志物，比基因组学或蛋白质组学更全面地了解细胞功能、功能障碍和扰动。代谢组学可能预示着个性化医疗和临床试验设计的蓬勃发展，但代谢组学的挑战也很大。测量的代谢物浓度随条件内的时间、内在生物学、仪器和样品制备而变化。随着年龄、性别、肠道微生物菌群和生活方式的变化，代谢亦发生了变化。生物标记物的验证因测量准确度、选择性、线性、重现性、稳健性和检测性而变得复杂。统计挑战包括对生成的大量数据的分析、解释和描述。尽管有这些缺点，代谢组学为理解和管理分枝杆菌疾病的潜力提供了很好的机会。
代谢组学可以成为诊断分枝杆菌感染的有力工具。Du Preez和Loots使用代谢组学鉴定结核病的新生物标志物。通过二维气相色谱飞行时间质谱分析了34名结核病患者和61名对照受试者的痰液，鉴定出22种代谢物（14种结核分枝杆菌成分和8种宿主相关标志物），具有高辨别力。基于GC-MS的结核分枝杆菌感染痰标本脂质组学显示，D-葡萄糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、十九烷酸、油酸、2-脱氧-D赤式-戊糖醇、D-氨基葡萄糖、D-吡喃葡萄糖苷和D-半乳糖可区分结核病患者和非结核病患者。对于这些研究，乙醇均质化是区分结核病患者痰液和对照组受试者痰液的最佳提取方法。该技术还用于区分结核分枝杆菌的异烟肼耐药菌株与野生型。异烟肼耐药菌株携带 katG 突变，其在耐药性菌株中产生具有29种不同化合物的特定代谢组学模式。代谢物包括烷烃、醇类、脂肪酸、表面活性蛋白和应激替代能量途径中涉及的其他化合物。同样， rpoB 突变改变代谢物。基于LC-MS的代谢组学显示利福平耐药结核分枝杆菌的代谢特征差异：利福平耐药菌株中有99种分子特征不同。
代谢组学可能有助于增加对非结核分枝杆菌疾病病理生理学的理解。这些疾病在全球范围内不断增加，但对结核病的了解程度较低，治疗方案较少。生物标志物一旦建立，可能成为临床试验中的重要工具。虽然发病率和死亡率仍然是主要终点，但生物标志物一旦得到这些结果的验证，可能有助于分析和研究设计，允许更少的参与者入选。
代谢物可用作有效治疗的生物标志物。基于LC-MS的尿液代谢组学显示了非洲结核病患者治疗的特异性生物印记，与基线相比，治疗完成后1个月内45种代谢物发生了变化。生物标志物还可以描绘针对分枝杆菌感染的宿主免疫应答，不同的分枝杆菌菌种和菌株以及不同的接种物会有不同的免疫反应。代谢组学可以澄清遗传和环境因素的相互作用。例如，代谢组学可以显示是否饮食以及饮食的组成，生活事件的发生，并且与疾病进程相关。随着时间的推移，测量代谢物的数量为生物学和病理生理学途径的基础研究提供了前所未有的信息。在靶向方法中使用同位素标记的底物是代谢组学的一个重要领域，称为“流变组学”。基于质谱的（LC和GC-MS）通量组学可以跟踪稳定的同位素标记的元素，例如 2 H、 13 C和 15 N，在各种生物过程中可重复地鉴定它们的化合物。这为体外代谢途径和感染实验模型提供了新见解。这些方法可以显示结核分枝杆菌进入休眠状态发生的精确代谢变化，这对于其在压力条件下的存活至关重要，对新药开发也很重要。已经应用基于 1 H- 13 C-NMR的代谢组学来确定d-环丝氨酸的致死剂量并显示其对肽聚糖生物合成的代谢途径的影响，环丝氨酸抑制肽聚糖的生物合成途径。这些方法可用于研究生物的生长和复制。
展望未来，代谢组学可用于分枝杆菌感染患者的诊断、治疗和预后。为此，了解结核分枝杆菌致病性中代谢的不同表型作用的潜在生化功能或原理将特别重要。尽管分枝杆菌疾病代谢组学很有发展前景，但该领域还处于起步阶段。其应与基因组学和蛋白质组学相结合，以获得生物学和细胞过程的完整图像。代谢组学在具有巨大潜力的同时，也存在巨大的挑战和局限，许多研究都是探索性的。根据科学的性质，由若干来源引起的代谢物浓度存在变化，包括条件内的时间、生物学变化、仪器变化和样品制备变异。仪器和样品制备变异是重要的误差来源，可能导致假阳性成假阴性。在代谢组学应用于临床研究之前，再现性和特异性是两个需要克服的主要障碍。在少数患者研究中发现的令人印象深刻的结果必须在大型研究中具有可重复性和特异性。
（宋怡蒙 赵雁林）