【正文】 第三章 發(fā)酵生物化學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié) 糖的微生物代謝（自學(xué)） 第二節(jié) 脂類和脂肪酸的微生物代謝（自學(xué)） 第三節(jié) 氨基酸和核酸的微生物代謝（自學(xué)） 第四節(jié) 微生物的次級(jí)代謝 從前面的章節(jié)中，我們了解了微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，產(chǎn)生出維持生命活動(dòng)的物質(zhì)和能量的初級(jí)代謝過程。此外，微生物還能進(jìn)行次級(jí)代謝。本節(jié)將概述次級(jí)代謝的概念及其類型。介紹幾個(gè)有代表性的次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成途了解次級(jí)代謝的特點(diǎn)。簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前流行的有關(guān)次級(jí)代謝的生理功能的學(xué)說。 一、 次級(jí)代謝的概念及類型 （一）次級(jí)代謝的概念 次級(jí)代謝的概念是 1958 年由植物學(xué)家 Rohland 首先提出來的。他把值物產(chǎn)生的與植物生長(zhǎng)發(fā)育無關(guān)的某些特有的物質(zhì)稱為次級(jí)代謝物質(zhì)，合成和利用它們的途徑即為次級(jí)代謝。1960 年微生物學(xué)家 Bu’ Lock 把這一概念引入微生物學(xué)領(lǐng)域。 次級(jí)代謝并沒有一個(gè)十分嚴(yán)格的定義，它是相對(duì)于初級(jí)代謝而提出的 — 個(gè)概念，主要是指次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。它具有許多特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)可以認(rèn)為次級(jí)代謝是指：微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期 (一般是穩(wěn)定生長(zhǎng)期 )，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對(duì)微生物的生命活動(dòng) 沒有明確功能的物質(zhì)的過程。這一過程的產(chǎn)物即為次級(jí)代謝產(chǎn)物。 另外，也有把初級(jí)代謝產(chǎn)物的非生理量的積累，看成是次級(jí)代謝產(chǎn)物，例如微生物發(fā)酵產(chǎn)生的維生素、檸檬酸、谷氨酸等。 （二）次級(jí)代謝產(chǎn)物的類型 次級(jí)代謝產(chǎn)物種類繁多，如何區(qū)分類型尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。有的研究者按照次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生菌不同來區(qū)分；有的根據(jù)次級(jí)代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或作用來區(qū)分；有的則根據(jù)次級(jí)代謝產(chǎn)物合成途徑來區(qū)分?，F(xiàn)簡(jiǎn)介如下： 1，根據(jù)產(chǎn)物合成途徑區(qū)分類型 根據(jù)產(chǎn)物合成途徑可以分為五種類型。 （ 1）與糖代謝有關(guān)的類型 以糖或糖代謝產(chǎn)物為前體合成次級(jí)代謝產(chǎn)物 有三種情況： （ A）直接由葡萄糖合成次級(jí)代謝產(chǎn)物。例如，曲霉屬 (Aspergillus)產(chǎn)生的曲酸、蛤蟆菌(Amanitamuscarina)產(chǎn)生的蕈毒堿，放線菌產(chǎn)生的鏈霉素以及大環(huán)內(nèi)酯抗生素中的糖苷等。 曲酸 （ B）由預(yù)苯酸合成芳香族次級(jí)代謝產(chǎn)物，例如放線菌產(chǎn)生的氯霉素、新霉素等。 （ C）由磷酸戊糖合成的次級(jí)代謝物質(zhì)較多。磷酸戊糖首先合成重要的初級(jí)代謝產(chǎn)物核苷類物質(zhì)，進(jìn)一步合成次級(jí)代謝產(chǎn)物，如狹霉素、嘌呤霉素、抗?jié)冮g型霉素、殺稻瘟菌素OOHOCH2OHS 以及多氧霉素等。 （ 2）與脂肪酸代謝有關(guān)的類型 此類型有兩種情 況： （ A）以脂肪酸為前體，經(jīng)過幾次脫氫、 β氧化之后，生成比原來脂肪酸碳數(shù)少的聚乙炔 (po1yacetylene)脂肪酸。這種次級(jí)物質(zhì)多在高等植物中存在。擔(dān)子菌中也能見到。 （ B）次級(jí)代謝產(chǎn)物不經(jīng)過脂肪酸，而是從丙酮酸開始生成乙酰 CoA，再在羧化酶催化下生成丙二酰 CoA。在初級(jí)代謝中由此進(jìn)一步合成脂肪酸，而在次級(jí)代謝中所生成的丙二酰 CoA 等鏈中 的羰基不被還原，而生成 聚酮 (po1yketide) 或 β— 多酮次甲基 鏈(βpolyketomethylene)。由此進(jìn)一步生成不同的次級(jí)代謝產(chǎn)物。例如四環(huán)素抗生素類 。紅霉素內(nèi)酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一個(gè)經(jīng)脫羧的甲基丙二酸的 C3 單位，最后由七酮形成內(nèi)酯環(huán)，再與紅霉糖、脫氧氨基已糖，以糖苷的形式結(jié)合而成為紅霉素。 （ 3）與萜烯和甾體化合物有關(guān)的類型 與萜烯和甾體化合物有關(guān)的次級(jí)代謝產(chǎn)物，主要是由霉菌產(chǎn)生的，例如煙曲霉素 (三個(gè)異戊烯單位聚合而成 )、赤霉素 (四個(gè)異戊烯單位聚合而成 )、梭鏈孢酸 (由六個(gè)異戊烯單位聚合而成 )及由八個(gè)異戊二烯單位聚合成的 β胡蘿卜素等。 （ 4）與 TCA 環(huán)有關(guān)的類型 與 TCA 環(huán)相連的次級(jí)代謝產(chǎn)物也可以分為兩類： 一類是從 TCA 環(huán)得 到的中間產(chǎn)物進(jìn)一步合成次級(jí)產(chǎn)物，例如由 a— 酮戊二酸還原生成戊烯酸，由烏頭酸脫羧生成衣康酸。 另一類是由乙酸得到的有機(jī)酸與 TCA 環(huán)上的中間產(chǎn)物縮合生成次級(jí)產(chǎn)物，例如，脂肪酸 α亞甲基與草酰乙酸或 α— 酮戊二酸羧基或羰基縮合。擔(dān)子菌產(chǎn)生的松蕈 (三 )酸 (α十六烷基檸檬酸 )就是由十八烷酸 (C17H33 COOH)的 α亞甲基與草酰乙酸的羰基縮合而成。 （ 5）與氨基酸代謝有關(guān)的類型 與氨基酸代謝有關(guān)的次級(jí)代謝，可以分為三類： （ A）由一個(gè)氨基酸形成的次級(jí)代謝產(chǎn)物，如放線菌產(chǎn)生的環(huán)絲氨酸、氮絲氨酸；擔(dān)子菌由色氨酸合 成口磨氨酸、鵝膏 氨酸、二甲基 4羥色胺磷酸以及靛藍(lán)等。 （ B）由二個(gè)氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒 (gliotoxin)。是由二個(gè)氨基酸先以肽鍵結(jié)合，閉環(huán)生成二酮吡嗪 (diketopiperazine)進(jìn)一步形成的。半胱氨酸和纈氨酸以另外的縮合方式形成 6— 氨基青霉素烷酸。 （ C）由三個(gè)以上氨基酸縮合而成的次級(jí)產(chǎn)物，氨基酸之間多以肽鍵結(jié)合成直鏈狀，例如鐮刀菌 (Fusarium)產(chǎn)生的恩鐮孢菌素 (enniatine)。放線菌產(chǎn)生的很多次生物質(zhì)屬于此類型。例如短桿菌 A、放線菌素、短桿菌酪素、多粘菌素、 桿菌肽及紫霉素等。此外，還有二個(gè)以上氨基酸經(jīng)過復(fù)雜的縮分后形成含氮芳香環(huán)如麥角生物堿。 2，根據(jù)產(chǎn)物的作用區(qū)分類型 根據(jù)次級(jí)代謝產(chǎn)物的作用可以分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。 抗生素：這是微生物所產(chǎn)生的，具有特異抗菌作用的一類次級(jí)產(chǎn)物。日前發(fā)現(xiàn)的抗生素已有 2500~3000 種，青霉素、鏈霉素、四環(huán)素類、紅霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素、利福平、放線菌素 (更生霉素 )、博萊霉家 (爭(zhēng)光霉素 )等幾十種抗生素已進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。 激素：微生物產(chǎn)生的一些可以刺激動(dòng)、植物生長(zhǎng)或性器官發(fā)育的一類次級(jí) 物質(zhì)。例如赤霉菌 (Gibberella fujikuroi)產(chǎn)生的赤霉素。 生物堿：大部分生物堿是由植物產(chǎn)生的。麥角菌 (Claviceps purpurea)可以產(chǎn)生麥角生物堿。 毒素：大部分細(xì)菌產(chǎn)生的毒素是蛋白質(zhì)類的物質(zhì)。如破傷風(fēng)梭菌 (Clostridium tetani)產(chǎn)生的破傷風(fēng)毒素，白喉?xiàng)U菌 (Corynebacterium diphtheriae)產(chǎn)生的白喉毒素，肉毒梭菌(Cl． botulinum)產(chǎn)生的肉毒素及蘇云金桿菌 (Bacillus thuringiensis)產(chǎn)生的伴胞晶體等。放線菌，真 菌也產(chǎn)生毒素。例如黃曲霉 (Aspergillus flavus)產(chǎn)生的黃曲霉毒素。擔(dān)子菌產(chǎn)生的各種蘑菇毒素等。 色素：不少微生物在代謝過程中產(chǎn)生各種有色的產(chǎn)物。例如由粘質(zhì)賽氏桿菌 (Serratia marcescens)產(chǎn)生靈菌紅素，在細(xì)胞內(nèi)積累，使菌落呈紅色。有的微生物將產(chǎn)生的色素分泌到細(xì)胞外，使培養(yǎng)基呈現(xiàn)顏色。 維生素；作為次生物質(zhì)，是指在特定條件下，微生物產(chǎn)生的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自身需要量的那些維生素，例如丙酸細(xì)菌 (Propionibacterium sp． )產(chǎn)生維生素 B12，分枝桿菌 (Mycobacterium)產(chǎn)生吡哆素和煙酰胺，假單胞菌產(chǎn)生生物素，以及霉菌產(chǎn)生的核黃素和 β胡蘿卜素等。 二、次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成 次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成過程可以概括為如下模式： 次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成是以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，進(jìn)入次級(jí)代謝產(chǎn)物合成途徑后，大約經(jīng)過三個(gè)步驟，合成次級(jí)代謝產(chǎn)物。 第一步，前體聚合。前體單元在合成酶催化下進(jìn)行聚合。例如四環(huán)素合成中，在多酮鏈合成酶催化下，由丙二酰 CoA 等形成多酮鏈，進(jìn)而合成四環(huán)素及大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。多肽類抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽鏈。 第二步，結(jié)構(gòu)修飾。聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過修飾反應(yīng) 如環(huán)化、氧化、甲基化、氯化等。 氧化作用是在加氧酶催化下進(jìn)行的。次級(jí)代謝中的加氧酶多是單加氧酶，它把氧分子中的一個(gè)氧原子添加到底物上，另一個(gè)氧原子還原成水，并常伴有 NADPH 的氧化。 RH+O2+NADPH2→ ROH+H2O 十 NADP 次級(jí)代謝中的氯化反應(yīng)，可以看作是特征性的反應(yīng)，在氯過氧化物酶催化下進(jìn)行。此酶是糖蛋白，含有高鐵原卟啉。在金霉索，氯霉素合成中都有此反應(yīng)，簡(jiǎn)示如下： RH+H2O2+Cl+H+→ RCl+2H2O 第三步，是不同組分的裝配。如新生霉素的幾個(gè)組分， 4甲氧基 5’， 5’ 二甲基 L來蘇糖 (noviose)、香豆素和對(duì)經(jīng)基苯甲酸等形成后，再經(jīng)裝配成新生霉素，圖示如下。 諾卡霉素 A(nocardicinA)分子裝配如下圖所示。 三、次級(jí)代謝的特點(diǎn) 1，次級(jí)代謝以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，并受初級(jí)代謝的調(diào)節(jié) 次級(jí)代謝與初級(jí)代謝關(guān)系密切。初級(jí)代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物，多半是次級(jí)代謝的前體。例如糖降解產(chǎn)生的乙酰 CoA 是合成四環(huán)素、紅霉案及 β胡蘿卜素的前體。纈氨酸、半胱氨酸是合成青霉素，頭孢霉素的前體。色氨酸是合成麥角堿的前體等。 出于初級(jí)代謝為次級(jí)代謝提供前體，所以產(chǎn)生前體物質(zhì)的 初級(jí)代謝過程受到控制時(shí)，也必然影響次級(jí)代謝的進(jìn)行，因此，初級(jí)代謝還具有調(diào)節(jié)次級(jí)代謝的作用。例如三羧酸循環(huán)可以調(diào)節(jié)四環(huán)素的合成。賴氨酸的反饋調(diào)節(jié)控制著青霉素的合成。色氨酸調(diào)節(jié)麥角堿的合成等，具體調(diào)節(jié)過程見代謝調(diào)節(jié)一章有關(guān)部分。 2，次級(jí)代謝產(chǎn)物一般在菌體生長(zhǎng)后期合成 初級(jí)代謝貫穿于生命活動(dòng)始終，與菌體生長(zhǎng)平行進(jìn)行。而次級(jí)代謝一般只是在菌體對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期或穩(wěn)定生長(zhǎng)期進(jìn)行。因此，此類微生物的生長(zhǎng)和次級(jí)代謝過程可以區(qū)分為兩個(gè)階段，即菌體生長(zhǎng)階段和代謝產(chǎn)物合成階段。例如，鏈霉素、青霉素、金霉素、紅霉素、桿菌肽等，都是在 合成階段形成。但是，次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成時(shí)期，可以因培養(yǎng)條件的改變而改變。例如氯霉素在天然培養(yǎng)基中是菌體繁殖期合成，而在合成培養(yǎng)基中，它的合成與生長(zhǎng)平行。又如麥角菌 (C． purpurea)的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，在含葡萄糖及酵母膏的天然培養(yǎng)基中，先長(zhǎng)菌體，繁殖期合成生物堿，而在合成培養(yǎng)基中，菌體生長(zhǎng)緩慢，同時(shí)合成生物堿。 在生長(zhǎng)階段菌體生長(zhǎng)迅速，中間產(chǎn)物很少積累，當(dāng)容易利用的糖、氮、磷消耗到一定量之后，菌體生長(zhǎng)速度減慢，菌體內(nèi)某些中間產(chǎn)物積累，原有酶活力下降或消失，導(dǎo)致生理階段的轉(zhuǎn)變，即由菌體生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)為次級(jí)代謝物 質(zhì)合成階段。此時(shí)原來被阻遏的次級(jí)代謝的酶，被激話或開始合成。例如，青霉素合成中的?；D(zhuǎn)移酶、鏈霉素合成中的脒基轉(zhuǎn)移酶等次級(jí)代謝中的關(guān)鍵酶都在合成階段被合成。若在菌體生長(zhǎng)階段接近終了或終了后立即加入蛋白質(zhì)、核酸抑制劑，這些酶便不能合成，次級(jí)代謝過程將不能進(jìn)行。 次級(jí)代謝中存在兩個(gè)生理階段，一般認(rèn)為是由于碳分解產(chǎn)物產(chǎn)生阻遏作用的結(jié)果，阻遏解除后，合成階段才能開始。 第五節(jié) 芳香族化合物的微生物代謝 一、芳香烴的分解 微生物對(duì)芳香烴的分解是在有氧條件下進(jìn)行的，首先以形成二元酚如鄰苯二酚、原兒茶酸等作為環(huán)裂解底 物，再進(jìn)一步氧化分解。 苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚：苯的氧化首先是生成二羥基已二烯，再轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，其過程見下圖。 苯的微生物氧化 苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚的酶系是由三個(gè)組分構(gòu)成的：①分子量為 60000 含有 FAD 的蛋白質(zhì)；②分子量為 21000 含有非血紅素鐵的蛋白質(zhì)，②分子量為 186000 含有非血紅素鐵的紅色蛋白質(zhì)，這些組分的功能如下圖所示。 微生物氧化苯的雙氧酶的功能 甲苯轉(zhuǎn)化成環(huán)裂解底物：甲苯氧化成鄰苯二酚有兩條途徑 （ 1） Kitagawa 用 (P． aeruiginosa)試驗(yàn)指出該菌分解甲苯是將甲基氧化成羧基，再 將苯甲酸轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，甲苯與苯甲酸之間的中間產(chǎn)物是苯甲醇和苯甲醛，見下圖。 甲苯的氧化途徑 （ 2） Walker 用 Pseudomonas 菌試驗(yàn)證明甲苯分解存在另一條途徑，即二羥化反應(yīng)將甲苯轉(zhuǎn)化成 3甲基鄰苯二酚作為裂解底物。從下圖可見，苯甲酸是如何轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚的。這是 1971 年 Reiner 等才弄清其確切的反應(yīng)順序。 苯甲酸氧化成鄰苯二酚的途徑 鄰苯二酚環(huán)裂解及其降解：鄰苯二酚通過兩種途徑之一進(jìn)行降解，這取決于環(huán)是在兩個(gè)羥基之間裂解 (鄰位裂解 )，還是在羥基旁裂解 (間位裂解 )。兩種反應(yīng)都是由雙氧酶(dioxygnases)催化，前一種由鄰苯二酚酶 (鄰苯二酚 1， 2雙氧酶 )催化，后一種由變鄰苯二酚酶 (鄰苯二酚 2， 3雙氧酶 )催化，其產(chǎn)物分別是順、順一粘康酸半醛，再進(jìn)一步降解為正常的中間代謝物，分別生成 β酮己二酸和 4羥 2酮戊酸。進(jìn)一步分解則得琥珀酸、乙酰輔酶A 和丙酮酸、乙醛，再由 TCA環(huán)完全氧化或進(jìn)入其他生物合成途徑。如下圖所示。 鄰苯二酚的裂解途徑 原兒茶酸與鄰苯二酚的降解方式相類似，也能以間位或鄰位裂解途徑降解。鄰位裂解的 終產(chǎn)物是琥珀酸，間位裂解的終產(chǎn)物是兩分子丙酮酸。 脂環(huán)烴的分 解：在全部烴類中，脂環(huán)烴對(duì)微生物作用的抗性最強(qiáng)。目前已知一種微生物能以環(huán)己烷作為唯一的碳源和能源而生長(zhǎng)。環(huán)己烷可被兩種假單胞菌屬細(xì)菌的混合培養(yǎng)物經(jīng)過共代謝而緩慢地降解。這些微生物中的第一種能利用正烷烴，它可利用庚烷迅速生長(zhǎng)。如果有環(huán)已烷同時(shí)存在，則環(huán)己烷披共氧化為環(huán)已醇，然后環(huán)已醉被混合培養(yǎng)物中的另一種微生物所降解。實(shí)際上，有幾種微生物可以利用環(huán)己醇生長(zhǎng)．如小球諾卡氏菌 (Nocardia globerula)對(duì)環(huán)己醇的降解過程如下圖所示。 小球諾卡氏菌對(duì)環(huán)己醇的降解 嗜石油諾卡氏菌 (