【正文】 第三章 發(fā)酵生物化學基礎 第一節(jié) 糖的微生物代謝（自學） 第二節(jié) 脂類和脂肪酸的微生物代謝（自學） 第三節(jié) 氨基酸和核酸的微生物代謝（自學） 第四節(jié) 微生物的次級代謝 從前面的章節(jié)中，我們了解了微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質，通過分解代謝和合成代謝，產(chǎn)生出維持生命活動的物質和能量的初級代謝過程。此外，微生物還能進行次級代謝。本節(jié)將概述次級代謝的概念及其類型。介紹幾個有代表性的次級代謝產(chǎn)物的生物合成途了解次級代謝的特點。簡要介紹當前流行的有關次級代謝的生理功能的學說。 一、 次級代謝的概念及類型 （一）次級代謝的概念 次級代謝的概念是 1958 年由植物學家 Rohland 首先提出來的。他把值物產(chǎn)生的與植物生長發(fā)育無關的某些特有的物質稱為次級代謝物質，合成和利用它們的途徑即為次級代謝。1960 年微生物學家 Bu’ Lock 把這一概念引入微生物學領域。 次級代謝并沒有一個十分嚴格的定義，它是相對于初級代謝而提出的 — 個概念，主要是指次級代謝產(chǎn)物的合成。它具有許多特點，根據(jù)這些特點可以認為次級代謝是指：微生物在一定的生長時期 (一般是穩(wěn)定生長期 )，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物的生命活動 沒有明確功能的物質的過程。這一過程的產(chǎn)物即為次級代謝產(chǎn)物。 另外，也有把初級代謝產(chǎn)物的非生理量的積累，看成是次級代謝產(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）次級代謝產(chǎn)物的類型 次級代謝產(chǎn)物種類繁多，如何區(qū)分類型尚無統(tǒng)一標準。有的研究者按照次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生菌不同來區(qū)分；有的根據(jù)次級代謝產(chǎn)物的結構或作用來區(qū)分；有的則根據(jù)次級代謝產(chǎn)物合成途徑來區(qū)分?，F(xiàn)簡介如下： 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）與糖代謝有關的類型 以糖或糖代謝產(chǎn)物為前體合成次級代謝產(chǎn)物 有三種情況： （ A）直接由葡萄糖合成次級代謝產(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)內酯抗生素中的糖苷等。 曲酸 （ B）由預苯酸合成芳香族次級代謝產(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代謝物質較多。磷酸戊糖首先合成重要的初級代謝產(chǎn)物核苷類物質，進一步合成次級代謝產(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。這種次級物質多在高等植物中存在。擔子菌中也能見到。 （ B）次級代謝產(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。在初級代謝中由此進一步合成脂肪酸，而在次級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)。由此進一步生成不同的次級代謝產(chǎn)物。例如四環(huán)素抗生素類 。紅霉素內酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一個經(jīng)脫羧的甲基丙二酸的 C3 單位，最后由七酮形成內酯環(huán)，再與紅霉糖、脫氧氨基已糖，以糖苷的形式結合而成為紅霉素。 （ 3）與萜烯和甾體化合物有關的類型 與萜烯和甾體化合物有關的次級代謝產(chǎn)物，主要是由霉菌產(chǎn)生的，例如煙曲霉素 (三個異戊烯單位聚合而成 )、赤霉素 (四個異戊烯單位聚合而成 )、梭鏈孢酸 (由六個異戊烯單位聚合而成 )及由八個異戊二烯單位聚合成的 β胡蘿卜素等。 （ 4）與 TCA 環(huán)有關的類型 與 TCA 環(huán)相連的次級代謝產(chǎn)物也可以分為兩類： 一類是從 TCA 環(huán)得 到的中間產(chǎn)物進一步合成次級產(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酸與 TCA 環(huán)上的中間產(chǎn)物縮合生成次級產(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）與氨基酸代謝有關的類型 與氨基酸代謝有關的次級代謝，可以分為三類： （ A）由一個氨基酸形成的次級代謝產(chǎn)物，如放線菌產(chǎn)生的環(huán)絲氨酸、氮絲氨酸；擔子菌由色氨酸合 成口磨氨酸、鵝膏 氨酸、二甲基 4羥色胺磷酸以及靛藍等。 （ B）由二個氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒 (gliotoxin)。是由二個氨基酸先以肽鍵結合，閉環(huán)生成二酮吡嗪 (diketopiperazine)進一步形成的。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）由三個以上氨基酸縮合而成的次級產(chǎn)物，氨基酸之間多以肽鍵結合成直鏈狀，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，還有二個以上氨基酸經(jīng)過復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 (爭光霉素 )等幾十種抗生素已進行工業(yè)生產(chǎn)。 激素：微生物產(chǎn)生的一些可以刺激動、植物生長或性器官發(fā)育的一類次級 物質。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：大部分細菌產(chǎn)生的毒素是蛋白質類的物質。如破傷風梭菌 (Clostridium tetani)產(chǎn)生的破傷風毒素，白喉桿菌 (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。例如由粘質賽氏桿菌 (Serratia marcescens)產(chǎn)生靈菌紅素，在細胞內積累，使菌落呈紅色。有的微生物將產(chǎn)生的色素分泌到細胞外，使培養(yǎng)基呈現(xiàn)顏色。 維生素；作為次生物質，是指在特定條件下，微生物產(chǎn)生的遠遠超過自身需要量的那些維生素，例如丙酸細菌 (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、次級代謝產(chǎn)物的生物合成 次級代謝產(chǎn)物的合成過程可以概括為如下模式： 次級代謝產(chǎn)物的合成是以初級代謝產(chǎn)物為前體，進入次級代謝產(chǎn)物合成途徑后，大約經(jīng)過三個步驟，合成次級代謝產(chǎn)物。 第一步，前體聚合。前體單元在合成酶催化下進行聚合。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，進而合成四環(huán)素及大環(huán)內酯類抗生素。多肽類抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽鏈。 第二步，結構修飾。聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過修飾反應 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行的。次級代謝中的加氧酶多是單加氧酶，它把氧分子中的一個氧原子添加到底物上，另一個氧原子還原成水，并常伴有 NADPH 的氧化。 RH+O2+NADPH2→ ROH+H2O 十 NADP 次級代謝中的氯化反應，可以看作是特征性的反應，在氯過氧化物酶催化下進行。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，簡示如下： RH+H2O2+Cl+H+→ RCl+2H2O 第三步，是不同組分的裝配。如新生霉素的幾個組分， 4甲氧基 5’， 5’ 二甲基 L來蘇糖 (noviose)、香豆素和對經(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、次級代謝的特點 1，次級代謝以初級代謝產(chǎn)物為前體，并受初級代謝的調節(jié) 次級代謝與初級代謝關系密切。初級代謝的關鍵性中間產(chǎn)物，多半是次級代謝的前體。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。 出于初級代謝為次級代謝提供前體，所以產(chǎn)生前體物質的 初級代謝過程受到控制時，也必然影響次級代謝的進行，因此，初級代謝還具有調節(jié)次級代謝的作用。例如三羧酸循環(huán)可以調節(jié)四環(huán)素的合成。賴氨酸的反饋調節(jié)控制著青霉素的合成。色氨酸調節(jié)麥角堿的合成等，具體調節(jié)過程見代謝調節(jié)一章有關部分。 2，次級代謝產(chǎn)物一般在菌體生長后期合成 初級代謝貫穿于生命活動始終，與菌體生長平行進行。而次級代謝一般只是在菌體對數(shù)生長后期或穩(wěn)定生長期進行。因此，此類微生物的生長和次級代謝過程可以區(qū)分為兩個階段，即菌體生長階段和代謝產(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，次級代謝產(chǎn)物的合成時期，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，它的合成與生長平行。又如麥角菌 (C． purpurea)的營養(yǎng)缺陷型菌株，在含葡萄糖及酵母膏的天然培養(yǎng)基中，先長菌體，繁殖期合成生物堿，而在合成培養(yǎng)基中，菌體生長緩慢，同時合成生物堿。 在生長階段菌體生長迅速，中間產(chǎn)物很少積累，當容易利用的糖、氮、磷消耗到一定量之后，菌體生長速度減慢，菌體內某些中間產(chǎn)物積累，原有酶活力下降或消失，導致生理階段的轉變，即由菌體生長階段轉為次級代謝物 質合成階段。此時原來被阻遏的次級代謝的酶，被激話或開始合成。例如，青霉素合成中的?；D移酶、鏈霉素合成中的脒基轉移酶等次級代謝中的關鍵酶都在合成階段被合成。若在菌體生長階段接近終了或終了后立即加入蛋白質、核酸抑制劑，這些酶便不能合成，次級代謝過程將不能進行。 次級代謝中存在兩個生理階段，一般認為是由于碳分解產(chǎn)物產(chǎn)生阻遏作用的結果，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 微生物對芳香烴的分解是在有氧條件下進行的，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，再進一步氧化分解。 苯轉化成鄰苯二酚：苯的氧化首先是生成二羥基已二烯，再轉化為鄰苯二酚，其過程見下圖。 苯的微生物氧化 苯轉化成鄰苯二酚的酶系是由三個組分構成的：①分子量為 60000 含有 FAD 的蛋白質；②分子量為 21000 含有非血紅素鐵的蛋白質，②分子量為 186000 含有非血紅素鐵的紅色蛋白質，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)試驗指出該菌分解甲苯是將甲基氧化成羧基，再 將苯甲酸轉化為鄰苯二酚，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 菌試驗證明甲苯分解存在另一條途徑，即二羥化反應將甲苯轉化成 3甲基鄰苯二酚作為裂解底物。從下圖可見，苯甲酸是如何轉化成鄰苯二酚的。這是 1971 年 Reiner 等才弄清其確切的反應順序。 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行降解，這取決于環(huán)是在兩個羥基之間裂解 (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)烴對微生物作用的抗性最強。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。環(huán)己烷可被兩種假單胞菌屬細菌的混合培養(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。如果有環(huán)已烷同時存在，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。實際上，有幾種微生物可以利用環(huán)己醇生長．如小球諾卡氏菌 (Nocardia globerula)對環(huán)己醇的降解過程如下圖所示。 小球諾卡氏菌對環(huán)己醇的降解 嗜石油諾卡氏菌 (