【正文】 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 )。 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(jiàn)下圖。 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(kāi)始。 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。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。色氨酸調(diào)節(jié)麥角堿的合成等，具體調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)代謝調(diào)節(jié)一章有關(guān)部分。色氨酸是合成麥角堿的前體等。 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。此酶是糖蛋白，含有高鐵原卟啉。聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過(guò)修飾反應(yīng) 如環(huán)化、氧化、甲基化、氯化等。前體單元在合成酶催化下進(jìn)行聚合。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。例如黃曲霉 (Aspergillus flavus)產(chǎn)生的黃曲霉毒素。麥角菌 (Claviceps purpurea)可以產(chǎn)生麥角生物堿。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)。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。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。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。 （ B）次級(jí)代謝產(chǎn)物不經(jīng)過(guò)脂肪酸，而是從丙酮酸開(kāi)始生成乙酰 CoA，再在羧化酶催化下生成丙二酰 CoA。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。 （ 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。 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。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。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)。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(guò)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(guò)程。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(shuō)。 次級(jí)代謝并沒(méi)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。 （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(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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。 （ 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(guò)幾次脫氫、 β氧化之后，生成比原來(lái)脂肪酸碳數(shù)少的聚乙炔 (po1yacetylene)脂肪酸。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)。 （ 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。 COOH)的 α亞甲基與草酰乙酸的羰基縮合而成。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。此外，還有二個(gè)以上氨基酸經(jīng)過(guò)復(fù)雜的縮分后形成含氮芳香環(huán)如麥角生物堿。 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)。 毒素：大部分細(xì)菌產(chǎn)生的毒素是蛋白質(zhì)類的物質(zhì)。擔(dān)子菌產(chǎn)生的各種蘑菇毒素等。 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(guò)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。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。 氧化作用是在加氧酶催化下進(jìn)行的。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。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。 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(guò)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。 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。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。此時(shí)原來(lái)被阻遏的次級(jí)代謝的酶，被激話或開(kāi)始合成。 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。 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。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。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。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)。 嗜石油諾卡氏菌對(duì)甲基環(huán)己烷降解 第六節(jié) H2 和 CO2 的微生物代謝 一、 H2的微生物代謝 1，分解代謝 氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。 在多數(shù)氫細(xì)菌中，有兩種氫化酶，其結(jié)構(gòu)和功能各不相同。兩條途徑中都有細(xì)胞色素存在，在許多氫細(xì)菌中還發(fā)現(xiàn)有 CoQ，一般認(rèn)為 ATP 產(chǎn)生是電子從氫傳到細(xì)胞色素 b 的部位，顆粒狀 氫化酶不受過(guò)量 ATP 的抑制，但可被 NADH、 CN 利 CO 所抑制?？扇苄詺浠覆皇?CN、 CO 的抑制。 偶聯(lián)部位以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明。有的還可利用嘌呤和嘧啶進(jìn)行生長(zhǎng)。 (2)果糖經(jīng) ED 途徑分解的關(guān)鍵是進(jìn)行脫氫氧化。 氫化酶是氫細(xì)菌進(jìn)行無(wú)機(jī)化能營(yíng)養(yǎng)方式生長(zhǎng)的關(guān)鍵酶，通過(guò)誘變使氫細(xì)菌中的 Hase 缺失，這種菌株在 O2 和 H2的系統(tǒng)中利用有機(jī)物而喪失了無(wú)機(jī)化能自養(yǎng)的特性，這表明 Hase缺失，使菌體中 NAD(P)+可完全用于脫氫酶的脫氫。 產(chǎn)氫速率為： mmol H2/L ,100h. （ 2）間接光解產(chǎn)氫（藍(lán)細(xì)菌） 藍(lán)細(xì)菌主要分為：藍(lán)綠藻、藍(lán)藻綱類、藍(lán)藻類 總反 應(yīng)式為： 12H2O + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2 C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2 代表性菌（藻）株： Anabaena variablilis（ umol H2/mg chla/h） （ 3）光發(fā)酵產(chǎn)氫（無(wú)硫紫細(xì)菌） 無(wú)硫紫細(xì)菌在缺氮條件下，用光能和還原性底物產(chǎn)生氫氣 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2 代表菌株為： Rhodospirillum rubrumL（ 180 ml H2/L of culture/h）； （ L H2/L or immobilized culture/h）。代表性菌株： Rubrivivax gelatinosus CBS （ 96mmol H2/mg cdw/h）。 經(jīng)卡爾文循環(huán)固定 CO2的過(guò)程可分為三個(gè)階段： 羧化階段：也就是 CO2 的固定階段，該反應(yīng)是在二磷酸核酮糖羧化酶催化下，以 l， 5— 二磷酸核酮糖作為 CO2 的受體，生成一個(gè) 6 碳的中間化合物，此化合物不穩(wěn)定，隨即水解成二分子 3— 磷酸甘油酸。還原過(guò)程包括兩步反應(yīng)： 反應(yīng)中 ATP 和 NADPH2 是必需的，前者參與活化羧基的磷酸化反應(yīng)，后者實(shí)際上是自身還原。這也是細(xì)胞如何將生 物合成與降解途徑分開(kāi)的一個(gè)手段。所生成的 4磷酸赤蘚糖，在醛縮酶催化下，與另一分子磷酸二羥丙酮縮合成 l， 7二磷酸景天庚酮糖。 1， 5二磷酸核酮糖的再生，是卡爾文環(huán)的 特有反應(yīng)，它的再生需要能量，是不可逆反應(yīng)，需要 5磷酸核酮糖激酶催化。為此需要 6 分子 1， 5二磷酸核酮糖分別作為 CO2 的受體，共生成 12 分子 3磷酸甘油酸 ，在此羧化階段，并不消耗能量。而 1mol 葡萄糖被徹底氧化時(shí)會(huì)放出約。 （二）異養(yǎng)型 CO2固定 異養(yǎng)型 CO2的固定主要是合成 TCA 環(huán)的中間產(chǎn)物。催化這類反應(yīng)的酶有以下幾種： 1，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶：它催化磺酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸并產(chǎn)生無(wú)機(jī)磷酸． 2，磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶：它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸，同時(shí)使 ADP 轉(zhuǎn)為 ATP 3，磷酸烯醇式丙酮酸羧基轉(zhuǎn)磷酸化酶：它所催化的反應(yīng)與②相同，但需要二碳酸和無(wú)機(jī)磷酸，后者本身能變成焦磷酸． 4，丙酮酸羧化酶： 它催化丙酮酸羧化成草酰乙酸，并使 ATP 轉(zhuǎn)化成 ADP 和 Pi，反應(yīng)中還需要生物素。三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物的消耗 (用于生物合成 )，可由這些固定作用加以補(bǔ)充。還有 CO2 和 NH3在氨甲酰磷酸合成酶催化下，生成氨甲酰磷酸，作為合成 UMP 的起始物或參與瓜氨酸的合成。在植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌的光合作用中，還原 CO2 的電子是來(lái)自水的光解，并有氧的釋放。前者是指光化反應(yīng)階段，后者是指暗反應(yīng)階段。其過(guò)程可分為五步：（ 1）光的吸收，紫色細(xì)菌通過(guò)光捕獲復(fù)合體 (Bchl 十類胡蘿卜素十 B870)；（ 2）使反應(yīng)中心葉綠素 (P870)處于激發(fā)態(tài) (P*870)；（ 3）電荷分離， P*870 失去一個(gè)電子為 P+870，高能電子躍升到電子受體細(xì) 菌脫鎂葉綠素 (Bph)形成 Bph；（ 4）電子沿醌鐵蛋白 (QFe)， Q 細(xì)胞色素 b 到 C 2 順序移動(dòng)，電子在細(xì)胞色素 b 至 C2 時(shí)偶聯(lián)磷酸化產(chǎn)生 ATP；（ 5）低能電子返回到 P+870 形成 P870，然后整個(gè)系統(tǒng)又接受光量子重復(fù)上述過(guò)程。紅螺菌科中醌鐵復(fù)合體的氧化還原電位不夠低，不能直接還原 NAD+，它們是通過(guò)環(huán)式電子傳遞 產(chǎn)生 ΔP，再由 ΔP推動(dòng)從琥珀酸到 NAD+的電子逆轉(zhuǎn)，以還原 NAD+為 NADH。對(duì)于工業(yè)上大規(guī)模投入生產(chǎn)的原料，除了要提出工藝上的要求外，還要提出生產(chǎn)管理和經(jīng)濟(jì)上的要求，因此，在選擇工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)酒精的原料時(shí)，應(yīng)考慮到下列諸條件： （ 1）因地制宜，就地取材，原料產(chǎn)地離工廠要近，便于運(yùn)輸，節(jié)省費(fèi)用。 （ 4）原料要容易貯藏。 此外，還應(yīng)當(dāng)考慮到大力節(jié)約糧食原料，盡量少用或不用糧食原料，充分利用當(dāng)?shù)氐姆羌Z食原料，廣泛利用野生植物原料，同時(shí)利用農(nóng)林副產(chǎn)物和植物纖維原料，以及亞硫酸鹽紙漿廢液等，對(duì)于節(jié)約糧食原料有著重要意義。同樣的理由，在一個(gè)巳設(shè)定的發(fā)酵罐中，發(fā)酵必然會(huì)受到培養(yǎng)基組份改變的影響。 2， 糧谷類 ： 高粱、玉米、大米、谷子、大麥、小麥、燕麥、黍和稷等。常用原料中主要的化學(xué)成分如下： 碳水化學(xué)物 ： 原料中所含的淀粉，或與淀粉類似的菊糖、蔗糖、麥芽糖、果糖及葡萄糖等，這些物質(zhì)都可以發(fā)酵生成 產(chǎn)品 ，同時(shí)也是霉菌和酵母的營(yíng)養(yǎng)及能源，原料中含這 些物質(zhì)越多，生成酒精也就越多，所以它和產(chǎn)量有著密切的關(guān)系。一般的說(shuō)，當(dāng)培養(yǎng)基內(nèi)氮的含量適當(dāng)，則 微生物 生長(zhǎng)旺盛，酶的含量也較高。一些 發(fā)酵 廠如采用玉米作為原料，總是把玉米坯芽除去。而發(fā)酵培養(yǎng)基是否適合于菌體的生長(zhǎng)或積累代謝產(chǎn)物，對(duì)最終產(chǎn)品的得率具有非常大的影響。 這些培養(yǎng)基的組份的數(shù)量?jī)H僅是供給細(xì)胞形成產(chǎn)物，而不包括生成細(xì)胞所需的營(yíng)養(yǎng)。在許多培養(yǎng)基中增加磷酸鹽濃度，其用意是增加培養(yǎng)基的緩沖容量，這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)培養(yǎng)基時(shí)要引起注意。 該