【正文】 （個別為有機氧化物）的生物氧化，是一種無氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。 無氧呼吸的類型： 硝酸鹽呼吸 ： NO3 NO2, NO, N2 硫酸鹽呼吸 ： SO42 SO32,S3O62,S2O32 無機鹽呼吸 H2S 硫呼吸 ： S0 S2 碳酸鹽呼吸： CO2,HCO3 CH3COOH CO2, HCO3 CH4 延胡索酸呼吸 ：延胡索酸 琥珀酸 無氧呼吸：某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是像 NO NO SO4 CO2等這類外源受體。 與發(fā)酵不同，無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有氧化磷酸化作用而生成 ATP，也能產(chǎn)生較多的能量。但由于部分 能量在沒有充分釋放之前就隨電子傳遞給了最終電子受體，故產(chǎn)生的能量比有氧呼吸少。 在無氧呼吸中，作為能源物質(zhì)的呼吸基質(zhì)一般是有機物，如葡萄糖、乙酸等，通過無氧呼吸也可被徹底氧化成 CO2，并伴隨有 ATP的生成。 例如： 硝酸鹽還原細菌在厭氧條件下，可把 NO3作為電子的最終受體，即 : 根據(jù)微生物還原硝酸的去向分為同化型硝酸還原和異化型硝酸還原 硝酸鹽呼吸 (nitrate respiration)也稱反硝化作用(denitrification)。硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能：NO3作為微生物的氮源營養(yǎng)物；在無氧時 NO3作為呼吸鏈的最終氫受體。有些細菌能以 NO3為最終氫受體，這些細菌稱為反硝化細菌或硝酸鹽還原菌。如地衣芽孢桿菌 (Bacillus Licheniformis)、脫氮副球菌 (Paracoccus denitrification)及銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等均能 進行反硝化作用 意義：對自然界氮素循環(huán)有重要意義，氮素在海洋中積累，反硝化作用分解之。 害處：造成土壤中氮素的損失，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。 能量：產(chǎn)能一般 4— 5個 ATP，比發(fā)酵多比有氧呼吸少。 硫酸鹽呼吸（還原） 三、自養(yǎng)微生物的生物氧化 還原 CO2時 ATP和 [H]的來源 順呼吸鏈傳遞 CO2 NH4+, NO2, H2S, S ATP (最初能源 ) 耗 [H]產(chǎn) ATP 逆呼吸鏈傳遞 S,H2,Fe2+ NAD(P)H2 （無機氫供體） 耗 ATP產(chǎn) [H] [CH2O] （一）氨的氧化 NH3同亞硝酸（ NO2）可以做能源的最普通的無機氮化合物，能被硝化細菌氧化，硝化細菌可分為 2個亞群 ：亞 硝化細菌和硝化細菌。 氨氧化為硝酸的過程分為 2個階段，先由 亞 硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸。 硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細菌，以分子氧為最終電子受體，絕大多數(shù)是專性無機營養(yǎng)型。 （二）硫的氧化 硫桿菌能利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化物作能源。 H2S首先氧化成元素硫，再被硫氧化酶和細胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中偶聯(lián)產(chǎn)生 4個 ATP。 亞硫酸鹽的氧化分為兩條途徑：一是直接氧化成 SO42的途徑，由亞硫酸鹽 細胞色素 C還原酶和末端細胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生 1個 ATP；二是經(jīng)磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化 1分子 SO32產(chǎn)生 ATP。 （三）鐵的氧化 從亞鐵到高鐵的氧化，對少數(shù)細菌而言是一種產(chǎn)能反應(yīng)，但只有少數(shù)的能量可被利用。 在低 PH環(huán)境中利用亞鐵氧化時放出的能量生長，在電子傳遞到氧的過程中細胞質(zhì)內(nèi)有質(zhì)子消耗，從而驅(qū)動 ATP的合成。 （四） 氫的氧化 氫細菌都是一些革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。能利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量，同化 CO2，也能利用其他有機物生長。氫細菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統(tǒng)，電子在呼吸鏈傳遞過程中產(chǎn)生 ATP。多數(shù)氫細菌中有兩種與氫的氧化有關(guān)的酶（顆粒狀氧化酶：驅(qū)動質(zhì)子的跨膜運輸，形成跨膜質(zhì)子梯度，為 ATP的合成提供動力；可溶性氫化酶：催化氫的氧化，使 NAD+還原，所生成的NADH主要用于 CO2的還原。） 四、能量轉(zhuǎn)移 在產(chǎn)能代謝過程中，微生物通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化將某種物質(zhì)氧化釋放的能量存于 ATP等高能分子中，對光合微生物可通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能存于 ATP中。 ATP的生成方式 光合磷酸化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 電子傳遞磷酸化 ? 底物水平磷酸化：在發(fā)酵途徑中，通過底物水平磷酸化合成 ATP ，是營養(yǎng)物質(zhì)中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成細胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷酸化是指物質(zhì)在氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián) ATP或 GTP的合成，這種產(chǎn)生 ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程的某些步驟中。如在 EMP途徑中， 1,3二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)? 3磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中，均通過底物水平磷酸化分別產(chǎn)生 1分子ATP。在三羧酸循環(huán)中，琥珀酰輔酶 A轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁釙r通過底物水平磷酸化生成 1分子高能磷酸化合物 GTP。 ? 氧化磷酸化：物質(zhì)在生物氧化過程中形成的 NADH或 FADH2可通過電子傳遞鏈將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個過程中伴隨著將 ADP磷酸化而形成 ATP的過程，稱為氧化磷酸化。 氧化磷酸化 物質(zhì)在生物氧化過程中形成的 NADH和 FADH2可通過位于線粒體內(nèi)膜和細菌質(zhì)膜上的電子傳遞系統(tǒng)將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個過程中偶聯(lián)著 ATP的合成，這種產(chǎn)生 ATP的方式叫氧化磷酸化。 ATP ATP ATP 光合磷酸化 光合作用的實質(zhì)是通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，以用于從 CO2合成細胞物質(zhì)。除了綠色植物以外，能進行光合作用的微生物還有藻類、藍細菌和光合細菌（包括紫色細菌、綠色細菌、嗜鹽細菌等）。 在光合磷酸化過程中，一個葉綠素（或細菌葉綠素）分子吸收光量子即被激活，導(dǎo)致葉綠素釋放一個電子而被氧化，釋放出的電子在 電子 傳遞系統(tǒng)中逐步釋放能量。 光合磷酸化 環(huán)式光合磷酸化 非環(huán)式光合磷酸化 藍細菌與高等植物 紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌 微生物次級代謝與調(diào)節(jié) ? 引論 微生物次級代謝的特征 次級代謝產(chǎn)物的類型 抗生素的生源學(xué) 初級與次級代謝途徑相互連接 ? 次級代謝物生物合成的前體 前體的概況 前體的作用 前體的限制性 ? 次級代謝物生物合成原理 ? 微生物次級代謝作用的調(diào)控 微生物次級代謝的特征 ? 一般在菌的生長后期產(chǎn)生，往往以初級代謝產(chǎn)物為前體 。 生長期末細胞內(nèi)酶的組成發(fā)生變化，與次級代謝物合成相關(guān)酶的突然出現(xiàn)有關(guān)； 也可能是前體的積累，誘導(dǎo)； 編碼次級代謝產(chǎn)物的基因從分解代謝物阻遏中解脫所致。 ? 種類繁多，含有不尋常的化學(xué)鍵 ： 氨基糖、苯醌、環(huán)氧化合物、吲哚衍生物、四環(huán)類抗生素等。 ? 一種菌可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相近的一族抗生素： 產(chǎn)黃青霉能產(chǎn)生至少 10個具有不同特性的青霉素，他們具有不同的生物活性。 ? 次級代謝涉及的酶專一性較低。 ? 一種微生物的不同菌株可以產(chǎn)生多種在分子結(jié)構(gòu)上完全不同的次級代謝產(chǎn)物： 灰色鏈霉菌不僅產(chǎn)生鏈霉素，還可用來生產(chǎn)白霉素、灰霉素和灰綠霉素等。 不同種類的微生物也能產(chǎn)生同一種次級代謝產(chǎn)物 ：點青霉、產(chǎn)黃青霉、土曲霉、構(gòu)巢曲霉等都產(chǎn)生青霉素。 ? 次級代謝產(chǎn)物的合成對環(huán)境因素特別敏感 ： 抗生素合成需較低磷酸鹽濃度 mmol/L，而生長耐受范圍平均大 10倍， mmol/L。 ? 微生物由生長期向生產(chǎn)期過渡時，菌體在形態(tài)上會發(fā)生一些變化： 芽孢、孢子 ? 微生物的次級代謝產(chǎn)物的合成過程是一類由多基因控制的代謝過程： 這些基因不僅位于微生物的染色體上，也位于質(zhì)粒中 ——生產(chǎn)的不穩(wěn)定性。 次級代謝產(chǎn)物的類型 ? Berdy的化學(xué)分類系統(tǒng) (教材 P311315） ? 根據(jù)次級代謝產(chǎn)物合成途徑分為 5個類型。 與糖代謝有關(guān)的途徑： 前體物質(zhì)是葡萄糖（曲酸，鏈霉素）、預(yù)苯酸（氯霉素，新霉素） 和磷酸戊糖（嘌呤霉素等）。 脂肪酸代謝有關(guān)的類型 ：四環(huán)素、紅霉素等。 與萜烯和甾體化合物合成有關(guān)的類 ：煙曲霉素，赤霉素。 與 TCA環(huán)有關(guān)的類型 ：衣康酸。 與氨基酸代謝有關(guān)的類型 ： 初級與次級代謝途徑相互連接 ? 初級代謝為次級代謝提供前體化合物 ? 次級代謝通常由初級代謝中間體修飾形成 ? 三種修飾的生化過程： 生物氧化與還原 ——醇和羰基的氧化、雙鍵的引入或還原、氧原子的引入和芳香環(huán)的氧化性裂解 生物甲基化 ——聚多酮的合成中起重要作用：金霉素、紅霉素、林可霉素 生物鹵化 ——分子上含鹵素的次級代謝物：金霉素、灰黃霉素等 次級代謝物生物合成的前體 ? 前體 指加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，能被微生物直接結(jié)合到產(chǎn)物分子中去而自身結(jié)構(gòu)沒有多大變化。 ? 中間體 指養(yǎng)分或者基質(zhì)進入一途徑后被轉(zhuǎn)化為一種或多種不同的物質(zhì)，它們均被進一步代謝，最終獲得該途徑的終產(chǎn)物。 微生物次級代謝產(chǎn)物大多源自以下一些關(guān)鍵初級代謝物，它們是初級代謝的中間體，可作為次級代謝物的前體（ Betina）： ? 糖類：己糖、戊糖、丁糖、氨基糖等 ? 氨基酸 /芳香氨基酸：天然氨基酸、 D氨基酸 ? 脂肪酸：乙酸、丙酸、甲基丙二酸等 ? 檸檬酸循環(huán)中間體 ? 嘌呤和嘧啶 前體的作用 ? 抗生素建筑材料作用 —— 葡萄糖的衍生物：氨基糖苷類、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素； HMP嘌呤 抗生素； 丙酮酸 丙氨酸 纈氨酸 亮氨酸 異亮氨酸是幾種肽類抗生素、頭孢菌素或青霉素族合成的重要中間體； 乙酰 CoATCA循環(huán) 氨基酸 次級代謝物。 ? 誘導(dǎo)抗生素生物合成的作用 —— 在細胞的特殊合成酶的活性被激活的情況下，前體濃度具有調(diào)節(jié)抗生素生產(chǎn)的作用。 如：頭霉素的合成前體 ——?氨基己二酸是由賴氨酸合成途徑來的，加入過量的賴氨酸或賴氨酸途徑中間體 ——?氨基己二酸可增加頭霉素的發(fā)酵單位；丙醇和丙酸可促進紅霉素的生產(chǎn)。 前體合成的調(diào)節(jié)機制 ? 若初級代謝和次級代謝均需要同一必需前體，則低濃度的前體需先滿足生長的需要； ? 如某一前體是次級代謝物生物合成的限制因素，則除去控制前體生物合成的反饋調(diào)節(jié)機制可使抗生素增產(chǎn)：金黃色假單胞菌的耐色氨酸結(jié)構(gòu)類似物的突變株是硝吡咯菌素的高產(chǎn)菌。 ? 低濃度的氯化物限制含氯的抗生素 ——灰黃霉素的生產(chǎn)。 前體導(dǎo)向抗生素的合成 ? 了解前體如何轉(zhuǎn)向抗生素的生物合成途徑 —— ? 合成途徑的第一個酶往往是關(guān)鍵酶； ? 另一些限制性酶受反饋、碳、氮、磷等的調(diào)節(jié)； ? 還有些酶受高濃度前體的誘導(dǎo)。 添加前體的策略 ? 外源前體在發(fā)酵液中的殘留濃度過高，會使菌中毒，不利于抗生素的合成；但前體不足也不行。 ? 青霉素 G的生產(chǎn) ——苯乙酸或苯乙胺 ? 理論用量為 /g青霉素 G游離酸； 酸 /g青霉素 V游離酸； ? 高產(chǎn)菌株對前體的利用率往往比低產(chǎn)菌株高很多（ 90％以上）； ? 少量多次或流加添加前體，控制發(fā)酵液中苯乙胺含量%%。 次級代謝物生物合成原理 ? 一旦前體被合成，適當(dāng)條件下流向次級代謝物生物合成的專用途徑。 ? 單體結(jié)構(gòu)單位被聚合，形成聚合物。 ? 這些特有的生物合成中間產(chǎn)物作后幾步的修飾，修飾的深度取決于產(chǎn)生菌的生理條件； ? 有些復(fù)雜的抗生素由幾個來自不同生物合成途徑組成的。 ? P183185 微生物次級代謝作用的調(diào)控 ? 微生物的次級代謝對微生物