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1、1 1 第三章 发酵生物化学基础 2 2 本章主要内容 第一节糖的微生物代谢（自学、复习） 第二节脂类和脂肪酸的微生物代谢（自学、复习） 第三节氨基酸和核酸的微生物代谢（自学、复习） 第四节微生物的次级代谢 第五节芳香族化合物的微生物代谢 第六节H2和CO2等的微生物代谢 第七节微生物的光合作用 第八节常见发酵产品的发酵机制（自学) 3 3 第四节微生物的次级代谢 ?次级代谢的概念 ?次级代谢产物的类型 ?次级代谢产物的生物合成 4 4 一、次级代谢的概念一、次级代谢的概念 次级代谢：是指微生物在一定的生长 时期(一般是稳定生长期)，以初级代 谢产物为前体，合成一些对微生物的 生命活动没有明确
2、功能的物质的过程 。微生物在这一过程产生的产物即为 次级代谢产物。 5 5 二、次级代谢产物的类型 1，根据产物合成途径区分类型 ?与糖代谢有关的类型 ?与脂肪酸代谢有关的类型 ?与萜烯和甾体化合物有关的类型 ?与TCA环有关的类型 ?与氨基酸代谢有关的类型 6 6 （1）与糖代谢有关的类型与糖代谢有关的类型 ?以糖或糖代谢产物为前体合成次级代谢产物 有三种情况： ?直接由葡萄糖合成次级代谢产物。例如，曲霉属 (Aspergillus)产生的曲酸，放线菌产生的链霉素以 及大环内酯抗生素中的糖苷等。 次级代谢产物的类型 曲酸曲酸 O O HO CH2OH 7 7 次级代谢产物的类型 ?由预苯酸合
3、成芳香族次级代谢产物，如放线 菌产生的氯霉素（chloromycetin）、新霉素 （neomycin）等。 新霉素 氯霉素 新霉素 氯霉素 8 8 ?由磷酸戊糖合成的次级代谢产物。磷酸戊 糖首先合成重要的初级代谢产物核苷类物 质，进一步合成次级代谢产物，如嘌呤霉 素、抗溃疡间型霉素、杀稻瘟菌素S以及 多氧霉素等。 次级代谢产物的类型 嘌呤霉素嘌呤霉素 Puromycin 9 9 10 10 （2）与脂肪酸代谢有关的类型）与脂肪酸代谢有关的类型 此类型有两种情况：此类型有两种情况： ?以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、- 氧化之后，生成比原来脂肪酸碳数少的 聚乙炔 氧
4、化之后，生成比原来脂肪酸碳数少的 聚乙炔(po1yacetylene)脂肪酸。这种次 级代谢物多在高等植物中存在。担子菌 中也能见到。 脂肪酸。这种次 级代谢物多在高等植物中存在。担子菌 中也能见到。 次级代谢产物的类型 11 11 ?次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰CoA， 再在羧化酶催化下生成丙二酰 ， 再在羧化酶催化下生成丙二酰CoA。在初级代谢中由此进一步合成 脂肪酸，而在次级代谢中所生成的丙二酰 。在初级代谢中由此进一步合成 脂肪酸，而在次级代谢中所生成的丙二酰CoA等链中的羰基不被还 原，而生成聚酮或 等链中的羰基
5、不被还 原，而生成聚酮或-多酮次甲基链。由此进一步生成不同的次级代 谢产物。例如四环素抗生素类。红霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生 成，即在丙酸上加上一个经脱羧的甲基丙二酸的 多酮次甲基链。由此进一步生成不同的次级代 谢产物。例如四环素抗生素类。红霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生 成，即在丙酸上加上一个经脱羧的甲基丙二酸的C3单位，最后由七 酮形成内酯环，再与红霉糖、脱氧氨基已糖，以糖苷的形式结合而 成为红霉素。 单位，最后由七 酮形成内酯环，再与红霉糖、脱氧氨基已糖，以糖苷的形式结合而 成为红霉素。 次级代谢产物的类型 12 12 （3）与萜烯和甾体化合物有关的类型 与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物
6、，主要是 由霉菌产生的，例如烟曲霉素 与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物，主要是 由霉菌产生的，例如烟曲霉素(三个异戊烯单位聚合 而成 三个异戊烯单位聚合 而成)、赤霉素、赤霉素(四个异戊烯单位聚合而成四个异戊烯单位聚合而成)、梭链孢 酸 、梭链孢 酸(由六个异戊烯单位聚合而成由六个异戊烯单位聚合而成)及由八个异戊二烯 单位聚合成的 及由八个异戊二烯 单位聚合成的-胡萝卜素等。胡萝卜素等。 次级代谢产物的类型 烟曲霉素烟曲霉素 梭链孢酸梭链孢酸 13 13 （4）与TCA环有关的类型 ?一类是从一类是从TCA环得到的中间产物进一步合成次级产物，例如由 环得到的中间产物进一步合成次级产物，例如
7、由 -酮戊二酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。酮戊二酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。 ?另一类是由乙酸得到的有机酸与另一类是由乙酸得到的有机酸与TCA环上的中间产物缩合生成 次级产物，例如，脂肪酸 环上的中间产物缩合生成 次级产物，例如，脂肪酸-亚甲基与草酰乙酸或亚甲基与草酰乙酸或-酮戊二酸羧 基或羰基缩合。担子菌产生的松覃 酮戊二酸羧 基或羰基缩合。担子菌产生的松覃 (三三)酸酸(-十六烷基柠檬酸十六烷基柠檬酸) 就是由十八烷酸就是由十八烷酸(C17H33COOH)的的-亚甲基与草酰乙酸的羰基 缩合而成。 亚甲基与草酰乙酸的羰基 缩合而成。 次级代谢产物的类型 衣康酸 松蕈
8、 衣康酸 松蕈 CH2C CH2COOH COOH COOH CHC16H33 CCOOH CH2 HO COOH 14 14 （5）与氨基酸代谢有关的类型 ?由一个氨基酸形成的次级代谢产物， 如放线菌产生的环丝氨酸、氮丝氨 酸；担子菌由色氨酸合成口磨氨酸。 由一个氨基酸形成的次级代谢产物， 如放线菌产生的环丝氨酸、氮丝氨 酸；担子菌由色氨酸合成口磨氨酸。 次级代谢产物的类型 N N CHCOOCH2CHCOOH NH2 氮丝氨酸氮丝氨酸 O HN O H CHCOOH NH2 口蘑氨酸口蘑氨酸 15 15 ?由二个氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒由二个氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒 (glioto
9、xin)。是由二个氨基酸先以肽键结合， 闭环生成二酮吡嗪 。是由二个氨基酸先以肽键结合， 闭环生成二酮吡嗪(diketopiperazine)进一步 形成的。 进一步 形成的。 次级代谢产物的类型 16 16 ?由三个以上氨基酸缩合而成的次级产物，氨基酸之间多 以肽键结合成直链状，例如镰刀菌(Fusarium)产生的恩 镰孢菌素(enniatine)。放线菌产生的很多次生物质属于 此类型。例如短杆菌A、放线菌素、短杆菌酪素、多粘 菌素、杆菌肽及紫霉素等。此外，还有二个以上氨基酸 经过复杂的缩合后形成含氮芳香环如麦角生物碱。 次级代谢产物的类型 17 17 2，根据产物的作用区分类型 抗生素抗生
10、素 激素激素 生物碱生物碱 毒素毒素 维生素维生素 次级代谢产物的类型 18 18 抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗 菌作用的一类次级产物。日前发现的抗生素 已有 抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗 菌作用的一类次级产物。日前发现的抗生素 已有2500-3000种，青霉素、链霉素、四环素 类、红霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素 、利福平、放线菌素 种，青霉素、链霉素、四环素 类、红霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素 、利福平、放线菌素(更生霉素更生霉素)、博莱霉家、博莱霉家( 争光霉素争光霉素)等几十种抗生素已进行工业生产。等几十种抗生素已进行工业生产。 次级代谢产物的类型 19 19
11、 激素：微生物产生的一些可以刺激动、 植物生长或性器官发育的一类次级物质 。例如赤霉菌(Gibberella fujikuroi)产生 的赤霉素。 生物碱：大部分生物碱是由植物产生的 。麦角菌(Claviceps purpurea)可以产生 麦角生物碱。 次级代谢产物的类型 20 20 毒素：大部分细菌产生的毒素是蛋白质类的物质。 如破伤风梭菌(Clostridium tetani)产生的破伤风毒素 ，白喉杆菌(Corynebacterium diphtheriae)产生的白 喉毒素，肉毒梭菌(Cbotulinum)产生的肉毒素及 苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis)产生
12、的伴孢晶体 等。放线菌，真菌也产生毒素。例如黄曲霉 (Aspergillus flavus)产生的黄曲霉毒素。担子菌产生 的各种蘑菇毒素等。 次级代谢产物的类型 21 21 色素：不少微生物在代谢过程中产 生各种有色的产物。例如由粘质赛 氏杆菌(Serratia marcescens)产生灵 菌红素，在细胞内积累，使菌落呈 红色。有的微生物将产生的色素分 泌到细胞外，使培养基呈现颜色。 次级代谢产物的类型 22 22 维生素：作为次生物质，是指在特定条件下 ，微生物产生的远远超过自身需要量的那些 维生素，例如丙酸细菌(Propionibacterium sp )产生维生素B12，分枝杆菌 (M
13、ycobacterium)产生吡哆素和烟酰胺，假单 胞菌产生生物素，以及霉菌产生的核黄素和 -胡萝卜素等。 次级代谢产物的类型 23 23 三、次级代谢产物的生物合成 次级代谢产物的合成过程可以概括 为如下模式： 次级代谢产物的合成过程可以概括 为如下模式： 24 24 次级代谢产物的合成是以初级代谢产物为前 体，进入次级代谢产物合成途径后，大约经 过三个步骤，合成次级代谢产物。 前体聚合：前体单元在合成酶催化下进行聚 合。 结构修饰：聚合后的产物再经过修饰反应如 环化、氧化、甲基化、氯化等。 氧化作用RH+O2+NADPH2ROH+H2O十NADP 氯化反应RH+H2O2+Cl-+H+RCl
14、+2H2O 次级代谢产物的生物合成次级代谢产物的生物合成 25 25 次级代谢产物的生物合成次级代谢产物的生物合成 不同组分的装配：如新生霉素 26 26 诺卡霉素A(nocardicinA)分子装配 次级代谢产物的生物合成次级代谢产物的生物合成 27 27 第五节芳香族化合物的微 生物代谢 第五节芳香族化合物的微 生物代谢 ?芳香烃的分解 ?甲苯的分解 ?邻苯二酚的降解 ?原儿茶酸的降解 28 28 一、芳香烃的分解一、芳香烃的分解 微生物对芳香烃的分解是在有氧条件下进行的 ，首先以形成二元酚如邻苯二酚、原儿茶酸等 作为环裂解底物，再进一步氧化分解。苯的氧 化首先是生成二羟基已二烯，再转化为
15、邻苯二 酚。 29 29 苯转化成邻苯二酚的酶系是由三个组分构成 的： ?分子量为60000含有FAD的蛋白质； ?分子量为21000含有非血红素铁的蛋白质 ?分子量为186000含有非血红素铁的红色蛋白 质 30 30 二、甲苯转化成邻苯二酚的途径 Kitagawa用(Paeruiginosa)试验指出该菌分解甲苯是将甲基 氧化成羧基，再将苯甲酸转化为邻苯二酚，甲苯与苯甲酸 之间的中间产物是苯甲醇和苯甲醛， ?Walker用Pseudomonas菌试验证明甲苯分解存在另一条途 径，即二羟化反应将甲苯转化成3-甲基邻苯二酚作为裂解底 物。 31 31 三、邻苯二酚环裂解及其降解 邻苯二酚通过两
16、 种途径之一进行 降解 邻苯二酚通过两 种途径之一进行 降解 ?在两个羟基之间 裂解 在两个羟基之间 裂解(邻位裂解邻位裂解) ?在羟基旁裂解在羟基旁裂解(间 位裂解 间 位裂解)。 邻苯二酚酶变邻苯二酚酶邻苯二酚酶变邻苯二酚酶 32 32 原儿茶酸的降解 邻位裂解，终产物是琥珀酸 间位裂解，终产物是两分子丙酮酸。 33 33 第六节 H2和CO2的微生物代谢 ?H2的微生物代谢 ?CO2的微生物代谢 34 34 一、H一、H2 2的微生物代谢的微生物代谢 1，分解代谢，分解代谢 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自 养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同 化 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自 养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同 化CO2，也能利用其它有机物进行生长。，也能利用其它有机物进行生长。 35 35 ?在有分子氢和氧的条件下，氢细菌在生长过程 中实际上包括两个过程： ?分子氢氧化成水，放出能量； ?分子氢还原CO2成为细胞物质，总的结果是以
