发酵生物化学基础

发酵生物化学基础第一节 糖的微生物代谢（自学）第二节 脂类和脂肪酸的微生物代谢（自学）第三节 氨基酸和核酸的微生物代谢（自学）第四节微生物的次级代谢早年面的章节中我们明白得了微生物从外界接收各类养分物质经由过程分化代谢和合成代谢产生出保持生命活动的物质和能量的初级代谢过程此外，微生物还能进行次级代谢本节将概述次级代谢的概念及其类型介绍几个有代表性的次级代谢产品的生物合成途明白得次级代谢的特点扼要介绍当前风行的有关次级代谢的心理功能的学说。一、次级代谢的概念及类型（一）次级代谢的概念次级代谢的概念是1958年由植物学家Rohland起首提出来的。他把值物产生的与植物进展发育无关的某些特有的物质称为次级代谢物质合成和应用它们的门路即为次级代谢1960年微生物学家BuLock把这一概念引入微生物学范畴。次级代谢并没有一个十分严格的定义它是相关于初级代谢而提出的—个概念主假如指次级代谢产品的合成它具有专门多特点依照这些特点能够认为次代指微在的展代一是生久)品的。如。型级有：1型。（1型：（A截了当葡萄合成次代谢产。例如曲霉属(Aspergillus)产生的曲酸、蛤蟆菌(Amanitamuscarina)产生的蕈毒碱，放线菌产生的链霉素以及大年生等。OHOO CHOH曲酸（由苯成喷次代品例线产氯素新霉等。（C）酸合次物多酸首重初级疡素S。（2型：（A）以脂肪酸为前体，经由几回脱氢、β-氧化之后，生成比本来脂肪酸碳数少的聚乙炔(po1yacetylene)脂肪酸。这种次级物质多在高等植物中存在。担子菌中也能见到。（酰CoA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CoA等链中的羰基不被还原，而生成聚酮(po1yketide)或β—多酮次甲基链(β-polyketomethylene)。由此进一步生成不合的次级代谢产品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单脱。（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品主假如由霉菌产生的例如烟曲霉素(三个异戊烯单位聚合而成)、赤霉素(四个异戊烯单位聚合而成)、梭链孢酸由六个异戊烯单位聚合而及由八个异戊二烯单位聚合成的β-胡萝卜素等。（4）与TCA环有关的类型与TCA环相连的次级代谢产品也能够分为两类：一类是从TCA环获得的中心产品进一步合成次级产品，例如由—酮戊酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生裁缝康酸。另一类是由乙酸获得的有机酸与TCA环上的中心产品缩合生成次级产品例如，脂肪酸α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蕈(三酸α-十六烷基柠檬酸)确实是由十八烷(C17H33·COOH的α-亚甲基与草酰乙酸的羰基缩合而成。（5）与氨基酸代谢有关的类型与氨基酸代谢有关的次级代谢，能够分为三类：（A丝氨酸；担子菌由色氨酸合成口磨氨酸、鹅膏氨酸、二甲基-4-羟色胺磷酸以及靛蓝等。（毒)先以肽键结合，闭环生成二酮吡嗪(diketopiperazine进一步形成的。半胱氨酸和缬氨酸以别的的缩合方法形成6—氨基青霉素烷酸。（C）个氨缩的产氨间肽合成菌)产生的恩镰孢菌素(enniatne门菌A杆鼻。现将微生物产生的重要次级代谢产品以及这些产品的合成与初级代谢的关系列于表7-1。2，照品感区类型依次代产的化分抗素素物毒维素等类。抗素是生产的有异菌化类级品日发明的抗生素已有2500~3000种青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)、博莱霉家(争光霉素)等几十种抗生素已进行工业临盆。激素微生物产生的一些能够刺冲动植物进展或性器官发育的一类次级物质。例如赤霉菌ai)。菌(Clavicepspurpurea)能够产生麦角生物碱。毒素：大年夜部分细菌产生的毒素是蛋白质类的物质。如破感冒梭菌Clostridiumtetani)生的感冒素，喉杆菌(Corynebacteriumdiphtheriae产生的白喉毒素，肉毒梭菌(Clbotulinu)产生的肉毒素及苏云金杆菌(Bacillusthuringiensi)产生的伴胞晶体等。放线菌，真菌也产生毒素。例如黄曲霉Arlsfs产霉担生蘑等。色许物过生色质菌Saas)物。须菌(oamsp．)产生维生素B2分菌(Mm)产生产和β-。二、次级代谢产品的生物合成次级代谢产品的合成过程能够概括为如下模式：次级代谢产品的合成是以初级代谢产品为前体进入次级代谢产品合成门路后，大年夜约经由三个步调，合成次级代谢产品。第一步前体聚合前体单位在合成酶催化下进行聚合例如四环素合成中，酰等形成多酮链，进而合成四环素及大年夜环内酯类抗生素。多肽类抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽链。第二步，构造润饰。聚合后的产品再经由润饰反响如环化、氧化、甲基化、氯化等。氧化感化是在加氧酶催化下进行的次级代谢中的加氧酶多是单加氧酶它把氧分子中的一个氧原子添加到底物上，另一个氧原子还原成水，并常伴有NAPH的化。RHO2NAPH2→ROH+2O十NADP次级代谢中的氯化反响能够看作是特点性的反响在氯过氧化物酶催化下进行。此酶是糖蛋白，含有高铁原卟啉。在金霉索，氯霉素合成中都有此反响，简示如下：RH+H2O2+C1-+H→RCl+2H2O第三步，是不合组分的装配。如新生霉素的几个组分，4-甲氧基-5，5’-二甲基-L-来苏糖(noviose)喷鼻豆素和对经基苯甲酸等形成后再经装配成新生霉素，图示如下。诺卡霉素A(nocardicinA分子装配如下图所示。三、次级代谢的特点1，次级代谢以初级代谢产品为前体，并受初级代谢的调剂次级代谢与初级代谢关系紧密初级代谢的关键性中心产品多半是次级代谢的前体。例如糖降解产生的乙酰CoA是合成四环素、红霉案及β-胡萝卜素的碱。。出于初级代谢为次级代谢供给前体因此产生前体物质的初级代谢过程受到操纵时也必定阻碍次级代谢的进行是以初级代谢还具有调剂次级代谢的感化例如三羧酸轮回能够调剂四环素的合成赖氨酸的反馈调剂操纵着青霉素的合成。色氨酸调剂麦角碱的合成等，具体调剂过程见代谢调剂一章有关部分。2，次级代谢产品一样在菌体进展后期合成初级代谢贯穿于生命活动始终与菌体进展平行进行而次级代谢一样只是．在菌体对数进展后期或稳固生经久进行是以此类微生物的进展和次级代谢过程能够区分为两个时期，即菌体进展时期和代谢产品合成时期。例如，链霉素、代中是菌体滋长期合成，而在合成培养基中，它的合成与进展平行。又如麦角菌Cpurpurea)的养分缺点型菌株在含葡萄糖及酵母膏的天然培养基中先长菌体，滋长期合成生物碱，而在合成培养基中，菌体进展迟缓，同时合成生物碱。．磷力时中期、这。的。第五节芳喷鼻族化合物的微生物代谢一、芳喷鼻烃的分化微生物对芳喷鼻烃的分化是在有氧前提下进行的起首以形成二元酚如邻苯二酚、原儿茶酸等作为环裂解底物，再进一步氧化分化。苯转化成邻苯二酚苯的氧化起首是生成二羟基已二烯再转化为邻苯二酚，其过程见下图。苯的微生物氧化苯转化成邻苯二酚的酶系是由三个组分构成的①分子量为60000含有D为0含有非血红素的蛋白，②分子为18600含有非血红铁的红色白质，些组分的能如图示。微生物氧苯的双氧的功能甲苯转化环裂解底：甲苯化成邻苯酚有两门路（1）Kitagawa用(P．a)实羧甲。路（2）r用s羟成-苯甲酸是若何转化成邻苯二酚的。这是1971年Reiner等才弄清其确切的反响次序。苯甲酸氧化成邻苯二酚的门路邻苯二酚环裂解及其降解邻苯二酚经由过程两种门路之一进行降解这取决于环是在两个羟基之间裂解(邻位裂解)，照样在羟基旁裂解(间位裂解)。两种反响差不多上由双氧(dioxygnases)催化，前一种由邻苯二酚酶(邻苯二酚-1，2-双氧酶)催化，后一种由变邻苯二酚酶(邻苯二酚-23-双氧酶)催化，其产品分别是顺一康半再一解正的心物别成β-酮己二酸和4-羟-酮戊酸。进一步分化则得琥珀酸、乙酰辅酶A和丙酸乙，再由TCA环完全氧或入他生合门。下图示。邻苯酚裂门路原儿酸邻二酚降方相似，能间或邻裂门降。邻位解的终产品是珀，位裂的产是分子酮。脂环的化全烃中环烃微物化抗性强今已知一种生能环己作独的源和源进环烷被种假胞菌属细的淆养物由代而缓地解这微物的第种应正烷烃它可应用庚烷灵敏进展假如有环已烷同时存在则环己烷披共氧化为环已醇然后环已醉被混淆培养物中的另一种微生物所降解实际上有几种微生物能够应用环己醇进展．如小球诺卡氏Nocardiagloberula)对环己醇的降解过程如下图所示。小球诺卡氏菌对环己醇的降解嗜石油诺卡氏aa)可解。解第六节H2和CO2的微生物代谢一、H2的微生物代谢氢细菌差不多上一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能应用分子氢，氧化产生的能量同化CO2，也能应用其它有机物进行进展。分子氢化水，出量②分氢原CO2成为细胞物，总的果是以6：的比消费H2，O2和CO2，其反响如下：四分子氢氧化成水所放出的能量可产生一分子P原CO2构成细胞物质和保持细菌的进展。素K2它呼生P菌a)只含有一种可溶性氢化酶，它可使氢还原NA生NA，然后，NAH再作呼吸链的供氨体，产生P。。（1酶e)如真养产碱菌(Aeutrophus)的颗粒状氢化酶是由两个亚基构成的，一个亚基分子量为3700为30为11化于NAD+的脱氢酶作中心体催化氢的氧化并把电子直截了当传给呼吸链产生P吸：素K2(K的门路另—条是与维生素K2明有CoQ，一样认为P素b酶量P被NA、CN利CO所克制。（2）可溶性氢化酶(so1ublehydrogenase)真养产碱菌(Aeutrophus)的可溶性氢化酶存在于细胞质中，由四聚体复合基(为000为112，和S间N：Fe：S摩尔比为2：12：12。可溶性氢化酶催化氢的氧化能直截了当还原NAD+还能还原CytbCytc等氧、NA+和甲起，受ADP相P相对浓度的操纵，当AP缺乏P，。品NP对有用。可氢受CN-CO定CO2的还原力别的它可直截了当输送电子进入呼吸链两种氢化酶的感化及电子传送门路见下图。真养产碱菌中两种氢化酶的功能。偶联部位以阿拉伯数字标明Phas（颗粒状氢化酶、Shas（可溶性氢化酶）在真养产碱菌中，同时含有CoQ和VK2，因培养前提不合，这两种物质的相对浓度则不合。在氧限量时CoQ明显削减，当氧过量时V2含量微。有O2无2有。，H2的存在能阻抑菌体对有机如对果的应用，这种现象称为氢效应。共缘故有两方面：(1果糖的应用是经由过程ED使ED门路中合成引诱到克因不不及用ED门分化机物含果。(2果糖经D门路分化关是进脱氢化。氢菌体内NDP)是有限，当有O2和H2时，氢化酶催化生成NAD()，饺菌体内NAD()削减。因为果糖分化脱下的氢不克不及交给NAP(因消费于情形中氢的还原)故在这种情形下不克不及应用果糖等有机物。其本质是氢细菌中的氢化酶D门路的关键——氢酶夺内有的NAD(P)+，而使进展停止。氢化酶是氢细菌进行无机化能养分方法进展的关键酶经由过程诱变使氢细菌中的Hae缺掉种在O2和H2能解Hae缺掉体中NAD(P)+可完全用于脱氢酶的脱氢。二、C的微生物代谢CO2是自养微生物的唯—碳源。异养微生物也能应用CO2作为补的源。将空中的CO2同化成细胞质的程称为CO2固定感化CO2的固定方法有自养型和异养型两种。（一）自养型CO2固定Calvin轮回的三个时期自养微生物，包含光能自养和化能自养，固定CO2的门路以三。二磷酸核酮糖环：那个门路最初是由卡尔文(Calvin)等研究绿藻的光合感化时查明的因此又称为卡尔文环二磷酸核酮糖环是所有光能自养和化能自养微生物所共有的门路。经卡尔文轮回固定CO2的过程可分为三个时期：羧化时期：也确实是CO2的固定时期，该反响是在二磷酸核酮糖羧化酶催化下，以l，5—二磷酸核酮糖作为CO2的受体，生成一个6碳的中心化合物，此化合物不稳固，赶忙水解成二分子3—磷酸甘油酸。在个3-甘自CO23-P甘油酸是CO2固定过程中的第个稳固心产品。还原时期被固定在3P-甘油分子中碳原子与CO2中的原一，具有同样的氧化程度，只有经由还原时期，才能使来自CO2的碳原子还原到碳水化合物的氧化程度。还原过程包含两步反响：反响中P和NADPH2是必的前介活羧的酸反，者解(BM门路和二磷酸核糖中共酶在酵反是以NAD辅催反降解化在酸糖是以NADPH2为辅酶所催的反是生物合成还原这种别专重要为许能使一酶在合前下催两种性质合的响自使功也细胞何将物合与降门路开的一个段。再生期CO2固生的3-甘部用活合成化(构)子3-磷酸甘油醛成成的糖又和另一分子3-磷酸甘油醛经转酮酶催化，生成5磷酸木酮糖和4磷酸赤藓糖所生成的4磷酸赤藓糖在醛缩酶催化下与另一分子磷酸二羟丙酮缩合成落位上的磷酸基团，而生成7磷酸景天庚酮糖这是一个弗成逆反响包管卡尔文环沿合成偏向进行。由上述一系列反响所生成的7-磷酸景天庚酮糖在转酮酶催化下与另一分子3成-和-磷酸核糖5磷酸核糖经异构化生成5磷酸核酮糖5磷酸木酮糖经表异构化也生成5些-酮在-磷成15-而CO2受体得以再图6-3)，又可接收CO2，反复上述一系列的反响，最终终局是将CO2同化成为己糖，在此过程中消费了大年夜量的P和NADPH2。1，5-二磷酸核酮糖的再生，是卡尔文环的特有反响，它的再生须要能量，是弗成逆反响，须要5磷酸核酮糖激酶催化。环中CO2受体生综环了BP和P门尔是1，-，1，7-和5糖。将6分子CO2同化成1分子葡萄糖。为此须要6分子1，5二磷酸核酮糖分别作为CO2的受体，共生成12分子3-磷酸甘油酸，在此羧化时期，并不消费能量。大年夜量的能量消费在由3-磷酸甘油酸被还原成3磷酸甘油醛的还原时期，共计消费12分子P和2子NADPH2，在还原时期所生成的12分子3-磷酸甘油醛中，有2分子被用以缩合成1分子葡萄糖，其余10分子3磷酸甘油醛与介入CO2组成6的1-二磷酸核酮糖在那个复杂的反响系列中除最后一步反响，由5磷酸核酮糖生成15磷核糖须要P外(要6子其定6子CO2，消费l8分子P和2子NADPH2，总反响式为：6CO22 C6126+18ADP+18Pi+2NAD（P）P和NAD()H2被称为同力光合物中靠光形的在无自养细中则氧化机物得。计J计J成入J而全约J有0子有10％的输入能量消费于卡尔文环的运行，是以，能量转化效力是专门高的。别的还有还原的三羧酸环和还原的单羧酸环两条门路感爱好的同窗可参阅相干参考书。总之，自养型CO2固的是CO2被固定在一机物受上，一些接了CO2的受体分子由一系列反响，将CO2构成碳水合物并从新生该体。（二异型CO2固定异养型CO2的固定假合成TCA环的心品从论来，用1分子酰酸能赓地动TA环行(程A生)如A以持TA的定CO2生成碳羧，补偿TCA环的中产。化类响酶以几：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产生无机磷酸．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，同时使ADP转为P3，磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸化酶：它所催化的反响与②雷同，但须要二碳酸和无机磷酸，后者本身能变成焦磷酸．4，丙酮酸羧化酶：它催化丙酮酸羧化成草酰乙酸，并使P转化成AP和5，苹酸酶它催丙酮还羧化苹果，以NAD()2为供氢。6，异柠檬酸脱氢酶：它催化α-酮戊二酸还原羧化成异柠檬酸，须要NA(P2。毫无问上六酶并应存在一个机体例肠杆科中就以磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶为主，催化固定CO2的反响。三羧酸轮回的中心产品的消用于生物合定CO2的门路可归纳如图6—l0。此外在脂肪酸合成中也有固定CO2的反响如乙酰-CoA在乙酰-CoA羧化酶的催化下生成丙二-Co，此反响得要生物素和P。定CO2的反响嘌核苷合成5-氨基咪唑核糖-磷与CO2反响，生成5氨基4羧基咪唑核糖-5磷有CO2和N3在化，成UP的肇入瓜。异定CO2的方法，在专门多微生物中都有，甚至某些自养的光合细菌也有此种反响方法。这种固定CO2方法点是CO2被固定某种机物主假如机酸)中成果加了链使来自CO2的碳原子也可用于某些物质的生物合成。第七节微生物的光合感化光合感化是天然界一个极其重要的生物学过程除高等植物外还有光合微生物如类蓝菌光细菌包紫细、色菌嗜菌等)植原CO2的电子是来自水的光解，并有氧的开释。把这光合化称放氧光合化。光合菌中光合化还原CO2合。光合感化的本质是指生物(包含植物、藻类和光合细菌)将光能改变为化学能，并以稳固情势贮藏的过程。前者是指光化反响时期，后者是指暗反响时期。现分别介绍几种光合细菌的能量转化。一、紫色细菌的光能转化紫色细菌的光能电子传递见71。紫细的能子递路从上图可知，紫色细菌是以环式电子传递方法进行的。其过程可分为五步：（1）光的接收，紫色细菌经由过程光捕捉复合Bcl十类胡萝卜素十B7；（2）使反响中间叶绿素(P870处于激发态(P*870)（3）电荷分别，P*870掉去一个电子为P7素形（4）蛋白(QF，Q胞素b到C2次序移动，电子在细胞色b至C2时偶联磷酸化产生P（5到0成P870，然后全部体系又接收光量子反复上述过程。紫色细菌在生物合成中须要NA(P。当其在氢中进展时，能够应用分子氢直截了当还原NAD(P)+为NAD(P)H。在异养进展时，各类氧化还原电位较高的基质对NA的还原一样差不多上由光能推动的红螺菌科中醌铁复合体的氧化还原电位不敷低不克不及直截了当还原NA它们是经由过程环式电子传递产生ΔP再由ΔP推从酸到N的电子逆转以还原NA为NA。紫色细菌光能转化的特点是：①紫色细菌能应用长波光，Bl接收光的峰值为870n②紫色细菌是环式电子传递方法进行的③在异养进展时一样不不及直截了当还原NAD为NADH。二、绿色细菌的光能转化绿色纲菌的光能电子传递见下图。从图中可知绿色细菌也是以环式电子方法进行传递的其过程可分为五步：①光的接收，绿色细菌经由过程天线光合色主假如Bchlc和类胡萝卜素，有的还伴有Bd和e)素)念)分使P*840形成P+840和一个电子那个高能电子跃升到电子受体—S白使—S白(Em＝一54)被原电由—S类K、CQ)，细胞色