發(fā)酵生物化學基礎

1、【最新卓越管理方案您可自由編輯】（生物科技行業(yè)）發(fā)酵生物 化學基礎2020年5月多年的企業(yè)咨洵顧問屋儂,經(jīng)過實戰(zhàn)驗證可以落地執(zhí)i亍的卓越管理方窠，值得您下我擁有第三章發(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

2、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

3、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

4、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。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S 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、B -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

5、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B 多酮次甲基鏈（apolyketomethylene）。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(nèi)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(nèi)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

6、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伊胡蘿卜素等。（ 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一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a-亞甲基與草酰乙酸或a一酮戊二酸竣基或染基縮合。擔子菌產(chǎn)生的松蕈 （三）酸（a-十六烷基檸檬酸）就是由十八烷酸（C17H33 COOH）的a-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，

7、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

8、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?，F(xiàn)將微生物產(chǎn)生的主要次級代謝產(chǎn)物以及這些產(chǎn)物的合成與初級代謝的關系列于表 7-1 。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25003000 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

9、物質。例如赤霉菌(Gibberellafujikuroi )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 (Clavicepspurpurea )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(Clostridiumtetani ) 產(chǎn) 生 的 破 傷 風 毒 素 ， 白 喉 桿 菌(Corynebacteriumdiphtheriae )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(Bacillusthuringiensis)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(Aspergillusflavus

10、)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(Serratiamarcescens )產(chǎn)生靈菌紅素，在細胞內(nèi)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(Propionibacteriumsp )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 伊胡蘿卜素等。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

11、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(nèi)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

12、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+H 2O2+CI-+H+ -RCl+2H 2O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P1解產(chǎn)生的

13、乙酰CoA是合成四環(huán)素、紅霉案及 伊胡蘿卜素的前體。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。初級代謝與次級代謝的關系如下圖所示。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

14、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(nèi)某些中間產(chǎn)物積累，原有酶活力下降或消失， 導致

15、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，青霉素合成中的酰基轉移酶、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

16、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： 分子量為 60000 含有 FAD的蛋白質；分子量為21000含有非血紅素鐵的蛋白質，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

17、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

18、，分別生成- 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

19、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(Nocardiagloberula )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 (Nocardiapetroleophila)可利用甲基環(huán)己烷生長，其最初降解步驟如下圖所示。嗜石油諾卡氏菌對甲基環(huán)己烷降解第六節(jié) H2 和 CO2 的微生物代謝一、 H 2 的微生物代謝氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。它們能利用分子氫，氧化產(chǎn)生的能量同化 CO2 ，也能利用其它有機物進行生長。在有分子氫和氧的條件下，氫細菌在生長過程中實際上包括兩個過程：分 子氫氧化成水，放出能量；分子

20、氫還原 CO2成為細胞物質，總的結果是以6:2: l的比例消耗H2 , O2和CO2,其反應如下:四分子氫氧化成水所放出的能量可產(chǎn)生一分子ATP ，用于還原CO2 構成細胞物質和維持細菌的生長。氫細菌的細胞膜上有泛醌、維生素 K2 及細胞色素等呼吸鏈成分，但與其它的好氧微生物不同，在氫細菌里，電子直接從氫轉移到呼吸鏈，電子再經(jīng)呼吸鏈傳遞產(chǎn)生ATP, 一種不透明的諾卡氏菌(Nocardiaopaca)只含有一種可溶性氫化酶，它可使氫還原NAD+ 產(chǎn)生 NADH ，然后， NADH 再作呼吸鏈的供氨體，產(chǎn)生 ATP。在多數(shù)氫細菌中，有兩種氫化酶，其結構和功能各不相同。( 1 )顆粒狀氫化酶 (pa

21、rticulatehydrogenase)如真養(yǎng)產(chǎn)堿菌 (A eutrophus ) 的顆粒狀氫化酶是由兩個亞基組成的， 一個亞基分子量為 37000 ，另一個亞基分子量為 37000 ，二者之比為 1： 1 。顆粒狀氫化酶結合在細胞質膜上， 它直接與呼吸鏈偶聯(lián)， 不經(jīng)過依賴于 NAD+ 的脫氫酶作中間體，催化氫的氧化，并把電子直接傳給呼吸鏈產(chǎn)生ATP。電子在呼吸鏈上傳遞可能有兩條途徑：一條是依賴于維生素K2(VK2) 的途徑；另條是與維生素K2 無關的途徑。 兩條途徑中都有細胞色素存在， 在許多氫細菌中還發(fā)現(xiàn)有CoQ ，一般認為 ATP 產(chǎn)生是電子從氫傳到細胞色素 b 的部位，顆粒狀氫化酶不

22、受過量ATP 的抑制，但可被NADH 、 CN 利 CO 所抑制。( 2 )可溶性氫化酶(so1ublehydrogenase)真養(yǎng)產(chǎn)堿菌 (A eutrophus ) 的可溶性氫化酶存在于細胞質中， 由四聚體復合組成，其中三個亞基(分子量分別為63000 、 60000 、 29000 ，摩爾比例為 1 ： 1 ：2,還含有黃素單核甘酸和 FeS中心(FMN: Fe： S摩爾比為2: 12: 12)。可溶性氫化酶催化氫的氧化， 能直接還原NAD+ ， 還能還原 Cytb 、 Cytc 等， 它不與氧、 NAD+ 和甲烯藍起反應，它受 ADP 相 ATP 相對濃度的控制，當 ADP缺少， AT

23、P 過量時，酶的活性受抑制。反應產(chǎn)物 NADP 對酶也有抑制作用?？扇苄詺浠覆皇蹸N- 、 CO 的抑制。它的主要功能是為菌體生長提供固定CO2的還原力。另外，它可直接運送電子進入呼吸鏈，兩種氫化酶的作用及電子傳送途徑見下圖。真養(yǎng)產(chǎn)堿菌中兩種氫化酶的功能。偶聯(lián)部位以阿拉伯數(shù)字標明。 Phase (顆粒狀氫化酶) 、 Shase (可溶性氫化酶)在真養(yǎng)產(chǎn)堿菌中，同時含有CoQ 和 VK2 ，因培養(yǎng)條件不同，這兩種物質的相對濃度則不同。在氧限量時，CoQ明顯減少，當氧過量時，VK2含量極微。必須指出，氫細菌是一類兼性化能自養(yǎng)菌，在有02無H2時，可利用糖或有機酸或氨基酸而生長。有的還可利用嘌呤和

24、嘧啶進行生長。當必細菌以無機化能營養(yǎng)方式生長時， H2 的存在能阻抑菌體對有機物(如對果糖)的利用，這種現(xiàn)象稱為必效應。共原因有兩方面：(1)果糖的利用是通過ED 途徑進行的。當有氧存在時，分子必使ED 途徑中酶合成的誘導受到抑制，因而不能利用 ED 途徑分解有機物，包括果糖。(2)果糖經(jīng)ED 途徑分解的關鍵是進行脫必氧化。在必細菌體內(nèi) NAD(P)+ 是有限的，當有 02 和 H2 時，必化酶催化生成NAD(P)H ，餃菌體內(nèi) NAD(P)+ 減少。由于果糖分解脫下的必不能交給NAD(P)+( 因消耗于環(huán)境中必的還原)故在這種情況下不能利用果糖等有機物。其實質是必細菌中的必化酶與ED 途徑的

25、關鍵酶脫必酶爭奪體內(nèi)有限的 NAD(P) + ，而使生長停止。必化酶是必細菌進行無機化能營養(yǎng)方式生長的關鍵酶，通過誘變使必細菌中的Hase缺失，這種菌株在O2和H2的系統(tǒng)中利用有機物而喪失了無機化能自養(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。二、 CO2 的微生物代謝CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源。異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為補助的碳源。將空氣中的 CO2 同化成細胞物質的過程稱為 CO2 固定作用。 CO2 的固定方式有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種。(一)自養(yǎng)型CO2 固定Calvin 循環(huán)的三個階段自養(yǎng)微生物，包括光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)，固定CO2 的途徑有以下三

26、條。二磷酸核酮糖環(huán) ：這個途徑最初是由卡爾文(Calvin) 等研究綠藻的光合作用時查明的，所以又稱為卡爾文環(huán)。二磷酸核酮糖環(huán)是所有光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物所共有的途徑。經(jīng)卡爾文循環(huán)固定CO2 的過程可分為三個階段：羧化階段： 也就是 CO2 的固定階段， 該反應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。在上述反應式中，只有一個3-P-甘油酸分子中的竣基來自 CO2。3-P-甘油酸是 CO2 固定過程中的第一個穩(wěn)定中間產(chǎn)物。還原階段：被固定在3-P- 甘油酸分子中的碳原子與CO2 中

27、的破原子一樣，具有同樣的氧化水平， 只有經(jīng)過還原階段， 才能使來自 CO2 的碳原子還原到碳水化合物的氧化水平。還原過程包括兩步反應：反應中 ATP 和 NADPH 2 是必需的，前者參與活化羧基的磷酸化反應，后者實際上是自身還原。應該指出，磷酸甘油醛脫氫酶是糖酵解（BMP） 途徑和二磷酸核酮糖環(huán)中所共有的酶。在糖酵解反應中是以 NAD 為輔酶，所催化的反應是降解與氧化；而在二磷酸核酮糖環(huán)中是以 NADPH 2 為輔酶，所催化的反應是生物合成與還原。這種差異很重要，因為這樣可以使一個酶在不同條件下催化兩種性質不同的反應，各自行使功能。這也是細胞如何將生物合成與降解途徑分開的一個手段。再生階段：

28、 CO2 固定所生成的 3- 磷酸甘油醛， 一部分被用于代謝活動或合成己糖。另一部分則轉化（異構 ）為磷酸二羥丙酮，后者再與另一分子3-磷酸甘油醛縮合成 l ， 6- 二磷酸果糖，并經(jīng)水解脫磷酸生成6- 磷酸果糖。所生成的 6- 磷酸果糖又和另一分子3-磷酸甘油醛經(jīng)轉酮酶催化，生成5-磷酸木酮糖和 4-磷酸赤蘚糖。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。后者經(jīng)磷酸酯酶催化，水解掉C-l 位上的磷酸基團，而生成 7- 磷酸景天庚酮糖，這是一個不可逆反應，保證卡爾文環(huán)沿合成方向進行。由上述一系列反應所生成的 7- 磷酸景天庚酮糖在轉酮酶

29、催化下與另一分子3-磷酸甘油醛反應，生成5-磷酸木酮糖和 5-磷酸核糖， 5-磷酸核糖經(jīng)異構化生成 5-磷酸核酮糖， 5-磷酸木酮糖經(jīng)表異構化也生成5-磷酸核酮糖。這些 5-磷酸核酮糖在 5- 磷酸核酮糖激酶的催化下，都形成1， 5- 二磷酸核酮糖，因而 CO2受體得以再生（圖 6-3） ，又可接受 CO 2，重復上述一系列的反應，最終結局是將CO2 同化成為己糖，在此過程中消耗了大量的ATP 和 NADPH 2。1 ， 5- 二磷酸核酮糖的再生，是卡爾文環(huán)的特有反應，它的再生需要能量， 是不可逆反應，需要5- 磷酸核酮糖激酶催化。Calvin 環(huán)中 CO2 受體的再生綜上所述，卡爾文環(huán)中包括

30、了 BMP 和 HMP 途徑中的某些反應，但是卡爾文環(huán)有自身的關鍵酶系，而且這些酶系所催化的反應都是不可逆的，它們是1 ，5-二磷酸核酮糖羧化酶， 1 ， 7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶和 5 磷酸核酮糖激酶。由于這些酶存在，保證卡爾文能沿合成方向運行?？栁沫h(huán)每運行一周可將6 分子CO2 同化成1 分子葡萄糖。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。大量的能量消耗在由 3-磷酸甘油酸被還原成3-磷酸甘油醛的還原階段，共計消耗12 分子 ATP 和 12 分子 NADPH2 ，在還原階段所生成的

31、12 分子 3- 磷酸甘油醛中，有2 分子被用以縮合成 1 分子葡萄糖，其余10 分子 3-磷酸甘油醛與參與CO2 受體分子再生的復雜反應系列，最終又組建成6 分子的 1 ， 5-二磷酸核酮糖，在這個復雜的反應系列中，除最后一步反應，由5-磷酸核酮糖生成1, 5-二磷酸核酮糖，需要ATP外(共需要6分子ATP),其它反應都不需要外加能量。因此，每合成一分子葡萄糖，需要固定 6 分子CO2 ，消耗 l8 分子 ATP 和 12 分子 NADPH 2，總反應式為：6CO 2+18ATP+12NAD(P)H 2 C6H 12 O 6 +18ADP+18Pi+12NAD( P)ATP 和 NAD(P)

32、H 2被稱為同化力， 在光合生物中是靠光能形成的， 在無機自養(yǎng)細菌中則靠氧化無機物獲得。卡 爾 文 環(huán) 的 能 量 轉 化 效 率 相 當 高 ， 18molATP 約 計 586.04kJ ，12molNADPH2 約計 2574.39kJ ，即每合成lmol 葡萄糖需輸入3160.43kJ 。而1mol 葡萄糖被徹底氧化時會放出約 2804.62kJ 。因此，有90 的能量被貯存在合成產(chǎn)物葡萄糖分子中， 只有 10 的輸入能量消耗于卡爾文環(huán)的運行， 因此， 能量轉化效率是很高的。另外還有還原的三羧酸環(huán)和還原的單羧酸環(huán)兩條途徑，感興趣的同學可參閱 相關參考書?？傊?，自養(yǎng)型 CO2固定的特點是

33、CO2被固定在一有機物受體上，一些接受了 CO2的受體分子經(jīng)過一系列的反應，將CO2組成碳水化合物，并重新生成該受體。(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。從理論上來講，利用 1 分子草酰乙酸就可以不斷地推動TCA 環(huán)的運行( 因為草酰乙酸可通過TCA 環(huán)再生 ) 。假如 TCA 環(huán)中的中間產(chǎn)物被用作生物合成的原材料， 那么就必須加以補充， 才能維持TCA的正常運行。異養(yǎng)微生物依靠固定 CO2生成四碳二竣酸，補充TCA環(huán)的中間產(chǎn)物。催化這類反應的酶有以下幾種：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)生無機磷酸2，磷酸烯醇式丙酮酸

34、羧基激酶：它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸，同時使 ADP 轉為 ATP3,磷酸烯醇式丙酮酸竣基轉磷酸化酶：它所催化的反應與相同，但需要二碳酸和無機磷酸，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 轉化成ADP和 Pi ，反應中還需要生物素。5，蘋果酸酶：它催化丙酮酸還原羧化成蘋果酸，以NAD(P)H 2 為供氫體。6,異檸檬酸脫氫酶：它催化a-酮戊二酸還原竣化成異檸檬酸，需要NAD(P)H 2。毫無疑問，以上六種酶，并不同時存在于一個有機體中，例如腸桿菌科中就以磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶為主， 催化固定 CO2 的反應。 三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物的消耗（用于生物合

35、成），可由這些固定作用加以補充。以上固定CO2 的途徑可歸納如圖 6 l0。此外，在脂肪酸合成中也有固定CO2 的反應，如乙酰-CoA 在乙酰 -CoA 羧化酶的催化下生成丙二酰-CoA ，此反應得要生物素和 ATP。在核苷酸合成中也有固定 CO2 的反應， 如嘌呤核苷酸合成中， 5-氨基咪唑核糖-5-磷酸與CO2反應，生成5-氨基-4-竣基咪唾核糖-5磷酸。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。異養(yǎng)型固定 CO2 的方式， 在許多微生物中都有， 甚至某些自養(yǎng)的光合細菌也有此種反應方式。這種固定 CO 2方式的特點是CO2 被固

36、定在某種有機物（主要是有機酸）中，結果是加長了碳鏈，使來自CO2 的碳原子也可用于某些物質的生物合成。第七節(jié)微生物的光合作用光合作用是自然界一個極其重要的生物學過程，除高等植物外，還有光合微生物，如藻類、藍細菌和光合細菌 （包括紫色細菌、綠色細菌、嗜鹽菌等）。在植物、藻類和藍細菌的光合作用中，還原CO2 的電子是來自水的光解，并有氧的釋放。把這類光合作用稱為放氧型光合作用。在光合細菌中， 光合作用還原CO2的電子是來自還原型無機硫、氫或有機物，沒有氧的釋放，把這種類型的光合作用稱為非放氧型光合作用。光合作用的本質是指生物（包括植物、藻類和光合細菌）將光能轉變?yōu)榛瘜W能，并以穩(wěn)定形式貯藏的過程。前

37、者是指光化反應階段，后者是指暗反應階段?，F(xiàn)分別介紹幾種光合細菌的能量轉化。、紫色細菌的光能轉化紫色細菌的光能電子傳遞見圖 7-1 。紫色細菌的光能點子傳遞途徑從上圖可知，紫色細菌是以環(huán)式電子傳遞方式進行的。其過程可分為五步：( 1 )光的吸收，紫色細菌通過光捕獲復合體 (Bchl 十類胡蘿卜素十 B870) ； ( 2 )使反應中心葉綠素(P870) 處于激發(fā)態(tài)(P*870) ； ( 3 )電荷分離，P*870 失去一個電子為 P+870 ，高能電子躍升到電子受體細菌脫鎂葉綠素 (Bph) 形成 Bph- ； ( 4 )電子沿醌鐵蛋白 (QFe) ， Q 細胞色素 b 到 C2 順序移動，電子

38、在細胞色素b 至 C2時偶聯(lián)磷酸化產(chǎn)生ATP； (5) 低能電子返回到 P+870 形成 P870 ， 然后整個系統(tǒng)又接受光量子重復上述過程。紫色細菌在生物合成中需要NAD(P)H 。當其在氫中生長時，可以利用分子氫直接還原 NAD(P)+ 為 NAD(P)H 。在異養(yǎng)生長時，各種氧化還原電位較高的基質對NAD+ 的還原一般都是由光能推動的。紅螺菌科中醌鐵復合體的氧化還原電位不夠低，不能直接還原NAD+ ,它們是通過環(huán)式電子傳遞產(chǎn)生AP,再由AP推動從琥珀酸到 NAD+ 的電子逆轉，以還原NAD+ 為 NADH 。紫色細菌光能轉化的特點是：紫色細菌能利用長波光，Bchl吸收光的峰值為870nm ； 紫色細菌是環(huán)式電子傳遞方式進行的； 在異養(yǎng)生長時一般不能直接還原 NAD+ 為 NADH 。二、綠色細菌的光能轉化綠色綱菌的光能電子傳遞見下圖。從圖中可知，綠色細菌也是以環(huán)式電子方式進行傳遞的，